機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)對準(zhǔn)誤差分析研究

王婷婷，張盼君，譚勝旺，蔣成剛，田嘉華

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京 100176)

精密測量技術(shù)是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件[1]，對于視覺檢測來說，測量與控制是使其發(fā)展的促進(jìn)因素，測量的水平在一定程度上體現(xiàn)著科學(xué)技術(shù)的水平。

機(jī)器視覺系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件一般由光源部分、鏡頭部分、圖像傳感器部分和轉(zhuǎn)換部分組成。軟件一般包括邊緣提取、邊緣連接、特征點(diǎn)定位等。提升機(jī)器視覺檢測精度的方法主要有2 種：1) 提升硬件指標(biāo)。從系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)原理著手，即采用能夠保證照度均勻性好的照明光路布局，以及成像性能更好的成像光路布局；2)改進(jìn)圖像識(shí)別算法。如在對圖像進(jìn)行后期處理時(shí)不斷優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)的分辨率。對此，從兩方面考慮，分析硬件設(shè)備給測量結(jié)果帶來的影響，并在軟件上進(jìn)行補(bǔ)償。對于工業(yè)生產(chǎn)中的高精度機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)，識(shí)別硅片標(biāo)記時(shí)，對硬件和軟件性能要求較高，因此成像和照明光路從原理上就需要考慮對精度的影響。

1 系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

典型的自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)（AOI），如圖1 所示。對于不同厚度樣品，設(shè)置調(diào)焦機(jī)構(gòu)，根據(jù)圖像對比度可自動(dòng)調(diào)節(jié)焦面位置；對于不同反射率的樣品，開發(fā)了自動(dòng)光強(qiáng)功能，給出特定反射率下的最佳光強(qiáng)值，達(dá)到快速識(shí)別定位的目的?，F(xiàn)結(jié)合設(shè)計(jì)及應(yīng)用場景，針對這一光學(xué)系統(tǒng)開展誤差分析。

圖1 AOI 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，照明光路采用科勒[2]照明的方式，光源經(jīng)集光鏡f1和f2及可變視場光闌（FS）成像在顯微物鏡（MO）前焦面處，經(jīng)物鏡成像在無限遠(yuǎn)處，在一次成像面處設(shè)置空間光闌（AS），不同照明方式通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有不同設(shè)置的轉(zhuǎn)輪來實(shí)現(xiàn)，以提升成像分辨率和工藝適應(yīng)性，同時(shí)改變FS 大小可以控制照明范圍。

圖2 科勒照明布局圖

對于成像光路，采用筒長無限[3]的顯微光學(xué)系統(tǒng)方案，由前置物鏡、可變光闌及輔助物鏡（筒鏡）構(gòu)成，如圖3 所示。標(biāo)記反射的光經(jīng)前置物鏡后為平行光，后經(jīng)筒鏡匯聚于CCD 靶面成像，更換前置物鏡可以實(shí)現(xiàn)變倍以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，為了提高測量精度，孔徑光闌設(shè)置在物鏡像方焦平面，形成遠(yuǎn)心光路[5]，減小視差造成的測量誤差。

圖3 成像光路布局

2 誤差模型的建立方法及精度預(yù)算

對于AOI 系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)測量精度1.5 μm，重復(fù)測量精度1 μm 檢測需求，從光學(xué)設(shè)計(jì)原理出發(fā)，可初步計(jì)算出系統(tǒng)的一階參數(shù)，如波長、物像距、數(shù)值孔徑、焦距、景深等，針對視覺檢測系統(tǒng)識(shí)別誤差源，建立對應(yīng)的誤差模型（算法、光學(xué)、仿真）對系統(tǒng)精度進(jìn)行預(yù)算，從而獲取各部件關(guān)鍵性能參數(shù)，作為輸入?yún)?shù)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文側(cè)重于對檢測系統(tǒng)自身進(jìn)行分析，影響精度誤差因素來源于鏡頭、光源、相機(jī)。

對于鏡頭，誤差來源于球差、彗差、像散、畸變、遠(yuǎn)心度、光軸傾斜，仿真理想像和帶像差的像，算法模型計(jì)算像差[4]（球差、慧差、像散）對精度的影響；建立理論計(jì)算模型計(jì)算畸變、遠(yuǎn)心度、光軸傾斜對精度的影響；

