[发明专利]一种面向同轴对位微装配系统的标定方法

说明书

技术领域

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

背景技术

同轴对位微装配系统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。 

微机电系统（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系统研究普遍采用的方法。 

在同轴对位系统中，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。其中拍摄系统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，两者都将影响到系统的测量精度，因此，为了能够实现高精度的测量目标，对系统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。 

传统的光学系统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，然而该套系统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，该套系统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。传统的光学系统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系统中。 

发明内容

本发明的目的是为提高微装配系统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系统的标定方法。 

一种面向同轴对位微装配系统的标定方法，具体步骤如下： 

步骤一，搭建同轴对位微装配系统； 

同轴对位微装配系统包括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。