CN100561115C - 基于机器视觉和平面正交光栅的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

基于机器视觉和平面正交光栅的测量装置及测量方法，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栅，在光栅后端的光路中还依次设置有由CCD显微摄像装置、图像采集卡和计算机组成的机器视觉系统，所说平面正交透射光栅安装在精密定位平台上。本发明根据平面正交光栅栅线的长度、显微物镜放大倍数、平面正交透射光栅上某交点在机器视觉系统中确定的原点，得到水平面内的平面光栅基准；根据机器视觉系统中平面正交光栅的投影图像，参考水平面内的平面光栅基准，重构出光栅栅线空间矢量；精密定位平台的倾斜、俯仰和旋转角通过对光栅栅线空间矢量的矢量分析得到。

Description

基于机器视觉和平面正交光栅的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量系统，特别涉及一种基于机器视觉和平面正交光栅的测量装置及测量方法。

背景技术

集成电路IC制造是21世纪制造业最重要的领域之一，具有巨大的市场需求。据预测，“十五”期间我国仅增添IC的封装设备每年就需40亿元人民币。由于没有先进的IC制造装备，我国集成电路芯片制造设备的85％依赖进口。为了在IC行业占有一席之地，我国必须自主开发IC制造的核心装备。精密定位平台是IC芯片光刻机的关键装置，其快速高精度运动测量对提高加工精度和加工效率具有重要意义。

磁悬浮和电磁驱动工作台是下一代芯片光刻精密定位工作台的发展方向，这种精密定位工作台工作空间和范围更加有限，工作过程中的温度变化、机械振动、气流波动和电磁干扰不可避免，因此其测量系统不但要有极强的抗干扰能力，而且要结构尽量紧凑，调平、对准和粗精位移测量最好能采用同一套测量仪器。目前国外精密定位工作台的测量系统大多采用这样的测量方案：XY平面内的移动和绕Z轴转动测量采用3个双频外差干涉仪，调整过程中的倾斜、俯仰和垂直方向移动采用3个高精度电容来测量。尽管激光外差干涉法有分辨率高、测量范围大和测量速度快等特点，但这样构成的系统具有其价格昂贵、系统复杂、体积大、误差不易修正、安装与调整困难，容易产生较大的阿贝误差等缺点，不利于精密定位平台测量系统的经济、实用性发展需求。日本Tohoku大学研制了一种结构紧凑的基于三维正弦格子和二维角度传感器的表面编码器测量系统，可以实现精密定位平台多自由度测量，但是这个测量系统中的三维微尺寸正弦格子的加工制造非常困难，其形状和尺寸误差对测量精度影响很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、测量范围大，且能实现初始状态调平和对准、实现平面运动过程粗精位移测量的基于机器视觉和平面正交光栅的测量装置及测量方法。

为达到上述目的，本发明的测量装置为：包括平行光源，安装在精密定位平台上的平面正交透射光栅及位于平面正交透射光栅后平行光源光路中的机器视觉系统其特征在于：所说的平面正交透射光栅位于平行光源光路中，是由X和Y方向相互垂直的栅线构成的矩形光栅，并且采用两位数字和字母方式绝对编码，编码方式采用完全编码、隔行或隔列编码；所说的机器视觉系统位于定位平台的后端的光路中，由包含大数值孔径物镜的CCD显微摄像装置、图像采集卡和计算机组成；所说的测量装置是利用平面正交光栅投影放大图像，重构光栅栅线空间矢量，通过矢量分析来实现精密定位平台的倾斜、俯仰和旋转角测量。

本发明的测量方法为：平行光源垂直于水平面，照射在安装于精密定位平台的平面正交透射光栅上某一田字格区域，首先通过CCD显微摄像装置采集光栅投影图像，并识别出田字格区域的光栅投影骨架；然后根据投影关系，有：

$\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}=\stackrel{\→}{O^{\′}{A}^{\′}}/n+\stackrel{\→}{Z_A}$

                          (1)

$\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}=\stackrel{\→}{O^{\′}{B}^{\′}}/n+\stackrel{\→}{Z_B}$

其中O为平面正交光栅在CCD显微摄像装置中间位置的一个交点；OA为平面正交透射光栅上任一方向的一格栅线，代表一个从O点到A点的矢量；OB为平面正交透射光栅上与OA垂直方向的一格栅线，代表一个从O点到B点的矢量；O’为平面正交透射光栅上O点在CCD显微摄像装置上的像点；O’A’为平面正交透射光栅上一格栅线OA在CCD显微摄像装置上的像；O’B’为平面正交透射光栅上一格栅线OB在CCD显微摄像装置上的像；n为物镜放大倍数，

