本發(fā)明屬于圖像校正技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于FPGA的PCB板校正系統(tǒng)及方法，具體涉及一種基于FPGA的無掩膜光刻PCB板校正系統(tǒng)及方法，可用于無掩膜光刻過程中對傾斜的PCB板的角度校正。

背景技術(shù)：

在印刷電路板制造行業(yè)，一般使用掩膜作為光刻技術(shù)的圖形底片，長期以來，這種方法存在著價格昂貴以及生產(chǎn)周期過長等缺點，制作掩膜的成本足夠使小批量印刷電路板的生產(chǎn)過于昂貴。鑒于此，一種無掩膜光刻技術(shù)應(yīng)運而生。無掩膜光刻技術(shù)無需使用掩膜，該技術(shù)首先存入符合電路板設(shè)計標準的參考圖像，然后光源連續(xù)照射空間光調(diào)制器，最后空間光調(diào)制器將參考圖像通過透鏡投影到待光刻的PCB板上，使PCB板接受不同的光能量來完成光刻。由于投影設(shè)備已經(jīng)固定，因此，在光刻前必須確保PCB板能夠準確無偏差的接受圖像投影。如果PCB板沒有擺正，與投影圖像存在一定的傾斜角度，那么投影就會出現(xiàn)偏差，進而經(jīng)光刻處理后將會生產(chǎn)出大量不能正常工作的PCB板，從而造成巨大的浪費。所以有必要在光刻處理前對PCB板進行校正。

傳統(tǒng)的無掩膜光刻機中對傾斜的PCB板進行角度校正主要采用手動的方法，通過觀察待光刻PCB板的傾斜角度，手動旋轉(zhuǎn)PCB板使得傾斜角度為零來進行校正，校正完成后對PCB板進行實際光刻，得到光刻后的PCB板，驗證PCB板是否符合電路板設(shè)計標準，如果符合則手動校正完成，否則重新進行手動校正。為了消除手動校正方法中因通過觀察待光刻PCB板的傾斜角度導(dǎo)致的校正準確率低的缺陷，可采取自動檢測傾斜角度的方法來提高校正的精度，目前檢測傾斜角度最常用的方法是霍夫變換法，該方法首先將圖像中的前景像素映射到極坐標空間，然后依次統(tǒng)計極坐標空間各點的累加值，以此確定傾斜角度。由于霍夫變換法是對整副圖像中的所有像素點逐一進行計算的，導(dǎo)致計算量非常大，因此一些改進的用于檢測傾斜角度的霍夫變換算法被提出來，例如基于小波變換與霍夫變換的角度校正算法等，雖然這些改進算法的核心思想是減少數(shù)據(jù)處理量，但是由于霍夫變換本身的計算量較大，因此改進算法的效果仍然不好，速度仍較慢。自動檢測傾斜角度的方法雖然提高了傾斜角度的計算精度，但是并沒有解決手動旋轉(zhuǎn)PCB板帶來的校正精度低和工作效率差等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了基于FPGA的無掩膜光刻PCB板校正系統(tǒng)及方法，用于解決現(xiàn)有的無掩膜光刻PCB板校正系統(tǒng)及方法中存在的校正精度和效率低的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

基于FPGA的無掩膜光刻PCB板校正系統(tǒng)，包括無掩膜光刻機，所述無掩膜光刻機包括數(shù)字光處理器和旋轉(zhuǎn)移動平臺，其中，數(shù)字光處理器包括FPGA單元、空間光調(diào)制器、光源和透鏡；所述空間光調(diào)制器位于光源的直射光路上，且與FPGA單元相連；所述透鏡采用凸透鏡，且位于空間光調(diào)制器的反射光路上；所述旋轉(zhuǎn)移動平臺，安裝在無掩膜光刻機的工作平臺上，用于承載待光刻的PCB板并實現(xiàn)其繞該平臺中心旋轉(zhuǎn)。

上述基于FPGA的無掩膜光刻PCB板校正系統(tǒng)，所述FPGA單元，包括依次連接的圖像讀取存儲模塊、特征點對構(gòu)建模塊、矩陣計算模塊、邊緣檢測模塊、匹配區(qū)域模塊和控制模塊，其中，

