一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法，利用測量精度不高于柵格板本身的二維影像測量儀作為測量工具,將二維柵格板通過承載夾具安裝在影像測量儀工作臺上。通過影像測量儀讀取柵格板上每個柵格點的坐標，接著將柵格板相對初始位置旋轉90度，再次讀取柵格板上每個柵格點的坐標，然后以初始位置為基準向左及向右各平移一個柵格間距，再次讀取柵格板上每個柵格點的坐標。針對上述4個柵格位置或更多位置下的測量數(shù)據(jù)，建立測量系統(tǒng)矩陣方程，基于最小二乘法可以求解出二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差。本發(fā)明實現(xiàn)了利用低精度的影像測量儀標定二維柵格板的功能，無需額外的高精度標定工具，適用于各種類型的二維柵格板的精度標定。
【專利說明】一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法，屬于精密加工及測量 領域。

【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的不斷發(fā)展，在半導體光刻、超精密加工、生物細胞操縱和納米技術 等領域?qū)Χㄎ缓瓦\動的精度要求越來越高。因此，高精密的檢測儀器成為了這些領域的重 要科學裝置。要保證檢測儀器的測量精度，能對儀器進行校準的器件是必不可少的。而二 維柵格板是一種能對檢測儀器的平面內(nèi)定位誤差進行校準的標準器件。由于制造工藝等原 因，二維柵格板本身存在著柵格點系統(tǒng)誤差，使用前需要對它進行精度標定。
[0003] 傳統(tǒng)的二維柵格板精度標定方法是以更高精度的測量工具來標定相對低精度的 二維柵格板。然而，在精密加工及檢測裝備中，對二維柵格板的系統(tǒng)誤差要求是亞微米甚至 納米級的，這就造成了我們無法輕易得到更高精度的測量工具進行標定工作。在此背景下， 產(chǎn)生了一種稱為自校準（self-calibration)的方法來解決此類標定難題。其基本思想思 路是采用重復測量精度與校準精度匹配的測量裝置，通過對二維柵格板的不同位置下的測 量數(shù)據(jù)的計算，消除測量裝置自身的系統(tǒng)誤差，得到二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差。
[0004] 美國專利US5798947中的自校準方法需要二維柵格板處在三個基本位置（S卩，初 始位置、90度旋轉位置和平移一個柵格間距位置）的重復測量。同時，基于傅里葉變換方法 提出了一種自校準算法，在不計測量噪聲的情況下實現(xiàn)了沒有重構誤差的自校正。但是，以 上基于傅里葉變換原理的方法在對測量噪聲的處理上存在不足，最終的測量結果會放大測 量噪聲的影響。
[0005] 中國專利200510011385也是基于三個基本位置的重復測量方法，并提出了一種 新的非線性優(yōu)化方法對二維工作臺實施自校準。但是該方法沒有考慮在三個基本位置之間 轉換時產(chǎn)生的坐標原點偏差，這會導致最優(yōu)化結果不一定是需要的結果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術的不足和缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng) 誤差自校準方法。該方法不局限于已有的三個基本位置的重復測量，可以對柵格板放置的 四個位置的測量數(shù)據(jù)進行計算，使得測量噪聲的影響不會被放大，提高測量精度。
[0007] 本發(fā)明的技術方案： 一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法，其特征在于所述自校準方法包括以下 步驟： 1)將待校準的二維柵格板（1)通過承載夾具放置在影像測量儀的工作臺（2 )上。二維 柵格板上的各個柵格點的系統(tǒng)誤差記為Sn，而每個柵格點所對應的影像測量儀工作臺的系 統(tǒng)誤差記為An，其中n=[l,N],N為柵格點的個數(shù)。
[0008] 2)在初始位置0上，利用影像測量儀依次讀取每個柵格點的中心坐標，記讀數(shù)為 Man，這個測量值由柵格系統(tǒng)誤差Sn，工作臺系統(tǒng)誤差An，初始位置0的坐標原點與虛擬坐標 原點的偏差〇〇以及測量噪聲E&所決定。
