超精密掩模台位移测量系统热漂移研究

针对28nm浸没式扫描光刻机掩模台的光栅干涉仪位移测量系统,开展了系统热漂移研究,并进行了热漂移测试实验与结果分析。该位移测量系统采用外差对称式四细分的光路设计以及栅距为1μm的二维光栅,配合2048倍电子细分的相位计数卡,其系统分辨力达到了0.12nm。热漂移测试结果显示:该系统的热漂移X向为17.86nm/K,Y向为41.43nm/K。在光刻机掩模台的实际测量环境中,测量环境的温度波动稳定在5mK以内,此时系统的热漂移X向可以控制在0.09nm以内,Y向可以控制在0.21nm以内。实验数据表明系统的热漂移误差小于1nm,满足掩模台亚纳米位移测量精度需求。     

高精度绝对式光栅尺研究进展及技术难点

在现代机加行业中,大多采用光栅传感器来进行位置反馈装置。由于光栅尺能够对系统实行全闭环控制,降低滚珠丝杠热变形等原因引起的误差,提高加工精度,所以目前中高档数控系统越来越多地采用光栅尺作为线位移反馈元件。光栅尺分为增量式和绝对式:增量式光栅尺的测量原理是将光通过两个相对运动的光栅调制成摩尔条纹,通过对摩尔条纹进行计数、细分后得到位移变化量,并通过在标尺光栅上设定一个或是多个参考点来确定绝对位置;绝对式光栅尺的测量原理是在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道,读数头通过读取当前位置的编码可以得到绝对位置。     

长光栅数显表中5μm分辨率的实现

用数显表与不同的传感器相配,只要将传感器的输出信号做相应的处理,就可得到各种类型的精密位移测量系统.如在直线位移测量中可与长光栅尺、圆光栅尺、磁栅、感应同步器等相配合,组成各种精度不同的测量系统.其中以长光栅数显表的分辨率为最高,可达10μm、5μm、2μm、1μm,甚至还可更小.因此,长光栅位移传感器及数显表已成为瞩目的新技术.     

高精度平面光栅尺测量系统的模型设计与安装误差分析

本文分析了高精度平面光栅尺的测量原理,推导了工件台坐标系的位置关系,利用读头光束与光栅平面的几何关系,建立光斑位移与工件台位置的关系,实现了将平面光栅尺测出的莫尔条纹数转化为工件台的位置信息。平面光栅尺测量系统在安装过程中,读头和光栅均存在沿X方向、Y方向上的平移偏差和绕X轴、Y轴和Z轴的旋转误差,本文利用组合分析的方法,推导出模型约束出安装误差的最大范围。通过仿真分析可知,模型设计精度要求为1×1010m时,读头平移误差范围在-1×10-3m～1×10-3m、读头旋转误差的范围-8×10-4rad～8×10-4rad、光栅旋转误差的范围为-1×10-4rad～1×10-4rad下,可以满足相应的设计指标,为实际的工程应用提供有效的理论依据。     

基于光栅制造的光刻投影物镜设计

光栅尺作为位移传感器被广泛应用在精密测量体系中，随着测量趋于纳米级精度和大量程，对光栅尺的制造精度提出了更高的要求。刻线误差是影响光栅尺制造精度的重要因素，减小刻线误差能够有效提高光栅制造精度。设计了一种大孔径、低畸变的投影光刻物镜，并在Zemax光学设计软件中对物镜进行了设计及优化。结果显示，其全视场波像差小于λ/10,MTF>0.6,最大畸变<0.0037%,最大分辨率R=2μm,数值孔径NA=0.15,缩小倍率5×,最大焦深±9.73μm。对其进行公差分析，结果表明，该物镜完全满足提高光栅尺制造精度的需求。     

基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。     

基于旋量理论的被动式跟踪测量系统误差分析与补偿

被动式跟踪测量系统由一个二维旋转平台和一个径向伸缩机构组成,用于测量目标的空间坐标。伸缩机构的末端固定有一个标准球,该标准球被目标磁吸,其径向位移由直线光栅尺测量。二维转盘的旋转角度由两个各自的圆形光栅测量。分析了被动式跟踪测量系统的主要误差来源,基于旋量理论建立了误差模型。最后,利用三坐标测量检测误差模型的补偿效果。经过误差补偿后,被动式跟踪测量系统在450×450×200mm空间的最大测量误差降低到132.2μm。     

