CN102679898B - 光栅栅距实时在线全自动测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光栅栅距实时在线全自动测量方法和装置，在测量过程中，高速高精度同步数据采集系统同时采集光栅输出的四路莫尔条纹信号，由任意两路信号之间的距离和渡越时间获得传感器的运行速度。栅距的周期时间测量是首先准确识别光栅输出的周期性莫尔条纹信号的两个相邻峰值点，然后测量两个峰值点之间的时间。通过时间与速度乘积获得每个栅距值。该发明能够测量出每个栅距的准确值，具有速度快、实时在线、准确性高、重复性好、实用性强、全自动等特点，为光栅位移精密测控中每个栅距累积误差修正提供准确依据，可应用在大量程位移精密测控、光栅传感器质量检测和其它栅距常数测量领域。

Description

光栅栅距实时在线全自动测量方法及装置

技术领域：

本发明专利主要涉及一种光栅栅距实时在线全自动测量方法及装置。

背景技术：光栅栅距目前的测量方法

光栅位移测量是以光栅栅距为测量基准，光栅的累积刻线误差被引入到测量误差中，量程越长误差越大，因此必须要修正该误差，特别是光栅位移的大量程纳米级测量，需要在光栅传感器全程范围内对每一个点进行逐点误差补偿，所以必须测量出每个栅距值。

目前的测量方法可分为直接测量法和间接测量法，直接测量法主要是借助相关的仪器直接确定光栅参数；而间接测量法是先得到相关仪器的测量量，通过对测量量进行公式计算或者数据反演再得到光栅参数。直接测量法一般包括：微型探针法、原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy，AFM)测量法和扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscopy，SEM)测量法等。其中探针法属于接触式测量，AFM测量法分为接触模式、非接触模式、点拍模式和侧向力模式；SEM测量法属于非接触式测量。间接测量法包括：激光衍射(LaserDiffraction，LD)测量法、散射测量术(Scatterometry)、分光计测量法、透射光谱测量法、衍射能量比测量法等。随着光栅制造技术的不断进步，光栅结构越来越复杂，刻线越来越密，这也对光栅参数测量精度要求越来越高。同时随着光栅精密位移测量向着大量程、纳米级的发展，对光栅栅距的测量与修正更为紧迫，但是目前的测量方法还不能实现在线实时自动测量。

综上所述，目前的光栅栅距常数测量是离线的、非实时的，测量繁琐成本高，量程有限。

发明专利内容

发明目的：本发明提供一种光栅栅距实时在线快速准确的测量方法及装置，其目的是解决目前的光栅栅距测量中所存在的不能在线测量、不能实时测量、测量繁琐、成本高、量程有限、误差较大和实用性差的问题。

技术方案：本发明专利是通过以下技术方案来实现的：

一种光栅栅距实时在线全自动测量方法，其特征在于：在光栅传感器运动过程中在线实时的自动测量光栅栅距常数，实现栅距的反复测量，并且保存每个栅距的准确值，为位移测量的累积误差修正提供准确的数据依据，该方法的步骤如下：

①、速度的测量：光栅传感器内置的光电转换器将光信号转换成电信号，光电转换器均匀分布在一个莫尔条纹周期内，相互位置固定不变，光栅传感器内置四个光电转换器，相邻两个光电转换器之间的距离为l，在测量过程中，由精密工作台带动光栅传感器运动，在运行过程中光栅传感器输出四路莫尔条纹信号，利用同步数据采集系统采集该四路信号，并对任意两路信号进行相关，基于相关原理测量两路信号的时间延时即渡越时间τ，再通过距离l与渡越时间τ之比得到光栅传感器的运行速度，计算如下：

渡越时间τ的计算：

$\begin{array}{cc}{r}_{xy}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(m\right)y(m+n)& -(N-1)\≤n\≤N-1\end{array}$

