视觉知识——自动光学检测技术

自动光学检测技术

图1 自动光学检测技术基本原理图

自动光学检测技术（AOI）是一种应用于电子制造行业的视觉检测技术，通过有效识别制造过程中的缺陷来提高产品质量。AOI是一种智能化自动光学成像与处理系统，主要功能包括测量、检测、识别与引导四个部分，可以代替人工检测、分类以及控制生产质量，提升工作效率。这种检测技术具有高精度、高灵敏度和非接触性的特点。随着现代科学技术的进步，光学检测技术也在不断提升，在制造业，材料科学，医疗保健，航空航天等领域得到了广泛的应用。以下是几种常见的检测方法。

角度分辨光谱检测方法

角度分辨光谱方法是对光谱在角度维度的进一步解析，能够分辨光的强度、偏振态和相位等信息。该检测方法是一种利用角度分辨光谱来分析物质的性质和形态结构的光学测量技术，本质上是探测光与物质相互作用的散射信息。

图2 表面散射模型

由表面散射模型可知，相机的拍摄角度影响物体表面的微观纹理特征在图像中的表现，在不同的位置搭配光源和相机能够得到不同的成像特征。角度分辨光谱的生成方式通常指光波在角度和波长两个维度上的解析。在角度的解析方面，常见的方法包括机械运动式变角度测量法、傅里叶平面成像法以及其他相关技术。

（1）机械运动式变角度测量法

机械运动式变角度测量法通常使用步进式电机带动转臂、样品台、反射镜旋转，或带动透镜垂直光路光轴的方向上移动从而改变光的角度，利用探测器采集样品散射光信息进行下一步的分析。例如测角光学散射仪（GOSI）,通过旋转样品台改变光的入射角，对目标的s偏振和p偏振的镜面反射进行面内测量。

图3 GOSI系统原理图

（2）傅里叶平面成像法

傅里叶平面成像利用光学透镜进行光学傅里叶变换来获得动量空间信息,而不是数值傅里叶变换,它不需要逐个位置扫描或角度扫描,并且适用于尺寸较微小的样品。例如动量空间成像光谱（MSIS）系统，该系统由动量空间成像模块、光谱成像探测模块和相位分辨测量模块三部分组成。其中动量空间成像模块和样品散射光接收光路中均使用傅里叶平面成像法，傅里叶平面成像法能够快速并同时获取各个角度的光谱,但该方法受到物镜数值孔径的限制。

图4 MSIS系统示意图

色彩分辨检测方法

物体的颜色与成像颜色并不是对应的关系，这取决于它们反射或吸收的光的颜色。色彩分辨检测技术根据冷暖色调反差不同或根据带颜色物体对光的选择吸收性及反射特性进行打光，根据冷暖色调进行光源的选择可增加图像对比度。光源的颜色对表面缺陷AOI系统生成图像的分辨率有很大影响。在AOI中,根据被检测对象颜色选择不同颜色的光源照明,可以有效提高图像的分辨率。因此利用色彩分辨在工业生产中检测焊接质量。

图5 铝合金瓶盖红色与蓝色照明成像效果 (a)待测瓶盖 (b)红色光照明结果 (c)蓝色光照明结果

偏振分辨检测方法

偏振分辨检测技术使用物理方法对光波进行过滤，使特定振动方向的光波通过从而产生偏振光。在表面检测中，偏振光具有提高图像清晰度、消除强反光等作用。在金属、玻璃等具有强反射特性的物体表面，光照在特定角度会产生强烈的眩光现象，无法得到清晰的图像细节部分。利用偏振技术，则可过滤这些杂光的影响，突出图像细节部分。

（1）表面检测

利用偏振片消除强反光。检测不透明材料（如半导体和金属）的表面缺陷时，可以采取反射式偏振照明与成像技术，这种方法可以消除强反光的干扰。该方法是在检测相机前放置偏振片和补偿滤波镜消除强反光，得到检测样品表面的细节信息。

图6 反射式偏振照明与成像

（2）内部检测

由于材料原因或者制造过程形成的应力，使材料的结构发生形变或产生微裂纹。这会导致材料的折射率发生变化，产生光学各向异性，出现双折射现象。利用透射式偏振成像系统可以检测材料的应力变化，当偏振光对样品进行照明时，由于双折射的影响透射光的偏振态会发生改变。相机前放置的偏振片让特定振动方向的偏振光通过，透射光光强随之改变，因此可以根据检测样品图像的明暗分布情况分析应力变化。

图7 透射偏振成像应力与微裂纹测试

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