一种二维自标定标记点检测对准系统的制作方法
【专利摘要】一种二维自标定标记点检测对准系统，包括零位信号读取仪，二维工作台，光栅尺辅助标定板，读数头检测部分，测量基准架；光栅尺辅助标定板包括X、Y方向带有零位标记点的光栅尺；读数头检测部分包括光栅尺读数头及安装支架；该对准系统基于光栅尺检测对准原理以及零位信号检测原理实现标记点对准。读数头通过检测光栅尺辅助标定板上零位标记点信号，将信号传输给零位信号读取仪，同时二维工作台记录自身的位置坐标并将信号传输给零位信号读取仪，获得零位标记点位置坐标。该对准系统能够用于二维自标定技术中，实现纳米级分辨率及对准精度；信号读出延时小，能应用于工作台动态、高速标定；整体结构相对简单，性价比高，对环境不敏感。
【专利说明】一种二维自标定标记点检测对准系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种检测对准系统，特别涉及一种二维自标定标记点检测对准系统。【背景技术】
[0002]超精密工作台在精密工程领域的应用越来越广泛，对多维工作台的测量精度要求也越来越高，在超精密加工领域(如高端光刻机)，其多维测量精度往往需要达到纳米级甚至亚纳米级。针对超精密工作台测量系统的标定问题，自标定技术的发展带来了新的解决办法。其中，自标定方法基于采用标记点精度低于被标定对象的辅助测量装置作为媒介，通过该辅助测量装置，获取并对不同位姿的测量数据进行比较，来消除该辅助测量装置标记点位置精度的影响，进而得到精密工作台的标定函数，实现超精密工作台系统误差的标定。
[0003]同时，光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备。光栅测量系统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理。基于莫尔条纹原理的光栅测量系统作为一种发展成熟的位移传感器以其测距长、成本低、易于装调等众多优点成为众多机电设备位移测量的首选。随着光栅尺在工业应用中的发展，其精度目前可以达到纳米量级，最小分辨率可达到1.25nm，是比较理想的测量元件。
[0004]对于传统的自标定方案中使用的辅助测量装置，是一块具有栅格刻线的光学玻璃板，在自标定过程中，需要利用光学显微镜测量系统对该光学玻璃板进行标记点的检测和对准。该方案在诸多专利论文中均有揭露，例如美国学者Ye在研究论文“An exactalgorithm for self-calibration of precision metrology stages，，中所使用的大小为100 X 100mm的光学玻璃板作为辅助测量装置；清华大学专利文献200510011385.2 (
【公开日】为2005年9月4日)，利用一种栅格玻璃板做辅助测量装置，并完成XY 二维工作台的自标定；清华大学学者 Hu,在文章 “A holistic self-calibration algorithm for X-Yprecision metrology systems”中提到,在二维工作台自标定过程中，使用了由镀铬石英玻璃板或镀铬K9玻璃板制成的辅助测量装置，并结合光学显微镜对光学玻璃板进行标记点对准检测。以上文献中所使用的方案，都涉及到光学显微镜和图像传感器的使用，该方案特点是技术比较成熟，且模块化程度较高，对准效果直观。但该方案存在着明显的弊端和不足，由于所用光学器件受光学衍射极限的限制，最高对准精度仅为IOOnm左右，这在很大程度上影响了最终自标定的效果；其次，由于采用光学显微镜配合图像传感器做检测系统，涉及到大量的图像数据处理问题，导致信号采集频率较低，在这种情况下仅能进行静态对准，很难在工作台运动过程中进行对准和标定，这在很大程度上导致自标定过程时间长、效率低下；再者，由于采用光学显微镜和图像传感器等设备，势必带来成本高的问题和系统复杂度高的问题；并且该方案会受到一定的环境影响，所以对工作环境的要求比较高。
[0005]考虑到上述技术方案的弊端和局限，寻求一种利用光栅尺作为测量检测工具的标记点检测对准系统，该对准系统能够实现二维自标定的标记点检测对准；该对准系统检测技术成熟、环境敏感性低，分辨率与精度可达纳米级甚至更高；检测信号易于处理，信号读出延时小，能应用于工作台动态、高速标定；同时该检测系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用以及性价比高等优点。采用该检测对准系统作为二维自标定的标记点检测对准装置，能够有效的降低传统的光学检测对准系统在自标定应用中的不足，使自标定效果提升。该标记点检测对准系统还可应用于其他需要进行对准检测的设备，如三坐标测量机、半导体检测设备等。
