王春

摘 要：隨著AOI技術(shù)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(jìn)行再創(chuàng)新的結(jié)果。本設(shè)計(jì)將對于厚膜油表電阻芯片基板進(jìn)行雙光路多通道圖像采集機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(jìn)行3次檢測的方式。達(dá)到快速、準(zhǔn)確的檢測目的。

關(guān)鍵詞：光學(xué);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(yīng)盡可能多的接收包含了目標(biāo)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(biāo)光信號，被探測器探測到轉(zhuǎn)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(gè)接收系統(tǒng)的關(guān)鍵。

光天線相當(dāng)是一個(gè)物鏡系統(tǒng)，可通過折射、反射和折-反射光學(xué)系統(tǒng)實(shí)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(jié)構(gòu)較簡單、裝調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，在厚膜油表電阻芯片基板光電在線檢測技術(shù)的研究中，應(yīng)用該理論對光學(xué)圖像采集系統(tǒng)的光通訊接收部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 雙光路多通道圖像采集機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

隨著AOI技術(shù)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(xué)圖像采集技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，都是基于空間光通訊接收系統(tǒng)理論進(jìn)行再創(chuàng)新的結(jié)果。近幾年，以光學(xué)圖像采集、機(jī)電控制和圖像處理相結(jié)合的光機(jī)電一體化技術(shù)模式，已經(jīng)成為在線檢測技術(shù)的前沿，為大多數(shù)企業(yè)或者研究學(xué)者所采用。

在對AOI技術(shù)進(jìn)行不斷研究和創(chuàng)新的過程中，光學(xué)圖像采集系統(tǒng)的最大創(chuàng)新體現(xiàn)在應(yīng)用多個(gè)采集裝置實(shí)現(xiàn)大幅圖像的采集，但是每個(gè)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(gè)小型檢測元件組成的小型印刷電路板，應(yīng)用該創(chuàng)新采集方式，可以縮短檢測時(shí)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(jìn)行檢測時(shí)，如果采用1組采集裝置進(jìn)行6次檢測，還需要精密的移動(dòng)工作平臺與采集裝置配合才能實(shí)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(jìn)行3次檢測或者3組采集裝置進(jìn)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(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，所以運(yùn)行裝置的成本可以不予比較，兩種方式運(yùn)動(dòng)和檢測的總時(shí)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(jìn)行3次檢測的方式。

（2）采集裝置的放置方式。由物鏡的設(shè)計(jì)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(dāng)應(yīng)用2組采集裝置時(shí)，其放置方式有多種，如果采用并行豎直放置方式，結(jié)構(gòu)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(cè)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(jī)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(diǎn)，采用豎直放置和水平放置共用的方式，結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)圖所示。

（3）橫梁的設(shè)計(jì)。橫梁設(shè)計(jì)有三個(gè)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(shè)計(jì)的，該工藝孔的尺寸如果過小，就會(huì)遮擋全視場的光信號，如果過大就會(huì)使雜散光的光信號進(jìn)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(gè)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(gè)工藝孔的壁厚減少，而且可以保證個(gè)受力面的安全性，受力不斷裂， 在ANSYS軟件平臺上進(jìn)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(diǎn)對面1所受的扭矩進(jìn)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(yīng)變分析，其最大變形量為0. 01?m，對面1來說，當(dāng)受到平行面的壓力和扭矩作用時(shí)，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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雙光路多通道圖像采集機(jī)構(gòu)包括光學(xué)圖像采集裝置、反射棱鏡裝置、手動(dòng)調(diào)焦裝置、照明光源、橫梁、大立柱和法蘭，光學(xué)圖像采集裝置包括鏡頭、CCD和鏡頭夾緊螺母，手動(dòng)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(jī)構(gòu)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(dòng)調(diào)焦裝置的裝配是把兩個(gè)鏡頭固定架分別固定在升降座的側(cè)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(gè)小立柱分別插入升降座的內(nèi)孔，然后在兩個(gè)小立柱上方分別用兩個(gè)固定板夾緊螺母固定一個(gè)固定板。

光學(xué)圖像采集裝置是由兩個(gè)安裝有CCD的光學(xué)鏡頭連接PC機(jī)組成。

雙光路多通道圖像采集機(jī)構(gòu)的總裝配結(jié)構(gòu)為：光學(xué)圖像采集裝置分別安裝在手動(dòng)調(diào)焦裝置的鏡頭固定架上，兩個(gè)鏡頭的另一端分別裝夾在固定板的安裝孔中，手動(dòng)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(yīng)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(gè)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(jī)構(gòu)是采用手動(dòng)調(diào)焦裝置和反射棱鏡等現(xiàn)有零部件通過設(shè)計(jì)、分析處理，進(jìn)行技術(shù)融合再創(chuàng)新，而設(shè)計(jì)的一種新型結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)中的雙光路多通道是指雙鏡頭通過光路設(shè)計(jì)形成的并集視場，視場面積達(dá)到80mm×30mm，光學(xué)圖像采集裝置中的兩個(gè)CCD通過雙光路結(jié)構(gòu)，可以采集到整個(gè)并集視場范圍內(nèi)檢測元件的光信號，由自動(dòng)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(jìn)行圖像識別和圖像處理，雙鏡頭和雙CCD組成光學(xué)圖像采集裝置在采集圖像時(shí)，要求采集到圖像的視場、分辨率、清晰度和對應(yīng)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(jī)構(gòu)的大視場、雙光路、多通道結(jié)構(gòu)，達(dá)到以小攻大的效果，可以實(shí)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(shí)在線檢測，縮短了檢測時(shí)間。

3 光學(xué)系統(tǒng)成像光路的設(shè)計(jì)

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(gè)電阻芯片的實(shí)際尺寸為34mm×17.2mm，每行兩個(gè)橫放的芯片尺寸為68mm×17.2mm。

由于電阻芯片基板的本身特點(diǎn)，采用背光照明如果用頂光和測光直接進(jìn)行照明，電阻芯片中的邊線、電路連接細(xì)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(qiáng)光照明，而細(xì)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(qiáng)度比較大，要求光源的亮度不能太大，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用了背光照明方式，不僅使細(xì)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(dá)到檢測要求。

成像光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)反射棱鏡和兩個(gè)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(gè)攝錄物鏡，成像于CCD的耙面上。在成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵性的技術(shù)是大視場高分辨率攝錄物鏡的設(shè)計(jì)。

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