一鍵式光學(xué)測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種一鍵式光學(xué)測量儀，該一鍵式光學(xué)測量儀包括光學(xué)系統(tǒng)，標(biāo)定系統(tǒng)，匹配系統(tǒng)，圖像測量系統(tǒng)，該測量儀通過光學(xué)系統(tǒng)完成對待測件的低畸變成像，通過標(biāo)定系統(tǒng)計(jì)算圖像中每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸大小，通過匹配系統(tǒng)完成對待測件的放置位置進(jìn)行調(diào)整，通過圖像測量系統(tǒng)完成對各個(gè)測量參數(shù)的微米級測量，整個(gè)測量儀突破了硬件設(shè)施和光學(xué)系統(tǒng)所帶來的精度限制，大大提高了測量的精度和效率。
【專利說明】一鍵式光學(xué)測量儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量儀器，特別涉及一種能夠大幅提高測量效率，改善測量精度 的測量儀器，用于對檢測產(chǎn)品的質(zhì)量檢測，特別是精密，細(xì)微產(chǎn)品檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量的追求也越來越高。如何快速準(zhǔn)確地檢 測產(chǎn)品的質(zhì)量已經(jīng)是很多企業(yè)正面臨的問題。
[0003]現(xiàn)有的測量缺陷如下:傳統(tǒng)地，現(xiàn)在很多企業(yè)都是采用傳統(tǒng)的測量工具以及依靠 人力來完成測量工作，這樣大大降低了測量效率，測量效果會(huì)受到員工素質(zhì)，工作狀態(tài)，經(jīng) 驗(yàn)等因素的影響，對于精密，細(xì)微產(chǎn)品，如，芯片表面缺陷的檢測，則顯得無能為力。
[0004]隨著測量技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了如CN102023168A公開的對半導(dǎo)體晶圓表面的芯片 進(jìn)行高倍率的圖像拍攝，從而對芯片進(jìn)行快速有效檢測的系統(tǒng)，但上述系統(tǒng)仍是以獲得產(chǎn) 品圖像為終止，無法一鍵式獲得產(chǎn)品圖像的各測量參數(shù)，并且由于未對圖像進(jìn)行標(biāo)定，從獲 得的產(chǎn)品圖像無法得到真實(shí)產(chǎn)品的尺寸，誤差很大，再者，常規(guī)光學(xué)影像測量儀器對待測 件的擺放位置和方向有非常嚴(yán)格的要求(比如，要放置在有標(biāo)記的區(qū)域，要水平擺放等)，否 貝IJ，將無法得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，甚至根本無法完成測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對于上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出了一種一鍵式光學(xué)測量儀，其包括光學(xué)系統(tǒng)，標(biāo) 定系統(tǒng)，匹配系統(tǒng)，圖像測量系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)沿光路順次包括平行光源，反光鏡， 載物臺(tái)，雙遠(yuǎn)心鏡，相機(jī)，所述標(biāo)定系統(tǒng)用于計(jì)算相機(jī)所得圖像中每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸 大?。凰銎ヅ湎到y(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)待測件圖像與其標(biāo)準(zhǔn)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)，計(jì)算出待測件放置位 置相對于測量規(guī)劃時(shí)的位移以及旋轉(zhuǎn)角度，從而對待測件的放置位置進(jìn)行調(diào)整；
[0006]所述圖像測量系統(tǒng)包括尋找基元模塊，輔助圖形成像模塊和測量模塊，所述尋找 基元模塊用于在采集圖像中獲得基本幾何圖形，所述輔助圖形成像模塊基于所獲得基本 幾何圖形繪制輔助圖形，所述測量模塊根據(jù)基本幾何圖形和/或輔助圖形獲得各種測量參 數(shù)。
[0007]其中，所述光學(xué)系統(tǒng)中，所述平行光源為綠色LED平行光源。
[0008]其中，所述光學(xué)系統(tǒng)中，所述雙遠(yuǎn)心鏡畸變低于3%。
[0009]其中，所述光學(xué)系統(tǒng)中包括能夠進(jìn)一步降低畸變的圖像校正模塊。
