CN116878387B - 上下对准视觉装置的标定方法、标定系统及装置 - Google Patents

上下对准视觉装置的标定方法、标定系统及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种上下对准视觉装置的标定方法、标定系统及装置，涉及半导体领域。该标定方法包括：将待标定视觉装置置于上标定点和下标定点之间，转动转动座N次，以使转动座到达不同位置；获取待标定视觉装置的上下对准结果以及转动座位于各个位置时的转动角度；根据待标定视觉装置的待标定误差、第一误差、第二误差、测量过程的测量噪声、N组上下对准结果和N组转动角度建立误差方程组；求解误差方程组，得到待标定误差的数值；根据求得的待标定误差的数值对待标定视觉装置的上下对准结果进行补偿，以得到标定后的视觉装置的上下对准结果。该标定方法能够精确标定视觉装置的上下对准误差，从而确保视觉装置对芯片和基板上下对准的精确度。

Description

上下对准视觉装置的标定方法、标定系统及装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种上下对准视觉装置的标定方法、标定系统及装置。
背景技术
在半导体封装技术中，覆晶技术（flip chip，又称倒装贴片）需要将植放了焊接凸点的芯片翻转，再和基板相连接，以实现预先设计的电路功能；在覆晶技术的工艺步骤中，为了确保翻转后芯片上的凸点与基板的位置对应精确度，现有技术一般采用上下对准视觉装置识别上方的芯片和下方的基板连接表面的图案特征，通过计算两者的相对位置误差，以辅助设备的运动系统完成芯片和基板的对准。然而现有上下对准视觉装置中，由于棱镜等光学元件存在安装误差，该安装误差将在相机获取的芯片和基板的图像中引入系统误差，导致计算得到的芯片和基板的相对位置相对实际值存在偏差，从而影响上下对准视觉装置对芯片和基板的上下对准精确度，进而影响芯片与基板的相对连接位置精确度及其品质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种上下对准视觉装置的标定方法、标定系统及装置，以解决现有部分视觉装置的上下对准精确度较低的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供一种上下对准视觉装置的标定方法，包括：
将待标定视觉装置置于标定装置的上标定点和下标定点之间，转动设有所述上标定点和所述下标定点的转动座N次，以使所述转动座到达不同位置，其中，N≥4，所述上标定点与所述下标定点上下对应，所述转动座的转动轴竖直设置；
通过所述待标定视觉装置测量所述转动座位于各个位置时所述上标定点的坐标（xTn，yTn）和所述下标定点的坐标（xBn，yBn），以获取待标定视觉装置的上下对准结果（xTn-xBn，yTn-yBn）；
获取所述转动座位于各个位置时的转动角度θn；
所述标定装置具有第一误差和第二误差，其中，所述第一误差为所述上标定点与所述下标定点的实际位置偏差，所述第二误差为所述标定装置的组装位置精度引起的误差；
根据所述待标定视觉装置的待标定误差、所述第一误差、所述第二误差、测量过程的测量噪声、N组（xTn-xBn，yTn-yBn）和N组θn建立所述待标定视觉装置的误差方程组；
求解所述误差方程组，得到所述待标定误差的数值；
根据求得的所述待标定误差的数值对所述待标定视觉装置的上下对准结果进行补偿，以得到标定后的视觉装置的上下对准结果。
可选地，所述误差方程组为：
其中，（δX，δY）为所述待标定视觉装置的待标定误差；p为引起所述第二误差的误差参数，R（θn，p）是关于θn，p的函数矩阵，用于表征所述上标定点和所述下标定点在所述待标定视觉装置获取图像中的相对位置随转动角度θn变化的定量关系；（△x，△y）为所述第一误差；（εXn，εYn）为所述测量噪声。
可选地，当所述标定装置不存在所述第二误差时，
。
可选地，p为由所述标定装置中所述转动轴竖直偏差引起的误差参数，
；
其中，e为所述转动座带动所述上标定点或所述下标定点转动形成椭圆轨迹的偏心率，0≤e<1；为所述椭圆轨迹中长轴的方位角，°。
可选地，p为由所述标定装置中所述转动轴竖直偏差对所述待标定视觉装置测量引入的误差参数，
；
其中，e为所述转动座带动所述上标定点或所述下标定点转动形成椭圆轨迹的偏心率，0≤e＜1；为所述椭圆轨迹中长轴的方位角，°；d为所述视觉装置到所述上标定点或所述下标定点的拍摄距离，m；r为所述转动轴的竖直偏差导致d的最大变化距离，m。
可选地，N为偶数，所述转动角度θ1……θN中，任一转动角度均存在另一转动角度与其角度差为180°；
或，任意相邻两个转动位置的中心角均相等。
本发明还提供了一种标定系统，能够执行上述标定方法，所述标定系统包括标定装置、控制器和待标定视觉装置，所述标定装置包括基座和通过转动轴转动连接于所述基座的转动座，所述转动座设有上下对应的上标定点和下标定点，所述转动轴竖直设置；所述基座设有用于驱动所述转动座转动的转动驱动件和用于检测所述转动座转动角度的角度检测件；