【发明内容】
[0006]考虑到上述技术方案的弊端和局限性，本发明的目的是寻求一种利用光栅尺作为测量检测工具的标记点检测对准系统，以实现二维自标定的标记点检测对准；使得检测信号易于处理，信号读出延时小，能应用于工作台动态、高速标定；同时使该检测系统具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用以及性价比高等优点。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:包括零位信号读取仪、光栅尺辅助标定板、读数头检测部分和测量基准架；所述光栅尺辅助标定板设有X方向槽道、Y方向槽道、标有零位标记点的X方向光栅尺和标有零位标记点的Y方向光栅尺；标有零位标记点的X方向光栅尺和标有零位标记点的Y方向光栅尺分别安装在X方向槽道和Y方向槽道内；同向槽道间相互平行且间距相等；所述读数头检测部分包括X方向第一光栅尺读数头和Y方向第一光栅尺读数头；所述零位信号读取仪与二维工作台通过信号线相互连接；所述光栅尺辅助标定板放置于二维工作台上，标定板的三个角分别由第一限位块，第二限位块，第三限位块固定于二维工作台上，标定板第四个角的两边分别由安装在二维工作台上的第一基准条和第二基准条固定；所述读数头检测部分的X方向第一光栅尺读数头通过第一安装支架安装在测量基准架X方向一侧的面上；y方向第一光栅尺读数头通过第二安装支架安装在测量基准 架Y方向一侧的面上；所述测量基准架安装在二维工作台的龙门架上。
[0009]本发明的技术特征还在于:所述的读数头检测部分还包括X方向第二光栅尺读数头和Y方向第二光栅尺读数头；其中X方向第二光栅尺读数头通过第三安装支架安装在测量基准架X方向另一侧的面上；y方向第二光栅尺读数头通过第四安装支架安装在测量基准架Y方向另一侧的面上。
[0010]本发明所述的零位信号读取仪为基于FPGA的高速多路光栅信号处理系统。
[0011]本发明所述的光栅尺辅助标定板的X方向槽道长度为50mm — 150mm，宽度为5mm一 IOmm,深度为0.3-0.8mm ；Y方向槽道长度为50mm—150mm,宽度为5mm—IOmm,深度为0-0.5mm, ；X> Y方向槽道形成深度为0.2mm一0.4mm的高度差。
[0012]本发明所述的标有零位标记点的X方向光栅尺和标有零位标记点的Y方向光栅尺，均采用厚度为0.2mm—0.5mm的一维反射型光栅，分辨率为1.25nm。
[0013]本发明所述的光栅尺读数头第一安装支架、第二安装支架、第三安装支架和第四安装支架(48)均为L型结构，由合金铝材料加工制成。
[0014]本发明所述的测量基准架的外形为长方体结构，在该测量基准架的上部设有多排用于调节自身高度和水平位置的安装调节孔。
[0015]本发明所提供的一种二维自标定标记点检测对准系统具有以下优点及突出性效果:该对准系统能够实现二维自标定的标记点检测对准，克服了传统检测对准系统在自标定应用中的缺点，使工作台能在动态、高速情况下进行检测对准，实现了高速高效的标定，并且检测信号易于处理，信号读出延时小；该对准系统检测技术成熟、环境敏感性低，分辨率与精度可达纳米级甚至更高；同时该检测系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用以及性价比高等优点。采用该检测对准系统作为二维自标定的标记点检测对准装置，能够有效的降低传统的光学检测对准系统在自标定应用中的不足，使自标定效果大幅度提升。该标记点检测对准系统还可应用于其他需要进行对准检测的设备，如三坐标测量机、半导体检测设备等。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明一种二维自标定标记点检测对准系统示意图。
[0017]图2为本发明一种二维自标定标记点检测对准系统的检测对准模块示意图。
[0018]图3为本发明检测对准模块在X方向和Y方向进行对准检测的俯视图。
[0019]图4为本发明所述辅助标定板及其槽道结构示意图。
[0020]图5为本发明的读数头检测部分另一种实施方式的示意图。
[0021]图中:1 一零位信号读取仪，2—二维工作台，3—光栅尺辅助标定板，4一读数头检测部分，5—测量基准架；31—标有零位标记点的X方向光栅尺；32—标有零位标记点的Y方向光栅尺；33 — X方向槽道，34—Y方向槽道，35—第一基准条，36—第二基准条，37—第一限位块，38一第二限位块,39一第三限位块；41一X方向第一光栅尺读数头,42—第一安装支架，43—Y方向第一光栅尺读数头，44一第二安装支架；45—X方向第二光栅尺读数头，46—第三安装支架，47 — Y方向第二光栅尺读数头，48—第四安装支架。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明的结构、原理和【具体实施方式】作进一步地详细描述。
