（信号与信息处理专业论文）基于高分辨率pcb图像的缺陷检测技术研究.pdf

摘要 摘要 目前，p c b 制造向高密度多层板发展，p c b 各层板的加工质量对于整板质量 影响重大。要保证p c b 各层板的加工质量，就必须对p c b 各层板进行质量检测。 面对高密度多层板的现代p c b 产品，采用传统的检测方法已无法满足实际需要， 而采用自动光学检测系统能克服传统检测的不利因素，可以提高检测分辨率和精 度、提高生产效率，降低生产成本。 本研究课题结合学科发展趋势和实际应用需求，在参考大量文献和分析传统 的p c b 图像采集与处理系统的基础上，着眼于研究基于高分辨p c b 图像的缺陷 检测技术，主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 深入了解机器视觉的应用和发展，在分析和总结缺陷自动检测技术的基 础上，对基于高分辨率图像的p c b 缺陷检测的方法进行研究。 ( 2 ) 应用现有的图像扫描系统平台，研究高分辨率图像采集与处理系统的设 计，并根据p c b 图像特点对系统进行改进。 ( 3 ) 研究图像预处理的通用方法，总结图像处理的一般规律，提出了针对高 分辨率p c b 图像实际要求的预处理算法。 ( 4 ) 研究和比较传统的p c b 缺陷检测算法，深入分析p c b 缺陷的特征，并 根据特征，锌对具体的p c b 缺陷提出了基于缺陷几何特征的检测和识别算法。 ( 5 ) 在v c + + 6 0 平台上编写各种算法的程序，将图像采集系统与p c b 缺陷 检测系统软件联合测试，实现在- p c b 缺陷检测应用。 ( 6 ) 对研发的p c b 缺陷检测系统进行实验研究，对实验结果和理想结果进 行对比分析，根据分析结果对图像处理和检测的算法进行优化，验证其实用性与 可靠性，在此基础上探讨进一步提高系统性能与精度的途径。 关键词：机器视觉图像处理p c b 质量检测缺陷 广东t 业大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , p c bi sd e v e l o p i n gw i t ht h eo r i e n t a t i o no f h i g h - d e n s i t ya n dm u l t i - l a y e r s ， a n dt h em a c h i n i n gq u a l i t yo fe v e r yl a y e rw o u l da f f e c tt h eq u a l i t yo ft h eb o a r d t o e n s u r et h ep c b sm a c h i n i n gq u a l i t y , e v e r yl a y e rs h o u l db ed e t e c t e d t h et r a d i t i o n a l d e t e c t i o nm e t h o da n da l g o r i t h m sc a nn o tm e e tt h en e e do ft h em o d e mp c b p r o d u c t w h i c hi sh i g h - d e n s i t ya n dm u l t i l a y e r s h o w e v e r ，o nt h ec o n t r a r y , t h ea p p e a r a n c eo f a o i ( a u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t i o n ) a m e l i o r a t e sa l lt h e s ed i s a d v a n t a g e sb r o u g h tb y t h et r a d i t i o nm e t h o d ss i g n i f i c a n t l y , w h a ti sm o r e ，a o ii m p r o v e st h ep r e c i s i o na n d r e s o l u t i o n , e n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo fm a n u f a c t u r i n ga n dd e c r e a s e st h ec o s t so ft h e p r o d u c t i o n a s s o c i a t e dw i t ht h es c i e n t i f i cd e v e l o pt r e n da n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , a n db a s e d o nah u g en u m b e ro fr e f e r e n c e sa sw e l la st h ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a lp c bi m a g e a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s i n gs y s t e m , t h er e s e a r c hw o r kf o c u s e do nd e f e c t s d e t e c t i o nm e t h o d sa n da l g o r i t h m sf o u n d e do nt h eh i g hr e s o l u t i o np c b i m a g e ，w h i c h c a nb ed i v i d e di n t os e v e r a la r e a s ： ( 1 ) t h r o u g ht h et h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go fm a c h i n ev i s i o na n dt h eh e l po fs u m m a r yo f d e f e c t sd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , t h ea o is y s t e mw a sa p p l i e d 邵t h em e t h o d o l o g yt o i n v e s t i g a t et h ed e f e c t sd e t e c t i o na l g o r i t h ma n dr e a l i z a t i o nb a s e do nh i g hr e s o l u t i o n p c bi m a g e 。 ( 2 ) v i at h ee x i s t e di m a g es c a n n i n gs y s t e mp l a t f o r m ，t h er e s e a r c hi m p r o v e dt h ed e s i g n o fa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m , s i m u l t a n e o u s l y , t h eb r a n d n e wa l g o r i t h ma n d i d e a t i o n , w h i c hw a sb a s e do nt h ep h y s i c a lf e a t u r e so fp c ba n dl o t so f e x p e r i e n c e o ne x p e r i m e n t ，a t t a i n e dt h er e l a t i v e l yh i g hq u a l i t yi m a g es i g n a l ( 3 ) w h e ni tc a m et o t h ei n v e s t i g a t i o no fi m a g ep r e t r e a t m e n t 。t h er e s e a r c hw o r k c o n t r a c t e dw i t hn o r m a lp r e t r e a t m e n ta d v a n c e dah i g hr e s o l u t i o np c bi m a g e p r e t r e a t m e n ta l g o r i t h m a n dt h i se v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mn o to n l ym e tt h e r e q u i r e m e n to fh i g hc a l c u l a t i o na m o u n ti nh i g hr e s o l u t i o ni m a g e ，b u tg a i n e dt h e h s a r i s f i e do u t c o m e s ( 4 ) c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m i nd e f e c t sd e t e c t i o n , t h er e s e a r c h p e n e t r a t e di n t ot h eg e o m e t r i c a lc h a r a c t e r so fp c b ，a n dt h e nf i g u r e do u tan e w d e f e c t sd e t e c t i o na l g o r i t h mc o n c e r n e dw i t hg e o m e t r i c a lf e a t u r e so f t h ed e f e c t s ( 5 ) d e v e l o p e dt h e s o t t w a r eo nt h e p l a t f o r mv c + + 6 0 c o m b i n e dt h ei m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e m , t h ep c bd e f e c t sd e t e c t i o ns y s t e ma n dt h ei m a g ep r o c e s s i n g