Оптико-электронный Оптико-электронный измеритель измеритель

микроперемещениймикроперемещений光学光学 -- 电子微动动作测量仪电子微动动作测量仪

В.В. Баранов,В.В. Баранов, 符符 ·· 符符 ·· 巴拉诺夫巴拉诺夫

Профессор БГУИР, Минск, Бровки, 6Профессор БГУИР, Минск, Бровки, 6白俄罗斯国立信息工程和无线电大学教授，明斯克市，博罗夫基大街白俄罗斯国立信息工程和无线电大学教授，明斯克市，博罗夫基大街 66

号号vvb@bsuir.byvvb@bsuir.byВ.И. ИльиВ.И. Ильинн,, 符符 ··伊伊 ··伊利林伊利林

Заведующий лабораторией Института Физики НАН Заведующий лабораторией Института Физики НАН Беларуси,Беларуси,

Минск, пр-т Независимости, 68Минск, пр-т Независимости, 68白俄罗斯国家科学院物理研究所实验室主任，明斯克市，独立大街白俄罗斯国家科学院物理研究所实验室主任，明斯克市，独立大街 6868

号号ilyin@inel-bas.netilyin@inel-bas.net

СодержаниеСодержание 目录目录

Общие сведенияОбщие сведения 总则总则 Состав макетаСостав макета измерителяизмерителя 测量仪样机测量仪样机的各个组成部分的各个组成部分 Устройство и принцип работыУстройство и принцип работы 结构和工结构和工作原理作原理 Особенности работыОсобенности работы 工作特点工作特点 Программа параметризацииПрограмма параметризации 参数软件参数软件 Метрологическая оценкаМетрологическая оценка 计量评估计量评估 РезюмеРезюме 总结 总结

Общие сведенияОбщие сведения 总则总则 Оптико-электронный измеритель Оптико-электронный измеритель микроперемещений предназначен микроперемещений предназначен для бесконтактного измерения для бесконтактного измерения размеров, перемещения, положения, размеров, перемещения, положения, профиля поверхности изделий и профиля поверхности изделий и деформации пластин кремния в деформации пластин кремния в технологии больших и сверхбольших технологии больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИСинтегральных схем (БИС и СБИС - - VLSIsVLSIs))光学光学 -- 电子微动动作测量仪用于产品表面规格、位电子微动动作测量仪用于产品表面规格、位移、侧面，以及大规模集成电路、超大规模集成中移、侧面，以及大规模集成电路、超大规模集成中晶圆变形的非接触式测量。晶圆变形的非接触式测量。

Общие сведенияОбщие сведения 总则总则

Оптико-электронный Оптико-электронный измеритель измеритель микроперемещений микроперемещений относится к классу относится к классу лазерныхлазерных 光学光学 -- 电子微电子微动动作测量仪属于三角函动动作测量仪属于三角函数激光微动测量数激光微动测量仪。仪。 микрометрометромикрометрометров триангуляционного в триангуляционного типа (ЛТМ).типа (ЛТМ).Макет содержитМакет содержит 样机由样机由以下部分组成：以下部分组成：• ЛТМЛТМ 三角函数激光微动三角函数激光微动测量仪测量仪• Штатив с Штатив с микрометрической микрометрической подачей предметного подачей предметного столика.столика. 带微动进给载带微动进给载物台的底座。物台的底座。

