CN104165595B - 条纹相移与条纹细分联合控制的超精密位移定位检测方法 - Google Patents

条纹相移与条纹细分联合控制的超精密位移定位检测方法 Download PDF

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Abstract

一种仪器及其部件的位置或状态的调整领域的基于条纹相移与条纹细分联合控制的超精密位移定位检测方法，首先对线性位移平台进行粗定位，当光栅定位距离小于光栅干涉仪参考光栅的光栅常数时，将干涉条纹相移，然后对条纹信号进行细分处理，当线性位移平台运动到预定的条纹细分结束区间时停止运动，实现微定位。本发明通过干涉条纹的相移提高检测分辨率，通过低倍数的条纹细分完成模拟量检测的反馈控制，进而实现超精密的位移定位检测控制。

Description

条纹相移与条纹细分联合控制的超精密位移定位检测方法
技术领域
本发明涉及的是一种仪器及其部件的位置或状态的调整领域的方法，具体是一种基于条纹相移与条纹细分联合控制的超精密位移定位检测方法。
背景技术
对运动部件的机械位移进行高精度检测与控制是一个十分复杂的过程，特别是随着高技术领域的不断拓展，在微细加工领域和生物操作等领域的特征尺寸越来越精细，对超精密检测与定位控制的要求越来越高，随着各种先进测控手段的不断引入，超精密定位精度正在向纳米级、亚纳米级尺度快速发展；在宏观尺度上，长行程超精密定位越来越受到重视。
超精密定位系统的定位精度受到位移检测系统测量分辨率的限制很大，位置检测系统的分辨率通常要高出机械定位系统定位精度的十倍，经对现有技术的文献检索发现，目前，在超精密定位检测控制系统中的测量方法主要有：电容传感器、法布里-珀罗干涉仪、X射线干涉仪、激光干涉仪以及各类扫描显微镜类仪器，扫描隧道显微镜STM、扫描电子显微镜SEM、扫描电容显微镜SCM、原子力显微镜AFM等，各有特点。
有很多关于光栅定位的理论和应用研究，采用光栅信号细分的方法，传统的条纹细分为达到超精密检测，至少需要1000细分以上，这对原始条纹信号波形的失真提出了苛刻要求，实际应用中难以实现。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102136300，公开日2011-7-27，公开了一种超精密定位台，以及将粗定位、精定位和超精定位相结合的三段组合式定位方法。其中：粗定位采用计算机视觉定位方法，定位台在较大的工作行程范围内大部驱动粗定位机构移动，快速完成粗定位；精定位采用粗光栅定位方法，计算机再依据粗光栅产生的莫尔信号大小和极性，判断出位置偏差，以较快速度驱动粗定位机构移动，完成精定位；超精定位采用细光栅定位方法，采用压电陶瓷微位移驱动器，以确保高的定位精度。但该技术的粗精定位与超精定位采用粗细两块光栅，在光栅拼接的过渡过程易引入误差；另外，其粗精定位采用粗定位机构、超精定位采用压电陶瓷位移驱动器，属于两层运动平台，在运动转换阶段粗精定位平台运动会对上层台的超精定位的起点基准产生影响而引入误差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于条纹相移与条纹细分联合控制的超精密位移定位检测方法，通过干涉条纹的相移提高检测分辨率，通过低倍数的条纹细分完成模拟量检测的反馈控制，进而实现超精密的位移定位检测控制。
本发明是通过以下技术方案实现的：本发明首先对线性位移平台进行粗定位，当光栅定位距离小于光栅干涉仪参考光栅的光栅常数时，将干涉条纹相移，然后对条纹信号进行细分处理，当线性位移平台运动到预定的条纹细分结束区间时停止运动，实现微定位；
所述的微定位的具体包括以下步骤：
步骤一、将参考光栅固定于单层的线性位移平台上，通过成像透镜于视场中形成干涉条纹，通过一个光电传感器检测该干涉条纹；
步骤二、将光电传感器通过相移装置于视场中向上或向下移动，对干涉条纹产生相移，记录相移起始点时光电传感器的信号大小X，并判断该点斜率符号，具体为：根据线性平台运动速度确定采样频率，继续采集下一数据点获得采样值Y，若X>Y，则起始点处斜率为负；若X<Y，则起始点处斜率为正。
步骤三、对光电传感器的信号进行连续数据采集，当采集数据显示线性位移平台到达条纹细分结束区间，则同样判断此时采集点的斜率符号，当该点的斜率与起始点的斜率符号相同，即找到了幅值相同、变化方向相同的周期点，线性位移平台停止运动，完成微定位。
所述的条纹细分是指：对光电传感器信号进行连续数据采集，使采样点数在时间轴上均匀分布，其中：一个光电信号周期中的有效采样点数即为细分倍数。
所述的条纹细分结束区间是由参考光栅输出的光强信号质量确定的区间。
所述的数据采集的对象是指光电传感器的输出信号。
所述的光电传感器向上移动或向下移动的依据为线性平台的移动方向。
所述的相移后的条纹增量Δ，即检测信号分辨率为：其中：Δx为条纹细分结束区间不确定度，Δw为光电传感器的相移，w为条纹间距，d为参考光栅常数，k为衍射级次。
所述的条纹细分结束区间不确定度是指起始点采样信号的百分比，是根据参考光栅输出的光强信号质量而人为设定的，有助于判断细分过程是否结束。
所述的粗定位是指：直接将参考光栅输出的信号整形后作为检测反馈脉冲，对线性位移平台进行定位控制。
本发明涉及一种实现上述定位方法的装置，包括：光栅干涉仪、线性位移平台、成像透镜、光电传感器、相移装置和控制器，其中：光栅干涉仪设置于线性位移平台上，光栅干涉仪通过成像透镜于视场中形成干涉条纹，用于检测干涉条纹的光电传感器设置于相移装置上，相移装置和线性位移平台的移动由控制器控制，光电传感器的检测所产生的数据信号传输至控制器。
本发明通过干涉条纹的相移提高检测分辨率，通过低倍数的条纹细分完成模拟量检测的反馈控制，进而实现超精密的位移定位检测控制。
附图说明
图1为实施例1条纹相移和细分方法示意图；
图2为实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例首先对线性位移平台进行粗定位，当光栅定位距离小于光栅干涉仪1参考光栅的光栅常数时，将干涉条纹相移，然后对条纹信号进行细分处理，当线性位移平台运动2到预定的条纹细分结束区间时停止运动，实现微定位；
所述的粗定位是指：直接将光栅干涉仪1的参考光栅输出的信号整形后作为检测脉冲，对线性位移平台2进行定位控制
本实施例光栅干涉仪1参考光栅的光栅常数为2μm，光栅干涉仪1激光光源波长为638nm，设定条纹细分结束区间不确定度为±5％。
所述的粗定位具体步骤包括：
粗定位时，驱动线性位移平台2运动，将光栅干涉仪1输出信号整形后输入控制器6，对线性位移平台2的位移进行控制，当线性位移平台2的定位位移小于参考光栅常数时完成粗定位过程。
所述的微定位过程包括：
步骤一、调整光栅干涉仪1使成像视场中只有一条干涉条纹，将单个光电传感器4对准条纹，调整成像透镜3与成像面距离，使条纹间距为2.5cm；
步骤二、随着粗定位过程的结束，通过控制器6驱动音圈电机相移装置5，使光电传感器4在条纹视场中向上移动25μm，到达B点，同时，通过数据采集卡采集相移起始点A处光电传感器4的信号大小1.327V，下一采样点数据为1.412V，判断起始点A的斜率为正；
步骤三、通过数据采集卡对光电传感器4的信号进行连续数据采集，根据线性位移平台2的移动速度确定采样频率，使一个检测信号周期内有效采样点数为90，即90细分。当线性位移平台2到达区间1.261V～1.393V(即1.327V的±5％)时，即C点时，判断C点的斜率为正，与起始点A的斜率方向相同，控制器6控制线性位移平台2停止运动，完成微定位。
本实施例中，Δx＝5％，Δw＝25μm，w＝2.5cm，d＝2μm，k＝1；则条纹增量即检测信号分辨率按照前述计算公式，得到：0.95nm～1.05nm。
实施例2
如图2所示，本实施例通过以下装置实现位移的定位检测控制，该装置包括：光栅干涉仪1、线性位移平台2、成像透镜3、光电传感器4、相移装置5和控制器6。其中：线性位移平台2采用由伺服电机通过精密丝杆传动驱动的通用数控线性位移平台；在平台上安装光栅干涉仪1作为参考光栅，与包括激光器、半透半反棱镜的衍射光栅干涉仪1；相移装置5采用音圈电机位移机构；相移装置上安装一个光电传感器4，检测条纹光强信号，实现光电传感器4向上或向下移动，对干涉条纹的接收产生相移；光电传感器4的输出通过数据采集卡输入控制器6；整个定位系统由工控机组成的控制器6统一控制。

