基于虛擬光柵尺的主動(dòng)型超精密位移定位檢測(cè)方法
【專利摘要】一種位置或方向的控制領(lǐng)域的基于虛擬光柵尺的主動(dòng)型超精密位移定位檢測(cè)方法，該方法首先進(jìn)行宏定位，當(dāng)定位位移小于條紋當(dāng)量時(shí)上下移動(dòng)光柵相位從而形成兩路虛擬光柵尺信號(hào)，兩路虛擬光柵尺信號(hào)分別對(duì)應(yīng)上下兩個(gè)移動(dòng)方向，對(duì)兩路虛擬光柵尺信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)反饋控制以實(shí)現(xiàn)微定位。本發(fā)明形成具有雙路輸出信號(hào)的虛擬光柵尺輸出脈沖，實(shí)現(xiàn)以虛擬光柵尺信號(hào)為反饋脈沖的閉環(huán)脈沖反饋控制以提高定位系統(tǒng)的檢測(cè)控制精度。
【專利說(shuō)明】基于虛擬光柵尺的主動(dòng)型超精密位移定位檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種位置或方向的控制領(lǐng)域的方法，具體是一種基于虛擬光柵尺的主動(dòng)型超精密位移定位檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械位移進(jìn)行高精度檢測(cè)與控制是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，特別是隨著高【技術(shù)領(lǐng)域】的不斷拓展，在微細(xì)加工領(lǐng)域和生物操作等領(lǐng)域的特征尺寸越來(lái)越精細(xì)，對(duì)超精密檢測(cè)與定位控制的要求越來(lái)越高，隨著各種先進(jìn)測(cè)控手段的不斷引入，超精密定位精度正在向納米級(jí)、亞納米級(jí)尺度快速發(fā)展；在宏觀尺度上，長(zhǎng)行程超精密定位越來(lái)越受到重視。
[0003]超精密定位系統(tǒng)的定位精度受到位移檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量分辨率的限制很大，位置檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率通常要高出機(jī)械定位系統(tǒng)定位精度的十倍，經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前，在超精密定位檢測(cè)控制系統(tǒng)中的測(cè)量方法主要有:電容傳感器、法布里-珀羅干涉儀、X射線干涉儀、激光干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(diǎn)。
[0004]有很多關(guān)于光柵定位的理論和應(yīng)用研究，多是采用光柵信號(hào)細(xì)分的方法，傳統(tǒng)的條紋細(xì)分為達(dá)到超精密檢測(cè)，至少需要1000細(xì)分以上，這對(duì)原始條紋信號(hào)波形的失真提出了苛刻要求，實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。
[0005]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN103558861，
【公開(kāi)日】2014.02.05，記載了一種宏微復(fù)合運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)切換方法。即在宏平臺(tái)接近終點(diǎn)進(jìn)行減速的過(guò)程，即提前啟動(dòng)微平臺(tái)，通過(guò)微平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精密定位，同時(shí)宏、微平臺(tái)也達(dá)到穩(wěn)定。該方法將根據(jù)宏、微平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性，確定切換的振幅閾值，并確定相應(yīng)的切換時(shí)刻，當(dāng)宏平臺(tái)減速過(guò)程中達(dá)到切換條件時(shí)，則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的切換，啟動(dòng)微平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)絕對(duì)光柵實(shí)現(xiàn)微平臺(tái)的閉環(huán)控制，最終達(dá)到平臺(tái)的定位精度要求。但該現(xiàn)有技術(shù)由于采用雙層平臺(tái)，因此在運(yùn)動(dòng)交接階段雙層平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)難以避免運(yùn)動(dòng)干擾和運(yùn)動(dòng)誤差，這種誤差在超精密定位中將更加明顯。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于虛擬光柵尺的主動(dòng)型超精密位移定位檢測(cè)方法，形成具有雙路輸出信號(hào)的虛擬光柵尺輸出脈沖，實(shí)現(xiàn)以虛擬光柵尺信號(hào)為反饋脈沖的閉環(huán)脈沖反饋控制以提高定位系統(tǒng)的檢測(cè)控制精度。
