CN117091512B - 一种多读数头协同光栅测量装置、测量方法、介质及设备 - Google Patents
一种多读数头协同光栅测量装置、测量方法、介质及设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光栅测量领域，具体涉及一种多读数头协同光栅测量装置、测量方法、介质及设备。在基板面的两个第一侧边上设置第一测量光栅组，以及对称设置在第一基准线两侧且靠近所述通光件设置的第二测量光栅组，并在第一测量光栅组所在的第一侧边上设置两个第一读数头组以及一个第二读数头组，在第二测量光栅组上沿第二基准线两侧对称设置两个第三读数头组以及两个第四读数头组，共十四个读数头协同测量不同运动状态下的位移信息，从而求解得出不同运动状态下的基板的位移参数，解算速度快、精度高、可用于大量程位移测量的复合读数头协同传感光栅干涉大量程多自由度测量装置，可以实现一维度至六维度的位移测量。
Description
技术领域
本发明涉及光栅测量领域，具体涉及一种多读数头协同光栅测量装置、测量方法、介质及设备。
背景技术
目前大量程高精度六自由度测量技术主要包括激光干涉测量法和光栅干涉测量法。其中，激光干涉测量法的测量基准为激光波长，其缺点是对空气折射率较为敏感、外界环境条件要求严格，在短量程下易获得高精度，但随着测量量程的逐渐增大，温度、湿度和气压等测量环境的微小变化都将严重影响测量结果的准确性，米级以上量程的测量误差甚至高达几百纳米。而光栅干涉测量法的测量基准为光栅栅距，光栅基底可选用零膨胀材料，此时外界环境对其影响甚微，其测量精度几乎不受量程增大的影响，不需要严格进行恒温、恒压、恒湿等环境控制。
现有利用激光干涉测量法来实现多自由度测量的装置一方面受限于单个激光干涉仪的体积较大，所以整体多自由度测量系统的体积无法缩小，因此激光干涉多自由度测量系统无法应用于体积大小受限的工程设备中；另一方面，激光波长易受环境的影响，在米级以上量程的测量误差能高达几百纳米，在大量程的测量装置中精度不够高。
而现有光栅干涉多自由度测量装置技术路线可以分为以下两类：基于耦合冗余量测量；基于多读数头协同传感测量。对于基于耦合冗余量测量路线而言：利用三个及以上数目的测量读数头之间位移信息的冗余解算得到多自由度测量数值，这种方案由于耦合测量需要解算六自由度数值之间的高阶非线性方程组，造成计算速度缓慢，无法应用于需要进行快速测量的场景之下。与此同时，受限于目前大尺寸光栅制造水平，导致冗余测量系统量程无法提升，只能做短距离位移测量。对于基于多读数头协同传感测量路线而言：多个读数头在位移测量过程中会不可避免的造成误差积累，虽然位移解算速度很快，但是进行长量程位移测量过程中误差积累量激增，导致测量结果与实际值差异较大，同样无法用于量程较大的使用场景。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种多读数头协同光栅测量装置、测量方法、介质及设备，解决了现有的多读数头无法用于量程较大的光栅测量的问题。
为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种多读数头协同光栅测量装置，包括基板、通光件、第一测量光栅组、第二测量光栅组、两个第一读数头组、第二读数头组、两个第三读数头组、两个第四读数头组以及控制单元，基板具有一基板面，基板面设置在基板的顶部，基板面具有相对设置的至少两个第一侧边以及相对设置的至少两个第二侧边，第一侧边和第二侧边相邻设置，至少两个第一侧边沿第一方向延伸，至少两个第二侧边沿第二方向延伸，第一方向与第二方向垂直，记基板面沿第一方向延伸的中心线为第一基准线，记基板面沿第二方向延伸的中心线为第二基准线；
通光件上具有朝向基板面的中心点设置的通光孔；第一测量光栅组包括两个第一测量光栅，两个第一测量光栅设置在基板面上，且对称设置在第一基准线的两侧，每一第一测量光栅靠近第一侧边设置，第一测量光栅与第一侧边平行；第二测量光栅组包括两个第二测量光栅，两个第二测量光栅设置在基板面的上方，且对称设置在第一基准线的两侧，第二测量光栅的沿第二方向延伸的中心线与第二基准线重合，通光件设置在两个第二测量光栅之间，记一个第二测量光栅为第二测量上光栅，另一第二测量光栅为第二测量下光栅；
两个第一读数头组对称设置在第二基准线的两侧，每一第一读数头组包括两个第一读数头，两个第一读数头对称设置在第一基准线的两侧，每一第一读数头设置在第一侧边与第二侧边的交汇点；第二读数头组包括两个第二读数头，两个第二读数头对称设置在第一基准线的两侧，每一第二读数头设置在第二基准线与第一侧边的交汇点；
两个第三读数头组对称设置在第二基准线的两侧，每一第三读数头组包括两个按照第一预设间隔设置的第三读数头，其中一个第三读数头设置在第二测量上光栅靠近通光件的端部，另一第三读数头设置在第二测量下光栅上；两个第四读数头组对称设置在第二基准线的两侧，每一第四读数头组包括两个按照第二预设间隔设置的第四读数头，其中一个第四读数头设置在第二测量下光栅靠近通光件的端部，另一第四读数头设置在第二测量上光栅上。
