專利名稱：一種產(chǎn)生三維零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到應(yīng)用于各種儀器設(shè)備及生產(chǎn)制造中利用光的衍射原理進(jìn)行測(cè)量定位的三維零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的計(jì)量光柵技術(shù)采用兩塊刻有平行柵線的光學(xué)玻璃，按一定的間隙重疊放于光路中即會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，通過(guò)對(duì)光電接收器接收的光信號(hào)進(jìn)行判向和記數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一維的精密位移測(cè)量；在一般的計(jì)量光柵如周期性透射光柵中，標(biāo)尺光柵上沒(méi)有零位標(biāo)志，在測(cè)量時(shí)，標(biāo)尺光柵上的任一刻線都可作為零位計(jì)算，該系統(tǒng)屬于增量式測(cè)量系統(tǒng)。我國(guó)《航空精密制造技術(shù)》(2001年8月第37卷第4期，第35到38頁(yè))介紹過(guò)一般的一維光柵，但它只能用于相對(duì)測(cè)量或必須外加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才能進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。
現(xiàn)有的一維零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，是一組在標(biāo)尺光柵和指示光柵上刻制特別編碼的一維條紋。我國(guó)《光學(xué)儀器》(1994年第16卷第3期，第20到25頁(yè))報(bào)道過(guò)對(duì)一維零位光柵的一些性能研究。一維零位光柵于雖然已經(jīng)有了絕對(duì)零位，消除了計(jì)算誤差，但由于其自由度的限制，只能實(shí)現(xiàn)一維方向的對(duì)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)多維測(cè)量，需要增加多個(gè)零位光柵，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
英國(guó)《光學(xué)學(xué)報(bào)》(JOURNAL OF OPTICS APURE AND APPLIED OPTICS，2004年第6期，第106到111頁(yè))介紹了二維平面光柵，這類光柵的缺點(diǎn)在于，由于柵線刻劃誤差、電子細(xì)分能力的有限，其分辨能力只能達(dá)到亞微米級(jí)；而且，該光柵也只是增量系統(tǒng)，即沒(méi)有二維零位標(biāo)記，因此它沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)零位，容易導(dǎo)致計(jì)算誤差，只能用于相對(duì)測(cè)量或必須外加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才能進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。
美國(guó)《科學(xué)儀器評(píng)論》(Design and analysis of two-dimensional zero-reference marksfor alignment systems，JULY 2003，VOLUME 74，NUMBER 7，第3549到3553頁(yè))介紹過(guò)二維零位光柵的具體編碼方法。絕對(duì)零位可由零位光柵和其它光學(xué)器件共同組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。其零位柵線設(shè)計(jì)時(shí)，要求柵線等寬，透光柵線與不透光柵線任意排列，即透光柵線可以與透光柵線相鄰，也可以和不透光柵線相鄰。計(jì)算機(jī)零位柵線設(shè)計(jì)最基本的一點(diǎn)就是利用柵線條紋透光與不透光柵線交替的特點(diǎn)，以“0″表示不透光柵線.以“1″表示透光柵線，則整個(gè)零位柵線序列就可以一個(gè)數(shù)值為0和1的矩陣來(lái)表示；設(shè)D＝u0/up，u0為系統(tǒng)光通量輸出的第2最大值，up為系統(tǒng)光通量輸出的最大值。而D就是光信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)比度，可作為整個(gè)光柵系統(tǒng)的特征值。設(shè)計(jì)光柵的特殊編碼矩陣時(shí)應(yīng)該以對(duì)比度D最小化為目標(biāo)，從而使實(shí)驗(yàn)時(shí)的輸出信號(hào)和光通量強(qiáng)度獲得最好的效果。