[0007]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明涉及一種位移定位檢測(cè)方法，首先進(jìn)行宏定位，當(dāng)定位位移小于條紋當(dāng)量時(shí)上下移動(dòng)光柵相位從而形成兩路虛擬光柵尺信號(hào)，兩路虛擬光柵尺信號(hào)分別對(duì)應(yīng)上下兩個(gè)移動(dòng)方向，對(duì)兩路虛擬光柵尺信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)反饋控制以實(shí)現(xiàn)微定位。
[0009]所述位移定位檢測(cè)方法具體包括以下步驟:
[0010]步驟一、將光柵干涉儀固定于單層的線性位移平臺(tái)上，光柵干涉儀通過(guò)成像透鏡于視場(chǎng)中形成干涉條紋，視場(chǎng)中的干涉條紋兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)光電傳感器，通過(guò)相移裝置使兩個(gè)光電傳感器分別于視場(chǎng)中向上或向下移動(dòng)，使得光電傳感器對(duì)干涉條紋的接收上產(chǎn)生相移，即使得干涉條紋產(chǎn)生相移；
[0011]步驟二、當(dāng)線性位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)干涉條紋將在視場(chǎng)中移動(dòng)，當(dāng)干涉條紋運(yùn)動(dòng)至光電傳感器的相移位置，光電傳感器信號(hào)經(jīng)整形后將發(fā)生一個(gè)檢測(cè)脈沖信號(hào)，即虛擬光柵尺信號(hào);
[0012]步驟三、光電傳感器持續(xù)移動(dòng)，得到一列虛擬光柵尺信號(hào)，將該列虛擬光柵尺信號(hào)作為定位反饋脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)線性位移平臺(tái)的檢測(cè)控制。
[0013]所述的光電傳感器向上移動(dòng)或向下移動(dòng)的依據(jù)為:1線性位移平臺(tái)的移動(dòng)方向；2線性位移平臺(tái)在定位過(guò)程中是否過(guò)沖而運(yùn)動(dòng)方向改變，繼而進(jìn)行雙向的閉環(huán)反饋控制。
[0014]所述的虛擬光柵尺信號(hào)的分辨率δ ’為:f = f 4，其中，X為干涉條紋相移，L為視場(chǎng)中相鄰干涉條紋的間距，S為無(wú)相移的干涉條紋分辨率。
[0015]所述的宏定位是指:直接將光柵干涉儀輸出的信號(hào)經(jīng)整形后作為反饋檢測(cè)脈沖，對(duì)線性位移平臺(tái)進(jìn)行脈沖檢測(cè)定位控制。
[0016]所述的定位位移小于條紋當(dāng)量是指:對(duì)線性位移平臺(tái)的定位距離小于光柵干涉儀的分辨率。
[0017]本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括:光柵干涉儀、成像透鏡、兩個(gè)光電傳感器、相移裝置、控制器和線性位移平臺(tái)，其中:光柵干涉儀設(shè)置于線性位移平臺(tái)上，光柵干涉儀通過(guò)成像透鏡于視場(chǎng)中形成干涉條紋，視場(chǎng)中的干涉條紋兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)光電傳感器，相移裝置由控制器控制，兩個(gè)光電傳感器分別與相移裝置相連以實(shí)現(xiàn)光電傳感器向上或向下移動(dòng)，使得光電傳感器對(duì)干涉條紋的接收上產(chǎn)生相移，信號(hào)經(jīng)整形后發(fā)生虛擬光柵尺信號(hào)作為定位反饋脈沖并傳輸至控制器，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)線性位移平臺(tái)的檢測(cè)控制。
[0018]本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)成像透鏡和成像面之間的距離，容易使視場(chǎng)中相鄰干涉條紋的間距L達(dá)到Icm以上，而干涉條紋相移采用普通的位移裝置就可以獲得幾微米到幾十微米的移動(dòng)量，如此，虛擬光柵尺信號(hào)的信號(hào)分辨率可以比無(wú)相移時(shí)的光柵干涉儀信號(hào)提高1000倍以上。
