CN1142411C - 检测移动物体位置的装置 - Google Patents

Abstract

一种检测移动物体位置的装置，在含有栅尺基板101的平面及自由曲面的表面上，由在两个不同方向(X，Y方向)上角度特性由已知函数表征的角度栅格102构成栅尺10，与栅尺10的角度栅格面相对配置至少一个角度传感器20，移动物体可以安装在栅尺10或角度传感器的任何一方，由栅尺10与角度传感器的相对移动检测出移动物体的二维坐标位置。

Description

检测移动物体位置的装置

技术领域

本发明涉及一种适用于检测移动物体位置及姿势的栅尺及利用该栅尺进行移动物体检测的装置，更具体地说，栅尺由在两个不同方向上按已知函数变化的角度栅格组成，该角度栅格及与该角度栅格有相对移动的角度传感器的组合构成了能精确检测移动物体位置及姿势的检测装置。

背景技术

过去，在加工和测量机中，对那些X、Y工作台及刀架等移动物体的位置进行检测时，单自由度的角度编码器是必不可少的。例如，在要进行二维定位的场合，测量装置的X轴或Y轴定位的各个工作台须两两重合、由圆形栅尺及单轴工作台组合形成的测量装置通过分别独立测量旋转角度及半径来决定位置。

在用激光干涉仪决定X、Y方向位置的场合，需要两台激光干涉仪，在位移检出方向的整个直角移动范围内须保证形状精度，并通过与高精度直尺的组合进行位置测量。

在以往对移动物体的摇摆角及偏航角等姿势的检测场合，利用了自准直技术，此单轴方向直线移动的摇摆角及偏航角能同时测量，但是，XY两轴移动物体的检测还需要高精度的直尺。

再者，水准器作为一种测量移动物体旋转角的手段，其响应速度和测量精度不适用于高精度的测量机器。

于是，要采用两根平行的直尺，从与两根直尺的距离之差算出旋转角或以一根直尺作为基准镜面通过自准直方法检出旋转角。

上述过去的检测装置为采用角度编码器和线性编码器等组成的装置，能用来决定一维位置，二维位置的决定则需要至少两组上述的测量装置，这对移动物体检测装置的设计带来很大的限制。

其次，在用激光干涉仪进行位置测量的场合，其实质是一维位置的测量，对二维位置进行测量时，必须要有高精度的直尺，因此这种测量装置用在工作机械上受到结构上的限制，同时还存在成本高的问题。

第三，过去的检测装置中，决定位置的编码器和检测姿势的测量系统是分别构成的，采用这种方式进行移动物体位置、摇摆角、旋转角及偏航角的检测将使检测装置更加复杂成本更高。

第四，对于光电式线性标尺来说，栅尺及栅尺的读数装置都保证有高的位置精度，配置多次读数装置以使测量范围扩大至标尺长度以上就有困难，这样进行大范围的测量就需要长的标尺。

鉴于以上所述，本发明提出一种能精确检测移动物体位置的二维位置和移动物体移动时的姿势变化的移动物体检测用栅尺及利用该栅尺进行移动物体检测的装置。

发明内容

为达到上述目的，本发明给出一种能至少检出移动物体位置及姿势中的一项的栅尺，该栅尺的栅尺表面或面内由栅尺基板平面及自由曲面构成，其角度栅格的角度特性由两个不同方向的角度函数表征。

本发明提供一种检测移动物体位置的检测装置，包括：一个栅尺，它包括一个角度栅格，其中该栅格形成在栅尺基板的表面或其面内，其中该基板包括一个平面表面和一个自由曲面表面，并且该角度栅格的斜度在两个不同的X方向和Y方向上以已知函数的形式变化；至少一个两维角度传感器，它面向具有该栅格的所述栅尺的表面，并且该传感器传感在X方向和Y方向上的各角度；所述栅尺和所述角度传感器之一与一个移动物体结合，并且该移动物体在两维坐标中的位置由所述栅尺和所述角度传感器之间的相对移动检测；其中所述角度栅格的一个角度变化以通过叠加具有不同频率的多个正弦波的形式实现。

本发明的检测移动物体位置及各种姿势的检测装置，包括：至少一对两维角度传感器，它们面向具有该栅格的所述栅尺的表面，并且这些传感器传感在X方向和Y方向上以预定的距离相互隔开；所述栅尺和所述角度传感器之一与一个移动物体结合，并且该移动物体在两维坐标中的位置由所述栅尺和所述角度传感器之间的相对移动检测。

