基于光柵干涉儀的超精密位移定位測(cè)量新方法*

時(shí) 輪，王 鶴，王池平，許黎明，陳家寶

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

基于光柵干涉儀的超精密位移定位測(cè)量新方法*

時(shí) 輪，王 鶴，王池平，許黎明，陳家寶

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

對(duì)進(jìn)一步提高光柵干涉儀定位檢測(cè)系統(tǒng)的定位精度和位移檢測(cè)分辨率進(jìn)行了研究，分析了檢測(cè)視場(chǎng)中干涉條紋的不同測(cè)量位置對(duì)定位系統(tǒng)的影響，提出了一種利用干涉相移進(jìn)行超精密位移檢測(cè)的新方法，在傳統(tǒng)的光柵干涉儀系統(tǒng)中加入相位掃描機(jī)構(gòu)，使光電傳感器在檢測(cè)視場(chǎng)中的兩個(gè)干涉條紋間進(jìn)行移動(dòng)，從而改變了光柵干涉儀的接收相位，理論上可以達(dá)到納米、亞納米等更高精度的檢測(cè)。精密定位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，采用該檢測(cè)定位方法可以提高定位精度16%以上。

光柵干涉儀；位移測(cè)量；條紋；相移

0 引言

超精密定位檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代精密制造和精密裝備的基礎(chǔ)，而納米、亞納米級(jí)的位移測(cè)量技術(shù)又是制約超精密定位技術(shù)發(fā)展的一個(gè)核心[1-3]。在本領(lǐng)域廣泛采用激光干涉定位檢測(cè)和光柵干涉儀定位檢測(cè)技術(shù)，其中激光干涉儀測(cè)量分辨率可以到達(dá)納米級(jí)甚至亞納米級(jí)，由于具有很高的檢測(cè)分辨率，獲得了廣泛應(yīng)用，但其對(duì)應(yīng)用環(huán)境的溫度、濕度等各方面的要求較為苛刻，而且光路復(fù)雜，成本高昂，這也限制了它在很多場(chǎng)合的應(yīng)用[4-6]。

光柵干涉儀定位檢測(cè)是一種傳統(tǒng)的位移測(cè)量方法，測(cè)量分辨率可以到達(dá)亞微米，對(duì)于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性[7-8]，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，制造和使用成本更低廉，但光柵干涉儀檢測(cè)精度直接依賴于檢測(cè)元件的物理精度，這給進(jìn)一步提高檢測(cè)分辨率帶來了極大的困難，在如何提高光柵測(cè)量的分辨率方面，目前各種研究方法的共同點(diǎn)是對(duì)光柵形成的光電信號(hào)進(jìn)行大倍率細(xì)分，而要達(dá)到亞納米級(jí)分辨率，其細(xì)分倍數(shù)要高達(dá)104以上，受到光柵制作質(zhì)量的限制，高倍率細(xì)分方法在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)[9-10]。

本文以衍射光柵作為測(cè)量基準(zhǔn)，不采用光柵信號(hào)細(xì)分的方法，而是設(shè)計(jì)了光柵相移機(jī)構(gòu)，通過改變光電接收器在干涉條紋視場(chǎng)中的位置，改變了光柵接收相位，進(jìn)而理論上可以達(dá)到亞納米級(jí)以上的超高分辨率，是一種超精密定位測(cè)量的新方法。

2 傳統(tǒng)光柵干涉儀位移檢測(cè)原理

2.1 光柵干涉儀系統(tǒng)的組成

光柵干涉儀系統(tǒng)由參考光柵G、等光程分光束棱鏡C、激光源D及光電傳感器E等主要部分組成，參考光柵為高精度的衍射光柵，固定在位移移動(dòng)臺(tái)上，等光程分光棱鏡等裝置固定在固定臺(tái)上，不跟隨目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 光柵干涉儀檢測(cè)系統(tǒng)組成

2.2 光柵干涉儀位移檢測(cè)原理

激光光源D發(fā)出的入射光在等光程分光束棱鏡的分光面O-O處被分成透射光和反射光兩路，分別投射在閃耀光柵G的A、B處，當(dāng)衍射光柵G在自準(zhǔn)狀態(tài)下，兩路衍射光束將會(huì)沿原光路返回，在圖1中的C點(diǎn)相交，形成干涉，產(chǎn)生干涉條紋。

在實(shí)際使用中，將參考光柵G固定在目標(biāo)位移臺(tái)上跟隨目標(biāo)位移臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，形成的干涉條紋將在檢測(cè)視場(chǎng)中隨之移動(dòng)，通過光電傳感器E可以對(duì)條紋信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值代表了位移臺(tái)的移動(dòng)距離。當(dāng)基準(zhǔn)光柵隨工作臺(tái)沿圖示方向移動(dòng)Δx時(shí)，這兩束相干光的相位差為[11]：

ΔΦ=4πmΔxA

(1)

