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国际光电期刊
ISSN: 1559-9612 (Print) 1559-9620 (Online) Journal homepage: http://www.tandfonline.com/loi/uopt20
开发用于触摸屏玻璃表面缺陷检测的光学检测平台
Ming Chang, Bo-Cheng Chen, Jacque Lynn Gabayno amp; Ming-Fu Chen
To cite this article: Ming Chang, Bo-Cheng Chen, Jacque Lynn Gabayno amp; Ming-Fu Chen (2016) Development of an optical inspection platform for surface defect detection in touch panel glass, International Journal of Optomechatronics, 10:2, 63-72, DOI: 10.1080/15599612.2016.1166304
To link to this article: https://doi.org/10.1080/15599612.2016.1166304
Accepted author version posted online: 17 Mar 2016.
Published online: 28 Apr 2016.
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INTERNATIONAL JOURNAL OF OPTOMECHATRONICS 2016, VOL. 10, NO. 2, 63–72
http://dx.doi.org/10.1080/15599612.2016.1166304
开发用于触摸屏玻璃表面缺陷检测的光学检测平台
Ming Changa,b, Bo-Cheng Chenb, Jacque Lynn Gabaynoc,d, and Ming-Fu Chene
aCollege of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Fujian, P. R. China; bDepartment of Mechanical Engineering, Chung Yuan Christian University, Chung Li, Taiwan; cCenter for Biomedical Technology, Chung Yuan Christian University, Chung Li, Taiwan; dMapua Institute of Technology, Manila, Philippines; eInstrument Technology Research Center, National Applied Research Laboratory, Hsinchu Science Park, Hsinchu, Taiwan
关键字
摘要
开发了一种将并行图像处理与高分辨率光机模块相结合的光学检测平
台，用于触摸屏玻璃的缺陷检测。 使用12288像素线CCD相机获取暗场图
像，每像素分辨率为3.5mu;m，线速率为12 kHz 通过组合CPU和GPU平台上的并行图像处理来分析玻璃表面的关键特征。大约5秒钟完成每个样品提供386万像素图像数据的触摸屏玻璃的缺陷检查。实现触摸面板玻璃表面划痕的高检测率，检查后最小缺陷尺寸约为10mu;m。定制照明源的实施显着改善了表面上的散射效率，因此增强了所获取图像的对比度和检测系统的整体性能。
定制照明; 线CCD; 并行
计算; 表面缺陷检查; 触摸屏玻璃
1.简介
存在于智能手机，自动售票机，自动取款机和平板电脑等无处不在的数字电子设备中的不断发展的触摸面板技术行业正在推动对快速无损缺陷检测系统的需求，以确保在多个阶段获得最高质量的产品的制造过程。玻璃基板上的表面缺陷一般包括划痕，裂纹，气泡，夹杂物，污垢和其他标记[1-3]。在电阻式触控面板玻璃中，这些缺陷的存在会导致低透光率和低能见度。受过专业培训的专家进行人工检查通常是不切实际的，因为它们的尺寸减小。然而，由于触摸屏玻璃缺陷造成的低对比度图像，目前大多数生产线依然依靠人力进行视觉检查，例如，由于图像对比度，用于薄膜电路缺陷检测的流行光学自动化系统缺陷和背景之间的差异高于微小触摸屏玻璃缺陷和玻璃基板之间的图像对比度。因此，快速检测和材料处理通过用于运动控制和基于机器视觉的检测系统的多轴定位平台采用自动化系统。这些解决方案试图通过快速检测，高精度和测量稳定性解决高容量的在线检测需求。
在机器视觉技术中，被检查表面的光学图像用于检查缺陷并评估产品质量。这些图像通常具有降低分辨率的特点，因为它可以节省数据处理能力，或者由于照度较差而导致缺陷和其他表面特征之间的对比度较低。在这两种情况下，背景中缺陷的灰度强度都难以区分，从而导致缺陷检测困难。用于图像处理的复杂算法[5,6]可以用来增强基于低分辨率和不良对比度图像的缺陷。然而，使用低对比度图像的图像处理和缺陷检查可能是耗时的。相反，可以采用大面积或线扫描相机来提高分辨率。但是由于需要处理大量的图像数据，这种方法还需要在分辨率和检测速度之间达成折中。
CONTACT Ming Chang ming@cycu.edu.tw Department of Mechanical Engineering, Chung Yuan Christian University, 200 Chung Pei Road, Chung Li City, Taoyuan, 32023, Taiwan.