控制单元分别与第一读数头组、第二读数头组、第三读数头组以及第四读数头组电连接，用于根据第一读数头组所测量的第一位移信息生成基板面在第一运动状态下的第一位移参数，和/或根据第二读数头组所测量的第二位移信息生成基板面在第二运动状态下的第二位移参数，和/或根据第三读数头组所测量的第三位移信息生成基板面在第三运动状态下的第三位移参数，和/或根据第四读数头组所测量的第四位移信息生成基板面在第四运动状态下的第四位移参数。
在一些实施例中，第一读数头包括并列设置的第一子读数头、第二子读数头以及第三子读数头；第一子读数头用于测量基板在第一预设方向上的一维位移信息；第二子读数头用于测量基板在第二预设方向上的二维位移信息；第三子读数头用于测量基板在第三预设方向上的一维位移信息；第三读数头包括并列设置的第四子读数头、第五子读数头以及第六子读数头；第四子读数头用于测量基板在第四预设方向上的一维位移信息第五子读数头用于测量基板在第五预设方向上的二维位移信息；第六子读数头用于测量基板在第六预设方向上的一维位移信息。
在一些实施例中，第一读数头组中的第一读数头嵌设在第一侧边上；和/或，第二读数头组中的第二读数头嵌设在第一侧边上。
在第二方面，本发明提供一种多读数头协同光栅测量方法，适用于第一方面所述的多读数头协同光栅测量装置，方法包括：
获取基板的实际移动状态；
根据基板的实际移动状态从预设移动模式中匹配基板当前的移动模式；
获取当前的移动模式对应的多个运动状态，根据运动状态选取不同的预设读数策略，每一运动状态包括第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态以及第四运动状态的其中一种；
根据预设读数策略控制第一读数头组和/或第二读数头组和/或第三读数头组和/或第四读数头组对基板进行测量，获得基板的位移信息，位移信息包括当前预设读数策略对应的第一位移信息、第二位移信息、第三位移信息以及第四位移信息的其中一种；
求解位移信息，生成位移信息参数；
将位移信息参数与预设读数策略映射存储。
在一些实施例中，每一预设移动模式包括多个预设运动状态，每一预设运动状态对应的预设读数策略不同。
在一些实施例中，基板的实际移动状态具有移动周期；
根据基板的实际移动状态从预设移动模式中匹配基板当前的移动模式包括：
根据基板的移动周期获取基板的周期移动状态；
根据周期移动状态从预设移动模式中匹配基板当前的移动模式。
在一些实施例中，第一读数头包括并列设置的第一子读数头、第二子读数头以及第三子读数头；第一子读数头用于测量基板在第一预设方向上的一维位移信息；第二子读数头用于测量基板在第二预设方向上的二维位移信息；第三子读数头用于测量基板在第三预设方向上的一维位移信息；
记同一第一读数头组中的其中一个第一读数头为，另一个第一读数头为，第一预设方向为方向，第二预设方向为方向，第三预设方向为方向，第一子读数头对应的一维位移信息记为、，第二子读数头对应的二维位移信息记为；第三子读数头对应的一维位移信息记为、；
当位移信息为第一位移信息时，位移参数可通过公式（1）至公式（6）计算获得：
（1）；
（2）；
（3）；
（4）；
（5）；
（6）；
式中，L1为第八复合读数头（B2）到第十二复合读数头（B6）之间的距离，L2为基板面的长度，d为复合读数头的子读数头结构中分布在两侧测量相同方向的两个子读数头之间的距离，且、、、、、对应基板在第一运动状态下的六自由度计算值。
在一些实施例中，第三读数头包括并列设置的第四子读数头、第五子读数头以及第六子读数头；第四子读数头用于测量基板在第四预设方向上的一维位移信息；第五子读数头用于测量基板在第五预设方向上的二维位移信息；第六子读数头用于测量基板在第六预设方向上的一维位移信息；
记同一第三读数头组中的其中一个第三读数头为，另一个第三读数头为，第四预设方向为方向，第五预设方向为方向，第六预设方向为方向，第四子读数头对应的一维位移信息记为、，第五子读数头对应的二维位移信息记为；第六子读数头对应的一维位移信息记为、；
当位移信息为第三位移信息时，位移参数可通过公式（7）至公式（12）计算获得：
（7）；
（8）；
（9）；
（10）；
（11）；
（12）；
式中，L2为基板面的长度，d为复合读数头的子读数头结构中分布在两侧测量相同方向的两个子读数头之间的距离，且、、、、、对应基板在第三运动状态下的六自由度计算值。
在第三方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器执行时实现在第二方面所述的方法。
在第四方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机程序指令，其中，所述一条或多条计算机程序指令被所述处理器执行以实现在第二方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
