CN103454275A

CN103454275A - 一种机器视觉系统

Info

Publication number: CN103454275A
Application number: CN2012101698134A
Authority: CN
Inventors: 于丽娜; 王双全
Original assignee: CETC Beijing Electronic Equipment Co
Current assignee: CETC Beijing Electronic Equipment Co
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2013-12-18

Abstract

本发明提供一种机器视觉系统，包括：多色光源装置；接收所述多色光源装置发出的光线的光源通过侧分束镜组；接收所述光源通过侧分束镜组透射的光线照射到待检测物体后反射光线的多组光学组件，其中，每组光学组件形成一光通道，一个光通道传输一种颜色的光线，且每组光学组件具有不同的成像倍率；接收所述多组光学组件输出的光线的一个探测器。本发明的方案利用光学滤波元件进行倍率切换，检测速度快，可靠性高，成本低。

Description

一种机器视觉系统

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是指一种机器视觉系统。

背景技术

机器视觉系统适用于半导体后封装设备——粘片机(Die Bonder)、倒装焊(Flip Chip)、引线键合机（Wire bonder），是芯片和框架识别的关键技术。

机器视觉系统用于生产过程的各道工序的观察定位。需要以不同的放大倍率来获得多个观察视场，据此预先确定器件是否满足各项质量标准。检测中，有时需要尽可能大的观察视场，覆盖较多参考点，此时视觉系统工作在低倍；有时需要精确定位、快速检测图像细节，此时视觉系统工作在高倍；有时为了兼顾景深和分辨率，视觉系统往往有好几个倍率。

为了实现倍率实时切换，以往的系统通常需要增加切换电机或通过每一倍率单独配备相机进行倍率切换。这些系统往往结构复杂、质量重、可靠性低、成本高。

半导体器件，诸如集成电路芯片，其电气性能一般是将芯片与引线框架粘接，然后通过引线键合或倒装焊工艺（将芯片焊点与料架引脚进行连接）实现的。

粘片机进行粘接时，料架被传送到点胶处，视觉识别系统对被绷膜的晶片进行图像识别。在完成图像识别后，焊臂从晶片上选取芯片将其粘合到焊接位上，然后继续移动到下一个焊接位直至料条全部粘接完成。进入下一道工序，引线键合或倒装焊。

倒装芯片焊接(Flip Chip)技术是将工作面(有源区面)上制有凸点电极的芯片朝下，与基板布线层直接键合。键合材料可以是金属引线或载带，也可以是合金焊料或有机导电聚合物制作的焊台。倒装技术主要有熔焊、热压焊、热声焊、胶粘连接等。针对不同的凸点材料应选用不同的倒装组装技术，以满足倒装焊可靠性的需求。

引线键合的过程即首先放置金线到芯片上的焊点，然后连接该焊点与引线框架的引脚。当所有的焊点和引脚键合到一起后进行封装，形成集成电路芯片。通常封装为陶瓷封装或塑料封装。常见芯片一般有成百甚至上千焊点需要连接。

引线键合设备的种类很多，有些通过热键合，有些通过超声键合，有些兼用这两种方式。在引线键合机中，视觉系统的工作在时间上早于键合。视觉系统通过捕获、传输器件图像并使用计算机进行图像分析，来指导引线键合，以保证焊点正确定位及连接。

倍率的切换在传统结构中，通常需要增加切换电机或通过每一倍率单独配备相机进行。如图1所示：成像系统包括物镜11、分束镜12、全反射镜13、中继成像透镜14、中继成像透镜17、切换装置15、分束镜16、全反射镜18和探测器19（如相机）。其工作流程为：器件的像透射通过物镜11，再入射到分束镜12中，分为两束光①和②。光束②被全反射镜13反射。中继成像透镜14、中继成像透镜17通过预先设计，提供给光束①和②固定的放大倍率。得到放大的像③和④。通过切换装置15的实时切换，像④通过分束镜16透射，入射到探测器19中。像③通过全反射镜18和分束镜16的反射，入射到探测器19中。通过切换装置15的挡片挡住不同的光通道，利用机械的方法对倍率进行切换。这种系统通过切换挡片实现对倍率的切换，挡片机械摆动速度较慢，可靠性低，工作中噪音和磨损很大，且结构复杂、质量重、成本高。

