拷问机器视觉LED光源Word文档格式.docx

1、原材料；LED上游产业，包括外延材料和芯片制造；LED中游产业，主要包括各种LED器件和封装；LED下游产业，包括各种LED的应用产品产业，如机器视觉LED光源；测试仪器和生产设备。机器视觉LED光源属于LED产业链的下游。机器视觉光源制造厂商一般会从LED中游产业厂商那里购买已经封装完毕LED颗粒，然后根据光源设计自行或者委托加工生产机器视觉光源，经过质量测试后卖给机器视觉系统集成商和设备制造商，最终将其安装到机器视觉系统上。据此，针对LED机器视觉光源的稳定性和抗复杂应用环境的能力,中国视觉网记者近日对数家国内外知名的机器视觉光源厂商进行了采访，我们希望从LED颗粒的选用直至设计、生产完毕

2、这整个过程对机器视觉光源进行一次全面拷问！光源的设计者有理由认为，所有LED颗粒的品质都是一样的。然而，LED的制造商和供应商众多，亚洲生产商向全球供应低成本的LED，但目前在这些制造商中，只有一少部分能够生产出高品质的LED。对于简单指示作用的应用，低品质的LED就足以满足要求，但在恶劣环境例如军用、航天航空以及工业等应用领域，要求是很苛刻的，LED必须符合高质量的需要，如机器视觉系统集成商在选择光源时的一个重要考虑因素即均匀性。当一个LED光源众多的LED颗粒中有少部分性能指标与整体不同，比如衰减速度过快甚至损坏，都将直接影响到一个机器视觉光源的均匀性。如该问题发生在工业现场正在应用的光源

3、上则会直接影响到获取的图像质量进而影响后端的检测准确率。 那么，作为业内知名的LED机器视觉光源品牌，LED光源发光颗粒的质量取决于哪些方面因素呢？各公司是如何保证在LED光源制造之初在对LED颗粒选取上进行严格把关？他们又会选用哪些厂商的LED颗粒来保证其机器视觉光源的稳定性和质量呢？日本CCS王耀东：首先,由于LED颗粒的制造工艺尚未成熟,哪怕是同一批量的LED颗粒，在质量上的差距还是很大的，具体表现在LED晶片本身、透明镜头的材质和加工工艺及封装技术上。目前，真正能用在FA机器视觉上的LED颗粒制造厂家，全世界也就3-5家。同用于其他工业和民生上的LED颗粒数量相比,用于机器视觉的LED

4、颗粒的需求量实在太小,所以尽管可以获得较高利润率,LED颗粒厂家还是不太愿意供应高质量的LED颗粒，这就使得那些小规模的LED照明厂商很难得到高质量的LED颗粒，当然，也就在原料关口被打消了制造出高质量的LED照明的可能性。 应该说，老牌的LED照明厂商要比LED颗粒供应商更懂得对LED颗粒的技术要求。LED颗粒主要的控制参数包括：相对亮度-顺电流特性（Relative Luminosity vs. Forward Current） 、相对亮度周围温度特性（Relative Luminosity vs. Ambient Temperature） 、光谱特性（Emission Spectrum）

5、 、顺电流-顺电压特性（Forward Current vs. Forward Voltage） 这四个方面。因为它们将直接影响到照明产品的光亮度、均匀度和稳定性。我认为目前比较著名的LED颗粒制造商应该是日本的日亚化学工业株式会社（NICHIA）。美国Ai王升：LED光源的发光颗粒的质量取决于亮度、视角分布、光的颜色、批次的一致性、壳体散热好坏、寿命等因素，Ai公司所用的LED大部分是从世界知名LED制造商SunLED公司购买。 东冠科技张礼洪：LED光源的发光颗粒的质量取决于所用芯片材料以及相应的封装技术。 我司采用的LED产品都会进行电压照明测试LED的工作电压、亮度、波长（即颜色）筛选