式中，m—光譜級(jí)次，A—基準(zhǔn)光柵柵距，實(shí)際中A=3.33μm。

當(dāng)Δx=A，m=2時(shí)，ΔΦ=2π×4，該光柵干涉儀相當(dāng)于四倍頻。即基準(zhǔn)光柵位移一個(gè)柵距時(shí)，有4個(gè)干涉條紋信號(hào)產(chǎn)生，計(jì)數(shù)脈沖當(dāng)量為0.83μm。

3 光柵相位移動(dòng)干涉檢測(cè)定位原理

光柵相位移動(dòng)干涉檢測(cè)系統(tǒng)由參考光柵G、等光程分光束棱鏡C、激光源D、光電傳感器E及相移機(jī)構(gòu)F等主要部分組成，與傳統(tǒng)的光柵干涉儀系統(tǒng)相區(qū)別的是，光電傳感器固定在相移機(jī)構(gòu)上，在精密定位檢測(cè)時(shí)可以進(jìn)行相位移動(dòng)，如圖2所示。

圖2 光柵干涉儀相位移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成

圖3 光柵干涉儀干涉條紋圖

通過調(diào)節(jié)干涉儀的分光面與參考光柵的位置關(guān)系，可以使光電傳感器的接收視場(chǎng)中只存在兩條干涉條紋，如圖3所示，根據(jù)之前所得的光柵運(yùn)動(dòng)位移和兩束光相位之間的關(guān)系，在理論上可以認(rèn)為條紋的相位信號(hào)在0°～360°之間被分成了無數(shù)份，且均勻地分布在兩條紋之間，若改變光電接收器的位置，就相當(dāng)于改變了條紋信號(hào)的接收相位，當(dāng)將光電接收器主動(dòng)移動(dòng)一個(gè)位移時(shí)，該位移增量對(duì)應(yīng)的條紋計(jì)數(shù)當(dāng)量值為：

(2)

其中，a—光柵干涉儀的計(jì)數(shù)脈沖當(dāng)量，Δw—光電傳感器的相移，w—視場(chǎng)中兩干涉條紋的間距。

若取光柵柵距A=3.33μm(300lines/mm)，m=2，Δw=10μm，w=20mm，則由式(2)可得，Δa=0.415nm，已達(dá)到亞納米級(jí)的分辨率。

其檢測(cè)定位過程如圖4所示，在位移臺(tái)的位移與終點(diǎn)距離小于一個(gè)脈沖當(dāng)量時(shí)，通過相移機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相移Δw，完成最終定位過程。

圖4 光柵相位移動(dòng)干涉檢測(cè)定位流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 光柵干涉儀位移檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

搭建了光柵干涉相位移動(dòng)的超精密定位測(cè)量系統(tǒng)，利用300 groove/mm的閃耀光柵及等光程分光鏡構(gòu)成光柵干涉儀，獲取基準(zhǔn)光學(xué)四倍頻信號(hào)；以光電二極管作為條紋信號(hào)接收器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；以Elmo驅(qū)動(dòng)控制器和直線音圈電機(jī)構(gòu)成光電探測(cè)器在干涉條紋視場(chǎng)內(nèi)的移相裝置，與光電探測(cè)模塊固聯(lián)，實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)模塊的相移。

目標(biāo)位移臺(tái)選取德國PI有限公司的精密位移臺(tái)PLS-85 DC，與所搭建的超精密測(cè)量系統(tǒng)整合成完整的精密定位系統(tǒng)。PLS-85 DC行程范圍155mm，最大速度100mm/s，最小步距50nm。由前述，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)理論上應(yīng)該獲得光學(xué)四倍頻信號(hào)，即光柵移動(dòng)一個(gè)柵距對(duì)應(yīng)四個(gè)信號(hào)周期，每個(gè)信號(hào)的位移當(dāng)量為A/4。為驗(yàn)證光路系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)這一功能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：精密光柵置于PI精密定位平臺(tái)上，令PI精密定位平臺(tái)以指定的速度運(yùn)行，利用示波器測(cè)量來自光電接收模塊的電壓信號(hào)，得到如圖5所示的波形。通過測(cè)量圖中相鄰兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間，可換算出兩種速度下的信號(hào)頻率分別為0.83Hz和8.695Hz。

在選定二級(jí)衍射光條件下，光柵運(yùn)行速度與干涉條紋信號(hào)的頻率之間有如下關(guān)系：

圖5 光柵干涉儀相移干涉定位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)照片

(3)

參考光柵的線密度為300線/mm，代人式(3)，可得當(dāng)光柵運(yùn)動(dòng)速度為7μm/s和70μm/s時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的條紋信號(hào)頻率應(yīng)該為0.84Hz和8.4Hz，與實(shí)驗(yàn)觀察得到的波形頻率近似。

4.2 光柵相位移動(dòng)干涉定位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

PI運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自身不帶位置反饋裝置，可以直接應(yīng)用本文所提出的位移檢測(cè)系統(tǒng)作為其閉環(huán)控制的位置反饋信號(hào)，相位移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，位移定位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的照片如圖6所示，應(yīng)用激光干涉儀(OPTODYNE，MCV-500)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 光柵干涉儀相移干涉定位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)照片

