專利名稱：一種激光兩坐標(biāo)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器制造及測量技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種可直接溯源的用于二 維線紋標(biāo)準(zhǔn)器及超精密掩膜板測量的測量及溯源裝置。
背景技術(shù)：
掩膜制造技術(shù)是亞微米和納米加工技術(shù)的體現(xiàn)，而掩膜測量技術(shù)則是監(jiān)測和保證 制造水平的重要手段。由于非接觸的光學(xué)影像測量模式及高精度和數(shù)字功能強(qiáng)大的特點(diǎn)， 影像測量儀、帶視覺測頭的坐標(biāo)測量機(jī)及測量顯微鏡取代常規(guī)的儀器，被廣泛應(yīng)用于FPD 業(yè)、IC業(yè)、PCB業(yè)、航天航空業(yè)、通訊業(yè)、儀器儀表業(yè)等諸多領(lǐng)域。掩膜測量和光學(xué)影像測 量雖然測量等級不同，測量對象和應(yīng)用范圍不同，但它們都是使用數(shù)字影像測量原理，必須 使用不同精度等級的二維光學(xué)線紋標(biāo)準(zhǔn)器(或稱作掩膜板、標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格板等)來校準(zhǔn)測試其 單項(xiàng)及綜合精度，并溯源統(tǒng)一到米定義。二維光學(xué)線紋標(biāo)準(zhǔn)器是一種帶有縱橫坐標(biāo)值的標(biāo) 準(zhǔn)器，其線間距或圓心點(diǎn)(X、Y)坐標(biāo)的測量準(zhǔn)確性將直接影響到影像測量儀、帶視覺測頭 的坐標(biāo)測量機(jī)或測量顯微鏡的量值的準(zhǔn)確性。隨著影像測量儀、帶視覺測頭的坐標(biāo)測量機(jī) 或測量顯微鏡的大量使用，對其驗(yàn)收、校準(zhǔn)、溯源傳遞和保持量值準(zhǔn)確性的要求就日益強(qiáng)烈 了，因此需要建立測量不確定度滿足高精度二維光學(xué)線紋標(biāo)準(zhǔn)器的量值校準(zhǔn)要求的并可直 接溯源到波長米定義的測量或溯源裝置。目前二維光學(xué)線紋標(biāo)準(zhǔn)器的刻線寬在0. 1 6 μ m 之間，為此需要激光兩坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)裝置的X-Y工作臺具有非常精細(xì)的運(yùn)動(dòng)和十分精確的定 位，同時(shí)為配合二維光學(xué)線紋標(biāo)準(zhǔn)器的規(guī)格和尺度，要求其測量行程應(yīng)大于300mm，但大行 程與高精度是一對十分敏感的矛盾，大行程的要求必然對標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性、部件自重的 變形、行程帶來的誤差疊加等均被放大，是一個(gè)系統(tǒng)性的矛盾，故常規(guī)的坐標(biāo)測量裝置能夠 做到高精度而達(dá)不到大行程或反之。因此如何解決大行程、高精度的二坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)裝置對現(xiàn) 代亞微米、納米級測量具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是公開一種滿足高精度、大行程和微步距、可對二維光學(xué)線紋 標(biāo)準(zhǔn)器(或掩膜板、網(wǎng)格板)進(jìn)行高精度測量和溯源的激光兩坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)裝置。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下包括基座，關(guān)鍵是基座平面上設(shè)有具X、Y方向 的共面氣浮位移平臺，氣浮位移平臺上設(shè)有零膨脹玻璃平臺，被測件放置在零膨脹玻璃平 臺上，基座置于4個(gè)氣浮腳支承上，氣浮位移平臺設(shè)有可X、Y方向位移的驅(qū)動(dòng)裝置，氣浮位 移平臺上還有滿足阿貝原則的激光測量裝置和光學(xué)成像裝置。所述的共面氣浮位移平臺由X位移平臺和Y位移平臺交叉嵌合并共同以基座表面 為支撐面。所述的基座、X位移平臺和Y位移平臺均有相對應(yīng)的可透光的鏤空孔或條狀孔，且 基座下方設(shè)有透射光裝置。所述的驅(qū)動(dòng)裝置分別設(shè)于基座的側(cè)壁，該驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)的電機(jī)軸與至少一個(gè)摩擦輪夾持一光桿，光桿一端的氣浮軸承與X位移平臺或Y位移平臺連接。所述的摩擦輪另一側(cè)設(shè)有一對摩擦輪施加平行壓力的水平柔性鉸鏈，水平柔性鉸 鏈另一側(cè)與一壓緊螺母接觸，在電機(jī)軸的另一側(cè)設(shè)有對稱設(shè)置的二個(gè)平衡輪。