CN109489561A - 一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统 - Google Patents

Abstract

一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，涉及精密或超精密机械设备中的高精度位移位置测量反馈部件的设备领域。包括计算机、二维平面、安装在机械设备运动部件内的速度计、高倍放大荧光显微镜，二维平面与运动部件的运动位移平面平行，高倍放大显微镜的镜头垂直朝向二维平面，二维平面上铺设有一层随机分布的点光源，计算机分别与高倍放大显微镜和速度计连接。本发明提供的测量方案具有高达数个纳米的位移测量精度，可同时对运动平面上的两个移动方向进行高精度的位移测量，且不存在反馈脉冲丢失的问题。结合高精度的微量进给技术条件下，可以为实现用低精度机械设备来生产高精度的机械设备或工件提供了一个可行的途径。

Description

一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统

技术领域

本发明涉及精密或超精密机械设备中的高精度位移位置测量反馈部件的设备领域，具体为一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统。

背景技术

机械工业作为国民经济的基础，其技术装备的水平直接影响国家经济各部门的经济效益和生产技术水平，甚至国家安全。因此，发展机械制造工业，升级高端装备在国民经济生产中显得尤其为重要。

而在机械设备，尤其是在精密和超精密机械设备中，因位移位置测量反馈部件保证了设备的精度，所以位移位置测量反馈部件采用的高精度测量系统的改进升级以及新品类的研发是高端装备制造的关键环节之一。

目前，在机械制造设备的高精度位移位置测量反馈部件中，常用到的测量技术有机械、光学、光栅、感应式等。但以上这些测量工具都或多或少存在一定的缺陷。例如、激光干涉仪的整个系统较为复杂，且需要实时地进行空气参数补偿；光栅尺的制造工艺较为复杂且受温度影响较大；电容式测微仪的量程只在微米级别。

发明内容

本发明的目的是提供一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，基于能够提供高达数个纳米测量精度的单分子荧光显微镜超分辨率定位技术，然后利用计算机对测量系统拍摄到的随机分布的点光源的图像进行分析，从而提取出机械设备运动部件的高精度二维平面位移数据，精度可达纳米级别。

实现上述目的的技术方案是：一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，作为机械设备的位置位移测量反馈部件，用于对机械设备上的运动部件的位移量进行测量，其特征在于：包括计算机、固定在机械设备上的二维平面、安装在机械设备运动部件内的速度计、高倍放大荧光显微镜，二维平面与运动部件的运动位移平面平行，高倍放大显微镜的镜头垂直朝向二维平面，且与二维平面内保持在聚焦距离，二维平面上铺设有一层随机分布的点光源，计算机分别与高倍放大显微镜和速度计连接；

所述高倍放大显微镜用于拍摄二维平面上的点光源分布图片、并且所拍摄的相邻两幅图片之间有重合区域；速度计用于记录运动部件在各个时间点的速度；计算机用于接收高倍放大显微镜所拍摄到的图像以及速度计测得的数据，从而提取出机械设备运动部件的平面位移量。

进一步地，所述高倍放大显微镜为高倍放大荧光显微镜，所述点光源为荧光点光源。

进一步地，所述荧光点光源是通过将浓度在pM范围内的高量子产率荧光分子或量子点溶液均匀覆盖在二维平面上。

进一步地，所述高倍放大显微镜为高倍放大透射式显微镜，所述点光源为透射式点光源。

进一步地，所述高倍放大显微镜为一种双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜，所述点光源为透射式点光源。

进一步地，透射式点光源包括由下向上依次叠放在二维平面上的LED灯片、玻璃夹层、金属膜以及玻璃薄片，金属膜上随机分布有多个纳米孔用于透光从而形成透射式点光源，每个纳米孔周围的纳米孔的分布形式均不相同。

进一步地，所述一种双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜包括高倍放大显微物镜、45°角反射镜、高速光学快门、凸透镜、50/50分光镜、第一相机、第二相机、微处理器，高倍放大显微物镜、45°角反射镜依次设置在点光源的光发射方向上，高速光学快门、凸透镜、50/50分光镜、第一相机依次设置在45°角反射镜的折射方向上，第二相机设置在50/50分光镜的折射方向上，微处理器与第一相机、第二相机、高速光学快门、速度计、计算机连接，第一相机、第二相机、速度计与计算机连接；

透射式点光源发出光被高倍放大显微物镜收集后，经45°角反射镜反射后沿水平方向传播，经高速光学快门和凸透镜后，被50/50分光镜分成沿原水平方向传播的第一光束和沿垂直方向传播的第二光束，第一光束在第一相机的二维感光芯片区域形成一个点光源分布图像，第二光束在第二相机的二维感光芯片区域形成一个点光源分布图像，微处理器根据速度计的数据向第一相机、第二相机以及光学快门发送脉冲信号、用以控制第一相机、第二相机和光学快门。

进一步地，所述一种双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜包括高倍放大显微物镜、45°角反射镜、凸透镜、50/50分光镜、第一相机、第二相机、微处理器；

高倍放大显微物镜、 45°角反射镜依次设置在设置点光源的光发射方向上，凸透镜、50/50分光镜、第一相机依次设置在45°角反射镜的折射方向上，第二相机设置在50/50分光镜的折射方向上，微处理器与第一相机、第二相机、速度计、计算机连接，第一相机、第二相机、速度计与计算机连接，LED灯片通过控制电路连接在微处理器的输出端；

