CN103411540B - 一种高精密的光栅位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高精密的光栅位移测量装置。包括有由反射光栅尺、第一光学放大系统、第二光学放大系统、FPGA驱动单元、第一CMOS阵列和第二CMOS阵列，反射光栅尺的增量码由第一光学放大系统放大，反射光栅尺的绝对码由第二光学放大系统放大，FPGA驱动单元驱动第一CMOS阵列和第二CMOS阵列采集两路光形成两张图像，对绝对码图像处理解码出一个光栅尺的绝对位置距离，对增量码的处理进一步计算出一个误差的增量距离，这两个距离加在一起最终得到一个CMOS阵列中心相对光栅尺的一个高精确的距离。本发明通过宏微复合的方法实现高精度位移测量，其分辨力可以到达纳米级。

Description

一种高精密的光栅位移测量装置

技术领域

本发明是一种高精密的光栅位移测量装置，属于高精密的光栅位移测量装置的改造技术。

背景技术

光栅位移传感器一直是位移测量的研究热点。对于传统的方法，光栅尺用于位移测量的的原理都是基于光栅尺干涉或衍射产生的莫尔条纹。其中最成熟的是基于4倍频的相位细分的技术。4倍频相位细分技术是1953年英国Ferranti公司提出的一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分形成相位相差90度的正弦波。利用电子电路对这些正弦波进行处理后，可以用于脉冲计数确定被测物体相对光栅尺的位移和鉴别被测物体的移动方向。随着微处理器技术和图像处理技术的发展，已有人开始尝试使用微处理器和CMOS传感器等集成的电子电路取代散列的电子元器件来开发光栅位移测量系统。使用微处理器和CMOS传感器等集成的电子技术的好处在于有较多的可利用的现有软硬件技术，升级换代快，灵活，稳定性好。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种实现高精度位移测量的高精密的光栅位移测量装置。本发明分辨力可以到达纳米级。

本发明的技术方案是：本发明的高精密的光栅位移测量装置，包括有由反射光栅尺、第一光学放大系统、第二光学放大系统、FPGA驱动单元、第一CMOS阵列和第二CMOS阵列，反射光栅尺的增量码由第一光学放大系统放大，反射光栅尺的绝对码由第二光学放大系统放大，FPGA驱动单元驱动第一CMOS阵列和第二CMOS阵列采集两路光形成两张图像，对绝对码图像处理解码出一个光栅尺的绝对位置距离，对增量码的处理进一步计算出一个误差的增量距离，这两个距离加在一起最终得到一个CMOS阵列中心相对光栅尺的一个高精确的距离。

本发明由于采用双CMOS结构，使用宏微复合的方法，一条反射光栅尺上有绝对位置编码和增量编码两个码道，绝对位置编码标记光栅尺不同位置相对原点的绝对位置参考点，增量码用于进一步的细微误差增量距离的测量。两个具有不同放大倍数的光学放大系统，宏微结合地对绝对位置编码和增量位置编码进行不同倍数的光学放大，并同时使用绝对并排的CMOS阵列采集放大后的绝对位置码图案和增量码图案，最终通过图像处理计算出CMOS阵列中心相对光栅尺的精确位置。本发明通过宏微复合的方法实现高精度位移测量，其分辨力可以到达纳米级。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的高精密的光栅位移测量装置。

附图说明

图1为本发明双CMOS光栅位移传感器的构件组图

图2为本发明光栅尺编码示意图

图3为本发明光栅图案采集示意图

图4为本发明增量码光学放大示意图

图5为本发明增量码像元细分示意图

图6为本发明绝对码解码示意图

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明的高精密的光栅位移测量装置，包括有由反射光栅尺101、第一光学放大系统102、第二光学放大系统103、FPGA驱动单元106、第一CMOS阵列104和第二CMOS阵列105，反射光栅尺101的增量码由第一光学放大系统102放大，反射光栅尺101的绝对码由第二光学放大系统103放大，FPGA驱动单元106驱动第一CMOS阵列104和第二CMOS阵列105采集两路光形成两张图像，对绝对码图像处理解码出一个光栅尺的绝对位置距离，对增量码的处理进一步计算出一个误差的增量距离，这两个距离加在一起最终得到一个CMOS阵列中心相对光栅尺的一个高精确的距离。

上述反射光栅尺101上的编码方法是使用明条纹代表“1”，暗条纹代表“0”的明暗条纹进行编码。

上述反射光栅尺101的绝对码使用的是二进制伪随机序列码，每一个绝对码唯一标记光栅尺绝对位置的一个参考点。反射光栅尺101的增量码是明暗相间的“01”序列码，其中绝对码的每个条码码宽和增量码的条码码宽相等，且上下完全对齐。

上述反射光栅尺101的长度C由二进制伪随机码的周期T和条码宽度决定，C＝T*△L。

上述第一光学放大系统102对增量码进行放大，放大的倍数根据精确度的要求来定，倍数越高精确度越高。第二光学放大系统(103)对绝对码进行放大，放大的倍数适中尽可，但必须保证拍摄的图像中至少有一个完整的绝对编码码组。

