專利名稱：超精密工作臺自標(biāo)定方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超精密工作臺，特別是集成電路加工及檢測裝備用超精密工作臺的自標(biāo)定方法及其裝置，屬于超精密加工及測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超精密工作臺在集成電路加工及檢測裝備中有著廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮著極其重要的作用。例如，作為光刻機(jī)的核心部件，超精密工件臺(光刻機(jī)的掩模臺和硅片臺)承載著硅片或者掩模按照設(shè)定的速度和方向運(yùn)動(dòng)，通過掩模臺和硅片臺高精度的定位和同步實(shí)現(xiàn)掩模圖像特征到硅片上的精確轉(zhuǎn)移，故超精密工作臺的運(yùn)動(dòng)及定位精度是實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)分辨率和套刻精度的關(guān)鍵。而在集成電路檢測設(shè)備中，作為該檢測設(shè)備的承物臺，超精密工作臺的運(yùn)動(dòng)和定位精度同樣在很大程度上決定了該檢測設(shè)備的最終精度。隨著集成電路加工及檢測裝備的制造及檢測精度的持續(xù)提高，對超精密工作臺的運(yùn)動(dòng)及定位精度提出了極高的要求。根據(jù)國際半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(ITRS)2004年發(fā)布的技術(shù)路線圖(RoadMap)，目前半導(dǎo)體加工工藝正處于90nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，2007年將達(dá)到65nm，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)降低，其相關(guān)加工及檢測裝備用超精密工作臺的運(yùn)動(dòng)及定位精度均在納米甚至亞納米級。
當(dāng)前主流集成電路加工及檢測裝備中使用的超精密工作臺均以激光干涉儀或者電容傳感器作為反饋元件，通過對工作臺位置的實(shí)時(shí)檢測及反饋實(shí)現(xiàn)工作臺的超精密定位。但是由于制造工藝、裝調(diào)和非質(zhì)心驅(qū)動(dòng)等因素所引起的超精密工作臺的變形以及反饋元件(如激光干涉儀的反射鏡的平面度及其裝調(diào)等)的原因，使得反饋元件所檢測到的工作臺的位置(xm，ym)與工作臺的實(shí)際位置(xa，ya)之間存在一定的誤差Dx(xa，ya)和Dy(xa，ya)，如圖1所示。這必將在很大程度上降低超精密工作臺的定位及運(yùn)動(dòng)精度，進(jìn)而影響集成電路加工及檢測裝備的加工及檢測精度。因此，采用合理的標(biāo)定方法對工作臺的上述誤差進(jìn)行分離和補(bǔ)償已成為提高超精密工作臺運(yùn)動(dòng)及定位精度的主要手段。
傳統(tǒng)的工作臺標(biāo)定方法是以標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量工作臺(該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量工作臺由國家指定的計(jì)量部門傳遞，且其標(biāo)記點(diǎn)的精度應(yīng)高于被標(biāo)定對象的期望精度)作為基準(zhǔn)，在將該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量工作臺置于被標(biāo)定工作臺上之后，測量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量工作臺的標(biāo)記點(diǎn)在工作臺坐標(biāo)系內(nèi)的位置，比較該測量值與基準(zhǔn)值之間的差異，從而得出被標(biāo)定工作臺的運(yùn)動(dòng)及定位誤差，并采用合理的方法擬合出該工作臺運(yùn)動(dòng)及定位誤差的映射函數(shù)(標(biāo)定函數(shù))，最后將該函數(shù)用于工作臺運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來提高被標(biāo)定工作臺的運(yùn)動(dòng)及定位精度。
