CN103604815A - 玻璃晶片检测装置与标定方法 - Google Patents

Abstract

一种玻璃晶片检测装置与标定方法，适用于玻璃晶片的瑕疵检测，可对玻璃晶片表面划痕，表面在制作工艺过程中（如镀膜）形成的瑕疵（暗或亮的斑点等）以及晶片内部瑕疵进行高精度的定位和提取，给出瑕疵的精确位置，尺寸和光学特性，为玻璃晶片生产质量检测和控制提供依据，并能根据用户设定标准，判断晶片等级。本发明具有检测速度快，精度高，操作自动化程度高的特性，为微小瑕疵检查提供了一套整体解决方案。

Description

玻璃晶片检测装置与标定方法

技术领域

本发明涉及一种玻璃晶片检测装置与标定方法。

背景技术

玻璃晶片（glass wafer）是一种高质量圆盘形或方形的平板玻璃片，玻璃晶片是光学元件制造行业和半导体元件制造行业的重要原料之一，其表面会根据需求镀上不同规格增透膜，比如投影机镜头器件、感光芯片封装器件、手机显示屏等。这些行业对晶片的品质要求极高，通常对晶片中微粒瑕疵的数量、位置及尺寸等多个参数有严格的质量标准，需要精确到微米量级。因此，玻璃晶片的生产企业对产品要做相应的严格检验，需要检测其正反两面微粒瑕疵（particle contaminant）的数量、位置、尺寸等参数，而这些微粒瑕疵通常是一些非常细小（肉眼无法分辨，直径4-100微米）而且颜色很浅的斑点，其由于晶片制作过程中产生，瑕疵的数量和尺寸代表制作工艺的好坏。

目前国内玻璃晶片生产厂商，基本没有晶片检测设备，产品质量地位，竞争处于不利地位。由于玻璃的材料特性及检测参数的要求，基于视觉的检测技术是该领域的理想检测设备，然而该种检测设备的文献比较罕见。目前人们提出了在多种应用场合下微粒检测图像处理技术，比如铁矿石粉微粒尺寸的检测（张学军，陈向伟，陈国军，基于计算机视觉的铁矿石粉微粒尺寸的检测[J].矿山机械，2009（20））和小麦粉颗粒检测（张学军，左春柽，文伟力等，基于计算机视觉的微观稀疏离散粒子尺寸的检测[J].光学精密工程，2007,15（4））采用动态聚类算法检测到颗粒的个数、半径、半径方差等参数；药液中微粒杂质检测（杨福刚. 溶液中微米级异物目标视觉检测技术[J].光电子．激光，2010（9））采用的是对溶液离心旋转然后提取颗粒运动轨迹从而检测颗粒数量和粒径的方法；另外有对水流中沙砾的检测（朱兵,周煦燕等.中小河流中颗粒物的图像检测方法[C]. 2010年第三届国际电子商务与安全研讨会）及对机器磨损产生的微粒的检测（穆罕默德·法希姆·艾哈迈德·莱加里，沙基尔. 磨损颗粒领域的计算机视觉技术. 2009年第二届国际会议计算机与电气工程）等都是采用图像处理的各种算法进行微粒形态等参数的检测。以上这些微粒检测的研究都不涉及对微粒的精确定位和提取问题，而且图像中的微粒色彩与背景的对比度较为明显的。文献（叶智浩，吴福常. 图像增强技术在TFT-LCD行业的起偏镜中可视瑕疵检测中的应用. IEEE计算机建模和仿真国际会议，2009：257-261）中提供了一种对不明显的微粒污斑进行图像检测的有效算法。但缺乏对微粒瑕疵精确定位和提取。在液体中的微粒检测和非机器视觉检测方法也有如下相关研究：

1.  徐涛，高玉成，武星。对于光阻法在对小粒径微粒检测时的原理分析。仪器仪表学报，2005，Vol.26，No.1，13-17；

2.  曲丹丹，薛剑英，等。可用于汽油中微粒检测的U150粒子计数器。现代仪器，2004，No.2，35-37；

3.  李政。模式识别在溶液不溶性微粒检测中的应用研究。国防科技大学硕士研究生论文，2002；

4.  杨成胡，陈光杰，等。适于图像型微粒检测的自适应滤波新方法。中国医疗器械杂志，1999，vol.23，No.2，73-76；

5.  黄志澄，万嘉若，等。微处理器控制的图像型微粒检测系统。华东师范大学学报，1990，No.1；

6.  恩里克·戈麦斯·达席尔瓦，T. G.阿马拉尔等. 印刷电路板上焊锡缺陷的自动光学检测. ECON2010 -  IEEE工业电子学会第36届年会，2010：1087-1091；

上述这些方法均有其特殊的适用场合，对固态物质中微粒的检测适用性有待研究，不适于完全运用于玻璃晶片中瑕疵的检测，另一方面这些应用中均不需要对每颗微粒进行高精度的定位和提取，对检测的速度并没有考虑，不能满足玻璃晶片中微粒瑕疵检测所必需达到的检测目标，因此需要新的方法来测量玻璃晶片中的瑕疵。

