CN107643289A - 一种透明材料微小器件键合质量检测系统 - Google Patents

Abstract

针对材料和结构均特殊的透明材料微小器件的键合质量检测，发明了一种透明材料微小器件键合质量检测系统，分析了检测系统硬件中主要部件的性能要求，研究了该检测系统的图像处理技术。检测系统利用光源、相机、镜头和计算机等主要部件实现图像采集功能，并通过图像相减、灰度直方图调整、图像滤波和图像二值化等图像处理功能来完成质量检测。实验结果表明，提出的可见光透射机器视觉检测法能灵敏有效地检测出透明材料微小器件键合位置处存在的键合间隙和缺陷大小，检测精度可达10μm，满足透明材料微小器件键合质量的要求，是一种高效、非接触、无损、无污染的检测方法。

Description

一种透明材料微小器件键合质量检测系统

所属技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其涉及一种透明材料微小器件键合质量检测系统。

背景技术

随着科技的发展，仪器设备和元器件产品均有微型化的趋势，许多微小器件需通过键合技术成为一个整体，良好的键合质量是微小器件有效性和可靠性的保障。透明材料微小器件是一类具有材料特殊性的产品。常用的键合质量检测方法中，超声检测和红外热波检测法虽然能够进行透明材料的检测，但检测精度较低，一般只能检测几十个微米以上的键合间隙；X射线检测法检测精度高，但设备昂贵，检测系统设计复杂；数字全息检测由于光路调整等困难不能有效实现检测系统仪器化设计。

利用透明材料对可见光的透射性能，结合机器视觉技术来进行透明材料微小器件键合质量的检测。可见光透射机器视觉检测是一种以几何光学为应用基础，结合光电子学、计算机图像学、图像处理、计算机视觉等技术的现代检测技术。它以通过图像采集系统获取的被测对象的图像作为检测源信息，经有效的图像处理技术处理后得到检测结果信息。该方法的应用基础主要针对基于聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA(poly(1actic—CO—glycolicacid))材料的植入式多腔体给药系统封装密封性的检测。植入式可降解缓释控释给药系统是一种新型的缓释控释给药系统，以可降解材料PLGA作为药物的载体，直接植人人体病患处，实现靶向释药，具有较好的应用前景和广泛的应用范围，键合的封装密封性是保证其优势药效的基础。

发明内容

本发明的目的是针对材料和结构均特殊的透明材料微小器件的键合质量检测，设计了一种透明材料微小器件键合质量检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

透明材料微小器件键合质量检测系统由光源、相机、镜头、计算机、支架等部分组成。

所述的光源采用LED背光源。

所述的相机采用了成本较高但成像质量较好的CCD相机，CCD相机的主要特性参数有分辨率、芯片尺寸、像元大小、信噪比等。分辨率是影响检测精度的主要参数，在成本允许的情况下分辨率越高越好；在相机分辨率较高的情况下，不应选择尺寸过小的CCD芯片，像素的尺寸过小，则芯片像素的集成过高使成像不准确；信噪比越高，获得图像的质量就越好。

所述的镜头类型和参数主要综合考虑视觉检测系统中检测的视场(被测场景大小)、物距(工作距离)、选用的相机参数等因素进行选择。

所述的系统的图像处理技术主要包括图像采集、图像相减、图像增强、滤波处理、图像二值化。

所述的图像相减是对2幅图像对应像素点的灰度值运用相减算法，本检测系统中是对不同景物在不同时间拍摄的图像进行相减。

所述的灰度图像二值化分割方法是基于灰度图像中不同特征区域像素点存在灰度差，用一个(或几个)阈值将图像分为几个不同部分来表示图像不同的特征区域，从而进行图像的分割，是一种常用且简单有效的图像分割方法。

所述的图像降噪采用空域方法，具有算法简单，计算量小，处理速度快等优点，能够很好地满足检测系统要求。不同的检测系统图像噪声的主要类型不同，具体操作时可根据主要噪声类型选用不同的降噪方法。