6、，分成32等级，只有同一等级的才安装在一个灯具种。我司采用的LED颗粒都是新加坡知名LED颗粒制造商。上海铂美张劲泰：光源是决定一套机器视觉系统是否成功的关键,而机器视觉光源的品质是由光源的整体设计结构、每一粒LED的性能及光源的封装决定的，我们公司的机器视觉专用光源中的LED是按照我们提供的参数定制化生产的，采用的是国际上稳定性和质量顶级的芯片。每一粒LED都要经过仪器测试，对于不符合参数要求的LED必须剔除，不能用到光源上。同时这种按照特殊参数定制的LED要比一般的LED的半衰期周期长。北京凌云赵严：LED发光颗粒是一种半导体发光材料，材料学的发展和半导体制造工艺的日益完善是LED质量提升

7、和保障根源。在LED产生初期，其发光亮度非常微弱，效率低且寿命很不稳定，主要是材料的问题，包括材料的成分与纯度或掺杂度的控制。半导体工艺的发展使得制造环节的问题得以解决，LED性能提升主要体现在材料学研究的不断突破。我们如果关注紫外LED近几年的发展历程，可以看作是可见光LED组件发展的一个缩影。在经济全球化的趋势下，LED材料和芯片制造这两个对质量影响最为重要的因素似乎已不再是问题，主要的几大供应商或供应基地提供的产品性能都达到了较高的水准，而在组件封装过程中，问题显得比较突出，例如bongding的工艺、导热模型的设计和封装的支架材料，都直接影响了后期的使用效果和质量。 对于LED光源生产

8、企业，更多关注点聚焦在光源整体参数的考虑以及对成像效果的影响，对他们而言，LED组件是原材料，因此选择资质高、产品性能优异的LED器件供应商以保证原材料质量是比较合理的做法。通过考察和抽样统计了解供应商的质量控制能力是第一步工作，一旦选中一家或几家供应商，在实际制作光源时也不是万事大吉，对原材料的电性能和光学性能的进一步筛选也必须进行，只不过LED组建供应商的产品质量好，可以减少很多工作量。 目前为我们供货的厂商是一家台资企业，由于和sony公司进行了技术合作并为sony提供LED组件产品，其产品性能达到了业内的高品质，质量控制也是由sony提供保障的，其质量水平和一致性很高，我们在长期使用中

9、对此非常满意。上海方千朱益萍：光源的均匀性意味着开始时的均匀、一致性，更加重要的是，保持长期的均匀性，也就是说，光源在缓慢衰减过程中还能保持光线的衰减速度一致（微观来讲，没有衰减的光源是不存在的）。试想，如果一些衰减得快，其他地方衰减得慢，那就是比其他地方暗很多，这样不均匀就出来了。一方面，LED的颗粒初期选型非常重要，是确保开始的均匀性之关键，目前最好的LED芯片在美国和日本，台湾做封装比较好，中国大陆主要是做一些测试封装，其中美国做的是大颗粒、高电流，单颗可达8.4W；另一方面，光源使用过程中的均匀性，这就和光源散热效果、电路板稳定性、LED本身稳定性息息相关。3AM邱学明：正常来说,市面

10、上一般买到一批LED颗粒时,每一颗的亮度、均匀度，甚至工作电压都不太可能完全一致,这并非是LED的品质不好,原因是LED在生产时，在晶圆厂切出所需的芯片或者封装LED芯片时所配的染色剂原料等过程中,只要稍有一点差异就会导致成品出来的效果有很大偏差,即使是目前生产LED最好的设备商,也很难保证他们的设备可以把每批生产所需的参数值设定的很精准,因此才会有LED不容易在质量方面统一的问题。基本上,大厂生产的LED检测标准大都是上述的条件在一个合格范围以上,就算良品,其标准的认定各有不同,目前较常听到的是CIE 127，还有中国的Sj2535.3-83等标准规范,但是这些都只是对单一颗LED颗粒来做标

