专利名称：荫罩母板精密自动对准系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种采用衍射叠栅信号技术实现荫罩母板精密自动对准系统和方法，属于显示器器件制造领域。
背景技术：
荫罩是彩色显示器的重要元件，置于显示屏后面，用来控制电子束轰击荧光屏的扫描路径及像素尺寸。荫罩板是一种厚度小于Imm的薄钢板，其上布有几十万个规则的细孔，孔长0. 6mm,孔宽0. 2mm,要求误差为几个微米。荫罩母板的对准是荫罩加工中最重要的加工工序。在生产过程中，涂有感光材料的钢带处于两块玻璃母板之间，其中，一块玻璃母板安装在定框架上固定不动，另一块玻璃母板安装在动框架上，如图1所示，通过调节凸轮机构，可使动框架上的玻璃母板相对于定框架上的玻璃母板移动，从而使两玻璃母板完全对准。由于两块玻璃母板上绘有对称的细孔图案，这样经过一定时间的曝光后，在钢板两侧分别形成细孔的对称投影图案，经腐蚀处理后在钢板上就形成与母板图案相同的细孔，形成荫罩板。目前，两块玻璃母板的对准是采用显微镜观察玻璃板上的对准标记，再不断手工调节动框架位置，逐步使两块母板对准，这种方法不仅效率低下，而且加工精度难以保证，严重制约着生产效率和产品合格率的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够快速、可靠、高精度实现荫罩母板自动对准的系统和方法。为实现上述目的，本发明对准系统所采取的技术方案为
荫罩母板精密自动对准系统，包括半导体激光器、分光镜、动框架、定框架、差动光栅、光电二极管、信号处理电路、A/D转换器、工业控制计算机、步进电机及驱动器、精密凸轮驱动机构等，其中，差动光栅由在两块玻璃母板上各设置的四组光栅构成；精密凸轮驱动机构包括四个弹簧和四个凸轮，所述弹簧两两分为一组，分别设置在动框架的对角处，并且四个弹簧分别连接在动框架的四条边上；所述凸轮两两分为一组，分别设置在动框架的另外一对对角处，并且四个凸轮也分别与动框架的四条边接触，四个凸轮由四个伺服电机驱动旋转；所述信号处理电路由电流/电压转换电路、放大电路、滤波电路和调零电路四级组成。本发明对准方法所采取的技术方案为荫罩母板精密自动对准方法，包括以下步骤
(1)进行粗对板在两块玻璃母板的上下对称处，设有两个“ + ”字形的对板标记；借助放大镜，人工将动框架玻璃母板与定框架玻璃母板进行粗对准，其对准精度为士50// m ；
(2 )两玻璃母板粗对准后，再进行精密自动对板精密凸轮驱动机构的四个弹簧和四个凸轮两两相对夹紧，以保证动框架的运动平稳；凸轮机构将细分后电机的微小角度位移量转化为微米级的线性位移，工业控制计算机取透射零次差动叠栅信号为控制信号，并根据差动叠栅信号的大小和极性发出相应的驱动脉冲信号，使电机驱动动框架达到所要求的位置精度范围；当对准系统受到扰动，反映位置变化的差动叠栅信号曲线偏离误差带，工业控制计算机便会发出相应的控制脉冲，进行自动复位，使两块玻璃母板的相对位置偏差始终控制在所要求的精度范围内，实现精密对准。本发明的对准系统以工业控制计算机为核心，由微机控制实现高精度位置检测及精密自动对准，在软、硬件方面采取了一系列抗干扰措施，确保了较高的对准精度及工作可靠性，对准精度可达到士0.5//m。本发明的对准方法采用粗对准与精对准相结合的两段式复合对准，可以使精密对准工作台在达到高精度的同时，又能大大缩短对准时间，实现高速、高精度对准控制。
