精密測量技術
——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
——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LCD、IC封裝及高精度PCB等行業快速發展，精度越來越高，線縫越做越小，因為定位、套合不良問題造成的報廢也越來越大。由于大型精密測量儀開發存在技術難度大、前期投資多、市場需求量有限、投資見效慢等實際問題，國內測量儀市場面臨著"有錢國外買，錢少則不買"的困難境地。有鑒于此，結合自身需要，清溢公司開發了CMM1100二維坐標測量機，望我們的努力能為國內精密測量儀工業的發展做些貢獻。

機器外罩；干涉儀；空氣軸承

隨著電子工業技術的發展和市場經濟的深入，人們越來越重視產品的質量，越來越追求產品的性能。從精密加工的角度出發，要求檢測工具更靈敏、更精確，為實用方便，又要求大量程；從大生產的快節奏的需求，對工件進行快速測量，要求對檢測數據進行自動處理、自動判斷是否合格或按公差大小自動分組等等。如何適應現代化生產的需要，使檢測儀器具備準確度高，穩定性好、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這些要求而逐步形成的，并以其獨特的優點逐步成為當今世界范圍內的一種新型測試手段。它是近代精密機械技術、激光技術、光電傳感技術、計算機數據處理技術以及精密電子測控技術高度發展和相互滲透的結果，是現代化生產、保證產品質量的有力工具。

1 CMM1100二維精密測量儀的系統構成及主要功能

CMM1100由環境保障系統、精密機械系統、干涉儀測量系統、圖像處理系統、電器控制系統和軟件控制系統等部分組成，如圖1所示。

圖1 結構圖

1.1 環境保障系統-Chamber

Chamber為測量儀提供一個凈化、恒溫、相對穩定濕度、壓力的工作環境。電子工業產品均有凈化要求，尤其是線路板、平板顯示及微電子行業，有些幾乎達到了苛刻的程度，凈化度要求達到100級，10級甚至更高，測量儀本身屬于精密儀器，同樣對工作環境提出了較高的要求。溫度及濕度對產品的精度會產生影響，產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℃、相對穩定濕度、壓力的Chamber中工作。如圖2所示。

圖2 Chamber圖

1.2 機械結構

CMM1100測量儀對機械結構的要求較高，無論是結構形式還是選用的材料，均要求保證整個機械結構有一個較高的精度。

離軸式工作臺的優點是結構緊奏，平臺三軸干涉儀可避免平臺扭擺對坐標系統造成的直接影響，保證坐標系統的穩定。

花崗巖主體結構材料，優于優質鑄鐵和鋼材制作的精密測量基準零件，可以獲得高而穩定的精度。其所具有的優點：（1）巖石經長期天然時效，組織結構均勻，線脹系數極小，內應力完全消失，不變形；（2）剛性好，硬度高，耐磨性強，溫度變形小；（3）不怕酸、堿液侵蝕，不會生銹，不必涂油，不易粘微塵，維護、保養方便簡單，使用壽命長；（4）不會出現劃痕，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，平面穩定性好。

環保型滑動系統，Airbearings及花崗巖導軌組成的滑動系統不但運動精度高，而且由于Airbearings及花崗巖導軌之間空氣的自潤滑作用，使運動無磨損，這樣不但減少驅動力，降低運行成本，而且減少了維護的成本，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示意圖。

Interferometer測量系統是由激光頭激光諧振腔發出的HeNe激光束，經激光偏轉控制系統分裂為頻率f1和f2的線偏振光束，經取樣系統分離出一小部分光束被光電檢測器接收作為參考信號，其余光束經回轉光學系統放大和準直，被干涉鏡接收反射到接收器上。平臺運動使干涉鏡和反射鏡之間發生相對位移，兩束光發生多普勒效應，產生多普勒頻移±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，經過相位檢測、計數，最后經數據處理系統進行處理，得到所測量的位移量，即可測量平臺運動位置。干涉儀使用的HeNe激光器，波長穩定，達到0.1×10-6/24 h，因此，對于技術過關的干涉儀數據穩定、漂移量小。

圖4 干涉儀光路

1.4 圖像處理

圖像系統采用CCD攝像機攝取檢測圖像并轉化為數字信號，再采用先進的計算機硬件與軟件技術對圖像數字信號進行處理，從而得到所需要的各種目標圖像特征值，并由此實現坐標計算等多種功能。圖像獲取設備包括光源照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機輸出信號。

1.5 電器控制

X軸與Y軸方向運動均由伺服電機驅動，Z軸調焦由步進電機控制。圖5為運動控制框圖。

1.6 功能強大的軟件系統

1.6.1 測量功能

采用WINDOWS XP界面，所有操作均由鼠標控制，可進行大平板長度、坐標、套合精度等長尺寸的精確測量，線、縫寬度、圓直徑、圓度、圓環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

測量過程結束后，測量結果顯示在計算機屏幕上，各種計算全部由鼠標完成。

1.6.3 打印功能

所有測量結果，計算結果均以文件方式保存在計算機中，可隨時調用，隨時打印。

2 CMM1100的應用范圍

直接用于大面積工件二維坐標高精度測量。計量測試領域：長度、坐標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封裝領域：高精度PCB、LCD，IC封裝用Photomask及其產品長度、坐標、套合精度等長尺寸的精確測量，線、縫寬度、圓直徑、圓度、圓環寬等小尺寸的精確測量，以及平整度的測量。

3 CMM1100測量機的特點及性能參數

CMM1100測量機優點：

機器外罩，保證內部10級凈化及0.03℃溫度穩定；

采用花崗巖基座、導軌及臺面，保證精度長期穩定；

采用空氣彈簧減振結構減小振動的影響；空氣軸承，保證平滑移動；

高靈敏和大量程可同時實現，激光干涉儀分辨率已達到5 nm，量程1 100 mm×900 mm；

氣候監測站監測溫度、氣壓、濕度，采用Edlen公式對激光波長做補償；

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

圖7 自動聚焦系統

能夠自動切換鏡頭，冷光源反射光照明，強度0～100%自動調節；

1/2"彩色CCD影像逐行掃描及精密影像數位化處理（見圖8）；

多種校正功能（見圖9～圖11）；

多點全自動測量功能；

Windows XP操作系統，簡便易用的操作界面。

標準板校準也叫Matrix校準，是將長度、線性、直線度、正交性融合在一起進行，測量標準板坐標，形成測量坐標Map，與真實坐標Map進行對比，從而完成校準。

CMM1100測量機性能參數：

CD性能及指標見表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

定位精度性能指標：

綜合誤差：0.1＋(0.18/1000)×Lμm

（其長度單位為mm）

重復精度：3σ＝0.1 μm

圖12 CD測量結果

圖13 定位精度測量結果分析示例

圖14 套合精度測量結果分析示例

4 結束語

總之，在高精度加工和質量管理過程中，隨著光機電一體化、系統化的發展，光學測量技術有了迅速的發展，相應的測量儀產品大量涌現。由瑞典Micronic公司開發出了十分昂貴的二維坐標測量儀，據稱在1.5 m×1.5 m的范圍內已經達到0.1 μm的坐標測量精度，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