本发明的检测移动物体位置及各种姿势的检测装置，包括：至少三个两维角度传感器，它们面向具有该栅格的所述栅尺的表面，并且该传感器在X方向和Y方向上以预定距离相互隔开；所述栅尺和所述角度传感器之一与一个移动物体结合，并且该移动物体在两维坐标中的位置及该移动物体的摇摆角、旋转角和偏航角由所述栅尺和所述角度传感器之间的相对移动检测。

本发明中，上述角度栅格由在基板表面或表面内两个交叉方向的角度性质由具有一定振幅的呈正弦波形状变化的山谷的集合构成。

本发明中，上述角度栅格通过对光电结晶或充满容器的对电磁场或光场反应的液体施加电磁能或光能，由该光电结晶或液体已知的屈折率的变化构成。

本发明中，上述角度栅格可以在直角座标，圆柱座标，极座标或自由曲面座标下形成。

本发明包括一种检测移动物体位置的检测装置，栅尺表面或面内由栅尺基板平面及自由曲面构成，其角度栅格的角度特性由两个不同方向(X，Y方向)的已知角度函数表征，移动物体检测装置的特征在于，与此角度栅格相对，配置至少一个能检测X，Y方向各角度的二维角度传感器，移动物体可以选择安装在上述栅尺或角度传感器的任一方，检出上述栅尺和角度传感器的相对移动即为移动物体的二维座标。

本发明包括一种检测移动物体位置及各种姿势的检测装置，栅尺表面或面内由栅尺基板平面及自由曲面构成，其角度栅格的角度特性由两个不同方向(X，Y方向)的已知角度函数表征，移动物体检测装置的特征在于，与此栅尺的角度栅格面相对且在X，Y方向以一定间隔配置至少一对二维角度传感器，移动物体可以选择安装在上述栅尺或角度传感器的任意一方，检出上述栅尺与角度传感器的相对移动即为移动物体的二维座标位置，摇摆角和旋转角。

本发明包括一种检测移动物体位置及各种姿势的检测装置，栅尺表面或面内由栅尺基板平面及自由曲面构成，其角度栅格的角度特性由两个不同方向(X，Y方向)的已知角度函数表征，移动物体检测装置的特征在于，与此栅尺的角度栅格面相对且在X、Y方向以一定间隔配置至少三个二继角度传感器，移动物体可以选择安装在上述栅尺或角度传感器的任意一方，检出上述栅尺与角度传感器的相对移动即为移动物体的二维座标位置、摇摆角、旋转角和偏航角。

本发明包括一种检测移动物体位置或各种姿势的检测装置，栅尺表面或面内由栅尺基板平面及自由曲面构成，其角度栅格的角度特性由单轴方向(X方向)的已知函数表征，移动物体检测装置的特征在于，与此栅尺的角度栅格面相对配置有角度传感器，移动物体可以选择安装在上述栅尺及角度传感器的任意一方，检出上述栅尺与角度传感器的相对移动即移动物体的一维座标位置。

本发明中移动物体检测装置的特征在于，与上述单轴方向的角度栅格相对，沿此轴方向以一定间隔配置一对角度传感器，通过检出一轴方向(移动方向)的倾斜角并由角度形状两点法检出一轴方向移动物体位置和摇摆角。

本发明中移动物体检测装置的特征在于，上述角度传感器由检测一轴方向(移动方向)的变化及与该方向垂直方向的变化的二维角度传感器构成，由此角度传感器检测一轴方向的位置、摇摆角及旋转角。

本发明包括，上述角度栅格的角度变化通过几个不同频率的不同正弦波叠加而成。

根据本发明，上述角度传感器的特征在于，其由光学式、电磁式或机械接触式的以一定间隔排列的几个位移计构成，相邻两个位移计的差动输出为角度传感器的输出。

本发明包括，使上述角度传感器绕已知方向转动一大的角度使其作为位移传感器工作，检测出此相对运动即上述栅尺的角度栅格面与角度传感器的距离或该距离变化量。

根据本发明，上述栅尺通过给予弹性板、有弹性的平面或曲面、结晶体或液面或充满密闭容器的液体以一定周期的振动，振动时产生的驻波在那些表面或面内形成的按已知函数变化的角度栅格构成。

根据本发明，上述栅尺由几个具有角度栅格面的分立栅尺构成，且这些栅尺或读取栅尺的角度传感器在移动物体的移动范围内成间隔或连续排列。

本发明包括，使行波产生，行波所在面的角度变化形成角度栅格，决定这些角度栅格与时间有关的二维位置。

本发明包括，基于上述角度栅格的角度形状误差的校正结果，配备通过角度栅格对座标位置和姿势角的测量结果进行补偿的手段。

本发明包括，使上述角度传感器沿上述角度栅格的X、Y方向作一定量的相对移动，根据相对移动前后的各个检出值及基于角度栅格理想形状的差值进行误差校正数据的计算，并设立对算出的校正数据进行存储的存储装置。

