一種機器視覺飛行系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種機器視覺飛行系統，包括基座、用于拾取芯片的拾取頭、CCD相機、反射鏡、半透半反射鏡、基板以及導軌，基板相對基座固定設置，基座可沿導軌進行左右移動，CCD相機固定設置在基座的上部，基座上還固定設置有第一齒輪和第二齒輪，第一齒輪與第二齒輪之間通過皮帶傳動連接或者相互嚙合，拾取頭的側部固定設置與第一齒輪和/或第二齒輪嚙合的直齒條，第一齒輪和/或第二齒輪轉動可帶動直齒條上下移動從而帶動拾取頭上下移動，從以上可以知曉，通過設計合理的齒輪參數，就可以使得反射鏡和拾取頭在運動過程中不會相互干涉。
【專利說明】
一種機器視覺飛行系統
技術領域
[0001] 本發明涉及倒裝芯片貼裝技術領域，具體涉及一種機器視覺飛行系統。
【背景技術】
[0002] 機器視覺是指利用機器模仿人眼來做測量和判斷，以實現生產柔性化和自動化的 技術手段。倒裝設備中的機器視覺系統是通過圖像攝取裝置(CMOS或CCD)獲取生產線上芯 片或基板的圖像，并將其轉換成電信號，傳送給專門的圖像處理系統，以得到被攝物的形態 信息，然后根據得到的像素分布、亮度和顏色等信息，轉變成數字信號，再通過圖像系統對 這些信號進行各種運算來抽取拍攝目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動 作。
[0003] 倒裝設備中要準確清晰地獲取工件和安裝工位的圖像，視覺系統中的CCD相機與 被拍攝物之間要建立起良好的光學對中方式，即在拾取機構吸取工件到貼裝的過程中，CCD 相機能夠通過設計的光路捕捉到工件的圖像，而且圖像要足夠清晰便于分析處理；同理，拾 取機構移動到安裝工位后利用所設計的光路，CCD相機能夠攝取到安裝工位的圖像。為滿足 倒裝設備高精度、高質量、高效率的需求，達到高效快速成像的目的，設計一種簡單、有效的 光學對中方式至關重要。
[0004] 目前大部分的倒裝設備的光學對中系統采用兩臺CCD相機，一臺豎直向上安裝于 拾取位與貼裝位之間的固定位置，這樣在拾取頭吸取芯片向基板運動的過程中，經過攝像 機上方，便可以獲取到元件的圖像;另一臺固定安裝在拾取機構上，當拾取模塊到達貼裝工 位時，便可攝取到安裝工位的圖像。這種光學對中系統較簡單，成像質量較好且利于控制， 但缺點是元件成像過程中需要將拾取機構移動到靜止的仰視CCD上方并作短暫停留，降低 了貼裝的工作效率，且拾取機構在運動的過程中需要增加額外的啟停，在一定程度上增加 了拾取頭的振動，影響貼片質量。另一種方案是只使用一套CCD相機系統獲取元件和基板位 置的方案，當拾取機構吸取芯片運動到安裝工位上方，此時將一套光路系統置于芯片和安 裝位之間，依靠光路設計同時采集芯片和基板的圖像，以實現芯片和安裝工位的光學對。該 方案的對準精度較高，但芯片鍵合時需要將光路系統移開，降低了貼裝的工作效率。
【發明內容】
[0005] 鑒于以上所述，為了解決至少其中一個技術問題，本發明有必要提供一種機器視 覺飛行系統。
[0006] 本發明采用的技術方案為:一種機器視覺飛行系統，包括基座、用于拾取芯片的拾 取頭、CCD相機、反射鏡、半透半反射鏡、基板以及導軌，基板相對基座固定設置，基座可沿導 軌進行左右移動，CCD相機固定設置在基座的上部，基座上還固定設置有第一齒輪和第二齒 輪，第一齒輪與第二齒輪之間通過皮帶傳動連接或者相互嚙合，拾取頭的側部固定設置與 第一齒輪和/或第二齒輪嚙合的直齒條，第一齒輪和/或第二齒輪轉動可帶動直齒條上下移 動從而帶動拾取頭上下移動，反射鏡被第一齒輪驅動并與基座的底邊呈斜向運動，半透半 反射鏡傾斜的固定在基座的一個底角，反射鏡在第一齒輪驅動作用下斜向下運動，同時拾 取頭拾取芯片并向上運動，在拾取頭達到預定位置之后，芯片在反射鏡的成像可通過半透 半反射鏡被CCD相機捕獲。