本发明的有益效果是：

透明材料微小器件键合质量检测系统能够有效地完成透明材料微小器件的检测需求，灵敏地检测键合间隙的存在，检测缺陷大小精度约为10 gm。基本满足键合质量的检测需求，是一种高效、无损、无污染的检测技术。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是可见光透射机器视觉检测系统。

图2是图像处理技术路线。

其中，1-光源，2-被测件，3-镜头，4-相机，5-支架，6-计算机。

具体实施方式

如图1所示，透明材料微小器件键合质量检测系统由光源、相机、镜头、计算机、支架等部分组成。检测过程中，光源1提供垂直入射被测件2的相对均匀光，通过镜头3成像后由相机4拍摄携带光强信息的试件图像，然后传输到计算机6上进行相应的图像处理后得出检测结果。图像采集设备的关键部件主要是光源、相机和镜头，这3个部件的性能直接影响拍摄图像的质量和检测精度。

可见光透射机器视觉检测设备对光源的主要性能要求有两方面，一是良好的光强均匀性，二是合适的发光类型和较窄波段范围。光源均匀性要求是指相对均匀性，即同一幅背景图像中所有像素点的光强值集中在一个较小范围内。影响光源发光类型、波段范围选择的因素主要有相机的光谱响应特性和被测材料的光学性能。要求光源发光波段在相机光谱响应波段范围内，且响应率越高越好，光源发光波段对应于相机光谱响应的相对一致性较高。波段范围要选光源对被测材料透射性好，吸收率低，反射率较高，被测材料反射率、透射率、吸收率变化相对平稳、一致性较高的一个较窄的波段。另外检测系统对光源的基本性能要求还包括光强强度适中、亮度可调、光源稳定性好、功率小、发光热量小、能耗小、反应快、寿命长等。LED光源基本满足可见光透射机器视觉检测系统的性能要求，其中LED背光源正满足本文研究中发射垂直入射光进行透射的要求。所以本检测系统采用了LED背光源。

目前机器视觉系统中使用的相机主要有两种：CCD相机和CMOS相机，CCD相机分辨率好、灵敏度高、噪音小、信噪比大，但生产工艺复杂、成本高、功耗高。本检测系统对相机分辨率、灵敏度等影响成像质量的主要性能要求较高，所以采用了成本较高但成像质量较好的CCD相机。CCD相机的主要特性参数有分辨率、芯片尺寸、像元大小、信噪比等。分辨率是影响检测精度的主要参数，在成本允许的情况下分辨率越高越好；在相机分辨率较高的情况下，不应选择尺寸过小的CCD芯片，像素的尺寸过小，则芯片像素的集成过高使成像不准确；信噪比越高，获得图像的质量就越好。

镜头类型和参数主要综合考虑视觉检测系统中检测的视场(被测场景大小)、物距(工作距离)、选用的相机参数等因素进行选择。当相机、物距、视场等因素确定后，选择镜头时要考虑的主要性能参数有：镜头成像面尺寸、焦距、镜头分辨率等。选择镜头成像面尺寸要大于或等于所选用相机的芯片尺寸；焦距决定机器视觉系统视场的大小；镜头分辨率要配合相机的分辨率以满足相机的分辨率要求。

如图2所示，在进行图像采集时，分别采集1幅未放置试件时的背景光强图j和1幅放置试件的被测试件图像J，对采集图像首先进行图像相减处理，用背景光强图J减去试件图．，得到结果图像K，后续处理中将相减的结果图像K作为源图像进行处理；对图像K进行图像灰度直方图调整处理，经过图像滤波处理减弱图像噪声的影响，最后进行图像二值化，从得到的结果判断被测试件的键合封装质量。

图像相减是对2幅图像对应像素点的灰度值运用相减算法，本检测系统中是对不同景物在不同时间拍摄的图像进行相减。理想的光源光强均匀性是不可能实现的，而且检测中由于环境光等的影响，也不可能保证检测环境下提供绝对均匀一致的光强。为解决检测中无法避免的光源光强不均现象，提出图像相减的图像处理技术。图像相减的理论模型为：K(x，y)=I(x，y)-J(z，y)，式中：K(z，Y)为相减结果图像像素点灰度值，J(z，y)为背景图像像素点灰度值，J(z，y)为试件图像像素点灰度值。