在基板面的两个第一侧边上设置第一测量光栅组，以及对称设置在第一基准线两侧且靠近所述通光件设置的第二测量光栅组，并在第一测量光栅组所在的第一侧边上设置两个第一读数头组以及一个第二读数头组，在第二测量光栅组上沿第二基准线两侧对称设置两个第三读数头组以及两个第四读数头组，共十四个读数头协同测量不同运动状态下的位移信息，从而求解得出不同运动状态下的基板的位移参数，解算速度快、精度高、可用于大量程位移测量的复合读数头协同传感光栅干涉大量程多自由度测量装置，可以实现一维度至六维度的位移测量。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第一示意图；
图2是根据本发明实施例提供的第一读数头的示意图；
图3是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第二示意图；
图4是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第一扫描运动状态图；
图5是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第一步进运动状态图；
图6是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第二扫描运动状态图；
图7是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第二步进运动状态图；
图8是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置中间过渡运动状态图；
图9是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第三扫描运动状态图；
图10是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第三步进运动状态图；
图11是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第四扫描运动状态图；
图12是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第四步进运动状态图；
图13是根据本发明实施例提供的多读数头协同光栅测量装置第三示意图。
附图标记：
A1、第一复合读数头；A2、第二复合读数头；A3、第三复合读数头；A4、第四复合读数头；A5、第五复合读数头；A6、第六复合读数头；B1、第七复合读数头；B2、第八复合读数头；B3、第九复合读数头；B4、第十复合读数头；B5、第十一复合读数头；B6、第十二复合读数头；B7、第十三复合读数头；B8、第十四复合读数头；C1、第一二维光栅；C2、第二二维光栅；D1、第三二维光栅；D2、第四二维光栅。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
请参阅图1，在第一方面，本实施例提供了一种多读数头协同光栅测量装置，包括基板、通光件、第一测量光栅组、第二测量光栅组、两个第一读数头组、第二读数头组、两个第三读数头组、两个第四读数头组以及控制单元，基板具有一基板面，基板面设置在基板的顶部，基板面具有相对设置的至少两个第一侧边以及相对设置的至少两个第二侧边，第一侧边和第二侧边相邻设置，至少两个第一侧边沿第一方向延伸，至少两个第二侧边沿第二方向延伸，第一方向与第二方向垂直，记基板面沿第一方向延伸的中心线为第一基准线，记基板面沿第二方向延伸的中心线为第二基准线；
通光件上具有朝向基板面的中心点设置的通光孔；第一测量光栅组包括两个第一测量光栅，两个第一测量光栅设置在基板面上，且对称设置在第一基准线的两侧，每一第一测量光栅靠近第一侧边设置，第一测量光栅与第一侧边平行；第二测量光栅组包括两个第二测量光栅，两个第二测量光栅设置在基板面的上方，且对称设置在第一基准线的两侧，第二测量光栅的沿第二方向延伸的中心线与第二基准线重合，通光件设置在两个第二测量光栅之间，记一个第二测量光栅为第二测量上光栅，另一第二测量光栅为第二测量下光栅；
两个第一读数头组对称设置在第二基准线的两侧，每一第一读数头组包括两个第一读数头，两个第一读数头对称设置在第一基准线的两侧，每一第一读数头设置在第一侧边与第二侧边的交汇点；第二读数头组包括两个第二读数头，两个第二读数头对称设置在第一基准线的两侧，每一第二读数头设置在第二基准线与第一侧边的交汇点；
两个第三读数头组对称设置在第二基准线的两侧，每一第三读数头组包括两个按照第一预设间隔设置的第三读数头，其中一个第三读数头设置在第二测量上光栅靠近通光件的端部，另一第三读数头设置在第二测量下光栅上；两个第四读数头组对称设置在第二基准线的两侧，每一第四读数头组包括两个按照第二预设间隔设置的第四读数头，其中一个第四读数头设置在第二测量下光栅靠近通光件的端部，另一第四读数头设置在第二测量上光栅上。
控制单元分别与第一读数头组、第二读数头组、第三读数头组以及第四读数头组电连接，用于根据第一读数头组所测量的第一位移信息生成基板面在第一运动状态下的第一位移参数，和/或根据第二读数头组所测量的第二位移信息生成基板面在第二运动状态下的第二位移参数，和/或根据第三读数头组所测量的第三位移信息生成基板面在第三运动状态下的第三位移参数，和/或根据第四读数头组所测量的第四位移信息生成基板面在第四运动状态下的第四位移参数。