和

分别是和

在Z轴上的投影，

$\stackrel{\→}{Z_A}=\±\sqrt{{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\right|}^2-{\left|\frac{\stackrel{\→}{O^{\′}{A}^{\′}}}{n}\right|}^2}$

因此， $\stackrel{\→}{Z_B}=\±\sqrt{{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}\right|}^2-{\left|\frac{\stackrel{\→}{O^{\′}{B}^{\′}}}{n}\right|}^2}$ ，其中和

的方向由在原始位置绕X轴和Y轴顺时针和逆时针转动时投影图形的伸长和缩短来确定，光栅平面的单位法矢为：

$\stackrel{\→}{n}=({\stackrel{\→}{n}}_X,{\stackrel{\→}{n}}_Y,{\stackrel{\→}{n}}_Z)=\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\×\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}\right|}$ (2)

求出

和，

就决定了，工作台的倾斜、俯仰和旋转角就由公式(2)识别出，用这三个角度和平面正交透射光栅的田字格中的一个交点，就能实现定位平台的调平对准，在定位平台调平对准后，根据光栅图形的编码和交点的偏移，决定定位平台在水平面上的粗位移和精位移。

本发明根据平面正交光栅栅线的长度、显微物镜的放大倍数，以及平面正交透射光栅上某一交点在机器视觉系统中确定的原点，得到水平面内的平面光栅基准；再根据精密工作台运动后机器视觉系统在的平面正交光栅投影图像，参考平面光栅基准，重构出光栅栅线空间矢量，通过矢量分析得到精密定位平台的倾斜、俯仰和旋转角；由光栅编码决定粗位移；通过比较平面正交光栅投影图像与平面光栅基准原点的偏差，求出精密定位平台在X和Y方向的微细位移；实现定位平台的调平、对准和粗精位移测量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的平面正交透射光栅3的编码方法，采用两位数字或字母编码；

图3是本发明中的平面正交透射光栅3隔行编码的方法；

图4是本发明中平面正交透射光栅面上矢量与CCD上图像的空间几何关系图，图中：

O——平面正交光栅在视区中间位置的一个交点；

OA——平面正交光栅上任一方向的一格栅线，代表一个从O点到A点的矢量；

OB——平面正交光栅上与OA垂直方向的一格栅线，代表一个从O点到B点的矢量；

O’——平面正交光栅上O点在CCD上的像点；

O’A’——平面正交光栅上一格栅线OA在CCD上的像；

O’B’——平面正交光栅上一格栅线OB在CCD上的像；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括平行光源1，以及设置在平行光源1光路中的平面正交透射光栅3，平面正交透射光栅3的后端的光路中还依次设置有由大数值孔径物镜CCD显微摄像装置5、图像采集卡6和计算机7组成的机器视觉系统4，所说的平面正交透射光栅3安装在需要测量的精密定位平台2上。

参见图2，3，本发明的平面正交透射光栅3采用两位方式绝对编码，编码方式采用完全编码、隔行编码或隔列编码。

参见图4，本发明的测量方法为：选择面积为10mm*8mm、栅距为50um*40um的矩形格子平面正交光栅，选择尺寸为1/1.8”的(像素单位约为5um*5um)、放大倍数为60倍的高数值孔径物镜CCD显微摄像装置5，其通光孔径为2mm，工作距离为0.2mm。

平行光源1垂直于水平面，照着安装在精密定位平台2的平面正交透射光栅3上某一田字格区域。首先通过CCD显微摄像装置5采集光栅投影图像，并识别出田字格区域的光栅投影骨架。

根据图4所示的投影关系，有：

$\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}=\stackrel{\→}{O^{\′}{A}^{\′}}/n+\stackrel{\→}{Z_A}$

                           (1)

$\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}=\stackrel{\→}{O^{\′}{B}^{\′}}/n+\stackrel{\→}{Z_B}$

其中，n为物镜放大倍数，

和

分别是

和

在Z轴上的投影，

$Z_A=\±\sqrt{{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\right|}^2-{\left|\frac{\stackrel{\→}{O^{\′}{A}^{\′}}}{n}\right|}^2}$

因此， $Z_B=\±\sqrt{{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}\right|}^2-{\left|\frac{\stackrel{\→}{O^{\′}{B}^{\′}}}{n}\right|}^2}$ ，其中

