杨志宽 2.林龙
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摘要：自动光学检测(AOI)是目前PCB检测的主要方法，线路板细小缺陷的检测对于AOI系统是一大挑战。本文对PCB中微小缺陷的成像问题进行了研究，从成像理论出发，对欠采样条件下显微缺陷成像进行了研究。分析并验证了缺陷尺寸-像素分辨率比以及采样相位对成像的影响，对该系统进行性能分析和研究具有重要意义。
关键词：光学线路板自动检测；欠采样成像；微小缺陷检测
引言
在PCB缺陷检测中，自动光学检测(AOI)已成为主要方法。清晰可靠的缺陷成像是AOI系统缺陷检测的前提条件。像素分辨率是光学成像系统中的一个重要指标，它决定着成像所需的缺陷大小。Naquist采样率限制了像素分辨率P与目标尺度(直径D或最小宽度W)，这就要求在D>2p时，目标能够清晰而精确地成像。
一、自动光学检测概述
微小缺陷检测是AOI系统中对检测能力的重要要求。依据采样规则，提高像素分辨率是保证和提高缺陷检测能力的关键。但是受工程条件的限制，系统的像素分辨率不能无限提高，高像素分辨率给光学检测领域的设计带来了巨大的挑战，它会极大地提高系统成本、降低景深和检测速度。如何平衡微缺陷和其它工程指标与像素分辨率之间的关系是AOI系统设计中的一个重要问题。因此，需要研究像素分辨率与可检测缺陷最小尺寸之间的关系。这种方法不仅可以为AOI系统的设计提供依据，而且可以准确地评价现有AOI系统的检测能力，这对提高在一定像素分辨率下的缺陷检测能力具有重要意义。取样状态下，目标尺度D小于2像素，接近或小于1像素，因此成像系统不满足奈奎斯特采样规律，微尺度目标成像有其自身的特点，会导致图像质量急剧下降。但是图像中的目标图像并非完全不可见，目标图像与背景之间还存在一定的反差。该文从欠样成像理论出发，分析了AOI系统在欠样条件下的显微缺陷成像特性及其影响因素，为AOI系统的开发提供了参考依据。
二、基于欠采样的PCB-AOI系统微小缺陷分析
因为AOI系统是用来判断缺陷的，而不仅仅是追求清晰的图像视觉效果，或者只是追求精确的测量结果，所以从理论上讲，只要目标检测到的缺陷与背景有一定的对比，就可以被发现。因此本论文重点研究了欠采样条件下微目标图像的灰度特征，在小尺度下，采样相位对图像的灰度影响很大。本文通过实验分析了当目标尺度D=采样分辨率P时，不同采样相位的成像情况，得出采样相位取决于目标和成像系统在光轴垂直方向上的相对移动。
假设背景为白色，正常情况下成像亮度为255dn，目标为黑色，正常情况下成像亮度为0dn，背景对比度为255dn。在不同的采样阶段，成像条件如下：
(1)当缺陷都在一个像素内时，灰度为0dn，在这种情况下，目标和背景的对比度仍然是255dn;(2)当缺陷横跨两个像素并且平均分割时，两个像素的灰度为122dn，或者像素之间的灰度可能是上下浮动的。
尽管位置可能不同，但像素的成像性能是单一的，对象与背景的对比度为122dn;(3)用四个像素平均分割缺陷时，灰度值为191dn，此时，目标和背景的对比度只有64dn。当目标尺度D=采样分辨率P时，仍然可以在图像中显示目标，但是与背景的对比度可能会比正常值低1/4。不同采样相位下，目标图像的亮度和尺寸变化较大，目标图像特征极不稳定。如果所有的缺陷只有一个像素，那么这个像素的灰度值是191dn。虽然可能出现有的图像灰度与其他的图像不同，但绝大多数图像的灰度是会保持一致的，此时目标的背景对比度降低到64dn;当将缺陷分割为平均两个像素时，其灰度为223dn，此时目标之间的背景对比只有22dn;当缺陷平均被4个像素分割时，灰度下降到239dn，此时目标的背景对比度仅为16dn，也就是说，当目标尺度D约为像素分辨率P的一半时，仍能对其成像，但在最佳条件下，对比度仅为正常值的1/4，而最差时，对比度仅为原始值的1/10。当SNR小于20dB时，无法进行可靠的检测。
四、试验研究结果及分析
最后我们进行了相应的成像实验。实验用Jai相机(1392pixel×1040像素4.65μm)和电脑控制的8mm镜头组成成像系统。像素分辨率调整为0.2毫米/像素，图像系统(图像中心部分)的传输能力为0.358。生产的目标是标准尺寸，包括不同尺寸的圆圈(模拟孔洞和残余铜缺陷)和细线(模拟断路和短路缺陷)。圆直径和线宽分别为0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.8mm和1.0mm，对应于采样条件：1/2像素符合采样规律，1.0像素符合成像条件。然后，通过设置同一圆靶的相对距离，实现了对不同采样相的仿真；在此基础上调整后，图像中目标的大黑区域亮度为0，白区域255。通过对黑区内白色圆形目标的成像结果的观察分析，我们得出结论，从理论上分析表明，在不同的采样速率下，目标图像的表现力有很大的差异：当目标尺寸满足采样规律(d>2P)时，目标与背景图像的对比度明显；当目标处于非采样状态时，目标图像的表现力急剧下降；当D=P满足采样规律时，目标亮度非常不稳定，并且随着采样相位的变化，最坏的情况是，目标与背景图像的亮度对比度下降到1/10。但选择好的图像处理算法，仍能很好地实现区域分割目标和背景。当D=0.5p时，目标亮度接近背景噪声，无法被图像处理算法检测到。这种趋势与理论分析一致，但是由于实际成像系统的各环节造成图像信息的退化，导致成像效果不如理论分析的好。
同样，对细线的摄像(相当于AOI中的短路或断开)也可以得出以下结论：在未采样的情况下，联机宽接近于像差分辨率(w=p)，目标与背景的对比度降低，但可检测。具体来说，线状目标的单向比例特别大，因此摄像表达能力远远高于圆目标，即使在w=p/4的情况下，目标和背景也从最初的255DN降至20-30DN，但仍有可能被探测，通过观察黑白相间的基本采样细线摄影作品我就就可以发现这一结论。
五、结束语
对于AOI设备而言，成像系统的像差分辨率限制了其检测缺陷的规模，在不满足采样定理的采样条件下，图像上微小缺陷的显示是常量，而背景反差则会急剧减小。在实际摄像系统中，对点缺陷而言，当其直径接近像差分辨率时，目标亮度的对比度下降到正常时的1/10左右，而对直线缺陷而言，当其宽度接近像差分辨率的1/4时，目标亮度下降到1/10左右。在信号与噪声比较好、系统传输良好、亮度和动态范围足够的情况下，适当的图像处理算法能够稳定地检测出微小缺陷。
参考文献
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