精密测量技术——二维测量仪

张建国，万承华

(深圳清溢光电股份有限公司，广东深圳518057)

精密测量技术
——二维测量仪

张建国，万承华

(深圳清溢光电股份有限公司，广东深圳518057)

目前国内LCD、IC封装及高精度PCB等行业快速发展，精度越来越高，线缝越做越小，因为定位、套合不良问题造成的报废也越来越大。由于大型精密测量仪开发存在技术难度大、前期投资多、市场需求量有限、投资见效慢等实际问题，国内测量仪市场面临着"有钱国外买，钱少则不买"的困难境地。有鉴于此，结合自身需要，清溢公司开发了CMM1100二维坐标测量机，望我们的努力能为国内精密测量仪工业的发展做些贡献。

机器外罩；干涉仪；空气轴承

随着电子工业技术的发展和市场经济的深入，人们越来越重视产品的质量，越来越追求产品的性能。从精密加工的角度出发，要求检测工具更灵敏、更精确，为实用方便，又要求大量程；从大生产的快节奏的需求，对工件进行快速测量，要求对检测数据进行自动处理、自动判断是否合格或按公差大小自动分组等等。如何适应现代化生产的需要，使检测仪器具备准确度高，稳定性好、使用方便、功能齐全等性能，是时代赋予的课题。

二维精密测量方法就是为适应这些要求而逐步形成的，并以其独特的优点逐步成为当今世界范围内的一种新型测试手段。它是近代精密机械技术、激光技术、光电传感技术、计算机数据处理技术以及精密电子测控技术高度发展和相互渗透的结果，是现代化生产、保证产品质量的有力工具。

1 CMM1100二维精密测量仪的系统构成及主要功能

CMM1100由环境保障系统、精密机械系统、干涉仪测量系统、图像处理系统、电器控制系统和软件控制系统等部分组成，如图1所示。

图1 结构图

1.1 环境保障系统-Chamber

Chamber为测量仪提供一个净化、恒温、相对稳定湿度、压力的工作环境。电子工业产品均有净化要求，尤其是线路板、平板显示及微电子行业，有些几乎达到了苛刻的程度，净化度要求达到100级，10级甚至更高，测量仪本身属于精密仪器，同样对工作环境提出了较高的要求。温度及湿度对产品的精度会产生影响，产品由于温度变化热胀冷缩是显而易见的，湿度同样会造成有机材料的尺寸变化，如线路板、菲林等。精密测量通常采用激光干涉仪进行，温度、湿度、压力的变化均会造成测量的误差。因此二维精密测量仪需在100级以上净化、±0.03℃、相对稳定湿度、压力的Chamber中工作。如图2所示。

图2 Chamber图

1.2 机械结构

CMM1100测量仪对机械结构的要求较高，无论是结构形式还是选用的材料，均要求保证整个机械结构有一个较高的精度。

离轴式工作台的优点是结构紧奏，平台三轴干涉仪可避免平台扭摆对坐标系统造成的直接影响，保证坐标系统的稳定。

花岗岩主体结构材料，优于优质铸铁和钢材制作的精密测量基准零件，可以获得高而稳定的精度。其所具有的优点：（1）岩石经长期天然时效，组织结构均匀，线胀系数极小，内应力完全消失，不变形；（2）刚性好，硬度高，耐磨性强，温度变形小；（3）不怕酸、碱液侵蚀，不会生锈，不必涂油，不易粘微尘，维护、保养方便简单，使用寿命长；（4）不会出现划痕，不受恒温条件阻止，在常温下也能保持测量精度；（5）不磁化，测量时能平滑移动，无滞涩感，不受潮湿影响，平面稳定性好。

环保型滑动系统，Airbearings及花岗岩导轨组成的滑动系统不但运动精度高，而且由于Airbearings及花岗岩导轨之间空气的自润滑作用，使运动无磨损，这样不但减少驱动力，降低运行成本，而且减少了维护的成本，提高仪器的寿命。见图3。

