CN1168968A - 工作台垂直位移测量装置 - Google Patents

Abstract

一种工作台垂直位移测量装置，包括一个固定部分和一个活动部分。该固定部分包括一个光源；一个用于有选择地衍射和透射从光源发射的光的第一标尺式玻璃；一个接收部分，用于接收透射过该第一标尺式玻璃的光；以及一个电路部分。第一标尺式玻璃上间隔地形成多个透明和不透明区域。该活动部分包括一个活动地沿垂直方向安装在工作台的第二标尺式玻璃，其上有多个间隔形成的反射区域和透射区域。

Description

工作台垂直位移 测量装置

本发明涉及一种超精密伺服控制系统中的工作台垂直位移测量装置，特别涉及一种利用弗琅荷费衍射对工作台垂直位移进行测量和控制的工作台垂直位移测量装置。

检测和控制超精密工作台的位置要求有很高的精确度。为此目的，人们用线性标度尺或激光干涉仪测量水平方向(x和y方向)上的位移。而在垂直方向(Z方向)上，使用了各种类型的敏感器件。测量结果反馈到工作台中的控制器，从而根据位移来调整工作台的位置。

现有的超精密工作台垂直位移测量装置是使用由以下三种方法之一检测出的信号进行位移控制的。

第一种，位移可由安装在工作台顶部的一个光敏感器检测。但是，由于工作台表面机加工的不精确，光可能被分散。

第二种，位移可由安装在工作台的垂直驱动部分上的一个编码器检测。垂直驱动部分包括一个驱使工作台沿垂直方向上运动的电机，一个把电机的转动变换成工作台位移的传送齿轮。工作台的垂直位移通过连接在电机上的编码器的信息进行计算。但由于齿轮的齿隙现象，精度变差。

第三种，位移可由安装在工作台底面上的一个压电器件检测。在这种情况下，位移通过施加在压电器件上的压力来测量。这样，就能非常精确地检测出工作台的位移。但是，这种可检测的位移仅局限在几个μm的范围里，并且受环境条件，如振动等的影响大。

本发明的目的是提供一种测量工作台垂直位移的装置。用此装置，可以非常精确地在大范围内测量位移，并且，当输出被检测的位移时可避免齿隙。

为实现上述目的，提供了一种工作台垂直位移测量装置。此装置包括：一个用于产生和发射光的光源；一个第一标尺式玻璃，具有间隔地排列的透明区域和不透明区域，用于有选择地衍射和反射从光源发射的光；一个第二标尺式玻璃，它通过与工作台相接合，活动地沿工作台的垂直方向安装，它具有间隔地排列的反射区域和透射区域，用于有选择地衍射和反射通过第一标尺式玻璃的光；一个接收部分，用于接收被第二标尺式玻璃反射后又透射过第一标尺式玻璃的光；一个电路部分，它利用接收部分接收的信号测量工作台的第二标尺式玻璃的位移，并控制工作台的垂直位移。

下面，通过参考附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将更为明显。

图1是表示根据本发明的一个实施例的工作台垂直位移测量装置的示意图；

图2是表示图1中第一和第二标尺式玻璃的示意图；以及

图3是图1中接收部分和电路部分的示意图。

参照图1，根据本发明的一个实施例的工作台垂直位移的测量装置包括一个固定部分10和一个活动部分20，活动部分20与工作台1联动，并相对工作台1作垂直方向(Z方向)的移动。工作台1在水平方向(x和y方向)和垂直方向(Z方向)上被驱动，以使一个配置在x-y平面上的部件(未示出)移动。这里，工作台1的水平位移由一个标准的线性标尺或激光干涉仪测量。

固定部分10包括：一个光源11，用于产生和发射光；一个第一标尺式玻璃13，用于有选择地衍射和透射从光源11发射来的光；一个接收部分23，用于接收由活动部分20反射的光，并把此光变换成与所接收光量相应的电流信号；一个电路部分30，用于通过处理由接收部分23传来的信号计算位移，并把偏差量传给工作台1的驱动电机(未示出)。此外，固定部分10还包括一个位于光源11和第一标尺式玻璃13之间的第一聚焦透镜12，用于聚焦光源发出的光；以及一个位于第一标尺式玻璃13和接收部分23之间光路上的第二聚焦透镜22，用于聚焦照射到接收部分23的入射光。

活动部分20包括一个第二标尺式玻璃17，第二标尺式玻璃17上间隔地形成反射区域18和吸收区域19，用以有选择地反射或吸收从固定部分10接收来的光。活动部分20通过一个连接器21连接在工作台1上，并和工作台1一起沿垂直方向(Z方向)运动。这样，第二标尺式玻璃17沿Z轴移动的距离与工作台1的垂直位移相同。由第二标尺式玻璃17反射的光量随活动部分20的位置而改变。