11、准,对于视觉检测所需的LED照明模组来说,要的不只是如此单纯的条件,而是必须在由暗到最亮的变化范围都要一样,才能使一个LED光源模组达成均匀的一致性。 所以，对于专门设计给视觉检测用的LED光源模组去做LED的筛选，相对来说是相当不容易的,如果用人工方式去每一颗做挑选,不仅浪费时间与成本,所挑出来的颗粒也可能因每人挑选的标准不容易一致而出问题,既然每一批生产的质量不容易相同,所以目前我们的方法是一开始向晶圆厂提出我们所需的特殊规格,切出我们所需的芯片,然后一次性大批量进行投产,包括染色剂、封装时所需的参数值，都全部在同一批一次性生产完成,这样就可以使每一粒LED颗粒都在我们所需范围内,以达成质

12、量的一致性。珠海博瑞莱庞维健：LED光源发光颗粒的质量取决于LED的芯片、固晶胶、封装、支架。首先是芯片厂家、芯片尺寸，其次是封装厂家的选择，要有经验丰富认真负责的研发工程人员和严谨有效的质量管理体系，最后是一丝不苟的样品老化实测（足时、模拟环境），来真正保障LED质量的标准。我们采用的LED颗粒都是使用美国芯片封装的。上海纬朗徐大鹏：LED光源的很多基本参数（比如波长、色温、发散角等等），在LED颗粒生产产商出厂前都是经过测试的，而机器视觉行业的光源制造公司，均属于LED颗粒的应用者，因此，对自己所采用的LED颗粒选取什么样的参数，需要什么样的基本指标，都会有一个额外的再筛选过程。各公司的再

13、筛选指标不尽相同，在LED颗粒采用方面各公司也都有差异，但选取均一的参数来组成光源、选取稳定的LED颗粒等方面却是一致的。 纬朗所选取的LED颗粒，为了在质量上有所保证，因此对于LED颗粒的供应厂商，均做出了一些列筛选要求。正如大家所知，LED颗粒的各个厂商性能不尽相同，而一些廉价的民用LED颗粒，在持续、稳定、均一等方面并没有特别要求。正由于此，我们纬朗所选用的LED颗粒目前全部为国外高端品牌以保证基本的稳定性。一个LED光源的生产过程基本划分为如下几个步骤：清洗、装架、压焊、封装（如直接购买以封装的LED颗粒则没有此过程）、焊接或者贴片、装配、切膜（背光源）、测试、包装出厂。从这个生产过程

14、中我们看到，在对优质的LED颗粒进行选取后，后续非常重要的一个生产过程就是焊接或者贴片过程。如果焊接或者贴片不能达到质量要求，如某个颗粒的焊接出现问题就会造成生产完毕后整体光源的报废，或者应用到工业现场后光源因为焊接问题导致光源的均匀性问题。因此，焊接是LED机器视觉光源制造商必须全力关注的生产环节，那么，如何对机器视觉光源在焊接或贴片过程中进行严格把关呢？哪怕是由最高工艺制造技术厂家提供的LED颗粒,也不是可以全数使用的。因为它们在同一性上还是存在很大差距，所以LED照明厂家在LED颗粒的筛选上还得花很大工夫。红色LED颗粒的制造工艺比较成熟,它的可用概率大概在80%左右，其他颜色的LED颗

15、粒的可用概率只有60%左右。根据LED颗粒的光亮度和发光角度等参数，一般要分成7-14个等级,然后尽量采用同一等级的LED颗粒来制作一个LED照明，以保证照明的一致性。所以，在价格上绝不可能用一般LED光源来同用于FA机器视觉的LED照明作比较,两者之间有100倍的差距也不足为奇。 由于微小的LED颗粒得发出极大的光能,势必附带着巨大的热能，加上LED晶片本身的脆弱性,确实对LED照明的贴装及焊接工艺提出了严酷要求，主要表现在焊接温度和焊锡质量及焊点大小的控制上。CCS公司最近推出的SW2系列白色光源，在根本上提高了LED颗粒的光能比例，即在同一能耗的基础上使LED颗粒的光亮度提高了一倍以上，

