透明材料微小器件键合质量检测系统设计

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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-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-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，-般只能检测几十个微米以上的键合间隙口 ；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 j。本文提出的可见光透射检测技术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∩见光透射机器视觉检测是-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-种新型的缓释控释给药系统，以可降解材料 PI GA作为药物的载体，直接植入人体布处，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 ]。

实验证明可见光透射机器视觉检测技术满足 PL-GA材料植 入式给药 系统 的封装 密封性检 测要求 ，在保证测量要求的同时 ，满足高效 、无损 、无污染 的检测要求 ，还具有非接触、适应 能力强、操作简单和成本低等优点 。

2 可见光透射原理及 系统构成2.1 可见光透射光学检测原理可见光透射机器视觉检测法是基于几何光学中光的反射透射传播定律 提出的。在相同强度的光垂直入射透明材料键合面时，键合面处存在键合间隙和理想键合两种情况，光在其他位置的反射透射光强情况相同，只是存在键合间隙的键合面比理想键合面多了 2次反射，由此引起理想键合面的透射光强比存在间隙的键合面的透射光强高。因此通过对键合面透射光强的采集和处理能够将键合间隙从完整键合中检测出来。

2.2 可见光透射机器视觉检测系统硬件构成可见光透射机器视觉检测系统如图 1所 示，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。

图 1 可见光透射机器视觉检测系统Fig.1 Visible light transmittance machinevision detection system(1)光源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，-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-幅背景图像中所有像素点的光强值集 中在-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-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、-致性较高的-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、功率孝发光热量孝能耗孝反应快、寿命长等 。

第1期 王小鹏，等：透明材料微小器件键合质量检测系统设计 71LED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 。

(2)相机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、噪音孝信噪比大，但生产工艺复杂、成本高、功耗高9]。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、像元大孝信噪比等。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 ]。

(3)镜头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(被测嘲大小)、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l1。；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。

3 图像处理关键技术3.1 图像处理技术路线图像处理技术方案如 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2 图像处理技术路线Fig.2 Technique line of image processing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 I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。

3.2 图像相减图像相减是对 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-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， )- I(x， )～J( ， )， (1)式中：K(x， )为相减结果图像像素点灰度值，I( ， )为背景图像像素点灰度值，-，(z， )为试件图像像素点灰度值。

3.3 灰度直方图调整灰度直方图是对-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En]。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 (忌)- . (2)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l 。引，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 Lm，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-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-个有效最大灰度值Lm 。则：T- 255/Lm ， (3)第1期 王小鹏，等：透明材料微小器件键合质量检测系统设计[43[51[6][7]E8][9][1O]chinese)李星宇，贾友见.数字实时全息对物体微小形变的测量研究[J].邵阳学院学报 ，2008，7(4)：31～34。

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