s y s t e m , a n dr e a l i z e dt h ea p p l i c a t i o no nt h ep c bd e f e c t sd e t e c t i o n ( 6 ) t e s t e da n da m e n d e dt h ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s to f t e s t i n gr e s u ra n dm e a lr e s u k t h e nd i s c u s s e dh o w t oe n h a n c ep e r f o r m a n c ea n d a c c u r a c yo f t h es y s t e ma f t e rs y s t e m sr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yt e s t e d k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o ni m a g ep r o c e s s i n g p c bq u a l i t yi n s p e c t i o n d e 凫c t sd e t e c t i o n m 广东1 = 业大学t 学硕十学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并 表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 声明。 8 0 指导教师签字： 穆红 论文作者签字：制订之 2 0 0 7 年岁月2 3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 i ic c d 扫描技术与a o i 应用概述 电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ，c c d ) 是一种以电荷为信号载体的微 型图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，其输出信号 通常是符合电视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行 图像采集、存储、增强、识别等处理。c c d 传感器的像素集成度、分辨率、几何 精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动 物体的拍摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、 体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固 耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时问工作于恶劣环境、便于进行数 字化处理和与计算机连接等优点【，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得 到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域 之一。 c c d 从结构可以分为线阵和面阵c c d 两种。面阵c c d 的优点是可以获取二 维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少， 帧幅率受到限制，而线阵c c d 的优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数较 面阵c c d 相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，适用于大幅面高分辨率的 图像扫描。目前线阵c c d 的分辨率已经做得很高，例如，日本东芝公司制造的 线阵c c d 最高象素为1 0 5 5 0 ，法国t h o m s o n 公司制造的线阵c c d 可以达到1 2 0 0 0 ， 而以色列的卫星的星上相机的c c d 探测器采用了更长的线阵( 为1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 像元) 。 由于制造技术的发展和制造精度的要求不断提高，传统的人工目测( m v i ) 和针床在线测试o c t ) 检测因“接触受限”( 电气接触受限和视觉接触受限) 所 制，已不能适应现在的制造技术发展，基于c c d 扫描技术的自动光学测试( a o i ) 在工业生产中，已被广泛采用。各工序a o i 的出现几乎完全替代人工操作，克服 广东t 业大学- 学硕士学位论文 人工目检的局限性，对提高产品质量、生产效率都是大有作为的。a o i 与人工检 查相比更快更准确，且节省人力成本；a o i 与x 光检查相比，由于x 光不能满足 电路板尺寸、厚度、重量和周期时间的要求，而a o i 应用更广。所以，a o i 可以 相对少的成本控制生产质量，减少成本高的回流后返修等。 a o i 的主要生产厂家有英国的d i a g n o s y s ，美国的t e r a d y n e ，日本的o m r o n ， 以色列的o r b o t e c h ，c a m t e k ，爱尔兰的m v t 等公司，国内有明信电子。