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[摘 ? ?要 ]光學檢測是光電原理結合機械測量的一種高等級測量技術，也叫做光學測量，具有復雜性、專業(yè)性的特點，在對精準度要求較高的加工業(yè)、工業(yè)設計中應用較多。常用的光學檢測設備有光學影像測量儀、坐標測量儀等，可以獲得更加精準的數據。現階段，國內的光學測量工作還有很大的完善空間，比如光學影像的生成、圖形數據的處理能力等方面仍有許多不足之處。本文綜述了智能化發(fā)展過程中，自動光學檢測設備的應用價值。

[關鍵詞]自動光學檢測;智能化發(fā)展;成像;圖像處理

[中圖分類號]TN405 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]Optical inspection is a high-level measurement technology that combines photoelectric principles with mechanical measurement. It is also called optical measurement. It has the characteristics of complexity and professionalism. It is often used in processing industries and industrial designs that require high accuracy. Commonly used optical inspection equipment includes optical image measuring instrument， coordinate measuring instrument， etc.， which can obtain more accurate data. At this stage， there is still a lot of room for improvement in domestic optical measurement work. For example， there are still many shortcomings in optical image generation and graphics data processing capabilities. This article summarizes the application value of automatic optical inspection equipment in the process of intelligent development.

[Keywords]automatic optical inspection; intelligent development; imaging; image processing

1 自動光學檢測技術介紹

1.1 光源照明技術

自動光學檢測系統(tǒng)所能攝取到的目標信息的種類通常取決于光源照明技術，這一技術涉及了打光的技巧和照明方法。以缺陷檢測為例，如果光強和方位發(fā)生改變，那么攝像機分辨缺陷信息的能力和自身的敏感度就會明顯下降，特別是在曲率變化大、光學反射率較強的復雜表面的檢測中，比如BGA封裝中的半球形引腳，如何選擇光源以及打光方式便顯得十分重要。自動光學檢測中應用較多的照明方式有直接照明+散射照明、偏振照明、結構照明+均勻照明、傾斜照明+同軸照明、明場照明+暗場照明等，每一種照明光源所發(fā)出的顏色、色溫等有一定差異。照明方式的選擇，決定了是否能在攝像機所捕捉的圖像中得到想要的信息。常用的照明光源包括激光、LED、熒光以及鹵素燈+光纖導管，這些光源各有優(yōu)劣，比如熒光燈的不足之處是穩(wěn)定性、亮度比較遜色，在機器視覺系統(tǒng)中的應用受到限制。鹵素燈+光纖導管的價格十分昂貴，使用壽命短，性價比低，必須定期更換燈泡，否則亮度會降低.LED盡管使用壽命長、穩(wěn)定性良好，但亮度明顯遜色于鹵素燈+光纖導管。光源的選擇還應根據自動光學檢測的場合來定，LED不僅顏色豐富，而且穩(wěn)定性和使用壽命出色，可以通過組合多個LED來產生多種照明方式，只要光源顏色合理，即使是在復雜的背景中，LED依然可以突出檢測目標的特點，消除干擾因素，所以在自動光學檢測系統(tǒng)中的應用最為廣泛。日本Moritex和SCS、德國Schott、美國Ai和Photonscope Inc以及新加坡Oriental system Engneering Pet Ltd等廠家都可以生產用于自動光學檢測系統(tǒng)的LED照明光源，但商品化的LED光源模組并不能百分百滿足自動光學檢測的特殊要求，需要根據檢測對象、組裝線的空間大小來讓廠家設計專用的LED照明光源。

