CN101266135A - 线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法 - Google Patents

Abstract

一种线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法，包括步骤：1)通过设置显微放大摄像机获取所测线路板图像；2)对获取的线路板图像进行预处理；3)利用扫描法确定被测直线顶部的两边缘点集；4)利用灰度扩展法确实被测直线的两蚀刻边缘，根据蚀刻边缘计算直线的底部线宽；5)最后，计算被测直线的蚀刻因子。本发明利用最小二乘法并多次拟合得到被测直线的两顶部边缘直线方程，准确检测到被测直线的蚀刻边缘，提高了蚀刻因子的测量精度。

Description

线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法

技术领域

本发明涉及线路板检测方法，涉及用显微摄像机获取被测线路板直线的图像来检测线路板蚀刻边缘，蚀刻因子测量方法。

背景技术

集成电路(IC)芯片的微型化，给印刷电路板(PCB)的制作提出了线宽密集化、层数多层化的更高要求。PCB上密集的平行直线的线宽，若蚀刻得太粗，则容易造成平行线短路；若蚀刻得太细，则容易造成信号的传输不正常；若蚀刻得局部有突变(变粗或变细)，则容易产生高频反射，形成电磁干扰，影响电子系统的稳定。蚀刻因子是印刷电路板中直线的底部宽度减去顶部宽度除以铜厚的一半，是判断电路板制作质量重要依据之一。

蚀刻因子的测量精度决定于被测直线的顶部和底部宽度，而直线线宽的测量精度决定目标与背景的精确分割，即被测直线边缘的精确定位。传统的图像分割方法，对于灰度值相差较大的目标与背景分割效果很好，对于灰度值相差较小的目标与背景分割效果不佳。目前，测量直线的顶部和底部宽度，都直接采用传统的图像分割方法计算阈值，用于定位边缘，边缘直线检测是采用先获取边缘点，再拟合成直线的方法。由于铜线与基材灰度值相差较大，所以直线的顶部宽度测量较准，而铜线蚀刻区域灰度值与基材相差很小，用传统的阈值计算方法，很难从灰度值上直接区分蚀刻区域与基材背景，使蚀刻边缘定位不准，造成直线底部线宽测量误差较大。目前分割阈值的计算限于全局计算，即用整幅图像的信息计算分割阈值，这在目标与背景灰度相差较小或目标灰度分布不均匀的情况下，很难找到一个阈值将目标与背景分离开。

发明内容

本发明的目的在于提供一种线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法，它是通过在蚀刻与背景的局部区域计算分割阈值，并将局部区域的灰度值从0到255进行扩展，从而实现了被测直线蚀刻边缘的准确检测和蚀刻因子的高精度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在矩形框内，采用传统的最大类间方差法获得被直线的顶部边缘，进而得到顶部线宽和两边缘直线方程，为准确得到两顶部边缘直线，采用了先最小二乘直线拟合，再去除奇异边缘点，最后再拟合的方法；到此基础上，利用两顶部边缘直线确定两个分别包含直线两侧面蚀刻部分的局部区域，对这两个局部区域先进行灰度扩展，范围为0-255，再用最大类间方差法计算分割阈值，并采用线扫描方法准确得到直线的蚀刻边缘，进而根据被测直线的顶部、底部线宽和铜厚计算得到直线的蚀刻因子。

本发明的方法包括以下主要步骤：

1.通过设置显微放大摄像机获取所测线路板图像，并用矩形框获取被测直线的局部区域。

2.对获取的线路板图像进行预处理，包括图像去噪、灰度变换和自动分割阈值计算。

3.利用扫描法确实被测直线顶部的两边缘点集，采用最小二乘法并进行多次拟合获得被测直线的顶部两边缘直线方程，进而计算被测直线的顶部线宽。

4.利用灰度扩展法确实被测量的两蚀刻边缘，根据蚀刻边缘计算直线的底部线宽。

5.最后，计算被测直线的蚀刻因子。

本发明的优点是：本发明利用最小二乘法并多次拟合得到被测直线的两顶部边缘直线方程，去除了奇异顶部边缘点；针对被测直线的蚀刻区域与背景区域灰度值相差较小的问题，采用在局部区域对灰度进行扩展，有效地分离了蚀刻区域与背景，准确检测到被测直线的蚀刻边缘，提高了蚀刻因子的测量精度。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