所述转动驱动件、所述角度检测件及所述待标定视觉装置均与所述控制器通信连接。
本发明还提供了一种标定装置，应用于上述标定方法，所述标定装置包括基座和通过转动轴转动连接于所述基座的转动座，所述转动座设有上下对应的上标定点和下标定点，所述转动轴竖直设置；所述基座设有用于驱动所述转动座转动的转动驱动件和用于检测所述转动座转动角度的角度检测件。
可选地，所述转动座包括上臂、下臂和连接于两者之间的连接臂，所述上臂的底面和所述下臂的顶面平行设置且上下对应，所述上标定点位于所述上臂的底面，所述下标定点位于所述下臂的顶面；
所述基座包括固定座体和连接于所述固定座体的承载座体，所述承载座体包括连接于所述固定座体的连接部和连接于所述连接部的上承载梁，所述转动轴转动连接于所述上臂与所述上承载梁之间。
可选地，所述承载座体还包括连接于所述连接部且位于所述上承载梁下方的下承载梁，所述下承载梁安装有驱动电机，所述驱动电机包括驱动本体和设于所述驱动本体的壳体内的旋转编码器，所述驱动本体的驱动端连接于所述下臂且与所述转动轴共轴设置，所述旋转编码器作为所述角度检测件用于检测所述驱动本体驱动端的转动角度。
可选地，所述标定装置还包括固定螺钉，所述连接部的侧壁设有沿竖直方向延伸的腰型孔，所述固定螺钉穿过所述腰型孔螺纹连接于所述固定座体的侧壁，且所述固定螺钉的螺头抵接于所述腰型孔的外端面；
所述固定座体螺纹连接有上调节螺钉和下调节螺钉，所述上调节螺钉的底端抵接于所述连接部的顶面，所述下调节螺钉的顶端抵接于所述连接部的底面。
本实施例提供的上下对准视觉装置的标定方法中，将标定过程对待标定视觉装置的待标定误差存在影响的各影响因素均考虑在内，各影响因素具体为标定装置存在的第一误差、第二误差以及测量过程存在的测量噪声；通过转动转动座得到N组标定前的上下对准结果（xTn-xBn，yTn-yBn）和N组转动角度θn，然后将测得的结果和各影响因素建立误差方程组，从而求得待标定视觉装置自身存在的待标定误差以及标定装置自身具有的误差，并通过该待标定误差对视觉装置进行补偿标定，进而去除标定装置标定过程带来的误差，确保视觉装置对芯片和基板等待测量对象的上下对准精确度，相应确保芯片和基板的连接位置准确性及品质。此外，采用待标定视觉装置作为标定系统的一部分，仅需额外设置标定装置并测量标定装置中转动座的转动角度即可，从而大大提高标定系统的简单化程度，提高该标定方法的操作便捷度并降低标定成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的标定系统中视觉装置的棱镜的安装位置误差较小甚至可以忽略不计时的光路示意图；
图2为图1中测量对象#1和测量对象#2的测量图案在相机中成像的上方图案和下方图案；
图3为本发明实施例提供的标定系统中视觉装置的棱镜的安装位置存在偏转时的光路示意图；
图4为图3中测量对象#1和测量对象#2的测量图案在相机中成像的上方图案和下方图案；
图5为本发明实施例提供的标定系统中使用状态示意图；
图6为本发明实施例提供的标定装置的示意图；
图7为本发明实施例提供的标定装置中转动座与转动轴、上标定块、下标定块等的爆炸图；
图8为根据本发明实施例提供的上下对准视觉装置的标定方法的流程示意图；
图9为根据本发明实施例提供的上下对准视觉装置的标定方法获得待标定误差δX、δY、实际位置偏差△x、△y、偏心率e和方位角的均方根误差统计图，其中，转动座分别在一圈的9、16、25、36、49、64个均匀分布的角度位置完成标记点的坐标测量。
附图标记说明：
10-标定装置；20-视觉装置；21-棱镜；21a-红光反射膜层；21b-蓝光反射膜层；22-镜头；23-相机；24-上位机；31-测量对象#1；32-测量对象#2；100-基座；110-固定座体；111-上调节耳；112-下调节耳；113-上调节螺钉；114-下调节螺钉；120-承载座体；121-连接部；121a-腰型孔；122-上承载梁；123-下承载梁；124-固定螺钉；200-转动轴；210-轴承；220-卡簧；230-容置槽；240-调节螺纹孔；250-容置孔；260-调节螺钉；300-转动座；310-上臂；320-连接臂；330-下臂；340-上标定块；350-下标定块；351-下标定点；361-安装孔；362-贯穿孔；363-锁紧螺纹孔；364-条形孔；370-锁紧螺钉；400-驱动电机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1和图3为视觉装置20的其中一种具体形式，该待标定视觉装置包括棱镜21、镜头22、相机23和光源，还可以包括运动部件，用于支持镜头22对焦和相机23视野的变更。其中，图1为本发明实施例提供的标定系统中视觉装置20的棱镜21的安装位置误差较小甚至可以忽略不计时的光路示意图，具体地，使用时，棱镜21位于测量对象#131和测量对象#232之间，光源朝向棱镜21发射两束波长分别不同的光纤，例如红色光和蓝色光，经过棱镜21时，分别在红光反射膜层21a和蓝光反射膜层21b发生反射，并出射棱镜21至镜头22，最后在相机23感光芯片上曝光成像，相机23将图像传输至上位机24，如图2所示为图1中测量对象#131和测量对象#232的测量图案在相机23中的成像图像，其中，两者的测量图案一一对应重叠；进一步进行图像翻转、特征提取、坐标计算等软件操作，从而得到测量对象#131和测量对象#232的上下对准误差。
