CN103134428B - 一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置与方法属于半导体制造装备技术领域，具体涉及一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置；本发明装置引入了频率稳定的激光二极管为光源，二维PSD为光电元件，将光源部分与二维PSD集成在一起，因此可以减小体积、减轻重量、便于安装；同时只将三个角锥棱镜置于运动平台之上，也减少了平台的运动负载，综上所述，该测量装置结构简单，非常适合于高速运动平台的六自由度位姿测量；本发明方法采用分布于待测平台上的角锥棱镜作为位置传感元件，通过坐标系变换将角锥棱镜与PSD构成的三维坐标系转换为待测平台运动坐标系，从而获得待测平台的六自由度信息，因此该测量方法操作简便，光路调整简单。

Description

一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量方法

技术领域

一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置与方法属于半导体制造装备技术领域，具体涉及一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置与方法。

背景技术

多自由度测量技术在超大规模集成电路制造、微光学元件加工、纳米材料制造及微机电系统装配与集成等领域具有非常重要的作用。随着精密制造技术的快速发展，对多自由度平台的姿态控制提出了更高的要求，如光刻机工作过程中，需要对工件台的位姿和速度等动态特性进行快速而准确地测量，并实时将六自由度位置误差反馈给控制系统，从而完成对工件台的精确控制。因此客观上需要一种具有快速高精度的六自由度测量技术，以满足超精密制造中对多自由度运动平台的位姿测量。

传统的多自由度测量技术主要有三坐标测量系统和双目立体视觉的测量技术等，但均不适合动态实时测量。目前发展较快的多自由度测量技术主要是基于激光干涉技术，如基于双频激光干涉仪的多自由度测量系统，该方法测量范围大，速度高，适用于宏观尺度测量，但其安装调试复杂，成本高，测量系统体积大，不利于系统的集成。除此之外，利用光斑位置变化实现多自由度测量的方法由于其结构简单成本低而倍受关注。如台湾大学提出使用两套激光多谱勒测长仪和四象限接收器组成六自由度测量系统。但该方法由于将光源发出的激光束作为测量基准，测量前要精确调整以保证三束光平行，光源的稳定性直接影响最终的测量精度且不易补偿。又如日本大学和上智大学提出由传统激光干涉测长系统测得水平位置误差，同时利用分束器得到两平行光束，利用三个四象限探测器获得其余五项误差，该方法将测量镜及光电探测部分置于活动平台上，由于体积大不能用于高速加工中心的动态测量，同时亦需保证两束平行光的平行性，数据不易修正，限制了其应用范围。

以上研究表明，多自由度测量技术具有广泛的应用前景，该技术正朝着快速高精度、大范围、结构紧凑、可移植性好的方向发展。而现有的六自由度测量技术中存在着结构复杂、集成度低、成本高等诸多问题，需要不断引入新器件、新方法加以改进。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置 与方法，该装置具有体积小、重量轻、便于安装和结构简单的特点，非常适合于高速运动平台的六自由度位姿测量；该方法操作简便，光路调整简单。

本发明的目的是这样实现的：

一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置，包括配置在待测平台上的角锥棱镜、配置在测量框架上的光源组件和信号接收组件、信号采集运算电路板和主控计算机；所述的角锥棱镜与光源组件和信号接收组件为3套，每套光源组件和信号接收组件均通过机械安装架固定在测量框架上；所述的光源组件包括准直透镜、激光二极管；所述的信号接收组件包括二维PSD以及信号传输电路板；其中，由激光二极管输出的激光经过准直透镜准直后，经保偏光纤传输，入射到角锥棱镜，反射光回射到二维PSD上时，二维PSD产生相应的输出信号，再经过信号传输电路板与另外两组相同的信号一起传输到信号采集运算电路板，解耦后输出测量结果给主控计算机。

上述的一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置，所述的准直透镜与激光二极管安装在光源箱内。

上述的一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置，测量过程中，测量框架始终保持静止状态。

上述的一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置，所述的三个角锥棱镜布置于待测平台的三个顶角处，呈直角三角形；光源发出的光与角锥的反射光平行，且光的方向与待测平台平面夹角45±2度。

