面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準(zhǔn)檢測方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準(zhǔn)檢測方法與裝置。該方法采用基于棱鏡的同軸對準(zhǔn)激光共聚焦檢測實現(xiàn)目標(biāo)零件和基體零件的實時共像檢測，將激光共聚焦高精度檢測引入微器件的高精度對準(zhǔn)檢測過程中，檢測精度突破傳統(tǒng)顯微光學(xué)成像衍射極限，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測精度優(yōu)于1微米。同軸對準(zhǔn)棱鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計是保證激光共聚焦檢測目標(biāo)零件和基體零件相對位置誤差的關(guān)鍵。采用等腰直角三角棱鏡的兩次反射實現(xiàn)目標(biāo)零件和基體零件在激光共聚焦像平面的共像，為微器件的裝配對準(zhǔn)過程的相對位置誤差的檢測計算提供保證。結(jié)合高精度的基體零件夾持精確調(diào)整平臺和目標(biāo)零件夾持機(jī)械直線位移臺，該檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)亞微米精度的裝配對準(zhǔn)精度。
【專利說明】面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準(zhǔn)檢測方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準(zhǔn)檢測方法與裝置，特別涉及微小型結(jié)構(gòu)的檢測、幾何光學(xué)對準(zhǔn)檢測光路設(shè)計，屬于微檢測、微操作及微器件高精度裝配領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]對于微器件的高精度裝配而言，目標(biāo)零件和基體零件在裝配過程中相對位置關(guān)系的精確檢測是實現(xiàn)微小型器件高精度裝配的關(guān)鍵步驟之一。目標(biāo)零件和基體零件對準(zhǔn)檢測精度的高低直接影響微器件整體裝配精度，對提高微器件裝配成功率和精度有著至關(guān)重要的作用。采用傳統(tǒng)的單目、雙目或多目顯微機(jī)器視覺的方法來檢測和定位空間中兩個裝配與待裝配零件之間的空間圖像位置信息，會受到微器件的夾持調(diào)整機(jī)構(gòu)、照明光源與顯微視覺系統(tǒng)自身工作距離的限制，而且無法突破光學(xué)衍射極限，檢測對準(zhǔn)的精度受到自身系統(tǒng)的限制，提高也非常困難。
[0003]天津大學(xué)申請?zhí)枮?200910069739.7的專利設(shè)計了一種用于微靶球裝配檢測的“基于時間差法的共聚焦激光測頭”，該測頭的主體機(jī)構(gòu)，包括激光器、分光棱鏡、音叉透鏡、線圈組件及置于光電接收器套筒的光電接收器。該專利解決了共聚焦側(cè)頭測量光斑過大的技術(shù)難題，縮小了測頭的體積。在實際的測量過程中采用雙測頭上下布置的方式，實現(xiàn)兩路激光共聚焦側(cè)頭同軸差動式的測量方法。激光共聚焦測量系統(tǒng)的測量不確定度約為± 1.2 μ m。
[0004]德國Karl Suss公司開發(fā)的FC系列貼片機(jī)采用了視覺對位，該對位檢測系統(tǒng)使用了兩個CCD鏡頭來實現(xiàn)芯片和基底上對位標(biāo)記的對準(zhǔn)，從而通過高精度平臺的移動實現(xiàn)芯片與基底的對準(zhǔn)。一個CCD用于將電子器件與基底面調(diào)平，另一個通過物鏡、偏振分光鏡實現(xiàn)芯片和基底的圖像同畫面獲取，X，Y方向?qū)?zhǔn)精度可達(dá)到2μπι，轉(zhuǎn)角精度可達(dá)到±0.02。。
[0005]從目前國內(nèi)外基于機(jī)器視覺的微裝配領(lǐng)域的研究成果來看，針對裝配對象的目標(biāo)和基體零件的裝配對準(zhǔn)檢測提出許多不同的方案，采用采用單目顯微視覺系統(tǒng)，只能在某方向觀測零件空間位置信息，無法得到零件的三維空間確切位姿信息，因而無法完成結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜的零件的操作和裝配。
[0006]總體來說，隨著微裝配理論的不斷發(fā)展，近年來國內(nèi)外在基于顯微機(jī)器視覺的微器件裝配精確對準(zhǔn)實現(xiàn)方法方面取得了很大的進(jìn)步，但諸多研究成果幾乎都是基于傳統(tǒng)的顯微機(jī)器視覺檢測方法，或是其方法的改進(jìn)，個別系統(tǒng)采用更高精度的檢測手段，但缺乏相對比較好的通用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準(zhǔn)檢測方法與裝置，該方法采用激光共聚焦顯微鏡為檢測核心，設(shè)計同軸光學(xué)檢測模塊，利用單目測量的模式來實現(xiàn)微器件裝配過程中目標(biāo)零件和基體零件相對位置誤差的精確檢測，并實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。其檢測可以突破光學(xué)衍射極限，檢測識別精度達(dá)到亞微米。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準(zhǔn)檢測方法與裝置，主要包括同軸光學(xué)檢測棱鏡、棱鏡夾持器、棱鏡誤差調(diào)整模塊、激光共聚焦測量顯微鏡、控制計算機(jī)五個部分。對于本發(fā)明而言，同軸對準(zhǔn)光學(xué)模塊是保證最終檢測精度的關(guān)鍵，該模塊主要選用兩塊相同的等腰直角三角棱鏡，在其中的一塊的兩個直角面鍍?nèi)瓷淠?，另外的一塊的斜面鍍?nèi)瓷淠?，反射膜選擇針對激光光源波段的全反射膜，鍍膜面的反射率可大于90%。