對于光源，誤差來源于照度均勻性和穩(wěn)定性，在理想圖像中加載一定的噪聲，仿真圖像噪聲對定位精度的影響；

對于相機(jī)，誤差來源于像素缺陷和隨機(jī)噪聲，同樣仿真圖像噪聲對定位精度的影響。根據(jù)以上分析，建立精度分析流程。

2.1 算法模型

相機(jī)采集晶圓對準(zhǔn)標(biāo)記，生成一幅圖像。算法需要獲得圖像中晶圓對準(zhǔn)標(biāo)記的精確位置。通過圖像預(yù)處理(濾波等)算法提高圖像的像質(zhì)和分辨率。采用模板匹配的方法識(shí)別晶圓對準(zhǔn)標(biāo)記的位置范圍，即確定檢測的關(guān)鍵區(qū)域以節(jié)省算法處理時(shí)間，提高效率。然后通過亞像素邊緣檢測算法獲取標(biāo)記邊緣，通過邊緣擬合計(jì)算得到晶圓對準(zhǔn)標(biāo)記的準(zhǔn)確位置，最后通過兩個(gè)標(biāo)記的位置確定晶圓圓心。算法通過圖像預(yù)處理、關(guān)鍵區(qū)域檢測、亞像素邊緣檢測組成。

以移動(dòng)前光斑數(shù)據(jù)生成的圖像為基準(zhǔn)，算法檢測光斑移動(dòng)不同距離時(shí)生成圖像的結(jié)果，光斑距離由0～5.75 μm，對應(yīng)像面0 ～10 pixel。通過100 幅仿真圖像測試算法的精度，測試結(jié)果如圖4所示，算法精度為±1/25 像素。

圖4 亞像素算法定位精度

2.2 仿真模型

2.2.1 仿真理想模型

為實(shí)現(xiàn)較高的對準(zhǔn)精度，要求成像系統(tǒng)具有較高的成像品質(zhì)，因此對像差提出了高要求。如圖5 所示，在光學(xué)仿真軟件CodeV 里建立理想和非理想對準(zhǔn)模型，即全部成像元件都可以裝在一個(gè)“黑盒”中，黑盒邊端包含入射光瞳和出射光瞳兩個(gè)平面，幾何光學(xué)可以描述黑盒內(nèi)的光線傳播，傅里葉光學(xué)則描述物到入射光瞳、出射光瞳到像的光線傳播規(guī)律[5]。

圖5 理想圖像仿真模型

該系統(tǒng)檢測線寬為6 μm 的標(biāo)記，光源選用寬光譜白光光源（500～800 nm），因硅片厚度變化和吸附形變，鏡頭景深需求為±10 μm。物方分辨率與數(shù)值孔徑NA 直接相關(guān)。物方景深也與數(shù)值孔徑NA 直接相關(guān)。NA 值兼顧分辨率和景深需求，在可行范圍內(nèi)將NA 值定為0.15。圖6 所示為標(biāo)記與理想模型輸出的圖像。

圖6 標(biāo)記及理想圖像

2.2.2 仿真非理想模型

如圖7 所示，以孤立線條為測試基準(zhǔn)，在光學(xué)仿真軟件CodeV 里編輯好標(biāo)記圖形，在理想圖像基礎(chǔ)上分別加載球差、慧差、像散，通過圖像算法分析，得到理想圖形和帶像差圖形的定位中心，由此獲得像差對定位精度的影響。

圖7 理想空間像及孤立線條剖面

（1）球差。如圖8 所示在理想圖像基礎(chǔ)上分別加載球差5 nm、10 nm、15 nm、20 nm，分析孤立線條強(qiáng)度曲線，隨球差增大，峰值右移；圖9所示為球差與對準(zhǔn)位置測量誤差曲線，成正比關(guān)系。

圖8 加載不同的球差孤立線條強(qiáng)度曲線

圖9 球差與定位精度關(guān)系曲線

（2）慧差。如圖10 所示在理想圖像基礎(chǔ)上分別加載慧差20 nm、40 nm、60 nm、80 nm、100 nm，分析孤立線條強(qiáng)度曲線，隨慧差增大，峰值右移；圖11 所示通過算法模型計(jì)算得到不同慧差的對準(zhǔn)誤差，測試誤差最大可達(dá)到百納米級(jí)別；慧差與對準(zhǔn)位置測量誤差曲線，成正比關(guān)系。因此，慧差作為非對稱像差，要嚴(yán)格控制。

圖10 不同的慧差孤立線條強(qiáng)度曲線

圖11 慧差與定位精度關(guān)系曲線

（3）像散。如圖12 所示在理想圖像基礎(chǔ)上分別加載像散20 nm、40 nm、60 nm、80 nm、100 nm，分析孤立線條強(qiáng)度曲線，隨像散增大，峰值右移；圖13 所示為通過算法模型計(jì)算得到不同像散的對準(zhǔn)誤差，對對準(zhǔn)精度影響不大；像散與對準(zhǔn)位置測量誤差曲線，成正比關(guān)系。

圖12 不同的像散孤立線條強(qiáng)度曲線

圖13 像散與定位精度關(guān)系曲線

2.2.3 抗噪性

如圖14 所示，通過對理想圖像加隨機(jī)噪聲模擬采集圖像過程中引入的噪聲用1%、2%、3%、4%、5%不同信噪比圖像測試算法的抗噪性，噪聲越大，誤差越大。

圖14 噪聲與定位精度關(guān)系曲線

2.3 光學(xué)模型

2.3.1 畸變

物鏡畸變使得處于對準(zhǔn)視場邊緣線條的像發(fā)生變形，對準(zhǔn)位置由線條中心位置確定，由于標(biāo)記線條的像發(fā)生變形，像的中心位置發(fā)生偏離。對準(zhǔn)位置偏離量Δd 與畸變D、標(biāo)記線條寬度a 以及物鏡倍率M 的關(guān)系為：