按上述构成，本发明中的栅尺由表示角度形状的二维角度栅格形成，仅由单一的栅尺与角度传感器的组合，不仅能检出移动物体的二维位置，摇摆角，旋转角及偏航角都可能检出。

而且，由此角度栅格、直角座标、圆柱座标、极座标或沿自由曲面的座标都可以检出。

根据本发明提出的移动物体检测装置，由二维角度栅格形成的栅尺与至少一个二维角度传感器相组合，能测出栅尺与角度传感器的相对移动也即移动物体的二维座标，若进一步使角度传感器按一给定的角度变化，则能检出栅尺与角度传感器的距离。

根据本发明提出的移动物体检测装置，由二维角度栅格形成的角度栅尺与至少两个二维角度传感器相组合，能测出栅尺与角度传感器的相对移动即移动物体的二维座标、摇摆角及旋转角，若进一步使角度传感器变化一给定的角度，还能测出栅尺与角度传感器间的距离。

根据本发明提出的移动物体检测装置，由二维角度栅格形成的栅尺与至少三个二维角度传感器相组合，能测出栅尺与角度传感器的相对移动即移动物体的二维座标位置、摇摆角、旋转角及偏航角，若进一步使角度传感器变化一给定的角度，可测得栅尺与角度传感器间的距离。

根据本发明提出的移动物体检测装置，由单轴(X轴)方向按已知函数变化的角度栅格形成的栅尺与至少一对角度传感器组合，能测出单轴方向的位置、摇摆角及旋转角。

根据本发明，角度栅格的角度变化由不同频率的不同正弦波叠加而成，例如，沿X方向的角度栅格面，全长为一周期的正弦波的角度变化叠加上M次谐波的角度变化为一个角度格子时，给予某位置的某个角度传感器以一个较大振幅的高频振动，这个角度传感器的输出就含有角度栅格面的两个频率成份。其中低频成份给出了全长为一周期的角度栅格成份，这样便检出了对应全长的角度传感器的位置、高次谐波成份给出了高次谐波的角度栅格成份、由此可检出精确位置。此外，作为低频成份，可以选择角度形状呈线性变化或角度形状的微分呈线性变化。而且，在角度格子面上设置原点，原点复位后角度传感器的移动就给出了离此原点的绝对座标。

根据本发明，角度传感器通过几个以一定间隔分布的光学式、电磁式或机械接触式的位移计组成，由各位移计的差动输出给出的高度上的变化得到角度栅格面的倾斜角的变化，利用此角度信息，X，Y方向以一定间隔各配置两个共计四个或在三角形的各个顶点以一定间隔配置三个位移计，就具有二维角度传感器的特性了。

根据本发明，栅尺由弹性板、有弹性的平面或曲面、结晶体或液面或充满密闭容器的液体被给予一定周期的振动时驻波在这些表面或面内角度随空间变化的角度栅格面形成，且仅在给予振动时方有角度栅格面可利用。

根据本发明，栅尺由具有角度栅格的几个分立栅尺构成，这些分立栅尺或读取栅尺的角度传感器在移动物体的移动范围内成间断或连续排列，即使角度传感器从与其相对的角度栅格面向外有倾斜，从相邻的分立栅尺或角度传感器仍可得到角度栅格面的位置信息，这样角度传感器与角度栅格的相对移动范围有可能扩大。

根据本发明，将基于角度栅格的角度形状的校正结果用在由角度栅格进行座标位置和姿势角测量的校正中，在角度栅格的制造精度较低的情况下，利用存放在存储器中的校正数据对测量数据进行内插计算，可对测量结果进行校正补偿。

根据本发明，使角度传感器沿上述角度栅格的X，Y方向作一定量的移动，基于相对移动前后角度传感器各个检出值和差值可得到角度栅格偏离理想形状的自律校正数据。

本发明按照以下所述，可得到如下效果，本发明中，用于移动物体的位置或各种姿势检出的栅尺，其角度栅格的角度表状由二维函数表示。仅需单个的栅尺与几个角度传感器的适当组合，就可以检出移动物体的二维位置、摇摆角、旋转角及偏航角。而且此角度栅格可在直角座标、圆柱座标、极座标或自由曲面座标下进行二维空间位置的检测。

根据本发明，由二维角度栅格形成的栅尺与至少一个二维角度传感器的适当组合，可以检出栅尺与角度传感器的相对移动即移动物体的二维座标以及摇摆角和旋转角，若给予角度传感器一已知的摇摆角或旋转角等的姿势变化，栅尺与角度传感器之间的距离可以同时测出。

