一種液晶模組自動光學(xué)檢測系統(tǒng)的設(shè)計

李海霞， 張 衡

(1. 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060； 2. 航天科工智能機器人有限責(zé)任公司，北京 100070)

1 引 言

液晶顯示屏在手機、電腦等電子產(chǎn)品的圖像、文本顯示中得到了廣泛應(yīng)用。其中，液晶模組是液晶顯示屏的重要元件之一，它為液晶面板提供均勻分布的光源，使其能正常顯示影像。液晶模組在生產(chǎn)中由于原材料或者技術(shù)等原因可能產(chǎn)生缺陷，如劃痕或者雜質(zhì)等，這些缺陷會影響電子產(chǎn)品的使用性能。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)3C行業(yè)液晶顯示屏缺陷檢測的整體智能自動化程度較低，采用的檢測方式有兩種，一是人工的檢測方法，受人的主觀影響因素較大、檢測效率較低，且對人眼的傷害較大；二是國產(chǎn)的液晶模組檢測設(shè)備通過機器視覺對Mura的檢測[1]，誤檢率較高，檢測系統(tǒng)性能差，無法覆蓋模組廠商所有的檢測標(biāo)準(zhǔn)。對液晶模組缺陷實行自動檢測，可減少人工的工作量，降低人工主觀因素對檢測結(jié)果的影響，提高檢測效率和檢測精度。自動光學(xué)檢測技術(shù)(Automatic Optic Inspection, AOI)是一種自動化、性能高的表面缺陷檢測方法[2-3]，在液晶顯示屏等生產(chǎn)中得到逐步應(yīng)用。在表面缺陷檢測中，也有些文獻做過相關(guān)研究[4-5]。本文以自動光學(xué)檢測(AOI)方式為基礎(chǔ)，運動控制機構(gòu)實現(xiàn)送料和出料，視覺定位系統(tǒng)輔助高精度XY軸滑臺實現(xiàn)電氣自動對接，2 900萬像素高分辨率CCD相機對待測模組進行圖像采集，圖像處理軟件對采集的圖像進行處理分析，判斷待測屏是否存在缺陷，并將測試結(jié)果在人機界面輸出顯示，實現(xiàn)液晶模組在生產(chǎn)過程中可能存在的各種類型缺陷的全自動化檢測。

2 液晶模組自動光學(xué)檢測系統(tǒng)設(shè)計方案

所設(shè)計的液晶模組自動光學(xué)檢測系統(tǒng)主要包括：四工位旋轉(zhuǎn)平臺系統(tǒng)、自動電氣對接系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)、工控機及其組件、安裝底板、整體機柜等。其中，四工位旋轉(zhuǎn)平臺系統(tǒng)固定于安裝底板上，旋轉(zhuǎn)平臺由直驅(qū)(DD)馬達通過渦輪渦桿驅(qū)動，治具安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上；自動電氣對接系統(tǒng)通過安裝立柱固定于安裝底板上，視覺定位相機組件和XY軸滑臺通過安裝立柱固定于安裝底板上，氣缸通過安裝板固定于XY軸滑臺上，對接測試頭安裝于氣缸底部，并與信號發(fā)生器相連；視覺檢測系統(tǒng)通過安裝支架固定于安裝底板上，信號發(fā)生器固定于安裝底板上并與工控機相連；PLC系統(tǒng)安裝于整體機柜隔板上；工控機及其組件安裝于整體機柜隔板上。圖1所示為系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of system internal structure

旋轉(zhuǎn)平臺由DD馬達驅(qū)動，采用渦輪蝸桿實現(xiàn)轉(zhuǎn)向變換。DD馬達由PLC系統(tǒng)控制，加以絕對值編碼器為反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制，以保證每次旋轉(zhuǎn)角度為90°，精度達到0.1°。

