CN114994850B - 一种光路校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光路校准方法，涉及光学元件组装技术领域；该方法包括以下的步骤：S10、光学元件的建模；S20、系统坐标系的建立，统一系统中不同定位基准的坐标系，以建立统一的系统坐标系；S30、视觉系统光路偏移计算，根据光学元件的设计值，建立光学元件的特征点模型，以得到出射方向的偏差值；S40、激光定位，通过激光测试光路经过光学元件后发生的光路偏移；S50、光学元件贴装，根据光学元件的安装状态，实现光学元件的贴装；本发明的有益效果是：该方法能提高光学元件的安装精度和校准的效率。

Description

一种光路校准方法

技术领域

本发明涉及光学元件组装技术领域，更具体的说，本发明涉及一种光路校准方法。

背景技术

由于机械设计及设备安装的原因，光学元件与加工底座之间的光路通常不可能为直线，而是经过多个光学器件的复杂折线，需要对其中的每相邻两光学器件间的光路逐一进行复杂精细的校准，才能保证光路系统精度。校准工序复杂，耗时较长，对元件个数多的模组，存在调整不可逆且调整方向难确定，导致调整时间长，调节效果差的问题；而且结构加工不可避免存在误差，使整体良品率低；通常，针对每个元件设计相应校验治具，借助激光高方向性特性判定偏移情况。使用的元件种类变多，需要基于元件的使用计划更换相应装置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种光路校准方法，该方法能提高光学元件的安装精度和校准的效率，保证后期产出的产品质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光路校准方法，其改进之处在于，该方法包括以下的步骤：

S10、光学元件的建模，对要安装的每个光学元件进行建模，建模信息包括入射光线方向信息、出射光方向信息、光线入射点到出射点距离信息和光学元件的材料信息；判断光学元件的偏移情况，并确定视觉系统校正所需要的参数；

S20、系统坐标系的建立，统一系统中不同定位基准的坐标系，以建立统一的系统坐标系；

S30、视觉系统光路偏移计算，根据光学元件的设计值，建立光学元件的特征点模型，以得到出射方向的偏差值；

S40、激光定位，通过激光测试光路经过光学元件后发生的光路偏移；

S50、光学元件贴装，根据光学元件的安装状态，实现光学元件的贴装。

进一步的，骤S10中，入射光线方向信息包括光线入射点和入射矢量，出射光方向信息包括光线出射点和出射矢量，光学元件的材料信息包括光学元件的折光率和色散系数。

进一步的，步骤S10中，建模信息还包括功能信息，该功能信号包括投射信息和反射信息。

进一步的，步骤S10中，通过视觉识别方式判断光学元件的偏移情况，以完整捕获元件定位特征为准；

视觉系统校正所需要的参数包括视觉系统的内部参数和视觉系统在贴片机上的机械参数。

进一步的，步骤S20中，系统中不同定位基准的坐标系包括固定摄像机的机器坐标系、基准摄像机的运动控制坐标系、图像坐标系以及基板坐标系。

进一步的，步骤S20中，还包括分析坐标系之间关系的步骤：

S201、需要贴装的PCB传输到指定位置，贴片头移至PCB基准点上方，头上相机对PCB上基准点拍照；此时存在四个坐标系：基板坐标系、头上相机坐标系、图像坐标系和机器坐标系；

S202、将基板坐标系通过与相机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中，使目标贴装位置确定；

S203、贴片头失去元件后移动到固定相机的位置，固定相机对元件进行照相，此时同样存在四个坐标系：吸嘴坐标系、固定相机坐标系、图像坐标系和机器坐标系；

S204、对元件照相完成后，在图像坐标系中计算出元件特征的中心位置坐标，通过与相机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中，此时在同一坐标系中比较元件中心坐标和吸嘴中心坐标，两个坐标的差异就是需要的位置偏差补偿值。

