CN105865443A - 基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统 - Google Patents

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张鸣
朱煜
成荣
张利
杨开明
胡清平
赵彦坡
修剑召
胡海
胡金春
张金
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U Precision Tech Co Ltd
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Tsinghua University
U Precision Tech Co Ltd
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Abstract

基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统，该系统包括半导体激光器、光纤准直器、光纤分路器、滤光片、两个一维运动机构、三个PSD传感器及信号处理系统。半导体激光器发射的激光照射到光纤准直器，后经光纤分路器分成三路，三路光经输出光纤和滤光片后，分别由三个PSD传感器接收；激光光斑在三个PSD传感器的位置和两个一维运动机构的位移经信号处理系统处理，得到空间六自由度的物体位姿。该定位系统采用非接触式测量，避免线缆对平台运动精度的影响，并采用一维运动机构进行跟踪测量，解决了二维位置敏感传感器测量行程不足的问题，具有定位精度高、测量行程大、响应快、结构简单及成本低的特点。

Description

基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统
技术领域
本发明涉及一种物体定位系统，特别涉及一种非接触式的空间六自由度物体的定位系统，属于IC装备技术领域。
背景技术
以光刻机硅片台、掩膜台为代表的空间六自由度物体的精确、快速定位是实现该物体精确运动控制的必要条件。目前空间物体定位普遍采用光电编码器、光栅尺、磁编码器、超声传感器、视觉传感器、象限仪、电涡流传感器、激光干涉仪及激光测距传感器等，在这些传感器构建的定位系统中，要么传感器存在线缆连接(线缆必然会对运动精度产生干扰)，要么传感器测量行程不足(只能实现较小范围位置测量)，要么定位系统存在造价高、体积大的缺点，因此，亟需一种无线缆连接非接触式的空间物体大行程定位系统，同时具有定位精度高、响应快、结构简单及成本低等特点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有光刻机硅片台、掩膜台的技术要求，提出一种结构简单、定位精度高、测量行程大、响应速度快、非接触式的空间六自由度物体定位系统。
本发明的技术方案如下:
一种基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统，其特征在于：该系统包括半导体激光器、光纤准直器、输入光纤、光纤分路器、第一一维运动机构、第一滑块、第一输出光纤、第一滤光片、第一PSD传感器、第二滑块、第二输出光纤、第二滤光片、第二PSD传感器、第二一维运动机构、第三滑块、第三输出光纤、第三滤光片、第三PSD专感器以及信号处理系统；
所述的第一输出光纤、第二输出光纤分别固定于第一滑块和第二滑块上，第三输出光纤固定于第三滑块上；第一滑块和第二滑块固定于第一一维运动机构上；第三滑块固定于第二一维运动机构上；
所述的第一一维运动机构运动方向与半导体激光器发射的激光光路方向垂直，第二一维运动机构运动方向与半导体激光器发射的激光光路方向平行；
所述的第一PSD传感器和第二PSD传感器与第一一维运动机构运动方向平行,第三PSD传感器与第二一维运动机构运动方向平行；第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第一PSD传感器、第二PSD传感器和第三PSD传感器固定于待测物体上；
半导体激光器发射的激光照射到光纤准直器上，光纤准直器将激光稠合到输入光纤中，后经光纤分路器分成三路，其中一路光经第一输出光纤和第一滤光片后，由第一PSD传感器接收；第二路光经第二输出光纤和第二滤光片后由第二PSD传感器接收；第三路光经第三输出光纤和第三滤光片后由第三PSD传感器接收；三个PSD传感器上光斑位置由信号处理系统进行处理。
上述技术方案中，其特征在于：所述的光纤准直器、输入光纤、光纤分路器、第一一维运动机构和第二一维运动机构固定于外部支撑上。
优选地，第一一维运动机构和第二一维运动机构采用直线电机或气缸。
本发明具有以下优点及突出性效果:由于光纤准直器、输入光纤、光纤分路器、第一输出光纤、第二输出光纤和第三输出光纤除了内部连接外不与除待测物体外的任何物体存在线缆连接，因此，该系统是一种非接触式的定位系统，能够避免线缆对物体运动精度的影响；通过一维运动机构带动输出光纤追踪PSD传感器，有效的解决了PSD传感器测量行程不足的问题，增大了测量范围，具有定位精度高、测量行程大、响应快、结构简单及成本低等特点。
附图说明
图1是本发明技术方案结构示意图。
图中，1-半导体激光器；2-光纤准直器；3-输入光纤；4-光纤分路器；5-第一一维运动机构；6-第一滑块；7-第一输出光纤；8-第一滤光片；9-第一PSD传感器；10-第二滤光片；11-第二PSD传感器；12-第二一维运动机构；13-第三滑块；14-第三输出光纤；15-第三滤光片；16-第三PSD传感器；17-第二滑块；18-第二输出光纤；19-待测物体上；20-外部支撑。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理、结构和工作过程进一步说明。
如图1所示，本发明提供的基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统，包括半导体激光器1、光纤准直器2、输入光纤3、光纤分路器4、第一直线运动机构5、第一滑块6、第一输出光纤7、第一滤光片8、第一PSD传感器9、第二滑块17、第二输出光纤18、第二滤光片10、第二PSD传感器11、第二直线运动机构12、第三滑块13、第三输出光纤14、第三滤光片15、第三PSD专感器16以及信号处理系统；半导体激光器1发射的激光照射到光纤准直器2上，光纤准直器2将激光稠合到输入光纤3中，后经光纤分路器4分成三路，其中一路光经第一输出光纤7和第一滤光片8后，由第一PSD传感器9接收；第二路光经第二输出光纤18和第二滤光片10后由第二PSD传感器11接收；第三路光经第三输出光纤14和第三滤光片15后由第三PSD传感器16接收；三个PSD传感器上光斑位置由信号处理系统进行处理。
所述的第一输出光纤7、第二输出光纤8分别固定于第一滑块6和第二滑块17上，第三输出光纤14固定于第三滑块13上；第一滑块6和第二滑块17固定于第一一维运动机构5上；第三滑块13固定于第二一维运动机构12上。
所述的第一一维运动机构5运动方向与半导体激光器1发射的激光光路方向垂直，第二一维运动机构12运动方向与半导体激光器1发射的激光光路方向平行；第一一维运动机构5和第二一维运动机构12可采用直线电机或气缸。
所述的第一PSD传感器9和第二PSD传感器11与第一一维运动机构5运动方向平行；第三PSD传感器16与第二一维运动机构12运动方向平行；第一滤光片8、第二滤光片10、第三滤光片15、第一PSD传感器9、第二PSD传感器11和第三PSD传感器16固定于待测物体19上。
所述的光纤准直器2、输入光纤3、光纤分路器4、第一一维运动机构5和第二一维运动机构12固定于外部支撑20上。
由于第一PSD传感器和第二PSD传感器可以获得待测物体Y向和Z向两个运动信息，第三PSD传感器可以获得待测物体X向和Z向两个运动信息，三个PSD传感器共可获得6个运动信息，同时，第一一维运动机构和第二一维运动机构分别获得大行程X向和Y向两个跟踪运动信息，利用这八个运动信息通过简单的运动学解算即可得到待测物体在大范围内的空间六自由度位姿。