1.2 圖像處理和圖形識別算法

圖像經過預處理后，采用這一技術可以辨別圖像中的零部件以及所在位置、所處方向，還能檢驗零部件的質量。20世紀90年代之前，Cognex公司之所以能夠在自動光學檢測行業(yè)中取得輝煌成就，主要是因為公司研發(fā)出了“歸一化相關”模板的匹配方法，而且計算方法不會被檢測對象的光照對比度、圖像攝取時絕對光照強度所影響，可以給出亞像素精度的最理想的匹配結果。即使是在有缺損、有污染的環(huán)境下檢測，同樣可以獲得準確的匹配效果，但該技術并不具備縮放功能，也就無法實現旋轉不變性。1998年，Cognex對“歸一化相關”的匹配算法進行了改進，在遺傳算法的基礎上研究出了PatMax這種模板匹配方法，該方法不僅具備“歸一化相關”匹配方法的優(yōu)勢，同時實現了旋轉和縮放的不變性。繼PatMax之后，National Instuments、Germanys Stemmer Imaging、Matrox、Coreco、MVTec Halcon等公司也都研究出了類似算法，盡管這些算法很好的解決了目標識別、目標定位、裝配機械的運動控制等問題，然而在實際的生產中，自動光學檢測的主要功能是在線檢測，比如藥品、食品的玻璃瓶封裝工作中，通過自動光學技術來檢測瓶蓋的密封性是否合乎標準。在組裝PCB板的過程中，檢測元器件的擺放位置是否正確，器件的引腳與焊盤的對接是否準確等。還有在組裝精密微機電系統(tǒng)中，零部件表面異常光滑，成像后特征的對比度較小，很可能被復雜的背景所掩蓋，如何在低對比度的條件下提取目標特點成為新的問題。解決這些問題，需要用到圖像處理技術和打光技術。如果合理設計照明光源，就會提高光照方向的對比度，也就會降低圖像處理難度。三維空間的方位辨識和成像方法有關，在低對比度的條件下，最先解決的應該是如何提取圖像中的特征，盡管現階段已經研究出了許多高級的算法，但每一種算法只適用于某種特定的場合，而且只有在高度限制的條件下才有效，這在很大程度上限制了自動光學檢測技術的發(fā)展。

1.3 成像技術

高速點掃描、光電倍增管采集掃描點散射光成像等都是自動光學檢測中應用較多的成像技術。線陣與面陣CCD或者CMOS傳感器都是常用的光學成像傳感器，CCD傳感器的優(yōu)勢是線性好、信噪比高，CMOS傳感器具有動態(tài)范圍大、速度快的特點，具體選擇還應根據實際情況而定。CCD傳感器適用于精密測量，CMOS傳感器更適合用在成像物體表面的凡涉、散射光較強的場合。如果是大范圍、高精度的成像，通常需要聯合顯微和掃描兩種方法，利用高精度的移動機臺來獲得高精度圖像。現階段的技術水平，要想在短時間內在不同燈光照射下拍攝幾幅清晰的圖像，或者用多臺攝像機在不同位置拍攝圖像，是非常容易實現的。如今CCD與CMOS器件已經非常成熟，組裝而成的攝像機無論是速度、精度還是清晰度都達到了相當高的水平。使用固定光照，在距離變動不大的條件下拍攝清晰的圖像幾乎沒有難度，使用X、Y絲杠、交直流伺服電機和精密導軌按照預定編好的程序，讓拍攝目標與攝像機保持相對運動，然后根據“運動-拍攝-運動”掃描成像規(guī)律進行拍攝，目前這種機械結構和自動控制相結合的技術已經非常成熟，但大范圍的掃描機臺，定位精度通常在微米級以下，如果想獲得亞微米或者納米級的精度，以現階段的技術而言并不容易實現。

以上幾種成像技術所得到的主要是二維圖像，如果想要獲得三維圖像，通常需要用到兩個以上的攝像機，并且在不同位置進行拍攝，或者改變燈光的照射角度，用同一臺攝像機拍攝不同圖像，然后在綜合分析的基礎上獲得真實、立體的表述;也可以通過激光三角法獲得物體的三維重構圖像。

1.4 高速圖像預處理技術

在一些生產線上，通常需要多臺攝像機來完成目標定位、方位、形貌、高度和缺陷的檢測，圖像數據量龐大，如果14臺9126像素的HS-80-08K80CameraLink線陣掃描攝像機共同組成了某個型號的TFT-LCD玻璃底板表面缺陷的視覺檢測設備，每臺攝像機的數據速度最高可達到640MHz，那么掃描檢測7.5代玻璃底板表面所獲得的圖像大小為584.76GB，圖像的總處理時間必須在84.55s以內。

