CN101949684B - 一种基于移动比较的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动比较的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统，包括参考信号预处理电路1、测量信号预处理电路2、鉴相器3、锯齿波发生器4、双移动窗比较组5及运算处理电路6。其中参考信号预处理电路1和测量信号预处理电路2的信号输出端分别与鉴相器3的信号输入端连接，鉴相器3、锯齿波发生器4、双移动窗比较组5和运算处理电路6依次连接。本发明采用双移动窗比较组实现高倍频细分的整数和小数信号的产生，然后通过运算电路进行数据处理，可以准确的高分辨的测出双频激光干涉仪信号的周期和相位信息，极大的提高双频激光干涉仪测量系统的测量精度。

Description

一种基于移动比较的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及激光干涉仪相位细分方法，特别是一种用于双频激光干涉仪相位的高倍率细分系统，该系统可广泛用于超大规模集成电路加工设备、精密机床等的在线在位测量、误差修正和控制等方面。

背景技术

双频激光干涉仪是工业中最具权威的长度测量仪器，被广泛用于各种精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制。理论上，若不对双频激光干涉仪输出信号进行细分处理，则最终测量精度只可达到激光光源波长的二分之一。随着纳米制造技术的发展，对双频激光干涉仪的精度提出了更高的要求，因此必须对干涉仪输出信号进行细分处理，细分功能模块成为双频激光干涉仪的核心组成部分。传统的细分方法可以归纳为光学细分和电子细分两种方式。由于光学细分是以牺牲干涉仪的测量速度为代价的，光学细分数即干涉仪测量速度降低的倍数，此外光学细分的结构也过于复杂，难以实现高倍细分，因此电子细分是激光干涉仪的主要细分方法。基于锁相倍频的细分方法原理为测量路与参考路信号同时锁相倍频处理，通过数字解调后得到与位移相关的倍频脉冲，此脉冲通过计数器与缓冲，再通过CPU数据处理得到位移信息，其特点是，解调后的脉冲也可直接进入运动控制实现高精度定位控制，但倍频锁相的频率跟踪的带宽有限，数字解调的控制受到高频工作的限制。然而基于填脉冲的数字鉴相细分方法也受限于诸多因素，因此对测量精度的提高极其有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于移动比较的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统，该信号细分系统通过双移动窗比较组实现高倍频细分的整数和小数信号的产生，然后通过运算电路进行数据处理，能够提高双频激光干涉仪测量系统的测量精度。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

该基于移动比较的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统，包括参考信号预处理电路、测量信号预处理电路、鉴相器、锯齿波发生器、双移动窗比较组及运算处理电路；所述测量信号预处理电路和参考信号预处理电路分别完成测量信号与参考信号的光电检测、放大、滤波与整形后，分别输出为两路方波数字信号并送入鉴相器进行鉴相；所述鉴相器输出为占宽比随相位变化的数字脉冲信号，该占宽比随相位变化的数字脉冲信号控制所述锯齿波发生器产生幅值随占宽比周期变化的锯齿波，该锯齿波进入所述双移动窗比较组产生高倍频细后的整数脉冲和小数并行数据后，送入所述运算处理电路进行计算处理，所述运算处理电路得出最终细分结果并由总线方式输出。

上述双移动窗比较组由上比较器、下比较器、第一可逆计数器、第一静态存储器，第二静态存储器，第一数模转换器，第二数模转换器组成；所述上比较器和下比较器的输出端分别与第一可逆计数器的输入端连接，第一可逆计数器的输出端分别连接第一静态存储器和第二静态存储器的输入端，第一静态存储器和第二静态存储器的输出端分别与第一数模转换器和第二数模转换器的输入端连接，而第一数模转换器的输出端连接至上比较器的输入端，第二数模转换器的输出端连接至下比较器的输入端；所述第一可逆计数器还与总线连接。

上述锯齿波发生器产生的含有相位信息的锯齿波信号同时进入上比较器和下比较器并分别在上比较器和下比较器中同第一数模转换器输出的上窗口比较电压和第二数模转换器输出的下窗口比较电压进行比较；如果含有相位信息的锯齿波信号幅值增加比上窗口比较电压高就产生加计数脉冲，送入第一可逆计数器进行加计数，其结果控制第一静态存储器输出并行数据控制第一数模转换器输出新的电压作为上比较器的新比较电压，然后再作下一个比较循环；如果含有相位信息的锯齿波信号幅值减少比下窗口比较电压低就产生减计数脉冲，送入第一可逆计数器进行鉴计数，其结果控制第二静态存储器输出并行数据控制第二数模转换器输出新的电压作为下比较器的新比较电压，然后再作下一个比较循环；所述可逆计数器实时通过溢出位输出溢出计数整数脉冲和通过总线输出小数脉冲进入后续运算处理电路。