发明内容

本发明提供的一种玻璃晶片检测装置与标定方法，适用于玻璃晶片的瑕疵检测，可对每颗微粒进行高精度的定位和提取。

为了达到上述目的，本发明提供一种玻璃晶片检测装置，该检测装置包含移动检测平台，运动机构，成像系统，光源系统，晶片固定装置和靶标系统，所述的移动检测平台包含上层平台和下层平台，所述的上层平台和下层平台之间稳固连接并保持平行，所述的运动机构包含安装在相连的稳固底座上的移动台X，Y方向和旋转U方向运动机构和垂直Z方向运动机构，所述的上层平台承载待检测玻璃晶片，所述的下层平台与垂直Z方向运动机构连接，或者与垂直Z方向运动机构集成为一体，所述的成像系统固定在垂直Z方向运动机构上，所述的光源系统设置在上层平台和下层平台之间，所述的晶片固定装置和靶标系统设置在上层平台上。

所述的上层平台和下层平台尺寸一致，为方型或矩形1-3公分厚的不锈钢板。

所述的上层平台上设置晶片开孔，所述的晶片开孔位于上层平台中央，该晶片开孔的尺寸小于被检测晶片的尺寸。

所述的成像系统包含光学透镜和摄像机。

所述的晶片固定装置包含若干圆形固定装置和紧固装置，所述的圆形固定装置和紧固装置沿上层平台的晶片开孔边缘分布，所述的圆形固定装置为突出的圆柱形，该圆形固定装置的中心开设微细圆孔，该圆形固定装置的半径是已知的或可以精确测量的，所述的紧固装置为带弹簧的销子。

所述的靶标系统包含靶标和靶标开孔，该靶标为方形或矩形镀膜玻璃，该靶标开孔位于上层平台边缘，该靶标开孔的尺寸小于靶标，该靶标开孔上设置有与靶标尺寸相同的凹槽，该凹槽和靶标的中心位置重合，这样使靶标能够嵌入到上层平台，靶标上表面与上层平台上面平齐，靶标的边缘与移动检测平台的上层平台的边缘平行，光源系统的光可以通过靶标开孔将靶标投射到摄像头成像，靶标的宽度方向成像不超出摄像头视场范围，长度方向上超出摄像头视场，从而可以标定移动机构移动特性。

所述的玻璃晶片检测装置还包含计算机，该计算机通过运动控制器与运动机构连接，通过光亮度调节器与光源系统连接，通过图像采集卡与成像系统连接，这样计算机通过控制光源系统的亮度，控制运动机构移动和图像采集，完成对晶片的检测。

本发明还提供一种基于玻璃晶片检测装置的标定方法，该标定方法包含以下步骤：

步骤1、提取初始数据和信息；

初始位置包括靶标位置，圆形固定装置中心位置，标准标定晶片上三个或以上不共线的点的位置；

步骤2、移动台X，Y方向运动机构带动移动检测平台移动，将靶标系统位置移动到成像系统下方，通过垂直Z方向运动机构移动找出并移动到最佳聚焦位置，建立像平面坐标系和移动机构坐标系之间的关系；

步骤3、通过调节光源系统照射光的强度，使透光部分的图像灰度值达到参考基准；

步骤4、对摄像头像素误差进行补偿校正；

步骤5、通过移动Z轴测量靶标系统的边缘，建立聚焦曲线；

步骤6、检测圆形固定装置的中心圆孔位置坐标，建立晶片坐标系和移动机构坐标系之间的关系；

步骤7、检测标准标定晶片上三个或以上不共线的点的最佳聚焦位置坐标，建立聚焦平面方程；

步骤8、测量靶标上的标记点位置，建立像素点和实际尺寸关系；

步骤9、测量靶标上的不同标记点的尺寸，建立尺寸和误差之间的对应关系，建立测量误差校准曲线；

步骤10、采用XY轴正交性测量，补偿移动带来的机械误差。

所述的步骤2包含以下步骤：

步骤2.1、利用步骤1获得的靶标Z方向聚焦初始位置Z₀，将垂直Z方向运动机构移到该位置上L毫米，此时位置为Z₀-L，以固定步长△L向下移动运动机构，并拍摄图像，直到移动运动机构到达Z₀+L位置，取拍摄的图像中边缘灰度变化最大的位置作为最佳聚焦位置；

步骤2.2、提取靶标图像的垂直方向边缘，计算该垂直方向与像平面系统中图像Y轴的偏差角度，旋转移动检测平台，使靶标边缘与像平面系统中图像的Y轴平行，然后Y轴移动移动检测平台微小距离，提取靶标图像边缘移动的像素数，计算像素与实际尺寸的对应关系，移动移动检测平台，使靶标左上角位于像平面系统中的图像中心位置，提取该位置，此时图像中心在移动机构坐标系中的坐标可以读出，并且他们坐标轴重合，这样就建立了像平面坐标系和移动台移动机构坐标系之间的关系，可以将移动检测平台上任意点移动到图像中心，这样可将靶标系统位置置于图像中心，并且其边缘与图像坐标轴平行。

