[发明专利]一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量装置与方法

说明书

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。