PCB厚密板線路檢查LED光源系統(tǒng)研究

PCB的工藝檢測能力提升直接關(guān)系到國內(nèi)、外電子行業(yè)及其他行業(yè)電子產(chǎn)品的實際能力以及長期的發(fā)展進步。隨著PCB技術(shù)的發(fā)展，PCB板呈現(xiàn)出線條更細、線距更小更高、高度差更加明顯的3大發(fā)展趨勢，并且該趨勢在最近5年得到了更加明顯的推動與體現(xiàn)；另外，針對PCB行業(yè)的儀器發(fā)展在國內(nèi)、外均處于滯后的局面，其中最主要的原因是受限于光源技術(shù)的發(fā)展，如果光源不能有效地實現(xiàn)對所關(guān)注目標的照明及信息提取，后端的測量技術(shù)，包括圖像處理算法技術(shù)應(yīng)用、精密機電技術(shù)定位等均受到極大的限制。
    針對此，國內(nèi)、外眾多學者開展了廣泛而深入的實驗研究和理論分析，因光源照明系統(tǒng)自身的改善，除了需要提高圖像的清晰程度和對比度外，更重要的是必須確保圖像提取信息的真實性，眾多學者的研究均建立在以研究直接的圖像質(zhì)量提升為目的的基礎(chǔ)上，采用類似研究方法的直接后果將會導(dǎo)致精度的控制難度加大，對于工業(yè)化及科學檢測非常不利。而2006年李俊對機器視覺光源的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，研制出應(yīng)用在電子元件貼裝系統(tǒng)的彩色環(huán)形層狀LED光源，直接改進了光源系統(tǒng)取得更好的圖像繼而提高精度。
    以PCB板實物為直接研究對象，采用實物、光源照明、圖像三者相結(jié)合的對比研究方法，除了能夠有效地獲得高圖像質(zhì)量，還可以將實際物體測試特征反饋到光源光學設(shè)計的過程當中，因此，在光源設(shè)計過程中，可以始終保持對測量精度的有效控制。
    本文研制的50°LED環(huán)形光源的打光效果區(qū)別于目前普通暗場低角度光源，可以清晰真實地體現(xiàn)PCB線路特征。不過值得注意的是，由于該LED光源是針對PCB厚密線路檢查研制的，對于PCB相關(guān)的檢測儀器有比較好的適用度。而未經(jīng)測試盲目應(yīng)用到其他測試儀器上可能會造成打光效果不好或者給系統(tǒng)帶來系統(tǒng)誤差等問題。

1 基本理論
1．1 厚密板光源設(shè)計難點
    在PCB行業(yè)的發(fā)展中，目前存在以下3大趨勢，即線條更細、線距更小密度更高、高度差更加明顯。本文使用的厚密板即是該趨勢的集中體現(xiàn)。如圖l(a)是普通光源應(yīng)用在線距大、厚度小的PCB上的光線路徑。圖1(b)是普通光源應(yīng)用在線距小、厚度大的PCB上的光線路徑。

    從圖中可以看出，普通光源在應(yīng)用于線距大厚度小的PCB上時可以將基材、線路底部和線路頂部都取得照明，且對比度良好。對PCB的實際尺寸有著良好的體現(xiàn)。而應(yīng)用于厚密板時普通光源由于光線角度小，極易被厚密的線路遮擋。致使線路和基材沒有良好的肉眼可分辨的對比度和亮度。致使進一步的基于圖像處理的測量變得非常困難。可見，厚密板的發(fā)展對光源照射造成的問題用普通光源是無法解決的。
1．2 基于定角度設(shè)計的適配環(huán)形光源原理
    通過前面的分析可以看出，要想解決厚密板的光源照射問題，同時能夠保持精度的穩(wěn)定與提升。必須基于厚密板的幾何和光學特征，有效地解決入射角度選擇以及適合應(yīng)用對象的環(huán)形光源參數(shù)配置，基于此，本文提出基于定角度設(shè)計的適配環(huán)形光源，其基本原理如圖2所示。
圖中，該光源由內(nèi)圈外殼／外圈外殼／電路板／LED／散射板組成。內(nèi)外圈外殼用于固定整個光源和內(nèi)部部件。柔性電路板上面有串并聯(lián)的線路為LED供電。而作為發(fā)光器件，LED是近似的點光源，發(fā)出的光線方向性很好，容易照成高光，而形成高光的區(qū)域會由于CCD的電特性影響相鄰像素的輸出，進而影響測量精度。故本文使用的光源前部加裝1塊散射板用于將光線亮度均勻化。

