史艷瓊,盧榮勝,張騰達(dá)

(1.淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系,安徽 淮南 232001;2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥 230009)

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液晶顯示屏背光源模組表面缺陷自動光學(xué)檢測系統(tǒng)設(shè)計*

史艷瓊1,盧榮勝2*,張騰達(dá)2

(1.淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系,安徽 淮南 232001;2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥 230009)

詳細(xì)介紹了自動光學(xué)檢測技術(shù)在液晶顯示屏背光源模組表面缺陷在線檢測中的應(yīng)用,分析并比較了背光源模組缺陷自動光學(xué)在線檢測中的成像技術(shù)、檢測系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計方法,闡述了檢測結(jié)果為不良品的返修方法。給出了背光源模組表面缺陷常見缺陷的種類和缺陷分類判斷準(zhǔn)則,把種類繁多的背光源模組表面缺陷分為畫面缺陷、外觀缺陷與異常缺陷;根據(jù)背光源模組缺陷形成的原因、種類,設(shè)計了背光源模組缺陷點燈檢測和非點燈檢測兩種自動光學(xué)檢測方案,所設(shè)計的自動光學(xué)檢測方案對背光源模組組裝產(chǎn)業(yè)開發(fā)缺陷檢測系統(tǒng)具有有益的參考價值。

自動光學(xué)檢測;背光源模組;表面缺陷

TFT-LCD液晶顯示屏已廣泛應(yīng)用于電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品的文本與圖像顯示,其中的背光源模組是液晶顯示屏中的關(guān)鍵元件之一,功能在于供應(yīng)充足的亮度與分布均勻的光源,使液晶面板能正常顯示影像。背光源類型按光源類型劃分主要有EL、CCFL及LED 3種,依光源分布位置不同可分為側(cè)光式和直下式(底背光式)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,由燈管、燈管反射片、導(dǎo)光板、底反射板、擴(kuò)散片、交叉棱鏡膜、上保護(hù)膜等薄片型光學(xué)零件組成。背光源模組在生產(chǎn)過程中由于原材料和生產(chǎn)過程的技術(shù)原因,會產(chǎn)生多種缺陷,如各光學(xué)膜片上的外來雜質(zhì)和表面劃傷等,這些缺陷的產(chǎn)生將對液晶顯示屏的使用性能帶來嚴(yán)重的影響。為了降低生產(chǎn)成本,提高零件制造與部件組裝過程中的成品率,生產(chǎn)過程中需要對背光源模組各光學(xué)膜片的微觀和宏觀缺陷,進(jìn)行100%實時在線自動檢測。

基于自動光學(xué)檢測技術(shù)的表面缺陷檢測方法,由于不需要或較少需要人工干預(yù),是一種自動化、高性能的檢測方法,是實現(xiàn)100%實時在線自動檢測的一種有效手段,也是當(dāng)前發(fā)展最快的表面缺陷檢測方法之一[1-2],已經(jīng)在液晶顯示屏[3]、鋼板軋制[4]、紡織品[5]等生產(chǎn)過程中得到逐步應(yīng)用。但目前國內(nèi)背光源模組的在線檢測,不少廠家還是采用人工目視檢測,不僅難以降低生產(chǎn)成本,也難以保證液晶顯示屏的制造質(zhì)量。隨著表面缺陷檢測技術(shù)的研究發(fā)展,采用自動光學(xué)檢測技術(shù)檢測背光源模組的表面缺陷,是當(dāng)前背光源模組器件制造與部件組裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢,本論文結(jié)合工程應(yīng)用需要分析比較了背光源模組表面缺陷自動光學(xué)檢測方案。

圖1 TFT-LCD液晶顯示屏背光源模組結(jié)構(gòu)示意圖

1 背光源模組表面缺陷的分類與檢測技術(shù)要求

物體表面上的缺陷種類繁多[6],背光源模組表面缺陷按照在產(chǎn)品上的位置可分為畫面缺陷、外觀缺陷與異常缺陷;按照形狀可分為:①點狀缺陷:黑點、點狀異物、白點、亮點(含發(fā)亮異物和殘/液膠),②劃痕:刮傷、線狀刮傷、擦傷,③線狀異物,④污跡:油跡、臟污、指紋,⑤點燈不亮、燈管閃爍、暗帶/暗影/亮斑,⑥裝配不良:燈管離型紙脫落,漏光,Film材漏(多)裝、組裝不良,FPC折痕、劃傷、錫點氧化、氣泡、錫點多錫少錫等。在背光源模組裝配過程中,人工檢測目前仍然是有些組裝廠的主要檢測方法,根據(jù)背光源模組缺陷形成的原因、種類,檢測方式通常有兩種:點燈檢測和非點燈檢測。表1和表2列出了某手機(jī)液晶顯示屏背光源模組表面缺陷人工目視檢測方法、缺陷大小和形狀的判斷準(zhǔn)則。

