CN106383127A - Ito透明薄膜的缺陷图像采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光学检测技术领域，提供了一种ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统，包括非可见光光源及用于对非可见光进行调整以用于照明的照明装置，ITO透明薄膜设置于照明装置的照明光路上，ITO透明薄膜和透明基底对非可见光的反射率和吸收率均不同，该系统还包括设置于ITO透明薄膜的反射光路或者透射光路上的成像装置。本发明采用了非可见光作为照明光，ITO透明薄膜和透明基底对非可见光的反射率和吸收率都不同，利用这种材料特性的差异可以使同样透明的ITO薄膜和基底变得可分辨，能够根据成像装置接收的光能量差异以较高的对比度生成ITO透明薄膜的电路图案，并能够在一副图像中体现出相应的加工型及移交型缺陷，进而提高检测精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统。
背景技术
ITO薄膜是所有透明导电膜中，导电性与透光率表现最为优良的氧化膜，因此成为触摸屏导电层非常重要的组成部分。为保证触摸屏反应快、操作简单流畅、反馈准确、坚固耐用等优点，需要对导电层的一些技术指标进行测试。在待测的技术指标中，透过率和电阻值是用来衡量薄膜产品质量的主要标准，分别代表着膜层光学和电学性能的重要参数。其中，电阻值通用的测试方法有常规四探针法和双电测四探针法两种，直接通过功能测试结果评估薄膜质量。当电阻率达到指标规定的阻值，便判定合格。
以四探针法为例，它是将排列成一直线的四根探针垂直压在近似为半无限大的平面待测样品表面，将直流电流在两外侧探针间通入膜层，测量内侧两探针间所产生的电势差。然后根据测得的电流和电势差值，计算电阻值。ITO薄膜的基底主要有玻璃(GLASS)和聚脂薄膜(PET)两种。当测试玻璃基底的ITO导电层时，探头测出的数据稳定准确。然而，当测试PET基底的ITO导电层时，探头测出数据则会出现跳动。而且由于所用探针细且尖，很容易刺穿膜层，导致性能测试效率低下，增加产品成本，不利于工业化的生产模式。此外，电阻检测方法无法判别膜层上的细微缺陷和其他潜在隐患，保证ITO薄膜的使用寿命。
随着技术的进步和市场竞争的激烈，AOI技术发展强劲，AOI技术以光学原理为主导，涵盖机械、电子、运动控制等学科，通过图像采集、图像处理与分析等步骤，实现尺寸、位置、形状、缺陷等特征的判定与识别。不仅功能逐渐增多，产品逐渐趋于小型化，而且在精度、速度，以及工业现场环境下的可靠性各方面都具有显著优势。因此，将该技术用于ITO导电薄膜的质量检测成为行业发展的重要方向。由于AOI是以图像为基础的非接触式技术，因此，当要采用该技术替代接触式电阻值功能测试时，必须建立起ITO薄膜电学性能与图像之间的关系，即将影响电阻值的主要因素转化为典型的图像特征，明确缺陷类别。
触摸屏用ITO导电薄膜中绝大部分区域为透明区域，周边是金属电极，两个部分都印刷或蚀刻有与导电性能有关的图案。通过分析这些图案的质量，便能判定薄膜的电学性能。对周边金属电极来讲，电路图案的线距、线宽、断线是待检指标。虽然电极细微，对视觉系统的分辨率要求较高，但由于电极可见，只要匹配合理的相机与镜头，便不难实现检测。对透明区域而言，图案待检指标项更为丰富，行业将ITO导电膜透明区域的典型缺陷分为加工型和移交型两大类。加工型缺陷是指在膜层加工过程中产生的，包括透明区域的开路、短路、针孔、突出等缺陷。移交型缺陷则是在薄膜传递运送过程造成的，包括划痕、斑点等缺陷。移交型缺陷检测较易实现，而加工型缺陷因ITO导电层上蚀刻的电路图案透明不可见，给检测带来了难题。
