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

技术特征：
1.一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，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）。3.如权利要求2所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，
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（10）、（12）和公式（13）得到：
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（2）。4.如权利要求1所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，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。5.如权利要求1所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，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。
6.如权利要求4或5所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，所述半导体激光器发射激光光束的直径为0.45mm。7.如权利要求4或5所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，所述半导体激光器中心波长均为488
‑
535nm。8.如权利要求1所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，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。9.如权利要求1所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，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。10.如权利要求1所述的基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法，其特征在于，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。

技术总结
本发明公开了一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法。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。表面形貌测量的高精度要求。表面形貌测量的高精度要求。


技术研发人员：ꢀ(74)专利代理机构
受保护的技术使用者：高视科技（苏州）有限公司
技术研发日：2021.10.15
技术公布日：2021/11/14