圖像讀取存儲模塊，用于控制透鏡對待測PCB板進行拍攝，并對拍攝的待測圖像進行二值化處理，同時存儲符合電路板設(shè)計標準的PCB板二值化參考圖像；

特征點對構(gòu)建模塊，用于提取待測圖像的特征點和特征向量以及參考圖像的特征點和特征向量，并構(gòu)建待測圖像和參考圖像的特征點對；

矩陣計算模塊，用于構(gòu)建待測圖像的特征點矩陣和參考圖像的特征點矩陣，并計算待測圖像與參考圖像的映射矩陣；

邊緣檢測模塊，用于獲取參考圖像的輪廓邊緣像素點；

匹配區(qū)域模塊，用于通過計算參考圖像的輪廓邊緣像素點在待測圖像中的匹配點，以確定參考圖像匹配區(qū)域，并計算匹配區(qū)域與待測圖像之間的傾斜角度；

控制模塊，用于根據(jù)傾斜角度控制旋轉(zhuǎn)移動平臺旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。

上述基于FPGA的無掩膜光刻PCB板校正系統(tǒng)，所述空間光調(diào)制器，采用DMD芯片。

基于FPGA的無掩膜光刻PCB板校正方法，包括如下步驟：

(1)將符合電路板設(shè)計標準的PCB板二值化參考圖像存入FPGA單元；

(2)FPGA單元控制透鏡，對待光刻的PCB板進行拍攝，得到PCB板待測圖像；

(3)FPGA單元對得到的PCB板待測圖像進行二值化處理，得到PCB板二值化待測圖像；

(4)FPGA單元提取PCB板二值化待測圖像的特征點和特征向量，同時提取PCB板二值化參考圖像的特征點和特征向量，并利用該兩個特征向量之間的關(guān)系，構(gòu)建PCB板二值化待測圖像和PCB板二值化參考圖像的特征點對；

(5)利用步驟(4)構(gòu)建的特征點對，構(gòu)建PCB板二值化待測圖像的特征點矩陣和PCB板二值化參考圖像的特征點矩陣；

(6)FPGA單元計算PCB板二值化待測圖像的特征點矩陣和PCB板二值化參考圖像的特征點矩陣的映射矩陣，假定PCB板二值化參考圖像的特征點矩陣為A，PCB板二值化待測圖像的特征點矩陣為B，則映射矩陣為E＝A^-1*B；

(7)FPGA單元檢測PCB板二值化參考圖像的輪廓邊緣，得到輪廓邊緣像素點；

(8)FPGA單元利用步驟(6)得到的映射矩陣和步驟(7)得到的輪廓邊緣像素點，計算PCB板二值化參考圖像在PCB板二值化待測圖像中的匹配點，并根據(jù)匹配點確定PCB板二值化參考圖像匹配區(qū)域；

(9)FPGA單元計算PCB板二值化待測圖像相對于PCB板二值化參考圖像匹配區(qū)域的傾斜角度，根據(jù)傾斜角度控制旋轉(zhuǎn)移動平臺旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度；

(10)光源照射空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器將PCB板二值化參考圖像通過透鏡投影到待光刻的PCB板上，得到光刻PCB板；

(11)驗證得到的光刻PCB板是否符合電路板設(shè)計標準，若是，校正結(jié)束，否則，執(zhí)行步驟(2)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明由于采用FPGA單元實現(xiàn)對待光刻PCB板的傾斜角度的自動檢測，同時控制旋轉(zhuǎn)移動平臺自動旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，保證了傾斜角度計算的精度和PCB板旋轉(zhuǎn)的準確性，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有效的提高了無掩膜光刻PCB板校正的精度和效率。

2、本發(fā)明由于在計算PCB板二值化待測圖像相對于PCB板二值化參考圖像匹配區(qū)域的傾斜角度時，首先利用特征點和特征向量來計算映射矩陣，然后利用邊緣像素點和映射矩陣來確定匹配區(qū)域，參與運算的像素點數(shù)量大大減少，減少了計算量，與現(xiàn)有技術(shù)相比，進一步提升了校正的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明校正系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明FPGA單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明校正方法的實現(xiàn)流程框圖；

圖4為本發(fā)明校正方法中有效邊緣像素點的示意圖；

圖5為本發(fā)明校正方法中PCB板的參考圖像在待測圖像中的匹配區(qū)域與傾斜角度示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參照圖1：本發(fā)明的校正系統(tǒng)包括無掩膜光刻機，該無掩膜光刻機包括數(shù)字光處理器和旋轉(zhuǎn)移動平臺。

