CN106791464A - 一种数字同轴全息显微控制系统 - Google Patents

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田鹏
严伟
胡松
杨帆
李凡星
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Abstract

本发明公开了一种数字同轴全息显微控制系统，包括：PC与CCD(1)、电路控制箱(3)均采用USB通信，系统利用软件对CCD的视频、截图、曝光、存储控制；以及通过电路控制箱对三维工件台(2)和激光器(4)的控制；系统利用软件对图像进行光学反演推算得到测量物结构信息。CCD视频模式用于对光路中光学元器件和光强的调整，截图、曝光用于采集测量信息的图像。电路控制箱对激光器的通断控制、对三维工件台的三轴移动以及位置反馈控制。得到的图像进行逆向菲涅耳变换解析出其中所含的测量物信息。

Description

一种数字同轴全息显微控制系统
技术领域
本发明属于超精密控制技术领域，涉及一种数字同轴全息显微控制系统。
背景技术
数字同轴全息显微系统在充分继承传统同轴全息成像无像差、非接触、大视场、CCD空间带宽利用率高、散斑噪声低、系统结构灵活简单等优点的基础上，通过引入波带片进一步优化光路，单次反演消除了传统同轴全息的孪生像影响，提高再现光场信噪比，增大物波与参考波的夹角，使捕获物光波高频波段信息的能力得到进一步提高。
控制软件首先要对激光器控制，即控制光源的产生。其次为了提高数字同轴显微系统精度，需要进行图片拼接，利用多幅图片拼接成一张以此实现孔径合成，也就需要通过控制箱移动工件台承载CCD相机做XY方向步进拼接，其工件台位置由光栅尺反馈并实时显示在电脑端。再者要控制CCD，根据需求不同程度的曝光。最后就是要对图片进行拼接，并根据拼接的图片进行逆向菲涅耳变换得到需要的测量物信息。
发明内容
本发明提出了一种数字同轴全息显微控制软件设计，包括通信控制、激光器控制、三维工件台控制、CCD控制、反演成像。
本发明采用的技术方案如下：一种数字同轴全息显微控制系统，包括：PC与CCD、电路控制箱均采用USB通信，系统利用软件对CCD的视频、截图、曝光、存储控制；以及通过电路控制箱对三维工件台和激光器的控制；系统利用软件对图像进行光学反演推算得到测量物结构信息，CCD视频模式用于对光路中光学元器件和光强的调整，截图、曝光用于采集测量信息的图像，电路控制箱对激光器的通断控制、对三维工件台的三轴移动以及位置反馈控制，得到的图像进行逆向菲涅耳变换解析出其中所含的测量物信息。
更进一步的，PC与CCD、控制箱均采用USB通信，软件自动识别并存储CCD通信口、控制箱通信口的路径。
更进一步的，PC发送通信帧给控制箱，字符串至少包括一位起始“#”，一位命令“0-9”，一位设置“0-9”，一位符号“0-1”、可变长度的十进制数据“0-9”和一位结束“*”。
更进一步的，控制箱发送通信帧给PC，字符串至少包括一位起始“*”，一位通道“X/Y/Z”，一位空，可变长度的十六进制数据“00-ff”和一位结束“#”。
更进一步的，PC发送指令控制三维工件台复位、定向移动、快速移动以及刷新光栅位置。
更进一步的，激光器的通断采用继电器的方式实现，PC端通过控制箱控制继电器两端的电压。
更进一步的，CCD具有视频模式、截图模式、曝光模式，其中曝光模式可以对图像的通光量进一步的精确控制。
更进一步的，拼图为9张模式拼成一张图，以此增大CCD的面积，提高显微系统的精度。
更进一步的，对采集的图片，反向模拟整个光的传输过程，计算出被测物信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明控制工件台和CCD，采集九幅图无缝拼接成一幅图。
(2)本发明逆向菲涅耳变换，单次反演成像。
(3)本发明解相位恢复物体三维结构。
附图说明
图1为本发明的控制结构；
图2为本发明的控制软件界面；
图3为本发明的工件台位置移动过程；
图4为本发明的自动化控制流程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，下面结合附图对本发明的工作原理、结构及具体实施方式进一步介绍。
如图1示出本发明提出的数字同轴全息控制系统的基本结构，PC与CCD 1、电路控制箱3均采用USB通信，系统利用软件对CCD的视频、截图、曝光、存储控制；以及通过电路控制箱对三维工件台2和激光器4的控制；软件核心是对图像进行光学反演推算得到测量物结构信息。CCD视频模式用于对光路中光学元器件和光强的调整，截图、曝光用于采集测量信息的图像。电路控制箱对激光器的通断控制、对三维工件台的三轴移动以及位置反馈控制。得到的图像进行逆向菲涅耳变换解析出其中所含的测量物信息。
如图2示出本发明的控制软件界面，主要分成四个部分，分别是通信连接、工件台移动、CCD操作、反演算法。第一部分中又包括控制箱串口、CCD串口等，当带电状态下，USB重新插拔时，只需要使用搜寻串口即可。第二部分主要有工件台复位、快速移动、定向移动、刷新光栅位置等操作。第三部分主要有视频模式、截屏、曝光以及图像保存相关操作。第四部分则是自动化的采集图片、图像拼接和反演成像。当然还有更多的指令，在图中“更多操作”那一栏，主要用于设置CCD的参数、光栅人为零点、激光挡光等操作。
如图3示出本发明的工件台位置移动过程，左下角为第一个位置，依次沿Y轴移动3个位置，然后X位置再增加一个。每次移动到设定的位置时，软件CCD曝光，保存图片。两个位置间的间隙需小于CCD像素间距，此处间隙不大于500nm。
如图4示出本发明的自动化控制流程，首先工件台复位，而后发送指令给控制箱移动工件台到第一个位置。到了之后软件控制CCD曝光保存图片，然后发送移动到第二个位置的指令，等所有位置的图片均已经采集之后，开始图像合成，进而开始反演推算出物体的结构信息。
本发明的主要操作步骤有以下几步：
一是光学调试：使用CCD操作的视频模式，调整光路结构，使其到达CCD靶面的光学视场达到预设效果，并控制电控箱调整CCD水平度，尽可能保证到达CCD的是均匀光；尝试曝光进一步细微调整采集图片的光线强弱，尽可能达到理想效果。
二是工件台调试：发送控制指令给电路控制箱，移动到位置5，CCD曝光；观察曝光图像，对比中心轴是否一致，若不一致则得出公差值，对所有位置进行修正。
三是采集图片：执行自动化采图会根据程序流程图开始工作，结束之后会自动保存图片地址。也可以手动控制电路控制箱和CCD，根据需要对某个位置的图片再次进行曝光，当然可以对所有位置一步一步曝光，最终采集到9幅图。
四是反演成像：反演成像会根据图片大小对物体进行重构，既可以用一幅图像进行重构，也可以用拼图的方式重构，后者重构的精度更高。反演算法会将图像转换成矩阵，执行去噪、去背景光、模拟光的逆向传播过程，最终推算出测量物结构信息。
本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (9)

