季 崢，岳 蕓，王兵鋒，王宏智

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

劃片機光學系統(tǒng)是劃切前對準的關鍵部件，其成像質(zhì)量高低直接影響劃切精度。隨著科學技術的發(fā)展，許多人工合成的復合型材料的光學成像愈發(fā)成為影響國產(chǎn)劃片機發(fā)展的阻礙。因此，提高視覺系統(tǒng)對于劃片機的發(fā)展具有重要意義。

在目前市場上的各種劃切加工物料中，對劃片機成像要求較高的為手機、數(shù)碼相機等所使用的電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge-coupled Device）。為能夠達到進口同類、同級別設備成像清晰度，滿足客戶需求，提高生產(chǎn)效率，通過合理的光路分析，適當調(diào)節(jié)光源，從而提高圖像質(zhì)量，為實現(xiàn)設備高自動化水平奠定硬件基礎。

1 檢測物結構及成像要求

CCD 為人工合成的復合型材料，其劃切道結構略圖如圖1所示。經(jīng)電子顯微鏡下觀察與測量，焊盤1 和2 均位于“V”型切割凹槽兩側，焊盤1與焊盤2 間間隔為8.9 μm，焊盤2 寬為8 μm，焊盤1 寬為8.3 μm。要求在圖像中必須能夠清晰地看到焊盤1（圖2中的白色直線）和焊盤2（圖2中的白色間斷直線），對成像質(zhì)量要求較高。

圖1 CCD 劃切道結構略圖

2 成像對比

在顯微鏡成像系統(tǒng)改進前，國產(chǎn)劃片機成像效果（此圖為效果最理想一張）如圖2所示。

圖2 改進前國產(chǎn)劃片機成像截圖

改進前，成像系統(tǒng)中選用60°白色LED 環(huán)形光（60°指光源傾斜與豎直面形成的夾角）、紅色同軸光、6 倍遠心顯微鏡（數(shù)值孔徑0.112，物距65 mm，放大倍數(shù)6 倍）。

進口設備成像如圖3所示。

圖3 國外進口設備成像截圖

進口設備配置大致為45°LED 白色環(huán)形光，紅色同軸光，7.5 倍顯微鏡（分辨率經(jīng)測量1.68 μm，物距約40 mm）。

通過兩者圖像對比，能夠清楚的發(fā)現(xiàn)兩圖像之間存在較大差距。在國產(chǎn)劃片機截取的圖像中，焊盤2 與焊盤1 模糊不可見且亮度不夠（光源已調(diào)至最大）。另，圖像清晰度與進口設備相差不多。

3 成像差距原因分析

切割道為“V”型凹槽，且所要觀察的標記物在“V”型槽的斜面上。因此，照明效果與環(huán)形光源的選擇有直接關系。影響環(huán)形光源照明的主要有兩個因素：光源顏色和光源角度。

3.1 光源顏色

當光源的波長和檢測物體的波長越相近時，光源越能增強物體圖像的對比度。不同的波長，對物質(zhì)的穿透力（穿透率）不同，波長越長，對物體的穿透力越強，波長越短，對物質(zhì)表面的擴散率愈大。

因此，在光源選擇時，根據(jù)不同顏色的光源選擇上依舊選擇白色環(huán)形光。LED 光源的光譜特性如圖4所示。

圖4 三種顏色光源光譜特性

白色光在可見光范圍內(nèi)，在約400～750 nm 范圍內(nèi)可以產(chǎn)生不同的發(fā)光強度，其性能遠比紅色、藍色要好。為了保證所使用的光源具有普適性，可采用大功率LED 白色環(huán)形光源以掩蓋在長波長段低發(fā)光強度上的不足。

3.2 光源角度

光源角度的確定需根據(jù)光源的光路原理圖來進行分析、計算、推導，從而得到環(huán)形光角度與光源在入射光孔上產(chǎn)生的半角、切割道傾斜角度的關系。環(huán)形光光路原理圖如圖5所示。

光源從環(huán)形光垂直于光源截面射出，經(jīng)切割道上的標記反射到顯微鏡，隨即成像。其中，AD為環(huán)形光源截面，BE 為切割道“V”型槽斜面，CF為遠心顯微鏡物鏡，∠u 為光源在入射光孔上產(chǎn)生的半角，∠u'為環(huán)形光源截面與豎直面的夾角。

圖5 環(huán)形光源光路原理圖

經(jīng)推導，可得∠u=∠u'。由此可知，光源角度與工件劃切道傾斜角度無關。若要通過遠心顯微鏡成像，光入射角度需滿足顯微鏡設計時所提出的光源在入射光孔上產(chǎn)生的半角∠u 的大小。

根據(jù)

式1 中：n 為折射率(n=0.27)，

u 為在入射光孔上產(chǎn)生的半角大小。

通過計算可得：u≈36°。因此，∠u'=36°。

目前，市場上標配產(chǎn)品多為30°。為節(jié)約成本，可使用30°環(huán)形光源進行替代。

4 總 結

綜上所述，選擇LED 白色30°環(huán)形光源使國產(chǎn)劃片機光學系統(tǒng)圖像質(zhì)量有所提升，具體成像如圖6所示。

圖6 環(huán)形光源改進后成像截圖

在客戶現(xiàn)場生產(chǎn)中，因圖像質(zhì)量的提高，劃切質(zhì)量和生產(chǎn)效率也隨之明顯提升，為國產(chǎn)劃片機自動化程度的提高及其發(fā)展奠定了良好的基礎。

[1]王富治.視覺檢測的幾個關鍵問題研究[D].成都：電子科技大學，2011.

[2]潘珍英.工業(yè)自動光學檢測中的照明系統(tǒng)設計[D].廈門：廈門大學，2007.

[3]李俊昌，陳仲裕，趙帥，鮑乃鏗，鐘寶璇.球面參考光數(shù)字全息圖的頻譜分析及應用[A].2005年中國光學學會全息與光學信息處理專業(yè)委員會年會暨建會20周年紀念會[C].2005.