图1是现有技术的荫罩母板框架结构示意图。图2 (a)是本发明荫罩母板精密对准台的结构框图；(b)是差动光栅结构图。图3是本发明对准系统中精密凸轮驱动机构的结构图。图4是本发明对准系统中光电信号检测电路图。图5 (a)是本发明实施例中采用的差动叠栅结构图，(b)是差动叠栅信号曲线图。图6是本发明实施例中采用精密对准方法得到的实验结果(a)原始曲线，(b)差动曲线。
具体实施例方式本发明的荫罩母板精密自动对准系统如图2所示。为了有效检测两块玻璃母板的相对位置偏差，在两块玻璃母板上各设置四组光栅，光栅组1-2、3-4、5-6两两相对，构成差动光栅结构，以提高位置检测信号的灵敏度，其中光栅组1-2、5-6检测水平位置偏差，光栅组3-4检测垂直位置偏差，由于上下两点的距离固定，因此Y方向只需设置一组光栅。光栅8为一组圆光栅，当动板与定板完全对准时，通过的光强为0。7路为不经光栅衍射的原始光，通过检测该束光的光强，可以实时反映出激光源光强的变化，用于对准时的光强补偿。在系统的动框架上设有精密凸轮驱动机构，如图3所示，四个弹簧和四个凸轮两两相对夹紧，以保证其运动平稳。凸轮顺时针旋转形成微位移直线推进，逆时针旋转形成微位移直线后退，微动台的任何一个方向运动，均由4个凸轮联动形成，产生纵向、横向和旋转三种运动，四个凸轮由四个伺服电机驱动旋转。微动台的驱动采用脉冲细分式步进电机，并通过高精度阿基米德螺线凸轮机构，将细分后步进电机的微小角度位移量转化为微米级的线性位移，以满足对准控制的需要，最终的对准误差将主要依靠计算机闭环控制作用来消除，尽量减少对机械传动部分本身加工精度的依赖。工控机每发出一个脉冲，对应步进电机驱动凸轮旋转0. 03°，微动台移动0. 2μ m。光电信号处理电路由电流/电压转换电路、放大电路、滤波电路、调零电路四级组成。光电二极管接受光栅衍射后的0次叠栅光信号，将光强信号转换为电信号，通过电流/电压转换电路将微安级的电流信号转换为微伏级电压信号，再通过放大电路进行放大。滤波器采用二价低通滤波器，可有效消除高频干扰信号的影响，并且在其中加入低通滤波T形网络以便进一步滤除50Hz的噪声。此外，电路配置了调零电路，可有效消除光电二极管暗电流及运算放大器的零点漂移，提高位置检测精度。微机控制装置采用抗干扰能力强的工业控制计算机作为系统的核心，工控机采用高性能的PCL-818L数据采集板卡、16通道继电器输出端子板PCLD-785、16路光隔离D/I端子板PCLD-782及PCA-6167系列主板，主板内置工业级CPU卡。驱动装置采用德国百格拉公司生产的三相混合式步进电机及驱动器。步进电机驱动控制卡采用四通电机公司生产的6020系列ISA总线三轴步进电机控制卡，该控制卡能精确控制所发出的脉冲频率(电机速度)、脉冲个数(电机转角)及频率变化率(电机加速度)，它能满足步进电机的各种复杂控制要求。利用上述荫罩母板精密自动对准台，本发明的对准方法为
⑴进行粗对板，在两块玻璃母板的上下对称处，设有两个“ + ”字形的对板标记。借助放大镜，人工将动框架玻璃母板与定框架玻璃母板进行粗对准，其对准精度为士50// m，工作时两块母板处于夹紧状态，且中间抽成了真空，并适当调整好两板间隙。(2)采用差动叠栅信号技术检测位置偏差。当两光栅相对移动时，叠栅信号强度随两光栅的相对位移呈周期性变化，通过光电二极管将透射的零次叠栅光转换为电信号，并由计算机检测零次叠栅光信号强度，即可确定两片光栅间的相对位移量。为有效提高位置检测信号的灵敏度，设置两组分别错开+d/4和-d/4的光栅，当激光经过这两组光栅时，可以获得两个反相的叠栅信号，取两个叠栅信号的差值(即差动叠栅信号)为位置偏差检测信号。差动叠栅信号将反映位移变化的光强值有效地放大了一倍，特别是在对准点附近差动叠栅信号的变化率很陡，微小位移便会导致大的光强变化，极大地提高了位置检测信号的灵敏度和定位精度。