CN108305231B - 一种无掩膜光刻技术中的镜头畸变矫正方法 - Google Patents
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Abstract
一种无掩膜光刻技术中的镜头畸变矫正方法，包括以下步骤：1、根据DMD微镜面积的大小，计算在微镜中图像上每个像素点与图像中心点的实际距离；2、通过镜头与DMD微镜之间的距离和像素点与中心点的距离计算像素点与光轴的角度；3、根据镜头出厂时的畸变参数计算每个像素点的畸变量；4、利用计算得到的畸变量修正原始图像，得到预畸变图像。本发明可以大幅度矫正因光学系统导致的图像畸变，避免由于光学镜头生产中本身误差因素而带来的缺陷，更加精确的实现PCB线路曝光。
Description
技术领域
本发明属于印刷电路板行业无掩模光刻技术领域，具体涉及一种无掩膜光刻技术中的镜头畸变矫正方法。
背景技术
无掩膜光刻技术是下一代平行光曝光设备的主要发展方向，将有逐步取代掩膜曝光的趋势。其实现主要是将工程设计的PCB线路图通过DMD系统均匀无失真的投射在预曝光的基材上。其中需要通过光学设计,将UV LED光转换为均匀的平行光线，为DMD提供优质的光源。最终对PCB线路图分解后，经过曝光镜头的光学系统投影到光刻胶上，并结合运动控制技术实现精准图像定位,使图像和图像间无缝连接，形成要求的曝光图形。
无掩膜光刻系统采用DMD进行投影，此外还需要通过镜头实现放大图像、调焦、对焦等功能。在镜头设计和制造过程中存在一定程度的光学误差，因此会导致投影到光刻胶上的曝光图像产生非线性畸变，使得后续工艺上很难完成多帧图像间的无缝拼接，大大降低了PCB线路生产的精度。
目前关于DMD镜头畸变矫正的方法主要有两个思路：一种是从光学系统上，生产制造中来调高镜头光学系统的精度；另一种是采用软件对投影图像进行预畸变处理，当预畸变后的投影图像经过镜头的方向畸变后，得到一幅矫正后在误差允许范围内的图像，从而弥补镜头在生产制造过程中的缺陷，降低光刻系统成本，提高系统的精度需求。
一般来说，镜头出厂时会进行一些相关测试，可以获取到一组入射角度与畸变量相关关系的数据。通过该数据，结合DMD微镜阵列和待曝光图像之间的映射关系，利用三次样条插值算法可以精确的计算出每个像素点的畸变量，最终完成整幅图像的预畸变处理，提高投影后图像的精度。
发明内容
为了克服上述现有技术中曝光镜头制造上的缺陷，本发明的目的是提供一种提出一种基于DMD的无掩模光刻技术中镜头畸变矫正方法，根据镜头出厂参数和光路的可逆性原理，计算图像经过镜头投影产生的非线性畸变量，然后利用得到的畸变量，并结合图像中像素点在所建立的图像坐标系中的位置，求得畸变量在水平方向和垂直方向的投影，最后进行反向移位得到最终的预畸变图像。用于对投影图像进行方向预畸变处理，降低对DMD镜头精度的要求，从而降低光刻系统成本，可以用于在投影因镜头光学系统导致畸变的多种场合。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种无掩模光刻技术中的镜头畸变矫正方法，包括以下步骤：
步骤1、根据DMD微镜的面积和图像的尺寸，按照映射关系计算在DMD微镜中图像上每个像素点与中心点的距离aij；
1)建立以图像的中心点作为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴建立图像坐标系xO2y，然后计算像素点在图像坐标系中的坐标(i，j)；
2)根据DMD微镜面积与图像尺寸之间的映射关系，即如果图像进行完全投影，则在投影时图像将等比变换为DMD微镜的大小，因此利用像素点的位置计算出像素点与图像中心的实际距离aij；
步骤2、根据镜头出厂参数计算得出镜头与DMD微镜之间的水平距离b，然后结合第一步中得到的图像上每个像素点与中心点的距离aij，然后利用反三角函数计算得出每个像素点与镜头光轴的夹角θij；
