劉 丹，尚美杰，郭 東，紀(jì) 偉

(中國電子科技集團(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)將被檢測的物體轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳遞給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取被檢測物體的特征，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)自動識別定位功能。

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)動部件，機(jī)器視覺，人機(jī)交互三個(gè)部分。其中，運(yùn)動部件由擺臂和頂針機(jī)構(gòu)、晶片臺機(jī)構(gòu)以及工作臺機(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。工作臺機(jī)構(gòu)用于承載Tray 盤，可實(shí)現(xiàn)x、y 向運(yùn)動。擺臂和頂針機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)將芯片從晶片臺的晶圓上抓取并放置到工作臺的Tray 盤碗杯內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)z 向及θ 向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。視覺系統(tǒng)分為兩路，分別設(shè)置在晶片臺上方和工作臺上方，用于實(shí)現(xiàn)擺臂和頂針機(jī)構(gòu)的三點(diǎn)對準(zhǔn)設(shè)置、晶片臺側(cè)芯片的識別定位和工作臺側(cè)Tray 盤碗杯的識別定位工作。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)備對芯片的抓取和放置都依賴于視覺系統(tǒng)的識別定位，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別的結(jié)果，因此圖像識別在分選設(shè)置上占有重要地位。

分選設(shè)備要求能識別帶墨點(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，在圖像識別處理上對芯片的識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)行匹配識別，原圖像處理軟件對芯片的識別采用圖像灰度匹配的方式。這種方式在識別有墨點(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)識別分?jǐn)?shù)從而獲得較好的識別率。這種方式雖然可以將墨點(diǎn)識別出來，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別誤差，例如對于面積相對較小的墨點(diǎn)就無法識別。

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)，識別速度快，功能全面，對環(huán)境光線干擾不敏感，檢測可靠性極高等特點(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；

二維測量功能；

缺陷檢測功能；

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)備對帶墨點(diǎn)芯片的識別問題。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。在識別時(shí)先通過輪廓匹配功能來完成對芯片特征的匹配，再對通過特征匹配的芯片采用灰度值統(tǒng)計(jì)功能對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)對芯片好壞的識別。

圖5 模板輪廓線

考慮好對帶墨點(diǎn)芯片的識別問題后再分析設(shè)備對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)

◇識別方式設(shè)置

◇識別范圍設(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)動態(tài)鏈接庫，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

封裝完成的動態(tài)鏈接庫能夠與整機(jī)軟件很好地結(jié)合，沒有出現(xiàn)錯誤，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用輪廓識別和局部區(qū)域灰度分析的方式很好地解決了設(shè)備對墨點(diǎn)的識別。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，識別方式選為輪廓+灰度識別，特征匹配分?jǐn)?shù)閾值為70，定灰度判定值設(shè)置為80。

表1 動態(tài)鏈接庫對外接口函數(shù)

圖7 模板參數(shù)

圖8及表2是分別識別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號芯片的只有邊框線沒有灰度分析框即為合格芯片，5、6 號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 號芯片的灰度判定值小于設(shè)定的灰度判定值。

圖8 識別結(jié)果圖像

表2 識別結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語

CKVision 圖像處理使用簡單，二次開發(fā)操作容易，在芯片的識別定位上采用輪廓識別加灰度分析的方式解決了分選設(shè)備對帶墨點(diǎn)的芯片識別誤差大的問題。最終成果動態(tài)庫穩(wěn)定，與設(shè)備軟件能很好的對接，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：中國青年出版社，2014.