一键式光学测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种一键式光学测量仪，该一键式光学测量仪包括光学系统，标定系统，匹配系统，图像测量系统，该测量仪通过光学系统完成对待测件的低畸变成像，通过标定系统计算图像中每个像素代表的实际尺寸大小，通过匹配系统完成对待测件的放置位置进行调整，通过图像测量系统完成对各个测量参数的微米级测量，整个测量仪突破了硬件设施和光学系统所带来的精度限制，大大提高了测量的精度和效率。
【专利说明】一键式光学测量仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量仪器，特别涉及一种能够大幅提高测量效率，改善测量精度 的测量仪器，用于对检测产品的质量检测，特别是精密，细微产品检测。
【背景技术】
[0002]随着工业生产力的不断发展，对产品质量的追求也越来越高。如何快速准确地检 测产品的质量已经是很多企业正面临的问题。
[0003]现有的测量缺陷如下:传统地，现在很多企业都是采用传统的测量工具以及依靠 人力来完成测量工作，这样大大降低了测量效率，测量效果会受到员工素质，工作状态，经 验等因素的影响，对于精密，细微产品，如，芯片表面缺陷的检测，则显得无能为力。
[0004]随着测量技术的发展，出现了如CN102023168A公开的对半导体晶圆表面的芯片 进行高倍率的图像拍摄，从而对芯片进行快速有效检测的系统，但上述系统仍是以获得产 品图像为终止，无法一键式获得产品图像的各测量参数，并且由于未对图像进行标定，从获 得的产品图像无法得到真实产品的尺寸，误差很大，再者，常规光学影像测量仪器对待测 件的摆放位置和方向有非常严格的要求(比如，要放置在有标记的区域，要水平摆放等)，否 贝IJ，将无法得到准确的测量结果，甚至根本无法完成测量。
【发明内容】
[0005]针对于上述技术缺陷，本发明提出了一种一键式光学测量仪，其包括光学系统，标 定系统，匹配系统，图像测量系统，其中，所述光学系统沿光路顺次包括平行光源，反光镜， 载物台，双远心镜，相机，所述标定系统用于计算相机所得图像中每个像素代表的实际尺寸 大小；所述匹配系统用于实现待测件图像与其标准图像的自动配准，计算出待测件放置位 置相对于测量规划时的位移以及旋转角度，从而对待测件的放置位置进行调整；
[0006]所述图像测量系统包括寻找基元模块，辅助图形成像模块和测量模块，所述寻找 基元模块用于在采集图像中获得基本几何图形，所述辅助图形成像模块基于所获得基本 几何图形绘制辅助图形，所述测量模块根据基本几何图形和/或辅助图形获得各种测量参 数。
[0007]其中，所述光学系统中，所述平行光源为绿色LED平行光源。
[0008]其中，所述光学系统中，所述双远心镜畸变低于3%。
[0009]其中，所述光学系统中包括能够进一步降低畸变的图像校正模块。
[0010]其中，所述标定系统包括具有微米级精度的标定片。
[0011]其中，所述匹配系统在实现待测件图像与其标准图像的自动配准的过程中，包括 图像预校正，图像特征区域匹配操作。
[0012]其中，所述图像测量系统的测量精度为微米级别。
【专利附图】
【附图说明】[0013]图1是本发明的光学系统示意图；
[0014]图2是本发明的标定片示意图；
[0015]图3是本发明的测量规划流程图；
[0016]图4是本发明的测量流程图；
[0017]图5是本发明的一键式光学测量仪的机械结构图；
[0018]其中，1-相机；2_双远心镜；3_载物台；4.反光镜；5_平行光源
