自動光學檢測技術

圖1 自動光學(xue)檢測技術基本原(yuan)理圖

自(zi)動光學(xue)(xue)(xue)檢測(ce)(ce)技(ji)(ji)術(shu)(shu)（AOI）是一種(zhong)(zhong)應用(yong)于電(dian)子(zi)制(zhi)造(zao)行業(ye)的(de)視覺檢測(ce)(ce)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，通過有(you)(you)效識別制(zhi)造(zao)過程中的(de)缺(que)陷(xian)來提高(gao)產(chan)品質量(liang)。AOI是一種(zhong)(zhong)智能(neng)化自(zi)動光學(xue)(xue)(xue)成像與處理(li)系統，主要(yao)功能(neng)包括(kuo)測(ce)(ce)量(liang)、檢測(ce)(ce)、識別與引導四個部(bu)分(fen)，可以代替人(ren)工(gong)檢測(ce)(ce)、分(fen)類以及控制(zhi)生產(chan)質量(liang)，提升(sheng)工(gong)作(zuo)效率。這種(zhong)(zhong)檢測(ce)(ce)技(ji)(ji)術(shu)(shu)具有(you)(you)高(gao)精度(du)、高(gao)靈(ling)敏度(du)和非接觸性的(de)特(te)點。隨著現代科(ke)學(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)進(jin)步(bu)，光學(xue)(xue)(xue)檢測(ce)(ce)技(ji)(ji)術(shu)(shu)也在(zai)不斷提升(sheng)，在(zai)制(zhi)造(zao)業(ye)，材料科(ke)學(xue)(xue)(xue)，醫療保健，航空航天等領(ling)域(yu)得到(dao)了(le)廣泛的(de)應用(yong)。以下是幾種(zhong)(zhong)常見的(de)檢測(ce)(ce)方法。

角度分辨光譜檢測方法

角度分辨(bian)光譜方(fang)法(fa)是(shi)對光譜在角度維(wei)度的進(jin)一步解析，能夠分辨(bian)光的強(qiang)度、偏(pian)振態(tai)和相位等(deng)信(xin)(xin)息。該檢(jian)測(ce)(ce)方(fang)法(fa)是(shi)一種利用角度分辨(bian)光譜來分析物(wu)質(zhi)的性質(zhi)和形態(tai)結構的光學測(ce)(ce)量(liang)技術，本(ben)質(zhi)上(shang)是(shi)探測(ce)(ce)光與物(wu)質(zhi)相互作用的散射信(xin)(xin)息。

圖2 表面散射模型

由表面(mian)(mian)散(san)射模型可(ke)知，相機的(de)(de)拍攝(she)角(jiao)度(du)(du)(du)影響物體表面(mian)(mian)的(de)(de)微(wei)觀(guan)紋(wen)理特征在圖像中的(de)(de)表現(xian)，在不(bu)(bu)同的(de)(de)位置搭配光(guang)源和相機能夠得到不(bu)(bu)同的(de)(de)成像特征。角(jiao)度(du)(du)(du)分辨光(guang)譜的(de)(de)生成方式(shi)通常(chang)指(zhi)光(guang)波在角(jiao)度(du)(du)(du)和波長(chang)兩個維度(du)(du)(du)上的(de)(de)解(jie)析(xi)。在角(jiao)度(du)(du)(du)的(de)(de)解(jie)析(xi)方面(mian)(mian)，常(chang)見(jian)的(de)(de)方法(fa)包括機械運動式(shi)變角(jiao)度(du)(du)(du)測量法(fa)、傅里葉平(ping)面(mian)(mian)成像法(fa)以及(ji)其他相關技術(shu)。

（1）機械運動式變角度測量法

機械運動式(shi)變(bian)角(jiao)度測(ce)量法通常使用(yong)步進(jin)式(shi)電機帶動轉(zhuan)臂、樣(yang)品臺(tai)、反射(she)鏡(jing)旋轉(zhuan)，或帶動透鏡(jing)垂直光路(lu)光軸的(de)方向上移動從而改變(bian)光的(de)角(jiao)度，利用(yong)探測(ce)器(qi)采(cai)集樣(yang)品散射(she)光信(xin)息進(jin)行(xing)(xing)下一步的(de)分析。例如測(ce)角(jiao)光學(xue)散射(she)儀（GOSI）,通過旋轉(zhuan)樣(yang)品臺(tai)改變(bian)光的(de)入射(she)角(jiao)，對目標的(de)s偏(pian)振和p偏(pian)振的(de)鏡(jing)面反射(she)進(jin)行(xing)(xing)面內測(ce)量。