控制电路包括电子开关QS、电阻R、电阻R的一端连接电源、另一端通过电子开关QS连接LED灯片，LED灯片的另一端接地，电子开关QS的控制端连接微处理器。

本发明的有益效果：

本发明提供了高倍放大荧光显微镜+荧光点光源、高倍放大透射式显微镜+透射式点光源、双相单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜+透射式点光源三种不同的实施构型，能够适应不同设备对测量精度的要求。

本发明采用高倍放大荧光显微镜+荧光点光源的实施构型时，因荧光点光源可以近似等同于完美的点光源，所以可以充分利用单分子荧光显微镜超分辨率定位技术的位置分辨能力，从而能够最大化本发明的二维平面位移测量精度，高达数个纳米。

本发明采用高倍放大透射式显微镜+透射式点光源的实施构型时，具有结构简单，易于安装的优点，因此，如果在机械设备对位移测量精度没有极高要求且机械设备运动部件的运行速度在中低速的情况下，相对于其他构型具有较大的优势，因此为较好的选择。

本发明采用双相单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜+透射式点光源的实施构型时，本发明的适用范围可扩展到高速机械设备的位移位置测量反馈部件，因此，本构型可适用于从低速到高速的机械设备位移测量反馈部件，而且测量无需涉及高强度的计算。

本发明提供的测量方案具有高达数个纳米的位移测量精度，可同时对运动平面上的两个移动方向进行高精度的位移测量，且不存在反馈脉冲丢失的问题。结合高精度的微量进给技术条件下，可以为实现用低精度机械设备来生产高精度的机械设备或工件提供了一个可行的途径。

本发明被用来测量机械设备中运动部件在一维上的移动时，除了可以高精度测量出机械设备运动部件的一维位移外，还可以同步测量出位移平面内机械设备运动部件在移动过程中伴随的与位移垂直方向上的平动误差以及平面转动误差，从而可以使机械设备本身采取更加便捷的手段对这些误差进行补偿。

本发明在加工大型、结构复杂的精密工件时，如果工件加工的精度要求在数百个纳米范围内或更低，如果高倍放大显微镜使用大孔径的显微物镜，高倍放大显微镜与点光源组件的间隙可以接近米的级别，那么用两个相互垂直的二维平面组成一个三维坐标的公共平台，然后在公共平台上铺设随机分布的点光源，就可以使多种机械设备在三维尺度上以及高达数百个纳米的精度下，协作加工大型、结构复杂的精密工件。

附图说明

图1为本发明第一实施例的系统原理图；

图2为第一实施例的高倍放大荧光显微镜的系统原理图；

图3为设定的随机分布的点光源在二维平面上的示意图以及相机所拍摄的具有重合部分的前后相邻的两幅图像的示意图；

图4为图3中前一帧拍摄的图像视图；

图5为图3中当前帧拍摄的图像视图；

图6为第二实施例的高倍透射式显微镜的系统原理图;

图7为第二实施例中透射式点光源的结构示意图；

图8为第三实施例的一种双相机单帧多次曝光的高倍放大透射式显微镜的系统原理图；

图9为高速光学快门的原理图；

图10为第三实施例中的微处理器向第一相机和第二相机发送脉冲信号的时序图；

图11为第三实施例中设定的透射式点光源在二维平面上的分布图；

图12为各曝光时间点之间点光源像的运动轨迹；

图13为图11中第一相机拍摄到的当前帧的图像，

图14为图13中各点的曝光序列号被标识出来的示意图；

图15为图13中的点光源分解到各个曝光时刻点的点光源分布图像；

图16为图11中第二相机拍摄到的当前帧的图像；

图17为图16中各点的曝光序列号被标识出来的示意图；

图18为图16中的点光源分解到各个曝光时刻点的点光源分布图像；

图19为第四实施例中的一种双相机单帧多次曝光的高倍放大透射式显微镜的系统原理图；

图20为第四实施例中控制电路的原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，作为机械设备的位置位移测量反馈部件，用于高精度地测量出机械设备例如，机床、平面机器人、光刻机等中的运动部件的平面位移量，作为机械设备的位移位置测量反馈部件。

第一实施例

如图1、2所示，本发明包括计算机1、固定在机械设备上的二维平面5、安装在机械设备运动部件2内的速度计3、高倍放大荧光显微镜4，，二维平面5与运动部件2的运动位移平面平行，高倍放大荧光显微镜4的镜头垂直朝向二维平面5，且与二维平面5保持在聚焦距离，二维平面5上铺设有一层随机分布的荧光点光源6，计算机1分别与高倍放大荧光显微镜4和速度计3连接。

高倍放大荧光显微镜4为现有常规结构，具体构型为：包括荧光激发光源4.11、第一透镜4.12、短波透射长波反射的45°角滤镜4.13、高倍放大显微物镜4.14、第二透镜4.15、滤镜4.16、相机4.17，第一透镜4.12、45°角滤镜4.13、高倍放大显微物镜4.14依次设置在荧光激发光源4.11的光线输出方向上，第二透镜4.15、滤镜4.16、相机4.17依次设置在45°角滤镜4.13的折射方向上。

荧光激发光源4.11经第一透镜4.12穿过45°角滤镜4.13，聚焦在高倍放大显微物镜4.14的背聚焦平面上，通过高倍放大显微物镜4.14后成平行光用于激发分布在二维平面5上的荧光点，分布在二维平面5上的荧光点发出的荧光被高倍放大显微物镜4.14收集后，经45°角滤镜4.13反射后，沿水平方向传播，经第二透镜4.15、滤镜4.16成像在相机4.17的二维感光芯片区域形成一个荧光点光源的分布图像。

