CN115388771A - 基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪 - Google Patents

Abstract

基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪属于精密测量仪器；本测量仪中探针与第一激光反射镜、第二激光反射镜、纵向激光反射镜一体化设计，置于角度位移测量组件相对内侧空间；探针及激光干涉仪固定于零膨胀微晶玻璃上，消除了超精密测量仪器中热膨胀误差对测量精度的影响；使用激光干涉仪测量角度和位移，在三轴方向获得亚纳米测量精度的同时，使得仪器可以实时补偿测量误差；本发明兼具结构简单和高测量精度的特性，可以实现对微纳米级微器件的超精密测量。

Description

基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪

技术领域

本发明属于精密测量设备技术领域，主要涉及一种评定加工精度在微纳米量级的微器件的形位误差测量仪器。

背景技术

近年来，微电子技术的进步在许多领域引发了一场微小型化革命，以微米加工、纳米结构和系统为目的的微/纳米技术在此背景下应运而生，出现了各种微/ 纳米级的微器件，如微齿轮、微型孔、微型喷嘴、微型台阶等MEMS产品。

传统三坐标测量机在面对几何尺寸在数十微米至数毫米之间，尺寸不确定度在数十纳米至数百纳米的微纳米器件测量场景时，测量精度和测量尺寸无法满足这些器件的三维精密测量要求。与此同时，分辨力在纳米和皮米量级的扫描探针显微镜(SPM)、激光外差干涉技术等方法测量范围小，探针短，无法满足微纳米级器件的三维测量要求。因此，现有的工业界和学术界迫切需求一种可测量三维器件尺寸及形位误差、分辨力在微纳米量级的测量设备来可靠的评价形状复杂的微纳米级微器件。

发明专利“小型微纳米级三坐标测量机”(公开号：CN104457563A，李志刚) 提供了一种小型微纳米三坐标测量机，该发明利用纳米定位工作台、CCD组件和测头，设计了一种小型微纳米级三坐标测量机，该微纳米三坐标测量机成本较低，但是无法测量复杂形状的零件尺寸及形位误差。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，不仅可以适应和满足对形状复杂零件尺寸及形位误差的微纳米级精密测量使用、而且实现测量精准度高、测量重复性好、测量速度快、效率高的目的。

为了实现上述发明目的，本发明提供的一个技术方案如下：基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，包括主机座，在所述主机座的上侧间隔设置有立向支撑柱，两根所述立向支撑柱的顶部设置有轴座；所述主机座上侧且位于两根立向支撑柱之间设置有横向纵向移动机构，所述横向纵向移动机构的上侧面设置角度位移测量组件；

所述轴座上沿竖直方向滑动设置有立轴；所述轴座上设置有控制所述立轴沿竖直方向移动的立轴纳米电机，以及设置缓冲气缸对立轴进行重力补偿；

所述立轴竖直两侧，靠近探针组件的一端分别开设固定槽，所述缓冲气缸由缓冲气缸固定块固定安装于所述立向连接孔内壁，且缓冲气缸的伸缩端连接所述固定槽内壁；探针组件由立向连接块连接至立轴下端面；

所述角度位移测量组件由立向连接块、第一激光干涉仪、第二激光干涉仪、纵向激光干涉仪、纵向干涉仪底座、测量支撑架组成，第一激光干涉仪、第二激光干涉仪安装于测量支撑架上端斜面、纵向激光干涉仪安装于纵向干涉仪底座上端面，测量支撑架相对空间内侧样品固配面处安装有回转轴；所述角度位移测量组件安装于横向运动块上端面；

所述探针组件由第一激光反射镜、第二激光反射镜、纵向激光反射镜、探针组成，第一激光反射镜、第二激光反射镜、纵向激光反射镜正交安装；探针安装于第一激光反射镜、第二激光反射镜、纵向激光反射镜相对空间内侧；

