半導(dǎo)體晶片機(jī)器視覺測(cè)量及MARK點(diǎn)視覺定位

客戶的需求:

檢測(cè)內(nèi)容：

SMT行業(yè)晶片位置角度與PCB板Mark點(diǎn)位置的測(cè)試測(cè)量

檢測(cè)要求：

精度0.04mm，移動(dòng)速度100mm/s

視覺可行性分析:

對(duì)樣品進(jìn)行了光學(xué)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行圖像處理，原則上可以使用機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試測(cè)量與定位。

結(jié)果:

對(duì)所有樣品進(jìn)行分析，可以在不同的樣品尺寸與位置下測(cè)量出晶片的大小與質(zhì)心點(diǎn)位置、旋轉(zhuǎn)角度，以及MARK點(diǎn)的位置等。

使用的LED光源、工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭等硬件的具體信息，請(qǐng)參看下面的內(nèi)容，默認(rèn)為晶片測(cè)量、MARK點(diǎn)測(cè)量為獨(dú)立的兩套機(jī)器視覺系統(tǒng)，如果需要整合，可以酌情考慮刪減某些硬件配置。

測(cè)試條件：

產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，視場(chǎng)留有一定的包容空間，但這不意味著在視場(chǎng)內(nèi)就一定能得到非常準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。原則上需要機(jī)器視覺系統(tǒng)有較精密的定位與固定裝置。

使用硬件：

LED光源：CSR-7060-DRLr 1個(gè)……用于晶片定位

LED光源：CSR-5060-DRLr 1個(gè)……用于Mark點(diǎn)

光源控制器：CSR-24T2-SPV 2個(gè)……用于控制光源

工業(yè)相機(jī)：Guppy F-033B 1個(gè)……用于晶片定位

工業(yè)相機(jī)：HV-1351UM 1個(gè)……用于Mark點(diǎn)

相機(jī)電纜：3米1394A線 1條……用于數(shù)據(jù)傳輸

相機(jī)電纜：3米USB線帶鎖定         1條……用于數(shù)據(jù)傳輸

圖像采集卡：1394A卡 1塊……用于采集圖像

工業(yè)鏡頭：VS-2514 1個(gè)……用于晶片定位

工業(yè)鏡頭：CSR-2X110 1個(gè)……用于Mark點(diǎn)

光學(xué)延長(zhǎng)管：5mm 1個(gè)……用于晶片定位

晶片安裝條件：

光源工作距離：95mm，光源發(fā)光表面到目標(biāo)表面的距離

相機(jī)工作距離：130mm，相機(jī)鏡頭表面到目標(biāo)表面的距離

視場(chǎng)：24*18mm，實(shí)際能看到的視野大小

Mark點(diǎn)安裝條件：

光源工作距離：85mm，光源發(fā)光表面到目標(biāo)表面的距離

相機(jī)工作距離：110mm，相機(jī)鏡頭表面到目標(biāo)表面的距離

視場(chǎng)：3.5*2.6mm，實(shí)際能看到的視野大小

最優(yōu)化方案

在這里，我們將告訴您，為什么選擇這樣的硬件，選擇這些硬件的有什么好處。

LED光源 CSR-7060-DRLr & CSR-5060-DRLr

晶片的檢測(cè)，因?yàn)楫a(chǎn)品大小不一，大的有16mm以上的產(chǎn)品，小的有1mm以下的產(chǎn)品，因此需要一款較大一點(diǎn)的光源產(chǎn)品；經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用CSR-7060-DRLr光源比使用CSR-7090-DRLr更理想。這樣可以提供更加集中的亮度，可以使工作距離更短，縮小機(jī)臺(tái)的空間。

Mark點(diǎn)的檢測(cè)，因?yàn)槟繕?biāo)本身比較小，1~2mm的大小，我們使用直徑為42mm的環(huán)形光源來(lái)照明，即可滿足要求。

光源控制器 CSR-24T2-SPV

光源需要相應(yīng)的供電設(shè)備，一般工業(yè)使用模擬控制器或數(shù)字控制器就足夠了，這里我們使用凱瑞斯的頻閃控制器進(jìn)行供電。頻閃控制器可以在10μs~999μs內(nèi)使光源發(fā)出遠(yuǎn)高于正常亮度幾倍的亮度，這樣可以使相機(jī)在低于頻閃的曝光時(shí)間內(nèi)曝光正常，從而圖像明亮，無(wú)拖影，對(duì)測(cè)量精度的影響非常小。而如果相機(jī)的曝光時(shí)間太長(zhǎng)，而目標(biāo)運(yùn)動(dòng)太快，將嚴(yán)重的拖影，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。我們的機(jī)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度在100mm/s，即100μm/ms。如果曝光時(shí)間為1ms，則在這曝光的1ms內(nèi)，物體要走100μm的距離，這對(duì)于我們測(cè)量要求的40μm的測(cè)量誤差是完全不可以實(shí)現(xiàn)的。所以我們需要將曝光時(shí)間調(diào)整到μs級(jí)這個(gè)級(jí)別上，如果是100μs（0.1ms），則物體走過(guò)10μm，那樣物體運(yùn)動(dòng)所引起的測(cè)量誤差才會(huì)降低到系統(tǒng)所能接受的范圍。