但現(xiàn)有資料只見(jiàn)到將這種光柵的編碼方法應(yīng)用于一維和二維光柵，還未見(jiàn)將其應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)三維定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種產(chǎn)生三維絕對(duì)零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的方法，以便于在多自由度上相對(duì)于傳統(tǒng)光柵更容易地找到坐標(biāo)原點(diǎn)，減小誤差。
本發(fā)明產(chǎn)生三維絕對(duì)零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的方法，采用下述經(jīng)過(guò)特殊編碼產(chǎn)生零位標(biāo)記的光柵該光柵由柵線等寬的透光柵線與不透光柵線任意排列組成，以“0″表示不透光柵線，以“1″表示透光柵線，將整個(gè)零位柵線序列以一個(gè)數(shù)值為0和1的矩陣來(lái)表示；設(shè)其光信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)比度D＝u0/up，其中u0為系統(tǒng)光通量輸出的第2最大值，up為系統(tǒng)光通量輸出的最大值；使對(duì)比度D小到能滿足系統(tǒng)分辨率的要求；其特征在于采用三塊上述光柵按如下方式相互組合首先將X方向第一塊光柵放在離凸透鏡兩倍焦距處，通過(guò)透鏡成的象，用分束棱鏡成在兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)，分別垂直于X方向和Z方向，再把另外兩塊光柵分別安裝在這兩個(gè)平面內(nèi)，調(diào)整X方向兩塊光柵的相對(duì)角度和/或相對(duì)位置，使兩塊光柵完全對(duì)準(zhǔn)，獲得Y-Z平面內(nèi)的絕對(duì)零位；此后保持X方向第一塊光柵不動(dòng)，調(diào)整Z方向光柵完全對(duì)準(zhǔn)，獲得X-Y平面內(nèi)的絕對(duì)零位，從而獲得最大的光強(qiáng)信號(hào)輸出；對(duì)光電接收器接收的光信號(hào)進(jìn)行判向和記數(shù)，即可對(duì)三維空間中精密位移進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。
由于本發(fā)明三維絕對(duì)零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記采用特殊編碼的二維零位矩陣和分束棱鏡成象在兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)的技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)可以保證兩平面在Y向的零位重合，從而在三維空間內(nèi)形成一個(gè)完善的坐標(biāo)系，能在三維空間上進(jìn)行定位，克服了現(xiàn)有技術(shù)只能進(jìn)行一維或二維平面上定位而不能實(shí)現(xiàn)在三維坐標(biāo)系上進(jìn)行絕對(duì)定位的缺點(diǎn)。本發(fā)明比現(xiàn)有一維和二維零位光柵更適用于多自由度系統(tǒng)的定位，該零位系統(tǒng)的分辨率達(dá)到納米級(jí)，而且X-Y-Z方向的原點(diǎn)重合。


圖1為三維零位光柵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為光柵對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記電鏡照片。
圖3為二維平面內(nèi)光柵對(duì)準(zhǔn)示意圖。
圖4為光強(qiáng)與相對(duì)位移的關(guān)系圖。
圖5是柵格常數(shù)為5μm光柵。
圖6是柵格常數(shù)為0.5μm光柵。
具體實(shí)施例方式下面給合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明產(chǎn)生三維絕對(duì)零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的實(shí)施方式。
