CN114061452A - 超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法及系统，将照明光源分别移动到对准光栅标记前全反射区域；以时间T为间隔控制信号发生器分别产生与N个衍射级光电信号对应的余弦电压信号；发生器驱动输出的余弦电压信号驱动照明光源产生同频余弦光信号；光电探测器对余弦光信号进行光电转换并由信号调理电路进行偏置调整和信号放大后，模数转换器进行AD转换；将照明光源分别移动到对准光栅标记后全反射区域，并重复上述步骤；数字信号处理模块进行余弦拟合与MCC评价，以两次MCC最小值作为定位位置解算有效性评价依据。解决现有MCC评价方法不适用于单通道数据采集器直接采集多衍射级次光电复合信号方案下的定位位置解算结果评价的弊端。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米加工装备技术领域，特别涉及一种超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法及系统。
背景技术
超精密测控系统是纳米加工装备的关键部件，借助该部件(系统)的高精度位置探测功能，可实现待加工物料的精确定位。从技术实现角度一般可将位置探测方法分为TTL(Through The Lens)、同轴和离轴三类。TTL位置探测方法通过测定工件台坐标系统中的光栅标记位置来实现精密模具和工件台之间的精确定位，同轴位置探测方法则通过测定工件台上的定位光栅标记与参考光栅标记的相对位置来实现精密模具和工件台之间的精确定位。离轴位置探测方法则通过测定工件台上定位光栅标记相对于零位传感器的位置来实现精密模具和待加工物料之间的精确定位。在进行超精密位置探测时，工件台上固定的定位光栅标记沿坐标系轴向进行匀速扫描，激光照明光束投影到定位光栅标记上经过反射后形成包含定位光栅标记特征信息的多衍射级次光学信号，经光纤传输到光电探测器进行光电转换，并由高速数据采集卡进行信号采样，与此同时工件台上固定的双频激光干涉仪实时获取扫描位置信息。高性能位置解算板卡获取以上两类数据后，解算出定位位置信息。
由于整个系统结构极为复杂，受电磁和机械振动干扰源等干扰导致采样信号信噪比下降或信号畸变的概率很高。而定位位置解算结果的准确性又与采样信号信噪比质量密切相关。为避免由于采样信号信噪比质量下降导致定位位置解算结果的失效，采用一种合理有效的评价定位位置解算结果的方法，是超精密测控系统中的关键技术之一。
现有定位位置解算结果主要采用复相关系数(MCC)方法进行评价，该方法可适用于将多衍射级次光电信号通过模拟带通滤波器分离后再由多通道数据采集卡分别对各衍射级次光电信号采样，再对每个衍射级次采样数字信号进行定位位置解算的传统方法。为降低电路复杂度以及提高解算精度，现在采用将多衍射级次光电信号未经滤波分离而直接由单通道数据采集器采集，在高性能数字信号处理模块中进行数字带通滤波以分离多衍射级次光电信号，并进行定位位置解算，该方法大大简化了电路结构，并且由于采用先进的数字信号处理算法，从而进一步提高了定位位置解算精度。由于在此方案中数据采集器是对多个衍射级次光电信号叠加在一起的复合信号直接进行采样，因此现有复相关系数(MCC)评价方法不适用于此方案。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法及系统，旨在避免由于采样信号信噪比质量下降导致定位位置解算结果的失效。
为实现上述目的，本发明提供一种超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法，包括如下步骤：
步骤S10：将照明光源分别移动到对准光栅标记前全反射区域；
步骤S20：以时间T为间隔控制信号发生器分别产生与N个衍射级光电信号对应的余弦电压信号；
步骤S30：发生器驱动输出的余弦电压信号驱动所述照明光源产生同频余弦光信号；
步骤S40：光电探测器对所述余弦光信号进行光电转换并由信号调理电路进行偏置调整和信号放大后，由模数转换器进行AD转换；
步骤S50：将照明光源分别移动到对准光栅标记后全反射区域，并重复步骤S20-步骤S40的步骤；
