芯片識(shí)別定位系統(tǒng)中LED光源的應(yīng)用研究

李 愷，王小捷，韓微微

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷，通過將被攝目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算來做出各種判斷。

作為芯片拾取模塊的核心功能，芯片識(shí)別定位系統(tǒng)直接影響到芯片拾取過程中的效率與精度。本文根據(jù)要求通過計(jì)算選取了視覺系統(tǒng)中的鏡頭、相機(jī)、光源等硬件，然后比較不同光源照射方式下的識(shí)別結(jié)果，為設(shè)備中的光源使用提供參考依據(jù)。

1 相機(jī)與光源

整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)是由眾多部分組成，而相機(jī)在整個(gè)視覺系統(tǒng)中起到了眼睛的作用。工業(yè)相機(jī)在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的主要作用是圖像的采集，而獲取的圖像是否精確清晰對(duì)后期的處理和判斷有著關(guān)鍵性作用，因此相機(jī)的選擇很大程度上決定系統(tǒng)的精度和可靠性。

按照不同的標(biāo)準(zhǔn)和用途，又可以對(duì)相機(jī)進(jìn)行不同的分類：

根據(jù)相機(jī)響應(yīng)的波段不同，可將相機(jī)分為：紅外相機(jī)、可見光相機(jī)、紫外相機(jī)等；根據(jù)相機(jī)是否能夠反映被測(cè)物的色彩又可以將相機(jī)分為彩色相機(jī)與黑白相機(jī)。如果要處理的是與圖像顏色有關(guān)就應(yīng)該選擇彩色相機(jī)，其它情況下例如查看圖像邊緣則要選擇黑白相機(jī)，同樣分辨率的相機(jī)黑白比彩色的精度高。

在工業(yè)應(yīng)用中，如果沒有特殊要求，使用可見光波段的黑白相機(jī)即可以滿足應(yīng)用需求。實(shí)驗(yàn)中采用可見光波段的黑白相機(jī)。該相機(jī)的響應(yīng)曲線如圖1所示[1]。

圖1 CCD波長和光譜靈敏度

從光譜靈敏度曲線可以看出CCD的峰值靈敏度為500nm波長的光，參考光譜，采用綠光或藍(lán)光可以得到較好的響應(yīng)。

在相機(jī)已經(jīng)確定的情況下，光源的設(shè)計(jì)對(duì)圖像的特征顯示就顯得尤為重要。使用合適的光源可以使圖像清晰、對(duì)比度高、特征明顯、易于進(jìn)行處理；反之則會(huì)使圖像處理困難，甚至不能顯示需要的特征，造成特征提取失敗。

光源不是簡單的照亮物體，而是與照明方案配合，以合適的方式將光線投射到被測(cè)目標(biāo)上，應(yīng)盡可能地突出被測(cè)物的特征，使需要檢測(cè)的部分與那些不重要的部分之間產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加足夠的對(duì)比度；同時(shí)還應(yīng)保證足夠的整體亮度、強(qiáng)度等。好的光源和照明方式能夠改善整個(gè)系統(tǒng)的分辨率，降低噪聲，簡化圖像分析與處理的軟件算法，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著非常重要的提升作用，是視覺圖像采集中的個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)光源和照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是“照明均勻，避免反光”[2]。針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要設(shè)計(jì)或選擇相應(yīng)的照明裝置。從光學(xué)角度來看，要根據(jù)被測(cè)物的不同顏色、材質(zhì)以及光源的強(qiáng)度、方向、光譜等差異來綜合考慮，突出需要的特征信息，確保采集的圖像達(dá)到最佳效果。

針對(duì)芯片識(shí)別定位系統(tǒng)中的材料特點(diǎn)，不同材料的反射率相差很大。目前常用芯片的基底材料主要有硅、藍(lán)寶石、碳化硅等，其中以硅作為基底的芯片，其表面光滑，光反射率高。凸點(diǎn)的材料一般為銅、錫，形狀為長方形或球冠形，其表面光滑，光反射率高。在我們的實(shí)驗(yàn)中采用的芯片凸點(diǎn)材料為銅，形狀為球冠形。