根据本发明，由二维角度栅格形成的栅尺与最少三个二维角度传感器的适当组合，可移检出栅尺与角度传感器的相对移动即移动物体的二维座标、栅尺、摇摆角、旋转角及偏航角，给予角度传感器已知的摇摆角或旋转角等姿势变化，栅尺与角度传感器之间的距离可以同时检出。

根据本发明，在单轴方向(X方向)按已知函数变化的角度栅格构成的栅尺与至少一对角度传感器的适当组合，可以检出单轴方向的位置、摇摆角及旋转角。

依据本发明，角度栅格的角度变化由不同频率的不同正弦波叠加而成时，可以进行精密位置的检测。

依据本发明，角度传感器由光学的、电磁的或机械接触式的且以一定间隔排列的几们位移计构成，由各变位计的差动输出作为高度变化给出，与上述角度栅格面倾斜角变化相当的量可以检出，以此作为角度信息，同时三个以上的位移计以一定间隔成二维空间排列，就具备了二维角度传感器的功能。

依据本发明，有弹性的板，有弹性的平面或曲面，结晶体或液面或充满密闭容器内的液体被给予一定周期的摇动时，表面或面内形成角度性质随空间变化的角度栅格，在振动作用期间，角度栅格可被利用构成栅尺。

依据本发明，栅尺由具有角度栅格面的几个分立栅尺构成，这些分立栅尺在移动物体的移动范围内间隔或连续排列，角度传感器相对于与其相对的角度栅格面向外偏移时，可以检出相邻分立栅尺的位置信息，从而角度传感器与角度栅格的相对移动范围可以扩大。

依据本发明，基于角度栅格角度形状的误差校正结果，配置能对用角度栅格进行座标位置及姿势角测量的测量结果进行补偿的装置，在角度栅格无法保证高精度的场合，利用存储器中的校正数据进行内插计算，能对原始测量数据进行补偿。

依据本发明，给予角度传感器一已知的移动量，可进行角度栅格相对理想形状的自校正，角度栅格的精度不高时，误差能得到补偿。

以下，基于附图说明本发明的实现形式。

附图说明

图1是本发明的第一种实现形式，由栅尺和一个二维角度传感器构成测试装置的配置关系原理图。

图2是本发明的第二种实现形式，由栅尺和两个二维角度传感器构成测试装置的配置关系原理图。

图3是本发明的第三种实现形式，栅尺和三个二维角度传感器构成情况的斜视原理图。

图4是本发明的第四种实现形式的原理构成图，平面状的角度栅格仅在X方向有正弦波状的角度变化，可以检出角度传感器在X方向的位置、摇摆角及旋转角。

图5是本发明第五种实现形式的原理构成图，采用极座标进行位置决定。

图6是本发明第六种实现形式的原理构成图，采用圆柱座标进行位置决定。

图7是本发明第七种实现形式的原理构成图，采用球座标进行位置决定。

图8是本发明的第八种实现形式，利用原子力显微镜的传感器原理，接触式的二维角度传感器和微细格子构成二维位置检出装置的原理图。

具体实施方式

图一为本发明的第一种实现形式，为由栅尺和一个角度传感器构成的检测装置的构成原理图。

角度栅尺由在高度上呈周期变化的波形构成，角度传感器为用来对栅尺斜面倾斜角进行检测的光学传感器。角度沿X，Y方向倾斜的角度关系分别由f(X，Y)，g(X，Y)表示。

根据图1，10为固定在一侧的栅尺，并且还具有简化表示的在移动侧的安装有角度传感器20的传感器安装台。

在构成栅尺10的基板平面101上，沿两个垂直方向(X，Y方向)按已知函数关系变化的正弦波形状的山谷的集合构成了角度栅格102，这一角度栅格构成了检出二维位置的栅尺。

在与角度栅尺相对的面上，配置有与角度栅格面有一定距离可平行移动的角度传感器20，从角度传感器20发出的光线照射到角度栅格102上，检出从角度栅格沿X，Y方向反射光的方向，该角度传感器20与栅尺10沿X，Y方向相对移动时的移动物体的二维座标即可测出。

例如，角度栅格102由两个直交方向即X，Y方向，周期分别为Tx，Ty，振幅分别为a，b的正弦波表示：

f(x，y)＝asin(2πx/Tx)            ......(A)

g(x，y)＝bsin(2πy/Ty)            ......(B)

移动与此角度栅格面相对的用以检测沿X，Y方向的反射方向的角度传感器，虽然角度栅格102的山峰在同一高度上，由于山峰斜面在两个方向的角度有差异，此差异可明确决定其二维位置。由此可以检测移动物体的二维位置。

