CN102004027A - 一种激光两坐标装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了满足高精度、大行程和微步距、可对二维光学线纹标准器(或掩膜板、网格板)进行高精度测量和溯源的激光两坐标标准装置。包括基座，关键是基座平面上设有具X、Y方向的共面气浮位移平台，气浮位移平台上设有零膨胀玻璃平台，被测件放置在零膨胀玻璃平台上，基座置于4个气浮脚支承上，气浮位移平台设有可X、Y方向位移的驱动装置，气浮位移平台上还有满足阿贝原则的激光测量装置和光学成像装置。本发明所使用的激光位置反馈分辨率为10nm，测长分辨率为0.3nm，保证整个***实现大行程、微步距及纳米级的定位精度。

Description

一种激光两坐标装置

技术领域：

本发明属于精密仪器制造及测量技术领域，具体是涉及一种可直接溯源的用于二维线纹标准器及超精密掩膜板测量的测量及溯源装置。

背景技术：

掩膜制造技术是亚微米和纳米加工技术的体现，而掩膜测量技术则是监测和保证制造水平的重要手段。由于非接触的光学影像测量模式及高精度和数字功能强大的特点，影像测量仪、带视觉测头的坐标测量机及测量显微镜取代常规的仪器，被广泛应用于FPD业、IC业、PCB业、航天航空业、通讯业、仪器仪表业等诸多领域。掩膜测量和光学影像测量虽然测量等级不同，测量对象和应用范围不同，但它们都是使用数字影像测量原理，必须使用不同精度等级的二维光学线纹标准器(或称作掩膜板、标准网格板等)来校准测试其单项及综合精度，并溯源统一到米定义。二维光学线纹标准器是一种带有纵横坐标值的标准器，其线间距或圆心点(X、Y)坐标的测量准确性将直接影响到影像测量仪、带视觉测头的坐标测量机或测量显微镜的量值的准确性。随着影像测量仪、带视觉测头的坐标测量机或测量显微镜的大量使用，对其验收、校准、溯源传递和保持量值准确性的要求就日益强烈了，因此需要建立测量不确定度满足高精度二维光学线纹标准器的量值校准要求的并可直接溯源到波长米定义的测量或溯源装置。目前二维光学线纹标准器的刻线宽在0.1～6μm之间，为此需要激光两坐标标准装置的X-Y工作台具有非常精细的运动和十分精确的定位，同时为配合二维光学线纹标准器的规格和尺度，要求其测量行程应大于300mm，但大行程与高精度是一对十分敏感的矛盾，大行程的要求必然对标准装置的稳定性、部件自重的变形、行程带来的误差叠加等均被放大，是一个***性的矛盾，故常规的坐标测量装置能够做到高精度而达不到大行程或反之。因此如何解决大行程、高精度的二坐标标准装置对现代亚微米、纳米级测量具有十分重要的意义。

发明内容：

本发明的发明目的是公开一种满足高精度、大行程和微步距、可对二维光学线纹标准器(或掩膜板、网格板)进行高精度测量和溯源的激光两坐标标准装置。

实现本发明的技术解决方案如下：包括基座，关键是基座平面上设有具X、Y方向的共面气浮位移平台，气浮位移平台上设有零膨胀玻璃平台，被测件放置在零膨胀玻璃平台上，基座置于4个气浮脚支承上，气浮位移平台设有可X、Y方向位移的驱动装置，气浮位移平台上还有满足阿贝原则的激光测量装置和光学成像装置。

所述的共面气浮位移平台由X位移平台和Y位移平台交叉嵌合并共同以基座表面为支撑面。

所述的基座、X位移平台和Y位移平台均有相对应的可透光的镂空孔或条状孔，且基座下方设有透射光装置。

所述的驱动装置分别设于基座的侧壁，该驱动装置由电机的电机轴与至少一个摩擦轮夹持一光杆，光杆一端的气浮轴承与X位移平台或Y位移平台连接。

所述的摩擦轮另一侧设有一对摩擦轮施加平行压力的水平柔性铰链，水平柔性铰链另一侧与一压紧螺母接触，在电机轴的另一侧设有对称设置的二个平衡轮。

所述的激光测量装置包括激光头、分光镜、转向镜、干涉镜、反射镜和参考镜构成，光学成像装置设在玻璃平台的上方。

所述的激光测量装置形成的光路与置于玻璃平台上的被测件表面的高度同高，且激光光路分成三路，其中两路为X、Y测长光路，另一路与前述的X测长光路或Y测长光路平行设置，可实时监控X、Y位移平台相对于Z轴的旋转量。

所述的光学成像装置一侧设有Z轴调焦装置，光学成像装置包括CCD、双光管和物镜，照明方式有反射式和透射式两种，都是通过光纤将光源引入反射或透射镜组，形成平行光照明。

