双光路多通道图像采集机构的设计

王春

摘 要：随着AOI技术的发展，在印刷电路板行业不断涌现出新的研究成果，大都都是基于空间光通讯接收系统理论进行再创新的结果。本设计将对于厚膜油表电阻芯片基板进行双光路多通道图像采集机构的设计，将由6片电阻芯片以三行两列方式组成的厚膜油表电阻芯片基板，采用2组采集装置进行3次检测的方式。达到快速、准确的检测目的。

关键词：光学;双光路;多通道;图像采集

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

1 空间光通信接收理论

空间光通信接收系统由光天线、耦合系统、滤波器、光电接收器4大部分组成，如图1所示。光天线应尽可能多的接收包含了目标信号光在内的自由空间的微弱光辐射，然后靠耦合系统把光耦合到滤波器的接收端，滤掉“噪音”，保留目标光信号，被探测器探测到转换成电信号。很显然，只要光天线从自由空间接收到的光能辐射足够的多，光耦合系统插入损耗少，滤波效果又比较理想，则探测器就能接收到所需的信息。所以，光天线是整个接收系统的关键。

光天线相当是一个物镜系统，可通过折射、反射和折-反射光学系统实施之。折射式物镜系统具有较易校正像差、能获得较大视场、结构较简单、装调方便等优点。所以，在厚膜油表电阻芯片基板光电在线检测技术的研究中，应用该理论对光学图像采集系统的光通讯接收部分进行设计。

2 双光路多通道图像采集机构总体设计

随着AOI技术的发展，在印刷电路板行业不断涌现出新的研究成果，但是万变不离其宗，其光学图像采集技术的发展和应用，都是基于空间光通讯接收系统理论进行再创新的结果。近几年，以光学图像采集、机电控制和图像处理相结合的光机电一体化技术模式，已经成为在线检测技术的前沿，为大多数企业或者研究学者所采用。

在对AOI技术进行不断研究和创新的过程中，光学图像采集系统的最大创新体现在应用多个采集装置实现大幅图像的采集，但是每个采集装置仍是由图像传感器和物镜组成的简单光通信接收系统。而对于由多个小型检测元件组成的小型印刷电路板，应用该创新采集方式，可以缩短检测时间，提高检测速度。

厚膜油表电阻芯片基板是由6片电阻芯片以三行两列方式组成，每片的外观尺寸为34mm×17.2mm，所以每行两片的尺寸为68mm×17.2mm，按照这种采集方式，对电阻芯片基板采集装置的研究如下：

（1）采集装置的检测方式。对电阻芯片基板进行检测时，如果采用1组采集装置进行6次检测，还需要精密的移动工作平台与采集装置配合才能实现，不仅增加了成本，检测速度也比较慢。如果采用6组采集装置可1次完成检测，但是采集装置的成本也比较高，属于后选方案。针对电阻芯片基板的分布情况，还可采用2组采集装置进行3次检测或者3组采集装置进行2次检测的方式，由于这两种检测方式只需要基板在一个方向上运动，所以运行装置的成本可以不予比较，两种方式运动和检测的总时间相差不超过500ms，然而从成本方面考虑，选择采用2组采集装置进行3次检测的方式。

（2）采集装置的放置方式。由物镜的设计参数可知：最大外圆尺寸为φ53mm，视场为φ38.2mm，CCD的外观尺寸为50mm×50mm。當应用2组采集装置时，其放置方式有多种，如果采用并行竖直放置方式，结构比较简单，然而由于物镜外观尺寸的限制，不能采集到两幅完整的图像，如图2所示。

如果采用反射棱镜，两组采集装置水平放置在棱镜两侧的方式，可以解决采集视场的问题，但是该方式占用空间较大，需要两组反射棱镜，而且对安装固定装置的机械受力要求较高。如图3所示。综合以上两种放置方式的优点，采用竖直放置和水平放置共用的方式，结构相对简单，只需要一组反射棱镜，如图6双光路多通道图像采集机构图所示。

（3）横梁的设计。横梁设计有三个工艺孔，如图4所示，工艺孔1和工艺孔2的尺寸是在摄录物镜调节好位置后，根据成像光路设计的，该工艺孔的尺寸如果过小，就会遮挡全视场的光信号，如果过大就会使杂散光的光信号进入物镜视场，影响成像质量。工艺孔3是双光路光信号共同入射的区域，通过工艺孔1和反射棱镜，使2片电阻芯片的检测区域完全投射在双光路的全视场内。

由于横梁与调焦装置是通过横梁的两个工艺面固定连接的，调焦装置、物镜和CCD的重量均由横梁面上的螺纹孔承受，为了减少横梁的材料成本，尽量使各个工艺孔的壁厚减少，而且可以保证个受力面的安全性，受力不断裂， 在ANSYS软件平台上进行了受力分析如下：