[0007] 進一步地，半透半反射鏡的反射面在上部而透射面在下部，半透半反射鏡與基座 上靠近半透半反射鏡的透射面所在一側的底角呈45°夾角設置；
[0008] 反射鏡與相對半透半反射鏡所在一側的底角呈135°角設置。
[0009] 進一步地，拾取頭包括上、下兩個極限位置；
[0010] 拾取頭在下極限位置時，拾取芯片，反射鏡完全避開拾取頭；
[0011] 拾取頭在上極限位置時，已完成拾取芯片的動作，反射鏡斜向下運動，使得芯片在 反射鏡的成像可通過半透半反射鏡被CCD相機捕獲。
[0012] 進一步地，拾取頭還包括運動控制機構，運動控制機構用于控制并且選擇性地調 整拾取頭和/或基板的徑向以及軸向運動。
[0013] 進一步的，機器視覺飛行系統還包括分析處理模塊，分析處理模塊與運動控制機 構信號連接，分析處理模塊用于獲取CCD相機捕獲的圖像并進行處理計算得到控制信號，分 析處理模塊將控制信號發送到運動控制機構進而控制拾取頭進行運動。
[0014] 進一步地，機器視覺飛行系統還包括第一燈源以及第二燈源，第一燈源位于半透 半反射鏡的反射面的一側，而第二燈源位于半透半反射鏡的透射面的一側。
[0015] 進一步地，拾取頭完成拾取芯片并處于上極限位置后，拾取頭沿導軌向基板的方 向運動直至CCD相機的鏡頭對準基板，此時保持第二燈源關閉，打開第一燈源，從而觸發CCD 相機進行拍照并發送至分析處理模塊進行處理，分析處理模塊計算并發送控制信號至運動 控制機構，從而控制拾取頭對芯片進行位置和角度校準。
[0016] 進一步地，拾取頭完成對芯片的位置和角度校準后，關閉第一燈源，打開第二燈 源，CCD相機獲取基板的位置和角度的圖像，并發送至分析處理模塊，分析處理模塊進而計 算得出控制信號，驅動運動控制機構對基板進行位置和角度的校準。
[0017] 進一步地，機器視覺飛行系統在校準基板的位置和角度時，芯片到CCD相機的光路 距離與基板到CCD相機的光路距離相等。
[0018] 相較于現有技術，本發明的機器視覺飛行系統，利用齒輪機構將拾取頭的升降運 動轉化為反射鏡的伸縮往復運動，通過設計齒輪參數，可以實現反射鏡運動不干涉拾取頭 的拾放功能。
[0019] 本發明的優選實施方案及其有益效果，將結合【具體實施方式】進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0020] 附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并構成說明書的一部分，與下面的具體 實施方式一起用于解釋本發明，但不應構成對本發明的限制。在附圖中，
[0021] 圖1:本發明的機器視覺飛行系統的構造示意圖。
[0022] 圖2:圖1所示的機器視覺飛行系統的拾取頭完成拾取芯片的示意圖。
[0023] 圖3:圖1所示的機器視覺飛行系統的獲取芯片圖像的示意圖。
[0024] 圖4:圖1所示的機器視覺飛行系統的獲取基板圖像的示意圖。
[0025] 圖5:圖1所示的機器視覺飛行系統的半透半反射鏡與反射鏡在獲取基板圖像時的 相對位置示意圖。
[0026]各部件名稱及其標號
【具體實施方式】
[0028] 以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描 述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
