化學(xué)拋光設(shè)備視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 斌，林 晨，張 博，薛書亮

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

碲鋅鎘(Cadmium Zinc Telluride，CZT)是一種寬禁帶II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，光電特性優(yōu)異，是制備高性能HgCdTe紅外探測器的優(yōu)選外延襯底材料。隨著紅外探測器的不斷發(fā)展，對于制造紅外器件的最佳襯底材料——CZT晶片的尺寸及表面質(zhì)量要求越來越高[1，2]。化學(xué)拋光工藝是有效去除機(jī)械損傷及表面隱形缺陷的關(guān)鍵工藝，決定了CZT晶片的最終表面質(zhì)量。用于CZT襯底化學(xué)拋光工藝的化學(xué)拋光機(jī)屬于CZT襯底制備的關(guān)節(jié)環(huán)節(jié)設(shè)備，為了提高工作效率，實(shí)現(xiàn)多規(guī)格晶片的自動(dòng)上下料功能，設(shè)計(jì)一套兼容多規(guī)格晶片托盤識(shí)別功能的視覺檢測系統(tǒng)在全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)設(shè)備中至關(guān)重要。

1 需求分析

CZT晶片化學(xué)拋光工藝需通過晶片托盤的自重施加向下的外力并同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拋光來實(shí)現(xiàn)，工藝過程中需通過晶片托盤卡具配合，如圖1所示。

圖1 化學(xué)拋光卡具示意圖

CZT晶片尺寸分為75 mm（3英寸），100 mm（4英寸），150 mm（6英寸）三種規(guī)格，相應(yīng)的晶片托盤末端尺寸為φ88 mm、φ106 mm、φ160 mm；多種規(guī)格晶片卡具的頂端尺寸相同，便于視覺檢測。卡具與晶片尺寸的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 CTZ晶片尺寸與卡具尺寸的對應(yīng)關(guān)系

承載晶片托盤的拋光轉(zhuǎn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)3種規(guī)格晶片的拋光工藝，拋光臺(tái)面工位布局如圖2所示。

圖2 拋光盤工位布局

在化學(xué)拋光前，需對未承載晶片托盤的工位進(jìn)行視覺識(shí)別，確定工位規(guī)格及工位位置信息，用于機(jī)器人將托盤放置于工位；在化學(xué)拋光后，需對工位中承載的晶片托盤進(jìn)行視覺識(shí)別，確定晶片托盤規(guī)格及位置信息，用于機(jī)器人將托盤從工位中取出。由此可分析，本視覺識(shí)別系統(tǒng)需具備如下功能：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)相機(jī)像素坐標(biāo)系與拋光盤坐標(biāo)系之間的校準(zhǔn)；

（2）通過圖像識(shí)別分析，獲得卡具中心在拋光盤坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（X，Y）等數(shù)據(jù)信息；

（3）通過數(shù)據(jù)傳遞，將數(shù)據(jù)信息交互給主控單元，傳遞至機(jī)器人控制器。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由3部分組成，即：主控單元、視覺旋轉(zhuǎn)單元及視覺檢測系統(tǒng)單元，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 主控單元

主控單元能夠?qū)崿F(xiàn)對視覺旋轉(zhuǎn)單元的運(yùn)動(dòng)控制功能，控制方式采用EtherCAT總線方式，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對比傳統(tǒng)脈沖控制方式，接線更加簡潔，驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)的獲取更加靈活。

主控單元通過EtherCAT總線方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對視覺控制檢測單元的遠(yuǎn)程命令控制，并能實(shí)時(shí)采集視覺檢測單元識(shí)別的信息數(shù)據(jù)。

2.2 視覺旋轉(zhuǎn)及檢測單元

視覺系統(tǒng)的相機(jī)及光源通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與步進(jìn)電機(jī)精密連接，通過對步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度控制，實(shí)現(xiàn)在拋光盤上方各工位視覺識(shí)別視場的切換。相機(jī)及光源所處的旋轉(zhuǎn)平面與拋光盤旋轉(zhuǎn)的平面在設(shè)計(jì)與實(shí)際安裝時(shí)保持平行，這是視覺系統(tǒng)采集圖像，以及后續(xù)圖像分析的硬件基礎(chǔ)。

3 視覺旋轉(zhuǎn)及識(shí)別單元設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中相機(jī)與光源保持同軸安裝，通過高精度旋轉(zhuǎn)控制，切換拍攝視場，滿足多視場區(qū)域中多規(guī)格晶片托盤及工位的識(shí)別，如圖4所示。

圖4 視覺旋轉(zhuǎn)及識(shí)別單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 相機(jī)選擇

在任意成像系統(tǒng)中，相機(jī)始終起著至關(guān)重要的作用。一個(gè)穩(wěn)定性好、采圖質(zhì)量優(yōu)良、參數(shù)合適的相機(jī)可以為后期圖像處理打下良好的基礎(chǔ)[3]。通常視覺系統(tǒng)相機(jī)選擇流程如圖5所示。

圖5 視覺系統(tǒng)相機(jī)選擇流程

（1）相機(jī)類型選擇。相機(jī)可分為面陣相機(jī)與線陣相機(jī)。面陣相機(jī)適用于小幅面目標(biāo)一次成像。通過對視場，識(shí)別目標(biāo)等因素的分析，本系統(tǒng)需要進(jìn)行小幅面一次成像，由此選擇面陣相機(jī)。

