[发明专利]一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置

说明书

本发明涉及一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置，其中，该方法包括以下步骤：将四个角锥棱镜安装在磁悬浮导轨动子上，四个角锥棱镜的顶点位于同一水平面；将四路激光沿磁悬浮导轨动子的长行程直线运动方向分别入射到四个角锥棱镜；将四个PSD传感器分别垂直于各路激光布置，用于接收从所述四个角锥棱镜反射回来的发射光，通过PSD传感器测出反射光线的位置，计算得到磁悬浮导轨动子的当前位置信息；获取磁悬浮导轨动子的原始位置信息；根据磁悬浮导轨动子的当前位置信息和原始位置信息计算得到磁悬浮导轨动子的间隙。本发明不受磁场干扰，测量精度更高，能满足长行程导轨的测量要求，并且价格相对较低。

技术领域

本发明涉及磁悬浮导轨悬浮间隙测量技术领域，具体地涉及一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置。

背景技术

作为大型TFT面板光刻机中的一个重要部分，直线导轨的性能严重制约着TFT光刻机的发展，多自由度高性能磁悬浮导轨以其优越性逐渐被应用于该类型的光刻机中。与传统的直线运动台相比，磁悬浮导轨具有以下优势：无机械接触和摩擦、满足超洁净制造环境的要求、维护费用低、使用寿命长、适用于真空环境等。如图1所示，磁浮导轨在结构上主要分为两大部分：一个是定子，另一个是动子。EI电机固定在动子上，通过多个电机的电磁力克服动子的重力并限制动子的5个自由度，以实现动子的稳定悬浮。除此之外，还需要将直线电机的动子固定在磁浮导轨的动子上，将直线电机的定子固定在磁浮导轨的定子上，通过直线电机带动动子在z轴方向进行大行程运动。z向行程较大，一般由光栅、容栅等直线位移传感器进行测量。动子的悬浮间隙一般在0.3～0.5mm，为了保证间隙，实现动子的稳定悬浮，人们需要对x、y方向上的间隙和动子在各轴的偏转角度进行高精度测量。由于动子在悬浮的同时还进行z向的大行程运动，而且对测量精度要求很高，所以能够用来测量动子悬浮间隙的方法比较少。

在由中南大学周海波2010年提交的题为《磁悬浮直线运动系统的设计与控制研究》的论文中，动子的位置信息主要通过电涡流传感器来测量，通过合理安装多个电涡流传感器并对其对信号进行处理，从而得到动子的悬浮间隙。该测量方式属于非接触式测量，精度较高，但电涡流传感器是根据电磁感应原理制成的，对测量靶面有一定的要求，在工作时很容易受到磁浮导轨中磁场的影响，而且价格较高。申请号为201310084934.3的中国发明专利公开了一种分布式平面六自由度位姿快速精密测量方法，虽然能够简单、精确的测量运动台六个自由度的位置，但并不适用长行程的磁悬浮导轨。综合以上分析，对于长行程的磁悬浮直线导轨来说，需要一种更适合的测量方式。

发明内容

本发明提出了一种利用二维PSD传感器和角锥棱镜等来对磁悬浮导轨x、y方向上的间隙和动子在各轴的偏转角度进行测量的方法。该方法主要利用光学原理，具有精度高、不受磁场影响、价格较低的优点，满足测量要求。

角锥棱镜是一种作回射用的玻璃元件，它用三个90°角的反射面来回射入射光束。如图2所示，它是由三个相互垂直的反射面组成的一个棱镜，类似于长方体切下来的一个角。光束射入角锥棱镜以后，经由三个反射面的三次反射，从角锥棱镜出射，出射光束和入射光束方向相反且相互平行，而且入射光束只要在角锥棱镜的有效通光范围内即可，不必与其入射表面垂直。除此之外，角锥棱镜的光线入射表面为圆形，入射点与反射点相对于角锥棱镜顶点(即圆形面的中心)成轴对称分布，当入射点发生变化后，出射点也随之发生变化。由此，经角锥棱镜反射后的反射光带有两个方向上的位置信息。

PSD位置传感器是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器，分为一维PSD和二维PSD。当一束光落在PSD上，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过P型电阻层被电极收集。P型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的光电流与入射点的电极间距成反比。通过检测各个电极输出电流的大小，再经过计算就可以得到入射点的位置。

本发明的目的是通过提供一种用于磁悬浮导轨悬浮间隙测量的光学方法及装置，解决传统间隙传感器(如电涡流传感器、霍尔传感器)易受磁场干扰以及受靶面加工精度影响而难以应用于长导轨的问题。