CN105758435A - 一种绝对式光栅尺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了绝对式光栅尺，其中，主光栅上分布有若干个参考编码道，任意相邻的两个参考编码道之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码道之间的距离不相同，第一分光镜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，射向主光栅的光束经过掩膜板到达主光栅并被反射后，再次经过掩膜板后被参考位置光电探测器接收，掩膜板上设有与参考编码道相同的编码道，掩膜板的位置设置成：掩模版绕θx方向倾斜一个小的角度，使得射向掩膜板的光束被掩膜板反射后不被参考位置光电探测器接收。本发明可以增强参考信号对比度，实现0.6μm的参考点定位精度。

Description

一种绝对式光栅尺
【技术领域】
本发明涉及测量领域，尤其涉及一种绝对式光栅尺。
【背景技术】
绝对式光栅尺的主光栅上拥有两条码道，一条增量码道上刻有等间距的光栅线纹用于增量位移的测量，另一条码道上刻有若干参考点标记，用于光栅尺开机时参考点的定位，结合增量位移测量和参考点的定位即可实现光栅尺的绝对测量，目前市场上的大部分光栅尺产品读数头采用反射式测量方式，得到的参考点信号为负脉冲信号，因此尖峰处的信号强度往往很低，这时轻微的外界光信号的干扰便会使得信号的对比度变的很差，不易于参考点的精确定位。
【发明内容】
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种绝对式光栅尺，以有效增强参考信号的对比度。
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道，任意相邻的两个参考编码道之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码道之间的距离不相同，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参考编码道相同的编码道，所述掩膜板的位置设置成：射向所述掩膜板的光束被所述掩膜板反射后不被所述参考位置光电探测器接收。
优选地，
射向所述掩膜板的光束与所述掩膜板的法线之间具有一个锐角夹角，即在掩膜板与主光栅平行下，掩膜板绕图2中的θx方向转动一个角度从而使射向所述掩膜板的光束与所述掩膜板的法线之间具有一个锐角夹角。
为了提高脉冲信号的对比度，将读数头中的掩膜板绕与狭缝垂直的方向略微旋转一个小的角度，这样既可以保证光束穿过掩膜板后的光场分布与之前一致，又可以使掩膜板本身反射回的光偏离，不被光电探测器所接收，有效地增强脉冲信号的对比度，提高参考位置(参考编码)的判别精度。
优选地，
所述锐角夹角小于5°。
优选地，
所述掩膜板上的编码道上分布有透光单元和反光单元。
优选地，
射向所述掩膜板的光束大小大于所述掩膜板上的编码道的宽度。
优选地，
所述编码道的编码为：
0110000100000000100110000110100000001000000000011001000000100000000101000001100010000001001000001110，其中，1代表透光单元，0代表反光单元。
优选地，
每个透光单元和每个反光单元的宽度为10μm。
利用脉冲信号的尖峰即可实现参考位置的对齐，脉冲信号的尖峰宽度与编码的线宽成正比，这里使用的编码线宽为10μm，得到的尖峰宽度为26μm，可以实现0.6μm精度的参考点定位。
所述的编码是考虑了衍射效应后的仿真设计结果，虽然最小的狭缝宽度为10μm，远远大于波长660nm，但是微小的衍射效应便可极大的削弱参考信号的尖脉冲，因此必须考虑衍射效应对其的影响，在此种光路结构中，光束经过读数头中掩膜板后发生第一次衍射，将此种衍射近似为菲涅尔衍射进行处理，当光束到达主光栅上的参考点区域时，反射光将发生第二次菲涅尔衍射，当反射回读数头中的掩膜板后，将第二次菲涅尔衍射的光场与掩膜板的狭缝结构做互相关即可得到脉冲信号波形，用于参考点的定位。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：1、倾斜放置的掩膜板可以将其自身的光反射到光电探测器之外，增强参考信号对比度，提高参考点的定位精度。2、考虑了衍射效应后仿真设计出100位随机编码，可以得到尖锐的脉冲信号，其尖端宽度为26μm，可以实现0.6μm的参考点定位精度。
【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2是图1的局部示意图
图3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4是本发明一种实施例的读数头中掩膜板上的编码道
图5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和2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道2。
光源11(例如激光二极管)发出红光660nm波长激光L0，经过准直透镜准直为平行光束，之后经过一个孔径光阑，将光束整形为直径为1.2mm的光束，所述第一分光镜(能量分光镜)12将光源11的光分成两束激光：一束转折90°后射向主光栅15，另一束透过第一分光镜12射向增量位移测量单元23，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L1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(光束L2)，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13上设有与所述参考编码道相对应的编码道，由一系列透光单元8(如图4中的白色狭缝)与不透光单元7(如图4中的黑色线纹)组成。