16、不失为划时代的产品。我们Ai使用薄钢板作为LED的固定基板，它发热不变形，同时，Ai还使用了取得专利的Evenlite对准技术以保证光源的均匀性。我公司主要在焊接温度、焊接方法、焊接材料及焊接质量等方面严格把关。在焊接温度上面，焊点问题控制在280C以下，持续时间不会超过5S，同时电烙铁具有温度控制功能,最高温度控制在350C 以内,每次焊接时间应控制在1 2s；在焊接材料上，我们采用优质焊锡材料 ,其熔点为200C，性能比其它焊接材料优越；在焊接上我们采用防静电措施，避免静电对焊接质量和LED产生不利影响。在对每一粒LED进行选取后，符合要求的高品质LED通过焊接人员完全按照SOP（标准操作

17、过程）焊接到线路板上，SOP包括防静电措施、烙铁的温度、焊接的时间等内容及步骤，如果不按照SOP操作，焊接的质量就会达不到要求，会直接影响到光源的寿命。LED的焊接工艺对光源生产确属关键环节之一。除焊接的通常要求以外，方向性的控制也非常重要。机器焊接工艺通常有回流焊和波峰焊两种，鉴于LED的温度特性，选择波峰焊是一种安全的做法，机器焊接的优点是成本低、效率高，缺点是质量控制要求高，小厂生产合格率低。另外，对小批量定制产品也可采用人工焊接，人员经过专门培训，严格执行焊接工艺，质量更加稳定，但人力成本较高。在这方面，我们有自己的工艺设计和控制手段，兼有人工焊接和机器焊接，不论哪种，关键是做到过程和

18、结果可控。LED是一种方向性很强的光源，正因为这样，LED光源才能被设计成各种角度，各种结构的光源。在实际调试时可以通过调节光源安装距离，调节光源亮度和改变镜头光圈配合，以及多个光源组合，来达到特殊的效果。机器视觉的黑白对比图片完全是靠控制反射光线来实现的，有反射光的进入摄像头的地方呈白色，反射光没有进摄像头的地方呈黑色。所以说，光源、镜头的好坏决定了70-80%的图片质量一点都不为过。 正因为这样，LED的焊接对保证光源的照射角度起到了至关重要的作用，虚焊、假焊肯定是不允许的。这里我提醒大家两点：PCB板的质量和LED的光轴对准。LED光源有两种电路板，硬板和软板。硬板主要控制间距，保证LE

19、D均匀分布，软板则比较麻烦，因为立体的角度完全由PCB软板（也叫FPC）保证。特别是在工厂的现场环境中，震动等多种恶劣环境下，能否保证光源照射角度的稳定变得重要起来。至于谈到LED的光轴对准，可能大家会觉得比较新鲜，我们在焊接LED时都是按照LED的管脚来定位的，也就是说假定LED的封装是非常完美的，机械轴和光轴是重合的，但事实上却不尽如此。因为LED封装是大批量生产的工艺，且大多数的应用场合如指示灯，对此并没有对LED光轴非常苛刻的要求。但机器视觉行业的要求更加高，现在就有一种Evenlite的光轴对准技术。在焊接时，实测每个LED颗粒的光轴，完全按照光轴来焊接，从根本上解决了这个问题。最突

20、出一个案例就是，宽幅照射时如超过100mm时，采用普通的条形灯会出现一个现象，离光源近的亮，离光源远的暗，原因是中心和边缘的光路长短不一样。而采用Evenlite的光轴对准技术，就可以让负责中心照明的LED角度小，光线更集中，能照射到更远，相反负责边缘照明的LED角度大，光线更分散，这样一来，整体的光照均匀性从根本上解决了。关于这方面,PCB板的材质占了很重大的因素,因此PCB的防焊面、喷锡面均须严格的控管达到我们的需求才可验收。在加工方面,LED颗粒有其耐温的极限,如果在加工焊接时温度过高容易导致LED颗粒的损毁，因此在生产时需使用高精确度的恒温锡炉，再利用特殊设计的治具来达成LED与电路板