Claims (6)

1.一种基于条纹相移与条纹细分联合控制的超精密位移定位检测方法，其特征在于，首先对线性位移平台进行粗定位，当光栅定位距离小于光栅干涉仪参考光栅的光栅常数时，将干涉条纹相移，然后对条纹信号进行细分处理，当线性位移平台运动到预定的条纹细分结束区间时停止运动，实现微定位；
所述的微定位的具体包括以下步骤：
步骤一、将参考光栅固定于单层的线性位移平台上，通过成像透镜于视场中形成干涉条纹，通过一个光电传感器检测该干涉条纹；
步骤二、将光电传感器通过相移装置于视场中向上或向下移动，对干涉条纹产生相移，记录相移起始点时光电传感器的信号大小，并判断该点斜率符号；
步骤三、对光电传感器的信号进行连续数据采集，当采集数据显示线性位移平台到达条纹细分结束区间，则判断此时采集点的斜率符号，当该点的斜率与起始点的斜率符号相同，即找到幅值相同、变化方向相同的周期点，线性位移平台停止运动，完成微定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的斜率符号通过以下方式判断：根据线性位移平台运动速度确定采样频率，采集任意两个连续数据点，即起始点和其后续数据点的采样值X、Y，当X>Y，则起始点处斜率为负；当X<Y，则起始点处斜率为正。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的条纹细分是指：对光电传感器信号进行连续数据采集，使采样点数在时间轴上均匀分布，其中：一个光电信号周期中的有效采样点数即为细分倍数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的光电传感器向上移动或向下移动的依据为线性位移平台的移动方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤二中干涉条纹的条纹增量Δ，即检测信号分辨率为：其中：Δx为条纹细分结束区间不确定度，Δw为光电传感器的相移，w为条纹间距，d为参考光栅常数，k为衍射级次。
6.根据权利要求1‐5中任一项所述的方法，其特征是，所述的粗定位是指：直接将参考光栅输出的信号整形后作为检测反馈脉冲，对线性位移平台进行定位控制。
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