大幅面柔性印刷线路板缺陷在线视觉检测系统设计

Posted 2023-02-21 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

柔性印刷电路板（ Flexible Printed Circuit Board ），是指主要以聚亚酞胺等薄膜为原 材料的一种印刷电路板 [1] 。与传统 PCB 板相比，具有可以自由弯曲、绕折、易于传输、 综合成本低等优点。本文所研究对象，是一款笔记本电脑键盘的导电膜，以 PET 薄膜 （ polyethylene terephthalate 聚对苯二甲酸乙二酯）为基材制成的柔性线路板，具有高 柔性、材质轻、导电性好、价格优惠、绿色环保等诸多优点，被广泛应用于控制自动 化、智能电子设备、现代医疗器械、消费电子和通讯中 [2] ，如图 1.1 所示。尤其在价格 方面，柔性印刷线路板只是普通刚性线路板（ PCB ）的一半，可以降低产品成本。随 着电子元件趋于小尺寸，电路板设计趋于复杂，主要以聚亚酞胺薄膜为原材料的柔性 电路板得到了长足的发展，广泛应用在航空航天、军事通信等各个领域。随着线路板 向着线路越来越密集发展，对检测技术的要求也越来越高，本文所研究的对象是一款 笔记本电脑键盘的导电膜，宽度为 450mm ，高度为 680mm ，幅面较大。相对于传统的 PCB 板，柔性线路板布线密集，在生产过程中易发生扭曲和变形，其检测难度更远大 于传统 PCB 的检测。

 

1.2 国内外柔性印刷电路板缺陷在线检测研究现状综述 1.2.1 电路板自动检测设备研究现状 国外对电路板缺陷自动检测技术的研究始于 20 世纪 70 年代，主要的大型企业如 以色列澳宝与凯杜泰克公司、日本日立、林肯激光公司、 IBM 公司等 [6] 。自动检测技 术基于 AOI 技术， AOI （ Automatic Optic Inspection ），全称为自动光学检测，是一种基 于光学原理的检测方法，可以检测电路板实际生产过程中的常见缺陷 [7] 。凯杜泰克公司 （以色列）针对不同型号及尺寸的电路板进行缺陷检测的研究，以 3V42 为代表；林肯 激光公司（美国）开发的 Inspectors 智能光学检测仪可以对电路板的短路和断路等缺陷 进行检测；日立公司（日本）开发的 ML450 则深入研究通过处理原料中的荧光物质， 检测出电路板中的刮痕、毛刺、空洞等较难发现的缺陷 [8] 。由于发达国家资金投入大、 研究起步早等原因，自动光学检测技术相对成熟，可以对多种类型的电路板缺陷进行 检测。但大部分设备价格较较昂贵， 10 万美元到 100 美元不等，有些设备甚至超过百 万美元。

