一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，包括零位信號讀取儀，二維工作臺，光柵尺輔助標定板，讀數(shù)頭檢測部分，測量基準架；光柵尺輔助標定板包括X、Y方向帶有零位標記點的光柵尺；讀數(shù)頭檢測部分包括光柵尺讀數(shù)頭及安裝支架；該對準系統(tǒng)基于光柵尺檢測對準原理以及零位信號檢測原理實現(xiàn)標記點對準。讀數(shù)頭通過檢測光柵尺輔助標定板上零位標記點信號，將信號傳輸給零位信號讀取儀，同時二維工作臺記錄自身的位置坐標并將信號傳輸給零位信號讀取儀，獲得零位標記點位置坐標。本實用新型能夠用于二維自標定技術(shù)中，實現(xiàn)納米級分辨率及對準精度；信號讀出延時小，能應(yīng)用于工作臺動態(tài)、高速標定；整體結(jié)構(gòu)相對簡單，性價比高，對環(huán)境不敏感。
【專利說明】一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種檢測對準系統(tǒng)，特別涉及一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]超精密工作臺在精密工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對多維工作臺的測量精度要求也越來越高，在超精密加工領(lǐng)域(如高端光刻機)，其多維測量精度往往需要達到納米級甚至亞納米級。針對超精密工作臺測量系統(tǒng)的標定問題，自標定技術(shù)的發(fā)展帶來了新的解決辦法。其中，自標定方法基于采用標記點精度低于被標定對象的輔助測量裝置作為媒介，通過該輔助測量裝置，獲取并對不同位姿的測量數(shù)據(jù)進行比較，來消除該輔助測量裝置標記點位置精度的影響，進而得到精密工作臺的標定函數(shù)，實現(xiàn)超精密工作臺系統(tǒng)誤差的標定。
[0003]同時，光柵測量系統(tǒng)作為一種典型的位移傳感器廣泛應(yīng)用于眾多機電設(shè)備。光柵測量系統(tǒng)的測量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理?；谀獱枟l紋原理的光柵測量系統(tǒng)作為一種發(fā)展成熟的位移傳感器以其測距長、成本低、易于裝調(diào)等眾多優(yōu)點成為眾多機電設(shè)備位移測量的首選。隨著光柵尺在工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展，其精度目前可以達到納米量級，最小分辨率可達到1.25nm，是比較理想的測量元件。
[0004]對于傳統(tǒng)的自標定方案中使用的輔助測量裝置，是一塊具有柵格刻線的光學(xué)玻璃板，在自標定過程中，需要利用光學(xué)顯微鏡測量系統(tǒng)對該光學(xué)玻璃板進行標記點的檢測和對準。該方案在諸多專利論文中均有揭露，例如美國學(xué)者Ye在研究論文“An exactalgorithm for self-calibrat1n of precis1n metrology stages，，中所使用的大小為100 X 100mm的光學(xué)玻璃板作為輔助測量裝置；清華大學(xué)專利文獻200510011385.2 (
【公開日】為2005年9月4日)，利用一種柵格玻璃板做輔助測量裝置，并完成XY 二維工作臺的自標定；清華大學(xué)學(xué)者 Hu,在文章 “A holistic self-calibrat1n algorithm for X-Yprecis1n metrology systems”中提到,在二維工作臺自標定過程中，使用了由鍍鉻石英玻璃板或鍍鉻K9玻璃板制成的輔助測量裝置，并結(jié)合光學(xué)顯微鏡對光學(xué)玻璃板進行標記點對準檢測。以上文獻中所使用的方案，都涉及到光學(xué)顯微鏡和圖像傳感器的使用，該方案特點是技術(shù)比較成熟，且模塊化程度較高，對準效果直觀。但該方案存在著明顯的弊端和不足，由于所用光學(xué)器件受光學(xué)衍射極限的限制，最高對準精度僅為10nm左右，這在很大程度上影響了最終自標定的效果；其次，由于采用光學(xué)顯微鏡配合圖像傳感器做檢測系統(tǒng)，涉及到大量的圖像數(shù)據(jù)處理問題，導(dǎo)致信號采集頻率較低，在這種情況下僅能進行靜態(tài)對準，很難在工作臺運動過程中進行對準和標定，這在很大程度上導(dǎo)致自標定過程時間長、效率低下；再者，由于采用光學(xué)顯微鏡和圖像傳感器等設(shè)備，勢必帶來成本高的問題和系統(tǒng)復(fù)雜度高的問題；并且該方案會受到一定的環(huán)境影響，所以對工作環(huán)境的要求比較高。