然而，如前所述，集成電路加工及檢測裝備使用的超精密工作臺的運(yùn)動(dòng)及定位精度均為納米量級，限于當(dāng)前的制造和計(jì)量水平，我們無法得到傳統(tǒng)工作臺標(biāo)定方法所需的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量工作臺，傳統(tǒng)的工作臺標(biāo)定方法已無法使用。為了解決所述問題，自標(biāo)定方法已引起的廣大學(xué)者的重視，并成為改善超精密工作臺運(yùn)動(dòng)及定位精度最有效的手段之一。該方法采用置于被標(biāo)定工作臺上的標(biāo)記點(diǎn)精度低于被標(biāo)定對象的輔助測量裝置作為媒介，通過輔助測量裝置不同測量視圖之間測量數(shù)據(jù)的比較來消除該輔助測量裝置標(biāo)記點(diǎn)位置精度的影響，進(jìn)而得到超精密工作臺的標(biāo)定函數(shù)，實(shí)現(xiàn)超精密工作臺的標(biāo)定。
現(xiàn)有的超精密工作臺自標(biāo)定方法，如美國專利US4583298(申請日為1984年3月7日)所描述的，使用對稱理論和群論對超精密工作臺的自標(biāo)定進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，給出了能夠得到完整自標(biāo)定信息的三個(gè)基本條件，并在此基礎(chǔ)上采用如圖2所示的初始位姿100、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度位姿200和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180度位姿500，提出了一種適用于電子束光刻機(jī)的自標(biāo)定算法。但是，該算法使用高階多項(xiàng)式對超精密工作臺標(biāo)定函數(shù)進(jìn)行擬合，并將輔助測量裝置的調(diào)整誤差同時(shí)求出，使得算法中未知數(shù)個(gè)數(shù)過多，計(jì)算相當(dāng)費(fèi)時(shí)。此外，在存在隨機(jī)測量誤差的情況下，該算法是不穩(wěn)定的，得出的工作臺標(biāo)定函數(shù)只是局部最優(yōu)，而不是全局最優(yōu)的。
如圖3所示，在美國專利US4583298的基礎(chǔ)上，美國專利US5798947(申請日為1997年3月3日)在測量區(qū)域400內(nèi)采用的初始位姿100、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度位姿200和一個(gè)柵格距離的平移位姿300，提出了可用于超精密二維計(jì)量工作臺和光刻機(jī)工件臺自標(biāo)定的傅立葉算法，并給出了實(shí)現(xiàn)該算法的自標(biāo)定裝置及程序。該算法使用傅立葉變換對被標(biāo)定工作臺和輔助測量裝置的誤差進(jìn)行近似，這在很大程度上提高了該算法的計(jì)算速度，并在不存在隨機(jī)測量噪聲的情況下實(shí)現(xiàn)了超精密工作臺的精確的標(biāo)定。然而，該算法使用最小二乘法分離其中的調(diào)整誤差，這在測量噪聲是正態(tài)分布，并且算法的采樣間隔足夠大時(shí)才是有效的。此外，所提出的裝置基于電子束圖形發(fā)生器，只針對于超精密二維工作臺，可擴(kuò)展性較差，進(jìn)行三維超精密工作臺的標(biāo)定非常困難，這在很大程度上限制了它的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有超精密工作臺自標(biāo)定算法以及裝置的不足，提出一種有效的，可擴(kuò)展至三維超精密工作臺的自標(biāo)定方法以及低成本的，易擴(kuò)展的超精密工作臺自標(biāo)定裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下超精密工作臺自標(biāo)定方法，其特征在于將精度低于被標(biāo)定工作臺定位及運(yùn)動(dòng)精度的具有柵格標(biāo)記矩陣的鍍鉻柵格玻璃板放置在被標(biāo)定工作臺上，然后分別測量所述鍍鉻柵格玻璃板的初始位姿、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度位姿和以初始位姿為基準(zhǔn)平移一個(gè)柵格標(biāo)記距離的位姿下各柵格點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，將所述位置數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)后，通過存儲在計(jì)算機(jī)中的自標(biāo)定算法程序計(jì)算出被標(biāo)定工作臺的系統(tǒng)誤差，具體步驟如下1)原始測量數(shù)據(jù)預(yù)處理，即計(jì)算每個(gè)測量位姿下多次測量得到的位置數(shù)據(jù)的均值和方差；2)測量位姿數