长光栅微密线纹测量系统及方法

长光栅微密线纹测量系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种长光栅微密线纹测量系统及方法，系统主要包括运动台(14)、激光干涉测长子系统(13)、信号处理及结果显示子系统和光电显微镜子系统(11)。其关键技术特征为测量信号的高速同步采集以及干涉测长电信号与刻线电信号的关联处理，以消除测量速度对于测量结果的影响。稳频激光源作为干涉光源使得测量结果可以直接溯源到激光标准波长，提高了测量精度。采用双向测量、数据拼接的方法解决了长工作距离下显微镜低倍率时起始端刻线信号失真致单向无法完成测量的问题，测量是运动台运动下的动态扫描测量，可以实现快速测量，有效解决了尺寸达几百毫米较大长度的长光栅微密线纹的测量问题。
【专利说明】长光栅微密线纹测量系统及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及几何量计量器具校准测量【技术领域】，更为具体地说，涉及一种长光栅 微密线纹测量系统及方法。

【背景技术】
[0002] 光栅是具有微密线纹（即刻线）的一种特殊线纹尺。光栅在测量【技术领域】广泛应 用，按照用途可分为用于测长度的长光栅和用于测角度的圆光栅两类。长光栅的微密线纹 线间距对于长光栅的加工制造和以长光栅构成的测量系统而言，都是一个很重要的技术参 数，因此对长光栅微密线纹线间距的测量显得尤为必要。
[0003] 由于长光栅的微密线纹具有密而多的特点，所以对长光栅微密线纹线间距的测量 有一定的技术难度。传统测量方式是：人工对通过显微镜放大后的微密线纹进行瞄准测量， 然后计算线间距。此种方式受人眼分辨率的限制，瞄准和测量的精度受到限制，最终导致对 长光栅的测量精度较低。而且人工测量的方式效率较低。
[0004] 为此，请参考附图1，图1示出了一种长光栅微密线纹测量系统的结构。图1所示 的系统主要由显微镜系统01、激光干涉仪03、计算机系统02和运动台04及被测长光栅05 组成。显微镜系统01固定不动，运动台04带动被测长光栅05运动，进而可以实现显微镜系 统01对沿运动台04移动方向放置的被测长光栅05不同区域线纹图像的采集和处理。计 算机系统02通过图像处理的方法完成长光栅微密线纹所有线间距的测量。长光栅的微密 线纹被显微镜本体012的显微镜放大后成像于(XD011 (显微镜系统01包括显微镜本体012 和(XD011)上，计算机系统02获取(XD图像，运动台04的运动距离由激光干涉仪03检测 并被保存在计算机系统02中。对于每一幅CCD图像内所包含的微密线纹线间距则由计算 机系统的图像处理软件计算得到，单幅CCD图像内微密线纹线线间距的计算和多幅CCD图 像的拼接方法实现长光栅微密线纹所有线间距的测量。
[0005] 但是，图1所示的长光栅微密线纹测量系统在测量的过程中存在如下问题：
[0006] 第一：为了具备较高测量分辨率，光栅微密线纹线间距检测所用的显微镜系统01 的显微镜放大倍率较高，此种情况下，被测长光栅05的微密线纹经过显微镜高倍放大后， 存在于显微镜视场中的线纹数量较少，进而导致每次CCD抓拍获取的CCD图像内所含线纹 数量较少。这会导致整个被测长光栅05的整个测量过程中需要多次定位拍照，即每次CCD 获取一幅图片后，计算机系统02控制运动台04运动到被测长光栅05的下一个区域，进而 对下一个区域内的微密线纹实施抓拍和处理，最终每个区域的测量结果拼接形成整个被测 长光栅05的测量结果。图1所示的测量系统的测量属于静态测量（被测长光栅05测量时 需要处于静止状态，以供显微镜系统01正确瞄准相对应区域），这导致对被测长光栅05的 测量效率较低。
[0007] 第二：如图2和图3所示，测量结果量值不能直接溯源于激光标准波长，测量的精 度受限于CCD像素宽度标定误差和CCD像素（如图3所示，图3是放大后实际的CCD线纹 图像）均匀性误差，这最终使得测量精度难以提高。同时，测量过程中每个区域的测量结果 拼接会导致累积误差，这进一步使得测量精度较低。


【发明内容】

[0008] 本发明提供一种长光栅微密线纹测量系统，以解决目前的长光栅微密线纹测量系 统存在的测量效率低和测量精度低的问题。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
[0010] 长光栅微密线纹测量系统，包括运动台，还包括用于获取干涉测长电信号的激光 干涉测长子系统、用于获取刻线电信号的光电显微镜子系统以及信号处理及结果显示子系 统，其中：
