CN1712887A - 基于数字影像的印制线路板现场测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种属于测量技术领域的基于数字影像的印制线路板现场测试方法，本发明包括以下步骤：(1)进行PCB板结构完整性的图像匹配检测，目标图像与标准图像的对应区域进行比较，实现PCB板结构完整性的匹配检测；(2)采用PCB板导线尺寸的矩形框测试技术，根据导线和基板成像后灰度的不同，在矩形测试框内对目标图像进行灰度处理和边缘定位，计算导线的几何尺寸；(3)实现目标图像的高精度边缘定位，采用LOG算子进行快速边缘定位，并利用三次多项式拟合边缘邻域内的灰度值，实现亚像素级的图像边缘定位。本发明采用高精度亚像素边缘检测技术，来实现PCB板的目标检测，同时出具检测数据报表。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种印制线路板技术领域的测试方法，具体地说，是一种基于数字影像的印制线路板现场测试方法。
背景技术
近几年来，随着国外PCB(印制线路板)制造业向中国转移，我国的PCB产业取得了蓬勃发展，同时给PCB的检测检测工作带来了更高的要求。从PCB产品的发展来看，现今的测试技术正朝全自动、高可靠性方向发展，以减少人为和环境因素的影响。其中，目检、尺寸检验、导线精度、结构完整性等是IPC(美国连接电子业协会)标准规定的质量鉴定项目。目前，自动光学检测已被广泛应用于PCB板的在线检测，该方法利用光线在不同材料上反射效果的差异，通过光学扫描系统获取PCB的图像信息。对于复杂的PCB板，其图像信息量很大，生产状况相对也较不稳定，图像误差大，自动光学检测系统在判定缺陷时会报告很多虚假错误。根据操作者的使用经验，在检查复杂PCB时，自动光学检测系统存在一定程度的漏测。
经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号：02139916.6，专利名称为：影像测量系统和方法。根据该发明提供的测量方法可以看出，该方法是通过处理物件的影像资料从而获得物件的尺寸资料。但针对PCB板特定的检测要求，该方法并不能保证PCB板上目标的检测精度、结构的完整性测试等要求，同时不能给生产部门出具检测报表以指导生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种为基于数字影像的印制线路板现场测试方法，使其根据测试需要利用步进电机驱动带轮调节光学镜头倍率，对PCB目标的特定区域进行图像采集，并采用高精度亚像素边缘检测技术，来实现PCB板的目标检测，同时出具检测数据报表。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括以下步骤：
(1)进行PCB板结构完整性的图像匹配检测，目标图像与标准图像的对应区域进行比较，实现PCB板结构完整性的匹配检测；
(2)采用PCB板导线尺寸的矩形框测试技术，根据导线和基板成像后灰度的不同，在矩形测试框内对目标图像进行灰度处理和边缘定位，计算导线的几何尺寸；
(3)实现目标图像的高精度边缘定位，采用LOG算子(拉普拉斯高斯算子)进行快速边缘定位，并利用三次多项式拟合边缘邻域内的灰度值，实现亚像素级的图像边缘定位。
所述的PCB板结构完整性的图像匹配检测，是指：为了提高检测的准确性，测试系统直接从CAD/CAM(计算机辅助设计及制造系统)产生PCB板的标准图像数据；测试系统中光学镜头的倍率通过步进电机驱动带轮调节，根据PCB板上目标的大小和分布密度，调节光学系统倍率对被测PCB板的目标区域进行图像采集和存储，移动水平工作台的X轴和Y轴，实现整个PCB板的图像采集和存储；根据光学系统的倍率对标准图像进行放大或缩小，把采集到的目标图像与标准图像的对应区域比较，从而实现PCB板结构完整性的缺陷检测。
所述的PCB板导线尺寸的矩形框测试技术，是指：根据PCB设计和制造工艺的要求，PCB板导线尺寸测量的项目包括：导线宽度、导线间距、导线平均宽度、钻孔最大直径、焊盘最大直径、钻孔中心与焊盘中心的偏差。在检测过程中，根据导线和基板成像后灰度的不同，利用图像的亚像素边缘定位算法，计算导线的几何尺寸。
导线宽度、平行导线的线间距和导线平均宽度测量采用矩形测试框，即用鼠标在图像测试区域建立一个矩形标识框，测试框的大小根据测量目标的图像尺寸大小进行调节，系统在测试框内进行灰度处理和边缘定位，计算出当前所测试的线条宽度，并在图像上进行标注。