[0019]本發(fā)明通過(guò)低精度的條紋相移，獲得了高分辨率的虛擬光柵尺信號(hào)，虛擬光柵尺信號(hào)的分辨率在原光柵干涉儀信號(hào)的基礎(chǔ)上提高1000倍以上，把它作為超精密定位控制系統(tǒng)的檢測(cè)脈沖，提高了定位系統(tǒng)的檢測(cè)精度；同時(shí)，采用單層運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，避免了傳統(tǒng)的宏/微雙層平臺(tái)的系統(tǒng)誤差，在檢測(cè)控制上更趨簡(jiǎn)潔，保證檢測(cè)和控制精度，進(jìn)一步提高了位移檢測(cè)控制精度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為實(shí)施例的方法示意圖；
[0021]圖2為實(shí)施例的裝置示意圖；
[0022]圖3為實(shí)施例的條紋相移方法示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例
[0024]如圖1所示，本實(shí)施例首先進(jìn)行宏定位，當(dāng)定位位移小于干涉儀條紋當(dāng)量時(shí)上下移動(dòng)光柵相位從而形成兩路虛擬光柵尺信號(hào)，兩路虛擬光柵尺信號(hào)分別對(duì)應(yīng)上下兩個(gè)移動(dòng)方向，對(duì)兩路虛擬光柵尺信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)反饋控制以實(shí)現(xiàn)微定位。
[0025]所述的宏定位是指:直接將光柵干涉儀I輸出的信號(hào)整形后作為反饋檢測(cè)信號(hào)，對(duì)線性位移平臺(tái)2進(jìn)行檢測(cè)定位控制。
[0026]本實(shí)施例中假定要求線性位移平臺(tái)從原點(diǎn)開(kāi)始的定位距離是8.35685mm，本實(shí)施例光柵干涉儀I的信號(hào)分辨率為1.6 μ m,光柵干涉儀I激光光源波長(zhǎng)為532nm。
[0027]宏定位時(shí)，線性位移平臺(tái)2運(yùn)動(dòng)，直接將光柵干涉儀I輸出信號(hào)整形后輸入控制器，對(duì)線性位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，完成宏定位過(guò)程，宏定位過(guò)程結(jié)束時(shí)應(yīng)完成定位距離:8.3568mm，為光柵干涉儀I分辨率的整數(shù)倍。
[0028]所述的定位位移小于條紋當(dāng)量是指:對(duì)線性位移平臺(tái)2的定位距離小于光柵干涉儀I的分辨率。
[0029]本實(shí)施例中剩余定位位移為0.05 μ m,即50nm，小于光柵干涉儀I的分辨率，進(jìn)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(diào)整光柵干涉儀I使成像的視場(chǎng)中只有一條干涉條紋，將兩個(gè)光電傳感器4布置在條紋兩側(cè)，調(diào)整成像透鏡3與成像面距離，使條紋視場(chǎng)寬度，即條紋間距為2cm。
[0032]步驟二、通過(guò)相移裝置5使光電傳感器4在條紋視場(chǎng)中移動(dòng)20 μ m，產(chǎn)生相移。
[0033]步驟三、每當(dāng)條紋到達(dá)光電傳感器4的相移位置，光電傳感器4的輸出信號(hào)經(jīng)整形電路6后發(fā)生脈沖信號(hào)，該信號(hào)即為虛擬光柵尺信號(hào)，將該信號(hào)作為線性位移平臺(tái)2的反饋脈沖傳輸至控制器7，由控制器7對(duì)線性位移平臺(tái)2進(jìn)行脈沖反饋控制，進(jìn)行微定位，同時(shí)，通過(guò)控制器7控制相移裝置5，持續(xù)產(chǎn)生主動(dòng)相移，則光電傳感器4輸出信號(hào)經(jīng)整形電路6后持續(xù)輸出虛擬光柵尺信號(hào)，其分辨率為:1.6nm。重復(fù)該過(guò)程，直到控制器7按照虛擬光柵尺提供的反饋信號(hào)控制線性位移平臺(tái)2完成微定位過(guò)程。
[0034]如圖2所示，本實(shí)施例通過(guò)以下裝置實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，該裝置包括:光柵干涉儀1、成像透鏡3、兩個(gè)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(tái)2。其中:光柵干涉儀I設(shè)置于線性位移平臺(tái)2上，光柵干涉儀I通過(guò)成像透鏡3于視場(chǎng)中形成干涉條紋，視場(chǎng)中的干涉條紋兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)光電傳感器4，相移裝置5由控制器7控制，兩個(gè)光電傳感器4分別與相移裝置5相連以實(shí)現(xiàn)光電傳感器4向上或向下移動(dòng)，使得光電傳感器4對(duì)干涉條紋的接收上產(chǎn)生相移，光電傳感器4輸出信號(hào)經(jīng)整形電路6后發(fā)生虛擬光柵尺信號(hào)，作為定位反饋脈沖并傳輸至控制器7，實(shí)現(xiàn)控制器7對(duì)線性位移平臺(tái)2檢測(cè)控制。
