基于CIS的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著工業(yè)化與信息化的發(fā)展,現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)于產(chǎn)品AOI(自動(dòng)光學(xué)檢測(cè))系統(tǒng)的需求與日俱增,其中對(duì)于大尺寸、高精度的產(chǎn)品檢測(cè),線陣掃描AOI系統(tǒng)的地位非常之重要。對(duì)精密電子、半導(dǎo)體、玻璃、紡織、造紙等高科技制造業(yè)領(lǐng)域以及基礎(chǔ)制造業(yè)領(lǐng)域,線陣掃描AOI已成為行業(yè)的核心及標(biāo)準(zhǔn)裝備。大多的線陣掃描AOI主要以CCD(Charge-coupled Device:電荷耦合元件)線陣工業(yè)相機(jī)作為成像系統(tǒng)。近年,由于CIS(Contact Image Se

2、nsor:接觸式圖像傳感器)成像系統(tǒng)功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積緊湊、成本低等特點(diǎn),國(guó)內(nèi)外呈現(xiàn)出向基于CIS的線陣掃描AOI方向發(fā)展。
　　伴隨中國(guó)在科技產(chǎn)業(yè)方面的飛速發(fā)展,產(chǎn)業(yè)調(diào)整升級(jí)勢(shì)在必行,要實(shí)現(xiàn)“中國(guó)智造”,核心智造裝備的自主化勢(shì)在必行。線陣掃描AOI等高端裝備國(guó)產(chǎn)化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,要縮短與國(guó)外領(lǐng)先者之間的差距,必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)方面開(kāi)展深入、系統(tǒng)的研究工作。
　　本文結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品項(xiàng)目開(kāi)發(fā),從基于CIS的線陣掃描AOI的

3、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題解決角度出發(fā),對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了分析與實(shí)驗(yàn),積累了相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn),為國(guó)產(chǎn)基于CIS的AOI裝備的持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)應(yīng)有的力量。
　　1.CIS線陣相機(jī)的設(shè)計(jì)
　　根據(jù)線陣掃描AOI系統(tǒng)的對(duì)于成像系統(tǒng)的要求,對(duì)CIS線陣相機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究?；贔PGA(Field-Programmable Gate Array:現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)的構(gòu)架平臺(tái),通過(guò)內(nèi)外存儲(chǔ)器流水式復(fù)用模型構(gòu)建靈活、快速的大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)與傳輸模式,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)

4、了大數(shù)據(jù)、高速率的CIS線陣相機(jī)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,該相機(jī)在300 dpi分辨率下掃描速度為140 ipm,延時(shí)小于1 ms,壓縮前后兩幅圖像的峰值信噪比高達(dá)86.9 dB。分析CIS曝光時(shí)間對(duì)于成像質(zhì)量的影響,提出計(jì)算優(yōu)化曝光時(shí)間參數(shù)的方法。針對(duì)曝光時(shí)間相同,外觸發(fā)行頻信號(hào)不同所導(dǎo)致的圖像亮度差異問(wèn)題產(chǎn)生的原理分析,通過(guò)使用二次觸發(fā)法改進(jìn)CIS線陣相機(jī)內(nèi)部曝光機(jī)制解決問(wèn)題。數(shù)據(jù)證明,以上技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的CIS線陣相機(jī)掃的描速度和掃描效果完全

5、滿足高端高速率的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的要求。
　　2.CIS的圖像校正技術(shù)
　　分析和闡述CIS線陣相機(jī)成像的不均勻原因,在灰度兩點(diǎn)校正法的基礎(chǔ)上提出適合與硬件系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算的灰度兩點(diǎn)校正法。理論證明優(yōu)化后的算法與灰度兩點(diǎn)校正法相對(duì)的誤差灰度范圍小于0.5個(gè)灰度,又因灰度常以0~255范圍的整數(shù)表示,所以圖像的質(zhì)量提高兩種方法能夠達(dá)到相同的效果。優(yōu)化計(jì)算的灰度法由于計(jì)算式相對(duì)簡(jiǎn)單,更適合在硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。為進(jìn)一步提高CIS線陣相機(jī)

6、采集的圖像質(zhì)量,在灰度兩點(diǎn)校正法基礎(chǔ)上提出了多點(diǎn)分段單步校正法,采用FPGA在圖像高速采集的同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行校正,校正的延遲時(shí)間遠(yuǎn)小于上位機(jī)處理時(shí)間,在1個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖周期內(nèi)即可完成校正,校正時(shí)間僅需0.125微秒,且校正后圖像的均勻性提高了10倍左右,相比傳統(tǒng)兩點(diǎn)法均勻性也提高了3倍左右,CIS相機(jī)內(nèi)的色差基本消除。
　　3.寬幅面多段CIS圖像拼接技術(shù)
　　針對(duì)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)CIS線陣相機(jī)幅面不斷增大的需求,研究寬幅的CI

7、S相機(jī)圖像拼接技術(shù),分析圖像拼接誤差的來(lái)源和類型。提出多通道FIFO的圖像拼接重構(gòu)方案,充分采集硬件資源,提高了多通道寬幅CIS相機(jī)數(shù)據(jù)拼接效率。600 mm幅面的寬幅CIS相機(jī),在600 dpi的光學(xué)分辨率,其USB2.0接口的傳輸速率可達(dá)30 MB/s,采用Camera-Link接口,傳輸速率高達(dá)120 MB/s。針對(duì)“之”字型結(jié)構(gòu)的寬幅面多段CIS線陣相機(jī)圖像拼接誤差特性研究,提出并實(shí)現(xiàn)出了圖像數(shù)據(jù)快速拼接方案,整個(gè)拼接過(guò)程內(nèi)存消

8、耗穩(wěn)定,耗時(shí)短,拼接誤差控制在1個(gè)像素以內(nèi),達(dá)到了高精度快速拼接的要求。寬幅面多段CIS圖像拼接技術(shù)已有效應(yīng)用于實(shí)際的AOI設(shè)備中。
　　4.AOI圖像檢測(cè)技術(shù)
　　對(duì)AOI的基本配準(zhǔn)算法、色彩分類等缺陷圖像處理算法分析研究。基于了類人眼感官的CIE-Lab色彩模型提出了連通區(qū)域特征的圖像配準(zhǔn)算法,通過(guò)對(duì)連通域塊的特征進(jìn)行合并整合,提取匹配特征點(diǎn)對(duì),結(jié)合最小均方根誤差法篩選出最優(yōu)三對(duì)匹配點(diǎn)對(duì),最終計(jì)算得到最優(yōu)配準(zhǔn)的仿射變換矩