一种大视野微尺寸2D及3D测量标定方法与流程

一种大视野微尺寸2d及3d测量标定方法
技术领域：
：1.本发明涉及3d测量标定领域，特别涉及一种大视野微尺寸2d及3d测量标定方法。
背景技术：
：：2.xy-table为载体的3d检测，用于大视野带位移台平移拼接的高精度3d测量领域，误差来源的原因即误差分析的内容；3.在xy-table为载体的3d检测中，误差主要有三个来源，具体如下所示：4.1、传感器本身分辨率及线性度；5.2、传感器安装误差造成的检测误差：6.1)传感器光轴与xy平面垂直度；7.2)传感器扫描线与扫描方向的垂直度；8.3、位移轴本身重复定位精度、移动过程中的pitch、yaw误差；9.上述误差1中，本文没有进行分析，其原因为是选用传感器本身的特性所决定的，不需要集成方进行分析。10.原标定方法是一个纯3d的转换关系，它表征了mn两个移动轴经过uvw中间转换后对abc三个测量结果的影响。如果进行3d标定相关参数高达16+16＝32个。而且进行3d标定需要标定板在z(c)轴方向具备很高的制造精度，不易制作，标定难度高，对标定工具的要求也高，导致标定效率低下；11.因而本方法基于以下事实进行简化：1)3d检测对xy方向精度要求较低；2)w轴与c轴基本平行，因而可以直接用w轴度数来近似c轴数值；3)系统z轴总行程不超过0.1mm，对ab的影响可以忽略。由此三轴-三轴的标定关系转换为mn-uv-ab(2d标定)与mn-w-c(3d标定)两组关系。技术实现要素：12.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种大视野微尺寸2d及3d测量标定方法。13.本发明提供了如下的技术方案：14.本发明提供一种大视野微尺寸2d及3d测量标定方法，包括以下：15.一、理论分析：16.预定义坐标系如下：17.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；18.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；19.标定板坐标系(标定后的世界坐标系)(a、b、c)；20.二、误差影响分析：21.(1)传感器(u、v、w)光轴(w)与x轴垂直度误差：22.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，但由于本传感器为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+机械调整的方法实现；23.(2)传感器(u、v、w)光轴(w)与y轴垂直度误差：24.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；25.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/y移动量得到标定参数；26.(3)(u、v)与(x、y)与(a、b)坐标系转换——3d近似为2d可行性说明：27.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：28.1-cosθ＝0.000152；29.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；30.故在(u、v)与(x、y)与(a、b)层面标定，简化为2d投影标定；31.标定数学模型与手眼标定eye-in-hand类似，则有公式：32.pab＝txy2abtend2xytuv2endpuv；33.则有其中puv表示ab……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：34.且tx，ty即为xy读数，为已知量(但每个点会有变化)；35.txy2ab为xy坐标系到ab坐标系的转换矩阵，恒定未知量；，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；36.(4)x轴方向pitch对测量影响：37.x轴为扫描轴，x轴pitch对测量影响如下：38.实际直接造成w值的差异；39.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；40.从两个方面考虑解决此影响:41.(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；42.(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；43.(5)y轴方向pitch对测量影响：44.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ypitch对检测的影响；45.三、2d标定方法设计46.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；47.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；48.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：49.(1)图像坐标(ui，vi)通过图像处理算法得到(获取图像坐标)；50.(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；51.(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；52.带入误差影响分析中步骤(3)的公式进行联立求解；53.四、3d标定方法设计如下：54.(1)标定板要求55.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；56.(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：57.2.1)每轮扫描移动方向行进100mm+长度覆盖整个标定板范围；58.2.2)多轮扫描覆盖整个标定板300mm宽度方向；59.2.3)多轮扫描间重叠区域约为扫描宽度的一半；60.2.4)每轮扫描前记录当前移动轴坐标(mi，ni)；61.(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)；62.(4)在(ai，bi，wi)的数据组下，拟合各轮的扫描数据平面；63.(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；64.(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；65.(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。66.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：67.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。附图说明68.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：69.图1是本发明的实施例示意图之一；70.图2是本发明的实施例示意图之二；71.图3是本发明的实施例示意图之三；72.图4是本发明的实施例示意图之四；73.图5是本发明的实施例示意图之五；74.图6是本发明的实施例示意图之六；75.图7是本发明的实施例示意图之七；76.图8是本发明的实施例示意图之八。具体实施方式77.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。78.实施例179.如图1-8，本发明提供一种大视野微尺寸2d及3d测量标定方法，包括以下：80.一、理论分析：81.预定义坐标系如下：82.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；83.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；84.