印刷电路板检测系统光学设计

邬明慧，安志勇，高瑀含，赵伟星

（1长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.南京光科技术有限公司，南京 210001）

PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)基本功能是搭载电子元器件并实现其间的电气连接。现代电子设备性能的优劣，不但受电子元器件本身质量和性能的影响，而且在很大程度上取决于PCB质量的好坏。PCB缺陷检测技术是关系到电子系统质量和生产周期的重要环节。随着印刷电路板向着高密度、细间距和低缺陷方向发展，对PCB检测技术在精密、高效、通用和智能化等方面提出了更高要求。近十年，AOI(AutomaticOpticalInspection自动光学检测)技术被大量地运用在PCB板生产线上，同传统的目视检测技术相比，AOI系统的应用克服了人工检测技术的劳动强度高、眼睛易疲劳、漏验率高、人为因素影响大等弊端，大大提高了检测速度和质量，提高了生产效率，降低了生产成本［1-2］。

基于AOI技术的PCB检测系统原理图如图1所示，AOI的核心是光学摄像系统，其成像质量直接影响后继的图像处理。光学系统应满足高分辨率、小畸变，可以对不同规格的 PCB板测试的要求。对于不同线宽的PCB板，使用变倍镜头以兼顾系统的测试效率和检测精度：当线宽较大时，可缩小放大率以提高效率；当线宽较小时，可以增大放大率以提高检测精度。

1 光学系统技术指标

焦距，100mm

图1 PCB缺陷检测系统示意图Fig.1 The schematic diagram of PCB defect detection system

F数，5.6

工作波长，400~500nm及550~650nm

2 光学系统设计

2.1 成像器件的选择

为提高系统的性能，不仅要有好的光学镜头，还需要高质量的感光器件（如CCD、CMOS等）与之相匹配。CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，更适合作为PCB检测镜头的感光器件。CCD分为面阵CCD和线阵CCD，面阵 CCD可以成二维图像，但光敏面尺寸较小，限制成像范围，进而影响系统分辨率及测量精度；线阵 CCD像元数较高，但只能进行一维成像。为了满足系统高精度及大视场的要求，采用线阵 CCD推扫式测量，即线阵 CCD在水平方向成像，同时利用伺服电机带动 CCD在垂直方向做扫描运动，通过图像拼接技术可以获得PCB板的二维图像信息［3-4］。本系统采用 TCD1708D 型线阵CCD，像元数为5000，像素尺寸为7×7m，其奈奎斯特频率为72lp/mm。

2.2 照明光源的选择

为降低成本，采用 LED作为照明光源。选择SJ-045型号LED阵列作为光源，其光谱曲线如图2所示：该LED光谱范围主要集中在400~500nm和580~650nm两个区域，在450nm和630nm有峰值，检测系统工作波长应以LED谱段作为标准。

图2 LED光谱曲线图Fig.2 The spectral curve of LED

2.3 光学设计结果

选择合理的初始结构，并通过正确的优化方法，较容易达到要求的目标。本系统属于投影系统，由照相系统演化而来。在众多光学系统中，双高斯光学系统(Double-Gaussian Lens)因其优良的光学特性而广泛应用于照相系统、投影系统及中继成像系统中，故选择双高斯系统作为初始结构［5-6］。选择双高斯系统作为初始结构，其光学结构如图3所示。

图3 光学系统结构图Fig.3 The structure of optical system

系统的初始结构数据如图4所示，在此基础上进行优化，利用 ZEMAX软件中的多重组态功能(Multi-configuration)如图5所示，对系统进行优化。将物高分别设为100mm、75mm、65mm和50mm，同时将物距和后截距设为变量，考虑到 LED的光谱分布特性，将入射波长设为450nm和630nm，权重分别为0.3和1，优化结果如图6所示。

图4 系统的初始数据Fig.4 Initial parameters of the system

图5 ZEMAX多重组态数据Fig.5 Multi-configuration parameters of ZEMAX

图6 系统优化结果图Fig.6 The optimization results of system

图7 MTF曲线Fig.7 MTF curves of the system

图8 场曲及畸变曲线图Fig.8 Field curvature and distortion curves

3 像质评价

常用评价方法有：Strehl判据、瑞利判据、分辨率、点列图及传递函数（MTF）等。其中，Strehl判据和瑞利判据适用于小像差系统，点列图适用于大像差光学系统。分辨率法以人眼作为判断依据，具有很大的主观性。传递函数（MTF）适合所有光学系统，MTF曲线既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，可以反映除畸变以外的所有像差，是最全面客观的评价方法［7-8］。故通过MTF曲线结合畸变曲线对系统进行综合评价。不同组态下的MTF曲线及畸变分别如图7所示和图8所示，由图7可知，在奈奎斯特频率处其MTF值大于0.3，由图8可知，所有组态相对畸变均小于0.1%，符合系统要求。

4 结论

AOI技术具有高效率、高精度、高自动化等优点，在PCB检测系统中发挥重要作用。光学系统设计是AOI技术的重要环节，其质量直接关系检测精度。本文设计了一种具有较高分辨率和低畸变的PCB板检测的光学系统，能兼顾不同型号的PCB系统的检测效率和测试精度的要求，整个系统的检测范围为50~100mm，测试精度30m，具有重要的工程应用价值。

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