AOI检测基本原理与设备构成（上）

一 、引言    

AOI（automatically optical inspection）是光学自动检测，顾名思义是通过光学系统成像实现自动检测的一种手段，是众多自动图像传感检测技术中的一种检测技术，核心技术点如何获得准确且高质量的光学图像并加工处理。

AOI检测技术应运而生的背景是电子元件集成度与精细化程度高，检测速度与效率更高，检测零缺陷的发展需求。AOI检测的最大优点是节省人力，降低成本，提高生产效率， 统一检测标准和排除人为因素干扰，保证了检测结果的稳定性，可重复性和准确性，及时发现产品的不良，确保出货质量。在人工智能技术与大数据发展进步的今天，AOI检测不仅仅是一部检测设备，对大量不良结果进行分类和统计，可以发现不良发生的原因，在工艺改善和生产良率提升中也正逐步发挥着更重要的作用，因此，可以预期未来AOI检测技术将在半导体与电子电路检测中将会发挥越来越重要的作用。

二、AOI检测基本原理与设备构成

AOI检测原理是采用摄像技术将被检测物体的反射光强以定量化的灰阶值输出，通过与标准图像的灰阶值进行比较，分析判定缺陷并进行分类的过程。与人工检查做一个形象的比喻，AOI采用的普通LED或特殊光源相当于人工检查时的自然光，AOI采用的光学传感器和光学透镜相当于人眼，AOI的图像处理与分析系统就相当于人脑，即“看”与“判”两个环节。因此，AOI检测的工作逻辑可以简单地分为图像采集阶段（光学扫描和数据收集），数据处理阶段（数据分类与转换），图像分析段（特征提取与模板比对）和缺陷报告阶段四个阶段（缺陷大小类型分类等）。为了支持和实现AOI检测的上述四个功能，AOI设备的硬件系统也就包括工作平台，成像系统，图像处理系统和电气系统四个部分，是一个集成了机械，自动化，光学和软件等多学科的自动化设备。

（1）图像采集阶段（光学扫描和数据收集）

 AOI的图像采集系统主要包括光电转化摄影系统，照明系统和控制系统三个部分。因为摄影得到的图像被用于与模板做对比，所以获取的图像信息准确性对于检测结果非常重要，可以想象一下，如果图像采集器看不清楚或看不到被检测物体的特征点，那么也就无法谈到准确的检出。

下面我们对光电转化摄影系统，照明系统和控制系统三个部分逐一分析介绍。

首先，光电转化摄影系统指的是光电二极管器件和与之搭配的成像系统。是获得图像的”眼睛”, 原理都是光电二极管接受到被检测物体反射的光线，光能转化产生电荷，转化后的电荷被光电传感器中的电子元件收集，传输形成电压模拟信号。二极管吸收光线强度不同时生成的模拟电压大小不同，依次输出模拟电压值被转化为数字灰阶0-255值，灰阶值反映了物体反射光的强弱，进而实现识别不同被检测物体的目的。

光电转化器可以分为CCD（charge Coupling diode）和CMOS（ complementary metal oxide semiconductor ）两种。因为制作工艺与设计不同，CCD与CMOS传感器工作原理主要表现为数字电荷传送的方式的不同，工作原理如下图所示，CCD采用硅基半导体加工工艺，并设置了垂直和水平移位寄存器，电极所产生的电场推动电荷链接方式传输到中央模数转换器。这样的结构与设计很难集成很多的感光单元，制造成本高且功耗大；而CMOS采用无机半导体加工工艺，每像素设计了额外的电子电路，每个像素都可以被定位，而无需CCD中那样的电荷移位设计，对图像信息的读取速度远远高于CCD芯片，因光晕和拖尾等过度曝光而产生的非自然现象的发生频率要低得多，价格和功耗比CCD光电转化器也低，但其缺点是半导体工艺制作的像素单元缺陷多，灵敏度会有一些问题，同时，为每个像素电子电路提供所需的额外空间不会作为光敏区域。芯片表面上的光敏区域部分（定义为填充因子）小于CCD芯片。从理论上讲，这个原因导致可以收集的图像信息光子数会有所减少，所以，CMOS光电转化元件一般需要搭配高亮度光源，噪音也比较大。

不论CCD还是CMOS结构，一个光电转化器单元即为一个像素点，若干个光电转化器以行列的方式进行排列形成矩阵就构成了图像传感器。衡量图像传感器性能主要是有解析度，尺寸或面积，灵敏度，信噪比等，其中解析度与尺寸是最重要的指标。图像传感器拍摄被检测物体画面时，光电转化器的尺寸越小像素密度越小就可以将物体“看”得更细致。因此，理论上光电转化器件的像素数量应该越多越好。但像素数量的增加会提高制造成本和导致成品率下降。因此，将光学透镜与光电转化器件结合在一起，可以将微小的被检测物体放大成像在光电转化器件上，也可以实现高解析度检测效果，所以，实际AOI检测设备会根据客户的需求进行配置。

近年来，CMOS制作工艺的半导体技术化，加上其快的扫描和图像传输速度优势，CMOS面扫描图像传感器也开始被采用在工业级AOI检测设备中， 逐步形成了线扫描CCD图像传感器和CMOS面扫描图像传感器两种主流技术。

