基于光栅的贴片机对准系统的精度标定

　　1　引　言

　　高精度自动贴片机是一种典型的集机、光、电、液、气等为一体的高科技产品,在MCM、MEMS、MOEMS以及三维封装等精度要求高、工艺复杂的场合有着广泛的应用。自动对准系统是自动贴片机的关键部件之一,精度要求很高,一般达到微米甚至亚微米级,因此通常采用机器视觉的方法进行对准。为确定相机在参考坐标系中的空间位置和取向,以及光学系统本身的参数,必须首先对系统进行标定。国内外学者提出了一些标定技术,如长方形、四边形标定法[1-2],弹性的相机标定技术[3],灭影线标定技术[4],以及用最小二乘回归方法进行相机标定[5]等,但这些方法在确定相机坐标系、世界坐标系和图像坐标系之间的关系时往往需要大量的矩阵计算和分析[6]。为了提高对准系统标定精度,减少计算量,本文提出了基于光栅的成像精度标定方法,该方法不需要计算相机的内外参数即可实现光学系统的精度标定。

　　2　贴片机自动对准系统的结构与工作原理

　　自动对准系统由光源、光学成像系统、摄像器件、图像采集卡、计算机及图像处理软件、运动及控制单元等组成,其结构示意图如图1所示[7]。其中,贴装头可在Z方向上下运动,主工作台可在X、Y方向移动并可绕Z轴转动,对准系统工作台在X、Y、Z方向移动。

　　自动贴片机基于机器视觉原理,通过对获取的芯片和基底图像进行图像滤波、边缘提取、点模式匹配等方式确定芯片与基底特征标记中心坐标的像素差,再根据实际几何尺寸与图像像素之间的映射系数,即标定关系换算出芯片和基底的位置偏差X、Y,并将结果输入到主控计算机,控制工作台和贴装头的运动和贴装,实现芯片和基底的高精度自动对准,其工作流程如图2所示。因此,对准系统的精度标定对贴片精度有着重要影响。

　　3　贴片机自动对准系统精度的标定

　　3.1　标定方法与步骤

　　基于光栅的标定方法与步骤如下:

　　(1)根据图像熵判断图像清晰度的方法,在保持照明系统、像距、焦距等不变的情况下,利用光学系统采集最清晰的光栅刻线图像。

　　(2)设整幅图像像素为M×N,以图像左上角为原点建立坐标系,设图像中某一点的像素坐标为(i,j),Gij为(i,j)点的灰度值,令:

　　Ij表示第j列所有M个像素点的灰度值之和,绘制j-Ij曲线。

　　(3)绘制光栅刻线图像灰度值的李萨如图。令:

　　设光栅尺的一个刻线间距在图像中所占的像素数为k,可以认为Xj、Yj是两个以像素数k为周期变化的信号源,以Xj-Yj为坐标系,利用式(1)绘制光栅刻线图像灰度值的李萨如图。