一种新型微型元件三维测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种新型微型元件三维测量系统及其测 量方法。
【背景技术】
[0002] 随着微电子制造技术的快速发展，各种微型元件，如半导体器件、光电子元件和 MEMS等，在工业上得到大量地生产，并被广泛地应用到各种高端电子产品和精密仪器行业。 这对检测方法也带来了新的挑战。
[0003] 传统的接触式Micro-CMM由于检测效率低，对物体表面有损伤等缺点已无法适应 微电子制造业上快速、高精度和无损的检测需求。为此，国内外许多学者提出各种非接触式 光学测量方法，如共焦显微、白光干涉和相移显微条纹投影等。
[0004] 虽然共焦显微和白光干涉的分辨率达到纳米级别，但是，其测量范围仅有几个毫 米，并且无论是共焦显微还是白光干涉，它们都要涉及到非常精密的光学系统和压电陶瓷 驱动系统，实现难度很大，成本昂贵。
[0005] 相移显微条纹投影因其非接触、全场测量、轮廓采样密度高和受环境干扰影响小 的特点而引人关注。传统的显微条纹投影法使用一个立体显微镜作为基础光学系统，在微 镜的两个筒上，分别装有LCOS或DLP投影仪和CCD相机。但是，显微镜的景深一个毫米都 不到，无法一次测量三维物体的整体形貌。若采用相移显微条纹投影法，测量三维物体时， 需要将物体放在竖直移动平台上，测量一次后，需要将物体在Z方向上移动一个显微镜的 景深，再进行下一次测量，直到完成整个物体的形貌的测量，最后，还要借助Z方向的拼接 技术，完成整个物体的三维重构工作。另外该系统的工作距离也很短。显然该系统无论是 在硬件还是在软件上都十分复杂，测量效率低下，几乎不可能用于实际应用。
[0006] 与传统镜头相比，远心镜头的光路模型是正射投影，具有畸变低、倍率恒定和景深 大的特点，非常适合这种精密测量场合。
[0007] 为此，针对微型元件的三维测量问题，有学者提出远心条纹投影相移轮廓法，基于 三角测量的基本原理，通过将DLP微型投影仪和CCD相机的镜头替换成远心镜头，搭建了一 套远心条纹投影测量系统，但是，三角测量的原理决定了远心镜头必须倾斜，这导致所采用 的远心镜头必须有相当的景深才能保证相机采集到清晰的图像。而就远心镜头而言，景深 越大，其镜头的分辨率势必会越低，测量系统的高度分辨率（纵向分辨率）也会随之降低。 事实上，从理论上来讲，基于这种原理的测量系统的纵向分辨率（高度分辨率）要比横向分 辨率（镜头分辨率）高一个数量级。
[0008] 加拿大LMI公司的MikroCAD基于Scheimpflug条件设计出一种新型条纹投影装 置，并设计了与之相配套的镜头，既保证了测量系统的测量高度范围（实际测量景深）不降 低，又能使镜头保持一个比较高的分辨率，从而进一步提高系统的高度分辨率。但是，该产 品需要重新设计一种新型条纹投影装置和与之配套的镜头，结构复杂，成本昂贵，可操作性 差。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提出一种适用于条纹投影装置的新型微型元件三维测量系统， 结构简单，分辨率高，大大的降低成本。
[0010] 本发明的另一目的在于提出新型微型元件三维测量系统的测量方法，适用于条纹 投影装置，实现方便，无需重新设计投影仪和与之配套的镜头。
[0011] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0012] 一种新型微型元件三维测量系统，包括将用于投影已知图形的DLP微型投影仪、 用于采集受待测物体影响发生偏折或变形图像的照相装置、用于数据处理的计算机和用于 放置待测物体的载物平台；
[0013] 所述DLP微型投影仪设置于所述载物平台的上方，其接受所述计算机编码设定的 图形，并将其图形垂直投影到待测物体上；