步骤S60：数字信号处理模块进行余弦拟合与MCC评价，以两次MCC最小值作为定位位置解算有效性评价依据。
可选地，采用MCC法对拟合曲线可信度的评价来间接评价定位位置解算结果的有效性，其表达式见式如下：
其中，In表示光电探测器接收到的实际光强值，Ifit表示进行曲线拟合后理论光强值，
表示实际光强值的平均值，MCC值表示这些孤立的采样点靠近拟合曲线的程度。
可选地，所述步骤S60：数字信号处理模块进行余弦拟合与MCC评价，以两次MCC最小值作为定位位置解算有效性评价依据的步骤包括如下步骤：
步骤S601：所述数字信号处理模块对采样信号分段并进行余弦拟合与MCC值计算；
步骤S602：比较前后两次所述余弦信号扫频所计算的两组MCC值，每组N个MCC值，以前后两次最小MCC值作为其对应衍射级次的位置解算评价依据；
步骤S603：根据所述MCC值的大小评价各衍射级信号各自解算的对准位置结果，给出有效或无效评定结果。
可选地，采用可被模拟电学振幅调制信号驱动的高性能半导体激光器作为系统定位扫描的所述照明光源，所述照明光源经振幅调制后形成同频正弦光信号。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价系统，包括：
照明光源；
数据采集模块，用于对正弦光信号进行光电转换及数据采集；
数字信号处理模块，用于多组正弦光电信号的数字解调、数据拟合及MCC计算。
可选地，所述数据采集模块包括：
光电探测器，用以对余弦光信号进行光电转换；
信号电路，对按一定位移速度匀速扫描的定位光栅标记所形成的多衍射级次光电信号的各衍射级正弦信号频率进行自动匹配；
模数转换器，进行AD转换。
可选地，所述超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价系统还包括信号发生器，所述信号发生器用以驱动输出的余弦电压信号驱动所述照明光源产生同频余弦光信号。
本发明提供的位置探测光电信号信噪比预评定和后评定相结合的改进型复相关系数(MCC)方法，有效解决现有复相关系数(MCC)评价方法不适用于单通道数据采集器直接采集多衍射级次光电复合信号方案下的定位位置解算结果评价的弊端。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为现有技术中的定位光栅标记结构示意图；
图2为不同信噪比位置探测光电信号对比示意图；
图3为位置探测光电信号信噪比与定位误差关系曲线示意图示；
图4为MCC＝1时理想拟合曲线示意图；
图5为MCC＝0.6时非理想拟合曲线示意图；
图6为现有技术中模拟式位置探测测控电路图示；
图7为本发明提供的数字式位置探测测控电路图示；
图8为多衍射级次合并的振幅调制位置探测光电信号示意图；
图9为本发明提供的改进后的定位光栅标记示意图；
图10为本发明提供的MCC评价流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。还有就是，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面结合附图和具体实施例对本发明所述技术方案作进一步详细说明。
图1为现有技术中超精密测控系统中的定位光栅标记，在进行超精密位置探测时，固定在工件台上的定位光栅标记沿定位坐标系轴向匀速扫描，激光照明光束投影到定位光栅标记上经过反射成像，经光电探测器进行光电转换后的信号如图2所示。图2(1)为信噪比为38dB的光电信号，图2(2)为信噪比为18dB的光电信号。
其中，图2所示信号的具体参数配置及两组光电信号定位位置解算结果如下表所示。
由上表所示的定位位置解算结果及偏差可知，光电信号信噪比与定位位置解算结果精确度直接相关，具体相关性呈指数分布，如图3所示。
对于超精密测控系统，由于电磁和机械振动以及系统抖动等环境因素存在及其随机性，多次定位扫描时所采集到的光电信号其信噪比均存在偏差，由此导致定位位置解算结果准确度的波动。根据超精密测控系统对精度指标的要求，当定位位置解算结果的准确度高于精度指标要求时，则可评价为定位位置解算结果有效，反之，则评价为定位位置解算结果无效。