[0010]其中，所述標(biāo)定系統(tǒng)包括具有微米級精度的標(biāo)定片。
[0011]其中，所述匹配系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)待測件圖像與其標(biāo)準(zhǔn)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)的過程中，包括 圖像預(yù)校正，圖像特征區(qū)域匹配操作。
[0012]其中，所述圖像測量系統(tǒng)的測量精度為微米級別。
【專利附圖】

【附圖說明】[0013]圖1是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的標(biāo)定片示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明的測量規(guī)劃流程圖；
[0016]圖4是本發(fā)明的測量流程圖；
[0017]圖5是本發(fā)明的一鍵式光學(xué)測量儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖；
[0018]其中，1-相機(jī)；2_雙遠(yuǎn)心鏡；3_載物臺(tái)；4.反光鏡；5_平行光源
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020]圖1是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)包括了平行光源，反光鏡，載物臺(tái)，雙遠(yuǎn)心鏡，相機(jī)(未示出)。常規(guī)光學(xué)影像測量儀器在進(jìn)行測量前，需要進(jìn)行調(diào)焦操作，以對待測件清晰成像。當(dāng)對不同類型待測件進(jìn)行測量時(shí)，很可能還需要重新調(diào)焦，這就在一定程度上降低了測試效率。選用遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)對待測件成像，可以使得在一定的成像距離范圍內(nèi)免于調(diào)焦，消除透視變形以及由于透視變形產(chǎn)生的被測物遮擋的情況，而不會(huì)影響測量精度，縮短了測量前的準(zhǔn)備時(shí)間，一鍵式光學(xué)測量儀所采用的雙遠(yuǎn)心鏡畸變程度只有不到3%，同時(shí)采用圖形校正算法，能夠?qū)ㄌ菪位?，非線性畸變的程度降到1%以下，充分保證采集圖像的真實(shí)性。
[0021]為了追求更高的測量精度，還采用了綠色LED平行光源作為儀器的下光源。使用綠色光源能夠提高成像的對比圖，更方便找尋圖形邊緣。傳統(tǒng)漫射光源發(fā)出漫射光線，這導(dǎo)致待測物體的輪廓投影很可能受到漫射光線的吞噬，導(dǎo)致圖像失真的后果，采用平行光源，其平行光源充分保證了待測物體的輪廓投影的真實(shí)性，操作人員無需考慮過強(qiáng)的光源亮度會(huì)對邊緣投影造成影響。一鍵式光學(xué)測量儀采用環(huán)形漫射光源安置于鏡頭與載物臺(tái)之間，光源亮度能夠根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整亮度，且保證照度均勻，能夠?yàn)椴杉郎y物體上表面圖像提供充足的光源。同時(shí)測量儀系統(tǒng)具備軟件程控光源，操作人員可以準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)控制兩個(gè)光源亮度。
[0022]為了達(dá)到測量精度的要求，基于面陣成像器件的測量儀器的視場范圍很小，通常無法對待測件進(jìn)行整體成像，這就導(dǎo)致無法一次完成對某些幾何參數(shù)的測量，需要操作員不斷移動(dòng)載物臺(tái)，通過多次局部成像測量的方式予以彌補(bǔ)。當(dāng)有一批待測件需要測量時(shí)，這種測量方式效率低下的弊端表現(xiàn)得就更加突出了。通過采用線掃描成像器件，配合遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)，就能夠?qū)Υ笠晥鰞?nèi)的所有待測件實(shí)現(xiàn)整體成像，從而使一次完成測量以及批量測量成為可能。對成像器件采集到的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，使之成為軟件能夠直接使用的信號(hào)。