如图2所示，该系统包括物镜21、分束镜22、全反射镜23、中继成像透镜24、中继成像透镜25、探测器26（如相机）以及探测器27（如相机）；工作流程和图1类似，只是该系统使用了两个探测器26、27，因此，无需切换装置就可使放大的像③和④直接入射到探测器上。通过不同探测器的分时传输，对不同光通道的倍率进行切换。这种系统不可避免存在控制复杂的问题，各个信号通路的时序控制也要占用相当大的系统资源，另外探测器如相机的价格非常昂贵，多一只相机系统成本则翻倍，这种系统也不可避免得存在质量重、成本高的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种机器视觉系统，利用光学滤波元件进行倍率切换，检测速度快，可靠性高，成本低。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种机器视觉系统，包括：

多色光源装置；

接收所述多色光源装置发出的光线的光源通过侧分束镜组；

接收所述光源通过侧分束镜组透射的光线照射到待检测物体后反射光线的多组光学组件，其中，每组光学组件形成一光通道，一个光通道传输一种颜色的光线，且每组光学组件具有不同的成像倍率；

接收所述多组光学组件输出的光线的一个探测器。

其中，上述系统还包括：

接收所述光源通过侧分束镜组透射光线的物镜；

其中，所述光源通过侧分束镜组透射光线通过所述物镜照射到所述待检测物体上，所述待检测物体反射光线经过所述物镜返回所述分束镜组，并反射到所述多组光学组件。

其中，所述多组光学组件包括：直接接收所述光源通过侧分束镜组从所述待检测物体反射光线的第一组光学组件，以及间接接收所述反射光线的至少一个第二组光学组件；其中，所述第一组光学组件包括：

直接接收所述光源通过侧分束镜组反射光线的第一分束镜；

接收所述第一分束镜透射光线，并呈现第一倍率图像的第一中继成像透镜；

接收所述第一中继成像透镜透射光线的第一滤光镜，其中所述第一滤光镜滤波波段对应第一种颜色的光线的波段；

接收所述第一滤光镜透射光线的第一全反射镜；

所述第一全反射镜反射光线经过其中一个第二组光学组件中的第二分束镜，反射后进入所述探测器。

其中，所述至少一个第二组光学组件为一组时，与所述第一组光学组件相邻的第二组光学组件包括：

接收所述第一分束镜反射光线的第二全反射镜；

接收所述第二全反射镜反射光线，且呈现第二倍率图像的第二中继成像透镜；其中，所述第二倍率与所述第一倍率不同；

接收所述第二中继成像透镜透射光线的第二滤光镜，其中所述第二滤光镜滤波波段对应第二种颜色的光线的波段；

接收所述第二滤光镜透射光线的所述第二分束镜；

所述第二分束镜透射光线进入所述探测器。

其中，所述至少一个第二组光学组件为2组以上时，离所述第一组光学组件最远的第二组光学组件包括：

接收所述最远的第二组光学组件相邻的前一组光学组件中的最前端的分束镜反射光线的第二全反射镜；

接收所述第二全反射镜反射光线，且呈现第N倍率图像的第N中继成像透镜；

接收所述第N中继成像透镜透射光线的第N滤光镜，所述第N滤光镜滤波波段对应第N种颜色的光线的波段；

接收所述第N滤光镜透射光线的第三全反射镜；其中，所述N为大于或者等于3的正整数

所述第三全反射镜反射光线通过其它组光学组件中的分束镜进入所述探测器；

所述至少一个第二组光学组件中，其它第二组光学组件均包括：

接收其前一第二组光学组件中的最前端分束镜透射光线的前端分束镜；

接收所述前端分束镜透射光线，且呈现一种倍率图像的中继成像透镜；

接收所述中继成像透镜透射光线的滤光镜；

接收所述滤光镜透射光线的后端分束镜；

所述后端分束镜透射的光线直接或者间接进入所述探测器。

其中，所述多组光学组件中的各光学通道平行设置。

其中，所述多组光学组件中的中继成像透镜具有预设的不同的放大倍率。

其中，所述多组光学组件中的滤光镜为：带通滤波片或者长/短通滤波片。

其中，所述多组光学组件中的分束镜的分光比为1∶1。

其中，所述多色光源装置包括：单粒多色光源装置或者多个单粒单色光源装置。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过多组光学组件共用一个探测器，且其中每组光学组件透射并放大一种颜色的光线，实现不同组光学组件之间利用不同颜色的光的波段，实现不同倍率图像的呈现，并可以在各组光学组件之间实时切换，该系统中，只需要一个探测器，从而简化了系统结构、降低了成本、提高了效率。