[0011] 所述光电显微镜子系统包括分光片、狭缝片、光电倍增管和线纹电信号预处理电 路，所述分光片设置在显微镜成像位置的前端，用于将线纹成像光束分为透射和反射两路 输出，所述光电显微镜子系统具有能够通过所述分光片透射出的线纹成像光束进行成像的 图像接收CCD，具有能够通过所述分光片反射出的线纹成像光束成像在其上的所述狭缝片， 所述狭缝片具有能够与线纹图像宽度相适应的狭缝，所述光电倍增管与所述分光片分别位 于所述狭缝片进出光两侧用于将穿过所述狭缝片狭缝的线纹图像转换为线纹电信号，所述 线纹电信号预处理电路用于对所述线纹电信号预处理；
[0012] 所述激光干涉测长子系统具有用于对所述干涉测长电信号预处理的干涉测长电 信号预处理电路；
[0013] 信号处理及结果显示子系统，包括信号采集模块、数据处理模块和显示模块，所述 信号采集模块与所述线纹电信号预处理电路和所述干涉测长电信号预处理电路均相连，用 于同步采集两者预处理后的信号；所述处理模块包括第一处理模块和第二处理模块，所述 第一处理模块用于将预处理后的所述线纹电信号和干涉测长电信号实施数模转换处理和 关联处理，所述关联处理将以时间为横轴的线纹数字信号通过与所述干涉测长数字信号的 关联转换得到以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数字信号；第二处理模 块，通过以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数字信号，计算线间距及线间 距偏差，所述线间距偏差是两条线纹的实际间距值与设计值之差；所述显示模块与所述图 像接收CCD和所述第二处理模块均相连，用于显示所述线间距、线间距偏差和所述图像接 收(XD获取的C⑶线纹图像。
[0014] 优选的，上述长光栅微密线纹测量系统中，所述激光干涉测长子系统包括激光源， 用于将所述激光源发出的激光分光形成双路干涉的干涉光路组件，用于将接收到的双路光 信号转换为电信号的干涉测长光信号接收器，以及与所述干涉测长光信号接收器相连的所 述干涉测长电信号预处理电路。
[0015] 优选的，上述长光栅微密线纹测量系统中，所述激光源为标准稳频激光源，长度测 量结果能够实现直接溯源于标准激光波长。
[0016] 优选的，上述长光栅微密线纹测量系统中，所述信号采集模块、数据处理模块和显 示模块集成为计算机系统。
[0017] 优选的，上述长光栅微密线纹测量系统中，所述狭缝片为圆形片，其上设置有多条 径向延伸，且宽度为一系列均不相等的狭缝，所有狭缝按照宽度逐渐增大或逐渐减小的顺 序分布。
[0018] 优选的，上述长光栅微密线纹测量系统中，所述的测量系统适用于具有Η形结构 体的光栅尺，所述Η形结构体的光栅尺的线纹的测量工作距离较大。
[0019] 长光栅微密线纹测量方法，由上述任意一项所述的长光栅微密线纹测量系统实 现，所述长光栅微密线纹测量方法包括如下步骤：
[0020] Α、移动运动台使得显微镜本体的视场中心位于被测长光栅的起始线纹外侧；
[0021] Β、控制运动台正向移动，所述正向移动是指运动台向着使终止线纹靠近显微镜本 体的方向移动，最终停靠在终止线纹的外侧；
[0022] C、对正向移动过程中光电倍增管输出的线纹电信号和激光干涉测长子系统输出 的干涉测长电信号预处理；
[0023] D、同步采集经过步骤C预处理后的线纹电信号和干涉测长电信号；
[0024] Ε、对采集的线纹电信号和干涉测长电信号分别实施数模转换处理，得到线纹数字 信号和干涉测长数字信号；
[0025] F、对线纹数字信号和干涉测长数字信号实施关联处理，所述关联处理为：将以时 间为横轴的线纹数字信号转换成以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数字 信号；
[0026] G、计算正向移动时被测长光栅的线间距及线间距偏差，得到正向测量结果。
[0027] 优选的，上述测量方法中，步骤G之后还包括：
[0028] Η、自正向移动完毕所述的终止线纹的外侧作为起点，控制运动台反向移动，所述 反向移动是指运动台向着使起始线纹靠近显微镜本体的方向移动，最终停靠在起始线纹的 外侧；
[0029] I、对反向移动过程中光电倍增管输出的线纹电信号和激光干涉测长子系统输出 的干涉测长电信号预处理；
[0030] J、同步采集经过步骤I预处理后的线纹电信号和干涉测长电信号；
[0031] Κ、对同步采集的线纹电信号和干涉测长电信号分别实施数模转换处理，得到线纹 数字信号和干涉测长数字信号；
[0032] L、对线纹数字电信号和干涉测长数字信号实施关联处理，所述关联处理为：将以 时间为横轴的线纹数字信号转换成以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数 字信号；
