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1、基于图形化管理控制自动光学检查的LED性能试验摘要：本文注重于在发光二极管（LED）的发展和生产中的自动化光学检查系统，检查包括了亮度和前向电压。在运动控制方面，我们使用了图形化管理和控制的思想，联合了LabVIEW软件和可编程逻辑控制器（PLC）。通过连接模拟输入模块，PLC会读取前向电压的值，并判断值过大还是过小。在LED光学检查中，LabVIEW软件用来在获得的数据和分析图像数据来调整电荷耦合器件（CCD）摄像头。LED的亮度是根据它是否达到理想的标准二进制形态面积像素来判断，LED快速地在轨道上前进，被PLC控制的一个气缸将用来分开它们到不同的储存区。这个系统的特色在于包括自动控制平台
2、和图形化检查。从试验中，LED检查的速度会达到40-45片每分钟。亮度检查中，当检查在黑暗的房间或者外部环境亮度固定的条件下，处理精确度会达到100%。关键词：自动光学检查(AOI) 电荷耦合器件(CCD) 发光二极管(LED) 图形化管理控制 1.介绍伴随着快速增长的半导体工业，在尾灯的制造上，车辆尾灯是被传统电灯泡取代为高通量的LED。通常，车灯的主要目的是显示和照明。当车辆停车、转弯和倒车时，车辆LED通过数字仪表盘来启用。因此，电-光学性能的要求是解决LED的光视角、亮度、电压和电流这些问题。对于汽车制造商，用于汽车照明的主要因素是LED的质量是否可靠。一般来讲，除了在汽车事故中，人为
3、的或者是因为设计缺陷，LED的整体平均寿命大概为100000小时，并且LED和所有汽车部件相比已经拥有最长的生命周期了。然而，由于不成熟的光学检测技术和成品率低，一个大问题是，前灯制造厂商无法找出哪些安装到印刷电路板（PCB）上LED亮度不足。因此，前灯制造厂商将在人力检查上花费很大。为了解决这个问题，我们开发了一个AOI系统测量LED性能。在试验设施上，赖等人设计了一直检测机制，包括黑暗的房间、LED放置盘、颜色传感器和光纤数据采集卡。Miran等人使用了一个LED自动光学质量检测的机器视觉系统。通过对LED的光投影到屏幕上的图像获得了光学性质。比较了参考文献，研究发现，赖等人的优势是必须在
4、同一时间使用盘的旋转不断检测六个发光二极管，并对LED进行光学比较。尽管LED系统的定位是手动的，但是他们还是有一个全自动每小时检查50000或者更快的速度。在监控系统中，串行通信包括了信号M0-M5和D0。苏等人成功开发了PLC与PC之间的串行通信，这是一个硬件结构简单的很实用的监控系统。米等人提供了通信结构、参数设置和监控系统的组地址。曾等人设计了LabVIEW的计算机图形程序的检测，其中含有数据采集卡、数据处理和分级系统。软件程序主要包含成像过程、切换程序、实时报告和操作界面的设计。本文中，我们建立的系统不仅可以自动检查LED和PCB装配好的样品，也能计算检查过程的成品率。此外，后者也可
5、作为未来购买参考的可靠数据库。图1：自动光学检查设备由LabVIEW软件、PLC、模拟输入模块、CCD摄像头、IMAQ卡和LED检验台。运行 人工放入判断LED是否放入轨道检查区前向电压检查机构亮度检查通过滑动筒分类 图2：系统结构的移动流程图定位板LED检查制动板塑料槽电杆气动缸前端板图3：传动机构图解LED进入检查区前端板向上移动4毫米图像检查前端板向下移动4毫米打开制动板LED进入储存区等待下一LED检查图4：检查区流程图2.试验装置在图1中，本实验的实验设备是由LabVIEW软件、PLC、模拟输入模块、CCD摄像头、采集卡、检查平台组成的。LabView软件是整个系统的枢纽，并将该信号
6、通过RS-232发送到PLC。此外，它还可以处理由模拟量输入模块的正向电压Vf的数字信号，并且判断LED的Vf过大或过小。CCD摄像头抓取光信号和IMAQ卡转换成图像，并确定LED的亮度。该系统的运行流程图如图2所示。首先，我们把LED通过人工的方式放入轨道中，LED将会通过分离机构检测区。最后，系统将由滑动气缸进行分类。与测量系统相比，我们的AOI系统具有可以连续检测LED和立即找出这些缺陷的优势。发亮的LED接触图5：当接触到LED的针时，电杆移动4mm去提供电源电流制动杆轨道气缸的前端板固定角板图6：分离原理图解，包括了气缸前端板，制动杆和固定角板气缸进气机械向上检查区域完好气缸排气机械
