CN117741965B - 基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳制造技术领域，尤其涉及一种基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，首先通过合理设计模拟的被标记物及其标记点与光源排布，并根据相关参数引入双远心镜头设计可以获取像元级位置精度的高清成像的高精度图像位置对准系统。再配合光机热集成分析以及图像位置解算算法，预测对准系统在复杂环境中的性能变化，进一步保证设计的对准系统能够在特定的工作环境下，在较大的标记动态范围内，对标记达成亚微米级位置精度的成像，满足亚像素位置测量要求。

Description

基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法

技术领域

本发明涉及微纳制造技术领域，尤其涉及一种基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法。

背景技术

随着微纳米科学与技术的发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术，在航空航天、生命科学、集成电路等领域产生了深远的影响。而在这些领域的工业应用中，对精确和高效的图像位置对准的需求普遍存在，例如微电子封装设备，现代微电子封装设备的定位精度已经达到2-5μm，预计下一代封装设备的定位精度将减小至1μm。面对微米级甚至亚微米级的对准精度，通过传统的人工借助探头、显微镜等工具进行对准测量的方式其检测效率和精度很低，已经达不到高端装备市场的需求。而近年来随着机器视觉技术的快速发展正在逐渐解决这些问题。在位置测量方面利用摄像机获取三维景物的二维图像，通过处理器对一幅或多幅图像进行处理、解释并计算出物体表面上点的空间三维坐标，从而实现某些几何量的测量。这种视觉技术具备实时非接触式精准测量的特点，能够在复杂环境下（如真空、高温等）感知被测物体，具有稳定时效性长、重复误差低等优势。然而，当系统稳定性、测量幅宽以及图像对准匹配精度等关键指标提升时，任何微小的系统变量都会影响最终的对准效果，对机器视觉系统的设计方案形成了严峻的挑战。

光学系统作为机器视觉对准系统的重要组成部分，直接影响系统获取图像的质量，进而影响图像对准系统的对准精度。由于待测物体的光学影像由镜头组获取，而传统镜头采用的成像模型存在透视误差导致测量精度降低，而远心镜头依靠其特殊的平行光路设计消除了镜头的这种视差，且畸变小，还可以等放大倍率对物体成像。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，设计出贴合实际情况的被标记物以及标记点，选取合适的光源排布，根据光学系统设计中的各项指标设置基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的具体参数，在位置偏移测量和稳定性两个方面对设计的对准系统进行验证，保证对准系统能够在特定的工作环境下，在较大的标记动态范围内，对标记达成亚微米级位置精度的成像，满足亚像素位置测量要求。

本发明提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，具体包括以下步骤：

S1：根据实际定位物体，仿真得到相应的位置模拟标记物，并将位置模拟标记物设计为阵列式的二维光栅形状；

S2：根据实际定位物体的结构和材料特殊性，在位置模拟标记物的表面设计与实际定位物体一致的膜层，并对位置模拟标记物的结构和膜层进行物理场仿真，分析位置模拟标记物在进行反射或衍射时的光场分布情况；

S3：根据光场分布情况与近红外光源的带宽范围的光学特性对模拟标记物进行几何光学分析，得到近红外光源向位置模拟标记物发射入射光的最佳入射角度；

S4：根据最佳入射角度的仿真结果设计近红外光源的排布位置；

S5：根据实际定位物体、近红外光源的光学特性、最佳入射角度以及近红外光源，引入双远心镜头设计高精度图像位置对准系统，以及确定高精度图像位置对准系统的光学指标；

S6：对高精度图像位置对准系统在不同温度波动、振动、真空等环境下进行稳定性测试和光机热集成分析仿真，并根据稳定性测试和光机热集成分析仿真的结果对高精度图像位置对准系统进行优化调整，直至高精度图像位置对准系统的输出结果的变化小于设定最低值；

S7：使用优化调整后高精度图像位置对准系统获取实际定位物体的高清标记图像，并对高清标记图像在进行灰度化和阈值分割的预处理后，采用质心位置算法得到实际定位物体的坐标，进而得到实际定位物体相对于原参考系的位置偏移量，并根据位置偏移量调整实际定位物体的位置。

