柔性印刷線路板LED貼片點(diǎn)銀質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)方法

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)研究所 張俊朋 苑瑋琦

柔性印刷線路板LED貼片點(diǎn)銀質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)方法

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)研究所 張俊朋 苑瑋琦

柔性印刷線路板中貼片式LED燈的粘貼要經(jīng)過(guò)點(diǎn)銀、貼片、封膠等工藝，其中點(diǎn)銀過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生漏點(diǎn)銀、銀點(diǎn)偏位、銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)、銀點(diǎn)不夠圓等一系列質(zhì)量問(wèn)題。提出了一套基于機(jī)器視覺(jué)的點(diǎn)銀質(zhì)量在線檢測(cè)方法:利用canny算子提取連接盤邊緣，并利用模板匹配對(duì)銀點(diǎn)所在連接盤進(jìn)行定位；利用圖像增強(qiáng)，最大類間差法提取銀點(diǎn)；通過(guò)銀點(diǎn)與背景區(qū)域求交集以及可接受區(qū)域的濾除來(lái)檢測(cè)銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)缺陷。該方案已經(jīng)應(yīng)用在了生產(chǎn)線上并且具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。

點(diǎn)銀缺陷；模板匹配；圖像增強(qiáng)

0　引言

柔性印刷線路板（FPC，F(xiàn)lexible Printed Circuit)不僅具有輕、薄、小等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用還非常廣泛，本文研究的FPC主要用在筆記本電腦鍵盤中的電路連通。鍵盤除了按鍵之外，還包括LED指示燈。其中LED指示燈的粘貼包括點(diǎn)銀、貼片和封膠三個(gè)步驟。本文研究點(diǎn)銀質(zhì)量在線檢測(cè)方法,點(diǎn)銀過(guò)程要求銀點(diǎn)覆蓋連接盤滯留孔，覆蓋偏差不能超過(guò)0.2mm，銀點(diǎn)圓度在0.75以上，并且銀點(diǎn)拉絲不能超過(guò)0.1mm。實(shí)際操作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)漏點(diǎn)銀、銀點(diǎn)過(guò)大、銀點(diǎn)偏位、銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)、銀點(diǎn)不夠圓等缺陷。本文重點(diǎn)研究銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)的檢測(cè)方法。首先搭建硬件平臺(tái)，采集銀點(diǎn)圖像，然后通過(guò)本文提出的方法對(duì)點(diǎn)銀質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

1　連接盤外輪廓及滯留孔區(qū)域的提取

對(duì)點(diǎn)銀質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)前，需要先找到銀點(diǎn)，才能進(jìn)行后續(xù)的處理，而銀漿點(diǎn)在連接盤上，為了縮減點(diǎn)銀質(zhì)量檢測(cè)的范圍，排除鍵盤圖像中背景區(qū)域?qū)c(diǎn)銀檢測(cè)不必要的干擾，選用未經(jīng)點(diǎn)銀的連接盤外輪廓作為模板，通過(guò)基于形狀特征的模板匹配對(duì)點(diǎn)過(guò)銀的連接盤進(jìn)行匹配定位。同時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)閾值提取連接盤上的滯留孔區(qū)域，計(jì)算滯留孔區(qū)域的面積，并通過(guò)面積特征作為檢測(cè)漏點(diǎn)銀的依據(jù)。

2　銀點(diǎn)的提取

獲取到模板之后，為了匹配的準(zhǔn)確性，采用帶角度的基于形狀的模板匹配對(duì)連接盤進(jìn)行定位，以減小檢測(cè)范圍，提高檢測(cè)速度。最大旋轉(zhuǎn)角度由放置印刷線路板的底板與流水線的最大夾角決定。原圖如圖1(a)所示。定位后圖像如圖1(b)所示。

由于成像時(shí)會(huì)出現(xiàn)光斑和連接盤連在一起的現(xiàn)象，如圖1(c)所示，如果直接進(jìn)行閾值分割，會(huì)將與連接盤相連部分的光斑分割為連接盤區(qū)域，從而導(dǎo)致銀點(diǎn)提取不完整，影響后續(xù)銀點(diǎn)偏位與銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)缺陷的檢測(cè)。為了避免這一情況，在提取銀點(diǎn)之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

