CN108037731B - 一种相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，参考信号处理电路、测量信号处理电路分别完成测量信号与基准信号的光电检测转换、放大、滤波与整形后，输出为两路方波数字信号后，一路送入鉴相器进行倍频辩向，输出为随相位变化的加、减数字脉冲信号，鉴相器进行倍频辩向输出的随相位变化的加、减数字脉冲信号送入到计数器，计数器将频差干涉信号的整数送入到可编程处理器中；同时另一路再输入到高分辨率相位检测组，将频差干涉信号进行高分辨率相位检测，然后通过总线将频差干涉信号的小数送入到可编程处理器中，计算处理整数脉冲和小数数据由总线方式输出。本发明具有测量速度快、分辨率高、可靠性高的特点。

Description

一种相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，涉及外差干涉仪相位检测方法，特别是一种应用相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，可广泛用于超大规模集成电路加工设备、精密机床等的在线在位测量、误差修正和控制等方面。
背景技术
外差干涉仪是工业中最常用的长距离测量仪器，被广泛用于各种精密机床、大规模集成电路加工设备等的现场测量、误差修正和控制。理论上，若不对外差干涉仪输出信号进行细分处理，则最终测量精度只可达到光源波长的二分之一。随着纳米制造技术的发展，对测量和监测的精度提出了更高的要求，因此必须对外差干涉输出信号进行高倍细分处理，细分功能模块成为外差干涉仪的核心组成部分。传统的高倍细分可以归纳为光学和电子细分两种方式。由于光学细分是以牺牲干涉测量速度为代价的，细分数越高测量速度降低越多，此外光学细分的结构也过于复杂，难以实现高倍细分，因此电子细分是外差干涉的主要细分方法。而常用的基于锁相倍频的细分方法原理为测量路与基准路信号同时锁相倍频处理，通过数字解调后得到与位移相关的倍频脉冲，其特点是，解调后的脉冲也可直接进入运动控制实现高精度定位控制，但倍频锁相的频率与跟踪的带宽有限，数字解调的控制受到高频工作的限制。而基于填脉冲的数字鉴相细分方法也受限于诸多因素，因此对测量精度的提高极其有限。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供应用相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，以解决上述技术问题，该信号细分***可以极大地提高外差干涉测量***的测量精度。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，包括参考信号处理电路、测量信号处理电路、鉴相器、高分辨率相位检测组、计数器及可编程处理器；参考信号处理电路、测量信号处理电路分别完成测量信号与基准信号的光电检测转换、放大、滤波与整形后，输出为两路方波数字信号后，一路送入鉴相器进行倍频辩向，输出为随相位变化的加、减数字脉冲信号，鉴相器进行倍频辩向输出的随相位变化的加、减数字脉冲信号送入到计数器，该计数器通过总线将频差干涉信号的整数送入到可编程处理器中；同时另一路再输入到高分辨率相位检测组，该高分辨率相位检测组将频差干涉信号进行高分辨率相位检测，然后通过总线将频差干涉信号的小数送入到可编程处理器中，最后可编程处理器计算处理整数脉冲和小数数据后得出最终细分结果由总线方式输出；
所述的高分辨率相位检测组由异或器、积分器、积分器B、运算器、A/D转换器组成，异或器产生的含有相位信息的脉冲信号进入积分器B，当如果含有相位信息的脉冲信号的占空比增加积分器B的输出的电压就随之增加，同时与积分器A输出的基准电压一起送入运算器，该运算器将两个积分器的输出的电压进行比例运算输出，送入A/D转换器进行转换，然后送入可编程处理器完成小数的加运算，然后再作下一个比较循环；
当含有相位信息的脉冲信号的占空比减小积分器B的输出的电压就随之减小，同时与积分器A输出的基准电压一起送入运算器，该运算器将两个积分器的输出的电压进行比例运算输出，送入A/D转换器进行转换，然后送入可编程处理器完成小数的减运算，然后再作下一个比较循环，在这个过程中计数器实时通过总线输出整数脉冲进入后续可编程处理器，最终可编程处理器输出高分辨率的相位检测结果。
其中细分测量精度计算公式如下：
其中，n为模数转换位数，本发明实例中的n＝16，则最终精度为λ/65536(0.005nm)，n为正整数。
鉴相器和计数器实现计数***；高分辨率相位检测实现小数计数***，可编程处理器完成整数和小数的递加输出实现高分辨率检测。
作为本发明进一步的方案，测量信号处理电路由光电转换电路、运算放大电路、滤波电路、整形电路组成，光电转换电路接收仪器输出的光信号并将其转换成电信号，运算放大电路用于对光电转换电路输出电信号进行放大，使其满足后续电路处理要求，滤波电路用于滤除信号中的高频噪声，整形电路用于将滤波电路输出的正弦信号整形为适合数字器件处理的数字脉冲信号。
本发明的有益效果是：1)本发明的应用相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，采用的利用异或处理和积分变换相结合实现电压随相位变动然后通过运算器将两个积分器的输出的电压进行比例运算输出到A/D转换器进行转换，从而实现高分辨率相位细分；可以使得细分精度由模数转换的位数决定，从而大大提高了细分精度，使得本发明满足精密加工领域应用的要求；
2)本发明采用高速数字电路实现，比传统的细分***具有更高的稳定性和可靠性；具有测量速度快、分辨率高、可靠性高的特点；可广泛用于超大规模集成电路加工设备、精密机床等的在线在位测量、误差修正和控制等方面。
附图说明
图1为本发明相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***结构示意图；
图2为本发明的测量信号预处理电路的原理示意图；
图3为本发明的高分辨率相位检测组原理示意图。