具体实施方式

本发明用于测量的输入图像数据来源于两个方式：一为用显微放大摄像机，经图像采集卡获得的单帧图像，二为.BMP和.JPEG两种格式的图像文件。图像格式可为8位灰度，24位和32位真彩图像。视频输入可为PAL或NTSC标准视频信号。

本发明采用如图1所示的蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法的流程图，进行蚀刻边缘准确定位及蚀刻因子的精确测量，其具体实施步骤如下：

1、被测直线的局部区域获取

本发明采用人工介入的方法获取包含被测直线的图像区域，用鼠标事件拖动产生矩形框获取被测直线的局部区域。

2、分割阈值计算

在矩形框内，为使被测直线从PCB基材背景中分割出来，先采用亮度方程对彩色图像进行灰度变换，再采用最大类间方差算法计算分割阈值。

分割阈值计算原理为：

设图像灰度级范围为H＝{0，1，…，L}，灰度为i的像素数为n_i，则总像素为 $N=\underset{i=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i,$ 灰度为i的像素出现概率为p_i＝n_i/N。矩形框内只有被测直线(即目标)C₀和背景C₁两类，按照模式识别理论，这两类的类间方差计算公式为

σ²＝p₀(t)p₁(t)[μ₁(t)-μ₀(t)]²

其中，t为C₀和C₁分割的阈值；p₀(t)和p₁(t)分别为C₀和C₁两类出现的概率，计算公式分别为 $p_0\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i$ 和 $p_1\left(t\right)=\underset{i=t+1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i;$ μ₀(t)和μ₁(t)分别为C₀和C₁两类的灰度均值，计算公式分别为 ${\mathrm{\μ}}_0\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ip}}_i/p_0\left(t\right)$ 和 ${\mathrm{\μ}}_1\left(t\right)=\underset{i=t+1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ip}}_i/p_0\left(t\right).$ 分割的最佳阈值是类间方差计算公式中取最大值时的t值，记为t*。

3、两顶部边缘点集获取

本发明采用垂直或水平扫描方法搜索被测直线的两顶部边缘点集，其主要步骤如下：

1)判断是采用水平扫描还是采用垂直扫描方式。线路板成像的特点为铜线成像较亮，灰度值偏大，基材成像较暗，灰度值偏小。根据这一成像特点，本发明采用比较矩形框中两水平直线和两垂直直线平均亮度的方法，决定边缘点集的搜索方式。若两水平直线的平均亮度大于两垂直直线，则选择水平扫描方式，反之，选择垂直扫描方式；2)以矩形框的左上角为起点，作一垂直直线，计算其与被测直线边缘相交的两个点。为了减少奇异边缘点，采用沿垂直直线从上往下搜索上边缘点，而采用从下往上搜索下边缘点。在搜索过程中，若某一像素点的灰度值大于t*(t*为分割阈值)，则为边缘点。

3)在矩形框内，本发明以5个像素的间隔作一组垂直直线。从左往右遍历所有垂直直线，用第2步的方法计算，可以获得被测直线的两个边缘点集。

4、去除边缘点集中的奇异点

本发明去除奇异边缘点的方法是，先采用最小二乘法对初始边缘点集进行直线拟合，再计算所有点到拟合直线的距离，按从大到小排序后，去除距离最远的三分之一点，即为奇异点。

5、两顶部边缘直线的最小二乘拟合

对上述去除奇异点后的两个顶部边缘点集，采用最小二乘法拟合成两条顶部边缘直线。

最小二乘拟合方法如下：

假设上边缘点集有N个数据点，坐标分别为(x_i，y_i)，其中i＝0，1，…N，采用最小二乘拟合方法可得上边缘直线，其方程为

y＝k₁x+b₁

其中k₁和b₁的计算公式分别为 $k_1=\frac{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i-N\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_i{y}_i\right)}{{\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2-N\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$ 和 $b_1=\frac{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-k_1\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{N}.$ 用同理的方法计算可以获得下边缘点集的最小二乘拟合直线，其方程为y＝k₂x+b₂。

