半導體晶片機器視覺測量及MARK點視覺定位

客戶的需求:

檢測內容：

SMT行業晶片位置角度與PCB板Mark點位置的測試測量

檢測要求：

精度0.04mm，移動速度100mm/s

視覺可行性分析:

對樣品進行了光學實驗，并進行圖像處理，原則上可以使用機器視覺系統進行測試測量與定位。

結果:

對所有樣品進行分析，可以在不同的樣品尺寸與位置下測量出晶片的大小與質心點位置、旋轉角度，以及MARK點的位置等。

使用的LED光源、工業相機、工業鏡頭等硬件的具體信息，請參看下面的內容，默認為晶片測量、MARK點測量為獨立的兩套機器視覺系統，如果需要整合，可以酌情考慮刪減某些硬件配置。

測試條件：

產品測試時，視場留有一定的包容空間，但這不意味著在視場內就一定能得到非常準確的測量數據。原則上需要機器視覺系統有較精密的定位與固定裝置。

使用硬件：

LED光源：CSR-7060-DRLr 1個……用于晶片定位

LED光源：CSR-5060-DRLr 1個……用于Mark點

光源控制器：CSR-24T2-SPV 2個……用于控制光源

工業相機：Guppy F-033B 1個……用于晶片定位

工業相機：HV-1351UM 1個……用于Mark點

相機電纜：3米1394A線 1條……用于數據傳輸

相機電纜：3米USB線帶鎖定         1條……用于數據傳輸

圖像采集卡：1394A卡 1塊……用于采集圖像

工業鏡頭：VS-2514 1個……用于晶片定位

工業鏡頭：CSR-2X110 1個……用于Mark點

光學延長管：5mm 1個……用于晶片定位

晶片安裝條件：

光源工作距離：95mm，光源發光表面到目標表面的距離

相機工作距離：130mm，相機鏡頭表面到目標表面的距離

視場：24*18mm，實際能看到的視野大小

Mark點安裝條件：

光源工作距離：85mm，光源發光表面到目標表面的距離

相機工作距離：110mm，相機鏡頭表面到目標表面的距離

視場：3.5*2.6mm，實際能看到的視野大小

最優化方案

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，因為產品大小不一，大的有16mm以上的產品，小的有1mm以下的產品，因此需要一款較大一點的光源產品；經過實驗，發現使用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，縮小機臺的空間。

Mark點的檢測，因為目標本身比較小，1~2mm的大小，我們使用直徑為42mm的環形光源來照明，即可滿足要求。

光源控制器 CSR-24T2-SPV

光源需要相應的供電設備，一般工業使用模擬控制器或數字控制器就足夠了，這里我們使用凱瑞斯的頻閃控制器進行供電。頻閃控制器可以在10μs~999μs內使光源發出遠高于正常亮度幾倍的亮度，這樣可以使相機在低于頻閃的曝光時間內曝光正常，從而圖像明亮，無拖影，對測量精度的影響非常小。而如果相機的曝光時間太長，而目標運動太快，將嚴重的拖影，會嚴重影響測量精度。我們的機臺運動速度在100mm/s，即100μm/ms。如果曝光時間為1ms，則在這曝光的1ms內，物體要走100μm的距離，這對于我們測量要求的40μm的測量誤差是完全不可以實現的。所以我們需要將曝光時間調整到μs級這個級別上，如果是100μs（0.1ms），則物體走過10μm，那樣物體運動所引起的測量誤差才會降低到系統所能接受的范圍。

工業相機  Guppy F-033B   &  HV-1351UM

晶片視覺定位

F-033B是一款30萬像素的進口工業CCD相機，使用1394A接口，在一臺計算機上同時使用多臺相機采集；它的速度為58FPS,可以實現高速測試測量。此款相機的分辨率為656*494，我們拍攝的視場是24*18mm，則我們系統的像素分辨率為24mm/656pixel=0.0366mm/pixel，經過我們實驗，同一產品在視場中的不同位置出現如左右、前后、上下傾斜，或在視場中不同位置平移，只有不到1個像素的變化，即同一產品的重復測量精度為在0.0366mm內容，在我們要求的0.04mm范圍內。因此基本在我們的要求范圍內，通常我們建議相機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130萬像素的工業CCD相機。推薦型號，使用Guppy F-146B(工業140萬像素CCD進口相機)。如果覺得CCD工業相機成本過高，而對于測量精度沒有那么高的要求，可以使用CMOS相機代替，我們推薦使用Guppy F-036B（進口30萬像素CMOS相機），或者是使用HV-1351UM（國產130萬像素CMOS相機）。

Mark點視覺定位

HV-1351UM是一款國產的USB接口130萬像素CMOS工業相機，速度為15FPS，輸出端帶螺絲鎖定功能，適合于安裝固定在運動機構上而不會使接口松動。對于定位MARK點這樣精度要求不是十分高的測試測量場合，非常適合。當然，對于晶片定位，如果要求不太高，也可以使用此款相機。

工業鏡頭 VST-2514  &  CSR-2X110

晶片視覺定位

VST-2514H是一款大光圈的定焦百萬像素鏡頭，對于測量尺寸成像非常好，較低的邊緣枕型或桶型畸變，而且它是百萬像素的鏡頭，與相機完全匹配。方便的對焦調節，對機臺的要求不會太苛刻。使用這款鏡頭，可以將工作距離控制在130mm左右，對于整個機臺的空間，要求比較小。由于晶片定位時，相機、鏡頭、光源都是在機臺下面固定位置，不會來回的運動，因此，可以調整光源、對焦位置將會更方便。

Mark點視覺定位

Mark點的定位，相機、光源、鏡頭通常是安裝在運動平臺上，經常需要運動來拍照，因此當運動機構高速運動時，如果鏡頭、相機上有太多的螺絲接合部分時，將會有松動的可能。因此我們選擇相機時，使用帶鎖定的相機比較理想，而鏡頭，我們則使用CSR-2X110遠心放大鏡頭。這是一款2X的遠心鏡頭，可以得到較小的視野，而且上面沒有光圈、對焦調節圈，安裝好后，無光學變化的擔憂。

測試結果畫面

同一產品不同位置測試結果：

不同產品測試結果：

Mark點測試結果：

從上面的組圖可以看到，無論是晶片的定位還是MARK點的定位，機器視覺系統通過選用適當的硬件配置，都能達到測量要求。