一种亚微米级的平面二维位移测量方法及实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种亚微米级的平面二维位移测量方法及实验装置，涉及光学精密测量领域，其实现方法包括：将数据集按照3：1的比例随机划分训练集与测试集；建立位移预测模型，以衍射图像为输入，位移量为输出，将训练集数据输入至模型进行训练；训练结束后，将未参加训练的测试集衍射图像输入到训练完成的位移预测模型，得到衍射图像对应的平面二维位移量。其中所需数据集通过一种亚微米级的平面二维位移测量实验装置获得。本发明专利技术通过菲涅尔圆孔衍射中衍射图像与圆孔位置之间的映射关系，利用卷积神经网络建立衍射图像与圆孔位置的位移量之间的非线性映射模型，根据当前位置下衍射图像预测出对应圆孔的位移量，实现亚微米级精度的平面二维位移测量。该方法原理新颖，对环境依赖性低，测量精度高，且实验装置结构简单，操作简便。操作简便。操作简便。

【技术实现步骤摘要】
一种亚微米级的平面二维位移测量方法及实验装置


[0001]本专利技术属于光学精密测量领域，具体涉及一种亚微米级的平面二维位移测量方法及实验装置。

技术介绍

[0002]精密定位技术是精密加工、装备制造等领域的关键共性技术，而精密位移测量技术是精密定位的基础，对于人类科技发展，工业制造的升级有着重要意义。经过近些年的发展，光学精密位移测量技术已经逐渐占据精密位移测量领域的主导地位。
[0003]目前的光学精密测量技术主要有激光干涉测量、光栅位移测量、激光衍射测量等，而现有的光学精密位移测量方法易受环境影响、成本较高、结构复杂等因素限制。激光衍射测量技术是一种利用激光衍射条纹进行精密测量的方法，现已逐步发展成为一种专门的精密测量技术学科。但是大部分学者利用衍射进行测量是通过对衍射现象中的条纹间距进行测量来计算出发生衍射的障碍物或者缝隙的尺寸而忽视了衍射图像所包含的光学特征与衍射物体位置之间的关系，且此方法受到条纹距离测量准确性的限制，使得精度难以突破微米级。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种亚微米级的平面二维位移测量方法及实验装置，对菲涅尔圆孔衍射中衍射图像与圆孔位置建立非线性映射模型，通过衍射图像的非线性识别得到圆孔位置的变化量从而实现位移测量，该方法能够实现亚微米级精度的平面二维位移测量，且该方法原理新颖，成本较低，测量精度高，装置操作简便。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种亚微米级的平面二维位移测量方法，其特征如下：
[0007]将数据集按照3：1的比例随机划分训练集与测试集；
[0008]建立位移预测模型，以衍射图像为输入，位移量为输出，将训练集数据输入至模型进行训练；所述位移预测模型是根据菲涅尔圆孔衍射中圆孔多个不同位置状态下的位置变化量和衍射图像，对卷积神经网络模型进行训练而得到的。
[0009]将未参加训练的测试集衍射图像输入到训练完成的位移预测模型，得到衍射图像对应平面二维位移量。
[0010]可选的，在将数据集按照3：1的比例随机划分训练集与测试集之前，还包括：
[0011]构建数据集；所述数据集包括菲涅尔圆孔衍射中圆孔多个不同位置状态下的位置移动量和衍射图像。
[0012]可选的，所述构建数据集，包括：随机生成多组平面二维位移量；对初始状态位置下的圆孔按照生成的位移量进行平面二维移动，圆孔移动的同时从CCD相机获取对应的衍射图像，利用位移量与对应衍射图像构建数据集。
[0013]所述数据集由一种亚微米级的平面二维位移测量实验装置获得，其特征包括：底
板，宏动组件，L形板，微动组件，衍射片，像平面调整模组，CCD相机，相机安装板，相机支架，光源。
[0014]其整体位置关系为：衍射片安装在微动组件上；微动组件通过L形板安装在宏动组件上；CCD相机通过相机安装板固定在像平面调整模组上；像平面调整模组安装在相机支架上；光源、宏动组件和相机支架均安装在底板上。
[0015]所述宏动组件由直线模组A，直线模组B，支架和直线模组C组成；其中直线模组A安装在底板上，直线模组B与直线模组A垂直交叉并安装在直线模组A上，用于实现微动组件在平面上的整体移动调整；支架安装在直线模组B上，直线模组C安装在支架上，实现微动组件Z向的整体移动调整。
