專利名稱：雙正交衍射光柵計量系統(tǒng)及其構(gòu)成的共基面掃描工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種雙正交衍射光柵計量系統(tǒng)及其應(yīng)用的共
基面掃描工作臺，主要運(yùn)用于三維表面形貌測量，也可應(yīng)用于精密加工、半導(dǎo)體光刻、微型裝配等需要精密工作臺協(xié)同運(yùn)動的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
運(yùn)動平面穩(wěn)定可靠和定位精度高的二維掃描工作臺是三維表面形貌測量儀器的重要組成部分?，F(xiàn)有表面測量儀器中二維掃描工作臺多采用兩套導(dǎo)軌、絲杠和電機(jī)組成的一維驅(qū)動定位結(jié)構(gòu)疊加組合而成，工作臺的二維定位計量也是采用兩套計量系統(tǒng)，如精密光柵、激光干涉儀等分別實現(xiàn)計量。這樣的結(jié)構(gòu)和計量安排存在著一些需要解決的問題。
首先，這些二維掃描工作臺，通過相互獨(dú)立且相互間具有相當(dāng)垂直距離的x、y直線導(dǎo)軌，形
成三維測量的平面基準(zhǔn)。這種形式由于工藝上難以實現(xiàn)雙向?qū)蚧鶞?zhǔn)的統(tǒng)一，各自的精度特性、剛度特性、承載狀況都不一樣，從而難以實現(xiàn)高的平面基準(zhǔn)精度。同時由于工作臺面離導(dǎo)軌驅(qū)動軸和導(dǎo)向面的垂直距離大，阿貝誤差不可避免。雖然現(xiàn)在也出現(xiàn)一些基于共基面的二維工作臺的科研成果，但大多是基于磁懸浮技術(shù)或氣浮導(dǎo)軌，往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂
貴。另一方面，現(xiàn)有的工作臺x、y方向計量系統(tǒng)獨(dú)立安裝，一個方向的計量系統(tǒng)只能完成該方向的位移計量，而該方向運(yùn)動中由于導(dǎo)軌誤差引入的工作臺整體在另一方向的位置變化則得不到計量，必然形成定位誤差，從而使得二維計量很難達(dá)到高的定位精度要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)，同時檢測兩個方向的位移，提高了 二維定位精度。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種采用上述計量系統(tǒng)構(gòu)成的共基面掃描工作臺，同時檢測兩個方向的位移，并從機(jī)械結(jié)構(gòu)上統(tǒng)一了橫向和縱向的導(dǎo)向面，從而實現(xiàn)高的平面基準(zhǔn)精度。 雙正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)，包括靜光柵座4和位于其下方的動光柵座5，在靜光柵座4和動光柵座5上分別安裝有第一，第二正交衍射光柵lla， llb，正交衍射光柵是刻蝕有雙向正交柵線的光柵，第一正交衍射光柵lla的工作面位于第二正交衍射光柵lib工作面的正上方，兩光柵的對應(yīng)柵線平行；靜光柵座4上設(shè)有激光源，激光源發(fā)出的光垂直入射第一正交衍射光柵lla的工作面，并透射到第二正交衍射光柵lib的工作面上，最終被一光電接收器接收。 采用上述計量系統(tǒng)構(gòu)成的共基面掃描工作臺，包括雙正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)和共基面二維位移機(jī)構(gòu)；共基面二維位移機(jī)構(gòu)包括共基面平臺210，共基面平臺210上安裝有一對x向平行放置的x向?qū)к壓鸵粚向平行放置的y向?qū)к墸浑p正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)的動光柵座5安裝在x向?qū)к壍幕瑝K上，動光柵座5連接x向滾珠絲杠107，其在x向驅(qū)動電機(jī)的帶動下沿x向運(yùn)動；共基面平臺210連接y向滾珠絲杠207，另有一固定支撐架2通過連接y向?qū)к壍幕瑝K與共基面平臺210連接，共基面平臺210在y向驅(qū)動電機(jī)的帶動下沿y向運(yùn)動；動光柵座5上安裝有目標(biāo)工作臺3。
