專利名稱：高精度六軸激光測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高精度測量領(lǐng)域，尤其關(guān)于一種高精度六軸激光干涉 測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
目前激光干涉技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高精度位置測量，其具有精度 高，可靠性強，誤差干擾小的特點。尤其在集成電路產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用于光 刻系統(tǒng)以及硅片對準(zhǔn)上。較成熟的激光測量裝置，普遍使用單參數(shù)測 量，但有很多高精度測量場合，需要確定的參數(shù)很多，無法滿足應(yīng)用 需求，故需要使用到多軸測量系統(tǒng)。六軸測量系統(tǒng)可以實時測量被測物體的三個線位運動量和三個 轉(zhuǎn)動量，其測量方法和技術(shù)研究一直是人們試圖解決的技術(shù)難題?，F(xiàn) 有的高精度多自由度測量裝置是通過對激光光路的改造來實現(xiàn)，其光 路布置比較復(fù)雜，對光學(xué)器件的加工制造精度和安裝精度都提出了很 高的要求，且測量精度受環(huán)境因素的干擾較大。同時，由于激光干涉 技術(shù)要求其測量面具有較高的反射率和光潔度，其測量裝置的通用性 受到了很大的限制。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決以上問題，提供了一種高精度六軸激光測量裝置及其測量方法，裝置包括激光干涉測量系統(tǒng)，工作臺，運動執(zhí)行系統(tǒng)； 激光干涉測量系統(tǒng)包括六個單軸激光干涉儀垂向沿Z軸布置的三個激光干涉儀負(fù)責(zé)測量垂向三軸(z， ex、 ey)的運動量，水平向沿x軸布置的兩個激光干涉儀負(fù)責(zé)測量x向運動量X和轉(zhuǎn)角0z，沿y軸布置的激光干涉儀負(fù)責(zé)測量y向運動量Y。工作臺設(shè)有氣環(huán)，靠吸附力固定被測物，通過墊片連接運動執(zhí)行 系統(tǒng)；運動執(zhí)行系統(tǒng)包括垂向三軸運動執(zhí)行器和水平向運動臺，可以 驅(qū)動工作臺做空間六軸運動。設(shè)有一安裝支架，對測量儀器進行校準(zhǔn)時，可將被校準(zhǔn)儀器安裝 在該支架上，由運動執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動工作臺運動，并以工作臺運動量作 為測量基準(zhǔn)，可以減小因材料長期熱漂移所引起的系統(tǒng)誤差。本發(fā)明所述的高精度六軸激光測量方法，其方法步驟如下(1) 為激光干涉儀確定一個基準(zhǔn)面，建立空間坐標(biāo)系，并使坐 標(biāo)原點O位于三個垂向激光干涉儀測量點A、 B、 C的中心；(2) 根據(jù)三個垂向激光干涉儀相對坐標(biāo)系的位置，確定A、 B、 C三點的x， y坐標(biāo)；根據(jù)三個垂向激光干涉儀所測測量點的高度值 h確定三點的z坐標(biāo)；(3) 根據(jù)A、 B、 C三點的坐標(biāo)值擬和出其所在平面的平面方程 ax+by+cz=l;(4) 根據(jù)己知平面與空間坐標(biāo)系的幾何關(guān)系計算垂向三軸Z，ex、 ey的運動量。(5) 水平面內(nèi)x向布置的兩個激光干涉儀測量D、 E兩點沿x 軸方向的運動量，根據(jù)測量結(jié)果以及DE間幾何關(guān)系，計算工作臺沿x軸方向運動量x和工作臺沿z軸轉(zhuǎn)角ez，并考慮ez對x所產(chǎn)生的 影響。(6) 水平面內(nèi)y向布置的激光干涉儀測量工作臺沿y軸的運動 量Y，并考慮轉(zhuǎn)角ez對Y所產(chǎn)生的影響。本發(fā)明的高精度六軸激光測量裝置具有以下特點 裝置結(jié)構(gòu)靈活，由測量系統(tǒng)和運動執(zhí)行系統(tǒng)組合而成，便于拆卸， 且垂向測量和水平向測量相互獨立。測量精度高，誤差小，通用性強， 適用于非接觸式和接觸式位移傳感器的校準(zhǔn)，同時可用于對多軸運動執(zhí)行器的運動精度進行標(biāo)定。


