專利名稱：移動物體檢測用柵尺及用此柵尺進(jìn)行移動物體檢測的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于檢測移動物體位置及姿勢的柵尺及利用該柵尺進(jìn)行移動物體檢測的裝置，更具體地說，柵尺由在兩個不同方向上按已知函數(shù)變化的角度柵格組成，該角度柵格及與該角度柵格有相對移動的角度傳感器的組合構(gòu)成了能精確檢測移動物體位置及姿勢的檢測裝置。
過去，在加工和測量機中，對那些X、Y工作臺及刀架等移動物體的位置進(jìn)行檢測時，單自由度的角度編碼器是必不可少的。例如，在要進(jìn)行二維定位的場合，測量裝置的X軸或Y軸定位的各個工作臺須兩兩重合、由圓形柵尺及單軸工作臺組合形成的測量裝置通過分別獨立測量旋轉(zhuǎn)角度及半徑來決定位置。
在用激光干涉儀決定X、Y方向位置的場合，需要兩臺激光干涉儀，在位移檢出方向的整個直角移動范圍內(nèi)須保證形狀精度，并通過與高精度直尺的組合進(jìn)行位置測量。
在以往對移動物體的搖擺角及偏航角等姿勢的檢測場合，利用了自準(zhǔn)直技術(shù)，此單軸方向直線移動的搖擺角及偏航角能同時測量，但是，XY兩軸移動物體的檢測還需要高精度的直尺。
再者，水準(zhǔn)器作為一種測量移動物體旋轉(zhuǎn)角的手段，其響應(yīng)速度和測量精度不適用于高精度的測量機器。
于是，要采用兩根平行的直尺，從與兩根直尺的距離之差算出旋轉(zhuǎn)角或以一根直尺作為基準(zhǔn)鏡面通過自準(zhǔn)直方法檢出旋轉(zhuǎn)角。
上述過去的檢測裝置為采用角度編碼器和線性編碼器等組成的裝置，能用來決定一維位置，二維位置的決定則需要至少兩組上述的測量裝置，這對移動物體檢測裝置的設(shè)計帶來很大的限制。
其次，在用激光干涉儀進(jìn)行位置測量的場合，其實質(zhì)是一維位置的測量，對二維位置進(jìn)行測量時，必須要有高精度的直尺，因此這種測量裝置用在工作機械上受到結(jié)構(gòu)上的限制，同時還存在成本高的問題。
第三，過去的檢測裝置中，決定位置的編碼器和檢測姿勢的測量系統(tǒng)是分別構(gòu)成的，采用這種方式進(jìn)行移動物體位置、搖擺角、旋轉(zhuǎn)角及偏航角的檢測將使檢測裝置更加復(fù)雜成本更高。
第四，對于光電式線性標(biāo)尺來說，柵尺及柵尺的讀數(shù)裝置都保證有高的位置精度，配置多次讀數(shù)裝置以使測量范圍擴大至標(biāo)尺長度以上就有困難，這樣進(jìn)行大范圍的測量就需要長的標(biāo)尺。
鑒于以上所述，本發(fā)明提出一種能精確檢測移動物體位置的二維位置和移動物體移動時的姿勢變化的移動物體檢測用柵尺及利用該柵尺進(jìn)行移動物體檢測的裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明給出一種能至少檢出移動物體位置及姿勢中的一項的柵尺，該柵尺的柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由兩個不同方向的角度函數(shù)表征。
本發(fā)明中，上述角度柵格由在基板表面或表面內(nèi)兩個交叉方向的角度性質(zhì)由具有一定振幅的呈正弦波形狀變化的山谷的集合構(gòu)成。
本發(fā)明中，上述角度柵格通過對光電結(jié)晶或充滿容器的對電磁場或光場反應(yīng)的液體施加電磁能或光能，由該光電結(jié)晶或液體已知的屈折率的變化構(gòu)成。
本發(fā)明中，上述角度柵格可以在直角座標(biāo)，圓柱座標(biāo)，極座標(biāo)或自由曲面座標(biāo)下形成。
本發(fā)明包括一種檢測移動物體位置的檢測裝置，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由兩個不同方向(X，Y方向)的已知角度函數(shù)表征，移動物體檢測裝置的特征在于，與此角度柵格相對，配置至少一個能檢測X，Y方向各角度的二維角度傳感器，移動物體可以選擇安裝在上述柵尺或角度傳感器的任一方，檢出上述柵尺和角度傳感器的相對移動即為移動物體的二維座標(biāo)。
本發(fā)明包括一種檢測移動物體位置及各種姿勢的檢測裝置，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由兩個不同方向(X，Y方向)的已知角度函數(shù)表征，移動物體檢測裝置的特征在于，與此柵尺的角度柵格面相對且在X，Y方向以一定間隔配置至少一對二維角度傳感器，移動物體可以選擇安裝在上述柵尺或角度傳感器的任意一方，檢出上述柵尺與角度傳感器的相對移動即為移動物體的二維座標(biāo)位置，搖擺角和旋轉(zhuǎn)角。
本發(fā)明包括一種檢測移動物體位置及各種姿勢的檢測裝置，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由兩個不同方向(X，Y方向)的已知角度函數(shù)表征，移動物體檢測裝置的特征在于，與此柵尺的角度柵格面相對且在X、Y方向以一定間隔配置至少三個二維角度傳感器，移動物體可以選擇安裝在上述柵尺或角度傳感器的任意一方，檢出上述柵尺與角度傳感器的相對移動即為移動物體的二維座標(biāo)位置、搖擺角、旋轉(zhuǎn)角和偏航角。
