液晶顯示屏背光源模組表面缺陷自動光學檢測系統設計*

史艷瓊,盧榮勝,張騰達

(1.淮南聯合大學機電系,安徽 淮南 232001;2.合肥工業大學儀器科學與光電工程學院,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檢測系統設計*

史艷瓊1,盧榮勝2*,張騰達2

(1.淮南聯合大學機電系,安徽 淮南 232001;2.合肥工業大學儀器科學與光電工程學院,合肥 230009)

詳細介紹了自動光學檢測技術在液晶顯示屏背光源模組表面缺陷在線檢測中的應用,分析并比較了背光源模組缺陷自動光學在線檢測中的成像技術、檢測系統的組成、結構原理與設計方法,闡述了檢測結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;根據背光源模組缺陷形成的原因、種類,設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檢測方案,所設計的自動光學檢測方案對背光源模組組裝產業開發缺陷檢測系統具有有益的參考價值。

自動光學檢測;背光源模組;表面缺陷

TFT-LCD液晶顯示屏已廣泛應用于電腦、手機等電子產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鍵元件之一,功能在于供應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光式和直下式(底背光式)。其基本結構如圖1所示,由燈管、燈管反射片、導光板、底反射板、擴散片、交叉棱鏡膜、上保護膜等薄片型光學零件組成。背光源模組在生產過程中由于原材料和生產過程的技術原因,會產生多種缺陷,如各光學膜片上的外來雜質和表面劃傷等,這些缺陷的產生將對液晶顯示屏的使用性能帶來嚴重的影響。為了降低生產成本,提高零件制造與部件組裝過程中的成品率,生產過程中需要對背光源模組各光學膜片的微觀和宏觀缺陷,進行100%實時在線自動檢測。

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

圖1 TFT-LCD液晶顯示屏背光源模組結構示意圖

1 背光源模組表面缺陷的分類與檢測技術要求

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 背光源缺陷判斷標準

2 表面缺陷自動光學檢測技術

自動光學檢測技術將光學傳感技術、運動控制技術與信號處理技術集成運用,執行工業生產過程中的測量、檢測、識別和引導等任務。目前在工業生產中得到廣泛應用的是基于機器視覺成像原理的自動光學檢測技術,它是采用高分辨率與高靈敏度的成像技術(通常使用攝像機)獲取被測目標的圖像,再經過快速圖像處理與圖形識別算法,從圖像中獲取目標的尺寸、位置、方向和缺陷等信息,從而實現目標產品檢驗、裝配線上的目標的識別與鑒定、目標定位與裝配機構的引導等任務。自動光學檢測技術的基本原理如圖2所示。

圖2 自動光學檢測技術基本原理

圖3 表面缺陷檢測中的照明與成像技術

在表面缺陷自動光學檢測中,關鍵技術之一是照明與成像技術。根據照明光源與相機之間的角度關系,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,進入到相機的光線較少,照度均勻,照相機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律會發生變化,導致大量的光線進入相機視場,相機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了表面缺陷狀態。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,相機獲得均勻的明亮背景,如果表面上某處出現缺陷,明亮的背景中會產生暗點。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行照明,適用于透明物體的內部缺陷(如氣泡、雜質異物等)的檢測[7-8]。

在表面缺陷自動光學檢測中,相機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本身的景深[9]和光學分辨率外,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相對于光線方向的角度,特定角度的相機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,也就是在不同的角度布置幾臺相機,對被測表面同時成像,不同相機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,就可以滿足絕大多數應用場合的需求。

如第2節所述,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部表面缺陷,點燈檢測不需要外加光源,利用背光源本身發出的均勻散射光,實現瑕疵檢測。

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光二極管漏光現象,但是該種方法的檢測比缺陷檢測復雜,因為需要對相機進行光照度標定。

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,需要進行非點燈檢測。非點燈檢測時,相機布置在背光模組的正上方,需要外加條形光源進行傾斜照明,采用暗場成像的方法進行檢測。

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

圖4 背光源表面瑕疵檢測成像方案

3 數據處理和控制方案設計

圖6 背光源模組在線自動光學檢測系統

在現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,滿足生產線的節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協同掃描成像才能完成任務,圖像的數據量非常大,甚至達到每秒幾個Gigabyte的數據量,這么大的圖像數量對采集、傳輸、處理與系統控制技術提出了非常高的要求。目前通用PC機CPU的處理能力越來越強,鑒于通用工控CPU可靠性好,成本低,構建系統的研發周期短,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,滿足裝配線的節拍要求。

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

圖5 高速圖像采集、傳輸、處理與控制的架構方案

4 全自動在線檢測系統設計

背光源模組缺陷在線自動光學檢測系統包括自動上料、編碼、對準、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 自動上料機構

