专利名称：高精度六轴激光测量装置及测量方法
技术领域：
本发明属于高精度测量领域，尤其关于一种高精度六轴激光干涉 测量装置及其测量方法。
背景技术：
目前激光干涉技术已广泛应用于高精度位置测量，其具有精度 高，可靠性强，误差干扰小的特点。尤其在集成电路产业中应用于光 刻系统以及硅片对准上。较成熟的激光测量装置，普遍使用单参数测 量，但有很多高精度测量场合，需要确定的参数很多，无法满足应用 需求，故需要使用到多轴测量系统。六轴测量系统可以实时测量被测物体的三个线位运动量和三个 转动量，其测量方法和技术研究一直是人们试图解决的技术难题。现 有的高精度多自由度测量装置是通过对激光光路的改造来实现，其光 路布置比较复杂，对光学器件的加工制造精度和安装精度都提出了很 高的要求，且测量精度受环境因素的干扰较大。同时，由于激光干涉 技术要求其测量面具有较高的反射率和光洁度，其测量装置的通用性 受到了很大的限制。发明内容本发明为解决以上问题，提供了一种高精度六轴激光测量装置及其测量方法，装置包括激光干涉测量系统，工作台，运动执行系统； 激光干涉测量系统包括六个单轴激光干涉仪垂向沿Z轴布置的三个激光干涉仪负责测量垂向三轴(z， ex、 ey)的运动量，水平向沿x轴布置的两个激光干涉仪负责测量x向运动量X和转角0z，沿y轴布置的激光干涉仪负责测量y向运动量Y。工作台设有气环，靠吸附力固定被测物，通过垫片连接运动执行 系统；运动执行系统包括垂向三轴运动执行器和水平向运动台，可以 驱动工作台做空间六轴运动。设有一安装支架，对测量仪器进行校准时，可将被校准仪器安装 在该支架上，由运动执行系统驱动工作台运动，并以工作台运动量作 为测量基准，可以减小因材料长期热漂移所引起的系统误差。本发明所述的高精度六轴激光测量方法，其方法步骤如下(1) 为激光干涉仪确定一个基准面，建立空间坐标系，并使坐 标原点O位于三个垂向激光干涉仪测量点A、 B、 C的中心；(2) 根据三个垂向激光干涉仪相对坐标系的位置，确定A、 B、 C三点的x， y坐标；根据三个垂向激光干涉仪所测测量点的高度值 h确定三点的z坐标；(3) 根据A、 B、 C三点的坐标值拟和出其所在平面的平面方程 ax+by+cz=l;(4) 根据己知平面与空间坐标系的几何关系计算垂向三轴Z，ex、 ey的运动量。(5) 水平面内x向布置的两个激光干涉仪测量D、 E两点沿x 轴方向的运动量，根据测量结果以及DE间几何关系，计算工作台沿x轴方向运动量x和工作台沿z轴转角ez，并考虑ez对x所产生的 影响。(6) 水平面内y向布置的激光干涉仪测量工作台沿y轴的运动 量Y，并考虑转角ez对Y所产生的影响。本发明的高精度六轴激光测量装置具有以下特点 装置结构灵活，由测量系统和运动执行系统组合而成，便于拆卸， 且垂向测量和水平向测量相互独立。测量精度高，误差小，通用性强， 适用于非接触式和接触式位移传感器的校准，同时可用于对多轴运动执行器的运动精度进行标定。
图1为本发明的高精度六轴测量装置的装置图；图2为本发明所述激光干涉仪的布局图；图3为本发明所述测量方法建立的坐标系图；图4为垂向测量时干涉仪测量面倾角计算示意图；图5为垂向测量时干涉仪测量面法向量在xoy面上的投影图;图6为X、 Y及6z测量计算示意图；图7为带气环的工作台示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图详细介绍本发明的测量装置与测量方法 本发明的一个具体实施例，装置结构如图l所示，其中包括激光 干涉测量系统(1)，工作台(2)和运动执行系统，运动执行系统由垂向运动执行器(4)和水平运动执行器(5)组成。激光干涉测量系 统由竖直布置的三个单轴激光干涉仪和水平向布置的三个单轴激光 干涉仪组成。