所述的激光測量裝置包括激光頭、分光鏡、轉(zhuǎn)向鏡、干涉鏡、反射鏡和參考鏡構(gòu)成， 光學(xué)成像裝置設(shè)在玻璃平臺的上方。所述的激光測量裝置形成的光路與置于玻璃平臺上的被測件表面的高度同高，且 激光光路分成三路，其中兩路為Χ、γ測長光路，另一路與前述的χ測長光路或Y測長光路平 行設(shè)置，可實(shí)時(shí)監(jiān)控X、Y位移平臺相對于Z軸的旋轉(zhuǎn)量。所述的光學(xué)成像裝置一側(cè)設(shè)有Z軸調(diào)焦裝置，光學(xué)成像裝置包括(XD、雙光管和物 鏡，照明方式有反射式和透射式兩種，都是通過光纖將光源引入反射或透射鏡組，形成平行 光照明。本發(fā)明公開的激光兩坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)裝置具有共面的X、Y位移平臺結(jié)構(gòu)、氣浮懸掛式支 承腳形成穩(wěn)性極高的平臺，整體重心低，電機(jī)軸與光桿之間的摩擦驅(qū)動(dòng)方式、柔性鉸鏈和氣 浮軸承結(jié)構(gòu)，氣浮導(dǎo)軌與滑動(dòng)摩擦的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)使本發(fā)明具有非常好的導(dǎo)軌直線性和整個(gè)系 統(tǒng)的很好的定位重復(fù)性，通過電機(jī)合理選型和控制系統(tǒng)PID的調(diào)節(jié)，可以產(chǎn)生及實(shí)現(xiàn)任意 小的步距，因此只要控制系統(tǒng)的反饋分辨率有多小，精度有多高，摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就可以產(chǎn)生 多小的步距。由于使用激光干涉測長作為定位控制反饋，本發(fā)明所使用的激光位置反饋分 辨率為lOnm，測長分辨率為0. 3nm，故可保證整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大行程、微步距及納米級的定位 精度。


圖1為本發(fā)明的整體立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為共面式X、Y精密定位位移臺的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為摩擦輪柔性鉸鏈固定支座的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為帶Y軸光桿和Y向氣浮軸承的鏤空的Y位移平臺的立體結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式請參見圖1 圖4，本發(fā)明的具體實(shí)施例如下包括基座1，其可由大理石制作，基 座1平面上設(shè)有具X、Y方向的共面氣浮位移平臺(3、4)，氣浮位移平臺上設(shè)有零膨脹玻璃 平臺5，基座1置于4個(gè)氣浮腳支承2上，一方面利用氣浮腳支承2抗振，同時(shí)X Y移動(dòng)平面 運(yùn)動(dòng)時(shí)造成的微小傾斜也可通過氣浮腳支承2始終保持恒定的氣浮間隙而得到微調(diào)，氣浮 位移平臺設(shè)有可X、Y方向位移的驅(qū)動(dòng)裝置，氣浮位移平臺上還有滿足阿貝原則的激光測量 裝置17和光學(xué)成像裝置16，在零膨脹玻璃平臺5上放置二維光學(xué)線紋標(biāo)準(zhǔn)器，通過驅(qū)動(dòng)裝 置使X位移平臺Y位移平臺(3、4)位移，通過光學(xué)成像裝置和激光測量裝置對二維光學(xué)線 紋標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行測量，再利用二維光學(xué)線紋標(biāo)準(zhǔn)器將量值傳遞給影象測量儀，以保證影象測 量儀的量值準(zhǔn)確性和一致性。所述的共面氣浮位移平臺由X位移平臺3和Y位移平臺4交叉嵌合并共同以基 座1表面為支撐面，Y位移平臺4位于X位移平臺3下方，X位移平臺3的氣浮承重面位于 大理石基座1表面，Y位移平臺4的氣浮承重面也位于大理石基座1表面，形成共面結(jié)構(gòu)，XY位移平臺(3、4)的導(dǎo)軌相互分離，互不干涉，有效地避免了導(dǎo)軌重疊式結(jié)構(gòu)的相互耦合及 負(fù)載不一的缺點(diǎn)，Y向?qū)к壜癫赜诨?平臺內(nèi)，可降低重心，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。所述的基座1、X位移平臺3和Y位移平臺4均有相對應(yīng)的可透光的鏤空孔或條狀 孔，且基座1下方設(shè)有透射光裝置6，當(dāng)需要使用透射光方式照明時(shí)，透射光裝置6將從基座 1下方通過前述的可透光的鏤空孔或條狀孔將平行光移動(dòng)到被測件附近，透射光裝置6中 包含了一套透射光鏡組，該鏡組可以將光纖點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為測量所需的平行光，透射光裝置6 可以帶動(dòng)整組鏡組上下位移以方便使用。