CN101216681B - 机器视觉动态标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机器视觉动态标定方法，用于步进光刻机的机器视觉对准系统的标定，其方法如下：按照一定路径定点驱动步进光刻机的机器视觉对准系统自身运动定位平台；通过CCD摄像机连接成像镜头，对准运动定位平台以获取CCD摄像机视场内跑过的每个标记点的图像；利用图像采集卡采集CCD摄像机图像输入控制计算机处理，获取每个标记点的图像像素坐标，在获取每个标记点的图像像素坐标的同时记录下对应的运动定位平台的物理坐标；将以上各个标记点的图像像素坐标和对应的运动定位平台物理坐标作为数据成对输入控制计算机，通过机器识别系统内的标定算法程序完成对机器视觉对准系统的标定。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉系统的标定领域，尤其是关于一种用于步进光刻机的机器视觉动态标定方法。
背景技术
对准系统是半导体光刻设备非常重要的一个核心分系统，其对准精度的高低往往直接决定了半导体光刻设备所能达到的套刻精度。步进光刻机用于集成电路生产的前道非关键层工艺及后道封装工艺，相对于制作前道关键层工艺的扫描光刻机，其套刻精度要求相对较低，故目前步进光刻机的对准系统一般采用广泛应用于工控等各个行业的机器视觉系统，以简化光刻设备的结构复杂度和降低加工制造成本。通常机器视觉系统由待测工件、照明光源、成像镜头、CCD摄像机、图像采集卡及图像处理包组成，其中不可避免的要涉及机器视觉系统的标定方法及相关标定算法。
机器视觉系统的标定，是指建立CCD摄像机图像像素位置与被测物所在三维空间位置之间的关系。机器视觉系统所用的CCD摄像机，主要用于拍摄被测物体图像，然后保存到计算机系统内，计算机系统再进行相应的处理。而高精度机器视觉系统的标定，是保证机器视觉系统高精度、高可靠性的前提和基础，它可以矫正和补偿由于镜头畸变和CCD摄像机安装误差等因素所带来的系统失真，提高系统的测量精度及可靠性。
通常的机器视觉标定方法，是采用一块相对精度比较高的标定板，如附图2为机器视觉系统常用静态标定板的示意图，在标定板上有许多已知物理坐标的标定点，CCD摄像机对标定板进行拍摄并保存图像，然后通过特定的图像程序对图像进行处理，获取各个标定点的图像像素坐标，再将这些标定点的图像像素坐标和其相应的物理坐标成对输入，通过标定算法程序对此机器视觉系统进行标定。
但是采用上述静态标定板进行机器视觉系统标定存在以下缺陷：
1.首先，必须要有满足精度要求的高精度标定板。虽然相对于扫描光刻机，步进光刻机对于对准系统的精度要求低的多，然而市面上常用的标定板的精度通常为微米级别，而步进光刻机所要求的标定板精度在纳米级别，差距较大，远远满足不了需求，这就需要额外定制高精度的标定板，从而导致对准系统的成本比较高。
2.其次，图像处理程序复杂。需要有专门的程序对标定板上的标定点进行像素坐标的提取，由于如此大量标定点的形状是相同的，因此首先对图像进行分割才能再提取，为保证精度，提取的标定点图像位置精度要求达到亚像素级别，这样都增加了系统的复杂程度和实现难度。
3.标定板固定于运动的定位平台上，长时间的使用会使标定板受到污染和磨损，从而导致标定点图形质量下降，直接影响标定点的位置提取精度，最终影响机器视觉系统的对准测量精度。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有的技术问题，采用一种动态标定的方法进行机器视觉的标定，充分利用步进光刻机自身所带的高精度运动定位台，从而摆脱静态标定板标定所带来的各种限制。为实现上述目的，本发明提供了一种用于步进光刻机的机器视觉动态标定系统及方法。
本发明所述的机器视觉动态标定系统包括：
可高精度驱动的运动定位平台；对准运动定位平台的成像镜头；连接成像镜头的CCD摄像机；用于采集CCD摄像机图像的图像采集卡；控制计算机以及可驱动运动定位平台的运动控制器。
控制计算机通过图像采集卡从CCD摄像机获取采集图像数据，并采用一定的标定算法模型进行处理。同时也通过运动控制器驱动运动定位平台，决定其运动路径。
本发明所述的机器视觉动态标定方法如下：
按照一定路径定点驱动步进光刻机的机器视觉对准系统自身的高精度运动定位平台，其定点驱动，首先设定一起始位，然后按照特定路径跑完所有预设标记点，定点驱动路径可以为螺旋形运动路径、弓字形运动路径、逐行单向运动路径等。
通过CCD摄像机连接成像镜头，对准运动定位平台以获取每个标记点的图像；利用图像采集卡采集CCD摄像机图像输入控制计算机处理，获取每个标记点的图像像素坐标，同时记录下此时对应的运动定位平台的物理坐标；将以上各个标记点的图像像素坐标和对应的运动定位平台物理坐标作为数据成对输入控制计算机，通过特定标定算法程序从而完成对机器视觉对准系统的标定。
本发明较好地完成了对机器视觉对准系统进行动态标定的功能，充分利用步进光刻机已有的高精度运动定位平台，不需要定制昂贵的高精度标定板，节约成本，同时降低了系统的复杂度。相对于通常使用标定板的静态标定方法，具有以下优势：
1.不需要额外的标定板，充分利用现成的运动定位平台，降低了成本。
