雙光路多通道圖像采集機構的設計

王春

摘 要：隨著AOI技術的發(fā)展，在印刷電路板行業(yè)不斷涌現(xiàn)出新的研究成果，大都都是基于空間光通訊接收系統(tǒng)理論進行再創(chuàng)新的結果。本設計將對于厚膜油表電阻芯片基板進行雙光路多通道圖像采集機構的設計，將由6片電阻芯片以三行兩列方式組成的厚膜油表電阻芯片基板，采用2組采集裝置進行3次檢測的方式。達到快速、準確的檢測目的。

關鍵詞：光學;雙光路;多通道;圖像采集

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.113

1 空間光通信接收理論

空間光通信接收系統(tǒng)由光天線、耦合系統(tǒng)、濾波器、光電接收器4大部分組成，如圖1所示。光天線應盡可能多的接收包含了目標信號光在內(nèi)的自由空間的微弱光輻射，然后靠耦合系統(tǒng)把光耦合到濾波器的接收端，濾掉“噪音”，保留目標光信號，被探測器探測到轉換成電信號。很顯然，只要光天線從自由空間接收到的光能輻射足夠的多，光耦合系統(tǒng)插入損耗少，濾波效果又比較理想，則探測器就能接收到所需的信息。所以，光天線是整個接收系統(tǒng)的關鍵。

光天線相當是一個物鏡系統(tǒng)，可通過折射、反射和折-反射光學系統(tǒng)實施之。折射式物鏡系統(tǒng)具有較易校正像差、能獲得較大視場、結構較簡單、裝調(diào)方便等優(yōu)點。所以，在厚膜油表電阻芯片基板光電在線檢測技術的研究中，應用該理論對光學圖像采集系統(tǒng)的光通訊接收部分進行設計。

2 雙光路多通道圖像采集機構總體設計

隨著AOI技術的發(fā)展，在印刷電路板行業(yè)不斷涌現(xiàn)出新的研究成果，但是萬變不離其宗，其光學圖像采集技術的發(fā)展和應用，都是基于空間光通訊接收系統(tǒng)理論進行再創(chuàng)新的結果。近幾年，以光學圖像采集、機電控制和圖像處理相結合的光機電一體化技術模式，已經(jīng)成為在線檢測技術的前沿，為大多數(shù)企業(yè)或者研究學者所采用。

在對AOI技術進行不斷研究和創(chuàng)新的過程中，光學圖像采集系統(tǒng)的最大創(chuàng)新體現(xiàn)在應用多個采集裝置實現(xiàn)大幅圖像的采集，但是每個采集裝置仍是由圖像傳感器和物鏡組成的簡單光通信接收系統(tǒng)。而對于由多個小型檢測元件組成的小型印刷電路板，應用該創(chuàng)新采集方式，可以縮短檢測時間，提高檢測速度。

厚膜油表電阻芯片基板是由6片電阻芯片以三行兩列方式組成，每片的外觀尺寸為34mm×17.2mm，所以每行兩片的尺寸為68mm×17.2mm，按照這種采集方式，對電阻芯片基板采集裝置的研究如下：

（1）采集裝置的檢測方式。對電阻芯片基板進行檢測時，如果采用1組采集裝置進行6次檢測，還需要精密的移動工作平臺與采集裝置配合才能實現(xiàn)，不僅增加了成本，檢測速度也比較慢。如果采用6組采集裝置可1次完成檢測，但是采集裝置的成本也比較高，屬于后選方案。針對電阻芯片基板的分布情況，還可采用2組采集裝置進行3次檢測或者3組采集裝置進行2次檢測的方式，由于這兩種檢測方式只需要基板在一個方向上運動，所以運行裝置的成本可以不予比較，兩種方式運動和檢測的總時間相差不超過500ms，然而從成本方面考慮，選擇采用2組采集裝置進行3次檢測的方式。

（2）采集裝置的放置方式。由物鏡的設計參數(shù)可知：最大外圓尺寸為φ53mm，視場為φ38.2mm，CCD的外觀尺寸為50mm×50mm。當應用2組采集裝置時，其放置方式有多種，如果采用并行豎直放置方式，結構比較簡單，然而由于物鏡外觀尺寸的限制，不能采集到兩幅完整的圖像，如圖2所示。

如果采用反射棱鏡，兩組采集裝置水平放置在棱鏡兩側的方式，可以解決采集視場的問題，但是該方式占用空間較大，需要兩組反射棱鏡，而且對安裝固定裝置的機械受力要求較高。如圖3所示。綜合以上兩種放置方式的優(yōu)點，采用豎直放置和水平放置共用的方式，結構相對簡單，只需要一組反射棱鏡，如圖6雙光路多通道圖像采集機構圖所示。

（3）橫梁的設計。橫梁設計有三個工藝孔，如圖4所示，工藝孔1和工藝孔2的尺寸是在攝錄物鏡調(diào)節(jié)好位置后，根據(jù)成像光路設計的，該工藝孔的尺寸如果過小，就會遮擋全視場的光信號，如果過大就會使雜散光的光信號進入物鏡視場，影響成像質(zhì)量。工藝孔3是雙光路光信號共同入射的區(qū)域，通過工藝孔1和反射棱鏡，使2片電阻芯片的檢測區(qū)域完全投射在雙光路的全視場內(nèi)。

由于橫梁與調(diào)焦裝置是通過橫梁的兩個工藝面固定連接的，調(diào)焦裝置、物鏡和CCD的重量均由橫梁面上的螺紋孔承受，為了減少橫梁的材料成本，盡量使各個工藝孔的壁厚減少，而且可以保證個受力面的安全性，受力不斷裂， 在ANSYS軟件平臺上進行了受力分析如下：

