太陽(yáng)能硅片絲網(wǎng)印刷視覺(jué)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 分類號(hào) 學(xué)號(hào)M200970311學(xué)校代碼10487 密級(jí)碩士學(xué)位論文 太陽(yáng)能硅片絲網(wǎng)印刷 視覺(jué)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 位 申 請(qǐng) 人 : 梁若 學(xué)科專業(yè): 機(jī)械電子工程 指導(dǎo)教師: 尹周平 教授 李文龍 講師 答辯日期: 2012 年 1 月 11 日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Study of Alignment System for Solar Wafer Screen Printing based on Machi

2、ne VisionCandidate : Liang Ruo Major : Mechanical and Electronic Engineering Supervisor : ProfessorYin Zhouping Lect Li Wenlong Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China January, 2012獨(dú)創(chuàng)性 聲明 本人聲明所 呈交的學(xué)位 論文是我個(gè) 人在導(dǎo)師指 導(dǎo)下進(jìn)行的 研究工作及 取得的研究成果。盡 我所知,除 文中已經(jīng)標(biāo) 明引用的內(nèi) 容外,本論 文不包

3、含任 何其他個(gè)人 或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò) 的研究成果 。對(duì)本文的 研究做出貢 獻(xiàn)的個(gè)人和 集體,均已 在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名:日期: 年 月 日學(xué)位論 文版權(quán) 使用授 權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文 作者完全了 解學(xué)校有關(guān) 保留、使用 學(xué)位論文的 規(guī)定,即: 學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件 和電子版, 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華 中科技大學(xué) 可以將本學(xué) 位論文的全 部或部分內(nèi) 容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行 檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密,在年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 本論文屬于 不保密。請(qǐng)?jiān)谝?/p>

4、上方框內(nèi)打“”學(xué)位論文作者簽名: 指導(dǎo)教師簽名: 日期: 年 月 日日期: 年月華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文摘 要 隨著能源危機(jī)不斷告急, 太陽(yáng)能作為 一種最具潛力的新能源, 有著廣闊的市場(chǎng)和良好 的應(yīng)用前景, 其中 太陽(yáng)能硅片絲網(wǎng)印刷 成套裝備, 決定了太陽(yáng)能硅片 絲網(wǎng)印刷生產(chǎn)效率和 印刷質(zhì)量。 本文 以太陽(yáng)能絲網(wǎng) 印刷裝備對(duì)準(zhǔn)部件為主要對(duì)象, 設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng), 提出了基于隨機(jī) Hough 變換的硅片定位及基于圓心檢測(cè)的絲網(wǎng)定位算法,實(shí)現(xiàn) 了太陽(yáng)能硅片絲網(wǎng)印刷高精度自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。 針對(duì)太陽(yáng)能絲網(wǎng)印刷對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的 高精度、 高效率功能需求, 分析 了絲網(wǎng)印刷工藝流程,

5、設(shè)計(jì) 了自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)(包括機(jī)械硬件與視覺(jué)硬件),完成了視覺(jué)系統(tǒng) CCD 硬件選型與照明系統(tǒng)低角度環(huán)形光源選型,并建立了 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng) UVW 糾偏機(jī) 構(gòu) 誤差映射模型,推導(dǎo)出 絲網(wǎng)印刷過(guò)程位置偏差和電機(jī) 進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。 針對(duì)對(duì)準(zhǔn)視覺(jué)系統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定適應(yīng)性差的問(wèn)題, 使用 八鄰域輪廓跟 蹤算法和 Mil 軟件模塊,系統(tǒng)的研究了圓點(diǎn)陣列標(biāo)定、靶面圓點(diǎn)輪廓提取 與中心定位 等單相機(jī)標(biāo)定算法,使用 斜率和距離閾值限制方法,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定板在任意狀態(tài)下 行列坐標(biāo)排序 和自動(dòng)標(biāo)定,并 研究了多相機(jī)坐標(biāo)系的角度與距離標(biāo)定,為基于圓心檢測(cè)的絲網(wǎng)定位提供 基礎(chǔ)。 針對(duì)傳統(tǒng) Hough 變換計(jì)算復(fù)雜、 存儲(chǔ)空間大的問(wèn)題,

6、 結(jié)合硅片 邊緣細(xì)節(jié)特征, 提 出了三種改進(jìn) 隨機(jī) Hough 變換算法, 對(duì)硅片邊緣進(jìn)行 直線擬合和定位 檢測(cè), 包括: 使用金字塔分層 和隔行分塊抽樣, 減少特征點(diǎn)計(jì)算; 提出一種十字形擬梯度 方向計(jì)算模板, 對(duì)同一直線特征點(diǎn) 歸類,減少冗余計(jì)算; 采用最小二乘法實(shí)現(xiàn)基于直線檢測(cè)的硅片定位 ,提高精度 。并實(shí)現(xiàn)基于圓心檢測(cè)絲網(wǎng)定位,完成硅片絲網(wǎng)視覺(jué)整體對(duì)準(zhǔn)。 對(duì)本文設(shè)計(jì)的視覺(jué)定位系統(tǒng)和提出的檢測(cè)算法進(jìn)行了性能測(cè)試, 結(jié)果表明: 相機(jī)標(biāo)定 誤 差 范 圍±2m , 圓 心 定 位 平 均 精 度 8m , 硅 片 定 位 直 線 檢 測(cè) 精 度±15m,處理時(shí)間20ms

7、以內(nèi), 有效提高了 系統(tǒng) 的 精度 和 效 率 ,滿 足 太 陽(yáng) 能絲 網(wǎng) 印 刷 的視覺(jué)定位 精度和效率 要求,現(xiàn)已成功應(yīng)用到實(shí)際的太陽(yáng)能硅片 絲網(wǎng)印刷裝備中。關(guān)鍵詞: 太 陽(yáng)能 絲網(wǎng)印刷 視覺(jué)對(duì)準(zhǔn) 直線檢測(cè) 隨機(jī)霍夫變換 圓心定位 擬梯度 方向模板 I 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文Abstracted Solar energy which is the most important new energy has a broad market while the energy crisis is in an emergency. The solar wafer screen

8、 printing equipment determines the production key issues such as production efficiency and printing quality. The alignment system of wafer and screen is a critical subsystem. This paper designs an vision-base automatic alignment system, studies the line detection algorithm based on Randomized Hough

