專利名稱：工作臺垂直位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超精密伺服控制系統(tǒng)中的工作臺垂直位移測量裝置，特別涉及一種利用弗瑯荷費(fèi)衍射對工作臺垂直位移進(jìn)行測量和控制的工作臺垂直位移測量裝置。
檢測和控制超精密工作臺的位置要求有很高的精確度。為此目的，人們用線性標(biāo)度尺或激光干涉儀測量水平方向(x和y方向)上的位移。而在垂直方向(Z方向)上，使用了各種類型的敏感器件。測量結(jié)果反饋到工作臺中的控制器，從而根據(jù)位移來調(diào)整工作臺的位置。
現(xiàn)有的超精密工作臺垂直位移測量裝置是使用由以下三種方法之一檢測出的信號進(jìn)行位移控制的。
第一種，位移可由安裝在工作臺頂部的一個光敏感器檢測。但是，由于工作臺表面機(jī)加工的不精確，光可能被分散。
第二種，位移可由安裝在工作臺的垂直驅(qū)動部分上的一個編碼器檢測。垂直驅(qū)動部分包括一個驅(qū)使工作臺沿垂直方向上運(yùn)動的電機(jī)，一個把電機(jī)的轉(zhuǎn)動變換成工作臺位移的傳送齒輪。工作臺的垂直位移通過連接在電機(jī)上的編碼器的信息進(jìn)行計算。但由于齒輪的齒隙現(xiàn)象，精度變差。
第三種，位移可由安裝在工作臺底面上的一個壓電器件檢測。在這種情況下，位移通過施加在壓電器件上的壓力來測量。這樣，就能非常精確地檢測出工作臺的位移。但是，這種可檢測的位移僅局限在幾個μm的范圍里，并且受環(huán)境條件，如振動等的影響大。
本發(fā)明的目的是提供一種測量工作臺垂直位移的裝置。用此裝置，可以非常精確地在大范圍內(nèi)測量位移，并且，當(dāng)輸出被檢測的位移時可避免齒隙。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，提供了一種工作臺垂直位移測量裝置。此裝置包括一個用于產(chǎn)生和發(fā)射光的光源；一個第一標(biāo)尺式玻璃，具有間隔地排列的透明區(qū)域和不透明區(qū)域，用于有選擇地衍射和反射從光源發(fā)射的光；一個第二標(biāo)尺式玻璃，它通過與工作臺相接合，活動地沿工作臺的垂直方向安裝，它具有間隔地排列的反射區(qū)域和透射區(qū)域，用于有選擇地衍射和反射通過第一標(biāo)尺式玻璃的光；一個接收部分，用于接收被第二標(biāo)尺式玻璃反射后又透射過第一標(biāo)尺式玻璃的光；一個電路部分，它利用接收部分接收的信號測量工作臺的第二標(biāo)尺式玻璃的位移，并控制工作臺的垂直位移。
下面，通過參考附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將更為明顯。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的工作臺垂直位移測量裝置的示意圖；圖2是表示圖1中第一和第二標(biāo)尺式玻璃的示意圖；以及圖3是圖1中接收部分和電路部分的示意圖。
參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的工作臺垂直位移的測量裝置包括一個固定部分10和一個活動部分20，活動部分20與工作臺1聯(lián)動，并相對工作臺1作垂直方向(Z方向)的移動。工作臺1在水平方向(x和y方向)和垂直方向(Z方向)上被驅(qū)動，以使一個配置在x-y平面上的部件(未示出)移動。這里，工作臺1的水平位移由一個標(biāo)準(zhǔn)的線性標(biāo)尺或激光干涉儀測量。
固定部分10包括一個光源11，用于產(chǎn)生和發(fā)射光；一個第一標(biāo)尺式玻璃13，用于有選擇地衍射和透射從光源11發(fā)射來的光；一個接收部分23，用于接收由活動部分20反射的光，并把此光變換成與所接收光量相應(yīng)的電流信號；一個電路部分30，用于通過處理由接收部分23傳來的信號計算位移，并把偏差量傳給工作臺1的驅(qū)動電機(jī)(未示出)。此外，固定部分10還包括一個位于光源11和第一標(biāo)尺式玻璃13之間的第一聚焦透鏡12，用于聚焦光源發(fā)出的光；以及一個位于第一標(biāo)尺式玻璃13和接收部分23之間光路上的第二聚焦透鏡22，用于聚焦照射到接收部分23的入射光。
