CN101303222A - 光学尺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高测试精密度的光学尺，包括：一个主尺，其分布有多个第一光栅；一个设置于所述第一光栅侧边的光源；一个透镜组，所述透镜组包括一个用于将光源发出的光线准直成平行光的单轴柱型透镜以及一个柱形透镜阵列，所述柱型透镜阵列具有多个用于将所述平行光分成多组并进一步聚焦成多个光点的柱形透镜；以及一个光学感测处理单元，用于感测经由所述多组光线产生的多组光信号以产生与该光信号相对应的多组电信号，并对所述多组电信号进行处理而产生一个高精密度的电信号，以测定被测物体的位移或速度。所述光学尺可将光源发出的光线分成多组并分别感测其光信号以产生多组电信号，从而可经由对该多组电信号的处理得到高精确度的测量值。

Description

光学尺

技术领域

本发明涉及一种光学尺，尤其涉及一种具有较高测量精确度的光学尺。

背景技术

传统对位移及速度的精密测量是使用游标卡尺或千分尺，并结合时间量测工具进行测量，随着光学技术的发展，新的测量手段也得到了广泛的应用，如结合了光学技术及电子技术的光学尺，正以其独有的特性广泛应用于对位移及速度的精密测量中。常见的光学尺可分为穿透式及反射式两种类型，图1示出了一种典型的穿透式光学尺10的工作原理，主尺15于操作时保持固定不动，副尺16与主尺15相对设置并可沿主尺15移动，通过主尺15的光栅151与副尺16的光栅161间的偏斜角度所产生的莫尔条纹(MoireFringes)，可将光源11发出的光线，经光学镜片12、13后，射至光电感测元件14，该光电感测元件14将接收的光信号转换为近似正弦变化的电信号，以达到位置侦侧的目的。请进一步参阅图2，图2所示的是一种典型的反射式光学尺20，其与图1所示的典型的穿透式光学尺10的区别在于，将光源22发出的光线，经光学镜片23聚焦后射至主尺21，并经主尺21上高反射光栅区211及低反射光栅区212反射后，由光学镜片24聚集至光电感测元件25并由该光电感测元件25感测其光信号，同时将该光信号转换为近似正弦变化的电信号。

光学尺相对于传统的精密测量手段，具有测试精度高，不易受干扰，便于维护等优点，另外，通过与电子技术结合将测量值通过数字信号来表示，可方便该测量值的读取与传输。

然而，一般的光学尺通常只设置一个发光源，如一个发光二极管(Light emittingdiode，LED)，再通过设置一个普通透镜将光源发出的光聚焦成一个光点并投射至光栅上，这使得每次光电感测元件只能侦测到一组光信号，也无形中限制了光学尺的测量精确度。

发明内容

有鉴于此，提供一种具有较高测量精确度的光学尺实为必要。

下面将以实施例说明一种光学尺，其具有较高的测量精确度。

一种光学尺，所述光学尺包括：一个主尺，所述主尺分布有多个第一光栅；一个设置于所述第一光栅侧边的光源；一个透镜组，所述透镜组包括一个用于将光源发出的光线准直成平行光的单轴柱型透镜以及一个柱形透镜阵列，所述柱型透镜阵列具有多个用于将所述平行光分成多组并进一步聚焦成多个光点的柱形透镜；以及一个光学感测处理单元，用于感测经由所述多组光线产生的多组光信号以产生与该光信号相对应的多组电信号，并对所述多组电信号进行处理而产生一个高精密度的电信号，以测定被测物体的位移或速度。

