面向微装配的亚微米精度同轴共焦对准检测方法与装置

摘要

本发明涉及一种面向微装配的亚微米精度同轴共焦对准检测方法与装置。该方法采用基于棱镜的同轴对准激光共聚焦检测实现目标零件和基体零件的实时共像检测，将激光共聚焦高精度检测引入微器件的高精度对准检测过程中，检测精度突破传统显微光学成像衍射极限，能够实现检测精度优于1微米。同轴对准棱镜结构的设计是保证激光共聚焦检测目标零件和基体零件相对位置误差的关键。采用等腰直角三角棱镜的两次反射实现目标零件和基体零件在激光共聚焦像平面的共像，为微器件的装配对准过程的相对位置误差的检测计算提供保证。结合高精度的基体零件夹持精确调整平台和目标零件夹持机械直线位移台，该检测系统可以实现亚微米精度的装配对准精度。

说明书

技术领域

面向微装配的亚微米精度同轴共焦对准检测方法与装置，特别涉 及微小型结构的检测、几何光学对准检测光路设计，属于微检测、微 操作及微器件高精度装配领域。

背景技术

对于微器件的高精度装配而言，目标零件和基体零件在装配过程 中相对位置关系的精确检测是实现微小型器件高精度装配的关键步 骤之一。目标零件和基体零件对准检测精度的高低直接影响微器件整 体装配精度，对提高微器件装配成功率和精度有着至关重要的作用。 采用传统的单目、双目或多目显微机器视觉的方法来检测和定位空间 中两个装配与待装配零件之间的空间图像位置信息，会受到微器件的 夹持调整机构、照明光源与显微视觉系统自身工作距离的限制，而且 无法突破光学衍射极限，检测对准的精度受到自身系统的限制，提高 也非常困难。

天津大学申请号为：200910069739.7的专利设计了一种用于微靶 球装配检测的“基于时间差法的共聚焦激光测头”，该测头的主体机 构，包括激光器、分光棱镜、音叉透镜、线圈组件及置于光电接收器 套筒的光电接收器。该专利解决了共聚焦侧头测量光斑过大的技术难 题，缩小了测头的体积。在实际的测量过程中采用双测头上下布置的 方式，实现两路激光共聚焦侧头同轴差动式的测量方法。激光共聚焦 测量系统的测量不确定度约为±1.2μm。

德国Karl Suss公司开发的FC系列贴片机采用了视觉对位，该对 位检测系统使用了两个CCD镜头来实现芯片和基底上对位标记的对 准，从而通过高精度平台的移动实现芯片与基底的对准。一个CCD 用于将电子器件与基底面调平，另一个通过物镜、偏振分光镜实现芯 片和基底的图像同画面获取，X,Y方向对准精度可达到2μm，转角 精度可达到±0.02°。

从目前国内外基于机器视觉的微装配领域的研究成果来看，针对 装配对象的目标和基体零件的装配对准检测提出许多不同的方案，采 用采用单目显微视觉系统，只能在某方向观测零件空间位置信息，无 法得到零件的三维空间确切位姿信息，因而无法完成结构稍微复杂的 零件的操作和装配。

总体来说，随着微装配理论的不断发展，近年来国内外在基于显 微机器视觉的微器件装配精确对准实现方法方面取得了很大的进步， 但诸多研究成果几乎都是基于传统的显微机器视觉检测方法，或是其 方法的改进，个别系统采用更高精度的检测手段，但缺乏相对比较好 的通用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向微装配的亚微米精度同轴共焦 对准检测方法与装置，该方法采用激光共聚焦显微镜为检测核心，设 计同轴光学检测模块，利用单目测量的模式来实现微器件装配过程中 目标零件和基体零件相对位置误差的精确检测，并实现闭环反馈控 制。其检测可以突破光学衍射极限，检测识别精度达到亚微米。

为实现上述目的，本发明的面向微装配的亚微米精度同轴共焦对 准检测方法与装置，主要包括同轴光学检测棱镜、棱镜夹持器、棱镜 误差调整模块、激光共聚焦测量显微镜、控制计算机五个部分。对于 本发明而言，同轴对准光学模块是保证最终检测精度的关键，该模块 主要选用两块相同的等腰直角三角棱镜，在其中的一块的两个直角面 镀全反射膜，另外的一块的斜面镀全反射膜，反射膜选择针对激光光 源波段的全反射膜，镀膜面的反射率可大于90%。