当前主要采用复相关系数(MCC)法对拟合曲线可信度的评价来间接评价定位位置解算结果的有效性，其表达式见式(1)。
其中：In表示光电探测器接收到的实际光强值；Ifit表示进行曲线拟合后理论光强值；
表示实际光强值的平均值。
MCC值表示这些孤立的采样点靠近拟合曲线的程度。如果采样点与曲线完美拟合，则表明采样点中不含噪声，反之，则表示采样点中包含噪声。MCC取值范围为0～1，当取值为1时，表明采样点最理想，取值越小，表明采样点所含噪声分量越大，当取值为0时，表明采样点完全被噪声淹没。图4所示为MCC＝1时的拟合曲线图，由图4可知拟合结果很理想。图5所示为MCC＝0.6时的拟合曲线图，由图5可知拟合结果不理想，主要原因是采样信号噪声较大。
如图6所示为传统模拟式位置探测测控电路图示，受限于过去数字信号处理器(DSP)较低的性能，无法实时对大尺寸数据进行复杂浮点运算，因此在此电路中采用模拟电路对调制光电信号进行解调，并采用模拟带通滤波器分离各个衍射级次的光电信号，由数模转换器(ADC)阵列的各通道分别对被分离的各衍射级次光电信号进行采样、量化、编码，然后在实时数据处理模块中进行余弦拟合、定位位置解算以及MCC有效性评价。
对采样数据在数字信号处理模块中进行数字解调和带通滤波以分离多衍射级次光电信号，在此过程中由于经过了数字滤波算法对原始数据的处理，对原始信号噪声进行了过滤，因此很难还原出包含原始噪声分量的各衍射级次光电信号，导致无法直接采用公式(1)进行MCC评价。
为解决上述问题，本发明提出了一种新型MCC评价方法。其基本理论依据为：由于系统具有一定的稳定性，采样信号在短时内发生畸变的概率极小，从而可在定位扫描前后分别由信号发生器模拟产生各衍射级单独的余弦光电信号，对其分时进行AD采样、余弦拟合和MCC评价，以位置探测扫描前后两次MCC评价结果的最小值，作为本次定位扫描的MCC值。例如对于727um的光栅标记，以3mm/s的扫描速度对其进行匀速扫描，其有效扫描时间小于0.25秒。在如此短的时间内，采样信号发生畸变的概率很低。
本发明通过提供一种位置探测光电信号信噪比预评定和后评定相结合的改进型复相关系数(MCC)方法，有效解决现有复相关系数(MCC)评价方法不适用于单通道数据采集器直接采集多衍射级次光电复合信号方案下的定位位置解算结果评价的弊端。为实现上述目的，本发明拟采用如下技术方案予以实现。
(1)如图9所示，在定位光栅标记首尾分别增加用于激光照明光束驻留的全反射窗口；
(2)采用可被模拟电学振幅调制信号驱动的高性能半导体激光器作为系统定位扫描照明光源，该照明光源经振幅调制后形成同频正弦光信号；
(3)采用频率可控的正弦调幅信号电路，对按一定位移速度匀速扫描的定位光栅标记所形成的多衍射级次光电信号的各衍射级正弦信号频率进行自动匹配；
(4)采用一块基于VPX总线架构的数字信号处理板卡，用于多组正弦光电信号的数字解调、数据拟合及MCC计算。该多组正弦光电信号为被振幅调制的照明光源在(1)中所述高反射窗口经反射所形成，其频率与定位扫描各衍射级正弦信号频率相对应；
(5)采用一块基于VPX总线架构的光电转换及16bit高速数据采集板卡，用于在(3)中所述正弦光信号的光电转换及数据采集；
(6)采用基于傅里叶变换的正交函数最小二乘近似方法实现快速余弦函数拟合；
(7)设置定位光电信号信噪比阈值，低于阈值时，发出中止定位扫描信号，并进行报警处理。
随着摩尔定律的发展，数字信号处理器(DSP)的性能有了很大提升，当前高性能多核DSP已经可以很好地胜任大尺寸数据的复杂浮点运算。如图7所示为本发明采用的先进数字式位置探测测控电路图示，由于采用数字算法进行解调和滤波，因此与图6所示硬件电路相比本硬件电路结构得以大大简化，同时由于采用了先进的数字信号处理算法使其性能得到极大提升。
在图7所示的电路方案中，采用单通道数模转换器(ADC)直接对多衍射级次混合的调制定位扫描信号进行采样，其调制定位扫描信号如图8所示。