9、Transform RHT to locate wafer, and the circle detection algorithm to locate screenA high precision and efficiency alignment system based on vision is designed combining the characteristics of the wafer and screen after analyzing the screen printing process and the requirements of alignment system. T

10、he line detection and circle test algorithm are proposed to locate the wafer and the screen. The kinematics solutions of a plane parallel mechanism named UVW platform is deduced to correct the deviation between wafer and screen . Eight neighborhood tracking algorithm combining ellipse fitted with th

11、e least-squares method is proposed to extract circle outline for circle location, and the 2D disorder circle array coordinates are sorted by limiting the distance and slope of coordinates, which is used for camera calibration and improves its adaptability. The relationship between the left and right

12、 sub-cameras is calibrated based on circle location algorithmThe RHT algorithm is studied to detect the wafer edge line which costs too much time and space. 3 optimization methods are proposed to solve these problems. The hierarchical pyramid image and interlaced block sampling strategy is used to r

13、educe the edge points; the concept of imitative gradient direction is proposed to classify the edge points; and fitting line with least-squares method improves the detection accuracy. At last, the screen is located with circle detection and the algorithm flow of alignment system is describedIn the e

14、nd of this paper, performance indicators of alignment system are tested. The experiment results prove that calibration accuracy is up to ±2 m and circle location accuracy is 10 m. The accuracy of the line detection is 30 m and the time is 20 ms in most of the conditions, which meets the product

15、ion requirements. The vision-base alignment system has been applied in the solar wafer screen printing equipment Keywords: Solar Wafer Screen Printing, Vision-base Alignment System, Line Detection, Circle Location, Randomized Hough Transform, Imitative Gradient Direction II 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文目錄

16、 摘 要I Abstracted II 1 緒論1.1 課題 來(lái)源. 1 1.2 課題 背景及意 義. 1 1.3 國(guó)內(nèi) 外研究現(xiàn) 狀. 2 1.4 本文 研究?jī)?nèi)容 及組織結(jié) 構(gòu)8 2 自 動(dòng) 對(duì) 準(zhǔn) 系 統(tǒng) 分 析 及 設(shè) 計(jì) 2.1 對(duì)準(zhǔn) 系統(tǒng)功能 需求分析10 2.2 自動(dòng) 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng) 硬件框架 設(shè)計(jì).11 2.3 視覺(jué) 系統(tǒng)硬件 選型. 14 2.4 對(duì)準(zhǔn) 系統(tǒng) UVW 糾偏 18 2.5 本章 小結(jié)21 3 視 覺(jué) 對(duì) 準(zhǔn) 系 統(tǒng) 坐 標(biāo) 系 標(biāo) 定 3.1 引言 22 3.2 單相 機(jī)標(biāo)定 22 3.3 雙相 機(jī)坐標(biāo)系 關(guān)系標(biāo)定31 3.4 本章 小結(jié). 33 III 華 中 科 技

17、 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文4 硅 片 絲 網(wǎng) 視 覺(jué) 定 位 自 動(dòng) 對(duì) 準(zhǔn) 4.1 Hough 變換算 法及處理 流程 34 4.2 Hough 變換直 線檢測(cè)改 進(jìn)算法39 4.3 硅片 絲網(wǎng)視覺(jué) 對(duì)準(zhǔn)算法 實(shí)現(xiàn) 44 4.4 本章 小結(jié)47 5 硅 片 絲 網(wǎng) 對(duì) 準(zhǔn) 定 位 實(shí) 驗(yàn) 分 析 5.1 絲網(wǎng) 圓心定位 算法精度 測(cè)試 48 5.2 硅片 直線檢測(cè) 精度測(cè)試. 50 5.3 硅片 直線檢測(cè) 優(yōu)化性能 測(cè)試54 5.4 本章 小結(jié). 57 6 總 結(jié) 展 望 6.1 總結(jié) 58 6.2 展望 58 致 謝60 參 考 文 獻(xiàn)61 附錄: 學(xué) 位 期 間 發(fā) 表 學(xué) 術(shù) 論

18、 文 目 錄64IV 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文1 緒論 1.1 課題來(lái)源 本學(xué)位論文得到以下項(xiàng)目的資助: 國(guó) 家 自 然 科 學(xué) 基 金 重 點(diǎn) 項(xiàng) 目 : “ 大 型 復(fù) 雜 曲 面 零 件 的 數(shù) 字 化 設(shè) 計(jì)- 加工- 測(cè)量一體化理論與技術(shù)”,批準(zhǔn)號(hào):50835004; 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目: “高密度倒裝鍵合中多物理量協(xié)同控制機(jī)制與實(shí)現(xiàn)”,批準(zhǔn)號(hào):2009CB724204; 國(guó)家科技重大專項(xiàng):“IC 封裝關(guān)鍵技術(shù)與部件”,批準(zhǔn)號(hào):2009ZX02021-004; 青 年 科 學(xué) 基 金 項(xiàng) 目 : 三 維 空 間 各 向 異 性 測(cè) 量 點(diǎn) 云 非

19、 剛 性 拼 合 理 論 方 法 , 項(xiàng) 目 批準(zhǔn)號(hào):5110515。 1.2 課題背景及意義 當(dāng)電力、 煤炭、 石 油 等 不 可 再 生 能源頻 頻 告 急 , 能 源 問(wèn) 題 日 益 成 為 制 約 國(guó) 際 社 會(huì)經(jīng) 濟(jì) 發(fā) 展 的 瓶 頸 , 新 能 源 的 發(fā) 展 已 經(jīng) 成 為 當(dāng) 今 世 界 的 共 同 主 題 。 據(jù)統(tǒng)計(jì) , 目前 石油儲(chǔ)量只能維持 40 年, 而天然氣將在 60 年內(nèi)用光。 因此, 大力發(fā)展新能源是極其緊迫的,1 其中,太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物則是目前最為看好的三大新能源品種 。預(yù)計(jì)到 2040 年,可再生能源將占總 能耗的 50% 以上, 太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力

