CN113137926B - 一种可用于特种工况下的平面测量系统 - Google Patents

Abstract

一种可用于特种工况下的平面测量系统，涉及测量技术领域。包括计算机、固定在机械设备上的二维平面、安装在机械设备运动部件内的速度计、高倍放大显微镜，二维平面与运动部件的运动位移平面平行，高倍放大显微镜的镜头垂直朝向二维平面，且与二维平面保持在聚焦距离，二维平面上铺设有一层随机分布的点光源，计算机分别与高倍放大显微镜和速度计连接；其特征在于：所述高倍放大显微镜采用反射式显微镜或参量非线性式显微镜。本发明提供了反射式和参量非线性式显微镜构型的平面测量系统，不仅可以发挥原平面测量系统的优势，而且可以更加有效地满足特种工况，例如大型或超大型以及高速超精密机械设备的测量需求。

Description

一种可用于特种工况下的平面测量系统

技术领域

本发明涉及大型或超大型机械设备、高速超精密机械设备等特种工况下的测量技术领域，具体为一种可用于特种工况下的平面测量系统。

背景技术

一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：201811479156.7）公开了一种为精密和超精密机械设备提供一种高精度的平面位置位移测量手段的方案。用于线性位移测量时，可同时给出测量平面内直线度误差和Abbe误差的高精度测量值。因此，该测量系统不仅为精密和超精密的机械设备提供了一种实时的位置位移反馈补偿手段，而且使采用了该测量系统的精密和超精密机械设备能够在线地更新机械设备的三维体误差补偿系数。

为了在纳米级的精度上维持一定的信噪比。上述高精度二维平面位移测量系统采用的是荧光式或透射式的显微镜构型，虽然以这两种显微镜构型为基础的平面测量系统可以适用于大多数的精密和超精密机械设备，但是，当被运用在大型或超大型机械设备时，这种高精度二维平面位移测量系统的显微镜构型存在着一些明显的不足之处，而使其不限量程的优势无法在大型或超大型机械设备的运用中得到充分发挥。相较于常规的机械设备，大型或超大型的机械设备运动部件的位移范围要大得多，同时，为了维持在一个较高的加工效率水平，运动部件的位移速率也会保持在一个尽可能高的范围之内，因此，就对装配于其中的位置位移测量系统的量程和最高可支持速率都提出了比较严格的要求。而上述高精度二维平面位移测量系统的二种显微镜构型，荧光式的方案由于受荧光发光效率和发光弛豫时间的限制，无法应用到移动速度较高的机械设备之中，透射式方案的每个点光源片本身都需要配有LED照明，在大尺度的二维平面上铺设需要LED照明的点光源片不仅造价较高而且会涉及繁琐的LED照明线路的铺设，更进一步地，这些点光源还要满足时间同步的条件并需要连接到装配在运动部件侧的微处理器上。通常情况下与大位移范围相匹配，大型或超大型机械设备为了保持在一个合理的位移精度位移范围比上，因此对位移精度的要求并不高，一般在数个微米或数十个微米范围之内，尺寸大于一般常规显微镜的分辨率。所以，在大型或超大型机械设备的位置位移测量中，可以使用分辨率相对较低、但结构更加简单的反射式显微镜来构造上述高精度二维平面位移测量系统。

另外，对于高速超精密的机械设备，这类机械设备不仅对位置位移的测量精度有极高的要求，而且自身运行的速度也非常地高。但是，受限于可达的精度范围，透射式显微镜构型以及上述反射式显微镜构型无法运用在超精密的机械设备之中；而能够提供极高精度的荧光式显微镜构型，受限于荧光发光过程中的发光效率、稳定性不足以及发光弛豫时间较长无法应用于高速的机械设备中。所以，以上这些显微镜构型的二维平面位移测量系统都无法很好地应用在高速超精密的机械设备之中。而参量非线性式显微镜可以使用非线性纳米粒子作为点光源，发光过程为瞬态过程，且不存在背景光的干扰，可以克服以上显微镜构型的不足，因此，以参量非线性显微镜为构型的二维平面位移测量系统可以很好地满足高速超精密机械设备的测量需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于特种工况下的平面测量系统，基于反射式显微镜或或参量非线性式显微镜的光源可以集成在显微镜侧一同固定于机械设备的运动部件内，在二维平面上铺设点光源无需涉及任何电子电路，这样反射式显微镜的二维平面测量系统被运用在大型或超大型机械设备中时，不仅可以满足性能要求，而且可以大大降低测量系统的制造，装配和维护成本；另外，参量非线性式显微镜的平面测量系统可以使用非线性纳米粒子作为点光源，且发光过程为瞬态过程，能够使平面测量系统在精度和速度两个维度上同时工作在极限状态，因此，以上两种显微镜构型的二维平面位移测量系统可以有效解决背景技术中的问题。