[0033] Μ、计算反向移动时被测长光栅的线间距及线间距偏差，得到反向测量结果；
[0034] Ν、以被测长光栅中间区域内的一条线纹为分界线纹，将正向移动计算得到的正向 测量结果中结束端测量结果与反向移动计算得到的反向测量结果中结束端测量结果一次 拼接，得到一次测量结果。
[0035] 优选的，上述测量方法中，以多次检测的被测长光栅尺的一次测量结果的均值作 为最终测量结果。
[0036] 优选的，上述测量方法中，所述预处理包括对线纹电信号和干涉测长电信号实时 调理，所述实时调理包括滤波和去噪。
[0037] 相比于【背景技术】而言，本发明实施例提供的测量系统及测量方法以采集的干涉测 长电信号和线纹光学图像为基础实施测量。所采集的上述信号为模拟信号，理论上可以无 限细分而具有较高的分辨率，因此可以使得显微镜本体处于低倍率下的较大工作距离进行 正常工作，而且以动态的方式采集上述信号（包括干涉测长电信号和线纹电信号），运动台 带动被测长光栅运动以实现被测长光栅被固定的光电显微镜子系统连续被扫描获得刻线 电信号，这种方式与传统的图像方法的静态测量方式相比，能够显著提高测量效率。即本发 明的测量过程中采用了光学扫描测量，能够以激光标准波长进行理论上的无限细分的较小 间隔为线纹测量的最小分辨间隔，相比于以CCD像素为基础的图像处理方法而言，线纹测 量的分辨率能够显著的提高从而有利于线纹瞄准测量精度的提高。而且这种连续测量方法 能够减少图像测量需多次拼接误差，进而提高测量精度。

【专利附图】

【附图说明】
[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动 的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0039] 图1是【背景技术】所述的一种长光栅微密线纹测量系统的结构示意图；
[0040] 图2是高倍率下长光栅微密线纹的CCD图像；
[0041] 图3是图2中A部分的放大图；
[0042] 图4是本发明实施例提供的长光栅微密线纹测量系统的一种组成示意图；
[0043] 图5是本发明实施例提供的狭缝片的结构示意图；
[0044] 图6是本发明实施例的长工作距离下测量Η形结构的光栅尺线纹示意图；
[0045] 图7是光学扫描动态测量的线纹电信号；
[0046] 图8是正向测量起始端形成线纹电信号；
[0047] 图9是后向测量起始端形成的线纹电信号；
[0048] 图10是基于图像方法的测量结果与本发明公开的光学扫描测量方法的测量结果 比较图；
[0049] 图11和图12分别是正向测量过程中长光栅微密线纹测量系统处于测量初始状态 和测量结束状态的示意图；
[0050] 图13和图14分别是反向测量过程中长光栅微密线纹测量系统处于测量初始状态 和测量结束状态的示意图。

【具体实施方式】
[0051] 本发明实施例公开了一种长光栅微密线纹测量系统及方法，解决了目前长光栅测 量存在的测量效率低、测量精度低的问题以及如何在长工作距离下测量长光栅的问题。
[0052] 为了便于对本发明实施例的理解，现将本专利申请中出现的术语解释如下：
[0053] CO)，是Charge-Coupled Device的缩写，指的是电f禹合器件，也可以称为CO)图像 传感器。
[0054] 为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实 施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术 方案作进一步详细的说明。
[0055] 请参考附图4,图4示出了本发明实施例提供的长光栅微密线纹测量系统的一种 组成。图4所示的系统包括激光干涉测长子系统13、信号处理及结果显示子系统、光电显微 镜子系统11和运动台14。
[0056] 被测长光栅15沿着运动台14的移动方向放置在运动台14上，运动轴线与激光干 涉测长子系统13决定的测量轴线重合，符合测长的基本原则。光电显微镜子系统11固定 在长光栅微密线纹测量系统的测量基体上，被测长光栅15随运动台14沿激光干涉测长子 系统13所构成的干涉测量光路所决定的测量方向上运动，被测长光栅15的各条线纹依次 经过光电显微镜子系统11的光电显微镜扫描形成线纹电信号。光电显微镜子系统11包括 显微镜本体、图像接收CCD111、分光片114、狭缝片112、光电倍增管113和线纹电信号预处 理电路115。