[0023]測量儀的標(biāo)定系統(tǒng)，在整個(gè)標(biāo)定過程中會(huì)完成兩個(gè)工作，即校正和標(biāo)定。首先采集一張靜態(tài)圖片，通過獲取軟件算法獲取每一條棋盤格的縱橫直線，計(jì)算出圖形的畸變類型以及畸變程度，然后生成一個(gè)數(shù)學(xué)模型，用以校正之后所有采集到的圖像。求標(biāo)定值需要用到類似于國際象棋棋盤的黑白相間的方格標(biāo)定片。標(biāo)定過程為計(jì)算每一個(gè)棋盤格的長寬，求其平均值，得到所需要的標(biāo)定值。如圖為標(biāo)定時(shí)使用的標(biāo)定片，其外觀如國際象棋棋盤格，黑色格子為不透明，白色為透明。標(biāo)定片的精度達(dá)到IOOmm中2μπι的誤差，每個(gè)格子的長寬為5_。對標(biāo)定片進(jìn)行采圖，配合軟件算法，可以準(zhǔn)確搭建出線性畸變或者非線性畸變模型，進(jìn)行校正。同時(shí)通過計(jì)算拍攝到的格子個(gè)數(shù)，可以求得每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸大 小。圖2是相應(yīng)的標(biāo)定片的示意圖。標(biāo)定片的具有微米級的精度。標(biāo)定可以避開光學(xué)系統(tǒng) 的畸變干擾，最后所得到的結(jié)果比標(biāo)定片的精度更高。
[0024]關(guān)于測量儀的匹配系統(tǒng)，常規(guī)光學(xué)影像測量儀器對待測件的擺放位置和方向有非 常嚴(yán)格的要求(比如，要放置在有標(biāo)記的區(qū)域，要水平擺放等)，否則，將無法得到準(zhǔn)確的測 量結(jié)果，甚至根本無法完成測量。然而，待測件一般是微小物體，嚴(yán)格擺放這樣的物品并不 容易，加長了測量的準(zhǔn)備時(shí)間。在測量軟件中實(shí)現(xiàn)待測件圖像與其標(biāo)準(zhǔn)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)。匹 配過程是在制定某個(gè)待測物體測量規(guī)劃的過程中進(jìn)行的。首先需要采集一張靜態(tài)圖片，通 過上述的校正方法進(jìn)行畸變校正。然后操作人員需要觀察圖片，并框選出圖形中的特征區(qū) 域，所謂特征區(qū)域就是只圖像中獨(dú)一無二的圖形。軟件算法會(huì)提取特征區(qū)域的圖形輪廓，并 創(chuàng)建一個(gè)數(shù)學(xué)模型用來保存圖形輪廓的數(shù)據(jù)。當(dāng)需要測量一個(gè)重新擺放位置的物體時(shí)，軟 件會(huì)調(diào)用之前建好的數(shù)學(xué)模型，在當(dāng)前的圖像中搜索全等或者相似的圖形區(qū)域，最終會(huì)取 相似程度最高的圖形作為參照。然后計(jì)算出當(dāng)前物體放置位置與測量規(guī)劃時(shí)的相對位移以 及旋轉(zhuǎn)角度。
[0025]測量儀的圖像測量系統(tǒng)主要包括尋找基元模塊，輔助圖形成像模塊和測量模塊。 所謂基元就是能在采集圖像中直接觀察到的點(diǎn)，線，圓等基本幾何圖形。操作人員能夠框選 出圖像中的某個(gè)區(qū)域，并通過軟件算法獲取該區(qū)域中的點(diǎn)，直線或者圓，測量過程中操作人 員能夠同時(shí)找尋多個(gè)基元。由于測量的需要，在部分測量規(guī)則中需要用到輔助圖形，例如中 點(diǎn)，垂線，切線等，一鍵式光學(xué)測量儀具備這種抽象的圖形系統(tǒng)，在已找到的基元基礎(chǔ)上能 夠根據(jù)實(shí)際需求抽象出輔助圖形，同時(shí)輔助圖形也能夠進(jìn)行再次抽象。操作人員可以根據(jù) 自己的測量要求，在之前所述的基元或輔助圖形中可以選擇點(diǎn)，線，圓之間的距離關(guān)系，角 度測量，圓形半徑/直徑測量，真圓度，橢圓度等測量項(xiàng)目。圖像測量系統(tǒng)不僅能滿足幾乎 所有的幾何圖形測量又同時(shí)具備良好的擴(kuò)展性，能夠根據(jù)特殊的市場需求添加測量項(xiàng)目， 而且其測量精度能夠達(dá)到微米級別。圖像測量系統(tǒng)采用亞像素技術(shù)，能夠?qū)⒁粋€(gè)像素分為 100份，突破了硬件設(shè)施和光學(xué)系統(tǒng)所帶來的精度限制，大大提高了測量的精度。測量規(guī)劃 流程和測量流程如圖3，4所示。
[0026]一鍵式光學(xué)測量儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)面和正面透視圖，其中，示出了一鍵式光學(xué)測量 儀的光學(xué)系統(tǒng)所包括平行光源，反光鏡，載物臺(tái)，雙遠(yuǎn)心鏡，相機(jī)，而該測量儀的標(biāo)定系統(tǒng)， 匹配系統(tǒng)，圖像測量系統(tǒng)則設(shè)置在儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)框架內(nèi)部，在圖中未示出，測量儀外罩由玻 璃鋼材料制成，輕巧切堅(jiān)硬，外觀簡約大方而不失科技感。
