一种基于虚拟光栅的类莫尔条纹对准方法与流程

本发明涉及条纹对准，尤其涉及一种基于虚拟光栅的类莫尔条纹对准方法。

背景技术：

1、图像对准是机器视觉和精密测量领域的基础技术，其通过建立参考对象与待对准对象之间的空间对应关系，确定待对准对象的位置偏差，广泛应用于光刻、晶圆检测、芯片封装、精密装配及微纳加工等场景。随着精密制造设备对定位精度和响应速度的要求不断提高，传统像素级图像对准已难以满足亚像素测量及闭环运动补偿需求。

2、现有图像对准方法主要采用模板匹配。该方法将参考图形作为模板，在待检测图像中移动搜索窗口，通过绝对差和、平方差和或归一化互相关等方式确定最佳匹配位置。模板匹配适用于大范围粗定位，但其计算量随搜索范围增加而增大，并且容易受到图形旋转、尺度变化、成像离焦及光照波动的影响。若通过图像插值提高模板匹配的亚像素定位精度，还会引入额外计算量和插值误差。

3、另一类高精度对准方法采用莫尔条纹或相位光栅。传统莫尔条纹对准通常需要在两个待对准构件上分别设置实体光栅，通过两实体光栅叠合形成放大的条纹，并根据条纹相位确定相对位移。相位光栅对准则需要利用不同级次衍射光形成干涉信号，并通过光电探测器及相位解调装置提取位置信息。上述方法虽然具有较高测量精度，但对实体光栅间距、光路结构、机械装配姿态和环境稳定性要求较高，系统成本及标定难度较大。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于虚拟光栅的类莫尔条纹对准方法，利用图像传感器自身的周期像元结构获得高分辨率位置信息，并在简化光学结构的同时提高对光照变化、局部畸变及运动机构误差的适应能力。

2、一种基于虚拟光栅的类莫尔条纹对准方法，包括以下步骤：

3、s1：将图像传感器的像元阵列作为虚拟读头光栅，对设有粗对准图形和实体光栅区域的对准标记板进行成像；对所述粗对准图形进行模板匹配，获得标记中心坐标和整数像素偏移量，并根据所述标记中心坐标以及粗对准图形与实体光栅区域之间的预设位置关系，确定上侧光栅感兴趣区域、下侧光栅感兴趣区域、左侧光栅感兴趣区域和右侧光栅感兴趣区域；

4、s2：分别对所述上侧光栅感兴趣区域、下侧光栅感兴趣区域、左侧光栅感兴趣区域和右侧光栅感兴趣区域进行沿实体光栅周期方向的相邻像素灰度差分，并将灰度差分结果沿对应实体光栅的延伸方向累加，形成各光栅感兴趣区域的对比度序列；根据各对比度序列的极值位置与对应预设对齐位置之间的位置差，获得上侧横向小数像素偏移候选量、下侧横向小数像素偏移候选量、左侧纵向小数像素偏移候选量和右侧纵向小数像素偏移候选量；

5、s3：对所述上侧横向小数像素偏移候选量和下侧横向小数像素偏移候选量进行融合，获得横向小数像素偏移量，对所述左侧纵向小数像素偏移候选量和右侧纵向小数像素偏移候选量进行融合，获得纵向小数像素偏移量；将所述横向小数像素偏移量和纵向小数像素偏移量分别与所述整数像素偏移量中的横向分量和纵向分量合成，获得综合对准偏差，根据所述综合对准偏差实施运动补偿，并将运动补偿后的图像重新输入步骤s1进行复检，直至复检得到的综合对准偏差处于预设对准容差范围内。

6、可选的，所述图像传感器与对准标记板相对设置，使粗对准图形和实体光栅区域经成像光路投射至图像传感器的像元阵列，将按行列周期排列的像元阵列作为虚拟读头光栅，采集得到对准标记图像，在所述对准标记图像中移动粗对准图形模板并计算匹配程度，将匹配程度最高的位置确定为粗对准图形的检测位置，根据所述检测位置确定标记中心坐标，并根据所述标记中心坐标与预设对准中心坐标之间的像素位置差，获得横向整数像素偏移量和纵向整数像素偏移量。

7、可选的，所述标记中心坐标为定位基准，按照预先确定的粗对准图形与各实体光栅区域之间的相对方向和间隔位置，分别定位粗对准图形上侧、下侧、左侧和右侧的实体光栅区域，并沿各实体光栅区域的有效成像边界截取图像，确定上侧光栅感兴趣区域和下侧光栅感兴趣区域，以及左侧光栅感兴趣区域和右侧光栅感兴趣区域。

8、可选的，所述上侧光栅感兴趣区域和下侧光栅感兴趣区域对应于横向定位，所述左侧光栅感兴趣区域和右侧光栅感兴趣区域对应于纵向定位。

9、可选的，所述s2读取上侧光栅感兴趣区域、下侧光栅感兴趣区域、左侧光栅感兴趣区域和右侧光栅感兴趣区域，根据各实体光栅的栅线排列方向，确定上侧光栅感兴趣区域和下侧光栅感兴趣区域的横向灰度差分方向，以及左侧光栅感兴趣区域和右侧光栅感兴趣区域的纵向灰度差分方向；对所述上侧光栅感兴趣区域和下侧光栅感兴趣区域中的每一像素行，分别计算横向相邻像素之间的灰度差值并取绝对值，形成上侧灰度差分结果和下侧灰度差分结果；对所述左侧光栅感兴趣区域和右侧光栅感兴趣区域中的每一像素列，分别计算纵向相邻像素之间的灰度差值并取绝对值，形成左侧灰度差分结果和右侧灰度差分结果。

