CN105526871B

CN105526871B - 基于cmos的光栅位移测量系统及其测量方法

Info

Publication number: CN105526871B
Application number: CN201610053019.1A
Authority: CN
Inventors: 杨志军; 蔡铁根; 陈新; 罗瑞君; 杨宏波; 白有盾; 陈超然; 王晗; 蔡念
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2018-09-25
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: CN105526871A

Abstract

本发明公开了一种基于CMOS的光栅位移测量系统，包括标尺光栅、线阵CMOS图像传感器、数字信号处理系统，标尺光栅可相对于线阵CMOS图像传感器沿标尺光栅的长度方向往复移动，线阵CMOS图像传感器与数字信号处理系统连接，标尺光栅上刻有平行等距栅线，线阵CMOS图形传感器设置有形成线形感光区域的线形感光芯片阵列，线形感光芯片阵列的感光方向朝向所述栅线，所述线形感光芯片阵列的线形长度方向与所述栅线的长度方向存在夹角θ，以使同一时刻至少有两条栅线在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光区域中成像。本发明还公开了一种采用上述测量系统进行测量的方法。本发明兼顾高速和高精度的测量要求，并且成本较低，适用于高速高精密的位移测量领域。

Description

基于CMOS的光栅位移测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于光栅尺测量的技术领域，具体涉及一种基于CMOS的光栅位移测量系统及其测量方法。

背景技术

光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，是闭环位置控制系统中常用的检测器件之一，尤其在精密加工制造领域。光栅尺测量的基本原理为:标尺与扫描掩模之间的相对移动,在光源照射下形成莫尔条纹,莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正余弦电信号,就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法,得到不同测量步距的计数脉冲信号,脉冲信号一般是两路正交的信号,这两路信号接入后续的可逆计数电路,计数器的计数值再乘以测量步距则为光栅尺的位移测量值。

目前市场上常见的光栅尺主要是采用“莫尔条纹”，配合电子细分等检测与数据处理模块来获取位移值。现存通用的光栅尺测量系统主要存在以下问题：为仅提高位移测试精度，往往需要采用更密集的栅格。而更密集的栅格导致单位位移数据采集的数据量加大，从而增大数据采集过程中出现“丢步”现象，降低数据的可信度。特别是在高速运动状态下，“丢步”现象将更为明显。这导致光栅尺的测量精度越高，其允许的测量速度上限越低，不能兼顾高速和高精度的测量要求，而一味地采用更高采集速度的设备，又将导致测量系统成本的显著提高。

中国专利申请号97112578.3中提出了一种电荷耦合器直接细分光栅位移传感器及其实现方法，其采用的测量方式是利用视场方向与光栅栅线成一θ夹角的线阵CCD器件来获取光栅尺栅线的像，并对栅线的像进行定位获取位移信息。所述专利中采用的测量方法是通过线阵CCD采集到的栅线的像，而后利用驱动电路对一维视场中的像进行扫描并获得扫描起点到第一条栅线像的脉冲序列，最后对所述脉冲序列进行计数，获得某一栅线相对于CCD扫描起点的位移量。专利97112578.3存在的主要缺点是：电荷耦合器(CCD)芯片的工作方式为曝光后各像素点上的电荷信号需要通过移位传输经由一个公用的数模转换器(ADC)对移位传输来的电荷信号进行放大输出，电荷传输耗费了大量时间。这种工作原理也使得电荷耦合器(CCD)无法对像素点进行直接定位且较难灵活选择感兴趣的感光区域，导致其需要通过扫描计数脉冲的形式来间接获像素的位置并采集到大量无用电荷信号信息，这进一步增加专利97112578.3在实际测试过程的消耗。上述种种限制决定了专利97112578.3中的位移传感器无法用于高速实时测量的领域。

中国专利申请号200510010288.1提出一种基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法。其核心思想为：通常的高速高精度定位系统在定位时刻的速度并不高，因此其采用两个不同性能的光栅尺来完成位移测量：一个适于高速状态下、低分辨率测量的光栅尺(粗光栅尺)。一个适于低速状态下、高分辨率测量的光栅尺(精光栅尺)。在系统运动过程由高速转为低速的时刻，把双光栅尺的计数脉冲作切换，计数值作合成以获得定位时刻高分辨率的位移测量值。在其具体技术方案中，设定了切换速度阈值，在高速状态下由粗光栅尺进行位移及速度检测。当速度低于设定阈值时，由精光栅尺检测运动位移。该专利实现了光栅尺高速高精度的位移检测。其缺点在于：(1)其并未实现全过程的光栅尺高速高精度位移检测，其适用范围有限；2其采用了两套光栅尺，成本较高。