[0057] 显微镜本体是光电显微镜子系统11的扫描主体部件，包括显微镜透镜组（包括透 镜116、透镜118和透镜120)、反射照明光源119、反射照明分光镜117等部件，显微镜本体 在运动台14移动过程中实现物镜对被测长光栅15的扫描。图像接收CCD111设置在显微镜 本体上，分光片114设置在图像接收CCD111的显微镜物镜成像面位置前端，线纹成像光束 通过分光片114后分为透射和反射两路输出，透射成像光束的图像成像于图像接收(XD111 位置，经过光电转换后形成线纹CCD图像。请结合参考附图5,反射光束的图像成像于狭缝 片112位置，狭缝片112具有能够与线纹图像相适应的狭缝1121。光电倍增管113设置在 狭缝片112的线纹光学图像的输出侧，即光电倍增管113与分光片114分别位于狭缝片112 进出光两侧。经过光分片114反射的线纹光学图像到达狭缝片112后，只有一条线纹光学 图像能够穿过狭缝1121，最终传输到狭缝片112后安置的光电倍增管113上进行光电转换， 以形成线纹电信号。线纹电信号预处理电路115与光电倍增管113相连，用于对线纹电信 号预处理。
[0058] 激光干涉测长子系统13用于输出干涉测长电信号，干涉测长电信号用于测长，其 工作原理如干涉测长仪。请再次参考附图4,通常激光干涉测长子系统13包括激光源132、 干涉光路（由第一反射镜133、第二反射镜137、第一分光镜135、第二分光镜136、参考角锥 棱镜138和测量角锥棱镜139组成）、干涉测长光信号接收器131和干涉测长电信号预处理 电路134。激光源132发出激光输入至干涉光路，激光经过干涉光路后形成两路干涉光信号 输出，干涉测长光信号接收器131设置在干涉测长光路的输出位置，用于接收干涉测长光 信号以及将干涉测长光信号转换为干涉测长电信号。干涉测长电信号预处理电路134与干 涉测长光信号接收器131相连，用于对干涉测长光信号接收器131发出的干涉测长电信号 预处理。优选的，上述干涉测长光路的参考光路和测量光路为对称结构，以使得激光干涉测 长受空气环境的影响由于光路的对称有抵消效应而降低到最小。
[0059] 更为优选的，上述激光源132为标准稳频激光源，以标准稳频激光源作为激光源 的激光干涉测长，能够使得测量结果直接溯源至长度测量值溯源的源头-最高精度的激光 波长（即激光标准波长）上，进而能够实现较高精度的长光栅微密线纹线间距的测量。
[0060] 线纹电信号预处理电路115用于对线纹电信号预处理，干涉测长电信号预处理电 路134用于对干涉测长电信号预处理。此处的预处理可以包括对线纹电信号和干涉测长电 信号的基本调理和实时调理，实时调理包括滤波、去噪等，基本调理为调节信号的幅度、直 流电平、相位、信号的调理为后续线纹电信号和干涉测长电信号实施同步采集作好准备。
[0061] 信号处理及结果显示子系统包括信号采集模块、数据处理模块和显示模块。信号 采集模块与线纹电信号预处理电路115和干涉测长电信号预处理电路134均相连，用于同 步采集线纹电信号预处理电路115和干涉测长电信号预处理电路134预处理后的电信号。 数据处理模块包括第一数据处理模块和第二数据处理模块，第一数据处理模块用于将信号 采集模块同步采集的电信号（包括线纹电信号和干涉测长电信号）进行数模转换处理，进 而得到数字信号（包括线纹数字信号和干涉测长数字信号），然后对线纹电信号转换得到 的线纹数字信号和干涉测长电信号转换得到的干涉测长数字信号进行关联处理，所述关联 处理为：将以时间为横轴的线纹数字信号转换为以干涉测长数字信号所代表的长度值为横 轴的线纹数字信号。第二数据处理模块通过以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的 线纹数字信号，计算被测长光栅15微密线纹的线间距及线间距偏差。线间距偏差为两条线 纹的实际间距值与设计值之差。显示模块与第二数据处理模块和图像接收(XD111均相连， 用于显示被测长光栅15的线间距、线间距偏差值和线纹C⑶图像。优选的，信号采集模块、 数据处理模块和显示模块集成为计算机系统12。
[0062] 显示模块与图像接收(XD111均相连，便于实时显示被测长光栅15线纹图像，进而 便于观察和测量线纹。在被测长光栅15测量运动前后完成被测长光栅15线纹图像的采集 存储，对于采用两端光学扫描的拼接测量方式，事先存储的图像及其灰度信号与扫描得到 的线纹信号的参考比较将有助于辨识被测长光栅15微密线纹的两端区域，以确定被测长 光栅15测量的起始线纹和终止线纹。
