申请/专利权人：上海点莘技术有限公司

申请日：2022-11-03

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN116839499B

主分类号：G01B11/24

分类号：G01B11/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.30#授权;2023.11.17#实质审查的生效;2023.10.03#公开

摘要：本发明公开了一种大视野微尺寸2D及3D测量标定方法，包括以下：一、理论分析；二、误差影响分析：1传感器u、v、w光轴w与x轴垂直度误差；2传感器u、v、w光轴w与y轴垂直度误差；3u、v与x、y与a、b坐标系转换——3D近似为2D可行性说明；4X轴方向pitch对测量影响；5y轴方向pitch对测量影响；三、2D标定方法设计；四、3D标定方法设计。本发明中通过理论结合实际，提出了一种用2D标定+3D标定进行误差补偿的方法，在误差容许范围内进行了近似设定，部分区域利用2D补偿替代了3D补偿，降低了标定难度，同时不失精度。从而可以实现现场快速标定，同时降低了对标定工具的要求。

主权项：1.一种大视野微尺寸2D及3D测量标定方法，其特征在于，包括以下：一、理论分析：预定义坐标系如下：传感器u、v、w坐标系，w为高度方向，u为扫描方向，v为横向点数据方向；运动坐标系为x、y、z坐标系，x为扫描方向，z为xy垂向，y为横向换列扫描方向；标定板坐标系a、b、c；二、误差影响分析：1传感器u、v、w光轴w与x轴垂直度误差：即位移轴沿x移动过程中产生了沿传感器w方向分量，此过程会造成原本扫描出的平面变形成斜面，但由于所述传感器为3D传感器，并采用了点云分析的方法进行最终结果求取，故此误差不会影响检测精度；但需要注意的时候此误差会造成测量量程变大，需要控制此误差在25um以内，通过平面标定板加机械调整的方法实现；2传感器u、v、w光轴w与y轴垂直度误差：即位移轴沿y移动过程中产生了沿传感器w方向分量，y移动为换列扫描产生的移动的给，此过程会造成第i列于第i+1列扫描数据之间产生断层；需要通过校准给出断层的高度差；标定思路为：对平面标定板不同y坐标下进行扫描，得到多组平面数据，求取同一物理位置在不同数据组内的高度差，根据此高度差除以y坐标轴移动量得到标定参数；3u、v与x、y与a、b坐标系转换——3D近似为2D可行性说明：为了方便标定，在2中单独进行了xy对w的影响；考虑到c与w对结果的影响可简化为投影关系，假设c、w夹角θ＝1°，由此可知影响为：1-cosθ＝0.000152；设bump高度为200um，则引入误差为0.03um，考虑实际安装误差应当小于1°，故此处可以忽略采用abc系或者uvw系对高度的影响；故在u、v与x、y与a、b层面标定，简化为2D投影标定；标定数学模型与手眼标定eye-in-hand类似，则有公式：Pab＝Txy2abTend2xyTuv2endPuv；则有其中Puv表示AB之间测量的各点在图像传感器中的坐标；Tuv2end表示uv坐标系转化为末端坐标系的转换矩阵，恒定未知量；Tend2xy表示末端坐标系转化到xy坐标系的转换矩阵，需要指出的是，此处转换矩阵形式为： 且Tx，Ty即为xy读数，为已知量；Txy2ab为xy坐标系到ab坐标系的转换矩阵，为未知量，Pab为ab坐标系坐标，为已知量；由此可知上述Pab、Tend2xy、Puv为已知量，通过选取不同点可联立方程进行未知量Txy2ab、Tuv2end的求解；4X轴方向pitch对测量影响：X轴为扫描轴，X轴pitch对测量影响如下：实际直接造成w值的差异；实际过程中pitch对w的影响是连续的导致平面变成波浪曲面，且具备一定复现性；从两个方面考虑解决此影响:4.1通过高精度平面标定板进行波浪标定，将波浪曲面拉平成平面；标定精度，取决于pitch再现性、标定板平面度；为减少对标定板的要求，可以对标定板不同区域进行扫描取多次数据平均值以降低误差；4.2同时考虑到移动特性，x轴pitch对高度的影响应当在靠近x起始和结束的位置处更为明显；5y轴方向pitch对测量影响：影响与x类似，但考虑到实际工作过程中y轴为列切换轴，故其影响其实可能表现为2中一部分，故在2中标定结果的非线性部分即认定为y轴pitch对检测的影响；三、2D标定方法设计在整个扫描区间内，进行分散取样，尽可能覆盖尽量多且均布的采样空间；标定板设计：4*4＝16个光刻区域，与上述采样分散且均匀的要求相一致；在16个的区域大致进行扫描，每个区域获取3-4个点，保证标定板不发生偏动，则针对这些点Pi：1图像坐标ui，vi通过图像处理算法得到；2扫描起始位置处的xi，yi作为末端坐标系原点，可以通过运动轴光栅尺脉冲数读取到；3对应点在标定板的行列数即世界坐标ai，bi通过特征校准得到；带入误差影响分析中步骤3的公式进行联立求解；四、3D标定方法设计如下：1标定板要求高精度石英玻璃制作，磨制精度要求：单侧平面度不大于50nm；尺寸为100*300mm；2将标定板置于设备载物台上，按照如下图方式进行多轮扫描：2.1每轮扫描移动方向行进100mm+长度覆盖整个标定板范围；2.2多轮扫描覆盖整个标定板300mm宽度方向；2.3多轮扫描间重叠区域约为扫描宽度的一半；2.4每轮扫描前记录当前移动轴坐标mi，ni；3每一轮扫描后得到点云数据，并将点云数据的ui，vi根据2D标定结果转化为ai，bi；4在ai，bi，wi的数据组下，拟合各轮的扫描数据平面；5计算各轮扫描数据拟合平面在w方向的距离差，以第一组为0点，得到各轮的平面距离第一组平面的距离值di，则-di即为对应位置的补偿值；6将各轮扫描平面的补偿值与ni进行关联，得到ni，-di的映射表；7在实际检测过程中关于w方向补偿，通过查表—插值的方式完成特定m，n位置下的高度补偿。

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权利要求：

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