[發明專利]基于FPGA的光柵尺實時辨向方法及系統

有效

• 申請號: 202011070554.0
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112129971B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 李思敏;王靖琨;熊顯名;張文濤;曾啟林;杜浩;張玉婷;李洪陽
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01P13/02
• 分類號: G01P13/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于FPGA的光柵尺實時辨向方法及系統，涉及光電信號處理領域。本方法包括以下步驟：使用兩級D觸發器分別對兩路光柵尺數據信號進行過采樣和延遲處理，基于過采樣和延遲處理后的數據信號生成上升信號、下降信號和保持信號三種變化趨勢信號以及靜止信號；分別統計每一路數據信號的符號位以及變化趨勢信號；當符號位和變化趨勢信號符合設定的運動方向判據時，判定運動方向為有效的運動方向。本發明能檢測出光柵尺被測量物體的運動方向，具有高實時性和可靠性。

(一)技術領域

本發明涉及光電信號處理領域，尤其涉及一種光柵尺實時辨向方法及系統。

(二)背景技術

光刻設備是一種將所需圖案應用到襯底上的半導體設備。現有的光刻設備包括承載掩模片的掩模臺和承載硅片的工件臺以及其測量系統，對于芯片制造業，掩模臺和工件臺的測量系統的工作效率直接影響最終的生產效率。由于工藝制程的提升和生成規模的擴大，需要提高測量系統的實時性，尤其是辨向系統的實時性。

現有技術中的高精度位移測量系統主要包括雙頻激光干涉儀和光柵尺。激光干涉儀測量系統以激光波長為測量基準，對測量環境的溫度和壓力比較敏感，當測量環境發生變化時，測量精度極大受限。光柵尺對測量環境的溫度和壓力不敏感，魯棒性強。

現有技術中的光柵尺公開了一種四細分辨向的辨向方法。該四細分辨向的辨向方法通過監測信號符號位的變化，變化趨勢為11-10-00-01-11依次循環變化時，規定此方向為正方向；變化趨勢為10-11-01-00-10依次循環變化時，規定此方向為反方向。

現有技術中的四細分辨向方法無法檢測正余弦光電信號相位在四分之一周期內的變化，即無法檢測物體運動距離在四分之一柵距內的運動方向。

現有技術中的四細分辨向方法對待測物體行進過程中的方向切換不敏感，尤其是正余弦光電信號處于波峰或波谷處的方向切換。

現有技術中的四細分辨向方法中的信號符號位變化周期長，導致辨向結果更新慢，會造成光刻設備的其他部件需要等待結果更新才能正常工作，極大拖累了整套設備的工作效率。

現有技術中的光柵尺公開了一種利用光電元件判別物體運動方向的方法。光柵用N個光電元件，每個光電元件相距1/N柵距，當物體移動時，光信號通過各個光電元件的時間不同，雖然輸出光電信號波形相同，但相位相差1/N周期。根據光電元件輸出信號相位關系，可以確定物體移動方向。

現有技術中光電元件辨向方法，當辨向精度要求提升時，需要在系統中加入大量的光電元件，增加了系統安裝調試難度，也提高了硬件開銷。

(三)發明內容

針對現有技術中的光柵尺辨向系統中小量程測量無效、行進中方向切換不敏感、狀態更新慢、硬件開銷大和安裝調試困難等缺陷，本發明的主要目的在于提供一種光柵尺實時辨向方法，本發明的另一目的是提供一種光柵尺實時辨向系統，能夠檢測光柵尺待測物體的運動方向，具有高實時性和可靠性。

本發明提供一種基于FPGA的光柵尺實時辨向方法，包括以下步驟：

分別對兩路光柵尺數據信號進行過采樣和延遲處理，基于過采樣和延遲處理后的數據信號生成上升信號、下降信號和保持信號三種變化趨勢信號以及靜止信號；

分別統計每一路數據信號的符號位以及變化趨勢信號；

當符號位、變化趨勢信號和靜止信號符合設定的運動方向判據時，判定運動方向為有效的運動方向；

使用兩級D觸發器分別對兩路光柵尺數據信號進行過采樣和延遲處理, 得到原始數據信號、第一延時數據信號和第二延時數據信號，其中，第一延時數據信號的延時為1個時鐘周期，第二延時數據信號的延時為2個時鐘周期；

將所述原始數據信號和所述第一延時數據信號通過進行大小比較，得到所述變化趨勢信號的最高位；