⑶两玻璃母板粗对准后，进入光栅检测的范围，再进行精密自动对板。对准时，透射的0次差动叠栅信号，由光电二极管转换为电信号，经放大、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，工控机根据差动叠栅信号的大小和极性发出相应的驱动脉冲信号，使步进电机细分步驱动微动台达到所要求的位置精度范围。当系统受到扰动，反映位置变化的差动叠栅信号曲线偏离误差带，工控机便会发出相应的控制脉冲，进行自动复位，使位置偏差始终控制在所要求的精度范围内，实现精密对准，其对准精度为士 0. 5// m。
权利要求
1.荫罩母板精密自动对准系统，包括半导体激光器、分光镜、动框架、定框架、差动光栅、光电二极管、信号处理电路、A/D转换器、工业控制计算机、步进电机及驱动器、精密凸轮驱动机构等，其特征在于差动光栅由在两块玻璃母板上各设置的四组光栅构成；精密凸轮驱动机构包括四个弹簧和四个凸轮，所述弹簧两两分为一组，分别设置在动框架的对角处，并且四个弹簧分别连接在动框架的四条边上；所述凸轮两两分为一组，分别设置在动框架的另外一对对角处，并且四个凸轮也分别与动框架的四条边接触，四个凸轮由四个伺服电机驱动旋转；所述信号处理电路由电流/电压转换电路、放大电路、滤波电路和调零电路四级组成。
2.根据权利要求1所述的荫罩母板精密自动对准系统，其特征在于组成所述差动光栅的四组光栅中，两组光栅用来检测两块玻璃母板的相对水平位置偏差，一组光栅用来检测两块玻璃母板的相对垂直位置偏差，另外一组光栅为圆光栅。
3.根据权利要求1或2所述的荫罩母板精密自动对准系统，其特征在于所述凸轮采用阿基米德螺线凸轮机构，其驱动采用脉冲细分式步进电机。
4.利用如权利要求1所述的荫罩母板精密自动对准系统的对准方法，其特征在于(1)进行粗对板在两块玻璃母板的上下对称处，设有两个“ + ”字形的对板标记；借助放大镜，人工将动框架玻璃母板与定框架玻璃母板进行粗对准；(2 )两玻璃母板粗对准后，再进行精密自动对板精密凸轮驱动机构的四个弹簧和四个凸轮两两相对夹紧，以保证动框架的运动平稳；凸轮机构将细分后电机的微小角度位移量转化为微米级的线性位移，工业控制计算机取透射零次差动叠栅信号为控制信号，并根据差动叠栅信号的大小和极性发出相应的驱动脉冲信号，使电机驱动动框架达到所要求的位置精度范围；当对准系统受到扰动，反映位置变化的差动叠栅信号曲线偏离误差带，工业控制计算机便会发出相应的控制脉冲，进行自动复位，使两块玻璃母板的相对位置偏差始终控制在所要求的精度范围内，实现精密对准。
全文摘要
本发明涉及显示器器件制造的技术领域，提出一种采用衍射叠栅信号技术实现荫罩母板的精密自动对准系统和方法。采用差动叠栅信号技术检测位置偏差，可有效检测两块玻璃母板的相对位置偏差，并确保较高的检测精度。对准系统取透射的0次差动叠栅信号为控制信号，由光电二极管转换为电信号，经放大、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，微机根据输入的信号确定位置偏差的大小和方向，再发出相应的驱动脉冲信号，使步进电机细分步驱动活动母板，达到所要求的位置精度范围，最终使活动母板与固定母板完全对准。系统在软、硬件方面采取了一系列抗干扰措施，确保了较高的对准精度及工作可靠性，对准精度为±0.5μm。
文档编号H01J9/14GK102394206SQ20111030428
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年10月10日
发明者廉美琳, 张金龙, 徐慧 申请人:南京师范大学