劉傳義，羅福源*，李樹亞

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.江蘇誠睿達(dá)光電有限公司，江蘇 南京 211111)

0 引 言

目前，絕大部分電子封裝機(jī)都采用機(jī)器視覺對(duì)準(zhǔn)的方法來進(jìn)行工件定位，對(duì)準(zhǔn)效果良好[1]。例如彭忠超等人[2]利用機(jī)器視覺與機(jī)械自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了一套自動(dòng)化對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)來替代半導(dǎo)體激光器件封裝的人工流水線作業(yè)，提高了激光器封裝自動(dòng)化程度；趙文輝等人[3]采用機(jī)器視覺方法建立了2D零件自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，自動(dòng)檢測零件大小，實(shí)現(xiàn)了2.5 μm的測量精度。

微電子封裝一般采用單個(gè)相機(jī)，通過分光鏡同時(shí)采集上、下模板圖片，然后進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理[4]，但視覺采集系統(tǒng)放置在模板之間，使上、下模板距離過大，會(huì)產(chǎn)生圖像精度誤差。目前，提高對(duì)準(zhǔn)精度的方法主要是通過軟件方法，增強(qiáng)圖像質(zhì)量或者改進(jìn)伺服平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式。韓雷等人[5]設(shè)計(jì)了一套吹氣裝置,并分別采用相位相關(guān)法和二元二次曲面擬合亞像素法，計(jì)算了未啟用吹氣裝置和啟用吹氣裝置后圖像間的平移，消除了溫度升高導(dǎo)致的圖像抖動(dòng)誤差；王耀東等人[6]通過一次模糊對(duì)中和一次精確對(duì)中兩個(gè)過程，通過重心法使物體重心和鏡頭光心像素偏差為0，實(shí)現(xiàn)了待測零件中心自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)檢測。上述方法都是在軟件層面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，但系統(tǒng)機(jī)構(gòu)本身導(dǎo)致的圖像采集誤差仍然存在。

隨著電子元件的尺寸越來越小，對(duì)模板的平整度、尺寸與表面粗糙度要求也越來越高。光刻機(jī)一般采用相機(jī)直接獲取模板邊緣，并記錄位置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)[7]。但對(duì)于非透明模板，光路不能直接通過模板，相機(jī)不能直接獲取上、下模板的位置關(guān)系，因而無法實(shí)現(xiàn)直接對(duì)準(zhǔn)；如果采用類似貼片機(jī)的方法進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，則存在復(fù)雜的相機(jī)與底板位置的標(biāo)定問題[8]。

因此，本文采用雙相機(jī)，以在不同工位獲取上下模板位置的不同圖像。

1 機(jī)器視覺對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 對(duì)準(zhǔn)光路設(shè)計(jì)

自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)光路系統(tǒng)一般包括光學(xué)元件、光源、接收裝置和一些機(jī)械式電子輔助機(jī)構(gòu)。自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)包括調(diào)平、調(diào)焦、對(duì)準(zhǔn)等過程，其中，調(diào)焦和對(duì)準(zhǔn)都要求對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的布局方便調(diào)試[9-10]。

考慮到不透明模板的封裝設(shè)備特點(diǎn)是封裝設(shè)備的不透明性，無法使用豎直的同軸光源進(jìn)行觀測，將對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定的光線引到側(cè)面，并設(shè)置相機(jī)進(jìn)行觀測。

考慮到上、下模板的垂直距離不能過大，中間空間狹小，相機(jī)和鏡頭都沒有放置的空間等問題，采用標(biāo)定板間接對(duì)準(zhǔn)，以利于空間延伸。下相機(jī)首先采集上模板與標(biāo)定板的位置信息，當(dāng)下相機(jī)圖像采集結(jié)束后，移動(dòng)工作臺(tái)，使下模板到達(dá)標(biāo)定板下方，然后使用上相機(jī)進(jìn)行圖像采集，獲得下模板和標(biāo)定板的位置信息。

具體光路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 光路設(shè)計(jì)

1.2 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集標(biāo)定板和上、下模板的位置信息，圖像處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的位置信息進(jìn)行處理，并反饋給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)XYR工作臺(tái)移動(dòng)到相應(yīng)的位置。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 圖像定位算法設(shè)計(jì)