ITO薄膜的缺陷正朝着更加细微的方向发展。因此，检测技术不仅要通过光学的方法采集到透明区域的图案特征及缺陷图像，同时实现移交型和加工型缺陷的识别；还要获取高分辨率的特征图像，保证检测精度，为ITO薄膜的质量评估提供可行的非接触式自动化检测方案。所有AOI技术的成功应用都离不开对比度，没有对比度就意味着没有信息。对比度越高，软件的分析结果越值得信赖，而且还能还能简化分析算法复杂度，减少运算时间。然而，ITO导电膜层在可见光波段的透过率约90％，有的甚至高达95％，ITO图案与基底在可见光波段没有产生足够的能被探测器区分的对比度，因此人眼或普通的光学图像采集系统无法观察到透明基底上的ITO电路图案，更不用说检测图案的缺陷。另外，移交型缺陷的成功采集与光源照明角度有关，只有在特定角度才能观察到较为明显的缺陷特征。通常这类照明需要较大的工作空间，不适用于空间受限的场合。加工型缺陷和移交型缺陷往往不能采用同一图像采集光路。
综上所述，目前的AOI缺陷检测技术主要存在以下问题：
1.采用可见光波段照明物体，但难以观察透明区域内的透明电路图案，不能检测加工型缺陷；
2.系统不能在一幅图像上采集透明区域内的ITO图案和移交型缺陷(如划痕)特征，用于判定两类不同缺陷。
3.不论加工型还是移交型缺陷的检测，其照明结构都较为复杂；在空间和成本上都会受到限制。
因此，需要提供一种新的缺陷检测方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统，能够采集到透明背景下的透明ITO电路图案，同时获取移交型缺陷图像，提高检测效率和精度。
本发明是这样实现的，一种ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统，所述ITO透明薄膜附着于透明基底上，包括非可见光光源，以及用于对所述非可见光光源发出的非可见光进行调整以用于照明的照明装置，所述ITO透明薄膜设置于所述照明装置的照明光路上，所述ITO透明薄膜和透明基底对所述非可见光的反射率和吸收率均不同，所述缺陷图像采集系统还包括设置于所述ITO透明薄膜的反射光路或者透射光路上的成像装置。
本发明采用了非可见光作为照明光，ITO透明薄膜和透明基底的材料不同，对非可见光的反射率和吸收率都不同，利用这种材料本身光学特性的差异，可以使同样透明的ITO薄膜和基底变得可分辨，利用对非可见光反射率的不同，设计反射式成像系统，或者利用对非可见光的吸收率不同，设计透射式成像系统，均能够根据成像装置接收的光能量差异以较高的对比度生成ITO透明薄膜的电路图案，并能够在一副图像中体现出相应的加工型及移交型缺陷，进而提高检测精度和效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统的反射成像原理图；
图2是本发明实施例提供的ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统的透射成像原理图；
图3是本发明实施例提供的一种红外光照明的ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种红外光照明的ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的紫外光照明的ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
本发明实施例提供一种ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统，用于采集包含ITO电路图案及相应缺陷的图像，进而实现ITO透明薄膜性能的检测，该系统是基于非可见光照明实现ITO透明薄膜成像的，具体的原理如下：
在图像采集中，影响对比度的因素很多，如物体本身的对比度、物体的光谱响应、照明方式、成像光学系统像质、探测器类型及杂散光等。其中，在物体自身对比度无可改变的前提下，照明设计的好坏是影响对比度的直接因素。通常，最简单最直观的获取对比度的方法是利用背景和特征的颜色差异。但是，当背景和目标都是透明的，就难以分辨出目标的图案，本发明考虑从物体的材料光谱特性入手。当频率为ν，能量为I的一束光从一种介质照射到另一种介质时，会产生反射光能R，吸收光能A和透射光能T，在不考虑荧光效应的前提下，I＝R+A+T。利用不同材料与相同频率光波之间相互作用后产生的R、A或T值差异，便能形成对比反差。图1和图2分别给出了利用反射和透射特性时，照明光经ITO导电层和基底后不同的光路情况，图中凸起的部分代表ITO导电层，凹陷的部分为镀膜基底。