本發(fā)明包括一種檢測移動物體位置或各種姿勢的檢測裝置，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由單軸方向(X方向)的已知函數(shù)表征，移動物體檢測裝置的特征在于，與此柵尺的角度柵格面相對配置有角度傳感器，移動物體可以選擇安裝在上述柵尺及角度傳感器的任意一方，檢出上述柵尺與角度傳感器的相對移動即移動物體的一維座標(biāo)位置。
本發(fā)明中移動物體檢測裝置的特征在于，與上述單軸方向的角度柵格相對，沿此軸方向以一定間隔配置一對角度傳感器，通過檢出一軸方向(移動方向)的傾斜角并由角度形狀兩點法檢出一軸方向移動物體位置和搖擺角。
本發(fā)明中移動物體檢測裝置的特征在于，上述角度傳感器由檢測一軸方向(移動方向)的變化及與該方向垂直方向的變化的二維角度傳感器構(gòu)成，由此角度傳感器檢測一軸方向的位置、搖擺角及旋轉(zhuǎn)角。
本發(fā)明包括，上述角度柵格的角度變化通過幾個不同頻率的不同正弦波疊加而成。
根據(jù)本發(fā)明，上述角度傳感器的特征在于，其由光學(xué)式、電磁式或機械接觸式的以一定間隔排列的幾個位移計構(gòu)成，相鄰兩個位移計的差動輸出為角度傳感器的輸出。
本發(fā)明包括，使上述角度傳感器繞已知方向轉(zhuǎn)動一大的角度使其作為位移傳感器工作，檢測出此相對運動即上述柵尺的角度柵格面與角度傳感器的距離或該距離變化量。
根據(jù)本發(fā)明，上述柵尺通過給予彈性板、有彈性的平面或曲面、結(jié)晶體或液面或充滿密閉容器的液體以一定周期的振動，振動時產(chǎn)生的駐波在那些表面或面內(nèi)形成的按已知函數(shù)變化的角度柵格構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明，上述柵尺由幾個具有角度柵格面的分立柵尺構(gòu)成，且這些柵尺或讀取柵尺的角度傳感器在移動物體的移動范圍內(nèi)成間隔或連續(xù)排列。
本發(fā)明包括，使行波產(chǎn)生，行波所在面的角度變化形成角度柵格，決定這些角度柵格與時間有關(guān)的二維位置。
本發(fā)明包括，基于上述角度柵格的角度形狀誤差的校正結(jié)果，配備通過角度柵格對座標(biāo)位置和姿勢角的測量結(jié)果進(jìn)行補償?shù)氖侄巍?br> 本發(fā)明包括，使上述角度傳感器沿上述角度柵格的X、Y方向作一定量的相對移動，根據(jù)相對移動前后的各個檢出值及基于角度柵格理想形狀的差值進(jìn)行誤差校正數(shù)據(jù)的計算，并設(shè)立對算出的校正數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的存儲裝置。
按上述構(gòu)成，本發(fā)明中的柵尺由表示角度形狀的二維角度柵格形成，僅由單一的柵尺與角度傳感器的組合，不僅能檢出移動物體的二維位置，搖擺角，旋轉(zhuǎn)角及偏航角都可能檢出。
而且，由此角度柵格、直角座標(biāo)、圓柱座標(biāo)、極座標(biāo)或沿自由曲面的座標(biāo)都可以檢出。
根據(jù)本發(fā)明提出的移動物體檢測裝置，由二維角度柵格形成的柵尺與至少一個二維角度傳感器相組合，能測出柵尺與角度傳感器的相對移動也即移動物體的二維座標(biāo)，若進(jìn)一步使角度傳感器按一給定的角度變化，則能檢出柵尺與角度傳感器的距離。
根據(jù)本發(fā)明提出的移動物體檢測裝置，由二維角度柵格形成的角度柵尺與至少兩個二維角度傳感器相組合，能測出柵尺與角度傳感器的相對移動即移動物體的二維座標(biāo)、搖擺角及旋轉(zhuǎn)角，若進(jìn)一步使角度傳感器變化一給定的角度，還能測出柵尺與角度傳感器間的距離。
根據(jù)本發(fā)明提出的移動物體檢測裝置，由二維角度柵格形成的柵尺與至少三個二維角度傳感器相組合，能測出柵尺與角度傳感器的相對移動即移動物體的二維座標(biāo)位置、搖擺角、旋轉(zhuǎn)角及偏航角，若進(jìn)一步使角度傳感器變化一給定的角度，可測得柵尺與角度傳感器間的距離。
根據(jù)本發(fā)明提出的移動物體檢測裝置，由單軸(X軸)方向按已知函數(shù)變化的角度柵格形成的柵尺與至少一對角度傳感器組合，能測出單軸方向的位置、搖擺角及旋轉(zhuǎn)角。
根據(jù)本發(fā)明，角度柵格的角度變化由不同頻率的不同正弦波疊加而成，例如，沿X方向的角度柵格面，全長為一周期的正弦波的角度變化疊加上M次諧波的角度變化為一個角度格子時，給予某位置的某個角度傳感器以一個較大振幅的高頻振動，這個角度傳感器的輸出就含有角度柵格面的兩個頻率成份。其中低頻成份給出了全長為一周期的角度柵格成份，這樣便檢出了對應(yīng)全長的角度傳感器的位置、高次諧波成份給出了高次諧波的角度柵格成份、由此可檢出精確位置。此外，作為低頻成份，可以選擇角度形狀呈線性變化或角度形狀的微分呈線性變化。而且，在角度格子面上設(shè)置原點，原點復(fù)位后角度傳感器的移動就給出了離此原點的絕對座標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明，角度傳感器通過幾個以一定間隔分布的光學(xué)式、電磁式或機械接觸式的位移計組成，由各位移計的差動輸出給出的高度上的變化得到角度柵格面的傾斜角的變化，利用此角度信息，X，Y方向以一定間隔各配置兩個共計四個或在三角形的各個頂點以一定間隔配置三個位移計，就具有二維角度傳感器的特性了。