进一步的，步骤S30中，光学元件非球面表达式为：

其中，Z为平行于光轴的表面轮廓，s为光轴之间的径向距离，C为曲率，k为圆锥常数，A₄A₆A₈为非球面系数。

进一步的，步骤S30中，包括以下的步骤：

S301、光学元件非球面表达式为：

其中，C_bfs为最佳拟合球面的曲率，ρ为与光轴的径向距离，u＝ρ/ρ_max；为标准非球面系数，a_m为标准化系数；u为归一化径向距离；

S302、根据视觉系统识别的多个数据点，采用最小二乘法，选择使得为最小；

给定函数f(x)及其在N个不同点x₁，...，x_N的测量值y₁,...，y_N，即f(xi；α₁,α₂,...α_n)的值，要确定未知参数集α₁,α₂,...,α_n，使得标准差或剩余r_i＝f(xi；α₁,α₂,...,α_n)-yi，i＝1,2,...N在如下意义下最小：

采取多个实际测试点的坐标带入函数中，求测试出的相应元件对象的特征函数f(x)；

S303、比较函数f(x)和模型Z(x)中，特征点的坐标偏差值；根据光学元件的光学属性，得到出射方向的偏差值；

其中函数f(x)为根据测试点实际拟合出的表达式，Z(x)为理论设计值，在步骤S10中建模。

进一步的，步骤S303中，包括以下的步骤：

S3031、令入射光线、折射光线和法线方向的单位化矢量分别为A，A′以及N，以矢量形式表示的反射光线为：

若介质两边折射率分别为n和n’，则折射定律为如下的矢量方程形式：

n(A×N)＝n'(A'×N)；

其中，A、A’和N三者共面，即矢量A×N与A’×N方向一致；

S3032、为建立便于直接计算A’的矢量表达式，矢量方程两边同时与N作矢量积运算，并按三矢量积展开，依次应有：

n[A-N(A·N)]＝n'[A′-N(A′·N)]；

A·N＝-cosI；

当已得知A和N，即可计算出折射光线的单位化矢量A’。

进一步的，步骤S40中，包括以下的步骤：根据入射光线方向信息中的入射点坐标P₁和入射方向构建相应的激光源入射方向，并通过视觉识别或传感器接收光束，获取通过该光学元件后的光出射位置及出射方向，并与设计值进行比较。

进一步的，当采用传感器接收光束时，结合入射点坐标P₁推算出出射方向矢量，并通过入射方向和出射方向反推出反射面法线方向，结合多点拟合的结果重建光学元件反射面的形状；

若光路偏移量在正常范围内，则进进入步骤S50；

若光路偏移量超范围，则结合光路偏移量和光学元件形状计算调整量，调整后进行安装，若调整方案无解，则放弃该光学元件的安装。

进一步的，当采用视觉系统识别出激光源经过该光学元件后，光线位于系统坐标系中的某点或某条线，将光线所处的位置与系统坐标系中的理论位置进行比较，记录光路的偏离值；

若偏离值在可接受范围内，则进入步骤S50；

若偏离值超出允许范围，则根据入射光线信息和反射光线信息求出光学元件实际形貌，依据偏离情况和实际形貌可再次计算光学元件的调整量，若调整后的偏离值满足范围，则对光学元件进行调整后进行步骤S50；若仍不满足，则放弃该光学元件的安装。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种光路校准方法，能提高光学元件安装精度，降低不良率，提高校准的效率，保证了后期产出的产品质量。

附图说明

图1为本发明的一种光路校准方法的流程示意图。

图2至图5为本发明中反射镜结构及光路作用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1所示，本发明揭示了一种光路校准方法，具体的，该方法包括步骤S10至步骤S50，其内容如下：

S10、光学元件的建模，对要安装的每个光学元件进行建模，建模信息包括入射光线方向信息、出射光方向信息、光线入射点到出射点距离信息和光学元件的材料信息；判断光学元件的偏移情况，并确定视觉系统校正所需要的参数；

