1、触摸屏ITO线路自动光学检查机采集系统设计与实现本科毕业论文光电工程与光通信摘 要 I 摘 要 为了满足微米量级氧化铟锡线路检测的需求，提出了一种高分辨率的用于检测氧化铟锡线路缺陷的检测系统。采用高分辨率线阵 Charge Coupled Device（ CCD） 相机以及中长焦镜头以获得较高的图像放大率与图像精度 ； 分离相机与镜头及镜头倒置以获得较大的动态范围和较好的调制转换函数优化值；同时采用大理石底座以减小周围环境的振动等对系统精度的影响。通过具体分析系统精度与速度要求，再考虑现场环境，对不同结构系统的优劣势进行了研究与论证。结果表明，该系统具有精度高、稳定性高、操作灵活等显著特点。
2、关键字： 成像系统 ; 高分辨率 ; 光学检测 ; 线扫描系统 ABSTRACT II ABSTRACT A defect detection system for lines on indium tin oxide glass was designed Firstly， higher image magnification and image accuracy were obtained by using a high resolution linear Charge Coupled Device（ CCD） camera and the telephoto lenses;secondly,
3、larger dynamic range was realized through the separation of camera and lens and a suitable modulation transfer function value was achieved through ceiling mounting the lens. At the same time,marble base was used to reduce the influence of surrounding vibration on the accuracy of the system.Finally,h
4、e advantages and disadvantages of system with different structure were concretely analyzed.Experiments show that the system has high precision,high stability,flexible operation,and other notable features Key Words: queuing theory, demand management, telecom offic目 录 III 目 录 第 1 章 引言 . 1 1.1 课题背景及研究目
5、的 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国外研究现状 . 2 1.2.2 国内研究现状 . 2 1.3 机器视觉技术及其工业应用现状 . 3 1.4 本课题研究内容 . 5 第 2 章 机器视觉基本原理 . 6 2.1 机器视觉技术 . 6 2.1.1 什么是机器视觉 . 6 2.1.2 机器视觉的工作原理 . 6 2.1.3 机器视觉检测技术的优点 . 7 2.2 数字图像处理 . 8 2.3 图像二值化 . 10 第 3 章 光学系统分析 . 11 3.1 系统要求 . 11 3.2 镜头相关参数的计算及确定 . 13 3.2.1 视场、工作距离、分辨率与放大倍数对成像的影
6、响及参数的计算 . 13 3.2.2 景深的确定 . 14 3.2.3 光圈与 F 值对成像的影响 . 15 3.3 相机相关参数的计算 . 18 3.3.1 相机工作方式的选择 . 18 3.3.2 线阵相机分辨率和采集速度 (行频 )的计算 . 21 3.3.3 光源发光体及照明方式 . 21 第 4 章 光学系统硬件的选型 . 25 4.1 工业相机的选型 . 25 4.2 工业镜头的选型 . 27 目 录 IV 4.3 线性光源的选型 . 29 4.4 图像采集卡 . 31 4.5 底板材料的选择 . 32 4.6 相机、镜头与目标的位置 . 33 4.7 系统实物图 . 34 第 5