視覺定位相機采用高分辨率CCD相機，通過調(diào)節(jié)光源強度，使采集到的圖像達到最佳效果。運用視覺定位軟件計算出柔性印制電路板板(Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC)的位置偏差值[6]，并用于XY軸滑臺的控制。XY軸滑臺主要用于運動對準(zhǔn)，實現(xiàn)自動電氣對接。由于FPC板具有一定的柔軟性以及其板上的管腳過于密集，自動電氣對接對于精度的要求為誤差小于0.03 mm，系統(tǒng)選用的XY軸滑臺的參數(shù)為：移動量30 mm，分辨率Full/Half=2 μm/1 μm，微步0.1 μm(1/20細(xì)分時)，運動的正交度為15 μm以內(nèi)。單軸精度為：單軸定位5 μm，重復(fù)定位±5 μm，空轉(zhuǎn)1 μm，反沖間隙1 μm，運動的直線度3 μm。對接測試頭安裝于氣缸下端，當(dāng)XY軸按照視覺定位相機計算得出的位置偏差值運動后，氣缸帶著對接測試頭下行，與FPC板對接。待檢測完畢后，氣缸上行，完成與FPC板的電氣脫離。

視覺檢測系統(tǒng)通過安裝支架固定于安裝底板上。信號發(fā)生單元是待檢測模組點亮及切換畫面通道的專用模塊，根據(jù)不同的控制信號輸出，點亮液晶模組的不同畫面通道。視覺檢測相機采用分辨率為2 900萬像素的相機，并配以LED光源。當(dāng)液晶模組被點亮后，視覺檢測相機開始采集液晶模組點亮的圖像以及點亮后切換的各個圖像，運用視覺檢測軟件算法[7]，計算出液晶模組存在的各種缺陷。

PLC根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，按照時序控制驅(qū)動DD馬達、XY軸滑臺、電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)，同時實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通訊及I/O通訊。PLC與上位機的數(shù)據(jù)通訊采用RS232串口通訊，PLC與上位機的I/O通訊通過PCI1230板卡及高低位信號轉(zhuǎn)換板卡實現(xiàn)。

3 液晶模組自動光學(xué)檢測工藝

為提高檢測效率，采用四工位旋轉(zhuǎn)平臺，一個上下料工位，一個視覺定位工位，和一個檢測工位，3個工位同時工作。設(shè)備主要工藝工作流程為：

(1)人工上料，將待測模組放入治具中進行測試；

(2)PLC控制旋轉(zhuǎn)平臺將待測模組送入定位工位，通知定位處理軟件啟動定位相機拍照，經(jīng)過圖像處理得到待測模組FPC軟板金手指的上料位置坐標(biāo)偏差值；

(3)PLC控制旋轉(zhuǎn)平臺將待測模組送入檢測工位，并根據(jù)第(2)步的坐標(biāo)偏差值控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)信號發(fā)生單元與待測模組的FPC軟板電氣連接；

(4)PLC通知檢測處理軟件控制信號發(fā)生單元輸出使待測模組顯示不同的畫面通道，并啟動檢測相機進行拍照；將采集到的圖像進行處理分析，得到需要的檢測信息；

(5)點亮檢測完成后，關(guān)閉信號發(fā)生單元，打開檢測光源，對待測模組進行第二次檢測，通過圖像處理，可以對模組屏上的灰塵等異物進行標(biāo)記，以免對缺陷進行誤判；

(6)檢測完成后，PLC控制器控制旋轉(zhuǎn)平臺將測試完成的模組送入上下料工位，人工或自動(流水線操作)更換模組，進行下一組檢測。工藝流程如圖2所示。

圖2 液晶顯示屏缺陷檢測工藝流程圖Fig.2 Flow chart of LCD defect detection process

4 液晶模組自動光學(xué)檢測算法實現(xiàn)