Состав макетаСостав макета измерителяизмерителя 测量仪样机的各测量仪样机的各

个组成部分个组成部分ЛТМ включает в себя:ЛТМ включает в себя: 三角函数激光微动测量仪包括：三角函数激光微动测量仪包括： полупроводниковый лазер мощностью 5полупроводниковый лазер мощностью 5 мВт с длиной волны мВт с длиной волны излучения λ = 670 нм,излучения λ = 670 нм, 功率为功率为 55 毫瓦，辐射波长毫瓦，辐射波长 λ = 670λ = 670 纳米的半导体激纳米的半导体激光器； 光器； конденсорную линзу, обеспечивающую фокусировку лазерного конденсорную линзу, обеспечивающую фокусировку лазерного луча на поверхность измеряемого объекта,луча на поверхность измеряемого объекта, 将激光焦点投射到被测量将激光焦点投射到被测量物体表面的聚焦透镜；物体表面的聚焦透镜； воспроизводящий объектив с фокусным расстоянием 16мм,воспроизводящий объектив с фокусным расстоянием 16мм, 焦距焦距为为 1616 毫米的显示透镜；毫米的显示透镜； корректирующее зеркало,корректирующее зеркало, 校准镜校准镜 ПЗС линейку иПЗС линейку и 半导体激光接收条和半导体激光接收条和 микропроцессорное устройство обработки измерительной микропроцессорное устройство обработки измерительной информации и управления ПЗС линейкой и полупроводниковым информации и управления ПЗС линейкой и полупроводниковым лазером.лазером. 测量信息处理和半导体激光接收条、半导体激光器控制用微处理器单测量信息处理和半导体激光接收条、半导体激光器控制用微处理器单元。元。ЛТМ подключается на стандартный порт компьютера, на ЛТМ подключается на стандартный порт компьютера, на который также загружается программа отображения который также загружается программа отображения измерительной информации.измерительной информации. 三角函数激光微动测量仪可以接入计算机标三角函数激光微动测量仪可以接入计算机标准接口，并将测量信息显示软件下载到计算机上。准接口，并将测量信息显示软件下载到计算机上。

Устройство и принцип Устройство и принцип работыработы 结构和工作原理结构和工作原理В основу работы микрометра

положен принцип оптической триангуляции. Излучение полупроводникового лазера 1 фокусируется объективом 2 на объекте 6. Рассеянное на объекте излучение объективом 3 собирается на CMOS-линейке 4. Перемещение объекта 6 – 6' вызывает соответствующее перемещение изображения. Процессор сигналов 5 рассчитывает расстояние до объекта по положению изображения светового пятна на линейке 4.测量仪根据光学三角原理进行测量。镜头 2 将半导体激光器辐射聚焦到物体 6 上。分散在物体上的散射被镜头 3 集中到互补型金属氧化物半导体接收条 4 上。物体 6 移动6' 时，物体的图像也随之移动。信号处理器 5 根据在接收条 4 上的光点位置计算物体的移动距离。

Особенности работыОсобенности работы 工作工作特点特点

ЛТМ подключается к источнику питания и интерфейс в соответствии с рекомендациями разработчика: 在三角函数激光微动测量仪同电源连接时，应当采用工作人员推荐接口：

Затем запускается программа настройки ЛТМ, названная RF60X-SP 然后启动三角函数激光微动测量仪设置软件 RF60X-SP

ОбозначениеОбозначение 标记标记 Контакты Контакты DB9F DB9F DB9FDB9F 接触片接触片

Power U+ Power U+ 电源正极电源正极 U+U+

Power U -Power U - 电源负极电源负极 U –U –

TXDTXD 数据发射、分配单元数据发射、分配单元 22

RXGRXG 接收输出增益调整单元 接收输出增益调整单元 33

GrdGrd 接地接地 55

Программа Программа параметризациипараметризации 参数软件参数软件

Программное обеспечение Программное обеспечение ““RF60Х-SPRF60Х-SP””

предназначено для:“RF60Х-SP”предназначено для:“RF60Х-SP” 软件用于：软件用于： тестирования и демонстрации работы ЛТМ;тестирования и демонстрации работы ЛТМ; 测试和演示三角函数激光微动测量仪工作过测试和演示三角函数激光微动测量仪工作过

程；程； настройки параметров ЛТМ;настройки параметров ЛТМ; 设置三角函数激光微动测量仪；设置三角函数激光微动测量仪；приема и накопления данных;приема и накопления данных; 进行数据接收和累加；进行数据接收和累加；После запуска программы появляется рабочееПосле запуска программы появляется рабочее

