[发明专利]工作台垂直位移测量装置

说明书

本发明涉及一种超精密伺服控制系统中的工作台垂直位移测量装置，特别涉及一种利用弗琅荷费衍射对工作台垂直位移进行测量和控制的工作台垂直位移测量装置。

检测和控制超精密工作台的位置要求有很高的精确度。为此目的，人们用线性标度尺或激光干涉仪测量水平方向(x和y方向)上的位移。而在垂直方向(Z方向)上，使用了各种类型的敏感器件。测量结果反馈到工作台中的控制器，从而根据位移来调整工作台的位置。

现有的超精密工作台垂直位移测量装置是使用由以下三种方法之一检测出的信号进行位移控制的。

第一种，位移可由安装在工作台顶部的一个光敏感器检测。但是，由于工作台表面机加工的不精确，光可能被分散。

第二种，位移可由安装在工作台的垂直驱动部分上的一个编码器检测。垂直驱动部分包括一个驱使工作台沿垂直方向上运动的电机，一个把电机的转动变换成工作台位移的传送齿轮。工作台的垂直位移通过连接在电机上的编码器的信息进行计算。但由于齿轮的齿隙现象，精度变差。

第三种，位移可由安装在工作台底面上的一个压电器件检测。在这种情况下，位移通过施加在压电器件上的压力来测量。这样，就能非常精确地检测出工作台的位移。但是，这种可检测的位移仅局限在几个μm的范围里，并且受环境条件，如振动等的影响大。

本发明的目的是提供一种测量工作台垂直位移的装置。用此装置，可以非常精确地在大范围内测量位移，并且，当输出被检测的位移时可避免齿隙。

为实现上述目的，提供了一种工作台垂直位移测量装置。此装置包括：一个用于产生和发射光的光源；一个第一标尺式玻璃，具有间隔地排列的透明区域和不透明区域，用于有选择地衍射和反射从光源发射的光；一个第二标尺式玻璃，它通过与工作台相接合，活动地沿工作台的垂直方向安装，它具有间隔地排列的反射区域和透射区域，用于有选择地衍射和反射通过第一标尺式玻璃的光；一个接收部分，用于接收被第二标尺式玻璃反射后又透射过第一标尺式玻璃的光；一个电路部分，它利用接收部分接收的信号测量工作台的第二标尺式玻璃的位移，并控制工作台的垂直位移。

下面，通过参考附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将更为明显。

图1是表示根据本发明的一个实施例的工作台垂直位移测量装置的示意图；

图2是表示图1中第一和第二标尺式玻璃的示意图；以及

图3是图1中接收部分和电路部分的示意图。

参照图1，根据本发明的一个实施例的工作台垂直位移的测量装置包括一个固定部分10和一个活动部分20，活动部分20与工作台1联动，并相对工作台1作垂直方向(Z方向)的移动。工作台1在水平方向(x和y方向)和垂直方向(Z方向)上被驱动，以使一个配置在x-y平面上的部件(未示出)移动。这里，工作台1的水平位移由一个标准的线性标尺或激光干涉仪测量。

固定部分10包括：一个光源11，用于产生和发射光；一个第一标尺式玻璃13，用于有选择地衍射和透射从光源11发射来的光；一个接收部分23，用于接收由活动部分20反射的光，并把此光变换成与所接收光量相应的电流信号；一个电路部分30，用于通过处理由接收部分23传来的信号计算位移，并把偏差量传给工作台1的驱动电机(未示出)。此外，固定部分10还包括一个位于光源11和第一标尺式玻璃13之间的第一聚焦透镜12，用于聚焦光源发出的光；以及一个位于第一标尺式玻璃13和接收部分23之间光路上的第二聚焦透镜22，用于聚焦照射到接收部分23的入射光。

活动部分20包括一个第二标尺式玻璃17，第二标尺式玻璃17上间隔地形成反射区域18和吸收区域19，用以有选择地反射或吸收从固定部分10接收来的光。活动部分20通过一个连接器21连接在工作台1上，并和工作台1一起沿垂直方向(Z方向)运动。这样，第二标尺式玻璃17沿Z轴移动的距离与工作台1的垂直位移相同。由第二标尺式玻璃17反射的光量随活动部分20的位置而改变。

参照图2，第一标尺式玻璃13由许多间隔排列的透明区域14和不透明区域15构成。透明区域14和不透明区域15重复形成的周期被表示为“格栅重复周期”，周期值为2P。来自图1中的光源11照射在透明区域14上的光透过，而照射在不透明区域15上的光被挡住。由于弗琅荷费衍射现象，从光源11发射出的光透过透明区域14后被衍射成零级衍射光，±1级衍射光，±2级衍射光等。