CN105606033B - 绝对式光栅尺、其主光栅及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了绝对式光栅尺、其主光栅及其测量方法，绝对式光栅尺包括主光栅和读数头部件，所述读数头部件包括增量位移测量单元，所述读数头部件还包括第一分光镜、掩膜板和参考位置光电探测器，所述主光栅上分布有若干个参考编码，任意相邻的两个参考编码之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码之间的距离不相同，所述第一分光镜用于将光源的光分成射向主光栅的光束和射向增量位移测量单元的光束，所述射向主光栅的光束经过所述掩膜板到达所述主光栅并被反射后，再次经过所述掩膜板后被所述参考位置光电探测器接收，所述掩膜板上设有与所述主光栅上的参考编码相对应的参考编码。本发明可用于精密加工和检测领域的精密测量环节。

Description

绝对式光栅尺、其主光栅及其测量方法

【技术领域】

本发明涉及测量领域，尤其涉及绝对式光栅尺、其主光栅及其测量方法。

【背景技术】

光栅尺的测距原理是利用参考光栅和测量光栅的±1级衍射光形成干涉条纹，当读数头沿测量光栅长度方向发生位移时，通过计数干涉条纹移动个数来解算增量位移，海德汉公司的光栅尺具有两种码道：增量码道和参考码道，这两种码道在空间上是分开的，即光栅尺中上面一条是参考码道，下面一条是增量码道，参考码道上设置有若干组参考编码，每次工作时，读数头只需移动很小一段距离便可找到开机所在的绝对位置。但是这种绝对式光栅尺目前只限于一维测距情形，这种结构的参考码道和增量码道不能够扩展至二维测距。

【发明内容】

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种新的绝对式光栅尺其主光栅及其测量方法。

一种绝对式光栅尺的主光栅，所述主光栅上分布有若干个参考编码，任意相邻的两个参考编码之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码之间的距离不相同。

一种绝对式光栅尺，包括主光栅和读数头部件，所述读数头部件包括增量位移测量单元，所述读数头部件还包括第一分光镜、掩膜板和参考位置光电探测器，所述主光栅上分布有若干个参考编码，任意相邻的两个参考编码之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码之间的距离不相同，所述第一分光镜用于将光源的光分成射向主光栅的光束和射向增量位移测量单元的光束，所述射向主光栅的光束经过所述掩膜板到达所述主光栅并被反射后，再次经过所述掩膜板后被所述参考位置光电探测器接收，所述掩膜板上设有与所述主光栅上的参考编码相对应的参考编码。

所述掩膜板上的参考编码与所述主光栅上的参考编码相同。

所述主光栅上的光栅栅距小于所述主光栅上的参考编码的线宽。

所述主光栅和参考光栅为反射式光栅。

所述掩膜板上的参考编码上分布有透光区域和不透光区域，所述掩膜板上除所述参考编码以外的区域为不透光区域。

一种采用所述绝对式光栅尺的测量方法，包括如下步骤：

S1、移动所述读数头部件，所述增量位移测量单元测量所述读数头部件从初始位置开始的相对所述主光栅移动的第一位移；

S2、当所述参考位置光电探测器检测到第一光脉冲时，记录所述读数头部件位于第一位置，当所述参考位置光电探测器检测到第二光脉冲时，记录所述读数头部件位于第二位置，所述增量位移测量单元计算所述读数头部件从所述第一位置到所述第二位置的相对于所述主光栅移动的第二位移；

S3、计算所述第一位移与第二位移的差，根据所述差对照主光栅上的相邻的两个参考编码之间的距离；

S4、确定所述读数头部件的初始位置的绝对位置。

本发明的有益效果是：

将参考码道与增量码道在空间上重合在一起，即将主光栅上的参考编码按照距离编码的设计分布在增量码道中，由于光栅周期远小于主光栅上的参考编码的线宽，因此在此增量码道上我们既能实现增量位移的测量，又能实现参考位置的判读，从而实现绝对位置的测量。目前，在一维光栅尺上已经实现将参考码道与增量码道的结合，在读数头部件中，由能量分光镜将激光二极管的发出的光分为两束，一束专门用来判读参考信号，另外一束专门用来测量增量位移。这就为绝对式光栅尺测距扩展到二维时的情形提供了可能。