圖像的獲取和處理采用機(jī)器視覺方法，通過伺服平臺(tái)的移動(dòng)使上、下相機(jī)分別獲取圖像，然后將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由上位機(jī)將處理結(jié)果發(fā)送給XYR工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)計(jì)算采用中心坐標(biāo)計(jì)算方法，以保證上、下模板對(duì)準(zhǔn)后上、下邊緣距離相同。圖像處理包括模板圖像和標(biāo)定板圖像，由于標(biāo)定板圖像前景和背景灰度值區(qū)別較明顯，可采取直方圖縮放處理，然后進(jìn)行閾值分割獲得ROI(region of interest)部分圖形，再進(jìn)行矩形匹配獲得中心坐標(biāo)；模板圖像前景和背景灰度值區(qū)別不明顯，使用圖像匹配獲取粗邊緣和Canny算子獲取亞像素邊緣，然后進(jìn)行矩形匹配獲得中心坐標(biāo)。

2.1 直方圖縮放算法

采用直方圖縮放算法可以使圖像的前景和背景灰度值分布更聚斂，從而更容易獲得分割閾值進(jìn)行圖像分割。假設(shè)圖像共有N個(gè)像素點(diǎn)，則具體的算法分為兩步：

(1)對(duì)圖像各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲取圖像像素點(diǎn)分布前兩位的兩個(gè)灰度值，并計(jì)算平均值；

p0=(pmax1+pmax2)×0.5

(1)

(2)對(duì)圖像各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)灰度值進(jìn)行縮放處理，即：

pi=pi×0.5+p0,(i=1,2,…,N)

(2)

式中：pmax1，pmax2—圖像像素點(diǎn)分布最多的兩個(gè)灰度值；pi—圖像各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)灰度值。

2.2 二次邊緣提取算法

提取模板邊緣時(shí)，要保證邊緣信息完整且沒有多余邊緣，才能擬合出精確的矩形，進(jìn)而獲得中心坐標(biāo)。但傳統(tǒng)的邊緣提取算子，如Canny算子會(huì)由于噪聲的干擾擬合出較多的多余邊緣，難以擬合出矩形；而圖像匹配方法又不能獲得精確邊緣，所以本文采取二次邊緣提取的方法獲得精確邊緣。其算法如下：

(1)圖像匹配算法采用面積和形狀的提取方法提取模板矩形輪廓；

(2)對(duì)輪廓進(jìn)行膨脹運(yùn)算并進(jìn)行減運(yùn)算獲得粗邊緣；

(3)使用OSTU算法獲得雙閾值；

(4)Canny算子進(jìn)行邊緣擬合獲得邊緣坐標(biāo)點(diǎn)信息及梯度信息；

(5)分別對(duì)邊緣坐標(biāo)點(diǎn)梯度方向進(jìn)行線性插值獲得鄰域坐標(biāo)點(diǎn)；

(6)根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)使用最小二乘法求解高斯曲線參數(shù)；

(7)高斯曲線最大值獲取，即亞像素邊緣坐標(biāo)點(diǎn)。

3 自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)算法設(shè)計(jì)

考慮到上、下相機(jī)安裝位置和模板位置都存在誤差，而標(biāo)定板是中介，上、下模板都是通過它進(jìn)行間接坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，安裝之后，標(biāo)定板的位置相對(duì)上模板是固定不變的，所以距離的計(jì)算以標(biāo)定板坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，標(biāo)定板格子尺寸為2 mm×2 mm。算法設(shè)計(jì)分為3個(gè)工位分別進(jìn)行。

3.1 自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)流程

3.1.1 工位一

工位一啟動(dòng)時(shí)，下部相機(jī)捕獲標(biāo)定板與上模板的相對(duì)位置關(guān)系圖片，圖像坐標(biāo)系為下相機(jī)坐標(biāo)系，以圖片左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，主要目的為：

(1)計(jì)算標(biāo)定板與上模板的水平角度、水平距離及垂直距離；

(2)下部相機(jī)像素大小的標(biāo)定。

3.1.2 工位二

工位二啟動(dòng)時(shí)，上部相機(jī)捕獲標(biāo)定板與下模板的相對(duì)位置關(guān)系圖片，圖像坐標(biāo)系為上相機(jī)坐標(biāo)系，以圖片左上角為原點(diǎn)，上相機(jī)坐標(biāo)系與下相機(jī)坐標(biāo)系成對(duì)稱關(guān)系，主要目的為：