[0063] 请参考附图5,狭缝片112的狭缝1121是后续形成良好的线纹电信号的关键部位。 一个关键环节就是要保证狭缝1121的宽度与被测长光栅15的一条线纹光学图像宽度基本 相等。不同类型的被测长光栅15的线纹宽度不相等，该领域一般采用复杂的可调式狭缝 以适应不同宽度的线纹，如果狭缝设计为简单的不可调的固定宽度式狭缝会造成狭缝1121 很难满足不同种类被测长光栅15的线纹检测的需要，需要加工大量的狭缝片且分别安装 和使用，带来了安装和使用不便的问题。为了实现狭缝的简单的设计和安装使用的需要，本 发明实施例提供了一种新的狭缝片112。请再次参考附图5,图5所示的狭缝片112为圆形 片，其上设置有多条径向延伸，且宽度均不相等的狭缝1121，所有狭缝1121按照宽度逐渐 增大或逐渐减小的顺序分布。优选的，上述多条狭缝1121在狭缝片112上均布（即任意相 邻的两条狭缝1121之间的圆心角均相等）。上述狭缝片112能够在光电显微镜子系统11 的安装基础上转动以实现不同宽度狭缝1121的切换，在测量开始前工作人员可以对放大 后的线纹图像（即线纹经过显微镜本体放大后的图像）a挑选合适的狭缝。本实施例提供 的狭缝片112能够适应更多种类被测长光栅15,同时还具有结构简单、操作方便等优点。
[0064] 请参考附图6,为了提高刚度和保护被测长光栅15上的线纹，被测长光栅15在测 量的过程中往往放置在特定结构的结构体上，例如被测长光栅15往往不是独立的光栅体， 其安置在Η形结构17上。这使得长薄条状的被测长光栅15的刚度大大提高而不易变形。 对于此种结构的长光栅，只能在较大的工作距离下测量，传统显微镜基于图像的方法无法 测量，而本发明实施例提供的长光栅微密线纹测量系统可以解决此列特殊结构的光栅测量 问题。
[0065] 基于上述实施例提供的长光栅微密线纹测量系统，本发明实施例提供了一种长光 栅微密线纹测量方法，所述的测量方法由上述实施例中任意一项所述的长光栅微密线纹测 量系统完成。
[0066] 本发明实施例提供的长光栅微密线纹测量方法，包括以下步骤：
[0067] S101、移动运动台14,使得显微镜本体视场中心位于被测长光栅15的起始线纹外 侧。
[0068] 由于本实施例提供的测量系统中，光电显微镜子系统11固定不动，运动台14可移 动，所以步骤S101通过移动运动台14来改变视场中心与起始线纹的位置关系。本方法为 动态扫描测量，显微镜中心从起始线纹外侧开始扫描，信号从无到有，很方便就能确定起始 刻线的信号。
[0069] 长光栅微密线纹包括很多条微密的线纹，这些线纹的线间距都有设定值，例如相 邻的两条线纹之间的线间距为l〇ym等。虽然长光栅并没有类似于钢卷尺等普通尺子所标 记在尺面上的名义值，但是有些长光栅仍然具有起始零刻线。当然，有些长光栅没有起始 零刻线，这种情况下可以以长光栅两端的线纹最边缘线纹人为确定为起始零刻线来实施测 量。步骤S101中通过移动运动台14使得显微镜视场中心位于被测长光栅15的起始线纹 的外侧。其中，起始线纹指的是测量运动开始后第一条检测到的线纹，对于设定有起始零刻 线的被测长光栅15而言，起始线纹通常为零刻线。对于没有起始零刻线的被测长光栅15 而言，则认为地以被测长光栅15两端最边缘的一条线纹定为起始线纹，与起始线纹相对， 检测结束时对应的线纹为终止线纹，通常终止线纹为被测长光栅15另一最端部的最边缘 的一条线纹。
[0070] S102、控制运动台14正向移动。
[0071] 步骤S102中控制运动台14带着被测长光栅15正向移动开始正向测量。需要说 明的是，本步骤中的正向移动是指运动台14向着使终止线纹靠近显微镜本体的方向移动， 最终停在终止线纹的外侧。参考图11和图12所示，图11是正向测量过程中上光栅微密线 纹测量系统处于初始状态的示意图（图11中箭头方向表示运动台14的移动方向），图12 是正向测量过程中长光栅微密线纹测量系统处于测量结束状态的示意图，图11-12中，激 光干涉测长子系统固定部分指的是激光干涉测长子系统中固定在长光栅微密线纹测量系 统测量基体上不会随工作台运动的部分。
[0072] S103、对正向移动过程中光电倍增管113输出的线纹电信号和激光干涉测长子系 统13输出的干涉测长电信号预处理。
[0073] 步骤S103中预处理通常包括对信号进行实时调理，实时调理包括滤波和去噪，以 及对信号进行调幅、调相、调节直流电平的基本调理。步骤S103通常由图4中的线纹电信号 预处理电路115和干涉测长电信号预处理电路134完成，即线纹电信号预处理电路115对 线纹电信号实施预处理，干涉测长电信号预处理电路134对干涉测长电信号实施预处理。
[0074] S104、同步采集经过预处理后的线纹电信号和干涉测长电信号。
[0075] 步骤S104由信号处理及结果显示子系统的信号采集模块完成。本步骤中同步采 集能够保证线纹电信号和干涉测长电信号之间的一一对应关系，即保证同一处线纹电信号 值对应同一处干涉测长电信号值。
[0076] S105、对采集的线纹电信号和干涉测长电信号实施数模转换处理。