本發(fā)明的有益效果在 本發(fā)明公開的雙正交衍射光柵計量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)x-y向同步位移，保證較高的二維定位精度。該系統(tǒng)的主要特征是能同步檢測到x、 y兩個方向的位移變化，比兩個方向單獨(dú)檢測的計量系統(tǒng)更智能、方便，且當(dāng)工作臺沿x方向運(yùn)動時，若有y方向的位移誤差，雙正交衍射光柵計量系統(tǒng)在對x方向進(jìn)行反饋控制的同時亦能檢測到y(tǒng)方向上的位置變化，從而通過y方向的驅(qū)動控制補(bǔ)償在工作臺y方向上的誤差，實現(xiàn)高的二維定位精度。以光柵刻線密度為1200/mm為例，該系統(tǒng)計量初始分辨率能達(dá)到lym，軟件細(xì)分后分辨率優(yōu)于0. Oliim。 應(yīng)用上述雙正交衍射光柵計量系統(tǒng)的掃描工作臺可以方便使用在三維表面形貌
測量儀器上，成本低，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，行程范圍大，x、 y導(dǎo)向面統(tǒng)一、易于形成穩(wěn)定可靠的測
量基準(zhǔn)面，通過雙正交衍射光柵同步測量二維位移信號的反饋閉環(huán)控制可以達(dá)到較高的二
維定位精度。掃描工作臺的共導(dǎo)向面導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式簡單，x導(dǎo)向面與y導(dǎo)向面位于同一平面上由于在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)雙向?qū)к壧幱谕黄矫妫子趯崿F(xiàn)測點與工作臺導(dǎo)軌驅(qū)動、定位和計量系統(tǒng)間較小的垂直距離，最大程度減小了測點定位的阿貝誤差，其目標(biāo)工作臺運(yùn)動基準(zhǔn)面誤差遠(yuǎn)小于由雙層導(dǎo)向面疊加而成的目標(biāo)工作臺運(yùn)動運(yùn)動基準(zhǔn)面。有效測量的行程范圍大，可達(dá)25mmX25mm，計量分辨率細(xì)分后可優(yōu)于0. 01 y m，定位分辨率、定位精度、重復(fù)定位精度分別能達(dá)到0. 1 ii m、 1 ii m、0. 5 ii m。
圖1是本發(fā)明工作臺的整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明工作臺的俯視圖。 圖3是圖2的A—A剖視圖。 圖4是共基面導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是雙正交衍射光柵位移測量原理示意圖。 圖6是雙正交衍射光柵計量系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7是關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)示意圖，圖7(a)為共基面平臺結(jié)構(gòu)示意圖，圖7(b)為剛性架結(jié)構(gòu)示意圖，圖7(c)為雙軸柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖，圖7(d)為動光柵座結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
