一种二维大行程精密工作台测量系统自标定方法
【专利摘要】一种二维大行程精密工作台测量系统自标定方法，属于精密加工及测量领域。该方法利用自标定原理，通过使用带均匀栅格的玻璃板做辅助测量装置，将二维工作台按区域分别进行自标定，获取各区域的系统误差；对相应区域做系统误差补偿，获得标定坐标系的离散点坐标；对各区域离散点坐标进行线性拟合，得到标定坐标系网格；利用坐标系变换原理，分别对相领区域的标定坐标系进行坐标系转换，获得整个区域内统一的标定坐标系，最终完成二维大行程精密工作台测量系统自标定。本发明实现了二维工作台的大行程、高精度自标定，同时实现了利用低精度栅格玻璃板标定高精度二维工作台的功能，不需要高精度标定工具，标定精度高，适用于标定各种二维精密工作台。
【专利说明】一种二维大行程精密工作台测量系统自标定方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种二维大行程高精度工作台测量系统自标定方法，属于超精密加工及测量领域。
【背景技术】
[0002]随着超精密加工的飞速发展，超精密工作台在精密工程领域的应用越来越广泛，同时也对多维工作台的测量精度要求越来越高，在超精密加工领域(如高端光刻机)，其多维测量精度往往需要达纳米级甚至亚纳米级。然而，由于制造装配工艺、非质心驱动以及反馈测量元件(如激光干涉仪反射镜的平面度及其装调)等因素的影响，使得工作台的测量系统不可避免的存在着系统误差(用Gm，n表示，如图3中虚线与实现坐标系间的关系)，表现为多维运动轴之间的非正交、尺度不一致、非线性等。系统误差的存在会极大的影响最终超精密加工精度，因此有必要利用标定技术来进行系统误差的分离和补偿。
[0003]传统的工作台标定方法是以高精度计量工具为基准，作为标准计量工具来标定低精度工作台。然而，在超精密加工及检测装备中，对二维工作台的运动及定位精度要求往往是纳米级，限于当前的制造和计量水平，我们无法轻易得到传统工作台标定方法所需的标准计量工具进行传统标定工作，从而产生了超精密二维工作台的标定难题。自标定方法被认为是解决该难题的重要手段，自标定方法基于采用标记点精度低于被标定对象的辅助测量装置作为媒介，通过辅助测量装置——具有栅格刻线的光学玻璃板，获取并对不同位姿的测量数据进行比较，来消除该辅助测量装置标记点位置精度的影响，进而得到精密工作台的标定函数，实现超精密工作台系统误差的标定。例如专利文献200510011385.2 (
【公开日】为2005年9月4日)，利用一种栅格玻璃板做辅助测量装置，并完成XY 二维工作台的自标定，但该方法针对的是局部范围内的标定工作，并没有解决大行程、大范围自标定问题。
[0004]目前来说，根据已有的自标定方法，只能针对区域面积为LXL的工作台进行自标定工作(L大致为100— 200mm)。对于单个规则独立的较小范围区域，例如美国学者Ye在石开究论文“An exact algorithm for self-calibration of precision metrology stages，，中所示IOOX 100mm标定区域，在小范围区域自标定理论和方法已经比较成熟和完善，并且标定结果至少能够达到百纳米量级精度，该方法通过获得三个不同位姿的测量信息建立系统误差方程，经过一定的算法从而获得Gm，n。清华大学学者Hu，在文章“A holisticself-calibration algorithm for X-Y precision metrology systems，，中针对有限量程的二维工作台，利用测量误差模型提出了对称、传递和冗余的自标定算法。然而，对于实际的被标定对象来说，可能是一个范围较大的工作台区域，或者是矩形等非正方形区域，传统的自标定方法无法轻易得到所需的大范围区域的系统误差Gm，n，并且目前已有的自标定方法并没有针对大行程、大范围工作台标定的有效方法，原有的自标定技术无法解决该类问题。
[0005] 根据上述背景所述，目前二维工作台自标定方法面临的问题是:缺乏适用于大行程、大范围工作台的自标定方法，而且面对形状不规则(如非矩形)区域时，没有行之有效的解决办法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种二维大行程精密工作台测量系统自标定方法，该方法克服已有超精密二维工作台自标定算法的不足，提出一种有效的，可扩展至大行程、大范围的超精密工作台自标定方法。该方法不局限于二维工作台的工作区域必须为正方形，既可以是矩形，甚至可以是不规则形状，可以在超精密测量范畴内没有标准测量工具的条件下实现二维工作台测量系统的精确自标定。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种二维大行程精密工作台测量系统自标定方法，其特征在于，所述自标定方法包括以下步骤:
