條紋相移與條紋細分聯合控制的超精密位移定位檢測方法技術

一種儀器及其部件的位置或狀態的調整領域的基于條紋相移與條紋細分聯合控制的超精密位移定位檢測方法，首先對線性位移平臺進行粗定位，當光柵定位距離小于光柵干涉儀參考光柵的光柵常數時，將干涉條紋相移，然后對條紋信號進行細分處理，當線性位移平臺運動到預定的條紋細分結束區間時停止運動，實現微定位。本發明專利技術通過干涉條紋的相移提高檢測分辨率，通過低倍數的條紋細分完成模擬量檢測的反饋控制，進而實現超精密的位移定位檢測控制。

【技術實現步驟摘要】
條紋相移與條紋細分聯合控制的超精密位移定位檢測方法
本專利技術涉及的是一種儀器及其部件的位置或狀態的調整領域的方法，具體是一種基于條紋相移與條紋細分聯合控制的超精密位移定位檢測方法。
技術介紹
對運動部件的機械位移進行高精度檢測與控制是一個十分復雜的過程，特別是隨著高
的不斷拓展，在微細加工領域和生物操作等領域的特征尺寸越來越精細，對超精密檢測與定位控制的要求越來越高，隨著各種先進測控手段的不斷引入，超精密定位精度正在向納米級、亞納米級尺度快速發展；在宏觀尺度上，長行程超精密定位越來越受到重視。超精密定位系統的定位精度受到位移檢測系統測量分辨率的限制很大，位置檢測系統的分辨率通常要高出機械定位系統定位精度的十倍，經對現有技術的文獻檢索發現，目前，在超精密定位檢測控制系統中的測量方法主要有：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。有很多關于光柵定位的理論和應用研究，采用光柵信號細分的方法，傳統的條紋細分為達到超精密檢測，至少需要1000細分以上，這對原始條紋信號波形的失真提出了苛刻要求，實際應用中難以實現。經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN102136300，公開日2011-7-27，公開了一種超精密定位臺，以及將粗定位、精定位和超精定位相結合的三段組合式定位方法。其中：粗定位采用計算機視覺定位方法，定位臺在較大的工作行程范圍內大部驅動粗定位機構移動，快速完成粗定位；精定位采用粗光柵定位方法，計算機再依據粗光柵產生的莫爾信號大小和極性，判斷出位置偏差，以較快速度驅動粗定位機構移動，完成精定位；超精定位采用細光柵定位方法，采用壓電陶瓷微位移驅動器，以確保高的定位精度。但該技術的粗精定位與超精定位采用粗細兩塊光柵，在光柵拼接的過渡過程易引入誤差；另外，其粗精定位采用粗定位機構、超精定位采用壓電陶瓷位移驅動器，屬于兩層運動平臺，在運動轉換階段粗精定位平臺運動會對上層臺的超精定位的起點基準產生影響而引入誤差。
技術實現思路
本專利技術針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于條紋相移與條紋細分聯合控制的超精密位移定位檢測方法，通過干涉條紋的相移提高檢測分辨率，通過低倍數的條紋細分完成模擬量檢測的反饋控制，進而實現超精密的位移定位檢測控制。本專利技術是通過以下技術方案實現的：本專利技術首先對線性位移平臺進行粗定位，當光柵定位距離小于光柵干涉儀參考光柵的光柵常數時，將干涉條紋相移，然后對條紋信號進行細分處理，當線性位移平臺運動到預定的條紋細分結束區間時停止運動，實現微定位；所述的微定位的具體包括以下步驟：步驟一、將參考光柵固定于單層的線性位移平臺上，通過成像透鏡于視場中形成干涉條紋，通過一個光電傳感器檢測該干涉條紋；步驟二、將光電傳感器通過相移裝置于視場中向上或向下移動，對干涉條紋產生相移，記錄相移起始點時光電傳感器的信號大小X，并判斷該點斜率符號，具體為：根據線性平臺運動速度確定采樣頻率，繼續采集下一數據點獲得采樣值Y，若X>Y，則起始點處斜率為負；若X<Y，則起始點處斜率為正。步驟三、對光電傳感器的信號進行連續數據采集，當采集數據顯示線性位移平臺到達條紋細分結束區間，則同樣判斷此時采集點的斜率符號，當該點的斜率與起始點的斜率符號相同，即找到了幅值相同、變化方向相同的周期點，線性位移平臺停止運動，完成微定位。所述的條紋細分是指：對光電傳感器信號進行連續數據采集，使采樣點數在時間軸上均勻分布，其中：一個光電信號周期中的有效采樣點數即為細分倍數。所述的條紋細分結束區間是由參考光柵輸出的光強信號質量確定的區間。所述的數據采集的對象是指光電傳感器的輸出信號。所述的光電傳感器向上移動或向下移動的依據為線性平臺的移動方向。所述的相移后的條紋增量Δ，即檢測信號分辨率為：其中：Δx為條紋細分結束區間不確定度，Δw為光電傳感器的相移，w為條紋間距，d為參考光柵常數，k為衍射級次。所述的條紋細分結束區間不確定度是指起始點采樣信號的百分比，是根據參考光柵輸出的光強信號質量而人為設定的，有助于判斷細分過程是否結束。所述的粗定位是指：直接將參考光柵輸出的信號整形后作為檢測反饋脈沖，對線性位移平臺進行定位控制。