基于高精度視覺處理技術(shù)在AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀應(yīng)用

李祥，易中群

[摘? ? 要]作為電子工業(yè)的基礎(chǔ)，PCB板的設(shè)計(jì)以及質(zhì)量直接影響到整個(gè)電子產(chǎn)品的成本和質(zhì)量，而當(dāng)前電子行業(yè)正在朝向高精密度、智能化的方向發(fā)展，電子組裝元件也變得愈發(fā)微型化和密集化，因此對(duì)于PCB生產(chǎn)線的檢測(cè)也提出了更高的要求。當(dāng)前，AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀逐漸取代了誤判率高、檢測(cè)難度大的人工目檢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生物醫(yī)學(xué)等精密制造和組裝行業(yè)當(dāng)中。AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)以光學(xué)部分和圖形處理部分為主要技術(shù)核心，以強(qiáng)大的軟件支持為輔助，建立在高速高精密度視覺處理技術(shù)之上，在進(jìn)行PCB生產(chǎn)線檢測(cè)時(shí)，能夠盡早發(fā)現(xiàn)問題實(shí)現(xiàn)快速反饋，從而達(dá)到避免高額修復(fù)成本，確保出廠質(zhì)量和出廠效率的目的。

[關(guān)鍵詞]高精密度;視覺處理技術(shù);AOI;PCB

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–00–03

Application of AOI Automatic Optical Detector Based

on High-precision Visual Processing Technology

Li Xiang，Yi Zhong-qun

[Abstract]As the basis of the electronics industry， the design and quality of PCB boards directly affect the cost and quality of the entire electronic products. The current electronics industry is developing towards high precision and intelligence， and electronic assembly components are becoming more and more miniature. Therefore， higher requirements are also put forward for the inspection of PCB production lines. At present， AOI automatic optical detectors have gradually replaced manual visual inspections with high misjudgment rate and difficult detection， and have been widely used in precision manufacturing and assembly industries such as industry， agriculture， and biomedicine. AOI automatic optical inspection takes the optical part and the graphics processing part as the main technical core， assisted by powerful software support， and is based on high-speed and high-precision visual processing technology. During PCB production line inspection， problems can be found as early as possible and rapid Feedback， so as to achieve the purpose of avoiding high repair costs and ensuring the quality and efficiency of the factory.

[Keywords]high precision; vision processing technology; AOI; PCB

早期的PCB生產(chǎn)過程中人工目檢配合電檢是主要的檢測(cè)手段，但在人工檢查的過程中很容易受到疲勞和主觀影響而造成錯(cuò)誤的判斷，而采用電檢技術(shù)不僅需要煩瑣的程序編制，在成本輸出上也難以實(shí)現(xiàn)有效控制。尤其隨著PCB布線密度的提升以及SMT的微型化和高密度化，統(tǒng)一的人工目檢和電檢已經(jīng)難以滿足檢測(cè)速率和效率的更高需求。AI光學(xué)自動(dòng)檢測(cè)一種新型檢測(cè)技術(shù)，建立在光學(xué)原理之上，能夠?qū)CB板上各種常見缺陷進(jìn)行系統(tǒng)性檢測(cè)，在印刷質(zhì)量、貼裝質(zhì)量以及焊點(diǎn)質(zhì)量的檢測(cè)上效果十分明顯。隨著高精度視覺處理技術(shù)在AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀的應(yīng)用，檢測(cè)范圍更是實(shí)現(xiàn)了低密度大尺寸板到細(xì)間距高密度板的覆蓋，實(shí)現(xiàn)了PCBA生產(chǎn)過程的良好控制。

1 PCB生產(chǎn)缺陷檢測(cè)現(xiàn)狀

1.1 ITC檢測(cè)

在PCB的檢測(cè)過程當(dāng)中ITC設(shè)備的運(yùn)用比較常見，其作為一種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備可以對(duì)在線元器件的電氣連接以及電性能進(jìn)行檢測(cè)，但在檢測(cè)的過程中會(huì)受到接觸的限制以及編程調(diào)試的限制，難以完成高密度SMT線路板的檢測(cè)。而且在錫膏印刷之后，如果印刷過程滿足要求，ITC檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷會(huì)大幅度降低，因?yàn)樵贗TC的檢測(cè)過程當(dāng)中，輕微的少錫難以發(fā)現(xiàn)，焊錫不足會(huì)導(dǎo)致原件丟失或焊點(diǎn)開路。