6、顶部线宽计算

在特定镜头放大倍数下，对标准光刻度尺进行测量确定物像之间的比例关系，即单位像素所占长度(单位为mm)，计算公式为

$k=\frac{L}{N}$

其中，L为标准光刻度尺中的已知长度，N为L在图像中对应的像素个数。本发明通过实验的方法得到上述比例关系k。

由于被测线宽的两条边缘直线不可能完全平行，因此不能用两平行直线之间距离公式计算线宽。本发明先计算去噪后的上边缘点集到下边缘直线的平均距离，再计算去噪后的下边缘点集到上边缘直线的平均距离。上述两距离的平均即为被测直线顶部线宽对应的像素个数，将其乘以k，即为被测直线的顶部线宽。

7、包含蚀刻部分的两局部区域获取

根据线路板蚀刻宽度不会超过直线顶部线宽四分之一的特点，本发明分别以两顶部边缘直线在矩形框内的线段为长，以顶部线宽的三分之一为宽，组成两个矩形框，它们分别包含被测直线两侧的蚀刻部分。

8、局部区域内灰度值的线性扩展

由于蚀刻灰度值与背景灰度值相差较小，若直接用最大类间方差法计算分割阈值，很难将蚀刻部分从背景中分割出来。本发明分别在两个包含蚀刻部分的矩形框内，对灰度值先进行0到255线性扩展，再用最大类间方差法计算分割阈值进行分割。

线性扩展方法如下：

先计算矩形框内灰度的最大值和最小值，再按最小值转换为0，最大值转换为255，其它灰度值进行线性转换的规则，将矩形框内所有灰度值进行扩展。

9、两蚀刻边缘直线搜索

本发明采用线扫描方法进行蚀刻边缘直线搜索，其主要步骤如下：

1)在包含蚀刻部分的矩形区域内，以顶部边缘直线为起始直线，作其平行直线，垂直向矩形另一侧移动。

2)以一个像素为移动单位，每移动一次，则计算平行直线在矩形内像素点的平均灰度值。

3)对线段的平均灰度进行判断，若平均灰度大于等于分割阈值，则该移动直线为被直线的蚀刻边缘，否则，返回步骤2继续移动平行直线。

10、直线底部线宽测量

被测直线的底部线宽为直线顶部线宽加上两侧蚀刻宽度。由于两个蚀刻边缘直线分别平行于各自对应的顶部边缘直线，所以可用两平行直线间的距离公式计算两侧的蚀刻宽度。

11、蚀刻因子计算

蚀刻因子的计算公式为

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{2}(W_2-W_1)/T_{\mathrm{copper}}$

其中，W₂和W₁分别为被直线的底部和顶部线宽，通过上面计算获得，T_copper为线路板中铜板厚度，为已知值。

Claims (6)

1、线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法，其特征是方法步骤如下：

1)在摄像机特定的放大倍数下，获取线路板被测直线的图像，并用矩形框获取被测直线的局部区域；

2)对获取的线路板图像进行图像去噪、图像灰度变换和自动分割阈值计算等预处理；

3)利用扫描法确实被测直线顶部的两边缘点集，采用最小二乘法拟合、去除奇异点、再拟合的方法获得被测直线的顶部两边缘直线方程，进而计算被测直线的顶部线宽W₁；

4)利用灰度扩展法结合线扫描法确定被测量的两蚀刻边缘直线，根据蚀刻边缘计算直线的底部线宽W₂；

5)最后，根据所述W₁、W₂和已知线路板铜板厚度T_copper计算被测直线的蚀刻因子。

2、根据权利要求1所述的线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法，其特征在于：所述扫描法确实直线顶部的两边缘点集，包括自动根据被测直线的位置判断是采用水平扫描，还是垂直扫描。

3、根据权利要求1所述的线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法，其特征在于：从矩形框的上下或左右分别向被直线进行扫描获取顶部边缘点集。

4、根据权利要求1所述的线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法，其特征在于：所述去除奇异边缘点，包括先采用最小二乘法对初始边缘点集进行直线拟合，再计算所有点到拟合直线的距离，按从大到小排序后，去除距离最远的三分之一点，即为奇异点。

5、根据权利要求1所述的线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法，其特征在于：所述蚀刻边缘检测，包括对蚀刻局部区域进行灰度扩展、计算分割阈值和线扫描法。

6、根据权利要求5所述的线路板蚀刻边缘检测及蚀刻因子测量方法，其特征在于：所述线扫描法是在包含蚀刻部分的矩形区域内，从顶部边缘向蚀刻边缘方向移动顶部边缘直线的平行直线，再判断移动直线是否为蚀刻边缘，若是，则蚀刻边缘已找到，否则，以一个像素单位继续移动平行直线。

Images