鏡頭畸變分解指標(biāo)為0.1%，標(biāo)記大小78 μm，物鏡倍率為6 倍時(shí)，對準(zhǔn)位置偏差的計(jì)算結(jié)果為0.078 μm。

2.3.2 遠(yuǎn)心度

主光線與物面法線方向的夾角定義為遠(yuǎn)心度[6]，如圖15（a）所示，當(dāng)遠(yuǎn)心度為0°時(shí)，物面尺寸P1P2和離焦面處尺寸相等，測量沒有誤差；但是由于設(shè)計(jì)和裝調(diào)原因，遠(yuǎn)心度一般不能達(dá)到0°的理想情況，如圖15（b）所示，光線與物面法線方向由夾角θ，由于景深的存在，系統(tǒng)不能準(zhǔn)確調(diào)焦，使得物面尺寸P1P2和離焦面處尺寸存在偏差。光軸傾角越大，遠(yuǎn)心度越大，則測量誤差越大。對準(zhǔn)位置偏移量Δd 與遠(yuǎn)心度θ、景深DOF 關(guān)系為：

圖15 遠(yuǎn)心度對精度的影響

鏡頭遠(yuǎn)心度分解指標(biāo)為10 mrad，在有效景深DOF=±10 μm 范圍內(nèi)，對準(zhǔn)誤差為0.1 μm。

2.3.3 光軸的傾斜

理想光軸離焦量Δf 時(shí)對準(zhǔn)位置無偏差，如圖16 所示，當(dāng)光軸傾斜時(shí)離焦引起對準(zhǔn)誤差，傾斜角為θ，離焦量Δf，位置誤差Δd 為：

圖16 光軸傾斜對對準(zhǔn)位置影響

根據(jù)公差分析及加工精度，光軸傾斜2 mrad，引起的對準(zhǔn)誤差為0.019 μm。

2.4 精度預(yù)算

根據(jù)以上論述，算法模型根據(jù)亞像素邊緣檢測方法計(jì)算出算法精度，加載不同的噪聲測試算法抗噪性；仿真加載像差的空間像計(jì)算三階像差下的邊緣測量誤差，由像質(zhì)和誤差量綜合評(píng)定像差量；建立光學(xué)模型計(jì)算不同畸變、遠(yuǎn)心度、光軸傾斜分別引起的誤差量，結(jié)合設(shè)計(jì)難易程度，給出指標(biāo)，最后計(jì)算出AOI 系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)精度，均滿足測量需求，如表1 所示。

表1 精度預(yù)算總表

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

在精度預(yù)算基礎(chǔ)上，光學(xué)嚴(yán)格按照指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)保證加工公差，算法保證識(shí)別精度，搭建測試臺(tái)，測試系統(tǒng)重復(fù)精度和定位精度。

3.1 重復(fù)精度

標(biāo)記分別移動(dòng)至在視場內(nèi)9 個(gè)位置，在每個(gè)位置間隔1 s 采集20 幅圖像，計(jì)算對準(zhǔn)標(biāo)記在不同位置處的重復(fù)精度。由圖17 可知標(biāo)記在視場內(nèi)9 個(gè)不同位置處的重復(fù)精度在0～0.125 μm，均在預(yù)算以內(nèi)，滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求。

圖17 不同視場X/Y 向重復(fù)精度

3.2 定位精度

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使標(biāo)記在X 向移動(dòng)，以第一組為初始位置X0，其它10 組相對第一組沿X 向分別移動(dòng)10 μm、20 μm ........100 μm(X1，X2........X10)，共采集11 組標(biāo)記圖像，每組間隔1 s 采集10 組圖像，以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位移量為位移真值，計(jì)算圖像識(shí)別的位移量Xi'與位移真值Xi之間的差值，即為系統(tǒng)定位精度。如圖18 所示，經(jīng)測試，系統(tǒng)在10～100 μm 內(nèi)發(fā)生位移時(shí)定位精度在0.164～0.834 μm，處于精度預(yù)算以內(nèi)，滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求。

圖18 不同位移量定位精度

4 結(jié) 論

針對一種高精度視覺檢測系統(tǒng)，開展光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)算，通過仿真分析確定成像鏡頭像差、照明不均勻性、集成光軸傾斜等因素對精度的影響。根據(jù)誤差預(yù)算進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)測試系統(tǒng)定位精度和重復(fù)精度均優(yōu)于指標(biāo)要求，驗(yàn)證了對準(zhǔn)誤差分析模型的可靠性。適用于光學(xué)精密測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有效降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。