印刷電路板檢測系統光學設計

鄔明慧，安志勇，高瑀含，趙偉星

（1長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.南京光科技術有限公司，南京 210001）

PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)基本功能是搭載電子元器件并實現其間的電氣連接?，F代電子設備性能的優劣，不但受電子元器件本身質量和性能的影響，而且在很大程度上取決于PCB質量的好壞。PCB缺陷檢測技術是關系到電子系統質量和生產周期的重要環節。隨著印刷電路板向著高密度、細間距和低缺陷方向發展，對PCB檢測技術在精密、高效、通用和智能化等方面提出了更高要求。近十年，AOI(AutomaticOpticalInspection自動光學檢測)技術被大量地運用在PCB板生產線上，同傳統的目視檢測技術相比，AOI系統的應用克服了人工檢測技術的勞動強度高、眼睛易疲勞、漏驗率高、人為因素影響大等弊端，大大提高了檢測速度和質量，提高了生產效率，降低了生產成本［1-2］。

基于AOI技術的PCB檢測系統原理圖如圖1所示，AOI的核心是光學攝像系統，其成像質量直接影響后繼的圖像處理。光學系統應滿足高分辨率、小畸變，可以對不同規格的 PCB板測試的要求。對于不同線寬的PCB板，使用變倍鏡頭以兼顧系統的測試效率和檢測精度：當線寬較大時，可縮小放大率以提高效率；當線寬較小時，可以增大放大率以提高檢測精度。

1 光學系統技術指標

焦距，100mm

圖1 PCB缺陷檢測系統示意圖Fig.1 The schematic diagram of PCB defect detection system

F數，5.6

工作波長，400~500nm及550~650nm

2 光學系統設計

2.1 成像器件的選擇

為提高系統的性能，不僅要有好的光學鏡頭，還需要高質量的感光器件（如CCD、CMOS等）與之相匹配。CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優于CMOS傳感器，更適合作為PCB檢測鏡頭的感光器件。CCD分為面陣CCD和線陣CCD，面陣 CCD可以成二維圖像，但光敏面尺寸較小，限制成像范圍，進而影響系統分辨率及測量精度；線陣 CCD像元數較高，但只能進行一維成像。為了滿足系統高精度及大視場的要求，采用線陣 CCD推掃式測量，即線陣 CCD在水平方向成像，同時利用伺服電機帶動 CCD在垂直方向做掃描運動，通過圖像拼接技術可以獲得PCB板的二維圖像信息［3-4］。本系統采用 TCD1708D 型線陣CCD，像元數為5000，像素尺寸為7×7m，其奈奎斯特頻率為72lp/mm。

2.2 照明光源的選擇

為降低成本，采用 LED作為照明光源。選擇SJ-045型號LED陣列作為光源，其光譜曲線如圖2所示：該LED光譜范圍主要集中在400~500nm和580~650nm兩個區域，在450nm和630nm有峰值，檢測系統工作波長應以LED譜段作為標準。

圖2 LED光譜曲線圖Fig.2 The spectral curve of LED

2.3 光學設計結果

選擇合理的初始結構，并通過正確的優化方法，較容易達到要求的目標。本系統屬于投影系統，由照相系統演化而來。在眾多光學系統中，雙高斯光學系統(Double-Gaussian Lens)因其優良的光學特性而廣泛應用于照相系統、投影系統及中繼成像系統中，故選擇雙高斯系統作為初始結構［5-6］。選擇雙高斯系統作為初始結構，其光學結構如圖3所示。

圖3 光學系統結構圖Fig.3 The structure of optical system

系統的初始結構數據如圖4所示，在此基礎上進行優化，利用 ZEMAX軟件中的多重組態功能(Multi-configuration)如圖5所示，對系統進行優化。將物高分別設為100mm、75mm、65mm和50mm，同時將物距和后截距設為變量，考慮到 LED的光譜分布特性，將入射波長設為450nm和630nm，權重分別為0.3和1，優化結果如圖6所示。

圖4 系統的初始數據Fig.4 Initial parameters of the system

圖5 ZEMAX多重組態數據Fig.5 Multi-configuration parameters of ZEMAX

圖6 系統優化結果圖Fig.6 The optimization results of system

圖7 MTF曲線Fig.7 MTF curves of the system

圖8 場曲及畸變曲線圖Fig.8 Field curvature and distortion curves

3 像質評價

常用評價方法有：Strehl判據、瑞利判據、分辨率、點列圖及傳遞函數（MTF）等。其中，Strehl判據和瑞利判據適用于小像差系統，點列圖適用于大像差光學系統。分辨率法以人眼作為判斷依據，具有很大的主觀性。傳遞函數（MTF）適合所有光學系統，MTF曲線既與光學系統的像差有關，又與光學系統的衍射效果有關，可以反映除畸變以外的所有像差，是最全面客觀的評價方法［7-8］。故通過MTF曲線結合畸變曲線對系統進行綜合評價。不同組態下的MTF曲線及畸變分別如圖7所示和圖8所示，由圖7可知，在奈奎斯特頻率處其MTF值大于0.3，由圖8可知，所有組態相對畸變均小于0.1%，符合系統要求。

4 結論

AOI技術具有高效率、高精度、高自動化等優點，在PCB檢測系統中發揮重要作用。光學系統設計是AOI技術的重要環節，其質量直接關系檢測精度。本文設計了一種具有較高分辨率和低畸變的PCB板檢測的光學系統，能兼顧不同型號的PCB系統的檢測效率和測試精度的要求，整個系統的檢測范圍為50~100mm，測試精度30m，具有重要的工程應用價值。

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