具体的实施方式如图10所示，采用如图9所示的改进型定位光栅标记，在其前后分别增加一个全反射区域。考虑定位扫描需对1，3，5，7，9五级(不仅限于此五级)衍射级次光电信号进行定位位置解算处理，因此在位置探测扫描前后使照明光源依次在光栅标记前后全反射区滞留一段时间，在此以1s时间间隔为例。将此时间间隔按上述五个衍射级平分为5段，每段时间0.2s。采用如图7所示电路方案，以0.2s时间为间隔，采用扫频方式由程控信号发生器分别产生与上述五个衍射级光电信号对应的余弦电压信号，驱动半导体照明光源产生同频余弦光信号，光电探测器进行光电转换并由信号调理电路进行偏置调整和信号放大后，由模数转换器进行AD转换，由于此信号为非调制信号，在数字信号处理模块中不进行数字解调和数字滤波，直接进行余弦拟合与MCC评价。最后以两次MCC最小值作为本次定位位置解算有效性评价依据。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10：将照明光源分别移动到对准光栅标记前全反射区域；
步骤S20：以时间T为间隔控制信号发生器分别产生与N个衍射级光电信号对应的余弦电压信号；
步骤S30：发生器驱动输出的余弦电压信号驱动所述照明光源产生同频余弦光信号；
步骤S40：光电探测器对所述余弦光信号进行光电转换并由信号调理电路进行偏置调整和信号放大后，由模数转换器进行AD转换；
步骤S50：将照明光源分别移动到对准光栅标记后全反射区域，并重复步骤S20-步骤S40的步骤；
步骤S60：数字信号处理模块进行余弦拟合与MCC评价，以两次MCC最小值作为定位位置解算有效性评价依据。
2.如权利要求1所述的超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法，其特征在于，采用MCC法对拟合曲线可信度的评价来间接评价定位位置解算结果的有效性，其表达式见式如下：
其中，
表示光电探测器接收到的实际光强值，Ifit表示进行曲线拟合后理论光强值，
表示实际光强值的平均值，MCC值表示这些孤立的采样点靠近拟合曲线的程度。
3.如权利要求1所述的超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法，其特征在于，所述步骤S60：数字信号处理模块进行余弦拟合与MCC评价，以两次MCC最小值作为定位位置解算有效性评价依据的步骤包括如下步骤：
步骤S601：所述数字信号处理模块对采样信号分段并进行余弦拟合与MCC值计算；
步骤S602：比较前后两次所述余弦信号扫频所计算的两组MCC值，每组N个MCC值，以前后两次最小MCC值作为其对应衍射级次的位置解算评价依据；
步骤S603：根据所述MCC值的大小评价各衍射级信号各自解算的对准位置结果，给出有效或无效评定结果。
4.如权利要求1所述的超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价方法，其特征在于，采用可被模拟电学振幅调制信号驱动的高性能半导体激光器作为系统定位扫描的所述照明光源，所述照明光源经振幅调制后形成同频正弦光信号。
5.一种超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价系统，其特征在于，包括
照明光源；
数据采集模块，用于对正弦光信号进行光电转换及数据采集；
数字信号处理模块，用于多组正弦光电信号的数字解调、数据拟合及MCC计算。
6.如权利要求5所述的超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：
光电探测器，用以对余弦光信号进行光电转换；
信号电路，对按一定位移速度匀速扫描的定位光栅标记所形成的多衍射级次光电信号的各衍射级正弦信号频率进行自动匹配；
模数转换器，进行AD转换。
7.如权利要求5所述的超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价系统，其特征在于，所述超精密位置探测光电信号解算结果有效性评价系统还包括信号发生器，所述信号发生器用以驱动输出的余弦电压信号驱动所述照明光源产生同频余弦光信号。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220218 |