2.图像处理程序简化，降低系统的复杂度。
3.不会因标定板的长期使用而降低机器视觉系统的标定精度。
附图说明
图1为本发明所述的步进光刻机机器视觉对准系统的动态标定系统示意图。
图2为机器视觉系统常用静态标定板示意图。
图3为对准标记在摄像机视场内运动的外螺旋形路径示意图。
图4为对准标记在摄像机视场内运动的内螺旋形路径示意图。
图5为对准标记在摄像机视场内运动的弓字形路径示意图。
图6为对准标记在摄像机视场内运动的逐行单向路径示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种对步进光刻机的机器视觉对准系统进行校准标定的动态标定系统与方法。下面结合说明书附图，针对步进光刻机机器视觉对准系统进行标定需要解决的问题，详细阐述本发明技术方案的一个具体实施例的实现。
图1是本发明所述步进光刻机机器视觉对准系统的动态标定系统示意图，机器视觉动态标定系统由高精度的运动定位平台1，成像镜头2，CCD摄像机3，图像采集卡4，运动控制器5以及控制计算机6组成。运动定位平台1运动到某个起始位置停止，使得CCD摄像机所拍摄的视场包含选定的标记图像，使用模板匹配的方式获取标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标位置，同时记录下运动定位平台所对应的物理坐标位置，将这一对数据保存。再驱动运动定位平台按照一定的运动轨迹，运动到另一个位置，然后用同样的方法保存标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标位置和运动定位平台的物理坐标位置。如此循环，使得标记在整个CCD摄像机视场内均匀跑过，记录下这些成对的数据，最后将这些数据作为输入，通过标定算法程序完成对机器视觉对准系统的标定。
对准标记在CCD摄像机视场内的运动路径由控制计算机6通过运动控制器5控制运动定位平台1的移动而决定，路径的选择可视各种需要而确定，下面结合附图作进一步的举例说明。
图3是对准标记在摄像机视场内运动的外螺旋形路径示意图，首先驱动高精度运动定位平台1使得标记图像处于CCD摄像机视场中心附近的位置，停止运动定位平台并稳定，通过运动控制器5获取当前运动定位平台1的三维物理位置坐标(X，Y，Z)，再通过模板匹配的方式获取对准标记在CCD摄像机靶面上的亚像素级像素坐标位置，将运动定位平台1的物理位置坐标和标记在CCD摄像机靶面上的坐标作为一组数据保存。再驱动运动定位平台1向右运动一定间隔的距离，停止运动定位平台1并稳定，通过运动定位平台控制器5获取当前运动定位平台1的三维物理位置坐标，再通过模板匹配的方式获取标记在CCD摄像机靶面上的亚像素级像素坐标位置，将运动定位平台1的物理位置坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标作为一组数据保存。然后再驱动运动定位平台1向下运动一定间隔，同样记录下一组运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。再驱动运动定位平台1向左运动一定间隔，同样记录下一组运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。再驱动运动定位平台1向左运动一定间隔，再向上运动，每次都记录下一组运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。这样一直驱动运动定位平台1按照图3所示的外螺旋形运动轨迹运动一定的间隔，每次都记录下一组运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标，直到最后把标记在整个CCD摄像机视场内都均匀跑一遍，记录下所有位置的运动定位平台1物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。最后将这些数据作为输入，再通过标定算法程序完成对此机器视觉对准系统的标定。
图4是对准标记在摄像机视场内运动的内螺旋形路径示意图，首先驱动高精度运动定位平台1使得标记图像处于CCD摄像机视场左上角附近的位置，停止运动定位平台1并稳定，通过运动定位平台控制器5获取当前运动定位平台1的三维物理位置坐标，再通过模板匹配的方式获取标记在CCD摄像机靶面上的亚像素级像素坐标位置，将运动定位平台1的物理位置坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标作为一组数据保存。再驱动运动定位平台1向右运动一定间隔，同样记录下一组运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。然后再驱动运动定位平台1继续向右运动一定间隔，同样记录下一组运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。当标记到达CCD摄像机视场右上角位置时，再转为驱动运动定位平台1使得标记向下运动，按照图4所示的内螺旋形运动，每次都记录下运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。直到最后把标记在整个CCD摄像机视场内都均匀跑一遍，记录下所有位置的运动定位平台1物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。最后将这些数据作为输入，再通过标定算法程序完成对此机器视觉对准系统的标定。
