CN108007392A - 一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置，属于光电测量技术领域。方法为：可调控的钟形波电信号加载于发光电子器件之上产生信号光；信号光分为相同的两路，一路信号光经转换变成电信号并传输给上位机；另一路信号光传输给动态光电显微镜，动态光电显微镜输出电信号传输给上位机；两路电信号进行对比，即实现校准。装置包括控制及信息处理模块，调频控制模块，光学输出模块，光学接收模块，动态光电显微镜(校准对象)。用于解决现有动态光电显微镜的瞄准触发动态校准问题，具有较好的适应性和同步测量瞄准测量的评价能力，可以在稳定位置结构的条件下，完成动态光电显微镜瞄准触发信号的动态特性校准。

Description

一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置

技术领域

本发明涉及一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置，属于光电测量技术领域。

背景技术

动态光电显微镜瞄准方法是精密测量中重要的单元技术，特别是以位移和角度作为测量对象时，光电瞄准方法作为非接触测量的代表，具有响应速度快，重复性好，不损伤被测对象等优点。光电显微镜测量广泛地应用于在刻线的精密测量技术领域，是目前实现高精准测量的重要手段，对长度测量中线纹及刻线等参数测量具有十分重要的意义。光电显微镜在动态测量时由于自身机械结构、光电器件及电气处理等因素存在测量波形的畸变及相位延迟等误差，其最终将影响光电显微镜的瞄准刻线的触发时机和准确性。通常随频率变化延迟误差可达毫秒量级，在刻线间距高准确度要求的测量时，特别是测量误差要求较高时，这种延迟误差就成为影响测量结果的关键因素。目前应用的光电显微镜其刻线瞄准性能的评价，多采用精密位移台产生位移，期间控制刻线同步测量得到相关的光电显微镜动态瞄准性能，该方法实现起来***复杂，过程中引入位移台运动误差及测量***测量误差，多种误差源导致难以区分，特别是在实际使用中表现尤为突出。因此如何精确确定光电显微镜动态瞄准性能是提升刻线精密测量水平的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有动态光电显微镜瞄准信号动态特性对其瞄准触发测量的精度影响，及校准验证必须采用实际精密位移测量装置辅助工作的问题，提供一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置。本校准装置具有较宽的频率适应性和准确性，能够满足动态光电显微镜瞄准信号动态特性的测量与校准需求，可以在无物理位移的条件下，通过调节光强输出频率来确定瞄准信号的动态特性，实现动态校准。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法，具体步骤如下：

步骤一、根据光电显微镜瞄准的工作特点，通过计算获取后续光电触发信号的钟形波电信号，该信号根据校准任务可以对该信号的幅度、周期及中心宽度进行调控，以复现动态光电显微镜测量时由于测量速度和光照强度等因素对测量结果的影响。

步骤二、将步骤一的电信号驱动放大后加载于发光电子器件之上，产生可用于动态光电显微镜瞄准信号校准用的信号光；

步骤三、步骤二输出的信号光分为相同的两路，一路信号光经转换变成电信号并传输给上位机；另一路信号光传输给动态光电显微镜，动态光电显微镜输出电信号传输给上位机；

步骤四、上位机对将步骤三传输的两路电信号进行对比，即实现校准，得到校准结果。

实现一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法的装置，包括：控制及信息处理模块，调频控制模块，光学输出模块，光学接收模块和动态光电显微镜。控制及信息处理模块用于动态光电显微镜瞄准信号的校准测量值，光学接收模块的测量值及光频信号调制值等建立相互的对应关系，综合计算输出动态光电显微镜的校准数据。调频控制模块用于测量光强输出的频率调制，为动态光电显微镜瞄准触发和最终信号比较测量提供光强输出的控制，配合光学输出模块，将经过频率调制的光强信号输入到光学接收模块和动态光电显微镜，采用光学分光方法产生用于标准信号光和测量信号光，两路光经光学接收模块和动态光电显微镜分别形成标准信号和测量瞄准信号，利用标准、测量瞄准信号实现动态光电显微镜的光学法校准测量。其中钟形波及瞄准信号关系如图1所示，其中两路钟形波交叉点A为瞄准触发时刻。工作中调制光模拟光电显微镜动态测量的光强变化频率，得到频率可变的钟形波，最终在标准信号接收和测量瞄准信号接收区分别确认瞄准触发时刻，通过比较标准信号和测量信号的触发信号来测量相对应信号的延迟和触发误差的动态特性，进而实现动态光电显微镜瞄准信号。控制及信息处理模块将光强测量信息、频率调制值及瞄准位置信息建立对应关系，经计算输出动态光电线纹镜瞄准信号校准结果。

该校准装置采用光强变频调制方法测量光电显微镜瞄准信号的动态性能。首先校准装置采用固定结构，通过调制频率控制输入的光强，利用多种频率的光强组合获得动态光电显微镜的动态特性。根据动态光电显微镜的工作原理，校准装置的光强调制实现了不同测量频率的光学对应关系，可以依次获取动态光电显微镜瞄准信号的动态特性，其校准结果可以应用于实际使用中不同测量条件的校准与相关数据修正。

