选择AOI系统相机时最重要的四个因素

PCB AOI

印制电路板(PCB)仍然是当今世界最重要的行业之一。我们身边电子产品无处不在,因而无论是空板还是组装印刷电路板(PCBAs)对制造效率的要求都在与日俱增。

通过在早期制造过程中识别短路、元件遗漏/错位、元件扭曲和焊接质量低等问题,自动光学检测(AOI)系统已成为提高制造效率的关键手段之一。若未及早发现,即使是细微的缺陷也可能导致产品在后期发生故障进而产生高昂的维修成本。

这类AOI系统的竞争非常激烈。为保证系统能够为目标客户提供卓越的价值,设计师必须选择合适的组件和算法。因而在这类视觉驱动型系统中,相机的选择是组件选择决策的核心要素之一。

本文将带您快速回顾系统设计师在构建AOI系统时需要考虑的四项最重要的相机标准。

标准#1 – 高分辨率

随着元件的微小化和PCBA的密集化,为准确检测问题并最大限度地减少“误报”,AOI系统能否清楚地“看到”微小细节变得至关重要。

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Source: circuitassembly.com 

时至今日,即使是入门型AOI系统也要包含一台至少500万像素的相机。先进的系统更是拥有高达2000万像素分辨率的相机,以更好地对应当今PCBA的密度和复杂度。

设计团队在构建新一代AOI系统时的明智之举是进一步提高系统的光学分辨率。2500万像素或更高分辨率的相机可以为有章可循的AOI系统提供其所需的高精度,更好地适应不断增长的密度。同时为基于人工智能(AI)的系统提供更多的数据,将图像与训练集进行对比并得出更智能的结论。此外,越来越多的AOI系统需要通过色彩信息来寻找并分析某些特定类型的缺陷,更高的分辨率可以避免在插值运算(debayering)过程中图像细节的损失。

标准#2 – 高速

尽管高像素有上述种种好处,如果影响到了系统的吞吐量,设计师是不会以此为代价去提高AOI系统分辨率的。随着电路板越来越复杂,PCB制造商和组装商也知悉必须维持(或提高)产量,否则可能导致客户流失。因此速度成为AOI系统成功的关键因素。

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所幸仍有多款相机可以帮助AOI系统设计师实现分辨率和速度之间完美的平衡。即使在使用500万像素相机的老式AOI系统中,帧率也可以达到60至100 fps。部分500万像素相机的帧率甚至可能超过200 fps(参见JAI SP-5000-CXP2SP-5000-CXP4 型号)。

在使用2000万像素以上分辨率的下一代系统上,保持系统的吞吐量,寻找帧率足够高的相机变得极具挑战,但也并非全无可能。

通过先进的CMOS成像芯片以及高带宽通讯接口(参见下一章),我们已打造出全新的机器视觉相机,不仅能够满足目前1200万像素系统的速度需求,而且将这些系统的分辨率提升至全新水平。

JAI旗下的2600万像素相机SP-25000-CXP4A便是最佳实例,它不仅能够满足目前1200万像素系统所设定的60-100 fps目标,甚至可以在高达150fps的速度运行,可同时提供更高的分辨率和更高的吞吐量。或者在维持目前吞吐量的条件下,对每个PCBA采集多张图像,使用更先进的算法以提供更好的缺陷检测。

标准#3 – 高速接口

如上一章所述,为了同时实现目标速度与目标分辨率,相机需要做到如下两点:高速的传感器以及足够传输所有图像数据的接口。无论系统的分辨率如何,如果市场竞争的关键需求是实现吞吐量最大化,那么您非常需要一款具有高速接口的相机。

例如,CoaXPress标准接口的最近版本(v2.0)支持高达12.5 Gbps/通道的传输速率,并且可以将四个并行通道配置为一个数据接口。因此50 Gbps的带宽足以将2600万像素以及8-bit图像以高达150fps的速率从相机传输至处理器。

虽然并非所有的CoaXPress相机都支持“CXP-12”链路,但即使相机以6.25 Gpbs/通道(CXP-6)运行时,四通道接口也能保证25 Gbps的带宽,轻松实现高分辨率图像60-100 fps的目标。

CXP12 interface with microcable

某些AOI系统可能更加注重某些特定类型的缺陷检测,并不需要以过分强调吞吐量来赢得客户。对这些系统而言,Camera Link的“Deca”接口6.8 Gbps运行速度已经提供了足够的带宽。

A另外对速度要求不高的系统可以考虑使用10 GigE(万兆以太网)接口的相机。该接口可提供9-10 Gbps的数据带宽,如果主机上已有一个支持10GigE速度的标准网卡(NIC),则无需安装专门的接口板(图像采集卡)。

标准#4 – 最佳的快门方式

在AOI系统中维持高吞吐量意味着电路板快速通过影像系统的视场,而系统需要捕捉每一个电路板的图像。有两种快门类型的相机能以最佳方式处理这类应用。

第一种是选择带有全局快门的相机。这类相机同时对整个画面(每个像素)进行曝光。这意味着只要有足够快的帧率和曝光设置(快门速度),即可“定格”快速移动的物体,最大程度的降低了模糊或失真的可能性,这与“卷帘快门”式相机形成了鲜明对比。在通常情况下卷帘快门相机的每百万像素成本比全局快门相机更低,因此对设计团队更具吸引力。但是卷帘快门的逐行式曝光将导致快速移动的物体呈现“果冻效应”,很多类型的缺陷检测无法接受这样的图像(查看关于该主题的博客)。

第二种选择是使用某些带有“全局重置”模式的卷帘快门相机,尽管像素行是逐行结束曝光(此处查看更详细的解释),但所有像素行可以同时开始曝光。在开始曝光时使用闪光灯定格运动,然后在剩余曝光期间内遮挡外部光线,卷帘快门相机便可以用于高速AOI。但是该方式要求卷帘快门相机满足以下所有前提条件:高分辨率、高帧率以及高速接口,同时需要AOI系统能够控制视野内的环境光,例如“遮挡”输送PCB的传送带。只有满足这些要求时才能考虑使用卷帘快门相机。

综上所述

为PCB和PCBA构建AOI系统是一项欣欣向荣的宏大业务。针对需要使用AOI系统的PCB厂商,能否正确使用此类系统将对其成功和盈利能力产生重大影响。

为了在众多AOI系统的供应商中胜出,机器视觉设计师必须确保系统在缺陷检测的质量和最高总体吞吐量等方面表现出色。通过全盘考量本文所述的与相机相关的四个因素,AOI系统设计师可以在这个竞争激烈的市场中最大限度地提高系统性能。

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