10、可选的，对所述上侧灰度差分结果和下侧灰度差分结果中同一像素行内的灰度差值进行累加，所述累加按照像素行依次进行，分别形成以上侧光栅感兴趣区域的像素行为索引的上侧对比度序列和以下侧光栅感兴趣区域的像素行为索引的下侧对比度序列；按照像素列依次对所述左侧灰度差分结果和右侧灰度差分结果中同一像素列内的灰度差值进行累加，分别形成以左侧光栅感兴趣区域的像素列为索引的左侧对比度序列和以右侧光栅感兴趣区域的像素列为索引的右侧对比度序列；分别查找所述上侧对比度序列、下侧对比度序列、左侧对比度序列和右侧对比度序列中的最大对比度位置，将各最大对比度位置确定为对应实体光栅与虚拟读头光栅的当前对齐位置，并分别计算各当前对齐位置与对应预设对齐位置之间的行位置差或列位置差。

11、可选的，所述s2根据实体光栅相对于虚拟读头光栅的采样相位变化关系，将上侧光栅感兴趣区域和下侧光栅感兴趣区域对应的行位置差分别转换为上侧横向小数像素偏移候选量和下侧横向小数像素偏移候选量，并将左侧光栅感兴趣区域和右侧光栅感兴趣区域对应的列位置差分别转换为左侧纵向小数像素偏移候选量和右侧纵向小数像素偏移候选量。

12、可选的，所述s3包括：

13、对所述上侧横向小数像素偏移候选量和下侧横向小数像素偏移候选量进行方向统一，并计算方向统一后的两个横向小数像素偏移候选量的平均值，将所得平均值确定为横向小数像素偏移量；

14、对所述左侧纵向小数像素偏移候选量和右侧纵向小数像素偏移候选量进行方向统一，并计算方向统一后的两个纵向小数像素偏移候选量的平均值，将所得平均值确定为纵向小数像素偏移量；

15、将所述横向小数像素偏移量与所述整数像素偏移量中的横向分量相加，获得综合对准偏差的横向分量，并将所述纵向小数像素偏移量与所述整数像素偏移量中的纵向分量相加，获得综合对准偏差的纵向分量，由所述横向分量和纵向分量共同形成综合对准偏差。

16、可选的，所述s3还包括根据图像传感器的像元中心距、成像倍率以及运动机构的位移换算关系，将所述综合对准偏差的横向分量和纵向分量分别转换为横向运动补偿量和纵向运动补偿量，生成与综合对准偏差方向相反的运动补偿指令，并控制运动机构按照所述运动补偿指令带动待对准对象移动。

17、可选的，所述待对准对象完成移动并保持稳定后重新采集运动补偿后的图像，将所述运动补偿后的图像重新输入s1，依次执行整数像素偏移量计算、光栅感兴趣区域确定、小数像素偏移候选量计算及综合对准偏差计算；当复检得到的综合对准偏差的横向分量和纵向分量均处于预设对准容差范围内时，输出对准完成信号，否则根据复检得到的综合对准偏差再次实施运动补偿和复检。

18、本发明的有益效果：

19、本发明，将图像传感器周期排列的像元阵列等效为虚拟读头光栅，并使实体光栅在图像传感器像面上的周期与像元中心距相对应，同时在实体光栅与像元行列方向之间设置微小夹角，使实体光栅与像元阵列之间的采样相位沿像素行或像素列逐渐变化。由此，可将一个像素周期内的相对位移映射为跨越多个像素行或像素列的最大对比度位置变化，实现对像素周期的空间细分，在无需设置第二实体光栅、精密干涉光路及相位解调装置的情况下获得亚像素位置信息。与传统莫尔条纹或相位光栅对准方法相比，本发明将复杂的光学干涉测量转化为图像传感器内部周期采样结构与单一实体光栅之间的类莫尔调制测量，能够减少光学器件数量和机械装配空间，降低对两实体光栅间距及姿态的限制；同时，细分能力可以通过实体光栅的有效延伸长度和微小夹角进行设计，使对准分辨率不再直接受单个像元尺寸限制，兼顾系统结构简化与高精度定位。

20、本发明，不依赖单个像素的绝对灰度值，而是对四个光栅感兴趣区域分别进行相邻像素灰度差分和方向累加，形成能够表征实体光栅与虚拟读头光栅当前重合状态的对比度序列，并利用对比度序列的极值位置解算小数像素偏移候选量。相邻像素差分能够消除背景光及图像传感器零点漂移形成的恒定灰度偏置，方向累加能够增强重复栅线边缘的共同响应并抑制随机噪声；即使整体照明强度发生变化，对比度序列通常仅表现为幅值变化，其极值位置仍保持稳定。进一步地，通过融合上、下两个横向小数像素偏移候选量以及左、右两个纵向小数像素偏移候选量，可以抵消局部旋转、镜头畸变、标记板局部翘曲及区域照明不均匀形成的反对称误差；再将融合后的小数像素偏移量与模板匹配获得的整数像素偏移量合成，兼顾大范围粗定位和高分辨率精细定位。根据综合对准偏差实施运动补偿并将补偿后的图像重新输入对准流程进行闭环复检，还能够持续修正运动机构量化误差、传动回差及一次补偿不足，提高对准结果的抗干扰能力、收敛稳定性和最终定位精度。