根據(jù)本發(fā)明，柵尺由彈性板、有彈性的平面或曲面、結(jié)晶體或液面或充滿密閉容器的液體被給予一定周期的振動時駐波在這些表面或面內(nèi)角度隨空間變化的角度柵格面形成，且僅在給予振動時方有角度柵格面可利用。
根據(jù)本發(fā)明，柵尺由具有角度柵格的幾個分立柵尺構(gòu)成，這些分立柵尺或讀取柵尺的角度傳感器在移動物體的移動范圍內(nèi)成間斷或連續(xù)排列，即使角度傳感器從與其相對的角度柵格面向外有傾斜，從相鄰的分立柵尺或角度傳感器仍可得到角度柵格面的位置信息，這樣角度傳感器與角度柵格的相對移動范圍有可能擴大。
根據(jù)本發(fā)明，將基于角度柵格的角度形狀的校正結(jié)果用在由角度柵格進(jìn)行座標(biāo)位置和姿勢角測量的校正中，在角度柵格的制造精度較低的情況下，利用存放在存儲器中的校正數(shù)據(jù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插計算，可對測量結(jié)果進(jìn)行校正補償。
根據(jù)本發(fā)明，使角度傳感器沿上述角度柵格的X，Y方向作一定量的移動，基于相對移動前后角度傳感器各個檢出值和差值可得到角度柵格偏離理想形狀的自律校正數(shù)據(jù)。
本發(fā)明按照以下所述，可得到如下效果，本發(fā)明中，用于移動物體的位置或各種姿勢檢出的柵尺，其角度柵格的角度表狀由二維函數(shù)表示。僅需單個的柵尺與幾個角度傳感器的適當(dāng)組合，就可以檢出移動物體的二維位置、搖擺角、旋轉(zhuǎn)角及偏航角。而且此角度柵格可在直角座標(biāo)、圓柱座標(biāo)、極座標(biāo)或自由曲面座標(biāo)下進(jìn)行二維空間位置的檢測。
根據(jù)本發(fā)明，由二維角度柵格形成的柵尺與至少一個二維角度傳感器的適當(dāng)組合，可以檢出柵尺與角度傳感器的相對移動即移動物體的二維座標(biāo)以及搖擺角和旋轉(zhuǎn)角，若給予角度傳感器一已知的搖擺角或旋轉(zhuǎn)角等的姿勢變化，柵尺與角度傳感器之間的距離可以同時測出。
根據(jù)本發(fā)明，由二維角度柵格形成的柵尺與最少三個二維角度傳感器的適當(dāng)組合，可移檢出柵尺與角度傳感器的相對移動即移動物體的二維座標(biāo)、柵尺、搖擺角、旋轉(zhuǎn)角及偏航角，給予角度傳感器已知的搖擺角或旋轉(zhuǎn)角等姿勢變化，柵尺與角度傳感器之間的距離可以同時檢出。
根據(jù)本發(fā)明，在單軸方向(X方向)按已知函數(shù)變化的角度柵格構(gòu)成的柵尺與至少一對角度傳感器的適當(dāng)組合，可以檢出單軸方向的位置、搖擺角及旋轉(zhuǎn)角。
依據(jù)本發(fā)明，角度柵格的角度變化由不同頻率的不同正弦波疊加而成時，可以進(jìn)行精密位置的檢測。
依據(jù)本發(fā)明，角度傳感器由光學(xué)的、電磁的或機械接觸式的且以一定間隔排列的幾們位移計構(gòu)成，由各變位計的差動輸出作為高度變化給出，與上述角度柵格面傾斜角變化相當(dāng)?shù)牧靠梢詸z出，以此作為角度信息，同時三個以上的位移計以一定間隔成二維空間排列，就具備了二維角度傳感器的功能。
依據(jù)本發(fā)明，有彈性的板，有彈性的平面或曲面，結(jié)晶體或液面或充滿密閉容器內(nèi)的液體被給予一定周期的搖動時，表面或面內(nèi)形成角度性質(zhì)隨空間變化的角度柵格，在振動作用期間，角度柵格可被利用構(gòu)成柵尺。
依據(jù)本發(fā)明，柵尺由具有角度柵格面的幾個分立柵尺構(gòu)成，這些分立柵尺在移動物體的移動范圍內(nèi)間隔或連續(xù)排列，角度傳感器相對于與其相對的角度柵格面向外偏移時，可以檢出相鄰分立柵尺的位置信息，從而角度傳感器與角度柵格的相對移動范圍可以擴大。
依據(jù)本發(fā)明，基于角度柵格角度形狀的誤差校正結(jié)果，配置能對用角度柵格進(jìn)行座標(biāo)位置及姿勢角測量的測量結(jié)果進(jìn)行補償?shù)难b置，在角度柵格無法保證高精度的場合，利用存儲器中的校正數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插計算，能對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行補償。
依據(jù)本發(fā)明，給予角度傳感器一已知的移動量，可進(jìn)行角度柵格相對理想形狀的自校正，角度柵格的精度不高時，誤差能得到補償。
以下，基于


本發(fā)明的實現(xiàn)形式。
圖1是本發(fā)明的第一種實現(xiàn)形式，由柵尺和一個二維角度傳感器構(gòu)成測試裝置的配置關(guān)系原理圖。
圖2是本發(fā)明的第二種實現(xiàn)形式，由柵尺和兩個二維角度傳感器構(gòu)成測試裝置的配置關(guān)系原理圖。
