基于反射式激光莫尔信号的精密定位控制

　　1　引　　言

　　超精密自动定位激光测量技术是精密加工产业、电子器件组装线、高清晰显示器制造、半导体器件制造等领域的关键性基础性技术。利用激光莫尔信号进行精密自动定位技术是当今世界采用的一种高新技术方法。

　　本文在研究了反射式激光莫尔信号特性的基础上,提出利用两组激光莫尔信号传感器,取其反射产生的0次激光莫尔信号的差信号为控制信号,由微机控制实现装置的精密自动定位,取得了纳米级高精度定位实验结果。对集成电路制造技术等精密加工工程领域具有重要的实用价值。

　　2　反射式激光莫尔信号位移特性

　　传感器组成如图1所示,2片衍射光栅平行设置,激光光束垂直入射光栅,由激光的衍射产生反射的0次莫尔光信号Ψr(Δx,G)0,该信号由光电二极管检测后转换为电信号。

　　反射的0次莫尔信号强度随两片光栅间的相对位移呈周期性变化,其理论关系式由(1)至式(4)所示。

　　取光栅间的间距G为参变量,反射式激光莫尔信号的位移特性数值计算结果如图2(a)所示。公式中k=2π/λ为波数,λ为波长,光栅栅条间的周期间隔为P;两片光栅间的间距为G,2M+1为激光束所对应的衍射光栅缝隙条数,W1为第一片透射光栅的栅条间的间隙距离;W2为第二片反射光栅的栅条间的间隙距离,W1/P=0.44;W2/P=0.56,α=0.2,Δx为两片光栅的相对位移。

　　图2(b)为测定的实验结果,实验所用的激光光源为He-Ne激光,波长λ=633nm,所用光栅的P=200μm,实验结果表明,反射式激光莫尔信号位移特性的实验测定结果与理论计算结果相符。

　　3　差动式精密定位控制方法

　　差动法使用二组衍射光栅(AC;BD),使二组光栅设置有180°的相位差,被检测的两组反射0次莫尔信号为I1和I2,取两组信号的差值(Sd=I1-I2),经计算机处理后得到差动控制信号,两组信号的交点即为精密定位控制点,在精密定位控制时一片光栅固定,另一片固定在精密驱动装置上,根据信号的大小和正负由微机控制精密驱动,控制范围为精密定位控制点两侧±P/2。由于差动法取的是两组莫尔信号的交点为精密定位点,即使激光源的光强度变化及光栅间的间距调整,装置其精密定位点的位置不会受到影响。而且两组莫尔光信号中含有的同相噪声成份,在差动控制信号中得到最大程度的削弱,使控制信号具有很好的信噪比,有利于装置的定位精度提高。所以差动法是精密定位装置非常有效的定位方法。

　　4　精密定位实验

　　实验控制系统如图3所示。实验所用衍射光栅的P=25μm;两片光栅间的间距G=1mm。驱动精密装置的电脉冲(经微步化后)的单位脉冲最小移动距离为14nm,装置根据设定的脉冲频率由微机控制定速移动至定位控制点。装置定位的机械移动速度越快,控制信号中噪声成份也越大,控制信号的噪声成份过大甚至会影响定位精度。为此本实验装置微机采样及控制循环时间设定为0.3s。实验结果如图4所示,利用该实验装置的精密定位精度可达到±16nm。图5表示精密定位点精度对应的实验分布次数。横轴为定位精度;纵轴为精度所对应的实验次数,定位实验的次数为100次以上,所有精密定位实验的精度都在±16nm范围之内。