上述运算处理电路由第二可逆计数器、微处理器、输出总线驱动器组成；所述第二可逆计数器接受来自双移动窗比较组的整数脉冲，所述微处理器从第二可逆计数器中读出整数脉冲，且所述微处理器还从第一可逆计数器中读出小数脉冲，然后经过叠加从输出总线驱动器上输出。

本发明采用双移动窗比较组实现高倍频细分的整数和小数信号的产生，然后通过运算电路进行数据处理，可以准确的高分辨的测出双频激光干涉仪信号的周期和相位信息，本发明具有以下有益效果：

1)本发明的基于移动比较的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统采用的可逆计数器与模数转换相结合的电压基准的随动产生，从而实现了阶梯比较脉冲，可以使得细分精度由可逆计数器与模数转换的位数决定，从而大大提高了细分精度，使得本发明满足精密加工领域应用的要求；

2)本发明采用高速数字电路实现，比传统的细分系统具有更高的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的测量信号预处理电路的结构示意图；

图3为本发明的双移动窗比较组结构示意图；

图4为本发明的运算处理电路结构示意图。

其中：1、参考信号预处理电路，2、测量信号预处理电路，3、鉴相器，4、锯齿波发生器，5、双移动窗比较组，6、运算处理电路，7、光电转换，8、放大电路，9、滤波电路，10、整形，11、上比较器，12、下比较器，13、第一可逆计数器，14、第一静态存储器，15、第二静态存储器，16、第一数模转换器，17、第二数模转换器，18、第二可逆计数器，19、微处理器，20、总线驱动器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的基于移动比较的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统，包括参考信号预处理电路1、测量信号预处理电路2、鉴相器3、锯齿波发生器4、双移动窗比较组5及运算处理电路6。其中参考信号预处理电路1和测量信号预处理电路2的信号输出端分别与鉴相器3的信号输入端连接，鉴相器3、锯齿波发生器4、双移动窗比较组5和运算处理电路6依次连接。以上各部分间的具体信号处理和流动方向如下：

测量信号预处理电路2和参考信号预处理电路1分别完成测量信号与参考信号的光电检测、放大、滤波与整形后，分别输出为两路方波数字信号并送入鉴相器3进行鉴相，鉴相器3输出为占宽比随相位变化的数字脉冲信号，该占宽比随相位变化的数字脉冲信号控制所述锯齿波发生器4产生幅值随占宽比周期变化的锯齿波，该锯齿波进入所述双移动窗比较组5产生高倍频细分的整数脉冲和小数并行数据后，送入所述运算处理电路6进行计算处理，运算处理电路6得出最终细分结果并由总线方式输出。

图2为本发明的测量信号预处理电路2的结构示意图，测量信号预处理电路2由光电转换电路7、运算放大电路8、滤波电路9和整形电路10依次连接组成。其中光电转换电路7接收双频激光干涉仪输出的参考光路或测量光路的光信号并将其转换成电信号，运算放大电路8的作用是对光电转换电路7输出电信号进行放大，使其满足后续电路处理要求，滤波电路9的作用是滤除信号中的高频噪声，整形电路10的作用是将滤波电路9输出的正弦信号整形为适合数字器件处理的数字脉冲信号。上述的参考信号预处理电路1与图2的测量信号预处理电路2结构相同，且工作过程相似。

参见图3，本发明的双移动窗比较组5由上比较器11、下比较器12、第一可逆计数器13、第一静态存储器14，第二静态存储器15，第一数模转换器16和第二数模转换器17组成。其中上比较器11和下比较器12的输出端分别与第一可逆计数器13的输入端连接，第一可逆计数器13的输出端分别连接第一静态存储器14和第二静态存储器15的输入端，第一静态存储器14和第二静态存储器15的输出端分别与第一数模转换器16和第二数模转换器17的输入端连接。而第一数模转换器16的输出端连接至上比较器11的输入端，第二数模转换器17的输出端连接至下比较器12的输入端。第一可逆计数器13还与总线连接。

以上锯齿波发生器4产生的含有相位信息的锯齿波信号同时进入上比较器11和下比较器12并分别在上比较器11和下比较器12中同第一数模转换器16输出的上窗口比较电压和第二数模转换器17输出的下窗口比较电压进行比较；如果含有相位信息的锯齿波信号幅值增加比上窗口比较电压高就产生加计数脉冲，送入第一可逆计数器13进行加计数，其结果控制第一静态存储器14输出并行数据控制第一数模转换器16输出新的电压作为上比较器11的新比较电压，然后再作下一个比较循环；如果含有相位信息的锯齿波信号幅值减少比下窗口比较电压低就产生减计数脉冲，送入第一可逆计数器13进行鉴计数，其结果控制第二静态存储器15输出并行数据控制第二数模转换器17输出新的电压作为下比较器12的新比较电压，然后再作下一个比较循环；所述可逆计数器13实时通过溢出位输出溢出计数整数脉冲和通过总线输出小数脉冲进入后续运算处理电路6。

