基於虛擬光柵尺的主動型超精密位移定位檢測方法
2023-06-01 18:29:51
基於虛擬光柵尺的主動型超精密位移定位檢測方法
【專利摘要】一種位置或方向的控制領域的基於虛擬光柵尺的主動型超精密位移定位檢測方法，該方法首先進行宏定位，當定位位移小於條紋當量時上下移動光柵相位從而形成兩路虛擬光柵尺信號，兩路虛擬光柵尺信號分別對應上下兩個移動方向，對兩路虛擬光柵尺信號進行脈衝計數反饋控制以實現微定位。本發明形成具有雙路輸出信號的虛擬光柵尺輸出脈衝，實現以虛擬光柵尺信號為反饋脈衝的閉環脈衝反饋控制以提高定位系統的檢測控制精度。
【專利說明】基於虛擬光柵尺的主動型超精密位移定位檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種位置或方向的控制領域的方法，具體是一種基於虛擬光柵尺的主動型超精密位移定位檢測方法。
【背景技術】
[0002]對運動部件的機械位移進行高精度檢測與控制是一個十分複雜的過程，特別是隨著高【技術領域】的不斷拓展，在微細加工領域和生物操作等領域的特徵尺寸越來越精細，對超精密檢測與定位控制的要求越來越高，隨著各種先進測控手段的不斷引入，超精密定位精度正在向納米級、亞納米級尺度快速發展；在宏觀尺度上，長行程超精密定位越來越受到重視。
[0003]超精密定位系統的定位精度受到位移檢測系統測量解析度的限制很大，位置檢測系統的解析度通常要高出機械定位系統定位精度的十倍，經對現有技術的文獻檢索發現，目前，在超精密定位檢測控制系統中的測量方法主要有:電容傳感器、法布裡-珀羅幹涉儀、X射線幹涉儀、雷射幹涉儀以及各類掃描顯微鏡類儀器，掃描隧道顯微鏡STM、掃描電子顯微鏡SEM、掃描電容顯微鏡SCM、原子力顯微鏡AFM等，各有特點。
[0004]有很多關於光柵定位的理論和應用研究，多是採用光柵信號細分的方法，傳統的條紋細分為達到超精密檢測，至少需要1000細分以上，這對原始條紋信號波形的失真提出了苛刻要求，實際應用中難以實現。
[0005]經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN103558861，
【公開日】2014.02.05，記載了一種宏微複合運動的動態切換方法。即在宏平臺接近終點進行減速的過程，即提前啟動微平臺，通過微平臺實現精密定位，同時宏、微平臺也達到穩定。該方法將根據宏、微平臺的結構及動態特性，確定切換的振幅閾值，並確定相應的切換時刻，當宏平臺減速過程中達到切換條件時，則進行運動的切換，啟動微平臺的運動，通過絕對光柵實現微平臺的閉環控制，最終達到平臺的定位精度要求。但該現有技術由於採用雙層平臺，因此在運動交接階段雙層平臺的運動難以避免運動幹擾和運動誤差，這種誤差在超精密定位中將更加明顯。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基於虛擬光柵尺的主動型超精密位移定位檢測方法，形成具有雙路輸出信號的虛擬光柵尺輸出脈衝，實現以虛擬光柵尺信號為反饋脈衝的閉環脈衝反饋控制以提高定位系統的檢測控制精度。
[0007]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0008]本發明涉及一種位移定位檢測方法，首先進行宏定位，當定位位移小於條紋當量時上下移動光柵相位從而形成兩路虛擬光柵尺信號，兩路虛擬光柵尺信號分別對應上下兩個移動方向，對兩路虛擬光柵尺信號進行脈衝計數反饋控制以實現微定位。
[0009]所述位移定位檢測方法具體包括以下步驟:
[0010]步驟一、將光柵幹涉儀固定於單層的線性位移平臺上，光柵幹涉儀通過成像透鏡於視場中形成幹涉條紋，視場中的幹涉條紋兩側分別設置兩個光電傳感器，通過相移裝置使兩個光電傳感器分別於視場中向上或向下移動，使得光電傳感器對幹涉條紋的接收上產生相移，即使得幹涉條紋產生相移；
[0011]步驟二、當線性位移平臺運動時幹涉條紋將在視場中移動，當幹涉條紋運動至光電傳感器的相移位置，光電傳感器信號經整形後將發生一個檢測脈衝信號，即虛擬光柵尺信號;