圖3是本發(fā)明的第三種實現(xiàn)形式，柵尺和三個二維角度傳感器構(gòu)成情況的斜視原理圖。
圖4是本發(fā)明的第四種實現(xiàn)形式的原理構(gòu)成圖，平面狀的角度柵格僅在X方向有正弦波狀的角度變化，可以檢出角度傳感器在X方向的位置、搖擺角及旋轉(zhuǎn)角。
圖5是本發(fā)明第五種實現(xiàn)形式的原理構(gòu)成圖，采用極座標(biāo)進(jìn)行位置決定。
圖6是本發(fā)明第六種實現(xiàn)形式的原理構(gòu)成圖，采用圓柱座標(biāo)進(jìn)行位置決定。
圖7是本發(fā)明第七種實現(xiàn)形式的原理構(gòu)成圖，采用球座標(biāo)進(jìn)行位置決定。
圖8是本發(fā)明的第八種實現(xiàn)形式，利用原子力顯微鏡的傳感器原理，接觸式的二維角度傳感器和微細(xì)格子構(gòu)成二維位置檢出裝置的原理圖。
圖一為本發(fā)明的第一種實現(xiàn)形式，為由柵尺和一個角度傳感器構(gòu)成的檢測裝置的構(gòu)成原理圖。
角度柵尺由在高度上呈周期變化的波形構(gòu)成，角度傳感器為用來對柵尺斜面傾斜角進(jìn)行檢測的光學(xué)傳感器。角度沿X，Y方向傾斜的角度關(guān)系分別由f(X，Y)，g(X，Y)表示。
根據(jù)圖1，10為固定在一側(cè)的柵尺，20為簡化表示的移動側(cè)的安裝有角度傳感器的傳感器安裝臺。
在構(gòu)成柵尺10的基板平面101上，沿兩個垂直方向(X，Y方向)按已知函數(shù)關(guān)系變化的正弦波形狀的山谷的集合構(gòu)成了角度柵格102，這一角度柵格構(gòu)成了檢出二維位置的柵尺。
在與角度柵尺相對的面上，配置有與角度柵格面有一定距離可平行移動的角度傳感器20，從角度傳感器20發(fā)出的光線照射到角度柵格102上，檢出從角度柵格沿X，Y方向反射光的方向，該角度傳感器20與柵尺10沿X，Y方向相對移動時的移動物體的二維座標(biāo)即可測出。
例如，角度柵格102由兩個直交方向即X，Y方向，周期分別為Tx，Ty，振幅分別為a，b的正弦波表示f(x，y)＝asin(2πx/Tx)……(A)g(x，y)＝bsin(2πy/Ty)……(B)移動與此角度柵格面相對的用以檢測沿X，Y方向的反射方向的角度傳感器，雖然角度柵格102的山峰在同一高度上，由于山峰斜面在兩個方向的角度有差異，此差異可明解確決定其二維位置。由此可以檢測移動物體的二維位置。
而且，以前干涉儀中波長間內(nèi)插的各種方法都可用在式(A)、式(B)的單個波長的內(nèi)插中。僅在波長間內(nèi)插時角度傳感器本體的機械振動或光電式角度傳感器電光學(xué)意義的X、Y方向光線的振動，在Tx/4、Ty/4處即π/2相位差處可得到兩個信號。當(dāng)然，加上檢出Tx/4、Ty/4相位處位置的傳感器，π/2相位差處的兩個信號可也可同時檢出。
用光電式標(biāo)尺讀取不同柵尺位置的平均值，采用減少柵尺間隔誤差影響的辦法時，為讀取相鄰的幾個峰同相位處傾斜角的平均值，可以用幾束光線照射受光角度傳感器。
圖二為本發(fā)明的第二種實現(xiàn)形式，圖示為由柵尺和二維角度傳感器構(gòu)成的檢測裝置的原理簡圖，這時可以測出二維位置、搖擺角及旋轉(zhuǎn)角。
圖二中，柵尺10由基板平面101及如同圖一那樣在平面上沿垂直的兩個方向(X，Y方向)按已知函數(shù)變化的角度柵格形成，在與角度柵格102相對的面上與角度柵格相距一定位置處放置有一對角度傳感器20A和20B。
角度傳感器20A和20B發(fā)出的光線照射在角度柵格102上，由角度柵格檢測出X，Y方向的反射角，角度傳感器由與角度柵格面平行的平板狀安裝臺支持且角度傳感器20A和20B在X，Y方向分別相距dx和dy。
由此，在角度傳感器20A的座標(biāo)位置(X，Y)處檢出X，Y方向的傾斜角，在角度傳感器20B的座標(biāo)位置(X+dX，Y+dY)處也檢出X，Y方向的傾斜角。
根據(jù)圖二所示的實現(xiàn)形式，傳感器安裝臺的搖擺角(X方向的傾斜角)為pe(x，y)，旋轉(zhuǎn)角(Y方向的傾斜)為re(x，y)，角度傳感器20A、20B的X方向的角度輸出為ma1、ma2，Y方向的角度輸出為mb1、mb2時，有下列關(guān)系式ma1＝f(x，y)+pe(x，y)……(1)mb1＝g(x，y)+re(x，y)……(2)ma2＝f(x+dx，y+dy)+pe(x，y) ……(3)mb2＝g(x+dx，y+dy)+re(x，y) ……(4)由式(1)～(4)得ma2-ma1＝f(x+dx，y+dy)-f(x，y)……(5)mb2-mb1＝g(x+dx，y+dy)-g(x，y)……(6)式中，f、g為已知函數(shù)，由式(5)和式(6)可以決定X和Y的值。
例如，f和g設(shè)為周期函數(shù)
f(x，y)＝acos(2πx/Tx)……(7)g(x，y)＝bcos(2πy/Ty)……(8)式中，a、b、dx、dy、Tx和Ty皆為已知，由式(5)和式(6)可以求得X和Y。如果計出輸出的周期數(shù)則X，Y比Tx，Ty大也不存在問題。由此結(jié)果，通過(1)式和(2)式可以求得搖擺角pe和旋轉(zhuǎn)角re。
