AOI检测系统的光源照明模式和控制电路设计

摘要 针对在不同照明方式下会出现不同的缺陷特征，根据不同缺陷的检测方法和采用的照明方式密切相关的特点，设计了光源二级照明系统及控制电路。此系统可随着对象检测的不同而采用对应的照明方式，不同缺陷在相对应照明方式下，可检测到对象的最优图像质量。控制电路既能在不同的环境中调节光源的亮度，又可单独调节需要重点突出某一缺陷部分的区域，达到了AOI检测系统对各种元件图像采集检测的要求。

PCB贴片安装缺陷自动光学检测系统，是集计算机视觉、图像处理、数控精确定位和自动控制技术于一体的光机电一体化高科技产品。其硬件主要有图像采集卡、光源、光学镜头、CCD和计算机等。因受缺陷检测系统中CCD视野大小的限制，系统在检测时必须移动贴片的PCB板或摄像机进行多次采集图像，因此需设计运动控制模块，以实现移动平台及PCB板传输的精确控制。缺陷在不同方式照明下会出现不同的特征，不同缺陷的检测方法和采用的光源照明方式密切相关，因此要设计能根据检测对象采用相应照明方式的光源系统，使采集到的检测对象图像质量最优。本文设计了控制电路和二级光源系统，在各种相应的照明模式下检测到对象的质量最优图像。设计的控制电路中一是能通过光传感器自动调整光源控制器来控制光源的亮度，使光源的亮度保持一致，二是一共有16个亮度控制区域，该区域可按任意组合一同调节，也可相互独立调节。达到了AOI检测系统对各元器件图像采集检测的要求。

1 检测系统原理及光源设计

1.1 检测系统原理

检测系统是检测PCB贴片过程中的缺陷，进行反馈后改进贴片工艺或改进过程控制来减少或消除缺陷，其基本原理如图1所示。计算机程序控制摄像头分区域自动扫描贴片PCB，采集图像并对图形进行处理，测试的图像经特征提取、信息表达、分类识别等软件分析，检查出PCB的状况。

图像采集模块是系统实现对贴片PCB板的图像进行采集，然后输入到计算机系统存储，以供显示、传输和其他处理。图像预处理是图像处理的第一步，主要目的是消除噪声，改进图像的质量，增强有用信息的可检测性，为随后的处理创造条件，常用的预处理包括去噪、灰度变换和锐化等。PCB缺陷的检测主要是为了检测出与其不同特征的缺陷，其中包括缺件、偏移、歪斜、翻贴、引脚翘起、侧立、错件及桥接等，对以上缺陷特征的提取是识别缺陷的基础。缺陷分类识别主要是基于图像匹配，构造适当的分类器对缺陷进行识别和分类。

1.2 光源设计原理

缺陷在不同方式照明下会出现不同的特征，而不同缺陷的检测方法和采用的照明方式密切相关，设计二级光源照明系统可根据不同的检测对象采用相对应的照明方式，在此相应照明方式下对检测对象图像进行采集能得到检测对象的最优质量图像。

1.2.1 光强传递函数

对于AOI系统，通常采用非相干的光源照明系统，成像系统可等效为图2所示的光学模型。等效光强为

其中，i为入射角度;I0为出射光强;ρd(x，y)为表面的反射率分布;d0为光源到物体的距离;CCD为图像接收器件，设CCD光敏元的横向、纵向尺寸及横向、纵向间距分别为a、b、c、d。则可得电荷的实际具体分布为

其中，t是电荷积分时间;k是比例系数;d1是光学系统到物体人瞳的距离;S0是人瞳的面积;h(x，y)是扩展函数;M是系统放大系数。

1.2.2 光学照明系统光源设计

由式(2)可得，CCD通过积分所得电量与物体到光源的距离平方成反比，与入射角余弦值和光强成正比。而对于给定的CCD，应在一定范围内进行曝光，若曝光量过小，物体的某些点因照度不够被噪声淹没;相反，若照度过大，则将使CCD的像元因曝光量过大而造成饱和或趋近于饱和，这样会使画面产生大量失真而使测量误差较大。因此通常将光敏面的最大照度调节为不高于最大饱和照度，由此便可充分利用元器件的动态变化范围，所以文中研究并设计了两级照明系统。元器件的焊接部分在几种照明方式下的亮度分布如图3所示。焊点部位在水平照明下亮度较高，而元器件的上端在垂直照明下亮度高。根据此特点设计了采用水平照明与垂直照明的入射角不同而得到不同视觉特征的水平照明与垂直照明两种图像。