2 實驗結(jié)果與討論
2．1 普通光源照射所造成的偽圖像誤差
    圖3(a)是普通光源照射情況下所獲得的厚密線寬圖像，圖3(b)表示光源照射后的切面成像情況。

    從圖中可以清晰地看到，目前的普通光源攝取的圖像和真實的截面圖有明顯的邊緣偏差，在2X的倍率下，1像素對應(yīng)的物面尺寸為1.61μ m。偽圖像邊緣造成的線寬差別超過3像素。使得系統(tǒng)準確度大為降低。該偽圖像邊緣產(chǎn)生的原因是由于普通光源光線照射角度過小。被厚密線路遮擋大部分光線后，基材和下線寬的亮度和顏色非常接近。而一般的線寬測試中，并沒有將該偏差計入測量結(jié)果。致使測量值產(chǎn)生一個固有方向的系統(tǒng)誤差，也就是說，如果該誤差不能被消除，所測得的數(shù)據(jù)不是真實PCB的線路特征的反映。而該誤差并不能通過改變圖像的清晰程度和對比度消除，只能依據(jù)PCB厚密線路的特點去改變光源的設(shè)計來消除或減小該誤差。
2．2 厚密線條的幾何特征對于光源設(shè)計的影響
    圖4是相鄰厚密線條切片采集圖像。

    從圖4可以看到，線條高度／線距比例已接近1／2。即，則角度為27°。當使用厚密板作為線路檢查的對象時，所需的光源光線入射角度比普通光源所能提供的光線角度大得多。要想得到清晰且對比度良好的圖像，必須提高光源的角度到某個合適的值，同時綜合考慮基材和線路的光學特性。
2．3 本文設(shè)計的定角度適配環(huán)形光源
    基于以上條件，本文設(shè)計了專用于PCB厚密板的適配環(huán)形光源，為考核光源的實際效果，將光源和鏡頭對準PCB上同一區(qū)域。鏡頭倍率也調(diào)節(jié)至相等。采集到如圖5所示的對比圖像。

    從圖5可以看出，使用普通光源僅僅能將上線寬附近的法線方向接近水平45°的線路照亮，如圖5(a)中兩根橫向亮線。由于厚密線路對光線的強烈遮擋作用，基材部分亮度非常低且接近下線寬亮度，肉跟幾乎不可分辨其差別。而由于線路表面的反射接近鏡面反射，導(dǎo)致到達線路表面的光線不能進入鏡頭的收光光錐，上線寬以內(nèi)亮度也非常低。圖像沒有將PCB線路信息有效記錄，分析下線寬的精度很低且上線寬有固定系統(tǒng)誤差。而使用本文設(shè)計的適配光源的圖像，均勻度和清晰度良好。由于光源角度經(jīng)過仔細考慮，使得基材／線路過渡／線路表面的亮度呈現(xiàn)出階梯式上升且不同特征之間過渡區(qū)域小，有利于提高測試精度，實現(xiàn)對所關(guān)注線路的照明及信息提取。對于圖像處理來說是非常理想的源圖像。

3 結(jié)論
    為了解決現(xiàn)有普通光源對于PCB厚密線路檢查的問題，本文對普通低角度光源的照明偽圖像誤差進行分析，討論了厚密線條的幾何和光學特征對光源設(shè)計的影響。最后，提出并設(shè)計一種基于定角度設(shè)計的PCB厚密板線路檢查專用光源。實驗表明，該光源的打光效果區(qū)別于普通的暗場低角度環(huán)形光源，可以較好地從系統(tǒng)前端解決目前存在于厚密板PCB線路檢測中的難題。實現(xiàn)了對所關(guān)注目標的照明和準確的信息提取。基材／過渡區(qū)／上線寬的圖像均勻度高，對比度良好。對后端圖像處理和信息提取的意義非常大?？梢詮V泛應(yīng)用于以線寬檢測機為代表的PCB檢測設(shè)備中。