所述的步骤4包含以下步骤：

步骤4.1、移动移动检测平台，使光线直接投射到摄像头上成像；

步骤4.2、调节摄像头快门使透光减半，再次获取图像；

步骤4.3、比较两次图像，找出像素点与邻近像素点灰度偏差超过设定阈值的点，进行补偿校正；

在光照均匀情况下，假设像素灰度符合正态分布，取图像中的一个小邻域中的像素点，计算其分布，设标准均方差为s，阈值取3s，偏差超过均值+/-3s认为不正常的像素点，该不正常点补偿值设为当前的均值-灰度值。

所述的步骤5中，设初始聚焦位置为Z₀，将垂直Z方向运动机构移到该位置上L毫米，此时位置为Z₀-L，以固定步长△L向下移动运动机构，并拍摄图像，直到移动运动机构到达Z₀+L位置，记录Z方向相对位置与拍摄的图像中边缘灰度变化极值，建立聚焦曲线。

所述的步骤6包含以下步骤：

步骤6.1、假设按照顺时针方向，获得三个圆形固定装置在移动机构坐标系中的坐标分别为（x ₁，y ₁）,（x ₂，y ₂），（x ₃，y ₃），半径分别为r ₁，r ₂，r ₃；

步骤6.2、如果是圆形晶片，进行步骤6.3，如果是矩形或方形晶片，进行步骤6.4；

步骤6.3、对于圆形晶片，假设其圆心在移动机构坐标系中的坐标为（x，y），半径为R，则根据几何关系可由下列方程计算得出圆心：

                            （1）

确立圆心后，由于晶片坐标系的坐标轴与移动机构坐标系平行，即可建立二者关系，进行检测；

步骤6.4、对于矩形或方型晶片，以晶片左上角为原点，相邻两个边为x，y轴，确立晶片坐标系，通过三个圆形固定装置建立二者之间关系方程，实际上晶片坐标系为移动机构坐标系旋转平移得到，因此可以对移动机构进行旋转，使二者坐标轴平行，此时确定晶片原点在新移动机构坐标系中的坐标即可确定二者关系，这样做的另一个好处是使得对XY不完全正交进行补偿比较容易；

旋转角度为：

                        （2）

要求安装时使这个旋转角度很小，这样可以按原坐标移动到三个圆形固定装置上，确立三个圆形固定装置新的位置，假设分别为（x’ ₁，y’₁）,（x’ ₂，y’₂），（x’ ₃，y’ ₃），则晶片原点位置（x’，y’）为：

       （3）

因此对晶片坐标系和移动机构坐标系之间的关系建立可以转化为检测系统的圆形固定装置在移动机构坐标系中的位置和半径。

所述的步骤7中，建立聚焦平面方程需要一个标准的晶片，其为需测量的晶片最大尺寸，这样可覆盖整个测量范围，其上镀上不透光线条，用来根据其在摄像头成像，判断其边缘灰度变化，来决定最佳聚焦Z轴位置，在此标准晶片上取三个以上不共线的点，通过移动Z轴找出此三点的最佳聚焦位置，即可建立该聚焦平面方程。

所述的步骤9中，建立测量误差校准曲线可通过在靶标上制作精确尺寸的圆形或矩形的一系列标记点来完成，这些标记点尺寸按检测需求以一定方式递减，如圆形标记点其相邻标记点直径递减1微米，移动移动检测平台，拍摄靶标上这些标记点图像，提取它们的尺寸，建立测量尺寸和实际尺寸的对应曲线，这样通过对标记点测量即可建立尺寸和误差之间的对应关系。

所述的步骤10包含以下步骤：

步骤10.1、利用标准标定晶片，在标准标定晶片上镀上不透光相互垂直线条，线条位置应在装载晶片时尽量能和移动检测平台的边缘平行；

步骤10.2、先测量水平方向线条边缘，使线条在相机中成像，提取其边缘线，通过旋转，使之与图像的X轴平行，移动检测平台的X轴，如果线条边缘位置发生变化则计算旋转角度，使线条成像边缘与图像水平方向平行，通过反复校正，使线条边缘在移动X轴时保持不变；

步骤10.3、移动Y轴，测量垂直方向线条边缘的位置变化，即可标定XY正交偏差角度，从而计算出X方向移动一段距离时对应Y方向的偏差，用此偏差修正Y方向位置，这样可以补偿移动带来的误差。

本发明适用于玻璃晶片的瑕疵检测，可对玻璃晶片表面划痕，表面在制作工艺过程中（如镀膜）形成的瑕疵（暗或亮的斑点等）以及晶片内部瑕疵进行高精度的定位和提取，给出瑕疵的精确位置，尺寸和光学特性，为玻璃晶片生产质量检测和控制提供依据，并能根据用户设定标准，判断晶片等级。本发明具有检测速度快，精度高，操作自动化程度高的特性，为微小瑕疵检查提供了一套整体解决方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是靶标成像示意图。