荧光点光源6是通过将浓度在pM（p的含义为10^-12，M为浓度单位，具体为mol/L）范围内的高量子产率荧光分子或量子点溶液均匀覆盖在二维平面5上，待溶剂完全挥发后，即在二维平面上形成一层随机分布的荧光点光源，溶液的具体浓度值视测量系统在二维平面所需的点光源密度而定。

另外，在量子点和荧光分子之间，因为量子点的发光效率和稳定性都远远高于荧光分子，所以应首选量子点作为本发明的荧光点光源。在使用量子点作为荧光点光源时，考虑到单分子荧光显微镜超分辨定位技术能够实现的极限分辨精度在5-10nm之间，所以为了符合点光源的条件，量子点的尺寸应该不高于5nm。

荧光点溶液是均匀覆盖在二维平面表面的，溶剂挥发之后依据概率可知，荧光点会以随机的形式分布在二维平面表面，即各个点光源周围点的分布具有独特的形式。如果由于某种原因，某些点光源周围点分布的形式过于相似，可以补充覆盖一些荧光点溶液在二维平面上，改变点光源在二维平面的分布形式，从而保证各点光源周围点的分布有别于其它点光源周围点的分布，因此具有独特的形式，作为具有纳米精度的刻度点使用。

如图3、4、5所示，测量开始后，高倍放大荧光显微镜4连续地采集图像、并同步地被传送到计算机1中，供计算机1分析提取出运动部件2的高精度平面位移量，具体包括如下步骤：

1)计算机1依据速度计3在各个时间点采集到运动部件的速度以及相机4.17在拍摄上一帧和当前帧两幅点光源图像的时间点，计算出在拍摄相邻的两幅图像的时间段内，运动部件2的位移粗略值，设为，其中图3中的方框C和D即分别代表上一帧和当前帧相机所拍摄到的图像在随机分布的点光源上的位置，图4为前一帧拍摄到的图像视图，图5为当前帧拍摄到的图像视图；

2）根据步骤1）中计算出的运动部件2移动的位移粗略值，得到前后两幅图像中重合的部分，在上一帧图像中重合部分内选择出一点作为原点A，原点A的坐标设为 ₁，然后计算出上一帧图像中重合部分内的各点到该原点的距离，将各点按距离从近到远进行排序得到第一序列；

3）根据计算出的运动部件2移动的位移粗略值和前一副图像中选出的原点 ₁，得到该原点在当前帧图像中的位置应在 ₁—附近，在当前帧的图像中选择离 ₁—最近的数个点，分别假设这些点为假设原点，再分别计算当前帧的图像中重合部分内各点到各假设原点的距离，并分别从近到远进行排序得到多组第二序列，如果其中一组第二序列与第一序列相匹配，则该组第二序列所假设的原点为前一帧图像中选定的原点，在当前帧的对应点如果没有匹配序列，则扩大假定原点的选择范围，直至找到当前帧图像中与前一帧图像中对应的点；

4）依据第一序列以及与第一序列相匹配的第二序列，以及距离和角度的对等关系，将两幅图像中重合部分内的各点对应起来；

5）根据单分子荧光显微镜超分辨率定位技术原理（具体技术细节请参照NatureMethods 2010.12.377-382），利用二维高斯函数对以上各点进行拟合，得到各点中心的精确位置，然后利用钢体的二维平面运动公式：，结合前一帧图像中重合部分内各点的位置坐标和这些点在当前帧图像中重合部分内相应的位置坐标，做统计平均（例如最小二乘法 ）得到高精度的运动部件从上一帧到当前帧的二维平面位移，即横向和纵向位移。

另外，一同求解出的旋转矩阵A，可以得到运动部件在做平面横向和纵向位移的同时，可能伴随的平面转动的转动角度，最后将上一帧到当前帧中运动部件的平面的位移加到上一帧之前的运动部件的二维平面位移上去，就可以得到机械设备运动部件从测量开始到当前帧的高精度二维平面位移量。

根据以上步骤，从测量开始，同步地进行叠带计算，从而可以不间断地测量出机械设备的运动部件从测量开始到当前时间点的二维平动位移的精确值。

第二实施例

在使用荧光显微镜拍摄荧光点光源分布测量机械设备的运动部件的平面位移时，为了不引起摄像拖影，相机的曝光时间需要尽可能的短，从而使得机械设备的运动部件在曝光时保持静止，但是超短的曝光时间对荧光点的发光效率提出了非常高的要求会严重影响图像的信噪比，导致本测量系统最终的拟合精度降低，然而为了使本测量系统能够尽量匹配机械设备的最佳工作状态， 相机的曝光时间越短越好。

如图6所示，为提高图像信噪比、保证测量精度，本实施例的高倍放大显微镜采用常规的高倍放大透射式显微镜来替代第一实施例中的高倍放大荧光显微镜；高倍放大透射式显微镜的构型为：包括高倍放大显微物镜4.21、45°角反射镜4.22、凸透镜4.23、相机4.24，高倍放大显微物镜4.21、45°角反射镜4.22依次设置有点光源的光发射方向上，凸透镜4.23和相机4.24依次设置在45°角反射镜4.22的反射方向上。