7、向下气缸进气轨道入口完好停止图7：分离机制流程图：（a）流程图，（b-d）气缸吸气和排气，在垂直运动时分离的状况2.1 机械设计在这项研究中，该平台包括制动机构、分离机构、滑动机构、检查区、轨道等等。这里，我们主要描述检查区的机械设计和分离机理。2.1.1 检查区当前的传输机制的示意图如图3所示，其中包括四个电杆、限位杆、定位板、塑料槽板和前端的气动缸。这种机械设计为4针LED尺寸，其主要功能如下：（1）电动杆和电源连接，并提供一个恒定电流给LED。（2）限位杆的作用是避免未检查的LED滑动到储存处。（3）定位板的功能是检验区域的LED位置。（4）塑料槽作为一个非导电材料连接轨道。（5）前端板
8、与气缸相连接。其驱动电杆作垂直运动，并保持与LED的接触。图4显示的是检查区域的活动流程图。首先，LED进入检查区。然后，前端板向上移动4毫米，电杆与LED接触，LED发光（如图5所示）。在图像检查之后，前端板向后移动，然后制动杆打开，LED滑入储存区。2.1.2 分离机构当他们由于重力滑入轨道时，LED将紧密排成一条线，并且分类机构将确保他们一个一个进入检查区。在我们的系统中，分离机构包括气缸的前端板、固定角板、制动杆。气缸驱动垂直前端板。本机构图和运动图分别如图6、7所示，该机构运动的论述分为两部分。首先，气缸进气口和机构向上运动。如图7B所示，制动杆A阻挡所有的LED，气缸排气和机构向下
9、运动。如图7C所示，制动杆A和B同时向下移动。然后制动杆B会阻碍其他LED进入第一个检查区域。2.2 可编程逻辑控制器PLC是用于一个包括分离机构的顺序控制、检查区结构、滑动机构和光纤传感器的平台。此外，它可以通过RS-232 与LabVIEW进行通信和连接。在我们的系统中选择了三菱公司PLC型号FX3U-32MR/ES-A。2.3 模拟量输入模块在我们的系统中，模拟量输入模块使用的是三菱公司的FX2N-2AD型号。它是用来检查LED的正向电压，并将两个点的模拟输入（即电压和电流）转化为数字的12位值，并向PLC通信这些值。测量电路如图8所示，其中电源提供稳定电路，并与LED的阳极和阴极相连接
10、。相应的模拟量发送到FX2N-2AD，然后传送0-4000以内有效的信号值。图9是模拟量和数字量的关系图。例如，0-4000的数字量是对应于模拟量从0-10V，数字量40的值相当于模拟量0.1V（4010V/4000）。因此，PLC可以根据用户设置发送数字值到PC上与标准电压相比较。LED的正向电压超过标准电压的将会被移除。图8：测量前向电压的电路图9：FX2N-2AD中模拟值和数字值的关系图2.4 CCD摄像头和IMAQ卡CCD图像传感器是硅晶体的集成电路，组成的一个稠密矩阵光电二极管或者是通过转换光能量以光子进入的残留。CCD摄像机是由Unibrain生产的型号为Fire-i 620c，并
11、且具有逐行扫描以观察LED的光源提供全帧图像。用于视觉系统的图像采集卡是由NI公司的产品型号为PCI-8252。IEEE 1394卡提供了一个移动的、容易使用的解决方案，可以从IEEE 1394摄像机的图像获得、保持、显示和处理图像。PC向PLC发送M1?图像检查图10：信号传送流程图3. 图形监控在LabVIEW软件，我们利用五个串行通信五个点：虚拟仪器配置串行端口、虚拟仪器读、虚拟仪器写、虚拟仪器串行端口位和虚拟仪器关。串行通信可以实现时，这些模块间的合理连接完成。我们使用八个软构件在图形监控系统中，他们的描述如表1。之后PC的初始条件的设置，它将发送信号的M0打开系统。之后在用户设置LE
12、D的数量（即PC发送D0给PLC），PC将会等待接收信号M4，这意味着LED已经到达检查区。然后，系统将处理成像检测和接收从PLC来的信号D65。D65的目的是发送LED的Vf到PC。之后LED的性能将被测量，PC将会发送M2或M3来确定LED是否合格。然后，如果轨道入口没有LED，PC将会发送M5给PLC。最终流程将会等待接受M4，如果用户没有按下停止键。上述的流程可以在图10中看到。表1：软元件的描述和关系软元件描述关系M0打开系统PCPLCM1关闭系统PCPLCM2LED符合标准PCPLCM3LED不符合标准PCPLCM4LED到达检查区PLCPCM5轨道入口没有LEDPLCPCD0LE
13、D数量PCPLCD65LED前向电压PLCPC通信的文本格式可以在2-4中看到和四通信命令都在表2中。PC讲等待软构件M4、M5和D65。M4是从LED被电源点亮就接收从PLC的数据，M5是观察轨道入口间的间隙，D65是接收LED的Vf值。M4和M5的信号传输方法是一样的。我们使用的信号D65接收的是LED正向电压Vf。通过使用模拟量输入模块，要求在一个范围为0到4000的数字值，并且通过D65传输到PC。从图9中，我们知道数字400的值等于1V。为了避免浮点运算和减少地址，我们首先划分数字值为4。当D65传输完成，再将值除以100。表2：交流命令命令代码命令软元件功能0.(30H)读X,Y,
