專利名稱：基于機(jī)器視覺和平面正交光柵的測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量系統(tǒng)，特別涉及一種基于機(jī)器視覺和平面正交光柵的測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
集成電路IC制造是21世紀(jì)制造業(yè)最重要的領(lǐng)域之一，具有巨大的市場需求。據(jù)預(yù)測，“十五”期間我國僅增添IC的封裝設(shè)備每年就需40億元人民幣。由于沒有先進(jìn)的IC制造裝備，我國集成電路芯片制造設(shè)備的85％依賴進(jìn)口。為了在IC行業(yè)占有一席之地，我國必須自主開發(fā)IC制造的核心裝備。精密定位平臺是IC芯片光刻機(jī)的關(guān)鍵裝置，其快速高精度運(yùn)動(dòng)測量對提高加工精度和加工效率具有重要意義。
磁懸浮和電磁驅(qū)動(dòng)工作臺是下一代芯片光刻精密定位工作臺的發(fā)展方向，這種精密定位工作臺工作空間和范圍更加有限，工作過程中的溫度變化、機(jī)械振動(dòng)、氣流波動(dòng)和電磁干擾不可避免，因此其測量系統(tǒng)不但要有極強(qiáng)的抗干擾能力，而且要結(jié)構(gòu)盡量緊湊，調(diào)平、對準(zhǔn)和粗精位移測量最好能采用同一套測量儀器。目前國外精密定位工作臺的測量系統(tǒng)大多采用這樣的測量方案XY平面內(nèi)的移動(dòng)和繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)測量采用3個(gè)雙頻外差干涉儀，調(diào)整過程中的傾斜、俯仰和垂直方向移動(dòng)采用3個(gè)高精度電容來測量。盡管激光外差干涉法有分辨率高、測量范圍大和測量速度快等特點(diǎn)，但這樣構(gòu)成的系統(tǒng)具有其價(jià)格昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、誤差不易修正、安裝與調(diào)整困難，容易產(chǎn)生較大的阿貝誤差等缺點(diǎn)，不利于精密定位平臺測量系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性發(fā)展需求。日本Tohoku大學(xué)研制了一種結(jié)構(gòu)緊湊的基于三維正弦格子和二維角度傳感器的表面編碼器測量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)精密定位平臺多自由度測量，但是這個(gè)測量系統(tǒng)中的三維微尺寸正弦格子的加工制造非常困難，其形狀和尺寸誤差對測量精度影響很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、測量范圍大，且能實(shí)現(xiàn)初始狀態(tài)調(diào)平和對準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)過程粗精位移測量的基于機(jī)器視覺和平面正交光柵的測量裝置及測量方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的測量裝置為包括平行光源，以及位于平行光源光路中的平面正交透射光柵，其特點(diǎn)是位于定位平臺的后端的光路中還依次設(shè)置有由CCD顯微攝像裝置、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成的機(jī)器視覺系統(tǒng)，所說平面正交透射光柵安裝在精密定位平臺上；所說的平面正交透射光柵采用兩位方式絕對編碼，編碼方式可以采用是完全編碼、隔行編碼或隔列編碼；所說的CCD顯微攝像裝置為大數(shù)值孔徑物鏡。
本發(fā)明的測量方法為平行光源垂直于水平面，照射在安裝于精密定位平臺的平面正交透射光柵上某一田字格區(qū)域，首先通過CCD顯微攝像裝置采集光柵投影圖像，并識別出田字格區(qū)域的光柵投影骨架；然后根據(jù)投影關(guān)系，有OA→=O′A′→/n+ZA→]]>OB→=O′B′→/n+ZB→---(1)]]>其中O為平面正交光柵在CCD顯微攝像裝置中間位置的一個(gè)交點(diǎn)；OA為平面正交透射光柵上任一方向的一格柵線，代表一個(gè)從O點(diǎn)到A點(diǎn)的矢量；OB為平面正交透射光柵上與OA垂直方向的一格柵線，代表一個(gè)從O點(diǎn)到B點(diǎn)的矢量；O’為平面正交透射光柵上O點(diǎn)在CCD顯微攝像裝置上的像點(diǎn)；O’A’為平面正交透射光柵上一格柵線OA在CCD顯微攝像裝置上的像；O’B’為平面正交透射光柵上一格柵線OB在CCD顯微攝像裝置上的像；n為物鏡放大倍數(shù)， 和 分別是 和 