數(shù)字光處理器，包括FPGA單元、空間光調(diào)制器、光源和透鏡，其中：

FPGA單元，用于校正工作開始前的準備工作：控制透鏡拍攝PCB板的待測圖像并進行二值化處理后得到PCB板的二值化待測圖像，獲取PCB板的二值化參考圖像。

FPGA單元，還用于校正過程中的大量計算工作：計算PCB板的二值化待測圖像和PCB板的二值化參考圖像；提取以上兩幅圖片的特征點和特征向量；構(gòu)建特征點矩陣；計算PCB板二值化待測圖像的特征點矩陣與PCB板二值化參考圖像的特征點矩陣的映射矩陣；檢測得到PCB板二值化參考圖像的邊緣像素點；根據(jù)得到的邊緣像素點與映射矩陣計算PCB板二值化參考圖像在PCB板二值化待測圖像中的匹配點，以此確定匹配區(qū)域；計算PCB板二值化待測圖像相對于匹配區(qū)域之間的傾斜角度，最后根據(jù)傾斜角度控制旋轉(zhuǎn)移動平臺旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度進行校正。

FPGA單元，還用于校正后的驗證工作：初次完成校正后，光源照射空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器將PCB板的二值化參考圖像通過透鏡投影到PCB板上，得到光刻的PCB板，驗證PCB板是否符合電路板設(shè)計標準，若符合，則整個校正工作全部完成，否則重新進行校正。FPGA單元的單元結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

空間光調(diào)制器，用于接受光源照射，由FPGA單元控制將PCB板二值化參考圖像通過透鏡投影到PCB板。空間光調(diào)制器采用單個可控制的反射元件陣列，具體為DMD芯片。

光源，用于提供連續(xù)穩(wěn)定光照，為空間光調(diào)制器提供光源。

透鏡，采用凸透鏡，用于接受FPGA單元控制拍攝PCB板獲得PCB板待測圖像，還可用于在光刻時將PCB板二值化參考圖像投影到PCB板。

旋轉(zhuǎn)移動平臺用于安裝待校正的PCB板，可以繞其中心旋轉(zhuǎn)任意角度。

空間光調(diào)制器位于光源的直射光路上，且與FPGA單元相連；透鏡位于空間光調(diào)制器的反射光路上，接受空間光調(diào)制器的全部反射光線，且透鏡的中心點與空間光調(diào)制器的中心點的連線垂直于空間光調(diào)制器所在平面。旋轉(zhuǎn)移動平臺固定在安裝有數(shù)字光處理器的無掩膜光刻機的工作平臺上，其用于安裝待光刻的PCB板，且位于透鏡的焦點平面上，旋轉(zhuǎn)移動平臺的中心點與透鏡中心點的連線垂直于旋轉(zhuǎn)移動平臺所在的平面。

參照圖2：本發(fā)明FPGA單元包括依次相連的圖像讀取存儲模塊、特征點對構(gòu)建模塊、矩陣計算模塊、邊緣檢測模塊、匹配區(qū)域模塊和控制模塊。

圖像讀取存儲模塊首先用于控制透鏡拍攝待校正的PCB板得到PCB板待測圖像，并對此待測圖像進行二值化處理；該模塊還用于存儲符合電路板設(shè)計標準的PCB板二值化參考圖像。

特征點對構(gòu)建模塊首先提取PCB板二值化參考圖像和PCB板二值化待測圖像中的特征點以及對應(yīng)的特征向量，然后根據(jù)兩幅圖片特征向量之間的關(guān)系來確定特征點對。

矩陣計算模塊，用于計算PCB板二值化參考圖像和PCB板二值化待測圖像的映射矩陣。

邊緣檢測模塊，用于檢測PCB板二值化參考圖像的輪廓邊緣像素點。

匹配區(qū)域模塊，用于根據(jù)PCB板二值化參考圖像的輪廓邊緣像素點與映射矩陣求解PCB板二值化參考圖像的輪廓邊緣像素點在PCB板二值化待測圖像中的匹配點，并根據(jù)匹配點確定匹配區(qū)域，然后計算匹配區(qū)域與PCB板二值化待測圖像之間的傾斜角度。

控制模塊，用于根據(jù)傾斜角度控制旋轉(zhuǎn)移動平臺旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。