(1)計(jì)算標(biāo)定板與凹槽的水平角度、水平距離及垂直距離；

(2)計(jì)算上模板與下模板角度，實(shí)現(xiàn)角度偏差補(bǔ)償；

(3)上相機(jī)像素大小的標(biāo)定。

3.1.3 工位三

工作臺(tái)移動(dòng)dy即為工位三的位置，主要目的為：

(1)計(jì)算上模板凸塊與下模板凹槽的水平距離和垂直距離；

(2)計(jì)算標(biāo)定板坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系角度；

(3)工作臺(tái)坐標(biāo)系和標(biāo)定板坐標(biāo)系距離轉(zhuǎn)換,計(jì)算最終位置偏移量。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算

由于標(biāo)定板、模板和工作臺(tái)的相對(duì)位置固定，無法直接獲得標(biāo)定板與工作臺(tái)的角度關(guān)系，可通過移動(dòng)工作臺(tái)獲得模板圖像的位置變化，根據(jù)計(jì)算獲得工作臺(tái)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的角度關(guān)系。

計(jì)算示意圖如圖3所示。

圖3 圖像坐標(biāo)系與工作臺(tái)角度計(jì)算

由圖3可知：圖像坐標(biāo)系以左上角為原點(diǎn)，工作臺(tái)坐標(biāo)系以凹槽中心為原點(diǎn)。然后根據(jù)標(biāo)定板坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系的角度關(guān)系，可以獲得標(biāo)定板與工作臺(tái)的角度關(guān)系，即：

(3)

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算如圖4所示。

最終位移計(jì)算公式如下：

(4)

心坐標(biāo)；θ—圖像坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系角度；θ′—圖像坐標(biāo)系與標(biāo)定板坐標(biāo)系角度；x，y—標(biāo)定板坐標(biāo)系最終位移偏移量；s，t—工作臺(tái)坐標(biāo)系最終位移偏移量。

圖4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算

4 實(shí)驗(yàn)分析

軟件部分基于Windows系統(tǒng)，圖像處理采用Halcon軟件，以實(shí)現(xiàn)各種圖像分析、識(shí)別、定位等功能，并結(jié)合VS2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。使用MFC編寫界面程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行整合，并反饋到XYR工作臺(tái)，控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)過程中，不同工位所獲取的距離和角度值，xPulse和yPulse最后計(jì)算得出的位移臺(tái)x方向和y方向?qū)嶋H脈沖值如表1所示。

表1 對(duì)準(zhǔn)過程工位計(jì)算數(shù)據(jù)

對(duì)準(zhǔn)效果如圖5所示。

圖5 對(duì)準(zhǔn)效果圖

根據(jù)凹槽，將圖5第一行前三列進(jìn)行切割放大，如圖6所示。

圖6 對(duì)準(zhǔn)效果放大圖

由圖6中測得的相應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 上下模板對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

上模板凸塊陣列小于下模板凹槽，所以對(duì)準(zhǔn)后會(huì)有上、下邊緣，不同方向的邊緣寬度差值決定著對(duì)準(zhǔn)精度。表2中，x1、y1、x2、y2即為圖6中上、下邊緣的測量值。由表2中數(shù)據(jù)可知，最大邊緣寬度差值為3.42 μm。

5 結(jié)束語

(1)本文設(shè)計(jì)了一種雙光路自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，采用VS編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，通過驅(qū)動(dòng)XYR并聯(lián)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上下模板的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，并經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此視覺對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)可以獲得3 μm～4 μm的對(duì)準(zhǔn)精度；

(2)本文針對(duì)微電子封裝中的非透明模板提出了一種雙向機(jī)器視覺對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，采用雙相機(jī)和3個(gè)工位分別對(duì)上下模板進(jìn)行圖像捕獲和數(shù)據(jù)處理，解決了傳統(tǒng)方法的不足，可以實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)準(zhǔn)；

(3)本文提出的視覺對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面較為復(fù)雜，在后期的研究中可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的操作更加便利。

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