其中r_xy表示：互相关函数，x(m)、y(m)分别表示任意两路信号；

m表示：任一时刻；

N表示：N为采样点数，即数据采集的长度；

n表示：延迟量；

互相关函数r_xy(n)峰值点所处位置n_max对应着渡越时间τ，并有

τ＝n_max·T_s＝n_max/f_s

式中:f_s为采样频率，T_s为采样间隔；

为了避免信号本身幅值对其相关性程度量的影响，将相关函数归一化为相关系数函数其中r_xx(0)、r_yy(0)为n＝0自相关函数的值；

采样点数N较大时，利用FFT技术和圆周卷积定理实现快速相关运算，设X(k)、Y(k)分别是x(m)、y(m)的L点DFT，L≥2N-1，则有

$r_{xy}\left(n\right)=\frac{1}{N}IDFT\[X^{*}\left(k\right)Y\left(k\right)\]$

根据两路信号之间的距离和信号的渡越时间可以确定光栅传感器的运行速度：

$v=\frac{l}{\mathrm{\τ}}$

其中，l是相邻两个光电转换器之间的距离，距离l的确定采用两种方案，一种是利用高精度测量仪测出距离，另一种是利用CCD或CMOS作为光电转换器，这样任意两点的距离就是两路信号之间的像素数乘以像素单元的尺寸；

任意两个光电转换器之间均进行相关测出莫尔条纹的渡越时间和速度，然后取其均值；

多次往复运动光栅传感器，对多次测量结果进行平均作为结果存入内存；

②、栅距的周期时间T测量

栅距的周期时间T是指光栅传感器以一定的速度运行时，走过光栅栅距的位移所需要的时间，同步数据采集系统采集运动的光栅传感器输出的莫尔条纹信号具有周期性，首先确定两个相邻的峰值点，然后测量出两个峰值点之间的时间即为栅距的周期时间T，采集系统的速度可达GS/s，因此时间的测量可以达到纳秒；

③、根据上述测得的数据再利用下述方法测出栅距：

d＝v·T

d为栅距，v是速度，T是一个栅距周期内的时间，因此可实现在线实时的自动测量、存储每一个栅距。

一种实施上述的光栅栅距实时在线全自动测量方法的光栅栅距实时在线测量装置，其特征在于：该装置主要包括精密工作台、电机和控制器；光栅传感器安装在精密工作台上，光栅传感器通过数据采集系统连接至控制器，控制器通过驱动器连接至电机，电机连接至精密工作台。

该装置还包括显示单元和设置参数单元，显示单元和设置参数单元连接至控制器。

光栅传感器包括标尺光栅和指示光栅，标尺光栅设置在精密工作台上，指示光栅设置在标尺光栅上。

控制器内设置有时间T处理单元、栅距处理单元、速度处理单元、存储单元和电机控制单元；时间T处理单元和速度处理单元连接数据采集系统，时间T处理单元连接至栅距处理单元，栅距处理单元一方面连接至显示单元，另一方面连接至存储单元；速度处理单元分别连接至栅距处理单元和电机控制单元，电机控制单元一方面连接设置参数单元，另一方面连接至驱动器。

优点及效果：

本发明专利提供一种光栅栅距实时在线全自动测量方法及装置，在光栅传感器运行过程中动态的测量光栅栅距常数。光栅栅距是光栅位移测量的基准，其精度直接决定位移测量的准确性，光栅传感器给出的指标中没有每个栅距的精度，在实际测量中认为其是准确的常数。当测量精度比较低和小量程时，光栅栅距的误差影响不大，可以忽略。随着光栅测量向着纳米级、大量程的发展，需要准确的修正每个栅距的误差。本发明提出了测量每个栅距的方法和装置，可以实现位移测量中修正每个栅距，减少累积误差。本发明设计了光栅全自动精密运行系统，此系统的运行速度可调，在测量光栅栅距时可以均速、慢速运行。在栅距测量过程中，带动传感器双向、满量程、往复的运动，测量栅距时对传感器输出信号处理具有无需辨向、单向处理的优势，并且光栅输出信号质量较好。通过分别测量光栅运行速度和一个栅距内时间周期再进行相乘获得栅距。本发明实现的是快速在线测量栅距并存储在内存中，可为光栅位移的累积误差修正特别是大量程纳米精度的实现奠定基础，还可以用在光栅质量检测和其它光栅常数的测量应用中。与现有的测量方法相比，该方法具有测量精度高、在线实时测量、测量速度快、成本低、重复性好、实用性强、全自动等特点。