横梁的材料为铝合金，密度为2.7g/cm3，泊松比为0.33，弹性模量为68.9GPa，物镜和CCD的重量之和为0.8kg，调焦装置的总重量为0.75kg。由于面2主要受平行面的压力作用，受扭矩很小，而面1不仅受到平行面的压力作用还受到垂直面向下的扭矩作用，所以重点对面1所受的扭矩进行变形分析。面1所受压力的力臂为0.089m，扭矩约为14N·m。如图5所示。

该图所示为横梁面1在扭矩作用下的应变分析，其最大变形量为0. 01?m，对面1来说，当受到平行面的压力和扭矩作用时，其变形量可以忽略，保证了其受力安全性。

（4）双光路多通道图像采集机构的结构设计。双光路多通道图像采集机构包括光学图像采集装置、反射棱镜装置、手动调焦装置、照明光源、横梁、大立柱和法兰，光学图像采集装置包括镜头、CCD和镜头夹紧螺母，手动调焦装置包括镜头固定架、升降座、调焦手轮、竖直升降座底座、水平升降座底座、小立柱、固定板夹紧螺母和固定板，反射棱镜装置包括棱镜座、反射棱镜和横梁盖板。双光路多通道图像采集机构如图6所示。

反射棱镜装置的装配是把反射棱镜放在棱镜座内，用调节螺钉夹紧，然后把棱镜座固定在横梁盖板上，用横梁盖板上的调节螺钉顶紧。

手动调焦装置的装配是把两个镜头固定架分别固定在升降座的侧面、竖直升降座底座、水平升降座底座分别固定在升降座的底面，两个小立柱分别插入升降座的内孔，然后在两个小立柱上方分别用两个固定板夹紧螺母固定一个固定板。

光学图像采集装置是由两个安装有CCD的光学镜头连接PC机组成。

双光路多通道图像采集机构的总装配结构为：光学图像采集装置分别安装在手动调焦装置的镜头固定架上，两个镜头的另一端分别装夹在固定板的安装孔中，手动调焦装置的竖直升降座底座和水平升降座底座分别相应的安装在横梁上，一组竖直安装，另一组水平安装，使镜头与横梁中的光路工艺孔连接，通过横梁盖板与横梁上端面的连接，以装配反射棱镜装置，两个大立柱的一端分别与横梁两端的工艺孔连接，另一端，连接法兰，照明光源放置在横梁底面以下的位置。

双光路多通道图像采集机构是采用手动调焦装置和反射棱镜等现有零部件通过设计、分析处理，进行技术融合再创新，而设计的一种新型结构。该机构中的双光路多通道是指双镜头通过光路设计形成的并集视场，视场面积达到80mm×30mm，光学图像采集装置中的两个CCD通过双光路结构，可以采集到整个并集视场范围内检测元件的光信号，由自动识别和图像处理软件系统，对该视场范围内的多幅图片进行图像识别和图像处理，双镜头和双CCD组成光学图像采集装置在采集图像时，要求采集到图像的视场、分辨率、清晰度和对应光路的光信号的位置，在一定误差范围内具有高度一致性。双光路采集图像对比效果如图7所示。

通过双光路多通道图像采集机构的大视场、双光路、多通道结构，达到以小攻大的效果，可以实现厚膜油表电阻芯片基板类的小型印刷电路板的多片同时在线检测，缩短了检测时间。

3 光学系统成像光路的设计

厚膜油表电阻芯片基板的厚度为0.8mm，外观尺寸为75mm×63mm，基板上面印刷有6片完全相同的厚膜油表电阻芯片，芯片之间用激光刻出滑槽，作为分离边线，每个电阻芯片的实际尺寸为34mm×17.2mm，每行两个横放的芯片尺寸为68mm×17.2mm。

由于电阻芯片基板的本身特点，采用背光照明如果用顶光和测光直接进行照明，电阻芯片中的边线、电路连接细线和焊锡的拍摄效果很难满足检测要求，边线的深度较小，不能用强光照明，而细线的拍摄则需要高亮的照明光源、高清晰度大分辨率的镜头和高像素的CCD，然而焊锡在光源照射下，反光强度比较大，要求光源的亮度不能太大，经过多次实验验证，采用了背光照明方式，不仅使细线和焊锡在同一光照度下清晰成像，而且边线的检测部分的图像也能达到检测要求。

成像光学系统由一个反射棱镜和两个摄录物镜组成，其中OA为物面，O′A′为像面（如图8所示），厚膜油表电阻芯片基板工作的光信号经反射棱镜和两个摄录物镜，成像于CCD的耙面上。在成像光学系统设计中，关键性的技术是大视场高分辨率摄录物镜的设计。

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