PCB AOI中自動調(diào)焦及調(diào)整倍率的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付純鶴，魏祥英，孫明睿,宋麗娟

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，用于電子組裝的PCB板線寬、間距、焊盤越來越細(xì)小，已到幾十微米級，復(fù)合層數(shù)最高已達(dá)到60層。傳統(tǒng)的人工目測和針床在線測試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)在工藝技術(shù)水平和產(chǎn)品批量的要求，更嚴(yán)重的是，有些產(chǎn)品缺陷是顯微鏡也檢查不出來的，因此，檢驗(yàn)手段己成為工藝線上必須解決的一個(gè)大問題。而PCB自動光學(xué)檢測系統(tǒng)就是以檢測出印刷線路板生產(chǎn)工藝造成的各種細(xì)微缺陷為目的的設(shè)備。該設(shè)備以相機(jī)獲取的圖像為處理目標(biāo)，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(qiáng)設(shè)備的適應(yīng)性，并且兼顧效率和檢測精度，對于不同線寬標(biāo)準(zhǔn)的PCB板，設(shè)備使用了高精度變倍鏡頭。當(dāng)線寬較大時(shí)，可縮小成像倍數(shù)以提高效率；當(dāng)線寬較小時(shí)，可以增大成像倍數(shù)以提高檢測精度。如果通過人工進(jìn)行設(shè)備的焦距和倍率校正，需要用調(diào)焦光柵板對每種倍率都進(jìn)行校正，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。而且，由于操作人員不同、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生不確定性誤差。因此，PCB自動光學(xué)檢測系統(tǒng)中需要一種能精確快捷的自動調(diào)節(jié)焦距和倍率的方法，對于生產(chǎn)中微米級缺陷檢測要求的印刷版，調(diào)焦的焦距誤差應(yīng)達(dá)到±5 μm，倍率的誤差1.22‰，才能滿足整機(jī)系統(tǒng)對采集圖像環(huán)節(jié)的要求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)中包括工控機(jī)、采集圖像的鏡頭、CCD、運(yùn)動控制卡、步進(jìn)電機(jī)，控制照明的D/A卡及光源，其中工控機(jī)控制所有的調(diào)焦、變倍、照明控制、圖像采集及處理等過程。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

參考目標(biāo)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(dá)到±1 μm，能滿足作為調(diào)焦參照物的精度要求。光柵玻璃板安裝在工作臺上相應(yīng)位置，固定時(shí)光柵線條的排列方向與線陣CCD方向要嚴(yán)格正交，從而保證板上作為已知數(shù)據(jù)的線間距與CCD上的對應(yīng)測量結(jié)果能嚴(yán)格對應(yīng)，不會因角度誤差過大帶來計(jì)算上的偏差。因采用的CCD像元尺寸為7 μm，如取像倍數(shù)為7：6，則物方對應(yīng)的像素分辨率為6 μm，用于計(jì)算的取像寬度則為6 μm的整數(shù)倍。

圖2 參考目標(biāo)

2 操作流程

本系統(tǒng)自動調(diào)焦的思想是根據(jù)所需倍率下的理論物像距，把CCD和鏡頭移動到其相應(yīng)的理論物像距位置。因?yàn)殓R頭的焦距會有一定誤差，所以此時(shí)的圖像并不清晰，倍率也不準(zhǔn)確。此時(shí)設(shè)置CCD的采樣步長為相應(yīng)倍率下焦深的一半，并設(shè)置采樣次數(shù)，CCD每移動一個(gè)步長就采集一幅圖像并進(jìn)行圖像處理。在一定的采樣次數(shù)和移動范圍內(nèi)，獲取的圖像會從不清晰到清晰然后又不清晰，軟件會根據(jù)圖像處理對比度的高低來推薦CCD聚焦的最佳位置。根據(jù)最佳位置時(shí)采到的圖像中光柵板圖像尺寸，計(jì)算出當(dāng)前圖像的實(shí)際倍率，并與要求進(jìn)行比較，根據(jù)差值計(jì)算出物像距相應(yīng)的移動量，之后通過步進(jìn)電機(jī)帶動鏡頭和CCD移動相應(yīng)的距離。重復(fù)上述過程，兩個(gè)循環(huán)過程內(nèi)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(jī)位置。流程圖如圖3所示：

3 焦距評價(jià)

焦距評價(jià)函數(shù)應(yīng)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(jì)算量小等。常用的幾種集聚評價(jià)函數(shù)有以下5種：

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

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

圖3 調(diào)焦流程圖

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

(4)灰度差分法，這是一個(gè)形式簡單但很有效的焦距評價(jià)函數(shù)，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(jià)函數(shù)，即：當(dāng)圖像聚集時(shí)，取最大值；

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

根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)采用一種類似灰度差分的方法，能實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)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(diào)焦目標(biāo)物，通過采集的圖像計(jì)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(jìn)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。

圖4 圖像的y向灰度投影曲線

4 倍率的計(jì)算

4.1 圖像預(yù)處理

由于圖像本身是黑白相間的線條與間距，進(jìn)行二值化處理后更容易計(jì)算，且二值化閾值選擇灰度平均值即可。二值化閾值如式(5)所示：y向投影后f(x)的二值化結(jié)果如圖5所示。

圖5 二值化結(jié)果

4.2 計(jì)算倍率

從x=0開始，第一次(f(x)+f(x+1))的值不為零時(shí)記下當(dāng)前x坐標(biāo)的值，條數(shù)N置為1，此后每一次(f(x)+f(x+1))的值不為零時(shí)N加1，最后一個(gè)(f(x)+f(x+1))的值不為零時(shí)記下當(dāng)前x坐標(biāo)的值，當(dāng)前倍率T如公式(6)所示：

因光柵條上線寬與線間距相等，故d為圖像中線條或間距的實(shí)際寬度。

5 反饋調(diào)節(jié)物像距

設(shè)所需倍率為T，物距為l，像距為l'，鏡頭焦距為 f，在倍率 T 下，物距為 l1，像距為 l1：

將已上結(jié)果帶入下式：

6 調(diào)焦及倍率調(diào)整結(jié)果

圖6所示為調(diào)整過程中的一組圖像及Y向灰度投影曲線，按圖號遞增的順序像距是遞增的，圖6.3為最佳倍率的最佳焦面，從圖中也可明顯地看出圖像由不清晰到清晰的變化趨勢。

圖6 自動調(diào)焦效果圖

7 結(jié)束語

本文描述的自動調(diào)節(jié)焦距和倍率的方法，可以達(dá)到線掃描相機(jī)在8192個(gè)像素的取像范圍內(nèi)誤差不超過10個(gè)像素的效果，即倍率誤差在1.22‰之內(nèi)，精確到10-3量級，整個(gè)調(diào)整焦距和倍率的過程簡單快捷，加快了設(shè)備初始校正過程，能滿足整機(jī)系統(tǒng)的使用要求。

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