21、贴合的一致度。 LED封装厂是一个投资很大资本密集型的行业，一般的光源厂商不会只为了自己的应用而专门开设封装厂，绝大部分厂商是购买LED成品颗粒。LED光源虽然比较简单但其实也是一个系统工程，作为一个系统就不是简单的某个单个的环节或器件来决定整体的品质，而应该是统一的规划、设计和协调整个产品的质量和性能。我司根据多年积累的LED应用方面的经验和技术，在LED光源的整个制作流程中，从上游的芯片选择、封装技术、关键材料的选择和研发都深度参与，从而保证了LED颗粒的质量和性能符合要求。另外在光源的结构设计和焊接组装的环节也是进行精心设计，务求在原理上避免出现质量和技术错误，在散热、电路驱动和控制等各

22、个方面追求协调和统一，希望在质量、性能、成本等关键指标上达到很好的平衡，为中国的机器视觉事业献一份薄力。当一个机器视觉光源按照设计严格选取发光颗粒，选择优秀的电子装备进行焊接或贴片并按照严格的程序装配、测试包装出厂后，在应用过程中经常导致LED机器视觉光源工作稳定性的因素仍然有很多，其中，散热是一直困扰着光源厂商和用户的主要问题之一。高亮度机器视觉LED光源是未来的发展方向，同时也符合LED光源的摩尔定律。而随着亮度的增加如通过加大功率增加亮度，必然带来发热量增加，当温度超过一定数值时，器件失效率也将成指数规增加。统计资料表明，元件温度每上升2C, 可靠性下降10%。因此为了延长LED光源的寿

23、命，增加光源的稳定性，就必须使LED光源具备良好的散热能力。那么如何才能使光源产品具备很好的散热能力呢？发热特性一直是LED照明的致命弱点，它是造成光衰加快和寿命缩短的主要原因。人们用了很多方法来加快散热，比如铝质外壳、吹风结构、增加散热面积等，也有运用定电流控制的手法来转嫁热能,但具有电源成本提高、使用寿命缩短、照明控制不灵活等缺点。CCS公司在2004年就运用特殊散热填料来确保LED焊点和外壳之间的热量流通，所以目前光衰最小的应该是CCS的产品，而散热填料的要求很高,它必须具有很强的导热性和耐热性。这也是CCS公司的专利项目。当然,如同上面提到的SW2系列产品一样,在同样能耗下提高热能向光

24、能的转换能力,才是LED照明最佳的发展方向。Ai 的LED光源解决散热问题时采用了包括内核及外壳都采用金属、高亮大功率光源配有散热片及风扇等措施。我公司产品在设计之初就考虑到了散热设计，首先根据LED的相关参数确定外形尺寸，其次合理排列LED、尽量增大印制电路板覆铜面积、采用散热性好的基板。对于一些特殊产品，我们也可能采用风扇进行散热。光源的封装是一个很重要的环节，因为温度是影响光源寿命的重要因素，为了延长LED光源的寿命，增加光源的稳定性，就必须把LED发出的热量很快地散发出来，我们在LED线路板与壳体（硬铝）加入了一种特殊的介质，这种物质能很快地把LED发出的热量传到到壳体上，从而使热量散

25、发出来。LED器件的寿命通常在10000小时以上，那是在一定温度条件下测量的结果，而实际LED光源的寿命很大程度上受温度条件的影响。工业现场的温度环境是十分复杂的，有些甚至是恶劣的，要想保证良好的寿命，必须进行严格的散热设计。设计包括两部分，一是理论计算，要建立热传导模型，考虑环境约束、限定热功耗、设计相应的热传导环节、选择适当的材料、计算散热片的外形和面积等，另外一方面是工艺设计，要保证理论计算的模型是工业可行的和质量可保障的。还有一点非常重要，也是最容易出问题的，光源的亮度和寿命是一对矛盾，有时必须折衷，片面通过增到电流、功率追求亮度是很不可取的，要提高光源亮度还要在原材料上做文章，选择材