傳統(tǒng)定位檢測(cè)方法相位移動(dòng)定位檢測(cè)方法定位誤差定位誤差r13999．842μm158nm4000．154μm154nm23999．821μm179nm4000．138μm138nm33999．817μm183nm4000．152μm152nm43999．873μm127nm4000．131μm131nm53999．789μm211nm4000．143μm143nmAverage172nm144nm

如上表所示,實(shí)驗(yàn)中分別進(jìn)行了傳統(tǒng)的光柵干涉儀定位檢測(cè)方法實(shí)驗(yàn)和光柵相位移動(dòng)干涉定位檢測(cè)方法實(shí)驗(yàn)，利用激光干涉儀進(jìn)行了檢測(cè)驗(yàn)證，并將二者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)中采用2級(jí)衍射光，光柵干涉儀的脈沖當(dāng)量為0.83μm，視場(chǎng)內(nèi)的條紋間距為10mm。實(shí)驗(yàn)定位點(diǎn)選擇為4mm，即理論上到達(dá)定位點(diǎn)需要4819.3個(gè)脈沖，因此，傳統(tǒng)的定位檢測(cè)系統(tǒng)的定位誤差理論上為0.25μm，相位移動(dòng)定位檢測(cè)方法會(huì)在4819個(gè)脈沖后進(jìn)行相位移動(dòng)，理論上定位誤差可達(dá)0.09nm。

由表中列出的對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干涉相移方法可以提高定位系統(tǒng)的精度16%以上。

5 結(jié)論

提出了一種光柵干涉相位移動(dòng)的超精密位移定位檢測(cè)方法，通過在光柵干涉檢測(cè)系統(tǒng)的接收視場(chǎng)中移動(dòng)光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了光柵干涉儀接收相位的移動(dòng)，如果適當(dāng)選擇系統(tǒng)參數(shù)，理論上可獲得比激光干涉儀更高的位移檢測(cè)分辨率。采用這一方法搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了定位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新的位移檢測(cè)方法可以提高定位精度16%以上。

[1] 鐘俊. 宏觀尺度的納米級(jí)定位控制技術(shù)研究[D]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.

[2] 胡兵. 基于直線電機(jī)宏微雙重驅(qū)動(dòng)大行程精密定位臺(tái)的研究[D]廣州:廣東工業(yè)大學(xué), 2013.

[3] D Croft,S Devasia.High precision stages for micro/nano-lithography[J].Proceedings of SPIE, 1997,3225 :68-75.

[4] Yoshioka H, Kuroyama S, Sawano H,et al.Sub-nanometer positioning with a high resolution laser interferometer[J].Proceedings of the 10th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, 2010 (1):404-407.

[5] 姜歌東, 竇成東, 陳疆. 基于激光尺的機(jī)床動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)特性研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2015(12): 65-69.

[6] 王平江, 雷宇晴, 鄒尚波,等. 在機(jī)測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2015(1): 1-4.

[7] 王國超,顏樹華,高雷,等. 光柵干涉位移測(cè)量技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 激光技術(shù), 2010, 34(5): 661-664.

[8] 齊永岳,趙美蓉,林玉池. 納米測(cè)量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2003, 24(4): 91-94.

[9] 羅華, 高山, 李翔龍. 粗光柵信號(hào)全數(shù)字化處理法實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)細(xì)分[J]. 光學(xué)精密工程, 2007, 15(2): 283-288.

[10] 喬棟, 續(xù)志軍, 吳宏圣,等. 絕對(duì)式光柵尺細(xì)分誤差補(bǔ)償方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2015，35(1):212-217.

[11] 時(shí)輪. 一種亞納米級(jí)變柵距衍射光柵制作方法的研究[J]. 光學(xué)技術(shù),2003, 29(3):320-326.

(編輯 李秀敏)

Study of Displacement Measuring Based on Grating Interferometer on Ultra-precision Positioning System

SHI Lun, WANG He, WANG Chi-ping, XU Li-ming, CHEN Jia-bao

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Study on how to improve the positioning precision and displacement measuring resolution of positioning system, basing on grating interferometer, is discussed. The influence of different measuring position of coherent fringe in the optical field to the positioning system is analyzed and a new method of phase shift of coherent fringe is developed. A phase-shift device is introduced to the grating interferometer system. The change of the grating phase, by moving the sensor between two interfere-fringes, leads to higher measuring resolution ability than that of laser interferometer in theory, even to nanometer or sub-nanometer. Experiments show that the new method will improve the positioning accuracy more than 16%.

grating interferometer; displacement measurement; fringe;phase shift

1001-2265(2016)12-0065-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.018

2016-08-30；

2016-10-03

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51275306)

時(shí)輪(1968—)，男，長春人，上海交通大學(xué)副教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電檢測(cè)與控制，(E-mail)shilun@sjtu.edu.cn。

TH122;TG506

A