7、 章 测试及结果分析 . 36 5.1 对焦的测试 . 36 5.2 采集速度的测试 . 37 5.3 黑点分析 . 39 5.4 图像二值化处理 . 43 第 6 章 结束语 . 45 6.1 不足与展望 . 45 6.2 结论 . 45 致 谢 . 46 参考文献 . 47 外文资料原文 . 49 外文资料译文 . 52 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 1.1 课题背景及研究目的 液晶显示器（ LCD）是资讯、通信与消费类电子产品的重要组成部件。但是由于其制造工艺繁琐复杂、需检测项目众多且检测精度高的特点，使得对其缺陷检测变的尤为困难。常见的液晶显示器按物理结构可分为 4 种：扭曲
8、向列型（ TN-Twisted Nematic）、超扭曲向列型（ STN-Super TN）、双层超扭曲向列型（ DSTN-Dual Scan Tortuosity Nomograph）和薄膜晶体管型（ TFT-Thin Film Transistor） 1。在众多液晶显示器种类中，应用最广泛的是 TFT-LCD。 TFT-LCD 制造过程主要包括： Array 过程（阵列过程，制作薄膜晶体管 TFT）、彩色滤光片过程（制作颜色像素）、 Cell 过程（组合成面板灌入液晶）及 Module 过程（模组过程，搭上驱动电路并形成背光模组） 2。 其中 ITO（ Indium Tin Oxides，
9、即氧化铟锡 ） 经 Array 工艺后的被刻蚀的玻璃基板的质量，直接决定了最终模组 的成品率。目前刻蚀精度已经从几十微米提高到几微米 ，这更增加了对其检测的难度，并对检测设备提出了更高的要求。 目前国内各中小 TFT-LCD 生产厂商在 ITO 后 Array 基板缺陷检测中大多仍采用人工检测方法，即将 Array 基板置于电子显微镜下放大 500 倍，判断存在缺陷所属类别。这无疑需要大量人力而导致生产效率难以提高。同时，由于 Array 基板直接决定了最终产品的质量，故无法采用抽检的方式，而人工检验方法依赖于检测人员主观判断，使得漏检的机会大大增加。 国内大型 TFT-LCD 生产厂商已经引
10、进国内外的自动检测设备，但是由于国外检测设备价格高昂、维修不便，而国内检测设备厂商的产品也只服务于自己的投资商，自产自用，从而使得中小 TFT-LCD 厂商面临尴尬境地。在此情况下，本课题拟研发一款针对中小尺寸的 ITO Array 玻璃基板的机器视觉检测设备，检测效率不低于 1 片（ 406.5mm357mm）每分钟并且经济实用，以解决众多国内中小 TFT-LCD 生产厂商的需要，并将检测员工从有损健康的工作状态中解放出来。 电子科技大学学士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 在国外，第 1 代 TFT-LCD 生产线于 1989 年建立，短短二十几年间，生产设备
11、已经更新至第 11 代 3，并且世界上大尺寸 TFT-LCD 生产线起源并主要集中于日本和韩国等地区 4，这使得这些国家的 TFT-LCD 配套检测设备也远远领先于其他国家。 在 ITO Array 基板检测及修整设备方面，全球呈现台湾地区、日本与韩国三强相争的局面，并有比较成熟的可以实用的产品。其中主要厂商为： Orbotech （以色列）、 Takano（日本）、 Kubotek（日本）、 V Technology（日本）、 Agilent（美）、KLA-Tencor（美）等公司 5。不同厂商检测设备均采用机器视觉的方式进行检测，检测原理基本相同，而只在设备的附加功能、生产率及价格方面有不
12、同的差异。其中最典型的为日本 V-Technology 公司的 Capricorn 系列产品。 其工作原理为： ITO Array 玻璃面板被传送到平稳运动的输送带上，输送带的运动速度由面板运动控制器精确控制。首先，在初检控制器的控制下，初检相机进行拍照，并通过上位机中的缺陷识别程序，确定缺陷种类。对于一些疑似更细小的缺陷处，初检相机没法真正判别 其是否确为缺陷，故由 Review 控制器控制 Review 相机到疑似缺陷处进行放大精确拍摄，并由上位机中的 Review 缺陷检测程序来判断是否有缺陷及缺陷种类。 检测中采用初检相机与 Review 相机的组合是基于以下两方面的原因： 1)微小缺