1.2 人工目測(cè)

傳統(tǒng)的PCB檢測(cè)過程中人工目測(cè)最為常見，但目測(cè)是一種離線檢測(cè)方式對(duì)于人工的依賴程度較高，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)判斷等問題產(chǎn)生的檢查誤區(qū)難以避免，而且其作為離線檢測(cè)未能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)也未能及時(shí)報(bào)警，因此會(huì)導(dǎo)致PBC缺陷糾正不及時(shí)，產(chǎn)生人力和物力的浪費(fèi)。

1.3 AXI檢測(cè)

AXI技術(shù)相對(duì)來說比較成熟，有著較高的缺陷檢測(cè)覆蓋率，主要工作原理是通過X射線的發(fā)射通過電路板而被設(shè)置的探測(cè)器所接受。因?yàn)镻CBA線路板的焊點(diǎn)中含有大量的鉛，其存在能夠吸收X射線，元件焊點(diǎn)上的X射線因?yàn)楸晃斩尸F(xiàn)黑點(diǎn)產(chǎn)生清晰的事視像進(jìn)行實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步分辨。但在實(shí)際的應(yīng)用過程當(dāng)中，AXI檢測(cè)并不能完成對(duì)電路電氣性能方面的測(cè)試。

1.4 AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)

在PCB生產(chǎn)線故障發(fā)現(xiàn)得越晚修復(fù)成本越高，實(shí)施AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的過程當(dāng)中，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)最終品質(zhì)的控制，又能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全程跟蹤。通過自動(dòng)掃描、圖像采集以及處理對(duì)比實(shí)現(xiàn)更高效的判斷，而且在整個(gè)檢測(cè)過程當(dāng)中，尤其是運(yùn)用了高速高精度視覺處理技術(shù)的AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀在檢測(cè)過程可以實(shí)現(xiàn)錫膏印刷、回流焊前以及焊后的全過程覆蓋。無論是焊料還是裝配區(qū)域的問題都能夠被及早發(fā)現(xiàn)及早反饋，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

2 AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀基本原理與基本構(gòu)成

2.1 AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀基本原理

AOI自動(dòng)光學(xué)檢查系統(tǒng)采用可視化的方式來進(jìn)行印刷集成電路板缺陷的檢查，整個(gè)工作原理就是利用攝像技術(shù)定量化的灰階值進(jìn)行對(duì)被檢查物品的反射光強(qiáng)的輸出，并且通過和系統(tǒng)當(dāng)中已保存好的標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行比較，做出對(duì)缺陷的診斷和加以分析。AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)不但可以測(cè)量各種SMT的劃痕污點(diǎn)、尺寸缺陷，以及開路短路等的表征問題，同時(shí)還能夠?qū)M裝放置過程當(dāng)中缺件、少件以及錯(cuò)誤放置實(shí)現(xiàn)監(jiān)督。即，在AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的工作過程當(dāng)中，光學(xué)傳感器以及圖像處理分析系統(tǒng)是技術(shù)核心，相當(dāng)于人的眼睛和大腦，整個(gè)檢測(cè)過程執(zhí)行的是一個(gè)“看”和“判斷”的環(huán)節(jié)，圖像采集、數(shù)據(jù)處理、圖像分析和報(bào)告形成這4個(gè)階段可以概括為判斷光學(xué)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程，同時(shí)輔以模板比較、灰度模型、特征提取、矢量分析等軟件算法完成檢測(cè)。圖1為AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀設(shè)備構(gòu)成。