Color versions of one or more of the figures in the article can be found online at www.tandfonline.com/uopt.
copy; 2016 Taylor amp; Francis
通过将数字图像处理[7-9]中的成熟技术与高分辨率光机模块相结合，我们开发了一种光学检测平台，可以在触摸面板玻璃的表面缺陷检测中实现速度和分辨率的显着和可靠的性能。在检测平台中采用了一种将线性CCD与定制LED照明相结合的新型成像模块和自行开发的并行计算算法，用于同时检测和标记表面缺陷。 不管缺陷的倾向如何，由缺陷引起的散射和光源中的改变都增强了在黑暗背景下出现缺陷的情况。
由触摸屏玻璃表面上散射的光重建缺陷，并使用连接到主机CPU的线性CCD进行图像采集。从主机CPU中，将大型图像数据传输到GPU设备，在GPU设备中并行完成使用计算统一设备架构（CUDA）内核函数进行图像处理的计算，以加快处理时间。该系统提供了一种能够智能处理大数据的算法。GPU的每个块中的信息通过自动调整的参数进行并行分析。除了提高检测率之外，还可以升级软件以提高缺陷识别的准确性。处理后，数据被发送回CPU，允许用户根据重建的缺陷来评估触摸屏玻璃的表面质量。由于照明设计还会影响测试对象的图像重建质量，因此优化了照明模块的开发。该照明源能够提供均匀的光强度和低功耗，从而保持高效散热和低制作成本。
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材料和方法
- 检验平台的设计
图1显示了由光机模块，机动载物台和图像处理软件组成的光学检测系统。成像模块由作为照明源的定制LED阵列（图1（c）），镜头（Schneider MRV 4.5 / 85）和12288像素线性CCD照相机（Basler raL12288-66 km）组成。 业界的要求是，触摸面板玻璃检测应检测到宽度大于10mu;m的缺陷。在我们的算法中，缺陷被设置为至少2或3个像素的宽度。采用的CCD的像素分辨率为3.5mu;m，因此，镜头放大率设为1.0x，可检测的宽度大约为43mm。在线速率为12 kHz时，CCD可以获取的图像数据约为每秒147万像素。选择的线速度取决于光源的强度。如果将光源的强度调整到较高的值，则线速率可以更高。
为了使过程完全自动化，检查阶段是机动化的，可以根据光机模块的空间分辨率和线速选择以不同载体速度运行。在载物台上安装一个内置载板，用于安装测试物体。相机和线性平台连接到一台普通的主机。获得的图像也存储在同一台计算机上。
为了展示检测系统的快速检测速度和分辨能力，本研究仅关注一个成像模块。但是，根据测试对象的大小，可以使用附加的成像模块或高像素数量线性CCD来扩大可检测区域。可以从任何一种方法预计巨大的数据容量，也可以通过在具有CPU和多个GPU设备的通用集成服务器上的并行图像处理来容易地解决。
图1.（a）光学检测平台的硬件组件示意图。 （b）设计和建造LED阵列的照明源。 （c）光机械部件的实际安装。
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- 照明设备的设计
如图所示，线性CCD的方向与测试对象的宽度平行。由两个LED阵列组成的定制照明源被安装在CCD的两侧，从而以与法线成一定角度照亮样品。原则上，入射到样品表面的光被反射，透射或吸收。 因此，线性CCD相对于测试对象的正常取向被优化以接收由表面上的人造（例如灰尘）或固有缺陷（例如裂纹，气泡，划痕等）散射的大部分光。
光学检测设计的原理如图2所示。对于非常光滑的表面，由于大部分反射光是镜面反射的，因此相机会记录大部分较暗的图像。同时，表面上存在缺陷会使光线向相机方向散射，在记录的图像上，暗部背景中将出现明亮区域。表面缺陷的重建和识别将取决于散射光的强度和成像模块的收集效率。
为了优化从触摸面板玻璃的底面散射的光的检测信号，如图所示在载板上添加高反射涂层[10]。该涂层有效地从玻璃基板上创建了两个反射层。部分入射光将在玻璃基板的顶部表面反射，其中一部分会折射进玻璃，然后被反射涂层反射。只有几乎平行于光机模块光轴的缺陷散射光才能到达线性CCD相机的像平面。从倾斜的平行光源照射到玻璃衬底上的光将被反射离开照相机，并且如果没有缺陷，则暗场图像上的像素的灰度级将为零。垂直于玻璃基板表面的散射光将通过光入口狭缝并进入相机传感器，如上所述，相机传感器将在暗视野图像上明亮的像素位置对应于缺陷区域。
图1（b）中示意性地示出了照明源的结构和LED的布置。该器件由四个紧密排列的LED焊接在两块铝基PCB上构成。每个LED使用总共24个LED，功率输出为3瓦。通过应用LED扇形照明的特点，安装了两块对称和可调节倾角的PCB，以在玻璃基板上形成多向照明。基于侧面照明效果和紧密排列的LED，可以从器件获得玻璃基板上的多向和均匀照明，从而解决
图2.基于暗场照明的触控面板玻璃表面缺陷的检测原理。 （a）来自完美光滑表面的反射将被记录为黑暗图像。
（b)-（c）来自表面缺陷的光散射将在黑暗背景下显示为明亮区域。 几乎平行于光机模块光轴的散射可以到达线性
CCD的像平面。 倾斜平行光源的照射会从相机反射回来。
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