實際上，上式中的X，Y與搖擺角pe、旋轉(zhuǎn)角re以及角度柵格面與角度傳感器之間的距離dz有關(guān)，上式?jīng)]有考慮角度傳感器的真正位置X、Y與角度柵格面檢出位置的不同。它們之間的關(guān)系由下式給出X＝X-pe(x，y)dz……(9)Y＝Y(jié)-re(x，y)dz……(10)根據(jù)前面求出的X，Y，pe和re，用已知的dz代入(9)，(10)即可求出X、Y。
而且，利用這一關(guān)系，只要已知角度傳感器自身的或角度傳感器與安裝臺一體的角度α0，β0，回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在角度傳感器一側(cè)時，由和(9)，(10)式同樣的關(guān)系可求出未知的dz。
即由回轉(zhuǎn)角α0，β0產(chǎn)生的與角度傳感器輸出相當(dāng)?shù)腦、Y方向的位移量X0、Y0，得到下列二式dz＝X0/α0……(11)dz＝Y(jié)0/β0……(12)檢測與上式(11)、(12)中的X、Y方向的位移X0、Y0相當(dāng)?shù)闹?，例如檢測柵尺間格為一定值時的角度α0，β0，也能求得dz。
這樣角度傳感器和角度柵格面的距離也能由傳感器檢出。
圖三為本發(fā)明的第三種實現(xiàn)形式，這是由三個二維角度傳感器構(gòu)成的情況，這時，移動物體的二維位置、搖擺角、旋轉(zhuǎn)角及偏航角都能檢出。
由圖三示出的第三種實現(xiàn)形式同由圖二示出的情況一樣，在與角度柵格面平行的平板狀角度傳感器安裝臺202的平面內(nèi)，在一等邊三角形的各頂點處有三個角度傳感器20A、20B和20C，角度傳感器20C距原點處角度傳感器20A的距離為(dx，-dy)，該角度傳感器在X、Y方向的輸出為ma3和mb3，角度傳感器20B在X，Y方向的輸出分別為ma2，和mb2，考慮原點處角度傳感器20A繞回轉(zhuǎn)中心有一個偏航角γ，有下列關(guān)系式ma2＝f(x+dx+γdy，y+dy+γdx)+pe(x，y)……(13)mb2＝g(x+dx+γdy，y+dy+γdx)+re(x，y)……(14)ma3＝f(x+dx-γdy，y-dy+γdx)+pe(x，y)……(15)mb3＝g(x+dx-γdy，y-dy+γdx)+re(x，y)……(16)當(dāng)pe已知為一個小的量可以忽略不計時，將式(1)中的X和式(13)的γ代入式(14)和(16)中可求得Y和re。反之，由式(12)和式(14)得到y(tǒng)和γ，則從式(13)和式(15)求得X和pe。
pe和re未知且不能忽略時，就只能從各個角度傳感器的差動輸出求得γ。
此外，f(x，y)＝f(x，y+dy)＝f(x，y-dy)…(17)g(x，y)＝g(x+dx，y) ……(18)由此，不失一般性，得到下列兩式ma1-ma2＝f(x+dx+γdy，y)-f(x，y) …(19)ma3-ma2＝f(x+dx-γdy，y)-f(x，y) …(20)首先，設(shè)γ為微小量，f，g對X，Y的偏微分以fx，fy表示，于是有ma2-ma3＝2γdyfx(x+dx，y)…(21)fx(x+dx，y)和dy為已知，γ即可求出。
同樣有mb2-mb3＝γdx{gy(x，y+dy)-gy(x，y-dy)}+g(x，y+dy)-g(x，y-dy)…(22)從Y方向的角度輸出也可求得微小量γ。對求出的γ，X，Y，α，β給予記錄，由對微小量γ的逐次求解，變量γ累積變化的最終位置可以求得。
相應(yīng)地，X，Y緩慢變化或僅有微小變化時可同此進(jìn)行。例如，由式(22)給出的差動輸出的變化，若Y已知則可方便地求出γ，在Y很小時也可求出γ，并進(jìn)行其它量的計算，在Y不是緩慢變化或微小量的場合可作相應(yīng)的處理。
一般情況下，考慮到精密機械在全部自由度上以同樣速度同樣大小變化，哪怕能選出一個變化小且緩慢變化的量，可類似γ的情形進(jìn)行同樣的計算處理，所有的自由度即二維座標(biāo)，角度傳感器與角度柵格的距離、移動物體搖擺角、旋轉(zhuǎn)角及偏航角的變化量都可求出。
如果角度傳感器20B和20C在X，Y方向的位置分別為(dx，0)和(0，dy)即在直角三角形的兩個頂點上，配置情況比一般的三角形更好。
上述原理，不僅能檢出移動物體的位置，還適用于同一物體以同一姿勢返回同一位置的操作。因而根據(jù)二維角度的變化并使用物體上預(yù)先做好的標(biāo)記，物體和角度傳感器的相對位置及姿勢可以檢出，這可以有效地應(yīng)用在半導(dǎo)體制造中硅片的位置決定中。
圖四中，僅在X方向有正弦波的變化，檢出平面狀的角度柵格和角度傳感器在X方向的位置、搖擺角及旋轉(zhuǎn)角是本發(fā)明的第四種實現(xiàn)形式，圖示為其原理圖。
圖四中，在構(gòu)成柵尺10的基板平面101上，柵尺由沿X方向變化的一維角度柵格103構(gòu)成，角度柵格103的角度變化情況由已知函數(shù)f(x)表示，兩個角度傳感器在X方向以距離X間隔排列，并安裝在平板狀的傳感器安裝臺203上。角度傳感器20A和20B與安裝臺一道沿X方向相對角度柵格作相對移動時，可以檢出移動側(cè)的X方向的位置，搖擺角及旋轉(zhuǎn)角。
