FPC外观检查机对PCB板的光学特性研究
FPC外观检查机对PCB板的光学特性研究
深圳市中能智能装备有限公司
（研发部）
据调研，电路板生产工厂的自动化生产及测试资产可占到总资产的百分之三十以上，是名符其实的高附加值重资产的行业。所以，替代国外高价设备有巨大价值，且对长期保持我国制造业竞争优势有着重要意义。
在机器视觉自动缺陷检测领域，一般对于产品功能的检测相比外观检测更为容易。因为功能检测出现的缺陷种类较少且判断标准明确，如典型功能缺陷的短路断路有非常明确的物理意义和评判标准；而对于被测物外观缺陷划分有非常多的种类，常见接触到的缺陷都有几十种，如破损、针眼、白边、气泡、异物、污染、划痕、刮伤、焊盘露铜、焊盘氧化、孔偏、粘锡、线路变形、残留铜、焊盘缺损、防焊歪斜、BGA 露铜、金手指粘锡等。同时，目前并没有 PCB 外观缺陷检测的量化标准。更何况，不同缺陷的检测要求、出现频率、深浅和尺寸都不完全相同，故对于产品的外观检查是产品缺陷检测中较难的部分。PCB 由不同材料组成且具有复杂的边缘几何形状，在所有电子产品的外观检测中，多层印刷电路板可以说是目前机器视觉领域最复杂最难以自动检测的对象之一。完整的解决 PCB 光电外观检查机所有技术难题对提升制造业产品水平有着积极重要的意义。
中能智在PCB印刷电路板的光电外观检查机将高均匀照明系统、高速线阵相机图像采集系统、高精度伺服驱动系统和相应图像处理算法及软件技术集成在一起，以达到对 PCB 外观缺陷的稳定、高质量和高效率的检测。该系统是电路板行业最终产品质量检查的关键检测系统。以色列、美国和日本为代表的发达国家在光电外观检查机领域的研发较活跃，并已有部分成果实现商品化。国内对于影响外观检查机性能的机理缺乏基础性研究，加之在该领域的研究起步较晚，因而和国外先进水平差距较大，广阔的国内市场基本上被国外公司占领。为从根本上提高国内光电外观检查机的性能水平和竞争能力，中能开展了印刷电路板的光学特性及产品对外观检查机性能的影响原理的研究。
深圳市中能智能装备有限公司与韩国专家进行深入合作，自主研发了AI-100T AVI/AI-200T AVI外观检查设备。如图1所示，该设备Al智能系统的外观险查，通过摄像头自动扫描产品， 采集图像， 测试与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出产品上的缺陷， 并通过显示嚣或自动标志把缺陷显示、标示出来，供筛选。本机采用目前业界最高16K像素之 CCD Camera， 依据不同产品可选择不同解析度CCD Camera对应（2.5 - 35um/pixel)；彩色踉灰阶影像可以同步， 两种都具备，检出率高，误判少。
一、中能对PCB光学特性模型及其搞均匀光场的获取
建立Phong模型，Phong 模型是在计算机视觉中应用最广泛的光照模型之一，这是一个计算金属表面反射的经验模型，该模型认为金属表面反射强度与反射光线到观察者视线的夹角α相关，且物体表面上某点 P 的光线反射到观察点的光强 I 为环境光反射光强 Ie、漫反射光强 Id、和镜面反射光强 Is 的标量和。该模型中，单光源照射下的表面反射模型可表达为：
其中，I 为物体表面在被照射点朝观察点的光强，Ipa为入射光的泛光光强，ka为物体表面对泛光的反射系数，kd 为物体表面的漫反射率，Ipd 为点光源发出的入射光强度(光源方向向量 L 和表面法线向量 N 之间夹角为 )，ks为物体表面的镜面反射率，n 为镜面反射系数(N 和观察点向量 H 之间夹角为 )。镜面反射系数 n 反映了物体表面的光泽程度。n 越大，反射光越集中，当偏离反射方向时，光线衰减的越厉害，只有当观察者方向与反射光线方向比较接近时才能看到高光现象。即在反射方向附近形成亮且小的光斑；n 越小，表面越粗糙，反射光越分散，观察到的光斑区域小，强度弱。
根据该模型计算出来的一个球体在单一光源的照明效果如图 1所示。可见从(a)到(d)反射越来越强，高光区域越来越集中。其中参数 ka为环境反射因子， kd为漫反射因子，ks为光滑反射因子 n，ke为光谱指数，scr 为表面的组合系数。
图 1 Phong 照明模型在不同参数下的效果(ke 和scr 为 MATLAB 函数参数)
二、基于 Phong 模型的高均匀高对比光场照明方法