附图说明：

图1-1为莫尔条纹图；

图1-2为莫尔条纹测量原理图；

图2为莫尔条纹光强的波形图；

图3为本发明测速的原理框图；

图4为整形信号图；

图5为本发明的光栅栅距实时在线全自动测量装置的结构示意图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明专利做进一步的描述：

如图1-1和1-2所示，光栅莫尔条纹信号产生及测量原理：

当两块光栅叠放在一起，并且之间的夹角θ很小时，会形成莫尔条纹。光栅栅距与莫尔条纹具有放大的关系，一个栅距对应放大后的一个条纹周期，栅距放大了倍。由于通过一个栅距的时间和一个莫尔条纹周期时间相等，因此位移的速度与莫尔条纹的速度不等，也放大了倍。

如图2所示，光栅输出电信号：

条纹光场的光强分布数学模型：

$I=I_0+I_{1}cos\left(2\mathrm{\π}\frac{x}{d}\right)$

光栅传感器在匀速运动时，输出的莫尔条纹信号近似为正或余弦信号。

下面详细介绍一下本申请的技术方案：

栅距测量原理

d＝v·T

d为栅距，v是速度，T是指光栅传感器在以速度v运行时走过一个栅距位移所需要的时间。因此分别测出速度和时间然后通过上式可得到栅距d。需要说明的是由速度可控的精密工作台带动光栅传感器运动，光栅传感器的速度是已知的，之所以要再次测量光栅的运行速度，是因为速度控制精度低，这样能够保证栅距测量的高精度，同时实测的速度还可以为电机控制提供反馈。本发明测量速度的精度高于精密工作台控制的速度精度。

㈠、如图3所示，速度的测量

本发明是在光栅传感器运行过程中动态测量栅距。本发明在光栅传感器运动过程中在线实时的全自动测量光栅栅距常数，可实现反复的测量栅距，以保证精度、重复性，并且保存每个栅距的准确值，为位移测量的累积误差修正提供了准确的数据。

①、速度的测量：光栅传感器内置光电转换器将光信号转换成电信号，光电转换器均匀分布在一个莫尔条纹周期之内，相互位置固定不变，一般传感器内置四个光电转换器，设两个光电转换器之间的距离为l。在测量过程中，由自动精密工作台带动光栅传感器运动，在运行过程中光栅传感器输出四路莫尔条纹信号，利用高精度同步数据采集系统采集该四路信号，对任意两路信号进行相关，基于相关原理测量两路信号的时间延时即渡越时间，再通过距离与渡越时间相比即可得光栅传感器的运行速度。

具体的说，精密工作台以匀慢速运行，保证光栅传感器输出较好质量的莫尔条纹，采用高分辨率高精度数据采集系统采集信号并利用相关法测量出更准确的速度。利用相关法测出信号经过不同光电转换器的渡越时间，那么已知光电转换器的固定距离和时间就能够得到运行速度。实质上就是将测距转化成了渡越时间的测量。相关法测量需要对光栅传感器输出的信号进行数据采集，渡越时间测量的分辨率和精度取决于采样的速率和精度，为实现高精度的速度测量，采用高精度高速AD构建同步数据采集系统，目前16位的AD器件速度可达250MHz，足够保证栅距测量纳米级分辨力的实现，还可以选择可以达到Gs/s采样率高速器件，能够进一步提高测量分辨力和精度。因此该发明能够满足不同精度位移测量的要求。相关运算需要采集一定量的数据和运算时间，由于可以控制光栅传感器慢匀速运行并且可以采用快速算法，因此数据处理速度能够满足要求。基于相关原理渡越时间τ的计算如下式所示：

$\begin{array}{cc}{r}_{xy}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(m\right)y(m+n)& -(N-1)\≤n\≤N-1\end{array}$

