定位装置及方法

本公开涉及精密位置/位移光学测量，尤其涉及一种定位装置及方法。

背景技术：

1、位置与位移量测量常用的光学方法包括激光干涉仪、光栅式位移传感器和光谱共焦传感器等，具有分辨力高、抗电磁干扰强等特点，在精密工件台定位、超精密加工定位等方面应用广泛。

2、但是受限于测量原理、环境干扰和算法误差，现有技术产品难以实现优于百纳米的测量精度。激光干涉仪测量范围大，测量分辨力可达皮米量级，通常用于位移装置的验收测试与定期性能指标测试。另外，激光干涉仪测量的是固定参考面和移动反射面的相对距离，固定参考面位于干涉仪装置内部，干涉仪和移动反射面之间的空间不稳定性对测量精度影响极大。从研制角度，干涉仪对激光稳定性要求较高，硬件系统较复杂、装调难度大、制造成本高。

3、光栅式位移传感器结构紧凑，多用于精密加工机床。但光栅尺无法消除阿贝误差，难以完全补偿移动装置中心轴和光栅尺测量轴的不同轴所产生的测量误差；光栅尺加工难度高，例如50毫米行程的光栅尺，其制造误差也在百纳米及以上；读数头在细分信号时，也会引入百纳米以上的差分误差。

4、高分辨光谱共焦传感器可以达到纳米级的轴向分辨力，但由于传感器和测量面分别独立安装易受环境干扰，因此该类产品的测量精度也难以突破百纳米量级。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、针对现有的技术问题，本公开提供一种定位装置及方法，用于至少部分解决以上技术问题。

3、(二)技术方案

4、本公开提供一种定位装置，包括：采集模块a，用于产生照明光；调光模块b，用于对照明光进行分束，产生基准光和测量光；传感模块c，包括参考反射器4和测量反射器5，参考反射器4被配置成设于待测装置的固定基座上，以用于反射基准光，得到基准反射光；测量反射器5被配置成设于待测装置的移动部件上，以用于反射测量光，得到测量反射光；其中，调光模块b还用于对基准反射光与测量反射光进行合束，得到合束光；采集模块a还用于测量合束光的光谱数据，并输出光谱数据来定位移动部件。

5、可选地，参考反射器4与测量反射器5不接触或滑动接触。

6、可选地，参考反射器4的反射面与测量反射器5的反射面互相平行。

7、可选地，采集模块a包括光源1和光谱仪6，其中：光源1用于产生照明光；光谱仪6用于测量合束光的光谱数据。

8、可选地，光源1采用宽谱光源，光源1包括sled光源、led光源、氘灯、卤钨灯、氙灯和超连续谱光源；光谱仪6包括高分辨光纤光谱仪和高阶光栅高分辨光谱仪。

9、可选地，调光模块b包括光束导引器2和光束调整器3，其中：光束导引器2用于对照明光进行分束，产生基准光和测量光；光束调整器3用于调整使基准光和测量光平行。

10、可选地，光束导引器2包括分光棱镜、分光平板和y型光纤。

11、可选地，光束调整器3包括离轴抛物面镜、非球面透镜、复消色差物镜、透镜组和光纤准直器。

12、可选地，参考反射器4和测量反射器5均采用平面反射镜或光滑表面的晶体；其中，平面反射镜的反射率大于99％，光滑表面的晶体的表面粗糙度为1nm～2nm。

13、本公开另一方面提供一种定位方法，采用本公开任一实施例的定位装置，包括：采集模块a产生照明光；调光模块b对照明光进行分束，产生基准光和测量光；被固定在待测装置的固定基座上的参考反射器4反射基准光得到基准反射光；被固定在待测装置的移动部件上的测量反射器5反射测量光得到测量反射光；调光模块b对基准反射光与测量反射光进行合束，得到合束光；以及，采集模块a测量合束光的光谱数据，并输出光谱数据来定位移动部件。

14、(三)有益效果

15、本公开提供一种埃米分辨力定位装置，参考反射器的反射面为光学基准面，测量反射器的反射面为光学测量面，通过将参考反射器和测量反射器分别安装在待测装置的固定基座和移动部件上，使其在空间上处于一个模块之内，极大降低了光测量仪器(光谱仪)和传感器(传感模块)之间的环境干扰，提升定位装置的分辨力达到埃米级。

16、基准反射光和测量反射光互相平行，减小了移动轴和测量轴不同轴引起的阿贝误差，进一步提升了定位装置的测量精度。

17、采集模块中的光源和光谱仪具有多种组合，不同光源具有不同的谱宽及中心波长，搭配不同的光谱仪，可以实现多种测量效率及量程。

18、本公开的定位装置，系统结构简单，组装、操作方便，调光模块和传感模块相对位置灵活可调，适用于多种测量场景。

技术特征：

1.一种定位装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述参考反射器(4)与所述测量反射器(5)不接触或滑动接触。

3.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述参考反射器(4)的反射面与所述测量反射器(5)的反射面互相平行。

4.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述采集模块(a)包括光源(1)和光谱仪(6)，其中：

5.根据权利要求4所述的定位装置，其特征在于，所述光源(1)采用宽谱光源，所述光源(1)包括sled光源、led光源、氘灯、卤钨灯、氙灯和超连续谱光源；

6.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述调光模块(b)包括光束导引器(2)和光束调整器(3)，其中：

7.根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于，所述光束导引器(2)包括分光棱镜、分光平板和y型光纤。

8.根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于，所述光束调整器(3)包括离轴抛物面镜、非球面透镜、复消色差物镜、透镜组和光纤准直器。

9.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述参考反射器(4)和所述测量反射器(5)均采用平面反射镜或光滑表面的晶体；

10.一种定位方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的定位装置，包括：

技术总结
本公开提供一种定位装置及方法，装置包括：采集模块(A)，用于产生照明光；调光模块(B)，用于对照明光进行分束，产生基准光和测量光；传感模块(C)，包括参考反射器(4)和测量反射器(5)，参考反射器(4)被配置成设于待测装置的固定基座上，以用于反射基准光，得到基准反射光，测量反射器(5)被配置成设于待测装置的移动部件上，以用于反射测量光，得到测量反射光；其中，调光模块(B)还用于对基准反射光与测量反射光进行合束，得到合束光；采集模块(A)还用于测量合束光的光谱数据，并输出光谱数据来定位移动部件。本公开的定位装置，测量分辨力可达埃米，系统结构简单，组装、操作方便，适用于多种测量场景。

技术研发人员：霍树春,石俊凯,高超,陈晓梅,李冠楠,姜行健,刘立拓,董登峰,周维虎
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12