在這種實施方案中，設(shè)兩個角度傳感器的輸出為m1，m2，并由下面兩式表示m1＝f(x)+pe(x) ……(23)m2＝f(x+dx)+pe(x)……(24)其中，pe(x)為搖擺角。如果搖擺角可以忽略，用一個傳感器沿X方向運動，由輸出的f(x)的變化，可以得到X方向的位置。
在pe(x)不能忽略的場合，兩個角度傳感器的輸出之差為m2-m1＝f(x+dx)-f(x) ……(25)
已知函數(shù)之差仍為已知函數(shù)，由此差動輸出的變化，角度傳感器的位置可以求得。X為已知后再由m1可以計算出搖擺角pe(x)。
上述兩個角度傳感器為能檢出X、Y兩個方向角度的二維角度傳感器，上述用于搖擺角的兩點法同樣適用于柵尺的X、Y方向的角度形狀(理想情況下變化為零)的求得。
如果角度柵格的Y方向的角度為已知，從角度傳感器Y方向的輸出能夠檢出移動物體的旋轉(zhuǎn)角圖4為傳感器安裝臺(圖中未畫出已知量D)上配有能在X、Y方向作微量移動且能求出角度柵格校正數(shù)據(jù)裝置的實現(xiàn)形式。這時，理想正弦波的形狀(設(shè)計的形狀)以f(x)表示。首先，不考慮由角度傳感器移動引起的搖擺角。利用函數(shù)f(x)，可以決定X，在此位置(實際上含有由e(x)引起的未知誤差δ(x))使用壓電材料等使角度傳感器在X方向上有一個D的移動量，移動前后角度傳感器的輸出分別為m1，m1D。由這兩個輸出之差得下式m1D-m1＝f(x+δx+D)-f(x+δx)+e(x+δx+D)-e(x+δx)…(26)由于δx為微小量，e(x)的近似導(dǎo)數(shù)由下式表示e’(x)＝{e(x+D)-e(x)}/D≈[m1D-m1-{f(x+D)-f(X)}]/D…(27)式中，{f(x+D)-f(x)}為已知函數(shù)，故上式的右邊為已知函數(shù)。從而用數(shù)值積分方法得到近似導(dǎo)數(shù)e’(x)，可算得e(x)的近似函數(shù)eC(x)。
這一導(dǎo)數(shù)函數(shù)近似數(shù)值積分的公式誤差由每一頻率分量決定，可用付里葉變換和逆變換進(jìn)行補正。
用f(x)評價x的位置時，由上面求得的e(x)的近似曲線eC(x)進(jìn)行補償，重新進(jìn)行數(shù)值積分，新求得的e(x)的近似曲線的精度能進(jìn)一步提高。進(jìn)行X位置的反復(fù)修正，直到δx足夠小，就可得到需要精度的校正曲線。
其次，為了消隱角度傳感器在X方向的搖擺角的影響，在X方向間隔dx并列兩個角度傳感器，其校正方法說明如下。兩個角度傳感器的輸出為m1和m2m1(x)＝f(x)+e(x)+pe(x)…(28)m2(x)＝f(x+dx)+e(x+dx)+pe(x) …(29)這里，pe(x)就是X位置處的搖擺角。
為消除搖擺角的影響，可利用下式給出的兩個傳感器的差動輸出m2(x)-m1(x)＝{f(x+dx)-f(x)}+{e(x+dx)-e(x)}＝f1(x)+e1(x) …(30)式中f1(x)＝f(x+dx)-f(x)…(31)e1(x)＝e(x+dx)-e(x)…(32)f1(x)為與原來的角度柵格有相同周期的函數(shù)，可看作改變了柵格的理想函數(shù)dx為已知，f(x)的理想形狀(位移計的平均靈敏度)為已知，f1(x)的理想形狀為可以得到，因此能用來計算X的值。
使兩個角度傳感器及安裝臺沿X方向作一移動，移動量為D，讀取移動前后角度傳感器的輸出，與圖四中所述同樣的道理，可得e(x)的導(dǎo)數(shù)函數(shù)的近似表達(dá)式e1’(x)＝{e1(x+D)-e1(X)}/D＝[m2D(x)-m2(x)-{m1D(x)-m1(x)}-{f1(x+D)-f1(X)}]/D…(33)式中，m1D(x)，m2D(x)為在X位置處僅有D的移動量時，角度傳感器的輸出。
上式中，{f1(x+D)-f1(x)}為已知函數(shù)，因而上式左邊為已知函數(shù)從而通過對導(dǎo)數(shù)函數(shù)e1’(x)的近似數(shù)值積分、e1(x)的近似函數(shù)eC(x)可以求得。
用f1(x)評價X的位置時，用上式求得的近似曲線e1C(x)進(jìn)行補償(補償量為δx)，重復(fù)進(jìn)行數(shù)值積分，新得到的e(x)有更高的精度。反復(fù)進(jìn)行X的位置補償直到δx足夠小為止，便可得到有足夠精度的校正曲線。
由e1(x)最終結(jié)果的再次積分可求得e(x)，由此得到角度柵格的角度形狀，這樣就完成了用兩個X方向角度傳感器對X方向的位置和搖擺角進(jìn)行檢測的角度柵格的校正。
圖五為用極座標(biāo)來決定位置的本發(fā)明的第五種實現(xiàn)形式的原理圖。
圖五中，圓形板50上沿半徑方向和圓周方向按已知函數(shù)進(jìn)行角度變化的二維角度柵格51形成了極座標(biāo)下使用的柵尺52。相對此柵尺52的二維角度柵格相對移動的角度傳感器53與柵尺相向配置，因此可以決定角度傳感器的極座標(biāo)位置。
而且在第五種實現(xiàn)形式中，對由圖五示出的二維角度柵格形狀有一定限制，即二維角度柵格以旋渦線進(jìn)行角度變化為好。
圖六為用柱面座標(biāo)決定位置的本發(fā)明的第六種實現(xiàn)形式的原理圖。
圖六中，沿圓柱體60的外圓母線，在兩個直交方向按已知函數(shù)變化的角度柵格61構(gòu)成柱面座標(biāo)下使用的柵尺62。因此，相對柵尺62的角度柵格面有移動且相向配置的角度傳感器63的圓柱座標(biāo)就可以決定。