附图说明

图1为传统设计中单点检测单探测器光学系统结构图。

图2为传统设计中单点检测双探测器光学系统结构图。

图3为本发明中双光源双倍率光学系统结构图。

图4为图3所示单光通道侧视图；

图5为本发明中单光源反射型双倍率光学系统结构图。

图6为本发明中单光源直射型双倍率光学系统结构图。

图7为本发明中多光源多倍率光学系统结构图。

图8为本发明中单光源多倍率光学系统结构图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

新型视觉系统，特别适用于半导体后封装设备——粘片机(Die Bonder)、倒装焊(Flip Chip)或引线键合机（Wire bonder），是芯片和框架识别的关键技术。本发明涉及光学元件，特别是一种实时光学识别系统。本发明通过光学滤波提供多放大倍率实时检测。

本发明的实施例提供一种机器视觉系统，包括：多色光源装置；接收所述多色光源装置发出的光线的光源通过侧分束镜组；接收所述光源通过侧分束镜组透射的光线照射到待检测物体后反射光线的多组光学组件。其中，每组光学组件形成一光通道，一个光通道传输一种颜色的光线，且每组光学组件具有不同的成像倍率；接收所述多组光学组件输出光线的单个探测器。

本发明的实施例通过多组光学组件共用一个探测器，且其中每组光学组件透射并放大一种颜色的光线，实现不同组光学组件之间利用不同颜色的光波段，实现不同倍率图像的呈现，并可以在各组光学组件之间实时切换。该系统只需要一个探测器，从而简化了系统结构、降低了成本、提高了效率。

该视觉系统利用分束镜进行分光和合光，利用反射元件进行折转光路。利用光学滤波元件对光学倍率进行切换，同时，每个光学通道可预设不同的放大倍率。

具体地，上述机器视觉系统还可以包括：接收所述光源通过侧分束镜组透射光线的物镜44；其中，所述光源通过侧分束镜组透射的光线通过所述物镜照射到所述待检测物体上，所述待检测物体反射光线经过所述物镜返回所述分束镜组，并反射到所述多组光学组件。

所述多组光学组件包括：直接接收所述光源通过侧分束镜组从所述待检测物体反射光线的第一组光学组件，以及间接接收所述反射光线的至少一个第二组光学组件；其中，所述第一组光学组件包括：直接接收所述光源通过侧分束镜组反射光线的第一分束镜；接收所述第一分束镜透射的光线，并呈现第一倍率图像的第一中继成像透镜；接收所述第一中继成像透镜透射光线的第一滤光镜，其中所述第一滤光镜滤波波段对应第一种颜色光线的波段；接收所述第一滤光镜透射光线的第一全反射镜；所述第一全反射镜反射光线经过其中一个第二组光学组件中的第二分束镜，反射后进入所述探测器。

