【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微纳制造，尤其涉及一种基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法。
技术介绍
1、随着微纳米科学与技术的发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术，在航空航天、生命科学、集成电路等领域产生了深远的影响。而在这些领域的工业应用中，对精确和高效的图像位置对准的需求普遍存在，例如微电子封装设备，现代微电子封装设备的定位精度已经达到2-5μm，预计下一代封装设备的定位精度将减小至1μm。面对微米级甚至亚微米级的对准精度，通过传统的人工借助探头、显微镜等工具进行对准测量的方式其检测效率和精度很低，已经达不到高端装备市场的需求。而近年来随着机器视觉技术的快速发展正在逐渐解决这些问题。在位置测量方面利用摄像机获取三维景物的二维图像，通过处理器对一幅或多幅图像进行处理、解释并计算出物体表面上点的空间三维坐标，从而实现某些几何量的测量。这种视觉技术具备实时非接触式精准测量的特点，能够在复杂环境下（如真空、高温等）感知被测物体，具有稳定时效性长、重复误差低等优势。然而，当系统稳定性、测量幅宽以及图像对准匹配精度等关键指标提升时，任何微小的系统变量都会影响最终的对准效果，对机器视觉系统的设计方案形成了严峻的挑战。
2、光学系统作为机器视觉对准系统的重要组成部分，直接影响系统获取图像的质量，进而影响图像对准系统的对准精度。由于待测物体的光学影像由镜头组获取，而传统镜头采用的成像模型存在透视误差导致测量精度降低，而远心镜头依靠其特殊的平行光路设计消除了镜头的这种
技术实现思路
1、本专利技术为解决上述问题，提供一种基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，设计出贴合实际情况的被标记物以及标记点，选取合适的光源排布，根据光学系统设计中的各项指标设置基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的具体参数，在位置偏移测量和稳定性两个方面对设计的对准系统进行验证，保证对准系统能够在特定的工作环境下，在较大的标记动态范围内，对标记达成亚微米级位置精度的成像，满足亚像素位置测量要求。
2、本专利技术提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，具体包括以下步骤：
3、s1：根据实际定位物体，仿真得到相应的位置模拟标记物，并将位置模拟标记物设计为阵列式的二维光栅形状；
4、s2：根据实际定位物体的结构和材料特殊性，在位置模拟标记物的表面设计与实际定位物体一致的膜层，并对位置模拟标记物的结构和膜层进行物理场仿真，分析位置模拟标记物在进行反射或衍射时的光场分布情况；
5、s3：根据光场分布情况与近红外光源的带宽范围的光学特性对模拟标记物进行几何光学分析，得到近红外光源向位置模拟标记物发射入射光的最佳入射角度；
6、s4：根据最佳入射角度的仿真结果设计近红外光源的排布位置；
7、s5：根据实际定位物体、近红外光源的光学特性、最佳入射角度以及近红外光源，引入双远心镜头设计高精度图像位置对准系统，以及确定高精度图像位置对准系统的光学指标；
8、s6：对高精度图像位置对准系统在不同温度波动、振动、真空等环境下进行稳定性测试和光机热集成分析仿真，并根据稳定性测试和光机热集成分析仿真的结果对高精度图像位置对准系统进行优化调整，直至高精度图像位置对准系统的输出结果的变化小于设定最低值；
9、s7：使用优化调整后高精度图像位置对准系统获取实际定位物体的高清标记图像，并对高清标记图像在进行灰度化和阈值分割的预处理后，采用质心位置算法得到实际定位物体的坐标，进而得到实际定位物体相对于原参考系的位置偏移量，并根据位置偏移量调整实际定位物体的位置。
10、进一步的，位置模拟标记物的膜层设计及膜层的嵌套方式与实际定位物体一致，且位置模拟标记物的排布方式与实际定位物体一致。
11、进一步的，二维光栅形状的宽度为几十微米量级，以及深度为几微米量级。
12、进一步的，在步骤s3中，根据入射光的发散角的要求，对近红外光源与位置模拟标记物的光谱响应进行逆向匹配计算，通过光栅衍射方程计算位置模拟标记物产生的衍射角在3d空间的发散程度，直到位置模拟标记物产生射入高精度图像位置对准系统的最佳衍射光，此时入射光的入射角度即为最佳入射角度。
13、进一步的，高精度图像位置对准系统与近红外光源的数量和排布方式一致，且高精度图像位置对准系统包括入射窗口、偏转镜、双远心镜头以及cmos相机；其中，近红外光源以最佳入射角度向位置模拟标记物发射入射光，位置模拟标记物产生的最佳衍射光经入射窗口和偏转镜射入双远心镜头，最后cmos相机收集最佳衍射光并生成高清标记图像，并计算成像波前像差。