(shù)據(jù)格式化，即根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)方程，將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度和平移一個(gè)柵格標(biāo)記距離的測量位姿下各柵格點(diǎn)預(yù)處理后的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成初始位姿下對應(yīng)柵格點(diǎn)處的位置數(shù)據(jù)；3)建立自標(biāo)定模型，即根據(jù)數(shù)據(jù)格式化后初始位姿各柵格點(diǎn)處的位置數(shù)據(jù)，以此時(shí)的各柵格點(diǎn)的方差之和建立自標(biāo)定目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)如下公式作為約束條件，建立自標(biāo)定模型Σk=1KΣj=1N2(δPjk)=0,]]>Σk=1KΣj=1N2(Pjk^)T(δPjk)=0,]]>Σk=1KΣj=1N2(Pjk^)T0-110(δPjk)=0,]]>其中，δPjk表示被標(biāo)定工作臺的系統(tǒng)誤差， 為每個(gè)測量位姿下各柵格點(diǎn)位置的測量值，K為測量位姿數(shù)，N為鍍鉻柵格玻璃板上柵格標(biāo)記矩陣的大小，右上標(biāo)T表示該向量的轉(zhuǎn)置；4)系統(tǒng)誤差求解，即根據(jù)前述自標(biāo)定模型，采用最優(yōu)化問題的解析或者直接解法求解出工作臺系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)被標(biāo)定工作臺的標(biāo)定。
本發(fā)明所述的超精密工作臺自標(biāo)定裝置，包括置于被標(biāo)定工作臺上的輔助測量裝置、置于所述輔助測量裝置上方的定位裝置、用于圖像采集和預(yù)處理的圖像采集卡和存儲超精密工作臺自標(biāo)定算法相關(guān)程序的計(jì)算機(jī)，其特征在于所述輔助測量裝置為一個(gè)具有柵格標(biāo)記矩陣的鍍鉻柵格玻璃板，所述定位裝置包括用于對所述鍍鉻柵格玻璃板上的柵格進(jìn)行放大的光學(xué)組件和用于對放大后的各柵格標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行精確定位的XY平面定位傳感器。
作為本發(fā)明所述超精密工作臺自標(biāo)定裝置一個(gè)改進(jìn)，所述定位裝置還包括一個(gè)設(shè)置在所述輔助測量裝置上方用于Z方向檢測的電容傳感器，用于實(shí)現(xiàn)三維超精密工作臺的自標(biāo)定。
在本發(fā)明所述超精密工作臺自標(biāo)定裝置中，所述XY平面定位傳感器可以選用TWAIN接口的CCD圖像傳感器、位敏傳感器或激光干涉儀。
本發(fā)明相比已有的技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)第一，本發(fā)明基于剛體運(yùn)動(dòng)方程和非線性最優(yōu)化方法對超精密工作臺和輔助測量裝置系統(tǒng)誤差在連續(xù)域內(nèi)進(jìn)行建模，直接對非線性方程進(jìn)行求解，避免了離散域建模以及對系統(tǒng)誤差線性化近似所引起的建模誤差，提高了超精密工作臺的標(biāo)定精度。
第二，本發(fā)明所述的超精密工作臺自標(biāo)定裝置使用CCD等作為XY平面定位傳感器，并可通過增加Z向檢測傳感器，將該裝置擴(kuò)展為三維自標(biāo)定裝置，使用靈活，成本低廉。
第三，本發(fā)明所述的超精密工作臺自標(biāo)定裝置操作簡單，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于其他諸如光纖對接、光學(xué)元件制造等領(lǐng)域。


圖1描述了二維工作臺變形函數(shù)Dx(xa，ya)和Dy(xa，ya)、測量值(xm，ym)和工作臺實(shí)際值(xa，ya)之間的關(guān)系。
圖2顯示了美國專利US4583298中涉及的自標(biāo)定算法所使用的三個(gè)測量位姿。
圖3顯示了美國專利US5798947提出的超精密二維計(jì)量工作臺所使用的三個(gè)測量位姿。
圖4為本發(fā)明所述的輔助測量裝置的示意圖。
圖5顯示了本發(fā)明所述的輔助測量裝置的三個(gè)測量位姿。
圖6為本發(fā)明所述超精密工作臺自標(biāo)定裝置的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。
圖7為本發(fā)明所述超精密工作臺自標(biāo)定方法的流程圖。