本发明公开的激光两坐标标准装置具有共面的X、Y位移平台结构、气浮悬挂式支承脚形成稳性极高的平台，整体重心低，电机轴与光杆之间的摩擦驱动方式、柔性铰链和气浮轴承结构，气浮导轨与滑动摩擦的运动结构使本发明具有非常好的导轨直线性和整个***的很好的定位重复性，通过电机合理选型和控制***PID的调节，可以产生及实现任意小的步距，因此只要控制***的反馈分辨率有多小，精度有多高，摩擦驱动机构就可以产生多小的步距。由于使用激光干涉测长作为定位控制反馈，本发明所使用的激光位置反馈分辨率为10nm，测长分辨率为0.3nm，故可保证整个***实现大行程、微步距及纳米级的定位精度。

附图说明：

图1为本发明的整体立体结构示意图。

图2为共面式X、Y精密定位位移台的立体结构示意图。

图3为摩擦轮柔性铰链固定支座的结构示意图。

图4为带Y轴光杆和Y向气浮轴承的镂空的Y位移平台的立体结构图。

具体实施方式：

请参见图1～图4，本发明的具体实施例如下：包括基座1，其可由大理石制作，基座1平面上设有具X、Y方向的共面气浮位移平台(3、4)，气浮位移平台上设有零膨胀玻璃平台5，基座1置于4个气浮脚支承2上，一方面利用气浮脚支承2抗振，同时X Y移动平面运动时造成的微小倾斜也可通过气浮脚支承2始终保持恒定的气浮间隙而得到微调，气浮位移平台设有可X、Y方向位移的驱动装置，气浮位移平台上还有满足阿贝原则的激光测量装置17和光学成像装置16，在零膨胀玻璃平台5上放置二维光学线纹标准器，通过驱动装置使X位移平台Y位移平台(3、4)位移，通过光学成像装置和激光测量装置对二维光学线纹标准器进行测量，再利用二维光学线纹标准器将量值传递给影象测量仪，以保证影象测量仪的量值准确性和一致性。

所述的共面气浮位移平台由X位移平台3和Y位移平台4交叉嵌合并共同以基座1表面为支撑面，Y位移平台4位于X位移平台3下方，X位移平台3的气浮承重面位于大理石基座1表面，Y位移平台4的气浮承重面也位于大理石基座1表面，形成共面结构，X Y位移平台(3、4)的导轨相互分离，互不干涉，有效地避免了导轨重叠式结构的相互耦合及负载不一的缺点，Y向导轨埋藏于基座1平台内，可降低重心，提高***稳定性。

所述的基座1、X位移平台3和Y位移平台4均有相对应的可透光的镂空孔或条状孔，且基座1下方设有透射光装置6，当需要使用透射光方式照明时，透射光装置6将从基座1下方通过前述的可透光的镂空孔或条状孔将平行光移动到被测件附近，透射光装置6中包含了一套透射光镜组，该镜组可以将光纤点光源转化为测量所需的平行光，透射光装置6可以带动整组镜组上下位移以方便使用。

所述的驱动装置分别设于基座1的侧壁，该驱动装置由电机8的电机轴9与至少一个摩擦轮10夹持一光杆11，光杆11一端的气浮轴承12与X位移平台3或Y位移平台4连接；电机8为直流恒力矩电机，电机轴9自身即为一摩擦轮与另外的摩擦轮10夹持光杆11，即通过压紧力使电机轴9与光杆11紧密连接，当电机轴9转动时，由于摩擦轮和光杆间产生的摩擦力驱动，可带动光杆11前后位移，光杆11通过气浮轴承12与位移平台3或Y位移平台4连接到一起，光杆11的移动可推动X Y位移平台(3、4)前后移动，上述的摩擦结构及气浮轴承12可补偿驱动装置的安装误差及移动过程中的偏摆和干涉，由于X Y位移平台的结构、位置及受力不同，X Y位移平台(3、4)的气浮轴承的结构可作适当的变化。

为进一步提高驱动装置的稳定性和超精密驱动，在摩擦轮10另一侧设有一对摩擦轮10施加平行压力的水平柔性铰链18，该水平柔性铰链18另一侧与一压紧螺母19接触，并通过压紧螺母19调节摩擦轮10施加于光杆11的压力进而调节摩擦力，电机轴9转动则在摩擦力的作用下光杆11作直线运动；为进一步提高光杆11运动的稳定性，在电机轴9的另一侧设有对称设置的二个平衡轮20，该平衡轮20可平衡电机轴9受到的光杆11传递过来的压力，避免电机轴9的微小变化，使电机轴9始终保持在电机的中心位置而不产生切向和径向偏移，提高精度。