[0005]考慮到上述技術(shù)方案的弊端和局限，尋求一種利用光柵尺作為測量檢測工具的標記點檢測對準系統(tǒng)，該對準系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)二維自標定的標記點檢測對準；該對準系統(tǒng)檢測技術(shù)成熟、環(huán)境敏感性低，分辨率與精度可達納米級甚至更高；檢測信號易于處理，信號讀出延時小，能應(yīng)用于工作臺動態(tài)、高速標定；同時該檢測系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡潔、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝、方便應(yīng)用以及性價比高等優(yōu)點。采用該檢測對準系統(tǒng)作為二維自標定的標記點檢測對準裝置，能夠有效的降低傳統(tǒng)的光學(xué)檢測對準系統(tǒng)在自標定應(yīng)用中的不足，使自標定效果提升。該標記點檢測對準系統(tǒng)還可應(yīng)用于其他需要進行對準檢測的設(shè)備，如三坐標測量機、半導(dǎo)體檢測設(shè)備等。
實用新型內(nèi)容
[0006]考慮到上述技術(shù)方案的弊端和局限性，本實用新型的目的是尋求一種利用光柵尺作為測量檢測工具的標記點檢測對準系統(tǒng)，以實現(xiàn)二維自標定的標記點檢測對準；使得檢測信號易于處理，信號讀出延時小，能應(yīng)用于工作臺動態(tài)、高速標定；同時使該檢測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝、方便應(yīng)用以及性價比高等優(yōu)點。
[0007]本實用新型的技術(shù)方案如下:
[0008]一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:包括零位信號讀取儀、光柵尺輔助標定板、讀數(shù)頭檢測部分和測量基準架；所述光柵尺輔助標定板設(shè)有X方向槽道、Y方向槽道、標有零位標記點的X方向光柵尺和標有零位標記點的Y方向光柵尺；標有零位標記點的X方向光柵尺和標有零位標記點的Y方向光柵尺分別安裝在X方向槽道和Y方向槽道內(nèi)；同向槽道間相互平行且間距相等；所述讀數(shù)頭檢測部分包括X方向第一光柵尺讀數(shù)頭和Y方向第一光柵尺讀數(shù)頭；所述零位信號讀取儀與二維工作臺通過信號線相互連接；所述光柵尺輔助標定板放置于二維工作臺上，標定板的三個角分別由第一限位塊，第二限位塊，第三限位塊固定于二維工作臺上，標定板第四個角的兩邊分別由安裝在二維工作臺上的第一基準條和第二基準條固定；所述讀數(shù)頭檢測部分的X方向第一光柵尺讀數(shù)頭通過第一安裝支架安裝在測量基準架X方向一側(cè)的面上；γ方向第一光柵尺讀數(shù)頭通過第二安裝支架安裝在測量基準架Y方向一側(cè)的面上；所述測量基準架安裝在二維工作臺的龍門架上。
[0009]本實用新型的技術(shù)特征還在于:所述的讀數(shù)頭檢測部分還包括X方向第二光柵尺讀數(shù)頭和Y方向第二光柵尺讀數(shù)頭；其中X方向第二光柵尺讀數(shù)頭通過第三安裝支架安裝在測量基準架X方向另一側(cè)的面上；Υ方向第二光柵尺讀數(shù)頭通過第四安裝支架安裝在測量基準架Y方向另一側(cè)的面上。
[0010]本實用新型所述的零位信號讀取儀為基于FPGA的高速多路光柵信號處理系統(tǒng)。
[0011]本實用新型所述的光柵尺輔助標定板的X方向槽道長度為50mm — 150mm，寬度為5mm一1mm,深度為0.3-0.8mm ；Y方向槽道長度為50mm—150mm,寬度為5mm—1mm,深度為0-0.5mm, ；X> Y方向槽道形成深度為0.2mm一0.4mm的高度差。
[0012]本實用新型所述的標有零位標記點的X方向光柵尺和標有零位標記點的Y方向光柵尺，均采用厚度為0.2mm—0.5mm的一維反射型光柵，分辨率為1.25nm。
[0013]本實用新型所述的光柵尺讀數(shù)頭第一安裝支架、第二安裝支架、第三安裝支架和第四安裝支架(48)均為L型結(jié)構(gòu)，由合金鋁材料加工制成。
