羅 龍，胡 泓，楊永生 ，譚開(kāi)志

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，高質(zhì)量、大尺寸液晶顯示屏備受青睞。液晶顯示屏自身不發(fā)光，需借助其他光源[1]。具有優(yōu)質(zhì)顯示質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)的LED成為顯示屏的首選光源。按光源位置，背光源可分為側(cè)入式和直下式兩類(lèi)[2]。側(cè)入式背光源光線(xiàn)從顯示屏側(cè)面進(jìn)入，直下式背光源光線(xiàn)從顯示屏后側(cè)進(jìn)入，直下式背光源在大尺寸液晶顯示屏中應(yīng)用最廣泛。直下式背光源中，為了減小背光模組厚度，增加LED出光的均勻性，通常設(shè)計(jì)了二次光學(xué)透鏡。發(fā)光晶片被封裝在PCB燈條上，晶片上方裝配透鏡，透鏡通過(guò)熱塑方式與PCB燈條連接。晶片與透鏡可能存在位置偏移缺陷，將會(huì)降低顯示質(zhì)量。目前，針對(duì)背光源的缺陷研究主要集中在LED封裝工藝缺陷檢測(cè)[3]、背光模組表面缺陷檢測(cè)[4]、透鏡自身缺陷檢測(cè)[5]等方面，而晶片與透鏡之間的位置偏移缺陷的研究還未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。由于缺陷尺度小，人工目測(cè)的方法失效。點(diǎn)亮背光源后，其在顯示屏上形成的圖像信息能夠反映透鏡和晶片間的位置關(guān)系，故可用圖像處理的方法研究缺陷。隨著計(jì)算機(jī)功能和技術(shù)的不斷增強(qiáng)，圖像處理技術(shù)在缺陷檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，圖像處理技術(shù)已應(yīng)用于銅極表面缺陷檢測(cè)[6]、光學(xué)薄膜表面微細(xì)缺陷檢測(cè)[7]等。

2 主要研究?jī)?nèi)容

2.1 背光源光路分析及建模仿真

直下式LED背光源及各類(lèi)偏移，如圖1所示。根據(jù)背光源燈珠質(zhì)量要求，透鏡與發(fā)光晶片間的水平、高度、角度偏移不超過(guò)0.02mm、0.1mm、0.2°。背光源透鏡及透鏡對(duì)發(fā)光晶片光線(xiàn)的作用，如圖2所示。透鏡有內(nèi)、外兩曲面，大部分光線(xiàn)經(jīng)兩曲面兩次折射后擴(kuò)散到更大的空間，較少光線(xiàn)經(jīng)透鏡中心射出。經(jīng)透鏡后中心區(qū)域光線(xiàn)少、外側(cè)光線(xiàn)較多。

圖1 直下式LED背光源外形及偏移類(lèi)型Fig.1 Straight Down LED Backlight Shape and Offset Type

圖2 透鏡結(jié)構(gòu)及其對(duì)晶片光線(xiàn)的作用Fig.2 Len Structure and Effects on Light from Chip

在光學(xué)軟件Tracepro中建立背光源模型并進(jìn)行光線(xiàn)追跡，如圖3所示。顯示屏上紅色、綠色、藍(lán)色光線(xiàn)分別表示光線(xiàn)到達(dá)接收面后能量為初始能量的66%～100%、33%～66%、0～33%。

圖3 背光源模型及照度曲線(xiàn)Fig.3 Backlight Model and Illumination Curve

顯示屏照度呈中心區(qū)域低（暗），而外側(cè)區(qū)域的高（亮）分布特點(diǎn)。過(guò)屏幕中心沿水平、豎直方向的照度曲線(xiàn)則為雙峰曲線(xiàn)，與前面分析結(jié)果一致。通過(guò)在設(shè)置不同缺陷并仿真，得到不同缺陷下的照度分布特點(diǎn)：

