LED背光源缺陷检测方法的研究

罗 龙，胡 泓，杨永生 ，谭开志

1 引言

随着人们生活水平的不断提高，高质量、大尺寸液晶显示屏备受青睐。液晶显示屏自身不发光，需借助其他光源[1]。具有优质显示质量等优点的LED成为显示屏的首选光源。按光源位置，背光源可分为侧入式和直下式两类[2]。侧入式背光源光线从显示屏侧面进入，直下式背光源光线从显示屏后侧进入，直下式背光源在大尺寸液晶显示屏中应用最广泛。直下式背光源中，为了减小背光模组厚度，增加LED出光的均匀性，通常设计了二次光学透镜。发光晶片被封装在PCB灯条上，晶片上方装配透镜，透镜通过热塑方式与PCB灯条连接。晶片与透镜可能存在位置偏移缺陷，将会降低显示质量。目前，针对背光源的缺陷研究主要集中在LED封装工艺缺陷检测[3]、背光模组表面缺陷检测[4]、透镜自身缺陷检测[5]等方面，而晶片与透镜之间的位置偏移缺陷的研究还未见公开报道。由于缺陷尺度小，人工目测的方法失效。点亮背光源后，其在显示屏上形成的图像信息能够反映透镜和晶片间的位置关系，故可用图像处理的方法研究缺陷。随着计算机功能和技术的不断增强，图像处理技术在缺陷检测领域得到广泛的应用，图像处理技术已应用于铜极表面缺陷检测[6]、光学薄膜表面微细缺陷检测[7]等。

2 主要研究内容

2.1 背光源光路分析及建模仿真

直下式LED背光源及各类偏移，如图1所示。根据背光源灯珠质量要求，透镜与发光晶片间的水平、高度、角度偏移不超过0.02mm、0.1mm、0.2°。背光源透镜及透镜对发光晶片光线的作用，如图2所示。透镜有内、外两曲面，大部分光线经两曲面两次折射后扩散到更大的空间，较少光线经透镜中心射出。经透镜后中心区域光线少、外侧光线较多。

图1 直下式LED背光源外形及偏移类型Fig.1 Straight Down LED Backlight Shape and Offset Type

图2 透镜结构及其对晶片光线的作用Fig.2 Len Structure and Effects on Light from Chip

在光学软件Tracepro中建立背光源模型并进行光线追迹，如图3所示。显示屏上红色、绿色、蓝色光线分别表示光线到达接收面后能量为初始能量的66%～100%、33%～66%、0～33%。

图3 背光源模型及照度曲线Fig.3 Backlight Model and Illumination Curve

显示屏照度呈中心区域低（暗），而外侧区域的高（亮）分布特点。过屏幕中心沿水平、竖直方向的照度曲线则为双峰曲线，与前面分析结果一致。通过在设置不同缺陷并仿真，得到不同缺陷下的照度分布特点：

（1）存在水平偏移时，照度曲线不对称，曲线两峰值差值较大，曲线谷值不变。

（2）存在高度偏移时，照度曲线对称，曲线两峰上移。

（3）存在角度偏移时，角度偏移是前两类偏移的叠加，则照度曲线变化也应为前两种变化的叠加。则照度曲线不对称，曲线两峰值差值较大，曲线谷值增加。

2.2 图像采集平台设计

设计的图像采集平台，如图4所示。采集背光源光线在显示屏上形成的图像。图像采集平台中，1为图像采集器，2为微位移移动台，3为背光源灯条，4为支承架，5为X向滑轨。图像采集器中，1为电机，2为Z向滑轨，3为显示屏，4为CCD相机，5为相机座。微位移移动台中，1、2、3、4 分别为X、Y、Z向及旋转微分头，5为背光源透镜。图像采集器可沿X向滑轨运行，CCD相机可沿Z向滑轨运行，背光源发出的光线在接收屏上形成图像，由相机采集图像。微位移移动平台可模拟透镜和发光晶片间的微小位移，将透镜和晶片分离，并将透镜固定在悬臂梁上，分别调节X、Y、Z向微分头及旋转微分头，从而使透镜和晶片之间产生（水平、高度、角度）偏移。

图4 图像采集平台Fig.4 Image Acquisition Platform

2.3 灰度曲线算法设计

图5 原始图像及灰度曲线获取方向Fig.5 Original Image and Gray Curve Choosing Direction

图像灰度和照度之间存在转换关系[8]，故图像处理算法针对灰度设计。当透镜与晶片间无位置偏移时形成的图像，如图5所示。图像中心灰度低，往外侧逐渐增大，然后再降低。选择过图像中心间隔45°的四个方向求取灰度曲线，此时任意方向灰度曲线均为对称双峰曲线。

根据前文，图像灰度曲线与缺陷类型之间具有对应关系：与无缺陷时的灰度曲线相比，存在水平偏移时必有灰度曲线为非对称曲线，且曲线中间谷值不改变；存在高度偏移缺陷时任意方向灰度曲线数值均会整体增大；存在角度偏移时灰度曲线为非对称曲线，且曲线中间谷值增大。

寻找图像中心的方法有形心法、最小二乘曲线拟合法[9]及Hough变换法[10]。图像无明显分界，故采用灰度质心法，即计算多幅图像平均灰度质心，以作为图像中心。

图像原尺寸为m×n。以图像中心为中心选定矩形框（尺寸为l×l）内图像为对象，从中心分别沿 0°、45°、90°、135°划分 w 像素宽度的区域；用Opencv的灰度值计算函数求点（i，j）的灰度值f（i，j）；获得相应方向灰度随坐标变化的曲线。