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0020]图1是本发明的光学系统示意图。如图1所示，光学系统包括了平行光源，反光镜，载物台，双远心镜，相机(未示出)。常规光学影像测量仪器在进行测量前，需要进行调焦操作，以对待测件清晰成像。当对不同类型待测件进行测量时，很可能还需要重新调焦，这就在一定程度上降低了测试效率。选用远心光学结构对待测件成像，可以使得在一定的成像距离范围内免于调焦，消除透视变形以及由于透视变形产生的被测物遮挡的情况，而不会影响测量精度，缩短了测量前的准备时间，一键式光学测量仪所采用的双远心镜畸变程度只有不到3%，同时采用图形校正算法，能够将包括梯形畸变，非线性畸变的程度降到1%以下，充分保证采集图像的真实性。
[0021]为了追求更高的测量精度，还采用了绿色LED平行光源作为仪器的下光源。使用绿色光源能够提高成像的对比图，更方便找寻图形边缘。传统漫射光源发出漫射光线，这导致待测物体的轮廓投影很可能受到漫射光线的吞噬，导致图像失真的后果，采用平行光源，其平行光源充分保证了待测物体的轮廓投影的真实性，操作人员无需考虑过强的光源亮度会对边缘投影造成影响。一键式光学测量仪采用环形漫射光源安置于镜头与载物台之间，光源亮度能够根据实际需要调整亮度，且保证照度均匀，能够为采集待测物体上表面图像提供充足的光源。同时测量仪系统具备软件程控光源，操作人员可以准确的输入参数控制两个光源亮度。
[0022]为了达到测量精度的要求，基于面阵成像器件的测量仪器的视场范围很小，通常无法对待测件进行整体成像，这就导致无法一次完成对某些几何参数的测量，需要操作员不断移动载物台，通过多次局部成像测量的方式予以弥补。当有一批待测件需要测量时，这种测量方式效率低下的弊端表现得就更加突出了。通过采用线扫描成像器件，配合远心光学结构，就能够对大视场内的所有待测件实现整体成像，从而使一次完成测量以及批量测量成为可能。对成像器件采集到的数字图像信号进行相应处理，使之成为软件能够直接使用的信号。
[0023]测量仪的标定系统，在整个标定过程中会完成两个工作，即校正和标定。首先采集一张静态图片，通过获取软件算法获取每一条棋盘格的纵横直线，计算出图形的畸变类型以及畸变程度，然后生成一个数学模型，用以校正之后所有采集到的图像。求标定值需要用到类似于国际象棋棋盘的黑白相间的方格标定片。标定过程为计算每一个棋盘格的长宽，求其平均值，得到所需要的标定值。如图为标定时使用的标定片，其外观如国际象棋棋盘格，黑色格子为不透明，白色为透明。标定片的精度达到IOOmm中2μπι的误差，每个格子的长宽为5_。对标定片进行采图，配合软件算法，可以准确搭建出线性畸变或者非线性畸变模型，进行校正。同时通过计算拍摄到的格子个数，可以求得每个像素代表的实际尺寸大 小。图2是相应的标定片的示意图。标定片的具有微米级的精度。标定可以避开光学系统 的畸变干扰，最后所得到的结果比标定片的精度更高。
[0024]关于测量仪的匹配系统，常规光学影像测量仪器对待测件的摆放位置和方向有非 常严格的要求(比如，要放置在有标记的区域，要水平摆放等)，否则，将无法得到准确的测 量结果，甚至根本无法完成测量。然而，待测件一般是微小物体，严格摆放这样的物品并不 容易，加长了测量的准备时间。在测量软件中实现待测件图像与其标准图像的自动配准。匹 配过程是在制定某个待测物体测量规划的过程中进行的。首先需要采集一张静态图片，通 过上述的校正方法进行畸变校正。然后操作人员需要观察图片，并框选出图形中的特征区 域，所谓特征区域就是只图像中独一无二的图形。软件算法会提取特征区域的图形轮廓，并 创建一个数学模型用来保存图形轮廓的数据。当需要测量一个重新摆放位置的物体时，软 件会调用之前建好的数学模型，在当前的图像中搜索全等或者相似的图形区域，最终会取 相似程度最高的图形作为参照。然后计算出当前物体放置位置与测量规划时的相对位移以 及旋转角度。