o m r o n 公司在a o i 市场上的占有率较高，o m r o n 的专利技术c h s ( c o l o u rh i g h l i g h t t e c h n o l o g y ) 及自动位置校准是独一无二的技术，它的优越性在于检测准确，误 判率低。 1 1 2p c b 缺陷检测 现代电子设备性能的优劣，不但受电子元器件本身质量和性能的影响，而且 在很大程度上取决于p c b ( p r i m e dc i r c u i tb o a r d ，印刷电路板) 质量的好坏。p c b 是电子系统中不可或缺的重要组成部分，p c b 缺陷检测技术是关系到电子系统质 量和生产周期的重要环节，得到了国内外专业人士的重视。理想的p c b 缺陷检测 系统要求在加工过程中实现在线实时检测，提高p c b 的可靠性和生产效率，从而 提高电子系统可靠性及生产效率，降低生产成本。 对于p c b 质量的检测，传统采用人工检测和飞针检测。人工检测有以下的缺 点：l 、不稳定，容易漏检。由于人工检测主观性大，判断标准不统一；人眼检测， 眼睛容易疲劳，会造成故障不能被发现的问题。2 、效率低下。对于高密度和图形 复杂的p c b 板，人工很难实现快速高效的检测。3 、现在设备成本在下降，仍用 大量人工检测的话，成本太高。4 、数据收集和实时统计困难。与信息化管理要求 相比，人工检测难做到大量数据收集和统计。 飞针检测主要有以下缺点：由于逐点检测，飞针测试时间很长；因为物理地 接触通孔和焊盘，有可能造成板的损伤；在没有焊盘的地方探针会接触到元件引 脚，所以可能会错过松脱或焊接不良的元件引脚：探针测试机还限制电路板的尺 寸。 随着高密度多层印刷线路板的广泛使用，常规的检测技术己经不能满足实际 应用的需要。此时，由于视觉检测技术固有的经济、快捷、高效、灵活等优点， 2 第一章绪论 人们开始重视视觉检测技术并将其应用到p c b 缺陷检测中，逐渐形成了p c b 缺 陷检测技术新的发展方向一p c b 缺陷视觉检测技术。 现在的p c b 布线密度高，间距小，己经达到用肉眼难以分辨的地步；加上它 是大批量生产，而现代生产质量管理越来越要求对零部件、产品进行百分之百的 质量检验，而非抽样检查；而且p c b 正向高密度多层板发展，若在最后一道工序 中发现p c b 有缺陷不能使用，那么代价是相当大的。由于生产现场各种环境因素 的影响，加工制造过程中各种误差的存在，电路板在生产制造过程中有可能产生 各种各样的缺陷。因此，对p c b 的光板缺陷进行检测，及时发现错误是降低生产 成本和保证电路扳质量的必要环节。 p c b 的缺陷主要有：焊盘缺陷，如短缺垫、缺口、及直径减小、压陷、凹陷、 突出等；线条缺陷，如短路、断路、线宽、线距、缺口、尺寸位置错误和孔堵塞 等。单靠传统检测方法己无法适应现代大批量、高密度印刷电路板生产的需要， 必须研制出一套高性能的自动检测设备取代之。由于a o i 策略有上述的优点，被 广泛应用于p c b 的缺陷检测，其工作流程为：通过摄像头自动扫描p c b ，获得 p c b 板的照明图像并数字化，测试的图像数据与数据库中的合格的参数进行比较， 经过图像处理，检查出p c b 上缺陷，通过显示器或自动标志把缺陷显示标示出 来，且可自动向操作者发出信号，触发执行机构自动取下不良组件，进行缺陷分 析和统计等功能。 a o i 方法在p c b 缺陷检测中的典型流程如下： 图1 - l典型a o i 应用流程 r i g1 - lt y p i c a j a o ip r o c e s s 广东丁业大学t 学硕十掌位论文 1 1 3 课题研究的背景和意义 随着生产与科学技术的迅速发展，对测量方法的精确度、测量效率以及测量 的自动化程度的要求也越来越高。传统的检测手段已经在精确度和速度上满足不 了高密度p c b 缺陷检测的实际需要，研究高分辨率p c b 图像的缺陷自动检测技 术显得非常必要。本文应用线阵c c d 扫描技术，基于p c b 图像，提出一系列针 对具体p c b 缺陷的检测算法，研究对p c b 进行动态、高速、高精度的缺陷检测。 研究基于高分辨率图像的p c b 缺陷检测技术的意义在于，它用自动检测代替人工 检测的方式，在p c b 进行后续加工前及时发现错误，降低返修率，达到提高生产 效率和产品质量、降低成本的目的。这不仅具有很好的经济价值，更是促进电子 工业发展的关键。 1 2 国内外研究现状及发展方向 目酊的p c b 缺陷检测方法主要有接触式检测和非接触式检测，接触式检测设 备又主要有两种形式：针床式和飞针式；非接触式主要方向是a o i 。接触式在p c b 发展早期发挥了重要作用，现在则是非接触式特别是a o i 成了主要的检测手段。 a o i 方法可归纳为三类；基于参考比较的检测方法、非参考检测方法和混合型检 测方法。在检测精度上，多数用面阵c c d ，分辨率不商，也有些用线阵c c d ，本 课题采用每行5 0 0 0 个点的线阵c c d 实现高分辨率图像缺陷检测。 国外从上个世纪7 0 年代开始，就开展了基于图象检测技术和c c d 扫描技术的 应用研究。在工业领域，美国、日本、以色列、加拿大、荷兰等国家均投入了大 量的人力、物力和财力，并在c c d 图像扫描检测的研究和应用方面取得了令人瞩 目的成果。