步骤3、根据镜头出厂时的畸变参数和每个像素点与光轴的夹角θij计算得到每个像素点的畸变量zij，并且利用像素点的位置计算得到在水平方向上的畸变量xij和垂直方向上的畸变量yij；
1)根据镜头出厂参数可知，镜头的非线性畸变与入射光线与镜头光轴的夹角有关，具体畸变量与变化曲线如图1所示，因此可以利用三次样条插值算法拟合出第二步中获得的夹角θij产生的非线性畸变量zij；
2)利用像素点的位置计算畸变量zij在水平方向上的投影xij和垂直方向上的投影yij，具体计算公式为：
步骤4、在于保证印刷电路板图像信息不丢失的情况下，根据第三步中得到的水平和垂直方向上的畸变量(xij，yij)对原始图像中的像素点进行反向移位处理，从而得到预畸变图像。
本发明的有益效果是：
本发明使用基于通过镜头出厂导出的畸变参数值，结合三次样条插值法，计算出每个像素点对应的畸变量(xij，yij)，即可对待曝光图像进行对应的预畸变处理，利用预畸变处理后的图片，从而矫正DLP经光学系统投影后的图像畸变，提高了PCB线路图曝光过程的精度。通过计算每个像素点的畸变参数值，进行反向预畸变处理得到最终预畸变后的图片，可以保证投影出来的图片满足工业生产需求，避免由于光学镜头生产中本身误差因素而带来的缺陷，可以降低对镜头采购精度的要求，节约生产成本。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2是本发明中入射光线与镜头光轴的夹角与畸变量的曲线图。
图3是本发明镜头坐标系和图像坐标以及预畸变量计算示意图。
图4是本发明的测试的一副标准投影帧图像。
图5是本发明的对标准投影帧图像预畸变处理后的帧图像。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步阐述，但是本发明不局限于以下实施。
如图1所示，一种无掩模光刻技术中的镜头畸变矫正方法，包括以下步骤：
步骤1、根据DMD微镜的面积和图像的尺寸，按照映射关系计算在DMD微镜中图像上每个像素点与中心点的距离aij；
1)建立以图像的中心点作为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴建立图像坐标系xO2y，然后计算像素点在图像坐标系中的坐标(i，j)；
2)根据DMD微镜面积与图像尺寸之间的映射关系，即如果图像进行完全投影，则在投影时图像将等比变换为DMD微镜的大小，因此利用像素点的位置计算出像素点与图像中心的实际距离aij；
步骤2、根据镜头出厂参数计算得出镜头与DMD微镜之间的水平距离b，然后结合第一步中得到的图像上每个像素点与中心点的距离aij，然后利用反三角函数计算得出每个像素点与镜头光轴的夹角θij；
步骤3、根据镜头出厂时的畸变参数和每个像素点与光轴的夹角θij计算得到每个像素点的畸变量zij，并且利用像素点的位置计算得到在水平方向上的畸变量xij和垂直方向上的畸变量yij；
1)根据镜头出厂参数可知，镜头的非线性畸变与入射光线与镜头光轴的夹角有关，具体畸变量与变化曲线如图1所示，因此可以利用三次样条插值算法拟合出第二步中获得的夹角θij产生的非线性畸变量zij；
2)利用像素点的位置计算畸变量zij在水平方向上的投影xij和垂直方向上的投影yij，具体计算公式为：
步骤4、在于保证印刷电路板图像信息不丢失的情况下，根据第三步中得到的水平和垂直方向上的畸变量(xij，yij)对原始图像中的像素点进行反向移位处理，从而得到预畸变图像。
实施例
如图3所示，步骤1、根据DMD微镜阵列大小和图像的尺寸，按照映射关系计算在DMD微镜中图像上每个像素点与中心点的距离aij；
1)并结合上述步骤，DMD微镜阵列大小视DLP型号而定，不同型号DLP对应微镜阵列略有不同，以DLP4500为例，微镜阵列封装尺寸9.1mm x 20.7mm。图像的尺寸为1280*800，由此计算出微镜中心到微镜边缘顶点距离为aij。