而且，以前干涉仪中波长间内插的各种方法都可用在式(A)、式(B)的单个波长的内插中。仅在波长间内插时角度传感器本体的机械振动或光电式角度传感器电光学意义的X、Y方向光线的振动，在Tx/4、Ty/4处即π/2相位差处可得到两个信号。当然，加上检出Tx/4、Ty/4相位处位置的传感器，π/2相位差处的两个信号可也可同时被检出。

用光电式标尺读取不同栅尺位置的平均值，采用减少栅尺间隔误差影响的办法时，为读取相邻的几个峰同相位处倾斜角的平均值，可以用几束光线照射受光角度传感器。

图二为本发明的第二种实现形式，图示为由栅尺和二维角度传感器构成的检测装置的原理简图，这时可以测出二维位置、摇摆角及旋转角。

图二中，栅尺10由基板平面101及如同图一那样在平面上沿垂直的两个方向(X，Y方向)按已知函数变化的角度栅格形成，在与角度栅格102相对的面上与角度栅格相距一定位置处放置有一对角度传感器20A和20B。

角度传感器20A和20B发出的光线照射在角度栅格102上，由角度栅格检测出X，Y方向的反射角，角度传感器由与角度栅格面平行的平板状安装台支持且角度传感器20A和20B在X，Y方向分别相距dx和dy。

由此，在角度传感器20A的座标位置(X，Y)处检出X，Y方向的倾斜角，在角度传感器20B的座标位置(X+dX，Y+dY)处也检出X、Y方向的倾斜角。

根据图二所示的实现形式，传感器安装台的摇摆角(X方向的倾斜角)为pe(x，y)，旋转角(Y方向的倾斜)为re(x，y)，角度传感器20A、20B的X方向的角度输出为ma1、ma2，Y方向的角度输出为mb1、mb2时，有下列关系式：

    ma1＝f(x，y)+pe(x，y)           ……(1)

    mb1＝g(x，y)+re(x，y)           ……(2)

    ma2＝f(x+dx，y+dy)+pe(x，y)     ……(3)

    mb2＝g(x+dx，y+dy)+re(x，y)     ……(4)

    由式(1)～(4)得：

    ma2-ma1＝f(x+dx，y+dy)-f(x，y)  ……(5)

    mb2-mb1＝g(x+dx，y+dy)-g(x，y)  ……(6)

式中，f、g为已知函数，由式(5)和式(6)可以决定X和Y的值。

例如，f和g设为周期函数：

    f(x，y)＝acos(2πx/Tx)         ……(7)

    g(x，y)＝bcos(2πy/Ty)         ……(8)

式中，a、b、dx、dy、Tx和Ty皆为已知，由式(5)和式(6)可以求得X和Y。如果计出输出的周期数则X，Y比Tx，Ty大也不存在问题。由此结果，通过(1)式和(2)式可以求得摇摆角pe和旋转角re。

实际上，上式中的X，Y与摇摆角pe、旋转角re以及角度栅格面与角度传感器之间的距离dz有关，上式没有考虑角度传感器的真正位置X、Y与角度栅格面检出位置的不同。它们之间的关系由下式给出：

    X＝X-pe(x，y)dz              ……(9)

    Y＝Y-re(x，y)dz              ……(10)

根据前面求出的X，Y，pe和re，用已知的dz代入(9)，(10)即可求出X、Y。

而且，利用这一关系，只要已知角度传感器自身的或角度传感器与安装台一体的角度α0，β0，回转机构安装在角度传感器一侧时，由和(9)，(10)式同样的关系可求出未知的dz。

即由回转角α0，β0产生的与角度传感器输出相当的X、Y方向的位移量X0、Y0，得到下列二式：

    dz＝X0/α0                  ……(11)

    dz＝Y0/β0                  ……(12)

检测与上式(11)、(12)中的X、Y方向的位移X0、Y0相当的值，例如检测栅尺间格为一定值时的角度α0，β0，也能求得dz。

这样角度传感器和角度栅格面的距离也能由传感器检出。

图三为本发明的第三种实现形式，这是由三个二维角度传感器构成的情况，这时，移动物体的二维位置、摇摆角、旋转角及偏航角都能检出。

由图三示出的第三种实现形式同由图二示出的情况一样，在与角度栅格面平行的平板状角度传感器安装台202的平面内，在一等边三角形的各顶点处有三个角度传感器20A、20B和20C，角度传感器20C距原点处角度传感器20A的距离为(dx，-dy)，该角度传感器在X、Y方向的输出为ma3和mb3，角度传感器20B在X，Y方向的输出分别为ma2，和mb2，考虑原点处角度传感器20A绕回转中心有一个偏航角γ，有下列关系式：

ma2＝f(x+dx+γdy，y+dy+γdx)+pe(x，y)    ……(13)

mb2＝g(x+dx+γdy，y+dy+γdx)+re(x，y)    ……(14)

ma3＝f(x+dx-γdy，y-dy+γdx)+pe(x，y)    ……(15)

mb3＝g(x+dx-γdy，y-dy+γdx)+re(x，y)    ……(16)

