浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳 功 繆阿海

隨著電子工業(yè)的日益發(fā)達(dá)，不論是消費(fèi)性電子產(chǎn)品或是需要高精確度的電子計(jì)算機(jī)均需以優(yōu)良的印刷電路板為基礎(chǔ)。自動(dòng)光學(xué)檢測是在批量生產(chǎn)中采用的一種在線檢測方法，AOI檢測系統(tǒng)是將PCB板上的器件或者特征比如焊點(diǎn)捕捉成像并且通過軟件處理，判斷這一器件或者特征是否完好，然后得出檢測結(jié)果判斷諸如元件缺失、極性反轉(zhuǎn)、焊接錫橋或者焊點(diǎn)質(zhì)量問題等。隨著高密度PCB電路布線和高產(chǎn)量的要求，PCB板的檢測最早采用人工目測方式，人工目測方式不能滿足可靠性的要求。自動(dòng)光學(xué)AOI的檢測技術(shù)不僅能檢查人工目測無法查出的缺陷外，還可以檢測到在線測試針床無法接觸到的元器件和焊接點(diǎn)，提高缺陷覆蓋率。自動(dòng)光學(xué)AOI的檢測技術(shù)還能把生產(chǎn)過程中各工序的工作質(zhì)量以及出現(xiàn)缺陷的類型等情況收集并反饋回來，供工藝控制人員分析和管理降低印刷電路板廢品率。自動(dòng)光學(xué)AOI的檢測技術(shù)是一個(gè)日益廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在PCB板領(lǐng)域、半導(dǎo)體、陶瓷基片印刷線路、太陽能以及煙草、布匹、紙張、汽車制造等很多生產(chǎn)領(lǐng)域都發(fā)揮作用。自動(dòng)光學(xué)AOI的檢測技術(shù)已經(jīng)日益為自動(dòng)化檢測取代人工在很多方面起著越來越大的推動(dòng)作用。從AOI系統(tǒng)中的多光源照明系統(tǒng)出發(fā)，重點(diǎn)研究AOI系統(tǒng)中LED照明光源與驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，避開傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些弊端，簡化設(shè)計(jì)的過程節(jié)約成本提高效率。

1.自動(dòng)光學(xué)檢測AOI系統(tǒng)

自動(dòng)光學(xué)檢測AOI系統(tǒng)主要有多光源照明系統(tǒng)、高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)攝像系統(tǒng)、高速精密機(jī)械控制系統(tǒng)和PC機(jī)圖形處理系統(tǒng)組成。自動(dòng)光學(xué)檢測AOI系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)光學(xué)檢測AOI系統(tǒng)框圖

(1)多光源照明系統(tǒng)

在AOI檢測系統(tǒng)中，好的光源和照明方案往往是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，起著非常重要的作用，它不是簡單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分考慮光源與光學(xué)鏡頭的相對位置、物體表面的紋理，物體的幾何形狀、背景等要素。光源的必須符合所需要的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性等，同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。

表1 各種光源對比

(2)高速精密機(jī)械控制系統(tǒng)

在對每一塊PCB板進(jìn)行檢測時(shí)，AOI系統(tǒng)的工作臺(tái)都要自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到攝像頭位置，進(jìn)行圖像攝取動(dòng)作。因此要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精密準(zhǔn)確運(yùn)行，才能完成正確的檢測過程。

(3)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)攝像系統(tǒng)

在AOI的CCD攝像系統(tǒng)中，主要解決兩大難題：一是CCD攝像系統(tǒng)的集成，包括圖像攝取、數(shù)據(jù)傳輸、圖像處理技術(shù)；二是算法，主要涉及到元件識(shí)別、圖像處理速度等問題。CCD攝像系統(tǒng)可以通過人機(jī)界面與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和標(biāo)定系統(tǒng)交換信息，通過人跡界面可以觸發(fā)視覺系統(tǒng)，進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集、關(guān)閉采集、讀入圖像、顯示圖像等功能。人機(jī)界面發(fā)送作業(yè)命令時(shí)，由CCD攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描。

(4)PC機(jī)圖形處理系統(tǒng)

AOI系統(tǒng)軟件要有強(qiáng)大的安全保護(hù)和平穩(wěn)的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)支持等特性。軟件的核心有運(yùn)動(dòng)控制、視覺處理及算法三大部分組成，用戶通過視窗界面完成各種運(yùn)動(dòng)控制、視覺識(shí)別；軟件支持工藝數(shù)據(jù)編程，真正實(shí)現(xiàn)了工藝編程的所見所得特性；同時(shí)軟件支持多種方式的作業(yè)模擬與仿真，使操作人員在批量作業(yè)前驗(yàn)證和測試作業(yè)數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)漏檢和誤檢。