[0014]本實用新型所述的測量基準架的外形為長方體結(jié)構(gòu)，在該測量基準架的上部設(shè)有多排用于調(diào)節(jié)自身高度和水平位置的安裝調(diào)節(jié)孔。
[0015]本實用新型所提供的一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)具有以下優(yōu)點及突出性效果:該對準系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)二維自標定的標記點檢測對準，克服了傳統(tǒng)檢測對準系統(tǒng)在自標定應(yīng)用中的缺點，使工作臺能在動態(tài)、高速情況下進行檢測對準，實現(xiàn)了高速高效的標定，并且檢測信號易于處理，信號讀出延時?。辉搶氏到y(tǒng)檢測技術(shù)成熟、環(huán)境敏感性低，分辨率與精度可達納米級甚至更高；同時該檢測系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡潔、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝、方便應(yīng)用以及性價比高等優(yōu)點。采用該檢測對準系統(tǒng)作為二維自標定的標記點檢測對準裝置，能夠有效的降低傳統(tǒng)的光學(xué)檢測對準系統(tǒng)在自標定應(yīng)用中的不足，使自標定效果大幅度提升。該標記點檢測對準系統(tǒng)還可應(yīng)用于其他需要進行對準檢測的設(shè)備，如三坐標測量機、半導(dǎo)體檢測設(shè)備等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)示意圖。
[0017]圖2為本實用新型一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)的檢測對準模塊示意圖。
[0018]圖3為本實用新型檢測對準模塊在X方向和Y方向進行對準檢測的俯視圖。
[0019]圖4為本實用新型所述輔助標定板及其槽道結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5為本實用新型的讀數(shù)頭檢測部分另一種實施方式的示意圖。
[0021]圖中:1 一零位信號讀取儀，2—二維工作臺，3—光柵尺輔助標定板，4一讀數(shù)頭檢測部分，5—測量基準架；31—標有零位標記點的X方向光柵尺；32—標有零位標記點的Y方向光柵尺；33 — X方向槽道，34—Y方向槽道，35—第一基準條，36—第二基準條，37—第一限位塊，38一第二限位塊,39一第三限位塊；41一X方向第一光柵尺讀數(shù)頭,42—第一安裝支架，43—Y方向第一光柵尺讀數(shù)頭，44一第二安裝支架；45—X方向第二光柵尺讀數(shù)頭，46—第三安裝支架，47 — Y方向第二光柵尺讀數(shù)頭，48—第四安裝支架。

【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本實用新型的結(jié)構(gòu)、原理和【具體實施方式】作進一步地詳細描述。
[0023]請參考圖1，圖1為本實用新型一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，該二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)包括:零位信號讀取儀1，二維工作臺2，光柵尺輔助標定板3，讀數(shù)頭檢測部分4，測量基準架5。
[0024]所述零位信號讀取儀I與二維工作臺2通過信號線相互連接；所述光柵尺輔助標定板3包括:X方向槽道33，Y方向槽道34，標有零位標記點的X方向光柵尺31，標有零位標記點的Y方向光柵尺32，第一基準條35，第二基準條36，第一限位塊37，第二限位塊38，第三限位塊39 ;所述讀數(shù)頭檢測部分4包括:X方向第一光柵尺讀數(shù)頭41，第一安裝支架42，Y方向第一光柵尺讀數(shù)頭43，第二安裝支架44 ;所述測量基準架5安裝在二維工作臺2的龍門架上，具有多孔安裝調(diào)節(jié)功能，提供Z軸方向的安裝位置。