окноокно 在打开软件后，出现工作窗口。在打开软件后，出现工作窗口。

Программа Программа параметризациипараметризации 参数软件参数软件

В строке "UART Baud В строке "UART Baud RRate" выбираем скорость, на которой работает ЛТМate" выбираем скорость, на которой работает ЛТМ(начальная установка – 9600 бит/с),(начальная установка – 9600 бит/с), 在在 "UART Baud Rate" "UART Baud Rate" （（ ]] 通用异步收发报机波特率）行中，选通用异步收发报机波特率）行中，选

择三角函数激光微动测量仪测量速度（初始设置为择三角函数激光微动测量仪测量速度（初始设置为 96009600 比特比特 // 秒）。秒）。В строке "COM В строке "COM NNumber" выбираем номер порта RS232 персональногоumber" выбираем номер порта RS232 персональногокомпьютера, к которому ЛТМ подключён,компьютера, к которому ЛТМ подключён, 在在 "COM Number""COM Number" （通讯端口号）行中，选择个人计算机（通讯端口号）行中，选择个人计算机

RS232RS232 端口作为三角函数激光微动测量仪接入端口，端口作为三角函数激光微动测量仪接入端口，Строка "Net Строка "Net NNumber of umber of DDevice" определяет сетевой адрес ЛТМ (начальнаяevice" определяет сетевой адрес ЛТМ (начальнаяустановка – "1"),установка – "1"), 在在 ""Net Number of DeviceNet Number of Device"" （设备网络号）行，确定三角函数激光微动测量仪的网络地（设备网络号）行，确定三角函数激光微动测量仪的网络地

址（初始设置地址址（初始设置地址 -1-1 ），），При нажатии на кнопку "Connect" RF60Х-SP попытается наладить связь сПри нажатии на кнопку "Connect" RF60Х-SP попытается наладить связь сЛТМ с параметрами, заданными в вышеперечисленных строках. ЕслиЛТМ с параметрами, заданными в вышеперечисленных строках. Еслисвязь не установлена, выдается сообщение об отсутствии связи.связь не установлена, выдается сообщение об отсутствии связи. 在按下在按下 "Connect""Connect" （连接）键（连接）键

后，后， RF60Х-SPRF60Х-SP 软件试图建立三角函数激光微动测量仪与上述各行已经设定参数之间的连接。软件试图建立三角函数激光微动测量仪与上述各行已经设定参数之间的连接。

Программа Программа параметризациипараметризации 参数软件参数软件

При успешном соединении:При успешном соединении: 在顺利连接后：在顺利连接后：1) в строке "1) в строке "Device TypeDevice Type" индицируется тип ЛТМ;" индицируется тип ЛТМ; 在在 "Device Type""Device Type" （设备类型）行中，显示三角函数激光微动测量仪（设备类型）行中，显示三角函数激光微动测量仪

类型；类型；2) в строке "Serial 2) в строке "Serial NNumber" - серийный номер ЛТМ ;umber" - серийный номер ЛТМ ; 在在 "Serial "Serial NNumber" umber" （序列号）行中，显示三角函数激光微动测量（序列号）行中，显示三角函数激光微动测量

仪序列号； 仪序列号； 3) в строке "Base 3) в строке "Base DDistance" - базовое расстояние ЛТМ; istance" - базовое расстояние ЛТМ; 在在 " Base " Base DDistance " istance " （基准距离）行中，显示三角函数激光（基准距离）行中，显示三角函数激光

微动测量仪基准距离； 微动测量仪基准距离； 4) в строке "Measuring 4) в строке "Measuring RRange" индицируется рабочий диапазон ЛТМ, и ange" индицируется рабочий диапазон ЛТМ, и окно трансформируется к следующему виду:окно трансформируется к следующему виду: 在在 "Measuring "Measuring RRange" ange" （测量范围）行中，显示三角函数激光微动测（测量范围）行中，显示三角函数激光微动测