其中r_xy表示：互相关函数，x(m)、y(m)分别表示任意两路信号

m表示：任一时刻

N表示：N为采样点数，即数据采集的长度

n表示：延迟量

互相关函数r_xy(n)峰值点所处位置n_max对应着渡越时间τ，并有

τ＝n_max·T_s＝n_max/f_s

式中:f_s为采样频率，T_s为采样间隔。

为了避免信号本身幅值对其相关性程度量的影响，可将相关函数归一化为相关系数函数其中r_xx(0)、r_yy(0)为n＝0自相关函数的值；

采样点数N较大时，可利用FFT技术和圆周卷积定理实现快速相关运算。设X(k)、Y(k)分别是x(m)、y(m)的L点DFT，L≥2N-1，则有

$r_{xy}\left(n\right)=\frac{1}{N}IDFT\[X^{*}\left(k\right)Y\left(k\right)\]$

根据两路信号的距离和信号的渡越时间可以确定光栅传感器的运行速度：

$v=\frac{l}{\mathrm{\τ}}$

其中，l是相邻两个光电转换器的距离，距离l的确定采用两种方案，一种是利用高精度测量仪测出距离，另一种是利用CCD或CMOS(线阵、面阵均可)作为光电转换器，因此任意两点间的距离就是两路信号的像素数乘以像素单元的尺寸。这样不仅可以取任意长度的两点做相关，还可以准确的知道两点间的距离，无需额外的测量。

为进一步提高测量精度，任意两个光电转换器(或像素)之间均进行相关测出莫尔条纹的渡越时间和运行速度，然后取其均值。

为进一步提高重复性，可以多次往复运动光栅传感器，对多次测量结果进行求均值作为最终结果存入内存。

㈡、如图4所示，栅距的周期时间T测量

栅距的周期时间T是指光栅传感器以一定的速度运行时，走过光栅栅距的位移所需要的时间。数据采集系统采集运动的光栅传感器输出的莫尔条纹信号具有周期性，确定准确的两次相邻峰值点即一个栅距所对应的时间，然后精密测量两个峰值点之间的时间即为栅距的周期时间T，目前的器件的速度可达GS/s，因此时间的测量可以达到纳秒。

这样就可以根据上述的栅距测量原理：d＝v·T得出结果，其中，如上所述，d为栅距，v是速度，T是一个栅距周期内的时间，因此实现了在线实时的自动测量每一个栅距。

另外，如图5所示，本申请还提供一种实施光栅栅距实时在线测量方法的装置，该装置主要包括精密工作台、电机和控制器，该装置还包括显示单元和设置参数元；其中的电机包括步进电机、交、直流电机、直线电机、超声波电机等，控制器包括计算机、微处理器，微处理器包括单片机、DSP、嵌入式、PLC、FPGA、SOPC等。光栅传感器安装在精密工作台上，光栅传感器通过数据采集系统连接至控制器，控制器通过驱动器连接至电机，电机连接至精密工作台，显示单元和设置参数单元连接至控制器。光栅传感器包括标尺光栅和指示光栅，标尺光栅设置在精密工作台上，指示光栅设置在标尺光栅上，数据采集系统的速度处理结果为电机控制提供速度反馈。

控制器内设置有时间T处理单元、栅距处理单元、速度处理单元、存储单元和电机控制单元；时间T处理单元和速度处理单元连接数据采集系统，时间T处理单元连接至栅距处理单元，栅距处理单元一方面连接至显示单元，另一方面连接至存储单元；速度处理单元分别连接至栅距处理单元和电机控制单元，电机控制单元一方面连接设置参数单元，另一方面连接至驱动器。

本发明在使用时，由控制器控制驱动器，在驱动器的带动下，使电机驱动精密工作台按照设定的速度慢匀速运行，光栅传感器与精密工作台同时运动，相当于电机及其驱动器控制光栅传感器的标尺光栅的位移和速度。光栅传感器输出的莫尔条纹信号输出至数据采集系统，数据采集系统采集光栅传感器输出的莫尔条纹信号后将采集的数据通过控制器进行数据处理和数据存储。

本发明很好地解决了现有方法中存在的问题，利于在光栅位移测控领域及光栅传感器生产中推广应用。

Claims (5)

1.一种光栅栅距实时在线全自动测量方法，其特征在于：在光栅传感器运动过程中在线实时的自动测量光栅栅距常数，实现栅距的反复测量，并且保存每个栅距的准确值，为位移测量的累积误差修正提供准确的数据依据，该方法的步骤如下：