橫梁的材料為鋁合金，密度為2.7g/cm3，泊松比為0.33，彈性模量為68.9GPa，物鏡和CCD的重量之和為0.8kg，調(diào)焦裝置的總重量為0.75kg。由于面2主要受平行面的壓力作用，受扭矩很小，而面1不僅受到平行面的壓力作用還受到垂直面向下的扭矩作用，所以重點對面1所受的扭矩進行變形分析。面1所受壓力的力臂為0.089m，扭矩約為14N·m。如圖5所示。

該圖所示為橫梁面1在扭矩作用下的應變分析，其最大變形量為0. 01?m，對面1來說，當受到平行面的壓力和扭矩作用時，其變形量可以忽略，保證了其受力安全性。

（4）雙光路多通道圖像采集機構的結構設計。雙光路多通道圖像采集機構包括光學圖像采集裝置、反射棱鏡裝置、手動調(diào)焦裝置、照明光源、橫梁、大立柱和法蘭，光學圖像采集裝置包括鏡頭、CCD和鏡頭夾緊螺母，手動調(diào)焦裝置包括鏡頭固定架、升降座、調(diào)焦手輪、豎直升降座底座、水平升降座底座、小立柱、固定板夾緊螺母和固定板，反射棱鏡裝置包括棱鏡座、反射棱鏡和橫梁蓋板。雙光路多通道圖像采集機構如圖6所示。

反射棱鏡裝置的裝配是把反射棱鏡放在棱鏡座內(nèi)，用調(diào)節(jié)螺釘夾緊，然后把棱鏡座固定在橫梁蓋板上，用橫梁蓋板上的調(diào)節(jié)螺釘頂緊。

手動調(diào)焦裝置的裝配是把兩個鏡頭固定架分別固定在升降座的側面、豎直升降座底座、水平升降座底座分別固定在升降座的底面，兩個小立柱分別插入升降座的內(nèi)孔，然后在兩個小立柱上方分別用兩個固定板夾緊螺母固定一個固定板。

光學圖像采集裝置是由兩個安裝有CCD的光學鏡頭連接PC機組成。

雙光路多通道圖像采集機構的總裝配結構為：光學圖像采集裝置分別安裝在手動調(diào)焦裝置的鏡頭固定架上，兩個鏡頭的另一端分別裝夾在固定板的安裝孔中，手動調(diào)焦裝置的豎直升降座底座和水平升降座底座分別相應的安裝在橫梁上，一組豎直安裝，另一組水平安裝，使鏡頭與橫梁中的光路工藝孔連接，通過橫梁蓋板與橫梁上端面的連接，以裝配反射棱鏡裝置，兩個大立柱的一端分別與橫梁兩端的工藝孔連接，另一端，連接法蘭，照明光源放置在橫梁底面以下的位置。

雙光路多通道圖像采集機構是采用手動調(diào)焦裝置和反射棱鏡等現(xiàn)有零部件通過設計、分析處理，進行技術融合再創(chuàng)新，而設計的一種新型結構。該機構中的雙光路多通道是指雙鏡頭通過光路設計形成的并集視場，視場面積達到80mm×30mm，光學圖像采集裝置中的兩個CCD通過雙光路結構，可以采集到整個并集視場范圍內(nèi)檢測元件的光信號，由自動識別和圖像處理軟件系統(tǒng)，對該視場范圍內(nèi)的多幅圖片進行圖像識別和圖像處理，雙鏡頭和雙CCD組成光學圖像采集裝置在采集圖像時，要求采集到圖像的視場、分辨率、清晰度和對應光路的光信號的位置，在一定誤差范圍內(nèi)具有高度一致性。雙光路采集圖像對比效果如圖7所示。

通過雙光路多通道圖像采集機構的大視場、雙光路、多通道結構，達到以小攻大的效果，可以實現(xiàn)厚膜油表電阻芯片基板類的小型印刷電路板的多片同時在線檢測，縮短了檢測時間。

3 光學系統(tǒng)成像光路的設計

厚膜油表電阻芯片基板的厚度為0.8mm，外觀尺寸為75mm×63mm，基板上面印刷有6片完全相同的厚膜油表電阻芯片，芯片之間用激光刻出滑槽，作為分離邊線，每個電阻芯片的實際尺寸為34mm×17.2mm，每行兩個橫放的芯片尺寸為68mm×17.2mm。

由于電阻芯片基板的本身特點，采用背光照明如果用頂光和測光直接進行照明，電阻芯片中的邊線、電路連接細線和焊錫的拍攝效果很難滿足檢測要求，邊線的深度較小，不能用強光照明，而細線的拍攝則需要高亮的照明光源、高清晰度大分辨率的鏡頭和高像素的CCD，然而焊錫在光源照射下，反光強度比較大，要求光源的亮度不能太大，經(jīng)過多次實驗驗證，采用了背光照明方式，不僅使細線和焊錫在同一光照度下清晰成像，而且邊線的檢測部分的圖像也能達到檢測要求。

成像光學系統(tǒng)由一個反射棱鏡和兩個攝錄物鏡組成，其中OA為物面，O′A′為像面（如圖8所示），厚膜油表電阻芯片基板工作的光信號經(jīng)反射棱鏡和兩個攝錄物鏡，成像于CCD的耙面上。在成像光學系統(tǒng)設計中，關鍵性的技術是大視場高分辨率攝錄物鏡的設計。

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