20、的 20% 以上, 太陽(yáng)能存2在巨大的發(fā)展空間 。 太陽(yáng)能行業(yè)中, 太陽(yáng)能 硅片電池的生產(chǎn)是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié), 其主要生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)如圖 1.1 ,其中生產(chǎn) 減反射膜之 前為前道硅 片的生產(chǎn)工 藝,之后為 硅片的電路 印刷工藝,后道工序中有三個(gè)印刷電路工序,其為太陽(yáng)能 硅片生產(chǎn)的很重要的 一部分。 硅 片 清 洗 擴(kuò) 散 刻 蝕 生 長(zhǎng) 減 反 射 膜印 刷 正 銀 烘 干 印 刷 背 銀 烘 干 印 刷 背 銀燒 結(jié) 測(cè) 試圖 1.1 硅片電池生產(chǎn)主要工序 絲網(wǎng)印刷, 就是在絲網(wǎng)上設(shè)計(jì)一定圖案的電路, 通過(guò)對(duì)齊絲網(wǎng)與硅片后, 把電路印刷在硅片上。 目前制約著太陽(yáng)能發(fā)展主 要有兩個(gè)因素: 太陽(yáng)

21、能電池轉(zhuǎn)換效率低 以及生產(chǎn)1 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文效率 低。 目前一條生產(chǎn)線一般每小時(shí)生產(chǎn) 1200 個(gè)1400 個(gè)硅片, 而業(yè)界希望 提升到 2400個(gè)硅片/ 小時(shí);平均轉(zhuǎn)化效率希望可以 由目前的 15% 提 高到 20% 以上 ,這也正是絲網(wǎng)印3 4刷設(shè)備中需要解決的問(wèn)題 。而 電池 表面的電路會(huì)阻擋一部分的陽(yáng)光,降低了能量轉(zhuǎn)換效率, 絲網(wǎng)印刷影響著轉(zhuǎn)換效率的高低。 為 了 提 高 其 轉(zhuǎn) 換 效 率 , 就 要 盡 量 將 導(dǎo) 線 做 窄 , 現(xiàn)在 導(dǎo) 線 寬 度 一 般 標(biāo) 準(zhǔn) 為 80m 到5100m , 這 要求 硅 片 和 絲 網(wǎng) 可 以 實(shí) 現(xiàn) 高 精

22、 度 對(duì) 準(zhǔn) 。 為 了 進(jìn) 一 步 提 高 轉(zhuǎn) 換 效 率 , 提 出 了3雙重印刷的工藝 ,先印上第一層 導(dǎo)線,為了保證導(dǎo)電性能,增加導(dǎo)線高度 ,需要在第一層導(dǎo)線上再印上第二層導(dǎo)線, 使得 導(dǎo)線寬度由 80m 降到 30m , 這要求更高精度的對(duì)準(zhǔn) , 雙重印刷最關(guān)鍵的技術(shù), 就是硅片與絲網(wǎng)的 高精度對(duì)準(zhǔn), 需要針 對(duì)絲網(wǎng)印刷的高精度自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行研究。 絲網(wǎng)和硅片的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是 太陽(yáng)能印刷設(shè)備中最核心的部件, 目前 國(guó)內(nèi)很少有 廠家可以獨(dú)立設(shè)計(jì)出高性能的太陽(yáng)能電池硅片的生產(chǎn)線 , 絕大部分廠家都只是通過(guò)購(gòu)買(mǎi) 國(guó)外 設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)加工,沒(méi)有核心技術(shù)。 因此,研究硅片和絲網(wǎng)的 高精度視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系

23、統(tǒng),在太陽(yáng)能裝備開(kāi)發(fā)中有著重要意義 。 1.3 國(guó) 內(nèi) 外 研 究 現(xiàn) 狀 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中 主要結(jié)合機(jī) 械對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行設(shè)計(jì), 為了實(shí)現(xiàn)高 精度對(duì)準(zhǔn), 目前大多采 用機(jī)器視覺(jué)圖像處理的對(duì)準(zhǔn)方式, 其一般包括機(jī)器視覺(jué)硬件系統(tǒng)以及圖像處理兩部分。 太陽(yáng)能硅片絲網(wǎng)印刷中, 通過(guò)圖像處理實(shí)現(xiàn)硅片和絲網(wǎng)的定位, 提取 硅片的邊緣特征和絲網(wǎng)的 mark 標(biāo)記來(lái)完成對(duì)準(zhǔn)。 1.3.1 對(duì)準(zhǔn) 系 統(tǒng) 發(fā) 展 現(xiàn)狀多 對(duì) 象 自 動(dòng) 對(duì) 準(zhǔn) 系 統(tǒng) , 不僅 是 絲 網(wǎng) 印 刷 裝 備 的 一 個(gè) 關(guān) 鍵 部件, 其 在 電 子 封 裝 、IC制造, 如貼片機(jī), 光刻機(jī), 引線鍵合機(jī)等都有著重要作用, 直接影響到了

24、裝備的生產(chǎn) 效率及最后的加工生產(chǎn)精度, 是效率和質(zhì)量的關(guān)鍵保證。 目前在高精度高效率的生產(chǎn)場(chǎng)合中, 對(duì)準(zhǔn)系 統(tǒng)一般結(jié)合機(jī)器視覺(jué)圖像處理來(lái)實(shí)現(xiàn), 因?yàn)槭褂脠D像處理方式, 可以實(shí)現(xiàn)高精度的對(duì)位要求,同時(shí)也更加智能化和自動(dòng)化。 德國(guó) Karl Suss 公司開(kāi)發(fā)的 FC-150、FC-250 貼片機(jī), 其設(shè)計(jì)了兩套光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)6 7芯片和基板的對(duì)準(zhǔn) 。一套視覺(jué)系統(tǒng),用于觀察芯片和基底的重合程度,其通過(guò)一個(gè)分光鏡,把芯片和基底通知在張圖像內(nèi)成像,通 過(guò)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的定位,實(shí)現(xiàn)二者的重合;另外一套視覺(jué)系統(tǒng), 主要是 把發(fā)光二極管的平面以及基底所在平面 調(diào)平行。 最終實(shí)現(xiàn) X 、6 7Y 精度可達(dá) 1 微米

25、,角度 2 微弧度 。2 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文英國(guó)德可公司的 PV1200 太陽(yáng)能硅片絲網(wǎng)印刷生產(chǎn)線, 其對(duì)準(zhǔn)定位精度達(dá)到 12m ,其生產(chǎn)效率 1200 片每小時(shí), 最近 研發(fā)的 PV3000 的太陽(yáng)能硅片生產(chǎn)線, 能夠?qū)崿F(xiàn) 25m的多層印刷工藝,效率達(dá)到 3000 片每小時(shí)。 美國(guó)應(yīng)用材料公司(AMAT ) 在 Baccini 平臺(tái) 上,研發(fā)出 PEGASO 絲網(wǎng)印刷 機(jī),該架構(gòu)具有雙打印頭, 提高了生產(chǎn)效 率, 在晶圓的生產(chǎn)過(guò)程中可以調(diào)整參數(shù)設(shè)置, 提高自動(dòng)化程度,并且使用機(jī)器視覺(jué)圖像處理對(duì)準(zhǔn)技術(shù),實(shí)現(xiàn) 8m 視覺(jué)對(duì) 準(zhǔn)精度 ,如圖 1.2在 國(guó) 內(nèi) , 也 有