活動部分20包括一個第二標(biāo)尺式玻璃17，第二標(biāo)尺式玻璃17上間隔地形成反射區(qū)域18和吸收區(qū)域19，用以有選擇地反射或吸收從固定部分10接收來的光?；顒硬糠?0通過一個連接器21連接在工作臺1上，并和工作臺1一起沿垂直方向(Z方向)運(yùn)動。這樣，第二標(biāo)尺式玻璃17沿Z軸移動的距離與工作臺1的垂直位移相同。由第二標(biāo)尺式玻璃17反射的光量隨活動部分20的位置而改變。
參照圖2，第一標(biāo)尺式玻璃13由許多間隔排列的透明區(qū)域14和不透明區(qū)域15構(gòu)成。透明區(qū)域14和不透明區(qū)域15重復(fù)形成的周期被表示為“格柵重復(fù)周期”，周期值為2P。來自圖1中的光源11照射在透明區(qū)域14上的光透過，而照射在不透明區(qū)域15上的光被擋住。由于弗瑯荷費(fèi)衍射現(xiàn)象，從光源11發(fā)射出的光透過透明區(qū)域14后被衍射成零級衍射光，±1級衍射光，±2級衍射光等。
入射在第二標(biāo)尺式玻璃17上的光在反射區(qū)域18被衍射為零級衍射光，±1級衍射光，±2級衍射光等，并被反射。一部分衍射光和反射光透射過第一標(biāo)尺式玻璃13的透明區(qū)域14到達(dá)圖1的接收部分23。
第一標(biāo)尺式玻璃13的透明和非透明區(qū)域14和15，以及第二標(biāo)尺式玻璃17的反射和透射區(qū)域18和19的寬度最好完全相同。這時，根據(jù)所發(fā)生的弗瑯荷費(fèi)衍射現(xiàn)象能夠準(zhǔn)確地測量出活動部分20的位移。
弗瑯荷費(fèi)衍射是一種在離衍射體有效無限遠(yuǎn)距離處觀察到的平行光的衍射現(xiàn)象。由于從光源11發(fā)射出并通過第一和第二標(biāo)尺式玻璃13和17照射到接收部分23的光的光路與第一和第二標(biāo)尺式玻璃13和17的每一個區(qū)域的寬度(P)相比長得多，該光路則可以假定為無限長。利用弗瑯荷費(fèi)衍射，通過λ/(衍射的格柵間隔)可以提高精度，因此就可能高精度地測量位移，并且，和與本發(fā)明具有同樣測量精度的現(xiàn)有敏感器相比，本發(fā)明的位移測量范圍大得多。
下面描述從光源11發(fā)射出的光照射在接收部分23上所行進(jìn)的光路。
穿透第一標(biāo)尺式玻璃13的透明區(qū)域14的光被衍射為零級衍射光(L1)，+1級衍射光(L2)，-1級衍射光(L3)，+2級衍射光(L4)，-2級衍射光(L5)等。
光在第二標(biāo)尺式玻璃17的反射區(qū)域18中被衍射和反射。也就是說，零級衍射光(L1)在反射區(qū)域18中被衍射成零級衍射光(a2)，+1級衍射光(a1)和-1級衍射光(a3)，并被反射。這里，-1級衍射光(a3)再一次照射到第一標(biāo)尺式玻璃13的透明區(qū)域14上，然后行進(jìn)到接收部分23。同樣，+1級衍射光(L2)在其它反射區(qū)域18中衍射為零級衍射光(b2)，+1級衍射光(b1)和-1級衍射光(b3)，并被反射。這里，+1級衍射光(b1)透射過第一標(biāo)尺式玻璃13的透明區(qū)域14到達(dá)接收部分23上。
由接收部分23接收的衍射光的分布隨活動部分20相對于圖1的固定部分10的位置而改變。通過測量出光的分布就能對工作臺1進(jìn)行非常精確的位移測量。
接收部分和電路部分的連接圖較詳細(xì)地展示于圖3中。參照圖3，接收部分23包括四個光敏感器P1，P2，P3和P4，用于把所接收的光轉(zhuǎn)變?yōu)榕c所接收的光量成比例的電流。由于各自獨(dú)立工作的光敏感器彼此相鄰地安裝成一個晶格形式，因而各光敏感器P1、P2、P3和P4接收的光之間可產(chǎn)生相位差。即，在相鄰的光敏感器P1、P2、P3和P4之間有90°的相位差，并且光敏感器P2、P3和P4相對于光敏感器P1分別有90°、180°和270°的相位差。