所述的驅(qū)動(dòng)裝置分別設(shè)于基座1的側(cè)壁，該驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)8的電機(jī)軸9與至少 一個(gè)摩擦輪10夾持一光桿11，光桿11 一端的氣浮軸承12與X位移平臺3或Y位移平臺4 連接；電機(jī)8為直流恒力矩電機(jī)，電機(jī)軸9自身即為一摩擦輪與另外的摩擦輪10夾持光桿 11，即通過壓緊力使電機(jī)軸9與光桿11緊密連接，當(dāng)電機(jī)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦輪和光桿間 產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動(dòng)，可帶動(dòng)光桿11前后位移，光桿11通過氣浮軸承12與位移平臺3或Y 位移平臺4連接到一起，光桿11的移動(dòng)可推動(dòng)X Y位移平臺(3、4)前后移動(dòng)，上述的摩擦 結(jié)構(gòu)及氣浮軸承12可補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)裝置的安裝誤差及移動(dòng)過程中的偏擺和干涉，由于X Y位移 平臺的結(jié)構(gòu)、位置及受力不同，X Y位移平臺(3、4)的氣浮軸承的結(jié)構(gòu)可作適當(dāng)?shù)淖兓?。為進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)裝置的穩(wěn)定性和超精密驅(qū)動(dòng)，在摩擦輪10另一側(cè)設(shè)有一對摩 擦輪10施加平行壓力的水平柔性鉸鏈18，該水平柔性鉸鏈18另一側(cè)與一壓緊螺母19接 觸，并通過壓緊螺母19調(diào)節(jié)摩擦輪10施加于光桿11的壓力進(jìn)而調(diào)節(jié)摩擦力，電機(jī)軸9轉(zhuǎn) 動(dòng)則在摩擦力的作用下光桿11作直線運(yùn)動(dòng)；為進(jìn)一步提高光桿11運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，在電機(jī)軸 9的另一側(cè)設(shè)有對稱設(shè)置的二個(gè)平衡輪20，該平衡輪20可平衡電機(jī)軸9受到的光桿11傳 遞過來的壓力，避免電機(jī)軸9的微小變化，使電機(jī)軸9始終保持在電機(jī)的中心位置而不產(chǎn)生 切向和徑向偏移，提高精度。所述的激光測量裝置17包括激光頭、分光鏡、轉(zhuǎn)向鏡、干涉鏡13、反射鏡14和參 考鏡15構(gòu)成，激光頭發(fā)出的激光束通過分光鏡和轉(zhuǎn)向鏡被分成X軸光束和Y軸光束，X軸 光束經(jīng)過X向反射鏡14和參考鏡15形成差動(dòng)光束在干涉鏡13形成干涉條紋，可獲得X位 移平臺3相對于Z中心軸的位移量，同理也可獲得Y位移平臺4相對于Z中心軸的位移量； 所述的光學(xué)成像裝置16設(shè)在零膨脹玻璃平臺5的上方，Z軸調(diào)焦裝置7亦設(shè)在光學(xué)成像裝 置16 —側(cè)，Z軸調(diào)焦裝置7使光學(xué)成像裝置16總是準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)零膨脹玻璃平臺5上放置的 被測件表面，通過本發(fā)明設(shè)置的工控機(jī)中的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡對摩擦驅(qū)動(dòng)裝置中的力矩電機(jī) 8發(fā)出運(yùn)行和移動(dòng)距離的指令，按照指令，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)X、Y位移平臺(3、4)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)激 光干涉儀測得X、Y方向的實(shí)際位移量輸入到運(yùn)動(dòng)控制卡，形成位移環(huán)控制，保證X、Y位移 平臺(3、4)帶著被測件運(yùn)動(dòng)到指定位。當(dāng)被測件運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，讀取激光干涉儀在此 位置的X、Y坐標(biāo)，同時(shí)光學(xué)成像裝置16對被測件的圖像瞄準(zhǔn)及采集此位置的像素坐標(biāo)，通 過圖像處理軟件、激光和像素的X、Y坐標(biāo)幾何運(yùn)算及相應(yīng)的幾何位置和形狀誤差的補(bǔ)償計(jì) 算，可精確獲得被測件上的各刻線間間距或圓心距。所述的激光測量裝置17形成的光路與置于零膨脹玻璃平臺5上的被測件表面的 高度同高，光路的布局和機(jī)械設(shè)計(jì)符合阿貝原則，且激光光路分成三路，其中兩路為X、Y測 長光路，另一路與前述的X測長光路或Y測長光路平行設(shè)置，可實(shí)時(shí)監(jiān)控Χ、γ位移平臺(3、 4)相對于Z軸的旋轉(zhuǎn)量。