钻孔和焊盘最大直径的测量采用矩形测试框，测试框的大小根据钻孔或焊盘的图像尺寸大小进行调节，系统在测试区域内进行灰度处理和边缘定位；在初始位置处，系统会沿测试框平行的方向检测出钻孔或焊盘圆周的两条边界最佳切线，计算出该位置时的直径；测试框绕其中心位置旋转一个当量，旋转当量根据测量精度确定，每旋转一次系统会沿测试框平行的方向检测出钻孔或焊盘圆周的两条边界最佳切线，得出该位置时的直径；旋转180°后，将得到的所有直径值进行比较，得出最大直径值以及对应的倾角，并在图像上沿最大直径方向进行标注。
钻孔中心与焊盘中心的偏差的测量采用两个矩形测试框，两个测试框的大小分别根据钻孔和焊盘的大小调节，系统分别在两个测试框内进行灰度处理和边缘定位；与测试直径的方法相同，分别求出钻孔和焊盘的最大直径位置，再计算出钻孔和焊盘圆心位置，利用两点间距离计算出中心偏差值。
系统把每幅图像的测试结果生成数据报表，通过打印机出具检测报告，指导工作人员进行工艺改进。
所述的目标图像的高精度边缘定位，是指：为提高测试系统的检测精度，根据PCB板导线的密度大小和线条的粗细，设定了两个测量视野；当导线较细且密度较大时，采用较小的测量视野以提高检测精度；当导线较粗且要求同时测量的目标较多时，采用较大的测量视野；视野的大小通过步进电机进行调节。
在测量视野和CCD摄像机分辨率一定的情况下，提高测试系统的检测精度关键是如何提高目标图像的边缘定位精度，如果能将图像上的特征目标定位在亚像素级别，就相当于提高了测量系统的精度。为此，本发明提出采用LOG算子进行快速边缘定位和三次多项式来拟合边缘的灰度值，从而实现亚像素级的图像边缘定位。具体实现如下：
首先，把原始图像同高斯函数进行卷积运算，离散化后的LOG模板与图像卷积后的零交叉点即是图像的边缘，从而实现LOG算子的快速边缘定位；
其次，在快速定位的边缘邻域内，利用三次多项式来拟合边缘的灰度值，取其拐点为边缘位置，实现亚像素定位精度的方法。
本发明把数字化影像检测技术应用于印制线路板的生产现场测试，解决了传统自动光学测试系统的缺陷，同时为工作人员出具检测报告以改进制造工艺等。该方法采用PCB板结构完整性的图像匹配检测技术，PCB板导线尺寸的矩形框测试技术，并利用LOG算子进行快速边缘定位和三次多项式来拟合边缘的灰度值的算法把目标图像的边缘定位在亚像素级。该测试系统不仅具有较高的检测精度，而且漏检率极低。
具体实施方式
结合本发明的内容提供以下实施例：
本实施例在自主开发的数字化影像检测仪上进行，具体实施过程如下：
被测目标为PCB内层板的导线几何尺寸，测试项目为导线宽度、导线线间距和钻孔最大直径，测试系统的硬件配置如下所示：
| CCD摄像机 | COSTAR C400，1/2”Color CCD 752×582 |
| 光学镜头 | Navitar Zoom 6000，C-Mount，1X Adapter |
| 图像采集卡 | Imagenation PCX200 Frame Grabber Card |
| 光源 | Ose Vision Light Source，BIN-50-2R-60G，BT68*118FR |
| 步进电机 | 35BYG007 |
| 计算机 | Pentium(R)4，CPU 2.00GHz，256M内存 |
(1)根据PCB板导线的粗细和分布密度确定测量视野为12mm×9mm，视野的大小通过步进电机驱动带轮调节光学镜头的倍率实现。
(2)目标区域通过图像采集子系统成像，成像后的视频信号通过图像采集卡存入计算机。
(3)把采集到的原始图像同高斯函数进行卷积运算，离散化后的LOG模板与图像卷积后的零交叉点即是图像的边缘，从而实现LOG算子的快速边缘定位；然后在快速定位的边缘邻域内，利用三次多项式来拟合边缘的灰度值，取其拐点为边缘位置，实现图像的亚像素边缘定位。
(4)导线宽度、平行导线的线间距测量采用矩形测试框，即用鼠标在图像测试区域建立一个矩形标识框，测试框的大小根据测量目标的图像尺寸大小进行调节，系统在测试框内进行灰度处理和边缘定位，计算出当前所测试的线条宽度，并在图像上进行标注。
(5)钻孔最大直径的测量采用矩形测试框，测试框的大小根据钻孔的图像尺寸大小进行调节，系统在测试区域内进行灰度处理和边缘定位；在初始位置处，系统会沿测试框平行的方向检测出钻孔圆周的两条边界最佳切线，计算出该位置时的直径；测试框绕其中心位置旋转一个当量，旋转当量取1°，每旋转一次系统会沿测试框平行的方向检测出钻孔圆周的两条边界最佳切线，得出该位置时的直径；旋转180°后，将得到的所有直径值进行比较，得出最大直径值以及对应的倾角，并在图像上沿最大直径方向进行标注。
