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1、华中科技大学 硕士学位论文 阵列式自动光学检测系统的误差校正算法设计与实现 姓名：杜鑫 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：武剑洁 2011-01 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 阵列式自动光学检测系统虽然突破了传统自动光学检测系统检测精度较低、速 度较慢等问题，但同时也出现了新的问题，理论精度可以达到很高，但在实际应用 中无法达到理论精度。传统的校正方式已不适合阵列式自动光学检测系统，而阵列 式动光学检测系统已有的校正方式检测精度达不到理论要求，需改善现有校正方案。 为此，针对现有阵列式自动光学检测系统在原有校正方式基础上，设
2、计新方案校正 来提高其精度。 针对自动光学检测系统校正基准存在的问题，在已有的算法基础上添加新的算 法，通过治具校正来校正基准误差。治具设计过程中，针对每个校正方案的缺陷， 设计新的算法和治具来消除误差，解决了以前校正过程中没有发现的校正板角度问 题与放大率问题。最终应用治具校取得的校正数据在静止扫图时最大的误差仅有 1 个像素。 针对机械运动误差，设计基于卡方分配的线性校正算法，自动在检测过程校 正机械运动误差。通过治具校正和线性误差补偿后，拼图效果有了效果很大的改 善，达到了阵列式自动光学检测的理论精度，锡膏检查机和钢板检查机已用于实 际生产中。 针对焊点检查机存在的贴装误差，设计基于运动
3、补偿的运动向量校正算法。根 据应用于 H.264 的运动补偿算法，进行了适当的修改用来计算元件的偏移量和角度。 对于一般的元件的检测效果很好。 经过以上误差校正算法后，阵列式自动光学检测系统检测精度达到了理想的精度。 关键词： 关键词：阵列式自动光学检测系统 治具校正 线性校正 运动向量校正 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract The traditional Automatic Optical Inspection (AOI) system has these defects: a low accuracy and the slow
4、detection speed. The Image Module Array AOI does not have these week points, but it emerges other new problem that theoretical precision cant be achieved in practice. And the traditional correction way is not suitable for Array AOI. Meanwhile new correction way cant achieve theoretical precision. Ba
5、sed on the original calibration method, we design new correction method to improve its accuracy. Against the problems which AOI baseline correction has, we design new algorithms and eliminate these errors through Instrument Correction. During the procedure, we design new methods to overcome the shor
6、tcomings. In the end the max error is only one pixel in the condition of the Instrument Correction data. Against the mechanical error, we use the Linear Correction algorithm which is based on the chi-square. This method will automatically eliminate the error. Through Instrument Correction and Linear
7、 Correction, Array AOI achieved the theoretical precision, and the paste AOI and stencil AOI have been used in product line. Against the component mounted error of the solder AOI, we design Motion Vector Correction algorithm. According to motion compensation algorithm of H.264/AVC, appropriate modif
8、ications were used to calculate the offset and angle components. For the detection of elements in general it works well. Through these algorithms, array AOI achieved the theoretical precision. Key words： Image Module Array Automatic Optical Inspection Instrument Correction Linear Correction Motion V
