自動光學檢測技術

圖1 自動光學檢測技術基本原理圖

自動光學檢測技術（AOI）是一種應用于電子制造行業(yè)的視覺檢測技術，通過有效識別制造過程中的缺陷來提高產(chǎn)品質(zhì)量。AOI是一種智能化自動光學成像與處理系統(tǒng)，主要功能包括測量、檢測、識別與引導四個部分，可以代替人工檢測、分類以及控制生產(chǎn)質(zhì)量，提升工作效率。這種檢測技術具有高精度、高靈敏度和非接觸性的特點。隨著現(xiàn)代科學技術的進步，光學檢測技術也在不斷提升，在制造業(yè)，材料科學，醫(yī)療保健，航空航天等領域得到了廣泛的應用。以下是幾種常見的檢測方法。

角度分辨光譜檢測方法

角度分辨光譜方法是對光譜在角度維度的進一步解析，能夠分辨光的強度、偏振態(tài)和相位等信息。該檢測方法是一種利用角度分辨光譜來分析物質(zhì)的性質(zhì)和形態(tài)結(jié)構的光學測量技術，本質(zhì)上是探測光與物質(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兩個維度上的解析。在角度的解析方面，常見的方法包括機械運動式變角度測量法、傅里葉平面成像法以及其他相關技術。

（1）機械運動式變角度測量法

機械運動式變角度測量法通常使用步進式電機帶動轉(zhuǎn)臂、樣品臺、反射鏡旋轉(zhuǎn)，或帶動透鏡垂直光路光軸的方向上移動從而改變光的角度，利用探測器采集樣品散射光信息進行下一步的分析。例如測角光學散射儀（GOSI）,通過旋轉(zhuǎn)樣品臺改變光的入射角，對目標的s偏振和p偏振的鏡面反射進行面內(nèi)測量。

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透鏡進行光學傅里葉變換來獲得動量空間信息,而不是數(shù)值傅里葉變換,它不需要逐個位置掃描或角度掃描,并且適用于尺寸較微小的樣品。例如動量空間成像光譜（MSIS）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由動量空間成像模塊、光譜成像探測模塊和相位分辨測量模塊三部分組成。其中動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獲取各個角度的光譜,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

色彩分辨檢測方法

物體的顏色與成像顏色并不是對應的關系，這取決于它們反射或吸收的光的顏色。色彩分辨檢測技術根據(jù)冷暖色調(diào)反差不同或根據(jù)帶顏色物體對光的選擇吸收性及反射特性進行打光，根據(jù)冷暖色調(diào)進行光源的選擇可增加圖像對比度。光源的顏色對表面缺陷AOI系統(tǒng)生成圖像的分辨率有很大影響。在AOI中,根據(jù)被檢測對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)中檢測焊接質(zhì)量。

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

偏振分辨檢測方法

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

（1）表面檢測

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

圖6 反射式偏振照明與成像

（2）內(nèi)部檢測

由于材料原因或者制造過程形成的應力，使材料的結(jié)構發(fā)生形變或產(chǎn)生微裂紋。這會導致材料的折射率發(fā)生變化，產(chǎn)生光學各向異性，出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。利用透射式偏振成像系統(tǒng)可以檢測材料的應力變化，當偏振光對樣品進行照明時，由于雙折射的影響透射光的偏振態(tài)會發(fā)生改變。相機前放置的偏振片讓特定振動方向的偏振光通過，透射光光強隨之改變，因此可以根據(jù)檢測樣品圖像的明暗分布情況分析應力變化。

圖7 透射偏振成像應力與微裂紋測試

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