26、 部 分 高 校 和 研 究 所 開(kāi) 始 研 究 視 覺(jué) 對(duì) 準(zhǔn) 系 統(tǒng) 。 上海大學(xué) 武 忠 祥 研究了8視覺(jué)引 導(dǎo) 的對(duì) 準(zhǔn) 系 統(tǒng) , 小 波 變 換方 式 進(jìn) 行 標(biāo)記 定 位 ,UVW 并 聯(lián) 機(jī) 構(gòu) 對(duì) 準(zhǔn) 方式 提 高 調(diào)整精度和效率。 中國(guó)電子科技集團(tuán) 45 所張文等,研究了太陽(yáng)能印刷過(guò)程中,硅片自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法, 通過(guò)使用 3 個(gè)相機(jī)建立一套機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng),結(jié)合電機(jī)運(yùn)動(dòng)和圖像 mark處理定位, 建立起電機(jī)坐標(biāo)系, 相機(jī)坐標(biāo)系, 絲網(wǎng)坐標(biāo)系等系統(tǒng)內(nèi)部坐標(biāo)系關(guān)系, 并 對(duì)9他們的誤差進(jìn)行了分析 。大連理工大學(xué)孔祥吉 在針對(duì)硅片與對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中提出 以線陣 相10機(jī)為基礎(chǔ) , 通過(guò)背光

27、投影成像, 檢測(cè)硅片缺口, 實(shí)現(xiàn)硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn) 。 華中科技大學(xué)夏其、史鐵林等針對(duì)貼片機(jī)應(yīng)用, 通過(guò)使用 分光鏡設(shè)計(jì)光路成像, 實(shí)現(xiàn)一個(gè)相機(jī)對(duì)基底和芯片的同時(shí)成像, 通過(guò)對(duì) mark 標(biāo)記點(diǎn) 點(diǎn)模式匹配 方法, 實(shí)現(xiàn)了亞像素精度的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng),如圖111.2 所示 。 汕頭大學(xué)的沈奕等研究了 LCD 基板視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)的組成、 標(biāo)定及實(shí)現(xiàn)原理,通過(guò)設(shè)計(jì)兩套互相獨(dú)立的視覺(jué)系統(tǒng), 對(duì) LCD 基 板及絲網(wǎng)的 mark 標(biāo)記進(jìn)行定位, 獲得兩者12 13偏差,通過(guò)三維移動(dòng)平臺(tái) 及步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn) LCD 和絲網(wǎng)的對(duì)準(zhǔn)及糾偏 。圖 1.2 Baccini 絲網(wǎng)印刷機(jī) 3 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位

28、 論 文1.3.2 機(jī) 器 視 覺(jué) 系 統(tǒng) 概述目前,大部 分行業(yè),包 括自動(dòng)化、 制藥、造紙 等等都依靠 機(jī)器視覺(jué)系 統(tǒng)檢測(cè)產(chǎn) 品以提高產(chǎn)品質(zhì)量, 據(jù)估計(jì), 在未來(lái)的 20 年到 50 年, 機(jī)器視覺(jué)將成為橫跨所有行業(yè)的通用性技術(shù)。 使用機(jī)器視覺(jué)主要有以下幾方面的優(yōu)勢(shì):高精度,高效率以及高度自動(dòng)化。 基于 PC 機(jī) 的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng) 一般有以下幾部分構(gòu)成,如 圖 1.3 。 1 相機(jī)與鏡頭:成像器件,對(duì)物體進(jìn)行采圖成像; 2 光源:輔助成像器件,對(duì)物體照明,改善成像。 3 傳感器:輔助測(cè)量,判斷被測(cè)對(duì)象的位置和狀態(tài); 4 圖像采集卡:將圖像按一定格式傳輸; 5 PC 平臺(tái): 進(jìn)行圖像處理及各種

29、邏輯控制等 。 6 視覺(jué)處理軟件:完成各種圖像處理的軟件算法 。 7 控制單元:完成圖像處理后,進(jìn)行各種執(zhí)行 操作。圖 1.3 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)框架 視覺(jué)系統(tǒng)一般包含幾部分: 光路部分, 照明部分, 圖像采集部分, 及圖像處理軟件。 照明部分, 主要指通過(guò)各種輔助光源進(jìn)行打光照明, 改善采圖質(zhì)量, 根據(jù)光源種類,一般有白熾燈、 鹵鎢燈、 熒光燈高壓汞燈 、LED 光源等 。 照明方式 , 按方向可分 背向照14 15 16明和前向照明 ,形式 可分 暗場(chǎng)照明,明場(chǎng)照明等 ,主要照明方式如 圖 1.4 所示 。 光學(xué)部分主 要是 光路和 鏡頭等設(shè)計(jì) ,通過(guò)光路 的設(shè)計(jì),對(duì) 物體進(jìn)行成 像 ,使用了

30、分光鏡,實(shí)現(xiàn)了不同位置的物體在同一個(gè)視野內(nèi)成像;scanner 公司, 使 用了 4 個(gè)平面鏡實(shí)現(xiàn)了小視野大范圍的測(cè)量,并把三維測(cè)量轉(zhuǎn)換成了二 維測(cè)量,如 圖 1.5。鏡頭可按視角分為:標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭和遠(yuǎn)攝鏡頭,或者按焦距分為定焦鏡頭,變焦變倍鏡頭等 ,根據(jù)需要進(jìn)行選擇。4 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文相 機(jī)相機(jī)光源光源擴(kuò) 散板 a 直前光照 明 b 擴(kuò)散光 照明 相 機(jī)相機(jī)光源單向透視玻璃光源 c 背光照明 d 軸線光 照明 圖 1.4 各種照明光路4 面 反 射 鏡 (a)三維管腳檢測(cè)裝置 (b)多平面鏡成像 圖1.5 scanner 多平面鏡成像檢測(cè)裝置 圖像采集,

