CN109950191B - 一种双面对准的视觉系统及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面对准的视觉系统，用于实现空间上相对的两个被测物的对准功能，包括：相对的两个调整台，所述调整台相对的两个面上放置被测物A和被测物B；其中，所述被测物A和被测物B含有图形或者外形特征；对准测量单元，包括反射组件、转像组件、分光组件、成像前组、分束组件、成像后组、照明组件和光电转换组件；显示单元，用于将被测物A和被测物B对准之后的图形显示出来。本发明提供的一种双面对准的视觉系统及对准方法，提高了光能利用率和成像对比度，进而提高了对位精度；保证了空间上两面成镜像关系的被测物图形或外形特征能够成像重合于同一光电转换组件上；同时提高了被测物的对位效率。

Description

一种双面对准的视觉系统及对准方法

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，具体涉及一种双面对准的视觉系统及对准方法。

背景技术

在半导体芯片制造及光电器件的制造过程中，常常运用视觉对准系统，进行器件的定位和对准，随着半导体芯片上单位面积集成电路数量的增长，对于制造、组装及检测的精度要求越来越高，借助于视觉系统，可以显著提高此类器件的定位及对准精度。

其中一种对位方式，主要应用于两层器件之间的对准，通常器件呈上下布局，且上下层器件中包含镜像图形，实现上下对准的方式一般有两种：1)间接对准，通常安装两组视觉对位系统，即两套镜头和图形采集相机，并标定两套光学系统的位置，通过两个镜头分别对准两个器件，间接实现上下两层器件的对准，该方式中两套镜头的物面光轴可以同轴布局，也可以布局在不同的位置，只要标定两套光轴位置即可实现间接对准。2)直接对准，通过共用部分光路的一套光学系统实现上下器件标记重合对准，该方式可以通过一套镜头和采图相机实现，因而可以节约成本和降低系统复杂度，并减少因两套相机分辨率差异带来的成像误差。

然而现有的直接对准方式中，常用的对准方式如图1所示，反射镜104为折转光路，器件101经过多次反射和投射进入成像单元105，器件102通过分光镜103反射进入成像单元105。采用图1所述的直接对准设备及方法实现简单，但存在以下三个问题：(1)、不能在成像镜头中增加同轴光源，否则反射镜将大部分光源引入相机靶面，造成物面标记成像对比度下降，对准精度差；(2)、多次反射后，能量利用率低，其中一路光路的物面光能量只有1/4进入成像光路，同样成像对比度差；(3)、因镜像关系，上下两层的器件的标记成像在同一相机上时，在X方向上成倒像，在该方向上无法实现标记图形重合对准功能。

发明内容

本发明所采用的一种双面对准的视觉系统及对准方法，采用通同轴光源，提高了光能利用率和成像对比度，进而提高了对位精度；采用转像组件，确保空间上两面成镜像关系的图形或者外形特征能够重合在同一光电转换组件上；同时提高了被测物的对位效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种双面对准的视觉系统，用于实现空间上相对的两个被测物的对准功能，包括：

相对的两个调整台，所述调整台相对的两个面上放置被测物A和被测物B；其中，所述被测物A和被测物B相对的表面上具有可用于视觉成像的图形或者外形特征；

对准测量单元，包括反射组件、转像组件、分光组件、成像前组、分束组件、成像后组、照明组件和光电转换组件；其中，所述反射组件位于所述被测A和被测物B之间，所述分光组件位于所述反射组件的一侧，所述转像组件位于所述反射组件和分光组件之间，且位于其中一个被测物的光路上，所述成像前组位于所述分光组件的另一侧，所述成像前组远离分光组件的一侧依次为分束组件、成像后组和光电转换组件，所述照明组件发射的入射光依次经过所述分束组件和成像前组进入所述分光组件中被分为两个方向上的入射光，两个方向上的入射光分别经过反射组件到达被测物A和被测物B；从而使得被测物A和被测物B上的图形或者外形特征分别经过反射组件、分光组件、成像前组、分束组件和成像后组成像于所述光电转换组件，并重叠显示在显示单元上，其中一个被测物上的图形或者外形特征经过转像组件和转向组件被翻转180度，从而使得被测物A和被测物B中的图形或者外形特征在显示单元上重合；