【附图说明】

图1是本发明一种实施例的绝对式光栅尺的原理框图。

图2a是本发明一种实施例的主光栅的增量码道及其参考编码。

图2b是图2中的局部放大示意图。

图3是本发明一种实施例的读数头中掩膜板上的参考编码。

图4是本发明一种实施例的参考脉冲信号。

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

图1所示，一种实施例的绝对式光栅尺，包括主光栅15和读数头部件，所述读数头部件包括增量位移测量单元23和参考位置测量单元22，其中，参考位置测量单元22包括第一分光镜12、掩膜板13和参考位置光电探测器14，所述主光栅15上分布有若干个参考编码2。

所述第一分光镜12将光源11(例如激光二极管)的光分成两束激光：一束是射向主光栅的光束，另一束是射向增量位移测量单元23的光束，用于测量读数头相对于主光栅15移动的增量位移。所述射向主光栅的光束经过所述掩膜板13到达所述主光栅15，并被主光栅15反射后，再次经过所述掩膜板13后，透过第一分光镜12被所述参考位置光电探测器14接收。

增量位移测量单元23可以是现有技术常用的技术方案，用于测量读数头相对于主光栅15移动的增量位移。

所述掩膜板上设有与所述主光栅上的参考编码相对应的参考编码。

增量位移测量单元23包含了干涉光路，射向增量位移测量单元23的激光束又被第二分光镜16分为两束，一束射向参考光栅19，另一束射向主光栅15，其中参考光栅的+N级衍射光会与主光栅的+N级衍射光形成干涉条纹(例如参考光栅19的+1级衍射光经过反射镜24和第二分光镜16反射后，与参考光栅19的+1级衍射光经过反射镜20和第二分光镜16反射后的光束衍射)，参考光栅的-N级衍射光会与主光栅的-N级衍射光形成干涉条纹(例如参考光栅19的-1级衍射光经过反射镜21和第二分光镜16反射后，与参考光栅19的-1级衍射光经过反射镜25和第二分光镜16反射后的光束衍射)，当读数头沿主光栅长度方向发生位移时，由于多普勒效应，干涉条纹会发生明暗变化，每当读数头移动一个光栅周期时，干涉条纹便会发生一次明暗变化，光路中还放置有若干光电探测器17和光电探测器18，用于感应干涉条纹的光强变化，通过计数干涉条纹的明暗周期变化个数可以解算出读数头移动的增量位移。

如图2a所示，在主光栅15上设置有若干参考编码2，其余为光栅线纹，即增量码道1，在增量码道1上，等间距的光栅线纹的光栅周期为1um，光栅类型为反射式全息衍射光栅。在主光栅15上，任意相邻的两个参考编码2之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码之间的距离不相同，即参考编码2按照距离编码的设计方式分布在增量码道1上，此距离编码使得相邻两个参考编码间的距离为唯一确定的值。例如，某两个相邻的参考编码的距离为D₀+kδ，另两个相邻的参考编码的距离为D₀+(k+1)δ。在一个实施例中，在此主光栅15上，一共设置有13个参考编码2，其相邻两个参考编码之间的距离分别为：10.02mm、9.98mm、10.04mm、9.96mm、10.06mm、9.94mm、10.08mm、9.92mm、10.10mm、9.90mm、10.12mm、9.88mm。由于每两个参考编码之间的距离都是唯一确定的，每当读数头经过相邻的两个参考编码时，便可以计算出读数头初始所在的绝对位置。

假设读数头初始位置在a点，当读数头移动一段距离，经过其相邻两个参考编码3和参考编码4时，增量位移测量单元23可以计算出增量位移为x1；而在读数头到达参考编码3时，掩膜板13与参考编码3对齐，从掩膜板13透射出的光此时是一个光脉冲，此时参考位置光电探测器14能够检测到一个对应的参考脉冲信号，此时增量位移测量单元23开始计算距离x2；当读数头到达参考编码4时，掩膜板13与参考编码4对齐，从掩膜板13透射出的光此时是一个光脉冲，此时参考位置光电探测器14能够检测到一个对应的参考脉冲信号，至此增量位移测量单元23可以确定距离x2的值；由于主光栅上的参考编码是经过距离编码设计的，每两个之间都有确定的距离，因此通过计算出的距离x2便可以确定参考编码所处的绝对位置，通过x1-x2进而确定读数头初始所在a点的绝对位置。