一种新的光栅数显测量系统

深圳奥特嘉数控测量系统有限公司(OSKA)研制并已销售的JV系列光栅数显系统由光栅线位移传感器和数显表两部分组成,于1999年11月26日由深圳市科委主持了产品鉴定。鉴定获得通过并得到较好评价。产品也得到了一些用户的认可。 该系列的光栅数显测量系统的光栅线位移传感器,主要开发了五轴承滚动式读数头结构和45°斜置式光栅尺安装,使之具有良好的滚动性能和抗震能力。读数头采用AlGaAs系列φ5强发射接收光电管以提高效率,信号强而稳定。防尘密封橡胶的材料和结构也进行了改进,避免因采用双层防护胶造成阻尼而引发的精度不稳定现象。 数显表的特点是显示和计数部分分开,以便于在机     

光栅读数头安装误差对光栅测量精度的影响

通过试验方法研究了光栅读数头安装误差对光栅测量系统测量精度的影响。采用单因素法定量分析了光栅读数头A、B、C、Z轴4个方向的安装误差对光栅测量精度的影响规律。试验表明:读数头安装误差对光栅细分精度产生直接影响,并且这4个方向的影响显著性不同,其中B轴方向最敏感。     

新型密封式精密钢带光栅线位移传感器的研制

研制了一种新型的密封式超长精密钢带光栅线位移传感器.该传感器采用了反射式精密超长计量钢带光栅尺作为测量基准尺,实现了大量程,并且依据激光光电扫描器拾取光栅莫尔条纹光电信号,提高了光栅付工作间隙量和测量的精度.实验的结果表明:传感器量程为3 m,10 m,50 m时,其测量精度可以达到±5 μm/m,±10 μm/m,±20μm/m.     

光栅传感器正交信号自动实时补偿技术研究

为提高光栅尺的测量精度和分辨率,对光栅位移传感器输出信号的自动实时处理方法进行研究。分析了光栅尺输出信号中存在的误差因素,根据Heydemann误差补偿模型修正信号中的非正交误差、直流误差和不等幅误差,利用CORDIC算法对修正后的信号进行细分。处理过程在LabVIEW环境下进行,利用FPGA模块实现信号实时处理,并与XL-80干涉仪比对验证该处理可有效补偿信号中的各类误差,且测量相对误差不超过±2μm。     

双读数头圆光栅偏心参数标定修正算法

圆光栅安装偏心误差是影响圆光栅角度测量精度的关键因素,偏心误差补偿是提高角度测量精度的重要方法。为准确辨识和补偿圆光栅安装偏心误差参数,在建立的圆光栅偏心误差模型基础上提出了一种双读数头平均误差补偿方法,对读数误差进行修正,并对测量与修正模型进行仿真实验。使用正23面棱体与光电自准直仪搭建实验装置,对所提方法的测量补偿效果进行验证。实验结果表明:采用所提出的补偿修正方法能够有效补偿圆光栅读数头读数偏差,圆光栅的测角精度达到1″以内。     

基于共路光线漂移补偿的直线度测量

针对影响激光测量直线度误差的主要因素之一激光光线漂移,提出了一种基于共路光线漂移补偿的直线度误差测量方法,给出了具体的测量原理和系统构成。从产生激光光线漂移的几个因素出发,理论分析了所产生的光线漂移对直线度误差测量的影响,建立了相对应的光线漂移补偿模型。结果表明,进行补偿后激光器出射光线引起的光线漂移在X方向的最大漂移量由28.4μm减少为5.6μm,Y方向的最大漂移量由21.6μm减少到5μm;由温度梯度引起的光线漂移经补偿后最大漂移量由65.7μm减少为8.9μm。实验结果与理论分析均表明,该方法能有效减少各种因素引起的光线漂移对直线度测量结果的影响,提高测量直线度误差的准确性。     

高精度弓型光纤光栅微位移传感器

为了测量控机床结构件、微加工工作台的微小变形量,设计了一种高精度弓型光纤布拉格光栅(FBG)微位移传感器。将光纤布拉格光栅的栅区部分粘贴在弓型上下壁处,当弓形件发生变形时,可测出上下壁的应变值,从而测得位移值并进行温度解耦。实验结果表明,在量程为1mm时,传感器的灵敏度为2.02pm/μm,线性相关系数为0.998 3,实验的迟滞误差为4.08%,重复性误差为4.08%。在温度补偿实验中可以看出,当温度上升1℃,波长漂移量不到1pm。类似于弓型结构衍生出一种半弓型结构的位移传感器。两类传感器相比,弓型传感器的温度灵敏度比半弓型传感器小0.001 5pm/μm,温度补偿效果更好;但半弓型传感器的线性度为0.4%,线性度比弓型传感器好。两种传感器均满足测量值稳定可靠、精度高、抗电磁干扰能力强,温度不敏感等要求。     