具体实施方式

以下根据图1和图2具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种玻璃晶片检测装置，该检测装置包含移动检测平台1，运动机构，成像系统3，光源系统4，晶片固定装置8和靶标系统7，所述的移动检测平台1包含上层平台101和下层平台102，所述的上层平台101和下层平台102之间稳固连接并保持平行，所述的运动机构包含安装在相连的稳固底座上的移动台（X，Y方向）和旋转U方向运动机构201和垂直方向（Z方向）运动机构202，所述的上层平台101承载待检测玻璃晶片，所述的下层平台102与垂直方向（Z方向）运动机构202连接，或者与垂直方向（Z方向）运动机构202集成为一体，所述的成像系统3固定在垂直方向（Z方向）运动机构202上，所述的光源系统4设置在上层平台101和下层平台102之间，所述的晶片固定装置8和靶标系统7设置在上层平台101上。

所述的上层平台101和下层平台102尺寸一致，为方型或矩形1-3公分厚的不锈钢板。

本实施例中，所述的上层平台101和下层平台102之间通过四个角立柱稳固连接。

所述的上层平台101上设置晶片开孔1011，所述的晶片开孔1011位于上层平台101中央，该晶片开孔1011的尺寸略小于被检测晶片的尺寸。

所述的成像系统3包含光学透镜和摄像机。

所述的光源系统4采用面状LED光源，面状光源中心与成像系统3的摄像机的摄像头中心重合，光源系统4的位置固定不变。

所述的晶片固定装置8包含若干圆形固定装置801和紧固装置802（图1中用菱形表示），所述的圆形固定装置801和紧固装置802沿上层平台101的晶片开孔1011边缘分布，所述的圆形固定装置801为突出的圆柱形，该圆形固定装置801的中心开设微细圆孔，这样可以对其位置通过成像系统3进行标定，该圆形固定装置801的半径是已知的（或可以精确测量的），所述的紧固装置802为带弹簧的销子。

本实施例中，设置三个圆形固定装置801和两个紧固装置802，对于圆形晶片只用上端两个圆形固定装置801和底端的一个菱形紧固装置802就可将其固定，对方型或长方形晶片需要利用所有固定装置将其固定。

所述的靶标系统7包含靶标和靶标开孔702，该靶标为方形或矩形镀膜玻璃，该靶标开孔702位于上层平台101边缘，该靶标开孔702的尺寸小于靶标，该靶标开孔702上设置有与靶标尺寸相同的凹槽，该凹槽和靶标的中心位置重合，这样使靶标能够嵌入到上层平台101，靶标上表面与上层平台101上面平齐，靶标的边缘与移动检测平台1的上层平台101的边缘平行，光源系统4的光可以通过靶标开孔702将靶标投射到摄像头成像，靶标优选为矩形，可以使宽度方向成像不超出摄像头视场范围，长度方向上超出摄像头视场，从而可以标定移动机构移动特性。

靶标系统7是整个玻璃晶片检测装置的标定关键部件，它有多方面用途，一是定义移动机构坐标系，二是用来对光学特性标定，三是用来建立像平面坐标系和移动机构坐标系之间的关系，四是用来建立测量误差校准曲线。

所述的玻璃晶片检测装置还包含计算机6，该计算机6通过运动控制器5与运动机构连接，通过光亮度调节器9与光源系统4连接，通过图像采集卡与成像系统3连接，这样计算机通过控制光源系统4的亮度，控制运动机构移动和图像采集，完成对晶片的检测。

本发明还提供一种基于玻璃晶片检测装置的标定方法，

整个检测装置包含三个坐标系：摄像机像平面坐标系，移动机构坐标系和玻璃晶片坐标系。

该标定方法包含以下步骤：

步骤1、提取初始数据和信息；

初始位置包括靶标位置，圆形固定装置801中心位置，标准标定晶片上三个（或以上）用于计算最佳聚焦平面的点（这些点不共线）的位置。

这些位置是在移动机构坐标系下的坐标记录，具体方法为：先将移动系统复位，此时移动系统各编码器数值为零，以此为移动机构坐标系零点位置。移动移动机构分别到靶标系统7位置、圆形固定装置801中心，标准标定晶片上三个（或以上）位置在相机清晰成像并接近图像中心，记录此时各轴的编码器读数，即为这些点初始位置信息；这里靶标系统7的初始位置以靶标系统开孔左上角为基准，使其移动到接近图像中心的位置。靶标尺寸设计遵循以下原则，使靶标开孔702的X方向在相机内成像包含在图像X方向内，同时大于图像水平分辨率的一半，一般为图像水平方向3/4左右，靶标开孔702在Y方向尺寸在相机中成像应超出图像在Y方向分辨率。这样，光源系统投射的光通过开孔透过靶标，使靶标在相机里成像，由于靶标为镀膜玻璃晶片，投射光基本通过，因此其成像接近白色，而其他部分投射光被平台阻挡，接近于黑色，呈现如图2所示的图像，通过调整移动台X，Y，Z方向使靶标图像（右下角白色部分）清晰成像，并且使其左上角靠近图像中心， X，Y方向边缘与图像的X，Y方向平行。

