CN114623769A - 基于交比不变的微凸点高度测量装置及参数标定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于交比不变的微凸点高度测量装置，包括线结构光投射器、摄像机、数据处理中心、二维运动平台以及高精度标准台阶，其中，线结构光投射器，用于投射一定模式的结构光到高精度标准台阶的台阶平面上；二维运动平台，用于带动台阶水平移动，使得线结构光投射器所发出的线结构光投射在不同高度的台阶平面上；高精度标准台阶，用于使得线结构光光条在不同高度成像；摄像机，用于拍摄含有光条的台阶图像；数据处理中心，用于图像处理，数据运算，计算标定参数。本发明在高度方向上基于交比不变的标定方法，能够实现结构光参数标定，并且省去了复杂的坐标系转化运算，操作简单，便于实现，能够提高标定效率，扩大结构光测量的适用范围。

Description

基于交比不变的微凸点高度测量装置及参数标定方法

技术领域

本发明涉及芯片的微凸点高度测量技术领域，尤其涉及一种基于交比不变的微凸点高度测量装置及参数标定方法。

背景技术

随着集成电路技术的发展，芯片向着小型化，高密度集成方向发展，芯片之间的互连特征尺寸向10微米及以下方向发展。同时凸点密度增大，一片晶圆上凸点数量已达到上千万个。在芯片制造工艺中由于凸点高度不一致造成的芯片短路，断路等缺陷导致了芯片失效的现象日益明显，所以在芯片封装过程中对凸点高度以及凸点高度一致性测量分析是提高芯片封装良率，提高生产效益的一个重要手段。

基于上述现状，工业上对微凸点高度测量提出了以下需求：由于凸点向着十微米甚至更小尺寸发展，微凸点高度检测精度需达到亚微米级；同时半导体芯片需求的激增以及芯片上微凸点数量的增多，并且为了提高良率，降低成本，提出了对晶圆微凸点高度快速全检的在线检测需求。

目前测量凸点高度的方法主要是共聚焦法和干涉法，视觉测量方法。共聚焦和干涉法测量精度为纳米级，适用于单点微凸点检测，一般用于抽检。视觉测量方法通过简化或者省略部分标定参数来改进张氏标定法或者Tsai标定法，使得能够通过单幅标定图像进行标定。

申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：

(1)共聚焦法和干涉法测量精度可达到纳米级，远超芯片封装中0.5微米到1微米的测量精度。但是其测量速度慢，单点测量需1-3秒，不满足批量化在线检测的需求。

(2)常规的视觉标定方法中至少需要2张夹角为30°以上的靶标图像，但是在微观尺度下，由于显微镜头视场景深小，靶标大角度摆放导致了靶标图像模糊，造成标定失败。而改进的张氏标定法或者Tsai标定方法，对标定参数进行了近似或者省略，其中部分标定系数误差较大，不满足芯片封装检测中微凸点高度测量亚微米级的精度要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于交比不变的微凸点高度测量装置及参数标定方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于交比不变的微凸点高度测量装置，包括线结构光投射器、摄像机、数据处理中心、二维运动平台以及高精度标准台阶，其中，