圖8為本發(fā)明所述的自標(biāo)定子程序的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來具體說明本發(fā)明。
如圖6所示，本發(fā)明所述的超精密工作臺自標(biāo)定裝置，包括置于被標(biāo)定工作臺2上的輔助測量裝置3、置于所述輔助測量裝置3上方的定位裝置、用于圖像采集和預(yù)處理的圖像采集卡和存儲超精密工作臺自標(biāo)定算法相關(guān)程序的計(jì)算機(jī)8。輔助測量裝置3采用一個(gè)具有柵格標(biāo)記矩陣的鍍鉻柵格玻璃板，它的結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝性強(qiáng)，而且不同測量位姿之間調(diào)整方便，具有極佳的操作性。
定位裝置包括用于對所述鍍鉻柵格玻璃板上的柵格進(jìn)行放大的光學(xué)組件6和用于對放大后的各柵格標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行精確定位的XY平面定位傳感器7。XY平面定位傳感器的選取可以根據(jù)被標(biāo)定對象精度的不同，采用不同精度水平的定位傳感器，比如TWAIN接口的CCD圖像傳感器、位敏傳感器(PSD)或激光干涉儀。
對于二維超精密工作臺的標(biāo)定，只需要XY平面定位傳感器，而在對三維超精密工作臺進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，定位裝置還應(yīng)包括一個(gè)設(shè)置在所述輔助測量裝置上方用于Z方向檢測的電容傳感器5，從而實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的檢測。
此外，本發(fā)明所述的自標(biāo)定裝置還包括基臺1、支撐附件4以及相應(yīng)信號線用于自標(biāo)定裝置各部分的支撐及連接，其中XY平面定位傳感器7通過信號線及圖像采集卡與計(jì)算機(jī)8相連，被標(biāo)定工作臺2的XY坐標(biāo)值也分別通過信號線輸入至計(jì)算機(jī)8中。當(dāng)定位裝置中設(shè)有電容傳感器5時(shí)，電容傳感器5也通過信號線與計(jì)算機(jī)8連接，從而傳遞檢測數(shù)據(jù)。
所述超精密工作臺自標(biāo)定方法是以固定在被標(biāo)定工作臺上的具有較低精度柵格標(biāo)記矩陣的鍍鉻柵格玻璃板作為媒介，根據(jù)該柵格玻璃板的各柵格標(biāo)記點(diǎn)在不同測量位姿下的測量數(shù)據(jù)，建立包含有輔助測量裝置和被標(biāo)定工作臺誤差信息的自標(biāo)定模型，通過對該自標(biāo)定模型的求解及不同測量位姿下柵格標(biāo)記點(diǎn)測量數(shù)據(jù)的處理，消除輔助測量裝置柵格標(biāo)記點(diǎn)位置誤差對工作臺誤差的影響，得出被標(biāo)定工作臺的變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超精密工作臺的標(biāo)定。
本發(fā)明所述超精密工作臺自標(biāo)定方法使用的輔助測量裝置采用穩(wěn)定性較好的特種鍍鉻玻璃作為材料，柵格玻璃板的柵格大小、柵格點(diǎn)數(shù)目以及具體尺寸需要根據(jù)被標(biāo)定對象的行程及結(jié)構(gòu)等因素綜合確定。圖4顯示了具有橫豎各11條對稱的刻線組成具有100個(gè)柵格標(biāo)記點(diǎn)的柵格標(biāo)記矩陣的鍍鉻柵格玻璃板。本發(fā)明使用的三個(gè)測量位姿分別為初始測量位姿、以初始測量位姿為參考位姿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度的測量位姿和以初始測量位姿為參考位姿沿X軸正向平移一個(gè)柵格距離的測量位姿，如圖5所示。
本發(fā)明所述超精密工作臺自標(biāo)定算法的理論基礎(chǔ)如下假定輔助測量裝置為N×N的柵格標(biāo)記點(diǎn)矩陣，如果被標(biāo)定對象為二維超精密工作臺，輔助測量裝置第k個(gè)測量位姿第j個(gè)柵格點(diǎn)位置值為Pjk=(xjk,yjk)T,]]>其中k＝1，…，3，j＝1，…，N2，xjk，yjk分別為測量值的x，y坐標(biāo)，T表示向量的轉(zhuǎn)置。同樣，若被標(biāo)定對象為三維超精密工作臺，輔助測量裝置第k個(gè)測量位姿第j個(gè)柵格點(diǎn)位置值為Pjk=(xjk,yjk,zik)T,]]>其中k＝1，…，3，j＝1，…，N2，xjk，yjk，zik分別為測量值的x，y，z坐標(biāo)，T表示向量的轉(zhuǎn)置。
