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。
系统工作时,激光器发出的激光束,垂直透过光栅副,产生透射的0次莫尔信号,由光电二极管转换为电信号,经I/V转换、放大、滤波等处理后,由A/D转换器转换为数字信号,输入工业控制计算机,控机根据0次莫尔信号的大小和极性确定两光栅相对位移的大小及方向,从而发出相应的驱动脉冲信号,驱动微动台达到所要求的位置精度范围。
3.2 修正莫尔定位技术
为确保高的测量与定位精度,本系统采用了修正式精密定位方法,使用一组衍射光栅,通过检测0次莫尔信号的瞬时值I1、最大值Imax及最小值Imin来计算出反相信号I0,反相信号I0可由下式计算
图4为实验测得的莫尔信号I1及计算出反相莫尔信号I0和差动莫尔信号Sm。由图可以看出差动莫尔信号将反映位移变化的莫尔信号值有效地放大了一倍,特别是在定位点附近差动莫尔信号的变化率很陡,微小位移便会导致大的光强变化,极大地提高了位移测量的分辨率,实验测得定位点附近的位移分辨率为5nm。
差动莫尔信号随两光栅的相对位移呈周期性变化,在一个位移周期内,修正信号为零处设定为定位点,此时位移偏差为零。精密定位控制范围为定位点两侧±d/2。
4 实验测量
实验所用的激光光源为He-Ne激光,波长λ=633nm,衍射光栅的光栅常数d=100μm,两片光栅间的间距G=1mm。工控机每发出一个脉冲,对应步进电机旋转0·03°,驱动微动台移动0·2μm。精密定位时,工控机根据差动莫尔信号的大小和极性发出相应的驱动脉冲信号,驱动微动台,达到所要求的位置精度范围。图5示出了精密定位装置的定位结果,定位误差带均设置在±0·8W/cm2,定位点附近位移与光强关系为:1μm=2W/cm2,则定位精度为±0·4μm。
5 结 论
提出了一种基于激光莫尔技术的精密位移测量与定位的新方法,应用激光衍射理论建立了双光栅位移测量的数学模型,并通过计算机仿真对其规律加以确认。采用的修正莫尔技术可有效提高位移测量的分辨率及定位精度。实验结果表明,基于激光莫尔信号的精密检测与控制装置可获得得5nm的位移分辨率及±0·4μm的定位精度。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。
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基金项目:江苏省高校自然科学基金资助项目(04KJB510073)
作者简介:张金龙(1965_),男,江苏苏州人,南京师范大学博士研究生,副教授,从事自动化检测技术研究。
E-mail:zjl0310@163.com