在Z軸上的投影，因此，ZA=±|OA→|2-|O′A′→n|2ZB=±|OB→|2-|O′B′→n|2,]]>其中 和 的方向可以由在原始位置繞X軸和Y軸順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)投影圖形的伸長和縮短來確定，光柵平面的單位法矢為n→=(n→X,n→Y,n→Z)=OA→×OB→|OA→|·|OB→|---(2)]]>求出 和就可以決定，工作臺的傾斜、俯仰和旋轉(zhuǎn)角就可以由公式(2)識別出，用這三個(gè)角度和平面正交透射光柵的田字格中的一個(gè)交點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)定位平臺的調(diào)平對準(zhǔn)，在定位平臺調(diào)平對準(zhǔn)后，根據(jù)光柵圖形的編碼和交點(diǎn)的偏移，決定定位平臺在水平面上的粗位移和精位移。
本發(fā)明根據(jù)平面正交光柵柵線的長度、顯微物鏡的放大倍數(shù)，以及平面正交透射光柵上某一交點(diǎn)在機(jī)器視覺系統(tǒng)中確定的原點(diǎn)，得到水平面內(nèi)的平面光柵基準(zhǔn)；再根據(jù)精密工作臺運(yùn)動(dòng)后機(jī)器視覺系統(tǒng)在的平面正交光柵投影圖像，參考平面光柵基準(zhǔn)，重構(gòu)出光柵柵線空間矢量，通過矢量分析得到精密定位平臺的傾斜、俯仰和旋轉(zhuǎn)角；由光柵圖形編碼決定粗位移；通過比較平面正交光柵投影圖像與平面光柵基準(zhǔn)原點(diǎn)的偏差，求出精密定位平臺在X和Y方向的微細(xì)位移；實(shí)現(xiàn)定位平臺的調(diào)平、對準(zhǔn)和粗精位移測量。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的平面正交透射光柵3的編碼方法，采用兩位數(shù)或字母編碼；圖3是本發(fā)明中的平面正交透射光柵3隔行編碼的方法；圖4是本發(fā)明中平面正交透射光柵面上矢量與CCD上圖像的空間幾何關(guān)系圖，圖中O——平面正交光柵在視區(qū)中間位置的一個(gè)交點(diǎn)；OA——面正交光柵上任一方向的一格柵線，代表一個(gè)從O點(diǎn)到A點(diǎn)的矢量；OB——平面正交光柵上與OA垂直方向的一格柵線，代表一個(gè)從O點(diǎn)到B點(diǎn)的矢量；O’——平面正交光柵上O點(diǎn)在CCD上的像點(diǎn)；O’A’——平面正交光柵上一格柵線OA在CCD上的像；O’B’——平面正交光柵上一格柵線OB在CCD上的像；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1，本發(fā)明包括平行光源1，以及設(shè)置在平行光源1光路中的平面正交透射光柵3，平面正交透射光柵3的后端的光路中還依次設(shè)置有由大數(shù)值孔徑物鏡CCD顯微攝像裝置5、圖像采集卡6和計(jì)算機(jī)7組成的機(jī)器視覺系統(tǒng)4，所說的平面正交透射光柵3安裝在需要測量的精密定位平臺2上。
參見圖2，3，本發(fā)明的平面正交透射光柵3采用兩位方式絕對編碼，編碼方式可以采用是完全編碼、隔行編碼或隔列編碼。
參見圖4，本發(fā)明的測量方法為選擇面積為10mm*8mm、柵距為50um*40um的平面正交光柵，選擇尺寸為1/1.8”的(像素單位約為5um*5um)、放大倍數(shù)為60倍的高數(shù)值孔徑物鏡CCD顯微攝像裝置5，其通光孔徑為2mm，工作距離為0.2mm。
平行光源1垂直于水平面，照著安裝在精密定位平臺2的平面正交透射光柵3上某一田字格區(qū)域。首先通過CCD顯微攝像裝置5采集光柵投影圖像，并識別出田字格區(qū)域的光柵投影骨架。
根據(jù)圖4所示的投影關(guān)系，有OA→=O′A′→/n+ZA→]]>OB→=O′B′/n→+ZB→---(1)]]>其中，n為物鏡放大倍數(shù)， 和 分別是 和 在Z軸上的投影，因此，ZA=±|OA→|2-|O′A′→n|2ZB=±|OB→|2-|O′→B′n|2,]]>其中 和 的方向可以由在原始位置繞X軸和Y軸順時(shí)針和逆時(shí)針小幅轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)投影圖形的伸長和縮短來確定。
光柵平面的單位法矢為n→=(n→X,n→Y,n→Z)=OA→×OB→|OA→|·|OB→|---(2)]]>求出 和就可以決定，工作臺的傾斜、俯仰和旋轉(zhuǎn)角就可以由公式(2)識別出。用這三個(gè)角度和平面正交光柵田字格中的一個(gè)交點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)精密定位平臺的調(diào)平對準(zhǔn)。在精密定位平臺調(diào)平對準(zhǔn)后，再根據(jù)正交光柵上的編碼和交點(diǎn)的偏移，決定精密定位平臺在水平面上的粗位移和精位移。
