[發(fā)明專利]面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準檢測方法與裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410081848.1
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103837080B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設計）人: 張之敬;葉鑫;唐永龍;金鑫;李燕;劉盼
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 仇蕾安,郭德忠

技術領域

面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準檢測方法與裝置，特別涉及微小型結(jié)構(gòu)的檢測、幾何光學對準檢測光路設計，屬于微檢測、微操作及微器件高精度裝配領域。

背景技術

對于微器件的高精度裝配而言，目標零件和基體零件在裝配過程中相對位置關系的精確檢測是實現(xiàn)微小型器件高精度裝配的關鍵步驟之一。目標零件和基體零件對準檢測精度的高低直接影響微器件整體裝配精度，對提高微器件裝配成功率和精度有著至關重要的作用。采用傳統(tǒng)的單目、雙目或多目顯微機器視覺的方法來檢測和定位空間中兩個裝配與待裝配零件之間的空間圖像位置信息，會受到微器件的夾持調(diào)整機構(gòu)、照明光源與顯微視覺系統(tǒng)自身工作距離的限制，而且無法突破光學衍射極限，檢測對準的精度受到自身系統(tǒng)的限制，提高也非常困難。

天津大學申請?zhí)枮椋?00910069739.7的專利設計了一種用于微靶球裝配檢測的“基于時間差法的共聚焦激光測頭”，該測頭的主體機構(gòu)，包括激光器、分光棱鏡、音叉透鏡、線圈組件及置于光電接收器套筒的光電接收器。該專利解決了共聚焦側(cè)頭測量光斑過大的技術難題，縮小了測頭的體積。在實際的測量過程中采用雙測頭上下布置的方式，實現(xiàn)兩路激光共聚焦側(cè)頭同軸差動式的測量方法。激光共聚焦測量系統(tǒng)的測量不確定度約為±1.2μm。

德國Karl Suss公司開發(fā)的FC系列貼片機采用了視覺對位，該對位檢測系統(tǒng)使用了兩個CCD鏡頭來實現(xiàn)芯片和基底上對位標記的對準，從而通過高精度平臺的移動實現(xiàn)芯片與基底的對準。一個CCD 用于將電子器件與基底面調(diào)平，另一個通過物鏡、偏振分光鏡實現(xiàn)芯片和基底的圖像同畫面獲取，X,Y方向?qū)示瓤蛇_到2μm，轉(zhuǎn)角精度可達到±0.02°。

從目前國內(nèi)外基于機器視覺的微裝配領域的研究成果來看，針對裝配對象的目標和基體零件的裝配對準檢測提出許多不同的方案，采用采用單目顯微視覺系統(tǒng)，只能在某方向觀測零件空間位置信息，無法得到零件的三維空間確切位姿信息，因而無法完成結(jié)構(gòu)稍微復雜的零件的操作和裝配。

總體來說，隨著微裝配理論的不斷發(fā)展，近年來國內(nèi)外在基于顯微機器視覺的微器件裝配精確對準實現(xiàn)方法方面取得了很大的進步，但諸多研究成果幾乎都是基于傳統(tǒng)的顯微機器視覺檢測方法，或是其方法的改進，個別系統(tǒng)采用更高精度的檢測手段，但缺乏相對比較好的通用性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準檢測方法與裝置，該方法采用激光共聚焦顯微鏡為檢測核心，設計同軸光學檢測模塊，利用單目測量的模式來實現(xiàn)微器件裝配過程中目標零件和基體零件相對位置誤差的精確檢測，并實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。其檢測可以突破光學衍射極限，檢測識別精度達到亞微米。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的面向微裝配的亞微米精度同軸共焦對準檢測方法與裝置，主要包括同軸光學檢測棱鏡、棱鏡夾持器、棱鏡誤差調(diào)整模塊、激光共聚焦測量顯微鏡、控制計算機五個部分。對于本發(fā)明而言，同軸對準光學模塊是保證最終檢測精度的關鍵，該模塊主要選用兩塊相同的等腰直角三角棱鏡，在其中的一塊的兩個直角面鍍?nèi)瓷淠ぃ硗獾囊粔K的斜面鍍?nèi)瓷淠ぃ瓷淠みx擇針對激光光源波段的全反射膜，鍍膜面的反射率可大于90%。

棱鏡的誤差調(diào)整采用6自由度高精度直線位移臺、偏轉(zhuǎn)角度和水平角度調(diào)整臺，通過棱鏡夾持器與支撐桿和棱鏡調(diào)整機構(gòu)剛性連接，六個自由度可以實現(xiàn)棱鏡的全方位調(diào)整。

激光共聚焦測量顯微鏡固定在二維直線位移臺上，可以實現(xiàn)激光共聚焦在水平和豎直方向的調(diào)整，激光共聚焦的測頭在豎直方向的運動保證了對于在垂直方向有高度差的零件能夠保證有效的檢測。對于基體零件夾持運動平臺，在其下方布置了大范圍的直線位移臺，保證能夠?qū)α慵庑纬叽巛^大的零件進行檢測。

附圖說明

圖1激光共聚焦同軸對準檢測系統(tǒng)總體框圖；

圖2激光共聚焦同軸對準光路原理圖；

圖3激光共聚焦同軸對準棱鏡機構(gòu)誤差調(diào)整結(jié)構(gòu)圖；

圖4激光共聚焦同軸對準棱鏡產(chǎn)生棱脊偏轉(zhuǎn)和傾斜圖；

圖5激光共聚焦同軸對準棱鏡端面光路圖；

圖6激光共聚焦同軸對準檢測裝配流程圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明：

一、激光共聚焦同軸精確對準檢測系統(tǒng)