基于FPGA的无掩膜光刻PCB板校正系统及方法与流程

本发明属于图像校正技术领域，涉及一种基于FPGA的PCB板校正系统及方法，具体涉及一种基于FPGA的无掩膜光刻PCB板校正系统及方法，可用于无掩膜光刻过程中对倾斜的PCB板的角度校正。

背景技术：

在印刷电路板制造行业，一般使用掩膜作为光刻技术的图形底片，长期以来，这种方法存在着价格昂贵以及生产周期过长等缺点，制作掩膜的成本足够使小批量印刷电路板的生产过于昂贵。鉴于此，一种无掩膜光刻技术应运而生。无掩膜光刻技术无需使用掩膜，该技术首先存入符合电路板设计标准的参考图像，然后光源连续照射空间光调制器，最后空间光调制器将参考图像通过透镜投影到待光刻的PCB板上，使PCB板接受不同的光能量来完成光刻。由于投影设备已经固定，因此，在光刻前必须确保PCB板能够准确无偏差的接受图像投影。如果PCB板没有摆正，与投影图像存在一定的倾斜角度，那么投影就会出现偏差，进而经光刻处理后将会生产出大量不能正常工作的PCB板，从而造成巨大的浪费。所以有必要在光刻处理前对PCB板进行校正。

传统的无掩膜光刻机中对倾斜的PCB板进行角度校正主要采用手动的方法，通过观察待光刻PCB板的倾斜角度，手动旋转PCB板使得倾斜角度为零来进行校正，校正完成后对PCB板进行实际光刻，得到光刻后的PCB板，验证PCB板是否符合电路板设计标准，如果符合则手动校正完成，否则重新进行手动校正。为了消除手动校正方法中因通过观察待光刻PCB板的倾斜角度导致的校正准确率低的缺陷，可采取自动检测倾斜角度的方法来提高校正的精度，目前检测倾斜角度最常用的方法是霍夫变换法，该方法首先将图像中的前景像素映射到极坐标空间，然后依次统计极坐标空间各点的累加值，以此确定倾斜角度。由于霍夫变换法是对整副图像中的所有像素点逐一进行计算的，导致计算量非常大，因此一些改进的用于检测倾斜角度的霍夫变换算法被提出来，例如基于小波变换与霍夫变换的角度校正算法等，虽然这些改进算法的核心思想是减少数据处理量，但是由于霍夫变换本身的计算量较大，因此改进算法的效果仍然不好，速度仍较慢。自动检测倾斜角度的方法虽然提高了倾斜角度的计算精度，但是并没有解决手动旋转PCB板带来的校正精度低和工作效率差等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了基于FPGA的无掩膜光刻PCB板校正系统及方法，用于解决现有的无掩膜光刻PCB板校正系统及方法中存在的校正精度和效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于FPGA的无掩膜光刻PCB板校正系统，包括无掩膜光刻机，所述无掩膜光刻机包括数字光处理器和旋转移动平台，其中，数字光处理器包括FPGA单元、空间光调制器、光源和透镜；所述空间光调制器位于光源的直射光路上，且与FPGA单元相连；所述透镜采用凸透镜，且位于空间光调制器的反射光路上；所述旋转移动平台，安装在无掩膜光刻机的工作平台上，用于承载待光刻的PCB板并实现其绕该平台中心旋转。

上述基于FPGA的无掩膜光刻PCB板校正系统，所述FPGA单元，包括依次连接的图像读取存储模块、特征点对构建模块、矩阵计算模块、边缘检测模块、匹配区域模块和控制模块，其中，

图像读取存储模块，用于控制透镜对待测PCB板进行拍摄，并对拍摄的待测图像进行二值化处理，同时存储符合电路板设计标准的PCB板二值化参考图像；

特征点对构建模块，用于提取待测图像的特征点和特征向量以及参考图像的特征点和特征向量，并构建待测图像和参考图像的特征点对；

矩阵计算模块，用于构建待测图像的特征点矩阵和参考图像的特征点矩阵，并计算待测图像与参考图像的映射矩阵；

边缘检测模块，用于获取参考图像的轮廓边缘像素点；

匹配区域模块，用于通过计算参考图像的轮廓边缘像素点在待测图像中的匹配点，以确定参考图像匹配区域，并计算匹配区域与待测图像之间的倾斜角度；

控制模块，用于根据倾斜角度控制旋转移动平台旋转相应的角度。

上述基于FPGA的无掩膜光刻PCB板校正系统，所述空间光调制器，采用DMD芯片。

基于FPGA的无掩膜光刻PCB板校正方法，包括如下步骤：

(1)将符合电路板设计标准的PCB板二值化参考图像存入FPGA单元；

(2)FPGA单元控制透镜，对待光刻的PCB板进行拍摄，得到PCB板待测图像；

(3)FPGA单元对得到的PCB板待测图像进行二值化处理，得到PCB板二值化待测图像；

(4)FPGA单元提取PCB板二值化待测图像的特征点和特征向量，同时提取PCB板二值化参考图像的特征点和特征向量，并利用该两个特征向量之间的关系，构建PCB板二值化待测图像和PCB板二值化参考图像的特征点对；