電路部分30包括四個電流—電壓轉(zhuǎn)換器31、32、33和34，它們分別連接在光敏感器P1、P2、P3和P4的輸出端，用于把電流轉(zhuǎn)換成電壓信號；第一和第二差分放大器35和36，分別接收被電流—電壓轉(zhuǎn)換器31、32、33和34轉(zhuǎn)換的諸電壓信號中有著180°相位差的兩個電壓信號，并把這兩個所接收的信號差分放大；一個波形整形/計數(shù)裝置37，用于對第一和第二差分放大器35和36輸出信號的波形進(jìn)行整形并對整形后的信號計數(shù)；一個運(yùn)算器38，用于接收波形整形/計數(shù)裝置37的計數(shù)值并計算出圖1中工作臺1的位移量；以及一個比較器39，用于把檢測出的位移和所期望的位移進(jìn)行比較，并把一個偏差信號傳送給電機(jī)控制部分(未示出)。電機(jī)控制部分驅(qū)動工作臺以檢測偏差值，并修正這個偏差。
第一和第二差分放大器35和36通過把其間有180°相位差的信號差分放大來消除包含在每一個所接收信號中的噪聲，并把消除了噪聲的信號放大到適于信號處理的電平。波形整形/計數(shù)裝置37把第一和第二差分放大器35和36輸出的正弦和余弦波變成矩形波，并乘以4倍。運(yùn)算器38把接收的計數(shù)值與圖1的第一和第二標(biāo)尺式玻璃13和17的格柵重復(fù)周期作比較，并檢測圖1的工作臺1的位移。
現(xiàn)在，將對根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的工作臺垂直位移測量裝置的工作過程作詳細(xì)描述。
為了測量工作臺1的初始位置，開啟光源11、接收部分23和電路部分30。這時，光源11發(fā)射光，照射到第二標(biāo)尺式玻璃17，接收部分23接收從光源11發(fā)射后被第二標(biāo)尺式玻璃17反射的光。在這種情況下，由于工作臺1還沒有移動，波形整形/計數(shù)裝置37的計數(shù)值為零。
此后，工作臺1被一個驅(qū)動電機(jī)(未示出)帶動沿垂直方向上移動。活動部分20與工作臺1聯(lián)動，移動寬度為工作臺的垂直位移。因為第二標(biāo)尺式玻璃17相對于第一標(biāo)尺式玻璃13間相對位置發(fā)生改變，因而，由于弗瑯荷弗衍射現(xiàn)象，被反射區(qū)域18反射后再被接收部分23接收的衍射光的分布也要改變。也就是說，光的波形作周期性改變。從接收部分23輸出的電流信號有著和光的波形相一致的交流分量。這個電信號經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換器31、32、33和34，以及第一和第二差分放大器35和36被輸入到波形整形/計數(shù)裝置37，波形整形/計數(shù)裝置37對與光的波形周期性變化相一致的被整形的波形的進(jìn)行計數(shù)。運(yùn)算器38利用計數(shù)后的信號及格柵重復(fù)周期(2P)來計算工作臺1的移動量。所計算的工作臺1的移動量和工作臺1的實(shí)際移動量相一致，并由比較器39把它與工作臺1的目標(biāo)移動量作比較，因而檢測出位移偏差。檢測出的偏差值被反饋到工作臺驅(qū)動電機(jī)控制器(未示出)，用以對工作臺垂直位移的偏差進(jìn)行調(diào)整。
本發(fā)明的工作臺垂直位移測量裝置可以高精度地測量工作臺大范圍的位置移動，而不必考慮工作臺表面的機(jī)加工精度，并可避免在輸出被檢測的位移偏差值期間產(chǎn)生齒隙現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種工作臺垂直位移測量裝置，包括一個產(chǎn)生和發(fā)射光的光源；一個第一標(biāo)尺式玻璃，具有間隔地排列的透明和不透明區(qū)域，用于有選擇地衍射和反射從所述光源發(fā)射的光；一個第二標(biāo)尺式玻璃，與所述工作臺相接合，活動地沿所述工作臺的垂直方向安裝，它具有間隔地排列的反射和透射區(qū)域，用于有選擇地衍射和反射穿過所述第一標(biāo)尺式玻璃的光；一個接收部分，用于接收被所述第二標(biāo)尺式玻璃反射后透過所述第一標(biāo)尺式玻璃的光；以及一個電路部分，它利用所述接收部分接收的信號測量所述工作臺的第二標(biāo)尺式玻璃的位移，并控制所述工作臺的垂直位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作臺垂直位移測量裝置，進(jìn)一步包括一個配置在所述光源和所述第一標