實(shí)施例1圖1給出了三維零位光柵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖X方向?yàn)榈谝还廨S方向，Z方向?yàn)榈诙廨S方向；X和Z方向相互垂直。平行光光源1垂直透過(guò)X方向的第一塊光柵2；在光柵2后面的光路上放置著凸透鏡3，其離光柵2的距離為凸透鏡3的兩倍焦距；在凸透鏡3后放置著分束棱鏡4，通過(guò)它后，光柵2的象會(huì)成在兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)，其平面分別垂直于X方向和Z方向，且分束后的第一光軸和第二光軸分別通過(guò)該兩平面；再在這兩個(gè)互相垂直的象面里分別安裝X方向的第二塊光柵5和Z方向的一塊光柵7；通過(guò)調(diào)整光柵5和光柵2的相對(duì)角度和/或相對(duì)位置獲得Y-Z平面內(nèi)的絕對(duì)零位；此后保持光柵2不動(dòng)，通過(guò)調(diào)整光柵7的角度和/或位置來(lái)獲得X-Y平面內(nèi)的絕對(duì)零位。最后，要求3塊光柵等所有光學(xué)器件的所在平面都要垂直于所在光軸，并且光軸都通過(guò)上述平面的中心。通過(guò)這樣的調(diào)節(jié)可以保證兩平面在Y向的零位重合，分別獲得兩個(gè)相互垂直的平面的零位，從而獲得三維絕對(duì)零位，并且在三維空間內(nèi)形成一個(gè)完善的坐標(biāo)系。
本發(fā)明產(chǎn)生三維絕對(duì)零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的方法，采用經(jīng)過(guò)特殊編碼可以產(chǎn)生零位標(biāo)記的光柵，該光柵由柵線等寬的透光柵線與不透光柵線任意排列組成，以“0″表示不透光柵線.以“1″表示透光柵線，將整個(gè)零位柵線序列以一個(gè)數(shù)值為0和1的矩陣來(lái)表示；設(shè)光信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)比度D＝u0/up，其中u0為系統(tǒng)光通量輸出的第2最大值，up為系統(tǒng)光通量輸出的最大值；對(duì)比度D盡量小，滿足于系統(tǒng)分辨率的要求；設(shè)計(jì)光柵的特殊編碼矩陣時(shí)應(yīng)該以對(duì)比度D最小化為目標(biāo)，從而使實(shí)驗(yàn)時(shí)的輸出信號(hào)和光通量強(qiáng)度獲得最好的效果。
圖2為表示光柵對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記電鏡照片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記是在二維方向上進(jìn)行特殊編碼，圖中黑色表示該光柵單元不透光，白色則表示相應(yīng)的光柵透光。
圖3是其應(yīng)用的一個(gè)示意圖從平行光光源1發(fā)出的平行光通過(guò)光柵2，前后兩塊光柵是特殊編碼的標(biāo)記光柵，前一塊光柵通過(guò)透鏡3成等大的實(shí)像在第二塊光柵5的平面上，從而實(shí)現(xiàn)兩光柵的疊加。調(diào)節(jié)過(guò)程中，通過(guò)四維調(diào)整架來(lái)保證第二塊光柵5與第一塊光柵2的象完全重合，用光電探測(cè)器6接收信號(hào)。
在平行光照明光路中，用光電探測(cè)器6配以后續(xù)信號(hào)處理電路來(lái)探測(cè)輸出的光強(qiáng)，在其透過(guò)光強(qiáng)與相對(duì)位移的關(guān)系圖中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖銳脈沖輸出，圖4給出了光強(qiáng)與相對(duì)位移的關(guān)系圖，圖中光強(qiáng)單位任意，位移單位是光柵單元寬度。由圖4可說(shuō)明，只有當(dāng)兩塊標(biāo)記完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)，輸出最大，如果相對(duì)位置稍有偏離，信號(hào)輸出會(huì)迅速減弱。該脈沖半寬只有一個(gè)光柵單元寬度。控制光柵單元寬度在微米范圍內(nèi)，則對(duì)準(zhǔn)精度相應(yīng)的在微米范圍，當(dāng)對(duì)準(zhǔn)信號(hào)細(xì)分一定倍率后，容易獲得納米量級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度。
由于零位光柵是由許多個(gè)0和1單元按照一定的編碼規(guī)律排列而成，具有多單元的累計(jì)效應(yīng)，對(duì)加工誤差不敏感。其脈沖式的光強(qiáng)輸出可作為系統(tǒng)三維方向測(cè)量的絕對(duì)零位，也可用于高精度、高靈敏度的對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精密定位和絕對(duì)測(cè)量。這種三維零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記可以廣泛應(yīng)用于高分辨率高精度的三維對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中。