雙正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)包括靜光柵座4和動光柵座5，在靜光柵座4和動光柵座5上分別安裝有第一，第二正交衍射光柵lla， llb，第一正交衍射光柵lla的工作面位于第二正交衍射光柵lib工作面的正上方，兩光柵的對應(yīng)柵線平行；靜光柵座4上設(shè)有激光源，激光源發(fā)出的光垂直入射第一正交衍射光柵lla的工作面，并透射到第二正交衍射光柵lib的工作面上，最終被一光電接收器接收。正交衍射光柵是刻蝕有雙向正交柵線的光柵。當(dāng)一束準(zhǔn)直激光垂直入射到對應(yīng)柵線和工作面都互相平行的兩正交衍射光柵lla和lib時，準(zhǔn)直激光分別在正交柵線的兩垂直平面內(nèi)發(fā)生衍射，參見附圖5，以其中平行紙面方向的平面為例，入射激光被第一正交衍射光柵lla的垂直紙面柵線衍射成+1，0和-l級衍射光。這三束衍射光進(jìn)入第二正交衍射光柵llb，分別被衍射成(+l，+l)， (+1，0)， (+l，-l)， (0，+1)， (O，O)， (O，-l)和(-l，+l)， (-l，O)， (-l，-l)級衍射光。在這些衍射光相應(yīng)的重疊區(qū)，如(+1，0)與(0，+1)的重疊區(qū)，和(O，-l)與(-l，O)的重疊區(qū)，錯位干涉發(fā)生，產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)兩光柵沿垂直柵線方向(即紙面內(nèi)豎直方向)有一個柵格間距相對位移，在干涉區(qū)任一點，干涉強(qiáng)度就會有一個周期的正弦變化。由此，通過光電接收器抓取任意點光強(qiáng)變化并分析，便可得到光柵相對位移，從而位移測量得以實現(xiàn)。由于衍射光柵柵格間距在微米以下，方便得到很高的位移測量分辨率和精度，同時由于長度方向的一致性，易于取得大的測量范圍。同理，另一方向柵線發(fā)生衍射干涉，實現(xiàn)另一相應(yīng)垂直方向位移的同步測量。 圖1是采用上述雙正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)構(gòu)成的共基面掃描工作臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是工作臺的俯視圖，圖3是圖2的A-A剖視圖。掃描工作臺由雙正交衍射光柵計量系統(tǒng)和共基面二維位移機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 共基面二維位移機(jī)構(gòu)主要包括x軸運(yùn)動模塊、y軸運(yùn)動模塊和共基面平臺210。 x軸運(yùn)動模塊由x軸步進(jìn)電機(jī)101驅(qū)動，x軸步進(jìn)電機(jī)101通過電機(jī)固定架102與共基面平臺210固定在一起，x軸步進(jìn)電機(jī)101通過聯(lián)軸器103與滾珠絲杠107連接，絲杠固定支座104用于將滾珠絲杠107固定在共基面平臺210上，絲杠螺母105通過雙軸柔性鉸鏈106及連接板108與動光柵座5固連，從而實現(xiàn)x軸運(yùn)動模塊在x方向上的驅(qū)動定位。y軸運(yùn)動模塊由y軸步進(jìn)電機(jī)201驅(qū)動，y軸步進(jìn)電機(jī)201通過電機(jī)固定架202與大理石基座1固定在一起，y軸步進(jìn)電機(jī)201通過聯(lián)軸器203與滾珠絲杠207連接，絲杠固定支座204用于將滾珠絲杠207固定在大理石基座1上，絲杠螺母205通過雙軸柔性鉸鏈206及連接板208與共基面平臺210固連，從而實現(xiàn)y軸運(yùn)動模塊在y方向上的驅(qū)動定位。
