CN112858292A - 一种基于双轴mems微镜的视觉检测系统 - Google Patents

一种基于双轴mems微镜的视觉检测系统 Download PDF

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郭芳
王福杰
任斌
姜鸣
胡耀华
姚智伟
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Abstract

本发明涉及一种基于双轴mems微镜的视觉检测系统，包括：检测软件、图像采集模块、图像分析与测量模块、数据采集与处理模块、GPIB仪器、CCD摄像机、信号采集适配器、任意波形发生器。所述检测软件与所述图像采集模块、图像分析与测量模块、数据采集与处理模块、GPIB仪器相连接，所述图像分析与测量模块与所述检测软件互相连接，所述GPLB仪器与所述检测软件互相连接。本发明是一个典型的光、机、电、算集成的MEMS检测系统,已应用于MEMS微结构几何尺寸和动态特性等的测量。因采用了亚像元定位技术,系统具有较高的测量精度。应用表明该系统具有较好的灵活性和扩充性,测量速度快,检测简便,有较好的工程应用价值。

Description

一种基于双轴mems微镜的视觉检测系统
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种基于双轴mems微镜的视觉检测系统。
背景技术
近年来，随着MEMS的迅猛发展，对其检测系统提出了很高的要求,MEMS 器件除了电子系统外还包含了非电子系统,对MEMS除了进行相关的电子学检测外,还应包括微机械结构和形貌检测、微机械力学与动态特性检测、微机械光学特性检测等,因此MEMS的检测要比集成电路的检测更为复杂。MEMS检测系统对精密光学制造、高精度的光电传感器、精密机械的加工、精细控制、微弱信号的变换与检测等提出来很高的要求。MEMS测试技术的研究在国际上已引起了高度重视,针对不同的MEMS器件和应用目的,已经研制开发出一些有实用价值的测试仪器,如美国UC Berkeley大学BSAC研究中心研制的MEMS动态特性测试仪[1],MIT的Freeman教授领导的研究小组研制的基于计算机视觉的MEMS测试系统[2],美国Sandian国家实验室研制的MEMS器件可靠性测试系统[3]等；国外一些公司正在研制开发集成化的 MEMS综合测试系统,如ETEC公司的M/Ste P[6]、InterScience公司的MEMSPEC[7]、Veeco公司的MEMS3500[8]等。基于计算机视觉的图像测量是近年来在测量领域中发展起来的崭新技术,它以光学为基础,融光电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术等现代科学技术为一体,组成光、机、电、算综合测量系统,是解决MEMS测试的一个有效途径。MEMS的检测必须解决好MEMS器件的多样性和检测系统专用性的矛盾；高速运动和低速摄像的矛盾。同时MEMS正处于迅速发展之中,各种新技术、新器件不断涌现,在加工过程中涉及到很多新工艺、新方法，现有的检测系统没有很好的灵活性和扩充性，很难满足自动检测的要求。
发明内容
为此，本发明提供一种基于双轴mems微镜的视觉检测系统，用以克服现有技术中检测系统没有很好的灵活性和扩充性，很难满足自动检测的要求。
一种基于双轴mems微镜的视觉检测系统，包括：检测软件、图像采集模块、图像分析与测量模块、数据采集与处理模块、GPIB仪器、CCD摄像机、信号采集适配器、任意波形发生器。所述检测软件与所述图像采集模块、图像分析与测量模块、数据采集与处理模块、GPIB仪器相连接，所述图像分析与测量模块与所述检测软件互相连接，所述GPIB仪器与所述检测软件互相连接。所述CCD摄像机与所述图像采集模块相连接，所述信号采集适配器与数据采集与处理模块相连接，所述任意波形发生器与所述GPIB仪器相连接。
进一步地，所述检测软件对检测的环境、激励、被测器件的供电进行控制, 通过GPIB总线完成相关仪器的控制,实现测控的集成化和自动化。
进一步地，所述检测软件通过信号采集适配器完成对不同MEMS器件各种被测信号的调理,使其满足信号采集的要求。
进一步地，所述信号分析处理模块能够完成整体的曲线的拟合、误差的理论分析、性能的分析等。