[0012]步驟三、光電傳感器持續移動，得到一列虛擬光柵尺信號，將該列虛擬光柵尺信號作為定位反饋脈衝，實現對線性位移平臺的檢測控制。
[0013]所述的光電傳感器向上移動或向下移動的依據為:1線性位移平臺的移動方向；2線性位移平臺在定位過程中是否過衝而運動方向改變，繼而進行雙向的閉環反饋控制。
[0014]所述的虛擬光柵尺信號的解析度δ 』為:f = f 4，其中，X為幹涉條紋相移，L為視場中相鄰幹涉條紋的間距，S為無相移的幹涉條紋解析度。
[0015]所述的宏定位是指:直接將光柵幹涉儀輸出的信號經整形後作為反饋檢測脈衝，對線性位移平臺進行脈衝檢測定位控制。
[0016]所述的定位位移小於條紋當量是指:對線性位移平臺的定位距離小於光柵幹涉儀的解析度。
[0017]本發明涉及一種實現上述方法的裝置，包括:光柵幹涉儀、成像透鏡、兩個光電傳感器、相移裝置、控制器和線性位移平臺，其中:光柵幹涉儀設置於線性位移平臺上，光柵幹涉儀通過成像透鏡於視場中形成幹涉條紋，視場中的幹涉條紋兩側分別設置兩個光電傳感器，相移裝置由控制器控制，兩個光電傳感器分別與相移裝置相連以實現光電傳感器向上或向下移動，使得光電傳感器對幹涉條紋的接收上產生相移，信號經整形後發生虛擬光柵尺信號作為定位反饋脈衝並傳輸至控制器，實現控制器對線性位移平臺的檢測控制。
[0018]本發明通過調節成像透鏡和成像面之間的距離，容易使視場中相鄰幹涉條紋的間距L達到Icm以上，而幹涉條紋相移採用普通的位移裝置就可以獲得幾微米到幾十微米的移動量，如此，虛擬光柵尺信號的信號解析度可以比無相移時的光柵幹涉儀信號提高1000倍以上。
[0019]本發明通過低精度的條紋相移，獲得了高解析度的虛擬光柵尺信號，虛擬光柵尺信號的解析度在原光柵幹涉儀信號的基礎上提高1000倍以上，把它作為超精密定位控制系統的檢測脈衝，提高了定位系統的檢測精度；同時，採用單層運動平臺，避免了傳統的宏/微雙層平臺的系統誤差，在檢測控制上更趨簡潔，保證檢測和控制精度，進一步提高了位移檢測控制精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為實施例的方法示意圖；
[0021]圖2為實施例的裝置示意圖；
[0022]圖3為實施例的條紋相移方法示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
實施例
[0024]如圖1所示，本實施例首先進行宏定位，當定位位移小於幹涉儀條紋當量時上下移動光柵相位從而形成兩路虛擬光柵尺信號，兩路虛擬光柵尺信號分別對應上下兩個移動方向，對兩路虛擬光柵尺信號進行脈衝計數反饋控制以實現微定位。
[0025]所述的宏定位是指:直接將光柵幹涉儀I輸出的信號整形後作為反饋檢測信號，對線性位移平臺2進行檢測定位控制。
[0026]本實施例中假定要求線性位移平臺從原點開始的定位距離是8.35685mm，本實施例光柵幹涉儀I的信號解析度為1.6 μ m,光柵幹涉儀I雷射光源波長為532nm。
[0027]宏定位時，線性位移平臺2運動，直接將光柵幹涉儀I輸出信號整形後輸入控制器，對線性位移平臺的運動進行控制，完成宏定位過程，宏定位過程結束時應完成定位距離:8.3568mm，為光柵幹涉儀I解析度的整數倍。
[0028]所述的定位位移小於條紋當量是指:對線性位移平臺2的定位距離小於光柵幹涉儀I的解析度。
[0029]本實施例中剩餘定位位移為0.05 μ m,即50nm，小於光柵幹涉儀I的解析度，進入微定位階段。
[0030]如圖2和圖3所示，微定位包括:
[0031]步驟一、調整光柵幹涉儀I使成像的視場中只有一條幹涉條紋，將兩個光電傳感器4布置在條紋兩側，調整成像透鏡3與成像面距離，使條紋視場寬度，即條紋間距為2cm。
[0032]步驟二、通過相移裝置5使光電傳感器4在條紋視場中移動20 μ m，產生相移。