图 2.1 中装置说明： 1 ：线阵相机， 2 ：条形光源， 3 ：移动支架， 4 ：拉料装置， 5 ： 光栅尺， 6 ：印刷装置， 7 ：线路板， 8 ：给料装置， 9 ：光电开关。 大幅面柔性线路板缺陷在线检测系统安装在电路板生产线平台上，给料装置负责 提供电路板原料，在拉料装置的作用下，印刷装置对电路板进行印刷，由光电开关构 成的外部帧触发模块和由光栅尺及分频器构成的外部行触发模块分别为线阵相机提供 外部帧触发信号和外部行触发信号，对线阵相机进行触发。线阵相机在触发信号的作 用下，同时由条形光源、线阵相机组成的图像采集模块对电路板进行采集图像，采集 的电路板图像数据经图像采集卡传输到计算机中，计算机调用缺陷检测程序对电路板 上的缺陷进行实时检测。按照系统功能模块划分，整个检测系统由生产线控制模块、 触发模块、采集模块、处理模块四个相关模块构成。以下就上述系统功能框图进行详 细说明。 （ 1 ）生产线控制模块：负责完成柔性线路板的印刷工作，主要由印刷装置、拉料 装置、给料装置、吸风装置组成，直线电机控制拉料器进行拉料，给料装置连续提供 电路板原料，吸风装置对线路板起到稳定作用，防止其发生偏移，印刷装置进行印刷 电路板。 （2）触发模块：触发模块由外部帧触发模块和外部行触发模块组成，外部帧触发 模块由光电开关组成，光电开关发出脉冲信号触发相机进行一帧图像的采集。外部行 触发模块由光栅尺和分频器组成，光栅尺发出信号经过分频器进行分频，分频后信号 作为线阵相机的外部行触发信号，预先设定采集图像高度，摄像机完成采集一帧图像。 （3）图像采集模块：采集模块由线阵相机、工业镜头、条形光源和图像采集卡组 成。合理设计图像采集系统的结构，使其完成对生产线上的大幅面柔性电路板的高速 采集工作，采集的图像数据经图像采集卡传输到计算机内存。 （4）处理模块：负责完成生产线上大幅面柔性电路板的缺陷实时检测及缺陷坐标 输出工作。该模块的核心内容是缺陷检测算法的设计与实现和图像空间坐标与印刷机 物理坐标系的坐标转换，检测算法设计的有效与合理是系统检测准确与稳定的保障， 图像坐标与机械平台坐标系的转换正确与否对后续相关修补工作有重要影响。 2.1.3 在线检测系统相关设备参数分析 对大幅面柔性印刷线路板缺陷在线检测系统中采集及处理设备参数进行分析，包 括拉料器不同拉料速度、线阵摄像机扫描频率、镜头工作距离及视场、光源稳定性和 光照角度、采集卡传输模式等参数进行分析。本文所设计的大幅面柔性电路板缺陷在 线检测系统，所研究对象是实际生产过程中在拉料器拉料作用下印刷的大幅面柔性电 路板，拉料器速度可调，匀速拉料，最高速度为 2m/s 。若保证拉料器在高速运行时， 仍能保证采集到高清晰度、不失真的电路板图像，需保证拉料器在最高拉料速度下， 利用线阵相机采集的图像仍然不发生失真，即线阵相机以合理频率扫描图像。这就要 求线阵相机的扫描频率能符合拉料器速度要求，拉料速度越高，扫描速度越快，摄像 机进光量越小，采集图像用时越少。合理选择光源并调整适合的光照角度保证摄像机 在高速运行时仍有较高的进光量，较高对比度和亮度均匀的图像。选择传输速度快的 图像采集卡可以实现图像数据传到计算机的快速传输。选择一个外触发信号作为线阵 相机的外部行触发信号，确保采集图像不会因拉料器的非匀速而失真。 2.2.1 摄像机与采集图像分辨率、图像亮度和采集速度的关系 （ 1 ）图像亮度、采集速度与摄像机的关系分析 1 ）摄像机像元尺寸与成像质量的关系 在相同光照强度、相同扫描速度下，摄像机像元尺寸不同，摄像机感光面积则不 同，相应成像质量则具有显著差异。以两款工业相机为例，分别为 DALSA 公司 P4-CM-08K070 、 DALSA 公司 P3-S0-16K40 ，像元尺寸分别为 7.04um 7.04um 、 3.5um 3.5um ，计算得感光面积分别为 49.5616um 2 、 12.25um 2 。利用这两款相机在相 同工业环境下分别进行采集图像，成像如下图 2.3 所示。观察可知，像元尺寸越大，图 像亮度越高，图像对比度越高。同等条件下，选择像元尺寸大的摄像机可以提高图像 亮度。从一定程度上解决采集速度和图像亮度、对比度之间的矛盾。

2 ）摄像机行频与图像采集高度、图像采集时间的关系 行频是指摄像机每秒钟从左到右扫描的次数，即每秒钟扫描图像的行数 [15] 。 采集一帧图像用时 = 采集图像高度  行频 。可知，图像高度一定，行频越高，采集用时 少。同等条件下，摄像机扫描速度越高，摄像机进光量越少，图像亮度和对比度越差。 3 ）摄像机数据输出接口与图像采集时间的关系 摄像机数据输出接口决定采集图像数据传输到计算机内存的速度，选择数据传输 接口快的摄像机可以提高传输速度，节省系统耗时。整理并分析目前摄像机主要的数 据接口类型和传输速度及传输距离等特点，如表 2.1 所示。对比发现， Camera Link 接 口相机传输带宽最宽，抗干扰能力较强。 系统采用摄像机分辨率为 8192 ，为保证图像对摄像机分辨率要求，系统采用幅面 分割采集方式，即将两个线阵相机并行放置，分别对目标对象部分采集，组合完成整 幅图像的采集。为保证采集到的图像不发生数据丢失、冗余等现象，设计两个相机采 集图像的重合尺寸为 10mm ，两相机机械中心距离为 225mm 。采集方式如下图 2.5 所 示。