9、ector Correction 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 课题来源、目的和意义课题来源、目的和意义 影像侦测系统（Image Detection System）指的是利用 CCD（Change Coupled Device，电荷耦合器件）或者 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor， 互补性氧化金属导体）图像传感芯片抓取被测物体的影像资料，并利用数字图像处 理的相关方法，如灰度化、去图像噪声等对影像进行处理，然后判断被测物的好坏、 缺陷、特征等。影像侦测系统广泛地应用于工
10、业、医学等各个领域，对各个行业的 发展起了重要的推动作用1。 影像侦测系统应用到SMT （Surface Mounted Technology， 表面贴装技术）生产线就是各种 AOI（Automatic Optical Inspection，自动光学检测） 设备2,3。 随着电子产品向着小型化、轻量化和便携式发展，各种电子的原件集成也越来 越高，SMT 越来越精密，效率越来越高，人工肉眼检测已经满足不了现代工业要 求4。因此，人工检测已逐渐被 AOI 所代替，尽量提高 AOI 的检测准确率和降低 误判率成为了很多生产 AOI 设备厂商的目标。本课题来源富士康科技集团（烟台） SMT 技委会设备
11、技术研发部门正在开发的阵列影像 AOI 项目，如何提高 AOI 的检 测精度成为本课题的研究重点。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 AOI 现在面临的问题是被测元件微型化，PCB（Printed Circuit Board，印刷电路 板）板布线更趋精密复杂，而产线速度有增无减，现有的设备已将不能满足精度和 速度的需求5。 以目前 SMT 生产线应用量最大的的电阻元件来说， 最常见的是 0603， 而在主流 电子消费产品手机上已开始广泛应用 0402，0201 也已经投产于要求更精密的高端电 子仪器上。0603，0402，0201 指的是电阻元件的封装规格（以英制计量） ： 0603 表
12、示其尺寸为 0.6mil*0.3mil，即 1.5mm*0.8mm，0402 尺寸为 1mm*0.5mm，0201 尺寸 为 0.5mm*0.25mm6,7。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 在 PCB 检测中，一般的主机板约为 40cm*30cm。为保证足够分辨率，AOI 的取 像视野（FOV，Field of Vision）一般都很小，以保证被辨识物体能有足够像素数被 正确辨识、处理。现有的大多数机种的下限识别元件是 0603 的；而更小的如 0402 需要相应更小的 FOV，由前述 AOI 的原理可知同样的机板，FOV 面积取得越小，则 视窗个
13、数越多，给取像系统增大了负担8；同时每个视窗数据量是不变的，这就意味 着需要被处理的数据增加，影像处理的工作量也增大了。数据的输入和输出都明显 负担加重，传统的整个影像侦测系统的架构也很可能不能再适应这些需求9。 为了适应 PCB 生产制造上对成本和质量越来越高的要求，AOI 采用从原来的 XY 平台控制的单组高精度模组处理技术到最新出现的阵列式多模组并行处理技术， 精度和时间都得到了较大的提升。阵列影像采用 500 万像素分辨率，FOV 为 25.6mm*24mm，即像素为 2048pixel*1920pixel，精度达到了 0.0125mm。表 1.1 为阵 列式 AOI 影像精度不同元件
14、尺寸比较，由表 1.1 可知阵列式影像检测机完全可以满 足检测 0201 的元件的要求。 表 1.1 不同元件分辨率比较 分辨率 扫描区域 像素 0420 0201 01005 2048*1920 25.6*24mm2 12.5*12.5um2 80*40pixel 40*20pixel 20*10pixel 在阵列式 AOI 架构之上研发了三种 AOI，分别是用来检测锡膏印刷是否有缺陷 的锡膏检查机、 检测印刷锡膏治具的钢板检查机与检测经回焊炉 PCB 的焊点检查机。 但为了能尽量降低成本，阵列式 AOI 不能依靠高精度机械设备来保证取相的精 确度，只能采用较为宽松的机械精度标准来降低成本压
15、力；同时，系统采用了相对 廉价的内部研发的影像模组，与市场上的专业模组相机相比，在定位精度和数据传 输能力上有较大欠缺。这些问题都需要根据系统特点依靠软件提供有效的方案。通 过现有的校正方式，数据传输能力和精度有了很大的提高10。阵列式影像在检测时 间上没瓶颈，数据传输不存在问题。在精度方面，虽经过初步的校正，但由于环境 因素的不确定（例如：温度、湿度等） 、机械结构误差及贴装元件偏差等问题无法达 到 0.025mm 的精度，需进行进一步的校正。本文接下来就是致力于解决以上这些问 题。 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.3 论文的研究内容及结构安排
16、论文的研究内容及结构安排 课题的研究内容是：针对现有的阵列式 AOI，设计方法提高其检测精度。 全文的结构安排如下： 第一章为绪论，介绍影像侦测系统与 AOI 的现状，以及本课题的意义。 第二章为阵列式影像系统校正方案总体设计。简介阵列式影像结构，总结现有 的校正方案的不足和新方案的简单概述。 第三章环境误差及机械机构校正。设计特定治具，尽量减小外界环境对 AOI 的 影响。 第四章机械运动误差校正。通过线性补偿，自动统计消除机械运动的误差。 第五章贴装误差校正。利用图像对比找出各点的偏差情况，消除贴装误差。 第六章对全文进行总结，并对下一步的工作进行展望。 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 系统误差校正总体方案系统误差校正总体方案 本张首先介绍了阵列式 AOI 的基本架构，接着分析阵列式 AOI 存在色彩误差和 几何误差两类误差，以及 AOI 现有校正方案的不足。针对现有方案的不足和新的需 求提出了新的设计方案。 2.1 阵列式影像系统结构设计阵列式影像系统结构设计 目前主流的 AO
