专利名称：图像传感器细分纳米分辨率光栅测量方法
技术领域：
本发明涉及精密测量技术，特别涉及一种图像传感器细分纳米分辨率光栅测量方法。
背景技术：
光栅测量技术在科学研究，精密工程技术上位置测量和控制中广泛地应用。光栅测量系统有发讯和接收与电子处理两部分，通常由光源、计量光栅副、光电接收、前置放大、插补、计数和受控制装置等组成。由于它构成的繁杂，对机械结构、光电转换、电子与电路技术要求很高、成本昂贵；而通常分辨率仅在微米量级。为使分辨率提高，迄今为止通行在系统组成的硬件上努力，从而导致技术难度的增加和制造成本的剧增又阻碍其推广使用。
专利检索表明，仅公开号为CN1189607A的“具有0.01纳米分辨率的原子光栅测量方法”，将计量光栅原理与扫描探针显微技术相结合，对某些样品用扫描探针在不同位置上获得原子晶体格图像，经计算机处理所形成的二幅原子光栅图像、比较两个原子光栅图像的变化、即为测量结果。实现亚原子分辨率的测量。
发明内容
本发明目的在于将传统计量光栅测量原理拓展，采用光电成像元件面阵图像传感器(CMOS)接收和细分，从而实现一种纳米量级测量方法。
本发明采用的技术方案是其步骤如下1)用照明光源照明标尺光栅，标尺光栅移动所产生的光信息由光学显微系统放大；2)被光学显微系统的物镜像平面处放置的光电成像元件面阵图像传感器接收，获得与之联结的计算机显示屏上放大的清晰的光栅条纹图像；3)选取扫描中心，沿其所在列或行扫描实现判读和细分；4)将不同位置或不同时间间隔的光栅条纹图像比较，即能得到位移量，由计算机实时输出。
所述的将不同位置或不同时间间隔的光栅条纹图像比较，即将计算机利用扫描中心对图像作二值化处理，获取位置信息值d1；微移动标尺光栅，重复步骤3)，获取位置信息值d2；计算机输出微移动位置变化量Δd＝d1-d2。
配置有大读数标志符号的标尺光栅，可以获得全光栅长度上大量程粗读数的同时具有纳米量级精确示值。
与背景技术相比，本发明具有的有益的效果是它将传统的计量光栅测量原理拓展，采用新型的光电成像元件面阵图像传感器接收和细分，实现达到纳米量级分辨率的测量。由于充分发挥了图像传感器二维象素高分辨率能力和可按时序串行输出电信号的特点，用计算机及其软件可以便捷地实时输出结果。同时，图像传感器直读方式简化传统光栅测量方法中光电转换、电子学细分与处理电路实施技术；在机械构造上免受光栅副工作距离的限制，给装调带来方便。从而简化系统结构，降低生产成本，扩大应用范围。此外，该方法能方便地实现全标尺光栅长度上大量程粗读数和纳米分辨率精读数。
本发明测量方法，简化计量光栅测量系统结构，充分发挥了光电成像元件面阵图像传感器二维像素高分辨能力和可按时序串行输出电信号特点，使用计算机及其软件可以便捷地实时输出结果；而且能实现标尺光栅全长度量程上纳米量级精度的读数。
图1是测量系统示意图；图1中1-照明光源；2-标尺光栅；3-光学显微系统；4-光电成像元件面阵图像传感器；5-光栅条纹图像；6-计算机。
图2是利用光电成像元件面阵图像传感器像素为基准的细分原理图；图2中a-边界点；b-边界点；c-扫描中心。
具体实施例方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明测量方法如下1)用照明光源1照明标尺光栅2，标尺光栅2移动所产生的光信息由光学显微系统3放大；2)被光学显微系统3的物镜像平面处放置的光电成像元件面阵图像传感器4接收，获得与之联结的计算机6显示屏上放大的清晰的光栅条纹图像5；3)选取扫描中心，沿其所在列或行扫描实现判读和细分具体方法是选取经光电转换成如图2所示倾斜的光栅条纹图像5与由计算机6生成的扫描基准线交点为扫描中心c，同时可在光栅条纹图像5移动的垂直方向上获取一个光栅周期的光栅条纹图像，光栅条纹图像的边缘与扫描基准线相交的边界点a1和b1，a1和b1所表征的数值记为第一位置信息值d1；微移动光栅致使其光栅条纹图像发生同向移动，如图2中虚线所示，同样可获得与扫描基准线相交的边界点a2和b2，a2和b2所表征的数值记为第二位置信息值d2；4)将不同位置或不同时间间隔的光栅条纹图像比较，即能得到位移量，由计算机实时输出。即位置变化量Δd＝d1-d2。
所述的将不同位置或不同时间间隔的光栅条纹图像5比较，即将计算机6利用扫描中心对图像作二值化处理，获取位置信息值d1；微移动标尺光栅(2)，重复步骤3)，获取位置信息值d2；计算机6输出微移动位置变化量Δd＝d1-d2。
整个流程可归纳成条纹图像进入→二值化→求出a1、b1→移动光栅→条纹图像进入→二值化→求出a2、b2→d1、d2→Δd＝d1-d2……。
配置有大读数标志符号的标尺光栅，可以获得全光栅长度上大量程粗读数的同时具有纳米量级精确示值。
权利要求
1.一种图像传感器细分纳米分辨率光栅测量方法，其特征在于1)用照明光源(1)照明标尺光栅(2)，标尺光栅(2)移动所产生的光信息由光学显微系统(3)放大；2)被光学显微系统(3)的物镜像平面处放置的光电成像元件面阵图像传感器(4)接收，获得与之联结的计算机(6)显示屏上放大的清晰的光栅条纹图像(5)；3)选取扫描中心，沿其所在列或行扫描实现判读和细分；4)将不同位置或不同时间间隔的光栅条纹图像(5)比较，即能得到位移量，由计算机(6)实时输出。
2.根据权利要求1所述的一种图像传感器细分纳米分辨率光栅测量方法，其特征在于所述的将不同位置或不同时间间隔的光栅条纹图像(5)比较，即将计算机(6)利用扫描中心对图像作二值化处理，获取位置信息值d1；微移动标尺光栅(2)，重复步骤3)，获取位置信息值d2；计算机(6)输出微移动位置变化量Δd＝d1-d2。
3.根据权利要求1所述的一种图像传感器细分纳米分辨率光栅测量方法，其特征在于配置有大读数标志符号的标尺光栅，可以获得全光栅长度上大量程粗读数的同时具有纳米量级精确示值。
全文摘要
本发明公开了一种图像传感器细分纳米分辨率光栅测量方法。光栅移动的光信息经光学显微系统放大，由物镜像平面处面阵图像传感器接收，获得与联结的计算机显示屏上清晰光栅条纹图像；选取扫描中心，沿其所在列或行扫描判读和细分；将不同位置、时间间隔的条纹图像比较，即能得到位移量，由计算机实时输出。采用面阵图像传感器接收和细分，充分发挥了图像传感器二维象素高分辨率能力和可按时序串行输出电信号的特点，达到纳米量级分辨率的测量。用计算机及其软件可以实时输出结果。图像传感器直读方式简化传统方法中光电转换、电子学细分与处理电路；构造上免受光栅副工作距离限制。能实现全标尺光栅长度上大量程粗读数和纳米分辨率精读数。
文档编号G01B11/02GK1696607SQ200510050369
公开日2005年11月16日 申请日期2005年5月20日 优先权日2005年5月20日
发明者陈洪璆, 曹向群, 徐进 申请人:浙江大学