当pe已知为一个小的量可以忽略不计时，将式(1)中的X和式(13)的γ代入式(14)和(16)中可求得Y和re。反之，由式(12)和式(14)得到y和γ，则从式(13)和式(15)求得X和pe。

pe和re未知且不能忽略时，就只能从各个角度传感器的差动输出求得γ。

此外，

f(x，y)＝f(x，y+dy)＝f(x，y-dy)    …(17)

g(x，y)＝g(x+dx，y)              ……(18)

由此，不失一般性，得到下列两式：

ma1-ma2＝f(x+dx+γdy，y)-f(x，y)   …(19)

ma3-ma2＝f(x+dx-γdy，y)-f(x，y)   …(20)

首先，设γ为微小量，f，g对X，Y的偏微分以fx，fy表示，于是有：

ma2-ma3＝2γdyfx(x+dx，y)          …(21)

fx(x+dx，y)和dy为已知，γ即可求出。

同样有：

mb2-mb3＝γdx{gy(x，y+dy)-gy(x，y-dy)}

         +g(x，y+dy)-g(x，y-dy)    …(22)

从Y方向的角度输出也可求得微小量γ。对求出的γ，X，Y，α，β给予记录，由对微小量γ的逐次求解，变量γ累积变化的最终位置可以求得。

相应地，X，Y缓慢变化或仅有微小变化时可同此进行。例如，由式(22)给出的差动输出的变化，若Y已知则可方便地求出γ，在Y很小时也可求出γ，并进行其它量的计算，在Y不是缓慢变化或微小量的场合可作相应的处理。

一般情况下，考虑到精密机械在全部自由度上以同样速度同样大小变化，哪怕能选出一个变化小且缓慢变化的量，可类似γ的情形进行同样的计算处理，所有的自由度即二维座标，角度传感器与角度栅格的距离、移动物体摇摆角、旋转角及偏航角的变化量都可求出。

如果角度传感器20B和20C在X，Y方向的位置分别为(dx，0)和(0，dy)即在直角三角形的两个顶点上，配置情况比一般的三角形更好。

上述原理，不仅能检出移动物体的位置，还适用于同一物体以同一姿势返回同一位置的操作。因而根据二维角度的变化并使用物体上预先做好的标记，物体和角度传感器的相对位置及姿势可以检出，这可以有效地应用在半导体制造中硅片的位置决定中。

图四中，仅在X方向有正弦波的变化，检出平面状的角度栅格和角度传感器在X方向的位置、摇摆角及旋转角是本发明的第四种实现形式，图示为其原理图。

图四中，在构成栅尺10的基板平面101上，栅尺由沿X方向变化的一维角度栅格103构成，角度栅格103的角度变化情况由已知函数f(x)表示，两个角度传感器在X方向以距离X间隔排列，并安装在平板状的传感器安装台203上。角度传感器20A和20B与安装台一道沿X方向相对角度栅格作相对移动时，可以检出移动侧的X方向的位置，摇摆角及旋转角。

在这种实施方案中，设两个角度传感器的输出为m1，m2，并由下面两式表示：

    m1＝f(x)+pe(x)             ……(23)

    m2＝f(x+dx)+pe(x)          ……(24)

其中，pe(x)为摇摆角。如果摇摆角可以忽略，用一个传感器沿X方向运动，由输出的f(x)的变化，可以得到X方向的位置。

在pe(x)不能忽略的场合，两个角度传感器的输出之差为：

    m2-m1＝f(x+dx)-f(x)        ……(25)