[0033]步驟三、每當條紋到達光電傳感器4的相移位置，光電傳感器4的輸出信號經整形電路6後發生脈衝信號，該信號即為虛擬光柵尺信號，將該信號作為線性位移平臺2的反饋脈衝傳輸至控制器7，由控制器7對線性位移平臺2進行脈衝反饋控制，進行微定位，同時，通過控制器7控制相移裝置5，持續產生主動相移，則光電傳感器4輸出信號經整形電路6後持續輸出虛擬光柵尺信號，其解析度為:1.6nm。重複該過程，直到控制器7按照虛擬光柵尺提供的反饋信號控制線性位移平臺2完成微定位過程。
[0034]如圖2所示，本實施例通過以下裝置實現檢測，該裝置包括:光柵幹涉儀1、成像透鏡3、兩個光電傳感器4、相移裝置5、整形電路6、控制器7和線性位移平臺2。其中:光柵幹涉儀I設置於線性位移平臺2上，光柵幹涉儀I通過成像透鏡3於視場中形成幹涉條紋，視場中的幹涉條紋兩側分別設置兩個光電傳感器4，相移裝置5由控制器7控制，兩個光電傳感器4分別與相移裝置5相連以實現光電傳感器4向上或向下移動，使得光電傳感器4對幹涉條紋的接收上產生相移，光電傳感器4輸出信號經整形電路6後發生虛擬光柵尺信號，作為定位反饋脈衝並傳輸至控制器7，實現控制器7對線性位移平臺2檢測控制。
【權利要求】
1.一種位移定位檢測方法，其特徵在於，首先進行宏定位，當定位位移小於條紋當量時上下移動光柵相位從而形成兩路虛擬光柵尺信號，兩路虛擬光柵尺信號分別對應上下兩個移動方向，對兩路虛擬光柵尺信號進行脈衝計數反饋控制以實現微定位。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是，具體包括以下步驟: 步驟一、將光柵幹涉儀固定於單層的線性位移平臺上，光柵幹涉儀通過成像透鏡於視場中形成幹涉條紋，視場中的幹涉條紋兩側分別設置兩個光電傳感器，通過相移裝置使兩個光電傳感器分別於視場中向上或向下移動，使得光電傳感器對幹涉條紋的接收上產生相移，即使得幹涉條紋產生相移； 步驟二、線性位移平臺運動時，當幹涉條紋運動至光電傳感器的相移位置，光電傳感器輸出信號經整形後將發生一個檢測脈衝信號，即虛擬光柵尺信號； 步驟三、光電傳感器持續移動，得到一列虛擬光柵尺信號，將該列虛擬光柵尺信號作為定位反饋脈衝，實現對線性位移平臺的檢測控制。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵是，所述的光電傳感器向上移動或向下移動的依據為線性平臺的移動方向以及線性位移平臺是否過衝而運動方向改變。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵是，所述的虛擬光柵尺信號的信號解析度δ』為:
其中，X為幹涉條紋相移，L為視場中相鄰幹涉條紋的間距，δ為無相移的條紋解析度。
5.根據權利要求1-4任一項所述的方法，其特徵是，所述的宏定位是指:直接將光柵幹涉儀的輸出信號作為反饋，對線性位移平臺進行檢測定位控制。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵是，所述的定位位移小於條紋當量是指:對線性位移平臺的定位距離小於光柵幹涉儀的解析度。
7.一種實現上述任一項權利要求所述方法的裝置，其特徵在於，包括:光柵幹涉儀、成像透鏡、兩個光電傳感器、相移裝置、整形電路、控制器和線性位移平臺，其中:光柵幹涉儀設置於線性位移平臺上，光柵幹涉儀通過成像透鏡於視場中形成幹涉條紋，視場中的幹涉條紋兩側分別設置兩個光電傳感器，相移裝置由控制器控制，兩個光電傳感器分別與相移裝置相連以實現光電傳感器向上或向下移動，使得光電傳感器對幹涉條紋的接收上產生相移，光電傳感器輸出信號經整形後發生虛擬光柵尺信號，將該虛擬光柵尺信號作為定位反饋脈衝並傳輸至控制器，實現控制器對線性位移平臺的檢測控制。
【文檔編號】G01B11/02GK104181939SQ201410401099
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】時輪 申請人:上海交通大學