棱镜的误差调整采用6自由度高精度直线位移台、偏转角度和水 平角度调整台，通过棱镜夹持器与支撑杆和棱镜调整机构刚性连接， 六个自由度可以实现棱镜的全方位调整。

激光共聚焦测量显微镜固定在二维直线位移台上，可以实现激光 共聚焦在水平和竖直方向的调整，激光共聚焦的测头在竖直方向的运 动保证了对于在垂直方向有高度差的零件能够保证有效的检测。对于 基体零件夹持运动平台，在其下方布置了大范围的直线位移台，保证 能够对零件外形尺寸较大的零件进行检测。

附图说明

图1激光共聚焦同轴对准检测系统总体框图；

图2激光共聚焦同轴对准光路原理图；

图3激光共聚焦同轴对准棱镜机构误差调整结构图；

图4激光共聚焦同轴对准棱镜产生棱脊偏转和倾斜图；

图5激光共聚焦同轴对准棱镜端面光路图；

图6激光共聚焦同轴对准检测装配流程图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步详细的说明：

一、激光共聚焦同轴精确对准检测系统

激光共聚焦同轴对准检测系统总体框图如图1所示，实现微器件 最终装配的宏动机械手1的目标零件夹持卡具和微动机器人的基体 零件夹持夹具。机器人1和机器人2都受总控计算机的操作控制，目 标零件的机械手可以实现大范围的宏运动，从上料机构位置开始到装 配对准初始位置，这部分主要采用普通显微光学系统，该光学系统可 以实现较大检测视场范围，在大视场条件下实现目标零件和基体零件 的初始对准和定位，传统的显微光学检测系统为后续的激光共聚焦精 确测量提供了有效的保证。激光共聚焦测量显微的检测视场很小，无 法全部获取目标零件和基体零件的装配对准关键特征图像。

二、激光共聚焦同轴精确对准检测光路原理

激光共聚焦同轴精确对准检测光路原理如图2所示，棱镜A和B 是采用K9玻璃加工的等腰直角三角棱镜，分别在棱镜A的两条直角 边和棱镜B的斜边镀和激光共聚焦激光光源波长相等或接近的镀膜， 该镀膜可以实现大约96%激光反射率，目标零件C和基体零件D分 别位于棱镜A的上方和下方，在进行装配对准操作开始前须对目标 零件和基体零件进行水平度的初始校准，目标零件C和基体零件D 经过棱镜B的反射之后在激光共聚焦的像平面可以获得目标零件C 和基体零件D的图像。通过图2的光路可以得到目标零件C在激光 共聚焦的像平面的像会发生180°的旋转，基体零件D在激光共聚焦 像平面的像和实际的物体在方向上是一致的。由于激光共聚的视场范 围比较小，采用该光路无法同时获取目标和基体零件的装配对准关键 特征，在实际的检测中保持棱镜机构的位置不变，移动激光共聚焦显 微镜来二次扫描获取基体零件D的图像，采用图像拼接的方法来计 算其相对的位置误差。

三、棱镜夹持调整机构及误差分析

激光共聚焦同轴精确对准检测棱镜夹持及调整机构如图3所示， 棱镜采用一面定位，一面挤压夹紧的方法来固定两片独立的三角棱 镜，以保持其相对位置的稳定，对于该对准机构系统来说棱镜夹持的 相对位置保持和稳定性是最终的装配精度的一个重要的因素，棱镜调 整机构是对棱镜在安装过程中可能产生的位移和角度偏差进行微小 的调整，是实现光学对准模块校准的一个有效的手段。

理想状况下，目标零件和基体零件在三角棱镜的垂直上方和下 方，其在三角棱镜的反射光路如图4所示，目标零件和基体零件经过 二次发射后成平行入射状态。系统在装配操作开始之前进行光轴垂直 度的校准和摄像机的畸变校正，因此，对于此光学结构，棱镜的方位 调整的精度是影响装配对准精度的关键因素。此光路的成像误差来源 于棱镜系统的棱脊的偏转和倾斜。在本系统对准检测棱镜机构中，采 用旋拧挤压棱镜两主端面的方式，并固定在专门的棱镜误差调整机构 上，对棱镜体产生的微小误差进行调整，在实际的安装固定过程中可 能会产生如图所示4所示的棱脊偏转和倾斜。