[0027]本發(fā)明的一鍵式光學(xué)測量儀包括光學(xué)系統(tǒng)，標(biāo)定系統(tǒng)，匹配系統(tǒng)，圖像測量系統(tǒng)， 該測量儀通過光學(xué)系統(tǒng)完成對待測件的低畸變成像，通過標(biāo)定系統(tǒng)計(jì)算圖像中每個(gè)像素代 表的實(shí)際尺寸大小，通過匹配系統(tǒng)完成對待測件的放置位置進(jìn)行調(diào)整，通過圖像測量系統(tǒng) 完成對各個(gè)測量參數(shù)的微米級測量，整個(gè)測量儀的四個(gè)組成系統(tǒng)相輔相成，相互促進(jìn)，相互 影響，使得本發(fā)明的一鍵式光學(xué)測量儀突破了硬件設(shè)施和光學(xué)系統(tǒng)所帶來的精度限制，大 大提高了測量的精度和效率。
[0028]以上所披露的僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能以此限定本發(fā)明的權(quán)利范圍，依照 本發(fā)明申請專利范圍所做的同等變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種一鍵式光學(xué)測量儀，其特征在于，該測量儀包括光學(xué)系統(tǒng)，標(biāo)定系統(tǒng)，匹配系統(tǒng)，圖像測量系統(tǒng)， 其中，所述光學(xué)系統(tǒng)沿光路順次包括平行光源，反光鏡，載物臺(tái)，雙遠(yuǎn)心鏡，相機(jī)； 所述標(biāo)定系統(tǒng)用于計(jì)算相機(jī)所得圖像中每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸大??； 所述匹配系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)待測件圖像與其標(biāo)準(zhǔn)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)，計(jì)算出待測件放置位置相對于測量規(guī)劃時(shí)的位移以及旋轉(zhuǎn)角度，從而對待測件的放置位置進(jìn)行調(diào)整； 所述圖像測量系統(tǒng)包括尋找基元模塊，輔助圖形成像模塊和測量模塊，所述尋找基元模塊用于在采集圖像中獲得基本幾何圖形，所述輔助圖形成像模塊基于所獲得基本幾何圖形繪制輔助圖形，所述測量模塊根據(jù)基本幾何圖形和/或輔助圖形獲得各種測量參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一鍵式光學(xué)測量儀，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)中，所述平行光源為綠色LED平行光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一鍵式光學(xué)測量儀，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)中，所述雙遠(yuǎn)心鏡畸變低于3%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一鍵式光學(xué)測量儀，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)中包括能夠進(jìn)一步降低畸變的圖像校正模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一鍵式光學(xué)測量儀，其中，所述標(biāo)定系統(tǒng)包括具有微米級精度的標(biāo)定片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一鍵式光學(xué)測量儀，其中，所述匹配系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)待測件圖像與其標(biāo)準(zhǔn)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)的過程中，包括圖像預(yù)校正，圖像特征區(qū)域匹配操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一鍵式光學(xué)測量儀，其中，所述圖像測量系統(tǒng)的測量精度為微米級別。
【文檔編號(hào)】G01N21/956GK103575742SQ201310567146
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】陳鎮(zhèn)龍, 羅穎, 宋昀岑, 譚育, 譚良, 凌云, 謝恒 , 劉丁維, 李文龍, 楊學(xué)光, 薛丙強(qiáng), 丁健 申請人:成都術(shù)有科技有限公司