[0029] 請參閱圖1、圖2,本發明較佳實施例提供一種機器視覺飛行系統，該機器視覺飛行 系統包括基座12、用于拾取芯片的拾取頭1、CCD相機2、反射鏡3、半透半反射鏡4、基板5以及 導軌13,基板5相對基座12固定設置，基座12可沿導軌13進行左右移動，從而可以帶動拾取 頭1以及C⑶相機2左右移動，C⑶相機2固定設置在基座12的上部，基座12上還固定設置有第 一齒輪6和第二齒輪7,第一齒輪6與第二齒輪之間通過皮帶傳動連接或者相互嚙合，拾取頭 1的側部固定設置與第一齒輪6和/或第二齒輪7嚙合的直齒條8,第一齒輪6和/或第二齒輪7 轉動可帶動直齒條8上下移動從而帶動拾取頭1上下移動，反射鏡3被第一齒輪6驅動并與基 座12的底邊呈斜向運動，半透半反射鏡4傾斜的固定在基座12的一個底角，反射鏡3在第一 齒輪6驅動作用下斜向下運動，同時拾取頭1拾取芯片9并向上運動，在拾取頭1達到預定位 置之后，芯片9在反射鏡3的成像可通過半透半反射鏡4被CCD相機2捕獲。
[0030] 通過以上描述，本領域技術人員可以知曉的是，通過設計合理的齒輪參數，就可以 使得反射鏡3和拾取頭1在運動過程中不會相互干涉。優選的，參見圖2-圖4,根據本實施例 當中的一個優選實施方式，半透半反射鏡4的反射面在上部而透射面在下部，半透半反射鏡 4與基座12上靠近半透半反射鏡4的透射面所在一側的底角呈45°夾角設置;反射鏡3與相對 半透半反射鏡4所在一側的底角呈135°角設置。這樣可以使得芯片9在反射鏡3的成像可以 較為清晰而完整的通過半透半反射鏡4被CCD相機2所捕獲。
[0031] 同理，如圖2所示，當拾取頭1吸取完或貼裝完芯片9之后，向上提升，帶動第一齒輪 6逆時針旋轉，第一齒輪6通過皮帶帶動第二齒輪7逆時針旋轉，從而使反射鏡3在第一齒輪6 驅動下向下伸出，便于之后的芯片9的成像操作。
[0032] 如圖1所示，當拾取頭1向下運動吸取芯片9或貼裝芯片9時，第一齒輪6在與拾取頭 1上的直齒條8嚙合作用下作順時針旋轉運動，并通過皮帶帶動第二齒輪7作順時針旋轉運 動，第一齒輪6通過與反射鏡3上的直齒條嚙合，使反射鏡3向上回縮，從而避免了與拾取頭1 發生干涉，影響芯片9的吸取。
[0033] 根據本實施例的一個優選實施方式，拾取頭1包括上、下兩個極限位置，拾取頭1在 下極限位置時，拾取芯片9,反射鏡3完全避開拾取頭1;
[0034]拾取頭1在上極限位置時，已完成拾取芯片9的動作，反射鏡3斜向下運動，使得芯 片9在反射鏡3的成像可通過半透半反射鏡4被CCD相機2捕獲。
[0035]根據本實施例的一個優選實施方式，拾取頭1還包括運動控制機構，運動控制機構 用于控制并且選擇性地調整拾取頭1和/或基板5的徑向以及軸向運動。
[0036]根據本實施例的一個優選實施方式，本機器視覺飛行系統還包括分析處理模塊， 分析處理模塊與運動控制機構信號連接，分析處理模塊用于獲取CCD相機捕獲的圖像并進 行處理計算得到控制信號，分析處理模塊將控制信號發送到運動控制機構進而控制拾取頭 進行運動。參見圖3和圖4,本實施例的機器視覺飛行系統還包括第一燈源10以及第二燈源 11，第一燈源10位于半透半反射鏡4的反射面的一側，而第二燈源11位于半透半反射鏡4的 透射面的一側。
[0037] 在成像階段，當拾取頭1吸取完倒裝芯片9,基座12沿導軌13向基板5的方向運動過 程中，首先觸發第一燈源10，使第一燈源10打開，保持第二燈源11關閉，并觸發CCD相機2拍 照。此時，在上側光強的作用下，半透半反射鏡4變為一個全反射鏡，通過與反射鏡3的聯合 作用，使CCD相機2拍攝到芯片9的圖像，運動控制機構完成對芯片9的校準，對芯片9的校準 主要是對其位置和角度進行調整。