而且，在第六種實現(xiàn)形式中，圖六示出的角度柵格有一定限制，即角度柵格以按螺旋線變化為好。
在圖一至圖六的實現(xiàn)形式中，對角度傳感器的反應(yīng)角度信息的光線等進(jìn)行線源分離，可以構(gòu)成隔斷型的角度柵格，從而成為對透過光線等的角度變化進(jìn)行檢測的裝置。這時的角度柵格或是表現(xiàn)為屈光率的變化或是表現(xiàn)為透光板里面凹凸?fàn)畹耐高^光方向的變化。
圖七為在球座標(biāo)中進(jìn)行位置決定的本發(fā)明第六種實現(xiàn)形式的原理圖。
圖七中，在球體70的內(nèi)表面形成的二維角度柵格71形成了球座標(biāo)用的柵尺72。這樣從設(shè)置在移動物體上的三個角度傳感器73就能決定移動物體自身的位置。
而且，球體70中心部位回轉(zhuǎn)物體的三個方向的姿勢、回轉(zhuǎn)中心的三個方向的振動也能測出。
圖八利用了原子力顯微鏡傳感器的原理，由接觸式角度傳感器和由結(jié)晶等的微細(xì)格子形成的角度柵格構(gòu)成了可決定二維位置的本發(fā)明的第八種實現(xiàn)形式，圖八為其原理圖。
圖八中，結(jié)晶體80的結(jié)晶面81為柵尺的二維角度柵格所在面，與決定結(jié)晶面81上原子間力或接觸力所在位置的接觸頭82相切面的法線方向上，撓曲率有變化的兩個方向的微型杠桿83、84順次相接，來自光源(圖中省略)的光照射在微型杠桿83、84上，來自微型杠桿83、84的反射光的方向由半導(dǎo)體光位置檢測器等光傳感器檢出，因此檢出角度形狀的變化和二維空間位置。
在這種實現(xiàn)形式中，結(jié)晶面81的原子排列被作為柵尺的二維角度柵格。
為了檢出微型杠桿83、84的撓度，也可以采用其它原理的光傳感器，還可以在微型杠桿上粘貼應(yīng)變片。
本發(fā)明中，并不限制上述各實現(xiàn)方案的具體構(gòu)成。
上述的角度柵格，可以是透明板材因其內(nèi)部組成變化引起的屈光率的變化構(gòu)成，也可以由屈折率受外加磁場力或力學(xué)意義上的力影響的材料本身或容器內(nèi)材料構(gòu)成。
本發(fā)明中，或彈性板，或有彈性的平面，或結(jié)晶體，或液面被給予一定的力激勵時產(chǎn)生駐波，在這些表面或面內(nèi)按已知函數(shù)變化的角度柵格都可構(gòu)成柵尺。
本發(fā)明中，柵尺由具有角度柵格的幾個分立柵尺構(gòu)成，這些分立柵尺在移動物體的移動范圍內(nèi)可以是間隔排列也可以是連續(xù)排列。代替角度柵格面的增加，可以用具有相同性能的角度傳感器組成工作組，并使其間隔小于柵格面的尺寸。
本發(fā)明中，使角度傳感器沿上述角度柵格的X、Y方向作一定量的相對移動，相對移動前后角度傳感器的檢測值及其差值與基于角度柵格已知理想形狀的誤差可以通過配備一定的設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)校正運算?？梢詫ι鲜鏊愠龅男Ｕ龜?shù)據(jù)或按通常方法得到的校正數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，或者基于上述的校正數(shù)據(jù)根據(jù)角度柵格對座標(biāo)位置和各種姿勢的測量結(jié)果進(jìn)行校正。
本發(fā)明還包括行波發(fā)生時，行波面上形成的作同樣變化的角度柵格，角度柵格與時間的關(guān)系可以用來決定二維位置。
本發(fā)明還包括以下這種情形，電光學(xué)的結(jié)晶或充滿密閉容器的液體被施加電磁能或光能時，電光學(xué)的結(jié)晶或液體的屈折率按已知函數(shù)變化所構(gòu)成的角度柵格。
權(quán)利要求
1.一種至少能檢測出移動物體位置及各種姿勢中的一項的柵尺，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由兩個不同方向的已知角度函數(shù)表征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的檢測移動物體用柵尺，上述角度柵格在基板表面或表面內(nèi)兩個交叉方向的角度性質(zhì)由具有一定振幅的呈正弦波形狀變化的山谷的集合構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的檢測移動物體用柵尺，上述角度柵格通過對光電結(jié)晶或充滿容器的對電磁場或光場反應(yīng)的液體施加電磁能或光能，由該光電結(jié)晶或液體的已知的屈折率的變化構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所描述的檢測移動物體用柵尺，上述角度柵格可以在直角座標(biāo)，圓柱座標(biāo)，極座標(biāo)或自由曲面座標(biāo)下形成。