实现上述目的的技术方案是：一种可用于特种工况下的平面测量系统，包括计算机、固定在机械设备上的二维平面、安装在机械设备运动部件内的速度计、高倍放大显微镜，二维平面与运动部件的运动位移平面平行，高倍放大显微镜的镜头垂直朝向二维平面，且与二维平面保持在聚焦距离，二维平面上铺设有一层随机分布的点光源，计算机分别与高倍放大显微镜和速度计连接；其特征在于：所述高倍放大显微镜采用反射式显微镜或参量非线性式显微镜。

进一步地，所述高倍放大显微镜采用反射式显微镜，二维平面上铺设的点光源采用反射式结构点。

进一步地，所述高倍放大显微镜为垂直入射的反射式显微镜，所述垂直入射的反射式显微镜包括第一光源、第一透镜组、第一45°分光镜、第一高倍放大显微物镜、第一成像曝光控制单元，第一透镜组、第一45°分光镜、第一高倍放大显微物镜依次设置在第一光源的射出方向上，第一光源的输出光线经第一透镜组、第一45°分光镜、第一高倍放大显微物镜形成平行光垂直射向二维平面上铺设的点光源，第一成像曝光控制单元设置在第一45°分光镜的折射方向上。

进一步地，所述高倍放大显微镜为侧边入射的反射式显微镜，所述侧边入射的反射式显微镜包括第二光源，第二透镜组，第二高倍放大显微物镜， 第一45°反光镜，第二成像曝光控制单元，第二光源的输出光线倾斜射向二维平面上铺设的点光源，第二透镜组设置在第二光源与二维平面上铺设的点光源之间，第二光源输出的光线经第二透镜组照射在二维平面上铺设的点光源上形成散射光，第一45°反光镜设置在第二高倍放大显微物镜背侧的光轴线上，第二成像曝光控制单元设置在第一45°反光镜的反射方向上。

进一步地，所述第一光源和第二光源采用LED或激光光源，所述激光光源包括脉冲激光器，光脉冲探测器，第二45°分光镜和挡光器，第二45°分光镜和挡光器依次设置在脉冲激光器的光线输出方向上，光脉冲探测器设置在第二45°分光镜的反射方向上。

进一步地，所述成像曝光控制单元采用双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元；所述单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元包括第二成像透镜，第三相机和第二微处理器，第三相机设置在第二成像透镜的像平面上，第二微处理器与第三相机连接。

进一步地，二维平面上反射式结构点的几何结构采用几何图形或几何图形的组合。

进一步地，二维平面上反射式结构点的分布采用的规则是二维平面上各个需要被标识域内任何一个点光源根据其自身平面几何结构以及与邻近点光源之间的几何关系都可被唯一辨识，几何关系包括：长度、角度、点光源邻近区域内包含的反射式结构点的数量、密度以及各类型反射式结构点的比例。

进一步地，所述高倍放大显微镜采用的参量非线性式显微镜为垂直入射的参量非线性式显微镜或侧边入射的参量非线性式显微镜，二维平面上铺设的点光源采用非线性纳米粒子。

进一步地，所述垂直入射的参量非线性显微镜包括带有挡光器的脉冲激光光源、第三透镜组、入射光透射激发光反射的45°滤镜、第三高倍放大显微物镜、成像滤镜、第三成像曝光控制单元，第三透镜组、入射光透射激发光反射的45°滤镜、第三高倍放大显微物镜依次设置在带有挡光器的脉冲激光光源的光线照射方向上，成像滤镜、第三成像曝光控制单元依次设置在入射光透射激发光反射的45°滤镜的折射方向上。

以上反射式显微镜虽然简化了整个平面测量系统的布局、装配和维护过程，但受限于可达到的精度范围，无法应用到精密以及超精密的机械设备中，参量非线性式显微镜可以使用非线性纳米粒子作为点光源，并且具有发光过程为瞬态过程，不受背景光干扰的优点，因此参量非线性式显微镜构型的二维平面位移测量系统可以很好地满足高速超精密机械设备的位置位移测量需求。

本发明的有益效果：

大型化、高速化、精密化作为高端装备的三个重要发展方向，随着装备的发展，同时也对装配于其中保证位置位移精度的测量系统提出了更加严苛的要求，本发明针对一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：20181147916.7）中存在的不足，提供了反射式和参量非线性式显微镜构型的平面测量系统，不仅可以发挥原平面测量系统的优势，而且可以更加有效地满足特种工况，例如大型或超大型以及高速超精密机械设备的测量需求。