2.2.2 光学镜头与摄像机的关系 光学镜头的主要功能是调制即光束变换。光学镜头是成像系统中必不可少的部件， 本系统中光学镜头的主要作用是将待检测的大幅面柔性电路板目标图像清晰完整地成 像在摄像机图像传感器上的光敏面上。光学镜头的正确选择和镜头参数的调节直接影 响成像效果甚至系统性能。因此，合理选择镜头并根据现场生产环境等多方面因素合 理安装是决定成像效果的一个重要因素。 2.4.1 图像采集卡的选择 常用的图像采集卡按视频信号源类型分为模拟信号图像采集卡和数字信号图像采 集卡两大类。模拟信号图像采集卡利用 AD 转换模块将模拟信号经采样量化后转换为 数字量进行传输，传输图像分辨率低，随着数字图像采集卡广泛应用，其应用范围受 到限制 [23] 。数字图像采集卡无需转换，直接接收相机输出的数字信号进行传输，图像 数据未经转换，所采集图像分辨率较高 [24] 。图像采集卡的选择主要基于以下两个因素： （ 1 ）视频信号接口 图像采集卡与摄像机相连接，选择图像采集卡时需注意其视频信号类型与摄像机 视频信号类型一致，例如， Camera Link 接口摄像机需接 Camera Link 接口图像采集卡， 1394 接口摄像机需接 1394 接口摄像机 [25] 。系统采用线阵相机输出信号类型为 Camera Link ，所选图像采集卡视频信号接口必须为 Camera Link 。 （2）数据采集能力 图像采集卡数据采集能力不得小于相机信号数据输出频率。数字图像采集卡满足 图像采集数据率不能小于相机的数据率 [26] 。 综合以上分析，选择图像采集卡型号为 DALSA 公司 X64 Xcelera-CL PX4 Full 型 号图像采集卡，如图 2.14 所示。该图像采集卡是基于 PCI Express x4 接口的 Camera Link 图像采集卡，兼容 Medium 或 Full Camera Link 传输方式，支持 Camera Link 运行高达 85MHz，图像传输到主机内存的速度高达 1GB/S ，基于 Teledyne Dalsa 触发到图像可靠 性“Trigger-to-Image Reliability ”技术架构，使该图像采集卡具备跟踪与纠错能力。 2.4.2 光栅尺与图像采集卡触发脉冲输入的接口电路设计 光栅尺与图像采集卡触发脉冲输入的接口电路主要用于完成光栅尺输出信号的频 率转换。光栅尺输出脉冲信号周期为 2um ，占空比为 50% 的脉冲信号，触发信号频率 与摄像机采集频率不匹配。因此，需将光栅尺输出信号进行频率转换。 （ 1 ）图像不失真原则 图像不失真原则，即采集图像横向和纵向像素尺寸相等。根据设计，相机分辨率 为 8192 ，视野范围为 230mm ，则每个像元对应实际尺寸为 230mm 8192=28.08um 。 根据图像不失真原则，每个像素高度方向分辨率与宽度方向分辨率相等。 结合图像采集卡工作原理，需要将光栅尺输出周期为 2um 矩形脉冲信号转换成周 期为 28um 的脉冲信号，则将光栅信号进行 14 分频。为方便后续功能的扩展，设计时 应考虑尽可能实现多频率分频，系统采用 CPLD 实现分频功能。 （2） CPLD 分频器电路原理及设计 分频原理 [27] ：偶数倍（ 2n ）分频，使用一 n 计数器模块即可实现，即每当 n 计数 器上升沿从 0 开始计数至 n 时，输出时钟进行翻转，同时给计数器一复位信号使之从 0 开始重新计数，以此循环即可。奇数倍（ 2n+1 ）分频，用（ 2n ＋ 1 ）计数器模块可以实 现。当计数器时钟上升沿从 0 开始计数到 n 值时输出时钟翻转一次，在计数器继续计 数达到 2n ＋ 1 时，输出时钟再次翻转并对计数器置一复位信号，使之从 0 开始重新计 数，以此循环。所设计的分频器实物装置如图 2.15 所示，分频电路原理图如图 2.16 所 示。 2.6.1 实验条件 测试样本为宽度为 450mm ，高度为 680mm 的柔性键盘薄膜线路板。根据系统设 计，调整两相机中心距离为 225mm ，镜头工作距离为 270mm ，光源距离生产线高度为 50mm ，光照角度为 45° ，拍摄背景为黑色，相机增益为 4 ，生产线速度为 1.96m/s 。选 择 200 幅电路板作为测试对象，每 10 幅线路板为一组，利用本文设计的硬件系统对生 产线上的大幅面键盘薄膜线路板进行实时图像采集，并对每幅线路板采集用时进行记 录，统计每组图像采集平均耗时。大幅面柔性印刷线路板缺陷在线视觉检测系统实物 装置如图 2.20 所示。