用于电子元件引脚定位的光学成像系统的制作方法

本实用新型涉及电子元件插件技术，更具体地说，涉及一种用于电子元件引脚定位的光学成像系统。

背景技术：

随着高科技的发展以及人们对生活水平要求的提高，消费市场对紧凑型、高性能的电子产品的需求量越来越大。此外现如今的可编程集成电路拥有很多的引脚、具有很强的功能，并且很多都采用了具有创新意义的组装形式。由于大部分电子元器件都有非常多的引脚数量和很小的外形尺寸，所以，如何快速、准确地完成对引脚的定位就直接关系到自动插件机的准确性及效率。

在引脚定位过程中，如果使用普通的环形光源，可以保证引脚的成像质量，但是在采集引脚图像时，需要取料机构抓取元件后从光源上方或下方插入到光源中间指定高度静止拍摄，定位完成后，取料机构需要先把元件移出光源，然后再移动到PCB插入位置，这一系列动作会导致整个系统效率降低；如果使用普通的条形光源，可以保证取料机构抓取元件后以流水线方式从两个条形光源中间通过，提高系统效率，但是成像质量无法保证，给定位分析带来难度。以上两种情况，都不能很好的同时满足自动化插件快速、准确的要求，无法适应自动化插件机的生产要求。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于电子元件引脚定位的光学成像系统，能保证成像质量又能方便电子元件进出以提高系统效率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种电子元件引脚定位的光学成像系统，包括CCD相机和光源，所述光源包括第一弧形子光源和第二弧形子光源，所述第一弧形子光源和第二弧形子光源均具有至少一个LED，所述第一弧形子光源和第二弧形子光源相对设置并间隔一定距离以在二者之间形成供电子元件进出的通道，并且所述第一弧形子光源和第二弧形子光源在其各自包围的区域还设置第一遮光布和第二遮光布，所述CCD相机位于所述第一遮光布和第二遮光布之间的所述通道的下方。

根据本实用新型的一个实施例中，所述第一弧形子光源和第二弧形子光源具有相同的弧度。

根据本实用新型的一个实施例中，所述第一弧形子光源和第二弧形子光源均具有多个LED，所述多个LED呈弧形设置。

根据本实用新型的一个实施例中，所述LED为红光LED。

根据本实用新型的一个实施例中，所述光源中LED的数量通过控制CCD上每个像素获得的照度位于最小接收照度和最大负载照度之间来确定。

实施本实用新型的用于电子元件引脚定位的光学成像系统，具有以下有益效果：该系统将光源设计成两个半弧形并分别在两侧设置遮光布，即保证了成像质量，又满足了取料机构抓取元件后以流水线方式通过光源的运动速度要求，同时，也便于安装和拆卸。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一个实施例的用于电子元件引脚定位的光学成像系统的结构示意图；

图2是图1中光源的俯视图；

图3是色差原理图；

图4是典型CCD光谱响应曲线；

图5是红光LED光源相对光谱功率分布图；

图6是面元形成的光通量的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1和图2所示，根据本实用新型一个实施例的用于电子元件引脚定位的光学成像系统主要由CCD相机10和光源构成，所述光源包括第一弧形子光源21和第二弧形子光源22，每一弧形子光源21和22都具有多个呈弧形设置的LED 23。参见图2所示，第一弧形子光源21和第二弧形子光源22可具有相同的弧度，二者相对设置并间隔一定距离，从而在二者之间包围出一圆形区域并在二者之间形成供电子元件40进出的通道24。

CCD相机10设置在第一弧形子光源21和第二弧形子光源22之间的通道24的下方。取料机构30抓取电子元件40以流水线方式从第一弧形子光源21和第二弧形子光源22之间的通道24通过，高分辨率、高速的CCD相机10 对电子元件40的引脚进行动态图像采集，拍照时不需要电子元件40处于静止状态，从而提高整个系统的效率。同时，第一弧形子光源21和第二弧形子光源22能够提供基本接近环形光源的光照效果，可以保证电子元件引脚的成像质量。

进一步如图2所示，第一弧形子光源21和第二弧形子光源22在其各自包围的区域还设置有第一遮光布25和第二遮光布26，用于对CCD相机10采集引脚图像时的背景光线进行遮挡。原理上，由于LED光源的光是发散的，若不设置第一遮光布25和第二遮光布26，第一弧形子光源21和第二弧形子光源22发射的平行光线在照亮元件引脚的同时，向上的光线会照亮元件其它地方，引脚与元件其它地方亮度一样，定位算法无法准确定位引脚。而本申请在第一弧形子光源21和第二弧形子光源22上分别设置第一遮光布25和第二遮光布26，平行光线照向元件引脚的同时，向上照射的光线完全被第一遮光布25和第二遮光布26所遮挡吸收，同时因为遮光布柔软材质，也不会产生光线的反射，光线无法照射到元件引脚以外的地方，从而使元件引脚与其它地方形成明显的对比，算法可以准确的定位元件引脚的位置。

