CN206740641U - 一种太赫兹连续波快速精准扫描*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹连续波快速精准扫描***，***包括X轴电机、Y轴电机、X轴光栅尺及Y轴光栅尺，X轴电机和Y轴电机通过X轴传动结构和Y轴传动结构带动X轴和Y轴转动；驱动电机运动的驱动器接收FPGA控制主板发送的脉冲信号，该脉冲信号来自FPGA内部锁相环输出的高速倍频时钟；X轴光栅尺通过时钟发生器与FPGA控制主板连接，FPGA控制主板通过X轴光栅尺及Y轴光栅尺实现扫描过程中的精确定位；上位机接收FPGA控制主板采集的数据实现灰度成像。采用光栅尺传感器输出的方波信号作为数据采集的基准时钟，避免了扫描过程中机械结构误差、电机速度不稳定、电机变速给扫描精度造成的影响，提高了扫描速度和精度。

Description

一种太赫兹连续波快速精准扫描***

技术领域

本实用新型涉及太赫兹连续波扫描成像技术领域，尤其涉及一种太赫兹连续波快速精准扫描***。

背景技术

现有的太赫兹连续波扫描***及方法，按照工作模式分为逐点扫描方式和连续扫描方式。逐点扫描模式采用走一步、采一点的处理方式，电机运行和数据采集是间断的。这种模式能够针对检测样品的准确位置进行数据采集，但是工作周期长，成像效率低。

连续扫描模式采用并行处理方式，电机运行和数据采集都是连续进行的，在检测样品的连续运动过程中，完成对其成像。这种模式虽然提高了成像效率，但在启动和停止过程中电机速度变化会带来检测样品运动的非匀速性，造成数据采集点位置分布的非均匀性，最终影响成像效果。有的采用加大检测样品扫描范围，只选取采集数据的中间部分作为有效数据的方法，在一定程度上抑制了电机变速造成的影响，但仍未解决机械结构误差、电机速度不稳定带来的定位误差问题。而且，电机速度越快，稳定性越差，扫描误差越大，传统方法无法解决扫描速度与精度的固有矛盾。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种太赫兹连续波快速精准扫描***，采用光栅尺传感器输出的方波信号作为数据采集A/D模块的基准时钟，从根本上避免了扫描过程中机械结构误差、电机速度不稳定、电机变速给扫描精度造成的不利影响，解决了扫描速度与精度的固有矛盾，提高了扫描速度和精度。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种太赫兹连续波快速精准扫描***，包括X轴电机、Y轴电机、X轴光栅尺及Y轴光栅尺，X轴电机和Y轴电机分别通过X轴传动结构和Y轴传动结构带动X轴和Y轴转动；驱动所述X轴电机和Y轴电机运动的驱动器接收FPGA控制主板的电机控制模块发送的脉冲信号，该脉冲信号来自FPGA内部锁相环输出的高速倍频时钟；X轴光栅尺通过时钟发生器与所述FPGA控制主板连接，所述FPGA控制主板通过X轴光栅尺及Y轴光栅尺实现扫描过程中的精确定位；上位机接收所述FPGA控制主板的数据采集模块采集的数据实现灰度成像。

所述X轴光栅尺包括X轴标尺光栅和X轴光栅传感器，X轴标尺光栅固定在与X轴平行的支架上，X轴光栅传感器安装在X轴传动机构上。

所述X轴光栅传感器输出的第二路方波信号与所述时钟发生器相连，时钟发生器输出间断的时钟信号给所述FPGA控制主板作为A/D信号采集时钟。

所述X轴光栅传感器与X轴标尺光栅相对移过一个栅距，X轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当X轴光栅传感器运行至X轴标尺光栅中心点时会输出一个X轴标尺中心点脉冲信号。

所述Y轴光栅尺包括Y轴标尺光栅、Y轴光栅传感器，Y轴标尺光栅固定在与Y轴平行的支架上，Y轴光栅传感器安装在Y轴传动机构上。

所述FPGA控制主板包括扫描位置模块，实时读取计数X轴光栅传感器、Y轴光栅传感器输出的第一路方波信号，实现X轴、Y轴扫描坐标精确定位。

所述Y轴光栅传感器与Y轴标尺光栅相对移过一个栅距，Y轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当Y轴光栅传感器运行至Y轴标尺光栅中心点时会输出一个Y轴标尺中心点脉冲信号。