已知函数之差仍为已知函数，由此差动输出的变化，角度传感器的位置可以求得。X为已知后再由m1可以计算出摇摆角pe(x)。

上述两个角度传感器为能检出X、Y两个方向角度的二维角度传感器，上述用于摇摆角的两点法同样适用于栅尺的X、Y方向的角度形状(理想情况下变化为零)的求得。

如果角度栅格的Y方向的角度为已知，从角度传感器Y方向的输出能够检出移动物体的旋转角：

图4为传感器安装台(图中未画出已知量D)上配有能在X、Y方向作微量移动且能求出角度栅格校正数据装置的实现形式。这时，理想正弦波的形状(设计的形状)以f(x)表示。首先，不考虑由角度传感器移动引起的摇摆角。利用函数f(x)，可以决定X，在此位置(实际上含有由e(x)引起的未知误差δ(x))使用压电材料等使角度传感器在X方向上有一个D的移动量，移动前后角度传感器的输出分别为m1，m1_D。由这两个输出之差得下式：

    m1_D-m1＝f(x+δx+D)-f(x+δx)

        +e(x+δx+D)-e(x+δx)              …(26)

由于δx为微小量，e(x)的近似导数由下式表示：

    e’(x)＝{e(x+D)-e(x)}/D

         ≈[m1_D-m1-{f(x+D)-f(X)}]/D       …(27)

式中，{f(x+D)-f(x)}为已知函数，故上式的右边为已知函数。从而用数值积分方法得到近似导数e’(x)，可算得e(x)的近似函数e_C(x)。

这一导数函数近似数值积分的公式误差由每一频率分量决定，可用付里叶变换和逆变换进行补正。

用f(x)评价X的位置时，由上面求得的e(x)的近似曲线e_C(x)进行补偿，重新进行数值积分，新求得的e(x)的近似曲线的精度能进一步提高。进行X位置的反复修正，直到δx足够小，就可得到需要精度的校正曲线。

其次，为了消隐角度传感器在X方向的摇摆角的影响，在X方向间隔dx并列两个角度传感器，其校正方法说明如下。两个角度传感器的输出为m1和m2：

m1(x)＝f(x)+e(x)+pe(x)     …(28)

m2(x)＝f(x+dx)+e(x+dx)+pe(x)  …(29)

这里，pe(x)就是X位置处的摇摆角。

为消除摇摆角的影响，可利用下式给出的两个传感器的差动输出：

m2(x)-m1(x)＝{f(x+dx)-f(x)}+{e(x+dx)-e(x)}

           ＝f1(x)+e1(x)              …(30)

式中f1(x)＝f(x+dx)-f(x)               …(31)

    e1(x)＝e(x+dx)-e(x)               …(32)

f1(x)为与原来的角度栅格有相同周期的函数，可看作改变了栅格的理想函数：dx为已知，f(x)的理想形状(位移计的平均灵敏度)为已知，f1(x)的理想形状为可以得到，因此能用来计算X的值。

使两个角度传感器及安装台沿X方向作一移动，移动量为D，读取移动前后角度传感器的输出，与图四中所述同样的道理，可得e(x)的导数函数的近似表达式：

e1’(x)＝{e1(x+D)-e1(X)}/D

        ＝[m2_D(x)-m2(x)-{m1_D(x)-m1(x)}

        -{f1(x+D)-f1(X)}]/D         …(33)

式中，m1_D(x)，m2_D(X)为在X位置处仅有D的移动量时，角度传感器的输出。

上式中，{f1(x+D)-f1(x)}为已知函数，因而上式左边为已知函数：从而通过对导数函数e1’(x)的近似数值积分、e1(x)的近似函数e_C(x)可以求得。

用f1(x)评价X的位置时，用上式求得的近似曲线e1_C(x)进行补偿(补偿量为δx)，重复进行数值积分，新得到的e(x)有更高的精度。反复进行X的位置补偿直到δx足够小为止，便可得到有足够精度的校正曲线。

由e1(x)最终结果的再次积分可求得e(x)，由此得到角度栅格的角度形状，这样就完成了用两个X方向角度传感器对X方向的位置和摇摆角进行检测的角度栅格的校正。

图五为用极座标来决定位置的本发明的第五种实现形式的原理图。

图五中，圆形板50上沿半径方向和圆周方向按已知函数进行角度变化的二维角度栅格51形成了极座标下使用的栅尺52。相对此栅尺52的二维角度栅格相对移动的角度传感器53与栅尺相向配置，因此可以决定角度传感器的极座标位置。

而且在第五种实现形式中，对由图五示出的二维角度栅格形状有一定限制，即二维角度栅格以旋涡线进行角度变化为好。

图六为用柱面座标决定位置的本发明的第六种实现形式的原理图。

图六中，沿圆柱体60的外圆母线，在两个直交方向按已知函数变化的角度栅格61构成柱面座标下使用的栅尺62。因此，相对栅尺62的角度栅格面有移动且相向配置的角度传感器63的圆柱座标就可以决定。