本实施例中，步骤S10中，入射光线方向信息包括光线入射点和入射矢量，出射光方向信息包括光线出射点和出射矢量，光学元件的材料信息包括光学元件的折光率和色散系数。建模信息还包括功能信息，该功能信号包括投射信息和反射信息。

另外，步骤S10中，通过视觉识别方式判断光学元件的偏移情况，以完整捕获元件定位特征为准；视觉系统校正所需要的参数包括视觉系统的内部参数和视觉系统在贴片机上的机械参数。

S20、系统坐标系的建立，统一系统中不同定位基准的坐标系，以建立统一的系统坐标系；

系统中不同定位基准的坐标系包括固定摄像机的机器坐标系、基准摄像机的运动控制坐标系、图像坐标系以及基板坐标系。

本实施例中，运动控制坐标系是以贴片机的X轴和Y轴分别作为其X方向和Y方向，在运动控制平台上有贴片头，其吸嘴的运动方向为Z轴。贴片头上搭载基准摄像机负责同机器坐标系和基板坐标系同步。

机器坐标系是以机械零点为原点，贴片机的X与Y导轨方向分别为X与Y正方向；其中固定摄像机固定在机器坐标系上，用来识别芯片在贴片头上的位置与角度；同时机器坐标系以特征点表征供料器等位置。

基板坐标系是由传送带导入的安装座，其原点和正方向由文件决定，一般规则基板其正方向平行贴片机导轨方向。

图像坐标系是以光心为坐标原点以图像的X方向和Y方向为正方向，图像坐标系与摄像机坐标系存在正交变换，而摄像坐标系依附于机器坐标系和运动控制坐标系，所以通过标定校正过程可得两者关系。

本实施例中，在不考虑变形和偏移的情况下，分析坐标系之间的关系。即步骤S20中，还包括分析坐标系之间关系的步骤，其具体内容如下：

首先PCB通过传送装置被传输到固定位置并被夹板机构固定，贴片头移至PCB基准点上方，头上相机对PCB上基准点照相。这时候存在四个坐标系：基板坐标系(Xp，Yp)、头上相机坐标系(Xca1，Ycal)、图像坐标系(Xi，Yi)和机器坐标系(Xm，Ym)。对基准点照相完成后，机器将基板坐标系通过与相机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中，这样目标贴装位置确定。然后贴片头拾取元件后移动到固定相机的位置，固定相机对元件进行照相。这时同样存在四个坐标系：贴片头坐标系也是吸嘴坐标系(Xn，Yn)、固定相机坐标系(Xca2，Yca2)、图像坐标系(Xi，Yi)和机器坐标系(Xm，Ym)。

对元件照相完成后，机器在图像坐标系中计算出元件特征的中心位置坐标，通过与相机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中，此时在同一坐标系中比较元件中心坐标和吸嘴中心坐标。两个坐标的差异就是需要的位置偏差补偿值。然后根据同一坐标系中确定的目标贴装位置，机器控制单元和伺服系统就可以控制机器进行精确贴装了。

S30、视觉系统光路偏移计算，根据光学元件的设计值，建立光学元件的特征点模型，以得到出射方向的偏差值；

步骤S30中，光学元件非球面表达式为：

其中，Z为平行于光轴的表面轮廓，s为光轴之间的径向距离，C为曲率，k为圆锥常数，A₄A₆A₈为非球面系数。

需要说明的是，在上述的光学元件非球面表达式，为非球面透镜的传统定义和方程式，随着非球面透镜的普及，从技术角度而言，该表面更为精确的描述为以下表达式。

即在步骤S30中，包括以下的步骤：

S301、光学元件非球面表达式为：

其中，C_bfs为最佳拟合球面的曲率，ρ为与光轴的径向距离，u＝ρ/ρ_max；为标准非球面系数，a_m为标准化系数；u为归一化径向距离；

S302、根据视觉系统识别的多个数据点，采用最小二乘法，选择使得为最小；

估计在由已知定律或模型假设支配的经验公式中的未知参数；

在最简单的情况下，给定函数f(x)及其在N个不同点x₁，...，x_N的测量值y₁,...，y_N，即f(xi；α₁,α₂,...α_n)的值，要确定未知参数集α₁,α₂,...,α_n，使得标准差或剩余r_i＝f(xi；α₁,α₂,...,α_n)-yi,i＝1,2,...N在如下意义下最小：