灰度直方图是对一幅灰度图像中所有像素点不同灰度值的像素点数的统计直方图。当用灰度值的像素点数为纵坐标时，灰度直方图的表达式为：H(k)=nk，常用的直方图均衡和直方图规定化图像灰度直方图调整方法都侧重于对图像视觉效果的调整，会改变各像素点灰度值间的相互关系和图像本身细节信息，不适用于本检测系统。本检测系统灰度直方图调整过程中要求不能改变各像素点之间的相对关系。对本系统中相减图像的分析可知，图像最小灰度值为0，图像具有与255像差较大的最大灰度值，设相减图像最大灰度值为Lm1，由于相减后的图像存在具有最大灰度值的像素点数较少，而这样的像素点对键合区域并无影响，所以在取最大灰度值时以超过一定像素点数的较大灰度值作为有效最大灰度值进行计算，选取一个有效最大灰度值Lm1。则：T=255／Lm1，式中：T为图像整体灰度放大倍率，Lm1为图像有效最大灰度值。

图像噪声是影响图像质量的主要因素，主要由外部噪声和内部噪声组成，如系统中CCD相机相应不均引起的噪声等。图像降噪的方法主要有空间域法和频率域法两大类。常用的空间域降噪法有均值滤波和中值滤波。常用的频域滤波法为低通滤波法。频率域法要进行时域和频域的转换，计算复杂。相比之下，空域方法具有算法简单，计算量小，处理速度快等优点，能够很好地满足检测系统要求。不同的检测系统图像噪声的主要类型不同，具体操作时可根据主要噪声类型选用不同的降噪方法。

灰度图像二值化分割方法是基于灰度图像中不同特征区域像素点存在灰度差，用一个(或几个)阈值将图像分为几个不同部分来表示图像不同的特征区域，从而进行图像的分割，是一种常用且简单有效的图像分割方法。

Claims (8)

1.一种透明材料微小器件键合质量检测系统,由光源、相机、镜头、计算机、支架等部分组成。

2.根据权利要求1所述的透明材料微小器件键合质量检测系统，其特征是所述的光源采用LED背光源。

3.根据权利要求1所述的透明材料微小器件键合质量检测系统，其特征是所述的相机采用了成本较高但成像质量较好的CCD相机，CCD相机的主要特性参数有分辨率、芯片尺寸、像元大小、信噪比等；分辨率是影响检测精度的主要参数，在成本允许的情况下分辨率越高越好；在相机分辨率较高的情况下，不应选择尺寸过小的CCD芯片，像素的尺寸过小，则芯片像素的集成过高使成像不准确；信噪比越高，获得图像的质量就越好。

4.根据权利要求1所述的透明材料微小器件键合质量检测系统，其特征是所述的镜头类型和参数主要综合考虑视觉检测系统中检测的视场(被测场景大小)、物距(工作距离)、选用的相机参数等因素进行选择。

5.根据权利要求1所述的透明材料微小器件键合质量检测系统，其特征是所述的系统的图像处理技术主要包括图像采集、图像相减、图像增强、滤波处理、图像二值化。

6.根据权利要求1所述的透明材料微小器件键合质量检测系统，其特征是所述的图像相减是对2幅图像对应像素点的灰度值运用相减算法，本检测系统中是对不同景物在不同时间拍摄的图像进行相减。

7.根据权利要求1所述的透明材料微小器件键合质量检测系统，其特征是所述的灰度图像二值化分割方法是基于灰度图像中不同特征区域像素点存在灰度差，用一个(或几个)阈值将图像分为几个不同部分来表示图像不同的特征区域，从而进行图像的分割，是一种常用且简单有效的图像分割方法。

8.根据权利要求1所述的透明材料微小器件键合质量检测系统，其特征是所述的图像降噪采用空域方法，具有算法简单，计算量小，处理速度快等优点，能够很好地满足检测系统要求；不同的检测系统图像噪声的主要类型不同，具体操作时可根据主要噪声类型选用不同的降噪方法。