显示单元，用于将被测物A和被测物B对准之后的图形或者外形特征显示出来。

进一步地，所述照明组件包括转折组件和照明后组，所述照明后组发射的入射光经过所述转折组件进入所述分束组件。

进一步地，所述视觉系统还包括辅助对位单元，所述辅助对位单元位于所述分光组件的上方或下方，所述辅助对位单元发射的激光依次经过所述分光组件和反射组件，在被测物A和被测物B的中心形成对位光斑。

进一步地，所述辅助对位单元包括激光光源和转折棱镜，所述激光光源发射的激光经过所述转折棱镜进入所述分光组件中。

进一步地，所述转像组件为五角棱镜。

进一步地，所述反射组件为直角棱镜，且所述直角棱镜的直角正对所述分光组件，使得所述被测物A和被测物B上的光线经过所述直角棱镜沿相同方向进入所述分光组件中。

进一步地，所述反射组件包括两个反射镜或者直角棱镜，且所述被测物A和被测物B上的光线经过各自对应的直角棱镜或反射镜沿相同方向进入所述分光组件中。

进一步地，所述分光组件上设置分束膜，用于将入射光拆分为两路。

本发明提供的一种采用双面对准的视觉系统进行对准的方法，包括如下步骤：

S01：分别调整被测物A和被测物B的焦面位置，使得被测A和被测物B能够在显示单元上清晰成像；

S02：在被测物A和被测物B中的图形或外形特征中选择相同的标记点M，保持被测物A不动，调整被测物B对应的调整台，使得被测物A和被测物B中的标记点M在显示单元上重合；

S03：在被测物A和被测物B中的图形或外形特征中选择相同的标记点N，保持被测物A不动，调整被测物B对应的调整台，使得被测物A和被测物B中的标记点N在显示单元上重合；

S04：在显示单元中观测被测物A和被测物B中的图形或外形特征是否重合，若重合，则进入步骤S05，若不重合，则返回步骤S02中；

S05：记录两个调整台的位置，结束对准工作。

进一步地，所述步骤S01之前还包括：打开辅助对位单元并分别调整两个调整台的位置，使得辅助对位单元发射的激光依次经过分光组件和反射组件，在被测物A和被测物B的中心形成对位光斑。

本发明的有益效果为：本发明采用同轴光源，通过分光组件和折转光路布局，提高了光能利用率和成像对比度，进而提高了对位精度；本发明还将其中一个被测物进行图形或者外形特征的翻转，保证了空间上两面成镜像关系的被测物图形或外形特征能够成像重合于同一光电转换组件上；同时采用辅助对位单元提高了被测物的对位效率。

附图说明

附图1为现有技术中直接对准的光路示意图。

附图2为本发明中一种双面对准的视觉系统的整体框架图。

附图3为本发明中双面对准的视觉系统的光路示意图。

附图4为本发明中分光组件和反射组件的示意图。

附图5为本发明中分光组件的示意图。

附图6为本发明中五角棱镜的示意图。

附图7为本发明一种对准的方法的流程图。

图中：1被测物A，2被测物B，3a被测物A上的图形，3b被测物B上的图形，3c显示单元上的图形，4光电转换组件，5成像后组，6分束组件，7成像前组，8转折组件，9照明后组，10分光组件，10a平面分光镜，101分束膜，11转像组件，12反射组件，12a反射镜，12b直角棱镜，13a被测物A的光路，13b被测物B的光路，21被测物A对应的调整台，23被测物B对应的调整台，25显示单元，30激光源，31转折棱镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

请参阅附图2和3，本发明提供的一种双面对准的视觉系统，用于实现空间上相对的两个被测物的对准功能，包括：

相对的两个调整台21和23，调整台相对的两个面上放置被测物A1和被测物B 2；其中，被测物A和被测物B相对的表面上具有可用于视觉成像的图形或者外形特征，如附图3中3a和3b所示。其中，调整台可以调整位于其上的被测物的X轴、Y轴和Z轴上位置以及竖直方向上的倾斜角度等等。