图中标号：参考信号处理电路1，测量信号光电转换2，鉴相器3，高分辨率相位检测组4，计数器5，可编程处理器6，光电转换电路7，放大电路8，滤波电路9，整形电路10，异或器11，积分器A 12，积分器B 13，运算器14，A/D转换器15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
如图1所示，一种相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，包括参考信号处理电路1、测量信号处理电路2、鉴相器3、高分辨率相位检测组4、计数器5及可编程处理器6；参考信号处理电路1、测量信号处理电路2分别完成测量信号与基准信号的光电检测转换、放大、滤波与整形后，输出为两路方波数字信号后，送入鉴相器3进行倍频辩向，输出为随相位变化的加、减数字脉冲信号，鉴相器3进行倍频辩向输出的随相位变化的加、减数字脉冲信号送入到计数器5，该计数器5通过总线将频差干涉信号的整数送入到可编程处理器6中；同时再输入到高分辨率相位检测组4，该高分辨率相位检测组将频差干涉信号进行高分辨率相位检测，然后通过总线将频差干涉信号的小数送入到可编程处理器6中，最后可编程处理器6计算处理整数脉冲和小数数据后得出最终细分结果由总线方式输出。
其中细分测量精度计算公式如下：
其中，n为模数转换位数，本发明实例中的n＝16，则最终精度为λ/65536(0.005nm)，n为正整数。
鉴相器3和计数器5实现计数***；高分辨率相位检测4实现小数计数***，可编程处理器6完成整数和小数的递加输出实现高分辨率检测，即可以准确的高分辨的测出外差干涉仪信号的周期和相位信息。
如图2所示，测量信号处理电路2由光电转换电路7、运算放大电路8、滤波电路9、整形电路10组成，光电转换电路7接收仪器输出的光信号并将其转换成电信号，运算放大电路8用于对光电转换电路7输出电信号进行放大，使其满足后续电路处理要求，滤波电路9用于滤除信号中的高频噪声，整形电路10用于将滤波电路输出的正弦信号整形为适合数字器件处理的数字脉冲信号。参考信号处理电路1与上述的工作原理过程相同不做作赘述。
如图3所示，所述的高分辨率相位检测组4由异或器11、积分器A 12、积分器B 13、运算器14、A/D转换器15组成，异或器11产生的含有相位信息的脉冲信号进入积分器B 13，当如果含有相位信息的脉冲信号的占空比增加积分器B 13的输出的电压就随之增加，同时与积分器A 12输出的基准电压一起送入运算器14，该运算器14将两个积分器的输出的电压进行比例运算输出，送入A/D转换器进行转换，然后送入可编程处理器6完成小数的加运算，然后再作下一个比较循环；
当含有相位信息的脉冲信号的占空比减小积分器B 13的输出的电压就随之减小，同时与积分器A 12输出的基准电压一起送入运算器14，该运算器14将两个积分器的输出的电压进行比例运算输出，送入A/D转换器进行转换，然后送入可编程处理器6完成小数的减运算，然后再作下一个比较循环，在这个过程中计数器5实时通过总线输出整数脉冲进入后续可编程处理器6，最终可编程处理器6输出高分辨率的相位检测结果。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，其特征在于，包括参考信号处理电路、测量信号处理电路、鉴相器、高分辨率相位检测组、计数器及可编程处理器；参考信号处理电路、测量信号处理电路分别完成测量信号与基准信号的光电检测转换、放大、滤波与整形后，输出为两路方波数字信号后，一路送入鉴相器进行倍频辩向，输出为随相位变化的加、减数字脉冲信号，鉴相器进行倍频辩向输出的随相位变化的加、减数字脉冲信号送入到计数器，该计数器通过总线将频差干涉信号的整数送入到可编程处理器中；同时另一路再输入到高分辨率相位检测组，该高分辨率相位检测组将频差干涉信号进行高分辨率相位检测，然后通过总线将频差干涉信号的小数送入到可编程处理器中，最后可编程处理器计算处理整数脉冲和小数数据后得出最终细分结果由总线方式输出；
所述的高分辨率相位检测组由异或器、积分器A、积分器B、运算器、A/D转换器组成，异或器产生的含有相位信息的脉冲信号进入积分器B，当如果含有相位信息的脉冲信号的占空比增加积分器B的输出的电压就随之增加，同时与积分器A输出的基准电压一起送入运算器，该运算器将两个积分器的输出的电压进行比例运算输出，送入A/D转换器进行转换，然后送入可编程处理器完成小数的加运算，然后再作下一个比较循环；当含有相位信息的脉冲信号的占空比减小积分器B的输出的电压就随之减小，同时与积分器A输出的基准电压一起送入运算器，该运算器将两个积分器的输出的电压进行比例运算输出，送入A/D转换器进行转换，然后送入可编程处理器完成小数的减运算，然后再作下一个比较循环，在这个过程中计数器实时通过总线输出整数脉冲进入后续可编程处理器，最终可编程处理器输出高分辨率的相位检测结果。
2.根据权利要求1所述的相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，其特征在于，细分测量精度计算公式：
其中，n为模数转换位数，n＝16，则最终精度为λ/65536(0.005nm)，n为正整数。
3.根据权利要求1所述的相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，其特征在于，鉴相器和计数器实现计数***；高分辨率相位检测实现小数计数***，可编程处理器完成整数和小数的递加输出实现高分辨率检测。
4.根据权利要求1所述的相位积分运算变换的频差干涉信号高分辨细分***，其特征在于，测量信号处理电路由光电转换电路、运算放大电路、滤波电路、整形电路组成，光电转换电路接收仪器输出的光信号并将其转换成电信号，运算放大电路用于对光电转换电路输出电信号进行放大，使其满足后续电路处理要求，滤波电路用于滤除信号中的高频噪声，整形电路用于将滤波电路输出的正弦信号整形为适合数字器件处理的数字脉冲信号。
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