2 光源選擇

光源可分為自然光源和人造光源兩類。自然光源使用不方便且發(fā)光特性不易控制，一般不適合用作計(jì)算視覺系統(tǒng)中的照明光源。而人造光源中一般選用LED光源作為機(jī)器視覺中的首選光源。按照不同的標(biāo)準(zhǔn)和用途又可以對(duì)LED光源進(jìn)行不同的分類。

2.1 光源形式的選擇

2.1.1 環(huán)形光源與條形光源

環(huán)形光源和條形光源采用LED在周圍排列，發(fā)出的光線向內(nèi)匯聚，光線方向和相機(jī)觀察方向垂直或接近90°角，多用于金屬工件刻印字符、光滑表面劃痕、瓶口尺寸或裂紋、平面工件表面質(zhì)量等的檢測(cè)。光源發(fā)出的光不直接進(jìn)入攝像機(jī)，瑕疵等表面的變化引起光線改變方向進(jìn)入鏡頭，從而實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度，一般暗視場(chǎng)(Dark Field)均用此類光源實(shí)現(xiàn)[3]。圖2是在環(huán)形光源或條形光源照射下的光線方向示意圖。光源發(fā)出的光線在基板上產(chǎn)生鏡面反射，沒有直接進(jìn)入鏡頭，不能成像，因此該區(qū)域?yàn)榘担灰徊糠止饩€照射到凸點(diǎn)上通過反射返回鏡頭，該區(qū)域?yàn)榱痢?/p>

圖2 環(huán)形/條形光源照射示意圖

環(huán)形光源或條形光源照射下得到的實(shí)際圖像如圖3所示。

圖3 環(huán)形/條形光源照射效果圖

從圖3中可以看出，芯片的邊緣幾乎分辨不出，凸點(diǎn)邊緣比較模糊

2.1.2 同軸點(diǎn)光源

同軸點(diǎn)光源是指照明光線平行地穿過同軸鏡頭的垂直面，觀察得到的圖像是對(duì)于來自鏡頭照明光線的真實(shí)反射。同軸照明對(duì)于觀察平整或拋光的表面是非常理想的，高亮度均勻光線通過半透半反鏡后成為與鏡頭同軸的光線，均勻照射在具有反射性的工作界面，主要用于金屬玻璃等光潔表面的劃痕檢測(cè)，芯片和硅片的破損檢測(cè)。同時(shí)，同軸光源位于照明光路的側(cè)面，這樣的照射方式可以減少光路的復(fù)雜性，避免光源的放置給光路帶來的不必要的麻煩。

圖4是同軸點(diǎn)光源照射下的光線方向示意圖。照射到凸點(diǎn)上的光被反射到鏡頭外，不能成像，因此該區(qū)域?yàn)榘担逵捎阽R面反射光線全部返回到鏡頭，因此該區(qū)域?yàn)榱痢?/p>

圖4 同軸點(diǎn)光源照射示意圖

同軸點(diǎn)光源照射下得到的實(shí)際圖像如圖5所示。

圖5 同軸點(diǎn)光源照射效果圖

從圖5中可以看出，芯片邊緣比較清晰，凸點(diǎn)邊緣與芯片對(duì)比度高

2.2 照明方式的選擇

在機(jī)器視覺中，主要的照明方式有連續(xù)照明和觸發(fā)照明兩種[4]。兩者的區(qū)別主要有：(1)控制的頻閃照明方式可以成倍提高光源亮度，而連續(xù)照明則不具備這個(gè)能力，不能改變光源的亮度。(2)控制器在收到外部觸發(fā)信號(hào)后，會(huì)按照預(yù)設(shè)脈沖寬度點(diǎn)亮光源，隨即自動(dòng)關(guān)斷光源，直至下一個(gè)脈沖到來；而連續(xù)照明方式下，光源持續(xù)點(diǎn)亮，并不能隨相機(jī)的觸發(fā)點(diǎn)亮和關(guān)斷光源。