表1 背光源模組表面缺陷人工目測檢測方法

表2 背光源缺陷判斷標(biāo)準(zhǔn)

2 表面缺陷自動光學(xué)檢測技術(shù)

自動光學(xué)檢測技術(shù)將光學(xué)傳感技術(shù)、運動控制技術(shù)與信號處理技術(shù)集成運用,執(zhí)行工業(yè)生產(chǎn)過程中的測量、檢測、識別和引導(dǎo)等任務(wù)。目前在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的是基于機(jī)器視覺成像原理的自動光學(xué)檢測技術(shù),它是采用高分辨率與高靈敏度的成像技術(shù)(通常使用攝像機(jī))獲取被測目標(biāo)的圖像,再經(jīng)過快速圖像處理與圖形識別算法,從圖像中獲取目標(biāo)的尺寸、位置、方向和缺陷等信息,從而實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品檢驗、裝配線上的目標(biāo)的識別與鑒定、目標(biāo)定位與裝配機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)等任務(wù)。自動光學(xué)檢測技術(shù)的基本原理如圖2所示。

圖2 自動光學(xué)檢測技術(shù)基本原理

圖3 表面缺陷檢測中的照明與成像技術(shù)

在表面缺陷自動光學(xué)檢測中,關(guān)鍵技術(shù)之一是照明與成像技術(shù)。根據(jù)照明光源與相機(jī)之間的角度關(guān)系,可以得到明場照明、暗場照明與背光成像方式。如圖3所示,在暗場照明成像方式中,若光均勻照射在被測物體表面上,光在物體表面上向四周空間均勻散射,進(jìn)入到相機(jī)的光線較少,照度均勻,照相機(jī)接收到的圖像是一個均勻的暗灰色背景。在圖3中,如果物體表面上有一個缺陷,光在缺陷處的散射規(guī)律會發(fā)生變化,導(dǎo)致大量的光線進(jìn)入相機(jī)視場,相機(jī)采集到的圖像中會有一個亮斑,這個量斑的大小和形狀反應(yīng)了表面缺陷狀態(tài)。對于明場照明,其情形與暗場照明相反,若待測物體上沒有缺陷,相機(jī)獲得均勻的明亮背景,如果表面上某處出現(xiàn)缺陷,明亮的背景中會產(chǎn)生暗點。暗場照明適用于光滑的表面(如平板玻璃表面)缺陷檢測,而明場照明主要適用于非光滑的表面;背光照明是在被測表面的背面進(jìn)行照明,適用于透明物體的內(nèi)部缺陷(如氣泡、雜質(zhì)異物等)的檢測[7-8]。

在表面缺陷自動光學(xué)檢測中,相機(jī)能夠檢測到的缺陷信息與缺陷檢測的分辨率,除了成像鏡頭與相機(jī)本身的景深[9]和光學(xué)分辨率外,一個重要的因素是取決于缺陷的本身與光作用的散射特性和相機(jī)相對于光線方向的角度,特定角度的相機(jī)只能感受到特定的缺陷。為了同時檢測到多種表面缺陷,需要采用角度分辨成像技術(shù),也就是在不同的角度布置幾臺相機(jī),對被測表面同時成像,不同相機(jī)拍攝到的圖像含有不同的表面缺陷。一般情況下,沿著3個角度方向布置相機(jī),就可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場合的需求。

如第2節(jié)所述,對于液晶顯示屏的背光源表面缺陷的檢測,采取自動光學(xué)檢測方案時分為點燈檢測與非點燈檢測。點燈檢測可以檢測出背光源模組中的內(nèi)部表面缺陷,點燈檢測不需要外加光源,利用背光源本身發(fā)出的均勻散射光,實現(xiàn)瑕疵檢測。

在背光源缺陷檢測中,對于點狀缺陷、劃痕、線狀異物等缺陷比較容易檢測,檢測圖像直觀,容易判斷。對于誤裝配,如表面Film材有可能安裝不只一片,判斷相對較難,其檢測方式是:拍攝光散射時產(chǎn)生的周期性條紋圖案,如果有傾斜的周期性條紋圖案,表明表面Film材多裝了一片。利用該種方案,也可以檢測背光模組發(fā)光二極管漏光現(xiàn)象,但是該種方法的檢測比缺陷檢測復(fù)雜,因為需要對相機(jī)進(jìn)行光照度標(biāo)定。