如图7所示，为提高点光源的发光效率，本实施例采用铺设在二维平面11上的多块透射式点光源12来代替第一实施例中的荧光激发光源，透射式点光源12包括由下向上依次叠放的LED灯片13、玻璃夹层14、金属膜15以及玻璃薄片16，金属膜15镀在玻璃薄片16的背面，然后利用光刻技术在金属膜15上蚀刻出一层随机分布的纳米孔用于透光从而形成透射式点光源，每个纳米孔周围的纳米孔的分布形式均不相同，纳米孔的直径应小于测量系统的分辨精度，金属膜15可以采用铬膜，金属膜15的厚度应该在数十个纳米之间，玻璃薄片16的厚度应匹配测量系统所选用的高倍放大显微物镜4.21。

受限于金属膜15遮光所需的厚度，金属膜15上的纳米孔孔径在10nm以上，所以使用透射式显微镜能够提供的极限测量精度会在数十个纳米范围之内。但透射式方式的好处是透射式点光源的光由LED灯直接供给，所以发光效率远高于荧光点光源。此外，随着纳米LED技术的发展，在可以将纳米尺寸的LED等直接加工到玻璃片上时，此种直接发光式的点光源的尺寸可以做到非常小。因此，随着纳米技术的进步，透射式的显微镜与超短曝光会是更加理想的组合。

透射式点光源12发出的光被高倍放大显微物镜4.21收集后，经45°角反射镜4.22反射后，沿水平方向传播，经凸透镜4.23后成像在相机4.24的二维感光芯片区域形成一个点光源的分布图像。

本实施例中透射式显微镜与透射式点光源相配合对运动部件的位移测量原理与第一实施例相同，在此不再赘述。

第一实施例和第二实施例采用常规高倍放大荧光显微镜或常规高倍放大透射式显微镜的测量系统在使用时，要求相机拍摄到的相邻两幅图像之间有部分重合区域，且曝光时，运动部件相对静止，所以为了减少测量系统对运动部件本身运动的限制，以上的常规高倍放大荧光显微镜或高倍放大透射式显微镜中应选择高速、超短曝光全局曝光快门的电子倍增相机，以及运算性能强劲的计算机。

以机械设备要求运动部件位移的测量精度为10nm，显微镜中相机的视场范围为1mm*1mm，相机采用具有10微秒全局电子曝光时间，1000帧每秒采集速度，超短曝光高速电子倍增相机，另外相机拍摄到的相邻两幅图像之间应至少有三分之一的重合区域，为了满足相邻两幅图像之间有三分之一重合的要求，运动部件每毫秒最大移动距离为（1—1/3）*1≈0.7mm，每秒最大可移动距离为0.7mm*1000=0.7m，为了防止拖影，满足相机在曝光时，运动部件应相对静止的要求，相机在曝光时，运动部件的最大可移动速度为10nm/10us=1mm/s=0.6m/min。因此，使用常规的高倍放大荧光显微镜以及高倍放大透射式显微镜的测量系统无法被运用到较为高速的机械设备的运动部件中，精确地测量运动部件的移动量。

第三实施例

受限于当前相机的帧频，曝光时间长以及计算机数据处理能力，常规的高倍放大荧光镜或者常规的高倍放大透射式显微镜的构型，虽然可以做到对运动部件在平面上两个维度的位移进行同步高精度的测量，但同时对相机和计算机的性能提出了非常高的要求，此外，上述两种构型也无法应用到高速的机械设备运动部件中的位移测量中。针对以上存在的问题，在高倍放大透射式显微镜的基础上，本实施例提供一种双相机单帧多次曝光的高倍放大透射式显微镜来替换第一实施例的高倍放大荧光显微镜、第二实施例的高倍放大透射式显微镜，用以克服上述存在的问题，本实施例的点光源仍然采用的是第二实施例所公开的透射式点光源。

如图8所示，下面对其构型作具体说明：一种双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜包括高倍放大显微物镜20、45°角反射镜21、高速光学快门22、凸透镜23、50/50分光镜24、第一相机25、第二相机26、微处理器27，高倍放大显微物镜20 、45°角反射镜21依次设置在点光源的光发射方向上，高速光学快门22、凸透镜23、50/50分光镜24、第一相机25依次设置在45°角反射镜21的折射方向上，第二相机26 设置在50/50分光镜24的折射方向上，微处理器27与第一相机25、第二相机26、高速光学快门22、速度计28、计算机29连接，计算机29同时与第一相机25、第二相机26、速度计28连接。

透射式点光源34发出光被高倍放大显微物镜20收集后，经45°角反射镜21反射后沿水平方向传播，经高速光学快门22和凸透镜23后，被50/50分光镜24分成沿原水平方向传播的第一光束和沿垂直方向传播的第二光束，第一光束在第一相机25的二维感光芯片区域形成一个点光源分布图像，第二光束在第二相机26的二维感光芯片区域形成一个点光源分布图像，微处理器27根据速度计28的数据向第一相机25、第二相机26以及光学快门22发送脉冲信号、用以控制第一相机25、第二相机26和光学快门22，并将数据发送至计算机29。