参照图2，第一标尺式玻璃13由许多间隔排列的透明区域14和不透明区域15构成。透明区域14和不透明区域15重复形成的周期被表示为“格栅重复周期”，周期值为2P。来自图1中的光源11照射在透明区域14上的光透过，而照射在不透明区域15上的光被挡住。由于弗琅荷费衍射现象，从光源11发射出的光透过透明区域14后被衍射成零级衍射光，±1级衍射光，±2级衍射光等。

入射在第二标尺式玻璃17上的光在反射区域18被衍射为零级衍射光，±1级衍射光，±2级衍射光等，并被反射。一部分衍射光和反射光透射过第一标尺式玻璃13的透明区域14到达图1的接收部分23。

第一标尺式玻璃13的透明和非透明区域14和15，以及第二标尺式玻璃17的反射和透射区域18和19的宽度最好完全相同。这时，根据所发生的弗琅荷费衍射现象能够准确地测量出活动部分20的位移。

弗琅荷费衍射是一种在离衍射体有效无限远距离处观察到的平行光的衍射现象。由于从光源11发射出并通过第一和第二标尺式玻璃13和17照射到接收部分23的光的光路与第一和第二标尺式玻璃13和17的每一个区域的宽度(P)相比长得多，该光路则可以假定为无限长。利用弗琅荷费衍射，通过λ/(衍射的格栅间隔)可以提高精度，因此就可能高精度地测量位移，并且，和与本发明具有同样测量精度的现有敏感器相比，本发明的位移测量范围大得多。

下面描述从光源11发射出的光照射在接收部分23上所行进的光路。

穿透第一标尺式玻璃13的透明区域14的光被衍射为零级衍射光(L1)，+1级衍射光(L2)，-1级衍射光(L3)，+2级衍射光(L4)，-2级衍射光(L5)等。

光在第二标尺式玻璃17的反射区域18中被衍射和反射。也就是说，零级衍射光(L1)在反射区域18中被衍射成零级衍射光(a2)，+1级衍射光(a1)和-1级衍射光(a3)，并被反射。这里，-1级衍射光(a3)再一次照射到第一标尺式玻璃13的透明区域14上，然后行进到接收部分23。同样，+1级衍射光(L2)在其它反射区域18中衍射为零级衍射光(b2)，+1级衍射光(b1)和-1级衍射光(b3)，并被反射。这里，+1级衍射光(b1)透射过第一标尺式玻璃13的透明区域14到达接收部分23上。

由接收部分23接收的衍射光的分布随活动部分20相对于图1的固定部分10的位置而改变。通过测量出光的分布就能对工作台1进行非常精确的位移测量。

接收部分和电路部分的连接图较详细地展示于图3中。参照图3，接收部分23包括四个光敏感器P1，P2，P3和P4，用于把所接收的光转变为与所接收的光量成比例的电流。由于各自独立工作的光敏感器彼此相邻地安装成一个晶格形式，因而各光敏感器P1、P2、P3和P4接收的光之间可产生相位差。即，在相邻的光敏感器P1、P2、P3和P4之间有90°的相位差，并且光敏感器P2、P3和P4相对于光敏感器P1分别有90°、180°和270°的相位差。

电路部分30包括：四个电流—电压转换器31、32、33和34，它们分别连接在光敏感器P1、P2、P3和P4的输出端，用于把电流转换成电压信号；第一和第二差分放大器35和36，分别接收被电流—电压转换器31、32、33和34转换的诸电压信号中有着180°相位差的两个电压信号，并把这两个所接收的信号差分放大；一个波形整形/计数装置37，用于对第一和第二差分放大器35和36输出信号的波形进行整形并对整形后的信号计数；一个运算器38，用于接收波形整形/计数装置37的计数值并计算出图1中工作台1的位移量；以及一个比较器39，用于把检测出的位移和所期望的位移进行比较，并把一个偏差信号传送给电机控制部分(未示出)。电机控制部分驱动工作台以检测偏差值，并修正这个偏差。

第一和第二差分放大器35和36通过把其间有180°相位差的信号差分放大来消除包含在每一个所接收信号中的噪声，并把消除了噪声的信号放大到适于信号处理的电平。波形整形/计数装置37把第一和第二差分放大器35和36输出的正弦和余弦波变成矩形波，并乘以4倍。运算器38把接收的计数值与图1的第一和第二标尺式玻璃13和17的格栅重复周期作比较，并检测图1的工作台1的位移。

现在，将对根据本发明的一个实施例的工作台垂直位移测量装置的工作过程作详细描述。

为了测量工作台1的初始位置，开启光源11、接收部分23和电路部分30。这时，光源11发射光，照射到第二标尺式玻璃17，接收部分23接收从光源11发射后被第二标尺式玻璃17反射的光。在这种情况下，由于工作台1还没有移动，波形整形/计数装置37的计数值为零。