如图3、图4所示，图4为图3的侧视图。第一组光学组件包括：第一分束镜32，第一中继成像透镜37，第一滤光镜38和第一全反射镜39；多色光源装置包括：多粒单色光源装置，如红色光源装置43和蓝色光源装置42；当红色光源装置43点亮，此时光源波长在620～670nm范围内。光源通过侧分束镜组包括：分束镜41，分束镜31；分束镜41可以为二向色分束镜（也可为普通分束镜），光线通过分束镜41、分束镜31以及物镜44透射，照射到待测物体上。通过待测物体反射回去的光线，经过分束镜31反射、第一分束镜32分光，进入第一光通道，该第一分束镜32透射的光为光束①，光束①通过第一中继成像透镜或者透镜组37放大为光束③，得到第一倍率（或者第一放大倍率）的图像。第一滤光镜38优选为带通滤波片，也可以是长通/短通滤波片，该第一滤光镜38对应一种颜色的光，如对于620～670nm波段透光，其它波段截止。光束③通过第一滤光镜38，被第一全反射镜39和一第二组光学组件中的第二分束镜36反射，进入探测器40，此时检测到第一倍率（或者第一放大倍率）图像；第二组光学组件包括：接收所述第一分束镜32反射光线的第二全反射镜33；接收所述第二全反射镜33反射的光线，且呈现第二倍率图像的第二中继成像透镜（或者透镜组）34；其中，所述第二倍率与所述第一倍率不同；接收所述第二中继成像透镜34透射光线的第二滤光镜35，所述第二滤光镜35滤波波段对应第二种颜色的光线波段；接收所述第二滤光镜35透射光线的第二分束镜36；所述第二分束镜36透射光线进入所述探测器40；具体来讲：第二组光学组件对应第二光通道的光经过第一分束镜32、第二全反射镜33反射，得到光束②，光束②通过第二中继成像透镜或者透镜组34放大为光束④，得到第二倍率（或者第二放大倍率）图像；第二滤光镜35优选为带通滤波片，也可以是长通/短通滤波片，该第二滤光镜35对440～490nm波段透光，其它波段截止；由于此时光束④为红光，波长在620～670nm范围内，被第二滤光镜35截止。此时，只有第一放大倍率图像被探测器40检测到。

与红色光源类似，当蓝色光源42点亮，此时光源波长在440～490nm范围内。光线通过光源通过侧分束镜组中的分束镜41、分束镜31透射，照射到待测物体上。通过待测物体反射回去的光线，经过分束镜31反射、第一分束镜32分光，进入两个光通道。第一光通道的光经过第一分束镜32透射，得到光束①，光束①通过第一中继成像透镜37放大为光束③，为第一放大倍率的图像。由于此时光束④为蓝光，波长在440～490nm范围内，被第一滤光镜38截止。第一光通道没有光线到达探测器40。第二光通道的光经过第一分束镜32、第二全反射镜33反射，得到光束②，光束②通过第二中继成像透镜34放大为光束④，为第二放大倍率图像。光束④通过第二滤光镜35，被第二分束镜36透射，进入探测器40，此时只检测到第二倍率图像。因此，本系统可以通过不同波段光源的通断来控制不同光通道的倍率，进行倍率的实时切换。其中，为简化起见，图4中全反射镜91反射的光线与图3中的位于物镜44上方的分束镜31的作用相同，均是向多组光学组件对应的光通道提供待检测物体反射的光线。

再以单粒双色LED照明为多色光源装置为例对上述系统进行阐述。如图5、图6所示。其工作流程与图3完全相同，只是光源部分略有不同。图5、图6中均采用单粒双色LED进行照明，系统中只需安装一粒双色LED，结构更加简单、紧凑。图6中将LED45垂直安装，照明系统中无需安装分束镜或者全反射镜。图5中将LED45水平安装，需要以45°安装一全反射镜或者分束镜41。

在本发明的另一实施例中，所述至少一个第二组光学组件为2组以上时，离所述第一组光学组件最远的第二组光学组件包括：接收所述最远的第二组光学组件相邻的前一组光学组件中的最前端的分束镜反射光线的第三全反射镜；接收所述第N全反射镜反射的光线，且呈现第N倍率图像的第N中继成像透镜；接收所述第N中继成像透镜透射光线的第N滤光镜，所述第N滤光镜滤波波段对应第N种颜色光线的波段；接收所述第N滤光镜透射光线的第四全反射镜；所述第四全反射镜反射的光线通过其它组光学组件中的分束镜进入所述探测器；其中，所述N为大于或者等于3的正整数；

所述至少一个第二组光学组件中，其它第二组光学组件均包括：接收其前一第二组光学组件中的最前端分束镜透射光线的前端分束镜；接收所述前端分束镜透射光线，且呈现一种倍率图像的中继成像透镜；接收所述中继成像透镜透射光线的滤光镜；接收所述滤光镜透射光线的后端分束镜；所述后端分束镜透射的光线直接或者间接进入所述探测器。