用二级照明系统照射时光源亮度如图4所示，垂直照射到与电路板平行的元器件上时大部分光线反射被到CCD中，而照射到电极部位的光线反射到其他方向消散。垂直投射的光线到达焊接部位，则大部分光线不会反射到摄像机一侧，则是向其他方向反射消散。

2 各种照明模式的设计及应用范围

不同缺陷的检测与采用的照明方式密切相关，众多缺陷在照明角度的不同会出现特征，根据这些不同的特征，从而综合判断是否为缺陷，因此缺陷检测的研究需要与照明方式一同进行。所以在对元器件不同部位不同缺陷进行检测时，需根据照明下得到的不同特征采取相应不同的照明方式。文中根据不同部位的缺陷检测设计了相应不同的照明模式，如表1所示。

2.1 水平照明

在水平照射方式下形成的低亮度与高亮度范围如下：(1)低亮度范围。IC元器件的导线端、导线侧翼、焊盘、元器件的电极、电路板等。(2)高亮度范围。大倾斜角度导线的弯曲部分、焊点等。

根据照射亮度范围的不同，水平照明方式主要用于在IC或在其导线中，检测冷焊、漏焊或在SOIC、QFP检查桥接时采用。图5是在水平照明方式下得到的典型效果图。

2.2 垂直照明

在垂直照明方式下主要形成低、高两种亮度范围：(1)低亮度范围。大倾斜角度导线的弯曲部分、焊点等。(2)高亮度范围。IC元器件的导线端、导线侧翼、焊盘、元器件的电极和电路板等。

因此，根据照射亮度范围的不同，垂直照明方式主要用于检查元器件的导线端和普通芯片。垂直照明方式下的典型效果图像，如图6所示。

2.3 垂直-水平照明

因元器件件身、文字和丝印标志的漫反射使得在垂直照明方式下检测的效果并不理想，故可采用垂直-水平照明方式来改善检测效果。垂直图像减去水平图像的典型效果图，如图7所示。

2.4 水平-垂直照明

通常使用水平照明方式，主要是用于检测SOIC、QFP的桥接，或IC导线部位和芯片的漏焊、冷焊、错焊等。当元器件件身、文字和白色丝印标志等高亮度部位使用水平照明方式不理想时，可选择采用“水平-垂直”照明。水平减去垂直图像的典型效果，如图8所示。

2.5 水平+垂直照明

水平+垂直照明是将在水平照明方式与垂直照明方式下所得到的亮度值合二为一，使得到的图像整体亮度较高，且较为平滑。

因贴片表面不平整平滑而在垂直照明或水平照明下显得只有局部较亮的情况下，可选取使用这种水平+垂直照明方式。另外，在垂直照明下排列阻抗和芯阻抗的电极部位获得的图像局部较暗，若采取水平+垂直照明方式，获得的电极部位图像则相对清晰，一般用于寻找电极正确的位置。图9为水平图像加垂直图像的典型图。

3 光源照明模式的驱动控制电路设计

现有的自动光学检测光源中通常只能统一调整照明亮度，而无法随自然光的变化自动调节光强。为达到统一的图像效果只能由人工调整光源亮度，且由于人工调整的不及时或调整不到位造成图像不一致，导致后续图像处理难度增加。另外，当要突出产品的缺陷部分或待测产品需要突出检测的重要部分时，需多次移动高精度的X-Y平台，调整待测产品与光学镜头的位置关系，影响了检测的精确度，降低了检测效率。

文中设计的光源控制电路中，一是通过光传感器自动调整光源控制器来控制光源的亮度，使其光源亮度可保持一致;二是一共有16个亮度控制区域，该区域可按任意组合一同调节，也可相互独立地调节，其控制是通过串口通信完成的。控制器可通过控制16个控制区域的亮度突出待测产品的缺陷部分或重要部分，以提高检测精度及检测效率。

图10为控制电路组成框图，电路由4部分组成，电路部分1为电源稳压电路，作用是给整个电路系统提供稳定的5 V电源;电路部分2为控制器电路，是控制器的基本工作系统电路，作用是为控制电路部分3工作;电路部分3为LED驱动电路，其是主要创新部分，作用是根据电路部分2，控制器电路的控制信号来驱动LED照明;电路部分4为串口通信电路，作用是提供TTL电平信号和RS-232协议电平信号的相互转换，使控制器电路能接受RS-232协议的串口通信连接。

