王增琴，閆 瑛，董永謙，李 興

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

印刷檢測儀是低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-Fired Ceramics，LTCC)多層基板制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要實現(xiàn)單片生瓷片印刷質(zhì)量的檢測，將缺陷圖形進行分類，同時起到對印刷機穩(wěn)定性的監(jiān)測作用。機器視覺系統(tǒng)是印刷檢測儀的核心部件，用來完成圖像采集、模板匹配、缺陷識別，其中圖像采集是模板匹配和缺陷識別的基礎(chǔ)。如果采集的圖像無法真實、豐富地表現(xiàn)印刷圖形的細節(jié)，那么對它的檢測和識別就無法得到正確的結(jié)果。在對剛印刷完的生瓷片檢測時發(fā)現(xiàn)，圖像中的圖形下邊緣出現(xiàn)白色條紋,造成背景和目標的混淆，嚴重影響印刷檢測結(jié)果。本文重點探究白色條紋出現(xiàn)的原因及解決辦法。

1 機器視覺系統(tǒng)簡介

印刷檢測儀主要由機架、上下料機構(gòu)、Y平臺、機器視覺系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和氣路控制系統(tǒng)等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機器視覺系統(tǒng)是印刷檢測儀的核心部件，要求高精度、高可靠性運行，圖2是其結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)的工作過程[1]如下：機械手將被檢測生瓷片運輸?shù)綑z測工位Y平臺，Y平臺按要求的掃描速度開始運動，掃描系統(tǒng)通過接口電路向視覺檢測系統(tǒng)發(fā)出準備就緒信號，生瓷片圖像由相機獲取后，送入圖像采集卡，之后傳送并存儲到工控機，然后對圖像進行處理，運用缺陷特征檢測算法，實現(xiàn)最終的印刷圖形缺陷檢測。

圖1 印刷檢測儀整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 機器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 問題描述

在實驗中，采用銀漿印刷，把剛印刷好的生瓷片放置于Y平臺上進行檢測，檢測結(jié)果顯示生瓷片圖像上大多數(shù)圖形下邊緣都存在缺陷，缺陷種類均為針孔，如圖3(a1)所示。采用其它漿料，同樣把剛印刷好的生瓷片放置于Y平臺進行檢測，檢測結(jié)果顯示大多數(shù)圖形的下邊緣都存在針孔缺陷。采用不同的漿料，印刷后均放置幾分鐘，檢測結(jié)果顯示生瓷片圖像上有的圖形下邊緣存在針孔缺陷，有的不存在。放大查看原始圖像發(fā)現(xiàn)，針孔缺陷處的原始圖像存在白色條紋，如圖3(b1)所示；無針孔缺陷的原始圖像是漿料本身的顏色，如圖3(a2)、(b2)所示。由此可知，眾多的針孔缺陷產(chǎn)生于原始圖像的白色條紋。

圖3 檢測結(jié)果與原始圖像對比圖

3 原因分析

圖像中圖形下邊緣出現(xiàn)白色條紋源于圖像采集過程，一般產(chǎn)生于雜質(zhì)、陽光、燈光、單光源、反光、拖影[2]等，如圖4所示，運用魚骨圖分析圖形存在白色條紋原因。

圖4 圖形存在白色條紋原因魚骨圖

對圖像中圖形下邊緣出現(xiàn)白色條紋的魚骨圖所列原因逐一進行排查：

1) 雜質(zhì):以銀漿為例，對圖像中圖形下邊緣存在白色條紋的生瓷片，查看生瓷片表面是否有碎屑等雜質(zhì)，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 雜質(zhì)檢查結(jié)果圖

由圖5可知，白色條紋對應(yīng)生瓷片上每個位置均無任何雜質(zhì)?？傻?，雜質(zhì)不是產(chǎn)生白色條紋的原因。

2) 陽光：當采集到圖形下邊緣存在白色條紋的圖像時，拉下窗簾避免陽光進入室內(nèi)，再次采集進行圖像效果比較，效果對比如圖6所示。

圖6 有無陽光圖像效果對比圖

由圖6可知，遮擋陽光前后，圖像沒有明顯區(qū)別，均存在相似的白色條紋?？傻?，陽光不是產(chǎn)生白色條紋的原因。

3) 燈光：在無陽光進入的室內(nèi)，當采集到圖形下邊緣存在白色條紋的圖像時，設(shè)備燈光和廠房燈光在打開和關(guān)閉的情況下，進行圖像效果對比，如圖7所示。

圖7 有無燈光圖像效果對比圖

由圖7可知，有無燈光，圖像沒有明顯區(qū)別，均存在相似的白色條紋?？傻?，燈光不是產(chǎn)生白色條紋的原因。

4)單光源：目前，光源安裝在相機的前面，如圖8示意圖中的實線光源。將相機的后面再安裝個光源進行檢測，如圖8示意圖中的虛線光源。圖像效果對比如圖9所示。

圖8 光源安裝示意圖

圖9 單雙光源圖像對比圖

由圖9可知，光源個數(shù)由單變雙后，圖形由僅下邊緣存在白色條紋變?yōu)樯舷逻吘壎即嬖诎咨珬l紋，沒有減少反而增加了條紋?？傻?，單光源不是產(chǎn)生白色條紋的原因。