在不同的设计和产品需求中，可分别使用以上结构。与上述三种结构工作原理类似，该结构也可以根据需要增删照明光源，提供更灵活的放大倍率。如附图7、图8所示，可以设计为三组光学组件的实施例，图7中以多粒单色LED光源装置为例进行图示，图8以单粒多色LED光源装置为例进行图示；

图7中，多色光源装置部分的LED包括：第一方向设置的蓝色光LED76，第二方向设置的红色光LED77，第三方向设置的绿色光LED78，此时为使光源能够照射到待测物体上，可以根据情况设置相应的分束镜或者反射镜80，79；图8中包括一个多色LED 81，从光源装置发出的某一种颜色的光，通过分束镜61、物镜75透射，到达待检测物体，待检测物体反射的光线经过分束镜61反射，进入由分束镜62，中继成像透镜65，滤光镜68以及全反射镜71组成的第一光通道；第三组光学组件（即离第一组光学组件最远的第二组光学组件）包括：全反射镜64，中继成像透镜67，滤光镜70以及全反射镜73组成的第三光通道；中间的第二组光学组件包括：分束镜63，中继成像透镜66，滤光镜69以及分束镜72；每组光学组件最后得到的光线进入探测器74中；每组光学组件形成的光通道的工作原理与上述图3所示的光通道的工作原理相似，每组光学组件中继成像透镜具有不同的放大倍率，每组光学组件中的滤光镜对一种颜色光源对应波段的光波通过，对其它颜色光源的光波截止，并最终将每一种放大倍率的图像反映至一个探测器中，从而实现一个系统可提供多个放大倍率的图像，且利用分束镜的分光和合光，利用反射镜进行折转光路，利用光学滤光镜对光学倍率进行切换，最终实现使用不同波长光源来实时切换到不同倍率的图像，且这些不同的光路系统仅需使用一个探测器，大大简化了系统结构、降低了系统成本、提高了检测效率。

当然，上述图例仅为说明本发明的原理，本发明的实施例还可以包括四组光学组件，五组光学组件，……N组光学组件，实现原理分别与上述图3、5、6、7、8所述的相同或者类似；本发明的上述所有实施例中，所述多组光学组件中的各光通道可以平行设置。所述多组光学组件中的中继成像透镜具有预设不同的放大倍率。所述多组光学组件中的滤光镜为：带通滤波片或者长/短通滤波片。所述多组光学组件中的分束镜的分光比为1∶1；当然也可以根据情况采用其它分光比。探测器可以是相机（CCD、CMOS）,也可以是位置传感器（PSD）。其中光波可以是1）可见光；2）紫外光；3）红外光。分束镜可以是分光棱镜或分光平片。全反射镜可以是反射棱镜或反射平片。光通道的成像元件为透镜或透镜组，每路透镜或透镜组都有预先设计的放大倍率。同轴光可以采用LED，也可以采用光纤光源。该系统工作距离可在一定范围内可调整。

另外，在实际应用中，由图3可见，两组光路沿XY平面对称安装。光路中所有分光镜分光比为1∶1。两光通道分束镜32、36和全反射镜33、39都平行安装。分束镜32、36与全反射镜33、39均与XZ平面垂直，与XY平面成45度。显微物镜44均采用像方远心光路结构，在光束通过中继光路前均为平行光，由于平行光路中分束镜基本不引入像差，而非平行光路中分束镜除不产生场曲外，其他像差都存在。另外，由于全反射镜不引入像差。因此，两个光通道成像质量不同。若采用相同的光学结构，光通道1成像质量优于光通道2，所以，应将要求分辨率最高、倍率大的通道与光通道1匹配；而对分辨率要求较低、放大倍率不太高的通道与通道2匹配。