线结构光投射器，用于投射一定模式的结构光到高精度标准台阶的台阶平面上；

二维运动平台，用于带动台阶水平移动，使得线结构光投射器所发出的线结构光投射在不同高度的台阶平面上；

高精度标准台阶，用于使得线结构光光条在不同高度成像；

摄像机，用于拍摄含有光条的台阶图像；

数据处理中心，用于图像处理，数据运算，计算标定参数。

其中，所述二维运动平台在高精度标准平台的每一个高度的台阶平面上多次投射线结构光条并拍摄光条图像。

其中，所述线结构光投射器包括斜射式和直射式。

其中，所述高精度标准台阶能够替换为满足测量要求的高精度位移台，通过位移台升降一定高度代替台阶高度。

其中，所述结构光光条包括单线结构光光条和同时投射多线结构光光条。

作为本发明的另一方面，提供了一种采用如上所述的微凸点高度测量装置的参数标定方法，包括以下步骤：

将高精度标准台阶放置在二维运动平台上，打开线结构光投射器，将光条投射在基准平面上；

调整摄像机工作距离，使得光条成像清晰并采集光条图像；

利用图像处理算法提取光条中心，并将提取的光条中心拟合成一条直线，作为基准直线；

通过控制二维运动平台带动高精度标准台阶水平移动，使得光条投射在相对于基准平面一定高度的同一平面的不同位置，并采集光条图像；

利用图像处理算法提取该平面上所有图像中的光条中心，然后对光条中心进行平均优化，得到该平面上最优的光条中心并进行直线拟合；

计算最优的光条中心所在直线与基准直线之间的距离，得到高度图像中光条的偏移；

通过控制二维运动平台带动高精度标准台阶水平移动，使得光条投射在台阶的另一个高度平面上，重复上述步骤，计算得到各个高度的图像上光条中心距离基准直线的距离；

选取至少三个台阶高度上图像光条的偏移作为待标定系数，其余高度台阶作为控制点用于标定，计算标定系数；

选取另外至少三个台阶高度进行标定，重复上一步骤，最终得到标定结果。

其中，在进行标定步骤之前，应先对图像进行去畸变，去除由于镜头畸变造成的失真现象从而提高图像处理和标定精度。

其中，所述基准平面为将高精度标准台阶放置在二维运动平台上时，二者接触所形成的平面。

其中，在计算得到每个标定系数的修正数后，利用初始值与修正数之和作为新的初始值，进行迭代计算，当修正数小于一个阈值或者进行一定次数的迭代时停止计算，这样得到准确的标定系数。

其中，采用m个台阶高度进行标定，其中，m≥3，从中任取三个高度，利用其中两个较低的高度作为基础点对，另一个点作为分割点之一，进行标定，这样总共得到

个标定结果，根据每一个标定系数，计算被测物体表面的高度，得到

个测量结果，取平均值作为最终的测量结果。

基于上述技术方案可知，本发明的微凸点高度测量装置及参数标定方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：

(1)本发明中通过平均优化消除噪声并通过多次迭代得到精确的标定系数，该标定结果用于微凸点测量，测量精度高且计算简单，可满足批量化在线检测需求。

(2)在高度方向上基于交比不变的标定方法，能够实现结构光参数标定，并且省去了复杂的坐标系转化运算，操作简单，便于实现，能够提高标定效率，扩大结构光测量的适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的微凸点高度测量装置的结构示意图，其中，图1(a)为测量装置中的结构光投射器为斜射式，图1(b)为测量装置中的结构光投射器为直射式，图1(c)为光条投射方向不同于图1(a)中所示的投射方向；

图2为本发明实施例提供的交比不变原理示意图；

图3为本发明实施例提供的台阶标定块；

图4为本发明实施例提供的高度方向上交比不变原理；

图5为本发明实施例提供的在每一个台阶平面上多次扫描的示意图；

图6为本发明实施例提供的多个台阶标定。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、线结构光投射器；2、摄像机；3、数据处理中心；

4、二维运动平台；5、高精度标准台阶；6、基准平面；

7、投射在台阶平面上的光条。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的具体思想是：基于射影变换下交比不变的性质，通过拍摄投射在高度不同的台阶上线结构光条的图像，根据已知至少三个已知台阶高度、以及其对应的图像中光条的偏移量即可计算出被测物高度。

图1为本发明装置示意图。本发明标定装置包括线结构光投射器1，摄像机2，数据处理中心3，二维运动平台4以及高精度标准台阶5；其中，线结构投射器1，用于投射一定模式的结构光到高精度标准台阶5的台阶平面上；二维运动平台4，用于带动台阶水平移动，使得线结构光投射在不同高度的台阶平面上；高精度标准台阶5，用于使得光条在不同高度成像；摄像机2用于拍摄含有光条的台阶图像；数据处理中心3，用于图像处理，数据运算，计算标定参数。

在射影几何变换中，交比是最基本和最重要的不变量。如图2所示，同一条直线L上的四个点A，B，C，D，经过射影变换之后，A′，B′，C′，D′为点A，B，C，D的对应点，并位于同一条直线L′上。直线L上的A，B，C，D四个点的交比为：

其中，点A，B为基础点对，点C，D为分割点对。直线L′上A′，B′，C′，D′四个点的交比为：

则由交比不变性可得：

CR(A′，B′；C′，D′)＝CR(A，B；C，D)

即：

图3中为光条A，B，C，D依次投射在由低到高不同高度的台阶平面上后，将光条叠加在一张图像中显示的示意图。图中H_A，H_B，H_C，H_D分别为光条A，B，C，D相对于基准平面的高度。

图4中L为垂直于光条的横截面上，光条A，B，C，D在高度方向上的投影，H_A，H_B，H_C，H_D分别表示A，B，C，D所在的高度；L′表示CCD横截面，A′，B′，C′，D′分别代表不同高度上光条在CCD上横截面上的点，D_A′，D_B′，D_C′，D_D′分别表示A，B，C，D在CCD中所成像的偏移，光条在图像中的偏移通过计算图像中光条距离基准位置的距离表示；由交比不变性可知：