（1）存在水平偏移時(shí)，照度曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，曲線(xiàn)兩峰值差值較大，曲線(xiàn)谷值不變。

（2）存在高度偏移時(shí)，照度曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，曲線(xiàn)兩峰上移。

（3）存在角度偏移時(shí)，角度偏移是前兩類(lèi)偏移的疊加，則照度曲線(xiàn)變化也應(yīng)為前兩種變化的疊加。則照度曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，曲線(xiàn)兩峰值差值較大，曲線(xiàn)谷值增加。

2.2 圖像采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的圖像采集平臺(tái)，如圖4所示。采集背光源光線(xiàn)在顯示屏上形成的圖像。圖像采集平臺(tái)中，1為圖像采集器，2為微位移移動(dòng)臺(tái)，3為背光源燈條，4為支承架，5為X向滑軌。圖像采集器中，1為電機(jī)，2為Z向滑軌，3為顯示屏，4為CCD相機(jī)，5為相機(jī)座。微位移移動(dòng)臺(tái)中，1、2、3、4 分別為X、Y、Z向及旋轉(zhuǎn)微分頭，5為背光源透鏡。圖像采集器可沿X向滑軌運(yùn)行，CCD相機(jī)可沿Z向滑軌運(yùn)行，背光源發(fā)出的光線(xiàn)在接收屏上形成圖像，由相機(jī)采集圖像。微位移移動(dòng)平臺(tái)可模擬透鏡和發(fā)光晶片間的微小位移，將透鏡和晶片分離，并將透鏡固定在懸臂梁上，分別調(diào)節(jié)X、Y、Z向微分頭及旋轉(zhuǎn)微分頭，從而使透鏡和晶片之間產(chǎn)生（水平、高度、角度）偏移。

圖4 圖像采集平臺(tái)Fig.4 Image Acquisition Platform

2.3 灰度曲線(xiàn)算法設(shè)計(jì)

圖5 原始圖像及灰度曲線(xiàn)獲取方向Fig.5 Original Image and Gray Curve Choosing Direction

圖像灰度和照度之間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系[8]，故圖像處理算法針對(duì)灰度設(shè)計(jì)。當(dāng)透鏡與晶片間無(wú)位置偏移時(shí)形成的圖像，如圖5所示。圖像中心灰度低，往外側(cè)逐漸增大，然后再降低。選擇過(guò)圖像中心間隔45°的四個(gè)方向求取灰度曲線(xiàn)，此時(shí)任意方向灰度曲線(xiàn)均為對(duì)稱(chēng)雙峰曲線(xiàn)。

根據(jù)前文，圖像灰度曲線(xiàn)與缺陷類(lèi)型之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系：與無(wú)缺陷時(shí)的灰度曲線(xiàn)相比，存在水平偏移時(shí)必有灰度曲線(xiàn)為非對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)，且曲線(xiàn)中間谷值不改變；存在高度偏移缺陷時(shí)任意方向灰度曲線(xiàn)數(shù)值均會(huì)整體增大；存在角度偏移時(shí)灰度曲線(xiàn)為非對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)，且曲線(xiàn)中間谷值增大。

尋找圖像中心的方法有形心法、最小二乘曲線(xiàn)擬合法[9]及Hough變換法[10]。圖像無(wú)明顯分界，故采用灰度質(zhì)心法，即計(jì)算多幅圖像平均灰度質(zhì)心，以作為圖像中心。

圖像原尺寸為m×n。以圖像中心為中心選定矩形框（尺寸為l×l）內(nèi)圖像為對(duì)象，從中心分別沿 0°、45°、90°、135°劃分 w 像素寬度的區(qū)域；用Opencv的灰度值計(jì)算函數(shù)求點(diǎn)（i，j）的灰度值f（i，j）；獲得相應(yīng)方向灰度隨坐標(biāo)變化的曲線(xiàn)。

