基于光神经网络的超精密位移测量系统及方法与流程

本发明涉及超精密位移测量技术领域，特别是涉及一种基于光神经网络的超精密位移测量系统及方法。

背景技术：

光学测量技术在超精密位移测量系统中具有重要的作用，主要包括基于莫尔条纹原理的光栅尺及基于光学干涉原理的干涉仪。光学位移测量系统作为一种典型的位移传感器具有对长度的可追溯性、测量精度高、测量范围大、动态测量范围大、成本低、易于安装和调试等优点，而被广泛应用于精密和超精密测量领域，常见于精密机械和加工设备的闭环伺服系统中。

光栅尺位移传感器通过指示光栅与标尺光栅的相对位移测量得到莫尔条纹光信号，并在条纹内按照一定间隔放置光电器件实现电子细分与判向。由于光信号转化为电信号的过程中量化误差，且电子细分的精度有限，并且在电子信号传输过程中电子噪声的影响，测量精度会下降，难以满足超精密的测量需求。

干涉位移测量技术通过检测干涉光的相位变化实现位移的测量，可以分为零差干涉测量系统和外差干涉测量系统，主要区别在于形成干涉光的参考光和测量光频率是否相同。零差干涉测量系统相位检测采用四通道鉴相器，外差干涉测量系统则是采用锁相解调等电子信号处理方法实现相位检测。这两种方法均需先将干涉光信号转化为电信号，利用专用的鉴相器件提取由于多普勒效应引起的相位变化，进而转化为目标物体的位置信息，上述过程同样存在量化误差与电子噪声的影响。并且，相位检测过程需要参考干涉信号作为基准，参考干涉信号的稳定性也会很大程度上影响测量精度。此外，鉴相器件相位检测以及利用相位解耦位姿的过程均存在时间上的延迟，导致在测量精度及动态性能要求苛刻的情况下，上述方法无法满足测量要求。

针对上述问题，目前已有的解决方案主要是采用外差干涉方案，同时提高鉴相器件的性能及分辨率。如美国zygo公司及agilent公司均推出了专用相位检测卡，其相位分辨率可达1/2048。但由于鉴相过程的存在，无法从根本上消除精度的下降和时间的延迟，且进入相位检测器件处理前需先采用光电探测器将干涉光信号转化电信号，光电探测器的性能也会对测量精度造成影响。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光神经网络，直接实现位移的测量，无需中间电信号的转化传输及相位检测过程的超精密位移测量系统，避免了由于光电信号转化的量化误差、电子噪声及相位检测过程导致的测量精度降低和时间延迟的问题；实现了纳米的分辨率，实现了位移的高精度测量。且该系统具有光学结构简单紧凑，便于实际安装操作，稳定性及经济性均较好等优点。

本发明另一目的在于提供一种基于光神经网络的超精密位移测量方法。

上述目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，本发明提供的一种基于光神经网络的超精密位移测量系统，包括：依次连接的光源、光学位移测量器件、光神经网络、探测器阵列、以及信号处理器件，所述光源用于输出光线并射入光学位移测量器件；所述光学位移测量器件用于输出测量光信号；所述光神经网络用于接收及处理所述测量光信号，并发射出光信号；所述探测器阵列用于接收光信号并将光信号转变为电信号；所述信号处理器件用于接收所述电信号并输出目标位移信息。

优选地，所述光神经网络采用离线模拟仿真训练得到；所述光神经网络包括主动光神经网络和/或被动光神经网络，其中，所述主动光神经网络包括空间光调制器，所述被动光神经网络包括光信号输入板、光学衍射板以及光信号输出板。

优选地，所述光源为非相干光源，所述光学位移测量器件为光栅尺，用于输出莫尔条纹测量光信号，进行莫尔条纹原理的测量。

或者优选地，所述光源为相干激光，所述光学位移测量器件为零差激光干涉仪或零差光栅干涉仪，用于输出干涉测量光信号，进行干涉原理的测量。

优选地，所述探测器阵列采用cmos阵列、ccd阵列或者其他光电探测器阵列。

根据本发明的另一个方面，本发明提供的一种基于光神经网络的超精密位移测量方法，包括以下步骤：光源输出光线入射至光学位移测量器件，经待测目标运动调制后输出测量光信号；测量光信号传输至光神经网络，经光学衍射调制处理后射出光信号并由探测器阵列接收并转变为电信号，电信号经信号处理器件输出目标位移信息；当目标物体相对于光学位移测量器件线性运动时，信号处理器件利用探测器阵列输出的电信号直接输出待测目标的线性位移。

