CN101571377A - 基于电荷耦合器件的绝对编码光栅相位细分方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电荷耦合器件(简称CCD)的绝对编码光栅相位细分方法，步骤依次如下：(1)用CCD读数头读取绝对编码光栅的码道图形，(2)对所获绝对编码光栅码道图形中的一行最低码道图形形成的周期离散空间函数序列进行傅里叶变换得到其频谱分布，(3)取出步骤(2)所得频谱分布的基频分量，(4)对步骤(3)所得基频分量作逆傅里叶变换得到基波信号及其相位，(5)将步骤(4)所得基波信号用N个周期相位展成连续相位，(6)用所述连续相位的平均值表达绝对编码光栅中最低码道图形的测量分辨率。此种方法可实现对像素的细分，大大提高绝对编码光栅的分辨率和测量精度。

Description

基于电荷耦合器件的绝对编码光栅相位细分方法
技术领域
本发明属于光电测量领域，特别涉及一种对最小基准图形——绝对编码光栅中最低码道图形进行细分方法。
背景技术
光电位移精密测量技术具有高分辨率、高精度、高稳定度等特点，相对于光栅莫尔条纹技术，绝对编码光栅有很多优势：由于其在任何点都有相应的码值，因而没有累积误差；由于编码范围大，因而可测量较大线性位移。根据绝对编码光栅的特点，其测量范围理论上可超过100米，而精度仍可保持在微米级。
在使用绝对编码光栅进行位移测量时，一般用电荷耦合器件(简称CCD，下文中用“CCD”表示电荷耦合器件)作读数头，以绝对编码光栅中最低码道图形所覆盖的像素数n进行n倍细分。但n值是不能太大的，如n值过大，一是CCD的像素数要求会很高，二是读数头光学系统将变得复杂；三是测量范围将受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于CCD的绝对编码光栅相位细分方法，采用此种方法，一般像素数的CCD与绝对编码光栅配合，则可精密测量较大线性位移，并可大大提高绝对编码光栅的分辨率和测量精度。
本发明所述基于CCD的绝对编码光栅相位细分方法，步骤依次如下：
(1)用CCD读数头读取绝对编码光栅的码道图形，
(2)对所获绝对编码光栅码道图形中的一行最低码道图形形成的周期离散空间函数序列进行傅里叶变换得到其频谱分布，
(3)取出步骤(2)所得频谱分布的基频分量，
(4)对步骤(3)所得基频分量作逆傅里叶变换得到基波信号及其相位，
(5)将步骤(4)所得基波信号用N个周期相位展成连续相位，
(6)用所述连续相位的平均值表达绝对编码光栅中最低码道图形的测量分辨率。
上述方法中，步骤(5)所述“N个周期相位”中的“N”为正整数，从提高绝对编码光栅的分辨率和测量精度的角度而言，“N”的取值越大越好，但过大则会对CCD要求高并且花费大量的处理时间，在每周期图形覆盖10个像素的基础上，优选N在30～80之间。
本发明的有益效果：
1、本发明所述相位细分的方法利用绝对编码光栅最小图形中的一行多个周期的相位变化表征测量分辨率并减小误差，可获得对像素几十分之一的细分效果，因而大大提高了绝对编码光栅的分辨率和测量精度。
2、本发明所述相位细分的方法可实现对现有最小单元距离——像素的细分，代表了光电测量领域新的技术发展趋势。
3、实际使用的绝对编码光栅尺是透射式光栅，光源透射过光栅尺，成像在CCD靶面上，信号的信噪比将比实施例的效果更好。
附图说明
图1是自然二进制码绝对编码光栅的结构示意图；
图2是用CCD读数头读取绝对编码光栅的码道图形的示意图，图中，1-CCD、2-微动台、3-设置有绝对编码光栅的移动板、4-数显仪、5-测微头、6-计算机；
图3是绝对编码光栅的码道图形在CCD靶面上所成的一帧图；
图4是绝对编码光栅码道图形中的一行最低码道图形形成的周期离散空间函数序列示意图；
图5是对图4中的周期离散空间函数序列进行傅里叶变换得到的频谱分布图；
图6是对频谱分布的基频分量进行逆傅里叶变换得到基波信号的截断相位图；
图7是将图6中的周期相位展成连续相位的示意图；
图8是采用本发明所述方法获得的150次展开相位平均值的结果图。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明所述基于CCD的绝对编码光栅相位细分方法作进一步说明。
1、绝对编码光栅的设计
采用自然二进制码绝对编码光栅，其结构如图1所示，最低码道单元图形大小为1.5mm×1.5mm。
2、用CCD读数头读取绝对编码光栅的码道图形
用CCD读数头读取绝对编码光栅的码道图形采用图2所示的系统，该系统包括CCD(800×600像素靶面)1、微动台2、设置有绝对编码光栅(图1所示)的移动板3、数显仪4、测微头5和计算机6；在微动台2上，安装了设置有绝对编码光栅的移动板3和测微头5，测微头5的信号输出端通过导线与数显仪4连接，CCD的读数头对着设置有绝对编码光栅的移动板3安装，其信号输出端通过导线与计算机6连接。
在微动台2移动时，使用测微头5跟踪记录微动台移动的距离，移动距离可以通过数显仪4直接读出。每次移动的图像由CCD1跟踪记录并直接传回计算机6。图3是步骤1所设计的绝对编码光栅(见图1)的码道图形在CCD靶面上所成的一帧图，从图3可以看出，绝对编码光栅各码道的图形均为周期离散空间函数序列，其中最低码道图形形成的周期离散空间函数序列的频率最大。
由于绝对编码光栅的最小分辨率由其最低码道的图形决定，因此选取绝对编码光栅码道图形中的一行最低码道图形形成的周期离散空间函数序列予以处理，根据CCD接收的最低码道图形产生的准矩形脉冲信号抽样后的离散空间函数序列如图4所示。
本实施例中，对微动台2进行步长20微米(相当于1/13.15像素)的步进移动，共移动49次，每一步摄取一帧图片，用数显仪读出微动台坐标。
3、对图4所示最低码道图形的周期离散空间函数序列进行傅里叶变换