一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量方法，

当角锥棱镜与待测平台处于某一位置时，经坐标变换后得到当前待测平台的六自由度信息；

当角锥棱镜随着待测平台移动时，根据回射光入射到二维PSD接收面的位置改变量与待测平台之问的几何对应关系，经坐标变换后得到待测平台变化的六自由度信息。

由于本发明装置引入了频率稳定的激光二极管为光源，二维PSD为光电元件，将光源部分与二维PSD集成在一起，因此可以减小体积、减轻重量、便于安装；同时只将三个角锥棱镜置于运动平台之上，也减少了平台的运动负载，综上所述，该测量装置结构简单，非常适合于高速运动平台的六自由度位姿测量；由于本发明方法采用分布于 待测平台上的角锥棱镜作为位置传感元件，通过坐标系变换将角锥棱镜与PSD构成的三维坐标系转换为待测平台运动坐标系，从而获得待测平台的六自由度信息，因此该测量方法操作简便，光路调整简单。

附图说明

图1是本发明分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置结构示意图。

图2是本发明测量坐标示意图。

图3是第三组二维PSD和角锥棱镜组成的系统坐标示意图。

图4是二维PSD坐标示意图。

图中：1角锥棱镜、2机械安装架、3准直透镜、4激光二极管、5光源箱、6待测平台、7二维PSD、8信号传输电路板、9信号采集运算电路板、10主控计算机、11测量框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例的分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置结构示意图如图1所示，该测量装置包括配置在待测平台6上的角锥棱镜1、配置在测量过程中保持静止状态的测量框架11上的光源组件和信号接收组件、信号采集运算电路板9和主控计算机10；所述的角锥棱镜1与光源组件和信号接收组件为3套，每套光源组件和信号接收组件均通过机械安装架2固定在测量框架1l上；所述的光源组件包括安装在光源箱5内的准直透镜3与激光二极管4；所述的信号接收组件包括二维PSD7以及信号传输电路板8；其中，由激光二极管4输出的激光经过准直透镜3准直后，经保偏光纤传输，入射到角锥棱镜1，反射光回射到二维PSD7上时，二维PSD7产生相应的输出信号，再经过信号传输电路板8与另外两组相同的信号一起传输到信号采集运算电路板9，解耦后输出测量结果给主控计算机10。

上述分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置，所述的三个角锥棱镜1布置于待测平台6的三个项角处，呈直角三角形；光源发出的光与角锥的反射光平行，且光的方向与待测平台平面夹角45度。

图2规定了测量过程中的坐标定义，从坐标原点看向x轴，y轴和z轴的方向分别 为Rx，Ry，Rz方向，且顺时针旋转为正方向。角锥棱镜1均位于xoy平面内，且安装位置的坐标是(anx,any,0)，n=l、2、3；角锥棱镜1反射方向相对于x轴正方向的逆时针旋转角度为β，二维PSD7相对于待测平台6的安装倾斜角度为α。

图3是以第三组二维PSD7和角锥棱镜1组成的系统为例，说明测量坐标。角锥棱镜1的坐标为(a3x,a3y,0)，角锥棱镜1反射方向相对于x轴正方向的逆时针旋转角度为β₃，二维PSD7的坐标表示为(S3x,S3y)，S3y在待测平台6面上的分量为S3xa，在垂直于待测平台6的分量为S3xb，如图4所示。

首先计算S3x，由几何关系町以知道，二维PSD7的S3x与待测平台6上的S3x′平行，其中S3x′位于xoy平面内，与向量OP垂直，且满足S3x=S3x′。那么当待测平台做六自由度运动时，x，y和Rz将会影响S3x′的大小，由几何关系并考虑方向可得：

S3x=S3x'=x·sinβ₃-y·cosβ₃-(a3x·cosβ₃+a3y·sinβ₃)·Rz  (1)

接下来计算S3y，由几何关系易知，S3ya与x，y和Rz有关，与z,Rx和Ry无关，S3ya的计算公式为：

S3ya=-x·cosβ₃-y·sinβ₃+(a3y·cosβ₃-a3x·sinβ₃)·Rz  (2)

S3yb与z正向相同，那么S3yb只与Rx，Ry和z的变化有关，则由几何关系可以得到：

S3yb=-Rx·a3y+Ry·a3x+z    (3) 

并且有：

S3y=S3yb·sinα+S3ya·COSα    (4) 

将式(2)和(3)带入式(4)可得：

S3y=S3yb·sinα+S3ya·cosα

＝x·(-cosβ₃cosα)+y·(-sinβ₃cosα)+z·(sinα)+Rx·(-a3ysinα)

+Ry·(a3xsinα)+Rz·[(a3y·cosβ₃一a3x·sinβ₃)·cosα]

                                             (5) 

