工業接近線性 (IPL) 技術
- 平板AOI系統
工業檢測背景
傳統的CCD文件掃描需要鏡頭，可能導致圖像變形，例如凹凸變形，尤其對於大型文件。使用CIS掃描通常生成1:1的圖像，不會有變形。
平板顯示屏（FPD），通常由LCD或OLED技術製成，用作嵌入到家電、汽車、醫療產品以及智能手機和電視等消費產品的主要界面。由於市場上的大多數電子產品都在使用平板顯示屏，因此它們變得越來越受歡迎。由於消費者要求更大、更好、價格更低的顯示屏，製造商被要求不斷提高質量和產量以滿足這些需求。為了保持客戶滿意度，必須確保成品面板不含任何缺陷，特別是高清圖像質量。
平板顯示屏是由LCD生產線上的玻璃材料製成的。因此，為了製造高質量的平板顯示屏，必須對玻璃材料以及整個LCD製程進行檢測，以提高生產產量並降低製造成本。如果在製造過程中出現任何玻璃基板或製程的缺陷，產量將很低。為了解決這個問題，玻璃基板和生產線上的每個製程步驟需要一種高效的方法來檢測缺陷，然後將其排除。最有效和高效的方法是使用自動光學檢測（AOI）技術。AOI技術使製造商能夠檢測任何缺陷，減少檢測時間，同時提供比其他技術更高的精度。
傳統AOI方法：單攝像機機械掃描
圖 1：單CCD攝像機傳統AOI檢測系統。
首個傳統方法使用單個CCD攝像機。由於單個攝像機的視野有限，無法涵蓋大型平板，因此圖 1 描述了攝像機在面板上從左到右、從上到下移動。在拍攝了大量圖像後，然後使用拼接技術將它們組合成一張單一的圖像。
掃描的傳統方法：多攝像機
第二個傳統方法使用多個線性攝像機來覆蓋整個平板的區域（參見圖 2）。這考慮到每個線性攝像機無法涵蓋非常寬的長度。對於大尺寸的平板（LCD、OLED），需要精確對齊多個線性攝像機以形成一個線性平面。然後，整個面板移動以形成一個面板圖像。
每個線性攝像機連接到自己的個別電腦。每台電腦使用鄰域比較算法進行圖像處理。為了最大程度提高對FPD上各種表面和體內缺陷的可見性，需要照明（通常使用LED光源）。整個系統協助檢測和確定缺陷，並評估其他性能參數，如對比度、亮度和顏色均勻性。
圖 2：CCD線掃描攝像機設置
傳統方法存在的問題
傳統AOI檢測系統存在三個主要問題。第一個是圖像對齊問題。第二個是由暈影引起的圖像扭曲（鏡頭餅皮效應）。第三個是需要所有攝像機具有相同的鏡頭放大倍數。
傳統AOI系統的第一個主要問題是容易出現對齊錯誤。如果攝像機沒有正確排列和精確放置，這可能導致CCD攝像機的視野重疊，從而導致平板顯示屏的圖像不正確。即使在最小的邊緣，錯誤仍然可能發生。例如，±1個像素的錯位仍可能導致FPD線掃描時的嚴重性能問題，這可能導致後期非常昂貴的修復。
從圖2可以看出，攝像機陣列排成一排，以創建一個長的線性掃描攝像機。對於面板的200和400 dpi分辨率，每個像素大小分別為約127和63.5微米。精確對齊多個攝像機以形成在127或63.5微米範圍內的圖像平面是非常困難的。例如，Gen 8.5的LCD生產線至少需要10個線性攝像機來覆蓋整張玻璃。每個攝像機都是獨立的，由人工操作員相應組織。
傳統CCD線掃描攝像機的焦距較長。因此，整個系統體積龐大，需要更多資源進行維護。這也會導致維護方面的問題。如果一台攝像機無法完全運作，則需要耗費大量時間進行更換。
CCD線掃描攝像機使用傳統鏡頭，這會使再現圖像發生透視扭曲。圖像的外緣與中心的放大倍數不同。這種鏡頭系統可能會出現圖像測量時的以下鏡頭扭曲：桶形扭曲和餅皮扭曲（參見圖3）。這兩種扭曲可能妨礙創建和掃描平板上可能缺陷的正確圖像的過程。其原因包括攝像機對視野的不正確對齊、攝像機角度的差異以及許多其他變數。
圖 3 桶形扭曲和餅皮扭曲在傳統鏡頭系統上。
可能出現的另一個不期而至的效應是暈影，通常是由於鏡頭本身的限制引起的。暈影是指圖像的亮度減少（根據照明衰減的余弦四次法則，即向圖像的邊緣/周邊相對於圖像中心的亮度衰減）。儘管它可以用來為照片增添一些創意色彩，但它卻損害了掃描平板顯示屏的性能。一個例子是位於攝像機視野邊緣的缺陷的能見度降低。如果出現這種情況，缺陷可能會被忽視，降低了製造商的產量質量。
圖 4 來自線掃描攝像機鏡頭的暈影效應