采取多个实际测试点的坐标带入函数中，求测试出的相应元件对象的特征函数f(x)；

S303、比较函数f(x)和模型Z(x)中，特征点的坐标偏差值；根据光学元件的光学属性，得到出射方向的偏差值；其中函数f(x)为根据测试点实际拟合出的表达式，Z(x)为理论设计值，在步骤S10中建模。

根据应用光学中的基本定律。步骤S303中，包括以下的步骤：

S3031、令入射光线、折射光线和法线方向的单位化矢量分别为A，A′以及N，以矢量形式表示的反射光线为：

若介质两边折射率分别为n和n’，则折射定律为如下的矢量方程形式：

n(A×N)＝n'(A'×N)；

其中，A、A’和N三者共面，即矢量A×N与A’×N方向一致；

S3032、为建立便于直接计算A’的矢量表达式，矢量方程两边同时与N作矢量积运算，并按三矢量积展开，依次应有：

n[A-N(A·N)]＝n'[A′-N(A′·N)]；

A·N＝-cosI；

当已得知A和N，即可计算出折射光线的单位化矢量A’。

S40、激光定位，通过激光测试光路经过光学元件后发生的光路偏移；

步骤S40中，包括以下的步骤：根据入射光线方向信息中的入射点坐标P₁和入射方向构建相应的激光源入射方向，并通过视觉识别或传感器接收光束，获取通过该光学元件后的光出射位置及出射方向，并与设计值进行比较。

进一步的，当采用传感器接收光束时，结合入射点坐标P₁推算出出射方向矢量，并通过入射方向和出射方向反推出反射面法线方向，结合多点拟合的结果重建光学元件反射面的形状；

若光路偏移量在正常范围内，则进进入步骤S50；

若光路偏移量超范围，则结合光路偏移量和光学元件形状计算调整量，调整后进行安装，若调整方案无解，则放弃该光学元件的安装。

更进一步的，当采用视觉系统识别出激光源经过该光学元件后，光线位于系统坐标系中的某点或某条线，将光线所处的位置与系统坐标系中的理论位置进行比较，记录光路的偏离值；

若偏离值在可接受范围内，则进入步骤S50；

若偏离值超出允许范围，则根据入射光线信息和反射光线信息求出光学元件实际形貌，依据偏离情况和实际形貌可再次计算光学元件的调整量，若调整后的偏离值满足范围，则对光学元件进行调整后进行步骤S50；若仍不满足，则放弃该光学元件的安装。

S50、光学元件贴装，根据光学元件的安装状态，实现光学元件的贴装。

在上述的实施例中，本发明以异形反射镜为例，说明详细地计算过程，其中反射镜结构及光路作用示意图如图2至图5所示。

具体在本实施例中，本发明的一种光路校准方法，具体包括以下的内容：

通过视觉系统识别特征，重建实际测试元件的特征信息，然后比较设计值和视觉系统计算后的定位偏差，用于后面判定。

首先建立光学元件的模型，并获取事先存储的元件信息【入射点坐标图示点S₀，出射点坐标E₀(反射平面出射点和入射点坐标相同)，入射方向e₀，出射方向O₀，到下一入射点距离D₀，光学属性：Surface1镜面反射】。