14、M,S,T,C,D读条件下的位和字1.(31H)写X,Y,M,S,T,C,D写条件下的位和字7.(37H)强制打开X,Y,M,S,T,C强制设定某些位为开8.(38H)强制关闭X,Y,M,S,T,C强制设定某些位为关4.软件程序4.1 人机接口操作界面如图11所示：其中包括实时图像选项卡和表选项卡。图像选项卡包括开关、信号灯、初始设定、实时和二进制图像，而表选项卡包括LED的所有的实时信息。每个功能描述如下：（1）开关包括四个按钮：启动、停止、退出和测试。（2）信号指示器代表信号的M传输的条件。（3）初始设置包括延迟时间设定、标准值范围（上下限），Vf的标准值，和LED的数量。（4）成像检测系
15、统在界面上实时显示和二进制图像。（5）表提供了LED检测的实时的信息，例如：色彩R、G、B的均值和LED的Vf，合格的样品量，失败和剩余的样品量，最大值、最小值和平均值，以及通过率（%）。图11：建立的接口系统：（a）实时图像选项卡（b）表选项卡运行初始化测试图像检查查找标准值返回开始停止退出返回返回关闭系统轨道入口完好？从PLC接收M5输出表格从PLC接收M2发送M3到PLCLED是否合格从PLC接收D65图像检查从PLC接收M4PC发送M1到PLC关闭系统离开程序发送M1到PLC发送M0到PLC发送D0到PLC图12：LabVIEW软件程序的流程图4.2 开关设计开关的设计包括三个按钮和一
16、个触发按钮。按钮可以启动、停止、退出。触发按钮主要用于手动测试。LabVIEW程序的流程图如图12所示。该开关有以下四种：（1）测试按钮。在检验系统中，我们必须输入LED的亮度标准值，并使用手动测量面积（像素）的标准样品，当LED进入检查区。CCD摄像头将抓住图像，并计算面积的值（像素），当使用者按下测试按钮，这个值可以作为标准的参考值。（2）启动按钮。系统驱动软构件M0和D0监控PLC按下启动按钮。因此当启动按钮按下，对主机系统的检验流程变得更加重要。流程图是由成像检测系统，信号传输M0，M2-M5，和表组成。（3）停止按钮。系统驱动软构件M1监控PLC按下停止按钮，同时，系统将停止等待下一
17、个开始。（4）退出按钮。退出按钮意味着离开程序，并且前提是系统必须停止。4.3 成像检测系统4.3.1 发射的颜色分类通常，汽车尾灯发出三种颜色：红色、黄色和白色。看LED制造商为例：LED的数字部分是由EOI制造的E0Z-ZBRHCDG-KK和EOZ-ZBYHCDG-KK（红和黄灯），和由EVERLIGHT制造的31-01UTC/X9-GS（白灯）。以下是检验LED发出颜色的流程图：第一步：我们尝试从图像中国提取红色、绿色和蓝色的像素强度表，它们命为Rijmn、Gijmn、Bijmn，mn是图片的大小。第二步：我们利用r，g和b代表主要的像素强度，它们是r=i=1mj=1nRijmn，g=i
18、=1mj=1nGijmn，和b=i=1mj=1nBijmn。第三步：根据LED的数据表，我们设定检查条件的恒大电流为If=70mA为红色和黄色的光，If=30mA为白色的光。第四步：当外部光源是固定的，我们逐个检查这20个三种类型的样品LED，计算出r，g，b的值。试验结果在表3中。发现主要的强度rgb是红色和黄色的光，主要强度r在红光中远远大于g和b，并且rb3g并且r3b发射的是红光。（b）bg并且br并且bg发射的白光。然而，这些条件可能不适用于不同的外部亮度和停止的CCD相机尺寸。表3：LED的Vf的测量结果测量a(V)标准a(V)误差a(V)测量b(V)标准b(V)误差b(V)测量c
19、(V)标准c(V)误差c(V)2.362.41-0.052.232.210.022.983.08-0.102.272.250.022.232.220.012.983.19-0.112.262.250.012.202.170.033.083.060.022.302.240.062.262.230.032.953.06-0.112.242.230.012.232.2302.943.06-0.122.242.220.022.172.1702.973.07-0.122.232.220.012.182.170.012.983.09-0.112.252.240.012.242.230.012.943.06