图3为本发明实施例提供的标定系统中视觉装置20的棱镜21的安装位置存在偏转时的光路示意图，由于合色棱镜21存在安装误差，当棱镜21相对竖直方向偏转δθ时，将导致视觉装置20对测量对象#1沿X向的测量结果偏移δX（图中未示出Y向偏移），使得测量对象#131和测量对象#232在视觉装置20获得的图像中重合的标记点，实际上在水平方向上并不重合，而是存在位置偏差，如图4所示，若测量对象#131和测量对象#232的间距为50 mm，棱镜21在垂直图面方向的安装误差为0.01°时，因上述误差引入的视觉装置的上下对准误差约为9μm，对于微米级对准需求而言较为显著。类似地，对采用其他不同设计结构的视觉装置20，其中的棱镜21的光学元件的安装误差也将引入其上下对准误差，且上下对准误差和测量对象的水平位置、照明条件等因素无关，可视为视觉装置20固有的系统误差。
本实施例提供一种上下对准视觉装置的标定方法、系统及装置，如图1-图8所示。其中，该标定系统能够执行上述标定方法，具体地，标定系统包括标定装置10、控制器和待标定视觉装置，标定装置10包括基座100和通过转动轴200转动连接于基座100的转动座300，转动座300设有上下对应的上标定点和下标定点351，转动轴200竖直设置；基座100设有用于驱动转动座300转动的转动驱动件和用于检测转动座300转动角度的角度检测件；转动驱动件、角度检测件及待标定视觉装置均与控制器通信连接。
图8为根据本发明实施例提供的上下对准视觉装置的标定方法的流程示意图。如图8所示出的，该标定方法包括：
S802将待标定视觉装置置于标定装置10的上标定点和下标定点351之间，转动设有上标定点和下标定点351的转动座300N次，以使转动座300到达不同位置；其中，N≥4，上标定点与下标定点351上下对应，转动座300的转动轴200竖直设置。
S804通过待标定视觉装置测量转动座300位于各个位置时上标定点的坐标（xTn，yTn）和下标定点351的坐标（xBn，yBn），以获取待标定视觉装置的上下对准结果（xTn-xBn，yTn-yBn）；获取转动座300位于各个位置时的转动角度θn。
使用该标定系统对待标定视觉装置的上下对准结果进行标定时，首先将待标定视觉装置置于上标定点和下标定点351之间，且上标定点和下标定点351均处于待标定视觉装置的拍摄范围内；待标定视觉装置的位置固定不动，转动驱动件驱动转动座300带动上标定点和下标定点351绕转动轴200同步转动一定角度，转动驱动件停止驱动后将停止信号反馈至控制器，控制器相应控制角度检测件测量转动座300的转动角度，以及控制待标定视觉装置测量上标定点和下标定点351的X-Y坐标，角度检测件随之将检测到的转动座300的第一转动角度θ1反馈至控制器，待标定视觉装置随之将检测到的上标定点的第一组X-Y坐标（xT1，yT1）和下标定点351的第一组X-Y坐标（xB1，yB1）反馈至控制器，控制器通过差值计算得到待标定视觉装置标定前测量的上下对准结果（xT1-xB1，yT1-yB1）。
随后，类似地，控制器控制转动驱动件驱动转动座300带动上标定点和下标定点351继续转动一定角度，并获取第二转动角度θ2以及第二组标定前的上下对准结果（xT2-xB2，yT2-yB2）；如此重复操作，转动座300在转动驱动件的驱动下转动至N个不同位置，控制器相应获取N组转动角度θn和标定前的上下对准结果（xTn-xBn，yTn-yBn）；其中，xTn、xBn、yTn、yBn的单位均可以采用m，θn的单位可以采用°。
S806标定装置10具有第一误差和第二误差，其中，第一误差为上标定点与下标定点351的实际位置偏差，第二误差为标定装置10的组装位置精度引起的误差；根据待标定视觉装置的待标定误差、第一误差、第二误差、测量过程的测量噪声、N组（xTn-xBn，yTn-yBn）和N组θn建立待标定视觉装置的误差方程组。
由于标定装置10本身具有一定的精度误差，其中，其第一误差直接影响待标定视觉装置测量得到的上下对准结果（xTn-xBn，yTn-yBn），第二误差会影响转动座300的转动轨迹，从而影响上标定点和下标定点351在转动至不同位置时的实际位置偏差，同时，测量过程中还存在其他测量噪声，则待标定视觉装置测得的上下对准结果（xTn-xBn，yTn-yBn）实际上为待标定视觉装置自身的待标定误差、标定装置10存在的误差以及测量过程存在的测量噪声的共同叠加，因此，将上述所有误差建立误差方程组，以求得精度较高的待标定视觉装置的待标定误差，相应取出标定装置10及测量过程叠加的误差。