31、 主要是指采 集卡配合相 機(jī) 對(duì)物體進(jìn) 行拍照采圖 ,相機(jī)種類 有按掃描方 式有線陣相機(jī)、 面陣相機(jī), 按芯片種類有 CCD 、CMOS , 按接口類型有數(shù)字相機(jī)、 模擬相機(jī)等。相機(jī)采集到信號(hào)后, 由采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或者格式轉(zhuǎn)換。 5 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文軟件系統(tǒng), 主要指各種 圖像處理軟 件, 一般有 圖像的形態(tài) 學(xué)處理,標(biāo) 記匹配定位 ,幾何尺寸測(cè)量等各種算法,目前 也有 成熟的圖像處理商業(yè)軟件包, 如德國(guó) MVTec 公司17 18的 HALCON , 比利時(shí) euresys 公司開(kāi)發(fā) eVision , 加拿大 matrox 公司的 Matrox image

32、 library , 美 國(guó)的 Cognex 等, 在工業(yè)上都等到了廣泛應(yīng)用 , 在國(guó)內(nèi), 還很少有獨(dú)立和成熟的圖像處理軟件包 。 但不同圖像有不同特征, 通用的 軟件包算法, 往往達(dá)不到最佳的效果, 甚至不能夠滿足 要求, 并且商業(yè)軟件包, 其 算法都不對(duì)外開(kāi)發(fā), 沒(méi)辦法根據(jù)自己 的要求做修改 , 而且價(jià)格昂貴。 因此 針對(duì)特定應(yīng)用, 開(kāi)發(fā)出特定的圖像處理 算法, 會(huì)達(dá) 到更好的效果 。 1.3.3 直 線 檢 測(cè) 與 標(biāo)定算法 研 究 進(jìn)展 圖像信息, 就是對(duì)圖像 進(jìn)行離散化 , 然后用不 同的數(shù)值來(lái) 表示,對(duì)圖 像處理,就 是針對(duì) 其數(shù)值化信息, 根據(jù)圖像特點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算處理。 視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

33、中, 主要通過(guò)圖像處理實(shí)現(xiàn)硅片和絲網(wǎng)的定位, 其核心算法主要是對(duì)硅片的邊緣特征提取, 進(jìn)行直線擬合定位硅片,以及基于圓心定位的絲網(wǎng)定位;同時(shí)還要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)偏差糾正。 攝像機(jī)標(biāo)定 是圖像處理 基礎(chǔ) ,其建 立了圖像坐 標(biāo)與實(shí)際 物 理坐標(biāo)之間 的關(guān)系,并 完成了視覺(jué)成像系統(tǒng)之間的畸變。 其主要標(biāo)定 兩部分的參數(shù): 內(nèi)參數(shù), 即相機(jī)坐標(biāo)系與物19理坐標(biāo)系的關(guān)系;外參數(shù),即相機(jī)在物理坐標(biāo)系的位置和方向 。 傳統(tǒng)的攝像 機(jī)標(biāo)定算法 ,在一定攝 像機(jī)模型下 ,利用一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)參考物 與圖像之間 的關(guān)系, 進(jìn)行標(biāo)定 。A bdel-A ziz 和 Karara 提出 的直接線性變換方法, 在不考慮

34、鏡頭等畸20變 的 情 況 下 , 通 過(guò) 直 接 解 線 性 方 程 進(jìn) 行 標(biāo) 定 , 但 是 精 度 有 限 。Faig 提 使 用 針 孔 攝 像21機(jī)模型的共面約束條件,設(shè)計(jì)了至少 17 個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行標(biāo)定,計(jì)算量非常大 。Tsai 提22出的 基于徑向約束的兩步法標(biāo)定方法, 精度較高 。 張正 友標(biāo)定法 則是結(jié)合針孔模型和23線性模型先得到較優(yōu)解,然后再用最大似然法進(jìn)行非線求精 。 攝像機(jī)自標(biāo)定, 其不依賴于參考物, 而參考運(yùn)動(dòng)過(guò)程中, 所成圖像關(guān)系之間進(jìn)行標(biāo)24定,如Triggs 的基于二次曲面的子標(biāo)定法 ,Faugeras 等 基于Kruppa 方程的自標(biāo)定方25法 。在工 業(yè)應(yīng)

35、用中, 只考慮1階徑向系數(shù)足以補(bǔ)償大多數(shù)鏡頭的畸變,而建立過(guò)于復(fù)雜的鏡頭畸變補(bǔ)償公式,有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致數(shù)值運(yùn)算的不穩(wěn)定。在本文中,硅片的定位,主要是通過(guò)對(duì)硅片邊緣信息的提取,從而獲得硅片的位置和角度信息, 在進(jìn)行邊緣檢測(cè)后,可以提取特征點(diǎn),而Hough 變換則是圖像中檢測(cè)直線的最典型的方法。 圖 像 邊 緣 提 取 , 目的 是 把 對(duì) 象 和 背 景 之 間 交 界 線 或 者 對(duì) 象 與 對(duì) 象 之 間 的 分 界 線 提取出來(lái), 獲取對(duì)象的輪廓特征, 從而可以對(duì) 圖像進(jìn)行定位、 測(cè)量或者其他后續(xù)處理。 由6 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文圖像邊緣特征可知,圖像的邊緣處其像素值

36、都會(huì)存在著明顯的跳變,跳變明 顯的地方,就可以認(rèn)為存在邊緣, 根 據(jù)這一特性, 可以對(duì)邊緣進(jìn)行提取, 目前已有很多經(jīng)典的邊緣26提取算法,如 Robert 算子,Sobel 算子,Laplace 算子,Log 算子 等 。 a 原圖效 果 (b)Robert 算子檢測(cè)效果(d)高斯- 拉普拉斯算子檢測(cè)效果 c Sobel 算子檢測(cè)效果 圖 1.6 邊緣檢測(cè)的效果 Robert 算子 和 Sobel 算子都是一階導(dǎo)數(shù)算子, 當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)為極大值時(shí), 也就意味著圖像該點(diǎn)的邊緣梯度值達(dá)到了極大值, 像素值跳變較大, 是可能存在的邊緣點(diǎn)。 使用圖10像處理進(jìn)行邊緣檢測(cè)時(shí),對(duì)導(dǎo)數(shù)計(jì)算進(jìn)行離散化后,得到 R