工作台(2)是一种表面平整度和光洁度都比较高的光 学器件，由微精玻璃加工而成，上表面和相邻侧面经抛光、镀膜，可 以作为激光干涉仪的测量面，如图7所示。工作台上表面开有不同直 径的气环(201)，每个气环各对应一个气孔(203),气孔通过控制阀 和真空管道相连。当被校准的测量仪器对测量面有特定要求时，根据 测量物面形状在工作台(2)上选择合适尺寸的气环对测量物进行吸 附。工作台(2)上有六个椎形固定孔(202)，通过六个椎形磁铁的 吸附力与运动执行系统固定。为了减轻自身重量，工作台(2)采用 中空结构。工作台(2)和运动执行系统的垂向运动控制器(4)之间 夹有一层垫片(3)，垫片(3)采用形变系数较大的金属材料加工而成，可以吸收运动执行器由于长时间的受热或受力所引起的微小变形，以免损坏工作台(2)。垫片(3)上开有多种型号的固定孔，以 便于连接工作台(2)和运动执行系统的垂向运动执行器(4)。测量系统由六个高精度激光干涉仪组成，其布局如图2所示。垂 向布置的激光干涉仪(101)、 (102)和(103)负责测量垂向三轴(Z 和9x、 9y)运动量，水平向布置的激光干涉仪(104)、 (105)用 于测量X和0z， y向测量由干涉仪(106)完成。垂向三轴(Z和0x、 9y)运动量根据竖直布置的三个激光干涉 仪(101)、 (102)和(103)的测量结果hl、 h2、 h3，及三个干涉仪 之间相对位置关系计算得出。首先为激光干涉仪确定一个基准面，然 后建立如图3所示的坐标系，使坐标原点0位于三个干涉仪测量点的 中心，x轴和y轴在基准面上。在垂向干涉仪测量面和基准面重合时， 将干涉仪(101)、 (102)和(103)清零。设该测量面所在平面方程 为ox + ^ + cz^，干涉仪三个测量点的坐标为v4(^，:^,z,)， 5(^2，>;2，22)和 C(x3，>;3,Z3),其中，A、 B、 C点的x和y坐标可以根据三个干涉仪相 对于坐标系的位置关系计算得出，而z为干涉仪所测得的高度值h。 根据A、 B、 C三点的坐标值可以计算出a、 b、 c，进而确定出干涉仪 测量面所在平面方程。若干涉仪测量面相对于基准面夹角为e ，如 图4所示，^ 为测量面通过坐标原点0的一个法向量，则此法向量 (fl,6,c)与z轴机0,l)的夹角为e。将0角沿垂直于x轴和y轴方向上 分解为9x和9y，则9x和8y即为承片台上表面相对于零平面的 转角。设P点在xoy面上的投影为P。，冗。与x轴夹角为小，如图5。由于0x和6y都很小，所以存在有如下近似关系汰:<formula>formula see original document page 7</formula>。角为向量历=缸6，c)与z轴{0，o'1)的夹角，c。s臼。了斋中角为向量一OPo=缸，b，o)与x轴{1，0，o)的夹角，<formula>formula see original document page 8</formula>于是Ox~sinOsin~=焘砂≈一sin9c。s伊。一j艺南令x0，J，0，即可得0点的高度值z!。即<formula>formula see original document page 8</formula>工作台沿Z向转角和水平向x位移量由两个沿X方向平行布置的激光干涉仪(104)、(105)测得，假定(104)和(105)测量结果分别为h4和h5，则晓≈1=h5—-hr4。工作台沿Z向的转角影响x向测量结lDEI果，如图6所示，由于弦使x n~T NN_RR---2I，若I蕊陋巨离为d，则J瓦l距离为j妥，即l面I距离为d(—l_一1)，x向运动量为<formula>formula see original document page 8</formula>水平向布置的干涉仪(106)负责测量y<formula>formula see original document page 8</formula>向运动量，如图6所示，假定(106)测量结果为h6，同理，晓影响Y向测量结果，即y向运动量为，=h6一d(—l_一1)。