(5)利用步骤(4)构建的特征点对，构建PCB板二值化待测图像的特征点矩阵和PCB板二值化参考图像的特征点矩阵；

(6)FPGA单元计算PCB板二值化待测图像的特征点矩阵和PCB板二值化参考图像的特征点矩阵的映射矩阵，假定PCB板二值化参考图像的特征点矩阵为A，PCB板二值化待测图像的特征点矩阵为B，则映射矩阵为E＝A^-1*B；

(7)FPGA单元检测PCB板二值化参考图像的轮廓边缘，得到轮廓边缘像素点；

(8)FPGA单元利用步骤(6)得到的映射矩阵和步骤(7)得到的轮廓边缘像素点，计算PCB板二值化参考图像在PCB板二值化待测图像中的匹配点，并根据匹配点确定PCB板二值化参考图像匹配区域；

(9)FPGA单元计算PCB板二值化待测图像相对于PCB板二值化参考图像匹配区域的倾斜角度，根据倾斜角度控制旋转移动平台旋转相应的角度；

(10)光源照射空间光调制器，空间光调制器将PCB板二值化参考图像通过透镜投影到待光刻的PCB板上，得到光刻PCB板；

(11)验证得到的光刻PCB板是否符合电路板设计标准，若是，校正结束，否则，执行步骤(2)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用FPGA单元实现对待光刻PCB板的倾斜角度的自动检测，同时控制旋转移动平台自动旋转相应的角度，保证了倾斜角度计算的精度和PCB板旋转的准确性，与现有技术相比，有效的提高了无掩膜光刻PCB板校正的精度和效率。

2、本发明由于在计算PCB板二值化待测图像相对于PCB板二值化参考图像匹配区域的倾斜角度时，首先利用特征点和特征向量来计算映射矩阵，然后利用边缘像素点和映射矩阵来确定匹配区域，参与运算的像素点数量大大减少，减少了计算量，与现有技术相比，进一步提升了校正的效率。

附图说明

图1为本发明校正系统的结构示意图；

图2为本发明FPGA单元的结构示意图；

图3为本发明校正方法的实现流程框图；

图4为本发明校正方法中有效边缘像素点的示意图；

图5为本发明校正方法中PCB板的参考图像在待测图像中的匹配区域与倾斜角度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1：本发明的校正系统包括无掩膜光刻机，该无掩膜光刻机包括数字光处理器和旋转移动平台。

数字光处理器，包括FPGA单元、空间光调制器、光源和透镜，其中：

FPGA单元，用于校正工作开始前的准备工作：控制透镜拍摄PCB板的待测图像并进行二值化处理后得到PCB板的二值化待测图像，获取PCB板的二值化参考图像。

FPGA单元，还用于校正过程中的大量计算工作：计算PCB板的二值化待测图像和PCB板的二值化参考图像；提取以上两幅图片的特征点和特征向量；构建特征点矩阵；计算PCB板二值化待测图像的特征点矩阵与PCB板二值化参考图像的特征点矩阵的映射矩阵；检测得到PCB板二值化参考图像的边缘像素点；根据得到的边缘像素点与映射矩阵计算PCB板二值化参考图像在PCB板二值化待测图像中的匹配点，以此确定匹配区域；计算PCB板二值化待测图像相对于匹配区域之间的倾斜角度，最后根据倾斜角度控制旋转移动平台旋转相应的角度进行校正。

FPGA单元，还用于校正后的验证工作：初次完成校正后，光源照射空间光调制器，空间光调制器将PCB板的二值化参考图像通过透镜投影到PCB板上，得到光刻的PCB板，验证PCB板是否符合电路板设计标准，若符合，则整个校正工作全部完成，否则重新进行校正。FPGA单元的单元结构图如图2所示。

空间光调制器，用于接受光源照射，由FPGA单元控制将PCB板二值化参考图像通过透镜投影到PCB板。空间光调制器采用单个可控制的反射元件阵列，具体为DMD芯片。

光源，用于提供连续稳定光照，为空间光调制器提供光源。

透镜，采用凸透镜，用于接受FPGA单元控制拍摄PCB板获得PCB板待测图像，还可用于在光刻时将PCB板二值化参考图像投影到PCB板。

旋转移动平台用于安装待校正的PCB板，可以绕其中心旋转任意角度。

空间光调制器位于光源的直射光路上，且与FPGA单元相连；透镜位于空间光调制器的反射光路上，接受空间光调制器的全部反射光线，且透镜的中心点与空间光调制器的中心点的连线垂直于空间光调制器所在平面。旋转移动平台固定在安装有数字光处理器的无掩膜光刻机的工作平台上，其用于安装待光刻的PCB板，且位于透镜的焦点平面上，旋转移动平台的中心点与透镜中心点的连线垂直于旋转移动平台所在的平面。