而且，在第六种实现形式中，图六示出的角度栅格有一定限制，即角度栅格以按螺旋线变化为好。

在图一至图六的实现形式中，对角度传感器的反应角度信息的光线等进行线源分离，可以构成隔断型的角度栅格，从而成为对透过光线等的角度变化进行检测的装置。这时的角度栅格或是表现为屈光率的变化或是表现为透光板里面凹凸状的透过光方向的变化。

图七为在球座标中进行位置决定的本发明第六种实现形式的原理图。

图七中，在球体70的内表面形成的二维角度栅格71形成了球座标用的栅尺72。这样从设置在移动物体上的三个角度传感器73就能决定移动物体自身的位置。

而且，球体70中心部位回转物体的三个方向的姿势、回转中心的三个方向的振动也能测出。

图八利用了原子力显微镜传感器的原理，由接触式角度传感器和由结晶等的微细格子形成的角度栅格构成了可决定二维位置的本发明的第八种实现形式，图八为其原理图。

图八中，结晶体80的结晶面81为栅尺的二维角度栅格所在面，与决定结晶面81上原子间力或接触力所在位置的接触头82相切面的法线方向上，挠曲率有变化的两个方向的微型杠杆83、84顺次相接，来自光源(图中省略)的光照射在微型杠杆83、84上，来自微型杠杆83、84的反射光的方向由半导体光位置检测器等光传感器检出，因此检出角度形状的变化和二维空间位置。

在这种实现形式中，结晶面81的原子排列被作为栅尺的二维角度栅格。

为了检出微型杠杆83、84的挠度，也可以采用其它原理的光传感器，还可以在微型杠杆上粘贴应变片。

本发明中，并不限制上述各实现方案的具体构成。

上述的角度栅格，可以是透明板材因其内部组成变化引起的屈光率的变化构成，也可以由屈折率受外加磁场力或力学意义上的力影响的材料本身或容器内材料构成。

本发明中，或弹性板，或有弹性的平面，或结晶体，或液面被给予一定的力激励时产生驻波，在这些表面或面内按已知函数变化的角度栅格都可构成栅尺。

本发明中，栅尺由具有角度栅格的几个分立栅尺构成，这些分立栅尺在移动物体的移动范围内可以是间隔排列也可以是连续排列。代替角度栅格面的增加，可以用具有相同性能的角度传感器组成工作组，并使其间隔小于栅格面的尺寸。

本发明中，使角度传感器沿上述角度栅格的X、Y方向作一定量的相对移动，相对移动前后角度传感器的检测值及其差值与基于角度栅格已知理想形状的误差可以通过配备一定的设施进行数据校正运算。可以对上述算出的校正数据或按通常方法得到的校正数据进行存储，或者基于上述的校正数据根据角度栅格对座标位置和各种姿势的测量结果进行校正。

本发明还包括行波发生时，行波面上形成的作同样变化的角度栅格，角度栅格与时间的关系可以用来决定二维位置。

本发明还包括以下这种情形，电光学的结晶或充满密闭容器的液体被施加电磁能或光能时，电光学的结晶或液体的屈折率按已知函数变化所构成的角度栅格。

Claims (3)

1.一种检测移动物体位置的检测装置，包括：

一个栅尺，它包括一个角度栅格，其中该栅格形成在栅尺基板的表面或其面内，其中该基板包括一个平面表面和一个自由曲面表面，并且该角度栅格的斜度在两个不同的X方向和Y方向上以已知函数的形式变化；

至少一个两维角度传感器，它面向具有该栅格的所述栅尺的表面，并且该传感器传感在X方向和Y方向上的各角度；

所述栅尺和所述角度传感器之一与一个移动物体结合，并且该移动物体在两维坐标中的位置由所述栅尺和所述角度传感器之间的相对移动检测；

其特征在于，所述角度栅格的一个角度变化以通过叠加具有不同频率的多个正弦波的形式实现。

2.权利要求1所述的检测移动物体位置的检测装置，该检测装置包括：

至少一对两维角度传感器，它们面向具有该棚格的所述栅尺的表面，并且这些传感器在X方向和Y方向上以预定的距离相互隔开；

所述栅尺和所述角度传感器之一与一个移动物体结合，并且该移动物体在两维坐标中的位置由所述栅尺和所述角度传感器之间的相对移动检测。

3.权利要求1所述的检测移动物体位置的检测装置，该检测装置包括：

至少三个两维角度传感器，它们面向具有该栅格的所述栅尺的表面，并且这些传感器在X方向和Y方向上以预定距离相互隔开；

所述栅尺和所述角度传感器之一与一个移动物体结合，并且该移动物体在两维坐标中的位置及该移动物体的摇摆角、旋转角和偏航角由所述栅尺和所述角度传感器之间的相对移动检测。

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