本實(shí)施例中的測量范圍取決于光柵整體大小，為10mm*8mm；測量中取視場范圍為100um*80um，在CCD上的成像面積為6mm*4.8mm，對應(yīng)的像素為1200*960，因此系統(tǒng)的直線位移分辨率為0.083um。角度測量范圍取決于物鏡的通光孔徑和工作距離，本例中角度測量范圍為0.1弧度，角度分辨率為0.002弧度。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)器視覺和平面正交光柵的測量裝置，包括平行光源(1)，以及位于平行光源(1)光路中的平面正交透射光柵(3)，其特征在于位于定位平臺(2)的后端的光路中還依次設(shè)置有由CCD顯微攝像裝置(5)、圖像采集卡(6)和計(jì)算機(jī)(7)組成的機(jī)器視覺系統(tǒng)(4)，所說平面正交透射光柵(3)安裝在精密定位平臺(2)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺和平面正交光柵的測量裝置，其特征在于所說的平面正交透射光柵(3)采用兩位方式絕對編碼，編碼方式可以采用是完全編碼、隔行編碼或隔列編碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺和平面正交光柵的測量裝置，其特征在于所說的CCD顯微攝像裝置(5)為大數(shù)值孔徑物鏡。
4.一種基于權(quán)利要求1所述的機(jī)器視覺和平面正交光柵的測量方法，其特征在于1)平行光源(1)垂直于水平面，照射在安裝于精密定位平臺(2)的平面正交透射光柵(3)上某一田字格區(qū)域，首先通過CCD顯微攝像裝置(5)采集光柵投影圖像，并識別出田字格區(qū)域的光柵投影骨架；2)然后根據(jù)投影關(guān)系，有OA→=O'A'→/n+ZA→]]>OB→=O'B'/→n+ZB→---(1)]]>其中O為平面正交光柵在CCD顯微攝像裝置(5)中間位置的一個(gè)交點(diǎn)；OA為平面正交透射光柵(3)上任一方向的一格柵線，代表一個(gè)從O點(diǎn)到A點(diǎn)的矢量；OB為平面正交透射光柵(3)上與OA垂直方向的一格柵線，代表一個(gè)從O點(diǎn)到B點(diǎn)的矢量；O’為平面正交透射光柵(3)上O點(diǎn)在CCD顯微攝像裝置(5)上的像點(diǎn)；O’A’為平面正交透射光柵(3)上一格柵線OA在CCD顯微攝像裝置(5)上的像；O’B’為平面正交透射光柵(3)上一格柵線OB在CCD顯微攝像裝置(5)上的像；n為物鏡放大倍數(shù)， 和 分別是 和 在Z軸上的投影，因此，ZA=±|OA→|2-|O'A'→n|2ZB=±|OB→|2-|O'B'→n|2]]>其中 和 的方向可以由在原始位置繞X軸和Y軸順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)投影圖形的伸長和縮短來確定，光柵平面的單位法矢為n→=(n→X,n→Y,n→Z)=OA→×OB→|OA→|·|OB→|---(2)]]>求出 和 ， 就可以決定，工作臺的傾斜、俯仰和旋轉(zhuǎn)角就可以由公式(2)識別出，用這三個(gè)角度和平面正交透射光柵(3)的田字格中的一個(gè)交點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)定位平臺(2)的調(diào)平對準(zhǔn)，在定位平臺(2)調(diào)平對準(zhǔn)后，根據(jù)光柵圖形的編碼和交點(diǎn)的偏移，決定定位平臺(2)在水平面上的粗位移和精位移。
全文摘要
基于機(jī)器視覺和平面正交光柵的測量裝置及測量方法，包括平行光源，以及位于平行光源光路中的平面正交透射光柵，在光柵后端的光路中還依次設(shè)置有由CCD顯微攝像裝置、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成的機(jī)器視覺系統(tǒng)，所說平面正交透射光柵安裝在精密定位平臺上。本發(fā)明根據(jù)平面正交光柵柵線的長度、顯微物鏡放大倍數(shù)、平面正交透射光柵上某交點(diǎn)在機(jī)器視覺系統(tǒng)中確定的原點(diǎn)，得到水平面內(nèi)的平面光柵基準(zhǔn)；根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)中平面正交光柵的投影圖像，參考水平面內(nèi)的平面光柵基準(zhǔn)，重構(gòu)出光柵柵線空間矢量；精密定位平臺的傾斜、俯仰和旋轉(zhuǎn)角通過對光柵柵線空間矢量的矢量分析得到。
文檔編號G01B11/03GK1971204SQ20061010510
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者姜歌東, 梅雪松, 陶濤, 王坤, 孫挪剛 申請人:西安交通大學(xué)