进一步的，位置模拟标记物的膜层设计及膜层的嵌套方式与实际定位物体一致，且位置模拟标记物的排布方式与实际定位物体一致。

进一步的，二维光栅形状的宽度为几十微米量级，以及深度为几微米量级。

进一步的，在步骤S3中，根据入射光的发散角的要求，对近红外光源与位置模拟标记物的光谱响应进行逆向匹配计算，通过光栅衍射方程计算位置模拟标记物产生的衍射角在3D空间的发散程度，直到位置模拟标记物产生射入高精度图像位置对准系统的最佳衍射光，此时入射光的入射角度即为最佳入射角度。

进一步的，高精度图像位置对准系统与近红外光源的数量和排布方式一致，且高精度图像位置对准系统包括入射窗口、偏转镜、双远心镜头以及CMOS相机；其中，近红外光源以最佳入射角度向位置模拟标记物发射入射光，位置模拟标记物产生的最佳衍射光经入射窗口和偏转镜射入双远心镜头，最后CMOS相机收集最佳衍射光并生成高清标记图像，并计算成像波前像差。

进一步的，双远心镜头包括前透镜组、孔径光阑和后透镜组；其中，孔径光阑位于前透镜组的像方焦面处，同时位于后透镜组的物方焦面处，形成非对称型双远心成像光路。

进一步的，阈值分割采用小波自适应阈值算法。

进一步的，步骤S6具体包括以下步骤：

S61：先对实际定位物体进行吸光现象的分析，若实际定位物体的射线吸收率和温度变化较强，执行步骤S62；否则直接执行步骤S63；

S62：对高精度图像位置对准系统的光损耗进行迭代计算，即结合温度变化考虑热光变形对高精度图像位置对准系统的像差影响，并计算此时的光损耗，并根据光损耗对高精度图像位置对准系统进行优化调整，直至光损耗的变化降低到设定最低值以下；

S63：对高精度图像位置对准系统进行结构力学的分析，即在对高精度图像位置对准系统施加结构应力后，对高精度图像位置对准系统进行多物理场仿真计算，得到光学像差和像面的RMS点列图；

S64：结合成像波前像差和RMS点列图预测高精度图像位置对准系统在复杂环境中的性能变化。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法能够通过仿真得到贴合实际情况的被标记物及其标记点，通过合理设计光源排布和计算对准系统的具体参数，使设计的对准系统得到可以获取像元级位置精度的高清成像，再配合图像位置解算算法和光机热集成分析模型，预测光学系统在复杂环境中的性能变化，进一步保证设计的对准系统能够在特定的工作环境下，在较大的标记动态范围内，对标记达成亚微米级位置精度的成像，满足亚像素位置测量要求。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法的流程图；

图2是根据本发明实施例提供的二维光栅的反射衍射级次示意图；

图3是根据本发明实施例提供的光栅标记物在一级衍射光仿真示意图；

图4是根据本发明实施例提供的近红外光源的排布示意图；

图5是根据本发明实施例提供的高精度图像位置对准系统的结构示意图；

图6是根据本发明实施例提供的双远心镜头的结构示意图；

图7是根据本发明实施例提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的光机热集成分析流程图；

图8是根据本发明实施例提供的图像位置解算的流程示意图。

附图标记：位置模拟标记物1、近红外光源2、入射窗口3、偏转镜4、双远心镜头5、CMOS相机6、反射镜7、前透镜组8、孔径光阑9、后透镜组10、像面11、第一透镜12、第二透镜13、第三透镜14、第四透镜15、第五透镜16、第六透镜17、第七透镜18、第八透镜19、第九透镜20、第十透镜21。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法能够通过合理设计模拟的被标记物及其标记点与光源排布，并根据相关参数设计可以获取像元级位置精度的高清成像的高精度图像位置对准系统。再配合图像位置解算算法和光机热集成分析模型，预测对准系统在复杂环境中的性能变化，进一步保证设计的对准系统能够在特定的工作环境下，在较大的标记动态范围内，对标记达成亚微米级位置精度的成像，满足亚像素位置测量要求。

图1示出了根据本发明实施例提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法的流程。

如图1所示，基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法具体包括以下步骤：

S1：根据实际定位物体，仿真得到相应的位置模拟标记物，并将位置模拟标记物设计为阵列式的二维光栅形状。

其中，位置模拟标记物的膜层设计及膜层的嵌套方式与实际定位物体一致，且位置模拟标记物的排布方式与实际定位物体一致，且二维光栅形状的宽度为几十微米量级，深度为几微米量级。