圖3 GOSI系統(tong)原理圖

（2）傅里葉平面成像法

傅(fu)(fu)里(li)葉(xie)平(ping)面成(cheng)像(xiang)利用光(guang)(guang)(guang)學(xue)透(tou)鏡進行光(guang)(guang)(guang)學(xue)傅(fu)(fu)里(li)葉(xie)變(bian)換(huan)(huan)來(lai)獲得動(dong)(dong)量(liang)空(kong)(kong)間信息,而不是數(shu)值傅(fu)(fu)里(li)葉(xie)變(bian)換(huan)(huan),它不需要逐(zhu)個(ge)位置掃描或角度掃描,并(bing)且(qie)適用于尺寸(cun)較微小的(de)(de)樣品。例如動(dong)(dong)量(liang)空(kong)(kong)間成(cheng)像(xiang)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)（MSIS）系(xi)(xi)統(tong)，該(gai)(gai)系(xi)(xi)統(tong)由動(dong)(dong)量(liang)空(kong)(kong)間成(cheng)像(xiang)模(mo)塊(kuai)、光(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)探測模(mo)塊(kuai)和(he)相位分辨測量(liang)模(mo)塊(kuai)三部分組成(cheng)。其中(zhong)動(dong)(dong)量(liang)空(kong)(kong)間成(cheng)像(xiang)模(mo)塊(kuai)和(he)樣品散(san)射(she)光(guang)(guang)(guang)接收光(guang)(guang)(guang)路中(zhong)均(jun)使用傅(fu)(fu)里(li)葉(xie)平(ping)面成(cheng)像(xiang)法，傅(fu)(fu)里(li)葉(xie)平(ping)面成(cheng)像(xiang)法能夠快速并(bing)同(tong)時獲取各個(ge)角度的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu),但該(gai)(gai)方法受到(dao)物鏡數(shu)值孔徑的(de)(de)限(xian)制(zhi)。

圖(tu)4 MSIS系(xi)統(tong)示意圖(tu)

色彩分辨檢測方法

物(wu)體的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)(se)(se)(se)與成(cheng)像顏(yan)色(se)(se)(se)(se)并不是對(dui)(dui)(dui)應的(de)(de)(de)(de)關系(xi)，這取決于它們反(fan)射或吸(xi)(xi)收的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)(se)(se)(se)。色(se)(se)(se)(se)彩分(fen)辨檢(jian)(jian)測(ce)技術根(gen)據(ju)(ju)冷暖色(se)(se)(se)(se)調反(fan)差不同或根(gen)據(ju)(ju)帶顏(yan)色(se)(se)(se)(se)物(wu)體對(dui)(dui)(dui)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)選(xuan)擇(ze)吸(xi)(xi)收性及反(fan)射特性進行(xing)打光(guang)(guang)，根(gen)據(ju)(ju)冷暖色(se)(se)(se)(se)調進行(xing)光(guang)(guang)源的(de)(de)(de)(de)選(xuan)擇(ze)可(ke)(ke)增加圖(tu)像對(dui)(dui)(dui)比度(du)。光(guang)(guang)源的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)(se)(se)(se)對(dui)(dui)(dui)表面缺陷AOI系(xi)統生(sheng)成(cheng)圖(tu)像的(de)(de)(de)(de)分(fen)辨率有(you)很大影響(xiang)。在AOI中(zhong),根(gen)據(ju)(ju)被檢(jian)(jian)測(ce)對(dui)(dui)(dui)象顏(yan)色(se)(se)(se)(se)選(xuan)擇(ze)不同顏(yan)色(se)(se)(se)(se)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)源照(zhao)明,可(ke)(ke)以有(you)效(xiao)提高圖(tu)像的(de)(de)(de)(de)分(fen)辨率。因(yin)此利用色(se)(se)(se)(se)彩分(fen)辨在工業生(sheng)產中(zhong)檢(jian)(jian)測(ce)焊接質量(liang)。