上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种基于CMOS的光栅位移测量系统及其测量方法，其兼顾高速和高精度的测量要求，并且成本较低。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种基于CMOS的光栅位移测量系统，包括标尺光栅、线阵CMOS图像传感器、数字信号处理系统，所述标尺光栅可相对于线阵CMOS图像传感器沿标尺光栅的长度方向往复移动，所述线阵CMOS图像传感器与数字信号处理系统连接，所述标尺光栅上刻有平行等距栅线，所述线阵CMOS图形传感器设置有形成线形感光区域的线形感光芯片阵列，所述线形感光芯片阵列的感光方向朝向所述栅线，所述线形感光芯片阵列的线形长度方向与所述栅线的长度方向存在夹角θ，以使同一时刻至少有两条栅线在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光区域中成像。

其中，所述栅线的长度方向与所述标尺光栅的长度方向垂直，所述线形感光芯片阵列的线形长度方向与标尺光栅的长度方向所成夹角角度与夹角θ互余。

其中，所述栅线在所述标尺光栅上斜向布置，所述线形感光芯片阵列的线形长度方向垂直于标尺光栅的长度方向。

其中，还包括照射方向朝向所述标尺光栅的栅线的辅助照明光源，所述辅助照明光源为平行均匀背景光源。

提供一种基于CMOS的光栅位移测量方法，采用如上所述测量系统进行测量，包括如下步骤：

S1.在照明光源的均匀背景光照射下，所述线阵CMOS图像传感器获取所述标尺光栅上N(N≥2)条栅线的像；

S2.所述数字信号处理系统对步骤S1中获得N条栅线的像进行图像二值化处理后，获得N条栅线像在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的像素感光芯片位置信息；

S3.对步骤S2获得各条栅线像的像素感光芯片位置信息单独进行加权处理操作，获得每条栅线像的感光芯片加权位置P-i(i＝1,2,3,..,N)，其中i按照栅线像在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列的出现位置顺次排序；

S4.通过步骤S2、S3获得测量起始位置处的N条栅线像的初始感光芯片加权位置P0_i(i＝1,2,3,..,N)；所述数字信号处理系统记录所述N个所述感光芯片加权位置P0_i(i＝1,2,3,..,N)作为测量区间端点，所述的N个测量区间端点将所述线阵CMOS图像传感器的线形感光阵列划分出N-1个测量区间Int_i(i＝1,2,3..,N-1)(相邻的两个测量区间端点之间部分为1个测量区间)；

S5.根据步骤S2-S3所获得的连续时刻点上N个栅线像的感光芯片加权位置在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的状态变化，获得栅线像的感光芯片加权位置在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的移动方向，并进而判断并获取所述线阵CMOS图像传感器与所述标尺光栅之间的相对运动方向；

S6.所述数字处理系统依据步骤S5获得栅线像的感光芯片加权位置CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的移动方向，检测所述栅线像的感光芯片加权位置在所述步骤S4所述测量区间中的移入移出状态；所述数字信号处理系统每检测到一次所述栅线像的感光芯片加权位置从所述步骤S4所述测量区间中移入移出，就触发一次其内部栅距计数器，并依据所述栅线像的感光芯片加权位置CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的移动方向不同，对所述内部栅距计数进行加1或减1操作；

S7.所述栅线像的感光芯片加权位置位于步骤S4所述测量区间中时，所述数字信号处理系统根据步骤S5获得的所述栅线像的感光芯片加权位置在所述感光芯片阵列上的移动方向选定步骤S4所述测量的某一侧的区间端点处的位置作为各个所述区间的测试基准位置，计算测试区间中部所述栅线像的感光芯片加权位置在N个测试区间上与各个所述区间的测试基准位置的相对距离；所述数字信号处理系统将所述相对距离与响应的各个区间长度相除后再与所述标尺光栅的栅距相乘，得到所述标尺光栅和所述线阵CMOS图像传感器之间的单位栅距内的细分位移量；

S8.所述数字信号处理系统将步骤S6中所述数字信号处理系统内部栅距计数器的计数值乘以单位栅距，并与步骤S7获得最终所述线阵CMOS图像传感器和所述标尺光栅之间的单位栅距内的细分位移量进行叠加，获得最终所述线阵CMOS图像传感器和所述标尺光栅之间的位移量。

