半导体晶片机器视觉测量及MARK点视觉定位

半导体晶片机器视觉测量及MARK点视觉定位

客户的需求:

检测内容：

SMT行业晶片位置角度与PCB板Mark点位置的测试测量

检测要求：

精度0.04mm，移动速度100mm/s

视觉可行性分析:

对样品进行了光学实验，并进行图像处理，原则上可以使用机器视觉系统进行测试测量与定位。

结果:

对所有样品进行分析，可以在不同的样品尺寸与位置下测量出晶片的大小与质心点位置、旋转角度，以及MARK点的位置等。

使用的LED光源、工业相机、工业镜头等硬件的具体信息，请参看下面的内容，默认为晶片测量、MARK点测量为独立的两套机器视觉系统，如果需要整合，可以酌情考虑删减某些硬件配置。

测试条件：

产品测试时，视场留有一定的包容空间，但这不意味着在视场内就一定能得到非常准确的测量数据。原则上需要机器视觉系统有较精密的定位与固定装置。

使用硬件：

LED光源：CSR-7060-DRLr 1个……用于晶片定位

LED光源：CSR-5060-DRLr 1个……用于Mark点

光源控制器：CSR-24T2-SPV 2个……用于控制光源

工业相机：Guppy F-033B 1个……用于晶片定位

工业相机：HV-1351UM 1个……用于Mark点

相机电缆：3米1394A线 1条……用于数据传输

相机电缆：3米USB线带锁定         1条……用于数据传输

图像采集卡：1394A卡 1块……用于采集图像

工业镜头：VS-2514 1个……用于晶片定位

工业镜头：CSR-2X110 1个……用于Mark点

光学延长管：5mm 1个……用于晶片定位

晶片安装条件：

光源工作距离：95mm，光源发光表面到目标表面的距离

相机工作距离：130mm，相机镜头表面到目标表面的距离

视场：24*18mm，实际能看到的视野大小

Mark点安装条件：

光源工作距离：85mm，光源发光表面到目标表面的距离

相机工作距离：110mm，相机镜头表面到目标表面的距离

视场：3.5*2.6mm，实际能看到的视野大小

最优化方案

在这里，我们将告诉您，为什么选择这样的硬件，选择这些硬件的有什么好处。

LED光源 CSR-7060-DRLr & CSR-5060-DRLr

晶片的检测，因为产品大小不一，大的有16mm以上的产品，小的有1mm以下的产品，因此需要一款较大一点的光源产品；经过实验，发现使用CSR-7060-DRLr光源比使用CSR-7090-DRLr更理想。这样可以提供更加集中的亮度，可以使工作距离更短，缩小机台的空间。

Mark点的检测，因为目标本身比较小，1~2mm的大小，我们使用直径为42mm的环形光源来照明，即可满足要求。

光源控制器 CSR-24T2-SPV

光源需要相应的供电设备，一般工业使用模拟控制器或数字控制器就足够了，这里我们使用凯瑞斯的频闪控制器进行供电。频闪控制器可以在10μs~999μs内使光源发出远高于正常亮度几倍的亮度，这样可以使相机在低于频闪的曝光时间内曝光正常，从而图像明亮，无拖影，对测量精度的影响非常小。而如果相机的曝光时间太长，而目标运动太快，将严重的拖影，会严重影响测量精度。我们的机台运动速度在100mm/s，即100μm/ms。如果曝光时间为1ms，则在这曝光的1ms内，物体要走100μm的距离，这对于我们测量要求的40μm的测量误差是完全不可以实现的。所以我们需要将曝光时间调整到μs级这个级别上，如果是100μs（0.1ms），则物体走过10μm，那样物体运动所引起的测量误差才会降低到系统所能接受的范围。

工业相机  Guppy F-033B   &  HV-1351UM

晶片视觉定位

F-033B是一款30万像素的进口工业CCD相机，使用1394A接口，在一台计算机上同时使用多台相机采集；它的速度为58FPS,可以实现高速测试测量。此款相机的分辨率为656*494，我们拍摄的视场是24*18mm，则我们系统的像素分辨率为24mm/656pixel=0.0366mm/pixel，经过我们实验，同一产品在视场中的不同位置出现如左右、前后、上下倾斜，或在视场中不同位置平移，只有不到1个像素的变化，即同一产品的重复测量精度为在0.0366mm内容，在我们要求的0.04mm范围内。因此基本在我们的要求范围内，通常我们建议相机的分辨率精度比我们要求的精度要高一倍，即我们推荐使用130万像素的工业CCD相机。推荐型号，使用Guppy F-146B(工业140万像素CCD进口相机)。如果觉得CCD工业相机成本过高，而对于测量精度没有那么高的要求，可以使用CMOS相机代替，我们推荐使用Guppy F-036B（进口30万像素CMOS相机），或者是使用HV-1351UM（国产130万像素CMOS相机）。

Mark点视觉定位

HV-1351UM是一款国产的USB接口130万像素CMOS工业相机，速度为15FPS，输出端带螺丝锁定功能，适合于安装固定在运动机构上而不会使接口松动。对于定位MARK点这样精度要求不是十分高的测试测量场合，非常适合。当然，对于晶片定位，如果要求不太高，也可以使用此款相机。

工业镜头 VST-2514  &  CSR-2X110

晶片视觉定位

VST-2514H是一款大光圈的定焦百万像素镜头，对于测量尺寸成像非常好，较低的边缘枕型或桶型畸变，而且它是百万像素的镜头，与相机完全匹配。方便的对焦调节，对机台的要求不会太苛刻。使用这款镜头，可以将工作距离控制在130mm左右，对于整个机台的空间，要求比较小。由于晶片定位时，相机、镜头、光源都是在机台下面固定位置，不会来回的运动，因此，可以调整光源、对焦位置将会更方便。

Mark点视觉定位

Mark点的定位，相机、光源、镜头通常是安装在运动平台上，经常需要运动来拍照，因此当运动机构高速运动时，如果镜头、相机上有太多的螺丝接合部分时，将会有松动的可能。因此我们选择相机时，使用带锁定的相机比较理想，而镜头，我们则使用CSR-2X110远心放大镜头。这是一款2X的远心镜头，可以得到较小的视野，而且上面没有光圈、对焦调节圈，安装好后，无光学变化的担忧。

测试结果画面

同一产品不同位置测试结果：

不同产品测试结果：

Mark点测试结果：

上面的组图可以看到，无论是晶片的定位还是MARK点的定位，机器视觉系统通过选用适当的硬件配置，都能达到测量要求。