目前很多廠家通過CameraLink、Gigabit Ethernet或者1394接口的數碼攝像機來實現高速數據處理能力，通過接口板，將每臺攝像機輸出的圖像分配至一臺或者幾臺CPU進行處理，圖像預處理會采用多圖像處理卡、處理器分布式并行預處理架構方式，比如PROCStrII、Odyssey等實時圖像處理卡組成的多臺計算機分布實時處理系統(tǒng)，數據處理的速度高達420MB/sec。

如今，PC機CPU的處理能力不斷提高，通用工控CPU具有成本低、可靠性強、研發(fā)周期短等優(yōu)點，可自動把一幅圖像分成兩塊或者四塊，然后把每塊圖像交給一個工控CPU進行高速處理，工控CPU具備信息交換功能，每個工控CPU的處理結果通過一臺主控機進行合成，圖像的預處理速度能夠達到640MB/sec。

2 自動光學檢測的檢測形式

（1）在SMT生產中，包括錫膏印刷工藝端的檢測、爐后焊接完成后的綜合檢測（自動光學檢測）、爐前貼片后貼裝工藝檢測（自動光學檢測）。

（2）在波峰焊接的生產中，主要包括波峰爐前插件元件檢測和爐后焊接后，焊點面的檢測。

上述檢測流程中，只有錫膏印刷采用的是SPI檢測，其他全部采用自動光學檢測。SPI是一種通過相位調制輪廓進行測量的技術，在結構光柵正弦運動投影的基礎上，通過離散相移獲得照射物的光場圖像，然后根據多步相移法得到相位的分布，再采用三角測量法獲得物體體形輪廓以及體積的測量結果。統(tǒng)計顯示，SMT生產中，超過70 %的不良測量結果來自錫膏印刷工藝，而SPI可以避免印刷造成的不良結果。自動光學檢測主要是利用高速、高精度的視覺處理技術，比如高清的工業(yè)相機搭配三色環(huán)形光源，根據RGB三原色原理，在照射至檢測對象后，通過不同的光照與反射原理來呈現不同的顏色特點，最終實現自動檢測PCB上各種貼裝錯誤、焊接錯誤、元件插裝錯誤的目的。

3 自動光學檢測設備的作用

隨著智能化、自動化水平突飛猛進，在電子生產制造業(yè)，一些生產領域正在潛移默化的滲透著智能化的概念，比如表面貼裝技術就已經實現了智能自動化，還有一些高端的生產線，幾乎已經實現了自動化生產和檢測。但在傳統(tǒng)的焊接工業(yè)領域，自動化水平依然較低，比如直插式封裝技術還是在采用人工作業(yè)，即使是在檢測崗位上，也需要工作人員借助顯微鏡、放大鏡來檢測產品質量，嚴重影響生產效率以及產品功能的穩(wěn)定性。自動光學檢測與SPI是自動化檢測領域的重要環(huán)節(jié)，同樣也是表面貼裝技術中不可或缺的重要技術。自動光學檢測是生產工序的最后一環(huán)，把控的是產品最后的質量關卡，通過全面檢測產品的外觀質量來客觀反映出產品的生產情況，比如產品的產能、不良類型、不良返修率等，為工作人員監(jiān)控、管理生產提供了很多方便，還能優(yōu)化、調整產品的生產狀態(tài)，提高一次性生產合格率，節(jié)約生產成本。

4 結束語

綜上所述，現階段機械加工領域中自動光學檢測技術的應用非常廣泛，光學檢測包括四大模塊，分別是投影打光、計算機圖像處理、高精準度的數據成像以及影像形成的處理和識別。相信隨著科學技術的不斷發(fā)展，未來的自動光學檢測必然會更加智能化，光學檢測質量和精準度也將獲得極大的提升。

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