其次，建立空间XYZ三轴坐标系，通过视觉识别(正面和侧面)的方式得到点坐标A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)，求出平面方程；根据法向量定义(x2-x1)x+(y2-y1)y+(z2-z1)z＝0且(x3-x1)x+(y3-y1)y+(z3-z1)z＝0且(x3-x2)x+(y3-y2)y+(z3-z2)z＝0，求出法向单位矢量令/>为单位入射向量，d是表面1上入射点P₁和表面2上的入射点P₂之间的距离。/>是沿着轴线方向的单位向量，/>是单位反射向量。/>为存储在元件数据库中的信息，入射向量/>和入射点坐标P1以及光学作用面为通过视觉系统识别出的信息，根据公式推导得出如下公式：出射方向矢量/>P₂＝P₁+dm，此时的P2坐标为实测光学元件后，计算出的经过该光学元件后(下一光学元件入射点的坐标)的坐标，与理论值相比较，可以达到坐标偏移量；同时，出射方向矢量和理论矢量相比较，可以得到光路空间偏转量。作为下一步判定偏差是否可行的参量(若为折射元件，则适用矢量折射定律)。

相同元件的多个作用面以及不同元件的单个或多个作用面的光路偏移计算：单个元件多个作用面和多个作用面的计算过程为依次计算元件的n(n>1)个入射点坐标、入射方向、出射点坐标、出射矢量，和设计值比较，若在合理偏差范围，则进行下一步操作，若超过可接收偏差标准范围，但通过移动能够减小偏差至合理范围，则安装相应移动进行光学元件移动，若超过可接收标准范围且不能通过修正位置纠正偏差，则进行抛料。

因此，本发明利用安装头的相机进行基板和光学元件进行拍摄、识别位置关系，求出被安装部分的修正数据，可确保较高的安装精度。在校准光路时，打开激光器，使激光器发射激光光束，并依次通过光学元件，通过视觉识别光斑光学中心，以确定光路；出射光直接或间接照射在拍摄部的感光器件上；通过光学元件位置和作用，计算理论偏移，并结合激光定位技术获取实际偏移，在偏移可接受情况下，校准光学元件位置，不可接受情况下终止安装，因而能保证产出产品质量，降低不良率，提高系统校准效率及精度，具有较好的实用性。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种光路校准方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：

S10、光学元件的建模，对要安装的每个光学元件进行建模，建模信息包括入射光线方向信息、出射光方向信息、光线入射点到出射点距离信息和光学元件的材料信息；判断光学元件的偏移情况，并确定视觉系统校正所需要的参数；

S20、系统坐标系的建立，统一系统中不同定位基准的坐标系，以建立统一的系统坐标系；

步骤S20中，系统中不同定位基准的坐标系包括固定摄像机的机器坐标系、基准摄像机的运动控制坐标系、图像坐标系以及基板坐标系；

步骤S20中，还包括分析坐标系之间关系的步骤：

S201、需要贴装的PCB传输到指定位置，贴片头移至PCB基准点上方，头上相机对PCB上基准点拍照；此时存在四个坐标系：基板坐标系、头上相机坐标系、图像坐标系和机器坐标系；

S202、将基板坐标系通过与相机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中，使目标贴装位置确定；

S203、贴片头失去元件后移动到固定相机的位置，固定相机对元件进行照相，此时同样存在四个坐标系：吸嘴坐标系、固定相机坐标系、图像坐标系和机器坐标系；

S204、对元件照相完成后，在图像坐标系中计算出元件特征的中心位置坐标，通过与相机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中，此时在同一坐标系中比较元件中心坐标和吸嘴中心坐标，两个坐标的差异就是需要的位置偏差补偿值；

S30、视觉系统光路偏移计算，根据光学元件的设计值，建立光学元件的特征点模型，以得到出射方向的偏差值；

S40、激光定位，通过激光测试光路经过光学元件后发生的光路偏移；

S50、光学元件贴装，根据光学元件的安装状态，实现光学元件的贴装。

2.根据权利要求1所述的一种光路校准方法，其特征在于，步骤S10中，入射光线方向信息包括光线入射点和入射矢量，出射光方向信息包括光线出射点和出射矢量，光学元件的材料信息包括光学元件的折光率和色散系数。

