基于CIS的自動光學檢測系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、隨著工業(yè)化與信息化的發(fā)展,現(xiàn)代制造業(yè)對于產(chǎn)品AOI(自動光學檢測)系統(tǒng)的需求與日俱增,其中對于大尺寸、高精度的產(chǎn)品檢測,線陣掃描AOI系統(tǒng)的地位非常之重要。對精密電子、半導體、玻璃、紡織、造紙等高科技制造業(yè)領域以及基礎制造業(yè)領域,線陣掃描AOI已成為行業(yè)的核心及標準裝備。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)簡單、體積緊湊、成本低等特點,國內(nèi)外呈現(xiàn)出向基于CIS的線陣掃描AOI方向發(fā)展。
　　伴隨中國在科技產(chǎn)業(yè)方面的飛速發(fā)展,產(chǎn)業(yè)調(diào)整升級勢在必行,要實現(xiàn)“中國智造”,核心智造裝備的自主化勢在必行。線陣掃描AOI等高端裝備國產(chǎn)化水平遠遠不夠,要縮短與國外領先者之間的差距,必須在系統(tǒng)設計關鍵技術方面開展深入、系統(tǒng)的研究工作。
　　本文結(jié)合實際產(chǎn)品項目開發(fā),從基于CIS的線陣掃描AOI的

3、關鍵技術問題解決角度出發(fā),對以下幾個方面進行了分析與實驗,積累了相應工程經(jīng)驗,為國產(chǎn)基于CIS的AOI裝備的持續(xù)發(fā)展貢獻應有的力量。
　　1.CIS線陣相機的設計
　　根據(jù)線陣掃描AOI系統(tǒng)的對于成像系統(tǒng)的要求,對CIS線陣相機設計關鍵技術研究。基于FPGA(Field-Programmable Gate Array:現(xiàn)場可編程門陣列)的構(gòu)架平臺,通過內(nèi)外存儲器流水式復用模型構(gòu)建靈活、快速的大數(shù)據(jù)量存儲與傳輸模式,設計并實現(xiàn)

4、了大數(shù)據(jù)、高速率的CIS線陣相機。根據(jù)測試結(jié)果,該相機在300 dpi分辨率下掃描速度為140 ipm,延時小于1 ms,壓縮前后兩幅圖像的峰值信噪比高達86.9 dB。分析CIS曝光時間對于成像質(zhì)量的影響,提出計算優(yōu)化曝光時間參數(shù)的方法。針對曝光時間相同,外觸發(fā)行頻信號不同所導致的圖像亮度差異問題產(chǎn)生的原理分析,通過使用二次觸發(fā)法改進CIS線陣相機內(nèi)部曝光機制解決問題。數(shù)據(jù)證明,以上技術應用設計的CIS線陣相機掃的描速度和掃描效果完全

5、滿足高端高速率的自動光學檢測系統(tǒng)的要求。
　　2.CIS的圖像校正技術
　　分析和闡述CIS線陣相機成像的不均勻原因,在灰度兩點校正法的基礎上提出適合與硬件系統(tǒng)優(yōu)化計算的灰度兩點校正法。理論證明優(yōu)化后的算法與灰度兩點校正法相對的誤差灰度范圍小于0.5個灰度,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到相同的效果。優(yōu)化計算的灰度法由于計算式相對簡單,更適合在硬件平臺的實現(xiàn)。為進一步提高CIS線陣相機

6、采集的圖像質(zhì)量,在灰度兩點校正法基礎上提出了多點分段單步校正法,采用FPGA在圖像高速采集的同時對圖像進行校正,校正的延遲時間遠小于上位機處理時間,在1個驅(qū)動脈沖周期內(nèi)即可完成校正,校正時間僅需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)兩點法均勻性也提高了3倍左右,CIS相機內(nèi)的色差基本消除。
　　3.寬幅面多段CIS圖像拼接技術
　　針對自動光學檢測系統(tǒng)對CIS線陣相機幅面不斷增大的需求,研究寬幅的CI

7、S相機圖像拼接技術,分析圖像拼接誤差的來源和類型。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相機數(shù)據(jù)拼接效率。600 mm幅面的寬幅CIS相機,在600 dpi的光學分辨率,其USB2.0接口的傳輸速率可達30 MB/s,采用Camera-Link接口,傳輸速率高達120 MB/s。針對“之”字型結(jié)構(gòu)的寬幅面多段CIS線陣相機圖像拼接誤差特性研究,提出并實現(xiàn)出了圖像數(shù)據(jù)快速拼接方案,整個拼接過程內(nèi)存消

8、耗穩(wěn)定,耗時短,拼接誤差控制在1個像素以內(nèi),達到了高精度快速拼接的要求。寬幅面多段CIS圖像拼接技術已有效應用于實際的AOI設備中。
　　4.AOI圖像檢測技術
　　對AOI的基本配準算法、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)域特征的圖像配準算法,通過對連通域塊的特征進行合并整合,提取匹配特征點對,結(jié)合最小均方根誤差法篩選出最優(yōu)三對匹配點對,最終計算得到最優(yōu)配準的仿射變換矩