所述的光學(xué)成像裝置16 —側(cè)設(shè)有Z軸調(diào)焦裝置7，光學(xué)成像裝置16包括(XD、雙 光管和物鏡(圖中未示出)，其照明方式有兩種，一種為反射照明，通過光纖將光源與光管 連接，形成物方遠(yuǎn)心同軸反射照明，使用光纖可避免光源的熱量對被測件尺寸的影響；另一 種是透射照明，也是通過光纖將光源從基座1下方引入到透射照明鏡組中形成平行光。
權(quán)利要求
1.一種激光兩坐標(biāo)裝置，包括基座(1)，其特征在于基座(1)平面上設(shè)有具x、Y方向的 共面氣浮位移平臺(3、4)，氣浮位移平臺上設(shè)有零膨脹玻璃平臺(5)，基座(1)置于4個(gè)氣 浮腳支承(2)上，氣浮位移平臺設(shè)有可Χ、Υ方向位移的驅(qū)動(dòng)裝置，氣浮位移平臺上還有滿足 阿貝原則的激光測量裝置(17)和光學(xué)成像裝置(16)。
2.按權(quán)利要求1所述的激光兩坐標(biāo)裝置，其特征在于所述的共面氣浮位移平臺由X位 移平臺(3)和Y位移平臺(4)交叉嵌合并共同以基座(1)表面為支撐面。
3.按權(quán)利要求2所述的激光兩坐標(biāo)裝置，其特征在于所述的基座(1)、X位移平臺(3) 和Y位移平臺(4)均有相對應(yīng)的可透光的鏤空孔或條狀孔，且基座(1)下方設(shè)有透射光裝 置(6)。
4.按權(quán)利要求1或2所述的激光兩坐標(biāo)裝置，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)裝置分別設(shè)于基 座(1)的側(cè)壁，該驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)(8)的電機(jī)軸(9)與至少一個(gè)摩擦輪(10)夾持一光桿 (11)，光桿(11) 一端的氣浮軸承(12)與X位移平臺(3)或Y位移平臺(4)連接。
5.按權(quán)利要求4所述的激光兩坐標(biāo)裝置，其特征在于所述的摩擦輪(10)另一側(cè)設(shè)有一 對摩擦輪(10)施加平行壓力的水平柔性鉸鏈(18)，水平柔性鉸鏈(18)另一側(cè)與一壓緊螺 母(19)接觸，在電機(jī)軸(9)的另一側(cè)設(shè)有對稱設(shè)置的二個(gè)平衡輪(20)。
6.按權(quán)利要求5所述的激光兩坐標(biāo)裝置，其特征在于所述的激光測量裝置(17)包括 激光頭、分光鏡、轉(zhuǎn)向鏡、干涉鏡(13)、反射鏡(14)和參考鏡(15)構(gòu)成，光學(xué)成像裝置(16) 設(shè)在零膨脹玻璃平臺(5)的上方。
7.按權(quán)利要求6所述的激光兩坐標(biāo)裝置，其特征在于所述的激光測量裝置形成的光路 與置于玻璃平臺(5)上的被測件表面的高度同高，且激光光路分成三路，其中兩路為Χ、Υ測 長光路，另一路與前述的X測長光路或Y測長光路平行設(shè)置，可實(shí)時(shí)監(jiān)控Χ、Υ位移平臺(3、 4)相對于Z軸的旋轉(zhuǎn)量。
8.按權(quán)利要求7所述的激光兩坐標(biāo)裝置，其特征在于所述的光學(xué)成像裝置一側(cè)設(shè)有Z 軸調(diào)焦裝置(7)，光學(xué)成像裝置(16)包括CCD、雙光管、物鏡，照明方式有反射式和透射式兩 種，都是通過光纖將光源引入到反射或透射鏡組，形成平行光照明。
全文摘要
本發(fā)明公開了滿足高精度、大行程和微步距、可對二維光學(xué)線紋標(biāo)準(zhǔn)器(或掩膜板、網(wǎng)格板)進(jìn)行高精度測量和溯源的激光兩坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)裝置。包括基座，關(guān)鍵是基座平面上設(shè)有具X、Y方向的共面氣浮位移平臺，氣浮位移平臺上設(shè)有零膨脹玻璃平臺，被測件放置在零膨脹玻璃平臺上，基座置于4個(gè)氣浮腳支承上，氣浮位移平臺設(shè)有可X、Y方向位移的驅(qū)動(dòng)裝置，氣浮位移平臺上還有滿足阿貝原則的激光測量裝置和光學(xué)成像裝置。本發(fā)明所使用的激光位置反饋分辨率為10nm，測長分辨率為0.3nm，保證整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大行程、微步距及納米級的定位精度。
文檔編號G01M11/00GK102004027SQ20091017644
公開日2011年4月6日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者葉孝佑, 孫雙花, 楊國梁, 林琳, 王鶴巖, 薛梓, 高宏堂 申請人:中國計(jì)量科學(xué)研究院