Технологии в электронной промышленности №6'2008

Автоматическая оптическая инспекция с идеальной резкостью

Йенс Кокот

Андре Хаке

Андрей Новиков


Требования к автоматическим оптическим системам для инспекции миниатюрных компонентов и паяных соединений не могут быть удовлетворены только за счет увеличения плотности пикселей камеры ПЗС (приборы с зарядовой связью; в англоязычной терминологии — CCD, Charge-Coupled Device). Особенно важно согласование оптической системы и камеры ПЗС.

За счет постоянной миниатюризации электронных модулей и компонентов предъявляются все более высокие требования как к процессам производства, так и к связанным с ними условиям обеспечения качества. Вследствие увеличения плотности монтажа усложняется использование методов электрического тестирования с контактными щупами, при этом роль автоматической оптической инспекции (АОИ) как качественного метода испытаний постоянно возрастает. Однако в связи с постоянно уменьшающимися структурами, которые должны быть опознаны, предъявляются очень высокие требования к устройствам передачи и обработки изображений внутри систем АОИ. В данной статье представлены необходимые условия для распознавания миниатюрных отличительных деталей, которые, например, применяются при инспекции компонентов формы 01005 (рис. 1) или паяных соединений с шагом 0,3 мм.



Рис. 1. Сравнение размеров компонентов формы 1206 до 01005

Основы распознавания отличительных деталей

Применение камер с ПЗС-матрицей стало своего рода стандартом для получения изображения системой АОИ. По сравнению со сканерами системы с плоскими камерами более удобны для получения изображений с различными вариантами освещения, а кроме того, подобные системы обладают меньшим оптическим искажением при более высоком разрешении.

Для оценки способности распознавания систем АОИ, независимо от способа получения изображения, зачастую применяется такая характеристика, как пиксельное разрешение с единицей измерения мкм/пиксель. Однако данная характеристика представляет собой скорее теоретическое значение, в котором не учитывается влияние таких решающих параметров объектива, как дифракция или искажение изображения. Значительное влияние на опознавание деталей оказывает конструкция оптической системы и ее оптимальное согласование с используемой матрицей ПЗС. Далее будут рассмотрены основы конструкции оптической системы и ее согласования с матрицей ПЗС.

Одним из важнейших параметров оптической разрешающей способности объективов является числовая апертура. Этот параметр представляет собой величину способности сбора света оптической системы и определяется, как правило, за счет диафрагм, расположенных внутри объектива. Согласно волновой теории света диафрагмы оказывают влияние на дифракцию света, которая, в свою очередь, ведет к тому, что, например, идеальная точка объекта не может быть отображена как точка, а скорее как более или менее размытый круг. Математическая функция подобной световой точки до и после прохождения через объектив представлена на рис. 2.



Рис. 2. Идеальная световая точка и ее математическая функция до и после передачи через объектив



Рис. 3. Размытая световая точка при попадании на матрицу ПЗС, состояние заряда пикселя

В случае если за объективом расположена ПЗС-матрица, происходит дополнительное расширение световой точки за счет размера пикселя (рис. 3). При рассмотрении полной цепочки получения изображения можно ус тановить, что из изначальной световой точ ки с минимальным диаметром была образо вана площадь размером 383 пикселя. Это ука зывает на то, что в данном случае увеличение пиксельного разрешения (мкм/пиксель), на пример, за счет большого количества пиксе лей ПЗС-камеры, не ведет к улучшению опо знавания деталей. Напротив, даже очевидно, что разрешающая способность датчика изо бражения в данном случае используется не полностью. Аналогичная ситуация складыва ется при отображении перехода от полного освещения к ослабленному (оптическая грань). После прохода через объектив подоб ная грань стирается из-за большого количе ства пикселей (рис. 4).



Рис. 4. Идеальный переход с полного освещения на ослабленное до и после передачи через объектив, состояние заряда пикселя

Значит, изображение отдельных деталей определяется в первую очередь за счет качества используемого объектива. Увеличение количества пикселей ведет не к улучшению, а наоборот, лишь к большому количеству данных с известными последствиями.

Если, учитывая эти физические условия, обратиться в область коммерческой фотографии, то здесь тоже можно установить, что качество используемой оптики оказывает гораздо большее влияние на получение высококачественных фотографий, нежели количество пикселей.