[0025]請參考圖2，圖2為本實用新型一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)的檢測對準模塊不意圖。所述光柵尺輔助標定板3上表面刻有X方向槽道33, Y方向槽道34,同向槽道間相互平行且間距相等，分別用于安裝標有零位標記點的X方向光柵尺31和標有零位標記點的Y方向光柵尺32 ;將其放置于二維工作臺2上，X方向由第一基準條35作基準，Y方向由第二基準條36作基準，光柵尺輔助標定板3剩余三個角分別由第一限位塊37，第二限位塊38，第三限位塊39作限位固定于二維工作臺2上；所述讀數(shù)頭檢測部分4的X方向第一光柵尺讀數(shù)頭41安裝在第一安裝支架42上，第一安裝支架42安裝在測量基準架5的X方向一側(cè)的面上；Y方向第一光柵尺讀數(shù)頭43安裝在第二安裝支架44上，第二安裝支架44安裝在測量基準架5的Y方向一側(cè)的面上。
[0026]請參考圖3，圖3為本實用新型檢測對準模塊在X方向和Y方向進行對準檢測的俯視圖。所述的標有零位標記點的X方向光柵尺31和標有零位標記點的Y方向光柵尺32均采用厚度范圍為0.2mm一0.5mm的一維反射型光柵,分辨率最高可達1.25nm。所述的光柵尺讀數(shù)頭第一安裝支架42、第二安裝支架44，均為L型結(jié)構(gòu)，由合金鋁材料加工制成。所述的測量基準架5為合金鋁材料，其外形為長方體結(jié)構(gòu)，上端具有多排安裝調(diào)節(jié)孔，安裝在二維工作臺2上時高度和水平位置可調(diào)。
[0027]結(jié)合圖1、圖2和圖3闡述測量系統(tǒng)原理，所述的零位信號讀取儀I為基于FPGA的高速多路光柵信號處理系統(tǒng)，與讀數(shù)頭檢測部分4中X方向第一光柵尺讀數(shù)頭41和Y方向第一光柵尺讀數(shù)頭43分別通過信號線相連；所述的二維工作臺2在某一標記點位置處運動時，X方向第一光柵尺讀數(shù)頭41，通過檢測光柵尺輔助標定板3上標有零位標記點的X方向光柵尺31，獲取零位標記點信號，并將該信號傳輸給零位信號讀取儀1，同時二維工作臺2記錄此刻自身的X軸位置坐標并將信號傳輸給零位信號讀取儀1，即獲得該零位標記點X軸的位置坐標；同理，二維工作臺2在相應(yīng)標記點位置處運動時，Y方向第一光柵尺讀數(shù)頭43，通過檢測光柵尺輔助標定板3上標有零位標記點的Y方向光柵尺32，獲取零位標記點信號，并將該信號傳輸給零位信號讀取儀1，同時二維工作臺2記錄此刻自身的Y軸位置坐標并將信號傳輸給零位信號讀取儀1，即獲得該零位標記點Y軸的位置坐標。
[0028]當(dāng)獲取到X、Y軸坐標信息時，即完成輔助標定板3上一個零位標記點的檢測。依此法對剩余標記點操作，即完成自標定過程中對所有標記點的檢測、對準和記錄功能。
[0029]請參考圖4，圖4為本實用新型所述輔助標定板及其槽道示意圖。如圖4所示，所述的光柵尺輔助標定板3為合金鋁材料，在其正面上X方向和Y方向分別加工有用于安裝光柵尺的槽道，所述槽道同向間相互平行且間距相等；其中X方向槽道33長度為50mm—150mm,寬度為5mm—1mm,深度為0.3-0.8mm ；Y方向槽道34長度為50mm—150mm,寬度為5mm一1mm,深度為0-0.5mm, ；X> Y方向槽道形成深度為0.2mm一0.4mm的高度差。
[0030]請參考圖5，圖5為本實用新型另一種讀數(shù)頭檢測部分實施方式示意圖。所述的讀數(shù)頭檢測部分4的另一種實施方式包括X方向第二光柵尺讀數(shù)頭45和Y方向第二光柵尺讀數(shù)頭47 ;其中X方向第二光柵尺讀數(shù)頭45通過第三安裝支架46安裝在測量基準架5的X方向另一側(cè)的面上；Y方向第二光柵尺讀數(shù)頭47通過第四安裝支架48安裝在測量基準架5的Y方向另一側(cè)的面上。
[0031]上述實施方式中給出的測量系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)方案能夠?qū)崿F(xiàn)二維自標定的標記點檢測對準；該對準系統(tǒng)檢測技術(shù)成熟、環(huán)境敏感性低，分辨率與精度可達納米級甚至更高；檢測信號易于處理，信號讀出延時小，能應(yīng)用于工作臺動態(tài)、高速標定；同時該檢測系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡潔、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝、方便應(yīng)用以及性價比高等優(yōu)點。采用該檢測對準系統(tǒng)作為二維自標定的標記點檢測對準裝置，能夠有效的降低傳統(tǒng)的光學(xué)檢測對準系統(tǒng)在自標定應(yīng)用中的不足，使自標定效果在精度上大大提高的同時，標定效率也得到顯著提升，可以實現(xiàn)工作臺高速高效動態(tài)標定。該標記點檢測對準系統(tǒng)還可應(yīng)用于諸如精密機床、半導(dǎo)體檢測設(shè)備等其他需要進行對準檢測的設(shè)備中。