其中，视觉装置20的待标定误差和标定装置10的第一误差两者均不会随相应装置的运动而变化，因此视为固定值；测量噪声在测量过程中产生，可将其视为零均值正态分布噪声。
S808求解误差方程组，得到待标定误差的数值（δX，δY）。
S810根据求得的待标定误差的数值对待标定视觉装置的上下对准结果进行补偿，以得到标定后的视觉装置20的上下对准结果（xTn-xBn-δX，yTn-yBn-δY）。
待标定视觉装置标定前测量的上下对准结果为（xTn-xBn，yTn-yBn），求得待标定视觉装置自身的待标定误差为（δX，δY），则补偿后得到视觉装置20的上下对准结果为（xTn-xBn-δX，yTn-yBn-δY），从而完成对视觉装置20的标定。
则该标定方法中，将标定过程对待标定视觉装置的待标定误差存在影响的各影响因素均考虑在内，各影响因素具体为标定装置10存在的第一误差、第二误差以及测量过程存在的测量噪声；通过转动转动座300得到N组标定前的上下对准结果（xTn-xBn，yTn-yBn）和N组转动角度θn，然后将测得的结果和各影响因素建立误差方程组，从而求得待标定视觉装置自身存在的待标定误差以及标定装置10自身具有的误差，并通过该待标定误差对视觉装置20进行补偿标定，进而去除标定装置10标定过程带来的误差，确保视觉装置20对芯片和基板等待测量对象的上下对准精确度，相应确保芯片和基板的连接位置准确性及品质。此外，采用待标定视觉装置作为标定系统的一部分，仅需额外设置标定装置10并测量标定装置10中转动座300的转动角度即可，从而大大提高标定系统的简单化程度，提高该标定方法的操作便捷度并降低标定成本。
当然，在其他实施例中，也可以手动转动调节转动座300，且较佳地，每次调节完成后对转动座300的位置进行锁定。
具体地，本实施例中，误差方程组为：
其中，（δX，δY）为待标定视觉装置的待标定误差；为引起第二误差的误差参数，R（θn，p）是关于θn，p的函数矩阵，用于表征上标定点和下标定点在待标定视觉装置获取图像中的相对位置随转动角度θn变化的定量关系；（△x，△y）为第一误差；（εXn，εYn）为测量噪声。
本实施例中，当标定装置10的组装精度较高，能够保证上标定点、下标定点351的相对位置随转动角度θn变化可以忽略不计时，可以忽略第二误差，当不存在所述第二误差时，无需考虑p：
。
具体地，本实施例中，p可以为由标定装置10中转动轴200竖直偏差引起的误差参数，
；
其中，e为转动座带动上标定点或下标定点351转动形成椭圆轨迹的偏心率，0≤e<1；为椭圆轨迹中长轴的方位角，°。当转动轴200存在竖直偏差时，转动座倾斜设置，其上的上标定点和下标定点351于X-Y平面的转动轨迹为椭圆形而非圆形，从而对测量过程上标定点和下标定点于各转动位置的坐标引入测量误差，将p作为能够表征该误差的误差参数，且p包括能够表征椭圆轨迹性质的偏心率e和长轴方位角/>，从而精确表征转动轴200偏移引入的误差，相应更加精确获得待标定视觉装置的待标定误差，进而对待标定视觉装置进行精确地标定。
具体地，本实施例中，p为由标定装置中转动轴竖直偏差对待标定视觉装置测量引入的误差参数，
；
其中，e为转动座300带动上标定点或下标定点351转动形成椭圆轨迹的偏心率，0≤e＜1；为椭圆轨迹中长轴的方位角，°；d为待标定视觉装置到上标定点或下标定点351的拍摄距离，m；r为待标定视觉装置的拍摄范围内由转动轴200的竖直偏差导致的d最大变化距离，m。
如图3所示，当转动轴200相对竖直方向存在偏转时，此时的测量对象#131作为上标定点所在上标定面也随转动轴200发生偏转，上标定点转动的椭圆轨迹作为待标定视觉装置的拍摄范围，该范围内，待标定视觉装置中镜头22到达上标定面的拍摄距离d（虚线所示的单程光路）随之发生变化，且最大变化距离r用于表征拍摄距离d的变化程度；本实施例中将转动轴200偏转对待标定视觉装置拍摄距离d引入的误差考虑在内，从而获得由拍摄距离d的变化引起拍摄图像比例的变化，进而造成测量上标定点X-Y坐标值引入的误差，相应进一步贴近真实测量情况，提高对待标定视觉装置的标定精确度。其中，转动轴偏转对下标定点的误差引入类似上标定点，这里不再赘述。
具体地，可以采用最小二乘法估计求解，将上述误差方程组改写为如下形式：
其中，v=[δX，δY，△x，△y，e，，d，r]T为所有待求解参数构成的列向量；f（v）是除测量噪声外，关于所有待求解参数的函数。将v的初值记为v0，使用如下计算式迭代更新第m+1步时的值vm+1：
其中Jm表示f（vm）的雅可比矩阵。
设置迭代终止条件，例如，当迭代进行到第M步时终止。在每一步迭代完成后，判断是否终止迭代，若满足迭代终止条件，则将最新的值vm作为求解结果输出，其中包含待标定视觉装置的待标定误差（δX，δY）。
当然，除上述最小二乘法求解该误差方程组外，还可以采用极大似然估计法或其他拟合计算等方法求解。
