TWI648516B - 雙光學量測補償系統 - Google Patents

Abstract

一種雙光學量測補償系統，適用於一機台。機台包括控制器、工作平台、工作頭。系統包括至少一第一以及第二光學感測模組以及一處理模組。第一及第二光學感測模組分別產生工作頭相對於工作平台的一位置點的第一量測值與第二量測值。第一光學感測模組的定位精度低於第二光學感測模組的定位精度。處理模組電性連接機台，用以接收第一以及第二量測值，處理模組根據第二量測值計算第一量測值相對於位置點的偏差量，控制器接收偏差量，並根據偏差量修正運動指令。

Description

雙光學量測補償系統

本發明是有關於一種量測系統，且特別是有關於一種雙光學量測補償系統。

針對大尺寸面板的生產需求，工作機台的定位精度需達次微米等級，以減少長行程的工作平台所產生的累積誤差。然而，光學尺的定位精度僅達到微米等級，無法達到次微米等級，因此光學尺的定位精度無法符合大尺寸面板的生產需求。此外，傳統龍門式工作機台的三軸向定位均以光學尺進行位置回授，但由於光學尺之移動方向無法重合或高度平行於機台之行程方向，因此之間的阿貝誤差(Abbe error)勢必擴大。

因此，如何克服長行程的工作平台無可避免產生的累積誤差以及傳統龍門式工作機台的大跨徑偏擺產生的角度誤差，並減少以光學尺進行位置點位置回授時所產生的阿貝誤差，實為業界所欲解決的問題。

本發明係有關於一種雙光學量測補償系統，用以補償定位誤差。

根據本發明之一方面，提出一種雙光學量測補償系統，應用於一機台上，此機台包括一控制器、一工作平台、一工作頭，本系統包括一第一光學感測模組、一第二光學感測模組及一處理模組。控制器用以輸出一運動指令至工作平台，工作頭設置於工作平台上。第一光學感測模組用以產生工作頭相對於工作平台的一位置點的一第一量測值，第二光學感測模組用以產生工作頭相對於工作平台的此位置點的一第二量測值。其中，第一光學感測模組具有一第一定位精度，第二光學感測模組具有一第二定位精度，第一定位精度低於第二定位精度。處理模組電性連接機台，用以接收第一量測值以及第二量測值，其中處理模組根據第二量測值計算第一量測值相對於位置點的一偏差量，控制器接收偏差量，並根據偏差量修正運動指令。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

