基于机器视觉的高密度针脚检测光源的设计

王雪娇 邹波

摘要：目前高密度針脚由于其针脚短、细、小，工业上使用视觉检测方式对针脚缺陷进行检测时主要的难点在于：如使用LED照明光源，由于光源发光角度大，搭配成像系统拍摄的图片的缺陷特征不明显；如使用聚光效果好的激光光源会有明显的散斑现象，都会使得后续图像处理很难提取有效的特征值，降低了针脚检测的效率。

关键词：机器视觉；光源；高密度针脚；缺陷；检测

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0155-01

为满足电子信息产业发展的需要，当今电子元件封装迅速向微型化、片式化、高密度、高性能方向发展[1]，其中对针脚的检测是进行正确封装的必要前提，目前主流的检测针脚缺陷的方式为机器视觉检测，其原理为通过检测光源把针脚打亮，搭配成像系统得到一张高质量的针脚的图像后进行分析。其中检测光源是机器视觉获取图像的基础，通过对光源的设计可以高效的提取分离出目标信息，极大地提高图像处理和识别的效率，提高系统的测量精度和可靠性；因此，光源的设计是决定系统成败的首要因素，直接影响着图像采集的质量[2]。

现有的高密度连接器中的单个针脚的截面积越来越小，为了满足针脚结构的强度要求，导致针脚根部与元件本体之间有较大面积的连接[3]。目前机器视觉针脚检测系统所使用的检测光源主要分为LED照明光源和激光光源2种。其中LED的照明光源发光角度较大，很容易将针脚根部照亮，当针脚的变形小于针脚根部的面积时，由于针脚根部的截面积比针脚变形的截面积更大，导致在后续图像中无法判断灰度值较高的区域是针脚变形区域还是针脚根部，因此无法准确判断针脚是否变形以及变形的程度[4]；另一种是发光角度较小的激光光源，但其有较严重的散斑现象，搭配成像系统拍摄出的图片会造成缺陷特征不明显的现象，拍出的图片可利用的价值不高[5]。

1 光源的组成

本论文设计的机器视觉光源分别由LED灯板、光阑、透镜、反光镜等组成。从LED发出的光经过光阑和设计的聚光镜，经反射镜反射后，穿过狭缝精准地照射在针脚上。其中透镜的为自主设计的准直类平行透镜。具体设计步骤如下

光源透镜的设计。所设计的透镜入光面、出光面的面型都选Y镯面，镯面面型为10阶多项式，公式如表达式1所示：

其中多项式的面型是通过设置优化变量，然后添加优化准直优化函数，多次优化后得到一个较为理想的基础面型结构。其中的优化变量为：光阑大小，光阑位置，光阑到透镜的相对距离，透镜镯面的曲面系数K，多项式中的各阶系数A4、A6、A8、A10。然后将优化后基础面型曲线导入到犀牛软件中进行手动微调面型并导入到软件中仿真，直至得到较理想的面型。最终得到的面型和仿真结果如图1所示，发光角度为2度。

同时在仿真软件中对整个光源模型进行优化设计，多次优化得到反光镜和光阑最佳的位置及角度。

2 光源的实测验证

搭配成像系统对设计的光源进行实物验证，建成一套针脚检测装置，实物如图3所示：成像系统使用的相机型号为：大华A5201MG50-230万像素，芯片2/3"，分辨率1920*1200，曝光时间3ms；镜头选用的焦距110mm，光圈1.1，视野大小94X59。工作距离为25mm，检测样品实物如图4所示，其中用椭圆圈出来的部位是针脚已经变形的区域。

该针脚检测装置采集到的图像如图5所示，可以看到图像中只把针脚打亮，打亮的点大小均匀，没有打亮根部明显变大的点。其中在图像中可以很明显的看出2个变形部位的针脚影像发生了位置的偏移，因此可以精准的判断出该位置针脚是否变形以及变形程度的大小。

3 结语

本论文设计的针脚检测光源实现了极细，高准直类平行的照明光束，可精准的打亮针脚，而没有发散的光打到针脚根部，克服了现有的技术难点，可精准的判断出针脚是否变形及变形的范围，搭配成像系统可拍摄出高质量的图像，大大提高了图像处理的精度。

参考文献

[1]邓海涛，吴 捷.基于机器视觉的芯片引脚缺陷检测研究[J].工业控制计算机，2017，30（3）：69-73.

[2]李凤娇，叶亚楠.我国机器视觉光源专利特点分析[J].电子测试，2017，5（7）：125-126.

[3]黄震，顾启民.高精度插件引脚机器视觉检测系统的研究与开发[J].机床与液压，2015，6（8）：139-142.

[4]戴知圣，潘 晴.基于机器视觉的贴片引脚焊接缺陷检测[J].广东工业大学学报，2016，33（3）：62-65.

[5]王伟华，李朋轩.基于机器视觉的表贴芯片缺陷检测系统研究[J].无线互联科技，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；