上述FPGA驱动单元104中的第一CMOS阵列104和第二CMOS阵列105的中心相对反射光栅尺101的绝对位置必须高度一致，绝对并排。

上述对光栅尺的绝对码解码可以初步得到一个光栅尺绝对位置值，光栅尺上有伪随机码唯一标记了不同的绝对位置参考点。这个位置值与CMOS阵列相对光栅尺的真实位置值还有一定的误差，这个误差通过对增量码图像的处理可以得到一个误差增量距离来缩小，最终两个距离相加得到CMOS阵列中心相对光栅尺的一个高精确度绝对位置距离。

光栅尺的编码方法是使用代表二进制“1”的明条纹和代表二进制“0”的暗条纹进行编码的。光栅尺上有两个码道，一条是绝对位置标记码码道，一条是增量码码道。绝对位置标记码使用的是二进制伪随机序列码。增量码则是使用明暗相间的规则码。其中要求绝对位置标记码的条码宽度和增量码的条码宽度必须相同，且每一个条码都要上下一一对齐。根据伪随机序列的特点，对于n阶的伪随机序列，一周期的一串伪随机序列中的连续n条码组成的一个码组是具有唯一性的，因此可利用这些码组标记光栅尺的绝对位置参考点，这里规定每个码组标记的位置参考点为该码组第一根条码左边界在光栅尺上的位置，这样利用他们的对应关系制成一个伪随机码码组和光栅尺绝对位置参考点的对应表，当使用图像处理解码出光栅尺绝对位置编码图案对应的伪随机序列码码组时，通过查表就求得了CMOS阵列中心对应的光栅尺上初步的一个绝对位置。

光学放大系统1的放大倍数，这里用R1表示。R1的值可以根据需要的精确度来选定，但要保证至少有一根增量条码在拍摄的增量码图象中。这里用△L表示条码宽度，用a0表示CMOS像素单元的间距，用NUM表示CMOS阵列具有的列像素数目，则光学放大系统1的最大放大倍数为

$R1=\frac{a0*NUM}{\mathrm{\Δ}L}$

同理为了保证至少一个完成的绝对码在拍摄的绝对码图像中，对于n阶的伪随机序列码，必须保证有n+1条条码在拍摄的绝对码图像中，这里用R2表示放大系统2的放大倍数，则放大系统2最大的放大倍数为

$R2=\frac{a0*NUM}{(n+1)*\mathrm{\Δ}L}$

以CMOS阵列中心作为测量位移的参考点，即拍摄的绝对码图像的中心点，同时也是拍摄的增量码图像的中心点，如图3中绝对码图像302的中心O点和增量码图像301的中心E点。两者相对光栅尺的位移距离是绝对一致的。在分析如何计算图像中心相对光栅尺的精确位置前，需确定对于一张拍摄到的绝对码图像，该如何正确选定一组完整的伪随机码进行解码。这里规定在图像中心两边各取一个完整码组一半条码数来组成要解码的伪随机码码组。即对于n阶的伪随机码，令左边的第I根作为解码码组的第一根条码，则

$I=\frac{N}{2}$

当I为小数时直接取整数，例如n为5时，直接取2。

现在用X表示CMOS阵列中心相对光栅尺原点的绝对位置距离，用S表示拍摄到的绝对码图像的用于解码的伪随机码码组的第一根条码的左边边界对应的光栅尺的绝对位置参考点距离。为了便于说明，图3使用4阶的伪随机码进行图示说明。现在假定要计算图3中绝对码图像302的中心对应于光栅尺的精确位置，由图可以看到,绝对码图像302中参与解码的伪随机序列码组为0100，如图6为放大的解码示意图。图3中第一根条码左边界对应的光栅尺的绝对位置参考点距离为S，边界到图像中心O有I条条码，距离为L，则初步计算到CMOS阵列中心对应的位置距离为：X＝S+I*ΔL精度为△L，即条码宽度。由公式可以看出光学放大倍数不会直接影响到初步解码出的CMOS阵列中心相对光栅尺的绝对位置距离，即光栅尺上刻蚀的绝对位置参考点加上若干根条码确定的位置。但为什么要进行放大呢。首先我们需明确一点，条码宽度△L是使用该测量装置的测量精度，这是光栅尺上按照高精度的光栅尺刻蚀技术实实在在刻蚀在光栅尺上的，是有精度保证的。这样我们不难知道，△L越小，测量精度就越高。为了实现测量精度的微米级甚至更小，我们可以刻蚀光栅尺时△L到达微米级，比如10um。对于10微米这样的距离，不经过光学放大成像是很难分辨出不同的条码的，这样会导致绝对码无法解码出来，所以光学放大只是为了能分辨出不同的条码，最终能解码出绝对码。

