基于平板显示技术的主动式光栅编码器研究

Precision planar motion control is highly important for such applications as semiconductor manufacturing, precision machining, precision measurement, biomedical engineering, and nanomanufacturing. To realize high-precision planar motion control, high-precision displacement measurement technology is indispensible. This project takes advantage of the rapidly progressing digital flat-panel display technologies and proposes to develop a novel active optical encoder technology for precision position measurement. In this technology, a camera is used to capture the image of the pixels of a display panel, which are actively encoded. Through image and signal processing, the absolute position of the camera relative to the display panel can be measured at nanometer accuracy. This new technology is then integrated in an air bearing planar motor to enable feedback control for precision positioning. The main research topics of this project include: 1) Study of the basic principle of the proposed active optical encoder technology; 2) Study of the active encoder technology using computer simulation; 3) Development of a planar OLED optical encoder; 4) Measurement accuracy evaluation of the active encoder in a large measurement range. Through this project, we hope to achieve breakthroughs in the area of high-precision optical encoders and thus contribute to the progress of nano position measurement and control technologies.

精密平面运动控制系统在半导体集成电路生产、精密加工、精密测量、生物医 学工程、纳米制造等现代工业领域有着极其重要的应用。而要实现高精度的平面运动控制， 高精度位移测量技术必不可少。本项目利用当前快速发展的数字化平板显示技术，提出了主 动式光栅编码器新技术，通过对显示屏像素进行编码，并对相机采集到的像素图像信号进行 处理，实现纳米级的绝对位移测量，同时将该技术与气浮平面电机技术相结合，实现大范围 精密定位控制。主要研究内容包括：（1）主动式光栅编码器的基础研究；（2）主动式光栅编 码器的计算机仿真研究；（3）主动式平面光栅编码器的研制；（4）主动式平面光栅编码器的 大范围测量精度研究。通过本项目的研究，将在高精度光栅编码器技术方面取得创新性突破， 从而对纳米级位移测量及定位控制技术的发展做出贡献。

本研究课题深入探讨了基于主动式光栅编码器技术的高精度位移测量和大范围精密定位方法，利用位相估算的相关理论，开发出一种新型的高精度多自由度位置测量方法，同时设计制造了一种高精度压电陶瓷平面电机，用于大范围精密定位。通过理论推导，数值模拟和实验相结合的方法，本研究取得了如下成果：1）通过理论推导设计出一种全新的相位估计算法，能够克服离散采样信号的缺陷，计算得到准确的信号相位，从而实现纳米级别的高精度位置测量；2）将相位估计算法扩展到二维平面，可以对平面内物体的移动进行高精度测量。结合投影模型、针孔相机模型等数学手段，还可以进一步实现物体空间六自由度姿态和位置的高精度测量；3）设计了一种绝对位置测量方法，通过对二维周期图案进行绝对编码来实现，解决了位置测量时高分辨率和大量程之间的矛盾，充分利用了主动式光栅编码器的优势；4）设计制作了一种高精度压电陶瓷驱动平面电机。该电机以压电陶瓷作为驱动装置，通过不同模式的切换实现快速移动和精确定位，位移分辨率可达纳米级别；5）利用工业相机，数字显示屏（如手机等）即可搭建可靠的实验装置，对平面电机进行标定，并和激光干涉仪的测量结果进行对照。实验结果表明，本项目提出的测量方法具有和传统激光干涉法近似的精度，但成本明显降低，且操作简便； 6）对提出的高精度多自由度位置测量方法在实际应用中存在的问题进行了深入研究，分析了部分误差来源，并制定了相应的解决方案。通过不断改善和优化，为主动式光栅编码器和相关测量方法的实际应用打下了基础。