精密測量技術(shù)
——二維測量儀

張建國，萬承華

(深圳清溢光電股份有限公司，廣東深圳518057)

精密測量技術(shù)
——二維測量儀

張建國，萬承華

(深圳清溢光電股份有限公司，廣東深圳518057)

目前國內(nèi)LCD、IC封裝及高精度PCB等行業(yè)快速發(fā)展，精度越來越高，線縫越做越小，因?yàn)槎ㄎ弧⑻缀喜涣紗栴}造成的報廢也越來越大。由于大型精密測量儀開發(fā)存在技術(shù)難度大、前期投資多、市場需求量有限、投資見效慢等實(shí)際問題，國內(nèi)測量儀市場面臨著"有錢國外買，錢少則不買"的困難境地。有鑒于此，結(jié)合自身需要，清溢公司開發(fā)了CMM1100二維坐標(biāo)測量機(jī)，望我們的努力能為國內(nèi)精密測量儀工業(yè)的發(fā)展做些貢獻(xiàn)。

機(jī)器外罩；干涉儀；空氣軸承

隨著電子工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和市場經(jīng)濟(jì)的深入，人們越來越重視產(chǎn)品的質(zhì)量，越來越追求產(chǎn)品的性能。從精密加工的角度出發(fā)，要求檢測工具更靈敏、更精確，為實(shí)用方便，又要求大量程；從大生產(chǎn)的快節(jié)奏的需求，對工件進(jìn)行快速測量，要求對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理、自動判斷是否合格或按公差大小自動分組等等。如何適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，使檢測儀器具備準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好、使用方便、功能齊全等性能，是時代賦予的課題。

二維精密測量方法就是為適應(yīng)這些要求而逐步形成的，并以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)逐步成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)的一種新型測試手段。它是近代精密機(jī)械技術(shù)、激光技術(shù)、光電傳感技術(shù)、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及精密電子測控技術(shù)高度發(fā)展和相互滲透的結(jié)果，是現(xiàn)代化生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量的有力工具。

1 CMM1100二維精密測量儀的系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能

CMM1100由環(huán)境保障系統(tǒng)、精密機(jī)械系統(tǒng)、干涉儀測量系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

1.1 環(huán)境保障系統(tǒng)-Chamber

Chamber為測量儀提供一個凈化、恒溫、相對穩(wěn)定濕度、壓力的工作環(huán)境。電子工業(yè)產(chǎn)品均有凈化要求，尤其是線路板、平板顯示及微電子行業(yè)，有些幾乎達(dá)到了苛刻的程度，凈化度要求達(dá)到100級，10級甚至更高，測量儀本身屬于精密儀器，同樣對工作環(huán)境提出了較高的要求。溫度及濕度對產(chǎn)品的精度會產(chǎn)生影響，產(chǎn)品由于溫度變化熱脹冷縮是顯而易見的，濕度同樣會造成有機(jī)材料的尺寸變化，如線路板、菲林等。精密測量通常采用激光干涉儀進(jìn)行，溫度、濕度、壓力的變化均會造成測量的誤差。因此二維精密測量儀需在100級以上凈化、±0.03℃、相對穩(wěn)定濕度、壓力的Chamber中工作。如圖2所示。

圖2 Chamber圖

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

CMM1100測量儀對機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求較高，無論是結(jié)構(gòu)形式還是選用的材料，均要求保證整個機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個較高的精度。

離軸式工作臺的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊奏，平臺三軸干涉儀可避免平臺扭擺對坐標(biāo)系統(tǒng)造成的直接影響，保證坐標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

花崗巖主體結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)于優(yōu)質(zhì)鑄鐵和鋼材制作的精密測量基準(zhǔn)零件，可以獲得高而穩(wěn)定的精度。其所具有的優(yōu)點(diǎn)：（1）巖石經(jīng)長期天然時效，組織結(jié)構(gòu)均勻，線脹系數(shù)極小，內(nèi)應(yīng)力完全消失，不變形；（2）剛性好，硬度高，耐磨性強(qiáng)，溫度變形?。唬?）不怕酸、堿液侵蝕，不會生銹，不必涂油，不易粘微塵，維護(hù)、保養(yǎng)方便簡單，使用壽命長；（4）不會出現(xiàn)劃痕，不受恒溫條件阻止，在常溫下也能保持測量精度；（5）不磁化，測量時能平滑移動，無滯澀感，不受潮濕影響，平面穩(wěn)定性好。

環(huán)保型滑動系統(tǒng)，Airbearings及花崗巖導(dǎo)軌組成的滑動系統(tǒng)不但運(yùn)動精度高，而且由于Airbearings及花崗巖導(dǎo)軌之間空氣的自潤滑作用，使運(yùn)動無磨損，這樣不但減少驅(qū)動力，降低運(yùn)行成本，而且減少了維護(hù)的成本，提高儀器的壽命。見圖3。

圖3 花崗巖及Airbearings圖

1.3 干涉儀

CMM1100采用兩軸雙頻高分辨率激光干涉儀，圖4是CMM1100使用的激光測距系統(tǒng)示意圖。

Interferometer測量系統(tǒng)是由激光頭激光諧振腔發(fā)出的HeNe激光束，經(jīng)激光偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)分裂為頻率f1和f2的線偏振光束，經(jīng)取樣系統(tǒng)分離出一小部分光束被光電檢測器接收作為參考信號，其余光束經(jīng)回轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)放大和準(zhǔn)直，被干涉鏡接收反射到接收器上。平臺運(yùn)動使干涉鏡和反射鏡之間發(fā)生相對位移，兩束光發(fā)生多普勒效應(yīng)，產(chǎn)生多普勒頻移±Δf。接收器接收到的頻率信號（f1-f2±Δf）和參考信號（f1-f2）被送到測量板卡，經(jīng)過相位檢測、計數(shù)，最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到所測量的位移量，即可測量平臺運(yùn)動位置。干涉儀使用的HeNe激光器，波長穩(wěn)定，達(dá)到0.1×10-6/24 h，因此，對于技術(shù)過關(guān)的干涉儀數(shù)據(jù)穩(wěn)定、漂移量小。