假设均匀照明光的照度为E，经ITO和基底反射后，由于两者对光反射率不同，因此在探测器方向观察到的光照度分别为E1′和E2′，二者均小于E，且E1′≠E2′，从而可计算出此时的图案对比度为：Kr＝|E1′-E2′|/(E1′+E2′)。同样的，当利用透射特性时，均匀照明光E经过ITO和基底后，照度分别为E3′和E4′，二者均小于E，且E3′≠E4′，此时的图案对比度为Kt＝|E3′-E4′|/(E3′+E4′)，通常情况下Kr≠Kt，两者的值由照明工作波长和照明方式决定。没有一种照明方式适用于大多数或是所有光学检测，而需要根据感兴趣的特征个别设计，从而造就了照明的多样性与复杂性。
本发明实施例基于上述材料光谱特性，设计一种缺陷图像采集系统，使其以尽量简单的结构实现加工型和移交型缺陷的同时检测。经研究发现，ITO薄膜对可见光的透过率大于85％，紫外光的吸收率大于85％，对红外光的反射率大于70％，对微波的衰减率大于85％。因此，在ITO缺陷检测中，传统的可见光波段虽失效，但薄膜材料的紫外和红外特性却为照明提供更可行的选择。当紫外和红外波段与ITO薄膜相互作用时，产生的对比度不再是颜色差异，而是材料特性(反射率或透过率)差异。
基于上述原理，如图3，本发明实施例提供的缺陷图像采集系统包括非可见光光源1，可以发出红外光或者紫外光等非可见光，还包括用于对非可见光光源1发出的非可见光进行调整以用于照明的照明装置2，ITO透明薄膜3设置于照明装置2的照明光路上，并且该ITO透明薄膜3附着于透明基底上，该ITO透明薄膜3和透明基底对非可见光的反射率不同，吸收率也不同，也就是说，非可见光照射由ITO透明薄膜3蚀刻的电路图案和基底上时，电路图案区域反射的光能量和基底区域反射的光能量是不同的，同理，电路图案透射的光能量和基底透射的光能量也是不同的。在ITO透明薄膜3的反射光路或者透射光路上还设有成像装置4，用于采集ITO透明薄膜3图像。
本发明实施例采用了非可见光作为照明光，ITO透明薄膜3和透明基底的材料不同，对非可见光的反射率和吸收率都不同，利用这种材料本身光学特性的差异，可以使同样透明的ITO薄膜和基底变得可分辨，利用对非可见光反射率的不同，设计反射式成像系统，或者利用对非可见光的吸收率不同，设计透射式成像系统，均能够根据成像装置4接收的光能量差异以较高的对比度生成ITO透明薄膜3的电路图案，并能够在一幅图像中体现出相应的加工型及移交型缺陷，进而提高检测精度和效率。
作为一种实施例，该非可见光光源1为红外光源，优选为近红外光源，利用ITO和基底对红外光的反射率差异成像，该成像装置4设置于ITO透明薄膜3的反射光路上。如图3，红外光源发出红外光进入照明装置2，照明装置2包括第一透镜组和半反半透镜21，第一透镜组具体可以包括靠近红外光源的前透镜组22和远离红外光源的第一透镜23，照明装置2还包括设置于半反半透镜21的反射光路上的第二透镜组24，ITO透明薄膜3设置于第二透镜组24的照明光束输出光路上，照明光束垂直照射ITO透明薄膜3表面，ITO透明薄膜3反射红外光进入成像装置4，成像装置4包括第二透镜组24、半反半透镜21、设置于半反半透镜21的透射光路上的第三透镜组41，以及设置于第三透镜组41的成像光束输出光路上的红外探测器42。其中，照明装置2和成像装置4共用第二透镜组24和半反半透镜21，这种结构也称为同轴照明成像系统。
进一步地，在前透镜组22和第一透镜23之间设有视场光阑25，在第一透镜23和半反半透镜21之间设有照明孔径光阑26，第二透镜组24包括至少两片共轴的透镜，通过前透镜组22对红外光进行整形，通过第一透镜23和第二透镜组24将光束进行再次调整以形成科勒照明进而利于更均匀的照明。第三透镜组41包括至少两片共轴的透镜，用于成像，在半反半透镜21和第三透镜组41之间设有成像孔径光阑43。
为了保证照明的均匀性，提高检测结果可靠度，同轴照明采用科勒照明方式，照明均匀性大于85％。此外，受工作距离和图像分辨率的限制，成像装置4与照明装置2共用第二透镜组24和半反半透镜21，既节省成本，简化空间，同时又保证了两个系统参数的良好匹配，在此基础上设计空间分辨率为3.9um/pixel的图像采集系统。