其中，即该系统可以通过增加输入测量光信号及探测器阵列数实现目标物体的多自由度位姿测量。输入光神经网络的测量光信号无须经过信号鉴相，当目标物体做可测量的多自由度运动时，输入多个测量光信号并采用多个探测器阵列直接输出解耦的多自由度位姿信息，而非耦合的相位信息。例如，当所述光学位移测量器件为零差光栅干涉仪时，同时输出两个干涉测量光信号，输入光神经网络并行处理，实现二自由度的同时测量。

有益效果：

本发明基于光神经网络的超精密位移测量系统体积小，集成度高，环境敏感度低，测量信号易于处理，分辨率与精度可达纳米甚至更高；对比以往的超精密位移测量系统，在满足测量精度要求的基础上，可有效的避免了由于光电信号转化的量化误差、电子噪声及相位检测过程对测量精度和动态性能的影响。基于光神经网络的超精密位移测量系统特别适用于工业应用中对测量动态性能要求较高的场景，还可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台位移的精密测量中。本发明还可以通过增加输入测量光信号及探测器阵列数从而实现目标物体的包括多自由度位姿的同时测量。

附图说明

图1是本发明基于光神经网络的超精密位移测量系统的结构示意图；

图2a是本发明测量系统中的主动光神经网络的结构示意图；

图2b是本发明测量系统中的被动光神经网络的结构示意图；

图3是本发明基于光神经网络的超精密位移测量系统的第一实施例结构示意图；

图4a是本发明基于光神经网络的超精密位移测量系统的第二实施例结构示意图；

图4b是本发明基于光神经网络的超精密位移测量系统的第三实施例结构示意图。

其中，1—光源，2—光学位移测量器件，3—光神经网络，4—探测器阵列，5—信号处理器件；211—标尺光栅，212—指示光栅；221—第一分光棱镜，222—测量反射镜，223—参考反射镜；231—第二分光棱镜，232—测量光栅，233—参考光栅；31—空间光调制器；321—光信号输入板，322—光学衍射板，323—光信号输出板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：

图1示意性示出了本发明基于光神经网络的超精密位移测量系统的结构。如图1所示，本发明提供的一种基于光神经网络的超精密位移测量系统，该系统包括：光源1、光学位移测量器件2、光神经网络3、探测器阵列4和信号处理器件5。

本发明超精密位移测量系统利用光神经网络3对测量光信号处理可直接实现目标物体位移的测量。当目标物体发生运动时，测量系统将光学位移测量仪输出的测量光信号作为信号输入，通过光神经网络3处理后利用探测器阵列4接收，最后经过信号处理器件5转化为目标物体的位移信息。

在本发明中，所述光神经网络3采用离线模拟仿真训练得到，可以通过采用主动光神经网络和被动光神经网络的结构来实现，利用光信号并行处理和传输信息。所述探测器阵列4可以采用cmos(complementarymetaloxidesemiconductor)互补金属氧化物半导体阵列、ccd(chargecoupleddevice)电荷耦合器件阵列或者其他光电探测器阵列。

图2a和图2b示意性示出了本发明中光神经网络的结构。如图2a所示，主动光神经网络由空间光调制器31组成，在随时间变化的电驱动信号或其他信号a-f的控制下，实现对输入的测量光信号的处理。如图2b所示，被动光神经网络由光信号输入板321、光学衍射板322和光信号输出板323组成；光学衍射板322通过改变衍射板厚度控制衍射效率，实现对输入的测量光信号的处理，每个衍射结构构成一个单元神经网络单元，多层光学衍射板322之间对准，形成固定的光神经网络3结构。