[0009]1、一种二维大行程精密工作台测量系统自标定方法，其特征在于，所述自标定方法包括以下步骤:
[0010]I)准备一块正方形光学玻璃板，在该玻璃板的X方向和Y方向分别刻有N条直线刻线，形成均匀等分的NXN的栅格刻线，其中N为正整数，玻璃板栅格刻线与理想刻线间的偏差记为辅助误差Am，n,其中m,n为刻线交点的Χ,Υ坐标；选取二维工作台运动行程内某个区域作为首个被标定局部区域，将光学玻璃板固定放置于被标定的二维工作台上，作为起始位姿；在被标定 二维工作台的X方向上装有X轴位置传感器，Y方向上装有Y轴位置传感器，Z轴方向上装有光学显微镜测量系统，其中光学玻璃板的栅格刻线精度等于或小于被标定二维工作台的测量精度；
[0011]2)在起始位姿中，利用Z轴方向上的光学显微镜测量系统，寻找并对准该位姿下光学玻璃板上每个栅格刻线相交形成的交点，同时记录该位置下二维工作台上的X轴位置传感器和Y轴位置传感器的读数，所得测量读数与交点坐标准确值之间的偏差记为\m，n，也即起始位姿下自标定模型:Vci^n = Gci，其中的脚标O表示起始位姿，m, η为点的X, Y坐标表示，G0；m；n为系统误差，E0 m n为调整误差，r0；m；n为随机测量噪声；同理，在将光学玻璃板进行90°旋转，测量并记录在旋转位姿下玻璃板上每个由网格刻线交点所对应的X轴位置传感器、Y轴位置传感器的读数，获得旋转位姿下的自标定模型:
[0012]=，其中=V1^n的脚标I表示旋转位姿；在将光学玻璃板进行一个单位的平移，测量并记录平移位姿下玻璃板上每个由网格刻线交点所对应的X轴位置传感器、Y轴位置传感器的读数，获得平移位姿下的自标定模型:\m，n =G2，m，JAniJE2^ Jr2^n，其中=V2^n的脚标2表示旋转位姿；
[0013]3)针对步骤2)中三种位姿记录下来的自标定模型，结合系统的对称性建立系统误差方程:
【权利要求】
1.一种二维大行程精密工作台测量系统自标定方法，所述自标定方法包括以下步骤: 1)准备一块正方形光学玻璃板(5)，在该玻璃板的X方向和Y方向分别刻N条直线刻线，形成均匀等分的NXN的栅格刻线，其中N为正整数，栅格刻线与理想刻线间的偏差记为辅助误差Am，n，其中m，n为刻线交点的X，Y坐标；选取二维工作台运动行程内某个区域作为首个被标定局部区域，将光学玻璃板(5)固定放置于被标定的二维工作台(I)上，作为起始位姿；在被标定的二维工作台(I)的X方向上装有X轴位置传感器(2)，Y方向上装有Y轴位置传感器(3), Z轴方向上装有光学显微镜测量系统(4),其中光学玻璃板(5)的栅格刻线精度等于或小于被标定的二维工作台(I)的测量精度； 2)在起始位姿中，利用Z轴方向上的光学显微镜测量系统(4)，寻找并对准该位姿下光学玻璃板(5)上每个栅格刻线相交形成的交点，同时记录该位置下二维工作台(I)上的X轴位置传感器(2)和Y轴位置传感器(3)的读数，所得测量读数与交点坐标准确值之间的偏差记为VQ，m，n，也即起始位姿下自标定模型:\m，n =，其中:VQ，m，n的脚标O表示起始位姿，G0,ffl,n为系统误差，E0,ffl,n为调整误差，r0,ffl,n为随机测量噪声；同理，再将光学玻璃板(5)进行90°旋转，测量并记录在旋转位姿下光学玻璃板上每个由网格刻线交点所对应的X轴位置传感器(2)、Y轴位置传感器(3)的读数，获得旋转位姿下的自标定模型:\m，n = ，其中=V1^n的脚标I表示旋转位姿；再将光学玻璃板(5)进行一个单位的平移，测量并记录平移位姿下光学玻璃板上每个由网格刻线交点所对应的X轴位置传感器(2)、Y轴位置传感器(3)的读数，获得平移位姿下的自标定模型: V2, m, n = G2^ JAn^E2M Awn，其中的脚标2表示旋转位姿； 3)针对步骤2)中三种位姿记录下来的自标定模型，结合系统的对称性建立系统误差方程:
【文档编号】G01B21/00GK104006777SQ201410256318
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】胡楚雄, 朱煜, 徐振源, 杨进, 张鸣, 穆海华, 胡金春, 徐登峰, 尹文生, 杨开明, 刘召, 成荣 申请人:清华大学, 北京华卓精科科技有限公司