标定板坐标系(标定后的世界坐标系)(a、b、c)；85.二、误差影响分析：86.(1)传感器(u、v、w)光轴(w)与x轴垂直度误差：87.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，但由于本传感器为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+机械调整的方法实现，如图1所示；88.(2)传感器(u、v、w)光轴(w)与y轴垂直度误差：89.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；如图2所示：90.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/y移动量得到标定参数，如图3所示；91.(3)(u、v)与(x、y)与(a、b)坐标系转换——3d近似为2d可行性说明：92.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：93.1-cosθ＝0.000152；94.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；95.故在(u、v)与(x、y)与(a、b)层面标定，简化为2d投影标定；96.标定数学模型与手眼标定eye-in-hand类似，则有公式：97.pab＝txy2abtend2xytuv2endpuv；98.则有其中puv表示ab……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：99.且tx，ty即为xy读数，为已知量(但每个点会有变化)；100.txy2ab为xy坐标系到ab坐标系的转换矩阵，恒定未知量；，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，如图4所示；101.(4)x轴方向pitch对测量影响：102.x轴为扫描轴，x轴pitch对测量影响如下，如图5、图6所示：103.实际直接造成w值的差异；104.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；105.从两个方面考虑解决此影响:106.(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，如图7所示；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；107.(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；108.(5)y轴方向pitch对测量影响：109.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ypitch对检测的影响；110.三、2d标定方法设计111.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；112.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；113.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：114.(1)图像坐标(ui，vi)通过图像处理算法得到(获取图像坐标)；115.(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；116.(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；117.带入误差影响分析中步骤(3)的公式进行联立求解；118.四、3d标定方法设计如下：119.(1)标定板要求120.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；121.(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：122.2.1)每轮扫描移动方向行进100mm+长度覆盖整个标定板范围；123.2.2)多轮扫描覆盖整个标定板300mm宽度方向；124.2.3)多轮扫描间重叠区域约为扫描宽度的一半；125.2.4)每轮扫描前记录当前移动轴坐标(mi，ni)；126.(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)；127.(4)在(ai，bi，wi)的数据组下，拟合各轮的扫描数据平面；128.(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；129.(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；130.(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；131.其扫描示意图如图8所示。132.进一步的，本方案中各项步骤说明如下：133.一从基础原理分析了大视野带位移台平移拼接的高精度3d测量的精度会受哪些条件影响；134.二原理结合实际分析了安装误差、重复定位误差如何造成最终结果测量误差；135.三和四中提出了一种用2d标定+3d标定进行误差补偿的方法。136.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。137.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
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(标定后的世界坐标系)(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，但由于本传感器为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+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/y移动量得到标定参数；(3)(u、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：p
ab
＝t
xy2ab
t
end2xy
t
uv2end
p
uv
；则有其中puv表示ab
……
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(但每个点会有变化)；txy2ab为xy坐标系到ab坐标系的转换矩阵，恒定未知量；，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；(4)x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；(5)y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ypitch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(获取图像坐标)；(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。

技术总结
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；(3)(u、v)与(x、y)与(a、b)坐标系转换——3D近似为2D可行性说明；(4)X轴方向pitch对测量影响；(5)y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。同时降低了对标定工具的要求。同时降低了对标定工具的要求。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：上海点莘技术有限公司
技术研发日：2022.11.03
技术公布日：2023/10/8