對於扁平物體或包含文本的文檔，在使用傳統線掃描攝像機時可能會出現色差。圖5顯示了由於不同波長經過稍微不同角度的折射而導致焦距失誤而導致字符模糊。
圖5 由色差引起的字符失真
因此，圖像失真是不期而至的，因為它無法準確地呈現正在掃描的平板，也無法提供有關發現的缺陷的虛假和不準確信息。
傳統AOI系統的第三個問題是，由於它們使用鏡頭，鏡頭的放大性能也受到限制。每個鏡頭必須能夠支持正確的放大倍數，以正確顯示正在觀看的物體的細節。如果在裝配線上的玻璃面板中存在某些缺陷，可能需要更強大的放大倍數才能找到它。如果不是這樣，缺陷將被忽略。例如，傳統AOI系統設置中在圖2中顯示的多個攝像機必須具有相同的放大能力和設置。如果不是這樣，巨大玻璃面板的某個部分可能存在未被發現的缺陷，因為負責該區域的一個攝像機可能無法發現這些缺陷。
微像科技股份有限公司IPL 工業攝影機
為了解決檢測行業中常見的問題，微像科技股份有限公司開發了 IPL 工業攝影機。IPL 使用一個單一封裝來容納多個線性感測器。圖 6 顯示了 IPL 攝影機，它將多個線性感測器芯片組合在一起，形成一個單一攝影機。CMOS Sensor Inc 針對我們的客戶生產了一系列產品線。對於 IPL 攝影機，每個影像長度的單位為 0.25 米，兩個單位為 0.5 米。IPL 攝影機的長度可延伸至 3 米。
圖 6 IPL 線性攝影機掃描系統。
IPL 攝影機針對不同的應用使用了兩種不同的感測器放置方法。一種是硅對接，另一種是硅交錯。
第一種方法是硅對接，如圖 7 所示。每個感測器芯片排成一條線，並且每個芯片與其旁邊的另一個感測器芯片相鄰。所有感測器芯片都安裝在一個 PCB 基板上，它們之間不存在實際的接觸。每個感測器芯片之間約有 20 到 40 微米的光學間隙，以防止任何物理接觸，同時不妨礙設備性能。
圖 7 對接方法
創建更長的影像感測器陣列的第二種方法是硅交錯（參見圖 8）。與對接方法不同，交錯方法是將每個感測器芯片的末端重疊在其相鄰芯片的上方，從而消除了光學間隙。與對接方法中的感測器排列相比，交錯排列更適用於AOI應用。感測器芯片的重疊是有意的，允許根據需要調整感測器芯片板以實現正確的光電二極管對齊。
圖 8 交錯方法
由於電路和它們各自的感測器打包到一個單元中，這帶來了許多優勢，超越了傳統的多攝像機設置。
所有組件，包括感測器、FPGA、電路、光學鏡頭都打包並固定在一個模塊中。這消除了移動組件（鏡頭、視野、距離變異等）可能對攝像機性能產生負面影響的可能性。此外，系統維護更加簡單。與傳統系統中需要拆卸每個單獨組件並重新安裝的情況不同，您只需將整個單元拆卸並在需要時重新安裝。每個單元都有精確校準的預鑽孔，以實現準確的安裝對齊。這擺脫了拆卸和安裝的繁瑣麻煩，同時增加了計劃維護的靈活性（無需重新校準感測器，減少停機時間）。
** 根據所需的規格，IPL線掃描器的長度和內部組件數量將有所不同。
使用IPL相機的工業檢測方法
在使用IPL相機時，有兩種掃描方法和兩種照明方法可供選擇。第一種掃描方法是輸送線設置，其中IPL相機保持不動，而待檢查的面板（如圖9中的紅色部分所示）放在輸送帶上，然後通過IPL相機。
圖9 IPL相機輸送線掃描方法
第二種掃描方法被稱為平板，與輸送線相反。在這裡，待檢查的面板保持不動，而IPL相機從面板的一端移動到另一端。如圖10所示，IPL相機（以紅色突出顯示）將從位置1移動到位置2。
圖10 IPL相機平板掃描系統
面板的照明對於檢測平板顯示屏上的瑕疵是必不可少的部分。IPL相機的影像感測器可以檢測從紫外線到近紅外光的整個波長光譜。因此，IPL相機可以使用許多不同的LED光源來照明物體。光源可以覆蓋從紫外線、藍光、綠光、紅光到近紅外（NIR）LED。也可使用白光LED。
在使用IPL相機時，有兩種照明方法。第一種是反射法（參見圖11），其中LED光源（可以是外部或內部的）與IPL相機位於同一側。LED光線照射到面板上，信息從面板反射到IPL相機內的感測器。另一種方法使用透射法（參見圖12）。在這種情況下，LED位於IPL相機的相對側，而平板顯示屏位於兩者之間。
圖11 反射型照明方法
圖12 透射型照明方法