據(jù)此將所述輔助測量裝置的三個(gè)測量位姿表示為Pjk=RθkPj1-Tk,(j=2,···,N2,k=2,3)]]>其中，Rθk為第k個(gè)測量位姿的旋轉(zhuǎn)矩陣，對于二維超精密工作臺自標(biāo)定，Rθk=cosθk-sinθksinθkcosθk,]]>而對于三維超精密工作臺自標(biāo)定，Rθk=cosθk-sinθk0sinθkcosθk0001,]]>θk為第k個(gè)測量位姿的旋轉(zhuǎn)角度，Tk為第k個(gè)測量位姿的平移向量。
由上式可知，輔助測量裝置的第2、3個(gè)測量位姿均以其初始位姿Pj1作為基準(zhǔn)，若以此式建立超精密工作臺的自標(biāo)定模型，則其初始位姿在模型中將占有很大的權(quán)重，也即工作臺的最終標(biāo)定精度將會(huì)更多的依賴于初始位姿的各柵格標(biāo)記點(diǎn)位置數(shù)據(jù)的測量精度。
為了減少超精密工作臺自標(biāo)定算法對初始位姿的依賴程度，使輔助測量裝置的其他測量位姿在自標(biāo)定模型中占有相同的權(quán)重，本發(fā)明將輔助測量裝置第2、3個(gè)測量位姿進(jìn)行反向的旋轉(zhuǎn)和平移使之與初始測量位姿的各柵格點(diǎn)相對應(yīng)，從而建立輔助測量裝置各測量位姿權(quán)重相同的自標(biāo)定模型，如下式所示Pjk=R-θk(Pjk-Tk)---(1)]]>根據(jù)超精密工作臺自標(biāo)定原理，將工作臺的系統(tǒng)誤差所引起的輔助測量裝置各位姿測量數(shù)據(jù)之間的差異表示為E=1N2Σj=1N2D(j)---(2)]]>其中，D(j)為輔助測量裝置第j個(gè)柵格點(diǎn)各測量位姿數(shù)據(jù)的方差，即D(j)=1K-1Σk=1K[R-θk(Pjk-Tk)-μ(j)]·2---(3)]]>上式中，上標(biāo)·2表示該向量的內(nèi)積，K為測量位姿數(shù)，μ(j)為輔助測量裝置第j個(gè)柵格點(diǎn)各測量位姿數(shù)據(jù)的均值，即μ(j)=1KΣk=1KR-θk(Pjk-Tk)---(4)]]>式(2)表征了由工作臺的系統(tǒng)誤差δPjk、輔助測量裝置的旋轉(zhuǎn)角度誤差δθk和平移誤差δTk所引起的不同測量位姿的差異。于是，將已知的每個(gè)測量位姿下各柵格點(diǎn)位置的測量值、輔助測量裝置旋轉(zhuǎn)角度和平移的測量值分別表示為 和 則標(biāo)定后輔助測量裝置各柵格位置Pjk、輔助測量裝置的旋轉(zhuǎn)角度θk和平移Tk可表示為Pjk=Pjk^+δPjk]]>θk=θk^+δθk]]>Tk=Tk^+δTk]]>將以上三式代入(2)、(3)和(4)式，可得E(δPjk,δθk,δTk)=1N2Σj=1N2D′(j)---(5)]]>D′(j)=1K-1Σj=1N2[R-(θk^+δθk)(Pjk^+δPjk-Tk^-δTk)-μ′(j)]·2---(6)]]>
μ′(j)=1KΣk=1KR-(θk^+δθk)(Pjk^+δPjk-Tk^-δTk)---(7)]]>同時(shí)，為了保證式(4)中工作臺系統(tǒng)誤差δPjk的有效性，δPjk必須滿足如下約束條件Σk=1KΣj=1N2(δPjk)=0---(8a)]]>Σk=1KΣj=1N2(Pjk^)T(δPjk)=0---(8b)]]>Σk=1KΣj=1N2(Pjk^)T0-110(δPjk)=0---(8c)]]>其中，K為測量位姿數(shù)，N為鍍鉻柵格玻璃板上柵格標(biāo)記矩陣的大小，右上標(biāo)T表示該向量的轉(zhuǎn)置。
因此，所述超精密工作臺自標(biāo)定算法將超精密工作臺自標(biāo)定作為以式(5)為目標(biāo)函數(shù)，以式(8a)、(8b)和(8c)為約束的非線性最優(yōu)化問題，通過以上各式求出的最優(yōu)解即為該超精密工作臺的系統(tǒng)誤差。
如圖7所示，本發(fā)明所述超精密工作臺自標(biāo)定方法的流程如下(1)根據(jù)被標(biāo)定對象的行程以及結(jié)構(gòu)，確定所述鍍鉻柵格玻璃板的合理安裝位置及安裝方法，將其固定在被標(biāo)定工作臺合適位置上，并將該柵格玻璃板的中心標(biāo)記點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以通過如圖5中的測量位姿標(biāo)識點(diǎn)50的坐標(biāo)軸為Y軸，過坐標(biāo)原點(diǎn)并與Y軸垂直的坐標(biāo)軸為X軸，以符合右手法則同時(shí)垂直于X，Y軸的坐標(biāo)軸為Z軸建立坐標(biāo)系。通過調(diào)整將所述鍍鉻柵格玻璃板的標(biāo)記軸線分別與被標(biāo)定工作臺的運(yùn)動(dòng)軸線重合，此即為所述的超精密工作臺自標(biāo)定的初始測量位姿(測量位姿100)。