图3 花岗岩及Airbearings图

1.3 干涉仪

CMM1100采用两轴双频高分辨率激光干涉仪，图4是CMM1100使用的激光测距系统示意图。

Interferometer测量系统是由激光头激光谐振腔发出的HeNe激光束，经激光偏转控制系统分裂为频率f1和f2的线偏振光束，经取样系统分离出一小部分光束被光电检测器接收作为参考信号，其余光束经回转光学系统放大和准直，被干涉镜接收反射到接收器上。平台运动使干涉镜和反射镜之间发生相对位移，两束光发生多普勒效应，产生多普勒频移±Δf。接收器接收到的频率信号（f1-f2±Δf）和参考信号（f1-f2）被送到测量板卡，经过相位检测、计数，最后经数据处理系统进行处理，得到所测量的位移量，即可测量平台运动位置。干涉仪使用的HeNe激光器，波长稳定，达到0.1×10-6/24 h，因此，对于技术过关的干涉仪数据稳定、漂移量小。

图4 干涉仪光路

1.4 图像处理

图像系统采用CCD摄像机摄取检测图像并转化为数字信号，再采用先进的计算机硬件与软件技术对图像数字信号进行处理，从而得到所需要的各种目标图像特征值，并由此实现坐标计算等多种功能。图像获取设备包括光源照明、图像聚焦形成、图像确定和形成摄像机输出信号。

1.5 电器控制

X轴与Y轴方向运动均由伺服电机驱动，Z轴调焦由步进电机控制。图5为运动控制框图。

1.6 功能强大的软件系统

1.6.1 测量功能

采用WINDOWS XP界面，所有操作均由鼠标控制，可进行大平板长度、坐标、套合精度等长尺寸的精确测量，线、缝宽度、圆直径、圆度、圆环宽等小尺寸的精确测量，以及平整度的测量。图6为测量软件图。

图5 电器控制框图

图6 测量软件图

1.6.2 计算功能

测量过程结束后，测量结果显示在计算机屏幕上，各种计算全部由鼠标完成。

1.6.3 打印功能

所有测量结果，计算结果均以文件方式保存在计算机中，可随时调用，随时打印。

2 CMM1100的应用范围

直接用于大面积工件二维坐标高精度测量。计量测试领域：长度、坐标等长尺寸的精确计量，线、缝宽度等小尺寸的精确计量。

高精度PCB、LCD，IC封装领域：高精度PCB、LCD，IC封装用Photomask及其产品长度、坐标、套合精度等长尺寸的精确测量，线、缝宽度、圆直径、圆度、圆环宽等小尺寸的精确测量，以及平整度的测量。

3 CMM1100测量机的特点及性能参数

CMM1100测量机优点：

机器外罩，保证内部10级净化及0.03℃温度稳定；

采用花岗岩基座、导轨及台面，保证精度长期稳定；

采用空气弹簧减振结构减小振动的影响；空气轴承，保证平滑移动；

高灵敏和大量程可同时实现，激光干涉仪分辨率已达到5 nm，量程1 100 mm×900 mm；

气候监测站监测温度、气压、湿度，采用Edlen公式对激光波长做补偿；

高精度对比度自动聚焦系统，尋焦范围150 μm，分辨率0.1 μm（见图7）；

图7 自动聚焦系统

能够自动切换镜头，冷光源反射光照明，强度0～100%自动调节；

1/2"彩色CCD影像逐行扫描及精密影像数位化处理（见图8）；

多种校正功能（见图9～图11）；

多点全自动测量功能；

Windows XP操作系统，简便易用的操作界面。

标准板校准也叫Matrix校准，是将长度、线性、直线度、正交性融合在一起进行，测量标准板坐标，形成测量坐标Map，与真实坐标Map进行对比，从而完成校准。

CMM1100测量机性能参数：

CD性能及指标见表1和图12。

图8 图像处理

图9 Z轴校正

图 10 CD校正

表1 CD性能指标

定位精度性能指标：

综合误差：0.1＋(0.18/1000)×Lμm

（其长度单位为mm）

重复精度：3σ＝0.1 μm

图12 CD测量结果

图13 定位精度测量结果分析示例

图14 套合精度测量结果分析示例

4 结束语

总之，在高精度加工和质量管理过程中，随着光机电一体化、系统化的发展，光学测量技术有了迅速的发展，相应的测量仪产品大量涌现。由瑞典Micronic公司开发出了十分昂贵的二维坐标测量仪，据称在1.5 m×1.5 m的范围内已经达到0.1 μm的坐标测量精度，未来的需求还会更高，路还很长。

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