此外，根据本实用新型的优选实施例中，第一弧形子光源21和第二弧形子光源22所采用的LED 23均为红光LED，原理如下：

光源颜色分为多色光(白光)和单色光。由于透镜材料对各种色光的折射率不同，因此透镜对各色光的焦距也就不同，而成像的大小与位置又决定于焦距，所以色差有位置色差(即纵向色差)和放大色差(即横向色差)两种。如图3所示，P为白光源位于透镜的主轴上，由近光轴光束所成的像因色散而不是汇聚于一点，红光的折射光束成像于点P'_C，蓝光的折射光束成像于点P'_F。如果置一光屏于平面C则像的中心是红色的，周围是彩色的，外围呈蓝紫色。如果把光屏置于F平面，则像的中心是蓝色，周围也有彩色，外围是红色的。当光屏在平面F和C之间移动时，像的彩色会逐渐变化。而用单色光则会避免这种现象的发生。所以在使用黑白相机，又对被测物的颜色选择没有特殊要求时，选用单色光会比白色光更合适。而根据如图4所示的典型CCD光谱响应曲线，红光LED的发光波长更接近CCD相机的灵敏度峰值。另外，红光LED寿命长、稳定、价格便宜。所以，本实用新型设计的光学成像系统优选红光LED光源。

进一步，第一弧形子光源21和第二弧形子光源22所采用的LED的数量通过控制CCD相机10上每个像素获得的照度位于最小照度和最大负载照度之间来确定，具体如下：

电子元件的引脚一般为锡铅合金，表面为各类环氧树脂等塑料封装，在直射条件下，锡铅合金的反射率约为50％-60％，塑料的反射率约为15％-40％，因此可以根据反射率差异将两者区分出来。确定LED光源颜色后，最重要的在于计算被测面的照度，计算CCD像素接受的照度，完成照射模型的建立，依此来确定满足照度条件下所需的LED的数目。

为了计算照明能量是否真正达到要求，需要计算光能量的大小，从而确定LED的数目和功率等其他参数。采用功率为P的LED，其电光转换率为η，则光通量为：

其中，λ为LED光源的波长，φ_λ为被测LED的光谱功率分布，可由光谱分析仪测试得到，如图5所示；为光视效能，即某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量，在波长为555nm时有最大值K_m，其值为683lm/W；为光视效率，φ_v为光通量，φ_γ为辐射通量。

由于K(λ)属于实验数据，因此根据CIE光效率曲线，可以用下式计算光通量：

φ_v＝K_mV(λ)φ_γ＝683V(λ)φ_γ (2)

其中，辐射通量φ_γ的单位为W。当取光源辐射通量为1W时，可以得到被测物的任意点的照度为：

其中，dS为被测物表面任一点的面元。被测物发出的光经过透镜进入CCD，CCD具有最小接收照度和最大负载照度，使入射的光强处于这两值之间，才可能获得良好的图像。

从图6中获取的一个像素对应被测物的某一单元dS，由于光学的数值孔径NA值较小，而CCD和被测物一般距离较远，透镜的曲率可以忽略，因此可近似认为透镜为面元dS'，并垂直于光轴。落到被测物的光强为E，反射率为R，则反射光强Β＝E×R/π。光学系统透光系数为K，一个像素对应的CCD面阵区域的面积为dS"，则可得CCD上每个像素获得的照度为：

其中，θ为被测物体上某一点到CCD的入射光线与其法线的夹角，r₀为被测物与透镜之间的距离，如图6所示。

各个参数与时间t或者每个像素在CCD图像坐标系中的坐标(i,j)有关，因此上式(4)可表达为：

通过适当调节LED的数目和功率等其它参数，使E"处于CCD能接收到的最小接收照度和最大负载照度之间，便可以得到良好的图像质量。例如，假设所拍摄电子元件引脚长度为4mm，为了准确定位引脚，需要照亮的长度为1.5mm左右，为了正好照射到需要的引脚长度，同时不照射到其他部分，假设单个LED的直径为dmm，可以计算得到LED光源的外径D:

D＝d/(4-1.5)*25+25 (6)

而且LED呈半弧形排列，根据LED大小及光源外径可以初步确定LED颗粒数，最后通过光学设计软件ZEMAX模拟LED点阵，通过调整LED数目及每个LED的光通量等参数，使其光照度满足E"的要求。

从实验结果来看，根据本实用新型实施例的光学成像系统的中央有效照明区域直径约为50mm或以上，一般电子元件大小在40*40mm以下，因此视场符合设计要求；均匀性方面，从效果图中的颜色坐标算出有效照明区域的均匀性系数((最高照度-最低照度)/平均照度)控制在0.9以上，远大于工业照明设计标准要求的0.7。通过控制CCD的电子快门和光圈，可控制成像的过度曝光，同时可以满足当高电子快门拍摄电子元件时所需的高照度照明。从拍摄图像中可以看出，电子元件引脚为白色，其周围背景为黑色，对比非常明显，便于引脚的定位、好坏分析，并且取料机构可以顺利进出光源。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。