相对于现有技术，所述光学尺通过设置透镜组将所述光源发出的光线分成多组并分别感测其光信号以产生多组电信号，从而可经由对该多组电信号的处理得到高精确度的测量值。

附图说明

图1是典型的穿透式光学尺的结构示意图。

图2是典型的反射式光学尺的结构示意图。

图3是本发明第一实施例提供的光学尺的结构示意图。

图4是本发明第一实施例及第二实施例提供的光学尺的透镜组的结构示意图。

图5是本发明第一实施例及第二实施例提供的表征光信号的电信号图。

图6是本发明第二实施例提供的光学尺的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。

请参阅图3，本发明第一实施例提供的光学尺30，其包括一个主尺31、一个光源32、一个透镜组33，以及一个光学感测处理单元34。

所述主尺31设置多个沿所述主尺31的长度方向呈线性分布的多个第一光栅3111，该多个第一光栅3111间的宽度沿所述主尺31的长度方向呈周期性的变化。根据所述多个第一光栅3111的反射性的差异，可将该多个第一光栅3111分为高反射光栅区311及低反射光栅区312。具体地，所述多个高反射光栅区311间的宽度一致，且其所包括的多个第一光栅3111对光源32发出的光具有高反射性，对应地，所述多个低反射光栅区312间的宽度也保持一致，但因为所述低反射光栅区312设置为具有吸光性的黑色，所以其对光具有低反射性。另外，由于所述多个高射光栅区311与所述多个低反射光栅区312交替分布，且所述多个第一光栅3111间的宽度呈周期性变化，所以光在所述多个第一光栅3111上的反射性也沿所述主尺31的长度方向呈周期性的变化。

所述光源32设置于所述主尺31的侧边并靠近所述多个第一光栅3111。该光源32可为一个发光二级管。

请结合参考图4，所述透镜组33可包括一个单轴柱型透镜331及一个柱形透镜阵列332。所述单轴柱型透镜331用于将光源32发出的的光线准直成平行光，所述柱形透镜阵列332设置有多个柱形透镜，如第一柱形透镜3321、第二柱形透镜3322及第三柱形透镜3323，其用于将经准直后的平行光分成三组并进一步聚焦于三个光点，如第一光点1、第二光点2第三光点3。即每一柱形透镜分别对应一个光点，且该三个光点位于所述多个第一光栅3111上。

所述光学感测处理单元34包括三个光学感测器，如第一光学感测器341、第二光学感测器342及第三光学感测器343，以及一个光学处理单元(图未示)。所述三个光学感测器分别用以感测所述三组光线产生的光信号，其可为电荷耦合感测器(Charge Coupled Device，CCD)或互补金属氧化物半导体感测器(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)。

具体地，所述光源32发出光线后，该光线穿过所述单轴柱型透镜331并形成平行光，该平行光进一步经所述第一柱形透镜3321、第二柱形透镜3322及第三柱形透镜3323后，分成三组光线并分别聚焦成所述三个光点1、2及3。此时，只需调整所述透镜组33与所述主尺31的位置关系，即可将所述光源32发出的光线经该透镜组33聚焦至所述主尺31的多个第一光栅3111上，并使所述三个光点1、2及3位于该多个第一光栅3111上。当然，所述光线于所述主尺31聚焦后，还会进一步反射，此时，可设置一个透镜，如柱形透镜35将经所述多个第一光栅3111反射的光分别聚集于所述光学感测处理单元34的第一光学感测器341、第二光学感测器342及第三光学感测器343上，即，光点1经第一光栅3111反射的光聚集于第一光学感测器341上，光点2经第一光栅3111反射的光聚集于第二光学感测器342上，光点3经第一光栅3111反射的光聚集于第三光学感测器343上。该第一光学感测器341、第二光学感测器342及第三光学感测器343可感测所述光线产生的三组光信号，进一步，利用所述光学处理单元将该感测到的三组光信号转换成所述相对应的三组电信号。由于测试过程中所述光源32随着被测物体做同步运动，所以所述多个光点1、2及3也随着所述被测物体的运动而在所述光学尺31的高反射光栅区311及低反射区光栅区312上交替移动，经实验证明，由于所述高反射光栅区311及所述低反射光栅区312反射性不同，且所述多个第一光栅3111间的宽度沿所述主尺31的长度方向呈周期性的变化，所以，所述第一光学感测器341、第二光学感测器342及第三光学感测器343感测到的光信号也随所述光点1、2及3的移动而呈周期性的波形变化。此时，经由所述光学处理单元将该感测到的三组光信号转换成所述相对应的三组电信号，如第一电信号U1-t、第二电信号U2-t及第三电信号U3-t，详见图4。该三组电信号为波形相同但具有不同相位关系的正弦波形信号。进一步地，通过所述光学处理单元对该三组电信号进行插补处理可以产生一个高精密度的电信号，以测定被测物体的位移或速度。当然，可以理解的是，经由对该高精密度的电信号进行处理，如将该电信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，可进一步利用微机对该脉冲信号所对应的测量值进行编辑并加以储存或者传输。

