[发明专利]面向微装配的亚微米精度同轴共焦对准检测方法与装置

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