本发明的测量系统不仅可以运用于平面上的位置位移测量，而且还可以运用在其他部件的位置位移测量之中。例如，用于实时地测量机床主轴的轴向形变误差。本发明在使用时，在机床主轴的支撑件上安装反射式显微镜或参量非线性式显微镜构型的平面测量系统，将点光源铺设在主轴的表面上，虽然主轴本身有非常高的转速和切向速度，但如果显微镜中光源使用的是光脉冲，在单个光脉冲照射在主轴旋转表面这个时间段内，主轴可以被认为是静止的。以主轴的线速度为200m/s，脉冲光的宽度为10PS为例，脉冲光照射在主轴旋转表面这个时间段内，主轴沿切向只移动了2nm，所以，反射式或参量非线性式的显微镜可以拍摄到静止的旋转表面上的点分布的图像。需要指出的是，如果使用的是反射式显微镜的平面测量系统，因为只需要测量主轴的轴向形变，而轴的形变是个较为缓慢的过程，所以可以尽量缩小旋转平面上反射结构点的尺寸，只需图像能够提供足够的信噪比供数据拟合使用，因此仅使用反射式的平面测量系统，就可以实时地测量出达纳米精度的主轴轴向误差。

附图说明

图1为本发明第一实施例的系统原理图；

图2为第一实施例中垂直入射的反射式显微镜的系统原理图；

图3为双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的系统原理图；

图4为单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的系统原理图：

图5为激光光源的系统原理图；

图6为侧边入射的反射式显微镜的系统原理图；

图7为三角形点图像的示意图；

图8为垂直入射的参量非线性式显微镜的系统原理图；

图9为侧边入射的参量非线性式显微镜的系统原理图。

具体实施方式

第一实施例

如图1所示，本发明公开了一种可用于特种工况下的平面测量系统，包括计算机60、固定在机械设备上的二维平面5、安装在机械设备运动部件62内的速度计63、高倍放大显微镜64，二维平面5与运动部件62的运动位移平面平行，高倍放大显微镜64的镜头垂直朝向二维平面5，且与二维平面5保持在聚焦距离，二维平面5上铺设有一层随机分布的点光源61，计算机60分别与高倍放大显微镜64和速度计63连接。

如图2所示高倍放大显微镜为垂直入射的反射式显微镜，具体包括第一光源1、第一透镜组2、第一45°分光镜3、第一高倍放大显微物镜4、第一成像曝光控制单元6，第一光源1的光线依次经过第一透镜组2、第一45°分光镜3、高倍放大显微物镜4后垂直射向二维平面5上铺设的点光源61，二维平面5上铺设的点光源61采用反射式结构点，第一成像曝光控制单元6设置在第一45°分光镜3的折射方向上。

垂直入射的反射式显微镜的原理为：第一光源1发出的光穿过第一透镜组2和第一45°分光镜3被聚焦在第一高倍放大显微物镜4的背聚焦平面上，然后穿过第一高倍放大显微物镜4形成平行光照射在二维平面5的的反射结构点上，由反射式结构点反射/散射回的光以及二维平面5的本身反射回的光被第一高倍放大显微物镜4收集后，被第一45°分光镜3反射的部分沿水平方向传播，在第一成像曝光控制单元6中成像，形成二维平面5上反射式结构点的图像。图像对比度来自于拥有高反射率的反射式结构点，但如果反射式结构点尺寸过小可能也会因为发射/散射的光强太小而被淹没在二维平面5的背景光中。所以，为了使图像的信噪比维持在一定的水平上，反射结构点的尺寸一般要保证在第一高倍放大显微物镜4的分辨率以上。

垂直入射的反射式显微镜的优点在于：固定在机械设备上的二维平面5只需要铺设有密度适中的随机分布的高反射率结构点作为反射式点光源即可，在二维平面5上铺设反射式点光源无需涉及任何电子电路。

作为本实施例的进一步说明，起到聚焦作用的第一透镜组2可采用公知技术实现，例如，凸透镜构型。

作为本实施例的进一步说明，第一成像曝光控制单元6可以采用单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元或双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元，如图3所示，双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元包括第一成像透镜7、第三 45°分光镜8、第一相机9、第二相机10和第一微处理器11，第三 45°分光镜8的分光比值为50:50，第一成像透镜7、第二45°分光镜8、第一相机9依次设置在第一45°分光镜3的折射方向上，第二相机10设置在第三45°分光镜8的折射方向上，第一微处理器11与第一相机9、第二相机10、第一光源1以及计算机6连接，双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元6的成像原理、曝光控制以及图像采集数据分析步骤与一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：20181147916.7）中公开的双相机单帧多次曝光高倍放大透射式显微镜的成像曝光控制单元相同。

如图4所示，单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元包括：第二成像透镜12、第三相机13和第二微处理器14，第二成像透镜12、第三相机13依次设置在第一45°分光镜3的折射方向上，第二微处理器14分别与第三相机13、第一光源1、计算机6连接。在单相机模式下，控制步骤也较为简单：第三相机13应连续采集图像，第二微处理器14需要保证下述两个要求：1）相邻两次曝光如果出现在同一帧中，两次曝光之间运动部件至少移动一个如专利名称：一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：201811479156.7）的说明书[ 0085]段公开的最小距离330um；2）单帧图像至少有一次曝光。

