PCB AOI中自動調焦及調整倍率的設計與實現

2010-08-09 07:41:18付純鶴魏祥英孫明睿宋麗娟

電子工業專用設備 2010年3期

付純鶴，魏祥英，孫明睿,宋麗娟

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

隨著電子技術的發展，用于電子組裝的PCB板線寬、間距、焊盤越來越細小，已到幾十微米級，復合層數最高已達到60層。傳統的人工目測和針床在線測試遠遠不能適應現在工藝技術水平和產品批量的要求，更嚴重的是，有些產品缺陷是顯微鏡也檢查不出來的，因此，檢驗手段己成為工藝線上必須解決的一個大問題。而PCB自動光學檢測系統就是以檢測出印刷線路板生產工藝造成的各種細微缺陷為目的的設備。該設備以相機獲取的圖像為處理目標，為了減少誤檢和漏檢，缺陷檢測算法要求圖像在指定的放大倍率下有清晰的圖像。此外，考慮到增強設備的適應性，并且兼顧效率和檢測精度，對于不同線寬標準的PCB板，設備使用了高精度變倍鏡頭。當線寬較大時，可縮小成像倍數以提高效率；當線寬較小時，可以增大成像倍數以提高檢測精度。如果通過人工進行設備的焦距和倍率校正，需要用調焦光柵板對每種倍率都進行校正，費工費時。而且，由于操作人員不同、評價標準單一、光柵板放置角度存在誤差和圖像清晰度超出人眼分辨極限等原因，會產生不確定性誤差。因此，PCB自動光學檢測系統中需要一種能精確快捷的自動調節焦距和倍率的方法，對于生產中微米級缺陷檢測要求的印刷版，調焦的焦距誤差應達到±5 μm，倍率的誤差1.22‰，才能滿足整機系統對采集圖像環節的要求。

1 系統構成

該系統中包括工控機、采集圖像的鏡頭、CCD、運動控制卡、步進電機，控制照明的D/A卡及光源，其中工控機控制所有的調焦、變倍、照明控制、圖像采集及處理等過程。

圖1 系統結構示意圖

參考目標是圖2所示的光柵玻璃板，該板上是固定線寬及間距的光刻線條，圖形尺寸精度達到±1 μm，能滿足作為調焦參照物的精度要求。光柵玻璃板安裝在工作臺上相應位置，固定時光柵線條的排列方向與線陣CCD方向要嚴格正交，從而保證板上作為已知數據的線間距與CCD上的對應測量結果能嚴格對應，不會因角度誤差過大帶來計算上的偏差。因采用的CCD像元尺寸為7 μm，如取像倍數為7：6，則物方對應的像素分辨率為6 μm，用于計算的取像寬度則為6 μm的整數倍。

圖2 參考目標

2 操作流程

本系統自動調焦的思想是根據所需倍率下的理論物像距，把CCD和鏡頭移動到其相應的理論物像距位置。因為鏡頭的焦距會有一定誤差，所以此時的圖像并不清晰，倍率也不準確。此時設置CCD的采樣步長為相應倍率下焦深的一半，并設置采樣次數，CCD每移動一個步長就采集一幅圖像并進行圖像處理。在一定的采樣次數和移動范圍內，獲取的圖像會從不清晰到清晰然后又不清晰，軟件會根據圖像處理對比度的高低來推薦CCD聚焦的最佳位置。根據最佳位置時采到的圖像中光柵板圖像尺寸，計算出當前圖像的實際倍率，并與要求進行比較，根據差值計算出物像距相應的移動量，之后通過步進電機帶動鏡頭和CCD移動相應的距離。重復上述過程，兩個循環過程內就可以找到所需的成像清晰的焦距和指定倍率下的物像距電機位置。流程圖如圖3所示：

3 焦距評價

焦距評價函數應具有的特性有：無偏性、單峰性、能反映離焦極性、較高的信噪比以及計算量小等。常用的幾種集聚評價函數有以下5種：

(1)高頻分量法，即對圖像進行傅立葉變換，提取其中的高頻成分作為焦距評價函數。這種方法計算量大，不適于一般情況下的快速、實時測量；

(2)平滑法，即計算圖像上相鄰像素的平滑度，再對整個像面求和作為集聚評價函數，其最大值為圖像的聚焦判據，該方法靈敏度不高；

圖3 調焦流程圖

(3)閾值積分法，即根據圖像的灰度分布，選取一個閾值，并對大于閾值的灰度進行求和，其最大值為圖像的聚焦判據，該方法測量精度不高；

(4)灰度差分法，這是一個形式簡單但很有效的焦距評價函數，如式(1)所示：

它是利用圖像的相鄰像素灰度值差的絕對值之和作為焦距評價函數，即：當圖像聚集時，取最大值；

(5)拉普拉斯像能函數，這是一個非常有效的評價函數，在焦距附近具有較高的靈敏度，但計算量較大，其形式如式(2)和式(3)所示，當圖像聚焦時，拉普拉斯像能函數取得最大值。

根據以上分析，本系統采用一種類似灰度差分的方法，能實現快速、實時和有效的測量要求。用已知厚度、線寬及間距的光柵玻璃板作為調焦目標物，通過采集的圖像計算光柵線條與間距邊界的像素灰度變化曲線，若邊界的灰度值過渡的曲線斜率越大，即圖像越銳利，那么聚焦效果就越好。為了消除偶然誤差，將圖像進行y向投影得到f(x)灰度曲線，如公式(4)所示：

h為采集圖像的高度，|f(x)|越大聚焦效果越好，效果如圖4所示。