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一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法与流程

2021-11-15 14:29:00 来源:中国专利 TAG:


1.本发明涉及三维形貌检测领域,特别涉及一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法。


背景技术:

2.随着半导体技术及高精密仪器设备的发展,半导体器件生产过程中对其表面的3d形貌检测需求大幅提高。现如今常用的光学测量方法有干涉测量与结构光测量。干涉测量方法精度高但是视场小,且对环境要求高,难以实现生产快速测量。结构光法测量范围大但是精度高,一般多用于大尺寸结构3d形貌测量。
3.psd是一种位置感知光电器件,具有高灵敏度与高响应的特点,常用于对目标空间位置的检测。但psd作为一种二维测量器件,在进行物体三维测量时,通常计算出物体待测表面上的各点的三维方向上的坐标,利用三维方向上的高度信息对待测表面的形貌进行还原。但该方法不适用于半导体器件的表面形貌测量的高精度要求。
4.有鉴于此,实有必要开发一种物体三维形貌测量方法,用以解决上述问题。


技术实现要素:

5.为了克服上述灰尘过滤方法所存在的问题,本发明所要解决的技术问题是提供一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法,其解决了传统方法中利用三维方向上的高度信息对待测表面的形貌进行还原造成的精度不高的技术问题。
6.本发明为解决上述技术问题的一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法包括以下步骤:第一激光光束和第二激光光束分别经过第一聚焦透镜、第二聚焦透镜后满足空间正交且入射到待测表面上的同一点;待测表面上的被测点反射所述第一激光光束和第二激光光束分别至第一成像物镜、第二成像物镜上,经所述第一成像物镜、第二成像物镜后分别入射至第一位置探测器和第二位置探测器上;基于第一位置探测器得到的点坐标p1、第二位置探测器得到的点坐标p2、成像透镜的物像变换矩阵以及坐标系之间的位移矩阵h1、h2,得到位移矩阵h1、h2和斜度信息矩阵s1、s2与第一位置探测器得到的点坐标p1、第二位置探测器得到的点坐标p2、成像透镜的物像变换矩阵以及被测面上的被测点的坐标w之间的公式(1)和公式(2):
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(1)
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(2)所述被测点的坐标w与第一成像物镜之间的位移矩阵为:
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(3)所述被测点的坐标w与第二成像物镜间的位移矩阵为:
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(4)其中,,,分别为聚焦透镜相对于被测点坐标系沿着x,y,z方向的位移大小;成像透镜的物像变换矩阵为:f为焦距,d为透镜厚度,h1为探测点到成像透镜前表面的距离,h2为成像透镜到位置探测器的距离,n2是成像透镜的折射率;其中,中()为被测面上的被测点坐标,x
w
与y
w
为已知;基于所述公式(1)和公式(2),求解出s1、s2、w;其中,斜度信息矩阵s1、s2中包含有被测点绕x轴旋转的角度
ϕ
、绕着y轴旋转的角度、绕着z轴有角度为θ;w中的z
w
表征被测点的高度信息;根据若干个被测点的高度信息和斜度信息s1、s2还原待测表面的三维形貌。
7.进一步地,所述公式(1)的获得过程,包括:设第一聚焦透镜的世界坐标系为l1,第一成像物镜的坐标系为i1,得到第一聚焦透镜的中心点坐标为(),激光从第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射到被测点上,且第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的中心点分别与被测点的连线满足空间正交关系,得到被测点的坐标w与第一聚焦透镜的中心点坐标的关系式(5):
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(5)其中,、、分别为第一聚焦透镜和第二聚焦透镜在三个坐标方向上与被测点的位移;第一成像物镜坐标系上的坐标为(),通过旋转平移的方式建立两个坐标系之间的关系;假设当绕着z轴有角度为θ的旋转时,第一成像物镜坐标系i1与被测面坐标系w满足如下关系:
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(6)当绕着x轴和y轴旋转时也满足上式的坐标对应关系,假设绕着x轴旋转的角度为
ϕ
,绕着y轴旋转的角度为,因此建立第一成像物镜坐标系i1与被测面坐标系w的旋转矩阵为:
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(7)则第一成像物镜i1与被测面坐标系w的关系表示为:
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(8)设被测点经过成第一像透镜在第一位置探测器所在平面的二维坐标为(),成像透镜的物像变换矩阵为,则:
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(9)联立公式(5)、(8)和公式(9)得到:
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(1)。
8.进一步地,所述公式(2)的获得过程,包括:第二聚焦透镜的世界坐标系为l2,第二成像物镜的坐标系为i2,得到第二聚焦透镜的中心点坐标为(),第二成像物镜坐标系上的坐标为();激光从第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射到被测点上,且第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的中心点分别与被测点的连线满足空间正交关系,得到被测点的坐标w与第二聚焦透镜的中心点坐标的关系式(10)
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(10)其中,、、分别为第一聚焦透镜和第二聚焦透镜在三个坐标方向上与被测点的位移;由于第一成像物镜、第二成像物镜与被测点的连线在被测面坐标系w中存在空间正交的几何关系,所以在坐标系变换时,对应绕x轴与绕y轴旋转角度相反,绕z轴旋转角度相同,因此第二成像物镜坐标系i2与被测面坐标系w的旋转矩阵为:
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(11)则第二成像物镜i2与被测面坐标系w的关系表示为:
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(12)被测点经过成第二像透镜在第二位置探测器所在平面的二维坐标为(),成像透镜的物像变换矩阵为,则:
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(13)联立公式(2)、(9)和公式(11)得到:
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(2)。
9.进一步地,所述第一激光光束和第二激光光束分别采用两个半导体激光器分别发射后,入射至第一聚焦透镜、第二聚焦透镜。
10.进一步地,采用一个半导体激光器发射一个激光光束后,再经分束镜分束后形成第一激光光束和第二激光光束,所述第一激光光束入射至第一聚焦透镜,所述第二激光光束经反射镜反射后入射至第二聚焦透镜。
11.进一步地,所述半导体激光器发射激光光束的直径为0.45mm。
12.进一步地,所述半导体激光器中心波长均为488