对绝对编码光栅最低码道图形的周期离散空间函数序列进行傅里叶变换可参考专著《数字信号处理及MATLAB实现》(余成波等，清华大学出版社，2005年2月，p72-82)，将图4中的“像素-灰度值”序列输入装有“MATLAB”软件的计算机，运行该软件的相应操作，即可实现傅里叶变换，经傅里叶变换得到图1所示绝对编码光栅最低码道图形的周期离散空间函数序列的频谱分布，如图5所示。
4、通过带通数字滤波器取出图5所示频谱分布的基频分量
设计带通数字滤波器取出图5所示频谱分布的基频分量，可参考专著《数字信号处理及MATLAB实现》(余成波等，清华大学出版社，2005年2月，p177-183)。
由图5知，频谱分布的基频在频率为70处，设计带通数字滤波器既要取出基频分量，又要尽量去掉其余频率成分，可选取的类型灵活多样，本实施例中选汉宁窗(hanning.m)作为窗函数(宽度47)设计了带通数字滤波器。调用语句如下：
w1＝zeros(size(G1))；
w1(70-23:70+23)＝hanning(47)；％％％％％选取hanning窗
Gs1＝Go1.*w1；
其中Go1就是傅里叶变换后的频谱；将其与带通滤波器w1作点乘运算，获得Gs1，即滤出的基频。
5、对基频分量作逆傅里叶变换
对步骤4获得的基频分量作逆傅里叶变换可参考专著《数字信号处理及MATLAB实现》(余成波等，清华大学出版社，2005年2月，p72-82)。将步骤4获得的基频分量输入装有“MATLAB”软件的计算机，运行该软件的相应操作，即可实现逆傅里叶变换，经逆傅里叶变换得到基波信号及其相位，每个周期的相位在-π～π之间变化，周期之间不连续，称其为截断相位如图6所示。
6、将图6所示基波信号用70个周期相位展成连续相位
操作方法是在展开的方向上比较相邻两个点的相位值，如果差值小于-π，则后一点的相位值加上2(n-1)π；如果差值大于π，则后一点的相位值减去2(n-1)π，其中n为周期序列号，取值1～N(N＝70)。所展成的连续相位如图7所示。
7、用图7所示连续相位的平均值表达绝对编码光栅中最低码道图形的测量分辨率
如步骤2所述，本实施例中微动台2进行步长约20微米(相当于约1/13.15像素)的步进移动，共移动49次，每一步摄取一帧图像，用数显仪读出微动台坐标。对各帧图像中一行最低码道图形形成的周期离散空间函数序作上述步骤3～6的操作，并求出各连续相位的平均值，该平均值即为以相位表示的微动台2各次移动后所处位置的测量值，其结果如表1所示：
表1
  数显仪读数(μm)   连续相位平均值(弧度)   数显仪读数(μm)   连续相位平均值(弧度)   数显仪读数(μm)   连续相位平均值(弧度)   数显仪读数(μm)   连续相位平均值(弧度)
  0   222.2397   239   222.7352   480   223.2429   721   223.7448
  18   222.2739   258   222.7735   499   223.2766   740   223.7832
  36   222.3113   278   222.8158   518   223.3210   759   223.8232
  54   222.3525   296   222.8535   536   223.3575   778   223.8626
  72   222.3893   314   222.8919   554   223.3961   797   223.9003
  89   222.4282   333   222.9346   572   223.4324   815   223.9393
  108   222.4646   351   222.9725   590   223.4738   835   223.9823
  127   222.5045   369   223.0081   608   223.5129   853   224.0206
  146   222.5406   388   223.0480   627   223.5533   872   224.0608
  166   222.5810   407   223.0855   646   223.5877   890   224.0972
  184   222.6198   425   223.1286   664   223.6288   909   224.1374
  202   222.6608   445   223.1697   683   223.6683
  221   222.7002   463   223.2045   701   223.7072
从表1的数据可以看出，本实施例清晰地分辨出了十三分之一像素的位移，测量结果的标准差为0.0023个弧度。
本发明的发明人还在微动台2没有进行位移的情况下对同一位置的图1所示的绝对编码光栅图形获取了150帧图片，采用上述同样的方法操作，获得微动台2处于某一位置的150次的测量结果，如图8所示，从图8可以看出，得到的标准差为9.696×10-4，即相位细分的稳定性达到0.001个弧度。

Claims (2)

1、一种基于电荷耦合器件的绝对编码光栅相位细分方法，其特征在于步骤依次如下：
(1)用电荷耦合器件读数头读取绝对编码光栅的码道图形，
(2)对所获绝对编码光栅码道图形中的一行最低码道图形形成的周期离散空间函数序列进行傅里叶变换得到其频谱分布，
(3)取出步骤(2)所得频谱分布的基频分量，
(4)对步骤(3)所得基频分量作逆傅里叶变换得到基波信号及其相位，
(5)将步骤(4)所得基波信号用N个周期相位展成连续相位，
(6)用所述连续相位的平均值表达绝对编码光栅中最低码道图形的测量分辨率。
2、根据权利要求1所述的基于电荷耦合器件的绝对编码光栅相位细分方法，其特征在于所述N个周期相位中的“N”为正整数，N的取值为30～80。
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