印刷電路板檢測(cè)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

鄔明慧，安志勇，高瑀含，趙偉星

（1長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.南京光科技術(shù)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(shí)現(xiàn)其間的電氣連接?，F(xiàn)代電子設(shè)備性能的優(yōu)劣，不但受電子元器件本身質(zhì)量和性能的影響，而且在很大程度上取決于PCB質(zhì)量的好壞。PCB缺陷檢測(cè)技術(shù)是關(guān)系到電子系統(tǒng)質(zhì)量和生產(chǎn)周期的重要環(huán)節(jié)。隨著印刷電路板向著高密度、細(xì)間距和低缺陷方向發(fā)展，對(duì)PCB檢測(cè)技術(shù)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(dòng)光學(xué)檢測(cè))技術(shù)被大量地運(yùn)用在PCB板生產(chǎn)線上，同傳統(tǒng)的目視檢測(cè)技術(shù)相比，AOI系統(tǒng)的應(yīng)用克服了人工檢測(cè)技術(shù)的勞動(dòng)強(qiáng)度高、眼睛易疲勞、漏驗(yàn)率高、人為因素影響大等弊端，大大提高了檢測(cè)速度和質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本［1-2］。

基于AOI技術(shù)的PCB檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，AOI的核心是光學(xué)攝像系統(tǒng)，其成像質(zhì)量直接影響后繼的圖像處理。光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足高分辨率、小畸變，可以對(duì)不同規(guī)格的 PCB板測(cè)試的要求。對(duì)于不同線寬的PCB板，使用變倍鏡頭以兼顧系統(tǒng)的測(cè)試效率和檢測(cè)精度：當(dāng)線寬較大時(shí)，可縮小放大率以提高效率；當(dāng)線寬較小時(shí)，可以增大放大率以提高檢測(cè)精度。

1 光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

焦距，100mm

圖1 PCB缺陷檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of PCB defect detection system

F數(shù)，5.6

工作波長(zhǎng)，400~500nm及550~650nm

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 成像器件的選擇

為提高系統(tǒng)的性能，不僅要有好的光學(xué)鏡頭，還需要高質(zhì)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(yōu)于CMOS傳感器，更適合作為PCB檢測(cè)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(jìn)而影響系統(tǒng)分辨率及測(cè)量精度；線陣 CCD像元數(shù)較高，但只能進(jìn)行一維成像。為了滿足系統(tǒng)高精度及大視場(chǎng)的要求，采用線陣 CCD推掃式測(cè)量，即線陣 CCD在水平方向成像，同時(shí)利用伺服電機(jī)帶動(dòng) CCD在垂直方向做掃描運(yùn)動(dòng)，通過(guò)圖像拼接技術(shù)可以獲得PCB板的二維圖像信息［3-4］。本系統(tǒng)采用 TCD1708D 型線陣CCD，像元數(shù)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(hào)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(gè)區(qū)域，在450nm和630nm有峰值，檢測(cè)系統(tǒng)工作波長(zhǎng)應(yīng)以LED譜段作為標(biāo)準(zhǔn)。

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

2.3 光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果

選擇合理的初始結(jié)構(gòu)，并通過(guò)正確的優(yōu)化方法，較容易達(dá)到要求的目標(biāo)。本系統(tǒng)屬于投影系統(tǒng)，由照相系統(tǒng)演化而來(lái)。在眾多光學(xué)系統(tǒng)中，雙高斯光學(xué)系統(tǒng)(Double-Gaussian Lens)因其優(yōu)良的光學(xué)特性而廣泛應(yīng)用于照相系統(tǒng)、投影系統(tǒng)及中繼成像系統(tǒng)中，故選擇雙高斯系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)［5-6］。選擇雙高斯系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)，其光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of optical system

系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如圖4所示，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，利用 ZEMAX軟件中的多重組態(tài)功能(Multi-configuration)如圖5所示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。將物高分別設(shè)為100mm、75mm、65mm和50mm，同時(shí)將物距和后截距設(shè)為變量，考慮到 LED的光譜分布特性，將入射波長(zhǎng)設(shè)為450nm和630nm，權(quán)重分別為0.3和1，優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖4 系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)Fig.4 Initial parameters of the system

圖5 ZEMAX多重組態(tài)數(shù)據(jù)Fig.5 Multi-configuration parameters of ZEMAX

圖6 系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果圖Fig.6 The optimization results of system

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

圖8 場(chǎng)曲及畸變曲線圖Fig.8 Field curvature and distortion curves

3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

常用評(píng)價(jià)方法有：Strehl判據(jù)、瑞利判據(jù)、分辨率、點(diǎn)列圖及傳遞函數(shù)（MTF）等。其中，Strehl判據(jù)和瑞利判據(jù)適用于小像差系統(tǒng)，點(diǎn)列圖適用于大像差光學(xué)系統(tǒng)。分辨率法以人眼作為判斷依據(jù)，具有很大的主觀性。傳遞函數(shù)（MTF）適合所有光學(xué)系統(tǒng)，MTF曲線既與光學(xué)系統(tǒng)的像差有關(guān)，又與光學(xué)系統(tǒng)的衍射效果有關(guān)，可以反映除畸變以外的所有像差，是最全面客觀的評(píng)價(jià)方法［7-8］。故通過(guò)MTF曲線結(jié)合畸變曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。不同組態(tài)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(tài)相對(duì)畸變均小于0.1%，符合系統(tǒng)要求。

4 結(jié)論

AOI技術(shù)具有高效率、高精度、高自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在PCB檢測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是AOI技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接關(guān)系檢測(cè)精度。本文設(shè)計(jì)了一種具有較高分辨率和低畸變的PCB板檢測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)，能兼顧不同型號(hào)的PCB系統(tǒng)的檢測(cè)效率和測(cè)試精度的要求，整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)范圍為50~100mm，測(cè)試精度30m，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］胡躍明，譚穎.自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)在中國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，3（4）：143-146.

［2］李薇.PCB自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，2（5）：34-40.

［3］王慶友，孫學(xué)珠.CCD應(yīng)用技術(shù)［M］.天津大學(xué)出版社，1993：243-257.

［4］雷玉堂.光電檢測(cè)技術(shù)［M］.中國(guó)計(jì)量出版社，1997：113-126.

［5］王之江.光學(xué)技術(shù)手冊(cè)：上冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987，163-168.

［6］Milton Laikin.Lens Design 4th Edition［M］.CRC Press，2007：243-269.

［7］張以謨.應(yīng)用光學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：343-357.

［8］郁道銀.工程光學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：139-148.

［9］朱筱茵，安志勇，李麗娟，等.大尺寸三維激光測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（2）：8-11.

［10］付饒，安志勇，朱海濱，等.一種基于CCD的視角視差測(cè)試新系統(tǒng)［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（1）：22-24.