对准测量单元20，包括反射组件12、转像组件11、分光组件10、成像前组7、分束组件6、成像后组5、照明组件9和光电转换组件4；其中，反射组件12位于被测A 1和被测物B 2之间，分光组件10位于反射组件12的一侧，转像组件11位于反射组件12和分光组件10之间，且位于其中一个被测物的光路上，成像前组7位于分光组件10的另一侧，成像前组7远离分光组件10的一侧依次为分束组件6、成像后组5和光电转换组件4，照明组件9发射的入射光依次经过分束组件6和成像前组7进入分光组件10中被分为两个方向上的入射光，两个方向上的入射光分别经过反射组件12到达被测物A 1和被测物B 2；从而使得被测物A 1和被测物B 2上的图形3a和3b分别经过反射组件12、分光组件10、成像前组7、分束组件6和成像后组5成像于光电转换组件4，并重叠显示在显示单元25上。这里的图形3a和3b可以是被测物表面上的图形或者外形特征，附图3中以二者为镜像图形进行说明示范。这里的光电转换组件4具体可以为现有技术中的相机。其中，转像组件可以设置在任意一个光路上，如附图3所示，当其设置在被测物A的光路上时，被测物A 1上的图形3a经过转像组件和反射组件进行翻转180°，从而使得被测物A和被测物B上的镜像图形3a和3b在显示单元上重合为3c。值得说明的是，本发明中的转像组件可以位于被测物A的光路13a上，也可以位于被测物B的光路13b上，因为被测物A和被测物B上的图形是镜像图形，只要其中一个图形进行翻转，即可使得最终在显示单元上的图形重叠。本发明中附图均以转像组件位于被测物A光路上为例进行说明，当转像组件位于被测物B光路上时，其结构类似。请继续参阅附图3，本发明中照明组件包括转折组件8和照明后组9，照明后组9用于发射入射光，且照明后组9发射的入射光经过转折组件8进入分束组件6中。分束组件6再将该入射光一直传输至被测物A和被测物B上。转折组件将入射光的方向改变90°进入分束组件中，且照明组件可以如附图3所示，位于光路的上方，也可以位于光路的下方，只要实现使得入射光同轴进入光路即可。

可以看出，附图3中的整体光路图可分为三个部分，分别为①主成像光路，包括成像前组7、分束组件6、成像后组5和光电转换组件4，用于对分光组件汇集的两个光路同时进行成像，简化了成像光路的结构；②同轴照明光路，包括照明后组9、转折组件8，同时和主成像光路共用成像前组7，使得照明后组9发射的入射光依次经过转折组件8和分束组件6和成像前组，再进入分光组件中，本发明中的照明光路与成像光路同轴设置，可以检测高反射物的被侧面，使得视场内照明均匀，成像对比度高；③转折测量光路，包括反射组件12、转像组件11和分光组件10，用于将被测物A和被测物B的光路进行汇集到分光组件中；通过本发明设置的分光组件，可以减少被测物A和被测物B光路的转折反射次数，从而提高了光能利用率；同时采用转像组件使得两个成镜像关系的图形或者外形特征能够重合在一起，进一步提高了成像对比度。

请继续参阅附图3，本发明还包括辅助对位单元，辅助对位单元位于分光组件的上方或下方，辅助对位单元发射的激光依次经过分光组件和反射组件，在被测物A和被测物B的表面中心形成对位光斑。辅助对位单元可以实现预对位，因成像系统的分辨率高，其观测视场一般较小，通过该辅助对位单元可以提高对位的效率。具体的，辅助对位单元包括激光光源30和转折棱镜31，激光光源30发射的激光经过转折棱镜31进入分光组件10中，辅助对位单元可以如附图3所示，位于光路的下方，也可以位于光路的上方，只要实现使得激光进入光路即可。激光光源发射的激光借用成像光路的分束组件进入成像系统，最后在被测物A和被测物B上形成光束直径较小的对位光斑，引导被测物上的图形进入显示单元中，待预对准之后，关闭辅助对位单元。