双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元虽然可以保证测量过程中任意时刻的曝光都可以被第一相机9或第二相机10采集到，但因涉及两个相机，这不仅增加了测量系统的复杂性，而且也提高了测量系统的制造成本；当机械设备不具备特别高的瞬时曝光速度时，可以采用单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元，前提是：单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第三相机13在前后相邻两帧之间这段无法采集图像的时间内，机械设备移动的距离应该小于显微镜的视场范围的一半。以第三相机13前后两帧的时间间隔为100us，视场为2mm举例，则机械设备的最高瞬时速率应小于2mm/（2*100us）=10m/s，相较于现行机械设备中运动部件的移动速率，这是一个相当温和的限制。

作为实施例的进一步说明，第一光源1可采用LED或激光光源，当光源采用LED时，LED的控制电路通过双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第一微处理器11或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第二微处理器14实现单帧成像时间内的多次瞬时曝光，其中LED的控制电路可以但不限于采用不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：201811479156.7）中公开的控制电路。

如5所示，若采用激光光源时，激光光源的构型如下：包括脉冲激光器15、光脉冲探测器16、第二45°分光镜17和挡光器18，第二45°分光镜17和挡光器18依次设置在脉冲激光器15的光传播方向上，光脉冲探测器16设置在第二45°分光镜17的折射方向上，所述脉冲激光器15采用纳秒、皮秒或飞秒的脉冲激光器，以上光脉冲探测器16和挡光器18与双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第一微处理器11或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第二微处理器14连接，通过第一微处理器11或第二微处理器14控制光脉冲探测器16和挡光器18动作实现单脉冲瞬时曝光，挡光器18和光脉冲探测器16的作用是：当平面测量系统需要曝光一次时，挡光器18和光脉冲探测器16容许单个激光脉冲通过，实现对二维平面5上的反射结构点的单次曝光，光脉冲探测器16用于探测脉冲激光器15发出脉冲光的时刻点，可由光电二极管构成。

激光光源的具体原理为：脉冲激光器15沿光传播方向通过第二45°分光镜17射在挡光器18上，第二45°分光镜17分出少量的光，并将光沿与原光传播相垂直的方向射向光脉冲探测器16。挡光器18处在关闭状态时，光脉冲无法通过挡光器18传播出去；挡光器18处在打开状态时，光脉冲可以通过挡光器18传播出去。当光脉冲探测器16探测到光脉冲时，信号会同步传输到双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第一微处理器11或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第二微处理器14中。受双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第一微处理器11或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第二微处理器14控制的挡光器18可处于打开或关闭状态，当双相机单帧多次曝光成像单元的第一微处理器11或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第二微处理器14向挡光器18输入信号时，挡光器18打开，容许光脉冲通过，当双相机单帧多次曝光成像单元的第一微处理器11或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元的第二微处理器14没有向挡光器18送人信号时，挡光器18处于关闭状态；光脉冲被挡光器18挡住，无法传播出去。

第一微处理器11或第二微处理器14实现单脉冲曝光的具体步骤如下：当平面测量系统需要曝光一次时，第一微处理器11或第二微处理器14首先通过光脉冲探测器16确保当前时刻脉冲激光器15没有发出脉冲，然后向挡光器18发出信号，打开挡光器18，容许脉冲光通过。接着，当第一微处理器11或第二微处理器14通过光脉冲探测器16接收到一个光脉冲信号后，即一个激光脉冲通过了挡光器18对平面测量系统中的二维平面实现了一次单脉冲曝光之后，第一微处理器11或第二微处理器14断开向挡光器18发出的信号，关闭挡光器18，完成对二维平面的单次单脉冲曝光。

挡光器18除了可以由一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：20181147916.7）中公开的电光调制技术实现以外，因为只需要工作在数千个赫兹的范围内，还可通过多种公知技术实现，例如：机械调制、光纤调制等。另外，关于脉冲激光器15，除了需要满足单个激光脉冲有足够的曝光光照量以外，还有一定脉冲重复频率（repetitionrate）的要求。脉冲重复频率需要保证相邻两个脉冲时间间隔内，机械设备运动部件的移动距离应小于高倍放大显微物镜4视场的一半。以重复频率为10KHZ，高倍放大显微物镜4的视场为2mm举例，以上条件要求机械设备在任意100us的时间间隔内移动的距离要≤1mm，或者机械设备的瞬时速率要＜10m/s，如上所述，这是一个非常温和的限制，如果机械设备的瞬时速率超过上述值，则相应地，在平面测量系统中需要选择重复频率更高的脉冲激光器15。