本專利技術涉及一種實現上述定位方法的裝置，包括：光柵干涉儀、線性位移平臺、成像透鏡、光電傳感器、相移裝置和控制器，其中：光柵干涉儀設置于線性位移平臺上，光柵干涉儀通過成像透鏡于視場中形成干涉條紋，用于檢測干涉條紋的光電傳感器設置于相移裝置上，相移裝置和線性位移平臺的移動由控制器控制，光電傳感器的檢測所產生的數據信號傳輸至控制器。本專利技術通過干涉條紋的相移提高檢測分辨率，通過低倍數的條紋細分完成模擬量檢測的反饋控制，進而實現超精密的位移定位檢測控制。附圖說明圖1為實施例1條紋相移和細分方法示意圖；圖2為實施例2的結構示意圖。具體實施方式下面對本專利技術的實施例作詳細說明，本實施例在以本專利技術技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本專利技術的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例首先對線性位移平臺進行粗定位，當光柵定位距離小于光柵干涉儀1參考光柵的光柵常數時，將干涉條紋相移，然后對條紋信號進行細分處理，當線性位移平臺運動2到預定的條紋細分結束區間時停止運動，實現微定位；所述的粗定位是指：直接將光柵干涉儀1的參考光柵輸出的信號整形后作為檢測脈沖，對線性位移平臺2進行定位控制本實施例光柵干涉儀1參考光柵的光柵常數為2μm，光柵干涉儀1激光光源波長為638nm，設定條紋細分結束區間不確定度為±5％。所述的粗定位具體步驟包括：粗定位時，驅動線性位移平臺2運動，將光柵干涉儀1輸出信號整形后輸入控制器6，對線性位移平臺2的位移進行控制，當線性位移平臺2的定位位移小于參考光柵常數時完成粗定位過程。所述的微定位過程包括：步驟一、調整光柵干涉儀1使成像視場中只有一條干涉條紋，將單個光電傳感器4對準條紋，調整成像透鏡3與成像面距離，使條紋間距為2.5cm；步驟二、隨著粗定位過程的結束，通過控制器6驅動音圈電機相移裝置5，使光電傳感器4在條紋視場中向上移動25μm，到達B點，同時，通過數據采集卡采集相移起始點A處光電傳感器4的信號大小1.327V，下一采樣點數據為1.412V，判斷起始點A的斜率為正；步驟三、通過數據采集卡對光電傳感器4的信號進行連續數據采集，根據線性位移平臺2的移動速度確定采樣頻率，使一個檢測信號周期內有效采樣點數為90，即90細分。當線性位移平臺2到達區間1.261V～1.393V(即1.327V的±5％)時，即C點時，判斷C點的斜率為正，與起始點A的斜率方向相同，控制器6控制線性位移平臺2停止運動，完成微定位。本實施例中，Δx＝5％，Δw＝25μm，w＝2.5cm，d＝2μm，k＝1；則條紋增量即檢測信號分辨率按照前述計算公式，得到：0.95nm～1.05nm。實施例2如圖2所示，本實施例通過以下裝置實現位移的定位檢測控制，該裝置包括：光柵干涉儀1、線性位移平臺2、成像透鏡3、光電傳感器4、相移裝置5和控制器6。其中：線性位移平臺2采用本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于條紋相移與條紋細分聯合控制的超精密位移定位檢測方法，其特征在于，首先對線性位移平臺進行粗定位，當光柵定位距離小于光柵干涉儀參考光柵的光柵常數時，將干涉條紋相移，然后對條紋信號進行細分處理，當線性位移平臺運動到預定的條紋細分結束區間時停止運動，實現微定位；所述的微定位的具體包括以下步驟：步驟一、將參考光柵固定于單層的線性位移平臺上，通過成像透鏡于視場中形成干涉條紋，通過一個光電傳感器檢測該干涉條紋；步驟二、將光電傳感器通過相移裝置于視場中向上或向下移動，對干涉條紋產生相移，記錄相移起始點時光電傳感器的信號大小，并判斷該點斜率符號；步驟三、對光電傳感器的信號進行連續數據采集，當采集數據顯示線性位移平臺到達條紋細分結束區間，則判斷此時采集點的斜率符號，當該點的斜率與起始點的斜率符號相同，即找到幅值相同、變化方向相同的周期點，線性位移平臺停止運動，完成微定位。

【技術特征摘要】
1.一種基于條紋相移與條紋細分聯合控制的超精密位移定位檢測方法，其特征在于，首先對線性位移平臺進行粗定位，當光柵定位距離小于光柵干涉儀參考光柵的光柵常數時，將干涉條紋相移，然后對條紋信號進行細分處理，當線性位移平臺運動到預定的條紋細分結束區間時停止運動，實現微定位；所述的微定位的具體包括以下步驟：步驟一、將參考光柵固定于單層的線性位移平臺上，通過成像透鏡于視場中形成干涉條紋，通過一個光電傳感器檢測該干涉條紋；步驟二、將光電傳感器通過相移裝置于視場中向上或向下移動，對干涉條紋產生相移，記錄相移起始點時光電傳感器的信號大小，并判斷該點斜率符號；步驟三、對光電傳感器的信號進行連續數據采集，當采集數據顯示線性位移平臺到達條紋細分結束區間，則判斷此時采集點的斜率符號，當該點的斜率與起始點的斜率符號相同，即找到幅值相同、變化方向相同的周期點，線性位移平臺停止運動，完成微定位。2.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的斜率符...

【專利技術屬性】
技術研發人員：時輪，陳家寶，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海;31