多光源照明技術(shù)、高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)攝像系統(tǒng)、高速精密機(jī)械控制系統(tǒng)和PC機(jī)圖形處理系統(tǒng)相互結(jié)合，使得PCB的光學(xué)檢測水平得到極大提高。

多光源照明系統(tǒng)位于檢測系統(tǒng)的前端，其性能直接影響著采集圖像的質(zhì)量和后續(xù)的圖像算法處理。在自動(dòng)光學(xué)檢測的實(shí)際應(yīng)用中，光源并不僅僅是為照亮物體而設(shè)計(jì)的，光源和照明方案的好壞往往直接影響著圖像的成像質(zhì)量，間接決定了整個(gè)系統(tǒng)的成敗。在對物體的檢測過程中，光源起著決定性的作用。常見光源有：白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、鈉燈、金屬鹵化物燈、氙燈、LED光源，激光等詳細(xì)參數(shù)見表1所示。不同的光學(xué)檢測系統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)總是不一樣的，這是因?yàn)橛绊懻彰鞣桨傅囊蛩胤浅６?。例如光的?qiáng)度、顏色、均勻性、光源的結(jié)構(gòu)、大小、照明方式以及被測物體的光學(xué)特性、距離、物體大小、背景特性等。

從性價(jià)比來考慮，白熾燈光源AOI是一般企業(yè)較佳選擇，如果參數(shù)編輯恰當(dāng)，假缺陷誤報(bào)會(huì)大幅度降度，漏檢率也很低。目前最明顯的發(fā)展趨勢是采用發(fā)光二極管(LED)光源，選用高亮度LED作為光源，使用壽命長60000-100000小時(shí)，光的單色性好，便于提高測量精度，安裝空間較小，可以根據(jù)對照明光強(qiáng)的實(shí)際需要方便地增加和減少LED數(shù)目。由于LED光源是采用多顆LED排列而成，可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的光源照射角度，有多種顏色可選，包括紅、綠、藍(lán)、白，還有紅外、紫外。至于冷光源，是一種近幾年發(fā)展起來的新型照明光源，用光導(dǎo)纖維傳光束（簡稱光纜）將其發(fā)出的光束傳至照明的地方。它的輸出的可見光具有基本上無熱量、高強(qiáng)度、無陰影、無震動(dòng)、多級(jí)可調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)，針對不同檢測物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色，也就是不同波長的光源，達(dá)到理想效果。LED光源的最大優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、體積小、發(fā)熱小、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長、易于組成不同形狀的光源等等。在照明技術(shù)中光源的特性是最重要的。

光源控制器由于LED是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，因而在應(yīng)用過程中需要對其進(jìn)行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護(hù)，從而產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)的概念。LED作為驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載，經(jīng)常需要幾十個(gè)甚至上百個(gè)組合在一起構(gòu)成發(fā)光組件，選用什么樣的LED驅(qū)動(dòng)器，LED作為負(fù)載采用什么樣的連接方式，直接關(guān)系到其可靠性和壽命。LED器件對驅(qū)動(dòng)電源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是2～3.5伏的低電壓驅(qū)動(dòng)，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源驅(qū)動(dòng)器。LED燈的發(fā)光強(qiáng)度是由流過LED的電流決定的，電流過中會(huì)引起LED的衰減，電流過弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此LED驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證LED使用的安全性，還需要滿足預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性。所以傳統(tǒng)上用于驅(qū)動(dòng)燈泡（鎢絲）、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源并不適合直接驅(qū)動(dòng)LED。LED驅(qū)動(dòng)器即供電電路涉及及電源本身效率，電源本身效率低就無法體現(xiàn)節(jié)能效果，提高驅(qū)動(dòng)效率也是充分體現(xiàn)半導(dǎo)體照明優(yōu)越性的關(guān)鍵。同時(shí)，LED大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，常常因?yàn)殡娫磯勖黄ヅ洹⒖煽啃圆蛔愕葐栴}影響LED產(chǎn)品的可靠性。要充分發(fā)揮LED燈的潛能，照明驅(qū)動(dòng)電源是關(guān)鍵的支撐因素之一。國際市場上國外客戶對LED驅(qū)動(dòng)電源的效率轉(zhuǎn)換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容、異常保護(hù)的要求都非常高，設(shè)計(jì)一款好的電源必須要綜合考慮這些因數(shù)，因?yàn)殡娫吹淖饔镁秃帽认袢说男呐K一樣重要，必須要有個(gè)好的芯片作為保障，否則就是個(gè)華而不實(shí)的空殼。