[0077] 步骤S105中，线纹电信号和干涉测长电信号实施数模转换处理后，形成数字信 号，即线纹数字信号和干涉测长数字信号。
[0078] S106、对线纹数字信号和干涉测长数字信号实施关联处理。
[0079] 线纹数字信号和干涉测长数字信号实施关联处理为：将以时间为横轴的线纹数字 信号转换成以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的数字信号。
[0080] S107、计算正向移动时的被测长光栅15的线间距及线间距偏差，得到正向测量结 果。
[0081] 通过以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹电信号计算正向移动对 应的被测长光栅15的微密线纹线间距值及线间距偏差。由于同步采集的线纹电信号值与 干涉测长电信号值一一对应，经关联处理后，通过干涉测长数字信号就能够计算出测量范 围内任意两条线纹线间距的实际值。由于被测长光栅15的任意两条线纹的线间距为设定 值（即制造时已经设定），实际值和设定值之差即为线间距偏差。
[0082] 相比于【背景技术】而言，本发明实施例提供的测量系统以及测量方法以采集的干涉 测长电信号和线纹电信号为基础实施信号处理得到测量结果。所采集的上述信号为模拟信 号，理论上可以无限细分而具有较高的分辨率，因此可以使得显微镜本体处于低倍率下的 较大工作距离进行正常工作，而且以动态的方式采集上述信号电信号（包括干涉测长电信 号和线纹电信号），运动台14带动被测长光栅15被固定的光电显微镜子系统11连续被扫 描获得刻线光学图像进而转换为刻线电信号（如图7所示），这种方式与传统的以图像处理 方法的静态测量方式相比，能够显著提高测量效率。即本发明的测量过程中采用了光学扫 描的动态测量，并且能够以激光标准波长进行理论上的无限细分的较小间隔为线纹描述测 量的最小分辨间隔，相比于以CCD像素为基础的图像处理方法而言，线纹测量的分辨率能 够显著的提高从而有利于线纹瞄准测量精度的提高。而且这种连续测量的方法能够减少拼 接误差，进而提高测量精度。
[0083] 但是需要说明的是，在低放大倍率、长工作距离条件下获取的线纹光学图像的对 比度低，测量的起始端和结束端的线纹光信号易受到背景光强变化的影响而失真，这最终 会导致线纹电信号的起始端和结束端失真，如图8所示。发明人在创造本发明的过程中发 现，对于光栅微密线纹的测量，光电显微镜子系统11的起始端信号受背景信号的影响较 大，很容易失真，而结束端信号则受到背景信号的影响较小（如图8或9)。很显然上述步骤 S101-S107中，起始线纹对应的一端为起始端，终止线纹对应的一端为结束端。为了减少由 于起始端信号失真对测量结果的影响，本发明实施例提供的测量方法在步骤S107之后还 包括如下步骤：
[0084] S201、自正向移动完毕所述的终止线纹的外侧作为起点，控制运动台14反向移 动。
[0085] 此时终止线纹所在的一端作为测量的起始端，起始线纹所在的一端作为测量的结 束端。本步骤中，反向移动是指运动台14自终止线纹所在的一端向起始线纹的一端移动， 最终停靠在起始线纹的外侧。正向移动与反向移动的方向相反。为了便于理解，请参考附 图13和图14,图13是反向测量过程中长光栅微密线纹测量系统处于测量初始状态的示意 图（图13与图12为同一状态，图13中箭头方向表示运动台14的移动方向），图14是反向 测量过程中长光栅微密线纹测量系统处于测量结束状态的示意图，图13-图14中，激光干 涉测长子系统固定部分指的是激光干涉测长子系统中固定在长光栅微密线纹测量系统测 量基体上不随工作台运动的部分。
[0086] S202、对反向移动过程中光电倍增管113输出的线纹电信号和激光干涉测长子系 统13输出的干涉测长电信号预处理。
[0087] 步骤S202中预处理通常包括对信号进行实时调理，包括滤波和去噪。步骤S202 通常由图4中的线纹电信号预处理电路115和干涉测长电信号预处理电路134完成，即线 纹电信号预处理电路115对线纹电信号实施预处理，干涉测长电信号预处理电路134对干 涉测长电信号实施预处理。
[0088] S203、同步采集经过步骤S202预处理后的线纹电信号和干涉测长电信号。
[0089] 步骤S203由信号处理及结果显示子系统的信号采集模块完成。本步骤中同步采 集能够保证线纹电信号和干涉测长电信号之间的一一对应关系，即保证同一处线纹电信号 值对应同一处干涉测长电信号值。
[0090] S204、对采集的线纹电信号和干涉测长电信号实施数模转换处理。
[0091] 步骤S204中，对反向移动过程中采集的线纹电信号和干涉测长电信号实施数模 转换处理后，形成数字信号，即线纹数字信号和干涉测长数字信号，也可以称为反向线纹数 字信号和反向干涉测长数字信号。
