_基于线阵CCD的手机屏幕瑕疵检测器的设计

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｃｒａｔｃｈ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｃｅｌｌ ｐｈｏｎｅ ｓｃｒｅｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ ＣＣＤ
Ｄｏｎｇ Ｈｅｎｇｐｉｎｇ Ｌｉｕ Ｚｅｎｇｙｕａｎ Ｙｉ Ｙａｎｇ Ｘｕｅ Ｂｉｎ （Ｔａｉｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｚｈｏｕ ２２５３００）
０ 引 言
随着手机的普及和 手 机 功 能 的 更 新 换 代，人 们 对 于 手 机屏幕的大小、分辨 率 等 显 示 方 面 的 要 求 越 来 越 高。 而 影 响手机屏幕显示质量的主要因素之一是屏幕表面的瑕疵类 缺陷。显然，在生产过程 中 如 何 快 速 识 别 并 分 选 出 屏 幕 存 在瑕疵的手机是手机生产企业必须面临并解决的问题。传 统 检 测 手 机 屏 幕 质 量 的 方 法 是 将 手 机 的 背 景 设 置 成 红 、绿 、 蓝等纯色图片后，依 靠 人 工 观 察 来 检 测 缺 陷。 这 种 人 工 检 测 手 段 由 于 个 体 的 主 观 差 异 性 ，且 易 产 生 视 觉 疲 劳 ，其 稳 定 性和可靠性均难以满 足 生 产 流 水 线 上 质 量 检 测 实 时、高 效 的 要 求 。 ［１－２］
１ 系 统 结 构 设 计
本文设计的手机屏幕瑕疵检测器的整个电路系统包含
本 文 于 ２０１２ 年 ５ 月 收 到 。 ＊ 基 金 项 目 ：江 苏 省 高 等 学 校 大 学 生 实 践 创 新 训 练 计 划 项 目
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董恒平 等：基于线阵 ＣＣＤ 的手机屏幕瑕疵检测器的设计
图 ４ 比 较 电 路 与 限 幅 电 路
利用５５５定时器接成 施 密 特 触 发 器，调 节 触 发 器 的 电 源电压ＶＣＣ５ 来选择合适的正向阈值电压ＶＴ＋ 与负向阈值电 压ＶＴ－ ，如图２（ｄ）所示。将幅值大于ＶＴ＋ 且与划痕对应 的 矩形脉冲信 号 分 离 出，输 出 信 号 Ｓｅ 的 波 形 示 意 图 如 图 ２ （ｅ）所 示 。 １．３ 功 能 模 块 １．３．１ 划 痕 识 别 报 警
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ｓｃｒａｔｃｈ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｃｅｌｌ ｐｈｏｎｅ ｓｃｒｅｅｎ ｉｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ ＣＣＤ．Ｂｙ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ＣＣＤ ｃａｍｅｒａ ａｎｄ ｍｏｎｏｓｔａｂｌｅ ｆｌｉｐ－ｆｌｏｐ ａｓ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌａｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｓｉｇｎａｌ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｓｃｒａｔｃｈｅｓ ｉｓ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｓｅｐｅｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｉｎｔｏ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｐｕｌｓｅｓ．Ａｎ ａｌａｒｍ ｉｓ ｑｕｉｃｋｌｙ ｇｉｖｅｎ ｗｈｅｎ ｓｃａｔｃｈ ｗｉｔｈ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ０．０８ ｍｍ ｉｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｃｒｅｅｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ３ｃｍ×３ｃｍ． Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｃａｔｃｈｅｓ ｗｉｔｈ ｍｉｎｕｍｕｍ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ０．５ ｍｍ ｃａｎ ｂｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｃｏｕｎｔｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ０－９．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｃａｓｅ，ｔｈｉｓ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｌｉｎｅ ｏｆ ｃｅｌｌ ｐｈｏｎｅ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｏｎ－ ｌｉｎｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｌｌ ｐｈｏｎｅ ｓｃｒｅｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ ＣＣＤ；ｃｅｌｌ ｐｈｏｎｅ ｓｃｒｅｅｎ；ｓｃｒａｔｃｈ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
（ｂ）所 示 。
第Байду номын сангаас期
图 １ 系 统 结 构
１．１ 信 号 采 集 模 块 图１所示信号采集模块中利用均匀面光源照射传送装
置上的手机显示屏，使用 ＣＣＤ 相机将屏幕表面 的光反 射信 号转换为电信 号。ＣＣＤ 相 机 内 部 芯 片 采 用 的 是 日 本 东 芝 公司生产的双沟道线阵 ＣＣＤ 器件 ＴＣＤ１５０１Ｄ，外部镜 头为 ５０ｍｍ 焦距的成像物镜。ＴＣＤ１５０１Ｄ 总 长 ３５ ｍｍ，像 元 数 为５ ０００，像 敏 单 元 尺 寸 为 ７ μｍ［８］。 它 在 ＣＣＤ 驱 动 器 ＫＸＬＱ１５０１的作用 下 可 以 在 稳 定 的 积 分 时 间 状 态 下 完 成 光电转换，并将每个像 敏 单 元 感 应 出 的 电 信 号 通 过 移 位 寄 存器串行输出，电 信 号 的 幅 值 正 比 于 入 射 光 强 。 ［９］ 由 于 表 面划痕反射光强相对于划痕周围平整表面的反射光强较 弱，因 此 划 痕 图 像 被 ＣＣＤ 芯 片 转 换 后 的 电 压 信 号 幅 值 较 小。ＣＣＤ 输出电压信 号 波 形 示 意 图 如 图 ２（ａ）所 示。 其 中 较窄负脉冲是由表面 划 痕 引 起，而 另 一 较 宽 负 脉 冲 是 由 手 机屏幕边缘反射光强 下 降 所 造 成，是 后 续 处 理 过 程 中 需 要 滤除的无关信号。 １．２ 信 号 处 理 模 块
连续脉冲触 发 报 警 电 路 如 图 ５ 所 示。利 用 可 重 复 触 发的单稳态触发 器 ７４ＬＳ１２２ 将 连 续 脉 冲 信 号 转 换 成 持 续 的高电平。调节７４ＬＳ１２２外接电阻 Ｒ４ 和电容 Ｃ４ 的值，使 其 Ｑ 端 输 出 信 号 的 脉 宽 大 于 输 入 信 号 Ｓｅ 的 最 小 周 期 （即 ＣＣＤ 的积分周期），此时在划痕 信 号 Ｓｅ 上 升 沿 的 连 续 触 发 下输出一持续高电平。随 后，以 此 高 电 平 信 号 通 过 三 极 管 来驱动有源蜂 鸣 器 和 红 色 ＬＥＤ 灯，实 现 对 划 痕 信 号 的 声 光报警。 １．３．２ 划 痕 数 目 统 计