這使得在檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，頻閃照明具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。為避免拍攝運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，工業(yè)相機(jī)需要設(shè)置盡量短的曝光時(shí)間，同時(shí)為提高圖像的信噪比，相機(jī)的增益值和鏡頭的光圈孔徑不能被無限增大。尤其在相機(jī)視場(chǎng)小，物體運(yùn)動(dòng)（或震動(dòng)）速度較快的場(chǎng)合，提高光源的瞬間亮度是最佳選擇。這一點(diǎn)，頻閃照明的作用是無可替代的。

圖6、圖7是在連續(xù)照明和頻閃照明時(shí)相同圖片的亮度對(duì)比。

圖6 連續(xù)照明

圖7 頻閃照明

很明顯，在相同曝光時(shí)間下，頻閃照明所采集圖片的亮度和清晰度要高于連續(xù)照明。因此，本實(shí)驗(yàn)采用頻閃照明作為首選的照明方式。

2.3 顏色選擇

在所有的金屬材料中，只有金比銅的反射率小。而作為芯片基底主要材料的硅，在可見光光譜內(nèi)是不透明的，具有很高的折射系數(shù)，是一種具有極高反射率的材料。因此雖然理論上綠色或藍(lán)色光源可以實(shí)現(xiàn)CCD在最高靈敏度工作，但由于硅和銅凸點(diǎn)對(duì)光的反射特性相差較大，會(huì)降低圖像的灰度精度，同時(shí)工作距離也會(huì)影響CCD的靈敏度。圖8所示的是CCD的靈敏度隨工作距離變化的曲線[5]，此時(shí)紅色光對(duì)CCD的敏感度要強(qiáng)于綠色光。

圖8 光源工作距離與CCD敏感度圖

另外，按照系統(tǒng)要求，需要識(shí)別的是芯片邊緣是否有缺陷（包括崩邊、裂痕等）和芯片表面的裂紋，根據(jù)色環(huán)對(duì)于增大圖像對(duì)比度的知識(shí)：芯片本身材料為硅（冷色），凸點(diǎn)材料為銅（暖色），采用相反色溫的顏色照射，可以達(dá)到最高級(jí)別的對(duì)比度。所以暖色光照射冷色材料，圖像會(huì)變亮；照射其他顏色材料，圖像會(huì)變暗。

通過理論分析認(rèn)為：針對(duì)芯片識(shí)別定位系統(tǒng)中芯片和凸點(diǎn)本身的材料，要取得對(duì)比度好的圖像，采用紅色光源照明的效果優(yōu)于藍(lán)光和綠光，下面通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃诓煌伾?、不同照明方式光源照射下采集芯片圖像，為圖像匹配處理提供數(shù)據(jù)集。

視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中采用的芯片尺寸為2.5mm×2mm，要求視場(chǎng)內(nèi)要有3×3個(gè)芯片，所以視場(chǎng)要略大于7.5mm×6mm，選定視場(chǎng)為10mm×8mm（對(duì)角線12.8mm）。而相機(jī)靶面通常為4∶3的長方形，為了滿足視場(chǎng)要求，應(yīng)該以靶面的短邊長度為參考來計(jì)算視場(chǎng)。

系統(tǒng)精度：0.02mm，8/0.02=400，因此相機(jī)靶面短邊的像素?cái)?shù)大于400

根據(jù)計(jì)算的像素?cái)?shù)，可以選擇CCD相機(jī)靶面1/3（4.8mm×3.2mm），分辨率為 752×480，像元尺寸小于20μm。

鏡頭的放大倍率β=3.2/8=0.4，工作距離在100～120mm之間即可滿足要求。

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果分別對(duì)鏡頭和CCD相機(jī)選型。

3.1 鏡頭

實(shí)驗(yàn)中選用Navitar Zoom 6000鏡頭，具體參數(shù)見表1。

表1 鏡頭參數(shù)表

此鏡頭的工作距離、放大倍數(shù)、視場(chǎng)范圍、分辨率均滿足對(duì)芯片成像的要求。

3.2 CD相機(jī)

CCD即電荷耦合器件，CCD攝像機(jī)的作用在于將被攝物體通過鏡頭聚焦到 CCD芯片上，產(chǎn)生信號(hào)電荷，并通過存儲(chǔ)、濾波、放大處理后，把二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S視頻信號(hào)輸出。它包括了分辨率，圖像噪聲，掃描方式等相關(guān)特性參數(shù)。其中，分辨率是CCD攝像機(jī)中一個(gè)最重要的參數(shù)，表征了相機(jī)對(duì)物象中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。