需要说明的是，为便于区分，结合图1，将第一测量光栅组中的两个第一测量光栅记为第一二维光栅C1以及第二二维光栅C2；将第二测量光栅组中的第二测量上光栅记为第三二维光栅D1，第二测量下光栅记为第四二维光栅D2，将其中一个第一读数头组中的第一读数头记为第一复合读数头A1以及第六复合读数头A6，另一个第一读数头组中的第一读数头记为第三复合读数头A3以及第四复合读数头A4，第二读数头组中的第二读数头记为第二复合读数头A2以及第五复合读数头A5，将其中一个第三读数头组中，设置在第二测量上光栅靠近通光件端部的第三读数头记为第九复合读数头B3，同一第三读数头组中的另一第三读数头记为第十三复合读数头B7，另一第三读数头组中的第三读数头对应记为第十复合读数头B4以及第十四复合读数头B8，其中一个第四读数头组中设置在第二测量下光栅靠近通光件的端部的第四读数头记为第十一复合读数头B5，同一第四读数头组中的另一第四读数头记为第七复合读数头B1，另一第四读数头组中的第四读数头对应记为第十二复合读数头B6以及第八复合读数头B2，下文表述以此为准。
本实施例中，基板的运动为口字型运动，包括在水平面上的扫描运动以及竖直面上的步进运动，需要注意的是，每一扫描运动或步进运动均至少需要一组读数头组结合一测量光栅组进行测量，为便于区分，将扫描运动与步进运动按照所需要使用的读数头组进行区分，共分为第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态以及第四运动状态，需要说明的是，第一运动状态包括第二步进运动状态以及第三步进运动状态，第二运动状态包括第一步进运动状态以及第四步进运动状态，第三运动状态包括第一扫描运动状态、第三扫描运动状态以及中间过渡运动状态，第四运动状态包括第二扫描运动状态以及第四扫描运动状态。需要说明的是，中间过渡运动状态用于衔接左右曝光区域的运动状态，这个过程会同时存在步进运动状态与扫描运动状态，本实施例对此不作具体叙述。
后文出现的与上述表述相关的语句均以此为释义。
关于第一基准线以及第二基准线应这样理解：以基板的中心点为基准点，穿过基板中心点并与第一侧边平行的为第一基准线，穿过基板中心点并与第二侧边平行的为第二基准线。本实施例中，基板上可以盛放待测位移的物体，或者，可以将基板及其上的光栅、读数头等部件共同集成在待测位移的物体上，便于对待测位移的物体进行位移跟踪。优选的，基板为方形或矩形板件，在基板的顶部具有基板面，基板面为用于测量的参考面，也即，基板面的位移测量结果指代为当前基板所在的待测位移的物体的位移测量结果。
在本实施例中，通光件上设有通光孔，通光件的形状可以是圆管状、方管状，优选的，通光件为矩形管状结构，便于第三二维光栅D1以及第四二维光栅D2的安装。通光孔用于通入光源，具体的，通光孔内的光是曝光光束，经过曝光投影物镜调制之后的曝光光束。
需要说明的是，第一读数头、第二读数头、第三读数头以及第四读数头的结构均相同，区别在于其相对于基板的位置不同。本实施例关于第一测量光栅组、第二测量光栅组、第一读数头组、第二读数头组、第三读数头组以及第四读数头组应结合图1进行具体理解，第一读数头是指第一侧边与第二侧边交汇处且设置在第一侧边上的读数头，第二读数头是指设置在第一侧边的中点处，也即第二基准线与第一侧边的交汇处的读数头，第三读数头与第四读数头均设置在第三二维光栅D1与第四二维光栅D2朝向基板面所在一侧，不同的是，其中一个第三读数头设置在第三二维光栅D1靠近通光件的端部，其中一个第四读数头设置在第四二维光栅D2靠近通光件的端部，并且，同一第三读数头组中的两个第三读数头按照第一预设间隔设置，同一第四读数头组中的两个第四读数头按照第二预设间隔设置，第一预设间隔与第二预设间隔可以相同，具体跟基板面的尺寸相关联，优选的，第一预设间隔与第二预设间隔均为基板的两个第一侧边的间距，便于后续求解步骤。
关于基板的运动状态，可结合图4至图12进行理解，需要说明的是，本实施例中图4至图12均为基板在一个移动周期内的顺序排列。
基板台按照预设移动模式展开扫描与步进运动，路径为双“口”字形。
第一扫描运动状态示意图，所述基板台向右运动，此时第十复合读数头B4、第十四复合读数头B8搭配第一二维光栅C1、第二二维光栅C2共同工作，进行六维测量。
第一步进运动状态下，所述基板台向上运动，此时第二复合读数头A2、第五复合读数头A5搭配第三二维光栅D1、第四二维光栅D2共同工作，进行六维测量；
第二扫描运动状态下，所述基板台向左运动，此时第八复合读数头B2、第十二复合读数头B6搭配第一二维光栅C1、第二二维光栅C2共同工作，进行六维测量；
第二步进运动状态下，所述基板台向下运动，此时第一复合读数头A1、第六复合读数头A6搭配第三二维光栅D1、第四二维光栅D2共同工作，进行六维测量；
中间过渡工作状态下，所述基板台运动到平台几何中心位置，此时第九复合读数头B3、第十三复合读数头B7分别接替第十复合读数头B4、第十四复合读数头B8开展位移测量测量工作；
第三扫描运动状态下，所述基板台向右运动，此时第九复合读数头B3、第十三复合读数头B7搭配第一二维光栅C1、第二二维光栅C2共同工作，进行六维测量；