如图5所示，实际的反射棱镜端面图是一个等腰直角三角形，a₀和a₁，b₀和b₁分别表示理想状况下，目标零件和基体零件的入射和 反射光线的单位矢量，n为反射面的单位法矢量（规定其方向指向反 射面）。在直角坐标系Oxyz中，因为零件上方和下方的零件通过棱镜 反射后具有对等性，选其中的入射光线a₀，反射光线a₁和法线n分 别用其在3个坐标轴上的投影分量（方向余弦）表示，矢量形式的反 射定律可表示成：

a₁＝a₀-2(a₀·n)n

在指定的坐标系中，上述三个单位矢量可分别用其在三个坐标轴 上的投影分量（方向余弦）表示，即

n＝[cosα cosβ cosγ]^T，

a₀＝[L₀ M₀ N₀]^T，

a₁＝[L₁ M₁ N₁]^T。

式中，L₀，M₀，N₀为入射光线a₀在3个坐标轴上的投影分量（方 向余弦表示）；L₁，M₁，N₁为出射光线a₁在3个坐标轴上的投影分量 （方向余弦表示）。

棱镜坐标系为OXYZ表示固定初始坐标系，O₀X₀Y₀Z₀表示在实际 的安装固定过程中由于夹持机构造成的棱脊偏转或倾斜后的坐标系。 不考虑实际的夹持和调整状况，当α和β均为零时，OXYZ坐标系和 O₀X₀Y₀Z₀坐标系是完全重合的。直角棱镜与O₀X₀Y₀Z₀固定连在一起， 棱脊与X₀轴平行，棱镜在x,y,z轴方向产生α,β,γ度角的偏转。

$\left(\begin{array}{c}{L}_1\\ M_1\\ N_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1-{2\cos }^2\alpha & -2\cos \alpha \cos \beta & -2\cos \alpha \cos \gamma \\ -2\cos \alpha \cos \beta & 1-{2\cos }^2\beta & -2\cos \beta \cos \gamma \\ -2\cos \alpha \cos \gamma & -2\cos \beta \cos \gamma & 1-2{\cos }^2\gamma \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{L}_0\\ M_0\\ N_0\end{array}\right)=R\left(\begin{array}{c}{L}_0\\ M_0\\ N_0\end{array}\right)$

棱脊的倾斜和偏转造成了棱镜反射面的位置误差，其法线方向就 有误差，则偏离理想位置的反射面所对应的反射矩阵为：

$R_{\Delta }=\left(\begin{array}{ccc}1-2{\cos }^2(\alpha +d_{\alpha })& -2\cos (\alpha +d_{\alpha })\cos (\beta +d_{\beta })& -2\cos (\alpha +d_{\alpha })\cos (\gamma +d_{\gamma })\\ -2\cos (\alpha +d_{\alpha })\cos (\beta +d_{\beta })& 1-2{\cos }^2(\beta +d_{\beta })& -2\cos (\beta +d_{\beta })\cos (\gamma +d_{\gamma })\\ -2\cos (\alpha +d_{\alpha })\cos (\gamma +d_{\gamma })& -2\cos (\beta +d_{\beta })\cos (\gamma +d_{\gamma })& 1-{2\cos }^2(\gamma +d_{\gamma })\end{array}\right)$

其中，d_α,d_β,d_γ分别表示α,β,γ的微小误差。

实际的棱镜夹持与固定机构如图6所示。对于该机构的棱镜A 和B的误差偏转在x，y轴向不会产生独立的偏向，棱镜A可能会在 z轴方向，即和入射光线平行的竖直方向产生微小的角度偏差，在入 射光线位置不变的情况下，棱镜产生微小角度偏转时在棱镜A和B 的反射光路。目标和基体零件会在像平面产生一定位移的偏移，目标 零件b在像平面的像从b’移动到b”，基体零件a的像从a’移动到a”， 其移动的距离分别为ΔH和ΔL。

在实际的测量中，由于激光共聚焦测量显微镜的工作距离比较 小，通过两次棱镜的反射，以边长为5mm的三角棱镜为例，光线从 三角棱镜A的中点射入，棱镜B的固定沿和棱镜A的固定支点O不 能位于同一个平面内，不然会让目标零件的反射光线移开棱镜B的 反射面，在实际的使用中，使得棱镜B的下固定边缘上移1.5mm的 距离，以保证目标零件和基体零件能够同时在棱镜B的反射面获得 理想的像。

