先進(jìn)的基于CCD的視覺(jué)檢測(cè)

人類視覺(jué)感知是任何旨在被人類觀看的照明或顯示產(chǎn)品質(zhì)量的最終標(biāo)準(zhǔn)。從平板電視到智能手機(jī)，燈泡到交通信號(hào)，VR球場(chǎng)的jumbotrons體育場(chǎng)，您的車內(nèi)GPS到噴氣式飛機(jī)的駕駛艙儀表，人類用戶感知的以及他們注意到的任何缺陷都是決定性因素設(shè)備質(zhì)量。人類對(duì)亮度和顏色的感知為操作和安全公差設(shè)定了基準(zhǔn)。

沒(méi)有任何機(jī)器視覺(jué)或其他傳感系統(tǒng)能夠完全重現(xiàn)人眼的識(shí)別和準(zhǔn)確性水平，但是我們可以使用基于CCD的成像技術(shù)來(lái)獲得非常接近的效果。諸如使用CCD傳感器的成像色度計(jì)等光測(cè)量系統(tǒng)提供了與人類視覺(jué)的精確度和靈敏度幾乎匹配的系統(tǒng)。校準(zhǔn)的基于CCD的色度計(jì)可以提供光線和顏色的絕對(duì)測(cè)量值。更重要的是，CCD成像系統(tǒng)為生產(chǎn)線上的自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)和質(zhì)量控制提供必要的可重復(fù)性，速度和數(shù)據(jù)采集。

CCD技術(shù)

在數(shù)碼攝影中，圖像是通過(guò)圖像傳感設(shè)備（CMOS或CCD）將光子轉(zhuǎn)換為電荷（電子）時(shí)形成的。在曝光期間（例如，當(dāng)相機(jī)快門打開(kāi)時(shí)），入射電子累積在相機(jī)的各個(gè)檢測(cè)器元件中，稱為像素。讀取每個(gè)像素中收集的電荷量可以讓設(shè)備重新創(chuàng)建原始圖像。

目前有兩種類型的圖像傳感器：CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）和CCD（電荷耦合器件）傳感器。由于基礎(chǔ)技術(shù)，CCD像素大于CMOS（更大的電子阱深度），它們可以產(chǎn)生更高分辨率的圖像（高達(dá)2900萬(wàn)像素），并具有較低的“噪點(diǎn)”（光線和顏色隨機(jī)變化）通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V光片和校準(zhǔn)，基于CCD的圖像可以為每個(gè)像素提供計(jì)量學(xué)聲音亮度和CIE色彩值?；贑CD的色度計(jì)提供了與人類視覺(jué)敏銳度相匹配的光度測(cè)量光和色彩評(píng)估功能。

成像色度計(jì)

圖2 – 該成像色度計(jì)使用鏡頭，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的CIE匹配三色濾光片，ND濾光片和CCD，以最精確地匹配人類視覺(jué)感受。

CCD成像的優(yōu)點(diǎn)

為了滿足人類視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)光設(shè)備的質(zhì)量檢測(cè)和測(cè)試，基于CCD的攝像機(jī)與其他類型的檢測(cè)系統(tǒng)（如點(diǎn)測(cè)光計(jì)和光譜儀）相比具有優(yōu)勢(shì)。它們也超出了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的功能 – 但與人工檢測(cè)相比，具有類似的自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)。這些無(wú)數(shù)的優(yōu)勢(shì)包括：

光測(cè)量。絕對(duì)亮度（亮度）和色度（顏色）數(shù)據(jù)是從圖像中解釋出來(lái)的，超出了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺(jué)的能力；

一次測(cè)量所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。CCD相機(jī)可以捕捉和評(píng)估完整的圖像，而不僅僅是單個(gè)點(diǎn)（或點(diǎn)測(cè)光點(diǎn)）；

可量化的數(shù)據(jù)。捕獲和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析和趨勢(shì)分析，速度和準(zhǔn)確度超出人類的能力；

重復(fù)性和一致性。自動(dòng)化成像系統(tǒng)不像人類檢查員那樣容易疲勞或具有主觀性。

憑借這些優(yōu)勢(shì)，使用校準(zhǔn)的基于CCD的系統(tǒng)進(jìn)行光和色彩測(cè)量可以幫助組織：

根據(jù)人類視覺(jué)感受確保光線和顏色的準(zhǔn)確性

在整個(gè)圖像上執(zhí)行尺寸測(cè)量

提高測(cè)量效率

執(zhí)行自動(dòng)化生產(chǎn)級(jí)檢查

確保測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)始終得到應(yīng)用

圖3 – 具有高級(jí)分析軟件的基于CCD的成像色度計(jì)系統(tǒng)執(zhí)行的顯示mura（瑕疵）檢測(cè)示例。從左上角開(kāi)始順時(shí)針?lè)较颍汉谏玬ura，蝴蝶mura，漏光圖案，角落mura，LED mura（背光單元通用 – BLU），斑點(diǎn)mura。