2.光源設(shè)計(jì)涉及到的重要因素

光源設(shè)計(jì)涉及到的重要因素有：

(1)光譜特征是由單一的或者多種成分的光譜組成的。光的顏色取決于光源所產(chǎn)生的光的類型，以及覆蓋在光源或攝像機(jī)鏡頭上的光學(xué)濾色鏡。光源的顏色及測量物體表面的顏色決定了反射到攝像頭的光能的大小及波長。分析多種顏色特征來選擇光源的時(shí)候，色溫是一個(gè)比較重要的因素。在實(shí)際的應(yīng)用中，要考慮到顏色的因數(shù)。光的三原色：紅、綠、藍(lán)；色彩三原色：青、紫、黃。世界上所有顏色都是由三原色按不同比例組合而成如圖2所示。

(2)對比度：對比度對光學(xué)檢測來說非常重要。對比度定義為在關(guān)鍵特征與其周圍的區(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。光學(xué)檢測中照明的最重要任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對比度，從而易于特征的區(qū)分。好的照明應(yīng)該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。

(3)亮度：當(dāng)選擇兩種光源的時(shí)候，最佳的選擇是更亮的那個(gè)。光源不夠亮?xí)r，可能有三種不好的情況出現(xiàn)：第一、相機(jī)的信噪比不夠，由于光源的亮度不夠，圖像的對比度必然不夠，在圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大；第二、光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深；第三、當(dāng)光源的亮度不夠時(shí)，自然光等隨機(jī)光對系統(tǒng)的影響會(huì)最大。

圖2 三原色按不同比例組合圖

(4)均勻性：在自動(dòng)光學(xué)檢測中，幾乎要求均勻的光照。因?yàn)樗械墓庠措S著距離的增加和照射角度的偏離，其照射強(qiáng)度減小，所以在對大面積物體照明時(shí)會(huì)帶來較大的問題。

(5)效率：有些光源效率很高，相對于能量的消耗，其散發(fā)出更加多的光能，例如熒光燈。而鎢燈，產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量，能量消耗也很大。一般，光源的溫度越高，其壽命就會(huì)縮短，其消耗的能量就相對較高。

3.總結(jié)

許多光源需要在自動(dòng)光學(xué)檢測AOI系統(tǒng)的使用過程中更換。如果光源很昂貴，在使用過程中可能會(huì)增大后期費(fèi)用。光源控制器采用100-220V交流電壓供電，LED光源提供持續(xù)穩(wěn)定的電壓，采用高速光耦隔離設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)安全隔離防止了控制器與其他電路系統(tǒng)之間的相互干擾又可以滿足高于高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的快門。自動(dòng)光學(xué)檢測AOI系統(tǒng)中應(yīng)用的LED的發(fā)光等級(jí)或亮度通常與正向電流的大小正比，為滿足不同的輸入電壓、輸入電流及不同的LED數(shù)量的要求，通過控制光源控制器除了可驅(qū)動(dòng)白光LED外也可驅(qū)動(dòng)藍(lán)光LED或者其它顏色的LED光源的要求。自動(dòng)光學(xué)檢測AOI系統(tǒng)的控制光源控制器可以實(shí)現(xiàn)為光源提供照明強(qiáng)度的無級(jí)調(diào)節(jié)和燈光顏色的改變。外觸發(fā)靈活，高低平可選，適應(yīng)不同的外部傳感器。無觸發(fā)時(shí)光源常亮；體積小，操作簡單。自動(dòng)光學(xué)檢測AOI系統(tǒng)通過LED的電流不應(yīng)該超過設(shè)備規(guī)定的額定電流，否則可能造成永久傷害。

[1]任博成.電子組裝中的復(fù)雜技術(shù)[J].電子工藝技術(shù),2006,27(3):83-86.

[2]邴守東.PCB自動(dòng)光學(xué)檢測儀工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[3]胡水華.SMT生產(chǎn)線中AOi系統(tǒng)的研究[J].西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[4]莊凱平.自動(dòng)光學(xué)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)設(shè)備發(fā)展趨勢[J].臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院量測技術(shù)中心.

[5]Joseph L Vilella.閉環(huán)大尺寸數(shù)字彩色AOI系統(tǒng)[J].SMT,2002,16(7):34-36.