Claims (3)

1.一种基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统，其特征在于：该系统包括半导体激光器(1)、光纤准直器(2)、输入光纤(3)、光纤分路器(4)、第一一维运动机构(5)、第一滑块(6)、第一输出光纤(7)、第一滤光片(8)、第一PSD传感器(9)、第二滑块(17)、第二输出光纤(18)、第二滤光片(10)、第二PSD传感器(11)、第二一维运动机构(12)、第三滑块(13)、第三输出光纤(14)、第三滤光片(15)、第三PSD专感器(16)以及信号处理系统；
所述的第一输出光纤(7)、第二输出光纤(18)分别固定于第一滑块(6)和第二滑块(17)上，第三输出光纤(14)固定于第三滑块(13)上；第一滑块(6)和第二滑块(17)固定于第一一维运动机构(5)上；第三滑块(13)固定于第二一维运动机构(12)上；
所述的第一一维运动机构(5)运动方向与半导体激光器(1)发射的激光光路方向垂直，第二一维运动机构(12)运动方向与半导体激光器(1)发射的激光光路方向平行；
所述的第一PSD传感器和第二PSD传感器与第一一维运动机构运动方向平行,第三PSD传感器与第二一维运动机构运动方向平行；第一滤光片(8)、第二滤光片(10)、第三滤光片(15)、第一PSD传感器(9)、第二PSD传感器(11)和第三PSD传感器(16)固定于待测物体上(19)；
半导体激光器(1)发射的激光照射到光纤准直器(2)上，光纤准直器(2)将激光稠合到输入光纤(3)中，后经光纤分路器(4)分成三路，其中一路光经第一输出光纤(7)和第一滤光片(8)后，由第一PSD传感器(9)接收；第二路光经第二输出光纤(18)和第二滤光片(10)后由第二PSD传感器(11)接收；第三路光经第三输出光纤(14)和第三滤光片(15)后由第三PSD传感器(16)接收；三个PSD传感器上光斑位置由信号处理系统进行处理。
2.按照权利要求1所述的一种基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统，其特征在于：所述的光纤准直器(2)、输入光纤(3)、光纤分路器(4)、第一一维运动机构(5)和第二一维运动机构(12)固定于外部支撑(20)上。
3.按照权利要求1或2所述的一种基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统，其特征在于：第一一维运动机构(5)和第二一维运动机构(12)采用直线电机或气缸。
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