参照图2：本发明FPGA单元包括依次相连的图像读取存储模块、特征点对构建模块、矩阵计算模块、边缘检测模块、匹配区域模块和控制模块。

图像读取存储模块首先用于控制透镜拍摄待校正的PCB板得到PCB板待测图像，并对此待测图像进行二值化处理；该模块还用于存储符合电路板设计标准的PCB板二值化参考图像。

特征点对构建模块首先提取PCB板二值化参考图像和PCB板二值化待测图像中的特征点以及对应的特征向量，然后根据两幅图片特征向量之间的关系来确定特征点对。

矩阵计算模块，用于计算PCB板二值化参考图像和PCB板二值化待测图像的映射矩阵。

边缘检测模块，用于检测PCB板二值化参考图像的轮廓边缘像素点。

匹配区域模块，用于根据PCB板二值化参考图像的轮廓边缘像素点与映射矩阵求解PCB板二值化参考图像的轮廓边缘像素点在PCB板二值化待测图像中的匹配点，并根据匹配点确定匹配区域，然后计算匹配区域与PCB板二值化待测图像之间的倾斜角度。

控制模块，用于根据倾斜角度控制旋转移动平台旋转相应的角度。

参照图3：本发明的校正方法，具体步骤如下：

步骤1：将符合电路板设计标准的PCB板二值化参考图像存入FPGA单元。

步骤2：FPGA单元控制透镜，拍摄待校正的PCB板获得待测图像。

步骤3：对PCB板待测图像进行二值化处理，二值化处理过程中，根据实际要求可以人为设定一个阈值，待测图像中超过该阈值的像素点处的像素值设置为最高，否则为最低。上述参考图像和待测图像均为二维图像。

步骤4：利用特征点提取算法分别提取PCB板二值化待测图像与PCB板二值化参考图像中的特征点以及对应的特征向量，并根据特征向量之间的欧氏距离确定特征点对，其中，一个特征点对包括一个参考图中的特征点和一个待测图中的特征点。例如，对于PCB板二值化参考图像中的特征点A，其特征向量为a，a与PCB板二值化待测图像中的特征向量b的欧式距离最小，同时特征向量b对应的特征点为B，则A与B构成一个特征点对，据此确定所有的特征点对。特征点提取算法可以采用SURF算法或者SIFT算法，本实施例采用SURF算法。

步骤5：根据以上步骤获得的特征点对，构建两个特征点矩阵。例如，对于特征点对(M₁，N₁)，(M₂，N₂)，……，(M_n，N_n)，每个特征点对中的第一个点为PCB板二值化参考图像中的特征点，第二个点为PCB板二值化待测图像中的特征点，则上述参考图像的特征点矩阵为：[M₁ M₂ ...... M_n]，待测图像的特征点矩阵为：[N₁ N₂ ...... N_n]。

步骤6：根据特征点矩阵计算映射矩阵，由以上步骤可得映射矩阵E可以根据下式计算：E＝[M₁ M₂ ...... M_n]^-1*[N₁ N₂ ...... N_n]。

步骤7：利用边缘检测算法检测并得到PCB板二进制参考图像的轮廓边缘像素点，边缘检测算法可以采用Canny边缘检测算法，本实施例采用Canny算法。

步骤8：利用轮廓边缘像素点和映射矩阵计算PCB板二值化参考图像的轮廓边缘像素点在PCB板二值化待测图像中的匹配点，并由此确定匹配区域。参与运算的轮廓像素点不必是所有的轮廓像素点，可以只取其中部分像素点，这些像素点只要满足能唯一确定PCB板二值化参考图像轮廓即可。上述参与运算的有效边缘像素点的示意图如图4所示。

步骤9：计算倾斜角度，该倾斜角度与PCB板的参考图在其待测图中的匹配区域如图5所示。

步骤10：对PCB板进行光刻，得到光刻后的PCB板，验证PCB板是否符合电路板设计标准，若是，则整个校正工作完成，否则执行步骤2重新进行校正。

参照图4：PCB板二值化参考图像为一矩形，矩形的四个顶点分别为P1、P2、P3和P4，其中的任意三个顶点就确定了PCB板的二值化参考图像轮廓，例如P1、P2和P3就唯一确定了PCB板的二值化参考图像轮廓，则P1、P2和P3参与运算确定匹配点即可。根据以上步骤计算的映射矩阵E，那么P1在PCB板二值化待测图像中的的匹配点的计算公式为P1*E，P2在PCB板二值化待测图像中的的匹配点的计算公式为P2*E，P3在PCB板二值化待测图像中的的匹配点的计算公式为P3*E。匹配区域为由匹配点唯一确定的与PCB板二值化参考图像有相同形状的区域。

参照图5：PCB板二值化待测图像的四个顶点为P1、P2、P3和P4，O为中心点，PCB板二值化参考图像在PCB板二值化待测图像中的匹配区域由Q1、Q2、Q3和Q4确定，那么倾斜角度为边OP1与OQ1之间的锐角夹角∠P1OQ1。根据计算的倾斜角度，FPGA单元控制旋转移动平台旋转相同的角度进行校正。