步骤2、通过镜头出厂参数，如图2所示，计算镜头与DMD微镜之间的水平距离b，结合上述步骤中得到的aij可知图像中每个像素点与镜头光轴的夹角θij；
1)根据镜头出厂参数可知，镜头的非线性畸变与入射光线与镜头光轴的夹角有关，具体畸变量与变化曲线如图3所示，因此可以利用三次样条插值算法拟合出第二步中获得的夹角θij产生的非线性畸变量zij；
2)利用像素点的位置计算畸变量zij在水平方向上的投影xij和垂直方向上的投影yij，具体计算公式为：
步骤3、在于保证印刷电路板图像信息不丢失的情况下，根据第三步中得到的水平和垂直方向上的畸变量(xij，yij)对原始图像中的像素点进行反向移位处理，从而得到预畸变图像，如图5所示。最终可以保证经DLP投影后的曝光图片满足线路板生产需求，并取得良好效果。
本发明的实际效果可以通过以下实验进一步说明。
1.实验条件及内容说明：
本实验采用DLP4500平台进行图像投影曝光，DMD微镜阵列封装尺寸9.1mm*20.7mm，待曝光图像大小为1280*800，图像采用PC端HDMI接口传输到DLP，曝光时长为6s。
为了方便测试，待曝光图像采用“回”字形线条，如图4所示，设置线条宽度为由外到内从1个像素递增至8个像素，并在图像中间设置“十”字基准线(中间畸变基本可忽略)。实际测试数据如下表：
表一测试数据
2.实验结果说明：
实验测量数据分别为“回”字最外层上边长，下边长及“十”字与外边相交两点长；“回”字最外层左边宽，右边宽及“十”字与外边相交两点宽，依据公式：
结合表一，可以求出未经过预畸变处理图像投影后的图像，上边长、下边长误差百分比分别为0.2465％、0.2181％，左边长、右边长误差百分比分别为0.1897％、0.2155％，预畸变处理图像投影后的图像上边长、下边长误差百分比分别为0.0497％、0.0674％，左边长、右边长误差百分比分别为0.0544％、0.0744％。由此可得，经过预畸变处理后的图像，可以大幅度矫正因光学系统导致的图像畸变。
Claims (1)
1.一种无掩模光刻技术中的镜头畸变矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据DMD微镜的面积和图像的尺寸，按照映射关系计算在DMD微镜中图像上每个像素点与中心点的距离aij；
1)建立以图像的中心点作为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴建立图像坐标系xO2y，然后计算像素点在图像坐标系中的坐标(i，j)；
2)根据DMD微镜面积与图像尺寸之间的映射关系，即如果图像进行完全投影，则在投影时图像将等比变换为DMD微镜的大小，因此利用像素点的位置计算出像素点与图像中心的实际距离aij；
步骤2、根据镜头出厂参数计算得出镜头与DMD微镜之间的水平距离b，然后结合步骤1中得到的图像上每个像素点与中心点的距离aij，然后利用反三角函数计算得出每个像素点与镜头光轴的夹角θij；
步骤3、根据镜头出厂时的畸变参数和每个像素点与光轴的夹角θij计算得到每个像素点的畸变量zij，并且利用像素点的位置计算得到在水平方向上的畸变量xij和垂直方向上的畸变量yij；
1)根据镜头出厂参数可知，镜头的非线性畸变与入射光线与镜头光轴的夹角有关，因此利用三次样条插值算法拟合出步骤2中获得的夹角θij产生的非线性畸变量zij；
2)利用像素点的位置计算畸变量zij在水平方向上的投影xij和垂直方向上的投影yij，具体计算公式为：
步骤4、在于保证印刷电路板图像信息不丢失的情况下，根据步骤3中得到的水平和垂直方向上的畸变量(xij，yij)对原始图像中的像素点进行反向移位处理，从而得到预畸变图像。
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