所述FPGA控制主板包括数据传输模块，数据传输模块采用PCIE总线，实现FPGA控制主板与上位机的数据传输功能。

所述时钟发生器包括依次连接的分路器、延迟模块、合路器及方波整形器。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型的电机控制、扫描定位、数据采集以及与上位机通信等功能均采用单片FPGA控制器来实现，解决了采用多控制器时由于时钟异步造成的扫描误差，节省了***资源，提高了扫描效率。

(2)本实用新型采用FPGA内部锁相环(PLL)产生的高速倍频时钟，作为电机的脉冲信号源，可以实现电机的最高速运行，提高了扫描速度。

(3)本实用新型采用光栅尺传感器输出的方波信号作为数据采集A/D模块的基准时钟，采集数据的时刻只与标尺光栅和光栅传感器的相对位置有关，从根本上避免了扫描过程中机械结构误差、电机速度不稳定、电机变速给扫描精度造成的不利影响，使得电机即使工作在最高速状态，也不会影响扫描精度，解决了扫描速度与精度的固有矛盾问题，同时提高了扫描速度和精度。

(4)本实用新型的FPGA控制器上传的每行数据中若干个扫描点的存储顺序和标尺光栅的栅距一一对应，上位机灰度成像时不再需要电机扫描的位置坐标，进一步提高了扫描速度。

附图说明

图1为本实用新型的扫描***结构图；

图2为本实用新型的X_Y扫描台左视图；

图3为本实用新型的FPGA控制主板结构图；

图4为本实用新型的光栅栅距与光栅传感器输出的正交方波关系图；

图5为本实用新型的A/D时钟产生器结构图；

图6为本实用新型的A/D工作时序图；

图7为本实用新型的一种改进太赫兹连续波快速精准扫描方法流程图。

其中，1.Y轴步进电机，2.Y轴标尺光栅，3.Y轴光栅传感器，4.X轴步进电机，5.底座，6.X轴传动机构，7.Y轴传动机构，8.样品夹具。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，一种太赫兹连续波快速精准扫描***，包括底座5，底座5上设有样品夹具8、X_Y扫描台、FPGA控制主板、时钟发生器以及上位机。

所述X_Y扫描台由X轴步进电机4、Y轴步进电机1，X轴传动机构6、Y轴传动结构7和X轴光栅尺、Y轴光栅尺组成。

所述X轴光栅尺包括X轴标尺光栅、X轴光栅传感器，X轴标尺光栅固定在与X轴平行的支架上，X轴光栅传感器安装在X轴传动机构6上；

所述X轴光栅传感器与X轴标尺光栅相对移过一个栅距，X轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当X轴光栅传感器运行至X轴标尺光栅中心点时会输出一个X轴标尺中心点脉冲信号。

所述Y轴光栅尺包括Y轴标尺光栅2、Y轴光栅传感器3，Y轴标尺光栅2固定在与Y轴平行的支架上，Y轴光栅传感器3安装在Y轴传动机构7上。

所述Y轴传感器与Y轴标尺光栅相对移过一个栅距，Y轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当Y轴光栅传感器运行至Y轴标尺光栅中心点时会输出一个Y轴标尺中心点脉冲信号。

所述FPGA控制主板可进行并行处理，包括电机控制模块、扫描位置模块、数据采集模块、数据传输模块；

所述电机控制模块发送脉冲、方向、使能信号给X、Y轴电机驱动器，实现X轴步进电机、Y轴步进电机的运行控制功能；

所述电机控制模块发送的脉冲信号来自FPGA内部锁相环(PLL)输出的高速倍频时钟，实现电机的最高速运行；

所述扫描位置模块实时读取、计数X轴光栅传感器、Y轴光栅传感器输出的第一路方波信号，实现X轴、Y轴扫描坐标精确定位；

所述数据采集模块包括A/D模块实现扫描点数据实时采集与缓存功能；

所述时钟发生器由分路器、延迟模块、合路器、方波整形器组成，X轴光栅传感器输出的第二路方波信号与时钟发生器相连，时钟发生器输出间断的时钟信号给A/D模块作为A/D信号采集时钟；

所述数据传输模块采用PCIE总线，实现FPGA控制主板与上位机的数据传输功能；

所述上位机与FPGA交互通信，实现参数设置、扫描台复位、连续扫描等操作指令，接收FPGA控制主板上传的扫描数据，实现灰度成像。

如图3、图4、图5、图6、图7所示，采用所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***的扫描方法，当光栅尺最小分辨率是1um，要对平面面积100mm*100mm的样品进行扫描，该方法包括以下步骤：

