随着工业化与信息化的发展,现代制造业对于产品AOI(自动光学检测)系统的需求与日俱增,其中对于大尺寸、高精度的产品检测,线阵扫描AOI系统的地位非常之重要。对精密电子、半导体、玻璃、纺织、造纸等高科技制造业领域以及基础制造业领域,线阵扫描AOI已成为行业的核心及标准装备。大多的线阵扫描AOI主要以CCD(Charge-coupled Device:电荷耦合元件)线阵工业相机作为成像系统。近年,由于CIS(Contact Image Sensor:接触式图像传感器)成像系统功耗低、结构简单、体积紧凑、成本低等特点,国内外呈现出向基于CIS的线阵扫描AOI方向发展。伴随中国在科技产业方面的飞速发展,产业调整升级势在必行,要实现“中国智造”,核心智造装备的自主化势在必行。线阵扫描AOI等高端装备国产化水平远远不够,要缩短与国外领先者之间的差距,必须在系统设计关键技术方面开展深入、系统的研究工作。本文结合实际产品项目开发,从基于CIS的线阵扫描AOI的关键技术问题解决角度出发,对以下几个方面进行了分析与实验,积累了相应工程经验,为国产基于CIS的AOI装备的持续发展贡献应有的力量。1.CIS线阵相机的设计根据线阵扫描AOI系统的对于成像系统的要求,对CIS线阵相机设计关键技术研究。基于FPGA(Field-Programmable Gate Array:现场可编程门阵列)的构架平台,通过内外存储器流水式复用模型构建灵活、快速的大数据量存储与传输模式,设计并实现了大数据、高速率的CIS线阵相机。根据测试结果,该相机在300 dpi分辨率下扫描速度为140 ipm,延时小于1 ms,压缩前后两幅图像的峰值信噪比高达86.9 dB。分析CIS曝光时间对于成像质量的影响,提出计算优化曝光时间参数的方法。针对曝光时间相同,外触发行频信号不同所导致的图像亮度差异问题产生的原理分析,通过使用二次触发法改进CIS线阵相机内部曝光机制解决问题。数据证明,以上技术应用设计的CIS线阵相机扫的描速度和扫描效果完全满足高端高速率的自动光学检测系统的要求。2.CIS的图像校正技术分析和阐述CIS线阵相机成像的不均匀原因,在灰度两点校正法的基础上提出适合与硬件系统优化计算的灰度两点校正法。理论证明优化后的算法与灰度两点校正法相对的误差灰度范围小于0.5个灰度,又因灰度常以0~255范围的整数表示,所以图像的质量提高两种方法能够达到相同的效果。优化计算的灰度法由于计算式相对简单,更适合在硬件平台的实现。为进一步提高CIS线阵相机采集的图像质量,在灰度两点校正法基础上提出了多点分段单步校正法,采用FPGA在图像高速采集的同时对图像进行校正,校正的延迟时间远小于上位机处理时间,在1个驱动脉冲周期内即可完成校正,校正时间仅需0.125微秒,且校正后图像的均匀性提高了10倍左右,相比传统两点法均匀性也提高了3倍左右,CIS相机内的色差基本消除。3.宽幅面多段CIS图像拼接技术针对自动光学检测系统对CIS线阵相机幅面不断增大的需求,研究宽幅的CIS相机图像拼接技术,分析图像拼接误差的来源和类型。提出多通道FIFO的图像拼接重构方案,充分采集硬件资源,提高了多通道宽幅CIS相机数据拼接效率。600mm幅面的宽幅CIS相机,在600 dpi的光学分辨率,其USB 2.0接口的传输速率可达30 MB/s,采用Camera-Link接口,传输速率高达120 MB/s。针对“之”字型结构的宽幅面多段CIS线阵相机图像拼接误差特性研究,提出并实现出了图像数据快速拼接方案,整个拼接过程内存消耗稳定,耗时短,拼接误差控制在1个像素以内,达到了高精度快速拼接的要求。宽幅面多段CIS图像拼接技术已有效应用于实际的AOI设备中。4.AOI图像检测技术对AOI的基本配准算法、色彩分类等缺陷图像处理算法分析研究。基于了类人眼感官的CIE-Lab色彩模型提出了连通区域特征的图像配准算法,通过对连通域块的特征进行合并整合,提取匹配特征点对,结合最小均方根误差法筛选出最优三对匹配点对,最终计算得到最优配准的仿射变换矩阵。实验结果表明,该算法计算效率快,配准精度高(精度在1个像素内)。将贝叶斯决策理论应用于AOI系统的标准模型的建立和缺陷的提取,实验结果证明检测识别的精度高,效果好。通过上述四个方面的研究,解决了基于CIS的线阵扫描AOI工程实现上的若干重要问题,为高端基于CIS的AOI装备的自主研制奠定了坚实的理论与技术基础,为下一步结合国家发展需求、提升行业国产化装备水平积累了宝贵的经验。