羅 龍，胡 泓，楊永生 ，譚開志

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，高質量、大尺寸液晶顯示屏備受青睞。液晶顯示屏自身不發(fā)光，需借助其他光源[1]。具有優(yōu)質顯示質量等優(yōu)點的LED成為顯示屏的首選光源。按光源位置，背光源可分為側入式和直下式兩類[2]。側入式背光源光線從顯示屏側面進入，直下式背光源光線從顯示屏后側進入，直下式背光源在大尺寸液晶顯示屏中應用最廣泛。直下式背光源中，為了減小背光模組厚度，增加LED出光的均勻性，通常設計了二次光學透鏡。發(fā)光晶片被封裝在PCB燈條上，晶片上方裝配透鏡，透鏡通過熱塑方式與PCB燈條連接。晶片與透鏡可能存在位置偏移缺陷，將會降低顯示質量。目前，針對背光源的缺陷研究主要集中在LED封裝工藝缺陷檢測[3]、背光模組表面缺陷檢測[4]、透鏡自身缺陷檢測[5]等方面，而晶片與透鏡之間的位置偏移缺陷的研究還未見公開報道。由于缺陷尺度小，人工目測的方法失效。點亮背光源后，其在顯示屏上形成的圖像信息能夠反映透鏡和晶片間的位置關系，故可用圖像處理的方法研究缺陷。隨著計算機功能和技術的不斷增強，圖像處理技術在缺陷檢測領域得到廣泛的應用，圖像處理技術已應用于銅極表面缺陷檢測[6]、光學薄膜表面微細缺陷檢測[7]等。

2 主要研究內容

2.1 背光源光路分析及建模仿真

直下式LED背光源及各類偏移，如圖1所示。根據背光源燈珠質量要求，透鏡與發(fā)光晶片間的水平、高度、角度偏移不超過0.02mm、0.1mm、0.2°。背光源透鏡及透鏡對發(fā)光晶片光線的作用，如圖2所示。透鏡有內、外兩曲面，大部分光線經兩曲面兩次折射后擴散到更大的空間，較少光線經透鏡中心射出。經透鏡后中心區(qū)域光線少、外側光線較多。

圖1 直下式LED背光源外形及偏移類型Fig.1 Straight Down LED Backlight Shape and Offset Type

圖2 透鏡結構及其對晶片光線的作用Fig.2 Len Structure and Effects on Light from Chip

在光學軟件Tracepro中建立背光源模型并進行光線追跡，如圖3所示。顯示屏上紅色、綠色、藍色光線分別表示光線到達接收面后能量為初始能量的66%～100%、33%～66%、0～33%。

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

顯示屏照度呈中心區(qū)域低（暗），而外側區(qū)域的高（亮）分布特點。過屏幕中心沿水平、豎直方向的照度曲線則為雙峰曲線，與前面分析結果一致。通過在設置不同缺陷并仿真，得到不同缺陷下的照度分布特點：

（1）存在水平偏移時，照度曲線不對稱，曲線兩峰值差值較大，曲線谷值不變。

（2）存在高度偏移時，照度曲線對稱，曲線兩峰上移。

（3）存在角度偏移時，角度偏移是前兩類偏移的疊加，則照度曲線變化也應為前兩種變化的疊加。則照度曲線不對稱，曲線兩峰值差值較大，曲線谷值增加。

2.2 圖像采集平臺設計

設計的圖像采集平臺，如圖4所示。采集背光源光線在顯示屏上形成的圖像。圖像采集平臺中，1為圖像采集器，2為微位移移動臺，3為背光源燈條，4為支承架，5為X向滑軌。圖像采集器中，1為電機，2為Z向滑軌，3為顯示屏，4為CCD相機，5為相機座。微位移移動臺中，1、2、3、4 分別為X、Y、Z向及旋轉微分頭，5為背光源透鏡。圖像采集器可沿X向滑軌運行，CCD相機可沿Z向滑軌運行，背光源發(fā)出的光線在接收屏上形成圖像，由相機采集圖像。微位移移動平臺可模擬透鏡和發(fā)光晶片間的微小位移，將透鏡和晶片分離，并將透鏡固定在懸臂梁上，分別調節(jié)X、Y、Z向微分頭及旋轉微分頭，從而使透鏡和晶片之間產生（水平、高度、角度）偏移。

圖4 圖像采集平臺Fig.4 Image Acquisition Platform

2.3 灰度曲線算法設計

圖5 原始圖像及灰度曲線獲取方向Fig.5 Original Image and Gray Curve Choosing Direction

圖像灰度和照度之間存在轉換關系[8]，故圖像處理算法針對灰度設計。當透鏡與晶片間無位置偏移時形成的圖像，如圖5所示。圖像中心灰度低，往外側逐漸增大，然后再降低。選擇過圖像中心間隔45°的四個方向求取灰度曲線，此時任意方向灰度曲線均為對稱雙峰曲線。

根據前文，圖像灰度曲線與缺陷類型之間具有對應關系：與無缺陷時的灰度曲線相比，存在水平偏移時必有灰度曲線為非對稱曲線，且曲線中間谷值不改變；存在高度偏移缺陷時任意方向灰度曲線數值均會整體增大；存在角度偏移時灰度曲線為非對稱曲線，且曲線中間谷值增大。

尋找圖像中心的方法有形心法、最小二乘曲線擬合法[9]及Hough變換法[10]。圖像無明顯分界，故采用灰度質心法，即計算多幅圖像平均灰度質心，以作為圖像中心。

圖像原尺寸為m×n。以圖像中心為中心選定矩形框（尺寸為l×l）內圖像為對象，從中心分別沿 0°、45°、90°、135°劃分 w 像素寬度的區(qū)域；用Opencv的灰度值計算函數求點（i，j）的灰度值f（i，j）；獲得相應方向灰度隨坐標變化的曲線。