[0023]请参考图1，图1为本发明一种二维自标定标记点检测对准系统示意图。如图1所示，该二维自标定标记点检测对准系统包括:零位信号读取仪1，二维工作台2，光栅尺辅助标定板3，读数头检测部分4，测量基准架5 ；
[0024]所述零位信号读取仪I与二维工作台2通过信号线相互连接；所述光栅尺辅助标定板3包括:X方向槽道33，Y方向槽道34，标有零位标记点的X方向光栅尺31，标有零位标记点的Y方向光栅尺32，第一基准条35，第二基准条36，第一限位块37，第二限位块38，第三限位块39 ;所述读数头检测部分4包括:X方向第一光栅尺读数头41，第一安装支架42，Y方向第一光栅尺读数头43，第二安装支架44 ;所述测量基准架5安装在二维工作台2的龙门架上，具有多孔安装调节功能，提供Z轴方向的安装位置。
[0025]请参考图2，图2为本发明一种二维自标定标记点检测对准系统的检测对准模块示意图。所述光栅尺辅助标定板3上表面刻有X方向槽道33，Y方向槽道34，同向槽道间相互平行且间距相等，分别用于安装标有零位标记点的X方向光栅尺31和标有零位标记点的Y方向光栅尺32 ;将其放置于二维工作台2上，X方向由第一基准条35作基准，Y方向由第二基准条36作基准，光栅尺辅助标定板3剩余三个角分别由第一限位块37，第二限位块38，第三限位块39作限位固定于二维工作台2上；所述读数头检测部分4的X方向第一光栅尺读数头41安装在第一安装支架42上，第一安装支架42安装在测量基准架5的X方向一侧的面上；Y方向第一光栅尺读数头43安装在第二安装支架44上，第二安装支架44安装在测量基准架5的Y方向一侧的面上。
[0026]请参考图3，图3为本发明检测对准模块在X方向和Y方向进行对准检测的俯视图。所述的标有零位标记点的X方向光栅尺31和标有零位标记点的Y方向光栅尺32均采用厚度范围为0.2mm一0.5mm的一维反射型光栅,分辨率最高可达1.25nm。所述的光栅尺读数头第一安装支架42、第二安装支架44，均为L型结构，由合金铝材料加工制成。所述的测量基准架5为合金铝材料，其外形为长方体结构，上端具有多排安装调节孔，安装在二维工作台2上时高度和水平位置可调。
[0027]结合图1、图2和图3阐述测量系统原理，所述的零位信号读取仪I为基于FPGA的高速多路光栅信号处理系统，与读数头检测部分4中X方向第一光栅尺读数头41和Y方向第一光栅尺读数头43分别通过信号线相连；所述的二维工作台2在某一标记点位置处运动时，X方向第一光栅尺读数头41，通过检测光栅尺辅助标定板3上标有零位标记点的X方向光栅尺31，获取零位标记点信号，并将该信号传输给零位信号读取仪1，同时二维工作台2记录此刻自身的X轴位置坐标并将信号传输给零位信号读取仪1，即获得该零位标记点X轴的位置坐标；同理，二维工作台2在相应标记点位置处运动时，Y方向第一光栅尺读数头43，通过检测光栅尺辅助标定板3上标有零位标记点的Y方向光栅尺32，获取零位标记点信号，并将该信号传输给零位信号读取仪1，同时二维工作台2记录此刻自身的Y轴位置坐标并将信号传输给零位信号读取仪1，即获得该零位标记点Y轴的位置坐标。
[0028]当获取到X、Y轴坐标信息时，即完成辅助标定板3上一个零位标记点的检测。依此法对剩余标记点操作，即完成自标定过程中对所有标记点的检测、对准和记录功能。
[0029]请参考图4，图4为本发明所述辅助标定板及其槽道示意图。如图4所示，所述的光栅尺辅助标定板3为合金招材料,在其正面上X方向和Y方向分别加工有用于安装光栅尺的槽道，所述槽道同向间相互平行且间距相等；其中X方向槽道33长度为50mm — 150mm，宽度为5mm—IOmm,深度为0.3-0.8mm ;Y方向槽道34长度为50mm—150mm,宽度为5mm—IOmm,深度为0-0.5mm, ;X、Y方向槽道形成深度为0.2mm一0.4mm的高度差。
[0030]请参考图5，图5为本发明另一种读数头检测部分实施方式示意图。所述的读数头检测部分4的另一种实施方式包括X方向第二光栅尺读数头45和Y方向第二光栅尺读数头47 ;其中X方向第二光栅尺读数头45通过第三安装支架46安装在测量基准架5的X方向另一侧的面上；Y方向第二光栅尺读数头47通过第四安装支架48安装在测量基准架5的Y方向另一侧的面上。
