CN103363901A - 一种面向同轴对位微装配***的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向同轴对位微装配***的标定方法，属于微检测与微装配技术领域。本发明方法利用自准直仪，标定棱镜面与自准直仪成像面的平行度、标定基体载物台反射光路和自准直仪成像面的垂直度、标定目标载物台反射光线和自准直仪成像面的垂直度，以及在卸下自准直仪后装上CCD和显微镜头，微调去除安装偏差，实现CCD相机和棱镜的光轴与棱镜面垂直，完成了包括棱镜，目标载物台，基体载物台，显微镜头在内的同轴对位微装配***各个组成部分相对位姿的标定工作，大大提高***的装配精度，方法简单易行。

Description

一种面向同轴对位微装配***的标定方法

技术领域

本发明涉及一种面向同轴对位微装配***的标定方法，属于微检测与微装配技术领域。 

背景技术

同轴对位微装配***的标定是实现高精度微小型结构件装配的前提。在具体装配前的标定对提高微小型结构件装配的成功率和精度有着至关重要的作用。 

微机电***（MEMS）技术的发展，使得微装配的工作对象不断趋向小型化和微型化，而装配精度要求在微米甚至亚微米级，将显微机器视觉引入微装配领域是目前国内外微装配***研究普遍采用的方法。 

在同轴对位***中，镜头光轴与像面的垂直关系依靠镜头的加工精度和CCD相机的制造精度保证，需要调节的主要是物面与光轴的垂直度和物面与完全聚焦面的重合程度。其中拍摄***的光轴与物面不垂直，会造成两个方面的影响：1.导致图像变形失真；2.造成整个物面无法同时清晰成像；而物面与完全对焦面的重合程度将直接影响到图像的清晰程度。可以看出，两者都将影响到***的测量精度，因此，为了能够实现高精度的测量目标，对***物面与光轴的垂直度以及物面与完全对焦面的重合程度进行高精度的调节是至关重要的。 

传统的光学***CCD和镜头是竖直布置的，拍摄正下方平台上的物体，获得图像，在大景深的条件下，通过判断标准长度的变化来确定光轴偏转的角度，在小景深的条件下，通过判断图像四个角的对焦程度来确定光轴偏转的方向，然而该套***中相机是水平布置的，光轴是需要通过同轴棱镜的半反半透折射才能照射到上下两个物面上，该套***中影响光轴垂直度的因素有CCD和镜头的两个旋转自由度，基体物面的两个旋转自由度，目标物面的两个旋转自由度，以及棱镜的三个旋转自由度。传统的光学***中影响光轴垂直度的只有 物面的两个旋转自由度或者相机的两个旋转自由度，所以传统的通过图像信息来判断光轴垂直度的方法并不适合于同轴对位微装配***中。 

发明内容

本发明的目的是为提高微装配***对微小型结构件的装配精度，提出一种面向同轴对位微装配***的标定方法。 

一种面向同轴对位微装配***的标定方法，具体步骤如下： 

步骤一，搭建同轴对位微装配***； 

同轴对位微装配***包括CCD相机及显微镜头、光学棱镜、基体载物台、目标载物台和三个角位移台（角位移台1、角位移台2和角位移台3）。其位置关系为：光学棱镜放置于显微镜头正前方、位姿固定，基体载物台位于光学棱镜的正下方、目标载物台位于光学棱镜正上方；基体载物台对应棱镜面3，其到光学棱镜的光路为光路2；目标载物台对应棱镜面2，其到光学棱镜的光路为光路1；CCD相机及显微镜头位于光路1经棱镜折射后的光路上，对应棱镜面1；棱镜面4为光学棱镜内部的半反半透面，面5为棱镜的全反射面。角位移台1、角位移台2和角位移台3分别与CCD相机及显微镜头、基体载物台、目标载物台相连接。 

步骤二，标定棱镜面1与自准直仪成像面的平行度； 

将显微镜头和CCD相机取下，使用螺钉将自准直仪固定于角位移台1上的转接板上，进行自准直仪的成像面和棱镜面1的平行度标定，具体方法为：自准直仪发出平行光照射到棱镜，面1、面4和面5分别形成一个像，其中面1反射的像最暗，能通过像的明暗程度找出面1反射的像，调整角位移台1使面1反射的像与自准直仪内部的十字刻线重合，则此时面1和自准直仪内部的成像平面平行。且在后续的标定工作中，不改变棱镜和自准直仪的位姿。 

步骤三，标定基体载物台反射光路和自准直仪成像面的垂直度； 

在基体载物台上放置一块平面镜，则自准直仪的成像面上多一个 十字刻线，调整角位移台2使基体载物台对应的十字刻线与自准直仪内部十字刻线重合，则此时基体载物台的反射光路和自准直仪的成像面垂直，完成基体载物台的标定工作。 