所述探针组件安装于角度位移测量组件相对空间内侧；

所述纵向干涉仪底座、测量支撑架、立向连接块、第一激光反射镜、第二激光反射镜及纵向激光反射镜由微晶玻璃制成；

所述第一激光干涉仪、第二激光干涉仪、纵向激光干涉仪产生测距激光光线汇聚于探针测头测球；

优选的，所述横向纵向移动机构可带动所述角度位移测量组件沿横向和纵向移动。

优选的，所述轴座沿竖直方向开设有贯穿的立向连接孔，所述立向连接孔内壁开设有安装槽；立轴纳米电机安装于所述安装槽内，所述立轴纳米电机输出轴沿直线移动，且可带动所述立轴沿竖直方向滑动。

优选的，所述探针可与在所述角度位移测量组件上放置的样品进行抵接测量。

优选的，所述横向纵向移动机构控制所述角度位移测量组件在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机控制所述立轴在竖直方向移动探针；

所述纵向激光干涉仪获取位移为x″，获取偏航角为r_y，获取俯仰角为r_z；

所述第一激光干涉仪获取位移为y″，获取旋转角r_x；

所述第二激光干涉仪通过获取立向轴位移为z″；

根据补偿公式计算被测样件补偿后的横向轴位移x′、纵向轴位移y′、立向轴位移z′；

所述补偿公式为：

优选的，在待测件坐标系中，对待测件进行测量时，所述横向纵向移动机构控制所述角度位移测量组件在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机控制所述立轴在竖直方向移动探针；得到第i次待检测位置点的坐标(a_i′，b_i′，c_i′)，i＝1，...，N；

第i次待检测位置点的坐标(a_i′，b_i′，c_i′)，i＝1，...，N需要通过转换公式(1)转换至标准坐标系中，得到坐标(a_i，b_i，c_i)，i＝1，...，N

转换公式(1)为：

其中：θ＝135°

回转轴带动待测样件转动角度

转动角度

后，所述横向纵向移动机构控制所述角度位移测量组件在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机控制所述立轴在竖直方向移动探针；在仪器坐标系下获取第j次待检测位置点的坐标 (a2_j，b2_j，c2_j)，j＝N+1，...，N+K，其中，N、K为整数；

将表面坐标(a2_j，b2_j，c2_j)通过转换公式(2)转换至所述标准坐标系中，得到坐标(a_j,b_j,c_j)；其中，转换公式(2)为：

若干待检测位置点坐标(a_j,b_j,c_j)和若干待检测位置点坐标值(a_i,b_i,c_i)结合，获取一组待测件表面坐标集(a_i，b_i，c_i)，i＝1，...，N+K。

本发明提供了一种基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，本发明使用激光干涉仪测量探针和待测件之间的相对位移，通过结构设计消除了阿贝误差，可以在XYZ三轴方向获得亚纳米级的测量精度，其精度远高于传统尺寸及形位误差测量仪器，具有结构独特、合理、适用能力强、适用范围广、测量精度高、速度快、重复性好的特点。

具体的，本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：

1)本发明提出的测量结构中探针位移测量和探针触测点位于同一条直线上，通过结构创新消除了一阶测量误差，实现高测量精度。

2)本发明提出的立向连接块、反射镜及激光干涉仪安装架采用微晶玻璃制作，确保了激光干涉仪和反射镜组位置不受超精密仪器主要误差——热膨胀影响，可以极大的提高测量精度。