5) 反光

a)漿料過濕以及直射光線光源:剛印刷完的生瓷片進行圖像采集，可以得到一幅圖形下邊緣存在白色條紋的圖像。將此生瓷片放置0 min、5 min、10 min、15 min，分別進行圖像采集，圖像效果如圖10所示。

圖10 放置不同時間圖像效果圖

由圖10可知，隨著生瓷片放置時間的增長，圖像中白色條紋越來越少，放置15 min后圖像沒有白色條紋，在此過程中唯一發(fā)生變化的是印刷的圖形表面越來越干。由此可知，印刷后的圖形漿料過濕，而采用的光源是線性直射光源，直射光照在過濕的平面上形成反射造成反光，產(chǎn)生白色條紋。

b) 光源亮度過高：當采集到圖形下邊緣存在白色條紋的圖像時，將光源亮度降低，再次采集圖像，得到的實驗效果如圖11所示。

圖11 亮度變化圖像效果對比圖

由圖11可知，亮度降低后，圖像的整體亮度降低，但白色條紋仍然存在,只是隨光源亮度的降低而變暗而已。由此可知，光源亮度過高不是產(chǎn)生白色條紋的原因。

6) 拖影：拖影是由于曝光時間和運動速度不匹配造成的。已知相機的分辨率是7 μm,平臺的運動速度是25 mm/s,通過公式1可得移動一個像素長度用時為280 μs。相機設(shè)置的曝光時間為90 μs,小于280 μs?？傻茫嫌安皇钱a(chǎn)生白色條紋的原因。

(1)

由上述實驗可知，圖像中圖形下邊緣產(chǎn)生白色條紋的原因是：剛印刷完的生瓷片上，圖形的漿料是過濕，而線性直射光源照在濕表面形成反射造成反光，因而圖形邊緣出現(xiàn)亮色條紋。

4 改進措施

4.1 改變圖形表面干燥度

改變圖形表面干燥度的方法有三種。

第一種是自然晾干，即不采取任何手段讓生瓷片上圖形在環(huán)境中自己變干，這種方法特點是耗時。對于自動化生產(chǎn)線來說，影響節(jié)拍，制約效率，因此對于自動化生產(chǎn)線來說，該方法不可行；對于非生產(chǎn)線單臺設(shè)備時間要求不高的使用，該方法可行。

第二種方法是烘干爐烘干，即印刷完的生瓷片先進入烘干爐進行烘干，再進行印刷檢測。這種方法的優(yōu)點是省時。在生產(chǎn)線上其存在缺點，即無法及時發(fā)現(xiàn)印刷問題，因為在生產(chǎn)線上，進入烘干爐的生瓷片烘干后不會立馬出來，而是哪片需要疊片才會出來，這樣等檢測發(fā)現(xiàn)問題時，同樣批次的生瓷片可能已經(jīng)印刷完畢。所以在生產(chǎn)線上，這種方法也不可行。在非生產(chǎn)線上，單個生瓷片進行烘干，且烘干后會直接出來，不會造成問題延時發(fā)現(xiàn)，該方法可行。

第三種方法是生產(chǎn)線上的印刷機和印刷檢測設(shè)備之間加烘箱。這種方法折中前面兩種方法，既加快生瓷片表面干燥時間，又可及時發(fā)現(xiàn)印刷問題，其缺點是簡易烘干箱容易使生瓷片變形，該方法不可行。

4.2 更換為拱形光源

目前所采用的線性光源是直射光，當直射光照在反光面(濕漿料、白墻面、鏡子)形成反射，造成反光。而拱形光源是漫反射光，可均勻地反射到物體表面，得到均勻的圖像，有效避免反光，其打光示意圖如圖12所示。更換為拱形光源采集圖像，不管任何漿料，放置多長時間的生瓷片圖形下邊緣均沒有發(fā)現(xiàn)白色條紋。漫反射光源有效解決了反光問題。

圖12 漫反射光源打光示意圖

5 效果檢驗

將更換光源前后的采集圖像進行對比，所得圖像如圖13所示。

圖13 更換光源前后圖像效果對比圖

由圖13可知，濕的印刷圖形，采用線性光源的圖像存在白色反光條紋，而采用拱形光源的圖像無白色反光條紋。

由此可知，對于濕印刷圖形進行圖像采集，拱形光源可有效避免反光。因此，印刷檢測儀將直射光的線性光源更換為漫射光的拱形光源。

6 結(jié)束語

經(jīng)過數(shù)字化車間1個月的使用，檢測近2 000片，更換光源后的采集圖像沒有再出現(xiàn)白色條紋現(xiàn)象，有效解決了反光問題，提升了圖像質(zhì)量，提高了圖像檢測結(jié)果正確性，滿足了生產(chǎn)要求。

[1] 熊文峰.基于數(shù)字圖像處理的印刷缺陷檢測[D].武漢：華中科技大學，2007.

[2] 林俊.基于高分辨率PCB圖像的缺陷檢測技術(shù)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2007.