【權(quán)利要求】
1.一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:包括零位信號讀取儀(I)、光柵尺輔助標定板(3)、讀數(shù)頭檢測部分(4)和測量基準架(5)； 所述光柵尺輔助標定板(3)設(shè)有X方向槽道(33)、Y方向槽道(34)、標有零位標記點的X方向光柵尺(31)和標有零位標記點的Y方向光柵尺(32);標有零位標記點的X方向光柵尺(31)和標有零位標記點的Y方向光柵尺(32)分別安裝在X方向槽道(33)和Y方向槽道(34)內(nèi)；同向槽道間相互平行且間距相等；所述讀數(shù)頭檢測部分⑷包括X方向第一光柵尺讀數(shù)頭(41)和Y方向第一光柵尺讀數(shù)頭(43);所述零位信號讀取儀(I)與二維工作臺(2)通過信號線相互連接； 所述光柵尺輔助標定板(3)放置于二維工作臺(2)上，標定板的三個角分別由第一限位塊(37)，第二限位塊(38)，第三限位塊(39)固定于二維工作臺(2)上，標定板第四個角的兩邊分別由安裝在二維工作臺(2)上的第一基準條(35)和第二基準條(36)固定； 所述讀數(shù)頭檢測部分(4)的X方向第一光柵尺讀數(shù)頭(41)通過第一安裝支架(42)安裝在測量基準架(5)X方向一側(cè)的面上；￥方向第一光柵尺讀數(shù)頭(43)通過第二安裝支架(44)安裝在測量基準架(5)Y方向一側(cè)的面上；所述測量基準架(5)安裝在二維工作臺(2)的龍門架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:所述的讀數(shù)頭檢測部分(4)還包括X方向第二光柵尺讀數(shù)頭(45)和Y方向第二光柵尺讀數(shù)頭(47);其中X方向第二光柵尺讀數(shù)頭(45)通過第三安裝支架(46)安裝在測量基準架(5)Χ方向另一側(cè)的面上，方向第二光柵尺讀數(shù)頭(47)通過第四安裝支架(48)安裝在測量基準架(5)Υ方向另一側(cè)的面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:所述的零位信號讀取儀(I)為基于FPGA的高速多路光柵信號處理系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:所述的光柵尺輔助標定板⑶的X方向槽道(33)長度為50_—150mm,寬度為5_—1mm,深度為0.3-0.8mm ；Y方向槽道(34)長度為50mm—150mm,寬度為5mm—1mm,深度為0-0.5mm ；X方向與Y方向槽道形成深度為0.2mm—0.4mm的高度差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:所述的標有零位標記點的X方向光柵尺(31)和標有零位標記點的Y方向光柵尺(32)均采用厚度為0.2mm—0.5mm的一維反射型光柵，分辨率為1.25nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一安裝支架(42)和第二安裝支架(44)均為L型結(jié)構(gòu)，由合金鋁材料加工制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:所述的第三安裝支架(46)和第四安裝支架(48)均為L型結(jié)構(gòu)，由合金鋁材料加工制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種二維自標定標記點檢測對準系統(tǒng)，其特征在于:所述的測量基準架(5)的外形為長方體結(jié)構(gòu)，在該測量基準架的上部設(shè)有多排用于調(diào)節(jié)自身高度和水平位置的安裝調(diào)節(jié)孔。
【文檔編號】G01B11/00GK203949628SQ201420308219
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】朱煜, 胡楚雄, 徐振源, 張鳴, 楊進, 穆海華, 胡金春, 徐登峰, 尹文生, 楊開明, 劉召, 成榮 申請人:清華大學(xué), 北京華卓精科科技有限公司