基于莫尔信号的精密位移测量与控制的研究

　　1　引　言

　　精密位移测量及定位技术是一项与许多生产实践密切相关的高新技术,它在精密加工、半导体器件制造、电子产品组装线、高清晰显示器件制作及纳米技 术研究开发等领域具有广泛的应用。近年来随着精密检测及定位技术的不断创新,利用激光莫尔信号来检测位移误差,从而实现高精度定位的方法已成为研究的重点 [1—3]。本文在研究双级衍射光栅系统的基础上,提出了一种精密位移测量与定位的新方法,取零次激光莫尔信号为控制信号,由微机控制实现高精度位置检测 及全自动精密定位,系统可获得得5nm的位移分辨率及±0·4μm的定位精度。

　　2　双光栅位移测量原理

　　两片衍射光栅平行设置,如图1所示,当激光光束垂直入射光栅1缝隙上时,由于光栅的衍射形成莫尔信号,由菲涅耳衍射积分公式,可得光栅2前面P点处的衍射光复振幅(在柱座标下)为[4]

　　当激光光束所覆盖的光栅条数为2M+1时,则由式(1)可得P点的衍射光复振幅U1(x1,G)为

　　式中r = [G2+(Δx+ md)2]1/2;Δx = x1-x0为两片光栅之间的相对位移;k=2π/λ为波数;λ为激光波长;d为光栅常数;G为两光栅间距;b1为第一片光栅的光栅缝隙宽度。

　　经光栅1衍射形成的衍射光U1(x1,G),再经光栅2二次衍射,设光栅2的透光特性函数为T(x1-Δx),则在光栅2出射处的二次衍射光复振幅为

　　对式(4)采用Gauss数值积分法和Newton迭代法进行计算机数值运算和分析,并将仿真计算得到的数据再采用MATLAB工具进行显示, 如图2所示。由图2可见,莫尔信号强度随两片光栅的相对位移呈周期性变化,同时也随两光栅的间距呈周期性变化,特别是当光栅距离G为d2/λ的整数倍时, 光强幅度变化最大,与理论分析相符。这说明经双光栅衍射后的0次光光强变化具有稳定的规律性,且0次光在各级衍射光中光强最强,非常适合于精密位移测量及 控制。

　　依据上述关系,通过光电二极管将透射的0次莫尔光转换为电信号,并由计算机检测0次莫尔光信号强度,从而确定两片光栅间的相对位移Δx。

　　3　精密位移测量与定位系统

　　3.1　系统构成

　　依据上述原理,设计精密位移测量与控制装置如图3所示。装置由激光器、分光镜、精密定位台、光电二极管、信号处理电路、工业控制计算机、步进电 机、机械驱动机构等组成。精密定位台设有粗动台和微动台两种,分别内嵌一块刻有光栅的玻璃,粗动台完成粗定位,粗定位精度为±d/2。精密定位时,粗动台 固定,微动台由精密驱动机构驱动。精密驱动机构采用脉冲细分式驱动步进电机,并通过高精度阿基米德螺旋线凸轮将细分后步进电机的微小角度量转化为微米级的 直线位移量,以满足定位控制的需要。最终的定位误差将主要依靠计算机闭环控制作用来消除。