步骤2、移动台（X，Y方向）运动机构201带动移动检测平台1移动，将靶标系统位置移动到成像系统3下方，通过垂直方向（Z方向）运动机构202移动找出并移动到最佳聚焦位置，建立像平面坐标系和移动机构坐标系之间的关系。

步骤2.1、利用步骤1获得的靶标Z方向聚焦初始位置Z₀，将垂直方向（Z方向）运动机构202移到该位置上L毫米（L可设定，如1毫米），此时位置为Z₀-L，以固定步长△L（如0.02毫米）向下移动运动机构202，并拍摄图像，直到移动运动机构202到达Z₀+L位置，取拍摄的图像中边缘灰度变化最大的位置作为最佳聚焦位置；

此时靶标在相机里呈现出清晰的像，如图2所示，整个图像右下方为近白色方块，其余部分近黑色，白色部分为靶标开孔部分的影像。

步骤2.2、提取靶标图像的垂直方向边缘，计算该垂直方向与像平面系统中图像Y轴的偏差角度，旋转移动检测平台1，使靶标边缘与像平面系统中图像的Y轴平行，然后Y轴移动移动检测平台1微小距离（如0.01毫米），提取靶标图像边缘移动的像素数，计算像素与实际尺寸的对应关系，移动移动检测平台1，使靶标左上角位于像平面系统中的图像中心位置，提取该位置，此时图像中心在移动机构坐标系中的坐标可以读出，并且他们坐标轴重合，这样就建立了像平面坐标系和移动台移动机构坐标系之间的关系，可以将移动检测平台1上任意点移动到图像中心，这样可将靶标系统7位置置于图像中心，并且其边缘与图像坐标轴平行。

步骤3、通过调节光源系统4照射光的强度，使透光部分的图像灰度值达到参考基准，该参考基准为相机的灰度级的3/4值的正负10范围内数值；

对于玻璃晶片中的瑕疵，其对光的透射性是判断其是否可接受的一项指标，一般可由其成像的灰度特性来定义，然而由于光源系统发出的光强会随时间发生变化，加上背景环境的变化和干扰，会影响这一指标的判定，因此需要通过测量一个标准透光器件在图像中的灰度值来作为晶片的光学特性的基准；

步骤4、对摄像头像素误差进行补偿校正；

摄像头每个像素相当一个传感器，因为制造工艺等原因，每个像素灵敏度和准确度有差异，需要对摄像头每个像素进行检测，对有问题的像素进行补偿校正；

步骤4.1、移动移动检测平台1，使光线直接投射到摄像头上成像；

步骤4.2、调节摄像头快门使透光减半，再次获取图像；

步骤4.3、比较两次图像，找出像素点与邻近像素点灰度偏差超过设定阈值的点，进行补偿校正；

在光照均匀情况下，邻近像素灰度值基本一致，可以假设像素灰度符合正态分布，取图像中的一个小邻域中的像素点，计算其分布，设标准均方差为s，阈值取3s，偏差超过均值+/-3s认为不正常的像素点，该不正常点补偿值可设为当前的均值-灰度值；

步骤5、通过移动Z轴测量靶标系统7的边缘，建立聚焦曲线；

设初始聚焦位置为Z₀，将垂直方向（Z方向）运动机构202移到该位置上L毫米（L可设定，如1毫米），此时位置为Z₀-L，以固定步长△L（如0.01毫米）向下移动运动机构202，并拍摄图像，直到移动运动机构202到达Z₀+L位置，记录Z方向相对位置与拍摄的图像中边缘灰度变化极值，建立聚焦曲线；

步骤2是为了探测靶标的最佳聚焦位置，并将成像系统移至该位置；步骤5是为了得到一个灰度随Z方向变化的曲线，标定结果用来在晶片检测时计算最佳焦点位置用；二者L和△L取值不同，步骤5中取得点密集；

步骤6、检测圆形固定装置801的中心圆孔位置坐标，建立晶片坐标系和移动机构坐标系之间的关系；

因为玻璃晶片通过5个固定装置牢牢固定在移动台上层平台上，对于圆形晶片来说只要知道两个圆形固定装置在移动机构坐标系中坐标就可以建立起二者关系，对方形或长方形晶片来说，知道三个圆形固定装置在移动机构坐标系中坐标就可以建立起二者关系；

步骤6.1、假设按照顺时针方向，获得图1中三个圆形固定装置801在移动机构坐标系中的坐标分别为（x ₁，y ₁）,（x ₂，y ₂），（x ₃，y ₃），半径分别为r ₁，r ₂，r ₃；

步骤6.2、如果是圆形晶片，进行步骤6.3，如果是矩形或方形晶片，进行步骤6.4；

步骤6.3、对于圆形晶片，假设其圆心在移动机构坐标系中的坐标为（x，y），半径为R，则根据几何关系可由下列方程计算得出圆心：

                            （1）

确立圆心后，由于晶片坐标系的坐标轴与移动机构坐标系平行，即可建立二者关系，进行检测；

对有标记点的晶片，可以计算标记点位置，使标记点区域移动到摄像头视场内，拍摄其图像进行识别提取，进一步建立精确关系；

步骤6.4、对于矩形或方型晶片，以晶片左上角为原点，相邻两个边为x，y轴，确立晶片坐标系，可以通过三个圆形固定装置801建立二者之间关系方程，实际上晶片坐标系为移动机构坐标系旋转平移得到，因此可以对移动机构进行旋转，使二者坐标轴平行，此时确定晶片原点在新移动机构坐标系中的坐标即可确定二者关系，这样做的另一个好处是使得对XY不完全正交进行补偿比较容易；