對于背光源模組上面的油漬、臟污、指紋、FPC折痕、劃傷、錫點氧化、氣泡、錫點多錫和少錫等情況,需要進(jìn)行非點燈檢測。非點燈檢測時,相機(jī)布置在背光模組的正上方,需要外加條形光源進(jìn)行傾斜照明,采用暗場成像的方法進(jìn)行檢測。

為了能同時檢測不同種類的缺陷,可以用2至3個相機(jī)分別布置在不同的角度進(jìn)行多角度分辨掃描檢測,如圖4(a)所示。當(dāng)檢測到缺陷時,在下個工位用氣浮吸盤機(jī)械手機(jī)構(gòu)把有缺陷的背光源搬運到次品傳輸線上。如果產(chǎn)品表面缺陷較少,有可能用一個相機(jī)就可以實現(xiàn),對于大尺寸的背光源模組,需要采用多相機(jī)掃描拼接的技術(shù),如圖4(b)所示。

圖4 背光源表面瑕疵檢測成像方案

3 數(shù)據(jù)處理和控制方案設(shè)計

圖6 背光源模組在線自動光學(xué)檢測系統(tǒng)

在現(xiàn)代化的背光源制造與組裝線上,背光源的表面缺陷檢測不僅需要100%全檢,還需要做到在線實時,滿足生產(chǎn)線的節(jié)拍對檢測速度的要求。如前述可知,被光源的檢測需要多個攝像機(jī)協(xié)同掃描成像才能完成任務(wù),圖像的數(shù)據(jù)量非常大,甚至達(dá)到每秒幾個Gigabyte的數(shù)據(jù)量,這么大的圖像數(shù)量對采集、傳輸、處理與系統(tǒng)控制技術(shù)提出了非常高的要求。目前通用PC機(jī)CPU的處理能力越來越強,鑒于通用工控CPU可靠性好,成本低,構(gòu)建系統(tǒng)的研發(fā)周期短,可以把掃描圖像分塊交給多個工控多核CPU與圖像處理卡去并行高速處理,滿足裝配線的節(jié)拍要求。

圖5表示了高速圖像采集、傳輸、處理與控制的架構(gòu)方式,在這種處理架構(gòu)中,相機(jī)采用CameraLink接口的高速掃描數(shù)碼相機(jī),每個相機(jī)輸出的圖像通過CameraLink接口卡分配給一臺甚至4臺工控CPU+圖像處理卡去處理,計算機(jī)之間可以進(jìn)行信息交換,各個處理結(jié)果由一臺主控機(jī)合成,這樣就可以大幅度地提高圖像預(yù)處理速度,解決高速處理難題[10-11]。

圖5 高速圖像采集、傳輸、處理與控制的架構(gòu)方案

4 全自動在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

背光源模組缺陷在線自動光學(xué)檢測系統(tǒng)包括自動上料、編碼、對準(zhǔn)、檢測、分選、返修識別等幾個部分,檢測方案布局與工作原理參見圖6所示。

4.1 自動上料機(jī)構(gòu)

自動上料機(jī)構(gòu)包括裝配線上傳輸來的背光源模組探測、電動與氣動機(jī)構(gòu)抓取、位置校正、送料等部分組成。工作原理如下:

①在裝配線傳輸帶工位(1)的上方放入一個監(jiān)視相機(jī),當(dāng)前道工序組裝系統(tǒng)裝配好背光源模組,把背光源模組放入到傳輸帶上傳輸?shù)焦の?1)后,監(jiān)視相機(jī)拾取到有待測模組時,計算模組在工位(1)處的位置與模組姿態(tài)信息,并發(fā)出工作同步指令給后續(xù)上料與檢測系統(tǒng)。

②監(jiān)視相機(jī)發(fā)出工作同步指令后,氣動與電動缸組成的送料系統(tǒng)把工位(1)處的背光源模組從傳輸帶上吸起來,然后在氣動滑臺的帶動下,把工位(1)處的背光源模組搬運到工位(2)處。在放到工位(2)上之前,計算機(jī)根據(jù)工位(1)上方的相機(jī)拍攝到的模組位置與姿態(tài),發(fā)出指令給真空抓取吸盤角度校正電缸,初步校正背光源模組在空間的角度。當(dāng)背光源模組運送到工位(2)處后,模組在工位(2)處由4個氣動滑缸從四邊向中間對中運動,校正模組的位置,然后背光源模組下方的相機(jī),對模組成像,識別待檢背光源模組噴碼序列號,作為有缺陷模組在返修過程中,從缺陷數(shù)據(jù)庫中自動調(diào)出缺陷信息,指導(dǎo)返修任務(wù)。