比如美国h p 公司、泰瑞达( t e r a d y n e ) 、日本的o m r o n 公司、以色列 等均推出了不同类型的a o i 自动光电检测系统。在p c b 检测方面，有美国的 c y b e r o p t i c s 公司，以色列的o r b o t e c h 和c a m t e k ，日本的a v i o 、d n s 等。其中 0 r b o t e c h 是最成功也是最早生产p c b 检测设备的公司，从在中国市场的占有率来 说，0 r b o t e c h 和c a m t e k 是主要供应商。o r b o t e c h 的检泓设备高达6 0 ，面c a m t e k 的占有率为3 0 以上。但从增长情况看，c a m t e k 的上升速度更快些。检测精度上， o r b o t e c h 公司的d i s c o v e r y 系列有在1 0 0 微米下每小时2 0 0 多面的高产量，和3 5 微米 线间距的精度；c a m t e k 公司的d r a g o nh d l l 面向高端及大批量生产，能达到精度 4 第一章绪论 3 0 微米；c h r i s t o p h e r a s s o c i a t e s 公司推出的面向超微细线几何图形的p i 8 7 0 0 自动光 学检测( a o i ) 系统，可以对线宽小至1 2 5 微米的几何图形进行检测。 国内在p c b 缺陷检测方面有不少研究成果被提出来，中国电子科技集团公司 第四十五研究所的具有自主知识产权的j c 5 0 0 ，它具有检测高效、准确以及灵活 性、自动对准等特性。台湾地区也有高校和研究机构进行这方面的研究工作，研 究范围包括印刷电路板的尺寸检测、缺陷辨识和线路检测等。目前台湾工业研究 院已经研制成功底片检查机并己经形成产品应用于生产，但是在p c b 光板检测上 仍然没有获得较大进展。国内来看，这类设备大多依赖进口，价格昂贵，且有些 操作不适合国内操作人员习惯，而中小型企业的p c b 板多数没有经过检测，所以 p c b 自动测试设备在中国具有很大的发展潜力。 1 3 论文的主要研究内容 本课题主要研究基于高分辨率p c b 图像的缺陷检测技术，研发性能价格比较 高，实用性比较强的图像采集处理系统，并在现有平台上进行缺陷检钡技术的方 法研究和实验研究。 本论文的目标是针对p c b 检测问题，实现有定位基准情况下的孔位、孔径检 测，短路、开路缺陷( - 1 2 线宽) 检测，污点、空洞检测等。 本文采用的系统基于线阵c c d ，由精密机械扫描位移控制系统、照明系统、 图像采集系统、工业控制计算机和图像检测识别软件组成。本系统要求高速、高 精度和高可靠性运行。下面对整套系统各单元作简单介绍【2 】： ( 1 ) 精密机械位移扫描控制系统 精密机械位移扫描控制系统主要完成精密工作台微米级精度运动控制、p c b 的自动定位等功能。控制系统由主控计算机、精密滚珠丝杆、步进电机、运动控 制卡、i o 接口板等组成，实现一维坐标和外围i o 接口控制，保证运动的准确性 和快速响应性。 ( 2 ) 光学照明系统 光学照明是由l e d 光源完成的，为测量系统提供一套高稳定光源，使成像系 统能获取被测物体的图像信息。其主要功能是控制光源的开关、亮度和照射方向 等。 广东丁业大学1 ：学珂i 十学位论文 ( 3 ) 图像采集系统 由线阵c c d ( 5 0 0 0 位7 u m ，位扫描频率为1 m h z ) 以及实时图像采集接口 卡组成。摄像头所获取的视频图像信号传送到图像采集卡，主控计算机将采集的 视频图像信号处理后，将结果返回给主控程序，通过显示器就可以对图像进行实 时观测并完成其它相应的控制过程。 ( 4 ) 数据处理系统 由测试软件配合工控机完成数字信号的实时处理，并将处理结果发送至显 示终端。主控计算机是整个控制系统的核心，实现整机数据的采集传送、分析处 理功能，并向各部分发出指令，完成机械位移、图像实时采集、图像处理及p c b 缺陷检测功能。 本学位论文应用线阵c c d 扫描技术，基于高分辨率p c b 图像，在研究和分 析传统图像处理和缺陷检测算法的基础上，针对具体的p c b 缺陷检测识别问题， 主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 深入了解机器视觉的应用和发展，在分析和总结缺陷自动检测技术的基 础上，对基于高分辨率图像的p c b 缺陷检测的方法进行研究。 ( 2 ) 应用现有的系统平台，研究高分辨率图像采集与处理系统的设计，并根 据p c b 图像特点对系统进行改进。 ( 3 ) 研究图像预处理的通用方法，总结图像处理的一般规律，提出针对高分 辨率p c b 图像实际要求的预处理算法。 ( 4 ) 研究和比较传统的p c b 缺陷检测算法，深入分析p c b 缺陷的特征，并 根据特征针对具体的p c b 缺陷提出了检测和识别算法。 ( 5 ) 在v c + + 6 0 平台上编写各种算法的程序，图像采集系统与p c b 缺陷检 测系统软件联合测试，实现p c b 缺陷检测。 ( 6 ) 开展实验研究，对实验结果和理想结果进行对比分析，验证其实用性与 可靠性，在此基础上探讨提高系统性能与精度的途径和方法。 综上所述，本论文课题的理论研究与应用研究具有一定的科学前沿性，同时， 也具有重要和广泛的实际应用前景。 