[0025]测量仪的图像测量系统主要包括寻找基元模块，辅助图形成像模块和测量模块。 所谓基元就是能在采集图像中直接观察到的点，线，圆等基本几何图形。操作人员能够框选 出图像中的某个区域，并通过软件算法获取该区域中的点，直线或者圆，测量过程中操作人 员能够同时找寻多个基元。由于测量的需要，在部分测量规则中需要用到辅助图形，例如中 点，垂线，切线等，一键式光学测量仪具备这种抽象的图形系统，在已找到的基元基础上能 够根据实际需求抽象出辅助图形，同时辅助图形也能够进行再次抽象。操作人员可以根据 自己的测量要求，在之前所述的基元或辅助图形中可以选择点，线，圆之间的距离关系，角 度测量，圆形半径/直径测量，真圆度，椭圆度等测量项目。图像测量系统不仅能满足几乎 所有的几何图形测量又同时具备良好的扩展性，能够根据特殊的市场需求添加测量项目， 而且其测量精度能够达到微米级别。图像测量系统采用亚像素技术，能够将一个像素分为 100份，突破了硬件设施和光学系统所带来的精度限制，大大提高了测量的精度。测量规划 流程和测量流程如图3，4所示。
[0026]一键式光学测量仪的机械结构侧面和正面透视图，其中，示出了一键式光学测量 仪的光学系统所包括平行光源，反光镜，载物台，双远心镜，相机，而该测量仪的标定系统， 匹配系统，图像测量系统则设置在仪器机械结构框架内部，在图中未示出，测量仪外罩由玻 璃钢材料制成，轻巧切坚硬，外观简约大方而不失科技感。
[0027]本发明的一键式光学测量仪包括光学系统，标定系统，匹配系统，图像测量系统， 该测量仪通过光学系统完成对待测件的低畸变成像，通过标定系统计算图像中每个像素代 表的实际尺寸大小，通过匹配系统完成对待测件的放置位置进行调整，通过图像测量系统 完成对各个测量参数的微米级测量，整个测量仪的四个组成系统相辅相成，相互促进，相互 影响，使得本发明的一键式光学测量仪突破了硬件设施和光学系统所带来的精度限制，大 大提高了测量的精度和效率。
[0028]以上所披露的仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的权利范围，依照 本发明申请专利范围所做的同等变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种一键式光学测量仪，其特征在于，该测量仪包括光学系统，标定系统，匹配系统，图像测量系统， 其中，所述光学系统沿光路顺次包括平行光源，反光镜，载物台，双远心镜，相机； 所述标定系统用于计算相机所得图像中每个像素代表的实际尺寸大小； 所述匹配系统用于实现待测件图像与其标准图像的自动配准，计算出待测件放置位置相对于测量规划时的位移以及旋转角度，从而对待测件的放置位置进行调整； 所述图像测量系统包括寻找基元模块，辅助图形成像模块和测量模块，所述寻找基元模块用于在采集图像中获得基本几何图形，所述辅助图形成像模块基于所获得基本几何图形绘制辅助图形，所述测量模块根据基本几何图形和/或辅助图形获得各种测量参数。
2.根据权利要求1所述的一键式光学测量仪，其中，所述光学系统中，所述平行光源为绿色LED平行光源。
3.根据权利要求1所述的一键式光学测量仪，其中，所述光学系统中，所述双远心镜畸变低于3%。
4.根据权利要求1所述的一键式光学测量仪，其中，所述光学系统中包括能够进一步降低畸变的图像校正模块。
5.根据权利要求1所述的一键式光学测量仪，其中，所述标定系统包括具有微米级精度的标定片。
6.根据权利要求1所述的一键式光学测量仪，其中，所述匹配系统在实现待测件图像与其标准图像的自动配准的过程中，包括图像预校正，图像特征区域匹配操作。
7.根据权利要求1所述的一键式光学测量仪，其中，所述图像测量系统的测量精度为微米级别。
【文档编号】G01N21/956GK103575742SQ201310567146
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】陈镇龙, 罗颖, 宋昀岑, 谭育, 谭良, 凌云, 谢恒 , 刘丁维, 李文龙, 杨学光, 薛丙强, 丁健 申请人:成都术有科技有限公司