③在工位(1)處吸盤抓取背光源模組的同時,右邊的吸盤在工位(2)處把已經(jīng)校正好的模組吸起來,然后在氣動滑臺的帶動下,把校正后的模組輸送檢測轉(zhuǎn)盤工位(3)處。至此,一個上料循環(huán)完成。

4.2 檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計

檢測機(jī)構(gòu)由間隙轉(zhuǎn)動工位轉(zhuǎn)盤、上料位置對準(zhǔn)探測、異常檢測、畫面檢測和外觀檢測工位組成。工作原理如下:

①背光源模組被自動送料機(jī)構(gòu)傳輸?shù)焦の?3)后,轉(zhuǎn)盤在控制系統(tǒng)的控制下,轉(zhuǎn)到工位(4)。在工位(4)的上方安裝一個相機(jī),檢測背光源模組定位是否正常,模組LED燈工作是否正常,并把信息傳給主控計算機(jī)。如果一切正常,則后續(xù)檢測工位按預(yù)定的方案進(jìn)行檢測;如果不正常,后續(xù)檢測對該模組不檢測,然后傳送到工位(9),由分選機(jī)構(gòu)抓取,傳送到不良品傳輸帶上。

②當(dāng)模組轉(zhuǎn)到工位(5)～(8)處后,缺陷掃描成像系統(tǒng)對畫面缺陷進(jìn)行掃描檢測,缺陷掃描成像系統(tǒng)由高速掃描相機(jī)、一維滑動臺、光柵、伺服系統(tǒng)、調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。由于外觀檢測項目較多,一個工位難以不夠,故把工位(7)和(8)兩個工位作為外觀檢測機(jī)構(gòu)。

4.3 分選機(jī)構(gòu)設(shè)計

分選機(jī)構(gòu)由良品與不良品氣動抓取機(jī)構(gòu)、間隙運動傳輸帶組成。結(jié)構(gòu)布局參看圖6所示,其工作原理如下:

①如圖6所示,畫面(外觀、異常等)缺陷檢測完畢后,模組繼續(xù)向下到工位轉(zhuǎn)動,當(dāng)模組運動到工位(9)后:分選機(jī)構(gòu)左邊的氣動吸盤抓取工位(9)上的模組,傳輸?shù)焦の?11)處。

②如果該模組是不良品,在分選機(jī)構(gòu)向工位(9)移動的過程中,不良品傳輸帶向前移動一個工位,把工位(11)清空,等待放置下個模組。

③如果是良品,在下一個時刻分選機(jī)構(gòu)抓取工位(9)上的模組時,右邊的吸盤同時抓取工位(11)上的模組,在分選機(jī)構(gòu)左吸盤把模組放到工位(11)處時,右吸盤把良品模組放置到良品傳輸帶上工位(12)處,然后良品傳輸帶向前移動一個工位,清空工位(12)等待放置下個模組。

傳輸帶之所以作間隙運動,一方面可以節(jié)省空間,即傳輸帶的長度,另一方面考慮到不良品只是少數(shù),這樣可以讓不良品按順序一個一個緊湊地排列在傳輸帶上,不需要有人監(jiān)視,返修人員只要傳輸帶上放滿了不良品后取走返修。

圖7 人工復(fù)檢與不良品人工返修機(jī)構(gòu)

4.4 不良人工目視復(fù)檢與不良品返修

對于檢測到的不良品,再采用人工目視復(fù)檢,并對不良品進(jìn)行返修,系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的布局如圖7所示。在返修工作臺上放置一個電腦,并安裝一臺成像系統(tǒng),拾取不良品背面的編碼。返修顯示電腦通過工業(yè)以太網(wǎng)與缺陷數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連,相機(jī)在電腦的控制下,獲得帶返修的不良品編碼后,根據(jù)編碼從服務(wù)器中調(diào)用缺陷信息,顯示在屏幕上,導(dǎo)引返修人員對不良品進(jìn)行合理的返修。

5 關(guān)鍵器件的選型與性能參數(shù)計算

下面以表1和2所示的某手機(jī)液晶顯示屏背光源模組為例,舉例介紹檢測系統(tǒng)主要器件選型。

①相機(jī)參數(shù)確定與選擇:根據(jù)表2可知,測量系統(tǒng)需要能夠識別黑點、白點和點狀異物的大小為0.1 mm。我們可以選擇分辨率為0.01 mm的相機(jī)與鏡頭組合成像,則0.1 mm的點狀物可以用10 pixel×10 pixel來表示,這樣可以確保0.1 mm點狀物能夠準(zhǔn)確的檢測出來。因此,對于寬為55 mm的背光源模組,相機(jī)的點陣數(shù)為:55/0.01=5 500像素?？紤]到暗場成像需要高靈敏度的相機(jī),我們可以選擇Dalsa ES-80-08K80相機(jī)[12]。

