Inspektion von Displays

Autor / Redakteur: Jens Rudolph* / Gerd Kucera

Bei der Fertigung elektronischer Baugruppen mit LEDs (wie CPU-Module oder E/A-Karten einer SPS) kommt es trotz einer kontrollierten Produktion sporadisch immer wieder zu Ausfällen

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Bild: Blaupunkt
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( Archiv: Vogel Business Media )

Bei der Fertigung elektronischer Baugruppen mit LEDs (wie CPU-Module oder E/A-Karten einer SPS) kommt es trotz einer kontrollierten Produktion sporadisch immer wieder zu Ausfällen einzelner Leuchtdioden. Ursachen sind etwa bereits fehlerhaft gelieferte LEDs oder Bestückungs- und Lötfehler. Zur Funktionsunfähigkeit führt aber auch beispielsweise eine falsche oder fehlerhafte Montage dieser Gehäusebaugruppen. Um nun den geforderten Qualitäts-standard gewährleisten zu können, ist die optische Zwischen- oder Endkontrolle der Baugruppen zwingend notwendig. Der folgende Beitrag skizziert eine Bildverarbeitungslösung bei der Kontrolle von LEDs und LCDs.

Bei der visuellen LED-Kontrolle in unserem Fallbeispiel müssen folgende Prüfaufgaben realisiert werden: Kontrolle auf Anwesenheit und Lagerichtigkeit der bestückten LEDs, Prüfung der Funktionsfähigkeit aller Bauelemente nach Stimulierung durch den elektrischen Tester und Überwachung der Farbrichtigkeit sämtlicher LEDs.

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Für diese Aufgaben hat GÖPEL electronic das optische Inspektionssystem TOM ColorLine entwickelt (TOM steht für Teach-able Optical Measurement), das je nach Komplexität der entsprechenden Baugruppen mit einer oder mehreren feststehenden Farbkameras arbeitet. TOM ColorLine ist eine Erweiterung des TOM ComfortLine für Farbinspektionsaufgaben. Es entstand aus einer speziellen Kundenapplikation heraus und wird als eigenständiges Mitglied der TOM-Familie angeboten. Neben den vielschichtigen Prüfaufgaben des TOM ComfortLine übernimmt TOM ColorLine u.a. die Prüfung auf Farbrichtigkeit von LEDs, Displays und sonstigen Bauelementen.

Außer den herkömmlichen LEDs sind heutzutage in vielen Geräte der Industrieelektronik und in zunehmenden Maße auch in fast allen Geräten der Haushaltselektronik LCD-Anzeigen in verschiedensten kundenspezifischen Varianten zu finden. Bei der Fertigung dieser Baugruppen kann es trotz größter Sorgfalt zu Fehlfunktionen und zu vollständigen oder partiellen Ausfällen der LCDs kommen. Mögliche Ursachen sind dabei: mechanische Beschädigungen der Displayelemente, Fehler beim Montieren der Displays sowie vor allem Kontaktschwierigkeiten zwischen der Ansteuerelektronik und dem LC-Display.

Prüfmuster für optische LED-Inspektion

Typischerweise wird bei der optischen Inspektion des LCDs ein Prüfmuster (oft eingesetzt wird ein Schachbrettmuster) eingesetzt. Mit dem Schachbrettmuster lassen sich sehr gut fehlerhaft angesteuerte Dots sowohl im Ein-Zustand als auch im Aus-Zustand erkennen. Darüber hinaus erweist es sich als sinnvoll, das Display mit signifikanten Mustern anzusteuern, welche maßgeblich aus bereits bestehenden Fehlererfahrungen der Abteilung Qualitätssicherung gespeist werden. Außerdem ist es mit dem Bildverarbeitungssystem möglich, angezeigte Symbole mit Gut-Musterbildern zu vergleichen oder auch eine OCR-Texterkennung zu realisieren.

Das für diese Testaufgaben eingesetzte optische Inspektionssystem System TOM ComfortLine ist das Basismodul der TOM-Familie. Es arbeitet mit Standard-Schwarzweiß-Kameras und ist für die Prüfung ruhender Objekte konzipiert. Es eignet sich für Klarschrift-Leseaufgaben, zur Anwesenheitskontrolle von Bauteilen sowie für die Inspektion von Displays und zeichnet sich auch durch eine sehr einfache und komfortable Bedienung aus. Unter dem Betriebssystem Windows laufen folgende Systemkomponenten (die nachfolgend beschrieben werden): Anlern-Modul zum Erstellen der Prüfabläufe, Run-Modul zur automatischen Abarbeitung der erstellten Prüfabläufe, Modul Model-Teach zum Anlernen von Objekten und Schriftarten.

Das Anlern-Modul ist ein Programm zur Definition von Prüfbereichen innerhalb des angezeigten Videobildes per Maus. Der Bediener kann somit aus einer Vielzahl von Bildverarbeitungsfunktionen wählen. Dazu sind jedoch keine speziellen Bildverarbeitungskenntnisse notwendig. Man wählt lediglich die gewünschte Funktion aus der vorhanden Funktionsbibliothek aus und ordnet sie dem jeweiligen Prüfschritt zu. Gegebenenfalls sind noch einige wenige Parameter an die spezielle Prüfaufgabe anzupassen. Sind an das System mehrere Kameras angeschlossen, muss natürlich auch die Zuordnung der entsprechenden Kamera zum aktuellen Prüfschritt erfolgen. Die einzelnen Prüfschritte werden in einem sogenannten Prüfablauf hinterlegt. Der so erstellte Ablauf kann unter frei definierbarem Namen gespeichert werden.