顏色準(zhǔn)確度

在人眼中，有三種類型的光感受器（視錐細(xì)胞）有助于顏色辨別。每個(gè)對(duì)不同但重疊的光波長(zhǎng)敏感;人類可見(jiàn)的整個(gè)光譜落在大約380納米（nm）和750nm之間。硅CCD傳感器通常對(duì)約300nm至1080nm的電磁輻射敏感 – 超出人類感知的范圍。

捕獲準(zhǔn)確的彩色圖像以進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)估需要過(guò)濾入射光，以便只有符合人眼三個(gè)圓錐的所需波長(zhǎng)才能到達(dá)CCD表面。

1931年，CIE標(biāo)準(zhǔn)被定義為數(shù)學(xué)表示的三刺激響應(yīng)曲線（圖1）。為了與人類視覺(jué)感知相匹配，成像系統(tǒng)必須捕捉單個(gè)三色紅色（x-bar），綠色（y-bar）和藍(lán)色（z-bar）濾波圖像。然后按照CIE標(biāo)準(zhǔn)將單個(gè)組件圖像聚合成完整的顏色測(cè)量。

為獲得最佳顏色精度，濾光片必須與CIE三色激勵(lì)響應(yīng)曲線非常匹配。今天，最精密的色度計(jì)使用移動(dòng)的濾光輪來(lái)實(shí)現(xiàn)與CIE值相匹配的快速和準(zhǔn)確的光照和色彩測(cè)量。

應(yīng)用：測(cè)量顯示器

基于CCD的比色系統(tǒng)已被證明對(duì)于測(cè)量各種各樣的發(fā)光顯示設(shè)備特別有效 – 即每天圍繞著我們的屏幕。LCD（液晶顯示器）和OLED（有機(jī)LED）顯示器被發(fā)現(xiàn)在消費(fèi)電子設(shè)備中，如手機(jī)，筆記本電腦和電視機(jī);內(nèi)置于汽車儀表板和GPS系統(tǒng);以及具有可視顯示面板界面的各種“智能”設(shè)備。一些最新的應(yīng)用包括虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)和可穿戴設(shè)備中的“近眼”顯示器（NED），以及航空航天和汽車的“抬頭”顯示器（HUD）。

成像光度計(jì)和色度計(jì)可識(shí)別多種類型的顯示缺陷，幫助研發(fā)實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)，以及稍后發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)品到達(dá)客戶手中之前生產(chǎn)線上的缺陷。常見(jiàn)的缺陷包括背光單元中的漏光（BLU），不均勻性（屏幕上亮度，顏色和對(duì)比度的變化），異物（玻璃和基板之間或之間的污垢和纖維），壞點(diǎn)，線條，和瑕疵（mura）。

成像色度計(jì)解決方案包括成像透鏡，CIE匹配濾色器，CCD檢測(cè)器以及數(shù)據(jù)采集和圖像處理硬件/軟件（Rykowski，R。和Kostal，H.，“Imaging Colorimetry：Accuracy in Display and光源計(jì)量學(xué)“，光子手冊(cè)（2008））。

其他元件可能包括中性密度（ND）濾光片和機(jī)械快門。為了執(zhí)行色度測(cè)量，系統(tǒng)依次通過(guò)每個(gè)CIE匹配的濾色器獲取待測(cè)設(shè)備（DUT）的圖像。在需要時(shí)，中性密度，ND濾光片（如相機(jī)的太陽(yáng)鏡）用于非常明亮的設(shè)備，以確保足夠長(zhǎng)的曝光時(shí)間以獲取準(zhǔn)確的亮度測(cè)量。然后處理圖像數(shù)據(jù)以產(chǎn)生圖像中每個(gè)像素的準(zhǔn)確顏色或亮度數(shù)據(jù)。

使用成像色度計(jì)的好處是可以同時(shí)測(cè)量顯示屏中的每個(gè)像素。

由于基于CCD的色度計(jì)在單次測(cè)量中獲取多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此它比基于點(diǎn)的測(cè)量解決方案本質(zhì)上是一個(gè)快得多的檢測(cè)解決方案。同時(shí)測(cè)量DUT的整個(gè)表面也是測(cè)量總體顏色和亮度均勻性，識(shí)別非常小的缺陷并分級(jí)缺陷嚴(yán)重程度所必需的。成像色度計(jì)甚至可以用來(lái)渲染顯示器的處理圖像，以顯示微妙的色彩，這在大型高分辨率屏幕上尤其難以檢測(cè)到。