3)本发明提出的探针组件及角度位移测量组件可移植安装至现有低精度形位误差测量仪中，使得低精度形位误差测量仪也具有高精度测量微纳米级微器件的能力。

4)本发明使用激光干涉仪对探针和待测件之间的相对位移和相对旋转进行实时检测，对位移误差进行实时补偿，可以实现待测件表面形位误差的超高精度测量。

本发明中的探针和立方体式反射镜块结合，配合角度位移测量组件，通过横向纵向移动机构及纵向纳米驱动电机实现探针和待测件的相对运动，以简单的结构实现了高测量精度。

附图说明

图1为本发明基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪结构示意图；

图2为图1本发明基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪的探针组件结构示意图；

图3为图1本发明基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪的角度位移测量组件结构示意图；

图4为本发明基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪突出驱动机构的示意图；

图中附图标记：100、主机座；200、立向支撑柱；300、轴座；400、横向纵向移动机构；410、纵向导轨；420、横向导轨；430、横向运动块；500、探针组件；510、立向连接块；520、第一激光反射镜；530、第二激光反射镜；540、纵向激光反射镜；550、探针；600、角度位移测量组件；610、第一激光干涉仪； 620、第二激光干涉仪；630、纵向激光干涉仪；640、纵向干涉仪底座；650、回转轴；660、测量支撑架；670、样品固配面；700、立向移动机构；710、立轴； 720、立轴纳米电机；730、缓冲气缸；740、气缸固定块；750、立向连接孔；760、安装槽；770、固定槽；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提供了一种基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，参见图1-图4，包括主机座100，在所述主机座100的上侧间隔设置有立向支撑柱200，两根所述立向支撑柱200的顶部设置有轴座300；所述主机座100上侧且位于两根立向支撑柱200之间设置有横向纵向移动机构400，所述横向纵向移动机构400的上侧面设置角度位移测量组件600；

所述轴座300上沿竖直方向滑动设置有立轴710；所述轴座300上设置有控制所述立轴710沿竖直方向移动的立轴纳米电机720，以及设置缓冲气缸730对立轴710进行重力补偿；

所述立轴710竖直两侧，靠近探针组件500的一端分别开设固定槽770，所述缓冲气缸730由缓冲气缸固定块740固定安装于所述立向连接孔750内壁，且缓冲气缸730的伸缩端连接所述固定槽770内壁；探针组件500由立向连接块510连接至立轴710下端面；

所述角度位移测量组件600由第一激光干涉仪610、第二激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630、纵向干涉仪底座640、测量支撑架660组成，第一激光干涉仪610、第二激光干涉仪620安装于测量支撑架660上端斜面、纵向激光干涉仪630安装于纵向干涉仪底座640上端面，测量支撑架660相对空间内侧样品固配面670处安装有回转轴650；所述角度位移测量组件600安装于横向运动块 430上端面；

所述探针组件500由立向连接块510、第一激光反射镜520、第二激光反射镜530、纵向激光反射镜540、探针550组成，第一激光反射镜520、第二激光反射镜530、纵向激光反射镜540正交安装；探针550安装于第一激光反射镜 520、第二激光反射镜530、纵向激光反射镜540相对空间内侧；

所述探针组件500安装于角度位移测量组件600相对空间内侧；

所述纵向干涉仪底座640、测量支撑架660、立向连接块510、第一激光反射镜520、第二激光反射镜530及纵向激光反射镜540由微晶玻璃制成；

所述第一激光干涉仪610、第二激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630产生测距功能激光光线汇聚于探针550测头测球；第一激光干涉仪610、第二激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630发射激光光线包含测距功能激光光线及测角功能激光光线；

进一步的，所述横向纵向移动机构400可带动所述角度位移测量组件600 沿横向和纵向移动。

进一步的，所述轴座300沿竖直方向开设有贯穿的立向连接孔750，所述立向连接孔750内壁开设有安装槽760；立轴纳米电机720安装于所述安装槽760 内，所述立轴纳米电机720输出轴沿直线移动，且可带动所述立轴600沿竖直方向滑动。

进一步的，所述探针550可与在所述角度位移测量组件600上放置的样品进行抵接测量。

其中，上文提到的立轴纳米电机720为现有技术，其可以是论文《一种双足驱动压电直线电机》中的直线电机，或者其他可以实现直线移动的驱动电机，在此不限。

其中，上文提到的横向纵向移动机构400为现有技术，其可以是论文《Design andControl of a Dual-Stage Feed Drive》中的二维位移台，或者其他可以实现横向纵向移动的二维位移台，在此不限。

配装在回转轴650上的待测件沿横向或纵向移动时，或立轴沿立向移动时，均会产生三个角度误差，即俯仰角、偏航角、旋转角，俯仰角是指探针组件绕垂直第一激光反射镜轴线方向产生的角度值r_y，旋转角是指探针组件绕垂直纵向激光反射镜轴线方向产生的角度值r_x，偏航角是指绕探针组件绕垂直第二激光反射镜轴线方向产生的角度值r_z，其中仪器在测量过程中，需要对俯仰角、偏航角、旋转角导致的三轴位移测量误差进行补偿。