37、obert 算子 f,x01?1 0 1 ?1 ?2 ?101f;Sobel 算子為 f2 0 2 , f000 。離散化后,由算yx y?10?1 0 1 1 2 1子表達(dá)式可以看出 ,Robert 算子 主要是 通過(guò)在斜對(duì)角方向上,進(jìn)行差 分計(jì)算求其導(dǎo)數(shù),Sobel 算子 ,則是把范圍擴(kuò)大,在上下和左右方向進(jìn)行一階差分計(jì)算,其中 f 為 X 方x向上的梯度, f 為 Y 方 向的梯度 , 當(dāng)梯度值大于定以的閾值后, 就可認(rèn)為改點(diǎn)就是邊y7 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文緣點(diǎn)。Robert 算子檢測(cè) 到的邊緣比較細(xì), 定位準(zhǔn)確,但對(duì)噪聲敏感;Sobel 算子對(duì)噪聲26有平滑作

38、用,但邊緣較粗,精度不高 ,效果 如圖 1.6。 另外還有基于二階導(dǎo)數(shù)的邊緣檢測(cè)算子, 如 Laplace 算子 ,Log 算子,其 原理是一0 ?1 0階導(dǎo)數(shù)取得極值時(shí), 對(duì)應(yīng)二階導(dǎo)數(shù)為 零,Laplace 算子一 般形式 ?f?1 4 ?1 ,Log0 ?1 01 4 4 4 2 4 0804?算子。 二階導(dǎo)數(shù)檢測(cè)精度更高, 但易受噪聲影響, 容易檢? f 4 8 24 8 244 08042 4 4 4 2?26測(cè)偽邊緣 。 除了上面典型的算子外,Canny 邊緣檢測(cè)算法, 提出了邊緣的三個(gè)準(zhǔn)則的表達(dá)式 ,27通過(guò)最優(yōu)化數(shù)值優(yōu)化, 在噪聲和精度中得到最佳的方案 。 吉林大學(xué)連靜, 研究了

39、基于28小波變換的自適應(yīng)閾值多尺度邊緣提取算法,能有效抑制噪聲 。 Hough 變換是圖像處理內(nèi)直線檢測(cè)的 一個(gè)典型方法。 Hough 變換檢測(cè)直線, 由 Paul Hough29作為專利 第一次提出 , 其通過(guò)把直線解析方程空間, 直接映射到了以斜率和節(jié)距為變量的參數(shù)空間 來(lái)實(shí)現(xiàn)直線檢測(cè); Duda 和 Hart 等通過(guò)把 Hough 變換的參數(shù)空間換成了極30坐標(biāo)參數(shù)空間,可以檢測(cè)到任何形式的的直線 ;Sklansky 則將 Hough 變換推廣到圓、31橢圓、拋物線等這類具有數(shù)學(xué)表達(dá)式的規(guī)則曲 線 ,Ballard 提出 的 廣義 Hough 變換算32法, 可以實(shí)現(xiàn) 任何幾何形狀的檢測(cè)

40、 , 從此 Hough 變換檢測(cè), 不再受制于幾何解析式,從 而可以檢測(cè)任何形狀的圖形,但 Hough 變換最主要的問(wèn)題就是其計(jì)算量和存儲(chǔ)空間很大 。 國(guó)內(nèi)也有很 多高校和研 究所針對(duì)直 線 檢測(cè)做出 了自己的研 究和優(yōu)化。 華中科技大 學(xué)張凱, 使用 Hough 變換結(jié)合最小二乘法, 對(duì)直線檢測(cè), 實(shí)現(xiàn)十字標(biāo)記的定位并成功應(yīng)用33在貼片機(jī)上 。 西安電 子科技大學(xué)張大樸, 使用擬梯度方向的邊緣點(diǎn),Hough 變換進(jìn)行34優(yōu)化,可以有效提高速度 。山東 大學(xué)楊全銀 ,通過(guò)加權(quán)的方式優(yōu)化,提高檢測(cè)精度,35通過(guò)基于模板匹配的 Hough 變換節(jié)約了存儲(chǔ)空間 。 王江榮使用 小波測(cè)量預(yù)處理的最36

41、小二乘估計(jì) 法進(jìn)行檢測(cè)提高精度 。 1.4 本 文研 究 內(nèi) 容 及 組 織 結(jié) 構(gòu)本文主要針 對(duì)太陽(yáng)能硅 片絲網(wǎng)印刷 設(shè)備,研究 了硅片和絲 網(wǎng)對(duì)準(zhǔn)印刷 的工藝流 程,8 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文設(shè)計(jì)了 基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng), 并根據(jù)其圖像特點(diǎn), 對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定, 由直線擬合進(jìn)行硅片定位,實(shí)現(xiàn)了硅片和絲網(wǎng)的自動(dòng)定位 ,并完成糾偏的對(duì)準(zhǔn)功能。本文內(nèi)容安排如下:第一章:對(duì) 太陽(yáng)能 行業(yè) 背景 及其印 刷工藝流程 進(jìn)行了概述 ,并介紹了 當(dāng)前視覺(jué)對(duì) 準(zhǔn)系統(tǒng),機(jī)器視覺(jué) 系統(tǒng),以及直線檢測(cè) 、相機(jī)標(biāo)定等技術(shù)的研究進(jìn)展。第二章:分析太陽(yáng)能絲 網(wǎng)印刷 中視 覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng) 的 需求

42、,設(shè) 計(jì)了視覺(jué)對(duì) 準(zhǔn)系統(tǒng) ,根據(jù)檢測(cè)對(duì)象特點(diǎn)及要求, 確定硬件選型,并針對(duì) UVW 對(duì) 準(zhǔn)平臺(tái)糾偏進(jìn) 建模。第三章:使 用圓點(diǎn)標(biāo)定 方法,通過(guò) 對(duì)圓心的提 取定位, 對(duì) 相機(jī)進(jìn)行標(biāo) 定 ;并推導(dǎo) 標(biāo)定出左右子 相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系 ; 為后面定位提供基礎(chǔ)。第四章:介 紹了霍夫變 換算法,實(shí) 現(xiàn)硅片邊緣 直線 擬合, 并提出 三個(gè) 優(yōu)化方法 , 實(shí)現(xiàn)硅 片定位;使用圓心檢測(cè)算法, 實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)定位 ,并給出視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)整體糾偏流程 。 第五章:對(duì)圓心定位、相機(jī)標(biāo)定算法, 進(jìn)行精度實(shí)驗(yàn)測(cè)試;針對(duì)優(yōu)化 的隨機(jī) Hough變換 直線檢測(cè)算法,對(duì)其精度、時(shí)間以及存儲(chǔ)空間 能性能指標(biāo)進(jìn)行 測(cè)試。 第六章,總