本文采取灰度值變換[1]這一圖像增強(qiáng)的方法來(lái)增強(qiáng)銀點(diǎn)圖像的局部對(duì)比度，使其不受背景變化的影響。增強(qiáng)后的圖像如圖1(d)所示。連接盤區(qū)域的灰度值達(dá)到255，但是與連接盤相連接的光斑周圍的灰度值明顯小于255。

對(duì)增強(qiáng)后的圖像通過(guò)固定閾值分割和4-鄰域標(biāo)記法求取連通域，然后通過(guò)面積特征提取出只有連接盤部分的區(qū)域。通過(guò)將提取出的連接盤進(jìn)行孔洞填充與圖像減法即可提取出二值化銀點(diǎn)，但是當(dāng)銀點(diǎn)點(diǎn)偏時(shí)，會(huì)出現(xiàn)銀點(diǎn)越過(guò)連接盤邊界的情況，如圖1(e)所示，這時(shí)孔洞填充的方法已經(jīng)不適合用來(lái)提取銀點(diǎn)區(qū)域。為了使銀點(diǎn)區(qū)域的提取不受銀點(diǎn)在連接盤所處位置的影響，利用增強(qiáng)后的圖像，提取銀點(diǎn)越過(guò)邊界時(shí)的連接盤區(qū)域，利用圖像減法[2],只得到銀點(diǎn)和背景區(qū)域，選取出銀點(diǎn)和背景區(qū)域所在的圖像如圖1(f)所示。

采用最大類間差法二值化圖像 1(g),最大類間差法所確定的閾值最大化類間方差，即：

式中HP為確定的最佳閾值，δb2(H) 為類間差，δb2(Hp) 為獲得的最大類間差。

f(x,y)是二值化之前的銀點(diǎn)圖像，二值化后的銀點(diǎn)圖像為：

二值化后的銀點(diǎn)圖像如圖1(g)所示，可以看到銀點(diǎn)圖像受到了背景區(qū)域的干擾。這時(shí)采用半徑為3的圓為結(jié)構(gòu)元對(duì)二值化后的銀點(diǎn)圖像進(jìn)行開運(yùn)算。開運(yùn)算不僅能平滑圖像而且能夠消除細(xì)小區(qū)域的干擾，處理結(jié)果如圖1(h)所示。

圖1　銀點(diǎn)提取過(guò)程圖

3　銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)檢測(cè)

在點(diǎn)銀機(jī)工作過(guò)程中的拉絲現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)貼片過(guò)程中兩個(gè)銀點(diǎn)相連而出現(xiàn)LED短路問(wèn)題，所以對(duì)銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)的檢測(cè)是點(diǎn)銀質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵。銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)的定義是銀點(diǎn)出現(xiàn)拉絲，并且處于兩個(gè)銀點(diǎn)中間位置。正常銀點(diǎn)圖像如圖2(a)所示，銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)如圖2(b)所示。

本文采取的方法是利用提取出的銀點(diǎn)區(qū)域與背景區(qū)域求交集，此背景區(qū)域由被檢測(cè)圖像，如圖2(a)，減去模板匹配時(shí)得到的連接盤區(qū)域而獲得，背景區(qū)域如圖1(c)所示。然后利用最小外接矩形求交集的長(zhǎng)度，通過(guò)長(zhǎng)度判斷是否為銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)缺陷。

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，用矩來(lái)描述隨機(jī)變量的分布形態(tài)[3]，將矩的定義推廣到圖像中，把像素點(diǎn)值作為隨機(jī)變量值 f(x,y)，則(x,y)表示像素點(diǎn)的坐標(biāo)，感興趣區(qū)域 R的 p+q 階矩如式(3)所示：