第一章绪论 1 4 本章小结 在本章中，首先讨论了基于高分辨率的p c b 图像缺陷检测技术研究的重要意 义及其目的，讨论和总结了课题国内外研究现状及发展趋势，并结合课题应用实 际，给出了系统的基本结构，最后说明了本课题的主要研究工作。 广东工业大学t 学硕十学位论文 第二章高分辨率p c b 图像采集处理系统的设计 对p c b 缺陷进行光学自动检测和识别，首先就是要获取高质量的p c b 数字 图像。图像采集在整个p c b 缺陷检测和识别工作中是非常关键的一步，这是因为 p c b 数字图像是整个后续工作的基础。如果采集到的图像不能真实、丰富地表现 原电路板的细节，那么对它的检测和识别就不能得出正确的结果【甜。设计出高质 量的图像采集系统，通过实验选取合适参数并获得高质量的p c b 图像是进行图像 检测的第一步。 2 1 系统总体结构及原理 机器视觉研究的目的之一就是要寻找人类视觉规律，从而开发出从图像输入 到自然景物分析的图像理解系鲥4 l 。它通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图 像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变 成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据 判别的结果来控制现场的设备动作。其模块组成如图2 - 1 所示： 图2 一i 典型的机器视觉组成 f i g 2 - 1m a c h i n ev i s i o ns y s t e m 由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设 计信息以及加工控制信息集成，因此越来越受到人们重视。自动光学检测( a o i ) 正是以机器视觉为基础，综合运用图像处理、精密测量、模式识别和人工智能等 技术的非接触检测方法。在现代自动化生产过程中，人们将a o i 系统广泛地用于 成品检验和质量控制等领域，如印刷电路板的视觉检查，钢板表面自动探伤【5 】， 机械零件的自动识别分类【6 】几何尺寸测量，特征字符识别等。 i 第二章高分辨率p c b 图像采集处理系统的设计 本论文采用的基于线阵c c d 的图像采集处理系统要求高速、高精度和高可 靠性运行。其原理框图如图2 2 所示： 图2 2 检测系统结构框图 f i g2 - 2b l o c kd i a g r a mf o rt h es y s t e m 系统工作过程如下：精密机械步进扫描系统装置将被检测物传输到自动视觉 检测工位，并按要求的纵向扫描分辨率控制精密机械位移扫描速度，扫描系统通 过接口线路( c c d 内、外同步扫描信号) 向自动视觉检测系统发出准备就绪信号， 被检测物图像由c c d 器件获取后，送入图像采集卡进行数字化，之后传送并存 储到工控机，然后对图像进行必要的预处理，包括滤除噪声干扰和图像锐化等， 然后依据p c b 图像处理和检测算法，实现高速自动阈值选取、高精度图像二值化， 最后运用缺陷特征检测算法，实现最终的p c b 缺陷检测、识别目的。 2 2 光学系统设计 在一个a o i 系统中，位于摄像机前端的部分包括了光学系统和机械系统。光 学系统包括照明和成像透镜系统两部分；机械系统指的是送料系统，它把被测工 件定位在合适的位置。 光学系统对c c d 的成像质量有着十分重要的意义，它担负着传递目标光学 信息的作用，直接影响c c d 成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸 变等多项性能参数。尽管有关的硬件、软件、成像和摄像机技术都有了长足的进 步，但是在自动视觉检测系统中，照明方式的设计依然是一个十分关键的环节嘲 采用适当的照明方式可以提高系统的精度，增强系统的可靠性，减少系统的响应 时间。 针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。在设 计光源时首先要确定需区分的各部分间的不同。从光学的角度讲，这些区别主要 9 广东t 业大学t 学硕十学位论文 体现在【2 l ： ( 1 ) 反射系数的不同，是镜面反射还是漫反射； ( 2 ) 颜色的区别，发送光和反射光波长的不同，会显现出不同的颜色： ( 3 ) 光的传播介质和折射的不同； ( 4 ) 物体表面的材质、高度、朝向等的不同。 根据这些差异，可以采用不同颜色、强度、方向、直射或漫射等光源使各部 分问的区别在采集的图像上明显地表现出来。 对于成像测量法，光学系统的作用是将被测物体成像在c c d 光敏面上。c c d 对光学系统的基本要求是：成像清晰、透光率强、杂散光少、像面照度分布均匀、 图像畸变小、足够的相对孔径等。 一般来说，自动视觉检测系统中照明系统的设计应该遵循以下原则【9 】： 1 、确定被测部分或特征，使被测部分或特征清楚的与周围的背景区分开来。 例如，使两者的灰度值的差别尽可能地大，尽量增强被测部分或特征的边缘的对 比度等。因为与人们可以用透视、阴影、视差和个体经验等线索从图像中得到信 息不同，自动视觉检测系统必须使用预先定义好的程序，例如滤波、图像减运算、 边缘增强等技术才能从图像中找到所需的信息，所以如果可以把欲检测的物体和 背景清楚的分开，那么就可以大大减少了图像处理算法的复杂性，从而减少图像 处理的运算时间，也减少了软件开发的时间和难度。