如图9所示，上述高速光学快门22可以通过电光调制原理构建，具体地，高速光学快门包括沿竖直方向偏置的线偏振片30以及电光调制晶体31、沿水平方向偏置的线偏振片32以及电光调制晶体控制器33，沿竖直方向偏置的线偏振片30、电光调制晶体31、沿水平方向偏置的线偏振片32沿入射方向依次排列，电光调制晶体控制器33与电光调制晶体31连接，入射光经过沿竖直偏置的线偏振片30后被过滤成沿竖直方向偏振的光线，然后此光线穿过电光调制器晶体31后射向沿水平方向偏置的线偏振片32。电光调制晶体31的作用是用来改变光线的偏振状态，电光调制晶体受电光调制晶体控制器33输出的电压控制。当电光调制晶体控制器33向电光调制晶体31输出0V电压时，电光调制晶体31不会改变光线的偏振状态，所以经过沿竖直方向偏置的线偏振片30被过滤成竖直偏振的入射光经过电光调制晶体31后仍旧沿竖直方向偏振，因此将完全被沿水平方向偏置的线偏振片32挡住，没有光线能够通过沿水平方向偏置的线偏振片32，因此，高速光学快门处于关闭状态。当电光调制晶体控制器33向电光调制晶体31输入一定的高压时，光线的偏振状态会随具体的电压值而变化，因此光线的偏振状态不再是沿竖直方向，所以部分的光会通过沿水平方向偏置的线偏振片32。当电光调制晶体控制器33向电光调制晶体31输入的电压值正好使竖直偏振的光线转为水平偏振，所有光线都可以顺利地通过沿水平方向偏置的线偏振片32，此种情况下，高速光学快门22处于完全打开状态。

由电光调制原理构成的高速光学快门22的优点是电光调制晶体的调制频率可以达到很高，所有此处的高速光学快门22可以做到只在一个极短的时间窗口打开，起到瞬时曝光的作用，因此能够在第一相机25和第二相机26单帧成像时间内完成多次瞬时曝光。高速光学快门22打开的时间点由微处理器27向电光调制晶体控制器33发送一个脉冲信号，电光调制晶体控制器33在收到脉冲信号后，向电光调制晶体31输入一个正好将竖直偏振光转为水平偏振光的高压电，将光学快门打开一个极短的时间窗口，时间窗口的具体长短即高电压的时长，可在电光调制晶体控制器33中设置。

微处理器27与高速光学快门22中的电光调制晶体控制器33连接，用于控制曝光的时间点。微处理器27与第一相机25的连接用于控制第一相机25拍摄图像，微处理器27向第一相机25发送一个脉冲信号，第一相机25即采集一帧图像。微处理器27与第二相机26的连接用于控制第二相机26拍摄图像，微处理器向27向第二相机26发送一个脉冲信号，第二相机26即采集一帧图像。

图10为微处理器27向第一相机25和第二相机26发送脉冲信号的时序图，图中a段为第一相机25可用于成像的时间长度、b段为第二相机26可用于成像的时间长度，两者时间长度相同，微处理器27向第一相机25或第二相机26发送的脉冲之间的时间间隔略长于相机单帧成像的时间长度，这样相机在收到脉冲信号后，有足够的时间拍摄单帧的图像，微处理器27向第一相机25发送的脉冲信号与向第二相机发送26的脉冲信号之间相差半帧的成像时间长度，这样第一相机25和第二相机26可以以交错拍摄的方式，确保在测量过程中的任意时刻，曝光开启时，点光源的成像都可以被相机拍摄到。

微处理器27向高速光学快门的电光调制晶体控制器33发送脉冲控制曝光时间点，基于以下原则：

1）相邻两次曝光时间之间运动部件的移动距离应小于相机视场范围的一半，从而使得机械设备的运动部件在高速移动时，相邻的两次曝光都可以落在同一帧内；

2）相邻两次曝光时间之间中，运动部件的移动距离应大于某个设定的阀值，从而使得运动部件在低速移动或静止时，相邻两次曝光如果出现在同一帧内，两次曝光分别形成的点光源图像在同一帧内不会重叠；

3）对于第一相机25或第二相机26中的任意一个，在该相机开始当前帧时，如果另一相机的当前帧内没有曝光且该相机的前一帧有曝光的情况下，微处理器27应发出一次脉冲启动一次曝光，从而使得机械设备的运动部件在处于低速或静止状态时，运动部件的位移不会因为原则2）而没有被相机记录下。

以上的判定原则使得的运动部件无论是高速还是在低速或静止状态时，其位移信息都可以被相机记录下来。另外，为了便于数据分析，以上原则2）中相邻两次曝光的最短距离阀值可以设计为一个递增的序列，以单帧图像对应的视场为3mm*3mm，速度计所能提供的数值精度为1％为例，具体的曝光时间点的阀值序列可如以下的数值序列：

330um 360um 390um 420um 450um 480um 510um 540um 570um 600um

以上序列的递增值是30um，至少5倍于由速度计所提供的距离估值精度，所以可以保证由速度计计算出的距离粗略值在单帧图像内足以辨认出分属不同曝光时刻点光源分布的图像。330um到600um的阀值范围可以保证机械设备的运动部件在高速运动过程中在单帧图像内任一进入该帧视场范围的点光源都至少可留下5次曝光印迹，从而有足够的数据点提取出机械设备的运动部件在各曝光时间点的平面位移信息。以相机的帧频为50fps为例，虽然仅依靠上述阀值序列所限定的距离信息，在此单帧多次曝光的模式下，机械设备运动部件每秒最大可移动距离为0.2m，但在具体分析各帧图像，分解属于不同曝光时间点点分布图像时，仍有位移的方向信息以及提前可知的点光源在二维平面上分布的具体样式信息，所以以上使用递增式的阀值序列起到的作用是对各帧图像中的点进行初步区分，然后计算机可根据运动部件在各次曝光之间的位移信息包括距离信息和方向信息，以及将初步区分后的点分布与提前已知的二维平面上点光源分布的样式进行对比，可以得出每帧图像中分属不同曝光时刻点分布的图像。