2.2 AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀基本構(gòu)成

2.2.1 圖像采集階段

AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀工作的過程中，圖像采集階段主要實(shí)現(xiàn)的是光學(xué)掃描以及數(shù)據(jù)的收集，整個(gè)系統(tǒng)的組成包含有攝影系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。AOI的攝影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是光電轉(zhuǎn)化的過程能夠精準(zhǔn)地采集圖像，原理在于光電二極管接受反射光線使其轉(zhuǎn)化為電荷進(jìn)而被傳感器收集傳輸形成電壓模擬信號(hào)，因?yàn)楣饩€強(qiáng)度的不同所以生成的模擬電壓大小也會(huì)有所差別，在轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰階值之后反應(yīng)反射光的強(qiáng)弱進(jìn)而達(dá)成檢測(cè)目的。CCD以及CMOS為常見的光電轉(zhuǎn)化器形式，通常在圖像的攝取過程中一個(gè)光電轉(zhuǎn)化器為一個(gè)像素點(diǎn)，若干個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成圖像傳感器，而在對(duì)被檢測(cè)元件拍攝的過程當(dāng)中，光電轉(zhuǎn)化器尺寸越小就越能實(shí)現(xiàn)細(xì)致的識(shí)別。

為了展現(xiàn)更好的成像提供3D功能，在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中會(huì)有多個(gè)攝像頭組成，不過在其工作的過程中，需要良好的照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輔助。照明系統(tǒng)作為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的必備元素在檢測(cè)的過程當(dāng)中想要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地識(shí)別要結(jié)合光譜特征、光源顏色以及色溫特性來保證最佳光源的形成。當(dāng)前在AIO自動(dòng)光源檢測(cè)系統(tǒng)中熒光燈、LED照明以及紅外線或紫外線是較為常見的照明類型。另外，為了保證在物體高速運(yùn)動(dòng)中也能實(shí)現(xiàn)清晰圖像的抓拍，光電系統(tǒng)需要控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理階段

AIO自動(dòng)光學(xué)測(cè)量控制系統(tǒng)在工作的整個(gè)流程中，數(shù)據(jù)處理階段進(jìn)行的主要是數(shù)據(jù)的分析與轉(zhuǎn)換，是對(duì)圖像的預(yù)處理階段。該過程通過對(duì)采集圖像進(jìn)行進(jìn)一步加工為以后的圖像對(duì)比提供更加精確可靠的信號(hào)。整個(gè)數(shù)據(jù)處理階段降低背景噪聲、實(shí)現(xiàn)圖象增強(qiáng)銳化為主要目的，降低背景噪聲是用來控制燈光不穩(wěn)以及機(jī)器震動(dòng)、傳感器溫度等因素使圖像由于有噪聲而顯得模糊不清產(chǎn)生的影響，采用低通濾波平滑法進(jìn)行，低通濾波平滑法能夠?qū)⑿盘?hào)中特有波段頻率進(jìn)行濾除，擁有良好的噪聲處理能力;圖像增強(qiáng)和銳化的目的主要是提升被檢測(cè)原件特征的對(duì)比度，經(jīng)過處理之后的采集圖像擁有明顯的關(guān)注特征其輪廓也更加突出清晰，而不需要關(guān)注的部分在經(jīng)過處理之后會(huì)減少數(shù)據(jù)量的顯示，該過程主要通過圖像二值化處理來實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 圖像分析階段

圖像分析階段的目的在于特征的提取，并與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行對(duì)比。通過數(shù)學(xué)手段對(duì)圖像的邊角區(qū)域獨(dú)有屬性的特征進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)量化表達(dá)，進(jìn)而在進(jìn)一步的分割之后完成對(duì)比分析，對(duì)采集圖像進(jìn)行特征提取主要方法有HOG，LBP和HAAR 3種，盡管3種方式有著不同的表達(dá)方法，但基本原理都是將圖像上的點(diǎn)進(jìn)行不同的子集分類，而使其原始特征轉(zhuǎn)換為明顯的物理特征并在對(duì)其不同子集特征尋找的過程當(dāng)中完成特征提取。在經(jīng)過特征提取之后的圖像需要進(jìn)一步地完成圖像分割，從而將圖像的獨(dú)特性質(zhì)，圖像分割的過程中灰度閾值分割法以及區(qū)域增長(zhǎng)分割法最為常見。