[0014] 所述照相装置倾斜设置于所述载物平台的上方，所述照相装置的拍摄图像包括所 述图形受待测物体影响而发生偏折或变形的图像；
[0015] 所述照相装置包括CXD相机、Scheimpflug倾斜调整器和镜头，所述镜头通过所述 Scheimpf Iug倾斜调整器连接于所述C⑶相机，所述CXD相机的C⑶芯片相对所述镜头的平 面倾斜，其倾斜夹角为A ;
[0016] 所述CCD芯片的平面、所述镜头的平面与所述待测物体的平面相交于同一条直 线；
[0017] 所述计算机分别与所述DLP微型投影仪和所述照相装置连接。
[0018] 更进一步的说明，所述DLP投影仪的镜头由物方远心镜头替换。
[0019] 更进一步的说明，所述物方远心镜头通过连接筒连接于所述DLP投影仪的DMD芯 片。
[0020] 更进一步的说明，所述物方远心镜头的分辨率为12um。
[0021] 更进一步的说明，所述图形为由计算机程序编码而成的结构光条纹。
[0022] 更进一步的说明，还包括标定板，所述标定板随机放置于所述投影仪的投影范围 内，且位于所述镜头的拍摄范围内。
[0023] 更进一步的说明，所述镜头为双远心镜头。用一个双远心镜头替换C⑶相机021 的普通镜头，双远心镜头与C⑶相机通过Scheimpf Iug倾斜调整器022相连接，该镜头的分 辨率达到IOum。
[0024] 更进一步的说明，使用上述的一种新型微型元件三维测量系统的测量方法，包括 以下步骤：
[0025] A、测量前的系统参数标定，标定出(XD相机的内外参数矩阵A。和M。，Scheimpf Iug 矩阵T3x3;所述DLP微型投影仪01的内外部参数矩阵A p和M p;
[0026] B、待测物体测量：将待测物体放置在载物平台上，DLP投影仪将经计算机程序编 码而成的结构光条纹垂直投射到物体上，由CCD相机采集变形的结构光条纹图像并将其传 回计算机；
[0027] C、数据处理：计算机程序根据相位计算方法得到结构光条纹图像的绝对相位值 后，根据预先标定的系统参数，计算出待测物体表面的三维点云数据。
[0028] 更进一步的说明，步骤C中通过以下公式计算出被测物体表面的三维点云数据：
[0029] [uc νν 1]τ= T3x3AcMJXw Yw Zw 1]T (1)
[0030] [up νρ 1]T= ApMp [Xw Yw Zw 1]τ ⑵
[0033] 上述⑴式中，（u。，vc)为相机图像中的像素点坐标；T3x3为Scheimpflug两个倾 斜角τ和ρ组成的矩阵，其表达式如下：
[0036] 其中，τ为主光轴与C⑶芯片平面垂线丄的夹角，0° < τ < 90°，P为主光轴 在C⑶芯片平面上的投影与芯片平面ν'轴的夹角，0° < P < 360° ;
[0037] Α。为相机的内部参数矩阵，其表达式如下
[0039] 其中，nf为双远心镜头的放大倍率，为CXD像元在u方向和V方向上的尺寸， 标定时，确立》? =<74和=/〃:为像素坐标系下(XD芯片的中心点坐标;Mc=[IT f]为世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵，其中IT= [Γι r2 r3]为旋转矩阵，^为 平移矩阵；
[0040] 上述（2)式中，（up，vp)为投影仪图像中的像素点坐标；A p为投影仪的内部参数矩 阵，其表达式如下：
[0042] 其中，mp为物方远心镜头的放大倍率，〇/;"为DMD像元在
[0043] u方向和V方向上的尺寸，标定时，只能确立< =Wi7 /<和
为像素坐标系下DMD芯片的中心点坐标;Mp= [Rp tp]为世界 坐标系到投影仪坐标系的变换矩阵，其中Rp= Lr1 r2 r3]为旋转矩阵，tp为平移矩阵；
[0044] 上述（3)、⑷式