请参阅图6，本发明第二实施例提供的光学尺40，与本发明第一实施例提供的光学尺30相比，其差别仅在于：所述光学尺40为一个穿透式光学尺，其主尺45上设置有沿该主尺45长度方向线性且呈均匀分布的多个第一光栅451，所述多个第一光栅451的宽度保持一致。且所述光学尺40上设置有一个副尺46，其与所述主尺45相对设置并可沿所述主尺45线性滑动，该副尺46设置有三个均匀分布的第二光栅461；所述光源用于照射所述第一光栅451与所述第二光栅461间偏斜角度所产生的莫尔条纹；另外，所述透镜组33及所述柱形透镜35分处于所述主尺45及副尺46的两侧。

本发明第一实施例及第二实施例提供的光学尺30及40，其通过设置透镜组33将所述光源32发出的光线分成多组并分别感测其光信号以产生多组电信号，从而可经由对该多组电信号的处理得到高精确度的测量值。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种对应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种光学尺，包括：

一个主尺，所述主尺分布有多个第一光栅；

一个设置于所述第一光栅侧边的光源；

一个透镜组，所述透镜组包括一个用于将光源发出的光线准直成平行光的单轴柱型透镜以及一个柱形透镜阵列，所述柱型透镜阵列具有多个用于将所述平行光分成多组并进一步聚焦成多个光点的柱形透镜；以及

一个光学感测处理单元，用于感测经由所述多组光线产生的多组光信号以产生与该光信号相对应的多组电信号，并对所述多组电信号进行处理而产生一个高精密度的电信号，以测定被测物体的位移或速度。

2.如权利要求1所述的光学尺，其特征在于，所述光学感测处理单元包括：

多个光学感测器，用以感测所述多组光线产生的光信号；及

一个光学处理单元，用以将所述感测到的多组光信号转换成所述相对应的多组电信号，并对所述多组电信号进行处理以产生一个高精密度的电信号以测定被测物体的位移或速度。

3.如权利要求1所述的光学尺，其特征在于，所述主尺的多个第一光栅分布成高反射区光栅区和低反射光栅区，所述高反射光栅区对光具有高反射性，所述低反射光栅区对光具有低反射性，且所述高反射光栅区与所述低反射光栅区沿所述主尺的长度方向交替分布。

4.如权利要求3所述的光学尺，其特征在于，所述多个第一光栅的宽度沿所述主尺的长度方向呈周期性变化。

5.如权利要求1所述的光学尺，其特征在于，所述多个第一光栅沿所述主尺的长度方向呈线性均匀分布，且所述多个第一光栅的宽度保持一致。

6.如权利要求5所述的光学尺，其特征在于，所述光学尺还包括一个副尺，所述副尺相对所述主尺设置且可沿所述主尺线性滑动，所述副尺设置多个第二光栅，所述多个第二光栅与主尺的多个第一光栅配合而产生莫尔条纹。

7.如权利要求1所述的光学尺，其特征在于，所述光学尺进一步包括一个透镜，所述透镜用于聚集所述多组光线至所述光学感测处理单元。

8.如权利要求1所述的光学尺，其特征在于，所述透镜组为塑胶材料透镜组。

9.如权利要求1所述的光学尺，其特征在于，所述光源为一个发光二级管。

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