(2)在該測量位姿下，重復(fù)移動(dòng)被標(biāo)定工作臺使柵格玻璃板的各標(biāo)記點(diǎn)依次通過所述定位裝置，測量并記錄下各標(biāo)記點(diǎn)在被標(biāo)定工作臺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值Pj1， j＝1，…，N2。該坐標(biāo)值中包含有鍍鉻柵格玻璃板和被標(biāo)定工作臺的系統(tǒng)誤差。
(3)以測量位姿100為參考位姿，將鍍鉻柵格玻璃板繞Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，同時(shí)調(diào)整坐標(biāo)系的Y軸與工作臺坐標(biāo)系的-X方向重合，坐標(biāo)系的X軸與工作臺坐標(biāo)系的Y軸重合，此即為所述測量位姿200。
(4)在該測量位姿下，重復(fù)移動(dòng)被標(biāo)定工作臺使鍍鉻柵格玻璃板的各標(biāo)記點(diǎn)依次通過所述定位裝置，測量并記錄下各標(biāo)記點(diǎn)在被標(biāo)定工作臺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值Pj2，j＝1，…，N2。
(5)以測量位姿100為參考位姿，將鍍鉻柵格玻璃板沿X軸正方向平移一個(gè)柵格距離，此即所述測量位姿300。
(6)采用與步驟(2)、(4)同樣的方法，重復(fù)移動(dòng)被標(biāo)定工作臺使鍍鉻柵格玻璃板的各標(biāo)記點(diǎn)依次通過所述定位裝置，測量并記錄下各標(biāo)記點(diǎn)在被標(biāo)定工作臺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值Pj3，j＝1，…，N2。
(7)利用步驟(2)、(4)、(6)中記錄的各測量位姿下輔助測量裝置所有標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)值數(shù)據(jù)Pjk(j＝1，…，N2，k＝1，…，3)，通過根據(jù)圖8所示流程編制的自標(biāo)定子程序解出被標(biāo)定工作臺的系統(tǒng)誤差，從而完成被標(biāo)定工作臺的自標(biāo)定。
如圖8所示，自標(biāo)定子程序執(zhí)行如下步驟(1)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理。即計(jì)算測量位姿100、200和300下各柵格標(biāo)記點(diǎn)位置測量數(shù)據(jù)的均值與方差。
(2)測量位姿數(shù)據(jù)格式化。根據(jù)式(1)將測量位姿200和300預(yù)處理后的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成測量位姿100下對應(yīng)柵格點(diǎn)處的位置數(shù)據(jù)；(3)建立自標(biāo)定模型，即根據(jù)數(shù)據(jù)格式化后初始位姿各柵格點(diǎn)處的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)式(5)-式(7)，以此時(shí)的各柵格點(diǎn)的方差之和建立自標(biāo)定目標(biāo)函數(shù)，并以式(8)作為約束條件，建立自標(biāo)定模型。
(4)系統(tǒng)誤差求解，即根據(jù)前述自標(biāo)定模型，采用最優(yōu)化問題的解析或者直接解法求解出工作臺系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)被標(biāo)定工作臺的標(biāo)定。
權(quán)利要求
1.超精密工作臺自標(biāo)定方法，其特征在于將精度低于被標(biāo)定工作臺定位及運(yùn)動(dòng)精度的具有柵格標(biāo)記矩陣的鍍鉻柵格玻璃板放置在被標(biāo)定工作臺上，然后分別測量所述鍍鉻柵格玻璃板的初始位姿、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度位姿和以初始位姿為基準(zhǔn)平移一個(gè)柵格標(biāo)記距離的位姿下各柵格點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，將所述位置數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)后，通過存儲在計(jì)算機(jī)中的自標(biāo)定算法程序計(jì)算出被標(biāo)定工作臺的系統(tǒng)誤差，具體步驟如下1)原始