基于VC 的貼片LED 編帶機(jī)視覺檢測系統(tǒng)研制

拜穎乾，毛紅梅，龐旭卿

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099)

0 引言

貼片LED 全自動編帶機(jī)是按一定方向?qū)l(fā)光二極管編入載帶的自動化設(shè)備，隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，節(jié)能高效產(chǎn)品越來越得到人們的青睞，所以既節(jié)能又高效的電子設(shè)備得到了飛速發(fā)展，片式發(fā)光二極管就是在這種大背景下應(yīng)用得越來越廣泛，故加工、包裝半導(dǎo)體芯片設(shè)備的自動化程度也是越來越高，全自動編帶機(jī)是片式發(fā)光二極管生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備之一［1］。隨著片式發(fā)光二極管越來越小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的編帶機(jī)對視覺檢測系統(tǒng)的要求也就越來越高，進(jìn)而滿足芯片缺陷檢測的需要。芯片的缺失檢測是編帶機(jī)視覺檢測的重要項目之一，絕大多數(shù)半導(dǎo)體企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場利用索尼公司提供的視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行缺陷檢測。該檢測系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確高效地檢測芯片的缺陷，但是成本過高，維護(hù)不便，不能滿足企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，故需開發(fā)新的視覺檢測系統(tǒng)以滿足企業(yè)長久的發(fā)展。全自動編帶機(jī)可以實現(xiàn)的編帶效率是36000 個/h［2］。本文在VC 軟件開發(fā)環(huán)境下，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對5050 型六角正面發(fā)光貼片LED進(jìn)行缺失檢測，檢測準(zhǔn)確高效，成本低，維護(hù)方便，在半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

1 開發(fā)環(huán)境

VC6.0 是微軟推出的一款可視化編程工具，應(yīng)用非常廣泛。VC6.0 包含了供用戶創(chuàng)建、調(diào)試、修改應(yīng)用程序等各種操作。

Visual C ++提供的MFC(Microsoft 基本類庫)，可供用戶采用完全面向?qū)ο蟮木幊谭椒ㄟM(jìn)行Windows 程序開發(fā)，大大縮短程序開發(fā)時間，減小程序設(shè)計人員的工作量。

Visual C++給用戶提供了豐富的開發(fā)環(huán)境，通過MFC 庫提供了完整的應(yīng)用程序開發(fā)骨架，開發(fā)人員可以忽略編程過程中的入口點和結(jié)束點，MFC 還提供了Document-View(文檔視圖)的應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員可以將數(shù)據(jù)保存在Document 類中，數(shù)據(jù)的顯示信息由View 類負(fù)責(zé)管理。由于Visual C ++靈活的編程環(huán)境和強(qiáng)大的功能支持，故深受程序開發(fā)人員的歡迎。

2 圖像處理

2.1 檢測系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

本文設(shè)計的視覺檢測系統(tǒng)由照明光源、CCD 攝像機(jī)、圖像采集卡、計算機(jī)以及輸入輸出設(shè)備組成。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。在工業(yè)檢測現(xiàn)場，視覺檢測系統(tǒng)不但要滿足檢測速度、檢測精度及檢測合格率等指標(biāo)，更重要的是系統(tǒng)穩(wěn)定性一定要好。具體的實現(xiàn)方法是首先將CCD 攝像機(jī)實時采集的發(fā)光二極管圖像通過采集卡存放到計算機(jī)內(nèi)存中，然后在VC 軟件開發(fā)環(huán)境下對圖像進(jìn)行灰度化處理，得到黑白圖像。由于工業(yè)檢測現(xiàn)場不可避免的有機(jī)械振動、電子干擾等影響，所以在處理器分析處理圖像之前，必須對圖像進(jìn)行預(yù)處理，即消除這些干擾對圖像的影響，使圖像盡量保持完整清晰信息，這樣才能保證檢測精度，然后通過檢測及計算得出臨界值。根據(jù)對比檢測過程中的明度值與臨界值判斷載帶是否有料。

圖1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 圖像采集與圖像預(yù)處理

圖像的采集是通過調(diào)用OK-C20A 圖像采集卡驅(qū)動程序中的讀取函數(shù)來完成。該圖像卡是基于PCI總線的彩色圖像采集卡，可實時傳送數(shù)字視頻信號到顯示存儲器或系統(tǒng)存儲器。數(shù)據(jù)的傳送過程由圖像卡控制，瞬時傳輸速度可達(dá)132 MB/s。

圖像預(yù)處理是在正式對圖像進(jìn)行處理前采取的一系列措施，因為在生產(chǎn)現(xiàn)場不可避免地會出現(xiàn)各種干擾，如編帶過程中的機(jī)械振動、電子設(shè)備的干擾、圖像傳輸過程等都會對圖像造成不同程度的影響，產(chǎn)生影響圖像質(zhì)量的各種噪聲。在檢測圖像的明度值之前必須采用合適的圖像增強(qiáng)方法消除各種噪聲。一些常見的噪聲有椒鹽噪聲、脈沖噪聲、高斯噪聲等。本系統(tǒng)在檢測過程中遇到的主要是黑白相間的亮暗點噪聲，即椒鹽噪聲。