(6)通过测试系统出具的检测报告分析得出，基于数字影像的印制线路板现场测试系统具有较高的检测精度，解决了传统自动光学检测系统的缺陷，大大减少了印制线路板的漏检率，同时检测结果为工作人员对生产制造工艺及其设计的改进提供了参考依据。
Claims (8)
1.一种基于数字影像的印制线路板现场测试方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)进行PCB板结构完整性的图像匹配检测，目标图像与标准图像的对应区域进行比较，实现PCB板结构完整性的匹配检测；(2)采用PCB板导线尺寸的矩形框测试技术，根据导线和基板成像后灰度的不同，在矩形测试框内对目标图像进行灰度处理和边缘定位，计算导线的几何尺寸；(3)实现目标图像的高精度边缘定位，采用LOG算子进行快速边缘定位，并利用三次多项式拟合边缘邻域内的灰度值，实现亚像素级的图像边缘定位。
2.根据权利要求1所述的基于数字影像的印制线路板现场测试方法，其特征是，所述的PCB板结构完整性的图像匹配检测，是指：测试系统直接从CAD/CAM产生PCB板的标准图像数据；测试系统中光学镜头的倍率通过步进电机驱动带轮调节，根据PCB板上目标的大小和分布密度，调节光学系统倍率对被测PCB板的目标区域进行图像采集和存储，移动水平工作台的X轴和Y轴，实现整个PCB板的图像采集和存储；根据光学系统的倍率对标准图像进行放大或缩小，把采集到的目标图像与标准图像的对应区域比较，从而实现PCB板结构完整性的缺陷检测。
3.根据权利要求1所述的基于数字影像的印制线路板现场测试方法，其特征是，所述的采用PCB板导线尺寸的矩形框测试技术，是指：导线宽度、平行导线的线间距和导线平均宽度测量采用矩形测试框，即用鼠标在图像测试区域建立一个矩形标识框，测试框的大小根据测量目标的图像尺寸大小进行调节，系统在测试框内进行灰度处理和边缘定位，计算出当前所测试的线条宽度，并在图像上进行标注。
4.根据权利要求3所述的基于数字影像的印制线路板现场测试方法，其特征是，所述的采用PCB板导线尺寸的矩形框测试技术，是指：钻孔和焊盘最大直径的测量采用矩形测试框，测试框的大小根据钻孔或焊盘的图像尺寸大小进行调节，系统在测试区域内进行灰度处理和边缘定位；在初始位置处，系统会沿测试框平行的方向检测出钻孔或焊盘圆周的两条边界最佳切线，计算出该位置时的直径；测试框绕其中心位置旋转一个当量，旋转当量根据测量精度确定，每旋转一次系统会沿测试框平行的方向检测出钻孔或焊盘圆周的两条边界最佳切线，得出该位置时的直径；旋转180°后，将得到的所有直径值进行比较，得出最大直径值以及对应的倾角，并在图像上沿最大直径方向进行标注。
5.根据权利要求1或3或4所述的基于数字影像的印制线路板现场测试方法，其特征是，所述的采用PCB板导线尺寸的矩形框测试技术，是指：钻孔中心与焊盘中心的偏差的测量采用两个矩形测试框，两个测试框的大小分别根据钻孔和焊盘的大小调节，系统分别在两个测试框内进行灰度处理和边缘定位；与测试直径的方法相同，分别求出钻孔和焊盘的最大直径位置，再计算出钻孔和焊盘圆心位置，利用两点间距离计算出中心偏差值。
6.根据权利要求1所述的基于数字影像的印制线路板现场测试方法，其特征是，所述的实现目标图像的高精度边缘定位，其方法为：根据PCB板导线的密度大小和线条的粗细，设定两个测量视野；当导线较细且密度较大时，采用较小的测量视野以提高检测精度；当导线较粗且要求同时测量的目标较多时，采用较大的测量视野；视野的大小通过步进电机进行调节。
7.根据权利要求1所述的基于数字影像的印制线路板现场测试方法，其特征是，所述的采用LOG算子进行快速边缘定位，其方法为：把原始图像同高斯函数进行卷积运算，离散化后的LOG模板与图像卷积后的零交叉点即是图像的边缘，从而实现LOG算子的快速边缘定位。
8.根据权利要求1所述的基于数字影像的印制线路板现场测试方法，其特征是，所述的利用三次多项式拟合边缘邻域内的灰度值，其方法为：在快速定位的边缘邻域内，利用三次多项式来拟合边缘的灰度值，取其拐点为边缘位置，实现亚像素定位精度的方法。
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