10‧‧‧待測工件

12‧‧‧定位標記

100‧‧‧雙光學量測補償系統

110‧‧‧機台

111‧‧‧龍門式工作機台

112‧‧‧控制器

114‧‧‧工作平台

116‧‧‧第一光學感測模組

118‧‧‧第二光學感測模組

120‧‧‧處理模組

115‧‧‧工作頭

117‧‧‧影像感測器

1141‧‧‧X軸驅動器

1142‧‧‧第一Y軸驅動器

1143‧‧‧第二Y軸驅動器

1144‧‧‧Z軸驅動器

1161‧‧‧X軸光學尺

1162‧‧‧第一Y軸光學尺

1163‧‧‧第二Y軸光學尺

1181‧‧‧X軸雷射干涉儀

1182‧‧‧Y軸雷射干涉儀

1183‧‧‧第一動態鏡面追蹤平台

1184‧‧‧第二動態鏡面追蹤平台

1185‧‧‧第一鏡面

1186‧‧‧Y軸致動器

1187‧‧‧第二鏡面

1188‧‧‧X軸致動器

EM‧‧‧雷射發射器

SP‧‧‧分光器

L1‧‧‧第一光束

L2‧‧‧第二光束

A‧‧‧第一位置點

B‧‧‧第二位置點

O‧‧‧座標原點

S11~S17‧‧‧步驟

第1圖繪示本發明一實施例之雙光學量測補償系統的配置圖。

第2圖繪示本發明一實施例之雙光學量測補償系統的操作流程圖。

第3圖繪示應用本發明一實施例之龍門式工作機台示意圖。

第4圖繪示第3圖之龍門式工作機台的雙光學量測補償系統的配置圖。

第5圖繪示本發明一實施例之動態鏡面追蹤平台的示意圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。

第1圖繪示本發明一實施例之雙光學量測補償系統100的配置圖。第2圖繪示本發明一實施例之雙光學量測補償系統100的操作流程圖。

請參照第1圖，依照本發明一實施例之雙光學量測補償系統100包括一機台110以及一處理模組120。處理模組120與機台110電性連接，用以接收量測訊號或定位資訊。機台110包括一控制器112、一工作平台114、一第一光學感測模組116以及一第二光學感測模組118。控制器112用以輸出一運動指令至工作平台114，工作平台114具有一座標原點O(參見第5圖)。第一光學感測模組116例如包含一光學尺，第二光學感測模組118例如包含一雷射干涉儀及其反光鏡。第一光學感測模組116以光學尺的編碼器來計算工作平台114移動的距離，而第二光學感測模組118以雷射的光程差及飛行時間來計算工作平台114移動的距離。但相對於光學尺的定位精度僅能達微米等級，雷射干涉儀的定位精度可達次微米等級或奈米等級，因此，本實施例揭露 的雙光學量測補償系統100舉例是藉由定位精度較高的雷射干涉儀來補償光學尺的定位誤差，藉以提高定位精度。

在一實施例中，工作平台114的Z軸上可設置一工作頭115(參見第3圖)，當工作平台114接收運動指令之後，工作平台114驅動工作頭115沿著X軸向及/或Y軸向至一位置點。工作頭115可為一讀取頭或一探針頭，可移動至待測工件10的位置點上，以進行檢測或加工，但工作頭115亦可為其他製程裝置，本發明對此不加以限定。此外，工作頭115上可選擇性地設置一影像感測器117(參見第3圖)，例如CCD影像感測器或CMOS影像感測器，用以讀取待測工件10上的定位標記12，以供處理模組120判斷工作頭115是否移動到預定的位置點上。

請參照第1及2圖，在步驟S11及S12中，先進行座標原點歸零的步驟，使工作平台114回到座標原點，接著，工作平台114接收到控制器112傳來的運動指令之後，工作平台114驅動工作頭115至一位置點，例如(X,Y)。在步驟S13中，以光學尺初步量測得到第一量測值，亦即，以第一光學感測模組116產生工作頭115相對於工作平台114的座標原點O的一第一量測值，例如是位置資訊(X1,Y1)。接著，在步驟S14中，再以雷射干涉儀量測得到第二量測值，亦即，以第二光學感測模組118產生工作頭115相對於工作平台114的座標原點O的一第二量測值，例如是位置資訊(X2,Y2)，由於定位精度存在差異，即第二量測值精度高於第一量測值，因此其中X1≠X2，Y1≠Y2。接著，在步驟S15中，處理模組120接收第一量測值以及第二量測值，並 根據第二量測值計算第一量測值相對於位置點的一偏差量，例如是(△X1,△Y1)，此偏差量即是以光學尺進行位置點位置回授時所產生的定位誤差或阿貝誤差，或是龍門式工作機台111進給偏擺所產生的角度誤差或姿態誤差。

在步驟S16及S17中，處理模組120將偏差量傳給控制器112，使控制器112根據偏差量修正運動指令。如此，工作平台114可根據修正後的運動指令移動工作頭115到補償位置，補償位置例如是(X1±△X1,Y1±△Y1)。由上述的說明可知，本實施例揭露的雙光學量測補償系統100先以光學尺進行粗定位，以使工作頭115能快速地移動到一定位範圍內，接著，再以雷射干涉儀進行細定位，以使工作頭115能準確地移動到一更精確的定位範圍內，如此，在定位過程中，不僅保有光學尺快速回授的特性，同時也有雷射干涉儀的高定位精度的特性。

在一實施例中，當以光學尺配合雷射干涉儀進行定位並移動工作頭115至一定位範圍之後，影像感測器117可進一步讀取待測工件10上的定位標記12，以判斷工作頭115是否移動到一位置點上。如此，透過雙光學補償定位誤差及影像感測器117的數值分析，可達到位置點的定位補償及絕對位置校正的目的。

第3圖繪示應用本發明一實施例之龍門式工作機台111示意圖。第4圖繪示第3圖之龍門式工作機台111的雙光學量測補償系統100的配置圖。

請參照第3及4圖，龍門式工作機台111包括一控制器112、一工作平台114、一工作頭115、一第一光學感測模組116以及一第二光學感測模組118。工作平台114包括一X軸驅動器1141、一第一Y軸驅動器1142以及一第二Y軸驅動器1143。工作頭115設置於工作平台114的Z軸上，第一光學感測模組116包括一X軸光學尺1161、一第一Y軸光學尺1162以及一第二Y軸光學尺1163。第二光學感測模組118包括一X軸雷射干涉儀1181及其反射鏡(未圖示)，以及一Y軸雷射干涉儀1182及其反射鏡(未圖示)。此外，當龍門式工作機台111為三軸向進給工具機時，亦可在Z軸向上設置Z軸驅動器1144、Z軸光學尺(未圖示)及Z軸雷射干涉儀(未圖示)，以補償Z軸向的定位誤差。