0°方向各點(diǎn)灰度值的計(jì)算步驟為：（1）從l×l矩形框內(nèi)圖像的第一列開(kāi)始，計(jì)算坐標(biāo)（（l-w）/2， ）0 若是非整數(shù)，則取整）處灰度值，然后橫坐標(biāo)依次增加一個(gè)像素，獲得對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的灰度值，并與前一點(diǎn)的灰度值相加。橫坐標(biāo)增加至（l-w）/2， ）0 為止，將灰度值總和與w相除，并將商作為圖像在n/2，（）0 處的灰度值；（2）列依次增加1，并重復(fù)（1），直到列為l，從而獲得0°方向每個(gè)點(diǎn)的灰度值。

90°方向各點(diǎn)灰度值的計(jì)算步驟與0°方向灰度值計(jì)算類(lèi)似。

0°、90°方向各坐標(biāo)灰度值計(jì)算流程，如圖6所示。

圖6 灰度計(jì)算流程Fig.6 Gray Value Calculation Process

為了計(jì)算45°或135°兩方向相應(yīng)坐標(biāo)的灰度值，先進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)變換，將傾斜方向轉(zhuǎn)變?yōu)?°或90°方向。圖像繞中心旋轉(zhuǎn)，圖像內(nèi)容不變，且圖像變換等效于矩陣變換。

圖像順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角，則變換矩陣T及逆矩陣T-1為：

設(shè)原圖像坐標(biāo)為（i0，j0），圖像變換后該坐標(biāo)為（i，j），則圖像順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)變換后，有：

（i，j）為整數(shù)，經(jīng)反算后（i0，j0）為實(shí)數(shù)?；叶戎祵?duì)整數(shù)點(diǎn)定義，故圖像變換中需進(jìn)行插值運(yùn)算。采用雙線(xiàn)性插值，考慮（i0，j0）附近四個(gè)點(diǎn)灰度對(duì)其灰度的影響。

將（i0，j0）變?yōu)椋?/p>

式中：x，y—非負(fù)整數(shù)；p，q—小于 1 的正實(shí)數(shù)。

原圖像左上角坐標(biāo)（0，0），右下角坐標(biāo)為（m，n），則（x+p，y+q）及其附近四點(diǎn)灰度為f（x+p，y+q），f（x，y），f（x+1，y），f（x，y+1），f（x+1，y+1），此四點(diǎn)灰度值分為以下情況計(jì)算：

（1）若（i0，j0）在原圖像外，則f（x，y），f（x+1，y），f（x，y+1），f（x+1，y+1）均為 0。

（2）若（i0，j0）在原圖像內(nèi)，則：

（a）若 x+1≤m、y+1≤n，則（i0，j0）周?chē)膫€(gè)點(diǎn)均在原圖像內(nèi)，直接得到四個(gè)點(diǎn)灰度值；

（b）若x+1＞m、y+1＞n，則；f（x+1，y）=f（x，y+1）=f（x+1，y+1）≈f（x，y）

（c）若x+1≤m、y+1＞n，則，f（x，y+1）≈f（x，y），f（x+1，y+1）≈f（x+1，y）；

（d）若x+1＞m、y+1≤n，則f（x+1，y）≈f（x，y），f（x+1，y+1）≈f（x，y+1）。

則（x+p，y+q）的灰度值為：

最后將f（x+p，y+q）作為（i，j）的灰度值，從而獲得灰度曲線(xiàn)上所有點(diǎn)的灰度值。

2.4 試驗(yàn)分析

結(jié)合圖像采集平臺(tái)和圖像處理算法，使用微位移移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)透鏡和發(fā)光晶片之間的位置偏移，進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)透鏡與晶片間無(wú)位置偏移時(shí)，獲得對(duì)稱(chēng)雙峰灰度曲線(xiàn)。選取曲線(xiàn)上三個(gè)關(guān)鍵位置即左峰值、中間谷值、右峰值為研究對(duì)象，并分別用LP、CP、RP表示，令ΔP為左右峰值差的絕對(duì)值。