在测量过程中，以上序列中的值会依次作为两次曝光间隔的最短距离阀值，在序列中的最大值被用作阀值之后，微处理器27会重新将序列中的最小值作为下一次曝光的阀值，以此类推循环。

依据以上的这些原则，微处理器27通过执行以下的步骤向高速光学快门22的电光调制晶体控制器33发送脉冲：

1)微处理器27依据速度计28提供的从上一曝光时刻到当前时刻的速度值，计算出机械设备的运动部件从上一次曝光时刻到当前时刻运动的粗略位移；

2）如果计算出的粗略位移所对应的距离粗略值大于或等于当前的阀值，微处理器27向高速光学快门22的电光调制晶体控制器33发送一个脉冲，曝光一次。然后，微处理器27将当前时刻作为计算下一次曝光时间点的上一曝光时刻，同时把阀值序列中的下一值作为下一次曝光的当前阀值。另外，微处理器27将当前的时刻点、所选取的阀值以及计算出的粗略位移发送到计算机29内，供计算机29结合相机所拍摄的图像提取运动部件在各个曝光时间点间的平面位移信息。最后微处理器27跳转到第一步进行位移计算。

3）如果计算出的位移所对应的距离小于当前的阀值，判断微处理器27从最近一次向第一相机25和第二相机26发送拍摄开启脉冲信号后是否发送过曝光脉冲。如果没有，微处理器27向高速光学快门22的电光调制晶体控制器33发送一个脉冲，曝光一次，然后，微处理器27将此时此刻作为计算下一次曝光时间点的上一曝光时刻，仍将阀值序列点中当前的阀值作为下一次曝光的阀值。另外，微处理器27将当前的时刻点，所选取的阀值设为0，以及粗略位移值发送到计算机29，供计算机29将本帧中此次曝光的点分布图像与拍摄此帧的同一相机中上一帧进行对比，提取出机械设备的运动部件的二维平面位移信息。如果有，微处理器27无需做任何事情，最后微处理器27可以跳转到第一步，进行位移计算。

然后，计算机29利用第一相机25和第二相机26拍摄到的各帧图像提取运动部件在二维平面位移的方法如下：

首先，设铺设在二维平面上的透射式点光源的分布如图11所示，方框E代表第一相机25和第二相机26的视场范围，方框E在随机分布点中的位置也代表了机械设备的运动部件在当前测量时的初始位置。

图12为在各曝光时刻点之间点光源像的运动轨迹，各个点上面的数字代表曝光的次序号码：

图12中箭头方向为运动部件的运动方向，竖直的虚线a代表第一相机25在拍摄当前帧图像的开始时刻，竖直虚线b代表第二相机26在拍摄当前帧图像的开始时刻，竖直交叉线c代表了代表第一相机25在拍摄当前帧图像的结束时刻，竖直交叉线d代表了代表第一相机26在拍摄当前帧图像的结束时刻。因为第一相机25和第二相机26是交错摄像，所以图中第一相机25和第二相机26的起始时间是前后交错设置的，图中，第二相机26的摄像开始时间在第一相机25当前帧的起始时间和结束时间之间，并且如图所示的点光源轨迹与运动部件的运动轨迹相反。

依据图11中点光源的分布形式，第一相机25和第二相机26的视场范围在点光源分布中的初始位置，以及运动部件的二维平面移动所对应的点光源图像的运动轨迹。

图13为第一相机拍摄到的当前帧的图像，图14为图13复制，并且图14中各点所属的曝光序列号被标识出来，标定的方法是：首先将图中各点之间相对位移与微处理器27向计算机29提供的属于该帧曝光序列中各相邻两次曝光之间位移的粗略值进行对比，然后再与提前已知的点光源的分布形式进行对比，就可以将第一相机25拍摄到的当前帧的图像拆分成分属各次不同曝光时间的真实的点光源分布图像，分解后的图像列于图15中，图15中的各个子图内的1-8的序号代表该子图的曝光序列号。例如，在图15中，左上角的子图中的序号为1，表示第一次曝光时，相机拍摄的点光源分布的图像为左上角的子图，以此类推，在得到分属于各次不同曝光时间点的真实的点光源的分布图像后，就可根据第一实施例中的图像分析步骤，计算各相邻曝光时间点之间运动部件的精确位移量。根据第一实施例中的钢体在平面上的运动公式，最少只需要两个点的中心精确坐标，就可以计算出运动部件的二维平面精确位移量以及伴随的平面转动，此处，为了便于理解，在图15中，用各类标识分别在各子图中标定出了两个点。如果，前后子图中标识相同，则表示用该标识标出的两个点对应的是二维平面上相同的两个点光源。例如，在图15中的曝光1到曝光4的子图中对应到二维平面上相同的两个点光源被用圆圈标定了出来，这两个圆圈标识出的点光源的像出现在这些图中不同的位置，也就对应了运动部件在这些曝光时间点之间的平面移动量。因为有圆圈标出的两个点在曝光4之后就已出了视线范围，所以可以重新选择两个点例如在曝光4到曝光6中，重新选择的点被用正三角、正方形标出，以此类推。

