CKVision在分選設(shè)備視覺定位中的應(yīng)用

劉 丹，尚美杰，郭 東，紀(jì) 偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

分選設(shè)備的視覺定位系統(tǒng)是采用工業(yè)相機(jī)將被檢測(cè)的物體轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳遞給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取被檢測(cè)物體的特征，如數(shù)量、幾何中心、角度、灰度等，再根據(jù)預(yù)設(shè)的搜索范圍和搜索條件來輸出結(jié)果，如幾何中心、角度、個(gè)數(shù)、合格/ 不合格、有/無等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別定位功能。

1 分選設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理

分選設(shè)備可分為運(yùn)動(dòng)部件，機(jī)器視覺，人機(jī)交互三個(gè)部分。其中，運(yùn)動(dòng)部件由擺臂和頂針機(jī)構(gòu)、晶片臺(tái)機(jī)構(gòu)以及工作臺(tái)機(jī)構(gòu)組成；機(jī)器視覺部分由相機(jī)、鏡頭和光源組成；人機(jī)交互由工控機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤組成。各部件具體組成及相互關(guān)系如圖1所示。

在分選設(shè)備上晶片臺(tái)機(jī)構(gòu)用于承載晶圓來料，可實(shí)現(xiàn)x、y 及z 向運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)機(jī)構(gòu)用于承載Tray 盤，可實(shí)現(xiàn)x、y 向運(yùn)動(dòng)。擺臂和頂針機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)將芯片從晶片臺(tái)的晶圓上抓取并放置到工作臺(tái)的Tray 盤碗杯內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)z 向及θ 向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。視覺系統(tǒng)分為兩路，分別設(shè)置在晶片臺(tái)上方和工作臺(tái)上方，用于實(shí)現(xiàn)擺臂和頂針機(jī)構(gòu)的三點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)設(shè)置、晶片臺(tái)側(cè)芯片的識(shí)別定位和工作臺(tái)側(cè)Tray 盤碗杯的識(shí)別定位工作。其工作原理是將符合要求的芯片從藍(lán)膜(或UV 膜) 上拾取起來放置到工作臺(tái)Tray 盤的碗杯內(nèi)，詳見圖2所示。

圖1 分選設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 原用圖像處理軟件的不足

分選設(shè)備對(duì)芯片的抓取和放置都依賴于視覺系統(tǒng)的識(shí)別定位，抓取的位置是否正確，抓取的芯片是否合格都取決于圖像識(shí)別的結(jié)果，因此圖像識(shí)別在分選設(shè)置上占有重要地位。

分選設(shè)備要求能識(shí)別帶墨點(diǎn)的芯片，正常光亮條件下帶墨點(diǎn)的芯片成像如圖3所示，在圖像識(shí)別處理上對(duì)芯片的識(shí)別定位主要分為圖像特征匹配和圖像灰度匹配兩種方式。圖像特征匹配是提取圖像中保持不變的特征進(jìn)行匹配識(shí)別，圖像灰度匹配是直接利用全部可用的圖像灰度信息進(jìn)行匹配識(shí)別，原圖像處理軟件對(duì)芯片的識(shí)別采用圖像灰度匹配的方式。這種方式在識(shí)別有墨點(diǎn)的芯片時(shí)就需要將墨點(diǎn)顏色與芯片顏色盡量區(qū)分開，我們通常采用加大相機(jī)的曝光值和光源亮度的方式以達(dá)到該目的，打亮光源后的圖像如圖4所示，再適度的調(diào)節(jié)識(shí)別分?jǐn)?shù)從而獲得較好的識(shí)別率。這種方式雖然可以將墨點(diǎn)識(shí)別出來，但過度的曝光降低了相機(jī)的使用效率，同時(shí)也不可避免的存在識(shí)別誤差，例如對(duì)于面積相對(duì)較小的墨點(diǎn)就無法識(shí)別。

圖2 分選設(shè)備工藝流程圖

圖3 正常光亮條件下芯片成像

圖4 加大光源亮度條件下芯片成像

3 改進(jìn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 CKVision 圖像處理軟件

深圳市創(chuàng)科自動(dòng)化控制有限公司是一家高科技軟件公司，專業(yè)從事開發(fā)機(jī)器視覺軟件系統(tǒng)。公司自成立以來致力于圖像算法的研究，成功開發(fā)出易編程的CKVision 機(jī)器視覺處理軟件。CKVision 具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，識(shí)別速度快，功能全面，對(duì)環(huán)境光線干擾不敏感，檢測(cè)可靠性極高等特點(diǎn)；支持所有圖像采集設(shè)備，適用范圍廣；在功能上分為多個(gè)模塊，以類庫(kù)形式封裝，開發(fā)應(yīng)用方便；全中文開發(fā)例程，容易解讀；被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、電子產(chǎn)品、食品、藥品和印刷等行業(yè)。