可选地，N为偶数，转动角度……中，任一转动角度均存在另一转动角度与其角度差为180°。转动座300的多个转动位置中，每两个为一组关于转动轴200的轴心对称设置，从而有效减小角度测量过程中因角度检测件和转动座300由转动轴200位置偏心引起的误差，相应降低标定装置10引入的误差，进而进一步提高其对视觉装置20上下对准误差的标定精确度。
类似地，本实施例中，任意相邻两个转动位置的中心角均相等。则转动座300的多个转动位置沿周向等角度排布，从而提高各转动位置绕转动轴200轴心的对称性，相应降低角度测量过程中因角度检测件和转动座300由转动轴200位置偏心引起的误差，相应降低标定装置10引入的误差，进而进一步提高其对待标定视觉装置上下对准结果的标定精确度。
具体地，本实施例中，θn≤360°。转动座300的最大转动角度不大于360°，即转动座300的转动行程小于等于一周，而一周范围内可以包括转动座300的所有转动位置，因此在满足各转动位置均不同的基础上，减少转动座300转动角度大于360°引起的重复转动做功，相应降低转动驱动件对转动座300的驱动负荷以及角度检测件对转动角度的测量负荷；具体地，如转动座300自初始位置沿第一方向转动20°到达第一转动位置，与转动座300自初始位置沿第一方向转动380读到达的第二转动位置重叠，两者为不同转动角度形成的同一转动位置，而同一转动位置在测量过程中引起的误差相同，而转动座300转动至第一转动位置的转动行程较第二转动位置小360°。
对本实施例提供标定方法的标定效果进行了模拟计算：
具体地，上方测量对象和下方测量对象的间距为50 mm，上标定点设于上方测量对象的底面，下标定点351设于下方测量对象的顶面，视觉装置20计算上标定点和下标定点351位置的随机误差不超过±0.5 μm，角度检测件的测量误差不超过±10″，视觉装置20的待标定误差和标定装置10中上标定点和下标定点351的实际位置偏差（△x，△y）均在0.1mm量级。执行本实施例提供标定方法的步骤进行6次测量标定，其中6次测量的区别在于使转动座300分别在一圈的9、16、25、36、49、64个均匀分布的角度位置完成标记点的坐标测量，其他标定步骤均相同；6次重复标定的统计结果按照各参数的均方根误差统计如图9所示，由图9可知，当标定方法中测量的不同角度位置数量足够时，视觉装置20的待标定误差（δX，δY）的解算精度优于0.25 μm，使其满足微米级贴片机等设备的对准精度需求，相较于未标定情况下0.1 mm量级的精度水平得到明显提升，证实了该标定方法的有效性。
本实施例还提供一种标定装置10，应用于上述标定方法，如图5和图6所示，该标定装置10为上述标定系统的其中一部分，具体地，标定装置10包括基座100和通过转动轴200转动连接于基座100的转动座300，转动座300设有上下对应的上标定点和下标定点351，转动轴200竖直设置；基座100设有用于驱动转动座300转动的转动驱动件和用于检测转动座300转动角度的角度检测件。
该标定装置10中，基座100用于对整个标定装置10进行固定连接，转动座300能够绕转动轴200进行周向转动以改变上标定点和下标定点351的转动角度，从而为视觉装置20的上下对准误差及标定装置10引入的误差提供计算数据，以建立误差方程组并求得各误差值，其中视觉装置20的待标定误差用于补偿视觉装置20的上下对准误差，从而提高视觉装置20的上下对准精确度。
可选地，本实施例中，如图5和图6所示，转动座300包括上臂310、下臂330和连接于两者之间的连接臂320，上臂310的底面和下臂330的顶面平行设置且上下对应，上标定点位于上臂的底面，下标定点351位于下臂的顶面；基座100包括固定座体110和连接于固定座体110的承载座体120，承载座体120包括连接于所述固定座体110的连接部121和连接于所述连接部121的上承载梁122，转动轴200转动连接于上臂310与上承载梁122之间。这里是转动座300转动连接于基座100的其中一种具体形式，基座100的固定座体110用于对整个标定装置10进行固定，承载座体120通过其连接部121连接于固定座体110且其上承载梁122用于承载转动座300；转动座300的上臂310、连接臂320和下臂330依次连接形成开口水平朝向一侧的U型座，其中，上臂310的底面与下臂330的顶面之间形成容置空间以供视觉装置20伸入，且视觉装置20伸入该容置空间时，上标定点和下标定点351均位于视觉装置20的拍摄范围内。