Fortlaufende Prüfung oder Sprünge und Schleifen

Dieser Prüfablauf wird in der Regel sequenziell abgearbeitet – es sind aber auch Sprünge oder Schleifen möglich. Jeder Prüfschritt erhält ein separates Ergebnis, aus welchem dann durch eine Boolesche Verknüpfung das Prüfergebnis des Prüfablaufes gebildet wird.

Die Rückgabe des Prüfergebnisses erfolgt dabei in Form einer Gut-/Schlechtaussage oder als gelesene Zeichenkette.

Das Run-Modul dient zur Fernbedienung des Systems über die serielle Schnittstelle des PCs, über DDE oder über Pipes. Optional ist die Kommunikation über potentialfreie Ein- und Ausgänge, Profibus oder IPC möglich.

Mit dem Modul Model-Teach kann der Anwender selbstständig beliebige Objekte und Schriftarten dem System anlernen. Dazu werden Beispielbilder mit einem Lernprogramm aufgenommen und die zu erkennenden Objekte darin markiert. Der Benutzer kann in die Lernmenge (Trainings-Set, MTS) sowohl positive als auch negative Beispiele platzieren, um später zwischen guten und schlechten Objekten zu unterscheiden. Das Ergebnis des Lernprogramms ist ein Klassifikator, welcher die Eigenschaften der angelernten Objekte beschreibt.

Das Lernprogramm bietet dem Benutzer eine Reihe von speziellen Suchfunktionen, sodass sich der Klassifikator innerhalb des Model-Teach-Programms testen und gegebenenfalls durch Anlernen weiterer Testbilder erweitern und optimieren lässt. Nach erfolgreichem Test wird der Klassifikator gespeichert und vom TOM-Lern- bzw. Run-Modul gelesen und genutzt. Objekte können automatisch in verschiedenen Rotationslagen und in unterschiedlichen Größen angelernt werden. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die Erkennung von Schriften (OCR) und die Vollständigkeitskontrolle gelegt.

Neben elektrischen Tests auch optische Überprüfung

Aufgrund der engen Kooperationen von GÖPEL electronic mit vielen führenden Automobilherstellern und deren zahlreichen Zulieferfirmen auf dem Gebiet der elektronischen Messtechnik und Diagnose entwickelte sich in der Vergangenheit der Wunsch, die eingesetzten TFT-Displays vor Auslieferung bzw. vor der Montage in das Fahrzeug nicht nur elektrisch zu testen, sondern auch optisch auf ihre einwandfreien Funktionsfähigkeit hin zu untersuchen. Diese TFT-Displays kommen zunehmend in den Fahrzeugmodellen der Oberklasse und der gehobenen Mittelklasse zum Einsatz. Fehlfunktionen oder eine fehlerhafte Darstellungen von Texten bzw. Symbolen würde nicht nur zu einem Imageverlust des Zulieferers oder Herstellers führen. Eine nachträgliche Beseitigung der Fehler ist zusätzlich enorm kosten- und zeitaufwändig, da meist große Stückzahlen gefertigt werden. Das TOM-Bildverarbeitungssystem kommt sowohl in der Vorserienentwicklung (Soft- und Hardwaretest) als auch in der Serienfertigung (Zwischen-/Endkontrolle) zum Einsatz. Dabei sollen die nachfolgend genannten möglichen Fehler erkannt und klassifiziert werden.

Test auf fehlerhafte Pixel im nichtangesteuerten Zustand (Erkennung von ständig leuchtenden Pixeln): Dazu wird lediglich die TFT-Hintergrundbeleuchtung angesteuert und die Kamera mit einem X/Y-Achssystem über das Display bewegt. Das angeschlossene Bildverarbeitungssystem kontrolliert dabei, ob einzelne Pixel leuchten. Fehlerhafte Positionen meldet die Software dem übergeordneten Prüfsystem.

Test auf Inhomogenitäten innerhalb der gesamten TFT-Fläche: Dieser Test wird ebenfalls mit angesteuerter TFT-Hintergrundbeleuchtung ausgeführt. Auch in diesem Falle wird das entsprechende Display mit einem Achssystem abgerastert. Es erfolgt daraufhin eine Überprüfung hinsichtlich unerlaubter Helligkeitsschwankungen innerhalb des TFT-Displays. Dazu werden in den einzelnen Bereichen die Helligkeitsmittelwerte ermittelt und mit einem Sollwertbereich verglichen.

Kontrolle des Displays mit angesteuerten Pixeln: Als Bestandteil dieser Überprüfung wird vom Leitrechnersystem ein 64-stufiges Graukeilmuster auf dem Display abgebildet. Das Display muss dieses Graukeilbild mit den entsprechenden Abstufungen fehlerfrei darstellen. Für diese Prüfaufgabe ist der Einsatz einer qualitativ hochwertigen Kamera mit einer Grauwertauflösung von 12 Bit zwingend notwendig.

Test der anzuzeigenden Symbole auf Anwesenheit, Detailtreue und Vollständigkeit: Hierbei wird das jeweilige Display nacheinander mit allen vorhandenen Symbolen und Schriftzeichen stimuliert. Dem Bildverarbeitungssystem wird parallel das zu erwartende Symbol mitgeteilt. Bei der nachfolgenden Überprüfung wird eine OCR-Texterkennung oder ein Bildvergleich mit einem Gut-Musterbild vorgenommen. Dabei ist die zu erwartende Übereinstimmung mit dem Originalprüfmuster stufenlos (Qualität in %) einstellbar.

Mehr zum Thema Display-Prüfung lesen Sie in der Sonderpublikation „Marktreport Bildverarbeitung“.

GÖPEL electronic , Tel. +49(0)3641 68960

*Jens Rudolph ist Applikationsingenieur für TOM-Systeme bei GÖPEL electronic, Jena.

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