（2）分辨率選擇。工業(yè)相機(jī)的分辨率是相機(jī)最基本的參數(shù)之一，在同一平面內(nèi)成像面積固定的情況下分辨率越高，圖像中可用的細(xì)節(jié)越多，圖像分辨能力越強(qiáng)。為了能夠?qū)ε臄z后的圖像進(jìn)行后續(xù)處理，相機(jī)的分辨率一定要大于實(shí)際檢測要求的分辨率。假定D為視場幅面最大尺寸，V為相機(jī)短邊方向分辨率，C為檢測精度，K為像素因子，則可估算：

假定用K=3個(gè)像素代表一個(gè)最小精度，估算短邊方向分辨率約為1 200 pix。

（3）傳感器類型選擇。相機(jī)芯片主要有CCD和CMOS兩類，由于CCD相比于CMOS有成像效果好，分辨率高、噪聲低等優(yōu)勢，但價(jià)格相比CMOS稍高，本系統(tǒng)選擇CCD相機(jī)。

（4）相機(jī)幀率。幀率是指相機(jī)采集傳輸圖像的速度，本系統(tǒng)不要求單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次拍攝，不過本系統(tǒng)拍攝的是運(yùn)動(dòng)物體，要求單次拍攝圖像的讀取時(shí)間盡量小，假設(shè)圖像讀取時(shí)間t圖像讀?。╩s），圖像讀取幀速率fps（幀/s），則幀率計(jì)算式為：

通過估算，選擇30 fps相機(jī)幀率。

（5）接口類型選擇。工業(yè)相機(jī)常見的接口有USB3.0、Camera Link和千兆以太網(wǎng)（GigE）等。這幾種傳輸方式都適用于本系統(tǒng)，結(jié)合相機(jī)品牌等實(shí)際情況，選擇Camera Link。

綜合以上因素，選擇1 600（H）×1 200（V）像素，30 fps，Camera Link接口，彩色CCD相機(jī)，芯片尺寸為45 mm。

3.3 鏡頭選擇

鏡頭選型是視覺成像系統(tǒng)搭建過程中非常重要的一環(huán)，需要結(jié)合焦距（f）、工作距離（DW）、景深、視野(SFOV)、相機(jī)靶面尺寸(SS)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選擇。鏡頭選型的流程如圖6所示。

圖6 視覺系統(tǒng)鏡頭選擇流程

結(jié)合相機(jī)靶面尺寸（SS）與視野SFOV大小比例，倍率β可根據(jù)以下計(jì)算式估算：

由倍率β與工作距離DW，焦距f可根據(jù)如下公式估算：

通過如上計(jì)算，選擇25 mm焦距的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。

3.4 光源選型

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，光源的作用是突出被測物中需要提取的特征，合適的光源是機(jī)器視覺系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，它決定著能否順利的對圖像進(jìn)行后續(xù)的處理。

光源選擇主要依據(jù)光源材質(zhì)、光源顏色、照射高度，照射面積，照射強(qiáng)度等參數(shù)。本系統(tǒng)屬于明場照明，拍攝距離高，為突出拋光盤中工位的輪廓，減少環(huán)境光干擾，選擇高角度環(huán)形光源，通過漫反射方式照亮被檢測區(qū)域。環(huán)形光源示意如圖7所示。

圖7 環(huán)形光源示意圖

4 視覺檢測程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

首先為視覺識(shí)別中一些特定名詞作出如下定義：

（1）場景組：拋光盤上3個(gè)待識(shí)別的工位；

（2）場景：各工位待識(shí)別的3種規(guī)格晶片托盤；

（3）場景校準(zhǔn)：各場景組的像素坐標(biāo)系與拋光盤坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，采用多點(diǎn)校準(zhǔn)方法，通過在視場中三個(gè)以上不在同一條直線上點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換；

（4）場景檢測程序：進(jìn)行圖像分析，獲得工位有料、中心坐標(biāo)、檢測完成等數(shù)據(jù)；

（5）數(shù)據(jù)輸出：通過EtherCAT進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果輸出。

本視覺識(shí)別程序主要包括如下3個(gè)流程：

視覺檢測場景切換流程（包含檢測場景確認(rèn)流程及檢測場景切換子流程）；

視覺檢測及數(shù)據(jù)輸出流程；

視覺檢測算法流程。

視覺識(shí)別場景確認(rèn)流程如圖8所示，視覺識(shí)別場景切換流程如圖9所示。

圖8 視覺識(shí)別場景確認(rèn)流程

圖9 視覺識(shí)別場景切換流程

視覺識(shí)別及數(shù)據(jù)輸出流程如圖10所示。

圖10 視覺識(shí)別及數(shù)據(jù)輸出流程

圖11 視覺識(shí)別模塊流程

視覺識(shí)別程序模塊主要包含圖像輸入、顏色灰度過濾、測量前處理（背景消除、邊緣提取）、校準(zhǔn)值參照、形狀搜索、結(jié)果顯示、圓形掃描邊緣位置、EC圓搜索、EtherCAT數(shù)據(jù)輸出等子程序模塊。檢測程序流程如圖11所示。

5 結(jié)束語

通過對化學(xué)拋光工藝原理及需求的分析，介紹了碲鋅鎘晶片化學(xué)拋光設(shè)備視覺識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成及各單元的主要功能，詳細(xì)描述了視覺旋轉(zhuǎn)及檢測單元的程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各檢測場景切換，并對場景中偏心旋轉(zhuǎn)的晶片托盤進(jìn)行識(shí)別，得到識(shí)別數(shù)據(jù)，并通過主控單元與視覺檢測單元進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，完成識(shí)別數(shù)據(jù)傳遞。