0°方向各點灰度值的計算步驟為：（1）從l×l矩形框內圖像的第一列開始，計算坐標（（l-w）/2， ）0 若是非整數，則取整）處灰度值，然后橫坐標依次增加一個像素，獲得對應坐標的灰度值，并與前一點的灰度值相加。橫坐標增加至（l-w）/2， ）0 為止，將灰度值總和與w相除，并將商作為圖像在n/2，（）0 處的灰度值；（2）列依次增加1，并重復（1），直到列為l，從而獲得0°方向每個點的灰度值。

90°方向各點灰度值的計算步驟與0°方向灰度值計算類似。

0°、90°方向各坐標灰度值計算流程，如圖6所示。

圖6 灰度計算流程Fig.6 Gray Value Calculation Process

為了計算45°或135°兩方向相應坐標的灰度值，先進行圖像旋轉變換，將傾斜方向轉變?yōu)?°或90°方向。圖像繞中心旋轉，圖像內容不變，且圖像變換等效于矩陣變換。

圖像順時針旋轉θ角，則變換矩陣T及逆矩陣T-1為：

設原圖像坐標為（i0，j0），圖像變換后該坐標為（i，j），則圖像順、逆時針旋轉變換后，有：

（i，j）為整數，經反算后（i0，j0）為實數。灰度值對整數點定義，故圖像變換中需進行插值運算。采用雙線性插值，考慮（i0，j0）附近四個點灰度對其灰度的影響。

將（i0，j0）變?yōu)椋?/p>

式中：x，y—非負整數；p，q—小于 1 的正實數。

原圖像左上角坐標（0，0），右下角坐標為（m，n），則（x+p，y+q）及其附近四點灰度為f（x+p，y+q），f（x，y），f（x+1，y），f（x，y+1），f（x+1，y+1），此四點灰度值分為以下情況計算：

（1）若（i0，j0）在原圖像外，則f（x，y），f（x+1，y），f（x，y+1），f（x+1，y+1）均為 0。

（2）若（i0，j0）在原圖像內，則：

（a）若 x+1≤m、y+1≤n，則（i0，j0）周圍四個點均在原圖像內，直接得到四個點灰度值；

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

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

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

則（x+p，y+q）的灰度值為：

最后將f（x+p，y+q）作為（i，j）的灰度值，從而獲得灰度曲線上所有點的灰度值。

2.4 試驗分析

結合圖像采集平臺和圖像處理算法，使用微位移移動平臺實現透鏡和發(fā)光晶片之間的位置偏移，進行試驗。當透鏡與晶片間無位置偏移時，獲得對稱雙峰灰度曲線。選取曲線上三個關鍵位置即左峰值、中間谷值、右峰值為研究對象，并分別用LP、CP、RP表示，令ΔP為左右峰值差的絕對值。

（1）當透鏡與晶片間存在水平偏移（取為X向）時，0°方向灰度值變化最劇烈，選擇0°方向灰度曲線為研究對象。令X向偏移量從0開始以0.01mm的幅度遞增至0.1mm，獲得灰度曲線各關鍵位置灰度值，如表1所示。

可看出，隨著水平偏移量增加，灰度曲線不再對稱，曲線上兩峰值LP、RP反向線性變化且峰值差ΔP越來越大，曲線中間谷值CP幾乎不變，檢測精度0.01 mm。

表1 X向偏移時灰度曲線關鍵位置灰度值Tab.1 Key Position Gray Value on Gray Curve for X Offset

（2）當透鏡與晶片間存在高度偏移（Z向偏移）時，由對稱性可知可取任意方向的灰度曲線作研究對象，此處取45°方向的灰度曲線。令Z向偏移量從0開始以0.04mm幅度遞增至0.38mm，獲得灰度曲線各關鍵位置灰度值，如表2所示。

表2 Z向偏移時灰度曲線關鍵位置灰度值Tab.2 Key Position Gray Value on Gray Curve for Z Offset

由上可知，隨著高度偏移量增大，灰度曲線仍然對稱，曲線左右峰值同向增大且峰值差ΔP幾乎不變，而曲線中間谷值CP不斷增加，檢測精度為0.04 mm。

（3）當透鏡和晶片間存在角度偏移時，設角度為透鏡繞Y軸旋轉角度。角度偏移是高度和水平偏移的疊加，故選0°方向灰度曲線為研究對象。令偏轉角度從0開始按0.1°的幅度增至1°，所獲得的灰度曲線關鍵數據，如表3所示。

表3 角度偏移時灰度曲線關鍵位置灰度值表Tab.3 Key Position Gray Value on Gray Curve for Tilt Offset

可知，隨著角度偏移量不斷增大，灰度曲線不再對稱，曲線左右峰值反向變化，峰值差ΔP線性增大，同時曲線中間谷值CP不斷增大，檢測精度為0.1°。

3 結論

針對LED背光源中透鏡和發(fā)光晶片間存在的位置偏移，采用光學理論分析了晶片光線經透鏡作用后在顯示屏上的分布特點及照度曲線規(guī)律，設計了圖像采集平臺以獲取光線在顯示屏上的圖像，并基于圖像處理理論設計了圖像灰度及灰度曲線計算方法，根據偏移類型與灰度曲線間的對應關系對背光源進行位置偏移檢測。通過對LED背光源進行試驗，結果表明，該檢測方法可有效檢測背光源的水平、高度、角度偏移，檢測精度分別為0.01 mm、0.04 mm、0.1°。可知檢測精度高于背光源要求各向的最大偏移量，即0.02mm、0.1mm、0.2°，表明該檢測方法對于LED背光源的裝配缺陷的檢測是有效的。