[0016]微动组件由压电陶瓷执行器A，压电陶瓷执行器B，辅助导向导轨组，转接板组成；其中压电陶瓷执行器B安装在转接板上，转接板安装在辅助导向导轨组的滑块上，辅助导向导轨组安装在L形板上，压电陶瓷执行器A安装在辅助导向导轨组上，压电陶瓷执行器A顶部与转接板连接，实现压电陶瓷执行器A可使得转接板微动从而带动压电陶瓷执行器B沿着Y向微动。
[0017]所述衍射片开有圆孔，实现让光源发出的光束在孔的边缘发生菲涅尔圆孔衍射，成像于CCD相机上；其安装在压电陶瓷执行器B上，实现压电陶瓷执行器B驱动衍射片沿X向微动，压电陶瓷执行器A间接驱动衍射片沿Y向微动。
[0018]所述光源安装在底板上，位于CCD相机的正下方，用于实现发出光束通过衍射片的圆孔发生衍射并成像在CCD相机上。
[0019]基于上述基本技术方案，本专利技术还作出如下优化限定：
[0020]上述CCD相机不需安装镜头，且要求像素单元尺寸达到微米级别，感光单元面积在毫米级别；
[0021]上述光源为单一波长的稳定光源，可以在衍射片上的圆孔发生菲涅尔衍射；
[0022]上述压电陶瓷执行器A与压电陶瓷执行器B能够在亚微米以下量级进行微动且行程在10μm以上，从而可以在微米行程内采集多组数据。
[0023]本专利技术有如下有益效果：
[0024]1、本专利技术通过菲涅尔圆孔衍射中衍射现象与圆孔位置之间的关系原理提出位移测量方法，是一种新颖的位移测量方法，且装置光路简单，操作简便。
[0025]2、本专利技术通过卷积神经网络建立衍射图像与位移量的非线性映射关系模型，实现亚微米级位移精密测量。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的平面二维位移测量方法流程图；
[0027]图2为本专利技术的位移预测模型训练收敛图；
[0028]图3为本专利技术的X方向位移预测误差图；
[0029]图4为本专利技术的Y方向位移预测误差图；
[0030]图5为本专利技术的平面二维位移预测总误差图；
[0031]图6为本专利技术的平面二维位移测量实验装置结构示意图；
[0032]其中，1
‑
底板，2
‑
直线模组A，3
‑
直线模组B，4
‑
支架，5
‑
直线模组C，6
‑
L形板，7
‑
压电
陶瓷执行器A，8
‑
转接板，9
‑
压电陶瓷执行器B，10
‑
辅助导向导轨组，11
‑
衍射片，12
‑
像平面调整模组，13
‑
CCD相机，14
‑
相机安装板，15
‑
相机支架，16
‑
光源。
具体实施方式
[0033]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0034]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0035]如图1所示，一种亚微米级的平面二维位移测量方法，其使用步骤如下：
[0036]第一步(101)：将数据集按照3：1的比例随机划分训练集与测试集；
[0037]第二步(102)：建立位移预测模型，以衍射图像为输入，位移量为输出，将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种亚微米级的平面二维位移测量方法，其特征在于，包括：将数据集按照3：1的比例随机划分训练集与测试集；建立位移预测模型，以衍射图像为输入，位移量为输出，将训练集数据输入至模型进行训练；训练结束后，将未参加训练的测试集衍射图像输入到训练完成的位移预测模型，得到衍射图像对应的平面二维位移量；所述位移预测模型是根据训练集的衍射图像与位移量，对卷积神经网络进行训练得到的；所述数据集是通过一种亚微米级的平面二维位移测量实验装置得到的。2.一种亚微米级的平面二维位移测量实验装置，其特征在于：包括底板(1)，直线模组A(2)，直线模组B(3)，支架(4)，直线模组C(5)，L形板(6)，压电陶瓷执行器A(7)，转接板(8)，压电陶瓷执行器B(9)，辅助导向导轨组(10)，衍射片(11)，像平...

【专利技术属性】
技术研发人员：张之敬，苏泰玉，李二波，萨仁其木格，叶鑫，熊健，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：