机器视觉计量:在3D世界中没有什么是理所当然的

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规定的公差内制造时执行一些计量任务。

然而，大多数被认为主要是计量系统的机器视觉系统专注于毫米到纳米范围的高分辨率测量。这些系统使用各种各样的方法，从激光线三角测量到条纹投影和干涉测量的最高分辨率系统。

但这不仅仅是测量一个物体。计量应用程序必须了解其测量能力的极限，以决定系统是否能够被认为足够精确，以完成手头的任务。吞吐量对所有行业和机器视觉计量系统也是至关重要的。机器视觉系统不希望成为生产过程中的瓶颈。

“在法庭上，一个人在被证明有罪之前都是假定无罪的，”Michael Guzik说，他是精密自动化专家DWFritz的高级软件工程师。“但在使用计量时，你必须假定自己有罪，直到被证明无罪为止。你不能把一个系统建立在假设上;你必须证明它的性能。”

3D测量的需求增加

Joost van Kuijk是该公司的营销和技术副总裁，他说:“我们现在对2D计量系统的需求没有3D计量系统那么大。Adimec(荷兰埃因霍温)。“不只是做X和Y的测量，你添加高度信息，从中可以计算体积测量。所以3D视觉测量背后总有一种算法，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五种方法中的一种，按空间分辨率排序:

• 飞行时间(ToF)机器视觉系统，测量光传播到一个表面，然后返回到接收摄像头的时间;
• 图像处理算法直接从一幅或多幅可视图像中提取测量信息的绝对测量;
• 适用于精度要求在1毫米左右的应用的激光三角测量;
• 要求微米精度的条纹投影系统;和
• 具有纳米级亚像素精度的干涉测量系统，测量两束激光束之间的相位差来测量特定的点。

与每一个机器视觉系统一样，计量客户想要最大的吞吐量和最大的准确性。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，提供相对低分辨率的大型物体的测量精度，测量精度通常以厘米为单位。绝对测量可以在小视场实现亚毫米精度。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(如热和湿度)而变化。激光三角测量很好地理解和匹配许多工业需求。

说到基于条纹投影法的测量系统，Adimec的van Kujik表示，该工业相机制造商的重点是开发分辨率在几百万像素的快速相机，以便在相对较大的视场中进行以微米为单位的高精度测量。最后，当涉及到精确到纳米级的干涉测量系统时，使用摄像机记录参考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率和均匀的像素到像素响应，以提高测量精度。

谈到条纹投影和干涉测量，van Kujik补充说:“根据测量方法，客户希望获得更精确的照明触发、CCD像素质量、CMOS传感器速度、均匀性和图像校正。”“所有这些都会影响你的计量系统的准确性。如果你开发的系统接近于计量系统的极限，那么光电系统越好，你的竞争优势就越大。”

而当地平面场校正值存储在一个相机的查找表(附近地区)对中等精度计量和通用机器视觉系统,顾客想要推动机器的计量需要建立图像的边缘与特定的传感器和镜头校正在决赛中他们将使用系统,使用全局平场校正来校正透镜中的伪影、阴影等。

van Kujik总结道:“如果你有5个不同的镜头和5个滤光片，那么你需要25个单独的全球平场校正。”“另一种选择是使用非常大的计算机实时进行校正，这将需要很大的计算能力。”

晶圆扭曲检查:有罪直到证明无罪

半导体晶片检测是一个不断推动机器视觉测量的应用。对于一些晶圆产品，如喷墨打印机的打印头，制造过程会在脆弱的晶圆上蚀刻凹槽。这可能导致晶圆片出现明显的“弯曲”或翘曲，使关键特征的3D测量更具挑战性，因为翘曲效应会随点变化。

DWFritz Automation公司开发了一个系统，该系统采用多机器视觉步骤结合点干涉测量和校准技术来精确测量扭曲的晶圆。

DWFritz的Guzik解释说:“我们使用传统的机器视觉来定位模具的基准和特征，并对齐晶圆。”“作为过程的一部分，我们使用内置目标校准系统，以确定摄像机倾斜和倾斜，以及晶圆围绕Z轴的旋转，这样我们就可以知道沿晶圆的点和高度上摄像机、激光器和工作台之间的几何关系。”

在支撑晶圆的精密X/Y工作台的上方和下方放置高分辨率摄像机。顶部的摄像机定位基准，并帮助系统为下部摄像机定位晶片，下部摄像机共享Micro Epsilon激光轮廓仪ToF光束。该机器视觉系统采用下单激光探针测量三维的关键特征，而X-Y干涉测量系统测量晶圆当前的位置，所有的运动。

为什么要结合技术?Guzik解释道:“我们所关注的特性对于Z测量来说并不是非常友好的机器视觉，我们是在亚微米级别进行测量。想象一下(对于机器视觉成像系统来说)只有几百微米宽和深度的狭窄沟槽，实际上是不可能被照亮的。激光可以给我们一维的高度测量值，而我们使用带X, Y表的干涉仪系统给我们其他维度的测量值。把它们整合在一起，我们就能获得所需的准确性和速度。”

为了适应晶圆的弯曲和翘曲，两个摄像机都被放置在z轴线性平台上，这样摄像机可以重新定位，沿不断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，如果环境条件发生重大变化，将告诉系统重新校准。

Guzik总结道:“当你在小范围内工作时，没有一个测量系统是完美的。”“你必须通过重复性和可靠性测试来验证系统的准确性。您需要开发一个系统，该系统不仅要进行度量，而且要意识到其自身的性能限制，并且可以根据不断变化的条件进行调整。当我们能向客户展示这一点时，我们就能高度保证他们会满意。”