S2：根据实际定位物体的结构和材料特殊性，在位置模拟标记物的表面设计与实际定位物体一致的膜层，并对位置模拟标记物的结构和膜层进行物理场仿真，分析位置模拟标记物在进行反射或衍射时的光场分布情况。

在本发明实施例中，采用联合仿真的形式进行物理场仿真，即通过FDTD（Finite-DifferenceTime-Domain，基于时域有限差分的电磁场数值仿真软件）对位置模拟标记物进行衍射效率和反射率的计算，得到数据后需要在COMSOL实验平台中进行设置，分析位置模拟标记物的光场分布情况。

S3：根据光场分布情况与近红外光源的带宽范围的光学特性对模拟标记物进行几何光学分析，得到近红外光源向位置模拟标记物发射入射光的最佳入射角度。

其中，基于近红外光源的光谱响应和入射光的发散角的要求进行逆向匹配计算，通过光栅衍射方程计算位置模拟标记物产生的衍射角在3D空间的发散程度，直到位置模拟标记物产生射入高精度图像位置对准系统的最佳衍射光，此时入射光的入射角度即为最佳入射角度。

图2示出了根据本发明实施例提供的二维光栅的反射衍射级次，图3示出了根据本发明实施例提供的光栅标记物在一级衍射光仿真结果。

在本发明实施例中，需要分析的是反射衍射级次的分布，故通过收集一级衍射光来达到位置成像的目的，如图2所示。为了后续光源排布设计的简洁性，优选的，将方位角设置为0°，此时可将入射光与光栅看作几个一维光栅的叠加，使用波长为850nm的近红外光源进行照射，然后收集效率最强的（1,1）级反射衍射光。并根据光栅方程得到其入射角的指标：

其中，表示入射角，/>表示衍射角，/>表示近红外光源的波长，为850nm。通过计算得到/>，将当前的入射角/>记为最佳入射角，其反射衍射级次和衍射光场分布如图3所示。

S4：根据最佳入射角度的仿真结果设计近红外光源的排布位置。

图4示出了根据本发明实施例提供的近红外光源的排布。

在本发明实施例中，结合最佳入射角度对近红外光源2相对于实际定位物体1所在的角度进行仿真设计，同时还需要在保持入射光线的发散角不变的情况下，对不同距离的焦面上的光斑大小进行仿真分析，确定近红外光源2的最佳焦面范围，进而确定近红外光源2与实际定位物体1间的距离。优选的，在本发明实施例中将4个近红外光源2如图4所示进行排布，即将4个近红外光源2对称放置在实际定位物体1的下方。

S5：根据实际定位物体、近红外光源的光学特性、最佳入射角度以及近红外光源，引入双远心镜头设计高精度图像位置对准系统，以及确定高精度图像位置对准系统的光学指标。

图5示出了根据本发明实施例提供的高精度图像位置对准系统的结构。

如图5所示，高精度图像位置对准系统与近红外光源2的数量和排布方式一致。高精度图像位置对准系统包括入射窗口3、偏转镜4、双远心镜头5以及CMOS相机6（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）。

其中，近红外光源2以最佳入射角度向位置模拟标记物1发射入射光，位置模拟标记物1产生的最佳衍射光经入射窗口3和偏转镜4射入双远心镜头5，最后CMOS相机6收集最佳衍射光并生成高清标记图像，并计算成像波前像差。

图6示出了根据本发明实施例提供的双远心镜头的结构。

如图6所示，双远心镜头5包括反射镜7、前透镜组8、孔径光阑9、后透镜组10和像面11。前透镜组7从左至右依次为第一透镜12、第二透镜13、第三透镜14、第四透镜15和第五透镜16。后透镜组10从左至右依次为第六透镜17、第七透镜18、第八透镜19、第九透镜20和第十透镜21。

优选的，在本发明实施例中近红外光源2发出19.313°的入射光，入射光在位置模拟标记物1上的发散角为±0.68°，模拟标记物1产生的（1,1）级反射衍射光通过入射窗口3和偏转镜4后，经过反射镜7进入双远心镜头5，当光线到达孔径光阑9后，其边缘的非成像杂光以及视场外的光线被遮挡，可以有效降低边缘像差，且此处为光线的第一转像面，然后通过第六透镜17、第七透镜18、第八透镜19、第九透镜20和第十透镜21，最终到达CMOS探测器6，通过快速读取图像并进行质心计算可以计算标记的误差。优选的，偏转镜4采用90°偏转镜。