535nm。
13.进一步地,所述第一激光光束和第二激光光束在待测表面的入射角度相同。
14.进一步地,所述第一激光光束和第二激光光束在待测表面的入射角度为25

75度。
15.进一步地,所述第一激光光束和第二激光光束在待测表面的光斑直径为2μm。
16.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果:本发明基于反射激光空间分布提出了一种物体三维形貌测量方法,通过两束激光光束得到两个位置探测器的相关数据计算出被测点的高度信息和斜度信息,根据若干被测点的高度信息和斜度信息还原待测表面的三维形貌。相对于现有技术中根据被测点的高度还原的三维形貌更加精确,更能够满足半导体器件的表面形貌测量的高精度要求,且该方法不增加角度测量装置,仅采用现有的二维psd探测器即可精确还原三维形貌,成本低,具有较高的实用价值。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例的附图作简单介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例,而非对本发明的限制,其中:图1为本发明中实施一中基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法中的光
学示意图;图2为本发明中实施二中基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法中的光学示意图;图3为本发明中待测面为平面时的示意图;图4为本发明中待测面为不规则曲面时的一示意图;图5为本发明中待测面为不规则曲面时的另一示意图;图6为现有技术还原图与本发明中还原图的对比图。
18.图中标注:111、第一半导体激光器;112、第二半导体激光器;121、第一准直透镜;122、第二准直透镜;13、分束镜;14、第一聚焦透镜;15、第一反射镜;16、第二反射镜;17、第二聚焦透镜;18、第二成像物镜;19、第一成像物镜;10、第一位置探测器;20、第二位置探测器;30、待测表面。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
20.在附图中,为清晰起见,可对形状和尺寸进行放大,并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。
21.除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样,“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同,并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
22.在下列描述中,诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的,特别地,“高度”相当于从顶部到底部的尺寸,“宽度”相当于从左边到右边的尺寸,“深度”相当于从前到后的尺寸,它们是相对的概念,因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化,所以,也不应当将这些或者其他的方位用于解释为限制性用语。
23.涉及附接、联接等的术语(例如,“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系,除非以其他方式明确地说明。
24.实施例一结合图1、图3至图6所示,一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法包括以下步骤:第一激光光束和第二激光光束分别经过第一聚焦透镜14、第二聚焦透镜17后满足
空间正交且入射到待测表面30上的同一点;待测表面30上的被测点反射第一激光光束和第二激光光束分别至第一成像物镜19、第二成像物镜18上,经所述第一成像物镜19、第二成像物镜18后分别入射至第一位置探测器10和第二位置探测器20上;基于第一位置探测器10得到的点坐标p1、第二位置探测器20得到的点坐标p2、成像透镜的物像变换矩阵以及坐标系之间的位移矩阵h1、h2,得到位移矩阵h1、h2和斜度信息矩阵s1、s2与第一位置探测器得到的点坐标p1、第二位置探测器得到的点坐标p2、成像透镜的物像变换矩阵以及被测面上的被测点的坐标w之间的公式(1)和公式(2):
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(1)
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(2)所述被测点的坐标w与第一成像物镜之间的位移矩阵为:
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(3)所述被测点的坐标w与第二成像物镜间的位移矩阵为:(4)其中,,,分别为聚焦透镜相对于被测点坐标系沿着x,y,z方向的位移大小;成像透镜的物像变换矩阵为:f为焦距,d为透镜厚度,h1为探测点到成像透镜前表面的距离,h2为成像透镜到位置探测器的距离,n2是成像透镜的折射率;其中,中()为被测面上的被测点坐标,x
w
与y
w
为已知;基于公式(1)和公式(2),求解出s1、s2、w;其中,斜度信息矩阵s1、s2中包含有被测点绕x轴旋转的角度
ϕ
、绕着y轴旋转的角度、绕着z轴有角度为θ;w中的z
w
表征被测点的高度信息;根据若干个被测点的高度信息和斜度信息s1、s2还原待测表面的三维形貌。
25.在本实施例中,第一激光光束和第二激光光束分别采用两个半导体激光器分别发射后,入射至第一聚焦透镜14、第二聚焦透镜17。两个半导体激光器分别是第一半导体激光器111和第二半导体激光器112。其中,两个半导体激光器发射激光光束的直径为0.45mm。半
导体激光器中心波长均为488