自動上料機構包括裝配線上傳輸來的背光源模組探測、電動與氣動機構抓取、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)的上方放入一個監視相機,當前道工序組裝系統裝配好背光源模組,把背光源模組放入到傳輸帶上傳輸到工位(1)后,監視相機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信息,并發出工作同步指令給后續上料與檢測系統。

②監視相機發出工作同步指令后,氣動與電動缸組成的送料系統把工位(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,計算機根據工位(1)上方的相機拍攝到的模組位置與姿態,發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,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,從缺陷數據庫中自動調出缺陷信息,指導返修任務。

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盤工位(3)處。至此,一個上料循環完成。

4.2 檢測機構設計

檢測機構由間隙轉動工位轉盤、上料位置對準探測、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構傳輸到工位(3)后,轉盤在控制系統的控制下,轉到工位(4)。在工位(4)的上方安裝一個相機,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。如果一切正常,則后續檢測工位按預定的方案進行檢測;如果不正常,后續檢測對該模組不檢測,然后傳送到工位(9),由分選機構抓取,傳送到不良品傳輸帶上。

②當模組轉到工位(5)～(8)處后,缺陷掃描成像系統對畫面缺陷進行掃描檢測,缺陷掃描成像系統由高速掃描相機、一維滑動臺、光柵、伺服系統、調整機構組成。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構。

4.3 分選機構設計

分選機構由良品與不良品氣動抓取機構、間隙運動傳輸帶組成。結構布局參看圖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,模組繼續向下到工位轉動,當模組運動到工位(9)后:分選機構左邊的氣動吸盤抓取工位(9)上的模組,傳輸到工位(11)處。

②如果該模組是不良品,在分選機構向工位(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構抓取工位(9)上的模組時,右邊的吸盤同時抓取工位(11)上的模組,在分選機構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,一方面可以節省空間,即傳輸帶的長度,另一方面考慮到不良品只是少數,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 人工復檢與不良品人工返修機構

4.4 不良人工目視復檢與不良品返修

對于檢測到的不良品,再采用人工目視復檢,并對不良品進行返修,系統機構的布局如圖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,拾取不良品背面的編碼。返修顯示電腦通過工業以太網與缺陷數據庫服務器相連,相機在電腦的控制下,獲得帶返修的不良品編碼后,根據編碼從服務器中調用缺陷信息,顯示在屏幕上,導引返修人員對不良品進行合理的返修。

5 關鍵器件的選型與性能參數計算

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

①相機參數確定與選擇:根據表2可知,測量系統需要能夠識別黑點、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點狀物能夠準確的檢測出來。因此,對于寬為55 mm的背光源模組,相機的點陣數為:55/0.01=5 500像素。考慮到暗場成像需要高靈敏度的相機,我們可以選擇Dalsa ES-80-08K80相機[12]。

②鏡頭的選擇:Dalsa ES-80-08K80相機的像元大小為7 μm,因此可以選擇放大倍數為1左右的光學鏡頭,接口M72x0.5,生產此類鏡頭的廠商有: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測量系統檢測速度:相機掃描速度為在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行,不占用檢測時間;所以檢測速度為:<1～2 s/每件。

6 小結

自動光學檢測技術是基于光學成像與高速圖像處理技術的一種新興的檢測技術,它從獲取的圖像中可以提取出被測目標的尺寸、位置、方向和缺陷等信息,能夠執行產品檢驗、裝配線上的目標的識別與鑒定、目標定位與裝配機構的引導等任務,是當前精密零件制造與部件組裝產業中保證產品質量的一種重要在線檢測手段。本文詳細介紹了自動光學檢測技術在液晶顯示屏背光源模組表面缺陷在線檢測中的應用技術,對背光模組中的缺陷進行了歸納整理,給出了常見的缺陷的種類和缺陷分類判斷準則。系統地闡述了背光源模組缺陷自動光學在線檢測中的成像技術、檢測系統的組成、結構原理與設計方法,并給出了檢測結果為不良品的返修方法,對液晶顯示屏背光源模組組裝產業開發背光源模組缺陷檢測系統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,淮南聯合大學機電系,博士,副教授,合肥工業大學博士畢業生,研究方向為機器視覺與精密測量技術,shiyanqiong1105@aliyun.com;

盧榮勝(1963-),男,合肥工業大學儀器科學與光電工程學院,教授,博士生導師,研究方向為機器視覺及其應用、自動光學檢測技術、變形應變光學全場測量技術、光學微納測量技術、數字圖像處理及應用等,rslu@hfut.edu.cn;

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

項目來源:安徽省高校自然科學研究項目(KJ2013B255);國家重大科學儀器設備開發專項(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