使用脉冲激光器15作为反射式平面测量系统光源的好处是：这样可以使平面测量系统应用到具有极高瞬时速度的机械设备之中。以激光器脉冲的宽度为100ps，平面测量系统需要提供的精度为100nm举例，测量系统可以支持的最高瞬时速度达100ps/100nm=10³m/s。

需要补充说明的是，如果激光光源本身为可以提供脉冲发射信号的脉冲激光器，那么在使用这类激光光源的条件下，无需使用到第二45°分光镜17和脉冲探测器16，第一微处理器11或第二微处理器14可以直接连接到脉冲激光器上相应的端口以及挡光器18即可完成脉冲曝光。

第二实施例

如图6所示，本实施例提供一种侧边入射的反射式显微镜代替第一实施例中公开垂直入射的反射式显微镜构型，侧边入射的反射式显微镜包括第二光源20，第二透镜组21，第二高倍放大显微物镜22、 第一45°反光镜19、第二成像曝光控制单元23，第二光源20的输出光线倾斜射向二维平面24上铺设的点光源，第二透镜组21设置在第二光源20与二维平面24上铺设的点光源之间，第二高倍放大显微物镜22垂直朝向二维平面24且与二维平面24保持聚焦距离，第一

45°反光镜19设置在第二高倍放大显微物镜22背侧的光轴线上，第二成像曝光控制单元23设置在第一45°反光镜19的反射方向上，第二光源20输出的光线经第二透镜组21照射在二维平面24上铺设的点光源上、并且光线在二维平面24的照射区域覆盖第二高倍放大显微物镜22的视场范围。

具体原理：第二光源20发出的光经第二透镜组21被整形成一条合适大小的光束，从侧面射向平面测量系统中带有反射式结构点的二维平面24，照射区域应覆盖第二高倍放大显微物镜22的视场范围，二维平面24上反射结构点散射的光被第二高倍放大显微物镜22收集后经第一45°反光镜19在第二成像曝光控制单元23上形成反射结构点的分布图像。此处，第二成像曝光控制单元23可直接采用一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：201811479156.7）中公开的透射式显微镜中的双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元，第二光源20同样采用如第一光源的LED或激光光源，起到整束作用的第二透镜组21可采用公知技术实现，例如，凸透镜构型。

侧边入射的优点是：平面测量系统中二维平面24本身的反射光会从第二高倍放大显微物镜22的另一侧传播出去，除了少量的散射光之外，绝大多数的二维平面24的反射光并不会进入到第二高倍放大显微物镜22中，从而可以极大地减少基底背景光对信号的干扰。另外，需要指出的是，从第二光源20发出经第二透镜组21生成的光束与二维平面24垂线之间的夹角要小于30°，从而可以满足在单/双相机单帧多次曝光式的平面测量系统中光脉冲应对二维平面上显微镜焦平面范围之内的区域同步曝光的条件。

第三实施例

第三实施例与第二实施例的区别在于：二维平面上的点光源通过利用计算机数值模拟生成符合要求的分布形式，例如利用蒙特卡洛逐步填充得到分布。二维平面上点光源的具体分布应满足的要求为：二维平面上各个可标识区域内的任何一点根据其自身结构以及邻近点之间的几何关系都可被唯一辨识，几何关系包括：长度、角度、点光源邻近区域内包含的反射式结构点的数量、密度以及各类型反射式结构点的比例。

利用计算机数值模拟生成符合要求的分布形式的优点是：二维平面上每个点与周围邻近点之间的空间关系在数值模拟阶段就已经确定下来了，由此可以为实际平面测量系统中的二维平面在计算机中提前建立一个精确的查找表。在测量过程中，由相机拍摄到的点光源局部分布图像可以用个查找表非常便捷地对应到实际二维平面上的具体位置。所以，有别于一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：201811479156.7）中对二维平面上点光源分布的要求。

第四实施例

第四实施例与第三实施例的区别在于：二维平面上的点采用几何图形或几何图形的组合，几何图形可以是正多边形、长方形、五角星形等。

1）使用这些几何图形或几何图形组合的优点是：各个点的尺寸因为可以显著地大于显微镜系统的分辨率，在点的尺寸可以满足测量分辨率精度要求的条件下大的尺寸能更加有效地散射光线，提高采集到图像的信噪比。

2）各个点本身可以包含准确的方向信息，因此可以从各个图形点之间的方向关系，结合平面运动公式，得到更加准确的运动部件的旋转信息，实时地计算出设备的三维体误差系数。

3）借助计算机图形学技术，可以更加简捷地估算出各个点光源的中心位置和结构取向，从而能够有效地降低中心和旋转方向拟合误差以及累积误差的计算负荷。

如图7所示，下面以正三角形为例，在所拍摄到图像内的各个等边三角形点中，信号光强减弱最快的方向在三角形三个顶角角平分线向外的延长线上，在图7中，由箭头方向表示出来，而等边三角形三个顶点的角平分线的交点为三角形的中心。所以，利用以上原理，基于计算机图形学中的梯度算法对拍摄到的图像进行数据分析，就可以同时准确地得到每个等边三角形图形点的中心位置以及在二维图像上的取向，进而可以得到运动部件平动和旋转的高精度测量值。

