CN116839499B - 一种大视野微尺寸2d及3d测量标定方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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;
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:
1、传感器本身分辨率及线性度;
2、传感器安装误差造成的检测误差:
1)传感器光轴与XY平面垂直度;
2)传感器扫描线与扫描方向的垂直度;
3、位移轴本身重复定位精度、移动过程中的pitch、yaw误差;
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。
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;
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。
发明内容
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。
本发明提供了如下的技术方案:
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:
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:
Pab=Txy2abTend2xyTuv2endPuv;
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。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
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
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:
图1是本发明的实施例示意图之一;
图2是本发明的实施例示意图之二;
图3是本发明的实施例示意图之三;
图4是本发明的实施例示意图之四;
图5是本发明的实施例示意图之五;
图6是本发明的实施例示意图之六;
图7是本发明的实施例示意图之七;
图8是本发明的实施例示意图之八。
具体实施方式
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。
实施例1
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:
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,如图1所示;
(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;如图2所示:
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;
(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:
Pab=Txy2abTend2xyTuv2endPuv;
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,如图4所示;
(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,如图5、图6所示:
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,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;
(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;
其扫描示意图如图8所示。
进一步的,本方案中各项步骤说明如下:
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;
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;
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。
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。
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。
Claims (1)
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;
(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:
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;
(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;
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