非線性濾波算法既可消除噪聲又可保持圖像的細(xì)節(jié)，故采用中值濾波對貼片LED 圖像進(jìn)行預(yù)處理最為合適。中值濾波不但可以很好地消除椒鹽噪聲，而且可以很好地保存圖像的邊緣信息。圖2 為原始圖像，圖3 為中值濾波后的圖像?？梢钥闯?，圖像經(jīng)中值濾波后得到了明顯的改善。

圖2 原始圖像

圖3 中值濾波后圖像

2.3 圖像檢測區(qū)域的劃定

圖4 是分別經(jīng)過灰度化處理和中值濾波后的圖像，并且對載帶有料及無料情況下的區(qū)域進(jìn)行劃定。對這2 種圖像的明度值進(jìn)行大量檢測，并計算平均明度偏差值，進(jìn)而確定臨界值。

圖4 載帶里有料和無料時劃定的檢測區(qū)域

3 圖像位置補(bǔ)正

3.1 位置補(bǔ)正概述

在視覺檢測過程中如果被檢對象相對于原位置有了位移，即便是短距離的偏移，則檢測就無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，故對芯片的位置進(jìn)行補(bǔ)正是保證視覺檢測準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。

檢測過程中，如果可以檢測出基準(zhǔn)位置到當(dāng)前位置的偏移量，那么不管芯片發(fā)生短距離還是長距離的偏移，都可以進(jìn)行正確的檢測。

在視覺檢測過程中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的編帶機(jī)必然會使芯片發(fā)生偏移，正確地對芯片位置進(jìn)行補(bǔ)正是確保檢測準(zhǔn)確性的前提，芯片的偏移必然不是單一方向的，故在水平方向、垂直方向及偏轉(zhuǎn)角度上都要進(jìn)行位置補(bǔ)正。

3.2 位置補(bǔ)正的方案

采用二值化邊緣法對圖像進(jìn)行位置補(bǔ)正。二值化邊緣法將芯片圖像進(jìn)行二值化處理，通過掃描黑白像素點的方式確定圖像的邊緣，并確定邊緣的x/y 坐標(biāo)，以此坐標(biāo)為基準(zhǔn)位置，可以確定當(dāng)前位置到基準(zhǔn)位置的偏移量。

矩形被檢物與圓形被檢物檢出的邊緣如圖5 所示。

圖5 水平方向與垂直方向的邊緣檢測

檢測出芯片圖像的邊緣坐標(biāo)x/y 后，則可以計算出芯片當(dāng)前位置到基準(zhǔn)位置的像素數(shù)目，然后利用攝像機(jī)設(shè)定像素的大小與芯片實際尺寸的大小關(guān)系，計算芯片的偏移量。

3.3 偏移量的計算

偏移量的計算是位置補(bǔ)正的關(guān)鍵所在。計算前必須首先確定芯片的基準(zhǔn)位置，即芯片的x/y 坐標(biāo)，然后根據(jù)芯片當(dāng)前位置坐標(biāo)與基準(zhǔn)位置坐標(biāo)計算芯片偏移量。編帶機(jī)視覺檢測系統(tǒng)要能快速準(zhǔn)確地檢測芯片的各類缺陷，正確計算芯片當(dāng)前位置到基準(zhǔn)位置的偏移量至關(guān)重要。

偏移量計算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是基準(zhǔn)位置坐標(biāo)及當(dāng)前位置坐標(biāo)，故可通過坐標(biāo)系計算芯片水平、豎直及角度上的偏移量。坐標(biāo)系如圖6 所示。

圖6 偏移量計算坐標(biāo)系

設(shè)a，b，c，d，e，f 5 個點的坐標(biāo)及c，d 2 點到芯片上邊緣的垂直距離與e，f 2 點到芯片左邊緣的水平距離分別為(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)，(x5，y5)，h1，h2，w1，w2。

設(shè)被檢物的水平偏移量、垂直偏移量及偏轉(zhuǎn)角度分別為Δx，Δy，Δθ。根據(jù)檢測過程中芯片實際偏移情況及左邊緣補(bǔ)正窗口和上邊緣補(bǔ)正窗口可以簡化出如圖7 所示的2 個直角三角形。

圖7 直角三角形

計算的結(jié)果分別為:

4 明度值檢測結(jié)果

本文之所以采用明度檢測的算法判斷5050 型六角正面發(fā)光貼片LED 在編帶過程中是否有缺失，是經(jīng)過大量的反復(fù)試驗得出的，故抽檢10 個芯片樣本在載帶有料及無料情況下的明度值和明度偏差值。通過得到的10 組明度偏差值，可以確定臨界值的大小。利用該算法進(jìn)行缺失檢測，計算量小，維護(hù)方便，準(zhǔn)確率高，故在半導(dǎo)體企業(yè)視覺檢測系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。檢測的明度值及明度偏差值數(shù)據(jù)見表1。

表1 5050 型六角正面發(fā)光貼片LED 載帶有料和無料時檢測區(qū)域的明度值及偏差值

5 結(jié)束語

由表1 可以看出，載帶在有料和無料2 種情況下的明度偏差平均值為60.605，故臨界值選為60，即當(dāng)檢測區(qū)域明度值＞60 時，載帶有料，反之則載帶無料。

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