[0009]棱鏡的誤差調(diào)整采用6自由度高精度直線位移臺、偏轉(zhuǎn)角度和水平角度調(diào)整臺，通過棱鏡夾持器與支撐桿和棱鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)剛性連接，六個自由度可以實現(xiàn)棱鏡的全方位調(diào)
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[0010]激光共聚焦測量顯微鏡固定在二維直線位移臺上，可以實現(xiàn)激光共聚焦在水平和豎直方向的調(diào)整，激光共聚焦的測頭在豎直方向的運動保證了對于在垂直方向有高度差的零件能夠保證有效的檢測。對于基體零件夾持運動平臺，在其下方布置了大范圍的直線位移臺，保證能夠?qū)α慵庑纬叽巛^大的零件進(jìn)行檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1激光共聚焦同軸對準(zhǔn)檢測系統(tǒng)總體框圖；
[0012]圖2激光共聚焦同軸對準(zhǔn)光路原理圖；
[0013]圖3激光共聚焦同軸對準(zhǔn)棱鏡機(jī)構(gòu)誤差調(diào)整結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖4激光共聚焦同軸對準(zhǔn)棱鏡產(chǎn)生棱脊偏轉(zhuǎn)和傾斜圖；
[0015]圖5激光共聚焦同軸對準(zhǔn)棱鏡端面光路圖；
[0016]圖6激光共聚焦同軸對準(zhǔn)檢測裝配流程圖。
【具體實施方式】
[0017]結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明:
[0018]一、激光共聚焦同軸精確對準(zhǔn)檢測系統(tǒng)
[0019]激光共聚焦同軸對準(zhǔn)檢測系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，實現(xiàn)微器件最終裝配的宏動機(jī)械手I的目標(biāo)零件夾持卡具和微動機(jī)器人的基體零件夾持夾具。機(jī)器人I和機(jī)器人2都受總控計算機(jī)的操作控制，目標(biāo)零件的機(jī)械手可以實現(xiàn)大范圍的宏運動，從上料機(jī)構(gòu)位置開始到裝配對準(zhǔn)初始位置，這部分主要采用普通顯微光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)可以實現(xiàn)較大檢測視場范圍，在大視場條件下實現(xiàn)目標(biāo)零件和基體零件的初始對準(zhǔn)和定位，傳統(tǒng)的顯微光學(xué)檢測系統(tǒng)為后續(xù)的激光共聚焦精確測量提供了有效的保證。激光共聚焦測量顯微的檢測視場很小，無法全部獲取目標(biāo)零件和基體零件的裝配對準(zhǔn)關(guān)鍵特征圖像。
[0020]二、激光共聚焦同軸精確對準(zhǔn)檢測光路原理
[0021 ] 激光共聚焦同軸精確對準(zhǔn)檢測光路原理如圖2所示，棱鏡A和B是采用K9玻璃加工的等腰直角三角棱鏡，分別在棱鏡A的兩條直角邊和棱鏡B的斜邊鍍和激光共聚焦激光光源波長相等或接近的鍍膜，該鍍膜可以實現(xiàn)大約96%激光反射率，目標(biāo)零件C和基體零件D分別位于棱鏡A的上方和下方，在進(jìn)行裝配對準(zhǔn)操作開始前須對目標(biāo)零件和基體零件進(jìn)行水平度的初始校準(zhǔn)，目標(biāo)零件C和基體零件D經(jīng)過棱鏡B的反射之后在激光共聚焦的像平面可以獲得目標(biāo)零件C和基體零件D的圖像。通過圖2的光路可以得到目標(biāo)零件C在激光共聚焦的像平面的像會發(fā)生180°的旋轉(zhuǎn)，基體零件D在激光共聚焦像平面的像和實際的物體在方向上是一致的。由于激光共聚的視場范圍比較小，采用該光路無法同時獲取目標(biāo)和基體零件的裝配對準(zhǔn)關(guān)鍵特征，在實際的檢測中保持棱鏡機(jī)構(gòu)的位置不變，移動激光共聚焦顯微鏡來二次掃描獲取基體零件D的圖像，采用圖像拼接的方法來計算其相對的位置誤差。
[0022]三、棱鏡夾持調(diào)整機(jī)構(gòu)及誤差分析