由图3可以看到,计算到的X值与CMOS阵列中心O相对光栅尺的真实位置还有一个误差增量距离△d。这个距离我们通过对拍摄到的增量码图像进行像元细分来进一步求解。图4为光学放大R1倍后的增量码，图5为对光学放大后的增量码进行像元细分的简单示意图。之所以可以使用增量码图像来求解误差增量距离△d，是因为增量码和绝对码的每根条码的位置都是上下一一对齐，条码宽度相等的，拍摄增量码的CMOS阵列中心和拍摄绝对码的CMOS阵列中心相对光栅尺的位移都是高度一致的。误差增量距离△d主要是图像中心处在一根条码的内产生的，这个距离的大小总是等于图像中心到其所处在的条码的左边界这段距离的大小，如图6的Δd。用a0表示未经放大时，一个像素单元代表的实际距离，这个距离与CMOS阵列制造出来时像素单元的实际的间距大小有关，用J0表示△d距离内像素单元的个数，则

Δd＝J0*a0

用a1表示放大R1倍后的，一个像素单元代表的实际的距离，用J1表示△d距离内像素单元的个数，则

$a1=\frac{a0}{R1}$

$\mathrm{\Δ}d=J1*\frac{a0}{R1}$

由公式可以看出a1和a0是作为测量精细程度体现的，放大后的a1能测量更为精细的东西，就像一个最小单位为cm的米尺，其能达到的测量精度就为1cm,而最小单位为mm米尺，其能达到的测量精度就则为1mm，同样的道理，这里假定R1＝100，未经放大时一个CMOS像素单元代表的的实际距离a0为1um,则可以看出放大后测量的最小单元是到了nm级的，测量精细程度是有了很大的提高，也就是说光学放大倍数R2越大,测量的分辨率就越高。这里需要明确一个问题，由图3可以看到,误差增量距离△d按原理是可以直接通过对绝对码图像进行像元细分也是可以求解到的。但误差增量距离求解公式：中的R1要替换为R2,即绝对码对应的光学放大倍数。但前面分析R2的最大值是比R1的最大值小的。前面公式：尤其是光栅尺的长度较长，n的值较大时，R2就比R1更小了。这里还要说明一点要使这个测量量纲真正可以作为nm级的精度，这过程中所有的量纲的精度都必须是nm级，比如CMOS制作工艺精度要做到nm级，光栅尺的刻蚀必须是nm级的精度，光学放大倍数的精度也要到达nm级的，也就是放大误差必须在10^-9这个量纲内。最后得到CMOS阵列中心更精确的位置为： $X=S+I*\mathrm{\Δ}L+J1*\frac{a0}{R1}$

为了提高绝对式光栅尺的测量精确度，本发明使用两个CMOS阵列对双码道光栅尺的增量码和绝对码进行不同倍数的光学显微成像，通过宏微复合的方法先对绝对编码图像的处理初步解码出CMOS阵列相对光栅尺的一个绝对位置距离，而对增量编码进行处理进一步计算出一个误差增量距离，这两个位置距离加在一起最终就得到一个更加精确的绝对位置。

Claims (5)

1.一种高精密的光栅位移测量装置，其特征在于包括有由反射光栅尺(101)、第一光学放大系统(102)、第二光学放大系统(103)、FPGA驱动单元(106)、第一CMOS阵列(104)和第二CMOS阵列(105)，反射光栅尺(101)的增量码由第一光学放大系统(102)放大，反射光栅尺(101)的绝对码由第二光学放大系统(103)放大，FPGA驱动单元(106)驱动第一CMOS阵列(104)和第二CMOS阵列(105)采集两路光形成两张图像，对绝对码图像处理解码出一个光栅尺的绝对位置距离，对增量码的处理进一步计算出一个误差的增量距离，这两个距离加在一起最终得到一个CMOS阵列中心相对光栅尺的一个高精确的距离；上述第一光学放大系统(102)对增量码进行放大，放大的倍数根据精确度的要求来定，倍数越高精确度越高；第二光学放大系统(103)对绝对码进行放大，放大的倍数必须保证拍摄的图像中至少有一个完整的绝对码码组。

2.根据权利要求1所述的高精密的光栅位移测量装置，其特征在于上述反射光栅尺(101)上的编码方法是使用明条纹代表“1”，暗条纹代表“0”的明暗条纹进行编码。

3.根据权利要求1所述的高精密的光栅位移测量装置，其特征在于上述反射光栅尺(101)的绝对码使用的是二进制伪随机序列码，每一个绝对码唯一标记光栅尺绝对位置的一个参考点；

反射光栅尺(101)的增量码是明暗相间的“01”序列码，其中绝对码的每个条码码宽和增量码的条码码宽相等，且上下完全对齐。

4.根据权利要求1所述的高精密的光栅位移测量装置，其特征在于上述反射光栅尺(101)的长度C由二进制伪随机码的周期T和条码宽度△L决定，C＝T*△L。

5.根据权利要求1所述的高精密的光栅位移测量装置，其特征在于上述FPGA驱动单元(106)中的第一CMOS阵列(104)和第二CMOS阵列(105)的中心相对反射光栅尺(101)的绝对位置必须高度一致，绝对并排。