由交比不变的性质可知，式(2)中，如果已知光条A，B，C，D中的三个光条投射的位置高度，假设光条A，B，C投射在已知高度分别为H_A，H_B，H_C，H_D的台阶平面上，其对应图像中光条A′，B′，C′的偏移分别为D_A′，D_B′，D_C′，H_C为所求的高度，测量时光条投射在C平面上，通过图像采集和处理得到图像中光条的偏移为D_C′，即可求的C的高度H_C。(2)式转换为：

C点高度H(C)可由下式得到：

其中，

为常数。

式(4)中H_A，H_B，H_D为标定所用到的台阶平面所在的高度，为准确的测量值，D_A′，D_B′，D_D′为投射在不同台阶高度平面上的光条与基准光条之间的偏移距离。因此D_A′，D_B′，D_D′的准确度与提取的光条中的精度有关。由于存在噪声和图像背景纹理影响，以及测量过程中被测高度可能超出景深，提取的光条中心精度不高，并且计算两个光条之间的距离时存在误差，因此D_A′，D_B′，D_D′与准确值存在一定的偏差，从而导致计算H_C误差较大。为了提高计算的准确性，以通过计算光条之间的距离D_A′，D_B′，D_D′为初始值D_A′ ⁰，D_B′ ⁰，D_D′ ⁰，将式(4)按照多元函数泰勒级数展开，取小值一次项，得到式(4)的线性公式：

其中：

a₁＝(D_C′-D_B′)·(D_D′-D_A′)-(D_C′-D_A′)·(D_D′-D_B′)·r

对应的误差方程为：

在实际应用时，为了提高解算精度，需进行多余观测。采用n＞3个已知准确高度的台阶进行标定，然后利用最小二乘进行解算。根据式(6)列出n个误差方程：

其中：

V＝[V₁ V₂ … V_n]^T (8)

M＝[a₁₁ a₁₂ a₁₃]^T _i，i＝1，2，…，3 (9)

X＝[D_A′ D_B′ D_D′]^T (10)

l＝[H_C ⁰-H_C]^T _i (11)

根据间接平差法，可以得到：

X＝(M^TM)^-1(M^Tl) (12)

从而得到D_A′，D_B′，D_D′的修正数：ΔD_A′，ΔD_B′，ΔD_D′。然后利用初始值与修正数之和作为新的初始值，进行迭代计算，当修正数小于一个阈值或者进行一定次数的迭代时停止计算，这样得到准确的D_A′，D_B′，D_D′.

若将基础点A所在高度设置为基准高度，则只需标定两个参数，令以上各式中H_A＝0，D′_A＝0及ΔD′_A＝0即可。

由于图像质量容易受到环境光照以及被测物表面纹理等影响，为了提高光条中心提取的精度，从而避免陷入局部最优情形并减少迭代次数，本发明通过将控制水平位移台，在每一个高度的台阶平面上多次投射线结构光条并拍摄光条图像。图5为将多次拍摄的光条图像叠加在一张图像上进行显示的示意图。获取在每一个高度的台阶平面上多张光条图像。对每一个台阶高度上得到的图像，计算出每一幅图像中光条相对于基准光条的偏移，并取平均值作为该高度上光条与基准光条之间的偏移。通过平均优化，最大限度提高光条中心提取精度。

同时，采用m个(m≥3)台阶高度进行标定，如图6所示，从中任取三个高度H_i，H_j，H_k，利用其中两个较低的高度作为基础点对，另一个点作为分割点之一，利用上述方法进行标定，这样一共可以得到

个标定结果，根据每一个标定系数，根据式(16)或者式(19)计算被测物体表面的高度，得到

个测量结果，然后取平均值作为最终的测量结果。

本发明还公开了一种参数标定方法，具体如下。

在进行标定步骤之前，应先对图像进行去畸变，去除由于镜头畸变造成的失真现象从而提高图像处理和标定精度。

本发明标定的具体步骤如下：

(1)：首先将标准台阶放置在运动平台上，打开线结构光源，将光条投射在基准平面上；

(2)：调整相机工作距离，使得光条成像清晰并采集光条图像；

(3)：利用图像处理算法提取光条中心，并将提取的光条中心拟合成一条直线，作为基准直线；

(4)：通过控制运动平台带动台阶水平移动，使得光条投射在同一平面的不同位置，并采集光条图像；

(5)：利用图像处理算法提取该平面上所有图像中的光条中心，然后对光条中心进行平均优化，得到该平面上最优的光条中心并进行直线拟合；

(6)计算光条所在直线与基准直线之间的距离，得到该高度图像中上光条的偏移D；

(7)：通过控制运动平台带动台阶水平移动，使得光条投射在台阶的另一个高度平面上，重复步骤(4)、(5)、(6)，计算得到各个高度的图像上光条中心距离基准直线的距离D_i′，i＝1，2，…；