接着，由第二相机26拍摄到的当前帧图像，图16可以采用以上相同的方式被标识出各曝光序列号，如图17所示，然后被拆分成分属于不同曝光时间点的真实的点光源分布图像，并利用第一实施例中的图像分析步骤，计算出各相邻曝光时间点之间运动部件的精确位移量。然后由第一相机25和第二相机26的摄像是前后交错设置的，所以第一相机25拍摄的当前帧与第二相机26拍摄的当前帧会有差不多半帧的重合，对应到此处曝光5-曝光8，所以曝光5-曝光8起到桥梁的作用，连接起了分属不同相机交替拍摄出的当前帧的图像，依此类推，第二相机26当前帧的后半帧会和第一相机25下一帧的前半帧重合，因此运动部件的平面位移可以通过以上方式在测量过程中不间断地被精确测量计算出来。另外，同样为了便于理解，图18中，对应到二维平面上的点在各子图中分别用正三角、正方形、下划曲线、倒三角、下划直线、正五边形标注。

在运动部件运动速度较低或静止的情况下，同一相机当前帧的首次曝光与上一帧的最后一次曝光之间的这段时间间隔内，运动部件必定只移动很短的距离，所以将当前帧的首次曝光与同一相机拍摄的上一帧的最后一次曝光进行比对，然后利用第一实施例中的图像分析步骤来计算出运动部件在两次曝光之间的二维平面精确位移。

所以，采用双相机单帧多次曝光高倍放大透射式的显微镜来测量运动部件的二维平面位移，并不会受到相机拍摄图像视场范围的限制，例如，在第一相机25当前帧的图像中，最初出现在图像视场范围内那些点光源，从第5次曝光就已完全离开了图像的视场范围，但这并不影响计算机利用第一相机的当前帧计算出运动部件在曝光5与曝光8之间的二维平面位移。当然，本结构仍然受到限制是：曝光时的运动部件相对静止，从而在摄像中不会引起拖影。因为本结构可以提供的曝光时间足够短，所以上述限制是一个很温和的限制。以曝光时长为100ns，测量系统需要提供的精度保证为100nm为例，那么以上述结构能够支持的运动部件的最高速度为100nm/100ns=60m/min。采用双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜的另一大优点是，因为本结构不受视场范围的限制，所以可以使用常规帧频的相机，这极大地降低了为不间断提取机械设备运动部件的二维平面位移所需的计算量，因此本构型对计算机的性能也没有特别的要求。相比前述的常规高倍放大透射式显微镜的结构，因为本构型在单帧图像的拍摄过程中，点光源会不间断地进入视场范围，所以本构型透射式的点光源分布密度要稀疏的多，只要保证任何1/4的图像视场范围内有两个点光源即可。当然稍微多一些的点光源也可以帮助提高计算的统计精度。

第四实施例

基于电光调制原理构建的高速光学快门虽然可以实现单帧多次瞬时曝光，但需要使用到高频高电压，而且价格昂贵，本实施例还提供一种直接对LED光源进行调制来实现单帧图像内的多次瞬时曝光的方案，此种方案下的双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜无需用到高速光学快门，并且本实施例的点光源仍然采用的是第二实施例所公开的透射式点光源。

如图19所示，本实施例的双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜的构型为：包括高倍放大显微物镜35、45°角反射镜36、凸透镜46、50/50分光镜37、第一相机38、第二相机39、微处理器40，高倍放大显微物镜35、 45°角反射镜36依次设置在设置点光源的光发射方向上，凸透镜46、50/50分光镜37、第一相机38依次设置在45°角反射镜36的折射方向上，第二相机39 设置在50/50分光镜37的折射方向上。

透射式点光源41发出光被高倍放大显微物镜35收集后，经45°角反射镜36反射后沿水平方向传播，穿过凸透镜46后被50/50分光镜37分成沿原水平方向传播的第一光束和沿垂直方向传播的第二光束，第一光束在第一相机38的二维感光芯片区域形成一个点光源分布图像，第二光束在第二相机39的二维感光芯片区域形成一个点光源分布图像，铺设在二维平面42上的透射式点光源41的LED灯片H通过控制电路43与微处理器40连接，微处理器40与第一相机38、第二相机39、速度计44、计算机45连接，计算机45同时与第一相机38、第二相机39、速度计44连接。

如图20所示，控制电路43包括电子开关QS、电阻R、电阻R的一端连接电源、另一端通过电子开关QS连接LED灯片H，LED灯片H的另一端接地，电子开关QS的控制端连接微处理器40。

微处理器40通过向电子开关QS发送高电平的脉冲信号，开启电子开关QS，使LED灯片H在一个极短的时间窗中发光，LED灯片H发光的时长由微处理器40发送的高电平脉冲的长短决定。因为只有在LED灯片H发光的情况下，透射式点光源41才会发光，显微镜才能拍摄到点光源的分布图像，所以通过微处理器40向电子开关QS发送高电平的脉冲信号可以实现瞬时曝光。

通过控制各LED灯片H实现单帧图像多次曝光需要注意的是从微处理器40发出的脉冲信号应当同步地到达各LED灯片H对应的电子开关QS，保证各LED灯片H同步的开启，这个可以通过调节微处理器40到各LED灯片H的电子开关QS连接线路的长度实现，例如，将微处理器40与各LED灯片H之间线路长度的差异控制在10cm以内，就可以保证各LED灯片H发光的时差在纳秒以下， 从而可以达到各LED灯片H同步开启的要求。