CKVision 視覺軟件包含以下功能模塊：

圖像預(yù)處理功能；

二維測(cè)量功能；

缺陷檢測(cè)功能；

目標(biāo)定位功能；

相機(jī)標(biāo)定功能；

彩色分析功能。

3.2 功能分析及實(shí)現(xiàn)方式

考慮使用創(chuàng)科圖像處理軟件的主要目的是為了解決分選設(shè)備對(duì)帶墨點(diǎn)芯片的識(shí)別問題。軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用將CKVision 的目標(biāo)定位功能和灰度判定功能疊加使用來解決該問題。先設(shè)置模板輪廓線圖像如圖5所示，再設(shè)置灰度分析范圍矩形框如圖6所示，即在設(shè)置模板的過程中不但采集了芯片的特征線同時(shí)也設(shè)置了灰度分析范圍。在識(shí)別時(shí)先通過輪廓匹配功能來完成對(duì)芯片特征的匹配，再對(duì)通過特征匹配的芯片采用灰度值統(tǒng)計(jì)功能對(duì)其需要灰度判定的區(qū)域進(jìn)行灰度分析，最終根據(jù)灰度分析結(jié)果來確定芯片上是否有墨點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片好壞的識(shí)別。

圖5 模板輪廓線

考慮好對(duì)帶墨點(diǎn)芯片的識(shí)別問題后再分析設(shè)備對(duì)圖像處理軟件的需求，總結(jié)為：

圖6 灰度分析范圍矩形框

（1）顯示功能

◇顯示窗口的創(chuàng)建

◇采集圖像

◇圖像縮放顯示

◇圖像居中顯示

◇畫直線標(biāo)示線

◇畫十字標(biāo)示線

◇畫矩形顯示框

（2）識(shí)別功能

◇學(xué)習(xí)范圍的設(shè)置

◇創(chuàng)建模板

◇編輯模板

◇模板保存

◇模板加載

◇設(shè)置模板參數(shù)

◇保存模板參數(shù)

◇識(shí)別方式設(shè)置

◇識(shí)別范圍設(shè)置

根據(jù)以上需求最終確定將CKVision 進(jìn)行二次封裝，封裝為一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，將需要使用的函數(shù)按功能進(jìn)行封，從而方便整機(jī)軟件的調(diào)用。最終確定的對(duì)外接口函數(shù)如表1所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

封裝完成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)能夠與整機(jī)軟件很好地結(jié)合，沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用輪廓識(shí)別和局部區(qū)域灰度分析的方式很好地解決了設(shè)備對(duì)墨點(diǎn)的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分別如圖6、7、8 所示。其中圖7描述了模板參數(shù)的設(shè)置，識(shí)別方式選為輪廓+灰度識(shí)別，特征匹配分?jǐn)?shù)閾值為70，定灰度判定值設(shè)置為80。

表1 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)對(duì)外接口函數(shù)

圖7 模板參數(shù)

圖8及表2是分別識(shí)別6 顆芯片的圖像顯示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。在圖8中可清晰的看到1、2、3、4號(hào)芯片的只有邊框線沒有灰度分析框即為合格芯片，5、6 號(hào)芯片的雖然有邊框線但在有墨點(diǎn)區(qū)域卻又灰度分析范圍框即為不合格芯片。從表2的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中也可以看出雖然1～6 號(hào)芯片的特征匹配結(jié)果分?jǐn)?shù)都在設(shè)定的分?jǐn)?shù)閾值之上，但5、6 號(hào)芯片的灰度判定值小于設(shè)定的灰度判定值。

圖8 識(shí)別結(jié)果圖像

表2 識(shí)別結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語

CKVision 圖像處理使用簡(jiǎn)單，二次開發(fā)操作容易，在芯片的識(shí)別定位上采用輪廓識(shí)別加灰度分析的方式解決了分選設(shè)備對(duì)帶墨點(diǎn)的芯片識(shí)別誤差大的問題。最終成果動(dòng)態(tài)庫(kù)穩(wěn)定，與設(shè)備軟件能很好的對(duì)接，并已成功在客戶現(xiàn)象投入使用，收到客戶的肯定。

[1]創(chuàng)科自動(dòng)化控制有限公司.CKVISION 機(jī)器視覺軟件開發(fā)包[Z].2012.

[2]創(chuàng)科自動(dòng)化控制有限公司.CKVISION5.0 函數(shù)說明[Z].2012.

[3]阮秋琦阮宇智等譯，數(shù)字圖像處理（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[4]王亮，蔣欣蘭譯，機(jī)器視覺[M].北京：中國(guó)青年出版社，2014.