3.根据权利要求1所述的一种光路校准方法，其特征在于，步骤S10中，建模信息还包括功能信息，该功能信息包括投射信息和反射信息。

4.根据权利要求1所述的一种光路校准方法，其特征在于，步骤S10中，通过视觉识别方式判断光学元件的偏移情况，以完整捕获元件定位特征为准；

视觉系统校正所需要的参数包括视觉系统的内部参数和视觉系统在贴片机上的机械参数。

5.根据权利要求1所述的一种光路校准方法，其特征在于，步骤S30中，光学元件非球面表达式为：

其中，Z为平行于光轴的表面轮廓，s为与光轴之间的径向距离，C为曲率，k为圆锥常数，A₄A₆A₈分别为第4、6、8次非球面系数。

6.根据权利要求1所述的一种光路校准方法，其特征在于，步骤S30中，包括以下的步骤：

S301、光学元件非球面表达式为：

其中，C_bfs为最佳拟合球面的曲率，ρ为与光轴的径向距离，u＝ρ/ρ_max；为标准非球面系数，a_m为标准化系数；u为归一化径向距离；

S302、根据视觉系统识别的多个数据点，采用最小二乘法，选择使得为最小；

给定函数f(x)及其在N个不同点x₁，...，x_N的测量值y₁,...，y_N，即f(xi；α₁,α₂,...α_n)的值，要确定未知参数集α₁,α₂,...,α_n，使得标准差或剩余r_i＝f(xi；α₁,α₂,...,α_n)-yi，i＝1,2,...N在如下意义下最小：

采取多个实际测试点的坐标带入函数中，求测试出的相应元件对象的特征函数f(x)；

S303、比较函数f(x)和模型Z(x)中，特征点的坐标偏差值；根据光学元件的光学属性，得到出射方向的偏差值；

其中函数f(x)为根据测试点实际拟合出的表达式，Z(x)为理论设计值，在步骤S10中建模。

7.根据权利要求6所述的一种光路校准方法，其特征在于，步骤S303中，包括以下的步骤：

S3031、令入射光线、折射光线和法线方向的单位化矢量分别为A，A′以及N，以矢量形式表示的反射光线为：

若介质两边折射率分别为n和n’，则折射定律为如下的矢量方程形式：

n(A×N)＝n'(A'×N)；

其中，A、A’和N三者共面，即矢量A×N与A’×N方向一致；

S3032、为建立便于直接计算A’的矢量表达式，矢量方程两边同时与N作矢量积运算，并按三矢量积展开，依次应有：

n[A-N(A·N)]＝n'[A′-N(A′·N)]；

A·N＝-cosI；

当已得知A和N，即可计算出折射光线的单位化矢量A’。

8.根据权利要求1所述的一种光路校准方法，其特征在于，步骤S40中，包括以下的步骤：根据入射光线方向信息中的入射点坐标P₁和入射方向构建相应的激光源入射方向，并通过视觉识别或传感器接收光束，获取通过该光学元件后的光出射位置及出射方向，并与设计值进行比较。

9.根据权利要求8所述的一种光路校准方法，其特征在于，当采用传感器接收光束时，结合入射点坐标P₁推算出出射方向矢量，并通过入射方向和出射方向反推出反射面法线方向，结合多点拟合的结果重建光学元件反射面的形状；

若光路偏移量在正常范围内，则进入步骤S50；

若光路偏移量超范围，则结合光路偏移量和光学元件形状计算调整量，调整后进行安装，若调整方案无解，则放弃该光学元件的安装。

10.根据权利要求8所述的一种光路校准方法，其特征在于，当采用视觉系统识别出激光源经过该光学元件后，光线位于系统坐标系中的某点或某条线，将光线所处的位置与系统坐标系中的理论位置进行比较，记录光路的偏离值；

若偏离值在可接受范围内，则进入步骤S50；

若偏离值超出允许范围，则根据入射光线信息和反射光线信息求出光学元件实际形貌，依据偏离情况和实际形貌可再次计算光学元件的调整量，若调整后的偏离值满足范围，则对光学元件进行调整后进行步骤S50；若仍不满足，则放弃该光学元件的安装。