第三步进运动状态下，所述基板台向上运动，此时第三复合读数头A3、第四复合读数头A4搭配第三二维光栅D1、第四二维光栅D2共同工作，进行六维测量；
第四扫描运动状态下，所述基板台向左运动，此时第七复合读数头B1、第十一复合读数头B5搭配第一二维光栅C1、第二二维光栅C2共同工作，进行六维测量；
第四步进运动状态下，所述基板台向下运动，此时第二复合读数头A2、第五复合读数头A5搭配第三二维光栅D1、第四二维光栅D2共同工作，进行六维测量。
关于第一位移信息、第二位移信息、第三位移信息、第四位移信息以及第一位移参数、第二位移参数、第三位移参数、第四位移参数的计算过程参阅后文所述方法，此处不作说明。
在基板面的两个第一侧边上设置第一测量光栅组，以及对称设置在第一基准线两侧且靠近所述通光件设置的第二测量光栅组，并在第一测量光栅组所在的第一侧边上设置两个第一读数头组以及一个第二读数头组，在第二测量光栅组上沿第二基准线两侧对称设置两个第三读数头组以及两个第四读数头组，共十四个读数头协同测量不同运动状态下的位移信息，从而求解得出不同运动状态下的基板的位移参数，解算速度快、精度高、可用于大量程位移测量的复合读数头协同传感光栅干涉大量程多自由度测量装置，可以实现一维度至六维度的位移测量。
请参阅图2，在一些实施例中，第一读数头包括并列设置的第一子读数头、第二子读数头以及第三子读数头；第一子读数头用于测量基板在第一预设方向上的一维位移信息；第二子读数头用于测量基板在第二预设方向上的二维位移信息；第三子读数头用于测量基板在第三预设方向上的一维位移信息；第三读数头包括并列设置的第四子读数头、第五子读数头以及第六子读数头；第四子读数头用于测量基板在第四预设方向上的一维位移信息第五子读数头用于测量基板在第五预设方向上的二维位移信息；第六子读数头用于测量基板在第六预设方向上的一维位移信息。
本实施例中，第一预设方向、第二预设方向、第三预设方向、第四预设方向、第五预设方向以及第六预设方向为笛卡尔空间坐标系中某一个方向或某两个方向复合形成的具有矢量的方向，此处关于矢量方向具体应结合基板面进行理解，由于本实施例主要用于测量基板面的运动状态，因此，其矢量方向是指当第一读数头或第三读数头设置在正确位置时，朝向基板面的方向为其矢量方向。需要说明的是，第一读数头与第二读数头的结构相同，设置位置均为与第一测量光栅组同侧，因此，第一读数头中关于第一子读数头、第二子读数头、第三子读数头以及第一预设方向、第二预设方向、第三预设方向的表述同样适用于第二读数头，第三读数头与第四读数头的结构相同，设置位置均为与第二测量光栅组同侧，因此，第三读数头中关于第四子读数头、第五子读数头、第六子读数头以及第四预设方向、第五预设方向以及第六预设方向的表述同样适用于第二读数头，后文关于上述参数的具体计算均以此为释义。
本实施例中，第一子读数头、第二子读数头、第三子读数头相互独立，互不干扰，第四子读数头、第五子读数头、第六子读数头相互独立，互不干扰，通过对不同的子读数头进行协同测量，即可生成多个不同运动状态下的位移信息，从而求解计算得出不同运动状态下的位移参数。
如图2所示，第一复合读数头A1由三个子读数头构成，左侧分布一个Z向一维测量读数头A1Z1，右侧分布一个Z向一维测量读数头A1Z2，中间分布一个XY向二维测量读数头A1xy，三个子读数头之间相互独立、互不干扰。
请参阅图3，在一些实施例中，第一读数头组中的第一读数头嵌设在第一侧边上；和/或，第二读数头组中的第二读数头嵌设在第一侧边上。
本实施例中，第一读数头组中的第一读数头嵌设在第一侧边上应这样理解：在基板进行步进运动时，存在基板朝向第二测量光栅组移动的状态，则当基板过于靠近第二测量光栅的下表面时，第一读数头可能与第三读数头或第四读数头干涉，从而发生碰撞而损坏第一读数头、第三读数头或第四读数头，因此，通过将第一读数头进行下沉处理，也即在基板面上设有槽口或凹口，将第一读数头的端部设置在该槽口或凹口中，能够在不影响第一读数头测量的前提下降低第一读数头突伸出基板的高度，从而减少第一读数头与第三读数头、第四读数头碰撞的发生率。同样的，关于第二读数头组中的第二读数头嵌设在第一侧边上也可以参考前文进行理解。
请参阅图1与图13，在第二方面，本实施例提供一种多读数头协同光栅测量方法，适用于第一方面所述的多读数头协同光栅测量装置，方法包括：
获取基板的实际移动状态；
根据基板的实际移动状态从预设移动模式中匹配基板当前的移动模式；
获取当前的移动模式对应的多个运动状态，根据运动状态选取不同的预设读数策略，每一运动状态包括第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态以及第四运动状态的其中一种；
根据预设读数策略控制第一读数头组和/或第二读数头组和/或第三读数头组和/或第四读数头组对基板进行测量，获得基板的位移信息，位移信息包括当前预设读数策略对应的第一位移信息、第二位移信息、第三位移信息以及第四位移信息的其中一种；
求解位移信息，生成位移信息参数；
将位移信息参数与预设读数策略映射存储。
需要说明的是，本实施例中，实际移动状态为基板在实际使用时的运动状态，实际移动状态可以包括多个方向的步进运动以及多个方向的扫描运动，甚至还可以包括步进运动与扫描运动复合的运动。