缺陷檢測算法是系統(tǒng)的核心。視覺檢測軟件提取圖像的感興趣區(qū)域(Region of interests，ROI)[8-10]，然后做Gabor濾波[11-12]、雙閾值二值化、圖像去噪、圖形形態(tài)學(xué)等預(yù)處理，采用二維直方圖斜分法定位圖形的邊緣區(qū)域并進行模糊增強處理，最后計算出面積、形狀等缺陷。

4.1 圖像預(yù)處理

4.1.1 提取ROI區(qū)域

通過輪廓追蹤來提取液晶屏外部輪廓，通過最小外接矩形快速算法[13]提取矩形ROI，獲取液晶屏4邊的交點和矩形與待測圖像x軸的傾斜角度，然后以待測圖像中心為旋轉(zhuǎn)中心，利用雙線性差值旋轉(zhuǎn)原圖像，并剪切出檢測區(qū)域。

4.1.2 實值Gaborl濾波

Gabor小波變換可以反映圖像的整體特征及局部特征，并通過合理選擇濾波參數(shù)來提高分析圖像效率。在空間域，二維Gabor濾波實質(zhì)是一個二維高斯核函數(shù)，可表示為：

h(x,y)=g(x,y)exp(j2π(u0x+v0y))，

(1)

式中:u0和v0為中心頻率f的兩個分量，g(x,y)為二維高斯函數(shù)，表示為：

(2)

(3)

式中：σx、σy代表二維高斯包絡(luò)在x、y方向上的標(biāo)準(zhǔn)差，決定濾波寬度。θ為濾波方向。

用Gabor濾波器的實部對紋理背景進行抑制，不破壞目標(biāo)內(nèi)部灰度。設(shè)計濾波器的重點在于合理選擇濾波參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σx、σy)、中心頻率f、濾波方向θ及濾波模板個數(shù)。

4.1.3 雙閾值圖像二值化

通過雙閾值二值化，將圖片信息分為缺陷和非缺陷。待測圖像各像素點的灰度值為f(x,y)，設(shè)高閾值T1和低閾值T2。大于高閾值和小于低閾值的像素置為255，否則置為0。

(4)

對于小瑕疵，二值化處理后，缺陷分成若干缺陷，運用膨脹算法可解決。繼續(xù)采取骨骼提取算法[14]對瑕疵所在的區(qū)域進行處理，進一步得到瑕疵的精確信息。

4.2 缺陷檢測

采用二維直方圖斜分法[15]定位圖像的邊緣區(qū)域，并進行模糊增強處理。運用順序形態(tài)學(xué)檢測邊緣，使用百分位和結(jié)構(gòu)元素得到多幅邊緣子圖像，對邊緣子圖像進行融合處理，得到最終待測圖像的邊緣。

使用二維直方圖斜分法定位邊緣區(qū)域，即用與二維直方圖x-y平面內(nèi)主對角線平行的4條直線把二維直方圖在x-y平面上的投影分割為5個區(qū)域。對該區(qū)域進行模糊化處理，隸屬函數(shù)如式(5)所示。

(5)

式中：Pmn為圖像第(m,n)個像素的模糊值，Xmn為圖像第(m,n)個像素的灰度值，Xmax為圖像最大灰度，α和β為模糊因子。

模糊化處理后對邊緣區(qū)域進行增強處理，增強函數(shù)如式(6)所示，式中r稱為增強因子。

(6)

局部模糊增強處理后，采用順序形態(tài)變換進行邊緣檢測。f(x,y)為灰度圖像，令Xi=(xi,yi)，結(jié)構(gòu)元素B={X1,X2,…,X4}。灰度圖像f(x,y)關(guān)于結(jié)構(gòu)元素B的順序形態(tài)變換fB定義為f(x,y)在上的(k-1)p+1階順序量，表示為：

f
(k-1)p+1=1，2，…k，

(7)