其中，步骤S4中的所述线阵CMOS图像传感器将所述测量区间Int-i(i＝1,2,3..,N-1)区域设定为图像采集区域，不采集所述图像采集区域以外的感光芯片信号。

其中，步骤S6中所述数字信号处理系统在检测到一次所述栅线像的感光芯片加权位置从所述步骤S4所述测量区间中移入移出时，所述内部栅距计数器被触发时，会立即以当前时刻点处所述栅线像的感光芯片加权位置为初始感光芯片加权位置更新步骤S4中的所述N个所述感光芯片加权位置P0_i(i＝1,2,3,..,N)及相应的测量区间Int_i(i＝1,2,3..,N-1)。

本发明具有如下有益效果：

1.利用CMOS(互补金属氧化物半导体)感光芯片中像素可以直接定位的特点，直接获取栅线像对应的像素芯片位置，减少了图像处理耗费的时间，提高了位移测量速度；

2.所用的测试方法利用栅线像的感光芯片加权位置在测量区间的相对位置比例来获得位移测定量，避免了引入绝对测试基准等，可以有效的提高测试精度；

3.本发明的测试方法可以均化多条栅线的栅距误差，进一步提高测试精度。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是基于CMOS的光栅位移测量系统的结构示意图。

图2为光栅位移测量系统的实施例A示意图。

图3为图2中的A部分的局部放大图。

图4为实施例A正向运动时的测试原理图。

图5为实施例A反向运动时的测试原理图

图6为光栅位移测量系统的实施例B示意图。

图7为图6中的B部分的局部放大图

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为充分说明本发明，先对CMOS(互补金属氧化物半导体)感光芯片技术背景介绍：在CMOS芯片中，每个像素芯片中都放置了存储电荷的电容。当每个像素曝光时，这个电容器被光电电流充电。电容器中产生的电压与亮度和曝光时间成正比。不同于CCD芯片，因芯片曝光而由电容捕获的电子不会移位到单个输出放大器，而是会通过每个像素自己的关联电子电路直接转化为可测量的电压。然后，这个电压可用于模拟信号处理器。通过使用每像素额外的电子电路，每个像素都可以被定位，而无需CCD中的电荷移位。由此，对图像信息的读取速度远远高于CCD芯片，且因光晕和拖尾等过度曝光而产生的非自然现象的发生频率要低得多，也可能根本不会发生。

如图1所示，本发明所述的一种基于CMOS的光栅位移传感器主要由标尺光栅1、线阵CMOS图像传感器2、数字信号处理系统、辅助照明光源等组成。标尺光栅1上刻有平行等距栅线，且栅线所在平面与线阵CMOS图像传感器2的线形感光芯片阵列相对布置，即线形感光芯片阵列201的感光方向朝向所述栅线101，标尺光栅1可相对于线阵CMOS图像传感器2沿标尺光栅1的长度方向往复移动，即标尺光栅1与线阵CMOS图像传感器2在图1所示方向上相对移动，所述辅助照明光源为平行均匀背景光源，用于增强所述标尺光栅的栅线在所述线阵COMS图像传感器上的成像质量。

本发明的一种实施例A如图2和图3所示。在实施例A中，如图2所示，标尺光栅1上的栅线101长度方向垂直于标尺光栅1的长度方向。线阵CMOS图像传感器2上的线形感光芯片阵列长度方向与栅线长度方向之间存在一个夹角θ，确保至少有两条栅线101在线阵CMOS图像传感器2的线形感光芯片阵列201成像。如图3所示，栅线101在线阵CMOS图像传感器2的线形感光芯片阵列201上产生5个栅线像。其中，栅线像内的每个像素点都对应于线形感光芯片阵列201上的一个感光芯片，数字信号处理系统通过线阵CMOS图像传感器2获得每个栅线像所对应全体感光芯片的位置，并对每栅线像对应的感光芯片位置进行加权处理得到每个栅线像的感光芯片加权位置P_i(i＝1,2,3,4,5)，其中i按照栅线像位置由小到大排序。5个感光芯片加权位置P_i(i＝1,2,3,4,5)依次可以确定4个测量区间Int_i(i＝1,2,3,4)，其中Int_i＝[P_i,P_(i+1)](i＝1,2,3,4)。

