机器视觉测量:在3D世界中不想当然

计量学是测量的科学。考虑到这一点，大多数机器视觉系统在确定一个物体或特征是否在指定的公差范围内制造时，都会执行一些计量任务。

然而，大多数机器视觉系统主要被认为是计量系统，主要集中在毫米到纳米范围内的高分辨率测量。这些系统使用各种方法，从激光线三角测量到条纹投影和干涉测量最高分辨率的系统。

但这不仅仅是测量一个物体。计量应用程序必须知道他们的测量能力的限制，以决定系统是否可以被认为是足够精确的任务。吞吐量对所有行业和机器视觉测量系统也至关重要。机器视觉系统不希望成为生产过程中的瓶颈。

精密自动化专家DWFritz的高级软件工程师Michael Guzik说:“在法庭上，一个人在被证明有罪之前都是无辜的。“但在应用计量学时，你必须假设自己有罪，直到证明自己无罪为止。你不能把一个系统建立在假设之上;你必须证明它的性能。”

3D计量需求增加

“我们现在对2D计量系统的需求没有3D计量系统那么多，”Joost van Kuijk说，该公司营销和技术副总裁Adimec(埃因霍温，荷兰)。“你不只是做X和Y的测量，而是添加高度信息，从中可以计算出体积。所以3D视觉测量背后总是有一种算法，正是这些算法让机器制造商和客户脱颖而出。”

基于机器视觉的计量系统通常使用以下五种方法之一，按空间分辨率排序:

• 飞行时间(ToF)机器视觉系统，测量光从表面传播到接收摄像机所需的时间;
• 绝对测量，图像处理算法直接从一个或多个可见图像中提取测量信息;
• 激光三角测量用于精度要求在一毫米左右的应用;
• 要求微米精度的条纹投影系统;而且
• 具有亚像素精度的纳米干涉系统，测量两束激光之间的相位差，以测量特定的点。

与每一个机器视觉系统一样，计量客户希望最大的吞吐量和最大的精度。ToF相机是一种专门的相机，代表了商业机器视觉行业的一种相对较新的方法，该行业提供相对低分辨率的大型物体测量，测量精度通常以厘米为单位。绝对测量可以在小范围内达到亚毫米的精度。测量精度可以根据变化的光照条件，校准目标的位置，吞吐量和环境条件(如热量和湿度)而变化。激光三角测量已被广泛理解，并与许多工业需求相匹配。

说到基于条纹投影方法的测量系统，Adimec的van Kujik表示，该工业相机制造商的重点是开发分辨率在数百万像素的快速相机，用于在相对较大的视场中进行微米级的高精度测量。最后，当涉及到精度在纳米级的干涉系统时，使用相机记录参考激光束和探针扫描激光束之间的相移，客户始终要求传感器提供尽可能快的帧速率和统一的像素到像素响应，以提高测量精度。

van Kujik补充说，在条纹投影和干涉测量技术方面，“根据测量方法的不同，客户需要更精确的照明触发、CCD像素的质量和CMOS传感器的速度、均匀性和图像校正。”“所有这些都会影响计量系统的准确性。如果你正在开发一个处于计量系统可能的边缘的系统，那么你拥有的光电系统越好，你就越有竞争优势。”

虽然存储在相机查找表(LUT)中的值的局部平场校正对于中等精度的测量和一般的机器视觉系统来说是很好的，但想要推动基于机器视觉的测量的边缘的客户需要使用他们将在最终系统中使用的特定传感器和镜头进行图像校正，使用全局平场校正来校正工件，镜头中的阴影等。

van Kujik总结道:“如果你有5个不同的透镜和5个滤光片，那么你需要25个独立的全局平场校正。”“另一种选择是使用非常大的计算机进行动态修正，这将需要大量的计算能力。”

扭曲晶圆检查:有罪直到证明无罪

半导体晶圆检测是一个不断推动机器视觉测量极限的应用。对于一些晶圆生长的产品，例如喷墨打印机的打印头，制造过程将在易碎的晶圆上蚀刻凹槽。这可能会导致晶圆中出现明显的“弯曲”或翘曲，使关键特征的3D测量更具挑战性，因为翘曲效应会随着点的变化而变化。

DWFritz Automation开发了一种系统，使用多个机器视觉步骤，结合点干涉测量和校准技术，可以准确测量弯曲的晶圆。

“我们使用传统的机器视觉来定位模具上的基准和特征，并对准晶圆，”DWFritz的Guzik解释道。“作为这个过程的一部分，我们使用一个内置的目标来校准系统，以确定相机的倾斜和倾斜，以及晶圆围绕Z轴的旋转，这样我们就知道相机、激光和工作台在晶圆上的点和高度之间的几何关系。”

高分辨率相机放置在支撑晶圆的精密X/Y表的上方和下方。顶部的摄像头定位基准，并帮助系统为下部的摄像头定位晶圆，后者共享一个Micro Epsilon激光轮廓仪ToF光束。下面的机器视觉系统用单激光探针在3D中测量关键特征，而X-Y干涉测量系统在运动中测量晶圆的当前位置。

为什么要结合使用这些技术?Guzik解释说:“我们正在研究的特征对Z测量不太适合机器视觉，我们正在亚微米级进行测量。想象一下，对于机器视觉成像系统来说，几乎不可能照亮只有几百微米宽和深的狭窄沟渠。激光可以给我们测量一维的高度，而我们使用X, Y表的干涉仪系统可以给我们测量其他维度的高度。将它们整合在一起，我们就能获得所需的准确性和速度。”

为了适应晶圆中的弯曲和翘曲，两个摄像机都被放置在z轴线性台上，因此摄像机可以重新定位，沿变化的晶圆表面保持焦点。该系统还包括温度和湿度传感器，如果环境条件发生显著变化，将告诉系统重新校准。

“当你在小范围内工作时，没有任何测量系统是完美的，”Guzik总结道。“你必须通过重复性和可靠性类型的测试来验证系统的准确性。您需要开发一个系统，该系统不仅能够进行测量，而且能够意识到自身的性能限制，并能够根据不断变化的条件进行调整。当我们能够向客户展示这一点时，就有很大的保证他们会满意。”