机器视觉系统中广泛使用的三光源照明系统及其照明效果良好的铜板图像如图 2所示。L1 为明场光源，用于高反射率表面相应特征的照明，如焊盘表面，L2 和 L3 是暗场光源，用于低反射率表面相应特征的均匀照明，如阻焊和丝印。在一般系统中 L1 的中心位置在镜头光轴关于被测平面法线的镜像方向上，这样构成典型的单亮场加上双暗场的照明。该照明系统在一般的被测电路板如铜板可以获得较高的照明均匀度。如图 2(b)(c)所示，图中红色箭头的标示为缺陷位置。
图 2常规照明方法及其应用对铜面 PCB 的照明效果
(a) 常规三光源照明方法；(b)焊盘变色缺陷；(c)焊盘划痕缺陷
图 3镀金PCB 图像上出现的横向阴影条纹
(a)(b)(c)中箭头所示为划痕缺陷；(c)中矩形为计算区域
如图 3所示为图 3矩形内采样像素的按行平均的 RGB 像素值曲线及其对应的统计直方图，可以清晰的看到，RG 通道的灰度明显高于 B 通道灰度，且约为B 通道灰度值的两倍。RG 通道的像素值波动约为 30 灰度级(仅考察峰峰值而不考察平均值的变化)，相对的，B 通道的像素值波动为 15 灰度级，只有 RG 通道的一半。从此可见，该图像阴影波动和图像亮度成正比，即和反射能量成正比。需要将图像阴影数值化，采用广泛使用的描述谱宽的百分之九十宽度来描述阴影轻重程度。其物理意义是曲线的值从最高点沿两边下降，下降到最高值的百分之九十的点的距离即为 90%直方图宽度 W0.9。对于图 2 中样本图像，经过简单遍历计算可知：RGB 通道的 W0.9 的值分别为 37、37 和 19 灰度级。其中较大的数值对应于相应色彩空间中更稀疏的像素值分布，也即对应于更严重的图像阴影，反之则应该是非常均匀的像素值。这个像素值波动的程度会使得绝大多数的高精度缺陷检测算法出现严重的误报和漏报，特别是那些以特征匹配和基于像素的方法。因为该图像的阴影会使得缺陷像素值(本例为相对背景较低的像素值)和背景像素值的分布产生交迭，进而产生缺陷像素信息不可逆转的被淹没在图像阴影中。一旦出现这样的情况，缺陷像素的信息和背景信息发生混合并从物理上不可恢复。在本文系统中，这样的图像条纹会导致大量漏检，约为检测中产生的漏检的一半。这使得一般的 3 光源照明系统不适用于本研究中的镀金 PCB 光电外观检查机。
图 4图像横向阴影条纹的直方图(左)和均值曲线(右)
三、消除阴影条纹的高均匀光场获取方法
深圳市中能智能装备有限公司提出一个由 4 个高频荧光灯组成的照明系统。由两组光源组成：(1) 两个亮场光源：对称于镜头光轴关于表面中心法线方向的对称方向；(2) 两个暗场光源：非对称且 L4 距离扫描线稍远。如图 5为该光源配置的侧视图，其中两个亮场光源的位置对于高反射焊盘表面的照明效果至关重要。相机镜头轴线到载物台平面法线的角度为 10 度，条形高频荧光灯 L1 和 L2 直径为 16 毫米，且关于镜头光轴关于表面法线镜像方向方向对称。两亮场高频荧光灯的中心连线的中点相对于载物台高度为 150 毫米。
图 5本文提出的四光源照明方法的侧视示意图
(a)为 PCB 表面法线位于中心位置；(b)为 PCB 表面法线由于其形状变化而产生角度为 倾斜
对于机器视觉系统从光源到像面的光亮度和照度计算的讨论。考虑任意角度的从光源发出的光线经过被测物表面反射然后进入镜头再到达相机像素的光路，如图5。光线从光源发出然后入射到焊盘表面的 a 点，a点位于小面元 A 上，然后光线会反射到整个 立体角的半球面。其中的一些光线会进入镜头的孔径最后到达线阵相机的图像传感器面元 A’上，光线和传感器面元的交点为 (图中未标示出)。本文的坐标系统定义为：(1)原点位于镜头光轴和被测电路板焊盘表面的交点；(2)+X 轴沿着被测电路板运动方向也即驱动丝杆方向；(3)+Z 轴沿着载物台表面的外法线，即向上。下面考虑整个过程中的每一步光线和物体的作用规律。
图6光照模型示意图
四、PCB 光电外观检查机的被测物，PCB 的光学模型提出了基于图像的光学模型，并应用到实际产品中。可达到高均匀和高缺陷对比度的照明效果。该效果可以显著提高系统检测率和降低漏检/误检。提高幅度约为 60%。为各种缺陷的检出创造良好的图像基础。该方法可以应用在类似的成像系统中，即光学特性类似于 PCB 表面的被测物检测系统中，如铝板(不平整，反射较高，检测划痕、凹坑和脏污等缺陷)检测系统，保鲜膜(不平整，反射率较高，检测透点脏污等缺陷，需要背光和本文所述照明方式结合)检测系统，平板玻璃(平整，反射率高，检测划痕等缺陷)检测系统，印刷品(较平整，接近漫反射，检测污点等缺陷)检测系统，根据仿真结果，可以达到良好的照明效果。
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