根据标尺光栅1与线阵CMOS图像传感器2之间相对运动方向的不同，标尺光栅1的栅线像会在线形感光芯片阵列201上沿不同方向循环移动。选定初始运动时刻时栅线像的感光芯片加权位置为初始位置P0_i(i＝1,2,3,4,5)，并进而确定4个测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)。标尺光栅1与线阵CMOS图像传感器2沿相对运动时，将会有栅线像的感光芯片加权位置周期性移入4个测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)，同时也会有栅线像的感光芯片加权位置移出4个测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)。

数字信号处理系统通过检测栅线像的感光芯片加权位置在测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)的端点P0_i(i＝1,2,3,4,5)处的穿越方向状态来判断标尺光栅1与线阵CMOS图像传感器2之间的相对运动方向。数字信号处理系统每检测到一次栅线像的感光芯片加权位置越过测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)的端点P0_i(i＝1,2,3,4,5)时，便触发一次内部计数器COU-P。数字信号处理系统根据栅线像的感光芯片加权位置越过测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)的端点P0_i(i＝1,2,3,4,5)时的方向不同，对上述内部计数器COU-P进行加1(正向越过时)或减1(反向越过时)。

当栅线像的感光芯片加权位置分别位于测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)中间时，如图4和5所示。

图4中(I)、(II)、(III)、(IV)分别为标尺光栅1相对于线阵CMOS图像传感器2正向运动1单位栅距周期中的4个代表时刻点的栅线像在线形感光芯片阵列201上的位置状态示意图。其中(I)为周期起始时刻点的位置状态，(IV)为周期终止时刻点的位置状态，(II)、(III)为周期中间时刻点的位置状态。(I)时刻点处，数字信号系统将上一个移动周期终止时刻的5个栅线像的感光芯片加权位置作为初始位置P0_i(i＝1,2,3,4,5)，并确定4个测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)。数字信号处理系统根据栅线像的感光芯片加权位置的移动方向，选定P0_i(i＝1,2,3,4)作为本次运动过程的测量基准。(II)和(III)中间时刻点处的栅线像的感光芯片加权位置Ps_i(i＝1,2,3,4)、Ps’_i(i＝1,2,3,4)在区间Int0_i(i＝1,2,3,4)中的栅线像正向移动量为ds_i(i＝1,2,3,4)及ds’_i(i＝1,2,3,4)。移动量ds_i(i＝1,2,3,4)及ds’_i(i＝1,2,3,4)可以转换为标尺光栅1相对于线阵CMOS图像传感器2在(II)和(III)时刻点的位移量及d_i(i＝1,2,3,4)和d_i'(i＝1,2,3,4)的加权平均值为标尺光栅1相对于线阵CMOS图像传感器2在(II)和(III)时刻点的单位栅距内正向细分位移量。

图5中(I)、(II)、(III)、(IV)分别为标尺光栅1相对于线阵CMOS图像传感器2反向运动1单位栅距周期中的4个代表时刻点的栅线像在线形感光芯片阵列201上的位置状态示意图。其中(I)为周期起始时刻点的位置状态，(IV)为周期终止时刻点的位置状态，(II)、(III)为周期中间时刻点的位置状态。(I)时刻点处，数字信号系统将上一个移动周期终止时刻的5个栅线像的感光芯片加权位置作为初始位置P0_i(i＝1,2,3,4,5)，并确定4个测量区间Int0_i(i＝1,2,3,4)。数字信号处理系统根据栅线像的感光芯片加权位置的移动方向，选定P0_i(i＝2,3,4,5)作为本次运动过程的测量基准。(II)和(III)中间时刻点处的栅线像的感光芯片加权位置Ps_i(i＝2,3,4,5)、Ps’_i(i＝2,3,4,5)在区间Int0_i(i＝1,2,3,4)中的栅线像反向移动量为ds_i(i＝2,3,4,5)及ds’_i(i＝2,3,4,5)。移动量ds_i(i＝1,2,3,4)及ds’_i(i＝1,2,3,4)可以转换为标尺光栅1相对于线阵CMOS图像传感器2在(II)和(III)时刻点的位移量及d_i(i＝1,2,3,4)和d_i'(i＝1,2,3,4)的加权平均值为标尺光栅1相对于线阵CMOS图像传感器2在(II)和(III)时刻点的单位栅距内反向细分位移量。

数字信号处理系统将内部计数器COU-P的计数值乘以单位栅距，再与实时时刻点处的单位栅距内正向细分位移量(正向运动时)或单位栅距内反向细分位移量(反向运动时)求和，可以得到标尺光栅1和线阵CMOS图像传感器2的实时位移量。