13、陷存在的几率非常小，没有必要在检测的整个过程中都进行 review 显微检测；2)检测效率不允许。 国外 ITO Array 基板缺陷检测设备效率高，并且适用于大尺寸 ITO Array 基板的检测。但是其价格高昂、国内维修不便且只能检测大世代的 TFT-LCD 产品，使得众多国内企业无法采用。 1.2.2 国内研究现状 近十年来，国内众多企业逐渐认识到 TFT-LCD 发展的重要性而紧追日韩厂商。从吉林通海高科技公司从日本引进国内第一条 TFT-LCD 生产线，并于 2006第 1 章 引言 3 年开 始批量生产开始，国内众多企业，如：京东方、龙飞广电和 TCL 等建立了从第 8 世代一直到
14、第 11 世代的 TFT-LCD 生产线 6。正在形成日、韩、中国和台湾地区四强相争的局面。 由于国内 TFT-LCD 制造起步晚，相应的检测设备状况远远落后于国外企业，并且多数设备针对的是 TFT-LCD 产品的最终缺陷检测。而针对 ITO Array 基板的检测研究，汕头大学凌保国做过 ITO 电极图案的软件的研究 7，针对 ITO Array 基板上的图案的自动检测，提出 了 一种新的基于二维灰度直方图的最佳一维投影的图像分割方法、连通性保持的图像压缩算法和一种简便有效的快速查表细化处理算法，并综合运用数学形态学的方法对常见的缺陷进行检测等，提出了用特征匹配和图像定位的混合检测方法检测
15、ITO 电极图案所存在的其他缺陷，并用软件模拟实现。但是其检测方法所耗费时间长，无法满足实时在线检测的需要 。 北方民族大学的王云辉等人提出了对 ITO Array 基板的厚度与弯曲度的几何尺寸进行检验的理论方法 8，但是并未实际验证其算法的可行性。并且在实际检测过程中， Array 基板的厚度与弯曲度等几何尺寸是在 ITO 工艺进行检测的，故不需在 Array 环节进行检测。 国内广东肇庆中导光电公司于 2006 年研制成功国内第一台大型 TFT-LCD 生产检测设备，其声称可以检测从 3.5 代到第 6 代的产品。但是该产品产量只能满足其投资商的需求，自产自用，并且没有小世代的检测设备。
16、1.3 机器视觉技术及其工业应用现状 美国制造工程师协会对机器视觉的定义为： “机器视觉是通过光学的、非接触的传感器自动地获取和解释处理一个真实物体的图像，以获取所需信息或用于控制机器运动 或过程 ”9。机器视觉是一门设计人工智能、计算机科 学、图像处理及模式识别等多个领域的交叉科学 10。图 1-1 为典型工业用机器视觉系统的组成。 电子科技大学学士学位论文 4 图 1-1 典型工业用机器视觉系统组成 1.光源 ;2.光学镜头 ;3.工业相机 ;4.图像采集卡 ; 5.图像处理系统 ;6.显示器 ;7, 8.控制系统与执行机构 ;9.被测目标 ; 机器视觉系统根据不同的检测对象，在光源、镜头
17、、相机及图像采集卡等诸多方面具有差异。系统的构建需要综合考虑诸多因素，比如：相机与镜头的匹配、图像传输速率、视觉检测软件实时性和检测目标正确的打光方式等。机器视觉技术发展到现在，在工业 11、农业、医学、机器人导航、卫星遥感等领域获得了大量的应用。下面着重就机器视觉技术在工业领域的应用进行概述。 随着生产过程高度自动化和对产品质量要求的日益提高，机器视觉系统被广泛地应用于产品检验、测量和质量控制等领域 12。具体应用有：零件边缘及平面检测 13、电机换向片偏 移检测 14、汽车整车尺寸检测 15、烟包包装检测 16、螺纹 几何参数检测 17、钢材表面缺陷检测 18、玻璃制品裂纹检测 19、半导
18、体集成块封装质量检测 20、饮料行业的容器质量检测 21、印刷电路板疵病检测 22、流体力学图片阻力和升力分析 23、邮件的自动分拣 24等等。应用于测量方面的有：钢管直第 1 章 引言 5 线度的测量 25、工业机器人视觉测量 26、螺旋桨叶宽度测量 27、轮胎内径与外径测量 28与大型工件的测量 29等等。机器视觉技术正以井喷的速度席卷工业生产的各个方面。 1.4 本课题研究内容 本课题来源于工厂实际困难，根据分析与调研，拟研发一套基于机器视觉的 ITO Array 玻璃基板检测样机，实现小世代 ITO Array 玻璃基板的短路、断路与污点等缺陷的检测，提高检测效率并降低产品成本，研究内容如下： 搭建以线阵相机为主要图像传感器的视觉检测光学实验平台。试验确定适用于线阵相机高反光玻璃快速显微扫描的特殊光源；根据检测效率、检测精度与检测尺寸，选择合适的工业相机、镜头、光源和采集卡等设备；研究光源、相机镜头的合理布置、安装定位和调整方法，构建主摄像系统；试验确定 辅助成像系统的构成。 拟解决的关键问题： 基于机器视觉的 ITO Array 玻璃基板缺陷检 测机的总体设计，特殊光源、相机、镜头的组合方案可行性及技术 性评估。