控制及信息处理模块主要用于实现动态光电显微镜瞄准信号校准装置的协调控制，瞄准信号实现的数据设定及校准结果的获取及结果处理；

调频控制模块，主要包括频率调制控制器，可调频电源驱动器、发光二极管及控制计算电路等三个部分组成，通过设置不同频率值，将发光二极管输出光强变化频率在相应的适用范围内进行调制，主要用于动态光电显微镜瞄准信号的获取。

光学输出模块与光学接收模块，主要包括光源镜头，第一分光镜，准直器，第二分光镜，第一光欄，第一光电接收器，第二光欄和第二光电接收器等必要的光学元件，用于动态光电显微镜瞄准信号的光学强度实现和相应的标准信号获取，通过两路信号的比较实现瞄准信号的测量与校准。

动态光电显微镜是校准装置的测量主体，主要包括光学成像***、光电转换电路及同步控制的数据采集电路，将光学强度信号采样解算获取瞄准触发信号，用于刻线测量的瞄准信号。

本发明的动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置，其工作过程为：光源镜头作为测量光源其出射光为频率调整光强的光；该入射光光束经第一分光镜形成进入光电显微镜瞄准信号测量光与标准信号用测量光；瞄准信号测量光通过光电显微镜头入射进其中，最终获得光电显微镜瞄准信号；标准信号用测量光通过准直器后由输出的会聚光转化成平行光，主要用于后期光学处理和使用；在第二分光镜处分成两束光用于标准瞄准光的测量信号获取，两束光分别经过各自的光欄在光电接收器通过光电转换后得到标准测量信号。其标准信号测量结果与光电显微镜测量的瞄准信号在时序上进行比较，最终实现光电显微镜瞄准信号准确性动态特性的校准。

有益效果

本发明动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置，采用的动态光强频率调制的方法摆脱了通常动态光电显微镜瞄准信号校准需要提供刻线产生实际位移的依赖，克服了刻线姿态调整及步进的精细度要求高等问题，该校准装置结构相对简单，易于高精度实现动态光电显微镜瞄准信号校准。实施中采用光强频率调制方法将动态光电线纹镜瞄准信号与标准信号相关联，通过时序测量准确实现瞄准信号的校准，解决了现有动态光电显微镜因位移运动控制和刻线姿态控制引入误差无法分离的问题，实现了频率范围内任意频率瞄准信号的动态测量，能准确测量瞄准信号引入的测量误差。该校准装置全面提高了当前的动态光电显微镜瞄准信号的校准水平，能够定量评价刻线在不同测量速度条件下动态光电显微镜瞄准信号延迟对测量结果的影响，对优化刻线测量***，提高了***整体的准确度具有重要作用。

附图说明

图1为钟形波及瞄准信号关系示意图；

图2为本发明中动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置的工作原理图；

图3为本发明的光学原理示意图；

图4为频率为200Hz的光信号通过光电显微镜测量后输出的钟形波的触发信号；

图5为频率为200Hz的光信号通过光电显微镜测量后输出的相应的触发信号。

其中1-控制及信息处理模块，2-调频控制模块，3-光学输出模块，4-光学接收模块，5-动态光电显微镜，6-光源镜头；7—第一分光镜，8—光电显微镜，9—准直器，10—第二分光镜，11—第一光欄，12—第一光电接收器，13—第二光欄、14—第二光电接收器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置，由控制及信息处理模块1，调频控制模块2，光学输出模块3，光学接收模块4，动态光电显微镜5组成；该校准方法和装置将频率调制的光强应用于瞄准信号获取，动态光电显微镜采用双刻线法，选用单色光(红色)发光二极管。该校准装置采用光强变频调制方法测量光电显微镜瞄准信号的动态性能。首先校准装置采用固定结构，通过调制频率控制输入的光强，利用多种频率的光强组合获得动态光电显微镜的动态特性。根据动态光电显微镜的工作原理，校准装置的光强调制实现了不同测量频率的光学对应关系，可以依次获取动态光电显微镜瞄准信号的动态特性，其校准结果可以应用于实际使用中不同测量条件的校准与相关数据修正。

控制及信息处理模块主要用于实现动态光电显微镜瞄准信号校准装置的协调控制，瞄准信号实现的数据设定及校准结果的获取及结果处理；

调频控制模块，主要包括频率调制控制器，可调频电源驱动器、发光二极管及控制计算电路等三个部分组成，通过设置不同频率值，将发光二极管输出光强变化频率在相应的适用范围内进行调制，主要用于动态光电显微镜瞄准信号的获取。

光学输出模块与光学接收模块，主要包括光源镜头，第一分光镜，准直器，第二分光镜，第一光欄，第一光电接收器，第二光欄和第二光电接收器等必要的光学元件，用于动态光电显微镜瞄准信号的光学强度实现和相应的校准信号获取。