43、結(jié)本文研究 工作及主要 成果, 討論 了該 算法有 待完善和提 升的地方, 并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行展望。 9 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文2 自動(dòng) 對(duì)準(zhǔn) 系統(tǒng)分析 及設(shè)計(jì) 2.1 對(duì) 準(zhǔn) 系 統(tǒng) 功 能 需 求 分 析 太陽(yáng)能硅片絲網(wǎng)印刷設(shè)備,如圖 2.1,主要由以下 6 個(gè)模塊構(gòu)成: 1 進(jìn)料機(jī)構(gòu),左換料機(jī)構(gòu): 用于輸送硅片 ,從上線設(shè)備接收并輸送到平臺(tái) ; 2 平臺(tái)機(jī)構(gòu):用于支撐硅片; 3 絲網(wǎng)印刷機(jī)構(gòu):用于校正絲網(wǎng) 對(duì)準(zhǔn)硅片,并且印刷打印硅片; 4 右換料機(jī)構(gòu)和出料機(jī)構(gòu): 把硅片輸送出 到下一條生產(chǎn)線。 整臺(tái)打印設(shè)備, 分別由進(jìn)料機(jī)構(gòu)和出料機(jī)構(gòu)作為交互接口, 與其他設(shè)備一

44、起構(gòu)成一條生產(chǎn)線, 協(xié)調(diào)作業(yè)。 進(jìn)料機(jī)構(gòu)和出料機(jī)構(gòu)與其他設(shè)備的通訊, 分別通 過(guò)預(yù)先設(shè)定的方式, 進(jìn)行協(xié)調(diào)和溝通。 在整個(gè)絲網(wǎng)印刷工藝流程中, 主要包含硅片進(jìn)給送料, 絲網(wǎng)自 動(dòng)印刷,硅片輸送出料三個(gè)過(guò)程,其中,中間的平臺(tái)及印刷機(jī)構(gòu),是其設(shè)備最主要部分,其核心就是硅片和絲網(wǎng)的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn), 其不僅僅影響這整臺(tái)設(shè)備的效率, 還影響了硅片的印刷質(zhì)量。 平 臺(tái) 機(jī) 構(gòu)絲 網(wǎng) 印 刷 機(jī) 構(gòu)左 進(jìn) 料 機(jī) 構(gòu)右 換 料 機(jī) 構(gòu)左 換 料 機(jī) 構(gòu)右 出 料 機(jī) 構(gòu)圖2.1 硅片絲網(wǎng)印刷裝備整體結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)能印刷設(shè)備正常工作時(shí), 由進(jìn)料機(jī)構(gòu)從上線設(shè)備接收硅片, 輸送到平臺(tái)上; 平臺(tái)上升到絲網(wǎng)印刷位置, 絲網(wǎng)機(jī)構(gòu)

45、完成調(diào)整對(duì)準(zhǔn)后, 對(duì)硅片印刷; 印刷完成, 由出料 機(jī)構(gòu)輸送到下線 設(shè)備進(jìn)行下一道工序。 由此可見(jiàn), 硅片與絲網(wǎng)的對(duì)準(zhǔn)印刷部分是整個(gè)設(shè)備最核心 的工藝。 硅片印刷 時(shí), 絲網(wǎng)在硅片上方, 通過(guò)刮刀下壓, 把絲網(wǎng)的電路形狀, 印刷到硅片上 ,在絲網(wǎng)印刷過(guò)程中, 需要保證絲網(wǎng)與硅片兩者位置重合。 由于, 每一片硅片 都是由生產(chǎn)10 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文線的上一臺(tái)設(shè)備輸送過(guò)來(lái), 其初始狀態(tài)并不確定, 并且硅片 在輸送過(guò)程中, 由換料機(jī)構(gòu),輸送到打印平臺(tái)上, 中間有一個(gè)轉(zhuǎn)移的過(guò)程, 因此硅片存在一定的位置偏差,其精度不能達(dá)到要求 ; 另外絲網(wǎng)是固定在打印 平臺(tái)上方, 可以自由

46、調(diào)節(jié), 但每回絲網(wǎng)安裝的位置并不固定, 而且絲網(wǎng)都有一定的使用壽命, 使用一段時(shí)間后 , 需要清洗或者更換, 絲 網(wǎng)的位置就會(huì)發(fā)生變化; 因此, 在自動(dòng)印刷過(guò)程中, 硅片和絲網(wǎng)的位置 并沒(méi)有重合, 而且絲網(wǎng)和硅片的位置都可能同時(shí)存在不確定性, 所以每回在印刷時(shí), 都 需要對(duì)每片硅片和絲網(wǎng)進(jìn)行定位, 確定兩者間的位置差, 然后根據(jù)位置差, 調(diào)整絲網(wǎng) 或者硅片的位置, 把絲網(wǎng)與硅片對(duì)齊,進(jìn)行印刷。 絲網(wǎng)與硅片 對(duì)準(zhǔn)的精度 ,是保證硅 片印刷質(zhì)量 的關(guān)鍵技術(shù) 之一,現(xiàn)在 印刷工藝, 硅片與絲網(wǎng)的 基本對(duì)準(zhǔn)精度要求達(dá)到±50m 以 上, 部分正面線路標(biāo)準(zhǔn)線條小到 80m ;而現(xiàn)在 新工藝,

47、為了提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率, 減小線路面積, 使用了雙重印刷工藝, 其對(duì) 準(zhǔn)精 度甚至要求高達(dá)±15m 。 為了實(shí) 現(xiàn)高精度對(duì)準(zhǔn), 目前大部分對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)都使用了視覺(jué)引導(dǎo)的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方式。 另外,在整 個(gè)工藝流程 中,對(duì)準(zhǔn) 印刷 工藝也是 整個(gè)設(shè)備最 耗時(shí)的部分 ,直接限制 了設(shè)備生產(chǎn)效率 ,若要達(dá)到 1200 片/ 小時(shí)的效率,其綜合對(duì)準(zhǔn)時(shí)間要求達(dá)到 70ms 以下,其中包含了 采圖時(shí)間, 處理時(shí)間, 糾偏時(shí)間等多方面要求, 對(duì)圖像處理效率提出了很高要求 。 由于太陽(yáng)能 硅片絲網(wǎng)印 刷對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng) 高精度高效 率的 特殊要 求, 使用了 機(jī)器視覺(jué)圖 像處理的 對(duì)準(zhǔn)方式以提高精度和效率。 由于綜合

