基于機器視覺的高密度針腳檢測光源的設計

王雪嬌 鄒波

摘要：目前高密度針腳由于其針腳短、細、小，工業(yè)上使用視覺檢測方式對針腳缺陷進行檢測時主要的難點在于：如使用LED照明光源，由于光源發(fā)光角度大，搭配成像系統(tǒng)拍攝的圖片的缺陷特征不明顯；如使用聚光效果好的激光光源會有明顯的散斑現(xiàn)象，都會使得后續(xù)圖像處理很難提取有效的特征值，降低了針腳檢測的效率。

關(guān)鍵詞：機器視覺；光源；高密度針腳；缺陷；檢測

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0155-01

為滿足電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，當今電子元件封裝迅速向微型化、片式化、高密度、高性能方向發(fā)展[1]，其中對針腳的檢測是進行正確封裝的必要前提，目前主流的檢測針腳缺陷的方式為機器視覺檢測，其原理為通過檢測光源把針腳打亮，搭配成像系統(tǒng)得到一張高質(zhì)量的針腳的圖像后進行分析。其中檢測光源是機器視覺獲取圖像的基礎，通過對光源的設計可以高效的提取分離出目標信息，極大地提高圖像處理和識別的效率，提高系統(tǒng)的測量精度和可靠性；因此，光源的設計是決定系統(tǒng)成敗的首要因素，直接影響著圖像采集的質(zhì)量[2]。

現(xiàn)有的高密度連接器中的單個針腳的截面積越來越小，為了滿足針腳結(jié)構(gòu)的強度要求，導致針腳根部與元件本體之間有較大面積的連接[3]。目前機器視覺針腳檢測系統(tǒng)所使用的檢測光源主要分為LED照明光源和激光光源2種。其中LED的照明光源發(fā)光角度較大，很容易將針腳根部照亮，當針腳的變形小于針腳根部的面積時，由于針腳根部的截面積比針腳變形的截面積更大，導致在后續(xù)圖像中無法判斷灰度值較高的區(qū)域是針腳變形區(qū)域還是針腳根部，因此無法準確判斷針腳是否變形以及變形的程度[4]；另一種是發(fā)光角度較小的激光光源，但其有較嚴重的散斑現(xiàn)象，搭配成像系統(tǒng)拍攝出的圖片會造成缺陷特征不明顯的現(xiàn)象，拍出的圖片可利用的價值不高[5]。

1 光源的組成

本論文設計的機器視覺光源分別由LED燈板、光闌、透鏡、反光鏡等組成。從LED發(fā)出的光經(jīng)過光闌和設計的聚光鏡，經(jīng)反射鏡反射后，穿過狹縫精準地照射在針腳上。其中透鏡的為自主設計的準直類平行透鏡。具體設計步驟如下

光源透鏡的設計。所設計的透鏡入光面、出光面的面型都選Y鐲面，鐲面面型為10階多項式，公式如表達式1所示：

其中多項式的面型是通過設置優(yōu)化變量，然后添加優(yōu)化準直優(yōu)化函數(shù)，多次優(yōu)化后得到一個較為理想的基礎面型結(jié)構(gòu)。其中的優(yōu)化變量為：光闌大小，光闌位置，光闌到透鏡的相對距離，透鏡鐲面的曲面系數(shù)K，多項式中的各階系數(shù)A4、A6、A8、A10。然后將優(yōu)化后基礎面型曲線導入到犀牛軟件中進行手動微調(diào)面型并導入到軟件中仿真，直至得到較理想的面型。最終得到的面型和仿真結(jié)果如圖1所示，發(fā)光角度為2度。

同時在仿真軟件中對整個光源模型進行優(yōu)化設計，多次優(yōu)化得到反光鏡和光闌最佳的位置及角度。

2 光源的實測驗證

搭配成像系統(tǒng)對設計的光源進行實物驗證，建成一套針腳檢測裝置，實物如圖3所示：成像系統(tǒng)使用的相機型號為：大華A5201MG50-230萬像素，芯片2/3"，分辨率1920*1200，曝光時間3ms；鏡頭選用的焦距110mm，光圈1.1，視野大小94X59。工作距離為25mm，檢測樣品實物如圖4所示，其中用橢圓圈出來的部位是針腳已經(jīng)變形的區(qū)域。

該針腳檢測裝置采集到的圖像如圖5所示，可以看到圖像中只把針腳打亮，打亮的點大小均勻，沒有打亮根部明顯變大的點。其中在圖像中可以很明顯的看出2個變形部位的針腳影像發(fā)生了位置的偏移，因此可以精準的判斷出該位置針腳是否變形以及變形程度的大小。

3 結(jié)語

本論文設計的針腳檢測光源實現(xiàn)了極細，高準直類平行的照明光束，可精準的打亮針腳，而沒有發(fā)散的光打到針腳根部，克服了現(xiàn)有的技術(shù)難點，可精準的判斷出針腳是否變形及變形的范圍，搭配成像系統(tǒng)可拍攝出高質(zhì)量的圖像，大大提高了圖像處理的精度。

參考文獻

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[4]戴知圣，潘 晴.基于機器視覺的貼片引腳焊接缺陷檢測[J].廣東工業(yè)大學學報，2016，33（3）：62-65.

[5]王偉華，李朋軒.基于機器視覺的表貼芯片缺陷檢測系統(tǒng)研究[J].無線互聯(lián)科技，2017，10（12）：201-204.

Abstract：At present， high-density stitches are short， thin， and small， and the main difficulties in the detection of stitch defects using the visual inspection method in the industry are： If an LED lighting source is used， the light emitting angle of the light source is large， and a picture taken with the imaging system is taken. The defect features are not obvious； if a laser light source with a good light collection effect has a significant speckle phenomenon， it will make it difficult to extract effective feature values for subsequent image processing and reduce the efficiency of stitch detection.

Key words：machine vision； light source； high density stitches； defects； detection；