②鏡頭的選擇:Dalsa ES-80-08K80相機(jī)的像元大小為7 μm,因此可以選擇放大倍數(shù)為1左右的光學(xué)鏡頭,接口M72x0.5,生產(chǎn)此類鏡頭的廠商有:日本Nikon、myutron、德國Schneider的鏡頭。

③圖像采集卡與處理卡:相機(jī)的圖像掃描采集卡可以選擇Matrox公司的RadientPro CL和GiDEL公司的PROCStar實時圖像處理卡,也可以選擇Dalsa的Xcelera-CL PX4 Full采集卡和GPU組合[11]。

④測量系統(tǒng)檢測速度:相機(jī)掃描速度為在8 k～68 k之間,則檢測掃描速度為:v=(8 k～68 k)*0.01 mm=(80 mm/s～680 mm/s),對于3.5 inch的背光源掃描成像時間大約為:t=75/(80-680)=1 s～0.1 s,圖像處理時間小于1 s,分選與掃描可以同時進(jìn)行,不占用檢測時間;所以檢測速度為:<1～2 s/每件。

6 小結(jié)

自動光學(xué)檢測技術(shù)是基于光學(xué)成像與高速圖像處理技術(shù)的一種新興的檢測技術(shù),它從獲取的圖像中可以提取出被測目標(biāo)的尺寸、位置、方向和缺陷等信息,能夠執(zhí)行產(chǎn)品檢驗、裝配線上的目標(biāo)的識別與鑒定、目標(biāo)定位與裝配機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)等任務(wù),是當(dāng)前精密零件制造與部件組裝產(chǎn)業(yè)中保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種重要在線檢測手段。本文詳細(xì)介紹了自動光學(xué)檢測技術(shù)在液晶顯示屏背光源模組表面缺陷在線檢測中的應(yīng)用技術(shù),對背光模組中的缺陷進(jìn)行了歸納整理,給出了常見的缺陷的種類和缺陷分類判斷準(zhǔn)則。系統(tǒng)地闡述了背光源模組缺陷自動光學(xué)在線檢測中的成像技術(shù)、檢測系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計方法,并給出了檢測結(jié)果為不良品的返修方法,對液晶顯示屏背光源模組組裝產(chǎn)業(yè)開發(fā)背光源模組缺陷檢測系統(tǒng)具有有益的參考價值。

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[12]https://www.teledynedalsa.com/imaging/products/cameras/hs-line-scan/piranha-es/ES-80-08K80/.

Defect Inspection System Design Based on the Automated Optical Inspection Technique for LCD Backlight Modules*

SHIYanqiong1,LURongsheng2*,ZHANGTengda2

(1.Electromechanical department,Huainan Union University,Huainan Anhui 232001,China;2.School of Instrument Science and Opto-Electronics Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

An automated optical inspection method and application for the surface defect inspection of LCD backlight module is presented. The imaging techniques,inspection system composition,mechanical and electric control system principle,and design methods are systematically illustrated. The review inspection method of non-conforming parts and repair strategy are also given. The typical types of the LCD backlight module defects and the defect classification criterions are listed. The wide variety of backlight module surface defects are categorized into three types:the picture defects,the appearance of defects and abnormalities defects. Two AOI detection methods,lighting method and non-lighting method,are introduced according to the causes and types of the defects. The AOI technique given is expected to have a beneficial reference value for the industrial development of the defect detection system for LCD backlight modules.

automated optical inspection;LCD backlight module;surface defects

史艷瓊(1977-),女,淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系,博士,副教授,合肥工業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)生,研究方向為機(jī)器視覺與精密測量技術(shù),shiyanqiong1105@aliyun.com;

盧榮勝(1963-),男,合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為機(jī)器視覺及其應(yīng)用、自動光學(xué)檢測技術(shù)、變形應(yīng)變光學(xué)全場測量技術(shù)、光學(xué)微納測量技術(shù)、數(shù)字圖像處理及應(yīng)用等,rslu@hfut.edu.cn;

張騰達(dá)(1974-),男,合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,講師,在讀博士研究生,研究方向為自動光學(xué)檢測技術(shù),tdzhang@126.com。

項目來源:安徽省高校自然科學(xué)研究項目(KJ2013B255);國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2013YQ220749)

2014-12-02 修改日期:2015-02-12

C:7120;7210A;7260F

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.026

TH702

A

1004-1699(2015)05-0768-06