在二维平面上的构造、铺设上述可用于反射式平面测量系统中的反射式结构点可以采用以下两种方式：

一、直接铺设法，具体步骤为：

1）首先在二维平面的表面覆盖一层吸光材料，吸光材料可以选择，例如，吸光染料分子，碳粒子，黑色吸光金属膜等。

2）然后，将浓度在nm（n为10^-9，m为浓度单位mol/l）的高反射率微米尺寸的粒子，例如，铝、银、金等粒子，喷洒在二维平面上，待溶液挥发之后，二维平面上就形成了一层密度适中随机分布的高反射率粒子作为反射式点光源。

二、蚀刻法，例如光刻法，电子束蚀刻法等，具体步骤为：

1）首先，在玻璃、石英等片状基底材料上镀上一层与方式一的步骤1）中类似的吸光层。

2）然后，在吸光层的上面形成反光结构点，反光结构点的形状和分布可根据实际测量需求和数值模拟结果首先制得掩膜板，然后依据掩膜板，利用标准的蚀刻技术制成相应分布的反光结构点，反光材料同样可以选择铝、银、金等。

3）将基底板铺设在平面测量系统的二维平面上，即可在整个二维平面上制

成点结构和分布都已知的，且各个点都有独特标识的反射式点光源分布。

以上两种方式中，直接铺设法成本低，制作过程简单，但只能形成随机分布的点光源形式无法形成第三实施例中反射式点光源的结构和分布，而蚀刻法，虽然成本相对较高，但可以精确地控制点本身的结构以及点之间的相对位置关系，所以在实际的平面测量系统中，蚀刻法应为优先选择的方案。

第五实施例

如图8所示，本实施例采用参量非线性显微镜代替第一实施例中的反射式显微镜，反射式显微镜虽然简化了整个平面测量系统的布局、装配和维护过程，但受限于可达到的精度范围，无法应用到超精密的机械设备中，同样，透射式的显微镜受限于可达到的精度范围也无法应用到超精密的机械设备中。能够提供极高精度的荧光式显微镜，受限于荧光发光过程中发光效率不高、稳定性的不足，以及发光弛豫时间较长，所以无法应用到高速的机械设备中。

进一步地，为配合参量非线性显微镜，本实施例中二维平面31上的点光源为非线性纳米粒子。

本实施例提供了一种基于参量非线性过程的参量非线性式显微镜方案，具体地为垂直入射的参量非线性式显微镜，用以克服以上显微镜中存在的问题，从而使平面测量系统可以在精度和速度范围这两个维度上同时工作在极限状态。

参量非线性过程（parametric nonlinear process）为瞬态过程，发光强度稳定，正比于非线性系数和入射光强的幂次方，且不存在入射背景光的干扰。一般，在显微镜系统中使用的参量非线性过程为二阶或三阶的参量非线性过程，例如，二阶谐波过程（SecondHarmonic Generation），三阶谐波过程（Third Harmonic Generation），四波混频（FourWave Mixing）等。

垂直入射的参量非线性式显微镜包括带有挡光器的第一脉冲激光光源25、第三透镜组26、入射光透射激发光反射的第一45°滤镜27、第三高倍放大显微物镜28、第一成像滤镜29、第三成像曝光控制单元30，第三透镜组26、入射光透射激发光反射的45°滤镜27、第三高倍放大显微物镜28依次设置在脉冲激光光源25的光线传播方向上，成像滤镜29、第三成像曝光控制单元30依次设置在入射光透射激发光反射的45°滤镜27的折射方向上，带有挡光器的脉冲激光光源25的光线依次经过第三透镜组26、入射光透射激发光反射的45°滤镜27、第三高倍放大显微物镜28后垂直射向分布有非线性纳米粒子的二维平面31上。

带有挡光器的脉冲激光光源25采用图5中的光源结构，即测量系统需要曝光时，挡光器容许单个或单组脉冲通过。当在参量非线性显微镜中用到的非线性过程需要用到多束激光脉冲时，图5中的脉冲激光器15由参量非线性显微镜成像过程需要用到的激光器组代替，激光器组发出的光束可由45°滤镜合并共线后射向第二45°分光镜17和挡光器18，激光器组各激光器发出的相位也应同步，从而可以在二维平面31的非线性粒子上产生非线性作用。第一成像滤镜29为非线性发射光透镜，其它波段光反射的带通滤镜。第三成像曝光控制单元30为双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元，同样，在机械设备的移动速度不会过高的情况下，第三成像曝光控制单元30可采用图4所示的单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元，第三透镜组26可采用公知技术实现，例如，凸透镜构型。