0°方向各点灰度值的计算步骤为：（1）从l×l矩形框内图像的第一列开始，计算坐标（（l-w）/2， ）0 若是非整数，则取整）处灰度值，然后横坐标依次增加一个像素，获得对应坐标的灰度值，并与前一点的灰度值相加。横坐标增加至（l-w）/2， ）0 为止，将灰度值总和与w相除，并将商作为图像在n/2，（）0 处的灰度值；（2）列依次增加1，并重复（1），直到列为l，从而获得0°方向每个点的灰度值。

90°方向各点灰度值的计算步骤与0°方向灰度值计算类似。

0°、90°方向各坐标灰度值计算流程，如图6所示。

图6 灰度计算流程Fig.6 Gray Value Calculation Process

为了计算45°或135°两方向相应坐标的灰度值，先进行图像旋转变换，将倾斜方向转变为0°或90°方向。图像绕中心旋转，图像内容不变，且图像变换等效于矩阵变换。

图像顺时针旋转θ角，则变换矩阵T及逆矩阵T-1为：

设原图像坐标为（i0，j0），图像变换后该坐标为（i，j），则图像顺、逆时针旋转变换后，有：

（i，j）为整数，经反算后（i0，j0）为实数。灰度值对整数点定义，故图像变换中需进行插值运算。采用双线性插值，考虑（i0，j0）附近四个点灰度对其灰度的影响。

将（i0，j0）变为：

式中：x，y—非负整数；p，q—小于 1 的正实数。

原图像左上角坐标（0，0），右下角坐标为（m，n），则（x+p，y+q）及其附近四点灰度为f（x+p，y+q），f（x，y），f（x+1，y），f（x，y+1），f（x+1，y+1），此四点灰度值分为以下情况计算：

（1）若（i0，j0）在原图像外，则f（x，y），f（x+1，y），f（x，y+1），f（x+1，y+1）均为 0。

（2）若（i0，j0）在原图像内，则：

（a）若 x+1≤m、y+1≤n，则（i0，j0）周围四个点均在原图像内，直接得到四个点灰度值；

（b）若x+1＞m、y+1＞n，则；f（x+1，y）=f（x，y+1）=f（x+1，y+1）≈f（x，y）

（c）若x+1≤m、y+1＞n，则，f（x，y+1）≈f（x，y），f（x+1，y+1）≈f（x+1，y）；

（d）若x+1＞m、y+1≤n，则f（x+1，y）≈f（x，y），f（x+1，y+1）≈f（x，y+1）。

则（x+p，y+q）的灰度值为：

最后将f（x+p，y+q）作为（i，j）的灰度值，从而获得灰度曲线上所有点的灰度值。

2.4 试验分析

结合图像采集平台和图像处理算法，使用微位移移动平台实现透镜和发光晶片之间的位置偏移，进行试验。当透镜与晶片间无位置偏移时，获得对称双峰灰度曲线。选取曲线上三个关键位置即左峰值、中间谷值、右峰值为研究对象，并分别用LP、CP、RP表示，令ΔP为左右峰值差的绝对值。

（1）当透镜与晶片间存在水平偏移（取为X向）时，0°方向灰度值变化最剧烈，选择0°方向灰度曲线为研究对象。令X向偏移量从0开始以0.01mm的幅度递增至0.1mm，获得灰度曲线各关键位置灰度值，如表1所示。

可看出，随着水平偏移量增加，灰度曲线不再对称，曲线上两峰值LP、RP反向线性变化且峰值差ΔP越来越大，曲线中间谷值CP几乎不变，检测精度0.01 mm。

表1 X向偏移时灰度曲线关键位置灰度值Tab.1 Key Position Gray Value on Gray Curve for X Offset

（2）当透镜与晶片间存在高度偏移（Z向偏移）时，由对称性可知可取任意方向的灰度曲线作研究对象，此处取45°方向的灰度曲线。令Z向偏移量从0开始以0.04mm幅度递增至0.38mm，获得灰度曲线各关键位置灰度值，如表2所示。

表2 Z向偏移时灰度曲线关键位置灰度值Tab.2 Key Position Gray Value on Gray Curve for Z Offset

由上可知，随着高度偏移量增大，灰度曲线仍然对称，曲线左右峰值同向增大且峰值差ΔP几乎不变，而曲线中间谷值CP不断增加，检测精度为0.04 mm。

（3）当透镜和晶片间存在角度偏移时，设角度为透镜绕Y轴旋转角度。角度偏移是高度和水平偏移的叠加，故选0°方向灰度曲线为研究对象。令偏转角度从0开始按0.1°的幅度增至1°，所获得的灰度曲线关键数据，如表3所示。

表3 角度偏移时灰度曲线关键位置灰度值表Tab.3 Key Position Gray Value on Gray Curve for Tilt Offset

可知，随着角度偏移量不断增大，灰度曲线不再对称，曲线左右峰值反向变化，峰值差ΔP线性增大，同时曲线中间谷值CP不断增大，检测精度为0.1°。

3 结论

针对LED背光源中透镜和发光晶片间存在的位置偏移，采用光学理论分析了晶片光线经透镜作用后在显示屏上的分布特点及照度曲线规律，设计了图像采集平台以获取光线在显示屏上的图像，并基于图像处理理论设计了图像灰度及灰度曲线计算方法，根据偏移类型与灰度曲线间的对应关系对背光源进行位置偏移检测。通过对LED背光源进行试验，结果表明，该检测方法可有效检测背光源的水平、高度、角度偏移，检测精度分别为0.01 mm、0.04 mm、0.1°。可知检测精度高于背光源要求各向的最大偏移量，即0.02mm、0.1mm、0.2°，表明该检测方法对于LED背光源的装配缺陷的检测是有效的。