圖5 鋁合金瓶(ping)蓋(gai)紅色(se)與藍色(se)照明成像(xiang)效(xiao)果(guo) (a)待測瓶(ping)蓋(gai) (b)紅色(se)光照明結果(guo) (c)藍色(se)光照明結果(guo)

偏振分辨檢測方法

偏(pian)(pian)振分辨檢(jian)測技術使用物理方(fang)法對光(guang)波(bo)進行過(guo)濾，使特(te)定振動(dong)方(fang)向(xiang)的(de)(de)光(guang)波(bo)通過(guo)從而產生偏(pian)(pian)振光(guang)。在(zai)表面(mian)檢(jian)測中，偏(pian)(pian)振光(guang)具有(you)提高圖(tu)像(xiang)清晰(xi)度、消除強反(fan)光(guang)等作用。在(zai)金屬、玻璃等具有(you)強反(fan)射(she)特(te)性的(de)(de)物體表面(mian)，光(guang)照在(zai)特(te)定角度會產生強烈的(de)(de)眩光(guang)現象，無(wu)法得到清晰(xi)的(de)(de)圖(tu)像(xiang)細(xi)節部分。利用偏(pian)(pian)振技術，則(ze)可過(guo)濾這些雜光(guang)的(de)(de)影響，突出圖(tu)像(xiang)細(xi)節部分。

（1）表面檢測

利用(yong)偏(pian)振(zhen)片消(xiao)除(chu)強(qiang)反(fan)(fan)光。檢(jian)測不透明材料（如半導體和(he)金屬）的表面(mian)缺陷時，可以采取反(fan)(fan)射(she)式偏(pian)振(zhen)照明與成像技術，這種(zhong)方(fang)法可以消(xiao)除(chu)強(qiang)反(fan)(fan)光的干擾。該方(fang)法是(shi)在檢(jian)測相(xiang)機前放(fang)置偏(pian)振(zhen)片和(he)補償濾波(bo)鏡消(xiao)除(chu)強(qiang)反(fan)(fan)光，得到檢(jian)測樣品(pin)表面(mian)的細節信息。

圖6 反射式偏振照(zhao)明與成像(xiang)

（2）內部檢測

由于材(cai)料(liao)原因(yin)或者制造(zao)過(guo)(guo)程形成的(de)應(ying)(ying)力，使(shi)材(cai)料(liao)的(de)結構(gou)發(fa)生(sheng)(sheng)形變或產生(sheng)(sheng)微(wei)裂紋。這會導致材(cai)料(liao)的(de)折(zhe)射(she)(she)率發(fa)生(sheng)(sheng)變化，產生(sheng)(sheng)光(guang)(guang)學各向異性，出(chu)現(xian)雙折(zhe)射(she)(she)現(xian)象。利用透(tou)射(she)(she)式偏(pian)振(zhen)成像(xiang)(xiang)系統可以檢測(ce)材(cai)料(liao)的(de)應(ying)(ying)力變化，當偏(pian)振(zhen)光(guang)(guang)對樣品(pin)進行照明(ming)時，由于雙折(zhe)射(she)(she)的(de)影響透(tou)射(she)(she)光(guang)(guang)的(de)偏(pian)振(zhen)態(tai)會發(fa)生(sheng)(sheng)改變。相機前放置的(de)偏(pian)振(zhen)片讓特(te)定振(zhen)動方向的(de)偏(pian)振(zhen)光(guang)(guang)通過(guo)(guo)，透(tou)射(she)(she)光(guang)(guang)光(guang)(guang)強(qiang)隨之改變，因(yin)此可以根據檢測(ce)樣品(pin)圖像(xiang)(xiang)的(de)明(ming)暗分布情況分析應(ying)(ying)力變化。

圖(tu)7 透射(she)偏振(zhen)成(cheng)像應力與微裂(lie)紋測試

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