所述的激光测量装置17包括激光头、分光镜、转向镜、干涉镜13、反射镜14和参考镜15构成，激光头发出的激光束通过分光镜和转向镜被分成X轴光束和Y轴光束，X轴光束经过X向反射镜14和参考镜15形成差动光束在干涉镜13形成干涉条纹，可获得X位移平台3相对于Z中心轴的位移量，同理也可获得Y位移平台4相对于Z中心轴的位移量；所述的光学成像装置16设在零膨胀玻璃平台5的上方，Z轴调焦装置7亦设在光学成像装置16一侧，Z轴调焦装置7使光学成像装置16总是准确瞄准零膨胀玻璃平台5上放置的被测件表面，通过本发明设置的工控机中的多轴运动控制卡对摩擦驱动装置中的力矩电机8发出运行和移动距离的指令，按照指令，驱动装置带动X、Y位移平台(3、4)运动，同时激光干涉仪测得X、Y方向的实际位移量输入到运动控制卡，形成位移环控制，保证X、Y位移平台(3、4)带着被测件运动到指定位。当被测件运动到指定位置时，读取激光干涉仪在此位置的X、Y坐标，同时光学成像装置16对被测件的图像瞄准及采集此位置的像素坐标，通过图像处理软件、激光和像素的X、Y坐标几何运算及相应的几何位置和形状误差的补偿计算，可精确获得被测件上的各刻线间间距或圆心距。

所述的激光测量装置17形成的光路与置于零膨胀玻璃平台5上的被测件表面的高度同高，光路的布局和机械设计符合阿贝原则，且激光光路分成三路，其中两路为X、Y测长光路，另一路与前述的X测长光路或Y测长光路平行设置，可实时监控X、Y位移平台(3、4)相对于Z轴的旋转量。

所述的光学成像装置16一侧设有Z轴调焦装置7，光学成像装置16包括CCD、双光管和物镜(图中未示出)，其照明方式有两种，一种为反射照明，通过光纤将光源与光管连接，形成物方远心同轴反射照明，使用光纤可避免光源的热量对被测件尺寸的影响；另一种是透射照明，也是通过光纤将光源从基座1下方引入到透射照明镜组中形成平行光。

Claims (8)

1.一种激光两坐标装置，包括基座(1)，其特征在于基座(1)平面上设有具X、Y方向的共面气浮位移平台(3、4)，气浮位移平台上设有零膨胀玻璃平台(5)，基座(1)置于4个气浮脚支承(2)上，气浮位移平台设有可X、Y方向位移的驱动装置，气浮位移平台上还有满足阿贝原则的激光测量装置(17)和光学成像装置(16)。

2.按权利要求1所述的激光两坐标装置，其特征在于所述的共面气浮位移平台由X位移平台(3)和Y位移平台(4)交叉嵌合并共同以基座(1)表面为支撑面。

3.按权利要求2所述的激光两坐标装置，其特征在于所述的基座(1)、X位移平台(3)和Y位移平台(4)均有相对应的可透光的镂空孔或条状孔，且基座(1)下方设有透射光装置(6)。

4.按权利要求1或2所述的激光两坐标装置，其特征在于所述的驱动装置分别设于基座(1)的侧壁，该驱动装置由电机(8)的电机轴(9)与至少一个摩擦轮(10)夹持一光杆(11)，光杆(11)一端的气浮轴承(12)与X位移平台(3)或Y位移平台(4)连接。

5.按权利要求4所述的激光两坐标装置，其特征在于所述的摩擦轮(10)另一侧设有一对摩擦轮(10)施加平行压力的水平柔性铰链(18)，水平柔性铰链(18)另一侧与一压紧螺母(19)接触，在电机轴(9)的另一侧设有对称设置的二个平衡轮(20)。

6.按权利要求5所述的激光两坐标装置，其特征在于所述的激光测量装置(17)包括激光头、分光镜、转向镜、干涉镜(13)、反射镜(14)和参考镜(15)构成，光学成像装置(16)设在零膨胀玻璃平台(5)的上方。

7.按权利要求6所述的激光两坐标装置，其特征在于所述的激光测量装置形成的光路与置于玻璃平台(5)上的被测件表面的高度同高，且激光光路分成三路，其中两路为X、Y测长光路，另一路与前述的X测长光路或Y测长光路平行设置，可实时监控X、Y位移平台(3、4)相对于Z轴的旋转量。

8.按权利要求7所述的激光两坐标装置，其特征在于所述的光学成像装置一侧设有Z轴调焦装置(7)，光学成像装置(16)包括CCD、双光管、物镜，照明方式有反射式和透射式两种，都是通过光纤将光源引入到反射或透射镜组，形成平行光照明。

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