圖1為本發(fā)明的高精度六軸測量裝置的裝置圖；圖2為本發(fā)明所述激光干涉儀的布局圖；圖3為本發(fā)明所述測量方法建立的坐標(biāo)系圖；圖4為垂向測量時干涉儀測量面傾角計算示意圖；圖5為垂向測量時干涉儀測量面法向量在xoy面上的投影圖;圖6為X、 Y及6z測量計算示意圖；圖7為帶氣環(huán)的工作臺示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合說明書附圖詳細介紹本發(fā)明的測量裝置與測量方法 本發(fā)明的一個具體實施例，裝置結(jié)構(gòu)如圖l所示，其中包括激光 干涉測量系統(tǒng)(1)，工作臺(2)和運動執(zhí)行系統(tǒng)，運動執(zhí)行系統(tǒng)由垂向運動執(zhí)行器(4)和水平運動執(zhí)行器(5)組成。激光干涉測量系 統(tǒng)由豎直布置的三個單軸激光干涉儀和水平向布置的三個單軸激光 干涉儀組成。工作臺(2)是一種表面平整度和光潔度都比較高的光 學(xué)器件，由微精玻璃加工而成，上表面和相鄰側(cè)面經(jīng)拋光、鍍膜，可 以作為激光干涉儀的測量面，如圖7所示。工作臺上表面開有不同直 徑的氣環(huán)(201)，每個氣環(huán)各對應(yīng)一個氣孔(203),氣孔通過控制閥 和真空管道相連。當(dāng)被校準(zhǔn)的測量儀器對測量面有特定要求時，根據(jù) 測量物面形狀在工作臺(2)上選擇合適尺寸的氣環(huán)對測量物進行吸 附。工作臺(2)上有六個椎形固定孔(202)，通過六個椎形磁鐵的 吸附力與運動執(zhí)行系統(tǒng)固定。為了減輕自身重量，工作臺(2)采用 中空結(jié)構(gòu)。工作臺(2)和運動執(zhí)行系統(tǒng)的垂向運動控制器(4)之間 夾有一層墊片(3)，墊片(3)采用形變系數(shù)較大的金屬材料加工而成，可以吸收運動執(zhí)行器由于長時間的受熱或受力所引起的微小變形，以免損壞工作臺(2)。墊片(3)上開有多種型號的固定孔，以 便于連接工作臺(2)和運動執(zhí)行系統(tǒng)的垂向運動執(zhí)行器(4)。測量系統(tǒng)由六個高精度激光干涉儀組成，其布局如圖2所示。垂 向布置的激光干涉儀(101)、 (102)和(103)負(fù)責(zé)測量垂向三軸(Z 和9x、 9y)運動量，水平向布置的激光干涉儀(104)、 (105)用 于測量X和0z， y向測量由干涉儀(106)完成。垂向三軸(Z和0x、 9y)運動量根據(jù)豎直布置的三個激光干涉 儀(101)、 (102)和(103)的測量結(jié)果hl、 h2、 h3，及三個干涉儀 之間相對位置關(guān)系計算得出。首先為激光干涉儀確定一個基準(zhǔn)面，然 后建立如圖3所示的坐標(biāo)系，使坐標(biāo)原點0位于三個干涉儀測量點的 中心，x軸和y軸在基準(zhǔn)面上。在垂向干涉儀測量面和基準(zhǔn)面重合時， 將干涉儀(101)、 (102)和(103)清零。設(shè)該測量面所在平面方程 為ox + ^ + cz^，干涉儀三個測量點的坐標(biāo)為v4(^，:^,z,)， 5(^2，>;2，22)和 C(x3，>;3,Z3),其中，A、 B、 C點的x和y坐標(biāo)可以根據(jù)三個干涉儀相 對于坐標(biāo)系的位置關(guān)系計算得出，而z為干涉儀所測得的高度值h。 根據(jù)A、 B、 C三點的坐標(biāo)值可以計算出a、 b、 c，進而確定出干涉儀 測量面所在平面方程。若干涉儀測量面相對于基準(zhǔn)面夾角為e ，如 圖4所示，^ 為測量面通過坐標(biāo)原點0的一個法向量，則此法向量 (fl,6,c)與z軸機0,l)的夾角為e。將0角沿垂直于x軸和y軸方向上 分解為9x和9y，則9x和8y即為承片臺上表面相對于零平面的 轉(zhuǎn)角。設(shè)P點在xoy面上的投影為P。，冗。與x軸夾角為小，如圖5。由于0x和6y都很小，所以存在有如下近似關(guān)系汰:<formula>formula see original document page 7</formula>。角為向量歷=缸6，c)與z軸{0，o'1)的夾角，c。s臼。了齋中角為向量一OPo=缸，b，o)與x軸{1，0，o)的夾角，<formula>formula see original document page 8</formula>于是Ox~sinOsin~=燾砂≈一sin9c。s伊。一j藝南令x0，J，0，即可得0點的高度值z!。即<formula>formula see original document page 8</formula>工作臺沿Z向轉(zhuǎn)角和水平向x位移量由兩個沿X方向平行布置的激光干涉儀(104)、(105)測得，假定(104)和(105)測量結(jié)果分別為h4和h5，則曉≈1=h5—-hr4。工作臺沿Z向的轉(zhuǎn)角影響x向測量結(jié)lDEI果，如圖6所示，由于弦使x n~T NN_RR---2I，若I蕊陋巨離為d，則J瓦l距離為j妥，即l面I距離為d(—l_一1)，x向運動量為<formula>formula see original document page 8</formula>水平向布置的干涉儀(106)負(fù)責(zé)測量y<formula>formula see original document page 8</formula>向運動量，如圖6所示，假定(106)測量結(jié)果為h6，同理，曉影響Y向測量結(jié)果，即y向運動量為，=h6一d(—l_一1)。