[0031]上述实施方式中给出的测量系统及结构方案能够实现二维自标定的标记点检测对准；该对准系统检测技术成熟、环境敏感性低，分辨率与精度可达纳米级甚至更高；检测信号易于处理，信号读出延时小，能应用于工作台动态、高速标定；同时该检测系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用以及性价比高等优点。采用该检测对准系统作为二维自标定的标记点检测对准装置，能够有效的降低传统的光学检测对准系统在自标定应用中的不足，使自标定效果在精度上大大提高的同时，标定效率也得到显著提升，可以实现工作台高速高效动态标定。该标记点检测对准系统还可应用于诸如精密机床、半导体检测设备等其他需要进行对准检测的设备中。
【权利要求】
1.一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:包括零位信号读取仪(I)、光栅尺辅助标定板(3)、读数头检测部分(4)和测量基准架(5)； 所述光栅尺辅助标定板(3)设有X方向槽道(33)、Y方向槽道(34)、标有零位标记点的X方向光栅尺(31)和标有零位标记点的Y方向光栅尺(32);标有零位标记点的X方向光栅尺(31)和标有零位标记点的Y方向光栅尺(32)分别安装在X方向槽道(33)和Y方向槽道(34)内；同向槽道间相互平行且间距相等；所述读数头检测部分⑷包括X方向第一光栅尺读数头(41)和Y方向第一光栅尺读数头(43);所述零位信号读取仪(I)与二维工作台(2)通过信号线相互连接； 所述光栅尺辅助标定板(3)放置于二维工作台(2)上，标定板的三个角分别由第一限位块(37)，第二限位块(38)，第三限位块(39)固定于二维工作台(2)上，标定板第四个角的两边分别由安装在二维工作台(2)上的第一基准条(35)和第二基准条(36)固定； 所述读数头检测部分(4)的X方向第一光栅尺读数头(41)通过第一安装支架(42)安装在测量基准架(5)X方向一侧的面上；￥方向第一光栅尺读数头(43)通过第二安装支架(44)安装在测量基准架(5)Y方向一侧的面上；所述测量基准架(5)安装在二维工作台(2)的龙门架上。
2.根据权利要求1所述的一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:所述的读数头检测部分(4)还包括X方向第二光栅尺读数头(45)和Y方向第二光栅尺读数头(47);其中X方向第二光栅尺读数头(45)通过第三安装支架(46)安装在测量基准架(5)Χ方向另一侧的面上，方向第二光栅尺读数头(47)通过第四安装支架(48)安装在测量基准架(5)Υ方向另一侧的面上。
3.根据权利要求1或2所述的一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:所述的零位信号读取仪(I)为基于FPGA的高速多路光栅信号处理系统。
4.根据权利要求1或2所述的一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:所述的光栅尺辅助标定板⑶的X方向槽道(33)长度为50_—150mm,宽度为5_—IOmm,深度为0.3-0.8mm ；Y方向槽道(34)长度为50mm—150mm,宽度为5mm—IOmm,深度为0-0.5mm ；X方向与Y方向槽道形成深度为0.2mm—0.4mm的高度差。
5.根据权利要求1或2所述的一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:所述的标有零位标记点的X方向光栅尺(31)和标有零位标记点的Y方向光栅尺(32)均采用厚度为0.2mm—0.5mm的一维反射型光栅，分辨率为1.25nm。
6.根据权利要求1所述的一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:所述的第一安装支架(42)和第二安装支架(44)均为L型结构，由合金铝材料加工制成。
7.根据权利要求2所述的一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:所述的第三安装支架(46)和第四安装支架(48)均为L型结构，由合金铝材料加工制成。
8.根据权利要求1或2所述的一种二维自标定标记点检测对准系统，其特征在于:所述的测量基准架(5)的外形为长方体结构，在该测量基准架的上部设有多排用于调节自身高度和水平位置的安装调节孔。
【文档编号】G01B11/00GK104019744SQ201410255840
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】朱煜, 胡楚雄, 徐振源, 张鸣, 杨进, 穆海华, 胡金春, 徐登峰, 尹文生, 杨开明, 刘召, 成荣 申请人:清华大学, 北京华卓精科科技有限公司