具体地，本实施例中，如图5和图6所示，承载座体120还包括连接于连接部121且位于上承载梁122下方的下承载梁123，下承载梁123安装有驱动电机400，驱动电机400包括驱动本体和设于驱动本体的壳体内的旋转编码器，驱动本体的驱动端连接于下臂330且与转动轴200共轴设置，旋转编码器作为角度检测件用于检测驱动本体驱动端的转动角度。一方面，选用带有旋转编码器的驱动电机400，该驱动电机400的驱动本体具体包括定子和动子，其中动子作为驱动端连接下臂330以用于驱动转动座300转动；驱动电机400壳体内部的旋转编码器作为角度检测件用于检测动子的转数并通过控制器将转数换算为转动座300的转动角度，则选用单个驱动电机400可以同时实现转动驱动件和角度检测件的功能，结构简单、功能性强；另一方面，驱动电机400安装于承载座体120的下承载梁123，能够对转动座300的下臂330进行限位，则转动座300的上下分别受到转动轴200和驱动电机400的转动限位，从而提高转动座300周向转动的稳定性及位置精确度，减少转动座300仅顶部受转动轴200限位转动过程中容易偏移情况的发生，相应进一步提高标定装置10对待标定视觉装置的标定准确性。
本实施例中，如图5和图6所示，标定装置10还包括固定螺钉124，连接部121的侧壁设有沿竖直方向延伸的腰型孔121a，固定螺钉124穿过腰型孔121a螺纹连接于固定座体110的侧壁，且固定螺钉124的螺头抵接于腰型孔121a的外端面；固定座体110螺纹连接有上调节螺钉113和下调节螺钉114，上调节螺钉113的底端抵接于连接部的顶面，下调节螺钉114的顶端抵接于连接部的底面。安装承载座体120时，可以首先粗定位连接部121相对固定座体110的位置，并使用固定螺钉124穿过腰型孔121a并螺纹连接于固定座体110，且此时固定螺钉124的螺头处于锁紧连接部121但并未锁死的状态，然后可以通过旋动上调节螺钉113和下调节螺钉114，从而顶抵连接部121上下移动实现对其上下的位置调节，相应提高承载座体120连接于固定座体110的位置精确度，进而提高转动座300的安装精确度，减小其在测量过程中引入的误差，以提高标定装置10对待标定视觉装置的标定精确度；调节完成后，旋紧固定螺钉124将连接部121锁定于固定座体110即可。
具体地，如图5和图6所示，上调节螺钉113和下调节螺钉114可以均为两个，两个上调节螺钉113和两个下调节螺钉114均沿连接部121的宽度方向间隔排布；腰型孔121a可以为两列，两列腰型孔121a沿连接部121的宽度方向间隔排布，固定螺钉124与腰型孔121a一一对应。安装承载座体120的过程中，除上述通过上调节螺钉113和下调节螺钉114调节连接部121的上下位置外，设置两组上调节螺钉113和下调节螺钉114不仅能够于不同位置对连接部121的上下位置进行抵紧限位，从而提高连接部121及承载座体120连接于固定座体110的稳定性，相应提高转动座300在测量过程中的稳定性；还能够通过两组上调节螺钉113和下调节螺钉114对连接部121宽度方向不同顶抵位置的高度进行调节，从而小幅度调节连接部121绕固定螺钉124的旋转角度，相应调节承载座体120及转动座300的方位角及水平度，进而进一步提高转动座300的安装方位精确度，相应进一步减少标定装置10在测量过程中引入的误差，以进一步提高标定装置10对待标定视觉装置的标定精确度。
具体地，可以在固定座体110设有上调节耳111和下调节耳112，上调节螺钉113螺纹连接于上调节耳111，下调节螺钉114螺纹连接于下调节耳112。
可选地，本实施例中，连接部121的第一侧设有沿上下方向延伸的滑接槽，固定座体110为长条状且配合滑接于滑接槽。固定座体110与连接部121通过滑接槽配合滑接，能够对两者的连接进行预定位，从而提高两者的安装定位便捷度以及两者的配合紧凑性。
可选地，上标定点和下标定点351可以具体设置于不同的标定块上，通过将标定块安装于上臂310和下臂330以实现上标定点和下标定点351的设置，具体地，标定块可以为金属块或玻璃块，标记点设置于标定块的其中一个光滑表面上。
具体地，本实施例中，上臂310和下臂330均设有安装孔361，安装孔361内上下滑接有标定块，其中，位于上臂310的标定块为上标定块340，位于下臂330的标定块为下标定块350；上臂310和下臂330均设有锁紧件，锁紧件具有将相应标定块锁定于安装孔361的锁紧位和允许相应标定块沿安装孔361上下移动的调节位。两个标定块安装于转动座300且呈上下间隔排布，标定使用时，待标定视觉装置置于两个标定块之间，可以调节锁紧件至调节位，然后沿安装孔361上下滑动标定块以在一定范围内对标定块的上下位置进行调节，同时调节待标定视觉装置的上下位置，从而改变两个标定块的上下间距以及待标定视觉装置距离上标定点、下标定点351的上下间距，以使上标定点和下标定点351能够均位于待标定视觉装置的对焦点处，相应确保待标定视觉装置拍摄得到上标定点和下标定点351的图片的清晰度，进而确保对上标定点和下标定点351坐标的精确识别，以及后续根据上标定点和下标定点351坐标获取待标定误差并依此对待标定视觉装置进行补偿标定的精确度。标定块的位置调节完成后，调节锁紧件处于锁紧位，以确保标定块连接于转动座300的位置稳定性，减少测量过程中调节标定块松动影响拍摄图片质量以及测量坐标精确度情况的发生。