在一實施例中，控制器112用以輸出一運動指令至X軸驅動器1141、第一Y軸驅動器1142以及第二Y軸驅動器1143，以使X軸驅動器1141於X軸向上產生一進給量，且第一Y軸驅動器1142與第二Y軸驅動器1143於Y軸向上同步產生一進給量。第一Y軸驅動器1142與第二Y軸驅動器1143之進給方向相互平行且第一Y軸驅動器1142與第二Y軸驅動器1143之間相隔一間距。X軸驅動器1141之進給方向垂直於第一Y軸驅動器1142與第二Y軸驅動器1143之進給方向。如上述第2圖的步驟S16及S17所述，當光學尺存在定位誤差或發生同動誤差時，處理模組120將偏差量傳給控制器112，使控制器112根據偏差量修正運動指令，亦即，控制器112可根據偏差量修正X軸驅動器1141的進給量以及第一Y軸驅動器1142與第二Y軸驅動器1143的進給量。

X軸驅動器1141、第一Y軸驅動器1142以及第二Y軸驅動器1143例如是高精度且適合高行程工作機台的步進馬達、導螺桿、氣壓致動器或液壓致動器等。以上工作平台114也可能只由單一Y軸驅動器所驅動。

此外，X軸光學尺1161、第一Y軸光學尺1162以及第二Y軸光學尺1163用以計算工作平台114於X軸向上與Y軸向上移動的距離。X軸光學尺1161橫跨於第一Y軸光學尺1162以及第二Y軸光學尺1163之間，第一Y軸光學尺1162平行於第二Y軸光學尺1163。X軸雷射干涉儀1181以及Y軸雷射干涉儀1182用以計算工作平台114於X軸向上與Y軸向上移動的距離。在一實施例中，X軸雷射干涉儀1181以及Y軸雷射干涉儀1182可共用一外部雷射發射器EM以及一外部分光器SP，雷射發射器EM投射一光束至分光器SP，使光束分為沿著X軸向移動的第一光束L1以及沿著Y軸向移動的第二光束L2。在另一實施例中，X軸雷射干涉儀1181以及Y軸雷射干涉儀1182亦可各自以一獨立雷射發射器EM各別產生沿著X軸向移動的第一光束L1以及沿著Y軸向移動的第二光束L2。上述的雷射發射器EM以及分光器SP可設置在工作頭115上，且雷射發射器EM以及分光器SP的位置相對於光學尺更靠近待測工件10，以減少阿貝誤差。

此外，處理模組120用以接收X軸光學尺1161、第一Y軸光學尺1162以及第二Y軸光學尺1163的量測值，與X軸雷射干涉儀1181以及Y軸雷射干涉儀1182的量測值，並可藉由定位精度較高的X軸雷射干涉儀1181以及Y軸雷射干涉儀1182來分別補償X軸光學尺 1161、第一Y軸光學尺1162以及第二Y軸光學尺1163的定位誤差，藉以提高定位精度。

請參照第3圖及第5圖，其中第5圖繪示本發明一實施例之動態鏡面追蹤平台的示意圖。X軸雷射干涉儀1181配合一第一動態鏡面追蹤平台1183，而Y軸雷射干涉儀1182配合一第二動態鏡面追蹤平台1184。第一動態鏡面追蹤平台1183設置於Y軸向上，用以反射沿著X軸向移動的第一光束L1，以使第一光束L1回到X軸雷射干涉儀1181中。第二動態鏡面追蹤平台1184設置於X軸向上，用以反射沿著Y軸向移動的第二光束L2，以使第二光束L2回到Y軸雷射干涉儀1181中。

第一動態鏡面追蹤平台1183包括設置於Y軸滑軌上的一第一鏡面1185以及驅動第一鏡面1185線性移動的Y軸致動器1186，第二動態鏡面追蹤平台1184包括設置於X軸滑軌上的一第二鏡面1187以及驅動第二鏡面1187線性移動的X軸致動器1188。如第5圖所示，當雷射發射器EM由第一位置點A移動到第二位置點B時，第一動態鏡面追蹤平台1183的第一鏡面1185與第二動態鏡面追蹤平台1184的第二鏡面1187可根據控制器112的運動指令移動到預定位置，以配合雷射發射器EM反射光束，因此鏡面的長度可大幅縮短至300mm或更短，也由於鏡面長度大幅縮短，鏡面的平面度可提高，且鏡面製作成本相對降低，適用於長行程的工作平台。