旋转角度为：

                        （2）

这里要求安装时使这个旋转角度很小，这样可以按原坐标移动到三个圆形固定装置上（仍在摄像头视场范围内），确立三个圆形固定装置新的位置，假设分别为（x’ ₁，y’₁）,（x’ ₂，y’₂），（x’ ₃，y’ ₃），则晶片原点位置（x’，y’）为：

       （3）

因此对晶片坐标系和移动机构坐标系之间的关系建立可以转化为检测系统的圆形固定装置801在移动机构坐标系中的位置和半径；

步骤7、检测标准标定晶片上三个（或以上）不共线的点的最佳聚焦位置坐标，建立聚焦平面方程；

由于像平面和移动平台平面不可能保持平行，因此在对晶片测量过程中要通过移动Z轴对焦距进行校正，这样会严重影响检测速度和精度；

由于像平面相对检测平面来讲，面积很小，只有其几十分之一到几百分之一，因此相对测量平面可将其抽象为一点，这样理论上可以找到最佳聚焦平面，其与移动台平面平行，知道这个平面方程，我们就可以根据X，Y坐标计算出Z轴最佳聚焦位置；

建立该平面需要一个标准的晶片，其为需测量的晶片最大尺寸，这样可覆盖整个测量范围，其上可镀上不透光线条，用来根据其在摄像头成像，判断其边缘灰度变化，来决定最佳聚焦Z轴位置，我们只要在此标准晶片上取三个以上不共线的点，通过移动Z轴找出此三点的最佳聚焦位置，即可建立该平面方程；

步骤8、测量靶标上的标记点位置，建立像素点和实际尺寸关系；

对于像素点和实际尺寸关系的标定可以有多种方法，可以在靶标上制作两个以上圆形或方形标记点，标记点的中心间距离已知，精度达到微米级，数值小于摄像头视场范围；

这样通过采集图像，提取标记点中心，从而得到两个标记点中心之间的像素距离，因靶标上两标记点的实际距离已知，即可标定像素点和实际尺寸的比例关系；

步骤2.2目的是将靶标左上角移动到图像的中心位置，并将靶标块的边缘与相机图像边缘对正，通过移动的方法得到的实际尺寸与像素的比例关系，精度只能达到像素级；

步骤8可以更精确的标定出实际尺寸与像素的比例关系，不过要在上述步骤2.2对正的基础上完成；

步骤9、测量靶标上的不同标记点的尺寸，建立尺寸和误差之间的对应关系，建立测量误差校准曲线；

在晶片检测时，随着瑕疵尺寸变小，相对测量误差会变大，尤其接近像素级的瑕疵点，在检测时会出现较大误差，建立尺寸和误差之间的对应关系是减少测量误差可行的方法，因此在系统标定时，需要建立这种比例关系；

建立测量误差校准曲线可通过在靶标上制作精确尺寸的圆形或矩形的一系列标记点来完成，这些标记点尺寸按检测需求以一定方式递减，如圆形标记点其相邻标记点直径递减1微米，移动移动检测平台1，拍摄靶标上这些标记点图像，提取它们的尺寸，建立测量尺寸和实际尺寸的对应曲线，这样通过对标记点测量即可建立尺寸和误差之间的对应关系。

步骤10、采用XY轴正交性测量，补偿移动带来的机械误差；

移动机构运动会产生偏差，也即当移动机构经过复位，移动到某一位置时，虽然位置传感器表明移动到该位置，但实际会有偏差，随着机械磨损，这种偏差会变大，因此需要对这些偏差进行校正并进行检测，以指导对运动机构的维修保养，另外移动台运动机构X，Y方向互相之间并非绝对垂直，Z方向与移动台平面也不绝对垂直，需要进行标定和校正；

步骤10.1、利用标准标定晶片，在标准标定晶片上镀上不透光相互垂直线条，线条位置应在装载晶片时尽量能和移动检测平台1的边缘平行；

步骤10.2、先测量水平方向线条边缘，使线条在相机中成像，提取其边缘线，通过旋转，使之与图像的X轴平行，移动检测平台1的X轴，如果线条边缘位置发生变化则计算旋转角度，使线条成像边缘与图像水平方向平行，通过反复校正，使线条边缘在移动X轴时保持不变；