进一步细化地，前透镜组包括两个结构相同且对称设置的正透镜，厚度为3.8mm，具体为平凸透镜，两正透镜的凸面相对，凸面间距为1mm，凸面的曲率半径为13.46mm。第一透镜为平凸透镜，曲率半径为15.12mm，厚度为3.35mm。前透镜组的出光面和第一透镜的出光面间距为26.7mm。第二透镜组包括一负透镜和一正透镜，负透镜为平凹透镜，正透镜为平凸透镜，负透镜位于靠近ITO透明薄膜的一侧，负透镜的凹面和正透镜的平面相对，凹面的曲率半径为20.43mm，凸面的曲率半径为26.37mm。第三透镜组包括沿着成像光束传播方向的第一组透镜、第二组透镜和第三组透镜，第一组透镜包括一平凹透镜和一平面透镜，第二组透镜包括一平凸透镜和一平凹透镜，第三组透镜包括一平凹透镜和一平面镜。通过第三透镜组的光路调整使近红外光成像于红外探测器的像面上。
本实施例采用近红外光照明，ITO透明薄膜3对红外光的反射率高于基底对红外光的反射率，在成像装置4的成像面上可以形成一定的对比度，即在较暗的背景上呈现较亮的图案，这样，ITO电路图案得以识别，其中的开路、短路等加工型缺陷得到检测。另一方面，红外光具有较好的穿透力，能穿透玻璃或塑料等透明材料。当ITO薄膜表面有划痕等缺陷时，光透过率会高于没有划痕的ITO区域，反射进成像装置4的划痕区域的能量会低于无划痕区域，从而形成像素对比度，即在较亮的图案上出现较暗的划痕，使得移交型缺陷得以检测。本实施例采用红外波段明场远心或定向照明布局能同时观察透明电路图案和移交型缺陷特征。综合考虑照明均匀性和空间紧凑等因素，ITO薄膜缺陷检测照明优选采用图3所示的同轴式明场远心布局。
以上是采用近红外波段同轴结构照明ITO薄膜区域，成功观察到电路图案。经计算，图案对比度约为11.5％。与可见光照明相比，实现了电路图案从无到有的本质性提升。在结合图像对比度增强方法处理后，电路图案对比度可提高至48％，为后续加工型缺陷的识别提供了可靠依据。另外，在获取ITO透明电路图案的同时，充分利用近红外波段的穿透能力，在不需要额外的倾斜照明结构下，采集薄膜表面的移交型缺陷。从而简化了照明复杂度，节省了照明的空间与成本。照明装置2与成像装置4共用光学元件，既节省成本，简化空间，同时又保证了两个系统参数的良好匹配，可获取空间分辨率3.9um/pixel的缺陷图像。
在另一种实施例中，如图4，非可见光光源1仍采用红外光源，照明光路和成像光路非同轴，且照明光路和成像光路相对ITO透明薄膜3倾斜。具体地，照明装置2包括设置于红外光源的输出光路上的照明透镜组27，以及与照明透镜组27共轴的视场光阑和照明孔径光阑(图中未示)；ITO透明薄膜3设置于照明透镜组27的输出光路上，红外光倾斜照射ITO透明薄膜3表面，成像装置4包括设置于ITO透明薄膜3的反射光路上的成像透镜组44和红外探测器42，以及与成像透镜组44共轴的且位于成像透镜组44和红外探测器42之间的成像孔径光阑(图中未示)。
在另一实施例中，非可见光光源1为紫外光源，基于ITO薄膜对紫外光较强的吸收性质，利用ITO和基板的透射光的强度对比形成图像，成像装置4设置于ITO透明薄膜3的透射光路上。如图5所示，照明装置2包括紫外照明透镜组28，还可包括与紫外照明透镜组28共轴的视场光阑和照明孔径光阑(图中未示)；成像装置4包括紫外成像透镜组45和紫外探测器46，以及与紫外成像透镜组45共轴的位于紫外成像透镜组45和紫外探测器46之间的成像孔径光阑(图中未示)。采用紫外光照明，利用了ITO和基底对紫外光的吸收率差异，通过探测透射光的强度生成一定对比度的图像，在ITO电路图案区域的透过率较小，在基底区域的透过率较大，因此形成较亮背景下的较暗电路图案，进而可实现加工型缺陷检测。另一方面，当ITO电路图案有划痕时，在有划痕的区域吸收较小，在无划痕的区域吸收较大，因此在较暗的电路图案上形成较亮的划痕线条，进而可实现移交型缺陷检测。采用紫外光照明，采用透射式成像，同样可以在一幅较高对比度的图像中观察加工型缺陷和移交型缺陷，进而提高缺陷检测精度和效率。
在本发明实施例中，红外光源和紫外光源可以直接采用发出红外光或紫外光的光源，也可以采用常规宽谱光源配合红外滤光片和紫外滤光片以获取红外光和紫外光，本发明不必局限于其中一种。
