王瑞鹏，郝鹏飞,阴增光

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

随着机器视觉系统越来越成熟，其在工业领域的使用也越来越广。所谓机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉技术在检测精度方面具有极大优势，配置高性能的相机和镜头进行图像采集，利用一系列图像处理算法，在检测精度上可达到亚微米级别[1]。将机器视觉系统应用到光器件的封装过程中，可以大大提高产品精度和自动化程度。

随着光通讯行业迅猛发展，用于高速传输信号的TO光器件产品的要求也越来越高。TO光器件的工艺流程主要有管壳原材料、PD贴片、LD贴片、金丝键合、封帽，其中封帽是工艺流程的最后一道工序，也是生产线上的核心工序，其封装质量直接影响产品的性能和可靠性[2]。目前，封帽机广泛采用机械气夹来确保管座与管帽的同轴度，但这种定位方式易受气夹的加工精度、安装方式等诸多工艺因素的影响和制约，产品的同轴精度提升受到一定的限制。所以本文就是把视觉对位系统应用于封帽机提高产品的同轴度。

1 封帽机工艺介绍

封帽机是主要用于TO管帽与TO管座封装的自动化设备。LD芯片(Laser Diode激光二极管，电转换光的器件，发射激光信号)共晶焊接在TO管座的热沉上，如图1。TO光器件作为光传输的重要载体，用来发射和接收光信号，同轴度差会影响光器件的耦合效率，进而影响产品光电转换效率，所以行业内对TO光器件的同轴度要求越来越高。目前设备主要应用传统的机械对位来保证管帽边缘与管座边缘的同轴度，对于LD贴片造成的偏差无法纠正。应用视觉对位系统，则会根据产品精度的最终检测要求自动对每个产品的管帽透镜中心与管座LD芯片的发光点进行对位、补偿，这样可纠正LD贴片造成的偏差，使得产品的性能得到进一步提高。

图1 TO光器件

2 视觉对位系统的整体设计

视觉对位系统运用高分辨率相机对管帽透镜中心与管座LD芯片的发光点的图像进行采集，基于图像处理获取管帽透镜中心与管座LD芯片的发光点的位置，然后把分析计算的偏差数据结果发送给控制系统PLC，由PLC控制驱动平台对LD芯片进行X、Y方向上的位置补偿，完成高精度对位。视觉对位系统硬件框架如图2所示。

图2 视觉对位硬件框架图

视觉对位系统主要分为硬件选型与软件设计两个部分。

2.1 硬件选型

视觉对位系统硬件主要包括工业相机、工业镜头、光源、视觉控制器和驱动平台。

工业相机：工业相机是视觉对位系统获取图像信息的主要器件，其作用是通过光学系统聚焦于成像平面的光线生成图像，相机的质量直接影响了采集图像的质量[3]。所要观察的管帽透镜中心直径大小为0.1 mm。整个LD芯片尺寸为0.2 mm×0.1 mm，其中芯片的发光点只有10μm。由于芯片的发光点太小，为了尽可能地提高精度，降低图形的畸变度，我们选择了500万像素相机，分辨率为2448×2044，像元尺寸为3.45μm。

工业镜头：在视觉系统中，镜头通过收集目标物体反射光束，使目标物体聚焦在相机传感器上，并将其倒立的成像投影至相机上。通常根据目标物体的大小，相机分辨率，相机成像面大小，系统选择相应的倍数、焦距、分辨率的镜头。由于管帽透镜成像尺寸0.1 mm，LD芯片成像尺寸为0.2 mm×0.1 mm，所以选择高倍率远心镜头，参数如下：10倍光学倍率，55.2 mm工作距离，显微镜级的分辨率。最后，成像视野为0.8 mm×0.7 mm，理论分辨率可以达到0.345μm，满足视觉对位精度1μm的要求。

光源：光源也是影响视觉对位系统采集图像质量的重要因素。适当的光源照明设计，可以放大目标物体的特征以及削弱背景和降低噪声的影响，提高系统的定位和测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。根据光器件的特殊性和具体工况，我们选择了白色的点光源，便于安装。

视觉控制器：在工业视觉中，视觉控制器可以说是“大脑”。它主要是把采集来的图像进行处理，包括图像增强、特征抽取、图像识别与理解、数据编码和传输等。经过这些处理后，输出的图像质量得到很大的改善，既改善了图像的视觉效果，也便于对图像进行进一步的分析处理，把结果快速、准确地传输给设备的控制器。针对封帽机的高精度和高效率，选择了四核、i7处理器、以太网通讯接口、数据传输速度可达到百兆级别的视觉控制器，满足设备的需求。

驱动平台：根据设备的精度要求和效率，作为视觉对位系统的最后一环，也是最重要的一个步骤，选择高精度的XY驱动平台电机。对位系统把偏差数据传递给PLC，由PLC把数据下发到电机驱动上进行定位补偿。这里我们选择的电机定位精度达到1μm，重复定位精度达到0.5μm，在控制驱动中，平台运动脉冲当量设置为0.1μm，尽可能地减少因机械结构等因素而造成产品精度差的影响。

2.2 软件设计

对于全自动封帽机设备，视觉对位系统软件功能主要包含三个方面：管帽透镜光斑圆心的提取，LD芯片发光点的提取，两者位置偏差的计算。

管帽透镜光斑圆心提取：由于点光源在管帽透镜顶点位置留下圆形的光斑，如图3所示，常用的圆心提取方法有斑点重心和圆形扫描边缘拟合。在实际情况中，由于管帽与相机的垂直度在设备运行中会有一定的偏差，导致成像外形发生变化，相比斑点重心方式，运用圆形扫描边缘拟合方式获取的圆心坐标更加准确，所以运用该方法来确定管帽透镜中心图像的像素坐标位置。

图3 管帽透镜光斑

图4 LD芯片发光点提取

LD芯片发光点的提取：LD芯片在相机中成像如图4所示，通过模板匹配方法找到发光点的大致位置，然后找到方形的边线，拟合出三条直线，得到两个交点，两交点连线取中点则定为发光点的中心位置，得到LD芯片发光点图像的像素坐标位置。

相机标定：相机标定采用了16点标定法，标定时运动平台带动mark点测试出mark点在视野内的三个极限物理坐标并输入到相应的编辑框内，自动形成4×4的阵列，平台会带动mark点依次运动到这16个位置，记录下物理坐标和像素坐标，运用最小二乘法拟合出像素与物理尺寸的关系。

两者偏差的计算：基于管帽透镜光斑圆心和LD芯片发光点的两个像素坐标值，计算出两者X、Y的像素偏差值。再根据标定计算出两者实际的物理偏差值，然后视觉系统把偏差值传输给PLC，最后驱动平台电机进行精确补偿，完成高精度对位。

3 实验结果分析

为了验证结果，取同一批次的物料，分别运用机械气夹对位和视觉对位系统各自自动封焊了200只产品，随机抽检其中50只，进行产品同轴精度检测。图5所示为机械气夹对位得到的同轴度值，图6所示为视觉对位得到的同轴度值。

通过数据分析可知，机械对位封焊的产品同轴度稳定在±25μm以内，视觉对位系统封焊的产品同轴度稳定在±10μm以内，同轴度得到明显提升。

图5 机械对位

图6 视觉对位

4 结论

目前设备已发往客户现场投入正常生产使用，全天24 h工作，产品的良品率达到99.7%，获得客户的高度认可！视觉对位系统被誉为“机器的眼睛”，相信在未来，它将在工业生产中扮演更加重要的角色。