26、料更新、电光效率更高的LED组件才是提高性能的根本。发热问题是任何一个光源厂家都无法回避的一个问题。发热将直接影响光源寿命，并且最可怕的局部过热会造成比其他部位衰减更快而导致不均匀的后果。目前，散热方法大致有三种：第一种是空气流通，热辐射来散热；第二种是外壳导热，大部分的做法是采用在PCB板和金属外壳中间加一层绝缘但是导热效果较好的导热材料，最终通过外壳散热（目前有一种最新工艺，就是将PCB一面做成金属，而LED颗粒是贴片的，这样PCB外壳本身就能导热了，对于大面积的背光，如1.7M x 1.7M大小，就非常有效）；第三种是强制风冷，在大电流LED光源中用到。不单对于高亮度的LED,即使是一般

27、照明亮度高的设备如卤素灯等,都要面对高热度问题,热度升高会影响LED寿命,甚至亮度都会随着温升效应而降低,因此散热的效果是特别重要的。LED光源不像现今的CPU一样,可以有大的风扇来散热,所以必须从机构上的设计来着手,藉由板子跟机构结合的地方来考虑导热效果,以及电路板跟机构材质的选用,这些对于温度的降低都会有很大的实质帮助。我公司的发起股东都是在LED照明行业浸润多年的具有丰富的LED光源制作、应用经验的人员，因此在LED光源的散热结构设计和制作方面有自己独到之处，其中有一项技术已申请国家专利。同时，电路的控制和驱动也和光源的散热有一定关系。当LED颗粒焊接成一个光源之后，由于温度对LED的寿

28、命会产生直接的负面影响，因此，导热散热也随之成为光源制造的一个基本要求。纬朗公司的光源产品目前采用导热胶体来连接LED基板与铝合金壳体的方式，替代一般普通使用的空气导热，加快导热速度以实现延长LED光源稳定性以及寿命的目的。对于光电类产品来说，电源的稳定是极其重要的，机器视觉LED光源的稳定性会受供电电源稳定的直接影响，如果电源输出不稳定,将造成LED光强的波动,从而使光源不稳。那么， LED光源系统设计时应考虑哪些因素？又应选配什么样的供电电源以保证光源供电稳定性呢？为适应各款LED照明的发光能力和特性,在电源（power supply）的设计、制造上也不尽相同，大致分为电压控制、脉冲控制和

29、电流控制三大类。电压控制的电源在恒定光运用上比较稳定,脉冲控制的电源在调光功能上线性特征较强,而电流控制的电源比较容易得到超高亮的光源。CCS公司在电源（Power supply）的设计、制造上下了很大工夫，所以很多用户为了降低成本往往会采用廉价的LED照明,同时采用CCS公司的电源来求得光源的稳定性和可调性。当然,日本国家整体的电子产品的高质量也是保证CCS产品优质的前提条件之一。选择好的控制器是光源寿保命与稳定性的重要保证，所以Ai提供丰富的光源控制器供用户选用，同时Ai也为用户提供使用DC24v/DC12电源的光源，但Ai要求用户必须买国际知名DC24v/DC12电源。东冠科技在LED光源系统设计的时候就考虑了过压、欠压、过流、短路对光源的影响，所以在供电电源上面我们采取了防过压、欠压、过热、过流、短路等保护电路，从而保证输出的稳定性。我公司在设计光源时充分考虑了电源的通用性，采用直流电压供电，如果使用数字电源供电（通过调节占空比来改变亮度），将会提高光源的亮度和寿命。如果没有好的电源驱动，LED光源的性能和应用范围可能大大缩水。为此，我公司生产LED光源的同时还开发了配套的电源，根据应用不同，分为PWM型和恒流型，可以提供非常稳定的驱动和多达256级的亮度可调节范围，为配合机器视觉系统的构建，电源也提供了丰富的外控接口