步骤四，标定目标载物台反射光线和自准直仪成像面的垂直度； 

将基体载物台上的平面镜撤出，在目标载物台上放置一块平面镜，找出其在自准直仪的成像面对应的十字刻线，调整角位移台3使目标载物台对应的十字刻线与自准直仪内部十字刻线重合，则此时目体载物台的光路方向和自准直仪的成像面垂直，完成目标载物台的标定。 

步骤二至步骤四确定了棱镜、目标载物台和基体载物台三者的空间关系。 

步骤五，卸下自准直仪，装上CCD和显微镜头，微调去除安装偏差，实现CCD相机和棱镜的光轴与面1垂直。 

具体方法为：首先将CCD和镜头安装在角位移台1上，并调整到工作距离；然后在基体载物台上放置光学标定板，由于显微镜头景深小，若显微镜头光轴与棱镜面1不垂直则会导致图像局部不清晰，因此通过调整角位移台1使得标准光学标定板四个角成像清晰，从而确保光轴与棱镜面1垂直。成像清晰的评价标准是利用清晰度评价函数分别对图像的四个角进行清晰度评价，当四个角的清晰度函数能同时达到最大值时，则判断CCD与镜头的光轴与棱镜面1垂直。 

至此，完成对同轴对位微装配***各个组成部分相对位姿的标定。 

有益效果 

本发明方法利用自准直仪，完成了包括棱镜，目标载物台，基体载物台，显微镜头在内的同轴对位微装配***各个组成部分相对位姿的标定工作，大大提高***的装配精度，方法简单易行。 

附图说明

图1为本发明的面向同轴对位微装配***的标定方法流程图； 

图2为具体实施方式中同轴对位微装配***的原理图； 

图3为具体实施方式中自准直仪与棱镜面1的校准原理图； 

图4为具体实施方式中基体载物台与棱镜面1的校准原理图； 

图5为具体实施方式中目标载物台与棱镜面1的校准原理图； 

图6为具体实施方式中的光学标定板。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：本发明方法的流程如图1所示。本实施例中的同轴对位光学***的原理如图2所示，其中包括，CCD相机及显微镜头、光学棱镜、基体载物台、目标载物台和角位移台1、角位移台2、角位移台3。由于同轴光学棱镜的存在，基体载物台和目标载物台上零件同时进入相机的像平面，分别对两幅图像进行边缘识别，计算出零件的位姿偏差，将偏差补偿给基体载物台下的六自由度运动平台，补偿完成后，撤出棱镜，目标载物台通过机械手向基体载物台竖直移动，最终完成装配。 

图2中可以看出，面向同轴对位微装配***的标定方法是通过三个角位移台进行光轴垂直度的调整，之所以没有对棱镜的位姿进行调整，是因为棱镜的三个旋转自由度都会对成像造成影响，通过计算得到棱镜沿一个方向旋转0.001度就会使得基体零件在像平面上偏向距离为0.15微米，目标零件在像平面上偏向距离为0.83微米，这将会大大影响到同轴对位装配***的装配精度，然而棱镜的调节很不方便，现有的大多数结构都是通过压簧进行角度的微调，没有锁死的结构，棱镜在装配过程中的移动必然会导致角度的变化，因此在本发明的标定方法中没有对棱镜进行角度的调节。 

本发明的标定方法使用的核心仪器为自准直仪，常用于测量导轨的直线度、平板的平面度(这时称为平面度测量仪)等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。光电自准直仪多应用于航空航天、船舶、军工等要求精密度极高的行业，例如机械加工工业的质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度测试标准、 棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等。光线通过位于物镜焦平面的分划板后，经物镜形成平行光。平行光被垂直于光轴的反射镜反射回来，再通过物镜后在焦平面上形成分划板标线像与标线重合，则此时可证明自准直仪和反射面平行，根据这一原理分四步对同轴对位微装配***进行标定。 

（1）同轴棱镜面1与自准直仪成像面平行度的标定如图3所示； 

首先搭建好同轴对位微装配***，然后将镜头和CCD取下，选用TRIOPTICS公司的

TA300型号的高速采样电子自准直仪代替，进行自准直仪的成像面和棱镜面1的平行度标定。具体方法如下，通过成像的明暗程度找出面1反射的像，通过调整角位移台3让其和自准直仪内部的十字标线重合，则此时可以确定面1和自准直仪内部的成像平面是平行的。 

