專利名稱：圖像傳感器細(xì)分納米分辨率光柵測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種圖像傳感器細(xì)分納米分辨率光柵測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
光柵測(cè)量技術(shù)在科學(xué)研究，精密工程技術(shù)上位置測(cè)量和控制中廣泛地應(yīng)用。光柵測(cè)量系統(tǒng)有發(fā)訊和接收與電子處理兩部分，通常由光源、計(jì)量光柵副、光電接收、前置放大、插補(bǔ)、計(jì)數(shù)和受控制裝置等組成。由于它構(gòu)成的繁雜，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換、電子與電路技術(shù)要求很高、成本昂貴；而通常分辨率僅在微米量級(jí)。為使分辨率提高，迄今為止通行在系統(tǒng)組成的硬件上努力，從而導(dǎo)致技術(shù)難度的增加和制造成本的劇增又阻礙其推廣使用。
專利檢索表明，僅公開號(hào)為CN1189607A的“具有0.01納米分辨率的原子光柵測(cè)量方法”，將計(jì)量光柵原理與掃描探針顯微技術(shù)相結(jié)合，對(duì)某些樣品用掃描探針在不同位置上獲得原子晶體格圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理所形成的二幅原子光柵圖像、比較兩個(gè)原子光柵圖像的變化、即為測(cè)量結(jié)果。實(shí)現(xiàn)亞原子分辨率的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于將傳統(tǒng)計(jì)量光柵測(cè)量原理拓展，采用光電成像元件面陣圖像傳感器(CMOS)接收和細(xì)分，從而實(shí)現(xiàn)一種納米量級(jí)測(cè)量方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是其步驟如下1)用照明光源照明標(biāo)尺光柵，標(biāo)尺光柵移動(dòng)所產(chǎn)生的光信息由光學(xué)顯微系統(tǒng)放大；2)被光學(xué)顯微系統(tǒng)的物鏡像平面處放置的光電成像元件面陣圖像傳感器接收，獲得與之聯(lián)結(jié)的計(jì)算機(jī)顯示屏上放大的清晰的光柵條紋圖像；3)選取掃描中心，沿其所在列或行掃描實(shí)現(xiàn)判讀和細(xì)分；4)將不同位置或不同時(shí)間間隔的光柵條紋圖像比較，即能得到位移量，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出。
所述的將不同位置或不同時(shí)間間隔的光柵條紋圖像比較，即將計(jì)算機(jī)利用掃描中心對(duì)圖像作二值化處理，獲取位置信息值d1；微移動(dòng)標(biāo)尺光柵，重復(fù)步驟3)，獲取位置信息值d2；計(jì)算機(jī)輸出微移動(dòng)位置變化量Δd＝d1-d2。
配置有大讀數(shù)標(biāo)志符號(hào)的標(biāo)尺光柵，可以獲得全光柵長(zhǎng)度上大量程粗讀數(shù)的同時(shí)具有納米量級(jí)精確示值。
與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益的效果是它將傳統(tǒng)的計(jì)量光柵測(cè)量原理拓展，采用新型的光電成像元件面陣圖像傳感器接收和細(xì)分，實(shí)現(xiàn)達(dá)到納米量級(jí)分辨率的測(cè)量。由于充分發(fā)揮了圖像傳感器二維象素高分辨率能力和可按時(shí)序串行輸出電信號(hào)的特點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)及其軟件可以便捷地實(shí)時(shí)輸出結(jié)果。同時(shí)，圖像傳感器直讀方式簡(jiǎn)化傳統(tǒng)光柵測(cè)量方法中光電轉(zhuǎn)換、電子學(xué)細(xì)分與處理電路實(shí)施技術(shù)；在機(jī)械構(gòu)造上免受光柵副工作距離的限制，給裝調(diào)帶來方便。從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。此外，該方法能方便地實(shí)現(xiàn)全標(biāo)尺光柵長(zhǎng)度上大量程粗讀數(shù)和納米分辨率精讀數(shù)。
本發(fā)明測(cè)量方法，簡(jiǎn)化計(jì)量光柵測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了光電成像元件面陣圖像傳感器二維像素高分辨能力和可按時(shí)序串行輸出電信號(hào)特點(diǎn)，使用計(jì)算機(jī)及其軟件可以便捷地實(shí)時(shí)輸出結(jié)果；而且能實(shí)現(xiàn)標(biāo)尺光柵全長(zhǎng)度量程上納米量級(jí)精度的讀數(shù)。


圖1是測(cè)量系統(tǒng)示意圖；圖1中1-照明光源；2-標(biāo)尺光柵；3-光學(xué)顯微系統(tǒng)；4-光電成像元件面陣圖像傳感器；5-光柵條紋圖像；6-計(jì)算機(jī)。
圖2是利用光電成像元件面陣圖像傳感器像素為基準(zhǔn)的細(xì)分原理圖；圖2中a-邊界點(diǎn)；b-邊界點(diǎn)；c-掃描中心。
具體實(shí)施例方式
