PCB AOI中自动调焦及调整倍率的设计与实现

2010-08-09付纯鹤魏祥英孙明睿宋丽娟

电子工业专用设备 2010年3期

付纯鹤，魏祥英，孙明睿,宋丽娟

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊 101601)

随着电子技术的发展，用于电子组装的PCB板线宽、间距、焊盘越来越细小，已到几十微米级，复合层数最高已达到60层。传统的人工目测和针床在线测试远远不能适应现在工艺技术水平和产品批量的要求，更严重的是，有些产品缺陷是显微镜也检查不出来的，因此，检验手段己成为工艺线上必须解决的一个大问题。而PCB自动光学检测系统就是以检测出印刷线路板生产工艺造成的各种细微缺陷为目的的设备。该设备以相机获取的图像为处理目标，为了减少误检和漏检，缺陷检测算法要求图像在指定的放大倍率下有清晰的图像。此外，考虑到增强设备的适应性，并且兼顾效率和检测精度，对于不同线宽标准的PCB板，设备使用了高精度变倍镜头。当线宽较大时，可缩小成像倍数以提高效率；当线宽较小时，可以增大成像倍数以提高检测精度。如果通过人工进行设备的焦距和倍率校正，需要用调焦光栅板对每种倍率都进行校正，费工费时。而且，由于操作人员不同、评价标准单一、光栅板放置角度存在误差和图像清晰度超出人眼分辨极限等原因，会产生不确定性误差。因此，PCB自动光学检测系统中需要一种能精确快捷的自动调节焦距和倍率的方法，对于生产中微米级缺陷检测要求的印刷版，调焦的焦距误差应达到±5 μm，倍率的误差1.22‰，才能满足整机系统对采集图像环节的要求。

1 系统构成

该系统中包括工控机、采集图像的镜头、CCD、运动控制卡、步进电机，控制照明的D/A卡及光源，其中工控机控制所有的调焦、变倍、照明控制、图像采集及处理等过程。

图1 系统结构示意图

参考目标是图2所示的光栅玻璃板，该板上是固定线宽及间距的光刻线条，图形尺寸精度达到±1 μm，能满足作为调焦参照物的精度要求。光栅玻璃板安装在工作台上相应位置，固定时光栅线条的排列方向与线阵CCD方向要严格正交，从而保证板上作为已知数据的线间距与CCD上的对应测量结果能严格对应，不会因角度误差过大带来计算上的偏差。因采用的CCD像元尺寸为7 μm，如取像倍数为7：6，则物方对应的像素分辨率为6 μm，用于计算的取像宽度则为6 μm的整数倍。

图2 参考目标

2 操作流程

本系统自动调焦的思想是根据所需倍率下的理论物像距，把CCD和镜头移动到其相应的理论物像距位置。因为镜头的焦距会有一定误差，所以此时的图像并不清晰，倍率也不准确。此时设置CCD的采样步长为相应倍率下焦深的一半，并设置采样次数，CCD每移动一个步长就采集一幅图像并进行图像处理。在一定的采样次数和移动范围内，获取的图像会从不清晰到清晰然后又不清晰，软件会根据图像处理对比度的高低来推荐CCD聚焦的最佳位置。根据最佳位置时采到的图像中光栅板图像尺寸，计算出当前图像的实际倍率，并与要求进行比较，根据差值计算出物像距相应的移动量，之后通过步进电机带动镜头和CCD移动相应的距离。重复上述过程，两个循环过程内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电机位置。流程图如图3所示：

3 焦距评价

焦距评价函数应具有的特性有：无偏性、单峰性、能反映离焦极性、较高的信噪比以及计算量小等。常用的几种集聚评价函数有以下5种：

(1)高频分量法，即对图像进行傅立叶变换，提取其中的高频成分作为焦距评价函数。这种方法计算量大，不适于一般情况下的快速、实时测量；

(2)平滑法，即计算图像上相邻像素的平滑度，再对整个像面求和作为集聚评价函数，其最大值为图像的聚焦判据，该方法灵敏度不高；

图3 调焦流程图

(3)阈值积分法，即根据图像的灰度分布，选取一个阈值，并对大于阈值的灰度进行求和，其最大值为图像的聚焦判据，该方法测量精度不高；

(4)灰度差分法，这是一个形式简单但很有效的焦距评价函数，如式(1)所示：

它是利用图像的相邻像素灰度值差的绝对值之和作为焦距评价函数，即：当图像聚集时，取最大值；

(5)拉普拉斯像能函数，这是一个非常有效的评价函数，在焦距附近具有较高的灵敏度，但计算量较大，其形式如式(2)和式(3)所示，当图像聚焦时，拉普拉斯像能函数取得最大值。

根据以上分析，本系统采用一种类似灰度差分的方法，能实现快速、实时和有效的测量要求。用已知厚度、线宽及间距的光栅玻璃板作为调焦目标物，通过采集的图像计算光栅线条与间距边界的像素灰度变化曲线，若边界的灰度值过渡的曲线斜率越大，即图像越锐利，那么聚焦效果就越好。为了消除偶然误差，将图像进行y向投影得到f(x)灰度曲线，如公式(4)所示：

h为采集图像的高度，|f(x)|越大聚焦效果越好，效果如图4所示。