垂直入射的参量非线性式显微镜的具体工作原理是：带有挡光器的第一脉冲光源25发出的光经过第三透镜组26和入射光透射激发光反射的第一45°滤镜27后，聚焦在高倍放大显微物镜28的背聚焦平面上，穿过高倍放大显微物镜28以平行光束的形式照射在分布有非线性纳米粒子的二维平31上，激发出的非线性发射光被第三高倍放大显微物镜28收集后，经发射光透射激发光反射的第一45°滤镜27反射后沿水平方向进入第一成像滤镜29，被进一步地滤去除激发光之外其它波段的光波之后进入第三成像曝光控制单元30，在第三成像曝光控制单元30的相机上形成非线性纳米颗粒的分布图像。图像采集和数据分析步骤采用一种不限量程的高精度二维平面位移测量系统（专利号：20181147916.7）和上述反射式显微镜中提供的方案。

在二维平面31上制作非线性纳米粒子点的过程类似于制作反射式结构点的方式。有所不同的是，在非线性点的制作过程中，不需要首先铺设上吸光层。与入射光产生非线性作用的材料可以从非线性系数高的材料中选择，例如， BBO晶体、KDP晶体、（硅）SI等。

当用这些材料制成的纳米颗粒的大小在数个纳米范围之内时，测量系统的精度同样可达到数个纳米。结合激光脉冲本身可以提供超短的曝光时间，所以，采用参量非线性式显微镜的平面测量系统可以在精度和速度二个维度上提供极限性能。当然，需要指出的是当非线性纳米粒子的尺寸过小时，非线性作用产生的光会微弱到无法探测的程度，这个问题可以从提高入射光光强，采用超短脉冲激光器、调控非线性纳米粒子的能级结构生成超高的非线性系数等方式来解决，另外，基底材料可以选用例如，玻璃、石英等非线性系数低的材料制成。当高倍放大显微物镜使用高数值孔径（例如NA=1.42)的物镜时，高倍放大显微物镜与非线纳米粒子之间的空气间隔应由折射率匹配的介质油填充。

进一步地，在二维平面本身因非线性作用产生的背景光对非线性纳米粒子的信号光产生较大影响的时候，参量非线性式显微镜可以采用图9所述的侧边入射的方式得以解决，侧边入射的参量非线性式显微镜包括带有挡光器的第二脉冲激光光源41、第四透镜组42、入射光透射激发光反射的第二45°滤镜43、第四高倍放大显微物镜44、第二成像滤镜45、第四成像曝光控制单元46，第二脉冲激光光源41的输出光线倾斜射向二维平面31上铺设的非线性纳米粒子，第四透镜组42设置在第二脉冲激光光源41与二维平面31上铺设的非线性纳米粒子之间，第四高倍放大显微物镜44垂直朝向二维平面31且与二维平面31保持聚焦距离，入射光透射激发光反射的第二45°滤镜43设置在第四高倍放大显微物镜44背侧的光轴线上，第二成像滤镜45、第四成像曝光控制单元46依次设置在入射光透射激发光反射的第二45°滤镜43的折射方向上。

侧边入射的参量非线性式显微镜的工作原理与垂直入射的参量非线性式显微镜类似，第二脉冲激光光源41激发出的非线性反射光被第四高倍放大显微物镜44收集后，经第二45°滤镜43折射后透过成像滤镜，在第四成像曝光控制单元46上形成非线性纳米颗粒的分布图像。

侧边入射的参量非线性式显微镜根据相位匹配的要求，可以控制二维平面本身的非线性激发光从显微镜的另一侧射出，而纳米粒子本身因不需要考虑相位匹配的问题，所以发出的光可以被显微镜收集到。因此，与上述反射式显微镜中相同，侧入式的方式可以极大地缓解背景光对信号光的干扰。综上所述，本发明针对原专利平面测量系统的不足，提供了基于反射式或参量非线性式显微镜的平面测量系统的方案，用于特种工况中，从而可以有效地扩展原专利平面测量系统的应用范围。

具体地，1）反射式的平面测量系统，装配工序简单，维护方便，可使用标准的图像处理算法进行数据处理，非常适用于大型或超大型机床这类测量范围大，但对绝对测量精度要求不是特别高的机械设备。

2）参量非线性式的平面测量系统虽然需要用到价格昂贵的超短脉冲激光器，但因为可以从精度和速度范围这两个维度上达到平面测量的性能极限，所以会为高速高精度高附加值机械设备位置位移误差补偿提供一个有效的测量手段。

Claims (9)

1.一种可用于特种工况下的平面测量系统，包括计算机、固定在机械设备上的二维平面、安装在机械设备运动部件内的速度计、高倍放大显微镜，二维平面与运动部件的运动位移平面平行，高倍放大显微镜的镜头垂直朝向二维平面，且与二维平面保持在聚焦距离，二维平面上铺设有一层随机分布的点光源，计算机分别与高倍放大显微镜和速度计连接；其特征在于：所述高倍放大显微镜采用反射式显微镜或参量非线性式显微镜；

