自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

圖1 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)基本原理圖

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)（AOI）是一種應(yīng)用于電子制造行業(yè)的視覺檢測(cè)技術(shù)，通過有效識(shí)別制造過程中的缺陷來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量。AOI是一種智能化自動(dòng)光學(xué)成像與處理系統(tǒng)，主要功能包括測(cè)量、檢測(cè)、識(shí)別與引導(dǎo)四個(gè)部分，可以代替人工檢測(cè)、分類以及控制生產(chǎn)質(zhì)量，提升工作效率。這種檢測(cè)技術(shù)具有高精度、高靈敏度和非接觸性的特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)也在不斷提升，在制造業(yè)，材料科學(xué)，醫(yī)療保健，航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以下是幾種常見的檢測(cè)方法。

角度分辨光譜檢測(cè)方法

角度分辨光譜方法是對(duì)光譜在角度維度的進(jìn)一步解析，能夠分辨光的強(qiáng)度、偏振態(tài)和相位等信息。該檢測(cè)方法是一種利用角度分辨光譜來(lái)分析物質(zhì)的性質(zhì)和形態(tài)結(jié)構(gòu)的光學(xué)測(cè)量技術(shù)，本質(zhì)上是探測(cè)光與物質(zhì)相互作用的散射信息。

圖2 表面散射模型

由表面散射模型可知，相機(jī)的拍攝角度影響物體表面的微觀紋理特征在圖像中的表現(xiàn)，在不同的位置搭配光源和相機(jī)能夠得到不同的成像特征。角度分辨光譜的生成方式通常指光波在角度和波長(zhǎng)兩個(gè)維度上的解析。在角度的解析方面，常見的方法包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)式變角度測(cè)量法、傅里葉平面成像法以及其他相關(guān)技術(shù)。

（1）機(jī)械運(yùn)動(dòng)式變角度測(cè)量法

機(jī)械運(yùn)動(dòng)式變角度測(cè)量法通常使用步進(jìn)式電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂、樣品臺(tái)、反射鏡旋轉(zhuǎn)，或帶動(dòng)透鏡垂直光路光軸的方向上移動(dòng)從而改變光的角度，利用探測(cè)器采集樣品散射光信息進(jìn)行下一步的分析。例如測(cè)角光學(xué)散射儀（GOSI）,通過旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)改變光的入射角，對(duì)目標(biāo)的s偏振和p偏振的鏡面反射進(jìn)行面內(nèi)測(cè)量。

圖3 GOSI系統(tǒng)原理圖

（2）傅里葉平面成像法

傅里葉平面成像利用光學(xué)透鏡進(jìn)行光學(xué)傅里葉變換來(lái)獲得動(dòng)量空間信息,而不是數(shù)值傅里葉變換,它不需要逐個(gè)位置掃描或角度掃描,并且適用于尺寸較微小的樣品。例如動(dòng)量空間成像光譜（MSIS）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由動(dòng)量空間成像模塊、光譜成像探測(cè)模塊和相位分辨測(cè)量模塊三部分組成。其中動(dòng)量空間成像模塊和樣品散射光接收光路中均使用傅里葉平面成像法，傅里葉平面成像法能夠快速并同時(shí)獲取各個(gè)角度的光譜,但該方法受到物鏡數(shù)值孔徑的限制。

圖4 MSIS系統(tǒng)示意圖

色彩分辨檢測(cè)方法

物體的顏色與成像顏色并不是對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這取決于它們反射或吸收的光的顏色。色彩分辨檢測(cè)技術(shù)根據(jù)冷暖色調(diào)反差不同或根據(jù)帶顏色物體對(duì)光的選擇吸收性及反射特性進(jìn)行打光，根據(jù)冷暖色調(diào)進(jìn)行光源的選擇可增加圖像對(duì)比度。光源的顏色對(duì)表面缺陷AOI系統(tǒng)生成圖像的分辨率有很大影響。在AOI中,根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象顏色選擇不同顏色的光源照明,可以有效提高圖像的分辨率。因此利用色彩分辨在工業(yè)生產(chǎn)中檢測(cè)焊接質(zhì)量。

圖5 鋁合金瓶蓋紅色與藍(lán)色照明成像效果 (a)待測(cè)瓶蓋 (b)紅色光照明結(jié)果 (c)藍(lán)色光照明結(jié)果

偏振分辨檢測(cè)方法

偏振分辨檢測(cè)技術(shù)使用物理方法對(duì)光波進(jìn)行過濾，使特定振動(dòng)方向的光波通過從而產(chǎn)生偏振光。在表面檢測(cè)中，偏振光具有提高圖像清晰度、消除強(qiáng)反光等作用。在金屬、玻璃等具有強(qiáng)反射特性的物體表面，光照在特定角度會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光現(xiàn)象，無(wú)法得到清晰的圖像細(xì)節(jié)部分。利用偏振技術(shù)，則可過濾這些雜光的影響，突出圖像細(xì)節(jié)部分。

（1）表面檢測(cè)

利用偏振片消除強(qiáng)反光。檢測(cè)不透明材料（如半導(dǎo)體和金屬）的表面缺陷時(shí)，可以采取反射式偏振照明與成像技術(shù)，這種方法可以消除強(qiáng)反光的干擾。該方法是在檢測(cè)相機(jī)前放置偏振片和補(bǔ)償濾波鏡消除強(qiáng)反光，得到檢測(cè)樣品表面的細(xì)節(jié)信息。

圖6 反射式偏振照明與成像

（2）內(nèi)部檢測(cè)

由于材料原因或者制造過程形成的應(yīng)力，使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生形變或產(chǎn)生微裂紋。這會(huì)導(dǎo)致材料的折射率發(fā)生變化，產(chǎn)生光學(xué)各向異性，出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。利用透射式偏振成像系統(tǒng)可以檢測(cè)材料的應(yīng)力變化，當(dāng)偏振光對(duì)樣品進(jìn)行照明時(shí)，由于雙折射的影響透射光的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生改變。相機(jī)前放置的偏振片讓特定振動(dòng)方向的偏振光通過，透射光光強(qiáng)隨之改變，因此可以根據(jù)檢測(cè)樣品圖像的明暗分布情況分析應(yīng)力變化。

圖7 透射偏振成像應(yīng)力與微裂紋測(cè)試

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