進(jìn)行特征提取分割后的圖像直接進(jìn)入分析比較階段，該階段分為模板匹配以及模式分析兩個(gè)層次，通過預(yù)先設(shè)定的已知模板對(duì)比來完成檢測(cè)。對(duì)比的過程中首先完成的是圖像和影像的重合對(duì)比，接下來完成的是同樣對(duì)比，同樣對(duì)比當(dāng)中發(fā)現(xiàn)灰階差異的存在則表明有一定的缺陷存在。為了實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)地判斷，在這個(gè)過程當(dāng)中會(huì)設(shè)定一個(gè)閾值，一旦灰階差超過該閾值可以直接判定為缺陷存在。所以在此過程當(dāng)中閾值的設(shè)定決定了檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度。另外，如果在模板比較的過程中進(jìn)行多次比較，仍然存在不易判定的情況，可以追加多重判定算法。

2.2.4 報(bào)告形成階段

報(bào)告形成階段為工作完成的最后階段，該階段完成了缺陷判定，主要通過顯示器或者自動(dòng)標(biāo)志將缺陷原件進(jìn)行標(biāo)識(shí)，為接下來的返修和調(diào)整提供參考。

3 高精度視覺處理技術(shù)在AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀的應(yīng)用

3.1 高精度視覺處理核心

視覺處理技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的重要分支，通過光學(xué)裝置以及非接觸傳感器實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景圖像的自動(dòng)收和處理，整個(gè)過程用攝像機(jī)和電腦代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、識(shí)別以及測(cè)量在一定的分析基礎(chǔ)之上將所掌控的信息實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的利用。整個(gè)視覺處理系統(tǒng)包含圖像采集也包含圖像的預(yù)處理，同時(shí)對(duì)于目標(biāo)的識(shí)別和分類、檢測(cè)和跟蹤、定位和測(cè)量也能夠?qū)崿F(xiàn)良好的控制。而精度與誤差的大小相對(duì)應(yīng)，表示觀測(cè)值和真實(shí)值的接近程度，高精度視覺處理是精密測(cè)量和檢測(cè)的前提，通過專業(yè)標(biāo)定的算法能夠?qū)Φ玫较袼匦畔⑦M(jìn)行位置的矯正和補(bǔ)償，最大限度地減少誤差測(cè)量和評(píng)估。

3.2 高精度視覺處理技術(shù)在AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀的應(yīng)用

AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀當(dāng)中高精度視覺處理技術(shù)的應(yīng)用幾乎涵蓋了整個(gè)檢測(cè)的全過程，是整個(gè)檢測(cè)儀工作的基礎(chǔ)。在檢測(cè)過程中通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字圖像信號(hào)的運(yùn)算和分析之后獲得處理結(jié)果，在各種軟件的輔助之下完成檢測(cè)。在PCB的生產(chǎn)過程當(dāng)中，元件丟失、錯(cuò)件以及焊接不規(guī)范非常常見，另外元件偏移、損壞等問題也不可避免。通過高精度視覺檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠在標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比之下進(jìn)行參數(shù)比較，在此過程當(dāng)中對(duì)比參數(shù)更為準(zhǔn)確，檢測(cè)精度更為細(xì)致。

4 結(jié)束語

電子產(chǎn)品的智能化和微型化是時(shí)代的大勢(shì)所趨，在此基礎(chǔ)之上對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)也提出了更高的需求，AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀的應(yīng)用集科學(xué)的檢測(cè)方式和智能的處理為一體，成了現(xiàn)代集成電子檢測(cè)當(dāng)中不可缺少的工具。而高精度視覺處理技術(shù)的運(yùn)用對(duì)細(xì)微的缺陷具備更強(qiáng)的識(shí)別能力，相信隨著科技的進(jìn)步以及研究能力的提升，AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀在PCB生產(chǎn)線上的應(yīng)用必定會(huì)取代人工，迎來更為廣闊的前景。

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