所述高倍放大显微镜采用反射式显微镜时，反射式显微镜为垂直入射的反射式显微镜或侧边入射的反射式显微镜，二维平面上铺设的点光源采用反射式结构点，设置在反射式显微镜上的光源对二维平面上铺设的反射式结构点进行照射，反射式结构点反射/散射回光源对反射式结构点的照射光，反射/散射回的照射光在反射式显微镜的相机上形成反射式结构点的图像；

所述高倍放大显微镜采用参量非线性式显微镜时，参量非线性式显微镜为垂直入射的参量非线性式显微镜或侧边入射的参量非线性式显微镜，二维平面上铺设的点光源采用非线性纳米粒子，设置在非线性式显微镜上的脉冲激光光源以平行光束的形式照射在二维平面上铺设的非线性纳米粒子，在非线性纳米粒子上激发出的非线性发射光，非线性发射光在参量非线性式显微镜的相机上形成非线性纳米粒子的图像。

2.根据权利要求1所述的一种可用于特种工况下的平面测量系统，其特征在于：所述高倍放大显微镜为垂直入射的反射式显微镜，所述垂直入射的反射式显微镜包括第一光源、第一透镜组、第一45°分光镜、第一高倍放大显微物镜、第一成像曝光控制单元，第一透镜组、第一45°分光镜、第一高倍放大显微物镜依次设置在第一光源的射出方向上，第一光源的输出光线经第一透镜组、第一45°分光镜、第一高倍放大显微物镜形成平行光垂直射向二维平面上铺设的点光源，第一成像曝光控制单元设置在第一45°分光镜的折射方向上。

3.根据权利要求1所述的一种可用于特种工况下的平面测量系统，其特征在于：所述高倍放大显微镜为侧边入射的反射式显微镜，所述侧边入射的反射式显微镜包括第二光源，第二透镜组，第二高倍放大显微物镜，第一45°反光镜，第二成像曝光控制单元，第二光源的输出光线倾斜射向二维平面上铺设的点光源，第二透镜组设置在第二光源与二维平面上铺设的点光源之间，第二光源输出的光线经第二透镜组照射在二维平面上铺设的点光源上形成散射光，第一45°反光镜设置在第二高倍放大显微物镜背侧的光轴线上，第二成像曝光控制单元设置在第一45°反光镜的反射方向上。

4.根据权利要求2所述的一种可用于特种工况下的平面测量系统，其特征在于：所述第一光源采用LED或激光光源，所述激光光源包括脉冲激光器，光脉冲探测器，第二45°分光镜和挡光器，第二45°分光镜和挡光器依次设置在脉冲激光器的光线输出方向上，光脉冲探测器设置在第二45°分光镜的折射方向上。

5.根据权利要求3所述的一种可用于特种工况下的平面测量系统，其特征在于：所述第二光源采用LED或激光光源，所述激光光源包括脉冲激光器，光脉冲探测器，第二45°分光镜和挡光器，第二45°分光镜和挡光器依次设置在脉冲激光器的光线输出方向上，光脉冲探测器设置在第二45°分光镜的折射方向上。

6.根据权利要求2或3所述的一种可用于特种工况下的平面测量系统，其特征在于：所述成像曝光控制单元采用双相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元或单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元；所述单相机单帧多次曝光的成像曝光控制单元包括第二成像透镜，第三相机和第二微处理器，第三相机设置在第二成像透镜的像平面上，第二微处理器与第三相机连接。

7.根据权利要求1所述的一种可用于特种工况下的平面测量系统，其特征在于:二维平面上反射式结构点的几何结构采用几何图形或几何图形的组合。

8.根据权利要求1所述的一种可用于特种工况下的平面测量系统，其特征在于:二维平面上反射式结构点的分布采用的规则是二维平面上各个需要被标识域内任何一个点光源根据其自身平面几何结构以及与邻近点光源之间的几何关系都可被唯一辨识，几何关系包括：长度、角度、点光源邻近区域内包含的反射式结构点的数量、密度以及各类型反射式结构点的比例。

9.根据权利要求1所述的一种可用于特种工况下的平面测量系统，其特征在于：所述垂直入射的参量非线性显微镜包括带有挡光器的脉冲激光光源、第三透镜组、入射光透射激发光反射的45°滤镜、第三高倍放大显微物镜、成像滤镜、第三成像曝光控制单元，第三透镜组、入射光透射激发光反射的45°滤镜、第三高倍放大显微物镜依次设置在带有挡光器的脉冲激光光源的光线照射方向上，成像滤镜、第三成像曝光控制单元依次设置在入射光透射激发光反射的45°滤镜的折射方向上。

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