PCB厚密板线路检查LED光源系统研究

PCB的工艺检测能力提升直接关系到国内、外电子行业及其他行业电子产品的实际能力以及长期的发展进步。随着PCB技术的发展，PCB板呈现出线条更细、线距更小更高、高度差更加明显的3大发展趋势，并且该趋势在最近5年得到了更加明显的推动与体现；另外，针对PCB行业的仪器发展在国内、外均处于滞后的局面，其中最主要的原因是受限于光源技术的发展，如果光源不能有效地实现对所关注目标的照明及信息提取，后端的测量技术，包括图像处理算法技术应用、精密机电技术定位等均受到极大的限制。
    针对此，国内、外众多学者开展了广泛而深入的实验研究和理论分析，因光源照明系统自身的改善，除了需要提高图像的清晰程度和对比度外，更重要的是必须确保图像提取信息的真实性，众多学者的研究均建立在以研究直接的图像质量提升为目的的基础上，采用类似研究方法的直接后果将会导致精度的控制难度加大，对于工业化及科学检测非常不利。而2006年李俊对机器视觉光源的关键技术进行研究，研制出应用在电子元件贴装系统的彩色环形层状LED光源，直接改进了光源系统取得更好的图像继而提高精度。
    以PCB板实物为直接研究对象，采用实物、光源照明、图像三者相结合的对比研究方法，除了能够有效地获得高图像质量，还可以将实际物体测试特征反馈到光源光学设计的过程当中，因此，在光源设计过程中，可以始终保持对测量精度的有效控制。
    本文研制的50°LED环形光源的打光效果区别于目前普通暗场低角度光源，可以清晰真实地体现PCB线路特征。不过值得注意的是，由于该LED光源是针对PCB厚密线路检查研制的，对于PCB相关的检测仪器有比较好的适用度。而未经测试盲目应用到其他测试仪器上可能会造成打光效果不好或者给系统带来系统误差等问题。

1 基本理论
1．1 厚密板光源设计难点
    在PCB行业的发展中，目前存在以下3大趋势，即线条更细、线距更小密度更高、高度差更加明显。本文使用的厚密板即是该趋势的集中体现。如图l(a)是普通光源应用在线距大、厚度小的PCB上的光线路径。图1(b)是普通光源应用在线距小、厚度大的PCB上的光线路径。

    从图中可以看出，普通光源在应用于线距大厚度小的PCB上时可以将基材、线路底部和线路顶部都取得照明，且对比度良好。对PCB的实际尺寸有着良好的体现。而应用于厚密板时普通光源由于光线角度小，极易被厚密的线路遮挡。致使线路和基材没有良好的肉眼可分辨的对比度和亮度。致使进一步的基于图像处理的测量变得非常困难。可见，厚密板的发展对光源照射造成的问题用普通光源是无法解决的。
1．2 基于定角度设计的适配环形光源原理
    通过前面的分析可以看出，要想解决厚密板的光源照射问题，同时能够保持精度的稳定与提升。必须基于厚密板的几何和光学特征，有效地解决入射角度选择以及适合应用对象的环形光源参数配置，基于此，本文提出基于定角度设计的适配环形光源，其基本原理如图2所示。
图中，该光源由内圈外壳／外圈外壳／电路板／LED／散射板组成。内外圈外壳用于固定整个光源和内部部件。柔性电路板上面有串并联的线路为LED供电。而作为发光器件，LED是近似的点光源，发出的光线方向性很好，容易照成高光，而形成高光的区域会由于CCD的电特性影响相邻像素的输出，进而影响测量精度。故本文使用的光源前部加装1块散射板用于将光线亮度均匀化。

2 实验结果与讨论
2．1 普通光源照射所造成的伪图像误差
    图3(a)是普通光源照射情况下所获得的厚密线宽图像，图3(b)表示光源照射后的切面成像情况。

    从图中可以清晰地看到，目前的普通光源摄取的图像和真实的截面图有明显的边缘偏差，在2X的倍率下，1像素对应的物面尺寸为1.61μ m。伪图像边缘造成的线宽差别超过3像素。使得系统准确度大为降低。该伪图像边缘产生的原因是由于普通光源光线照射角度过小。被厚密线路遮挡大部分光线后，基材和下线宽的亮度和颜色非常接近。而一般的线宽测试中，并没有将该偏差计入测量结果。致使测量值产生一个固有方向的系统误差，也就是说，如果该误差不能被消除，所测得的数据不是真实PCB的线路特征的反映。而该误差并不能通过改变图像的清晰程度和对比度消除，只能依据PCB厚密线路的特点去改变光源的设计来消除或减小该误差。
2．2 厚密线条的几何特征对于光源设计的影响
    图4是相邻厚密线条切片采集图像。

    从图4可以看到，线条高度／线距比例已接近1／2。即，则角度为27°。当使用厚密板作为线路检查的对象时，所需的光源光线入射角度比普通光源所能提供的光线角度大得多。要想得到清晰且对比度良好的图像，必须提高光源的角度到某个合适的值，同时综合考虑基材和线路的光学特性。
2．3 本文设计的定角度适配环形光源
    基于以上条件，本文设计了专用于PCB厚密板的适配环形光源，为考核光源的实际效果，将光源和镜头对准PCB上同一区域。镜头倍率也调节至相等。采集到如图5所示的对比图像。

    从图5可以看出，使用普通光源仅仅能将上线宽附近的法线方向接近水平45°的线路照亮，如图5(a)中两根横向亮线。由于厚密线路对光线的强烈遮挡作用，基材部分亮度非常低且接近下线宽亮度，肉跟几乎不可分辨其差别。而由于线路表面的反射接近镜面反射，导致到达线路表面的光线不能进入镜头的收光光锥，上线宽以内亮度也非常低。图像没有将PCB线路信息有效记录，分析下线宽的精度很低且上线宽有固定系统误差。而使用本文设计的适配光源的图像，均匀度和清晰度良好。由于光源角度经过仔细考虑，使得基材／线路过渡／线路表面的亮度呈现出阶梯式上升且不同特征之间过渡区域小，有利于提高测试精度，实现对所关注线路的照明及信息提取。对于图像处理来说是非常理想的源图像。

3 结论
    为了解决现有普通光源对于PCB厚密线路检查的问题，本文对普通低角度光源的照明伪图像误差进行分析，讨论了厚密线条的几何和光学特征对光源设计的影响。最后，提出并设计一种基于定角度设计的PCB厚密板线路检查专用光源。实验表明，该光源的打光效果区别于普通的暗场低角度环形光源，可以较好地从系统前端解决目前存在于厚密板PCB线路检测中的难题。实现了对所关注目标的照明和准确的信息提取。基材／过渡区／上线宽的图像均匀度高，对比度良好。对后端图像处理和信息提取的意义非常大。可以广泛应用于以线宽检测机为代表的PCB检测设备中。