光栅副间隙动态测量设备的设计

基于光学测量和图像处理,设计了一种用于测量光栅尺读数头装配过程中指示光栅装配时光栅副间隙的设备。试验测量结果表明,设备测量结果可靠,全区间测量误差5%,使用区间测量误差3%。为光栅副装配中间隙测量提供了可靠的测量方法和设备。     

绝对式光栅尺母尺刻划曝光系统

提出了基于数字微镜器件(DMD)的双曝光头总体结构,该结构可同时刻划母尺的周期和非周期两个光栅码道。单曝光头包含曝光光源、调焦光源、DMD和投影镜头四部分,曝光光源由激光器、准直镜组、二维微透镜阵列和场镜组成。本文利用光学软件TracePro设计该光源,实现了能量的平顶分布,在14mm×10mm的照明面上均匀性达到95%以上。利用光学软件Zemax设计了工作在双波段(曝光光源0.403～0.407μm和调焦光源0.525～0.535μm)的共焦投影镜头,采用了二向色镜和分光棱镜使其能在曝光的同时进行实时调焦,优化后的系统在曝光波段和调焦波段均达到衍射极限,最大畸变为0.009%。与传统的光栅尺刻划技术对比,设计的曝光系统具有工艺简单、制作速度快、精度高等优势,可用于长、超长计量光栅的制作。     

机床定位误差中的热误差分离与实验

提出一种从机床定位误差数据中分离出热误差的新方法.设计了由双频激光干涉仪、温度传感标签与接收器等组成的热误差测试系统,可实现热误差温度信号的无线智能检测和热变形信号的非接触高精度采集;从机床冷态开始,来回循环测量定位误差并记录热敏测点温度值;对各循环内的前后测点定位偏差做插值、相减、平均等处理,再与冷态下的平均定位误差相减分离得到热误差.在2515龙门加工中心上进行了实验,数据处理不仅可得到定位偏差、重复精度、回程误差等6个几何精度指标,还分离出测量范围内各个测点的热误差,其最大值为9.67μm;最小二乘法建模结果表明热误差的建模精度在[-2.60μm-2.28μm]之间,建模精度平均值为0.73μm.     

中国仪器仪表学会精密机械学会精密测试与控制专业第二届学术讨论会部分论文摘要

应用各态历经统计特征提高光纤传感器系统精度的分析文章论述了光纤式四端补偿网络传感器系统的工作原理。从理论角度阐明了应用各态历经统计积分处理方法及选用合理的信号识别和处理使这一新型传感器在用于透过率的精密测量时可获得所有误差的准全补偿,从而可消除或大大减小各种误差源,如光源波动、光纤随机弯曲损耗、光探测器灵敏度变化及零点漂移、放大器增益变化及零点漂移、背景光等对透过率测量的影响。重庆大学钟先信高精度长光栅动态检测系统中的专用接口电路文章介绍一种在IBM-PC计算机上实现高精度长光栅动态检测的专用接口。此接口能应用于最大长度1m的长光栅的检测中,被检光栅尺的最高运动速度为1m/min,最小测量     

磁尺、光栅综合精度检测方法与内插细分精度分析

在磁尺、光栅位置检测装置中,系统的综合精度主要由以下几种误差组成: 1)磁尺、光栅尺的节距误差, 2)内插细分误差; 3)由显示器引起的±1个最小读数值数字化误差; 4)机械部分的误差; 5)使用温度与录(刻)制磁尺、光栅时的标准温度不一致造成的误差。 当系统参数选定后,数显箱最小读数值就被确定,所以第3项误差很易判别;若装置在20℃的恒温车间或计量定使用,第5项误差也可排除;但第1,2,4三项误差就难以区别判定,因磁尺上的信号只能由磁头读取才能检出,光栅只刻划线条很密不宜单线瞄准,一般都用读数头同时读取多条线纹的信息(如磁尺同时读取30…     

应用在拼接镜面中的电容位移传感器的结构性误差分析及校正

分析了子镜运动和电容传感器极板运动之间的理论关系并探讨了电容位移传感器读数的"结构性"误差的处理方法。基于电容位移传感器的工作原理,对极板为圆形的电容位移传感器提出了采用以位移的测量值和子镜转角为自变量的多项式拟合的校正方法。计算表明该误差处理和校正方法是简洁可行的。对于转角的拟合只需2阶,同时位移测量值只需4阶的多项式进行拟合即可使输出位移达到3 nm的精度。进一步分析表明,直接使用位移传感器读数计算极板转角,并对误差的主动校正控制非常有利于该多项式拟合,可一次性达到优于5 nm的校正误差,完全满足拼接镜面主动光学工程应用的技术要求。