中心議題：

• PCB厚密板線路檢查基本理論
• 實驗結果與驗證

解決方案：

• 厚密板光源設計難點
• 基于定角度設計的適配環(huán)形光源原理
• 普通光源照射所造成的偽圖像誤差
• 厚密線條的幾何特征對于光源設計的影響

PCB的工藝檢測能力提升直接關系到國內(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的發(fā)展，如果光源不能有效地實現(xiàn)對所關注目標的照明及信息提取，后端的測量技術，包括圖像處理算法技術應用、精密機電技術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上，采用類似研究方法的直接后果將會導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鍵技術進行研究，研制出應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計的過程當中，因此，在光源設計過程中，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相關的檢測儀器有比較好的適用度。而未經(jīng)測試盲目應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?？梢?，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。
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2實驗結果與討論
　　
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像素對應的物面尺寸為1.61μm。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本文設計的定角度適配環(huán)形光源
　　
基于以上條件，本文設計了專用于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。
　　
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計的影響。最后，提出并設計一種基于定角度設計的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)了對所關注目標的照明和準確的信息提取?；模^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泛應用于以線寬檢測機為代表的PCB檢測設備中。