补偿过程如下，通过横向纵向移动机构400控制所述角度位移测量组件600 在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机720控制所述立轴710在竖直方向移动探针550；所述纵向激光干涉仪630获取位移为x″，获取偏航角为r_y，获取俯仰角为r_z；所述第一激光干涉仪610获取位移为y″，获取旋转角r_x；所述第二激光干涉仪620通过获取立向轴位移为z″；根据补偿公式计算被测样件补偿后的横向轴位移x′、纵向轴位移y′、立向轴位移z′；

补偿公式为：

在对待测件进行测量时，在仪器坐标系中，通过横向纵向移动机构400控制所述角度位移测量组件600在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机720控制所述立轴710在竖直方向移动探针550；当探针550与被测样件接触，在探针 550反馈达到设定阈值后，该接触位置为待检测位置点，

在仪器坐标系中，探针550和待测件相对运动时，不断移动探针550和待测件接触，当探针550与被测样件接触时，该接触位置设定为第i次待检测位置点，依据第一激光干涉仪610、第二激光干涉仪620、纵向激光干涉仪630补偿后的位移值，在仪器坐标系中，得到第i次待检测位置点的坐标(a_i′，b_i′，c_i′)， i＝1，...，N；第i次待检测位置点的坐标(a_i′，b_i′，c_i′)，i＝1，...，N需要通过转换公式 1转换至标准坐标系中，得到坐标(a_i，b_i，c_i)，i＝1，...，N

转换公式1为：

本实施例中，θ＝135°

若回转轴650配合测量，回转轴650带动待测样件转动角度

转动角度

后，所述横向纵向移动机构400控制所述角度位移测量组件600在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机720控制所述立轴710在竖直方向移动探针550，在仪器坐标系下获取第j次待检测位置点的坐标(a2_j，b2_j，c2_j)，j＝N+1，...，N+K，其中，N、K为整数；

由于回转轴650带动待测件发生了转动，旋转前探针550与被测样件接触时，该接触位置设定为第i次待检测位置点，得到一组坐标值(a_i，b_i，c_i)，i＝1，...，N；旋转后，探针550与被测样件接触时，该接触位置设定为第j次待检测位置点，得到这一组新的坐标值(a2_j，b2_j，c2_j)，j＝N+1,…,N+K所处坐标系也发生了变化，需要将旋转后得到的这一组新的坐标值(a2_j，b2_j，c2_j)，j＝N+1,…,N+ K通过转换公式2处理，将表面坐标(a2_j，b2_j，c2_j)转换至所述标准坐标系中，得到坐标(a_j,b_j,c_j)；其中，转换公式2为：

若干待检测位置点坐标(a_j,b_j,c_j)和若干待检测位置点坐标值(a_i,b_i,c_i)结合，获取一组待测件表面坐标集(a_i，b_i，c_i)，i＝1，...，N+K。

若不使用回转轴650，根据横向激光干涉仪510、纵向激光干涉仪520、立向激光干涉仪530可测得各轴位移为x′，y′，z′，当探针判定一次合格的接触后，依据各轴位移x′，y′，z′经过误差补偿、数据处理后，即可获得待测件表面的一个测点坐标(x,y,z)，通过对待测件表面的若干测点，可实现对复杂形状待测件的形位误差的高精度测量。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接、可以是机械连接，也可以是电连接、可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，其特征在于：包括主机座(100)，在所述主机座(100)的上侧间隔设置有立向支撑柱(200)，两根所述立向支撑柱(200)的顶部设置有轴座(300)；

所述主机座(100)上侧且位于两根立向支撑柱(200)之间设置有横向纵向移动机构(400)，所述横向纵向移动机构(400)的上侧面设置角度位移测量组件(600)；

所述轴座(300)上沿竖直方向滑动设置有立轴(710)；所述轴座(300)上设置有控制所述立轴(710)沿竖直方向移动的立轴纳米电机(720)，以及设置缓冲气缸(730)对立轴(710)进行重力补偿；

所述立轴(710)竖直两侧，靠近探针组件(500)的一端分别开设固定槽(770)，所述缓冲气缸(730)由缓冲气缸固定块(740)固定安装于所述立向连接孔(750)内壁，且缓冲气缸(730)的伸缩端连接所述固定槽(770)内壁；探针组件(500)由立向连接块(510)连接至立轴(710)下端面；