预设移动模式为预先存储的移动模式，预设移动模式包括步进运动与扫描运动的有序组合，区别在于，预设移动模式中的步进运动与扫描运动均为人工设定，步进运动与扫描运动的组合以及顺序也是唯一且确定的。
根据实际移动状态匹配预设移动模式中的移动模式，是指针对基板的移动进行初步识别，得出与当前基板的实际运动状态的一致性最高的移动模式。移动模式中包括步进运动与扫描运动的顺序组合，则每个步进运动对应一个运动状态，具体的，步进运动的方向的不同则对应不同的步进运动状态，扫描运动的判断与此相似。
本发明建立了一种多复合读数头协同传感光栅干涉大量程多自由度测量装置，采用多个复合读数头协同工作，各个子读数头之间独立展开各自维度的位移测量，可以实现单自由度至六自由度的高精度位移测量，根据不同的基板台运动模式，发明了上下读数头中继的这种工作方式，不需要使用大尺寸光栅也可以实现长行程的高精度位移测量。本发明结构适用于高测速、高精度、大量程测量需求的系统。
在一些实施例中，每一预设移动模式包括多个预设运动状态，每一预设运动状态对应的预设读数策略不同。
本实施例中，预设运动状态是指第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态以及第四运动状态的不同顺序的组合。以第一运动状态以及第一读数头组为例，每一预设运动状态对应的预设读数策略不同应这样理解，由于第一运动状态还包括两种步进运动状态，因此，其所需要调用的第一读数头组不同，需要根据实际运动状态中的步进运动状态类别确定选用哪一第一读数头组中的第一读数头进行位移测量。
在一些实施例中，基板的实际移动状态具有移动周期；
根据基板的实际移动状态从预设移动模式中匹配基板当前的移动模式包括：
根据基板的移动周期获取基板的周期移动状态；
根据周期移动状态从预设移动模式中匹配基板当前的移动模式。
在一些实施例中，第一读数头包括并列设置的第一子读数头、第二子读数头以及第三子读数头；第一子读数头用于测量基板在第一预设方向上的一维位移信息；第二子读数头用于测量基板在第二预设方向上的二维位移信息；第三子读数头用于测量基板在第三预设方向上的一维位移信息；
记同一第一读数头组中的其中一个第一读数头为，另一个第一读数头为，第一预设方向为方向，第二预设方向为方向，第三预设方向为方向，第一子读数头对应的一维位移信息记为、，第二子读数头对应的二维位移信息记为；第三子读数头对应的一维位移信息记为、；
当位移信息为第一位移信息时，位移参数可通过公式（1）至公式（6）计算获得：
（1）；
（2）；
（3）；
（4）；
（5）；
（6）；
式中，L1为第八复合读数头（B2）到第十二复合读数头（B6）之间的距离，L2为基板面的长度，d为复合读数头的子读数头结构中分布在两侧测量相同方向的两个子读数头之间的距离，且、、、、、对应基板在第一运动状态下的六自由度计算值。
六自由度解算原理是由所述步进运动由第一复合读数头至第六复合读数头（A1~A6）搭配第一二维光栅C1、第二二维光栅C2共同工作，进行六维测量；所述扫描运动由第七复合读数头至第十四复合读数头（B1~B8）搭配第三二维光栅D1、第四二维光栅D2共同工作，进行六维测量；单次测量可以得到8路位移测量信息，若某一步进运动状态下第复合读数头、第复合读数头共同进行六维测量，此时系统接收的位移测量信息有：；。
需要说明的是，此处第一读数头与第二读数头的结构与布置位置均相同，因此本实施例仅以第一读数头为例进行计算，第二读数头的计算过程与此相同。
在一些实施例中，第三读数头包括并列设置的第四子读数头、第五子读数头以及第六子读数头；第四子读数头用于测量基板在第四预设方向上的一维位移信息；第五子读数头用于测量基板在第五预设方向上的二维位移信息；第六子读数头用于测量基板在第六预设方向上的一维位移信息；
记同一第三读数头组中的其中一个第三读数头为，另一个第三读数头为，第四预设方向为方向，第五预设方向为方向，第六预设方向为方向，第四子读数头对应的一维位移信息记为、，第五子读数头对应的二维位移信息记为；第六子读数头对应的一维位移信息记为、；
当位移信息为第三位移信息时，位移参数可通过公式（7）至公式（12）计算获得：
（7）；
（8）；
（9）；
（10）；
（11）；
（12）；
式中，L2为基板面的长度，d为复合读数头的子读数头结构中分布在两侧测量相同方向的两个子读数头之间的距离，且、、、、、对应基板在第三运动状态下的六自由度计算值。
本实施例中，某一扫描运动状态下第复合读数头、第复合读数头共同进行六维测量，此时系统接收的位移测量信息有：；。
需要说明的是，此处第三读数头与第四读数头的结构与布置位置均相同，因此本实施例仅以第三读数头为例进行计算，第四读数头的计算过程与此相同。
在第三方面，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器执行时实现在第一方面所述的方法。
在第四方面，本实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机程序指令，其中，所述一条或多条计算机程序指令被所述处理器执行以实现在第一方面所述的方法。