可选地，本实施例中，标定块设有沿上下方向延伸的条形孔364，且条形孔364的孔深方向为第一水平方向；锁紧件包括锁紧螺钉370，安装孔361相对的两侧分别连通有锁紧螺纹孔363和贯通的贯穿孔362，锁紧螺纹孔363和贯穿孔362两者的孔深方向均与第一水平方向一致，锁紧螺钉370的螺杆穿过条形孔364螺纹连接于锁紧螺纹孔363、螺头容置于贯穿孔362内并抵接于标定块。这里是锁紧件的其中一种具体形式，需要对标定块进行上下调节时，可以向外旋松锁紧螺钉370使其螺头不再压紧标定块而到达调节位，此时锁紧螺钉370的螺杆可以保持穿过条形孔364也可以完全脱离条形孔364，然后沿安装孔361上下滑动标定块对其上下位置进行调节；调节到位后，使锁紧螺钉370的螺杆穿过条形孔364并反向旋紧锁紧螺钉370使其螺头压紧标定块，从而到达锁紧位将位置调节后的标定块锁定于转动座300。采用上述形式的锁紧件，在实现对标定块锁紧、调节的基础上，结构简单，且锁紧位时，整个锁紧螺钉370位于贯穿孔362、安装孔361和锁紧螺纹孔363内，未凸出转动座300外部，从而提高转动座300的外观整齐性并减少转动座300转动过程中锁紧螺钉370外凸对其他部件或待标定视觉装置造成的碰撞干涉，相应确保标定的正常进行。
当然，在其他实施例中，也可以仅在安装孔361的一侧连通有贯穿形式的锁紧螺纹孔363，锁紧螺钉370可以旋接于锁紧螺纹孔363且其螺杆端部抵接于标定块，从而位于锁紧位对标定块进行限位；需要调节时，旋松锁紧螺钉370，使其螺杆端部松开标定块即可到达调节位对标定块进行上下调节。
本实施例中，沿第一水平方向，锁紧螺纹孔363位于贯穿孔362的下游；安装孔361沿第一水平方向的宽度呈缩口状。标定块的形状与安装孔361的形状匹配为梯形块，如图7所示，标定块的顶面为梯形，其右侧边为梯形的上底、左侧边为梯形的下底、前后两侧边为腰，两条腰自左向右沿第一水平方向逐渐靠近；锁紧螺钉370由调节位旋动至锁紧位的过程中，标定块随锁紧螺钉370螺头朝向第一水平方向的推动而逐渐朝向安装孔361的缩口一侧挤压，则标定块两条腰对应的侧壁不断挤压安装孔361相应的两侧孔壁，直至锁紧螺钉370的螺头抵紧标定块下底对应的侧壁，标定块锁紧于安装孔361内，从而提高锁紧螺钉370位于锁紧位时对标定块的锁定稳定性。
具体地，如图5和图6所示，转动轴200的顶端可以通过轴承210与设于上承载梁122的枢接孔转动连接，且通过卡簧220对转动轴200的轴向位置进行限位；如图7所示，转动轴200的底端设有容置槽230，容置槽230的顶端连通有调节螺纹孔240；标定装置10还包括调节螺钉260，调节螺钉260的螺杆螺纹连接于调节螺纹孔240，且调节螺钉260的螺杆的底端穿过容置槽230转动卡接于上标定块340。转动轴200的底部与安装孔361相应的位置设置有容置槽230，以增大上标定块340上方的调节空间及其向上的调节范围，需要对上标定块340进行上下调节时，调节锁紧件位于调节位，然后旋动调节螺钉260，调节螺钉260在调节螺纹孔240的限制作用下发生旋动的同时带动上标定块340沿调节螺纹孔240的轴向上下移动，从而将调节螺钉260大行程的转动运动转变为上标定块340小行程的上下运动，相应实现对上标定块340的精确无极调节，提高对其的位置调节精确度。调节完成后，将锁紧件调节至锁紧位。
较佳地，如图7所示，调节螺纹孔240的顶部通过容置孔250贯穿转动轴200的顶部，调节螺钉260螺纹的螺杆连接于调节螺纹孔240时，其螺头容置于容置孔250内，从而减少调节螺钉260向上凸起对其他部件造成的干涉。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种上下对准视觉装置的标定方法，其特征在于，包括：
将待标定视觉装置置于标定装置（10）的上标定点和下标定点（351）之间，转动设有所述上标定点和所述下标定点（351）的转动座N次，以使所述转动座（300）到达不同位置，其中，N≥4，所述上标定点与所述下标定点（351）上下对应，所述转动座（300）的转动轴（200）竖直设置；
通过所述待标定视觉装置测量所述转动座（300）位于各个位置时所述上标定点的坐标（xTn，yTn）和所述下标定点（351）的坐标（xBn，yBn），以获取待标定视觉装置的上下对准结果（xTn-xBn，yTn-yBn）；
获取所述转动座（300）位于各个位置时的转动角度θn；
所述标定装置（10）具有第一误差和第二误差，其中，所述第一误差为所述上标定点与所述下标定点（351）的实际位置偏差，所述第二误差为所述标定装置（10）的组装位置精度引起的误差；
根据所述待标定视觉装置的待标定误差、所述第一误差、所述第二误差、测量过程的测量噪声、N组（xTn-xBn，yTn-yBn）和N组θn建立所述待标定视觉装置的误差方程组；
求解所述误差方程组，得到所述待标定误差的数值；
