一、任务背景
某精密电子制造企业的质量检测部门，需要对PCB板、半导体芯片及电子元器件进行高倍显微镜下的观察，比如看一下划痕等细节。
然而，实际检测过程中存在以下痛点：
痛点一：照明方案单一，缺陷难以全面呈现
显微镜现有照明多为固定角度的反射光，难以同时凸显多种不同光学特征的缺陷。
痛点二：光源参数无法灵活调节
检测不同的元器件和缺陷类型时，需要不同的光源角度、色温、亮度组合，但现有设备要么没有独立的可调光源，要么调节过程繁琐（需手动拆卸更换光源附件）。
痛点三：缺陷判读依赖经验，缺乏量化引导
检测人员需要在多种光照条件下反复切换来确认缺陷性质，无法实现“一键或多模式自动切换”来辅助判读，导致检测效率低下，误判和漏判率较高。
痛点四：检测标准执行难以统一
行业标准（如IPC-A-600对PCB外观检测要求光照强度1000-1500lux）规定了检测环境条件，但实际操作中不同检测人员的光源设定存在差异，影响检测结果的一致性。本题目要求参赛者在理解机器视觉光源原理与电子元器件缺陷检测需求的基础上，设计并制作一套面向高倍显微镜的可编程多角度光源检测辅助系统。
二、光源技术知识要点
参赛者需掌握以下关键技术知识点：
1. 恒流驱动原理
LED器件对电流极为敏感，要求精确的电流控制以确保光输出稳定并避免光衰。恒流控制技术通过维持恒定输出电流，可有效解决LED因温度变化、电压波动导致的光衰问题，实验验证表明恒流控制电路精度可达±1%以内。参赛者需设计恒流驱动电路，确保LED光源在长时间工作中光强稳定。
2. 光源角度与检测目标的对应关系
机器视觉照明中，光源的照射角度直接决定了缺陷的呈现效果：
● 高角度照明（约60°-90°） ：适用于检测物体表面突出特征、焊点润湿性、丝印清晰度等，属于明视野照明；
● 低角度照明（约20°-30°） ：适用于检测划痕、裂纹等表面凹凸缺陷，属于暗视野照明，背景呈黑色，划痕呈亮白色；
● 同轴光照明：光线垂直入射，经半反半透镜反射后从镜头轴向照射物体，对高反射率零件的表面平整度检测尤为有效；
● 多角度组合照明：高角度光与低角度光的组合是目前AOI检测中最优的组合方案，可同时兼顾平整表面检测和三维轮廓突出。
3. 光源色温与显色指数
色温（CCT）区分光源冷暖色调（K值越低越偏红暖，越高越偏蓝冷），显色指数（CRI，Ra 0-100）反映光源对物体真实色彩的还原能力。对于氧化变色检测，光源色温的选择至关重要——低温暖光能增强焊盘氧化变色的对比，标准白光（5000-6500K）适合通用检测，配合CRI≥90的高显色光源可更准确分辨丝印色泽和焊盘颜色差异。
4. 分区独立控制
为适应不同区域、不同角度的独立照明需求，光源需支持分区独立亮度调节。商业方案已可实现对环形光源最多8个独立可控LED段的单通道控制，切换速度高达10,000 Hz，段间光能保持恒定并与相机采集同步。参赛者需设计可独立控制的光源分区结构。
5. 光源要求
高倍显微镜（10X-50X）下，各类缺陷对光源有差异化要求：
● 低角度暗场照明，入射角15°-30°，使划痕边缘形成强散射；
● 多角度依次点亮，通过阴影变化判断三维形变；
● 均匀同轴光或高角度漫射光，避免阴影干扰清晰度；
● 特定色温（如2700K-4000K）增强色差对比；
● 强光穿透或侧光散射，需高亮度（≥15000 lux照度）；
● 多角度组合光，低角度突出轮廓、高角度判别润湿。
6. 照明均匀性与频闪抑制
光源照度均匀度直接影响成像稳定性和缺陷检出率，高精度检测需照度均匀度>90%。恒流驱动配合模拟调光（而非PWM调光），可消除频闪，避免不同曝光时间下图像亮度差异造成的误判。
三、任务
设计并制作一套面向高倍显微镜的多角度可编程光源缺陷检测辅助系统。系统需以高性能MCU（如ESP32-S3或STM32系列）为核心，配备多组LED光源模块（至少包含三种不同照射角度的光源组）、恒流驱动电路、交互终端（LCD触摸屏或PC上位机），实现以下核心能力：
1.多角度可编程光源输出：系统至少支持高角度（60°-90°）、低角度（20°-30°）和同轴光三种照明模式，可独立控制每组光源的开关、亮度调节（至少16级可调）。
2.分区独立控制：环形光源或条形光源支持至少4个独立可控分区，可单独调节各分区亮度，以适配不同元器件在显微镜载物台上的放置位置。
3.色温可调与显色优化：通过不同色温LED的组合（如暖白3000K + 冷白6500K），实现混合色温的连续调节（范围3000K-6500K）。
4.预置检测模式：系统预置至少4种检测模式——A模式（低角度暗场）、B模式（高角度均匀光）、C模式（多分区轮扫渐变）、D模式（暖色温增强）。用户可保存自定义模式并快速调用。
5.亮度闭环自动调节：配置环境光传感器，系统可自动补偿环境光照变化对检测的影响，保持载物台工作面照度稳定在指定范围内（参考标准：PCBA外观检测光照强度1000-1500lux）。
四、关键技术说明
1. 恒流驱动电路设计（核心难点之一）
恒流驱动是LED光源稳定工作的基础。LED器件对电流的敏感性要求精确控制，恒流技术通过维持恒定输出电流，可有效解决LED因温度变化、电压波动导致的光衰问题。常用方案包括：
● 硬件恒流方案：使用专用恒流驱动芯片（如PT4115、AL8860），通过外置采样电阻设定输出电流，可实现高精度恒流输出；