进一步地，所述图像分析与测量模块可以完成输送到所述检测软件内大量图像的分析与测量。
进一步地，所述GPIB仪器可以将若干台装置连接到一起，使这些装置能够组成一个自动测试的系统。
进一步地，所述信号采集适配器能更简便的连接具备共用端子口的携带式电子设备和外部设备。
进一步地，所述任意波形发生器可见信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。
进一步地，所述图像采集模块可以精准的采集到从所述CCD摄像机传输过来的图像。
本发明具有测量速度快、测量方便、自动化程度较高的特点；在系统基本平台的基础上,通过更换不同的信号采集适配器和控制适配器可完成对不同的 MEMS器件的测试需求；也易于和激光干涉测量、高速图像的采集与重构的分系统的集成,具有较好的灵活性和扩充性。是一个典型的光、机、电、算集成的 MEMS检测系统,已应用于MEMS微结构几何尺寸和动态特性等的测量。因采用了亚像元定位技术,系统具有较高的测量精度。应用表明该系统具有较好的灵活性和扩充性,测量速度快,检测简便,有较好的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统的结构原理示意图；
图2为本发明所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统中检测软件的结构原理示意图；
图3为本发明所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统中检测环境的结构原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明中的MEMS器件大部分是三维微细结构,其结构尺寸在微米量级,因此要对其进行测量,必须采用高精度的摄像机和图像采集设备。图像采集系统的基本参数包括视场大小、工作距离、分辨率、景深和CCD大小等。图像质量决定了图像测量系统的性能,一个图像测量系统CCD传感器的最小像素分辨率应为Wl*2/S,其中WI为被测物体的最大长度,S为应分辨的最小尺寸。如MEMS器件的最大长度500μm,应分辨的最小尺寸为1μm,则CCD 传感器的最小像素分辨率应为1000,图像采集系统的焦距FL为S*WD/FOV,其中 S为CCD的大小,WD为工作距离,FOV为视场的长轴长度。对于MEMS芯片测量来说,其视场范围为毫米量,根据不同的测量目的,需分辨的最小尺寸各不相同, 如几何尺寸测量约为0.1μm；表面形貌测量应在几十纳米范围,微观运动应具有纳米级精度等,因此可通过选用不同放大倍数的显微镜来满足不同的测试需求。
在图像采集过程中,由于摄像机的非线性、显微镜视场光不均匀、光学系统误差等因素会带来各种镜视场光不均匀、光学系统误差等因素会带来各种图像的失真。因此,为使图像测量的结果真实、可靠,必须采用各种校正方法来减少这些失真,防止各种误差对测量结果的影响。
在图像系统的工作距离确定之后,为了从目标图像占有的像元跨距N来计算目标的实际尺寸,需要事先对系统进行标定。即先对已知尺寸WP的物体成像,得到该物体的像所占有的CCD像元数NP,则图像系统放大比例系数 K为WP/NP,它表示一个像元所对应的实际几何尺寸。当把被测物体置于该位置,即可得到被测物体的实际几何尺寸。
标定过程也会引入误差,若标定尺的实际长度是L,在图像上该长度由α个像素组成,从而每个像素所代表的实际长度为L/α。可以推断标定结果的精确度不可能优于(1/α)×100％,可见标定过程带来的相对误差将随α的增大而减小,因此应该尽可能选择充满视场的标定尺寸来进行标定。
我们采用图像模板来对图像系统进行校正与标定。它能根据系统需要选择校正参数(投影失真、非线性失真等)进行校正,并根据校正情况,对校正结果进行评估,如果校正结果不理想,可以选择不同的校正参数重新进行校正。在系统标定时,输入已知模板的x与y方向的圆点中心距离和单位,把像素距离转化为实际距离。标定信息作为图像文件的扩展内容与图像数据一起存储起来,满足后续测量的需要。
数字图像是由点阵组成的,如果被测物体成像的点阵较小,其测量误差较大。为提高图像测量的精度,通常可选用高分辨率的CCD摄像机和采样频率比较高的图像卡,或采用特殊的光源进行照明,但这些方法在使用中有时会受到某种限制,甚至会使有用的目标超出视场范围等。