工業(yè)相機(jī)  Guppy F-033B   &  HV-1351UM

晶片視覺定位

F-033B是一款30萬(wàn)像素的進(jìn)口工業(yè)CCD相機(jī)，使用1394A接口，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)使用多臺(tái)相機(jī)采集；它的速度為58FPS,可以實(shí)現(xiàn)高速測(cè)試測(cè)量。此款相機(jī)的分辨率為656*494，我們拍攝的視場(chǎng)是24*18mm，則我們系統(tǒng)的像素分辨率為24mm/656pixel=0.0366mm/pixel，經(jīng)過(guò)我們實(shí)驗(yàn)，同一產(chǎn)品在視場(chǎng)中的不同位置出現(xiàn)如左右、前后、上下傾斜，或在視場(chǎng)中不同位置平移，只有不到1個(gè)像素的變化，即同一產(chǎn)品的重復(fù)測(cè)量精度為在0.0366mm內(nèi)容，在我們要求的0.04mm范圍內(nèi)。因此基本在我們的要求范圍內(nèi)，通常我們建議相機(jī)的分辨率精度比我們要求的精度要高一倍，即我們推薦使用130萬(wàn)像素的工業(yè)CCD相機(jī)。推薦型號(hào)，使用Guppy F-146B(工業(yè)140萬(wàn)像素CCD進(jìn)口相機(jī))。如果覺得CCD工業(yè)相機(jī)成本過(guò)高，而對(duì)于測(cè)量精度沒有那么高的要求，可以使用CMOS相機(jī)代替，我們推薦使用Guppy F-036B（進(jìn)口30萬(wàn)像素CMOS相機(jī)），或者是使用HV-1351UM（國(guó)產(chǎn)130萬(wàn)像素CMOS相機(jī)）。

Mark點(diǎn)視覺定位

HV-1351UM是一款國(guó)產(chǎn)的USB接口130萬(wàn)像素CMOS工業(yè)相機(jī)，速度為15FPS，輸出端帶螺絲鎖定功能，適合于安裝固定在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上而不會(huì)使接口松動(dòng)。對(duì)于定位MARK點(diǎn)這樣精度要求不是十分高的測(cè)試測(cè)量場(chǎng)合，非常適合。當(dāng)然，對(duì)于晶片定位，如果要求不太高，也可以使用此款相機(jī)。

工業(yè)鏡頭 VST-2514  &  CSR-2X110

晶片視覺定位

VST-2514H是一款大光圈的定焦百萬(wàn)像素鏡頭，對(duì)于測(cè)量尺寸成像非常好，較低的邊緣枕型或桶型畸變，而且它是百萬(wàn)像素的鏡頭，與相機(jī)完全匹配。方便的對(duì)焦調(diào)節(jié)，對(duì)機(jī)臺(tái)的要求不會(huì)太苛刻。使用這款鏡頭，可以將工作距離控制在130mm左右，對(duì)于整個(gè)機(jī)臺(tái)的空間，要求比較小。由于晶片定位時(shí)，相機(jī)、鏡頭、光源都是在機(jī)臺(tái)下面固定位置，不會(huì)來(lái)回的運(yùn)動(dòng)，因此，可以調(diào)整光源、對(duì)焦位置將會(huì)更方便。

Mark點(diǎn)視覺定位

Mark點(diǎn)的定位，相機(jī)、光源、鏡頭通常是安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，經(jīng)常需要運(yùn)動(dòng)來(lái)拍照，因此當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果鏡頭、相機(jī)上有太多的螺絲接合部分時(shí)，將會(huì)有松動(dòng)的可能。因此我們選擇相機(jī)時(shí)，使用帶鎖定的相機(jī)比較理想，而鏡頭，我們則使用CSR-2X110遠(yuǎn)心放大鏡頭。這是一款2X的遠(yuǎn)心鏡頭，可以得到較小的視野，而且上面沒有光圈、對(duì)焦調(diào)節(jié)圈，安裝好后，無(wú)光學(xué)變化的擔(dān)憂。

測(cè)試結(jié)果畫面

同一產(chǎn)品不同位置測(cè)試結(jié)果：

不同產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果：

Mark點(diǎn)測(cè)試結(jié)果：

從上面的組圖可以看到，無(wú)論是晶片的定位還是MARK點(diǎn)的定位，機(jī)器視覺系統(tǒng)通過(guò)選用適當(dāng)?shù)挠布渲茫寄苓_(dá)到測(cè)量要求。