在被测物体下面放置深色垫 板作为背景，可以增强前景与背景的对比度。 2 、减少反光。因为p c b 上的铜箔反光会在二值化时造成背景和目标的混淆， 给后续的识别带来很大干扰，所以要尽量采用方向性强的光照，调整好照射角度， 减少反光进入镜头。 3 、尽量减少环境光的影响。白天和夜晚的环境光照变化大，对图像采集会造 成干扰，所以要通过增强光照强度和在封闭光照系统下采集图像以屏蔽其他环境 光干扰。 在p c b 视觉检测系统中，为了达到实时检测，图像提取的质量是十分关键的， 为获得一幅最佳待测图像，让被测物体特征从复杂背景中凸显出来，在2 d 量测 中使用的照明方法有：( 1 ) 正向光源：光源与c c d 同侧。检测物体表面特征时 多采用正向光源。( 2 ) 背向光源：光源与c c d 不同侧，背向光源使被测物体产 生对比强烈的轮廓，可用来对物体轮廓尺寸进行检测和p c b 过孔检测。 第二章高分辨率p c b 图像采集处理系统的设计 在高速图像提取时，辅助照明光源的光强大小和稳定性对图像质量影响很大。 过弱或过强的辅助光照都会使提取的图像质量变坏，几乎无法进行后续处理。为 了获取高品质的待测图像，需要实时调整辅助光源的光强。当光源的光强太大或 太小时，会超出摄像机传感器所能处理的范围，从而使输出的模拟信号出现在数 据采集条件要求之外，这些灰度级将被简单地置0 或2 5 5 ，导致不真实地反映被 测物体的信息，这样经过a d 转换后进行数据处理的结果会影响测量的准确度， 使误差表现较大。 有两种方法使得c c d 信号保持在线性范围内，一种是通过调节外部光照强 度，另一种是通过调整c c d 感光时间( 积分时间) 。在本文采用的系统中，有专用 软件可以实时观察信号的强度，通过调节光圈和光强并根据软件中的信号反应来 调试出最佳的光照和设置适合的c c d 积分时间。 通过图像采集实验发现，单光源的照射会对p c b 的导线边缘造成失真，所以 要通过双向照射的方式对其补偿，以达到较好的效果。 i ( = 雹f 砥厂画 图2 - 3 双光源光照系统 f 螗2 - 3o p t i c 柚s y s t e mw i t hd o u b l el i g h t 通过改进后的光照系统扫描结果与单光源的结果对比如下： 广东丁业大学1 ：学硕士学位论文 单光源f 采集的截图双光源f 采集的截豳 图2 - 4 改进光照系统后的结果对比 f i g2 - 4 r e s u l tc o n t r a s to ft w oo p t i c a ls y s t e m 从图2 - 4 比较可以看出，单光源照射下。p c b 的过孔失真，这会对后续的孔 径检测造成干扰，而采用双光源则较好地反映了过孔的真实细节，为后续的孔洞 识别提供了较高质量的信息。 2 3 高分辨率线阵c c d 2 3 1 电荷耦合器件( c c d ) c c d 不但具有体积小、重量轻、功耗小、寿命长、工作电压低、不受电磁干 扰和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方 面的优越性，也是其他摄像器件无法比拟的【。”。 c c d 的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移，因此，c c d 的基本工作原理 是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。c c d 的主要特性参数包括光敏面尺寸、 象素尺寸( 相邻象素间距) 、分辨率、电子快门速度、同步系统的方式、最小照度、 灵敏度、信噪比等。其中摄像机制式和是否在线检测决定了图象采集卡的采样频 率，光敏面尺寸、象素尺寸、分辨率以及成像透镜系统的放大率的平衡选择取决 于测量范围和测量精度【9 】。 本研究课题的图像处理系统选用t o s h i b a 公司生产的t c d l 5 0 1 d 型双沟道 二相线阵c c d 电荷耦合器件作为图像获取设备。其有效像敏单元数为5 0 0 0 ，像 敏单元尺寸为7 u m 长，7 0 m 高，中心距亦为7 0 m ，像敏区总长为3 5 m m ，最高驱 动频率1 2 m h z 。t c d i s 0 1 d 的原理结构如图2 - 4 所示。它的有效像敏单元分奇、 偶两列转移并分别由o s i 和o s 2 端口输出。驱动脉冲由时钟脉冲中l 、0 2 ，转 移脉冲c p s h ，复位脉冲( p r s ，钳位脉冲中c p 构成。其中钳位脉冲使输出信号钳 制在零信号电平上。 图2 - 5t c d l 5 0 1 d 原理结构图 f i g2 - 5c i r c u i td i a g r a mo f t h et c d l 5 0 1 d 2 3 2c c d 驱动时序发生器 c c d 应用的关键是驱动信号的产生及输出信号的处理。对于c c d 芯片， 其转换效率、信噪比等光电转换特性只有在合适的时序脉冲驱动下，才能达到器 件工艺所规定的最佳值，从而输出稳定可靠的视频信号。 由于c c d 图像传感器是以时间积分方式工作的，光积分时间可以在很宽的 范围内调节所以输出信号易于进行数字化处理，容易与计算机连接组成实时自动 化测控系纠7 1 。课题中，积分时间控制信号m 0 m 3 均为标准t t l 电平控制，其 设置范围为0 0 0 0 1 1 1 1 ，分别控制1 6 档积分时间变换；0 0 0 0 时间最短，1 1 1 l 时 间最长。