【權(quán)利要求】
1.一種位移定位檢測(cè)方法，其特征在于，首先進(jìn)行宏定位，當(dāng)定位位移小于條紋當(dāng)量時(shí)上下移動(dòng)光柵相位從而形成兩路虛擬光柵尺信號(hào)，兩路虛擬光柵尺信號(hào)分別對(duì)應(yīng)上下兩個(gè)移動(dòng)方向，對(duì)兩路虛擬光柵尺信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)反饋控制以實(shí)現(xiàn)微定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，具體包括以下步驟: 步驟一、將光柵干涉儀固定于單層的線性位移平臺(tái)上，光柵干涉儀通過(guò)成像透鏡于視場(chǎng)中形成干涉條紋，視場(chǎng)中的干涉條紋兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)光電傳感器，通過(guò)相移裝置使兩個(gè)光電傳感器分別于視場(chǎng)中向上或向下移動(dòng)，使得光電傳感器對(duì)干涉條紋的接收上產(chǎn)生相移，即使得干涉條紋產(chǎn)生相移； 步驟二、線性位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)干涉條紋運(yùn)動(dòng)至光電傳感器的相移位置，光電傳感器輸出信號(hào)經(jīng)整形后將發(fā)生一個(gè)檢測(cè)脈沖信號(hào)，即虛擬光柵尺信號(hào)； 步驟三、光電傳感器持續(xù)移動(dòng)，得到一列虛擬光柵尺信號(hào)，將該列虛擬光柵尺信號(hào)作為定位反饋脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)線性位移平臺(tái)的檢測(cè)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，所述的光電傳感器向上移動(dòng)或向下移動(dòng)的依據(jù)為線性平臺(tái)的移動(dòng)方向以及線性位移平臺(tái)是否過(guò)沖而運(yùn)動(dòng)方向改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，所述的虛擬光柵尺信號(hào)的信號(hào)分辨率δ’為:
其中，X為干涉條紋相移，L為視場(chǎng)中相鄰干涉條紋的間距，δ為無(wú)相移的條紋分辨率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，其特征是，所述的宏定位是指:直接將光柵干涉儀的輸出信號(hào)作為反饋，對(duì)線性位移平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)定位控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的定位位移小于條紋當(dāng)量是指:對(duì)線性位移平臺(tái)的定位距離小于光柵干涉儀的分辨率。
7.一種實(shí)現(xiàn)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述方法的裝置，其特征在于，包括:光柵干涉儀、成像透鏡、兩個(gè)光電傳感器、相移裝置、整形電路、控制器和線性位移平臺(tái)，其中:光柵干涉儀設(shè)置于線性位移平臺(tái)上，光柵干涉儀通過(guò)成像透鏡于視場(chǎng)中形成干涉條紋，視場(chǎng)中的干涉條紋兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)光電傳感器，相移裝置由控制器控制，兩個(gè)光電傳感器分別與相移裝置相連以實(shí)現(xiàn)光電傳感器向上或向下移動(dòng)，使得光電傳感器對(duì)干涉條紋的接收上產(chǎn)生相移，光電傳感器輸出信號(hào)經(jīng)整形后發(fā)生虛擬光柵尺信號(hào)，將該虛擬光柵尺信號(hào)作為定位反饋脈沖并傳輸至控制器，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)線性位移平臺(tái)的檢測(cè)控制。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK104181939SQ201410401099
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】時(shí)輪 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)