所述存储介质/存储器包括但不限于：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U 盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。所述处理器包括但不限于 CPU（中央处理器）、GPU（图像处理器）、MCU（微处理器）等。
上述技术方案中，在基板面的两个第一侧边上设置第一测量光栅组，以及对称设置在第一基准线两侧且靠近所述通光件设置的第二测量光栅组，并在第一测量光栅组所在的第一侧边上设置两个第一读数头组以及一个第二读数头组，在第二测量光栅组上沿第二基准线两侧对称设置两个第三读数头组以及两个第四读数头组，供十四个读数头协同测量不同运动状态下的位移信息，从而求解得出不同运动状态下的基板的位移参数，解算速度快、精度高、可用于大量程位移测量的复合读数头协同传感光栅干涉大量程多自由度测量装置，可以实现一维度至六维度的位移测量。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多读数头协同光栅测量装置，其特征在于，包括：
基板，所述基板具有一基板面，所述基板面设置在所述基板的顶部，所述基板面具有相对设置的至少两个第一侧边以及相对设置的至少两个第二侧边，所述第一侧边和第二侧边相邻设置，所述至少两个第一侧边沿第一方向延伸，所述至少两个第二侧边沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向垂直，记所述基板面沿第一方向延伸的中心线为第一基准线，记所述基板面沿第二方向延伸的中心线为第二基准线；
通光件，所述通光件上具有朝向所述基板面的中心点设置的通光孔；
第一测量光栅组，包括两个第一测量光栅，所述两个第一测量光栅设置在所述基板面上，且对称设置在所述第一基准线的两侧，每一所述第一测量光栅靠近所述第一侧边设置，所述第一测量光栅与所述第一侧边平行；
第二测量光栅组，包括两个第二测量光栅，所述两个第二测量光栅设置在所述基板面的上方，且对称设置在所述第一基准线的两侧，所述第二测量光栅的沿第二方向延伸的中心线与所述第二基准线重合，所述通光件设置在两个所述第二测量光栅之间，记一个第二测量光栅为第二测量上光栅，另一第二测量光栅为第二测量下光栅；
两个第一读数头组，对称设置在所述第二基准线的两侧，每一所述第一读数头组包括两个第一读数头，两个所述第一读数头对称设置在所述第一基准线的两侧，每一所述第一读数头设置在所述第一侧边与所述第二侧边的交汇点；
第二读数头组，包括两个第二读数头，两个所述第二读数头对称设置在所述第一基准线的两侧，每一所述第二读数头设置在所述第二基准线与所述第一侧边的交汇点；
两个第三读数头组，对称设置在所述第二基准线的两侧，每一所述第三读数头组包括两个按照第一预设间隔设置的第三读数头，其中一个第三读数头设置在所述第二测量上光栅靠近所述通光件的端部，另一所述第三读数头设置在所述第二测量下光栅上；
两个第四读数头组，对称设置在所述第二基准线的两侧，每一所述第四读数头组包括两个按照第二预设间隔设置的第四读数头，其中一个第四读数头设置在所述第二测量下光栅靠近所述通光件的端部，另一所述第四读数头设置在所述第二测量上光栅上；
控制单元，分别与所述第一读数头组、所述第二读数头组、所述第三读数头组以及所述第四读数头组电连接，用于根据所述第一读数头组所测量的第一位移信息生成所述基板面在第一运动状态下的第一位移参数，和/或根据所述第二读数头组所测量的第二位移信息生成所述基板面在第二运动状态下的第二位移参数，和/或根据所述第三读数头组所测量的第三位移信息生成所述基板面在第三运动状态下的第三位移参数，和/或根据所述第四读数头组所测量的第四位移信息生成所述基板面在第四运动状态下的第四位移参数。
2.根据权利要求1所述的多读数头协同光栅测量装置，其特征在于，
所述第一读数头包括并列设置的第一子读数头、第二子读数头以及第三子读数头；所述第一子读数头用于测量所述基板在第一预设方向上的一维位移信息；所述第二子读数头用于测量所述基板在第二预设方向上的二维位移信息；所述第三子读数头用于测量所述基板在第三预设方向上的一维位移信息；
所述第三读数头包括并列设置的第四子读数头、第五子读数头以及第六子读数头；所述第四子读数头用于测量所述基板在第四预设方向上的一维位移信息所述第五子读数头用于测量所述基板在第五预设方向上的二维位移信息；所述第六子读数头用于测量所述基板在第六预设方向上的一维位移信息。
3.根据权利要求1所述的多读数头协同光栅测量装置，其特征在于，所述第一读数头组中的所述第一读数头嵌设在所述第一侧边上；
和/或，所述第二读数头组中的所述第二读数头嵌设在所述第一侧边上。
4.一种多读数头协同光栅测量方法，其特征在于，适用于权利要求1-3任一项所述的多读数头协同光栅测量装置，所述方法包括：
获取所述基板的实际移动状态；
根据所述基板的实际移动状态从预设移动模式中匹配所述基板当前的移动模式；