在本實施例中，透過X軸雷射干涉儀1181以及Y軸雷射干涉儀1182的量測值，處理模組120可計算龍門式工作機台111在Y軸向上進給時因大跨徑偏擺或是在X軸向上進給時偏擺所產生的角度 誤差或姿態誤差，進而透過姿態誤差矩陣來描述工作平台114的姿態變異，再透過誤差補償演算法修正姿態誤差，如此可提高定位精度。此外，與X軸雷射干涉儀1181以及Y軸雷射干涉儀1182配合的雷射發射器EM設置在待測工件10的上方，且X軸雷射干涉儀1181以及Y軸雷射干涉儀1182的位置相對於光學尺更靠近待測工件10的量測點，因此可減少阿貝誤差。

本發明上述實施例所揭露之雙光學量測補償系統，係先利用第一光學感測模組所產生位置點相對於工作平台的座標原點的一第一量測值，再利用第二光學感測模組所產生位置點相對於工作平台的座標原點的一第二量測值，第一光學感測模組具有一第一定位精度，而第二光學感測模組具有一第二定位精度，第一定位精度低於第二定位精度。第一光學感測模組例如包括至少一光學尺，第二光學感測模組例如至少包括一雷射干涉儀及其反射鏡。本發明利用雙光學感測模組之量測值校正定位誤差，使工作機台能在位置點附近以次微米等級的精度進行位置回授，進而補償定位誤差，以克服長行程的工作平台無可避免所產生的累積誤差，以及傳統龍門式工作機台因大跨徑偏擺所產生的角度誤差，並減少以光學尺進行位置點位置回授時所產生的阿貝誤差。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

1. 一種雙光學量測補償系統，適用於一機台，該機台包括一控制器、一工作平台及一工作頭，該系統包括：至少一第一光學感測模組，裝設於該機台上，用以產生該工作頭相對於該工作平台的一位置點的一第一量測值；至少一第二光學感測模組，裝設於該工作平台上，用以產生該工作頭相對於該工作平台的該位置點的一第二量測值，其中該第一光學感測模組具有一第一定位精度，該第二光學感測模組具有一第二定位精度，該第一定位精度低於該第二定位精度；一處理模組，電性連接該控制器，用以接收該第一量測值以及該第二量測值，其中該處理模組根據該第二量測值計算該第一量測值相對於該位置點的一偏差量，該控制器接收該偏差量，並根據該偏差量修正一運動指令；以及一影像感測器，設置於該工作頭上，用以讀取對應該位置點的一定位標記，以供該處理模組判斷該工作頭是否移動到該位置點上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的雙光學量測補償系統，其中該第一光學感測模組是光學尺，該第二光學感測模組是雷射干涉儀。
3. 如申請專利範圍第1項所述的雙光學量測補償系統，更包括至少二動態鏡面追蹤平台，每一該動態鏡面追蹤平台上設置一鏡面，該鏡面由一致動器所驅動。
4. 如申請專利範圍第3項所述的雙光學量測補償系統，更包括至少一雷射發射器，裝設於該工作頭上，用以發射光束到該鏡面，反射光束再由該雷射干涉儀接收。
5. 如申請專利範圍第1項所述的雙光學量測補償系統，更包括一影像感測器，設置於該工作頭上，用以讀取對應該位置點的一定位標記，以供該處理模組判斷該工作頭是否移動到該位置點上。
6. 如申請專利範圍第2項所述的雙光學量測補償系統，其中該偏差量為以該光學尺進行該位置點位置回授時所產生的定位誤差或阿貝誤差。
7. 如申請專利範圍第1項所述的雙光學量測補償系統，其中該機台為一龍門式工作機台。
8. 如申請專利範圍第7項所述的雙光學量測補償系統，其中該工作平台包括一X軸驅動器、一第一Y軸驅動器以及一第二Y軸驅動器，該控制器根據該偏差量修正該X軸驅動器的進給量以及該第一Y軸驅動器與該第二Y軸驅動器的進給量。
9. 如申請專利範圍第4項所述的雙光學量測補償系統，其中該第二光學感測模組包括一X軸雷射干涉儀、一Y軸雷射干涉儀及一分光器，該雷射發射器發射一光束至該分光器，使該光束分為沿著X軸向移動的一第一光束以及沿著Y軸向移動的一第二光束。