此后，工作台1被一个驱动电机(未示出)带动沿垂直方向上移动。活动部分20与工作台1联动，移动宽度为工作台的垂直位移。因为第二标尺式玻璃17相对于第一标尺式玻璃13间相对位置发生改变，因而，由于弗琅荷弗衍射现象，被反射区域18反射后再被接收部分23接收的衍射光的分布也要改变。也就是说，光的波形作周期性改变。从接收部分23输出的电流信号有着和光的波形相一致的交流分量。这个电信号经电流—电压转换器31、32、33和34，以及第一和第二差分放大器35和36被输入到波形整形/计数装置37，波形整形/计数装置37对与光的波形周期性变化相一致的被整形的波形的进行计数。运算器38利用计数后的信号及格栅重复周期(2P)来计算工作台1的移动量。所计算的工作台1的移动量和工作台1的实际移动量相一致，并由比较器39把它与工作台1的目标移动量作比较，因而检测出位移偏差。检测出的偏差值被反馈到工作台驱动电机控制器(未示出)，用以对工作台垂直位移的偏差进行调整。

本发明的工作台垂直位移测量装置可以高精度地测量工作台大范围的位置移动，而不必考虑工作台表面的机加工精度，并可避免在输出被检测的位移偏差值期间产生齿隙现象。

Claims (8)

1.一种工作台垂直位移测量装置，包括：

一个产生和发射光的光源；

一个第一标尺式玻璃，具有间隔地排列的透明和不透明区域，用于有选择地衍射和反射从所述光源发射的光；

一个第二标尺式玻璃，与所述工作台相接合，活动地沿所述工作台的垂直方向安装，它具有间隔地排列的反射和透射区域，用于有选择地衍射和反射穿过所述第一标尺式玻璃的光；

一个接收部分，用于接收被所述第二标尺式玻璃反射后透过所述第一标尺式玻璃的光；以及

一个电路部分，它利用所述接收部分接收的信号测量所述工作台的第二标尺式玻璃的位移，并控制所述工作台的垂直位移。

2.根据权利要求1所述的工作台垂直位移测量装置，进一步包括一个配置在所述光源和所述第一标尺式玻璃之间的聚焦透镜，用于聚焦从所述光源发出的光。

3.根据权利要求1所述的工作台垂直位移测量装置，进一步包括一个配置在所述第一标尺式玻璃和所述接收部分之间的聚焦透镜，用于聚焦入射光。

4.根据权利要求1所述的工作台垂直位移测量装置，其中所述的透明区域、不透明区域、反射区域和透射区域的宽度都相等，以获得弗琅荷费衍射。

5.根据权利要求1所述的工作台垂直位移测量装置，其中所述接收部分包括四个光敏感器，用于把所接收的光变换成与所接收的光量相对应的电流。

6.根据权利要求5所述的工作台垂直位移测量装置，其中所述的光敏感器彼此相邻地安装形成晶格状，以便在所述相邻的光敏感器之间产生90°的相位差。

7.根据权利要求6所述的工作台垂直位移测量装置，其中所述电路部分包括：

多个电流—电压转换器，用于把从所述接收部分接收的电流信号转换成电压信号；

第一和第二差分放大器，每一个放大器接收和差分放大由所述电流—电压转换器转换的所述电压信号中其间有180°相位差的两个电压信号；

一个波形整形/计数装置，用于对从所述第一和第二差分放大器输出的信号的波形进行整形，并对整形后的波形计数；

一个运算器，通过对所述波形整形/计数装置的计数值与所述第一和第二标尺式玻璃的格栅重复周期作比较，来计算位移；以及

一个检测偏差值的比较器，通过对计算出的位移与所期望的位移进行比较，输出一个偏差信号给所述工作台的驱动电机控制器。

8.根据权利要求1所述的工作台垂直位移测量装置，其中所述电路部分包括：

多个电流—电压转换器，用于把从所述接收部分接收的电流信号转换成电压信号；

第一和第二差分放大器，每一个放大器用于接收和差分放大由所述电流—电压转换器转换的所述电压信号中其间有180°相位差的两个电压信号；

一个波形整形/计数装置，用于对从所述的第一和第二差分放大器输出的信号的波形进行整形，并对整形后的波形计数；

一个运算器，通过对所述波形整形/计数装置的计数值与所述第一和第二标尺式玻璃的格栅重复周期作比较，来计算位移；以及

一个检测偏差值的比较器，通过对计算出的位移与所期望的位移进行比较，输出一个偏差信号给所述工作台的驱动电机控制器。

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