(8)：选取三个台阶高度上图像光条的偏移作为待标定系数，其余高度台阶作为控制点用于标定，根据式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)进行迭代，计算标定系数D_A′，D_B′，D_D′。

(9)：选取另外三个台阶高度进行标定，重复步骤(8)，最终得到

个标定结果。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)单线结构光光条可以用同时投射多线结构光光条代替，斜射式可以用直射式代替，如图1(a)所示为斜射式，如图1(b)所示为直射式，光条投射方向可以改变成与图1(c)所示的投射方向，只是数据处理方式略有不同；

(2)台阶可以使用满足测量要求的高精度位移台代替，通过位移台升降一定高度代替台阶高度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于交比不变的微凸点高度测量装置，其特征在于，包括线结构光投射器、摄像机、数据处理中心、二维运动平台以及高精度标准台阶，其中，

线结构光投射器，用于投射一定模式的结构光到高精度标准台阶的台阶平面上；

二维运动平台，用于带动台阶水平移动，使得线结构光投射器所发出的线结构光投射在不同高度的台阶平面上；

高精度标准台阶，用于使得线结构光光条在不同高度成像；

摄像机，用于拍摄含有光条的台阶图像；

数据处理中心，用于图像处理，数据运算，计算标定参数。

2.根据权利要求1所述的微凸点高度测量装置，其特征在于，所述二维运动平台在高精度标准平台的每一个高度的台阶平面上多次投射线结构光条并拍摄光条图像。

3.根据权利要求1所述的微凸点高度测量装置，其特征在于，所述线结构光投射器包括斜射式和直射式。

4.根据权利要求1所述的微凸点高度测量装置，其特征在于，所述高精度标准台阶能够替换为满足测量要求的高精度位移台，通过位移台升降一定高度代替台阶高度。

5.根据权利要求1所述的微凸点高度测量装置，其特征在于，所述结构光光条包括单线结构光光条和同时投射多线结构光光条。

6.一种采用权利要求1-5任一所述的微凸点高度测量装置将进行标定的参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将高精度标准台阶放置在二维运动平台上，打开线结构光投射器，将光条投射在基准平面上；

调整摄像机工作距离，使得光条成像清晰并采集光条图像；

利用图像处理算法提取光条中心，并将提取的光条中心拟合成一条直线，作为基准直线；

通过控制二维运动平台带动高精度标准台阶水平移动，使得光条投射在相对于基准平面一定高度的同一平面的不同位置，并采集光条图像；

利用图像处理算法提取该平面上所有图像中的光条中心，然后对光条中心进行平均优化，得到该平面上最优的光条中心并进行直线拟合；

计算最优的光条中心所在直线与基准直线之间的距离，得到高度图像中光条的偏移；

通过控制二维运动平台带动高精度标准台阶水平移动，使得光条投射在台阶的另一个高度平面上，重复上述步骤，计算得到各个高度的图像上光条中心距离基准直线的距离；

选取至少三个台阶高度上图像光条的偏移作为待标定系数，其余高度台阶作为控制点用于标定，计算标定系数；

选取另外至少三个台阶高度进行标定，重复上一步骤，最终得到标定结果。

7.根据权利要求6所述的参数标定方法，其特征在于，在进行标定步骤之前，应先对图像进行去畸变，去除由于镜头畸变造成的失真现象从而提高图像处理和标定精度。

8.根据权利要求6所述的参数标定方法，其特征在于，所述基准平面为将高精度标准台阶放置在二维运动平台上时，二者接触所形成的平面。

9.根据权利要求6所述的参数标定方法，其特征在于，在计算得到每个标定系数的修正数后，利用初始值与修正数之和作为新的初始值，进行迭代计算，当修正数小于一个阈值或者进行一定次数的迭代时停止计算，这样得到准确的标定系数。

10.根据权利要求6所述的参数标定方法，其特征在于，采用m个台阶高度进行标定，其中，m≥3，从中任取三个高度，利用其中两个较低的高度作为基础点对，另一个点作为分割点之一，进行标定，这样总共得到

个标定结果，根据每一个标定系数，计算被测物体表面的高度，得到

个测量结果，取平均值作为最终的测量结果。

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