如图4可以看出:在工作距离垂直上方安装显微物镜44，其光轴沿+y轴方向，显微物镜44的光轴应与视场中心重合。在显微物镜44上方以与XZ平面成45度偏角放置分束镜。通过物镜44上方主分束镜或者反射镜91反射的光线，通过第一分束镜32。如图3所示。分束镜2垂直于XZ平面与XY平面成45度角。光线经过第一分束镜32被分为两路，一路通过第一分束镜32透射，光轴沿y方向平移Δ1，因此该路的第一中继成像透镜37的安装也需要在y方向平移Δ1。另一光路通过第一分束镜32反射，再经过第二全反射镜33折转，进入其中第二继成像透镜34。两个光通道通过第二分束镜36的透射和反射进入同一光路，被透射的一路经过第二分束镜36后，光轴在y方向有Δ2的偏移。因此，在安装第二分束镜36时要充分考虑两通道光轴的重合。另外，第一滤光镜38、第二滤光镜35与YZ平面平行、ZX平面垂直安装。

本发明利用波长变倍的机器视觉系统装调过程如下：将该系统安装于机架上，调节系统高度于工作距离处，高倍光路调焦于芯片表面，低倍光路调焦于料架表面。调节各通道中继成像透镜，使各个光通道齐焦。检测过程中，各光通道利用光源波长进行实时切换，使得所需图像传输到探测器中，进行后续处理。

本发明中倍率的切换完全利用光学的方法，只需要简单控制照明光源的波长，并在成像光路中集成滤光元件就可以实现。对于每个倍率的光通道，只需要集成相应的滤光元件，所分的每一路光入射到预先设定放大倍率的光通道，形成不同放大倍率的像。系统仅使用一个探测器，大大简化了系统结构、降低了系统成本、提高了可靠性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种机器视觉系统，包括：

多色光源装置；

接收所述多色光源装置发出的光线的光源通过侧分束镜组；

接收所述多组光学组件输出的光线的一个探测器。

2.根据权利要求1所述的机器视觉系统，其特征在于，还包括：

接收所述光源通过侧分束镜组透射光线的物镜；

3.根据权利要求2所述的机器视觉系统，其特征在于，所述多组光学组件包括：直接接收所述光源通过侧分束镜组从所述待检测物体反射光线的第一组光学组件，以及间接接收所述反射光线的至少一个第二组光学组件；其中，所述第一组光学组件包括：

直接接收所述光源通过侧分束镜组反射光线的第一分束镜；

接收所述第一滤光镜透射光线的第一全反射镜；

4.根据权利要求3所述的机器视觉系统，其特征在于，所述至少一个第二组光学组件为一组时，与所述第一组光学组件相邻的第二组光学组件包括：

接收所述第一分束镜反射光线的第二全反射镜；

接收所述第二滤光镜透射光线的所述第二分束镜；

所述第二分束镜透射光线进入所述探测器。

5.根据权利要求3所述的机器视觉系统，其特征在于，所述至少一个第二组光学组件为2组以上时，离所述第一组光学组件最远的第二组光学组件包括：

接收所述最远的第二组光学组件相邻的前一组光学组件中的最前端的分束镜反射光线的第三全反射镜；

接收所述第三全反射镜反射光线，且呈现第N倍率图像的第N中继成像透镜；

接收所述第N滤光镜透射光线的第四全反射镜；其中，所述N为大于或者等于3的正整数；

所述第四全反射镜反射光线通过其它组光学组件中的分束镜进入所述探测器；

接收其前一第二组光学组件中的最前端分束镜透射的光线的前端分束镜；

接收所述中继成像透镜透射光线的滤光镜；

接收所述滤光镜透射光线的后端分束镜；

所述后端分束镜透射的光线直接或者间接进入所述探测器。

6.根据权利要求4或5所述的机器视觉系统，其特征在于，所述多组光学组件中的各光学通道平行设置。

7.根据权利要求4或5所述的机器视觉系统，其特征在于，所述多组光学组件中的中继成像透镜具有预设的不同的放大倍率。

8.根据权利要求4或5所述的机器视觉系统，其特征在于，所述多组光学组件中的滤光镜为：带通滤波片或者长/短通滤波片。

9.根据权利要求4或5所述的机器视觉系统，其特征在于，所述多组光学组件中的分束镜的分光比为1∶1。

10.根据权利要求1所述的机器视觉系统，其特征在于，所述多色光源装置包括：单粒多色光源装置或者多个单粒单色光源装置。