步骤10.3、移动Y轴，测量垂直方向线条边缘的位置变化，即可标定XY正交偏差角度，从而计算出X方向移动一段距离时对应Y方向的偏差，用此偏差修正Y方向位置，这样可以补偿移动带来的误差。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种玻璃晶片检测装置，其特征在于，该检测装置包含移动检测平台（1），运动机构，成像系统（3），光源系统（4），晶片固定装置（8）和靶标系统（7），所述的移动检测平台（1）包含上层平台（101）和下层平台（102），所述的上层平台（101）和下层平台（102）之间稳固连接并保持平行，所述的运动机构包含安装在相连的稳固底座上的移动台X，Y方向和旋转U方向运动机构（201）和垂直Z方向运动机构（202），所述的上层平台（101）承载待检测玻璃晶片，所述的下层平台（102）与垂直Z方向运动机构（202）连接，或者与垂直Z方向运动机构（202）集成为一体，所述的成像系统（3）固定在垂直Z方向运动机构（202）上，所述的光源系统（4）设置在上层平台（101）和下层平台（102）之间，所述的晶片固定装置（8）和靶标系统（7）设置在上层平台（101）上，所述的成像系统（3）包含光学透镜和摄像机；

所述的上层平台（101）上设置晶片开孔（1011），所述的晶片开孔（1011）位于上层平台（101）中央，该晶片开孔（1011）的尺寸小于被检测晶片的尺寸，以便将待检测晶片能平稳放置于其上；

所述的晶片固定装置（8）包含若干圆形固定装置（801）和紧固装置（802），所述的圆形固定装置（801）和紧固装置（802）沿上层平台（101）的晶片开孔（1011）边缘分布，所述的圆形固定装置（801）为突出的圆柱形，该圆形固定装置（801）的中心开设微细圆孔，该圆形固定装置（801）的半径是已知的或可以精确测量的，所述的紧固装置（802）为带弹簧的销子；

所述的靶标系统（7）包含靶标和靶标开孔（702），该靶标为方形或矩形镀膜玻璃，该靶标开孔（702）位于上层平台（101）边缘，该靶标开孔（702）的尺寸小于靶标，该靶标开孔（702）上设置有与靶标尺寸相同的凹槽，该凹槽和靶标的中心位置重合，这样使靶标能够嵌入到上层平台（101），靶标上表面与上层平台（101）上面平齐，靶标的边缘与移动检测平台（1）的上层平台（101）的边缘平行，光源系统（4）的光可以通过靶标开孔（702）将靶标投射到摄像头成像，靶标的宽度方向成像不超出摄像头视场范围，长度方向上超出摄像头视场，从而可以标定移动机构移动特性。

2.如权利要求1所述的玻璃晶片检测装置，其特征在于，所述的玻璃晶片检测装置还包含计算机（6），该计算机（6）通过运动控制器（5）与运动机构连接，通过光亮度调节器（9）与光源系统（4）连接，通过图像采集卡与成像系统（3）连接，这样计算机通过控制光源系统（4）的亮度，控制运动机构移动和图像采集，完成对晶片的检测。

3.一种基于玻璃晶片检测装置的标定方法，其特征在于，该标定方法包含以下步骤：

步骤1、提取初始数据和信息；

初始位置包括靶标位置，圆形固定装置（801）中心位置，标准标定晶片上三个或以上不共线的点的位置；

步骤2、移动台X，Y方向和旋转U方向运动机构（201）带动移动检测平台（1）移动，将靶标系统位置移动到成像系统（3）下方，通过垂直Z方向运动机构（202）移动找出并移动到最佳聚焦位置，建立像平面坐标系和移动机构坐标系之间的关系；

步骤3、通过调节光源系统（4）照射光的强度，使透光部分的图像灰度值达到参考基准；

步骤4、对摄像头像素误差进行补偿校正；

步骤5、通过移动Z轴测量靶标系统（7）的边缘，建立聚焦曲线；

步骤6、检测圆形固定装置（801）的中心圆孔位置坐标，建立晶片坐标系和移动机构坐标系之间的关系；

步骤7、检测标准标定晶片上三个或以上不共线的点的最佳聚焦位置坐标，建立聚焦平面方程；

步骤8、测量靶标上的标记点位置，建立像素点和实际尺寸关系；

步骤9、测量靶标上的不同标记点的尺寸，建立尺寸和误差之间的对应关系，建立测量误差校准曲线；

步骤10、采用XY轴正交性测量，补偿移动带来的机械误差。

4.如权利要求3所述的基于玻璃晶片检测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤2包含以下步骤：

步骤2.1、利用步骤1获得的靶标Z方向聚焦初始位置Z₀，将垂直Z方向运动机构（202）移到该位置上L毫米，此时位置为Z₀-L，以固定步长△L向下移动垂直Z方向运动机构（202），并拍摄图像，直到移动垂直Z方向运动机构（202）到达Z₀+L位置，取拍摄的图像中边缘灰度变化最大的位置作为最佳聚焦位置；

步骤2.2、提取靶标图像的垂直方向边缘，计算该垂直方向与像平面系统中图像Y轴的偏差角度，旋转移动检测平台（1），使靶标边缘与像平面系统中图像的Y轴平行，然后Y轴移动移动检测平台（1）微小距离，提取靶标图像边缘移动的像素数，计算像素与实际尺寸的对应关系，移动移动检测平台（1），使靶标左上角位于像平面系统中的图像中心位置，提取该位置，此时图像中心在移动机构坐标系中的坐标可以读出，并且他们坐标轴重合，这样就建立了像平面坐标系和移动台移动机构坐标系之间的关系，可以将移动检测平台（1）上任意点移动到图像中心，这样可将靶标系统（7）位置置于图像中心，并且其边缘与图像坐标轴平行。