[0038] 拾取頭1完成對芯片9的位置和角度校準后，關閉第一燈源10,打開第二燈源11，此 時，在下側光強的作用下，半透半反射鏡4變為一個全透鏡，CCD相機2可以直接拍攝到基板5 的圖像，因此CCD相機2獲取基板5的包含位置和角度信息的圖像，并發送至分析處理模塊， 分析處理模塊進而計算得出控制信號，驅動運動控制機構對基板5進行位置和角度的校準。 [0039]對于單個CXD相機成像系統可能遇到的由于芯片9和基板5與CCD相機2的光路距離 不同而所可能出現的調焦問題，只需將光路系統調至合適的位置，使芯片9到CCD相機2的光 路距離與基板5到CXD相機2的光路距離相等即可避免。如圖5所示，只需使L1+L2 = L3,則芯 片9到CCD相機2的光路距離則等于基板5到CCD相機2的光路距離，避免了CCD相機的自動調 焦，從而可以選用定焦鏡頭。
[0040] 整個芯片貼裝的流程，就是要完成芯片和基板貼裝工位之間的對準。拾取頭吸取 芯片的部位是未知的，基板安放的方位也是未知的，為了得到芯片和基板之間的相對位置， 就要知道芯片與設備（固定坐標系)之間的相對位置和基板與設備之間的相對位置，然后經 過坐標變換來得到芯片與基板上芯片貼裝工位之間的位置偏差。在拾取頭拾取完芯片向基 板運動的過程中，系統首先攝取到的是芯片的圖像，這時候先糾正芯片相對于設備（固定坐 標系）的偏差，當到達基板上方時，這時候系統攝取到基板的圖像，在通過工作平臺上的XY 運動平臺調整基板方位校正芯片貼裝工位與設備之間的偏差，從而可以達到芯片和基板貼 裝工位的對位對準。
[0041] 當然，也可以把兩步調整合并為一步調整，即在系統攝取到芯片圖像計算出芯片 與設備偏差后先不做調整。當拾取頭到達基板上方，系統攝取到基板圖像計算出基板上芯 片貼裝位置與設備之間偏差后，通過坐標變換，計算出芯片相對于基板上貼裝位置之間的 偏差，再控制拾取頭調整芯片，完成一次對位對準。
[0042] 根據本實施例的機器視覺飛行系統的一種具體的工作步驟：
[0043] (1)基座從初始位置運動到翻轉頭上方，拾取頭向下運動吸取芯片，此時反射鏡斜 向上縮回，避免干涉。
[0044] (2)拾取頭吸取完芯片向上運動，反射鏡斜向下伸出，便于后工序的成像操作。
[0045] (3)拾取頭向基板運動，在運動過程中，觸發第一燈源亮，使半透半反射鏡變成全 反射鏡，同時CCD相機開始拍照，在光路系統的作用下，CCD相機得到芯片的圖像，此時通過 分析處理模塊和運動控制機構，糾正芯片的位置偏差和角度偏差。
[0046] (4)糾正芯片的位置和角度偏差后，關閉第一燈源，基座繼續向基板運動，當到達 基板上方時，第二燈源打開，此時，半透半反射鏡變成全透鏡，CCD相機直接得到基板的圖 像，在分析處理模塊和運動控制機構的作用下，調整基板的位置，完成基板與芯片的對準。
[0047] (5)完成對準后，關閉第二燈源，拾取頭向下運動進行芯片貼裝，此時反射鏡斜向 上縮回，避免干涉。
[0048] (6)貼裝完芯片后，拾取頭向上運動，反射鏡斜向下伸出。
[0049] (7)重復（1)。
[0050] 只要不違背本發明創造的思想，對本發明的各種不同實施例進行任意組合，均應 當視為本發明公開的內容;在本發明的技術構思范圍內，對技術方案進行多種簡單的變型 及不同實施例進行的不違背本發明創造的思想的任意組合，均應在本發明的保護范圍之 內。
【主權項】