參照圖3：本發(fā)明的校正方法，具體步驟如下：

步驟1：將符合電路板設(shè)計標準的PCB板二值化參考圖像存入FPGA單元。

步驟2：FPGA單元控制透鏡，拍攝待校正的PCB板獲得待測圖像。

步驟3：對PCB板待測圖像進行二值化處理，二值化處理過程中，根據(jù)實際要求可以人為設(shè)定一個閾值，待測圖像中超過該閾值的像素點處的像素值設(shè)置為最高，否則為最低。上述參考圖像和待測圖像均為二維圖像。

步驟4：利用特征點提取算法分別提取PCB板二值化待測圖像與PCB板二值化參考圖像中的特征點以及對應(yīng)的特征向量，并根據(jù)特征向量之間的歐氏距離確定特征點對，其中，一個特征點對包括一個參考圖中的特征點和一個待測圖中的特征點。例如，對于PCB板二值化參考圖像中的特征點A，其特征向量為a，a與PCB板二值化待測圖像中的特征向量b的歐式距離最小，同時特征向量b對應(yīng)的特征點為B，則A與B構(gòu)成一個特征點對，據(jù)此確定所有的特征點對。特征點提取算法可以采用SURF算法或者SIFT算法，本實施例采用SURF算法。

步驟5：根據(jù)以上步驟獲得的特征點對，構(gòu)建兩個特征點矩陣。例如，對于特征點對(M₁，N₁)，(M₂，N₂)，……，(M_n，N_n)，每個特征點對中的第一個點為PCB板二值化參考圖像中的特征點，第二個點為PCB板二值化待測圖像中的特征點，則上述參考圖像的特征點矩陣為：[M₁ M₂ ...... M_n]，待測圖像的特征點矩陣為：[N₁ N₂ ...... N_n]。

步驟6：根據(jù)特征點矩陣計算映射矩陣，由以上步驟可得映射矩陣E可以根據(jù)下式計算：E＝[M₁ M₂ ...... M_n]^-1*[N₁ N₂ ...... N_n]。

步驟7：利用邊緣檢測算法檢測并得到PCB板二進制參考圖像的輪廓邊緣像素點，邊緣檢測算法可以采用Canny邊緣檢測算法，本實施例采用Canny算法。

步驟8：利用輪廓邊緣像素點和映射矩陣計算PCB板二值化參考圖像的輪廓邊緣像素點在PCB板二值化待測圖像中的匹配點，并由此確定匹配區(qū)域。參與運算的輪廓像素點不必是所有的輪廓像素點，可以只取其中部分像素點，這些像素點只要滿足能唯一確定PCB板二值化參考圖像輪廓即可。上述參與運算的有效邊緣像素點的示意圖如圖4所示。

步驟9：計算傾斜角度，該傾斜角度與PCB板的參考圖在其待測圖中的匹配區(qū)域如圖5所示。

步驟10：對PCB板進行光刻，得到光刻后的PCB板，驗證PCB板是否符合電路板設(shè)計標準，若是，則整個校正工作完成，否則執(zhí)行步驟2重新進行校正。

參照圖4：PCB板二值化參考圖像為一矩形，矩形的四個頂點分別為P1、P2、P3和P4，其中的任意三個頂點就確定了PCB板的二值化參考圖像輪廓，例如P1、P2和P3就唯一確定了PCB板的二值化參考圖像輪廓，則P1、P2和P3參與運算確定匹配點即可。根據(jù)以上步驟計算的映射矩陣E，那么P1在PCB板二值化待測圖像中的的匹配點的計算公式為P1*E，P2在PCB板二值化待測圖像中的的匹配點的計算公式為P2*E，P3在PCB板二值化待測圖像中的的匹配點的計算公式為P3*E。匹配區(qū)域為由匹配點唯一確定的與PCB板二值化參考圖像有相同形狀的區(qū)域。

參照圖5：PCB板二值化待測圖像的四個頂點為P1、P2、P3和P4，O為中心點，PCB板二值化參考圖像在PCB板二值化待測圖像中的匹配區(qū)域由Q1、Q2、Q3和Q4確定，那么傾斜角度為邊OP1與OQ1之間的銳角夾角∠P1OQ1。根據(jù)計算的傾斜角度，F(xiàn)PGA單元控制旋轉(zhuǎn)移動平臺旋轉(zhuǎn)相同的角度進行校正。