535nm。
26.具体地,第一半导体激光器111和第二半导体激光器112发射的激光光束分别经第一准直透镜121和第二准直透镜122准直后,入射至第一聚焦透镜14、第二聚焦透镜17,经第一聚焦透镜14、第二聚焦透镜17聚焦后两束激光满足空间正交且入射到待测表面30上的同一点。此时,待测表面上测量激光的光斑直径为2μm,两束光的在待测表面的入射角度相同。具体地,第一激光光束和第二激光光束在待测表面的入射角度为25

75度。经多次试验发现两束光的入射角度均为60
°
时,光斑质量较好。入射至待测表面30上的两束激光分别反射至第一成像物镜19和第二成像物镜18上,经聚焦后分别入射至第一位置探测器10和第二位置探测器20上。
27.待测表面30上的形貌特征可分解为测量区域的相对高度与测量面的空间倾斜方向。参考图5,待测表面30上的形貌特征的变化会导致位置探测器psd上光斑重心位置的变化,但是位置探测器psd光斑位置的变化是高度特征和斜度特征共同作用的结果,但现有技术仅通过一个半导体激光器测得高度特征来还原待测面的形貌,还原精度低。本发明使用两束正交的激光同时测量同一位置的形貌信息,通过计算后分理出形貌的高度和测量面的倾斜方向这两个特征参数,还原出待测面的形貌,还原精度较高。
28.具体地,公式(1)的获得过程,包括:设第一聚焦透镜的世界坐标系为l1,第一成像物镜的坐标系为i1,得到第一聚焦透镜的中心点坐标为()。
29.激光从第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射到被测点上,且第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的中心点分别与被测点的连线满足空间正交关系,得到被测点的坐标w与第一聚焦透镜的中心点坐标的关系式(5):
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(5)其中,、、分别为第一聚焦透镜和第二聚焦透镜在三个坐标方向上与被测点的位移;第一成像物镜坐标系上的坐标为(),通过旋转平移的方式建立两个坐标系之间的关系;假设当绕着z轴有角度为θ的旋转时,第一成像物镜坐标系i1与被测面坐标系w满足如下关系:
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(6)当绕着x轴和y轴旋转时也满足上式的坐标对应关系,假设绕着x轴旋转的角度为
ϕ
,绕着y轴旋转的角度为,因此建立第一成像物镜坐标系i1与被测面坐标系w的旋转矩阵为:
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(7)
则第一成像物镜i1与被测面坐标系w的关系表示为:
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(8)设被测点经过成第一像透镜在第一位置探测器所在平面的二维坐标为(),成像透镜的物像变换矩阵为,则:
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)联立公式(5)、(8)和公式(9)得到:
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(1)。
30.具体地,公式(2)的获得过程,包括:第二聚焦透镜的世界坐标系为l2,第二成像物镜的坐标系为i2,得到第二聚焦透镜的中心点坐标为(),第二成像物镜坐标系上的坐标为();激光从第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射到被测点上,且第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的中心点分别与被测点的连线满足空间正交关系,得到被测点的坐标w与第二聚焦透镜的中心点坐标的关系式(10)
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(10)其中,、、分别为第一聚焦透镜和第二聚焦透镜在三个坐标方向上与被测点的位移;由于第一成像物镜、第二成像物镜与被测点的连线在被测面坐标系w中存在空间正交的几何关系,所以在坐标系变换时,对应绕x轴与绕y轴旋转角度相反,绕z轴旋转角度相同,因此第二成像物镜坐标系i2与被测面坐标系w的旋转矩阵为:
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(11)则第二成像物镜i2与被测面坐标系w的关系表示为:
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(12)被测点经过成第二像透镜在第二位置探测器所在平面的二维坐标为(),成像透镜的物像变换矩阵为,则:
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(13)联立公式(10)、(12)和公式(13)得到:
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(2)。
31.上述公式(1)还可表示为:上述公式(2)还可表示为:其中,斜度信息矩阵s1、s2中包含有被测点绕x轴旋转的角度
ϕ
、绕着y轴旋转的角度、绕着z轴有角度为θ;w中的z
w
表征被测点的高度信息。具体地,z
w
与z1、相关。
32.参考图6,虚线为现有技术中通过一束光在psd上得到的高度信息测得的3d形貌图。实线为本发明中使用测得的高度信息与测量点所在平面的斜度信息绘制的3d形貌图。可见,本发明中使用测得的高度信息与测量点所在平面的斜度信息绘制的3d形貌图相对于现有技术更能精确的还原三维形貌。
33.实施例二结合图2至图6所示,一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法包括以下步骤:第一激光光束和第二激光光束分别经过第一聚焦透镜14、第二聚焦透镜17后满足空间正交且入射到待测表面30上的同一点;待测表面30上的被测点反射第一激光光束和第二激光光束分别至第一成像物镜19、第二成像物镜18上,经所述第一成像物镜19、第二成像物镜18后分别入射至第一位置探测器10和第二位置探测器20上;基于第一位置探测器10得到的点坐标p1、第二位置探测器20得到的点坐标p2、成像
透镜的物像变换矩阵以及位移矩阵h1、h2,得到位移矩阵h1、h2和斜度信息矩阵s1、s2与第一位置探测器得到的点坐标p1、第二位置探测器得到的点坐标p2、成像透镜的物像变换矩阵以及被测面上的被测点的坐标w之间的公式(1)和公式(2):
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(1)
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(2)被测点的坐标w与第一成像物镜之间的位移矩阵为:
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(3)被测点的坐标w与第二成像物镜间的位移矩阵为:
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(4)其中,,,分别为聚焦透镜相对于被测点坐标系沿着x,y,z方向的位移大小;成像透镜的物像变换矩阵为:f为焦距,d为透镜厚度,h1为探测点到成像透镜前表面的距离,h2为成像透镜到位置探测器的距离,n2是成像透镜的折射率;其中,中()为被测面上的被测点坐标,x
w
与y
w
为已知;基于公式(1)和公式(2),求解出s1、s2、w;其中,斜度信息矩阵s1、s2中包含有被测点绕x轴旋转的角度
ϕ
、绕着y轴旋转的角度、绕着z轴有角度为θ;w中的z
w
表征被测点的高度信息;根据若干个被测点的高度信息和斜度信息s1、s2还原待测表面的三维形貌。
34.在本实施例中,采用一个第一半导体激光器111发射一个激光光束后,再经分束镜13分束后形成第一激光光束和第二激光光束。半导体激光器发射激光光束的直径为0.45mm。半导体激光器中心波长均为488

535nm。
35.具体地,采用一个第一半导体激光器111发射一个激光光束经第一准直透镜121准直后,经分束镜13分束后形成第一激光光束和第二激光光束,第一激光光束入射至第一聚焦透镜14,第二激光光束经第一反射镜15和第二反射镜16反射后入射至第二聚焦透镜17。经第一聚焦透镜14、第二聚焦透镜17聚焦后两束激光满足空间正交且入射到待测表面30上的同一点。此时,待测表面上测量激光的光斑直径为2μm,第一激光光束和第二激光光束在
待测表面的入射角度相同。具体地,第一激光光束和第二激光光束在待测表面的入射角度为25