[0092] S205、对步骤S204得到的线纹数字信号和干涉测长数字信号实施关联处理。
[0093] 线纹数字信号和干涉测长数字信号实施关联处理为：以将时间为横轴的线纹数字 信号转换成以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的数字信号。
[0094] S206、计算反向移动时的被测长光栅15的线间距及线间距偏差，得到反向测量结 果。
[0095] 通过以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数字信号计算正向移动 对应的被测长光栅15的微密线纹的线间距值及线间距偏差。由于同步采集的线纹电信号 值与干涉测长电信号值一一对应，经关联处理后，通过干涉测长数字信号就能够计算出测 量范围内任意两条线纹线间距的实际值。由于被测长光栅15的任意两条线纹的线间距为 设定值，实际值和设定值之差即为线间距偏差。
[0096] S207、计算被测长光栅15的测量结果。
[0097] 以被测长光栅15中间区域内的一条线纹为分界线纹，从正向移动测量得到的正 向测量结果中选取分界线纹与终止线纹之间的结果值进行转换，转换为以分界线纹为起始 刻线的后端结果与反向移动测量得到的反向测量结果中选取起始线纹与分界线纹之间的 测量结果在分界线纹处一次相加拼接，即得到被测长光栅15的全部线纹对应的任意两条 线纹线间距和偏差，即本步骤得到的是经过一次拼接后的一次测量结果。
[0098] 因为是同一区域的线纹，正向移动时结束端信号与反向移动时起始端信号 对 应。通常情况下，无论正向移动还是反向移动，起始端信号受背景信号影响较大，结束端信 号受背景信号影响较小，如图8和9所示。正向移动的测量结果包含较小失真的终止线纹 信号，反向移动侧测量包含较小失真的起始线纹信号，通过拼接后形成完整的测量结果，进 而可以根据测量结果计算被测长光栅15微密线纹的线间距即线间距偏差。
[0099] 因为拼接误差是相加的关系，为了减小其影响，利用本发明光学扫描测量方法动 态快速的特点，将多次的一次测量结果的平均值作为最终测量结果以减少拼接误差。图10 为同一被测长光栅15采用不同方法测量得到的线间距偏差曲线，光学扫描方法是在低倍 率、长工作距离下测量，图像方法是在显微镜高倍率的较小工作距离下通过拍摄多幅图片 进行图像处理得到，结果表明两种测量方法最大差别小于〇. 2微米，测量结果吻合性较好， 从而从另一个角度验证了光学扫描方法在低倍率、长工作距离下测量的可行性。
[0100] 上述实施例公开了多个优选的方案，各个优选的方案只要不矛盾，都可以任意组 合形成新的技术方案，而这些技术方案均在本发明实施例公开的范畴内。
[〇1〇1] 以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 长光栅微密线纹测量系统，包括运动台（14)，其特征在于，还包括用于获取干涉测 长电信号的激光干涉测长子系统（13)、用于获取刻线电信号的光电显微镜子系统（11)以 及信号处理及结果显示子系统，其中： 所述光电显微镜子系统（11)包括分光片（114)、狭缝片（112)、光电倍增管（113)和线 纹电信号预处理电路（115)，所述分光片（114)设置在显微镜成像位置的前端，用于将线纹 成像光束分为透射和反射两路输出，所述光电显微镜子系统（11)具有能够通过所述分光 片（114)透射出的线纹成像光束进行成像的图像接收CXD(lll)，具有能够通过所述分光片 (114)反射出的线纹成像光束成像在其上的所述狭缝片（112)，所述狭缝片（112)具有能够 与线纹图像宽度相适应的狭缝（1121)，所述光电倍增管（113)与所述分光片（114)分别位 于所述狭缝片（112)进出光两侧用于将穿过所述狭缝片（112)狭缝（1121)的线纹图像转 换为线纹电信号，所述线纹电信号预处理电路（115)用于对所述线纹电信号预处理； 所述激光干涉测长子系统（13)具有用于对所述干涉测长电信号预处理的干涉测长电 信号预处理电路（134); 信号处理及结果显示子系统，包括信号采集模块、数据处理模块和显示模块，所述信号 采集模块与所述线纹电信号预处理电路（115)和所述干涉测长电信号预处理电路（134)均 相连，用于同步采集两者预处理后的信号；所述处理模块包括第一处理模块和第二处理模 块，所述第一处理模块用于将预处理后的所述线纹电信号和干涉测长电信号实施数模转换 处理和关联处理，所述关联处理将以时间为横轴的线纹数字信号通过与所述干涉测长数字 信号的关联转换得到以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数字信号；第二处 理模块，通过以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数字信号，计算线间距及 线间距偏差，所述线间距偏差是两条线纹的实际间距值与设计值之差；所述显示模块与所 述图像接收CCD(lll)和所述第二处理模块均相连，用于显示所述线间距、线间距偏差和所 述图像接收CCD(lll)获取的CCD线纹图像。