表2 CCD參數(shù)表

選用MVC360MF型1/3單色逐行掃描CCD，該相機(jī)有效分辨率為752×480，可與合適的鏡頭搭配達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，且價(jià)格為1500元，成本較低，滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

3.3 光源

LED光源具有頻率集中、壽命長、容易做成各種形狀、低的熱輻射等特點(diǎn)，已經(jīng)成為芯片識(shí)別定位系統(tǒng)里使用最多的光源類型。同時(shí)它還具有一個(gè)對(duì)于圖像處理來說相當(dāng)重要的特性，即它是直流驅(qū)動(dòng)，光亮度能夠長時(shí)間保持恒定。而普通的鹵素?zé)艉蜔晒鉄舳际墙涣黩?qū)動(dòng)，光亮度也會(huì)相應(yīng)成正弦曲線變化，特別是當(dāng)高速相機(jī)采集的頻率高于光源的頻率時(shí)，采集圖像時(shí)就很難獲得一致的照度。實(shí)驗(yàn)中采用的是直流驅(qū)動(dòng)的高亮度LED點(diǎn)光源、環(huán)形光源和條形光源（康視達(dá)公司的NSPL系列）進(jìn)行測(cè)試。

4 實(shí)驗(yàn)采用的圖像算法

歸一化匹配算法：該算法是一種經(jīng)典的匹配算法，也稱為 NC（Normalized Correlation）算法。此方法的思想是通過計(jì)算模板圖像和待匹配圖像的匹配值來確定匹配的程度。匹配值最大時(shí)的搜索窗口位置決定了模板圖像在待匹配圖像中的位置

[6]。匹配定義一般有如下兩種形式：

NC算法具有很高的準(zhǔn)確性，但參與NC搜索算法的特征點(diǎn)比較多，速度較慢，在應(yīng)用時(shí)所用的計(jì)算時(shí)間過長，實(shí)時(shí)性不好。可以采用圖像金字塔、序貫相似性等對(duì)圖像算法進(jìn)行改進(jìn)，以提高搜索速度。

獲取圖像經(jīng)過處理后的效果分別采用紅，藍(lán)，綠三種顏色的LED點(diǎn)光源，紅色、藍(lán)色LED環(huán)形光源，紅色LED條形光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所用CCD，鏡頭的參數(shù)如前所述。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10（得分的滿分為1）。

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于每種照明方式，都采集了100幅圖像作為數(shù)據(jù)集進(jìn)行匹配處理，具體的結(jié)果如表3所示。

表3 匹配結(jié)果匯總表

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用紅色同軸光源照明得到圖像的匹配得分平均值為0.996，高于其他光源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前的理論分析一致。說明紅色點(diǎn)光源是目前所用芯片（硅基板，銅凸點(diǎn)）的最優(yōu)選擇。

5 結(jié)論與展望

LED光源在芯片識(shí)別定位系統(tǒng)中起著非常重要的提升作用，是視覺圖像采集中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本文通過分析CCD的光譜靈敏度曲線和芯片的材料特點(diǎn)以及光學(xué)特性，分別使用紅色、綠色、藍(lán)色的同軸點(diǎn)光源和紅色、藍(lán)色環(huán)形光源以及紅色條形光源進(jìn)行圖像采集，通過歸一化匹配算法對(duì)實(shí)驗(yàn)圖片進(jìn)行模板匹配分析，對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)集做匹配計(jì)算，得出紅色LED點(diǎn)光源最適合目前銅凸點(diǎn)，硅基板的芯片。

總體來講，在設(shè)計(jì)光源照明系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮材料的性質(zhì)、顏色、形狀等特點(diǎn)，以滿足具體的檢測(cè)要求。所以針對(duì)不同的材料，要設(shè)計(jì)相應(yīng)的照明系統(tǒng)，有時(shí)可能還需要采取組合光源才能突出被檢測(cè)目標(biāo)的特征，達(dá)到最佳的拍攝效果。

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