在本发明实施例中，高精度图像位置对准系统2的光学指标包括高精度图像位置对准系统2的工作波段为850±3nm、双远心镜头5的放大倍率-1X、景深1mm(±0.5mm)、远心度优于0.012°、畸变0.0004%、解析力5um~10um为100lp/mm、物距70mm，像距20mm、以及高精度图像位置对准系统2的外形尺寸光机总长为170mm，最大外形直径为45mm、CMOS相机6的参数为1240万像素，像元大小为1.85μm，4072（H）×3046（V）、接口类型为Camera Link及工作环境为22±2℃以及真空环境下。优选的，为减小了系统体积，提升了设备的空间利用率，将双远心镜头5的物方第一表面口径设置为18.28mm，像方最后表面口径设置12.98mm。

S6、对高精度图像位置对准系统在不同温度波动、振动、真空等环境下进行稳定性测试和光机热集成分析仿真，并根据稳定性测试和光机热集成分析仿真的结果对高精度图像位置对准系统进行优化调整，直至高精度图像位置对准系统的输出结果的变化小于设定最低值。

图7示出了根据本发明实施例提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的光机热集成分析的流程。

如图7所示，高精度图像位置对准系统的光机热集成分析具体包括以下步骤：

S61：先对实际定位物体进行吸光现象的分析，若实际定位物体的射线吸收率和温度变化较强，执行步骤S62；否则直接执行步骤S63。

因为实际定位物体的基底为不透明的，需要通过FDTD以及COMSOL实验平台进行多物理场的仿真计算实际定位物体的吸收率以及温度变化。若实际定位物体的吸收率以及温度变化较弱，反演出反射率较高，则说明射线损耗对温度场的影响不大，此时可以直接输出高精度图像位置对准系统的结果。若因射线产生的热效应对温度场的影响较大，则需要迭代计算执行步骤S62的光损耗。

S62：对高精度图像位置对准系统的光损耗进行迭代计算，即结合温度变化考虑热光变形对高精度图像位置对准系统的像差影响，并计算此时的光损耗，并根据光损耗对高精度图像位置对准系统进行优化调整，直至光损耗的变化降低到设定最低值以下。

其中的优化调整是指改变实际定位物体的基底材料、光学系统材料以及光通量参数来降低光线加热对高精度图像位置对准系统的影响。优选的，设定最低值设定为0.5μm。

S63：对高精度图像位置对准系统进行结构力学的分析，即在对高精度图像位置对准系统施加结构应力后，对高精度图像位置对准系统进行多物理场仿真计算，得到光学像差和像面的RMS点列图（RMS，Root-Mean-Square，均方根）。

优选的，本发明实施例在进行高精度图像位置对准系统的应力唯一分析时，在使用FDTD和COMSOL实验平台进行联合的基础上仿真采用ANSYS实验平台，得到数据后在lighttools（照明设计软件）中进行光学离轴仿真。

S64：结合成像波前像差和RMS点列图预测高精度图像位置对准系统在复杂环境中的性能变化。

S7：使用优化调整后高精度图像位置对准系统获取实际定位物体的高清标记图像，并对高清标记图像在进行灰度化和阈值分割的预处理后，采用质心位置算法得到实际定位物体的坐标，进而得到实际定位物体相对于原参考系的位置偏移量，并根据位置偏移量调整实际定位物体的位置。

图8示出了根据本发明实施例提供的图像位置解算的流程。

如图8所示，先对高清标记物图像进行图像灰度化的预处理，再对预处理后的高清标记物图像进行阈值分割。

由于小波自适应阈值算法有着具有阈值随图像的变化而变化以达到最好效果的优点，且可以很好地去除高斯白噪声，因此本发明实施例中采用小波自适应阈值作为阈值选取算法。

再对阈值分割后的高清标记物图像根据下式获取高清标记物图像中标记物的质心坐标：

其中，分别表示阈值分割后的高清标记物图像的两个方向，/>分别表示方向像素的数量，/>表示像素点/>处的灰度值。

最后利用质心求解函数计算得到质心位置后通过全局系数和/>等效到物方的位置偏移/>和/>，即：

其中，,/>表示原参考系中质心的坐标。

本发明实施例中，在得到到物方的位置偏移和/>后，采用六维调节平台对实际定位物体进行位置调整。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：根据实际定位物体，仿真得到相应的位置模拟标记物，并将所述位置模拟标记物设计为阵列式的二维光栅形状；