请继续参阅附图3，本发明中反射组件12为直角棱镜，且直角棱镜的直角正对分光组件，使得被测物A和被测物B上的光线经过直角棱镜沿相同方向进入所述分光组件中。

本发明中反射组件还可以如附图4所示，在每一个光路中可以为反射镜12a或者内反直角棱镜12b，且被测物A和被测物B上的光线经过各自对应的直角棱镜或反射镜沿相同方向进入所述分光组件中。其中，反射镜和内反直角棱镜的作用均是为了将被测物上的光线改变方向经过转像组件或者分光组件。

本发明中分光组件可以为分光棱镜，也可以为表面镀有分束膜的平面分光镜10a，如附图4所示。其中，如附图5所示，分光棱镜或者平面分光镜上的分束膜101，将入射光拆分为两路均匀的入射光，再分别进入被测物A和被测物B中，然后入射光携带被测面图形信息，返回成像光路，进入光电转换组件4中，形成被测两面的重叠图形，其中分光组件的分光比一般设置成50：50，也可以根据被测面的反射率不同而设置成非等比的分光比，如30：70，40：60等，有利于被测面标记成均匀清晰的图形，这里，被测物表面的反射率越高，其对应的分光比越小。

请参阅附图6，本发明中转像组件可以为五角棱镜，如附图6所示，五角棱镜将图形进行翻转。

请参阅附图7，本发明提供的一种采用双面对准的视觉系统进行对准的方法，包括如下步骤：

S01：分别调整被测物A和被测物B的焦面位置，使得被测A和被测物B能够在显示单元上清晰成像。

具体地，在本步骤之前还可以通过上述的辅助对位单元对被测物A和被测物B进行预对准，具体的预对准方法可以采用如附图3所示的辅助对位单元进行预对准，打开辅助对位单元并分别调整两个调整台的位置，使得辅助对位单元发射的激光依次经过分光组件和反射组件，在被测物A和被测物B的中心形成对位光斑。

S02：在被测物A和被测物B中的图形或外形特征中选择相同的标记点M，保持被测物A不动，调整被测物B对应的调整台，使得被测物A和被测物B中的标记点M在显示单元上重合；这里，被测物A保持不动，即将被测物A作为参考面，将被测物B作为调整面，当然的，具体可以设置其中一个被测物为参考物。

S03：在被测物A和被测物B中的图形或外形特征中选择相同的标记点N，保持被测物A不动，调整被测物B对应的调整台，使得被测物A和被测物B中的标记点N在显示单元上重合。本步骤中，若两个被测物中的标记点N存在偏差，则将记录该标记点的偏差范围及方向，继续进行调整，重复多次直至标记点N能够在显示单元上重合。

S04：在显示单元中观测被测物A和被测物B中的图形或外形特征是否重合，若重合，则进入步骤S05，若不重合，则返回步骤S02中；

S05：记录两个调整台的位置，结束对准工作。在实际工艺中，可通过后续的工艺步骤，检验对准精度，并校准系统对准误差，提高系统对位精度。

本发明采用同轴光源，通过分光组件和折转光路布局，提高了光能利用率和成像对比度，进而提高了对位精度；本发明还将其中一个被测物进行图形或者外形特征的翻转，保证了空间上两面成镜像关系的被测物图形或外形特征能够成像重合于同一光电转换组件上；同时采用辅助对位单元提高了被测物的对位效率。以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双面对准的视觉系统，用于实现空间上相对的两个被测物的对准功能，其特征在于，包括：

相对的两个调整台，所述调整台相对的两个面上放置被测物A和被测物B；其中，所述被测物A和被测物B相对的表面上具有可用于视觉成像的图形，所述调整台调整位于所述被测物A和被测物B的X轴、Y轴和Z轴上位置以及竖直方向上的倾斜角度；

对准测量单元，包括反射组件、转像组件、分光组件、成像前组、分束组件、成像后组、照明组件和光电转换组件；其中，所述反射组件位于所述被测物A和被测物B之间，所述分光组件位于所述反射组件的一侧，所述转像组件位于所述反射组件和分光组件之间，且位于其中一个被测物的光路上，所述成像前组位于