步骤(1)：操作人员在上位机程序中设置样品扫描参数：样品长度l为100mm、样品宽度h为100mm、扫描成像最小分辨率d为1mm、光栅尺最小分辨率n为1um；

步骤(2)：FPGA控制主板的FPGA控制器接收到扫描参数，设置成功返回上位机OK，继续下一步，设置错误返回Err，返回步骤(1)；

步骤(3)：操作人员选择X、Y轴回原点的运动方向，发送扫描复位指令；

步骤(4)：FPGA控制器接收到扫描复位指令，控制X电机、Y轴电机按照设定方向运行，复位结束后给上位机返回OK指令；

步骤(5)：上位机接收到复位结束指令时，操作者发送样品扫描指令；

步骤(6)：FPGA控制器接收到样品扫描指令，控制X轴电机进行扫描,该行扫描结束后，扫描行变量LC加1，发送上位机行扫描结束指令；

步骤(7)：行扫描过程中，每扫过一个栅距1um，时钟发生器给A/D模块提供一次连续的工作时钟，时钟周期是100ns，使A/D模块进行模拟信号采集；

步骤(8)：FPGA控制器缓存A/D模块采集的数据，存储达到20字节的设定容量后将数据上传至上位机；

步骤(9)：上位机接收数据，绘制灰度图像；

步骤(10)：行扫描结束后，FPGA控制器控制Y轴电机进行列扫描，扫描步进是1mm，重复步骤(6)至步骤(10)，当100mm*100mm的样品面积全部扫描结束时，结束循环，发送上位机扫描结束指令。

所述步骤(4)的具体过程包括：

步骤(4.1)：FPGA控制器中电机控制模块发送脉冲信号、方向信号及使能信号给X轴、Y轴步进电机驱动器，驱动X轴、Y轴电机按照设定方向运动，其中，脉冲信号周期是1us，电机驱动器的脉冲细分数是5000，传动机构的螺距是1mm，电机运行速度是200mm/s；

步骤(4.2)：X轴步进电机、Y轴步进电机带动X轴光栅传感器、Y轴光栅传感器沿着标尺光栅一起运动；

步骤(4.3)：FPGA控制器中扫描位置模块实时接收、判断X轴光栅传感器、Y轴光栅传感器输出的中心点脉冲信号；

步骤(4.4)：当X轴光栅传感器输出的中心点脉冲信号为高电平时，到达X轴标尺光栅中心点，X轴电机停止运行；

当Y轴光栅传感器输出的中心点脉冲信号为高电平时，到达Y轴标尺光栅中心点，Y轴电机停止运行，

步骤(4.5)：X轴电机、Y轴电机停止运动后，发送上位机扫描复位结束指令。

所述步骤(6)的具体过程包括：

步骤(6.1)：定义变量并初始化，扫描行位置脉冲数：XC、扫描列位置脉冲数：YC、扫描行数：LC、扫描列数CC，并将上述变量初始化为零；

步骤(6.2)：当扫描行数LC％2＝＝0时，电机向左运动，当LC％2＝＝1时，电机向右运动，电机控制模块连续发送脉冲信号给X轴步进电机驱动器，X轴电机带动样品进行行扫描，其中，脉冲信号周期是1us，电机驱动器的脉冲细分数是5000，传动机构的螺距是1mm，电机运行速度是200mm/s；

步骤(6.3)：扫描位置模块实时接收X轴光栅传感器输出的第一路方波信号，每接收一个方波信号，XC的数值加1；

步骤(6.4)：当XC＝＝100000时，当前行描述结束，X轴步进电机停止运动，XC数值清零，LC加1；

步骤(6.5)：FPGA控制器发送上位机行扫描结束指令。

所述步骤(7)的具体过程包括：

在所述步骤(7)中，行扫描过程中，每扫过一个栅距1um，时钟发生器给A/D模块提供一次连续的工作时钟，时钟周期是100ns，使A/D模块进行模拟信号采集；

步骤(7.1)：行扫描过程中，X轴步进电机带动X轴光栅传感器沿着X轴标尺光栅运动，当走过的光栅位移达到一个栅距即步骤(1)所述的光栅尺最小分辨率1微米时，X轴光栅传感器输出两路正交的方波信号；