以上是关于第三组二维PSD7的计算，由于光路经过入射和反射两次，所以实际中的二维PSD7的坐标值为计算值的2倍。

事实上对于第一组和第二组二维PSD7的推导过程和所得的结果是一致的，为了更为直观我们改写成矩阵形式如下：

$\left[\begin{array}{c}S1x\\ S1y\\ S2x\\ S2y\\ S3x\\ S3y\end{array}\right]=2\left[\begin{array}{ccccc}{\sin \mathrm{\β}}_1& {-\cos \mathrm{\β}}_1& 0& 0& 0\\ {-\cos \mathrm{\β}}_1\cos \mathrm{\α}& {-\sin \mathrm{\β}}_1\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& -\mathrm{aly}\sin \mathrm{\α}& \mathrm{alx}\sin \mathrm{\α}\\ {\sin \mathrm{\β}}_2& {-\cos \mathrm{\β}}_2& 0& 0& 0\\ {-\cos \mathrm{\β}}_2\cos \mathrm{\α}& {-\sin \mathrm{\β}}_2\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& -a2y\sin \mathrm{\α}& a2x\sin \mathrm{\α}\\ {\sin \mathrm{\β}}_3& {-\cos \mathrm{\β}}_3& 0& 0& 0\\ {-\cos \mathrm{\β}}_3\cos \mathrm{\α}& {-\sin \mathrm{\β}}_3\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& -a3y\sin \mathrm{\α}& a3x\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.$

$\left.\begin{array}{c}{-\mathrm{alx}\·\cos \mathrm{\β}}_1-\mathrm{aly}\·{\sin \mathrm{\β}}_1\\ ({\mathrm{aly}\·\cos \mathrm{\β}}_1-{\mathrm{alx}\·\sin \mathrm{\β}}_1)\·\cos \mathrm{\α}\\ {-a2x\·\cos \mathrm{\β}}_2-{a2y\·\sin \mathrm{\β}}_2\\ ({a2y\·\cos \mathrm{\β}}_2-{a2x\·\sin \mathrm{\β}}_2)\·\cos \mathrm{\α}\\ {-a3x\·\cos \mathrm{\β}}_3-{a3y\·\sin \mathrm{\β}}_3\\ ({a3y\·\cos \mathrm{\β}}_3-{a3x\·\sin \mathrm{\β}}_3)\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ \mathrm{Rx}\\ \mathrm{Ry}\\ \mathrm{Rz}\end{array}\right]---\left(6\right)$

简记为：

二维PSD7坐标=转移矩阵×待测平台6坐标    (7)

则待求的待测平台六自由度信息为：

待测平台6坐标=转移矩阵-1×二维PSD7坐标    (8)

Claims (1)

1.一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量方法，所对应的装置包括配置在待测平台(6)上的角锥棱镜(1)、配置在测量框架(11)上的光源组件和信号接收组件、信号采集运算电路板(9)和主控计算机(10)；所述的角锥棱镜(1)与光源组件和信号接收组件为3套，每套光源组件和信号接收组件均通过机械安装架(2)固定在测量过程中始终保持静止状态的测量框架(11)上；所述的光源组件包括准直透镜(3)、激光二极管(4)；所述的信号接收组件包括二维PSD(7)以及信号传输电路板(8)；其中，准直透镜(3)与激光二极管(4)安装在光源箱(5)内，由激光二极管(4)输出的激光经过准直透镜(3)准直后，经保偏光纤传输，入射到角锥棱镜(1)，反射光回射到二维PSD(7)上时，二维PSD(7)产生相应的输出信号，再经过信号传输电路板(8)与另外两组相同的信号一起传输到信号采集运算电路板(9)，解耦后输出测量结果给主控计算机(10)；

其特征在于：

当角锥棱镜(1)与待测平台(6)处于某一位置时，经坐标变换后得到当前待测平台(6)的六自由度信息；

当角锥棱镜(1)随着待测平台(6)移动时，根据回射光入射到二维PSD(7)接收面的位置改变量与待测平台(6)之间的几何对应关系，经坐标变换后得到待测平台(6)变化的六自由度信息；

具体为：

角锥棱镜(1)均位于xoy平面内，安装位置的坐标分别为(a1x,a1y,0)，(a2x,a2y,0)和(a3x,a3y,0)，角锥棱镜(1)反射方向相对于x轴正方向的逆时针旋转角度为β₁，β₂和β₃，二维PSD(7)的坐标分别为(S3x,S3y)，(S3x,S3y)和(S3x,S3y)，相对于待测平台(6)的安装倾斜角度为α；那么待测平台(6)的六自由度信息按照以下公式求解：

式中，等号左边为待测平台(6)的坐标，等号右边第一个中括号内容为转移矩阵，第二个中括号内容为二维PSD(7)的坐标。