下面通過附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明測(cè)量方法如下1)用照明光源1照明標(biāo)尺光柵2，標(biāo)尺光柵2移動(dòng)所產(chǎn)生的光信息由光學(xué)顯微系統(tǒng)3放大；2)被光學(xué)顯微系統(tǒng)3的物鏡像平面處放置的光電成像元件面陣圖像傳感器4接收，獲得與之聯(lián)結(jié)的計(jì)算機(jī)6顯示屏上放大的清晰的光柵條紋圖像5；3)選取掃描中心，沿其所在列或行掃描實(shí)現(xiàn)判讀和細(xì)分具體方法是選取經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成如圖2所示傾斜的光柵條紋圖像5與由計(jì)算機(jī)6生成的掃描基準(zhǔn)線交點(diǎn)為掃描中心c，同時(shí)可在光柵條紋圖像5移動(dòng)的垂直方向上獲取一個(gè)光柵周期的光柵條紋圖像，光柵條紋圖像的邊緣與掃描基準(zhǔn)線相交的邊界點(diǎn)a1和b1，a1和b1所表征的數(shù)值記為第一位置信息值d1；微移動(dòng)光柵致使其光柵條紋圖像發(fā)生同向移動(dòng)，如圖2中虛線所示，同樣可獲得與掃描基準(zhǔn)線相交的邊界點(diǎn)a2和b2，a2和b2所表征的數(shù)值記為第二位置信息值d2；4)將不同位置或不同時(shí)間間隔的光柵條紋圖像比較，即能得到位移量，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出。即位置變化量Δd＝d1-d2。
所述的將不同位置或不同時(shí)間間隔的光柵條紋圖像5比較，即將計(jì)算機(jī)6利用掃描中心對(duì)圖像作二值化處理，獲取位置信息值d1；微移動(dòng)標(biāo)尺光柵(2)，重復(fù)步驟3)，獲取位置信息值d2；計(jì)算機(jī)6輸出微移動(dòng)位置變化量Δd＝d1-d2。
整個(gè)流程可歸納成條紋圖像進(jìn)入→二值化→求出a1、b1→移動(dòng)光柵→條紋圖像進(jìn)入→二值化→求出a2、b2→d1、d2→Δd＝d1-d2……。
配置有大讀數(shù)標(biāo)志符號(hào)的標(biāo)尺光柵，可以獲得全光柵長(zhǎng)度上大量程粗讀數(shù)的同時(shí)具有納米量級(jí)精確示值。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器細(xì)分納米分辨率光柵測(cè)量方法，其特征在于1)用照明光源(1)照明標(biāo)尺光柵(2)，標(biāo)尺光柵(2)移動(dòng)所產(chǎn)生的光信息由光學(xué)顯微系統(tǒng)(3)放大；2)被光學(xué)顯微系統(tǒng)(3)的物鏡像平面處放置的光電成像元件面陣圖像傳感器(4)接收，獲得與之聯(lián)結(jié)的計(jì)算機(jī)(6)顯示屏上放大的清晰的光柵條紋圖像(5)；3)選取掃描中心，沿其所在列或行掃描實(shí)現(xiàn)判讀和細(xì)分；4)將不同位置或不同時(shí)間間隔的光柵條紋圖像(5)比較，即能得到位移量，由計(jì)算機(jī)(6)實(shí)時(shí)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圖像傳感器細(xì)分納米分辨率光柵測(cè)量方法，其特征在于所述的將不同位置或不同時(shí)間間隔的光柵條紋圖像(5)比較，即將計(jì)算機(jī)(6)利用掃描中心對(duì)圖像作二值化處理，獲取位置信息值d1；微移動(dòng)標(biāo)尺光柵(2)，重復(fù)步驟3)，獲取位置信息值d2；計(jì)算機(jī)(6)輸出微移動(dòng)位置變化量Δd＝d1-d2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圖像傳感器細(xì)分納米分辨率光柵測(cè)量方法，其特征在于配置有大讀數(shù)標(biāo)志符號(hào)的標(biāo)尺光柵，可以獲得全光柵長(zhǎng)度上大量程粗讀數(shù)的同時(shí)具有納米量級(jí)精確示值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圖像傳感器細(xì)分納米分辨率光柵測(cè)量方法。光柵移動(dòng)的光信息經(jīng)光學(xué)顯微系統(tǒng)放大，由物鏡像平面處面陣圖像傳感器接收，獲得與聯(lián)結(jié)的計(jì)算機(jī)顯示屏上清晰光柵條紋圖像；選取掃描中心，沿其所在列或行掃描判讀和細(xì)分；將不同位置、時(shí)間間隔的條紋圖像比較，即能得到位移量，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出。采用面陣圖像傳感器接收和細(xì)分，充分發(fā)揮了圖像傳感器二維象素高分辨率能力和可按時(shí)序串行輸出電信號(hào)的特點(diǎn)，達(dá)到納米量級(jí)分辨率的測(cè)量。用計(jì)算機(jī)及其軟件可以實(shí)時(shí)輸出結(jié)果。圖像傳感器直讀方式簡(jiǎn)化傳統(tǒng)方法中光電轉(zhuǎn)換、電子學(xué)細(xì)分與處理電路；構(gòu)造上免受光柵副工作距離限制。能實(shí)現(xiàn)全標(biāo)尺光柵長(zhǎng)度上大量程粗讀數(shù)和納米分辨率精讀數(shù)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1696607SQ200510050369
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者陳洪璆, 曹向群, 徐進(jìn) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)