圖4 干涉儀光路

1.4 圖像處理

圖像系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)攝取檢測圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再采用先進(jìn)的計算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對圖像數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，并由此實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)計算等多種功能。圖像獲取設(shè)備包括光源照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機(jī)輸出信號。

1.5 電器控制

X軸與Y軸方向運(yùn)動均由伺服電機(jī)驅(qū)動，Z軸調(diào)焦由步進(jìn)電機(jī)控制。圖5為運(yùn)動控制框圖。

1.6 功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)

1.6.1 測量功能

采用WINDOWS XP界面，所有操作均由鼠標(biāo)控制，可進(jìn)行大平板長度、坐標(biāo)、套合精度等長尺寸的精確測量，線、縫寬度、圓直徑、圓度、圓環(huán)寬等小尺寸的精確測量，以及平整度的測量。圖6為測量軟件圖。

圖5 電器控制框圖

圖6 測量軟件圖

1.6.2 計算功能

測量過程結(jié)束后，測量結(jié)果顯示在計算機(jī)屏幕上，各種計算全部由鼠標(biāo)完成。

1.6.3 打印功能

所有測量結(jié)果，計算結(jié)果均以文件方式保存在計算機(jī)中，可隨時調(diào)用，隨時打印。

2 CMM1100的應(yīng)用范圍

直接用于大面積工件二維坐標(biāo)高精度測量。計量測試領(lǐng)域：長度、坐標(biāo)等長尺寸的精確計量，線、縫寬度等小尺寸的精確計量。

高精度PCB、LCD，IC封裝領(lǐng)域：高精度PCB、LCD，IC封裝用Photomask及其產(chǎn)品長度、坐標(biāo)、套合精度等長尺寸的精確測量，線、縫寬度、圓直徑、圓度、圓環(huán)寬等小尺寸的精確測量，以及平整度的測量。

3 CMM1100測量機(jī)的特點(diǎn)及性能參數(shù)

CMM1100測量機(jī)優(yōu)點(diǎn)：

機(jī)器外罩，保證內(nèi)部10級凈化及0.03℃溫度穩(wěn)定；

采用花崗巖基座、導(dǎo)軌及臺面，保證精度長期穩(wěn)定；

采用空氣彈簧減振結(jié)構(gòu)減小振動的影響；空氣軸承，保證平滑移動；

高靈敏和大量程可同時實(shí)現(xiàn)，激光干涉儀分辨率已達(dá)到5 nm，量程1 100 mm×900 mm；

氣候監(jiān)測站監(jiān)測溫度、氣壓、濕度，采用Edlen公式對激光波長做補(bǔ)償；

高精度對比度自動聚焦系統(tǒng)，尋焦范圍150 μm，分辨率0.1 μm（見圖7）；

圖7 自動聚焦系統(tǒng)

能夠自動切換鏡頭，冷光源反射光照明，強(qiáng)度0～100%自動調(diào)節(jié)；

1/2"彩色CCD影像逐行掃描及精密影像數(shù)位化處理（見圖8）；

多種校正功能（見圖9～圖11）；

多點(diǎn)全自動測量功能；

Windows XP操作系統(tǒng)，簡便易用的操作界面。

標(biāo)準(zhǔn)板校準(zhǔn)也叫Matrix校準(zhǔn)，是將長度、線性、直線度、正交性融合在一起進(jìn)行，測量標(biāo)準(zhǔn)板坐標(biāo)，形成測量坐標(biāo)Map，與真實(shí)坐標(biāo)Map進(jìn)行對比，從而完成校準(zhǔn)。

CMM1100測量機(jī)性能參數(shù)：

CD性能及指標(biāo)見表1和圖12。

圖8 圖像處理

圖9 Z軸校正

圖 10 CD校正

表1 CD性能指標(biāo)

定位精度性能指標(biāo)：

綜合誤差：0.1＋(0.18/1000)×Lμm

（其長度單位為mm）

重復(fù)精度：3σ＝0.1 μm

圖12 CD測量結(jié)果

圖13 定位精度測量結(jié)果分析示例

圖14 套合精度測量結(jié)果分析示例

4 結(jié)束語

總之，在高精度加工和質(zhì)量管理過程中，隨著光機(jī)電一體化、系統(tǒng)化的發(fā)展，光學(xué)測量技術(shù)有了迅速的發(fā)展，相應(yīng)的測量儀產(chǎn)品大量涌現(xiàn)。由瑞典Micronic公司開發(fā)出了十分昂貴的二維坐標(biāo)測量儀，據(jù)稱在1.5 m×1.5 m的范圍內(nèi)已經(jīng)達(dá)到0.1 μm的坐標(biāo)測量精度，未來的需求還會更高，路還很長。

Precision Measuring Technology——2D Measuring Machine

ZHANG Jianguo，WAN Chenghua

(Qingyi Precision Maskmaking(Shenzhen)Ltd，Shenzhen518057，China)

The LCD industry development is rapid，the precision measurement is critical on quality control，but there is no equipment in China，so we developed the CMM1100 measuring machine，it can satisfy the measurement requirements of LCD industry.The precision measurement technology is related to environmental control，motion control，image processing，laser measurement，software for all aspects of the technology.

Chamber；Interferometer；Airbearings

TN606

B

1004-4507(2015)01-0034-05

2014-12-31