图5是对准标记在摄像机视场内运动的弓字形路径示意图，首先驱动高精度运动定位平台1至使得标记图像处于CCD摄像机视场左上角附近的位置，停止运动定位平台1并稳定，通过运动定位平台控制器5获取当前运动定位平台1的三维物理位置坐标，再通过模板匹配的方式获取标记在CCD摄像机靶面上的亚像素级像素坐标位置，将运动定位平台1的物理位置坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标作为一组数据保存。再驱动运动定位平台1向右运动一定间隔，同样记录下一组运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。然后再驱动运动定位平台1继续向右运动一定间隔，当标记到达CCD摄像机视场右上角位置时，再转为驱动运动定位平台1使得标记向下运动一定间隔，然后再驱动运动定位平台1向左运动，到达最左边后再向下运动，再向右运动，按照图5所示的弓字形轨迹运动，每次都记录下运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。直到最后把标记在整个CCD摄像机视场内都均匀跑一遍，记录下所有位置的运动定位平台1物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。最后将这些数据作为输入，再通过标定算法程序完成对此机器视觉对准系统的标定。
图6是对准标记在摄像机视场内运动的逐行单向路径示意图，首先驱动高精度运动定位平台1至使得标记图像处于CCD摄像机视场左上角附近的位置，停止运动定位平台1并稳定，通过运动定位平台控制器5获取当前运动定位平台的三维物理位置坐标，再通过模板匹配的方式获取标记在CCD摄像机靶面上的亚像素级像素坐标位置，将运动定位平台1的物理位置坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标作为一组数据保存。再驱动运动定位平台1向右运动一定间隔，同样记录下一组运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。然后再驱动运动定位平台1继续向右运动一定间隔，当标记到达CCD摄像机视场右上角位置时，再转为驱动运动定位平台1使得标记运动到CCD摄像机视场左上角向下一定间隔位置，然后再驱动运动定位平台1向右运动，到达最右边后再回到左边向下一定间隔位置，再向右运动，按照图6所示的单方向运动轨迹，每次都记录下运动定位平台1的物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。直到最后把标记在整个CCD摄像机视场内都均匀跑一遍，记录下所有位置的运动定位平台1物理坐标和标记在CCD摄像机靶面上的像素坐标。最后将这些数据作为输入，再通过标定算法程序完成对此机器视觉对准系统的标定。
以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的机制作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
Claims (6)
1.一种机器视觉动态标定方法，用于步进光刻机的机器视觉对准系统的标定，其方法如下：
按照一定路径定点驱动步进光刻机的机器视觉对准系统自身运动定位平台；
通过CCD摄像机连接成像镜头，对准运动定位平台以获取CCD摄像机视场内跑过的每个标记点的图像，其中，标记点在整个CCD摄像机视场内均匀跑过；
利用图像采集卡采集CCD摄像机图像输入控制计算机处理，获取每个标记点的图像像素坐标，在获取每个标记点的图像像素坐标的同时记录下对应的运动定位平台的物理坐标；
将以上各个标记点的图像像素坐标和对应的运动定位平台物理坐标作为数据成对输入控制计算机，通过标定算法程序完成对机器视觉对准系统的标定。
2.如权利要求1所述的机器视觉动态标定方法，其特征在于所述的步进光刻机的机器视觉对准系统的自身运动定位平台，可进行高精度的移动定位。
3.如权利要求1所述的机器视觉动态标定方法，其特征在于所述运动定位平台的定点驱动，首先设定一起始位，然后驱动运动定位平台按照外螺旋形路径或内螺旋形路径或弓字形路径或逐行单向路径运动，使得所述标记点跑完所有预设标记点。
4.如权利要求1或2所述的机器视觉动态标定方法，其特征在于，运动定位平台的定点驱动路径可以为螺旋形运动路径。
5.如权利要求1或2所述的机器视觉动态标定方法，其特征在于，运动定位平台的定点驱动路径可以为弓字形运动路径。
6.如权利要求1或2所述的机器视觉动态标定方法，其特征在于，运动定位平台的定点驱动路径可以为逐行单向运动路径。
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