通过几何光学的反射定律可以得到ΔL。

其中，

$x=\frac{3\sqrt{2}a·\cos \alpha -2\sqrt{2}a+3\sqrt{2}a·{\sin }^2\alpha +3\sqrt{2}a·\sin \alpha \cos \alpha }{\cos \alpha -{\sin }^2\alpha -\sin \alpha \cos \alpha }$

h表示激光共聚焦显微镜的镜头到棱镜夹具的底端的距离，b表 示目标零件入射光线从三角棱镜边中心入射与棱镜边焦点到夹具底 端的距离。

ΔH＝y+(h₂-b₂)tan2α

$y=\frac{\sqrt{2}}{4}a·\frac{\sin 2\alpha +\cos 2\alpha }{\cos 2\alpha }-\frac{\sqrt{2}}{4}a·\frac{(\sin 2\alpha +\cos 2\alpha )}{\cos 2\alpha ·(1+\tan \alpha )}-\frac{\sqrt{2}}{2}a·\frac{\sin \alpha \cos \alpha }{\cos 2\alpha }+\frac{\sqrt{2}}{2}a·\frac{\sin \alpha \cos \alpha (1-\tan )}{\cos 2\alpha (1+\tan )}$

四、激光共聚焦同轴对准检测控制系统

对于高精度微器件装配系统而言，系统工作之前必须进行初始的 校准保证目标零件夹持运动结构，基体零件夹持机构和共聚焦显微检 测和光路模块的位置校准。系统校准完成后，上料机构将目标零件按 规划路径送达目标位置，目标零件夹持机械手运动到该目标位置后在 人机协同的操作下对目标零件进行夹持，目标零件夹取过程中对夹持 的接触状态进行微接触力的反馈，对于多数微小零件具有的易变形、 易碎的特点，在夹取过程中必须进行夹持接触力的反馈，本实验装配 系统选用了ATI公司的NANO47的六维微力传感器，该传感器可以 实现毫牛级的微力检测。在实际的零件夹取过程中可以有效的保护被 夹持零件。夹持过程中可以实现目标零件夹取的反馈闭环控制，超过 设定阈值，夹持机械手会自动往相反的方向移动。目标零件安全夹持 后会将目标零件移动到规划位置，基体零件夹持器的上方，激光共聚 焦对准检测模块移入到目标零件和基体零件所在的轴线位置，开启激 光共聚焦白光工作模式，并自动调整激光共聚焦的低倍率镜头初步获 取目标零件和基体零件的位置，并保持基体零件的相对位置不变，微 调目标零件的位置，使激光共聚焦显微镜可以同时获取目标零件和基 体零件的图像信息。根据装配精度的要求调整激光共聚焦的物镜倍 率。由于激光共聚焦不同倍率物镜其工作距离不同，需要调整目标零 件、基体零件和棱镜模块的相对位置，以保证在激光共聚焦的像平面 可以同时获取目标零件和基体零件的清晰的像。该调整是保证对准检 测精度的关键步骤。

激光共聚焦具有较高的检测精度，但其工作视场范围比普通的显 微光学系统的视场要小很多，为减少对准调整的时间，可以在普通白 光显微视觉的模式下进行初步的调整后再采用激光模式来实现高精 度的检测。从前面激光共聚焦检测棱镜模块光路工作原理的分析中可 以看到采用该棱镜结构虽然可以同时得到目标零件和基体零件的装 配对准图像，但目标零件在像平面的像是反像，所以在测量前必须对 其进行精确的标准补偿实验，虽然像是相反的，但通过前面的精确标 定可以保证实际的装配对准精度。图像检测的反馈控制的目标同样可 以实现。

图像反馈检测控制完成后，棱镜和激光共聚焦显微检测系统撤出 装配轴线位置，目标零件夹持沿轴线位置向下移动到基体的目标位 置，这个过程中没有任何的反馈控制检测单元，最终的装配精度只能 由目标零件夹持机械手的重复定位精度来保证，移动距离为15mm， 目标零件机械手在竖直方向的直线位移台的运动定位精度必须得到 有效的保障。

在目标零件和基体零件在最后的装配配合过程中，需要同零件夹 取过程一样的装配接触力的检测并形成闭环反馈控制。以完成最终的 微器件高精度装配。