2. 根据权利要求1所述的长光栅微密线纹测量系统，其特征在于，所述激光干涉测长 子系统（13)包括激光源（132)，用于将所述激光源（132)发出的激光分光形成双路干涉的 干涉光路组件，用于将接收到的双路光信号转换为电信号的干涉测长光信号接收器（131)， 以及与所述干涉测长光信号接收器（131)相连的所述干涉测长电信号预处理电路（134)。
3. 根据权利要求2所述的长光栅微密线纹测量系统，其特征在于，所述激光源（132)为 标准稳频激光源，长度测量结果能够实现直接溯源于标准激光波长。
4. 根据权利要求1所述的长光栅微密线纹测量系统，其特征在于，所述信号采集模块、 数据处理模块和显示模块集成为计算机系统（12)。
5. 根据权利要求1所述的长光栅微密线纹测量系统，其特征在于，所述狭缝片（112) 为圆形片，其上设置有多条径向延伸，且宽度为一系列均不相等的狭缝（1121)，所有狭缝 (1121)按照宽度逐渐增大或逐渐减小的顺序分布。
6. 根据权利要求1-5中任意一项所述的长光栅微密线纹测量系统，其特征在于，所述 的测量系统适用于具有Η形结构体的光栅尺，所述Η形结构体的光栅尺的线纹的测量工作 距离较大。
7. 长光栅微密线纹测量方法，其特征在于，由如权利要求1-6中任意一项所述的长光 栅微密线纹测量系统实现，所述长光栅微密线纹测量方法包括如下步骤： A、 移动运动台（14)使得显微镜本体的视场中心位于被测长光栅（15)的起始线纹外 侧； B、 控制运动台（14)正向移动，所述正向移动是指运动台（14)向着使终止线纹靠近显 微镜本体的方向移动，最终停靠在终止线纹的外侧； C、 对正向移动过程中光电倍增管（113)输出的线纹电信号和激光干涉测长子系统 (13)输出的干涉测长电信号预处理； D、 同步采集经过步骤C预处理后的线纹电信号和干涉测长电信号； E、 对采集的线纹电信号和干涉测长电信号分别实施数模转换处理，得到线纹数字信号 和干涉测长数字信号； F、 对线纹数字信号和干涉测长数字信号实施关联处理，所述关联处理为：将以时间 为横轴的线纹数字信号转换成以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数字信 号； G、 计算正向移动时被测长光栅（15)的线间距及线间距偏差，得到正向测量结果。
8. 根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，步骤G之后还包括： H、 自正向移动完毕所述的终止线纹的外侧作为起点，控制运动台（14)反向移动，所述 反向移动是指运动台（14)向着使起始线纹靠近显微镜本体的方向移动，最终停靠在起始 线纹的外侧； I、 对反向移动过程中光电倍增管（113)输出的线纹电信号和激光干涉测长子系统 (13)输出的干涉测长电信号预处理； J、 同步采集经过步骤I预处理后的线纹电信号和干涉测长电信号； K、 对同步采集的线纹电信号和干涉测长电信号分别实施数模转换处理，得到线纹数字 信号和干涉测长数字信号； L、 对线纹数字电信号和干涉测长数字信号实施关联处理，所述关联处理为：将以时间 为横轴的线纹数字信号转换成以干涉测长数字信号所代表的长度值为横轴的线纹数字信 号； M、 计算反向移动时被测长光栅（15)的线间距及线间距偏差，得到反向测量结果； N、 以被测长光栅（15)中间区域内的一条线纹为分界线纹，将正向移动计算得到的正 向测量结果中结束端测量结果与反向移动计算得到的反向测量结果中结束端测量结果一 次拼接，得到一次测量结果。
9. 根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，以多次检测的被测长光栅尺（15)的 一次测量结果的均值作为最终测量结果。
10. 根据权利要求7-9中任意一项所述的测量方法，其特征在于，所述预处理包括对线 纹电信号和干涉测长电信号实时调理，所述实时调理包括滤波和去噪。
【文档编号】G01B11/02GK104089581SQ201410370836
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】高宏堂, 叶孝佑, 孙双花 申请人:中国计量科学研究院