实际驱动时间的长短与驱动频率以及c c d 器件的不同而不同。在不同 的积分时间工作下，采样同样一帧信号所用的时间差别很大。对于连续运动扫描 的场合，通常要求信号的采样速度快，积分时间要求短，因而在测量时应该在保 证曝光量的情况下，将积分时间尽量调小。本课题选用的线阵c c d 积分时间为 o o o o 档，驱动频率为最佳工作频率1 m h z 。将该驱动器通过a d 采集卡与计算机 联接，则可以通过软件动态设置积分时间。驱动频率可以通过改变驱动板上的拨 广东t 业大学t 学硕十学位论文 动开关的相关位的状态进行手工设定。 内同步工作方式是用摄象机内同步信号发生电路( 晶体振荡电路) 产生的同 步信号来完成操作；外同步使用一个外同步信号发生器，将同步信号送入摄象机 的外同步输入端。课题应用中，用外同步信号可实现在线阵c c d 与被测物体相 对运动加速、恒速、减速的过程中都能进行在运动方向上保持相同位移分辨率的 高精度检测。 2 4 图像采集卡 课题中图像采集卡选用天津耀辉光电技术有限公司开发、研制出的基于p c i 总线的a d a i i g h p c i 数据采集卡。其原理功能框图，如图2 - 6 所示： 图2 - 6图像采集卡原理功能框图 f i g2 - 6c i r c u i td i a g m no fi m a g ea c q u i s i t i o nc a r d c c d 在驱动脉冲作用下输出的视频信号送到a d 转换器的模拟信号输入端。 驱动器的行同步脉冲f c 和像元同步脉冲s p 分别送到同步控制器的输入端，使同 步控制器与线阵c c d 的输出同步。同步控制器受到计算机软件经p c 总线信号控 制的地址总线及地址译码器产生的控制命令工作，产生与像元同步的启动a d 脉 冲，使a d 转换器在c c d 输出像元信号的有效时间进行转换。转换结束，转换 器产生结束信号脉冲回送给同步控制器，同时将三态数据送到a d 数据线上。a d 数据线和存储器的数据线相连。同步控制器接收到转换完信号后，产生写脉冲， 写脉冲分别作用于a d 器件与存储器，使a d 器件的三态数据线有效，并将其写 入地址计算器所指定的存储器空间。数据存储后给地址计数器送一个计数脉冲使 1 4 第二章高分辨率p c b 图像采集处理系统的设计 其加1 。然后同步计数器接受下一个s p 信号，进行下一个c c d 像元的输出信号 当n 次转换后( n 为线阵c c d 的总像元数) ，地址计数器产生溢出信号。同 步计数器得到溢出信号后，通知计算机一行线阵c c d 的所有像元均已转换完毕， 并存储在存储器内。计算机通过软件操作地址总线，控制同步控制器将采集卡上 所存的数据读入计算机内存。 图像采集卡的性能和主要技术指标如下： 接口p c i 标准接口 采样精度 1 2 b i t 最高采样频率3 m h z 大容量缓存3 2 k b y t e a d a l l g h p c i 采集卡采用a d 公司生产的高性能a d 器件a d l 6 7 2 作为核心 器件，卡上自带大容量静态缓存；支持多种用户设定功能，这些功能可通过软件 设定，其中包括c c d 驱动器的积分时间，采集行数及采集像元数。积分时间的 设定是由接口软件给出，由a d a l l g h p c i 采集卡输出至c c d 驱动器，从而达到 控制积分时间的目的。 2 5 精密机械位移扫描装置及其设置 线阵c c d 摄像机使用的成像器件是线阵c c d 传感器，一次只能探测物体的 一个条状部分，所以要实现二维成像，摄像头和物体必须相对运动，把每次探测 到的结果衔接起来以得到完整的面阵图像。高精度机械扫描位移装置就是为此设 计的，包括光学平台、电动位移平台、步进电机及其驱动器和步进电机运动控制 卡。 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电动机，其机械角 位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比。故而，改变脉冲 输入，步进电机就可以方便地快速起动、反转、制动和变速。当停止脉冲输入， 而让最后一个控制绕组持续地通直流电时，步进电机转子就可固定在最后一个脉 冲所控制的角度上，使它具有停车定位的能力。 在p c b 板图像检测应用中，工作台自动运动到摄像头位置，进行图像摄取动 作。即使程序已经设置了与这些动作有关的数据，但如果因机械运动精度发生变 化等原因，使其中的参数发生了改变，也会导致不能完成正确的检测过程。要实 广东丁业大学t 学硕十学位论文 现工作台更加精密准确运行，须采用由交流伺服电机驱动精密滚珠丝杆，滚动直 线导轨导向和位置闭环控制。 本研究课题选用北京集科仪器有限公司生产、研制的0 1 t s l 3 3 1 5 0 电移台( 圆 导轨+ 滚珠螺杆实测导程1 0 m m 实测行程1 6 0 r a m ) 、5 7 h s 2 2 步迸电机、m 8 6 0 驱 动器、d m c l 0 1 运动控制卡。 d m c l 0 1 运动控制卡主要特点与参数指标： 1 型号：d m c l 0 1 f 5 1 2 ，单轴，步进电机脉冲电压5 v ，数字i o 电压1 2 v ； 2 一对步进电机控制输出脉冲方向或正反转两路脉冲( p u l d i r c w c c w ) ： 3 最大脉冲速度为1 6 ，3 8