[0023]激光共聚焦同軸精確對準(zhǔn)檢測棱鏡夾持及調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖3所示，棱鏡采用一面定位，一面擠壓夾緊的方法來固定兩片獨立的三角棱鏡，以保持其相對位置的穩(wěn)定，對于該對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)來說棱鏡夾持的相對位置保持和穩(wěn)定性是最終的裝配精度的一個重要的因素，棱鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)是對棱鏡在安裝過程中可能產(chǎn)生的位移和角度偏差進(jìn)行微小的調(diào)整，是實現(xiàn)光學(xué)對準(zhǔn)模塊校準(zhǔn)的一個有效的手段。
[0024]理想狀況下，目標(biāo)零件和基體零件在三角棱鏡的垂直上方和下方，其在三角棱鏡的反射光路如圖4所示，目標(biāo)零件和基體零件經(jīng)過二次發(fā)射后成平行入射狀態(tài)。系統(tǒng)在裝配操作開始之前進(jìn)行光軸垂直度的校準(zhǔn)和攝像機(jī)的畸變校正，因此，對于此光學(xué)結(jié)構(gòu)，棱鏡的方位調(diào)整的精度是影響裝配對準(zhǔn)精度的關(guān)鍵因素。此光路的成像誤差來源于棱鏡系統(tǒng)的棱脊的偏轉(zhuǎn)和傾斜。在本系統(tǒng)對準(zhǔn)檢測棱鏡機(jī)構(gòu)中，采用旋擰擠壓棱鏡兩主端面的方式，并固定在專門的棱鏡誤差調(diào)整機(jī)構(gòu)上，對棱鏡體產(chǎn)生的微小誤差進(jìn)行調(diào)整，在實際的安裝固定過程中可能會產(chǎn)生如圖所示4所示的棱脊偏轉(zhuǎn)和傾斜。
[0025]如圖5所示，實際的反射棱鏡端面圖是一個等腰直角三角形，％和^btl和Id1分別表示理想狀況下，目標(biāo)零件和基體零件的入射和反射光線的單位矢量，η為反射面的單位法矢量(規(guī)定其方向指向反射面)。在直角坐標(biāo)系Oxyz中，因為零件上方和下方的零件通過棱鏡反射后具有對等性，選其中的入射光線％，反射光線ai和法線η分別用其在3個坐標(biāo)軸上的投影分量(方向余弦)表示，矢量形式的反射定律可表示成:
[0026]B1 = a0-2 (a0.η) η
[0027]在指定的坐標(biāo)系中，上述三個單位矢量可分別用其在三個坐標(biāo)軸上的投影分量(方向余弦)表示，即
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準(zhǔn)檢測方法與裝置，所述方法是基于激光共聚焦顯微測量的微裝配對準(zhǔn)關(guān)鍵特征識別檢測，對準(zhǔn)檢測精度能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)檢測的光學(xué)成像衍射極限，其對準(zhǔn)檢測精度優(yōu)于I微米。通過同軸對準(zhǔn)檢測可以實現(xiàn)實時檢測目標(biāo)零件和基體零件的裝配對準(zhǔn)相對位置誤差關(guān)系，其具體包括如下步驟: (1)基于同軸棱鏡對準(zhǔn)模塊的多自由度微裝配系統(tǒng)方案設(shè)計； (2)精確對準(zhǔn)同軸棱鏡模塊的設(shè)計、棱鏡的夾持及誤差調(diào)整； (3)同軸棱鏡對準(zhǔn)模塊中目標(biāo)零件與基本零件的運動夾持與激光共聚焦測量模塊的檢測光路設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同軸激光共聚焦測量檢測裝置，其特征在于: (I)兩個邊長為5mm的直角三角棱鏡，構(gòu)成激光共聚焦反射檢測光路，且光路的設(shè)計必須保證目標(biāo)零件和基體零件符合激光共聚焦測量顯微鏡的有效工作距離要求； (2 )兩個直角三角棱鏡必須在其中的一個直角棱鏡的兩個直角邊和另一個棱鏡的斜邊鍍針對激光共聚焦測量的激光器相同波長的反射膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同軸激光對準(zhǔn)檢光學(xué)棱鏡模塊的細(xì)微誤差調(diào)整，其特征在于: 對于該檢測對準(zhǔn)模塊，實現(xiàn)優(yōu)于I個微米的對準(zhǔn)檢測精度，設(shè)計了高精度的六自由度棱鏡誤差調(diào)整機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)微小偏轉(zhuǎn)角度和微小轉(zhuǎn)動的誤差補(bǔ)償和調(diào)整，以保證棱鏡對準(zhǔn)對整個系統(tǒng)精度的檢測要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同軸激光共聚焦精確對準(zhǔn)檢測的實現(xiàn)，其特征在于: 通過采用同軸激光共聚焦對準(zhǔn)檢測方法，實現(xiàn)采用單目激光共聚焦檢測目標(biāo)零件和基體零件的實時相對位置圖像信息，精確計算目標(biāo)零件和基體零件的相對位置誤差信息，相比較傳統(tǒng)的顯微光學(xué)檢測方法，激光共聚焦測量能夠提高檢測識別的精度，突破傳統(tǒng)光學(xué)檢測的衍射極限。
【文檔編號】G01B11/00GK103837080SQ201410081848
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】張之敬, 葉鑫, 唐永龍, 金鑫, 李燕, 劉盼 申請人:北京理工大學(xué)