參見圖3、4，x，y兩個方向的四根導(dǎo)軌安裝在共基面平臺210上，使得兩個方向的導(dǎo)向面處于同一平面上，圖4為共基面導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)示意圖。x軸左直線導(dǎo)軌109a為x方向的基準(zhǔn)導(dǎo)軌，其導(dǎo)軌的側(cè)基準(zhǔn)面靠上共基面平臺210的定位臺階側(cè)基準(zhǔn)面后，用螺釘預(yù)緊固定在共基面平臺210的基準(zhǔn)平面上，擰緊力不宜太大，能使導(dǎo)軌底面與共基面平臺210的基準(zhǔn)平面接合就即可，然后用導(dǎo)軌壓板110壓緊導(dǎo)軌，使導(dǎo)軌的側(cè)基準(zhǔn)面與共基面平臺210的定位臺階基準(zhǔn)側(cè)面緊密接合，最后從中間開始按交叉順序向兩端擰緊導(dǎo)軌的安裝螺釘，這樣可以得到穩(wěn)定的精度?；鶞?zhǔn)導(dǎo)軌固定好后，x軸右直線導(dǎo)軌109b以x軸左直線導(dǎo)軌109a為基準(zhǔn)來調(diào)校安裝。同樣y方向的兩根導(dǎo)軌也以x軸左直線導(dǎo)軌109a為基準(zhǔn)來調(diào)校安裝以保證y方向?qū)к壟cx方向?qū)к壍拇怪倍?。y方向的兩幅導(dǎo)軌的滑塊與剛性的固定支撐架2通過螺釘固定在一起，固定支撐架2又與大理石基座1固定，從而相當(dāng)于滑塊固定在了大理石基座1上，通過導(dǎo)軌體帶動共基面平臺210在y方向上移動。固定支撐架2的非基準(zhǔn)側(cè)加工出螺紋孔，靠螺釘來頂緊y軸后直線導(dǎo)軌209b，從而使得y向前直線導(dǎo)軌209a的基準(zhǔn)側(cè)面與固定支撐架2的基準(zhǔn)側(cè)緊密接合，保證y方向兩根導(dǎo)軌的平行度。x方向的兩個導(dǎo)軌滑塊與動光柵座5通過螺釘固定在一起，通過滑塊帶動動光柵座5在x方向上的移動。動光柵座5的非基準(zhǔn)側(cè)加工出螺紋孔，靠螺釘來頂緊x軸右直線導(dǎo)軌109b，從而使得x軸左直線導(dǎo)軌109a的基準(zhǔn)側(cè)面與動光柵座5的基準(zhǔn)側(cè)緊密結(jié)合，保證x方向兩根導(dǎo)軌的平行度。目標(biāo)工作臺3固定在動光柵座5之上，y方向?qū)к夡w的運(yùn)動帶動共基面平臺210在y方向上運(yùn)動，從而帶動x軸運(yùn)動模塊在y方向上的移動，x方向的導(dǎo)軌再帶動動光柵座5在x方向上的運(yùn)動，最終使得目標(biāo)工作臺3實現(xiàn)共基面的二維掃描運(yùn)動。x、y兩個方向均采用 步進(jìn)電機(jī)與精密滾珠絲杠直接定位的方式，滾珠絲杠由絲杠固定支座采用一端固定一端自 由的支撐方式固定在工件上，絲杠螺母與運(yùn)動件通過雙軸柔性鉸鏈來連接，其導(dǎo)向方向上 剛度高，在其它兩個方向的柔性大，從而達(dá)到了高的導(dǎo)向精度，有效避免了其它兩個方向的 擾動誤差。兩個導(dǎo)向面的平面度誤差基本只由導(dǎo)軌滾珠的彈性變形來確定，因而其目標(biāo)工 作臺運(yùn)動基準(zhǔn)面誤差遠(yuǎn)小于由雙層導(dǎo)向面疊加而成的目標(biāo)工作臺運(yùn)動運(yùn)動基準(zhǔn)面。
參見圖6、7，雙正交衍射光柵計量系統(tǒng)的兩塊正交衍射光柵11a、llb分別安裝在 靜光柵座4和動光柵座5上。靜光柵座4通過底下加兩塊薄墊片6a、6b固定安裝在剛性架 2上，調(diào)整靜光柵座4與動光柵座5保持平行。激光源的具體實現(xiàn)方式是激光光源9固定 在激光套筒8里，激光套筒8 —端加工成45°斜面，反射鏡12貼在斜面上，激光筒套8通過 激光支撐座7固定安裝在靜光柵座4上。接收器安裝平板10固定在固定支撐架2的底部， 光電接收器則安裝在接收器安裝平板10上。當(dāng)準(zhǔn)直激光垂直入射二維正交衍射光柵時， 將在兩個分別垂直于正交柵線的方向發(fā)生衍射，于是采用兩片相互平行的二維正交衍射光 柵，即可實現(xiàn)平行光柵平面內(nèi)的二維位移測量。將靜光柵座4平行于目標(biāo)工作臺3掃描平 面固定于固定支撐架2上，靜光柵座4上的正交衍射光柵柵線分別平行于x和y掃描方向； 將動光柵座5置于x軸直線導(dǎo)軌的滑塊上，動光柵座5上的正交衍射光柵柵線分別與靜光 柵座4上的對應(yīng)柵線平行。當(dāng)目標(biāo)工作臺3在掃描平面內(nèi)有任何方向的掃描移動，兩個正 交方向的衍射干涉信息同時獲得，反映目標(biāo)工作臺3在掃描平面內(nèi)的雙向位移和位置。