动态光电显微镜是校准装置的测量主体，主要包括光学成像***、光电转换电路及同步控制的数据采集电路，将光学强度信号采样解算获取瞄准触发信号，用于刻线测量的瞄准信号。

本发明的动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法及装置，其工作过程为：光源镜头作为测量光源其出射光为频率调整光强的光；该入射光光束经第一分光镜形成进入光电显微镜瞄准信号测量光与标准信号用测量光；瞄准信号测量光通过光电显微镜头入射进其中，最终获得光电显微镜瞄准信号；标准信号用测量光通过准直器后由输出的会聚光转化成平行光，主要用于后期光学处理和使用；在第二分光镜处分成两束光用于标准瞄准光的测量信号获取，两束光分别经过各自的光欄在光电接收器通过光电转换后得到标准测量信号。其标准信号测量结果与光电显微镜测量的瞄准信号在时序上进行比较，最终实现光电显微镜瞄准信号动态特性的校准。

表1给出校准***在不同频率下，光电显微镜在10个周期中最大的触发信号误差。

表1光电显微镜触发最大误差

波形频率	2Hz	10Hz	20Hz	100Hz	200Hz
						触发误差	3μs	4μs	3μs	3μs	4μs

触发信号的延迟测量采用光学信号转换电信号校准的方式完成，同步测量标准光信号和光电显微镜瞄准触发信号，比较其相互关系，来确定光电显微镜的触发延迟。

表2给出了在不同测量频率下，10个周期中最大的瞄准测量触发信号与输入信号的差值，由数据可以得出光电显微镜触发延迟小于87μs，并且在各个频率段触发延迟时间基本相同，说明该动态光电显微镜在输入信号200Hz以下具有相近且较好的测量性能，触发延迟时间变化不大，能够满足线纹测量的需要。

表2光电显微镜触发延迟

波形频率	2Hz	10Hz	20Hz	100Hz	200Hz
						测量延迟	86μs	87μs	85μs	86μs	87μs

校准***在输入200Hz光信号时，分别获得动态光电显微镜的原始测量信号(如图4所示)和触发信号图(如图5所示)，其中图4、图5中横坐标为测量时间，单位是毫秒(ms)，纵坐坐标分别为两路原始信号和触发信号，单位是伏特(V)。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、根据光电显微镜瞄准的工作特点，通过计算获取后续光电触发信号的钟形波电信号，钟形波电信号根据校准任务能够对钟形波电信号的幅度、周期及中心宽度进行调控，以复现动态光电显微镜测量时由于测量速度和光照强度因素对测量结果的影响。

步骤二、将步骤一的钟形波电信号驱动放大后加载于发光电子器件之上，产生可用于动态光电显微镜瞄准信号校准用的信号光；

步骤三、步骤二输出的信号光分为相同的两路，一路信号光经转换变成电信号并传输给上位机；另一路信号光传输给动态光电显微镜，动态光电显微镜输出电信号传输给上位机；

步骤四、上位机对将步骤三传输的两路电信号进行对比，即实现校准，得到校准结果。

2.实现如权利要求1所述的一种动态光电显微镜瞄准信号光调制校准方法的装置，其特征在于：包括：控制及信息处理模块，调频控制模块，光学输出模块，光学接收模块和动态光电显微镜；

控制及信息处理模块主要用于实现动态光电显微镜瞄准信号校准装置的协调控制、瞄准信号实现的数据设定、校准结果的获取及结果处理；通过光学接收模块的测量值、光频信号调制值以及动态光电显微镜输出的电信号值，综合计算输出动态光电显微镜的校准数据；

调频控制模块用于测量光强输出的频率调制，为动态光电显微镜瞄准触发和最终信号比较测量提供光强输出的控制，配合光学输出模块，将经过频率调制的光强信号输入到光学接收模块和动态光电显微镜，采用光学分光方法产生用于标准信号光和测量信号光，两路光经光学接收模块和动态光电显微镜分别形成标准信号和测量瞄准信号，利用标准、测量瞄准信号实现动态光电显微镜的光学法校准测量。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于：所述光学输出模块与所述光学接收模块，主要包括光源镜头、第一分光镜、准直器、第二分光镜、第一光欄、第一光电接收器、第二光欄和第二光电接收器；

光源镜头作为测量光源；光源镜头的出射光为频率调整光强的光；该入射光光束经第一分光镜分成测量光和标准信号光，分别进入光电显微镜和光学输出模块；瞄准信号测量光通过光电显微镜头进入光电显微镜中，最终获得光电显微镜瞄准信号；标准信号用测量光通过准直器后由输出的会聚光转化成平行光，主要用于后期光学处理和使用；在第二分光镜处分成两束光用于标准瞄准光的测量信号获取，两束光分别经过第一光欄和第二光欄，在第一光电接收器和第二光电接收器通过光电转换后得到标准测量信号；准信号测量结果与光电显微镜测量的瞄准信号在时序上进行比较，最终实现光电显微镜瞄准信号准确性动态特性的校准。