和

的方向由在原始位置绕X轴和Y轴顺时针和逆时针小幅转动时投影图形的伸长和缩短来确定。

光栅平面的单位法矢为：

$\stackrel{\→}{n}=({\stackrel{\→}{n}}_X,{\stackrel{\→}{n}}_Y,{\stackrel{\→}{n}}_Z)=\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\×\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}\right|}$ (2)

求出

和，

就决定了，工作台的倾斜、俯仰和旋转角就由公式(2)识别出。用这三个角度和平面正交光栅田字格中的一个交点，就能实现精密定位平台的调平对准。在精密定位平台调平对准后，再根据正交光栅上的编码和交点的偏移，决定精密定位平台在水平面上的粗位移和精位移。

本实施例中的测量范围取决于光栅整体大小，为10mm*8mm；测量中取视场范围为100um*80um，在CCD上的成像面积为6mm*4.8mm，对应的像素为1200*960，因此系统的直线位移分辨率为0.083um。角度测量范围取决于物镜的通光孔径和工作距离，本例中角度测量范围为0.1弧度，角度分辨率为0.002弧度。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例。

Claims (2)

1、一种基于机器视觉和平面正交光栅的测量装置，包括平行光源(1)，安装在精密定位平台(2)上的平面正交透射光栅(3)及位于平面正交透射光栅(3)后平行光源(1)光路中的机器视觉系统(4)，其特征在于：所说的平面正交透射光栅(3)位于平行光源(1)光路中，是由X和Y方向相互垂直的栅线构成的矩形光栅，并且采用两位数字和字母方式绝对编码，编码方式采用完全编码、隔行或隔列编码；所说的机器视觉系统(4)位于定位平台(2)的后端的光路中，由包含大数值孔径物镜的CCD显微摄像装置(5)、图像采集卡(6)和计算机(7)组成；所说的测量装置是利用平面正交光栅投影放大图像，重构光栅栅线空间矢量，通过矢量分析来实现精密定位平台的倾斜、俯仰和旋转角测量。

2、一种基于权利要求1所述的测量装置的测量方法，其特征在于：

1)平行光源(1)垂直于水平面，照射在安装于精密定位平台(2)的平面正交透射光栅(3)上某一田字格区域，首先通过CCD显微摄像装置(5)采集光栅投影图像，并识别出田字格区域的光栅投影骨架；

2)然后根据投影关系，有：

$\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}=\stackrel{\→}{O^{\′}{A}^{\′}}/n+\stackrel{\→}{Z_A}$

$\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}=\stackrel{\→}{O^{\′}{B}^{\′}}/n+\stackrel{\→}{Z_B}---\left(1\right)$

其中O为平面正交光栅在CCD显微摄像装置(5)中间位置的一个交点；OA为平面正交透射光栅(3)上任一方向的一格栅线，代表一个从O点到A点的矢量；OB为平面正交透射光栅(3)上与OA垂直方向的一格栅线，代表一个从O点到B点的矢量；O’为平面正交透射光栅(3)上O点在CCD显微摄像装置(5)上的像点；O’A’为平面正交透射光栅(3)上一格栅线OA在CCD显微摄像装置(5)上的像；O’B’为平面正交透射光栅(3)上一格栅线OB在CCD显微摄像装置(5)上的像；n为物镜放大倍数，

和

分别是

和

在Z轴上的投影，

因此， $\begin{array}{c}\stackrel{\→}{Z_A}=\±\sqrt{{\stackrel{\→}{\left|\mathrm{OA}\right|}}^2-{\left|\frac{\stackrel{\→}{O^{\′}{A}^{\′}}}{n}\right|}^2}\\ \stackrel{\→}{Z_B}=\±\sqrt{{\stackrel{\→}{\left|\mathrm{OB}\right|}}^2-{\left|\frac{\stackrel{\→}{O^{\′}{B}^{\′}}}{n}\right|}^2}\end{array},$ 其中和

的方向由在原始位置绕X轴和Y轴顺时针和逆时针转动时投影图形的伸长和缩短来确定，

光栅平面的单位法矢为：

$\stackrel{\→}{n}=({\stackrel{\→}{n}}_X,{\stackrel{\→}{n}}_Y,{\stackrel{\→}{n}}_Z)=\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\×\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}\right|}---\left(2\right)$

求出

和

就决定了，工作台的倾斜、俯仰和旋转角由公式(2)识别出，用这三个角度和平面正交透射光栅(3)的田字格中的一个交点，就能实现定位平台(2)的调平对准，在定位平台(2)调平对准后，根据光栅图形的编码和交点的偏移，决定定位平台(2)在水平面上的粗位移和精位移。

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