1.一种数字同轴全息显微控制系统，其特征在于，包括：PC与CCD(1)、电路控制箱(3)均采用USB通信，系统利用软件对CCD的视频、截图、曝光、存储控制；以及通过电路控制箱对三维工件台(2)和激光器(4)的控制；系统利用软件对图像进行光学反演推算得到测量物结构信息，CCD视频模式用于对光路中光学元器件和光强的调整，截图、曝光用于采集测量信息的图像，电路控制箱对激光器的通断控制、对三维工件台的三轴移动以及位置反馈控制，得到的图像进行逆向菲涅耳变换解析出其中所含的测量物信息。
2.如权利要求1所述的数字同轴全息显微控制系统，其特征在于：PC与CCD、控制箱均采用USB通信，软件自动识别并存储CCD通信口、控制箱通信口的路径。
3.如权利要求1所述的数字同轴全息显微控制系统，其特征在于：PC发送通信帧给控制箱，字符串至少包括一位起始“#”，一位命令“0-9”，一位设置“0-9”，一位符号“0-1”、可变长度的十进制数据“0-9”和一位结束“*”。
4.如权利要求1所述的数字同轴全息显微控制系统，其特征在于：控制箱发送通信帧给PC，字符串至少包括一位起始“*”，一位通道“X/Y/Z”，一位空，可变长度的十六进制数据“00-ff”和一位结束“#”。
5.如权利要求1所述的数字同轴全息显微控制系统，其特征在于：PC发送指令控制三维工件台复位、定向移动、快速移动以及刷新光栅位置。
6.如权利要求1所述的数字同轴全息显微控制系统，其特征在于：激光器的通断采用继电器的方式实现，PC端通过控制箱控制继电器两端的电压。
7.如权利要求1所述的数字同轴全息显微控制系统，其特征在于：CCD具有视频模式、截图模式、曝光模式，其中曝光模式可以对图像的通光量进一步的精确控制。
8.如权利要求1所述的数字同轴全息显微控制系统，其特征在于：拼图为9张模式拼成一张图，以此增大CCD的面积，提高显微系统的精度。
9.如权利要求1所述的数字同轴全息显微控制系统，其特征在于：对采集的图片，反向模拟整个光的传输过程，计算出被测物信息。
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