75度。经多次试验发现两束光的入射角度均为60
°
时,光斑质量较好。入射至待测表面30上的两束激光分别反射至第一成像物镜19和第二成像物镜18上,经聚焦后分别入射至第一位置探测器10和第二位置探测器20上。
36.待测表面30上的形貌特征可分解为测量区域的相对高度与测量面的空间倾斜方向。参考图5,待测表面30上的形貌特征的变化会导致位置探测器psd上光斑重心位置的变化,但是位置探测器psd光斑位置的变化是高度特征和斜度特征共同作用的结果,但现有技术仅通过一个半导体激光器测得高度特征来还原待测面的形貌,还原精度低。本发明使用两束正交的激光同时测量同一位置的形貌信息,通过计算后分理出形貌的高度和测量面的倾斜方向这两个特征参数,还原出待测面的形貌,还原精度较高。
37.且本实施例采用一个半导体激光器即可实现该方法中的三维形貌的测量,相对于实施例一,造价更低。
38.具体地,公式(1)的获得过程,包括:设第一聚焦透镜的世界坐标系为l1,第一成像物镜的横截面坐标系为i1,得到第一聚焦透镜的中心点坐标为。
39.激光从第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射到被测点上,且第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的中心点分别与被测点的连接满足空间正交关系,得到被测点的坐标w与第一聚焦透镜的中心点坐标的关系式(5):
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(5)其中,、、分别为第一聚焦透镜和第二聚焦透镜在三个坐标方向上与被测点的位移;第一成像物镜坐标系上的坐标为,通过旋转平移的方式建立两个坐标系之间的关系;假设当绕着z轴有角度为θ的旋转时,第一成像物镜坐标系i1与被测面坐标系w满足如下关系:
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(6)当绕着x轴和y轴旋转时也满足上式的坐标对应关系,假设绕着x轴旋转的角度为
ϕ
,绕着y轴旋转的角度为,因此建立第一成像物镜坐标系i1与被测面坐标系w的旋转矩阵为:
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(7)则第一成像物镜i1与被测面坐标系w的关系表示为:
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(8)设被测点经过成第一像透镜在第一位置探测器所在平面的二维坐标为,成像透镜的物像变换矩阵为,则:
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(9)联立公式(5)、(8)和公式(9)得到:
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(1)。
40.具体地,公式(2)的获得过程,包括:第二聚焦透镜的世界坐标系为l2,第二成像物镜的坐标系为i2,得到第二聚焦透镜的中心点坐标为,第二成像物镜坐标系上的坐标为;激光从第一聚焦透镜和第二聚焦透镜入射到被测点上,且第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的中心点分别与被测点的连线满足空间正交关系,得到被测点的坐标w与第二聚焦透镜的中心点坐标的关系式(10)
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(10)其中,、、分别为第一聚焦透镜和第二聚焦透镜在三个坐标方向上与被测点的位移;由于第一成像物镜、第二成像物镜与被测点的连线在被测面坐标系w中存在空间正交的几何关系,所以在坐标系变换时,对应绕x轴与绕y轴旋转角度相反,绕z轴旋转角度相同,因此第二成像物镜坐标系i2与被测面坐标系w的旋转矩阵为:
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(11)则第二成像物镜i2与被测面坐标系w的关系表示为:
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(12)被测点经过成第二像透镜在第二位置探测器所在平面的二维坐标为,成像透镜的物像变换矩阵为,则:
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(13)联立公式(10)、(12)和公式(13)得到:
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(2)。
41.上述公式(1)还可表示为:上述公式(2)还可表示为:其中,斜度信息矩阵s1、s2中包含有被测点绕x轴旋转的角度
ϕ
、绕着y轴旋转的角度、绕着z轴有角度为θ;w中的z
w
表征被测点的高度信息。具体地,z
w
与z1、相关。
42.参考图6,虚线为现有技术中通过一束光在psd上得到的高度信息测得的3d形貌图。实线为本发明中使用测得的高度信息与测量点所在平面的斜度信息绘制的3d形貌图。可见,本发明中使用测得的高度信息与测量点所在平面的斜度信息绘制的3d形貌图相对于现有技术更能精确的还原三维形貌。
43.本发明基于反射激光空间分布提出了一种物体三维形貌测量方法,通过两束激光光束得到两个位置探测器的相关数据计算出被测点的高度信息和斜度信息,根据若干被测点的高度信息和斜度信息还原待测表面的三维形貌。相对于现有技术中根据被测点的高度还原的三维形貌更加精确,更能够满足半导体器件的表面形貌测量的高精度要求。
44.对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
45.本文中所描述的不同实施方案的零部件可经组合以形成上文未具体陈述的其它实施例。零部件可不考虑在本文中所描述的结构内而不会不利地影响其操作。此外,各种单独零部件可被组合成一或多个个别零部件以执行本文中所描述的功能。
46.此外,尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅限于说明书和实施方式中
所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
再多了解一些

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