步骤(7.2)：时钟发生器接收X轴光栅传感器输出的第二路方波信号，并将该路信号分成9路，连接到9个延迟模块；

步骤(7.3)：每个延迟模块检测到输入方波信号的上升沿时，经过预先设定的延迟时间后依次输出9个高电平宽度为50ns的脉冲信号；

步骤(7.4)：9个延迟模块输出的脉冲信号连接到合路器，将9路脉冲信号合成为1路脉冲信号；

步骤(7.5)：合路器输出的1路脉冲信号连接到方波整形器，使脉冲信号的边沿更加陡峭，降低信号的抖动；

步骤(7.6)：方波整形器输出的脉冲信号作为时钟信号，连接到A/D模块上；

步骤(7.7)：A/D模块检测到时钟上升沿时，进行模拟量信号采集。

所述步骤(9)的具体过程包括：

步骤(9.1)：上位机定义二维数据矩阵D[L1][L2]，其中，L1＝100，L2＝100；

步骤(9.2)：将FPGA控制器上传数据依据上传行数及采样点电压数值的顺序依次存入

矩阵D中；

步骤(9.3)：将每行采样点电压数值转换为灰度值，灰度G计算公式：

G＝(V-Vmin)/(Vmax-Vmin)*255

其中，V为当前采样点电压值，Vmin为二维数据矩阵D中所有采样点的最小电压值，Vmax为二维数据矩阵D中所有采样点的最大电压值；

步骤(9.4)：绘制灰度图像。

所述步骤(10)中的具体过程包括：

步骤(10.1)：电机控制模块驱动Y轴电机带动样品向下运动；

步骤(10.2)：扫描位置模块实时接收Y轴光栅传感器输出的第一路方波信号，每接收一个方波信号，YC的数值加1；

步骤(10.3)：当YC＝＝1000时，Y轴步进电机停止运动，扫描列数CC加1；

步骤(10.4)：重复步骤(10.1)至步骤(10.3)，当YC>100000时，样品扫描全部结束，X、Y轴电机停止运动，FPGA控制器发送上位机扫描结束指令。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，包括X轴电机、Y轴电机、X轴光栅尺及Y轴光栅尺，X轴电机和Y轴电机分别通过X轴传动结构和Y轴传动结构带动X轴和Y轴转动；驱动所述X轴电机和Y轴电机运动的驱动器接收FPGA控制主板的电机控制模块发送的脉冲信号，该脉冲信号来自FPGA内部锁相环输出的高速倍频时钟；X轴光栅尺通过时钟发生器与所述FPGA控制主板连接，所述FPGA控制主板通过X轴光栅尺及Y轴光栅尺实现扫描过程中的精确定位；上位机接收所述FPGA控制主板的数据采集模块采集的数据实现灰度成像。

2.如权利要求1所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，所述X轴光栅尺包括X轴标尺光栅和X轴光栅传感器，X轴标尺光栅固定在与X轴平行的支架上，X轴光栅传感器安装在X轴传动机构上。

3.如权利要求2所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，所述X轴光栅传感器输出的第二路方波信号与所述时钟发生器相连，时钟发生器输出间断的时钟信号给所述FPGA控制主板作为A/D信号采集时钟。

4.如权利要求2所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，所述X轴光栅传感器与X轴标尺光栅相对移过一个栅距，X轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当X轴光栅传感器运行至X轴标尺光栅中心点时会输出一个X轴标尺中心点脉冲信号。

5.如权利要求2所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，所述Y轴光栅尺包括Y轴标尺光栅、Y轴光栅传感器，Y轴标尺光栅固定在与Y轴平行的支架上，Y轴光栅传感器安装在Y轴传动机构上。

6.如权利要求5所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，所述FPGA控制主板包括扫描位置模块，实时读取计数X轴光栅传感器、Y轴光栅传感器输出的第一路方波信号，实现X轴、Y轴扫描坐标精确定位。

7.如权利要求6所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，所述Y轴光栅传感器与Y轴标尺光栅相对移过一个栅距，Y轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当Y轴光栅传感器运行至Y轴标尺光栅中心点时会输出一个Y轴标尺中心点脉冲信号。

8.如权利要求1所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，所述FPGA控制主板包括数据传输模块，数据传输模块采用PCIE总线，实现FPGA控制主板与上位机的数据传输功能。

9.如权利要求1所述一种太赫兹连续波快速精准扫描***，其特征是，所述时钟发生器包括依次连接的分路器、延迟模块、合路器及方波整形器。