PCB AOI 光学选型：像素当量、镜头类型、工作距离与照明

一句话结论：AOI 站的能力上限，取决于传感器前面的光学。四个决策决定整套光学设计：一个像素要在板面上覆盖多少微米（像素当量）、用什么家族的镜头去匹配板子的高度起伏与精度目标（远心 vs FA）、工作距离如何装进机器空间、用哪种照明几何把焊点与焊盘分开。这四步顺序错了，结果是"图很好看，缺陷照样漏"。

第一步：从最小特征反推像素当量

从必须可靠检出的最小特征出发——对现代板子，通常是 01005 焊盘（0.4 × 0.2 mm）或焊点细缝，而不是器件本体。按常用采样规则，特征在其关键尺寸方向应至少跨 3 个图像点，由此得到物方像素尺寸的上限。实际工程中，细间距 AOI 大致按每像素 20–30 µm 设目标，缺陷清单允许时才放宽。

像素当量（µm/px）= 视野宽（mm）× 1000 ÷ 传感器横向像素数  —  先定传感器，再定它撑得起的视野。

算例：1200 万像素相机、横向 4096 像素，拍摄 100 mm 宽的板条，像素当量 = 100,000 ÷ 4096 ≈ 24 µm/px。01005 焊盘 0.2 mm 的关键尺寸约跨 8 个像素——做检出很从容，做焊点判断也可行。

第二步：按高度起伏选镜头类型

PCB 不是平的。器件、连接器与成形焊点带来毫米级高度差，而光学必须在一幅图里同时判断多个高度上的特征。

• 远心光学在这一高度范围内保持倍率稳定、抑制透视畸变——凡涉及位置判断（焊盘偏移、器件移位、共面性）都靠它。代价是更贵，且视野受镜头口径限制。
• FA 镜头用低成本覆盖大视野——当缺陷清单以"在不在、方向对不对"为主时是务实之选；但倍率随高度漂移，透视会让偏移测量依赖拍摄角度。
• 电动变倍光学适合一台相机服务多个产品族的工位：换配方时切换倍率，不换硬件。AOI 免停机切换倍率的专题单独讲了这条工作流。

选型的本质是对"这个站负责哪类缺陷"表态：位置类缺陷推向远心；覆盖类缺陷容忍 FA；多产品线受益于电动变倍。

第三步：视野覆盖与运动平台

在 20–30 µm/px 下整板单幅成像需要巨大的传感器，所以多数 AOI 架构把板子分成板条、靠精密 X–Y 平台拼接。光学上的推论是：每一条板条图像的像素当量与畸变都必须在边缘保持住，否则拼接后的整板图会漂。到这里，镜头的场曲与远心度不再是彩页装饰，而是拼接精度本身。

第四步：工作距离是机器预算

WD 必须让开输送轨道、顶部照明与板叠厚度变化——同时镜头要在这一距离上保持额定几何。机器无法贴近板面时，长工作距离的远心设计保住测量几何；空间允许时，短 WD 换来更小更便宜的光学包。

照明：光学里没有参数表的那一半

• 环形光——焊盘与丝印的通用解；快、便宜、宽容。
• 平面穹顶——扩散焊点与 IC 体的镜面反射；焊点发白的默认答案。
• 同轴光——沿光轴垂直给光，对付平坦的镜面焊盘；与远心光学天然成对。

焊点是最难的表面：镜面、曲面、还在经历回流各阶段。多数"相机看不清焊点"的抱怨是照明几何问题，不是分辨率问题。

一个端到端的选型算例

1. 缺陷清单：01005 有无、极性、焊盘偏移。→ 像素当量目标 ≈ 25 µm/px。
2. 传感器：4096 × 3000、像元 3.45 µm（横向 14.1 mm）。→ 板条视野 ≈ 105 × 77 mm，倍率随之而定：14.1 ÷ 105 ≈ 0.135X。
3. 高度起伏：连接器高出板面 4 mm。→ DOF 与远心范围须覆盖 ±2 mm，否则高处特征失焦。
4. 机器空间：最高板料上方净空 65 mm。→ 额定 WD ≥ 65 mm。
5. 照明：平面穹顶管焊点 + 同轴通道管焊盘偏移测量。

这里的每个数字都来自缺陷清单、传感器与机器——没有一个来自镜头彩页。彩页是最后查的，不是先查的。

常见问题

检测 01005 元件需要多大的像素当量？

从 01005 焊盘 0.2 mm 的关键尺寸反推：按"特征至少跨 3 个图像点"的常用规则，物方像素尺寸须小于约 65 µm/px；细间距 AOI 站通常按每像素 20–30 µm 设目标，让焊点判断仍然可行，而不只是有无检出。

AOI 该用远心镜头还是普通 FA 镜头？

当工位要在不同器件高度上做位置测量时，用远心光学——倍率稳定性与畸变控制在那里决定结果。当缺陷清单以大视野下的有无与方向为主、预算固定时，普通 FA 镜头是务实之选。很多产线最终两者混用，各管一台相机。

为什么焊点在图像里发白看不清？

焊点是镜面且带曲率，固定角度的照明被反射到传感器之外，对比度随之丢失。改变照明几何——用平面穹顶扩散反射，或用同轴通道对付平坦焊盘——通常就能找回对比度，这是分辨率替代不了的。

一台相机能单幅覆盖整块 PCB 吗？

只有在像素当量粗到细间距缺陷检不出的情况下才行：在 25 µm/px 下覆盖 300 mm 宽的板子，单方向就需要 12000 像素的传感器，其背后的光学体量也随之膨胀。这就是生产型 AOI 把整板拆成板条、由精密平台拼接的原因——像素当量保持不变，每条畸变也小。

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