则<formula>formula see original document page 9</formula>以上介绍的仅仅是基于本发明的一个较佳实施例，并不能以此来 限定本发明的范围。任何对本发明的机制作本技术领域内熟知的部件 的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的 等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
权利要求
1、一种高精度六轴激光测量装置，用于对测量仪器进行校准标定，其特征在于包括激光干涉测量系统，工作台和运动执行系统；所述激光干涉测量系统包括六个单轴激光干涉仪垂向沿z轴布置的三个激光干涉仪，负责测量垂向三轴(Z，θx、θy)的运动量，水平布置的三个激光干涉仪负责测量水平x向运动量X、y向运动量Y和转角度θz；所述工作台通过垫片连接运动执行系统，并由运动执行系统驱动，可以做空间六轴运动，被测物料吸附在工作台上，并随工作台一起运动。
2、 如权利要求1所述的高精度六轴激光测量装置，其特征在于 所述激光干涉测量系统，确定一个基准面建立空间坐标系，垂向沿z 轴设置三个单轴激光干涉仪，水平向沿x轴设置两个单轴激光干涉 仪，沿y轴设置一个单轴激光干涉仪。
3、 如权利要求1所述的高精度六轴激光测量装置，其特征在于 所述运动执行系统包括垂向三轴运动执行器和水平向运动台。
4、 如权利要求1所述的高精度六轴激光测量装置，其特征在于 所述工作台上还设有气环，靠真空吸附固定被测物料。
5、 如权利要求1所述的高精度六轴激光测量装置，其特征在于 还设有一安装支架上，用于固定被校准的测量仪器。
6、 一种高精度六轴激光测量方法，用于对测量仪器进行校准标定其方法步骤如下(1) 为激光干涉仪确定一个基准面，建立空间坐标系，并使坐标原点O位于三个垂向激光干涉仪测量点A、 B、 C的中心；(2) 根据三个垂向激光干涉仪相对坐标系的位置，确定A、 B、 C三点的x， y坐标；根据三个垂向激光干涉仪所测测量点的高度值h确定三点的Z坐标；(3) 根据A、 B、 C三点的坐标值确定其所在平面的平面方程 ax+by+cz=l;(4) 根据已知平面与空间坐标系的几何关系计算垂向三轴Z，ex、 ey的运动量。(5) 水平向x轴两个激光干涉仪测量工作台上D、 E两点沿x 轴的运动量，根据被测量点运动量以及DE间距几何关系，计算工作 台沿x轴的运动量X和沿z轴的转角ez，并考虑0z对X所产生的影 响。(6) 水平向y轴一个激光干涉仪测量工作台上F点沿y轴的运 动量，根据F点运动量及转角ez，计算工作台沿y轴运动量Y，并 考虑ez对Y所产生的影响。
全文摘要
本发明关于一种高精度六轴激光测量装置及方法，包括激光干涉测量系统，工作台，运动执行系统。激光干涉测量系统包括垂向沿z轴布置的三个激光干涉仪，负责测量垂向三轴(Z，θx、θy)的运动量，沿x轴布置的两个激光干涉仪负责测量工作台沿x轴运动量X和转角θz，沿y轴布置的一个激光干涉仪负责测量y向运动量Y；工作台通过垫片连接运动执行系统，并由运动执行系统驱动，可以做空间六轴运动。此装置结构灵活，便于拆卸，且垂直测量和水平测量相互独立。测量精度高，误差小，通用性强，适用于非接触和接触式位移传感器的校准，同时可用于对多轴运动执行器的运动精度进行标定。
文档编号G01B11/02GK101216290SQ20071017372
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者李志科, 程吉水, 金小兵 申请人:上海微电子装备有限公司