本发明提供了采用红外(近红外)光进行照明，建立同轴或倾斜照明成像系统，利用ITO和基底对红外光的反射率差异生成高对比度的图像，进而在一幅图像中检测加工型和移交型缺陷，同时提供了采用紫外光进行照明，建立透射式成像系统，利用ITO和基底对紫外光的吸收率差异生成高对比度的图像，进而在一幅图像中检测加工型和移交型缺陷。紫外照明系统成本相对较高，可优先选择红外光照明。另外，本发明不局限于紫外光和红外光，对于其他非可见光，如果ITO和基底对其反射率、吸收率存在明显差异，也可以基于这种差异建立该缺陷图像采集系统，其检测的原理和上述红外光和紫外光成像的原理相同。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种ITO透明薄膜的缺陷图像采集系统，所述ITO透明薄膜附着于透明基底上，其特征在于，包括非可见光光源，以及用于对所述非可见光光源发出的非可见光进行调整以用于照明的照明装置，所述ITO透明薄膜设置于所述照明装置的照明光路上，所述ITO透明薄膜和透明基底对所述非可见光的反射率和吸收率均不同，所述缺陷图像采集系统还包括设置于所述ITO透明薄膜的反射光路或者透射光路上的成像装置。
2.如权利要求1所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，所述非可见光光光源为红外光源，所述成像装置设置于所述ITO透明薄膜的反射光路上。
3.如权利要求2所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，所述照明装置包括设置于所述红外光源的输出光路上的第一透镜组和半反半透镜，以及设置于所述半反半透镜的反射光路上的第二透镜组，所述ITO透明薄膜设置于所述第二透镜组的照明光束输出光路上，所述照明光束垂直照射所述ITO透明薄膜表面；所述成像装置包括所述第二透镜组、所述半反半透镜、设置于所述半反半透镜的透射光路上的第三透镜组，以及设置于所述第三透镜组的成像光束输出光路上的红外探测器。
4.如权利要求3所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，所述第一透镜组包括靠近所述红外光源的前透镜组和远离所述红外光源的第一透镜，所述第二透镜组和第三透镜组均包括至少两片透镜。
5.如权利要求4所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，在所述前透镜组和第一透镜之间设有视场光阑，在所述第一透镜和半反半透镜之间设有照明孔径光阑，在所述半反半透镜和第三透镜组之间设有成像孔径光阑。
6.如权利要求2所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，所述照明装置包括设置于所述红外光源的输出光路上的照明透镜组，所述ITO透明薄膜设置于所述照明透镜组的输出光路上，红外光倾斜照射所述ITO透明薄膜表面；所述成像装置包括设置于所述ITO透明薄膜的反射光路上的成像透镜组和红外探测器。
7.如权利要求6所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，所述照明装置还包括与所述照明透镜组共轴的视场光阑和照明孔径光阑；所述成像装置还包括与所述成像透镜组共轴的成像孔径光阑。
8.如权利要求1所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，所述非可见光光源为紫外光源，所述成像装置设置于所述ITO透明薄膜的透射光路上。
9.如权利要求8所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，所述照明装置包括紫外照明透镜组，所述成像装置包括紫外成像透镜组和紫外探测器。
10.如权利要求9所述的缺陷图像采集系统，其特征在于，所述照明装置还包括与所述紫外照明透镜组共轴的视场光阑和照明孔径光阑；所述紫外成像装置还包括与所述紫外成像透镜组共轴的成像孔径光阑。
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