（2）基体载物台反射光路和自准直仪成像面垂直度的标定如图4所示； 

在目标载物台上放置一块平面镜，此时在自准直仪的成像面上会多出来一个十字标线，通过调整角位移台2使其与自准直仪内部标准十字刻线重合。 

（3）目标载物台反射光线和自准直仪成像面垂直度的标定如图5所示； 

将基体载物台上的平面镜撤出，在目标载物台上放置一块平面镜，找出其对应的十字刻线，通过调整角位移台1使其与自准直仪内部标准十字刻线重合，这时则可以说明目体载物台的光路方向和自准直仪的成像面是垂直的。 

（4）实现CCD和棱镜的光轴与面1垂直 

将自准直仪卸下，把CCD和镜头安装在角位移台3上，然后在基体载物台上放置如图6所示的光学标定板，利用清晰度评价函数分别对图像的四个角进行清晰度评价。 

清晰度评价函数主要包括时域类函数、频域类函数、信息学函数以及统计学函数等。其中时域类函数主要从图像的原始数据中获得图 像的灰度对比值，并根据数值的大小来判别图像的清晰度。频域类函数以傅里叶变换为基础，清晰的图像具有清晰的边缘和丰富的细节，对应图像傅里叶变换的高频分量，而离焦的模糊图像则对应于高频分量的衰减。 

本实施例采用时域类函数进行清晰度评价：使用梯度平方函数分别对图像的四个角落的清晰度进行计算，梯度平方函数如下所示 

f(I)=∑∑{[I(x+1,y)-I(x,y)]²+[I(x,y+1)-I(x,y)]²} 

其中x,y分别表示像素点在像面坐标系中对应的行和列，I(x,y)表示第x行，第y列像素点对应的灰度值。 

当如图6所示的标定板图像四个区域梯度值同时大于10000，且其相互差异小于50时，则认为CCD与镜头的光轴与棱镜面1垂直。 

实验证明，对于相同的同轴对位微装配***，通过本发明方法标定完后的同轴对位微装配***装配精度为2μm，未进行标定的同轴对位微装配***装配精度为20μm。 

Claims (2)

1.一种面向同轴对位微装配***的标定方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一，搭建同轴对位微装配***；

同轴对位微装配***包括CCD相机及显微镜头、光学棱镜、基体载物台、目标载物台和位移台1、角位移台2和角位移台3；其位置关系为：光学棱镜放置于显微镜头正前方、位姿固定，基体载物台位于光学棱镜的正下方、目标载物台位于光学棱镜正上方；基体载物台对应棱镜面3，其到光学棱镜的光路为光路2；目标载物台对应棱镜面2，其到光学棱镜的光路为光路1；CCD相机及显微镜头位于光路1经棱镜折射后的光路上，对应棱镜面1；棱镜面4为光学棱镜内部的半反半透面，面5为棱镜的全反射面；角位移台1、角位移台2和角位移台3分别与CCD相机及显微镜头、基体载物台、目标载物台相连接；

步骤二，标定棱镜面1与自准直仪成像面的平行度；

将显微镜头和CCD相机取下，将自准直仪固定于角位移台1上的转接板上，进行自准直仪的成像面和棱镜面1的平行度标定，具体方法为：自准直仪发出平行光照射到棱镜，面1、面4和面5分别形成一个像，其中面1反射的像最暗，调整角位移台1使面1反射的像与自准直仪内部的十字刻线重合，完成面1和自准直仪内部的成像平面平行；在后续的标定工作中，不改变棱镜和自准直仪的位姿；

步骤三，标定基体载物台反射光路和自准直仪成像面的垂直度；

在基体载物台上放置一块平面镜，则自准直仪的成像面上多一个十字刻线，调整角位移台2使基体载物台对应的十字刻线与自准直仪内部十字刻线重合，则基体载物台的反射光路和自准直仪的成像面垂直，完成基体载物台的标定工作；

步骤四，标定目标载物台反射光线和自准直仪成像面的垂直度；

撤出基体载物台上的平面镜，在目标载物台上放置一块平面镜，找出其在自准直仪的成像面对应的十字刻线，调整角位移台3使目标载物台对应的十字刻线与自准直仪内部十字刻线重合，则目体载物台的光路方向和自准直仪的成像面垂直，完成目标载物台的标定；

步骤五，卸下自准直仪，装上CCD和显微镜头，微调去除安装偏差，实现CCD相机和棱镜的光轴与面1垂直；

具体方法为：首先将CCD和镜头安装在角位移台1上，并调整到工作距离；在基体载物台上放置光学标定板，调整角位移台1使得光学标定板四个角成像清晰，实现光轴与棱镜面1的垂直标定；至此，完成对同轴对位微装配***各个组成部分相对位姿的标定。

2.根据权利要求1所述的一种面向同轴对位微装配***的标定方法，其特征在于：步骤五利用清晰度评价函数分别对图像的四个角进行清晰度评价，当四个角的清晰度函数同时达到最大值时，则判断CCD与镜头的光轴与棱镜面1垂直。

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