[0009] 3)將二維柵格板相對于工作臺旋轉90度，使之固定于位置1上。同樣利用影像測 量儀依次讀取每個柵格點的中心坐標，記讀數(shù)為Mu，這個測量值由柵格系統(tǒng)誤差Sn，工作 臺系統(tǒng)誤差An，位置1的坐標原點與虛擬坐標原點的偏差以及測量噪聲Eu所決定。
[0010]4)將二維柵格板以初始位置0為基準向左平移一個柵格間距，使之固定于位置2 上。同樣利用影像測量儀依次讀取每個柵格點的中心坐標，記讀數(shù)為M2，n，這個測量值由柵 格系統(tǒng)誤差Sn，工作臺系統(tǒng)誤差An，位置2的坐標原點與虛擬坐標原點的偏差02以及測量 噪聲E2，n所決定。
[0011] 5)將二維柵格板以初始位置0為基準向右平移一個柵格間距，使之固定于位置3 上。同樣利用影像測量儀依次讀取每個柵格點的中心坐標，記讀數(shù)為M3，n，這個測量值由柵 格系統(tǒng)誤差Sn，工作臺系統(tǒng)誤差An，位置3的坐標原點與虛擬坐標原點的偏差03以及測量 噪聲￡ 3，"所決定。
[0012] 6)將步驟2?5的4個位置得到的所有測量值以及各個未知參數(shù)建立矩陣方程：

【權利要求】
1. 一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法，其特征在于該方法按如下步驟進 行： 1) 將待校準的二維柵格板（1)通過承載夾具放置在影像測量儀的工作臺（2)上，二維 柵格板上的各個柵格點的系統(tǒng)誤差記為Sn，而每個柵格點所對應的影像測量儀工作臺的系 統(tǒng)誤差記為An,其中n= [1，N],N為柵格點的個數(shù)； 2) 在初始位置O上，利用影像測量儀依次讀取每個柵格點的中心坐標，記讀數(shù)為Mtln, 這個測量值由柵格系統(tǒng)誤差Sn，工作臺系統(tǒng)誤差An，初始位置O的坐標原點與虛擬坐標原點 的偏差Otl以及測量噪聲Etlin所決定； 3) 將二維柵格板相對于工作臺旋轉90度，使之固定于位置1上，同樣利用影像測量儀 依次讀取每個柵格點的中心坐標，記讀數(shù)為M1^這個測量值由柵格系統(tǒng)誤差Sn，工作臺系 統(tǒng)誤差An，位置1的坐標原點與虛擬坐標原點的偏差O1以及測量噪聲E^n所決定； 4) 將二維柵格板以初始位置0為基準向左平移一個柵格間距，使之固定于位置2上，同 樣利用影像測量儀依次讀取每個柵格點的中心坐標，記讀數(shù)為Μ2，η，這個測量值由柵格系統(tǒng) 誤差Sn，工作臺系統(tǒng)誤差An，位置2的坐標原點與虛擬坐標原點的偏差O2以及測量噪聲Ε2，η 所決定； 5) 將二維柵格板以初始位置0為基準向右平移一個柵格間距，使之固定于位置3上，同 樣利用影像測量儀依次讀取每個柵格點的中心坐標，記讀數(shù)為~"，這個測量值由柵格系統(tǒng) 誤差Sn，工作臺系統(tǒng)誤差An，位置3的坐標原點與虛擬坐標原點的偏差O3以及測量噪聲Ε3，η 所決定； 6) 將步驟2?5的4個份置得到的所有涮量倌以及各個未知參數(shù)建立矩陣方程：
其中Tn為使旋轉或平移后的柵格系統(tǒng)誤差與工作臺系統(tǒng)誤差一一對應起來的轉換矩 陣，由此求解出柵格系統(tǒng)誤差Sn，從而實現(xiàn)二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差的自校準。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法，其特征在 于：校準過程是通過旋轉或平移二維柵格板本身來實現(xiàn)的，其中至少包含一個順時針或逆 時針旋轉90度的過程，亦包含以初始位置為基準向左以及向右或向上、或向下平移一個柵 格間距的過程。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法，其特征在 于：校準過程中的旋轉或平移操作允許其坐標原點發(fā)生偏移，而不會對測量結果產(chǎn)生影響。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種二維柵格板的柵格點系統(tǒng)誤差自校準方法，其特征在 于：用來得到二維柵格板的柵格點中心坐標的儀器為影像測量儀、三坐標測量機或光學顯 微鏡。
【文檔編號】G01B21/04GK104236501SQ201410483545
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權日:2014年9月22日
【發(fā)明者】雷李華, 蔡瀟雨, 李源, 傅云霞, 簡黎 申請人:上海市計量測試技術研究院