本实施例的具体测量原理与第三实施例相同，在此不再赘述。

作为本发明的进一步说明，本系统装配在机械设备中时，有如下要求：

1）显微镜自身存在的光学成像偏差应得到校准。校正的方法是：将一块由SEM（扫描电子显微镜）精确标定出各点光源中心位置的标准样品片放置在高倍放大显微镜的物平面上，将显微镜测得的各点之间的相对位置与由SEM精确标定的位置相对比，可以拟合出显微镜的光学成像偏差，标定样品使用应保持在设定温度下。另外，为了使相机的二维感光芯片不受温度所引起的热胀冷缩的影响，相机应具有温控部件，这样利用本发明进行测量过程中，只要温度变化不过于剧烈，使得单次测量过程中，固定在机械设备上的二维平面形变过大，就可以做到精确测量，因此本发明的测量系统在单次测量时就能够做到几乎不受温度的影响。

2）铺设在二维平面上的点光源，只需要做到密度适中，各个点的周围点都有不一样的分布形式，因此可以将点光源便捷地铺设到固定在机械设备上的二维平面上，因为测量精度最终校准到相机的二维感光芯片上，所以本测量系统对量程没有实质上的限制。

3）通常机械设备运动部件的控制器也会提供运动部件在各时间点的速度，所以在这种情况下，本发明无需要用到速度计，本发明中的计算机和微处理器可以直接与机械设备运动部件的控制器相连接，得到运动部件在各时间的速度值。

4）如果铺设有随机分布的点光源的二维平面可以被置于恒温条件下，那么各个点光源之间的相对位置就就可以固定下来，此种情况下，点光源之间的相对位置被校准标定后，因为各点光源周围有独特分布形式标识，所以在二维平面上的点光源分布可以构成了一张精确的位置标识地图供测量系统使用，此时，机械设备运动部件中的放大显微镜只需在初始位置和最终位置各拍摄一张点光源的图像即可得到运动部件二维平面移动的精确值。

Claims (8)

1.一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，作为机械设备的位置位移测量反馈部件，用于对机械设备上的运动部件的位移量进行测量，其特征在于：包括计算机、固定在机械设备上的二维平面、安装在机械设备运动部件内的速度计、高倍放大荧光显微镜，二维平面与运动部件的运动位移平面平行，高倍放大显微镜的镜头垂直朝向二维平面，且与二维平面内保持在聚焦距离，二维平面上铺设有一层随机分布的点光源，计算机分别与高倍放大显微镜和速度计连接；

所述高倍放大显微镜用于拍摄二维平面上的点光源分布图片、并且所拍摄的相邻两幅图片之间有重合区域；速度计用于记录运动部件在各个时间点的速度；计算机用于接收高倍放大显微镜所拍摄到的图像以及速度计测得的数据，从而提取出机械设备运动部件的平面位移量。

2.根据权利要求1所述的一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，其特征在于：所述高倍放大显微镜为高倍放大荧光显微镜，所述点光源为荧光点光源。

3.根据权利要求2所述的一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，其特征在于：所述荧光点光源是通过将浓度在pM范围内的高量子产率荧光分子或量子点溶液均匀覆盖在二维平面上。

4.根据权利要求1所述的一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，其特征在于：所述高倍放大显微镜为高倍放大透射式显微镜，所述点光源为透射式点光源。

5.根据权利要求1所述的一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，其特征在于：所述高倍放大显微镜为一种双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜，所述点光源为透射式点光源。

6.根据权利要求4或5所述的一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，其特征在于：透射式点光源包括由下向上依次叠放在二维平面上的LED灯片、玻璃夹层、金属膜以及玻璃薄片，金属膜上随机分布有多个纳米孔用于透光从而形成透射式点光源，每个纳米孔周围的纳米孔的分布形式均不相同。

7.根据权利要求5所述的一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，其特征在于：所述一种双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜包括高倍放大显微物镜、45°角反射镜、高速光学快门、凸透镜、50/50分光镜、第一相机、第二相机、微处理器，高倍放大显微物镜、45°角反射镜依次设置在点光源的光发射方向上，高速光学快门、凸透镜、50/50分光镜、第一相机依次设置在45°角反射镜的折射方向上，第二相机设置在50/50分光镜的折射方向上，微处理器与第一相机、第二相机、高速光学快门、速度计、计算机连接，第一相机、第二相机、速度计与计算机连接；

透射式点光源发出光被高倍放大显微物镜收集后，经45°角反射镜反射后沿水平方向传播，经高速光学快门和凸透镜后，被50/50分光镜分成沿原水平方向传播的第一光束和沿垂直方向传播的第二光束，第一光束在第一相机的二维感光芯片区域形成一个点光源分布图像，第二光束在第二相机的二维感光芯片区域形成一个点光源分布图像，微处理器根据速度计的数据向第一相机、第二相机以及光学快门发送脉冲信号、用以控制第一相机、第二相机和光学快门。

8.根据权利要求5所述的一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统，其特征在于：所述一种双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜包括高倍放大显微物镜、45°角反射镜、凸透镜、50/50分光镜、第一相机、第二相机、微处理器；

高倍放大显微物镜、 45°角反射镜依次设置在设置点光源的光发射方向上，凸透镜、50/50分光镜、第一相机依次设置在45°角反射镜的折射方向上，第二相机设置在50/50分光镜的折射方向上，微处理器与第一相机、第二相机、速度计、计算机连接，第一相机、第二相机、速度计与计算机连接，LED灯片通过控制电路连接在微处理器的输出端；

控制电路包括电子开关QS、电阻R、电阻R的一端连接电源、另一端通过电子开关QS连接LED灯片，LED灯片的另一端接地，电子开关QS的控制端连接微处理器。