(biāo)尺式玻璃之間的聚焦透鏡，用于聚焦從所述光源發(fā)出的光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作臺垂直位移測量裝置，進(jìn)一步包括一個配置在所述第一標(biāo)尺式玻璃和所述接收部分之間的聚焦透鏡，用于聚焦入射光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作臺垂直位移測量裝置，其中所述的透明區(qū)域、不透明區(qū)域、反射區(qū)域和透射區(qū)域的寬度都相等，以獲得弗瑯荷費(fèi)衍射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作臺垂直位移測量裝置，其中所述接收部分包括四個光敏感器，用于把所接收的光變換成與所接收的光量相對應(yīng)的電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工作臺垂直位移測量裝置，其中所述的光敏感器彼此相鄰地安裝形成晶格狀，以便在所述相鄰的光敏感器之間產(chǎn)生90°的相位差。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的工作臺垂直位移測量裝置，其中所述電路部分包括多個電流—電壓轉(zhuǎn)換器，用于把從所述接收部分接收的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；第一和第二差分放大器，每一個放大器接收和差分放大由所述電流—電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的所述電壓信號中其間有180°相位差的兩個電壓信號；一個波形整形/計數(shù)裝置，用于對從所述第一和第二差分放大器輸出的信號的波形進(jìn)行整形，并對整形后的波形計數(shù)；一個運(yùn)算器，通過對所述波形整形/計數(shù)裝置的計數(shù)值與所述第一和第二標(biāo)尺式玻璃的格柵重復(fù)周期作比較，來計算位移；以及一個檢測偏差值的比較器，通過對計算出的位移與所期望的位移進(jìn)行比較，輸出一個偏差信號給所述工作臺的驅(qū)動電機(jī)控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作臺垂直位移測量裝置，其中所述電路部分包括多個電流—電壓轉(zhuǎn)換器，用于把從所述接收部分接收的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；第一和第二差分放大器，每一個放大器用于接收和差分放大由所述電流—電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的所述電壓信號中其間有180°相位差的兩個電壓信號；一個波形整形/計數(shù)裝置，用于對從所述的第一和第二差分放大器輸出的信號的波形進(jìn)行整形，并對整形后的波形計數(shù)；一個運(yùn)算器，通過對所述波形整形/計數(shù)裝置的計數(shù)值與所述第一和第二標(biāo)尺式玻璃的格柵重復(fù)周期作比較，來計算位移；以及一個檢測偏差值的比較器，通過對計算出的位移與所期望的位移進(jìn)行比較，輸出一個偏差信號給所述工作臺的驅(qū)動電機(jī)控制器。
全文摘要
一種工作臺垂直位移測量裝置，包括一個固定部分和一個活動部分。該固定部分包括一個光源；一個用于有選擇地衍射和透射從光源發(fā)射的光的第一標(biāo)尺式玻璃；一個接收部分，用于接收透射過該第一標(biāo)尺式玻璃的光；以及一個電路部分。第一標(biāo)尺式玻璃上間隔地形成多個透明和不透明區(qū)域。該活動部分包括一個活動地沿垂直方向安裝在工作臺的第二標(biāo)尺式玻璃，其上有多個間隔形成的反射區(qū)域和透射區(qū)域。
文檔編號G01B11/00GK1168968SQ9711163
公開日1997年12月31日 申請日期1997年4月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月16日
發(fā)明者曹廷鎬 申請人:三星航空產(chǎn)業(yè)株式會社