基于计算机视觉的精密测量可以理解为对被测物体边缘的精确定位,因此与被测物体有关的边缘点的定位精度常常直接影响到整个测量的精度。如用标准PAL制(图像大小为768×576)CCD摄像头测量4mm×3mm的物体, 在精确到像素的情况下其测量精度约为5μm。如果采用亚像元测量技术, 理论上可以提高2个数量级,即达到0.05μm,但实际上由于物体边缘的清晰度以及采集过程中的一些噪声信号的影响,实际上达不到这么高的精度, 但至少可以提高1个数量级,即达到0.5μm。近年来,研究出许多种亚像元测量算法,如插值、多项式拟合、最小二乘估计、灰度矩法等。每一种算法的使用场合、抗噪声性能及精度都不同,使用时应注意进行选择。
基于图像的几何尺寸测量实际上是综合了图像的亚像元测量和BLOB分析等技术,这样可以得到图像的像素尺寸,根据图像系统的标定信息,可以实现像素尺寸到实际尺寸的转换。图像测量模块的主窗口与测量结果主要测量功能有点到点、点到线、线到线的距离；点、线、圆及圆弧的位置；圆的面积、直径、圆度；线与线的角度,圆弧与圆弧的同轴度；非规则物体的面积等。因采用了亚像元测量技术,系统具有0.1～1μm(根据镜头的放大倍数不同而不同)的测量精度。
图像匹配是通过模板来查找特定的图像的一种技术,根据不同的匹配模式(移动不变性、旋转不变性)可以完成复杂物体的快速定位。在MEMS测量中,可在圆片上实现不同MEMS微结构的快速定位、计数、各微结构的相似度计算等。
针对这两个问题,各国的研究者们作了大量的工作,也提出了许多改进方法,如利用能够容忍更大形变的镀金树脂球作凸点,或采用各项异性导电胶粘结的办法等。相信在不久的将来,将会有更为成熟的倒装焊工艺应用在微光电子封装。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，包括：检测软件、图像采集模块、图像分析与测量模块、数据采集与处理模块、GPIB仪器、CCD摄像机、信号采集适配器、任意波形发生器。所述检测软件与所述图像采集模块、图像分析与测量模块、数据采集与处理模块、GPIB仪器相连接，所述图像分析与测量模块与所述检测软件互相连接，所述GPIB仪器与所述检测软件互相连接。所述CCD摄像机与所述图像采集模块相连接，所述信号采集适配器与数据采集与处理模块相连接，所述任意波形发生器与所述GPIB仪器相连接。
2.根据权利要求1所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，所述检测软件对检测的环境、激励、被测器件的供电进行控制,通过GPIB总线完成相关仪器的控制,实现测控的集成化和自动化。
3.根据权利要求1所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，所述检测软件通过信号采集适配器完成对不同MEMS器件各种被测信号的调理,使其满足信号采集的要求。
4.根据权利要求1所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，所述信号分析处理模块能够完成整体的曲线的拟合、误差的理论分析、性能的分析等。
5.根据权利要求1所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，所述图像分析与测量模块可以完成输送到所述检测软件内大量图像的分析与测量。
6.根据权利要求1所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，所述GPIB仪器可以将若干台装置连接到一起，使这些装置能够组成一个自动测试的系统。
7.根据权利要求1所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，所述信号采集适配器能更简便的连接具备共用端子口的携带式电子设备和外部设备。
8.根据权利要求1所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，所述任意波形发生器可见信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。
9.根据权利要求1所述的基于双轴mems微镜的视觉检测系统，其特征在于，所述图像采集模块可以精准的采集到从所述CCD摄像机传输过来的图像。
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