电路部分2控制器电路引出16根PWM信号线连接电路部分3，PWM信号由控制电路的程序控制。当需改变某照明区域时，可通过串口通信向CPU发送特定格式的命令来完成，CPU会按照输入的指令来改变对应端口PWM波的占空比，以达到控制对应照明区域亮度的目的。

电路部分3是LED驱动电路，为16路PWM的DAC转换电路，输入的PWM方波通过非门取反后，得到正反相两个PWM方波信号，再分别经过一个传导逻辑门，得到两个对出电气特性相同的正反相PWM方波信号。随后经电容耦合将交流成分大幅抵消掉，并最终经由小功率三极管9014和中功率三极管2DS882组成的达林顿管作电压跟随放大后，驱动各照明区域的LED。

图11为图10电路中LED驱动电路部分的一路电路图，图12为图11所示电路的交流等效图。INPUT端输入的PWM方波通过非门取反后，得到两个PWM方波信号，这两个PWM方波信号分别经一个传导门，得到两个电气特性相同的正反相PWM方波信号，然后经过电容耦合将交流成分较大程度地抵消掉，得到较稳定的直流信号从OUTPUT端输出，并最终经由小功率三极管9014和中功率三极管2DS882组成的达林顿管作电压跟随放大之后，驱动发光二极管组件。

下面通过对图12进行分析来确定电路中电阻电容的选择：采用的PWM波为占空比可调方波。在设计PWM的低通网络时，PWM方波具有一个特征，即方波可被视为模拟信号，也可被视为数字信号，而数字信号由于操作相比模拟信号更易实现，即“倒相”。根据傅立叶变换理论，周期信号可被视为由若干个正弦信号和一个直流分量组成，这若干个正弦信号构成该信号的交流成分，要实现PWM的ADC转换，就需将这些正弦信号去除。数字取反后的方波，分解出的正弦信号与取反前分解出的正弦信号成镜像关系，对于正弦信号而言等效于180°的相移，也就是数字取反后的方波其分解出的所有正弦信号分量的变化等效于发生了180°的相移，其大小不变。这说明数字取反后，方波的频谱发生了180°的相移，若数字取反前后的方波相叠加，则在频域和时域上均可看出，结果将为0。

图12只考虑交流电压成分，U2为非门A输出电压的交流成分，U1为逻辑门B输出电压的交流成分。U3为“OUTPUT端”的交流成分，U4为分析时的一个过度量。

对图12进行分析，U2为U1的倒相信号，为了便于推导，设U2的幅值为U1的A倍，则

该电路对低频信号的削弱作用将不会减弱。同样是一阶RC滤波电路，该电路对低频信号的削弱作用则比没有抵消作用强。

但由于该网络接上非线性元件逻辑门后，逻辑门引入的阻抗会使抵消作用过渡成一阶滤波作用，为减弱逻辑门接入带来的影响，此时需将图中R1、R2、C1、C3增大，使两个逻辑门输出的信号少流入对方，从而维持式(11)。

由以上分析可知，在选择器件时需保证C1=C3，R1=R2，并使其值尽量大。

为验证可调光源的控制效果，对二级光源系统进行了测试，分别在下午5点、6点和8点测试外界亮度和光源系统亮度，文中仅取其中的2块测试结果，如表2所示。模块1和模块12的亮度均可随着外界亮度的变化进行自动调节，而当外界亮度低于某一值时，光源系统亮度达到最大值，外界亮度再继续降低，光源系统亮度仍保持不变。

4 结束语

本文在分析较常用的硬件设备原理、性能的基础上，根据照明原理和光强传递函数，设计了二级光源照明系统。在系统中根据不同的缺陷检测对象而分别建立了相对应的5种照明模式，并在相对应的各种照明模式下对检测对象的图像进行采集，可得到最优图像质量，从而满足系统中各种元器件的采集图像要求。此外还着重讨论设计了采用二级光源系统及光源的控制电路，对于不同的缺陷可采用不同的照明方式，光源亮度可根据外部光亮的强弱自动调节，以满足系统检测要求。设计的控制电路中：(1)可通过光传感器自动调整光源控制器来控制光源的亮度，使光源的亮度保持一致;(2)共有16个亮度控制区域，该区域可按任意组合一同调节，也可相互独立进行调节。控制器可通过控制16个控制区域的亮度突出待测产品的缺陷部分或重要部分，以提高其的检测精度及检测效率。自适应选择照明模式将成为下一步研究工作的重点。