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3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1μm，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道2之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码道之间的距离不相同，即参考编码道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。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13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13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13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。
如图1和2所示，入射光首先穿过掩膜板，将光进行了第一次调制，所述掩膜板13上的编码道可以将入射光束调制为明暗相间的条纹状光束，之后调制过的条纹状光束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。当掩膜板与主光栅15发生相对位移时，被光电探测器所接收的光强也会发生变化，这相当于对掩膜板自身的编码结构做自相关，当掩膜板的编码道与主光栅上的相同的参考编码2完全对齐时相关度最大，被探测器所接收到的光强最小，当掩膜板上的编码道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。如图5所示，当掩膜板与主光栅上的参考点完全对齐时，此时探测器上接收的光强理论上为0，即对应脉冲信号的尖峰W2，利用这个尖峰值实现参考编码的定位。
如图3所示，参考脉冲信号的尖峰是一个极小的光强，因此很小的外界光对探测器的干扰便会严重影响到参考信号的对比度，实际使用中，掩膜板材料往往是玻璃纤维，即使在其表面镀有防反射材料，也不能杜绝其反射效应，这样掩膜板自身便会反射一部分光进入探测器之中，这就相当于给参考脉冲信号整体叠加了一个直流分量，使其对比度大打折扣，影响到参考编码的定位精度，此时将掩膜板绕与狭缝垂直的方向旋转一个小的角度(<5°)，将自身反射的光反射到探测器之外的区域，可以增强光强信号的对比度，提高参考编码的定位精度。
在一个实施例中，掩膜板上的码道的编码位数为100，线宽为10μm，其中透光单元8有23个，不透光单元7有77个，如图2所示，因此总的宽度为1mm，光束直径1.2mm，可以覆盖1mm的区域。在此方案中，10μm宽度的狭缝远大于所用激光波长660nm，只会产生很小的衍射效应，但由于参考脉冲的尖峰处信号非常微弱，小的衍射效应即可将信号掩膜在噪声之中，因此编码的设计考虑了衍射效应对其的影响。使用枚举法设计了100位的编码结构，具体编码为：“0110000100000000100110000110100000001000000000011001000000100000000101000001100010000001001000001110”，具有尖锐的脉冲信号，其尖峰的宽度W1为26μm，经过电路细分，可以实现0.6μm的参考点定位精度。
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 (7)

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道，任意相邻的两个参考编码道之间的距离与其余任意相邻的两个参考编码道之间的距离不相同，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参考编码道相同的编码道，所述掩膜板的位置设置成：射向所述掩膜板的光束被所述掩膜板反射后不被所述参考位置光电探测器接收。
2.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，
射向所述掩膜板的光束与所述掩膜板的法线之间具有一个锐角夹角。
3.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，
所述锐角夹角小于5°。
4.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，
所述掩膜板上的编码道上分布有透光单元和反光单元。
5.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，射向所述掩膜板的光束大小大于所述掩膜板上的编码道的宽度。
6.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征是，所述编码道的编码为：
0110000100000000100110000110100000001000000000011001000000100000000101000001100010000001001000001110，其中，1代表透光单元，0代表反光单元。
7.如权利要求6所述的绝对式光栅尺，其特征是，每个透光单元和每个反光单元的宽度为10μm。
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