由 于二維位移計量依賴同一對正交光柵，具有統(tǒng)一計量基準(zhǔn)。 本工作臺的基本工作原理是計算機(jī)發(fā)出位移指令通過控制器控制步進(jìn)電機(jī)的角 位移輸出，通過絲杠、導(dǎo)軌傳動系統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)工作臺在x、y二維方向上的定位。計量系統(tǒng)實 時檢測目標(biāo)工作臺的實際位置，將檢測信號通過輸入計算機(jī)中進(jìn)行反饋比較，計算機(jī)不斷 比較發(fā)出調(diào)整指令，實現(xiàn)閉環(huán)控制其二維定位精度。
權(quán)利要求
雙正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)，包括靜光柵座(4)和位于其下方的動光柵座(5)，在靜光柵座(4)和動光柵座(5)上分別安裝有第一，第二正交衍射光柵(11a，11b)，正交衍射光柵是刻蝕有雙向正交柵線的光柵，第一正交衍射光柵(11a)的工作面位于第二正交衍射光柵(11b)工作面的正上方，兩光柵的對應(yīng)柵線平行；靜光柵座(4)上設(shè)有激光源，激光源發(fā)出的光垂直入射第一正交衍射光柵(11a)的工作面，并透射到第二正交衍射光柵(11b)的工作面上，最終被一光電接收器接收。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的計量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光源包括固定在靜光柵座(4) 上的激光套筒(8)，激光套筒(8) —端加工成45。斜面，反射鏡(12)貼在該斜面上，激光套 筒(8)內(nèi)安放有一激光光源(9)。
3. 采用權(quán)利要求1所述計量系統(tǒng)構(gòu)成的共基面掃描工作臺，包括雙正交衍射光柵二維 同步計量系統(tǒng)和共基面二維位移機(jī)構(gòu)；共基面二維位移機(jī)構(gòu)包括共基面平臺(210)，共基 面平臺(210)上安裝有一對x向平行放置的x向?qū)к壓鸵粚向平行放置的y向?qū)к墸浑p 正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)的動光柵座(5)安裝在x向?qū)к壍幕瑝K上，動光柵座(5) 連接x向滾珠絲杠(107)，其在x向驅(qū)動電機(jī)的帶動下沿x向運(yùn)動；共基面平臺(210)連接 y向滾珠絲杠(207)，另有一固定支撐架(2)通過連接y向?qū)к壍幕瑝K與共基面平臺(210) 連接，共基面平臺(210)在y向驅(qū)動電機(jī)的帶動下沿y向運(yùn)動；動光柵座(5)上安裝有目標(biāo) 工作臺(3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙正交衍射光柵二維同步計量系統(tǒng)，包括兩正交衍射光柵，激光源發(fā)出的光垂直入射一光柵的工作面，并透射到另一正交衍射光柵的工作面上，被光電接收器接收，通過光電接收器抓取任意點光強(qiáng)變化并分析，從而實現(xiàn)兩個方向的同步位移測量，保證較高的二維定位精度。本發(fā)明還提供了采用上述計量系統(tǒng)的掃描平臺，該掃描平臺的雙向?qū)к壧幱谕黄矫?，形成穩(wěn)定可靠的測量基準(zhǔn)面，提高了定位精度。本發(fā)明主要運(yùn)用于三維形貌測量，同時可應(yīng)用于精密加工、半導(dǎo)體光刻、微型裝配等需要精密工作臺協(xié)同運(yùn)動的領(lǐng)域。
文檔編號G01B11/25GK101701803SQ200910272840
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月21日
發(fā)明者何章宏, 冼開逸, 劉曉軍 申請人:華中科技大學(xué)