20、-0.122.232.2302.222.210.013.083.060.022.262.240.022.182.1802.953.06-0.112.272.230.042.212.2102.983.06-0.082.292.240.052.232.2302.943.10-0.162.252.240.012.192.170.022.953.06-0.112.262.250.012.182.1802.953.19-0.242.262.250.012.192.1902.983.08-0.10*a射出的为红光；b射出的为黄光；c射出的为白光4.3.2 灰度灰度数字图像是一幅图中每一个像素的值，即，它唯
21、一的光强的信息。这些排序的图像也称为黑和白，都是由专门的灰色阴影，变黑和变白的强度最弱和最强的一个。在本文中，灰度图像的每个像素的测量结果是在一个波段的LED亮度。转化发出的LED光线到一个灰度值，肯定获得了红、绿和蓝色的像素值。然后我们使用如下的公式：Hij=Rij+Gij+Bij3Hij是灰度的像素强度，Rij，Gij，Bij分别是红、绿和蓝的像素强度。8位的灰度范围是从0-255。图13表明了显示的LED发光角度不同，这是使用照度计测量，并成为该仪器的AOI检测标准。在实验中，CCD摄像机接收来自LED的光，并且利用公式计算图像的灰度值。图13：不同角度测量辐射的照度图4.3.3 二进制
22、形态面积在检查过程中，当CCD相机图像将接受来自LED光源产生的过渡状态。光源的图像显示在图14a中。LED的亮度会根据它是否达到预期的标准值的过渡区来判断二进制形态面积（像素）。二进制图像是数字图像，并且每个像素只有两个可能的值。通常状况下，两种颜色用于二进制图像是黑色和白色。在本文中，用于图像中的光源的颜色为前景色，而其他为背景色。这意味着每个像素存储为一个单位（0或1）。(a)(b)图14：（a）左边的照片是一个光源的图像，右边的照片是实际的试验图，图像是由CCD摄像机捕捉的。（b）沿着强度分布的强度-距离图，分别是沿垂直线、水平线、斜线和反斜线。4.3.4 图像阀值分割图像阀值是图像分
23、割的最简单的办法。在阀值的过程中，如果其值大于门限值，图像中各个像素标记为光源的一个对象的像素；否则，它视为背景像素。如图14a，左边的照片是一个光源图像。可以看出，LED光源和背景之间的不同强度。如图14b，我们得到四条线：垂直线，水平线，斜向线和反向图像上的斜线。它们是因为发现的光源的像素值接近于255。因此，我们设定阀值为255，数学表达式如下：Tij1, Hij=2550, Hij3g和r3b条件是正确的。图16：实验结果（LED的型号：EOZ-ZBRHCDG-KK）表4：从三种类型20个LED样品检查得到的结果。r，g，b代表平均强度r(a)g(a)b(a)r(b)g(b)b(b)r
24、(c)g(c)b(c)1953625194255745822192352519425581622218233241841557659221863424184154755922202372518415472582219836252547628061221973625244763976921197362523466381612220337252446628161212013725244662775922197362523456069552219436252345616855221993625234561685522207382524466174572219836252244608060221953
25、52524466376572220237252448651027321193352522456171572219436252447638061221873525234559846122*单位：像素; a射出的为红光；b射出的为黄光；c射出的为白光6.结论本文的主要目的是建立一个AOI系统，可以提供每个LED的信息，并具有以下功能：首先，用户可以使用测量数据自己建立一系列标准值；其次，系统可以立即计算出合格率和合格数。本文可以总结出三个结果：1) 我们已经成功结合了LabVIEW与PLC的串行通信的概念，集成光学、机械和电子在一个AOI系统中。2) 成像过程和气缸的联系很容易使用LED的不足的亮度消除。3) 当在黑暗的房间内或者外部亮度固定，LED的检测速度可以达到40-45片/分钟，和接近100%的精度检查。然而，只有通过使用CCD相机对LED的光学性能仍不够，系统可以进一步使用别的光学仪器，如颜色传感器、光谱仪和累计球来提高其多参数测量的LED的能力。附英文原文来源：Measurement Volume 44, Issue 8, October 2011, Pages 13491360 第22页