量仪测量范围； 量仪测量范围；

Программа параметризацииПрограмма параметризации 参数软件参数软件

После успешной установки После успешной установки связи проверяемсвязи проверяемработоспособность прибора:работоспособность прибора:Устанавливаем объект вУстанавливаем объект вобласти рабочего диапазонаобласти рабочего диапазонаЛТМ.ЛТМ. 在顺利完成连接后，检查仪器的工作能力：在顺利完成连接后，检查仪器的工作能力：Нажатие кнопки "Нажатие кнопки "MMeasure«easure«выводит на панель индикации ивыводит на панель индикации ипанель "панель "OscilloscoOscillosco 按右键，弹出菜单“将数按右键，弹出菜单“将数

据保存在文件中”。据保存在文件中”。 pe”pe”результаты измерениярезультаты измеренияположения объекта. (Ось X –положения объекта. (Ось X –время (режим выборки повремя (режим выборки повремени), либо номер отсчета времени), либо номер отсчета (режим выборки по внешнему(режим выборки по внешнемувходу), Y – координата). Привходу), Y – координата). Приэтом реализуется тип запросаэтом реализуется тип запроса0606hh.. 按下“按下“ MeasureMeasure （测量）”键，以便将（测量）”键，以便将

物体位置物体位置 (X(X 轴 轴 ––时间 时间 (( 根据时间选根据时间选择模式择模式 ), ), 或者读数或者读数 (( 根据外部输入根据外部输入选择模式选择模式 ), Y – ), Y – 坐标坐标 )) 测量结果输出测量结果输出到显示面板、到显示面板、 "Oscilloscope”"Oscilloscope” （示（示波器）面板。此时可以实现波器）面板。此时可以实现 06h06h 类类型请求。型请求。

Нажатие кнопки "Нажатие кнопки "SStream tream sstart «tart «включает измерения в режимевключает измерения в режимевыборки по времени ввыборки по времени всоответствии с установленнымсоответствии с установленнымпараметром параметром Sampling PeriodSampling Period. При. Приэтом реализуется тип запросаэтом реализуется тип запроса0707h.h. 按下“按下“ Stream start”Stream start” （流量开启）键，（流量开启）键，

以便根据已经设定的以便根据已经设定的 Sampling Sampling PeriodPeriod （采样周期）模式，开始根（采样周期）模式，开始根据时间选择模式测量。此时可以实现据时间选择模式测量。此时可以实现067067 类型请求。类型请求。

Перемещая объект в областиПеремещая объект в областирабочего диапазона, наблюдаемрабочего диапазона, наблюдаемизменение показаний.изменение показаний. 在测量范围内移动在测量范围内移动

物体，观察测量参数的变化。物体，观察测量参数的变化。

Программа параметризацииПрограмма параметризации参数软件参数软件

Нажатие кнопкиНажатие кнопки""StopStop"/""/"SStream tream sstoptop””останавливает передачуостанавливает передачуданных.данных.按下按下 "Stop"/"Stream stop” "Stop"/"Stream stop” （停（停

止止 // 流量停止）键，以便停流量停止）键，以便停止数据传输。止数据传输。

Данные, поступающие отДанные, поступающие отЛТМ, накапливаются иЛТМ, накапливаются исохраняются в кольцевомсохраняются в кольцевомбуфере размером 10000буфере размером 10000измерений.измерений.来自三角函数激光微动测量仪的测量来自三角函数激光微动测量仪的测量

数据集中和保存在规格为可数据集中和保存在规格为可存储存储 10001000 次测量结果的环次测量结果的环形缓冲器中。形缓冲器中。

Левой клавишей мышиЛевой клавишей мышиможно изменять масштабможно изменять масштабграфика, правой –графика, правой –перемещать график вперемещать график вобласти просмотра.области просмотра.按鼠标左键，可以修改曲线比例尺，按鼠标左键，可以修改曲线比例尺，