14、进一步的，双远心镜头包括前透镜组、孔径光阑和后透镜组；其中，孔径光阑位于前透镜组的像方焦面处，同时位于后透镜组的物方焦面处，形成非对称型双远心成像光路。
15、进一步的，阈值分割采用小波自适应阈值算法。
16、进一步的，步骤s6具体包括以下步骤：
17、s61：先对实际定位物体进行吸光现象的分析，若实际定位物体的射线吸收率和温度变化较强，执行步骤s62；否则直接执行步骤s63；
18、s62：对高精度图像位置对准系统的光损耗进行迭代计算，即结合温度变化考虑热光变形对高精度图像位置对准系统的像差影响，并计算此时的光损耗，并根据光损耗对高精度图像位置对准系统进行优化调整，直至光损耗的变化降低到设定最低值以下；
19、s63：对高精度图像位置对准系统进行结构力学的分析，即在对高精度图像位置对准系统施加结构应力后，对高精度图像位置对准系统进行多物理场仿真计算，得到光学像差和像面的rms点列图；
20、s64：结合成像波前像差和rms点列图预测高精度图像位置对准系统在复杂环境中的性能变化。
21、与现有技术相比，本专利技术能够取得如下有益效果：
22、本专利技术提供的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法能够通过仿真得到贴合实际情况的被标记物及其标记点，通过合理设计光源排布和计算对准系统的具体参数，使设计的对准系统得到可以获取像元级位置精度的高清成像，再配合图像位置解算算法和光机热集成分析模型，预测光学系统在复杂环境中的性能变化，进一步保证设计的对准系统能够在特定的工作环境下，在较大的标记动态范围内，对标记达成亚微米级位置精度的成像，满足亚像素位置测量要求。
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1.一种基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述位置模拟标记物的膜层设计及所述膜层的嵌套方式与所述实际定位物体一致，且所述位置模拟标记物的排布方式与所述实际定位物体一致。
3.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述二维光栅形状的宽度为几十微米量级，所述二维光栅形状的深度为几微米量级。
4.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，根据所述入射光的发散角的要求，对所述近红外光源与所述位置模拟标记物的光谱响应进行逆向匹配计算，通过光栅衍射方程计算所述位置模拟标记物产生的衍射角在3D空间的发散程度，直到所述位置模拟标记物产生射入所述高精度图像位置对准系统的最佳衍射光，此时所述入射光的入射角度即为所述最佳入射角度。
5.根据权利要求4所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述高
6.根据权利要求5所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述双远心镜头包括前透镜组、孔径光阑和后透镜组；其中，所述孔径光阑位于所述前透镜组的像方焦面处，同时位于所述后透镜组的物方焦面处，形成非对称型双远心成像光路。
7.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述阈值分割采用小波自适应阈值算法。
8.根据权利要求5所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述位置模拟标记物的膜层设计及所述膜层的嵌套方式与所述实际定位物体一致，且所述位置模拟标记物的排布方式与所述实际定位物体一致。
3.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，所述二维光栅形状的宽度为几十微米量级，所述二维光栅形状的深度为几微米量级。
4.根据权利要求1所述的基于双远心镜头的高精度图像位置对准系统的设计方法，其特征在于，在所述步骤s3中，根据所述入射光的发散角的要求，对所述近红外光源与所述位置模拟标记物的光谱响应进行逆向匹配计算，通过光栅衍射方程计算所述位置模拟标记物产生的衍射角在3d空间的发散程度，直到所述位置模拟标记物产生射入所述高精度图像位置对准系统的最佳衍射光，此时所述入射光的入射角度即为所述最佳入射角度。
5.根据权利要求4所述的基于双远心镜头的高精度...
【专利技术属性】
技术研发人员：王金成，侯思远，王孝坤，王永宪，宋俊伟，刘辉，朱俊青，徐振邦，张建伟，于阳，贺帅，张学军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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