5.一種檢測移動物體位置的檢測裝置，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由兩個不同方向(X，Y方向)的角度函數(shù)表征，移動物體檢測裝置的特征在于，與此角度柵格相對，配置至少一個能檢測X，Y方向各角度的二維角度傳感器，移動物體可以選擇安裝在上述柵尺或角度傳感器的任一方，檢出上述柵尺和角度傳感器的相對移動即為移動物體的二維座標(biāo)。
6.一種檢測移動物體位置及各種姿勢的檢測裝置，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由兩個不同方向(X，Y方向)的角度函數(shù)表征，移動物體檢測裝置的特征在于，與此柵尺的角度柵格面相對且在X，Y方向以一定間隔配置至少一對二維角度傳感器，移動物體可以選擇安裝在上述柵尺或角度傳感器的任意一方，檢出上述柵尺與角度傳感器的相對移動即為移動物體的二維座標(biāo)位置、搖擺角和旋轉(zhuǎn)角。
7.一種檢測移動物體位置及各種姿勢的檢測裝置，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由兩個不同方向(X，Y方向)的角度函數(shù)表征，移動物體檢測裝置的特征在于，與此柵尺的角度柵格面相對且在X，Y方向以一定間隔配置至少三個二維角度傳感器，移動物體可以選擇安裝在上述柵尺或角度傳感器的任意一方，檢出上述柵尺與角度傳感器的相對移動即為移動物體的二維座標(biāo)位置、搖擺角、旋轉(zhuǎn)角和偏航角。
8.一種檢測移動物體位置或各種姿勢的檢測裝置，柵尺表面或面內(nèi)由柵尺基板平面及自由曲面構(gòu)成，其角度柵格的角度特性由單軸方向(X方向)的已知函數(shù)表征，移動物體檢測裝置的特征在于，與此柵尺的角度柵格面相對配置有角度傳感器，移動物體可以選擇安裝在上述柵尺及角度傳感器的任意一方，檢出上述柵尺與角度傳感器的相對移動即為移動物體的一維座標(biāo)位置。
9.移動物體檢測裝置的特征在于，與權(quán)利要求8所記載的單軸方向的角度柵格相對，沿此軸方向以一定間隔配置一對角度傳感器，通過檢出一軸方向(移動方向)的傾斜角并由角度形狀兩點法檢出一軸方向移動物體位置和搖擺角。
10.移動物體檢測裝置的特征在于，由權(quán)利要求9所記載的角度傳感器由檢測一軸方向(移動方向)的變化及與該移動方向垂直方向的變化的二維角度傳感器構(gòu)成，由此角度傳感器檢測一軸方向的位置、搖擺角及旋轉(zhuǎn)角。
11.權(quán)利要求5至10中任一項所記載的移動物體檢測裝置中，上述角度柵格的角度變化通過幾個不同頻率的不同正弦波疊加而成。
12.權(quán)利要求5至11中任一項所記載的移動物體檢測裝置的特征在于，上述角度傳感器，由光學(xué)式、電磁式或機械接觸式的以一定間隔排列的幾個位移計構(gòu)成，相鄰兩個位移計的差動輸出為角度傳感器的輸出。
13.權(quán)利要求5至12中任一項所記載的移動物體檢測裝置的特征在于，使上述角度傳感器繞已知方向轉(zhuǎn)動一大的角度使其作為位移傳感器工作，檢測出此相對運動即為上述柵尺的角度柵格面與角度傳感器的距離或該距離的變化量。
14.上述柵尺通過給予彈性板、有彈性的平面或曲面、結(jié)晶體或液面或充滿密閉容器的液體以一定周期的振動，振動時產(chǎn)生的駐波在那些表面或面內(nèi)形成的按已知函數(shù)變化的角度柵格構(gòu)成，由此構(gòu)成權(quán)利要求項5至13中任一項所記載的移動物體檢測裝置。
15.上述柵尺由幾個具有角度柵格面的分立柵尺構(gòu)成，且這些柵尺或讀取柵尺的角度傳感器在移動物體的移動范圍內(nèi)成間隔或連續(xù)排列，由此構(gòu)成權(quán)利要求5至14中任一項所記載的移動物體檢測裝置。
16.使行波產(chǎn)生，行波所在面的角度變化形成角度柵格，這些角度冊格與時間有關(guān)的二維位置構(gòu)成權(quán)利要求5至15中任一項所記載的移動物體檢測裝置。
17.基于上述角度柵格的角度形狀誤差的校正結(jié)果，配備通過角度柵格對座標(biāo)位置和姿勢角的測量結(jié)果進(jìn)行補償?shù)氖侄螛?gòu)成權(quán)利要求5至16中任一項所記載的移動物體檢測裝置。
18.使上述角度傳感器沿上述角度柵格的X，Y方向作一定量的相對移動，根據(jù)相對移動前后的各個檢出值及基于角度柵格理想形狀的差值進(jìn)行誤差校正數(shù)據(jù)的計算，并設(shè)立對算出的校正數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的存儲裝置構(gòu)成權(quán)利要求5至17中任一項所記載的移動物體檢測裝置。
全文摘要
一種檢測移動物體位置的裝置,在含有柵尺基板101的平面及自由曲面的表面上,由在兩個不同方向(X,Y方向)上角度特性由已知函數(shù)表征的角度柵格102構(gòu)成柵尺10,與柵尺10的角度柵格面相對配置至少一個角度傳感器20,移動物體可以安裝在柵尺10或角度傳感器的任何一方,由柵尺10與角度傳感器的相對移動檢測出移動物體的二維座標(biāo)位置。
文檔編號G01B7/00GK1172246SQ97114780
公開日1998年2月4日 申請日期1997年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月29日
發(fā)明者清野慧 申請人:清野慧