S2：根据所述实际定位物体的结构和材料特殊性，在所述位置模拟标记物的表面设计与所述实际定位物体一致的膜层，并对所述位置模拟标记物的结构和膜层进行物理场仿真，分析所述位置模拟标记物在进行反射或衍射时的光场分布情况；

S3：根据所述光场分布情况与近红外光源的带宽范围的光学特性对所述模拟标记物进行几何光学分析，得到所述近红外光源向所述位置模拟标记物发射入射光的最佳入射角度；

S4：根据所述最佳入射角度的仿真结果设计所述近红外光源的排布位置；

S5：根据所述实际定位物体、所述近红外光源的光学特性、所述最佳入射角度以及所述近红外光源，引入双远心镜头设计高精度图像位置对准系统，以及确定所述高精度图像位置对准系统的光学指标；

S6：对所述高精度图像位置对准系统在不同温度波动、振动、真空等环境下进行稳定性测试和光机热集成分析仿真，并根据所述稳定性测试和所述光机热集成分析仿真的结果对所述高精度图像位置对准系统进行优化调整，直至所述高精度图像位置对准系统的输出结果的变化小于设定最低值；

S7：使用优化调整后的高精度图像位置对准系统获取所述实际定位物体的高清标记图像，并对所述高清标记图像在进行灰度化和阈值分割的预处理后，采用质心位置算法得到所述实际定位物体的坐标，进而得到所述实际定位物体相对于原参考系的位置偏移量，并根据所述位置偏移量调整所述实际定位物体的位置。

2.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述位置模拟标记物的膜层设计及所述膜层的嵌套方式与所述实际定位物体一致，且所述位置模拟标记物的排布方式与所述实际定位物体一致。

3.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述二维光栅形状的宽度为几十微米量级，所述二维光栅形状的深度为几微米量级。

4.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，根据所述入射光的发散角的要求，对所述近红外光源与所述位置模拟标记物的光谱响应进行逆向匹配计算，通过光栅衍射方程计算所述位置模拟标记物产生的衍射角在3D空间的发散程度，直到所述位置模拟标记物产生射入所述高精度图像位置对准系统的最佳衍射光，此时所述入射光的入射角度即为所述最佳入射角度。

5.根据权利要求4所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述高精度图像位置对准系统与所述近红外光源的数量和排布方式一致，且所述高精度图像位置对准系统包括入射窗口、偏转镜、双远心镜头以及CMOS相机；其中，所述近红外光源以所述最佳入射角度向所述位置模拟标记物发射所述入射光，所述位置模拟标记物产生的所述最佳衍射光经所述入射窗口和所述偏转镜射入所述双远心镜头，最后所述CMOS相机收集所述最佳衍射光并生成所述高清标记图像，并计算成像波前像差。

6.根据权利要求5所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述双远心镜头包括前透镜组、孔径光阑和后透镜组；其中，所述孔径光阑位于所述前透镜组的像方焦面处，同时位于所述后透镜组的物方焦面处，形成非对称型双远心成像光路。

7.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述阈值分割采用小波自适应阈值算法。

8.根据权利要求5所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：

S61：先对所述实际定位物体进行吸光现象的分析，若所述实际定位物体的射线吸收率和温度变化较强，执行步骤S62；否则直接执行步骤S63；

S62：对所述高精度图像位置对准系统的光损耗进行迭代计算，即结合所述温度变化考虑热光变形对所述高精度图像位置对准系统的像差影响，并计算此时的光损耗，并根据所述光损耗对所述高精度图像位置对准系统进行优化调整，直至所述光损耗的变化降低到所述设定最低值以下；

S63：对所述高精度图像位置对准系统进行结构力学的分析，即在对所述高精度图像位置对准系统施加结构应力后，对所述高精度图像位置对准系统进行多物理场仿真计算，得到光学像差和像面的RMS点列图；

S64：结合所述成像波前像差和所述RMS点列图预测所述高精度图像位置对准系统在复杂环境中的性能变化。