结合图1、图2a以及图2b详细说明本发明提供的基于光神经网络3的超精密位移测量方法(测量原理)：光源1输出光线入射至光学位移测量器件2，经待测目标运动调制后输出测量光信号；所述测量光信号传输至光神经网络3，经光学衍射调制处理后出射光信号并由探测器阵列4接收并转变为电信号，电信号经信号处理器件5输出目标位移信息；当目标物体相对于光学位移测量器件2线性运动时，信号处理器件5可利用探测器阵列4输出的电信号直接输出待测目标的线性位移。当目标物体相对于光学位移测量器件2线性运动时，信号处理器件5利用探测器阵列4输出的电信号直接输出待测目标的线性位移。该方法采用本发明的测量系统利用光神经网络3直接实现位移测量，无须电子信号的鉴相过程，具有响应速度极快，尺寸可缩放，能量利用率高等特点，特别适用于速度快，动态性能要求高的超精密测量场合。

在本发明中，该系统还可以通过增加输入测量光信号及探测器阵列4数实现目标物体的多自由度位姿的同时测量。输入光神经网络3的测量光信号无须经过信号鉴相，当目标物体做可测量的多自由度运动时，输入多个测量光信号并采用多个探测器阵列4直接输出解耦的多自由度位姿信息，而非耦合的相位信息。

下面结合图3、图4a、以及图4b来进行具体实施例的描述：

第一实施例

图3示意性示出了本发明基于光神经网络3的光栅尺位移测量系统的结构，即光学位移测量器件2为光栅尺时的测量系统的结构，包括：光源1、光学位移测量器件2、光神经网络3、探测器阵列4、以及信号处理器件5。

如图3所示，本实施例中，光源1采用非相干光源、光学位移测量器件2为光栅尺、光神经网络3为空间光调制器31。

该实施例的工作原理与上述本发明的工作原理完全相同，所述光栅尺主要包括标尺光栅211，指示光栅212，当两光栅相对运动时，输出莫尔条纹光信号，通过光神经网络3处理后可直接输出高精度位移信息，无需细分和判向。

第二实施例

图4a示意性地示出了本发明基于光神经网络3的光学干涉位移测量系统的结构，即光学位移测量器件2为光学干涉仪时的测量系统的结构，包括：光源1、光学位移测量器件2、光神经网络3、探测器阵列4、以及信号处理器件5。

如图4a所示，本实施例中，光源1为单频激光、光学位移测量器件2为零差激光干涉仪、光神经网络3为被动光神经网络；其中，所述零差激光干涉仪包括第一分光棱镜221、参考反射镜223、测量反射镜222。

该实施例的工作原理与第一实施例相比，所述的光学位移测量器件2采用光学干涉仪，输出的信号为干涉测量光信号，以获得更高的测量分辨率和精度。

第三实施例

图4b示意性示出了本发明基于光神经网络3的光学干涉位移测量系统的结构，即光学位移测量器件2为光学干涉仪时的测量系统的结构，其包括：光源1、光学位移测量器件2、光神经网络3、探测器阵列4、以及信号处理器件5。

如图4b所示，本实施例中，光源1为单频激光、光学位移测量器件2为零差光栅干涉仪、光神经网络3为被动光神经网络；其中，所述零差光栅干涉仪包括第二分光棱镜231、参考光栅233、测量光栅232。

该实施例的工作原理与第二实施例相比，所述的光学位移测量器件2采用零差光栅干涉仪，除具有更高的测量分辨率和精度外，还可同时输出两个测量光信号，输入光神经网络3并行处理，实现二自由度的同时测量。

上述实施方式中的测量系统及方法系统测量光路短，受环境影响很小，测量系统采用光神经网络3可有效的减少系统零部件体积和数量，提高系统的抗干扰能力和系统集成性，可有效的避免由于相位检测过程对测量精度和动态性能的影响，测量信号易于处理，线性位移的测量分辨率可达纳米级；该系统还具有结构简单，体积小，质量轻，易于安装和布置，应用方便等优点；而且还能够实现多自由度的同时测量；还可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台位移的精密测量中。

以上结合附图对本发明优选实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域普通技术人员在本发明启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明保护范围之内。