获取当前的移动模式对应的多个运动状态，根据所述运动状态选取不同的预设读数策略，每一所述运动状态包括第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态以及第四运动状态的其中一种；
根据所述预设读数策略控制第一读数头组和/或第二读数头组和/或第三读数头组和/或第四读数头组对所述基板进行测量，获得所述基板的位移信息，所述位移信息包括当前预设读数策略对应的第一位移信息、第二位移信息、第三位移信息以及第四位移信息的其中一种；
求解所述位移信息，生成位移信息参数；
将所述位移信息参数与所述预设读数策略映射存储。
5.根据权利要求4所述的多读数头协同光栅测量方法，其特征在于，每一预设移动模式包括多个预设运动状态，每一所述预设运动状态对应的预设读数策略不同。
6.根据权利要求4所述的多读数头协同光栅测量方法，其特征在于，所述基板的实际移动状态具有移动周期；
根据所述基板的实际移动状态从预设移动模式中匹配所述基板当前的移动模式包括：
根据所述基板的移动周期获取所述基板的周期移动状态；
根据所述周期移动状态从预设移动模式中匹配所述基板当前的移动模式。
7.根据权利要求4所述的多读数头协同光栅测量方法，其特征在于，所述第一读数头包括并列设置的第一子读数头、第二子读数头以及第三子读数头；所述第一子读数头用于测量所述基板在第一预设方向上的一维位移信息；所述第二子读数头用于测量所述基板在第二预设方向上的二维位移信息；所述第三子读数头用于测量所述基板在第三预设方向上的一维位移信息；
记同一第一读数头组中的其中一个第一读数头为，另一个第一读数头为，第一预设方向为方向，第二预设方向为方向，第三预设方向为方向，第一子读数头对应的一维位移信息记为、，第二子读数头对应的二维位移信息记为；第三子读数头对应的一维位移信息记为、；
当所述位移信息为所述第一位移信息时，所述位移参数可通过公式（1）至公式（6）计算获得：
（1）；
（2）；
（3）；
（4）；
（5）；
（6）；
式中，L1为第八复合读数头（B2）到第十二复合读数头（B6）之间的距离，L2为基板面的长度，d为复合读数头的子读数头结构中分布在两侧测量相同方向的两个子读数头之间的距离，且、、、、、对应所述基板在第一运动状态下的六自由度计算值。
8.根据权利要求4所述的多读数头协同光栅测量方法，其特征在于，所述第三读数头包括并列设置的第四子读数头、第五子读数头以及第六子读数头；所述第四子读数头用于测量所述基板在第四预设方向上的一维位移信息；所述第五子读数头用于测量所述基板在第五预设方向上的二维位移信息；所述第六子读数头用于测量所述基板在第六预设方向上的一维位移信息；
记同一第三读数头组中的其中一个第三读数头为，另一个第三读数头为，第四预设方向为方向，第五预设方向为方向，第六预设方向为方向，第四子读数头对应的一维位移信息记为、，第五子读数头对应的二维位移信息记为；第六子读数头对应的一维位移信息记为、；
当所述位移信息为所述第三位移信息时，所述位移参数可通过公式（7）至公式（12）计算获得：
（7）；
（8）；
（9）；
（10）；
（11）；
（12）；
式中，L2为基板面的长度，d为复合读数头的子读数头结构中分布在两侧测量相同方向的两个子读数头之间的距离，且、、、、、对应所述基板在第三运动状态下的六自由度计算值。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令在被处理器执行时实现如权利要求4-8中任一项所述的方法。
10.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器用于存储一条或多条计算机程序指令，其中，所述一条或多条计算机程序指令被所述处理器执行以实现如权利要求4-8中任一项所述的方法。
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| Title |
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| 《Development of a grating based multi-degree-of-freedom laser linear encoder using diffracted light》;Chien-Hung Liu等;《Sensors and Actuators A: Physical》;全文 * |
| 《大量程高性能光栅位移测量技术》;刘林等;《计测技术》;全文 * |
| 《现代光刻机的发展历程与未来展望》;伍强等;《微纳电子与智能制造》;全文 * |
| 《非对径安装双读数头圆光栅偏心测角误差修正》;王笑一等;《光学精密工程》;全文 * |
| 基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统;吕强;李文昊;巴音贺希格;柏杨;刘兆武;王玮;;中国光学(第01期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117091512A (zh) | 2023-11-21 |
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