①、速度的测量：光栅传感器内置的光电转换器将光信号转换成电信号，光电转换器均匀分布在一个莫尔条纹周期内，相互位置固定不变，光栅传感器内置四个光电转换器，相邻两个光电转换器之间的距离为l，在测量过程中，由精密工作台带动光栅传感器运动，在运行过程中光栅传感器输出四路莫尔条纹信号，利用同步数据采集系统采集该四路信号，并对任意两路信号进行相关，基于相关原理测量两路信号的时间延时即渡越时间τ，再通过距离l与渡越时间τ之比得到光栅传感器的运行速度，计算如下：

渡越时间τ的计算：

$\begin{array}{cc}{r}_{xy}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(m\right)y(m+n)& -(N-1)\≤n\≤N-1\end{array}$

其中r_xy表示：互相关函数，x(m)、y(m)分别表示任意两路信号；

m表示：任一时刻；

N表示：N为采样点数，即数据采集的长度；

n表示：延迟量；

互相关函数r_xy(n)峰值点所处位置n_max对应着渡越时间τ，并有

τ＝n_max·T_s＝n_max/f_s

式中:f_s为采样频率，T_s为采样间隔；

为了避免信号本身幅值对其相关性程度量的影响，将相关函数归一化为相关系数函数其中r_xx(0)、r_yy(0)为n＝0自相关函数的值；

采样点数N较大时，利用FFT技术和圆周卷积定理实现快速相关运算，设X(k)、Y(k)分别是x(m)、y(m)的L点DFT，L≥2N-1，则有

$r_{xy}\left(n\right)=\frac{1}{N}IDFT\[X^{*}\left(k\right)Y\left(k\right)\]$

根据两路信号之间的距离和信号的渡越时间可以确定光栅传感器的运行速度：

$v=\frac{l}{\mathrm{\τ}}$

其中，l是相邻两个光电转换器之间的距离，距离l的确定采用两种方案，一种是利用高精度测量仪测出距离，另一种是利用CCD或CMOS作为光电转换器，这样任意两点的距离就是两路信号之间的像素数乘以像素单元的尺寸；

任意两个光电转换器之间均进行相关测出莫尔条纹的渡越时间和速度，然后取其均值；

多次往复运动光栅传感器，对多次测量结果进行平均作为结果存入内存；

②、栅距的周期时间T测量

栅距的周期时间T是指光栅传感器以一定的速度运行时，走过光栅栅距的位移所需要的时间，同步数据采集系统采集运动的光栅传感器输出的莫尔条纹信号具有周期性，首先确定两个相邻的峰值点，然后测量出两个峰值点之间的时间即为栅距的周期时间T，采集系统的速度可达GS/s，因此时间的测量可以达到纳秒；

③、根据上述测得的数据再利用下述方法测出栅距：

d＝v·T

d为栅距，v是速度，T是一个栅距周期内的时间，因此可实现在线实时的自动测量、存储每一个栅距。

2.一种实施权利要求1所述的光栅栅距实时在线全自动测量方法的光栅栅距实时在线测量装置，其特征在于：该装置主要包括精密工作台、电机和控制器；光栅传感器安装在精密工作台上，光栅传感器通过数据采集系统连接至控制器，控制器通过驱动器连接至电机，电机连接至精密工作台。

3.根据权利要求2所述的光栅栅距实时在线测量装置，其特征在于：该装置还包括显示单元和设置参数单元，显示单元和设置参数单元连接至控制器。

4.根据权利要求2或3所述的光栅栅距实时在线测量装置，其特征在于：光栅传感器包括标尺光栅和指示光栅，标尺光栅设置在精密工作台上，指示光栅设置在标尺光栅上。

5.根据权利要求4所述的光栅栅距实时在线测量装置,其特征在于：控制器内设置有时间T处理单元、栅距处理单元、速度处理单元、存储单元和电机控制单元；时间T处理单元和速度处理单元连接数据采集系统，时间T处理单元连接至栅距处理单元，栅距处理单元一方面连接至显示单元，另一方面连接至存储单元；速度处理单元分别连接至栅距处理单元和电机控制单元，电机控制单元一方面连接设置参数单元，另一方面连接至驱动器。