● PWI（Pulse Width with Interval）方案：MCU结合MOS管实现恒定电流控制，兼顾成本与性能；
● 线性恒流方案：高压浮动恒流驱动IC，无需电解电容和电感，避免EMI问题并消除电解电容寿命瓶颈。
2. 光源角度与照明方式设计（核心难点之二）
不同照射角度决定了缺陷呈现效果：
● 低角度照明（20°-30°） ：暗视野照明，突出划痕、裂纹——只有高低不平处的散射光进入镜头；
● 高角度照明（60°-90°） ：明视野照明，突出丝印、焊点轮廓等表面特征；
● 同轴光照明：经半反半透镜后垂直入射，适合检测高反射率平面（金属外壳、晶圆表面）的平整度。
系统需提供这三种方式的物理安装结构和独立控制能力。
3. 色温调节原理
色温是通过高色温和低色温LED的亮度比例混合实现的。设冷白LED亮度为$I_C$（色温$CCT_C$），暖白LED亮度为$I_W$（色温$CCT_W$），则混合色温为：
$$CCT_{mix} = \frac{CCT_C \cdot I_C + CCT_W \cdot I_W}{I_C + I_W}$$
调节$I_C/I_W$的比例，可实现色温连续变化。参赛者需确定两组LED的实际色温并标定调节曲线，CRI显色指数需≥85以满足丝印和氧化色差检测需求。
4. 亮度闭环自动调节架构
● 反馈元件：环境光传感器（如BH1750或MAX44009），安装于载物台附近，实时监测工作面照度；
● 执行器：PWM调光控制（频率>1kHz避免可见闪烁），但PWM调光可能有频闪问题，高精度检测建议改用模拟调光：通过DA转换器输出0-3.3V模拟电压控制恒流驱动电路的REF脚，改变输出电流实现无频闪调节；
● 控制算法：PID控制或简单的比例调节，将照度稳定在用户设定值（参考IPC-A-600标准光照强度1000-1500lux）。
5. LED分区与激发控制
在实际检测中，元器件在载物台上的位置可能偏心，单个均匀照明的环形光会导致两侧照度不一致。采用分区独立控制方案：
● 环形光源分为至少4个独立区域（如上、下、左、右象限或8个扇区）；
● 每个分区配备独立的恒流驱动通道，MCU通过多路PWM或SPI接口独立控制各分区亮度；
● 商业先进方案已可实现对环形光源最多8个独立可控LED段的单通道控制，参赛者可参考其设计思想，用MCU多路PWM实现至少4路独立控制。
五、硬件最小系统建议
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组件 |
型号参考 |
说明 |
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主控MCU |
ESP32-S3 / STM32F103 / STM32F407 |
提供多路PWM输出、ADC采样、SPI/I²C通信 |
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LED光源模块 |
多颗贴片LED + 3D打印/铝基板灯架 |
高角度（60°-90°）、低角度（20°-30°）、同轴光（需半反半透镜结构） |
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恒流驱动器 |
PT4115 / AL8860 |
每路光源独立恒流驱动，支持PWM/模拟调光 |
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色温调节 |
暖白LED（3000K）+ 冷白LED（6500K） |
优先选用CRI≥90的高显色LED |
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环境光传感器 |
BH1750 / MAX44009 |
I²C接口，宽量程照度测量 |
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交互终端 |
3.5寸SPI电容触摸屏 或 PC上位机 |
提供模式切换、亮度调节等交互界面 |
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电源 |
12V / 2-3A DC电源 |
驱动多路LED光源 |
六、开发框架与参考
● 推荐使用 ESP-IDF 或 Arduino-ESP32 框架快速实现PWM输出、I²C传感器采集和LCD交互；
● 可使用FreeRTOS实现多任务管理（亮度调节任务、传感器采样任务、UI任务等）；
● 参考行业标准IPC-A-600确定缺陷判定阈值（缺陷分为可接受、可疑和不合格三类），统一检测判据；
参考资料：https://www.bilibili.com/video/BV15Rwyz3Efj/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=bf1d45de572f4f090027ef810fb82265
七、适用对象
综合了嵌入式开发、模拟电路设计（恒流驱动）、光学结构设计、传感器闭环控制和人机交互全栈开发能力；适用人群：已修完单片机、模拟电子技术、传感器技术等课程，对光学照明原理有一定了解的人群。