所述分光组件的另一侧，所述成像前组远离分光组件的一侧依次为分束组件、成像后组和光电转换组件；所述成像前组、分束组件、成像后组和光电转换组件作为主成像光路，用于对分光组件汇集的两个光路同时进行成像；所述反射组件、转像组件和分光组件，用于将被测物A和被测物B的光路汇集到分光组件中形成转折测量光路；所述照明组件发射的入射光依次经过所述分束组件和成像前组进入所述分光组件中被分为两个方向上的入射光，两个方向上的入射光分别经过反射组件到达被测物A和被测物B；从而使得被测物A和被测物B上的图形分别经过反射组件、分光组件、成像前组、分束组件和成像后组成像于所述光电转换组件上，并重叠显示在显示单元上，其中一个被测物上的图形经过所述反射组件和转像组件后被翻转180度，从而使得被测物A和被测物B中的两个成镜像关系的图形在显示单元上重合；

其中，所述转像组件为具有一个直角的五角棱镜，所述直角五角棱镜的一个直角边水平配置于所述分光组件的上方，所述五角棱镜的另一直角边靠近所述反射组件的一侧；

辅助对位单元，所述辅助对位单元位于所述分光组件的上方或下方，所述辅助对位单元发射的激光依次经过所述分光组件、直角五角棱镜和反射组件，在被测物A和被测物B的中心形成对位光斑；

显示单元，用于在对准测量单元工作时将被测物A和被测物B对准之后的图形显示出来，所述调整台用于调整所述被测物A和被测物B对准之后的图形的重合度，以及在辅助对位单元工作时，根据被测物A和被测物B的中心形成对位光斑，调整所述被测物A和被测物B的位置。

2.根据权利要求1所述的一种双面对准的视觉系统，其特征在于，所述照明组件包括转折组件和照明后组，所述照明后组、转折组件，同时和主成像光路共用成像前组，使得照明后组发射的入射光依次经过转折组件和分束组件和成像前组，再进入分光组件中。

3.根据权利要求1所述的一种双面对准的视觉系统，其特征在于，所述辅助对位单元包括激光光源和转折棱镜，激光光源发射的激光经过转折棱镜进入分光组件、直角五角棱镜和反射组件中，激光光源发射的激光借用成像光路的分束组件进入成像系统，最后在被测物A和被测物B上形成光束直径较小的对位光斑，引导被测物上的图形进入显示单元中。

4.根据权利要求1所述的一种双面对准的视觉系统，其特征在于，所述反射组件为直角棱镜，且所述直角棱镜的直角正对所述分光组件，使得所述被测物A和被测物B上的光线经过所述直角棱镜沿相同方向进入所述分光组件中。

5.根据权利要求1所述的一种双面对准的视觉系统，其特征在于，所述反射组件包括两个反射镜或者直角棱镜，且所述被测物A和被测物B上的光线经过各自对应的直角棱镜或反射镜沿相同方向进入所述分光组件中。

6.根据权利要求1所述的一种双面对准的视觉系统，其特征在于，所述分光组件上设置分束膜，用于将入射光拆分为两路。

7.一种采用权利要求1所述的双面对准的视觉系统进行对准的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：分别调整被测物A和被测物B的焦面位置，使得被测A和被测物B能够在显示单元上清晰成像；

S02：在被测物A和被测物B中的图形中选择相同的标记点M，保持被测物A不动，调整被测物B对应的调整台，使得被测物A和被测物B中的标记点M在显示单元上重合；

S03：在被测物A和被测物B中的图形中选择相同的标记点N，保持被测物A不动，调整被测物B对应的调整台，使得被测物A和被测物B中的标记点N在显示单元上重合；

S04：在显示单元中观测被测物A和被测物B中的图形是否重合，若重合，则进入步骤S05，若不重合，则返回步骤S02中；

S05：记录两个调整台的位置，结束对准工作。

8.根据权利要求7所述的一种对准的方法，其特征在于，所述步骤S01之前还包括：打开辅助对位单元并分别调整两个调整台的位置，使得辅助对位单元发射的激光依次经过分光组件和反射组件，在被测物A和被测物B的中心形成对位光斑。

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