明顯的差異

基于CCD的成像色度計(jì)擅長(zhǎng)捕捉詳細(xì)的視覺(jué)信息和識(shí)別缺陷。事實(shí)上，他們的視力水平甚至可能超過(guò)人眼的水平。人類的視覺(jué)感受可能是主觀的，無(wú)法量化的，并且難以從觀察者復(fù)制到觀察者。這種不精確性使得很難始終如一地應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，特別是隨著時(shí)間的推移，在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，從批次到批次或從設(shè)置到設(shè)置（例如，在生產(chǎn)設(shè)施之間，或者在比較傳入和傳出的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)時(shí)）。這種可變性也使得在整個(gè)供應(yīng)鏈中對(duì)多個(gè)來(lái)源應(yīng)用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尤其困難。

根據(jù)所應(yīng)用的公差，可變性增加了接受有缺陷的顯示器或失敗的顯示器的風(fēng)險(xiǎn) – 這兩者都增加了制造成本。為模擬人類視覺(jué)敏感度來(lái)模擬顯示缺陷的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)分類顯示技術(shù)“明顯差異”（JND）的系統(tǒng)。

基于人類觀察者的抽樣，定義JND尺度以使得JND = 0表示與標(biāo)準(zhǔn)人類觀察者沒(méi)有可見(jiàn)的空間對(duì)比，并且JND = 1在統(tǒng)計(jì)上僅僅是明顯的。由于基于CCD的成像系統(tǒng)能夠跨顯示器和其他大型空間區(qū)域進(jìn)行均勻性測(cè)試，所以可以通過(guò)成像色度計(jì)將JND測(cè)量納入缺陷檢測(cè)。制造商可以使用這些測(cè)量值來(lái)根據(jù)定義的公差對(duì)缺陷進(jìn)行分級(jí)，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備從生產(chǎn)中拉出。

先進(jìn)的基于CCD的視覺(jué)檢測(cè)

圖4 – 基于CCD的高級(jí)視覺(jué)檢測(cè)示例：識(shí)別可能通過(guò)人體檢測(cè)甚至功能測(cè)試的錯(cuò)位連接器，但稍后會(huì)在產(chǎn)品發(fā)貨并由客戶使用時(shí)導(dǎo)致失敗。

應(yīng)用：測(cè)量光源

除了顯示器之外，像燈泡（如熒光燈，LED）和燈具（照明燈具）等產(chǎn)品可以使用CCD色度計(jì)獨(dú)立測(cè)量，或使用測(cè)角儀測(cè)量，可捕捉照明設(shè)計(jì)師所需的大量數(shù)據(jù)。根據(jù)光通量（發(fā)光總量），照度（從光源落在表面上的光量）和發(fā)光強(qiáng)度分布（在每個(gè)方向上發(fā)射的光的特性）評(píng)估光源。光源也可以直接成像（亮度）以查看設(shè)計(jì)元素（如擴(kuò)散板）如何影響外觀。照明制造商可能還需要測(cè)量色度和色溫 – 光源的顏色特性。

某些行業(yè)如航空和汽車對(duì)前照燈和其他燈具的性能特征有嚴(yán)格的要求以確保安全。將光源投射到朗伯表面上，并使用校準(zhǔn)的基于CCD的色度計(jì)測(cè)量光束分布，這些公司可以驗(yàn)證其產(chǎn)品的符合性，并準(zhǔn)確報(bào)告這些光源如何發(fā)出照度或發(fā)光強(qiáng)度下的可感知光。

應(yīng)用：裝配驗(yàn)證，表面檢測(cè)，粒子檢測(cè)

基于CCD的成像系統(tǒng)的卓越分辨率，像素阱深度和圖像清晰度在其他質(zhì)量控制應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，例如：

組裝驗(yàn)證 – 檢測(cè)復(fù)雜組件中的細(xì)微缺陷，如錯(cuò)誤布線或缺少組件，特別是在低對(duì)比度區(qū)域。

表面檢測(cè) – 檢測(cè)和分級(jí)異常特征，如發(fā)紋痕跡，凹痕，甚至標(biāo)簽放置和易讀性，比典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有更高的精度。

粒子檢測(cè) – 在玻璃或透明塑料膜等透明表面上或材料層之間定位和分類異物，以幫助確定零件是否可以清潔或必須丟棄。

結(jié)論

沒(méi)有一種技術(shù)最適合所有的測(cè)量需求;基于CCD的成像系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

捕獲高動(dòng)態(tài)范圍和低圖像噪聲的高分辨率圖像

測(cè)量整個(gè)顯示器的圖像以進(jìn)行均勻性和mura測(cè)試

使用光線和顏色的絕對(duì)變化識(shí)別細(xì)微缺陷

同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)

高速快速收集數(shù)據(jù)，具有可重復(fù)性和一致性

報(bào)告空間尺寸，失真和聚焦質(zhì)量

對(duì)定量和定性特征進(jìn)行高級(jí)分析

在研發(fā)環(huán)境，質(zhì)量控制或生產(chǎn)線上，基于CCD的測(cè)量可以提供最相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)定。校準(zhǔn)的基于CCD的色度計(jì)是測(cè)試光源、顯示器和其他組件的最佳解決方案，以確保它們符合最高視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)：人眼的感知。