图 ２ 信 号 时 序 示 意 为产生不含划痕信号的输 出 电 压 信 号，利 用 ５５５ 定 时 器接成单稳态触发器Ｕ２，调 节 其 电 源 电 压ＶＣＣ２ ，使ＶＣＣ２／３ 达 到图２（ａ）中阈值电压Ｖ２ 位置，此时信号Ｓａ 中 只 有 较 宽 触 发脉冲可被整形，整 形 后 所 得 信 号 Ｓ′ｂ 的 波 形 示 意 图 如 图 ２（ｃ）中虚线所示。信号Ｓａ 中较宽触发脉冲经过２种不同阈 值电压的单稳态触发器分别整形后，得到的矩形脉冲Ｓ′ｂ 的 上升沿滞后于信号Ｓｂ 中较宽矩形脉 冲 上 升 沿δ 相 位。滞 后 相位差的存在为后续滤 除 此 无 关 信 号 带 来 了 困 难，进 而 需 要 对信号Ｓ′ｂ 进一步整形。利用单稳态触发器Ｕ３ 与Ｕ２ 串接 来 构 成 信 号 整 形 电 路 ２，如 图 ３ 所 示 。根 据 公 式ｔ＝ １．１Ｒ２· Ｃ２［１０］，通过调节 单 稳 态 触 发 器 Ｕ２ 中 的 Ｒ２ 和 Ｃ２，可 以 控 制 Ｓ′ｂ 信号中矩形脉冲的延迟时间ｔ来使其上升沿超前于信号 Ｓｂ 中的较宽矩 形 脉 冲 上 升 沿。同 时，调 节 单 稳 态 触 发 器 Ｕ３ 中的 Ｒ３ 和 Ｃ３ 来控制Ｓ′ｂ 信号的脉宽，使Ｓ′ｂ 信号的下降沿 滞后于信号Ｓｂ 中的较宽矩形 脉 冲 下 降 沿。信 号 整 形 电 路 ２ 输出信号Ｓｃ 的波形示意图如图２（ｃ）中实线所示。
摘 要：以改善手机屏幕质量传统人工检测方法的稳定性和可靠性为目的，制作了１款基于线阵 ＣＣＤ 的 手 机 屏 幕 划 痕类瑕疵检测器。采用 ＣＣＤ 相机和单稳态触发器为核心器 件 对 信 号 采 集、信 号 处 理 和 功 能 模 块 电 路 进 行 了 设 计 ，可 单独提取出划痕信号并将其整形为矩形脉冲。基于此，可以对手机屏幕表面 ３ｃｍ×３ｃｍ 区 域 内，宽 度 ≥０．０８ ｍｍ 的 划痕进行快速识别并报警，并能实现对０～９以内，最小 间 距 达 ０．５ ｍｍ 的 划 痕 数 目 进 行 准 确 分 辨 和 实 时 统 计 。 该 检 测 器 可 应 用 于 手 机 生 产 流 水 线 ，实 现 对 手 机 屏 幕 质 量 的 在 线 实 时 、高 效 检 测 。 关键词：线阵 ＣＣＤ；手机屏幕；划痕检测 中图分类号：ＴＰ７５１ ＴＰ２１６＋ ．１ 文献标识码：Ａ
机器视觉检测技术由于其在线检测实时性以及检测的
高效率与高精度，已成 为 替 代 传 统 人 工 检 测 并 广 泛 应 用 于 工业检测领域 的 １ 项 自 动 检 测 技 术 。 ［３－６］ 其 基 本 原 理 为 利 用图像传感器模拟人 的 视 觉 功 能，从 检 测 对 象 的 图 像 中 提 取 信 息 ，并 对 信 息 进 行 实 时 处 理 ，最 终 实 现 实 际 的 测 量 与 控 制 。 ［７］ 提出一种基于机器视觉技术的手机 屏 幕 划 痕 类 瑕 疵 检测方法。利用 ＣＣＤ 相 机 和 相 应 电 路 设 计 分 别 完 成 对 划 痕信号的采 集 和处理，对于 ３ｃｍ×３ｃｍ 屏幕表面 范 围 内、 最小宽度为０．０８ｍｍ 的划痕具有快速识别报警功能，划痕 间距的分辨能力最小可达到０．５ ｍｍ，并 具 有 对 ０～９ 以 内 划痕数目的实时准确统计功能。
信 号 整 形 电 路 １ 为 使 用 ５５５ 定 时 器 接 成 的 单 稳 态 触 发 器Ｕ１，ＣＣＤ 的输出 电 压 信 号 Ｓａ 输 入 到 ５５５ 定 时 器 的 ＴＲ 端，如图３所示。当触发 脉 冲 的 下 降 沿 低 于 单 稳 态 触 发 器 电源电压的 １／３ 时，其 可 被 整 形 为 矩 形 脉 冲 。 ［１０］ 因 此，通 过调节ＶＣＣ１ 使ＶＣＣ１／３ 达到图 ２（ａ）中 阈 值 电 压 Ｖ１ 位 置 时，信 号Ｓａ 中的２个触发 脉 冲 都 可 被 整 形 为 矩 形 脉 冲。 由 此 可 得含有划痕信号的输 出 电 压 信 号 Ｓｂ，其 波 形 示 意 图 如 图 ２