5.如权利要求3所述的基于玻璃晶片检测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤4包含以下步骤：

步骤4.1、移动移动检测平台（1），使光线直接投射到摄像头上成像；

步骤4.2、调节摄像头快门使透光减半，再次获取图像；

步骤4.3、比较两次图像，找出像素点与邻近像素点灰度偏差超过设定阈值的点，进行补偿校正；

在光照均匀情况下，假设像素灰度符合正态分布，取图像中的一个小邻域中的像素点，计算其分布，设标准均方差为s，阈值取3s，偏差超过均值+/-3s认为不正常的像素点，该不正常点补偿值设为当前的均值-灰度值。

6.如权利要求3所述的基于玻璃晶片检测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤5中，设初始聚焦位置为Z₀，将垂直Z方向运动机构（202）移到该位置上L毫米，此时位置为Z₀-L，以固定步长△L向下移动运动机构（202），并拍摄图像，直到移动垂直Z方向运动机构（202）到达Z₀+L位置，记录每次步进位置的Z方向相对位置与拍摄的图像中边缘灰度变化极值，建立相对位置和灰度变化对应关系聚焦曲线。

7.如权利要求3所述的基于玻璃晶片检测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤6包含以下步骤：

步骤6.1、假设按照顺时针方向，获得三个圆形固定装置（801）在移动机构坐标系中的坐标分别为（x ₁，y ₁）,（x ₂，y ₂），（x ₃，y ₃），半径分别为r ₁，r ₂，r ₃；

步骤6.2、如果是圆形晶片，进行步骤6.3，如果是矩形或方形晶片，进行步骤6.4；

步骤6.3、对于圆形晶片，假设其圆心在移动机构坐标系中的坐标为（x，y），半径为R，则根据几何关系可由下列方程计算得出圆心：

                            （1）

确立圆心后，由于晶片坐标系的坐标轴与移动机构坐标系平行，即可建立二者关系，进行检测；

步骤6.4、对于矩形或方型晶片，以晶片左上角为原点，相邻两个边为x，y轴，确立晶片坐标系，通过三个圆形固定装置（801）建立二者之间关系方程，实际上晶片坐标系为移动机构坐标系旋转平移得到，因此可以对移动机构进行旋转，使二者坐标轴平行，此时确定晶片原点在新移动机构坐标系中的坐标即可确定二者关系，这样做的另一个好处是使得对XY不完全正交进行补偿比较容易；

旋转角度为：

                       （2）

要求安装时使这个旋转角度很小，这样可以按原坐标移动到三个圆形固定装置上，确立三个圆形固定装置新的位置，假设分别为（x’ ₁，y’₁）,（x’ ₂，y’₂），（x’ ₃，y’ ₃），则晶片原点位置（x’，y’）为：

     （3）

因此对晶片坐标系和移动机构坐标系之间的关系建立可以转化为检测系统的圆形固定装置（801）在移动机构坐标系中的位置和半径。

8.如权利要求3所述的基于玻璃晶片检测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤7中，建立聚焦平面方程需要一个标准的晶片，其为需测量的晶片最大尺寸，这样可覆盖整个测量范围，其上镀上不透光线条，用来根据其在摄像头成像，判断其边缘灰度变化，来决定最佳聚焦Z轴位置，在此标准晶片上取三个以上不共线的点，通过移动Z轴找出此三点的最佳聚焦位置，即可建立该聚焦平面方程。

9.如权利要求3所述的基于玻璃晶片检测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤9中，建立测量误差校准曲线可通过在靶标上制作精确尺寸的圆形或矩形的一系列标记点来完成，这些标记点尺寸按检测需求以一定方式递减，如圆形标记点其相邻标记点直径递减1微米，移动移动检测平台（1），拍摄靶标上这些标记点图像，提取它们的尺寸，建立测量尺寸和实际尺寸的对应曲线，这样通过对标记点测量即可建立尺寸和误差之间的对应关系。

10.如权利要求3所述的基于玻璃晶片检测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤10包含以下步骤：

步骤10.1、利用标准标定晶片，在标准标定晶片上镀上不透光相互垂直线条，线条位置应在装载晶片时尽量能和移动检测平台（1）的边缘平行；

步骤10.2、先测量水平方向线条边缘，使线条在相机中成像，提取其边缘线，通过旋转，使之与图像的X轴平行，移动检测平台（1）的X轴，如果线条边缘位置发生变化则计算旋转角度，使线条成像边缘与图像水平方向平行，通过反复校正，使线条边缘在移动X轴时保持不变；

步骤10.3、移动Y轴，测量垂直方向线条边缘的位置变化，即可标定XY正交偏差角度，从而计算出X方向移动一段距离时对应Y方向的偏差，用此偏差修正Y方向位置，这样可以补偿移动带来的误差。

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