在一个实施例中，主光栅上的参考编码如图2b所示，参考编码为枚举法所获得的随机编码，其数字编码为“1001010001000000110000001000101001”，由于主光栅为反射式全息光栅，利用其反射光生成参考信号，因此上述参考编码中“1”代表透光单元，即图中的区域6，0“代表”反光单元，即图中的区域5，在参考编码之外的区域均为反光单元。每位编码代表的线宽为10um。

读数头中的参考编码如图3所示，掩膜板上只有一组参考编码，其编码同主光栅上的参考编码一致，为“1001010001000000110000001000101001”，其中“1”代表透光单元，即图中区域8，入射光可以穿过此区域，“0”代表不透光单元，即图中的区域7，入射光不可以穿过此区域。在掩膜板上，除参考编码之外的区域均为不透光单元。每位编码代表的线宽为10um。

如图1所示，入射光首先穿过掩膜板，将光进行了第一次调制，之后调制过的光又射向主光栅上的参考编码区域被反射回掩膜板，这时光被第二次调制，最后光又再次穿过掩膜板13，进行第三次调制后被光电探测器所接收。在本实施例中主光栅15和参考光栅19采用的是反射式光栅，当掩膜板的参考编码与主光栅上的参考编码2完全对齐时，被探测器所接收到的光强最小，当掩膜板上的参考编码与主光栅上参考编码错开一位时，光强急剧变大，这样便可以形成一个负的参考脉冲信号用于参考位置的对准。若主光栅15和参考光栅19采用透射式光栅，当掩膜板的参考编码与主光栅上的参考编码2完全对齐时，被探测器所接收到的光强最大，当掩膜板上的参考编码与主光栅上参考编码错开一位时，光强急剧变小，这样便可以形成一个正的参考脉冲信号用于参考位置的对准。在一个实施例中，参考脉冲信号如图4所示，其中中间尖脉冲的宽度为20um，通过对其进行细分，可以实现零位信号0.5um的判别精度。

结合增量位移信号和零位脉冲信号，可以实现一维光栅尺的绝对位置测量，测量的精度可以达到0.5um，优于海德汉公司目前的一维绝对式光栅尺测量精度。更重要的意义在于，这种结构的一维绝对式光栅尺可以扩展到二维绝对式光栅尺，将参考编码按照距离编码的方式分布在二维光栅的两个维度上，为实现二维绝对式光栅测距提供了一种可能。

本发明可用于精密加工和检测领域的精密测量环节。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种绝对式光栅尺，包括主光栅和读数头部件，所述读数头部件包括增量位移测量单元，其特征是，所述读数头部件还包括第一分光镜、掩膜板和参考位置光电探测器，所述主光栅上分布有若干个参考编码，任意相邻的两个参考编码之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码之间的距离不相同，所述第一分光镜用于将光源的光分成射向主光栅的光束和射向增量位移测量单元的光束，所述射向主光栅的光束经过所述掩膜板到达所述主光栅并被反射后，再次经过所述掩膜板后被所述参考位置光电探测器接收，所述掩膜板上设有与所述主光栅上的参考编码相对应的参考编码。

2.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，所述掩膜板上的参考编码与所述主光栅上的参考编码相同。

3.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，所述主光栅上的光栅栅距小于所述主光栅上的参考编码的线宽。

4.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，

所述主光栅和参考光栅为反射式光栅。

5.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，

所述掩膜板上的参考编码上分布有透光区域和不透光区域，所述掩膜板上除所述参考编码以外的区域为不透光区域。

6.一种采用如权利要求1所述绝对式光栅尺的测量方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、移动所述读数头部件，所述增量位移测量单元测量所述读数头部件从初始位置开始的相对所述主光栅移动的第一位移；

S2、当所述参考位置光电探测器检测到第一光脉冲时，记录所述读数头部件位于第一位置，当所述参考位置光电探测器检测到第二光脉冲时，记录所述读数头部件位于第二位置，所述增量位移测量单元计算所述读数头部件从所述第一位置到所述第二位置的相对于所述主光栅移动的第二位移；

S3、计算所述第一位移与第二位移的差，根据所述差对照主光栅上的相邻的两个参考编码之间的距离；

S4、确定所述读数头部件的初始位置的绝对位置。