本實(shí)施例中采用的光柵標(biāo)記細(xì)分系數(shù)為64。
由于脈沖半寬只有一個(gè)光柵單元寬度，同樣編碼的光柵通過(guò)不同加工方式獲得不同的單元寬度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可變換精度，如圖5、6所示圖5是柵格常數(shù)為5μm光柵，圖6是柵格常數(shù)為0.5μm光柵。在不改變系統(tǒng)其他部件的前提下，可以十分簡(jiǎn)便地滿足不同精度場(chǎng)合下的要求。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得到二十納米的對(duì)準(zhǔn)精度，使用電子束光刻所得的單元寬度為0.5微米的光柵即可得到納米級(jí)的精度，這樣在使用過(guò)程中就可以選擇最經(jīng)濟(jì)的方式獲得需要的精度。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生三維絕對(duì)零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的方法，采用下述經(jīng)過(guò)特殊編碼產(chǎn)生零位標(biāo)記的光柵該光柵由柵線等寬的透光柵線與不透光柵線任意排列組成，以“0″表示不透光柵線，以“1″表示透光柵線，將整個(gè)零位柵線序列以一個(gè)數(shù)值為0和1的矩陣來(lái)表示；設(shè)其光信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)比度D＝u0/up，其中u0為系統(tǒng)光通量輸出的第2最大值，up為系統(tǒng)光通量輸出的最大值；使對(duì)比度D小到能滿足系統(tǒng)分辨率的要求；其特征在于采用三塊上述光柵按如下方式相互組合首先將X方向第一塊光柵放在離凸透鏡兩倍焦距處，通過(guò)透鏡成的象，用分束棱鏡成在兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)，分別垂直于X方向和Z方向，再把另外兩塊光柵分別安裝在這兩個(gè)平面內(nèi)，調(diào)整X方向兩塊光柵的相對(duì)角度和/或相對(duì)位置，使兩塊光柵完全對(duì)準(zhǔn)，獲得Y-Z平面內(nèi)的絕對(duì)零位；此后保持X方向第一塊光柵不動(dòng)，調(diào)整Z方向光柵完全對(duì)準(zhǔn)，獲得X-Y平面內(nèi)的絕對(duì)零位，從而獲得最大的光強(qiáng)信號(hào)輸出；對(duì)光電接收器接收的光信號(hào)進(jìn)行判向和記數(shù)，即可對(duì)三維空間中精密位移進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明產(chǎn)生三維絕對(duì)零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的方法，特征是采用三塊經(jīng)過(guò)特殊編碼產(chǎn)生零位標(biāo)記的光柵將X方向第一塊光柵放在凸透鏡兩倍焦距處，用鏡分束棱將通過(guò)透鏡的象成在兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)，分別垂直于X方向和Z方向，再把另外兩塊光柵分別置于這兩個(gè)平面內(nèi)，調(diào)整X方向兩塊光柵的相對(duì)角度和/或相對(duì)位置使其完全對(duì)準(zhǔn)，獲得Y－Z平面內(nèi)的絕對(duì)零位；保持X方向第一塊光柵不動(dòng)，調(diào)整Z方向光柵完全對(duì)準(zhǔn)，獲得X－Y平面內(nèi)的絕對(duì)零位，從而獲得最大的光強(qiáng)信號(hào)輸出；對(duì)光電接收器接收的光信號(hào)進(jìn)行判向和記數(shù)，即可對(duì)三維空間中精密位移進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。本發(fā)明適用于多自由度系統(tǒng)的定位，比傳統(tǒng)的光柵系統(tǒng)分辨能力更強(qiáng)，能精確到納米級(jí)；更容易找到坐標(biāo)原點(diǎn)，消除誤差。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1963401SQ200510095558
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月8日
發(fā)明者黃文浩, 周成剛, 王英男, 葉錫標(biāo) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)