按右键可以在移动区域内移按右键可以在移动区域内移动曲线。动曲线。

Нажатие правой клавишиНажатие правой клавишивызывает менювызывает меню"Сохранение данных в"Сохранение данных вфайл".файл".按右键，弹出菜单“将数据保存在文按右键，弹出菜单“将数据保存在文

件中”。件中”。

Метрологическая оценкаМетрологическая оценка计量评估计量评估

В результате проведенияВ результате проведениякалибровки икалибровки итестирования лазерноготестирования лазерногомикрометра полученмикрометра полученграфик распределенияграфик распределенияпогрешности измеренияпогрешности измеренияна рабочем диапазоне. на рабочем диапазоне. 根据激光微动测量仪的校准和根据激光微动测量仪的校准和

检查结果，制作测量范检查结果，制作测量范围误差曲线图。围误差曲线图。

Из графика видно, чтоИз графика видно, чтопогрешность измеренияпогрешность измеренияне превышает ± 3,3 мкм,не превышает ± 3,3 мкм,что соответствуетчто соответствуетТехническим Техническим Требованиям к приборамТребованиям к приборамданного класса.данного класса.从曲线图可以看到，激光微动从曲线图可以看到，激光微动

测量仪的误差不超过测量仪的误差不超过 ± ± 3.33.3 微米，符合对该级微米，符合对该级别仪器的要求。别仪器的要求。

РезюмеРезюме 总结总结 Оптико-электронный измеритель Оптико-электронный измеритель

микроперемещений предназначен для микроперемещений предназначен для бесконтактного измерения размеров, бесконтактного измерения размеров, перемещения, положения, профиля поверхности перемещения, положения, профиля поверхности изделий и деформации пластин кремния в изделий и деформации пластин кремния в технологии БИС и СБИС. технологии БИС и СБИС.

光学光学 -- 电子微动动作测量仪用于产品表面规格、位移、侧面，电子微动动作测量仪用于产品表面规格、位移、侧面，以及大规模集成电路、超大规模集成中晶圆变形的非接触式以及大规模集成电路、超大规模集成中晶圆变形的非接触式测量。测量。

Измеритель относится к классу лазерных Измеритель относится к классу лазерных микрометров триангуляционного типа, т.к. в микрометров триангуляционного типа, т.к. в основу работы микрометра положен принцип основу работы микрометра положен принцип оптической триангуляции.оптической триангуляции.

光学光学 -- 电子微动动作测量仪属于三角函数激光微动测量仪，根电子微动动作测量仪属于三角函数激光微动测量仪，根据光学三角原理进行测量。据光学三角原理进行测量。

Лазерный микрометр подключается на Лазерный микрометр подключается на стандартный порт компьютера, на который также стандартный порт компьютера, на который также загружается оригинальная программа загружается оригинальная программа отображения измерительной информации.отображения измерительной информации.

三角函数激光微动测量仪可以接入计算机标准接口，并将原三角函数激光微动测量仪可以接入计算机标准接口，并将原装测量信息显示软件下载到计算机上。装测量信息显示软件下载到计算机上。

Частота считывания информации составляет 8 Частота считывания информации составляет 8 кГц, что позволяет определять перемещения кГц, что позволяет определять перемещения быстродвижущихся объектов.быстродвижущихся объектов.

测量仪的信息可读频率为测量仪的信息可读频率为 88 千赫，可以用来测量快速移动物千赫，可以用来测量快速移动物体的位移。体的位移。

Изготовлен и опробован макет измерителя, Изготовлен и опробован макет измерителя, погрешность измерения которого не превышает погрешность измерения которого не превышает 3,3 мкм во всём диапазоне измерений.3,3 мкм во всём диапазоне измерений.

已经制作和测试了样机，在整个测量范围内，样机的测量误已经制作和测试了样机，在整个测量范围内，样机的测量误差不超过差不超过 3.33.3 微米。微米。

Измеритель имеет невысокую стоимость и может Измеритель имеет невысокую стоимость и может изготавливаться серийно.изготавливаться серийно.

测量仪造价低，可以工业化生产。测量仪造价低，可以工业化生产。