下图例为线扫面图像传感器工作例：

线扫描图像传感器的扫描宽度方向只有一个像素，通过移动来获得图像，没有自身放大电路且噪音小，所有一般解析度比较好。被检测物体的同一位置信号在扫描过程中会被多次收集，光电转化后的信号累加输出，所以即使其中一个光电传感器出现问题也不影响检查结果，但缺点是要求平台的运动精度非常高，采集区域要准确。

面扫描图像采集器CMOS的每一个光电二极管都可以独立输出电压信号，因此，输出速度非常快，节省了工作时间，因此，对运动平台的移动精度要求没有线扫描那么严格，但缺点是信号没有了积分过程，要求被检测物体反射光要足够强，感光二极管出现问题后会造成假点和误判，信号的噪音也会相应增强。

 近年来，平板显示行业的玻璃基板尺寸不断增加和工艺节拍不断缩短，对自动光学检测设备的检测速度 （TACT time）提出了更高的要求。以色列奥宝科技利用了CMOS图像传感器极高的图像信息独区和处理速度优势，基于对CMOS 图像传感器的深刻理解基础上，客制化的开发了数据传输与帧频速度高的面阵相机，并系统解决了面阵CMOS传感器，光源以及同步性等系统问题，成功开发了基于面阵CMOS 图像传感器的AOI检测系统，在保证产业要求的工艺节拍同时，克服了CMOS图像传感器填充因子小和信噪比偏高先天劣势，检测能力及各项指标都得到了行业内的认可。

除光电传感器外，AOI图像采集过程中照明系统也非常重要，选择最佳光源目的是保证被检测物体的特征区别于其他背景，涉及到光源的光谱特性，光源颜色，色温特性。高效率长寿命，高亮度且均匀的光源是必须考虑的参数，高亮度均匀性好的光源可以提高信噪比，而长寿命高效率则可以提高设备的稳定性，降低工作负荷。

照明光源按照波长分类可以分为可见波长光源，特殊波长光源。可见波长光源也就是一般现代工业AOI检测设备中最常用的红绿蓝LED光源。特殊波长光源一般是指红外或紫外波长光源，一些特殊材料在可见光范围内吸收差别不大，灰阶变化不明显时可以考虑采用特殊波长光源，比如说利用紫外光能量高可以激发荧光材料的原理，检测具有荧光发光特性物质微残留时紫外光源就是一种比较有效的手段，因材料成分与红外光谱有对应关系的原理，红外光源对不具有发光性质的有机化合物残留缺陷检出就有很大的作用，甚至可以实现成分分析。特殊光源中，利用偏振光与物体相互作用后偏振态的变化，利用光学干涉原理的白光干涉（white light interferometry）在特定缺陷检测中的得到了应用，例如通过相干光的干涉图案计算出对应的相位差和光程差，可以测量出被测物体与参考物体之间的差异，且分辨率与精度为可以达到亚波长，测量三维物体形貌与高度也正成为AOI检测的新需求。（下图为侧光源与同轴光源实例）

 除波长参数外，光源的入射角度也是提高检出的重要参数。根据光源入射角度的不同分为同轴光源，侧光和背光三种，选择某种角度的光源是由光在被检测物体表面散射特性的差异最大化来决定的。同轴光源的灯源排列密度高，亮度高且均匀，能够凸显物体表面不平整，克服表面反光造成的干扰，主要用于检测物体平整光滑表面的碰伤、划伤、裂纹和异物。 同轴光基本是红、绿、蓝三色光源，也可以是不同波长光源的任意组合。侧光源与同轴光源的平行照射理念正好相反，低角度光源从很小的角度将光线直接照射到被检测物体上。由于光的方向几乎与物体表面平行，物体表面高度的任何变化都会改变反射光到光电传感器的光路，从而突出变化，适合有一定高度的缺陷物检出。侧光源的角度与高度变化时，有一定高度的被检出物体的强反射面（阳面）和弱反射面（阴面）的角度和反射光强度都会有变化。为检出结果的判定提供了丰富的信息。背光源的原理则是利用被检测物体中不同部分光透过率差异实现检出的方法，硬件上与其他光源的摆放位置不同，光源不与光电传感器同侧，而是置于光电传感器的对面，接受被检测物体透过光的强弱，适合被检测物体中有缺失部分检出。

基于对平板显示工艺的深入理解，以色列奥宝科利用CMOS扫描帧频快的特点，将上述不同光源类型，强度与待检测面板的材料进行有针对性考察，在不增加工作节拍的同时进行多种扫描条件的交叉确认，实现了极低的误检出，极高的检测精度和准确率。

AOI图像采集的最后一个关键步骤是控制系统，光电传感器的FOV （视窗）有限，物体高速运动中准确地抓拍到清晰的图像，软硬件协调动作非常重要，如下图所示，当图像传感器与机台移动速度不匹配时造成图像的拉伸，收缩等变形，所以，载物移动平台XY方向移动与图像采集光电传感器的同步移动影响到数据的准确，要在固定光照，等间距下拍摄一幅清晰的图像，高精度的导轨，电机和运动控制程序是非常必要的。