則<formula>formula see original document page 9</formula>以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的一個較佳實施例，并不能以此來 限定本發(fā)明的范圍。任何對本發(fā)明的機制作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的部件 的替換、組合、分立，以及對本發(fā)明實施步驟作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的 等同改變或替換均不超出本發(fā)明的揭露以及保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種高精度六軸激光測量裝置，用于對測量儀器進行校準(zhǔn)標(biāo)定，其特征在于包括激光干涉測量系統(tǒng)，工作臺和運動執(zhí)行系統(tǒng)；所述激光干涉測量系統(tǒng)包括六個單軸激光干涉儀垂向沿z軸布置的三個激光干涉儀，負(fù)責(zé)測量垂向三軸(Z，θx、θy)的運動量，水平布置的三個激光干涉儀負(fù)責(zé)測量水平x向運動量X、y向運動量Y和轉(zhuǎn)角度θz；所述工作臺通過墊片連接運動執(zhí)行系統(tǒng)，并由運動執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動，可以做空間六軸運動，被測物料吸附在工作臺上，并隨工作臺一起運動。
2、 如權(quán)利要求1所述的高精度六軸激光測量裝置，其特征在于 所述激光干涉測量系統(tǒng)，確定一個基準(zhǔn)面建立空間坐標(biāo)系，垂向沿z 軸設(shè)置三個單軸激光干涉儀，水平向沿x軸設(shè)置兩個單軸激光干涉 儀，沿y軸設(shè)置一個單軸激光干涉儀。
3、 如權(quán)利要求1所述的高精度六軸激光測量裝置，其特征在于 所述運動執(zhí)行系統(tǒng)包括垂向三軸運動執(zhí)行器和水平向運動臺。
4、 如權(quán)利要求1所述的高精度六軸激光測量裝置，其特征在于 所述工作臺上還設(shè)有氣環(huán)，靠真空吸附固定被測物料。
5、 如權(quán)利要求1所述的高精度六軸激光測量裝置，其特征在于 還設(shè)有一安裝支架上，用于固定被校準(zhǔn)的測量儀器。
6、 一種高精度六軸激光測量方法，用于對測量儀器進行校準(zhǔn)標(biāo)定其方法步驟如下(1) 為激光干涉儀確定一個基準(zhǔn)面，建立空間坐標(biāo)系，并使坐標(biāo)原點O位于三個垂向激光干涉儀測量點A、 B、 C的中心；(2) 根據(jù)三個垂向激光干涉儀相對坐標(biāo)系的位置，確定A、 B、 C三點的x， y坐標(biāo)；根據(jù)三個垂向激光干涉儀所測測量點的高度值h確定三點的Z坐標(biāo)；(3) 根據(jù)A、 B、 C三點的坐標(biāo)值確定其所在平面的平面方程 ax+by+cz=l;(4) 根據(jù)已知平面與空間坐標(biāo)系的幾何關(guān)系計算垂向三軸Z，ex、 ey的運動量。(5) 水平向x軸兩個激光干涉儀測量工作臺上D、 E兩點沿x 軸的運動量，根據(jù)被測量點運動量以及DE間距幾何關(guān)系，計算工作 臺沿x軸的運動量X和沿z軸的轉(zhuǎn)角ez，并考慮0z對X所產(chǎn)生的影 響。(6) 水平向y軸一個激光干涉儀測量工作臺上F點沿y軸的運 動量，根據(jù)F點運動量及轉(zhuǎn)角ez，計算工作臺沿y軸運動量Y，并 考慮ez對Y所產(chǎn)生的影響。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于一種高精度六軸激光測量裝置及方法，包括激光干涉測量系統(tǒng)，工作臺，運動執(zhí)行系統(tǒng)。激光干涉測量系統(tǒng)包括垂向沿z軸布置的三個激光干涉儀，負(fù)責(zé)測量垂向三軸(Z，θx、θy)的運動量，沿x軸布置的兩個激光干涉儀負(fù)責(zé)測量工作臺沿x軸運動量X和轉(zhuǎn)角θz，沿y軸布置的一個激光干涉儀負(fù)責(zé)測量y向運動量Y；工作臺通過墊片連接運動執(zhí)行系統(tǒng)，并由運動執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動，可以做空間六軸運動。此裝置結(jié)構(gòu)靈活，便于拆卸，且垂直測量和水平測量相互獨立。測量精度高，誤差小，通用性強，適用于非接觸和接觸式位移傳感器的校準(zhǔn)，同時可用于對多軸運動執(zhí)行器的運動精度進行標(biāo)定。
文檔編號G01B11/02GK101216290SQ20071017372
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者李志科, 程吉水, 金小兵 申請人:上海微電子裝備有限公司