48、對(duì)準(zhǔn)精度中, 包含了機(jī)械誤差、 對(duì)準(zhǔn)糾偏誤 差 及 圖 像 處 理 等 所有誤差, 為 保 證 綜 合 精 度 達(dá) 到 100 微米, 圖 像 處 理 精 度 要 求 達(dá) 到50m ,由 于硅片面積比較大,為 156*156mm ,采用 雙相機(jī)局部檢測(cè)定位的方法,對(duì)精度提出了更高的要求 ; 為了保證綜合時(shí)間 70ms , 圖像處 理時(shí)間為 40ms 內(nèi), 高精度大數(shù)據(jù)量的處理 , 對(duì)時(shí)間也有一定影響, 兩套視覺(jué)系統(tǒng)的使用, 也增加了處理時(shí)間, 為了 提高效率,必須根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的固有特性,提出針對(duì)性的圖像檢測(cè)算法 。 2.2 自動(dòng) 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng) 硬件框架 設(shè)計(jì) 2.2.1 機(jī) 械硬 件 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

49、硅片絲網(wǎng)印刷裝備中, 確定絲網(wǎng)和硅片偏差后, 可以通過(guò)對(duì)硅片位置進(jìn)行糾偏對(duì)準(zhǔn),也可以通過(guò)移動(dòng)絲網(wǎng)位置 進(jìn)行糾正, 還可以同時(shí)移動(dòng)兩者 糾偏。 因此硅片很薄, 且容易碎, 在輸送過(guò)程中, 以真空吸附進(jìn)行輸送, 因此 本系統(tǒng)中, 通過(guò)移動(dòng)絲網(wǎng)的位置, 實(shí) 現(xiàn)兩者的對(duì)齊。 11 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文在 xy , , ? 三自由度調(diào)整機(jī)構(gòu)中, 一般方式是使用平移和旋轉(zhuǎn)分開(kāi)調(diào)節(jié)的串聯(lián)機(jī)構(gòu),但串聯(lián)調(diào)整機(jī)構(gòu)會(huì)累加誤差, 本系統(tǒng) 根據(jù)印刷裝備生產(chǎn)工藝和效率要求, 為縮短絲網(wǎng)調(diào)整響應(yīng)時(shí)間和提高對(duì)位精度, 采用一套平面三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)完成絲網(wǎng)平臺(tái)的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn); 由視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)絲網(wǎng)與硅片的

50、位置偏差并反饋給調(diào)整機(jī)構(gòu)。 具體的 機(jī)械對(duì)位系統(tǒng) 如圖 2.2,其主要有以下幾部分組成: 1 硅片承載平臺(tái):中心白色區(qū)域?yàn)楣杵胖闷脚_(tái),只可上下升降,不可在 XY 平面內(nèi)調(diào)節(jié); xy , , ?2 絲網(wǎng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái): 對(duì)絲網(wǎng)板夾持固定 , 并通過(guò)電機(jī)進(jìn)行 調(diào)整, 實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng) 硅片對(duì)齊,并實(shí)現(xiàn)刮刀來(lái)回印刷; 3 UVW 糾偏 電機(jī):由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成 UVW 糾偏機(jī) 構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)絲網(wǎng) xy , , ? 的并聯(lián)調(diào)整,得到位置偏差后,將偏差反饋到控制器,驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng) ; 4 其他:如基座、擋板等,主要用于固定支撐作用。 硅 片 承 載 平 臺(tái)絲 網(wǎng) 運(yùn) 動(dòng) 平 臺(tái)擋 板基 座三 個(gè) 糾 偏 電 機(jī)圖2.2

51、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.2.2 視 覺(jué)硬 件 系 統(tǒng) 設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn) 硅片及絲網(wǎng)的準(zhǔn)確對(duì)位, 需要設(shè)計(jì)一套光學(xué)視覺(jué)系統(tǒng), 可以同時(shí)對(duì)絲網(wǎng)及硅片進(jìn)行準(zhǔn)確成像及定位。 而文獻(xiàn) 10 中使用的線陣 CCD 加矩形 直線光速的 方法, 主要是通過(guò)硅片運(yùn)動(dòng),針對(duì)有缺口的硅片檢測(cè),并且也無(wú)法對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行定位; 文獻(xiàn) 11 中 使用 一套視覺(jué)系統(tǒng), 在同一個(gè)相機(jī)中 對(duì)不同物體同時(shí)成像, 由于硅片尺寸比貼片機(jī) 中芯片大得多, 其并不合適, 并且 由于硅片與絲網(wǎng)中間需要接觸式印刷, 中間空間無(wú)法安裝 分光鏡等 結(jié)構(gòu), 若在定位完成之后, 再移開(kāi), 則使得整體效率低下 ; 中國(guó)電子科技集團(tuán) 4512 華 中 科 技

52、大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文9所 , 使用旋轉(zhuǎn)式平臺(tái)加三個(gè)相機(jī)進(jìn)行硅片和絲網(wǎng)的對(duì)準(zhǔn) , 但機(jī)械空間太大, 相機(jī)較多,并不適合 。 (a )絲網(wǎng) (b)硅片 圖 2.3 硅片和絲網(wǎng)實(shí)物由上分析, 可以對(duì)硅片及絲網(wǎng)在相機(jī)同側(cè)成像, 硅片和絲網(wǎng)的實(shí)物圖片如圖 2.3。 目前主流規(guī)格 硅片的大小 主要有兩種 ,125*125,156*156 大 小的,由于 硅片面積較 大,用單個(gè)相機(jī)實(shí)現(xiàn) 100 微米高精度的定位, 則需要非常高像素的相機(jī), 成本過(guò)高, 數(shù)據(jù)量 大,效率低下。 針對(duì)上面的 機(jī)械結(jié)構(gòu)方 案,設(shè)計(jì)了 一個(gè)雙相機(jī) 視覺(jué) 定位系 統(tǒng) ,使用兩 個(gè)相機(jī)分別 對(duì)硅片及絲網(wǎng) 進(jìn)行采圖成 像,視覺(jué)系 統(tǒng)如 圖 2.4 ,分左右兩 個(gè)子相機(jī), 可分別定位 到硅片和絲網(wǎng)