（1）當(dāng)透鏡與晶片間存在水平偏移（取為X向）時(shí)，0°方向灰度值變化最劇烈，選擇0°方向灰度曲線(xiàn)為研究對(duì)象。令X向偏移量從0開(kāi)始以0.01mm的幅度遞增至0.1mm，獲得灰度曲線(xiàn)各關(guān)鍵位置灰度值，如表1所示。

可看出，隨著水平偏移量增加，灰度曲線(xiàn)不再對(duì)稱(chēng)，曲線(xiàn)上兩峰值LP、RP反向線(xiàn)性變化且峰值差ΔP越來(lái)越大，曲線(xiàn)中間谷值CP幾乎不變，檢測(cè)精度0.01 mm。

表1 X向偏移時(shí)灰度曲線(xiàn)關(guān)鍵位置灰度值Tab.1 Key Position Gray Value on Gray Curve for X Offset

（2）當(dāng)透鏡與晶片間存在高度偏移（Z向偏移）時(shí)，由對(duì)稱(chēng)性可知可取任意方向的灰度曲線(xiàn)作研究對(duì)象，此處取45°方向的灰度曲線(xiàn)。令Z向偏移量從0開(kāi)始以0.04mm幅度遞增至0.38mm，獲得灰度曲線(xiàn)各關(guān)鍵位置灰度值，如表2所示。

表2 Z向偏移時(shí)灰度曲線(xiàn)關(guān)鍵位置灰度值Tab.2 Key Position Gray Value on Gray Curve for Z Offset

由上可知，隨著高度偏移量增大，灰度曲線(xiàn)仍然對(duì)稱(chēng)，曲線(xiàn)左右峰值同向增大且峰值差ΔP幾乎不變，而曲線(xiàn)中間谷值CP不斷增加，檢測(cè)精度為0.04 mm。

（3）當(dāng)透鏡和晶片間存在角度偏移時(shí)，設(shè)角度為透鏡繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度。角度偏移是高度和水平偏移的疊加，故選0°方向灰度曲線(xiàn)為研究對(duì)象。令偏轉(zhuǎn)角度從0開(kāi)始按0.1°的幅度增至1°，所獲得的灰度曲線(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 角度偏移時(shí)灰度曲線(xiàn)關(guān)鍵位置灰度值表Tab.3 Key Position Gray Value on Gray Curve for Tilt Offset

可知，隨著角度偏移量不斷增大，灰度曲線(xiàn)不再對(duì)稱(chēng)，曲線(xiàn)左右峰值反向變化，峰值差ΔP線(xiàn)性增大，同時(shí)曲線(xiàn)中間谷值CP不斷增大，檢測(cè)精度為0.1°。

3 結(jié)論

針對(duì)LED背光源中透鏡和發(fā)光晶片間存在的位置偏移，采用光學(xué)理論分析了晶片光線(xiàn)經(jīng)透鏡作用后在顯示屏上的分布特點(diǎn)及照度曲線(xiàn)規(guī)律，設(shè)計(jì)了圖像采集平臺(tái)以獲取光線(xiàn)在顯示屏上的圖像，并基于圖像處理理論設(shè)計(jì)了圖像灰度及灰度曲線(xiàn)計(jì)算方法，根據(jù)偏移類(lèi)型與灰度曲線(xiàn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)背光源進(jìn)行位置偏移檢測(cè)。通過(guò)對(duì)LED背光源進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，該檢測(cè)方法可有效檢測(cè)背光源的水平、高度、角度偏移，檢測(cè)精度分別為0.01 mm、0.04 mm、0.1°?？芍獧z測(cè)精度高于背光源要求各向的最大偏移量，即0.02mm、0.1mm、0.2°，表明該檢測(cè)方法對(duì)于LED背光源的裝配缺陷的檢測(cè)是有效的。