測量數(shù)據(jù)預(yù)處理，即計(jì)算每個(gè)測量位姿下多次測量得到的位置數(shù)據(jù)的均值和方差；2)測量位姿數(shù)據(jù)格式化，即根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)方程，將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度和平移一個(gè)柵格標(biāo)記距離的測量位姿下各柵格點(diǎn)預(yù)處理后的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成初始位姿下對應(yīng)柵格點(diǎn)處的位置數(shù)據(jù)；3)建立自標(biāo)定模型，即根據(jù)數(shù)據(jù)格式化后初始位姿各柵格點(diǎn)處的位置數(shù)據(jù)，以此時(shí)的各柵格點(diǎn)的方差之和建立自標(biāo)定目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)如下公式作為約束條件，建立自標(biāo)定模型Σk=1KΣj=1N2(δPjk)=0,Σk=1KΣj=1N2(Pjk^)T(δPjk)=0,Σk=1KΣj=1N2(Pjk^)T0-110(δPjk)=0,]]>其中，δPjk表示被標(biāo)定工作臺的系統(tǒng)誤差， 為每個(gè)測量位姿下各柵格點(diǎn)位置的測量值，K為測量位姿數(shù)，N為鍍鉻柵格玻璃板上柵格標(biāo)記矩陣的大小，右上標(biāo)T表示該向量的轉(zhuǎn)置；4)系統(tǒng)誤差求解，即根據(jù)前述自標(biāo)定模型，采用最優(yōu)化問題的解析或者直接解法求解出工作臺系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)被標(biāo)定工作臺的標(biāo)定。
2.超精密工作臺自標(biāo)定裝置，包括置于被標(biāo)定工作臺上的輔助測量裝置、置于所述輔助測量裝置上方的定位裝置、用于圖像采集和預(yù)處理的圖像采集卡和存儲超精密工作臺自標(biāo)定算法相關(guān)程序的計(jì)算機(jī)，其特征在于所述輔助測量裝置為一個(gè)具有柵格標(biāo)記矩陣的鍍鉻柵格玻璃板，所述定位裝置包括用于對所述鍍鉻柵格玻璃板上的柵格進(jìn)行放大的光學(xué)組件和用于對放大后的各柵格標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行精確定位的XY平面定位傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超精密工作臺自標(biāo)定裝置，其特征在于所述定位裝置還包括一個(gè)設(shè)置在所述輔助測量裝置上方用于Z方向檢測的電容傳感器，用于實(shí)現(xiàn)三維超精密工作臺的自標(biāo)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超精密工作臺自標(biāo)定裝置，其特征在于所述XY平面定位傳感器為TWAIN接口的CCD圖像傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超精密工作臺自標(biāo)定裝置，其特征在于所述XY平面定位傳感器為位敏傳感器或激光干涉儀。
全文摘要
超精密工作臺自標(biāo)定方法及裝置，屬于超精密加工及測量領(lǐng)域。為了克服已有超精密工作臺自標(biāo)定算法以及裝置的不足，本發(fā)明公開了一種有效的、可擴(kuò)展至三維超精密工作臺的自標(biāo)定方法，其以鍍鉻柵格玻璃板作為媒介，建立包含有柵格玻璃板和被標(biāo)定工作臺誤差信息的自標(biāo)定模型，通過對不同測量位置下柵格標(biāo)記點(diǎn)測量數(shù)據(jù)的處理，消除柵格玻璃板柵格標(biāo)記點(diǎn)位置誤差對工作臺誤差的影響，實(shí)現(xiàn)超精密工作臺的標(biāo)定。本發(fā)明還公開了一種低成本的、易擴(kuò)展的超精密工作臺自標(biāo)定裝置，包括具有柵格標(biāo)記矩陣的鍍鉻柵格玻璃板、包括光學(xué)組件和XY平面定位傳感器的定位裝置、圖像采集卡和存儲超精密工作臺自標(biāo)定算法相關(guān)程序的計(jì)算機(jī)。
文檔編號G01B21/02GK1667359SQ20051001138
公開日2005年9月14日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日
發(fā)明者汪勁松, 朱煜, 朱立偉, 尹文生, 段廣洪 申請人:清華大學(xué), 上海微電子裝備有限公司