所述角度位移测量组件(600)由第一激光干涉仪(610)、第二激光干涉仪(620)、纵向激光干涉仪(630)、纵向干涉仪底座(640)、测量支撑架(660)组成，第一激光干涉仪(610)、第二激光干涉仪(620)安装于测量支撑架(660)上端斜面、纵向激光干涉仪(630)安装于纵向干涉仪底座(640)上端面，测量支撑架(660)相对空间内侧样品固配面(670)处安装有回转轴(650)；所述角度位移测量组件(600)安装于横向运动块(430)上端面；

所述探针组件(500)由立向连接块(510)、第一激光反射镜(520)、第二激光反射镜(530)、纵向激光反射镜(540)、探针(550)组成，第一激光反射镜(520)、第二激光反射镜(530)、纵向激光反射镜(540)正交安装；探针(550)安装于第一激光反射镜(520)、第二激光反射镜(530)、纵向激光反射镜(540)相对空间内侧；

所述探针组件(500)安装于角度位移测量组件(600)相对空间内侧；

所述纵向干涉仪底座(640)、测量支撑架(660)、立向连接块(510)、第一激光反射镜(520)、第二激光反射镜(530)及纵向激光反射镜(540)由微晶玻璃制成；

所述第一激光干涉仪(610)、第二激光干涉仪(620)、纵向激光干涉仪(630)产生测距激光光线汇聚于探针(550)测头测球。

2.根据权利要求1所述的基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，其特征在于：所述横向纵向移动机构(400)可带动所述角度位移测量组件(600)沿横向和纵向移动。

3.根据权利要求1所述的基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，其特征在于：所述轴座(300)沿竖直方向开设有贯穿的立向连接孔(750)，所述立向连接孔(750)内壁开设有安装槽(760)；

立轴纳米电机(720)安装于所述安装槽(760)内，所述立轴纳米电机(720)输出轴沿直线移动，且可带动所述立轴(710)沿竖直方向滑动。

4.根据权利要求1所述的基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，其特征在于：所述探针(550)可与在所述角度位移测量组件(600)上放置的样品进行抵接测量。

5.根据权利要求1所述的基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，其特征在于：

所述横向纵向移动机构(400)控制所述角度位移测量组件(600)在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机(720)控制所述立轴(710)在竖直方向移动探针(550)；

所述纵向激光干涉仪(630)获取位移为x″，获取偏航角为r_y，获取俯仰角为r_z；

所述第一激光干涉仪(610)获取位移为y″，获取旋转角r_x；

所述第二激光干涉仪(620)通过获取立向轴位移为z″；

根据补偿公式计算被测样件补偿后的横向轴位移x′、纵向轴位移y′、立向轴位移z′；

所述补偿公式为：

6.根据权利要求1所述的基于反射镜测头一体化设计的超精密形位误差测量仪，其特征在于：

在待测件坐标系中，对待测件进行测量时，所述横向纵向移动机构(400)控制所述角度位移测量组件(600)在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机(720)控制所述立轴(710)在竖直方向移动探针(550)；得到第i次待检测位置点的坐标(a_i′，b_i′，c_i′)，i＝1，...，N；

第i次待检测位置点的坐标(a_i′，b_i′，c_i′)，i＝1，...，N需要通过转换公式(1)转换至标准坐标系中，得到坐标(a_i，b_i，c_i)，i＝1，...，N

转换公式(1)为：

其中：θ＝135°

回转轴(650)带动待测样件转动角度

转动角度

后，所述横向纵向移动机构(400)控制所述角度位移测量组件(600)在横向和纵向移动，所述立轴纳米电机(720)控制所述立轴(710)在竖直方向移动探针(550)，在仪器坐标系下获取第j次待检测位置点的坐标(a2_j，b2_j，c2_j)，j＝N+1，...，N+K，其中，N、K为整数；

将表面坐标(a2_j，b2_j，c2_j)通过转换公式转换至所述标准坐标系中，得到坐标(a_j,b_j,c_j)；其中，转换公式(2)为：

若干待检测位置点坐标(a_j,b_j,c_j)和若干待检测位置点坐标值(a_i,b_i,c_i)结合，获取一组待测件表面坐标集(a_i，b_i，c_i)，i＝1，...，N+K。

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