参见图4，本发明所述的运算处理电路6由第二可逆计数器18、微处理器19、输出总线驱动器20组成。其中第二可逆计数器18的输出端连接微处理器19，微处理器19与输出总线驱动器20连接。第二可逆计数器18接受来自双移动窗比较组5的整数脉冲，微处理器19从第二可逆计数器18中读出整数脉冲，且所述微处理器19还从第一可逆计数器13中读出小数脉冲，然后经过叠加从输出总线驱动器20上输出。

运算处理电路6中计算细分的分辨精度的计算公式如下：

$\mathrm{Resolution}=\frac{1}{K}\·\frac{\mathrm{\λ}}{N}$

其中，N为光学倍频数，K为移动阶梯因子。本发明实例中的N＝2，K＝1024，则最终精度为λ/2048(0.3nm)。K一般选为2ⁿ(n为正整数)；N由双频激光干涉仪的结构设计决定，一般取为2。

Claims (4)

1.一种基于移动比较的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统，其特征在于：包括参考信号预处理电路(1)、测量信号预处理电路(2)、鉴相器(3)、锯齿波发生器(4)、双移动窗比较组(5)及运算处理电路(6)；所述测量信号预处理电路(2)和参考信号预处理电路(1)分别完成测量信号与参考信号的光电检测、放大、滤波与整形后，分别输出为两路方波数字信号并送入鉴相器(3)进行鉴相；所述鉴相器(3)输出为占宽比随相位变化的数字脉冲信号，该占宽比随相位变化的数字脉冲信号控制所述锯齿波发生器(4)产生幅值随占宽比周期变化的锯齿波，该锯齿波进入所述双移动窗比较组(5)产生高倍频细分的整数脉冲和小数并行数据后，送入所述运算处理电路(6)进行计算处理，所述运算处理电路(6)得出最终细分结果并由总线方式输出。

2.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统，其特征在于：所述双移动窗比较组(5)由上比较器(11)、下比较器(12)、第一可逆计数器(13)、第一静态存储器(14)，第二静态存储器(15)，第一数模转换器(16)，第二数模转换器(17)组成；所述上比较器(11)和下比较器(12)的输出端分别与第一可逆计数器(13)的输入端连接，第一可逆计数器(13)的输出端分别连接第一静态存储器(14)和第二静态存储器(15)的输入端，第一静态存储器(14)和第二静态存储器(15)的输出端分别与第一数模转换器(16)和第二数模转换器(17)的输入端连接，而第一数模转换器(16)的输出端连接至上比较器(11)的输入端，第二数模转换器(17)的输出端连接至下比较器(12)的输入端；所述第一可逆计数器(13)还与总线连接。

3.根据权利要求2所述的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统，其特征在于：所述锯齿波发生器(4)产生的含有相位信息的锯齿波信号同时进入上比较器(11)和下比较器(12)并分别在上比较器(11)和下比较器(12)中同第一数模转换器(16)输出的上窗口比较电压和第二数模转换器(17)输出的下窗口比较电压进行比较；如果含有相位信息的锯齿波信号幅值增加比上窗口比较电压高就产生加计数脉冲，送入第一可逆计数器(13)进行加计数，其结果控制第一静态存储器(14)输出并行数据，该并行数据控制第一数模转换器(16)输出新的电压作为上比较器(11)的新比较电压，然后再作下一个比较循环；如果含有相位信息的锯齿波信号幅值减少比下窗口比较电压低就产生减计数脉冲，送入第一可逆计数器(13)进行减计数，其结果控制第二静态存储器(15)输出并行数据，该并行数据控制第二数模转换器(17)输出新的电压作为下比较器(12)的新比较电压，然后再作下一个比较循环；所述可逆计数器(13)实时通过溢出位输出溢出计数整数脉冲和通过总线输出小数脉冲进入后续运算处理电路(6)。

4.根据权利要求2所述的双频激光干涉仪信号高倍频细分系统，其特征在于：所述运算处理电路(6)由第二可逆计数器(18)、微处理器(19)、输出总线驱动器(20)组成；所述第二可逆计数器(18)接受来自双移动窗比较组(5)的整数脉冲，所述微处理器(19)从第二可逆计数器(18)中读出整数脉冲，且所述微处理器(19)还从第一可逆计数器(13)中读出小数脉冲，然后经过叠加从输出总线驱动器(20)上输出。

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