根据求得的所述待标定误差的数值对所述待标定视觉装置的上下对准结果进行补偿，以得到标定后的视觉装置的上下对准结果。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述误差方程组为：
其中，（δX，δY）为所述待标定视觉装置的待标定误差；p为引起所述第二误差的误差参数，R（θn，p）是关于θn，p的函数矩阵，用于表征所述上标定点和所述下标定点（351）在所述待标定视觉装置获取图像中的相对位置随转动角度θn变化的定量关系；（△x，△y）为所述第一误差；（εXn，εYn）为所述测量噪声。
3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，当所述标定装置不存在所述第二误差时，
。
4.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，p为由所述标定装置中所述转动轴竖直偏差引起的误差参数，
；
其中，e为所述转动座带动所述上标定点或所述下标定点（351）转动形成椭圆轨迹的偏心率，0≤e<1；为所述椭圆轨迹中长轴的方位角，°。
5.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，p为由所述标定装置中所述转动轴竖直偏差对所述待标定视觉装置测量引入的误差参数，
；
其中，e为所述转动座带动所述上标定点或所述下标定点（351）转动形成椭圆轨迹的偏心率，0≤e＜1；为所述椭圆轨迹中长轴的方位角，°；d为所述待标定视觉装置到所述上标定点或所述下标定点（351）的拍摄距离，m；r为所述待标定视觉装置的拍摄范围内由所述转动轴的竖直偏差导致d的最大变化值，m。
6.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，N为偶数，所述转动角度θ1……θN中，任一转动角度均存在另一转动角度与其角度差为180°；
或，任意相邻两个转动位置的中心角均相等。
7.一种标定系统，其特征在于，能够执行权利要求1-6任一项所述的标定方法，所述标定系统包括标定装置（10）、控制器和待标定视觉装置，所述标定装置（10）包括基座（100）和通过转动轴（200）转动连接于所述基座（100）的转动座（300），所述转动座（300）设有上下对应的上标定点和下标定点（351），所述转动轴（200）竖直设置；所述基座（100）设有用于驱动所述转动座（300）转动的转动驱动件和用于检测所述转动座（300）转动角度的角度检测件；
所述转动驱动件、所述角度检测件及所述待标定视觉装置均与所述控制器通信连接。
8.一种标定装置，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的标定方法，所述标定装置（10）包括基座（100）和通过转动轴（200）转动连接于所述基座（100）的转动座（300），所述转动座（300）设有上下对应的上标定点和下标定点（351），所述转动轴（200）竖直设置；所述基座（100）设有用于驱动所述转动座（300）转动的转动驱动件和用于检测所述转动座（300）转动角度的角度检测件。
9.根据权利要求8所述的标定装置，其特征在于，所述转动座（300）包括上臂（310）、下臂（330）和连接于两者之间的连接臂（320），所述上臂（310）的底面和所述下臂（330）的顶面平行设置且上下对应，所述上标定点位于所述上臂（310）的底面，所述下标定点（351）位于所述下臂（330）的顶面；
所述基座（100）包括固定座体（110）和连接于所述固定座体（110）的承载座体（120），所述承载座体（120）包括连接于所述固定座体（110）的连接部（121）和连接于所述连接部（121）的上承载梁（122），所述转动轴（200）转动连接于所述上臂（310）与所述上承载梁（122）之间。
10.根据权利要求9所述的标定装置，其特征在于，所述承载座体（120）还包括连接于所述连接部（121）且位于所述上承载梁（122）下方的下承载梁（123），所述下承载梁（123）安装有驱动电机（400），所述驱动电机（400）包括驱动本体和设于所述驱动本体的壳体内的旋转编码器，所述驱动本体的驱动端连接于所述下臂（330），所述旋转编码器作为所述角度检测件用于检测所述驱动本体驱动端的转动角度。
11.根据权利要求10所述的标定装置，其特征在于，所述标定装置（10）还包括固定螺钉（124），所述连接部（121）的侧壁设有沿竖直方向延伸的腰型孔（121a），所述固定螺钉（124）穿过所述腰型孔（121a）螺纹连接于所述固定座体（110）的侧壁，且所述固定螺钉（124）的螺头抵接于所述腰型孔（121a）的外端面；
所述固定座体（110）螺纹连接有上调节螺钉（113）和下调节螺钉（114），所述上调节螺钉（113）的底端抵接于所述连接部（121）的顶面，所述下调节螺钉（114）的顶端抵接于所述连接部（121）的底面。
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