Повышение разрешения за счет конструкции объективов с пиксельной адаптацией

Итак, оптимизация оптики камеры представляет собой единственный рациональный путь для значительного повышения разрешения системы получения изображения. С учетом используемой матрицы ПЗС форма объектива должна быть сконструирована таким образом, чтобы нечеткость оптики, вызванная дифракцией, была меньше, чем размер пикселя матрицы ПЗС. С помощью подобного объектива с пиксельной адаптацией возможно эффективное увеличение разрешения относительно распознавания деталей при неизменном количестве пикселей (рис. 5).



Рис. 5. Идеальная световая точка после передачи через адаптированный по пикселям объектив, изображение на матрице ПЗС, состояние заряда пикселя

Применение сконструированной подобным образом оптики, разумеется, ведет не только к улучшению изображения отдельных точек, но и к получению изображений оптических граней (рис. 6).



Рис. 6. Идеальный переход с полного освещения на ослабленное после передачи через адаптированный по пикселям объектив на матрицу ПЗС, состояние заряда пикселя

Использование объективов с пиксельной адаптацией в модулях камер систем АОИ серии OptiCon

Компоненты формы 01005 являются на данный момент наименьшими компонентами для поверхностного монтажа и имеют размеры 0,480,2 мм. Типичный размер паяного соединения компонента данной формы— 0,1580,08 мм. При пиксельном разрешении 21 мкм/пиксель это означает, что для отображения мениска паяного соединения будет задействовано около 28 пикселей (примерно 784 пикселя), а для отображения всего компонента — 180 пикселей. Тем самым для существенных признаков даже при учете допусков при производстве и проектировании находится большое количество точек изображения для оценки.

Однако на самом деле эти точки изображения не обладают требуемым качеством для достаточного распознавания структур, что связано с разрешающей способностью используемой оптики. При использовании объектива, в соответствии с описанными условиями, который не оптимально согласован с геометрическими размерами пикселей камеры, происходит «размывание» существенных областей признаков. Повышение лишь пиксельного разрешения (например, до 10 мкм/пиксель) не ведет к улучшению результата распознавания.

Согласование объектива и геометрических размеров пикселей камеры, напротив, позволяет проводить инспекцию без увеличения количества пикселей или пиксельного разрешения. На основании данных физических закономерностей была последовательно разработана концепция получения изображения систем АОИ серии OptiCon (рис. 7).



Рис. 7. Системы АОИ серии OptiCon

За счет применения объективов с пиксельной адаптацией возможно распознавание деталей, которое обеспечивает надежную инспекцию компонентов формы 01005 или паяных соединений с шагом 0,3 мм. При этом было сохранено испытанное телецентрическое отображение для безошибочного получения изображений независимо от положения компонентов и их расширения в высоту.

Для повышения статистической надежности при обработке с помощью соответствующего алгоритма распознавания было также увеличено разрешение до 10,5 мкм/пиксель на основании оптимизации признаков при трансформации изображения (рис. 8). Большее количество позволяет дополнительно улучшить изображение, а также более удобно для эксплуатации, например при ручной подгонке областей инспекции.



Рис. 8. Чип-резисторы формы 01005, заснятые камерой АОИ серии OptiCon, разрешение 10,5 мкм/пиксель

Выводы

Только увеличение пиксельного разрешения (например, за счет использования ПЗС- камер с большим количеством пикселей) не является рациональным решением для необходимого распознавания деталей при инспекции миниатюрных компонентов и паяных соединений. Ограничивающий компонент подобных систем, как правило, — используемый объектив. Для достижения максимально возможного распознавания оптическая разрешающая способность объектива должна быть согласована с размером пикселей камеры. Использованные методы преобразования после прохождения света через камеру повышают статистическую надежность используемых алгоритмов, а также способствуют улучшению визуального изображения и удобству эксплуатации.

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen, 2008, № 5, Германия).


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Игорь шувалов
Игорь Алексеев - профессиональный фотограф. Записи в mp3 Игоря Бутмана
whoiswho.dp.ru
Каркасные дома под ключ в СПб
Строительство каркасных домов под Ключ. У нас докризисные цены! Смотреть
каркасные-дома-недорого.рф
Купить лампу для растений
Лампы для растений купить по низким ценам! Гарантия! Звоните и заказывайте
led-glow.ru