其中:(k-1)p+1為順序形態(tài)變換的階數(shù)，p為順序形態(tài)變換的百分位。

當(dāng)結(jié)構(gòu)元素B位于跳變區(qū)域時，該區(qū)域灰度值差別大，順序形態(tài)變換后輸入和輸出有差別，將變換輸入和輸出相減的差值圖像反映了原圖像邊緣信息。并通過選擇直線形結(jié)構(gòu)元素B和百分位p，對局部模糊增強后的圖像進行順序形態(tài)學(xué)邊緣檢測得到子圖像，計算每幅子圖像的信息熵和權(quán)重系數(shù)，把邊緣子圖像乘以權(quán)重系數(shù)后相加，細(xì)化后得到最終的邊緣。

最后，采用SEMI的量化Mura缺陷制定的標(biāo)準(zhǔn)，判定缺陷的面積、數(shù)量和位置等信息。

5 模組自動光學(xué)檢測實驗

首先，通過直徑為400 mm的旋轉(zhuǎn)平臺將待測模組旋轉(zhuǎn)至定位工位，啟動定位相機拍照，得到模組金手指的上料誤差坐標(biāo)值，旋轉(zhuǎn)平臺再旋轉(zhuǎn)至檢測工位，由控制模塊根據(jù)坐標(biāo)偏差完成對接。圖3為定位視覺軟件的處理界面。

圖4為灰塵檢測畫面，檢測灰塵時應(yīng)在模組斷電狀態(tài)下，同時打開光源檢測，當(dāng)檢測到灰塵數(shù)量超過20 000個時，則無法繼續(xù)進行檢測。圖5為藍色畫面下檢測出來的缺陷特征，圖6為某像素點的缺陷。圖7為劃痕缺陷。

圖3 定位視覺軟件的處理界面Fig.3 Processing interface of positioning vision software

圖4 灰塵畫面圖像的檢測結(jié)果Fig.4 Detection results of dust image

圖5 藍色畫面圖像處理的檢測結(jié)果Fig.5 Detection results of blue screen

圖6 像素點缺陷Fig.6 Pixel defect

圖7 劃痕缺陷Fig.7 Scratch defect

設(shè)備在2019年初正式投產(chǎn)后1～4月，某品牌液晶屏缺陷檢測數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Equipment production data

設(shè)備完成設(shè)計需求，正常投入使用，缺陷識別準(zhǔn)確率≥95%，漏檢率≤0.2%，誤檢率≤5%。能滿足檢測要求。設(shè)備檢測其他指標(biāo)如下：

(1)檢測項目：均勻度、線缺陷、點缺陷、像素缺陷；斑點Mura、顏色Mura、斜線Mura、云狀Mura等各種Mura；劃痕、漏光等缺陷；

(2)檢測液晶模組解析度：最大可檢測1 280×800解析度的高清(HD)屏；

(3)檢測時間：16～25 s/件(依據(jù)檢測畫面數(shù)量)。

6 結(jié) 論

目前國內(nèi)手機屏生產(chǎn)廠家大多仍然采用人工的檢測方法，受人的主觀影響因素較大且效率較低檢測效率較低，且對人眼的傷害較大。國內(nèi)市場上使用的液晶模組檢測設(shè)備主要從日本、韓國進口居多。國外的設(shè)備性能優(yōu)越，能夠?qū)崿F(xiàn)對接生產(chǎn)線，自動上下料，自動脫膜，自動檢測且誤檢率低，但價格昂貴，一般至少要百萬元以上。而國內(nèi)的檢測設(shè)備性能較差，無法覆蓋模組廠商所有的檢測標(biāo)準(zhǔn)，例如通過視覺對Mura的檢測，誤檢率較高。因此，國內(nèi)市場對手機屏的自動檢測設(shè)備需求量大，且需求緊迫。本文所設(shè)計的液晶模組檢測系統(tǒng)能夠降低生產(chǎn)成本和退貨率，簡化生產(chǎn)線應(yīng)用。可以擴展推廣應(yīng)用于平板電腦、車載顯示屏、顯示器等各種平板顯示器的檢測，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景。