本发明的另一种实施例B如图6和7所示。在实施例B中，如图6和局部放大图7所示，标尺光栅1上的栅线101长度方向与标尺光栅1的长度方向成1倾斜角θ，线阵CMOS图像传感器2上的线形感光芯片阵列长度方向垂直于标尺光栅1的测量长度方向。所述的倾斜角θ同时也是标尺光栅1上的栅线101长度方向与线阵CMOS图像传感器2上的线形感光芯片阵列长度方向之间的夹角。所述夹角θ确保至少有两条栅线101在线阵CMOS图像传感器2的线形感光芯片阵列201成像。如图7所示，栅线101在线阵CMOS图像传感器2的线形感光芯片阵列201上产生5个栅线像。其中，栅线像内的每个像素点都对应于线形感光芯片阵列201上的一个感光芯片，数字信号处理系统通过线阵CMOS图像传感器2获得每个栅线像所对应全体感光芯片的位置，并对每栅线像对应的感光芯片位置进行加权处理得到每个栅线像的感光芯片加权位置P_i(i＝1,2,3,4,5)，其中i按照栅线像位置由小到大排序。5个感光芯片加权位置P_i(i＝1,2,3,4,5)依次可以确定4个测量区间Int_i(i＝1,2,3,4)，其中Int_i＝[P_i,P_(i+1)](i＝1,2,3,4)。实施例B的位移量测定方法与实施例A相同。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于CMOS的光栅位移测量方法，采用基于CMOS的光栅位移测量系统进行测量，所述基于CMOS的光栅位移测量系统包括标尺光栅(1)、线阵CMOS图像传感器(2)、数字信号处理系统，所述标尺光栅(1)可相对于线阵CMOS图像传感器(2)沿标尺光栅(1)的长度方向往复移动，所述线阵CMOS图像传感器(2)与数字信号处理系统连接，所述标尺光栅(1)上刻有平行等距栅线(101)，所述线阵CMOS图形传感器设置有形成线形感光区域的线形感光芯片阵列(201)，所述线形感光芯片阵列(201)的感光方向朝向所述栅线(101)，所述线形感光芯片阵列(201)的线形长度方向与所述栅线(101)的长度方向存在夹角θ，以使同一时刻至少有两条栅线(101)在所述线阵CMOS图像传感器(2)的线形感光区域中成像，其特征在于：所述测量方法包括如下步骤：

S4.通过步骤S2、S3获得测量起始位置处的N条栅线像的初始感光芯片加权位置P0_i(i＝1,2,3,..,N)；所述数字信号处理系统记录所述N个所述感光芯片加权位置P0_i(i＝1,2,3,..,N)作为测量区间端点，所述的N个测量区间端点将所述线阵CMOS图像传感器的线形感光阵列划分出N-1个测量区间Int_i(i＝1,2,3..,N-1)，其中相邻的两个测量区间端点之间部分为1个测量区间；

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S4中的所述线阵CMOS图像传感器将所述测量区间Int-i(i＝1,2,3..,N-1)区域设定为图像采集区域，不采集所述图像采集区域以外的感光芯片信号。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：步骤S6中所述数字信号处理系统在检测到一次所述栅线像的感光芯片加权位置从所述步骤S4所述测量区间中移入移出时，所述内部栅距计数器被触发时，会立即以当前时刻点处所述栅线像的感光芯片加权位置为初始感光芯片加权位置更新步骤S4中的所述N个所述感光芯片加权位置P0_i(i＝1,2,3,..,N)及相应的测量区间Int_i(i＝1,2,3..,N-1)。

4.根据权利要求1或2或3所述的测量方法，其特征在于：所述基于CMOS的光栅位移测量系统的栅线(101)的长度方向与所述标尺光栅(1)的长度方向垂直，所述线形感光芯片阵列(201)的线形长度方向与标尺光栅(1)的长度方向所成夹角角度与夹角θ互余。

5.根据权利要求1或2或3所述的测量方法，其特征在于：所述基于CMOS的光栅位移测量系统的栅线(101)在所述标尺光栅(1)上斜向布置，所述线形感光芯片阵列(201)的线形长度方向垂直于标尺光栅(1)的长度方向。

6.根据权利要求1或2或3所述的测量方法，其特征在于：所述基于CMOS的光栅位移测量系统还包括照射方向朝向所述标尺光栅的栅线的辅助照明光源，所述辅助照明光源为平行均匀背景光源。