1. 一種機器視覺飛行系統，包括基座、用于拾取芯片的拾取頭、CCD相機、反射鏡、半透 半反射鏡、基板以及導軌，其特征在于:所述基板相對所述基座固定設置，所述基座可沿所 述導軌進行左右移動，所述CCD相機固定設置在所述基座的上部，所述基座上還固定設置有 第一齒輪和第二齒輪，所述第一齒輪與第二齒輪之間通過皮帶傳動連接或者相互嚙合，所 述拾取頭的側部固定設置與所述第一齒輪和/或第二齒輪嚙合的直齒條，所述第一齒輪和/ 或第二齒輪轉動可帶動所述直齒條上下移動從而帶動所述拾取頭上下移動，所述反射鏡被 所述第一齒輪驅動并與所述基座的底邊呈斜向運動，所述半透半反射鏡傾斜的固定在所述 基座的一個底角，所述反射鏡在所述第一齒輪驅動作用下斜向下運動，同時所述拾取頭拾 取芯片并向上運動，在所述拾取頭達到預定位置之后，所述芯片在所述反射鏡的成像可通 過所述半透半反射鏡被所述CCD相機捕獲。2. 根據權利要求1所述的機器視覺飛行系統，其特征在于:所述半透半反射鏡的反射面 在上部而透射面在下部，所述半透半反射鏡與所述基座上靠近所述半透半反射鏡的透射面 所在一側的底角呈45°夾角設置； 所述反射鏡與相對所述半透半反射鏡所在一側的底角呈135°角設置。3. 根據權利要求2所述的機器視覺飛行系統，其特征在于:所述拾取頭包括上、下兩個 極限位置； 所述拾取頭在所述下極限位置時，拾取所述芯片，所述反射鏡完全避開所述拾取頭； 所述拾取頭在所述上極限位置時，已完成拾取芯片的動作，所述反射鏡斜向下運動，使 得所述芯片在所述反射鏡的成像可通過所述半透半反射鏡被所述CCD相機捕獲。4. 根據權利要求3所述的機器視覺飛行系統，其特征在于:所述拾取頭還包括運動控制 機構，所述運動控制機構用于控制并且選擇性地調整所述拾取頭和/或所述基板的徑向以 及軸向運動。5. 根據權利要求4所述的機器視覺飛行系統，其特征在于:所述機器視覺飛行系統還包 括分析處理模塊，所述分析處理模塊與所述運動控制機構信號連接，所述分析處理模塊用 于獲取所述CCD相機捕獲的圖像并進行處理計算得到控制信號，所述分析處理模塊將所述 控制信號發送到所述運動控制機構進而控制所述拾取頭進行運動。6. 根據權利要求5所述的機器視覺飛行系統，其特征在于:所述機器視覺飛行系統還包 括第一燈源以及第二燈源，所述第一燈源位于所述半透半反射鏡的反射面的一側，而所述 第二燈源位于所述半透半反射鏡的透射面的一側。7. 根據權利要求6所述的機器視覺飛行系統，其特征在于:所述拾取頭完成拾取所述芯 片并處于所述上極限位置后，所述拾取頭沿所述導軌向所述基板的方向運動直至所述CCD 相機的鏡頭對準所述基板，此時保持所述第二燈源關閉，打開所述第一燈源，從而觸發所述 CCD相機進行拍照并發送至所述分析處理模塊進行處理，所述分析處理模塊計算并發送控 制信號至所述運動控制機構，從而控制所述拾取頭對所述芯片進行位置和角度校準。8. 根據權利要求7所述的機器視覺飛行系統，其特征在于:所述拾取頭完成對所述芯片 的位置和角度校準后，關閉所述第一燈源，打開所述第二燈源，所述CCD相機獲取所述基板 的位置和角度的圖像，并發送至所述分析處理模塊，所述分析處理模塊進而計算得出控制 信號，驅動所述運動控制機構對所述基板進行位置和角度的校準。9. 根據權利要求8所述的機器飛行視覺系統，其特征在于:所述機器視覺飛行系統在校 準所述基板的位置和角度時，所述芯片到所述CCD相機的光路距離與所述基板到所述CCD相 機的光路距離相等。
【文檔編號】H01L21/68GK105914171SQ201610382643
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】高健, 梁航, 陳云, 賀云波, 張昱, 湯暉, 陳新
【申請人】廣東工業大學