由(1)式可以得到感興趣區(qū)域的零階矩和兩個(gè)一階矩，零階矩如式(4)所示，兩個(gè)一階矩如式(5)、(6)所示：，如式(7)所示：

根據(jù)零階矩和一階矩，則可求出感興趣區(qū)域的質(zhì)心

由以上各式，可求出區(qū)域的中心矩，如式(8)所示：

由p+q=2時(shí)的2階中心矩可以得到區(qū)域的長(zhǎng)度信息。根據(jù)式(8)可求出u00，u02，u11等。由以上求得的各個(gè)參數(shù)即可獲得區(qū)域最小外接矩形的長(zhǎng)度和寬度信息，即：

交集區(qū)域如圖2(d)中紅色區(qū)域所示。如果長(zhǎng)度大于0.1 mm，則判為銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)。圖2(d)求出的銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)的長(zhǎng)度為0.37 mm，故為銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)缺陷。

可接受區(qū)域的排除：

在點(diǎn)銀機(jī)工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)銀點(diǎn)與背景有一定的交集，且交集長(zhǎng)度達(dá)到了0.1mm，但是在缺陷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)里面屬于合格的現(xiàn)象，原圖如圖2(e)所示，經(jīng)過(guò)檢測(cè)處理后得到如圖2(f)所示紅色區(qū)域，稱之為可接受區(qū)域。對(duì)可接受區(qū)域?yàn)V除所采取的方法及步驟為：

首先，用提取出的銀點(diǎn)拉絲區(qū)域與去掉拉絲的銀點(diǎn)區(qū)域求并集。去掉拉絲的銀點(diǎn)區(qū)域如圖2(g)所示，并集區(qū)域如圖2(h)所示。

其次，用去掉拉絲的銀點(diǎn)區(qū)域w，與并集區(qū)域b的圓度進(jìn)行比較。其中圓度的定義為：

式中A為面積，r為區(qū)域中心到邊界的最大距離。

圖2　銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)檢測(cè)過(guò)程圖

若Cw＞Cb，則說(shuō)明是真正的銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)，若Cw＜Cb，則說(shuō)明是可接受區(qū)域。針對(duì)圖2(g)與圖2(h)，計(jì)算出的圓度分別為0.76與0.91，即Cw＜Cb，所以為可接受區(qū)域。通過(guò)以上方法即可排除可接受區(qū)域?qū)︺y點(diǎn)拉絲超標(biāo)缺陷的誤判。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)點(diǎn)銀質(zhì)量檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試，所檢測(cè)的柔性印刷線路板上最少有1個(gè)LED指示燈，最多有3個(gè)LED指示燈，一個(gè)LED指示燈需要點(diǎn)兩個(gè)銀點(diǎn)，每塊底板上一般放置5至9塊柔性印刷線路板。從開始拍攝柔性印刷線路板圖像到檢測(cè)結(jié)果顯示，每塊底板上放置的柔性印刷線路板總的檢測(cè)時(shí)間最多不超過(guò)6s，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)柔性印刷線路板1個(gè)月的不間斷測(cè)試，現(xiàn)針對(duì)板號(hào)為261的板型，提取其2個(gè)小時(shí)的不間斷測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1　銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)和銀點(diǎn)偏位測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)剛性印刷線路板對(duì)焊錫多錫、少錫的檢測(cè)不同，本文主要針對(duì)柔性印刷線路板LED貼片點(diǎn)銀過(guò)程中的銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)缺陷，提出了一套完整的在線檢測(cè)方案，利用銀點(diǎn)與背景交集的長(zhǎng)度判斷是否拉絲超標(biāo)，同時(shí)兼顧可接受區(qū)域的排除，使銀點(diǎn)拉絲超標(biāo)缺陷的檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確；經(jīng)過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，所提方案的檢測(cè)精度和檢測(cè)速度均符合企業(yè)要求。

[1]Carsten S,Markus U,Christian W.機(jī)器視覺(jué)算法與應(yīng)用[M].楊少榮,吳迪靖等譯.北京:清華大學(xué)出版社,2008:340-341.

[2]Rafael C Gonzalez,Richard E Woods.數(shù)字圖像處理(第三版) [M].阮秋琦譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003:42-44.

[3]苑瑋琦,胡迪.利用矩實(shí)現(xiàn)植物葉片長(zhǎng)寬的測(cè)量[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2013,49(16):188-191.