CN106500606B - 一种多码道光栅尺 - Google Patents

Abstract

一种多码道光栅尺、测量设备及数据处理方法，该光栅尺包括第一光栅码道、第二光栅码道、线性渐变滤光片码道、两个光栅读数头以及渐变片读数头，三个码道相互平行并列，两个光栅读数头对应于第一、第二光栅码道而设置，渐变片读数头对应于线性渐变滤光片码道而设置，三个码道设置成沿长度方向水平移动，两个光栅读数头和渐变片读数头保持固定，并分别使用波长为λ的激光对第一光栅码道、第二光栅码道和线性渐变滤光片码道进行探测，其中光栅读数头获取光栅尺的位移‑干涉相位信息，渐变片读数头获取渐变片的位移‑反射光强度信息。本发明在保证测量精度和量程的同时大幅降低了绝对式光栅尺的系统复杂程度和成本。

Description

一种多码道光栅尺

技术领域

本发明涉及光栅尺测量领域，尤其涉及一种多码道光栅尺。

背景技术

光栅尺是精密测量、精密加工中的重要测量工具，光栅作为光栅尺的关键部件，在测量中起参考刻度的作用。绝对式光栅尺在测量前不需要大范围移动归零，在测量过程中可以实时提供绝对位移信息，并且累积误差很小，是光栅尺技术的发展趋势。

在现有的技术方案中，绝对式光栅尺一般为带参考点的光栅式，通过对量程内若干个分立的参考点的检测，实现绝对位移的测量。这种原理的光栅尺严格来说是“准绝对”光栅尺，即光栅尺在经过一段位移检测到某个参考点后才能输出绝对位移，而不是开机即可立即输出绝对位移。此外，这种光栅尺的精度取决于参考点检测的精度，而参考点的检测精度一般比光栅尺增量部分的分辨率低得多，在一定意义上浪费了光栅尺的精密测量能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种多码道光栅尺、一种多码道光栅尺测量设备及一种多码道光栅尺数据处理方法，可实现大量程的高精度绝对位移实时测量，在保证测量精度和量程的同时大幅降低绝对式光栅尺的系统复杂程度和成本。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多码道光栅尺，包括第一光栅码道、第二光栅码道、线性渐变滤光片码道、两个光栅读数头以及渐变片读数头，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道与所述线性渐变滤光片码道相互平行并列，所述两个光栅读数头对应于所述第一光栅码道和所述第二光栅码道而设置，所述渐变片读数头对应于所述线性渐变滤光片码道而设置，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道设置成沿长度方向水平移动，所述两个光栅读数头和所述渐变片读数头保持固定，并分别使用波长为λ的激光对所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道进行探测，其中所述光栅读数头获取光栅尺的位移-干涉相位信息，所述渐变片读数头获取所述渐变片的位移-反射光强度信息。

进一步地：

所述第一光栅码道和所述第二光栅码道为一维反射式光栅，光栅周期分别λ₁和λ₂，两光栅周期λ₁≈λ₂且具有恒定的光栅周期差。

所述线性渐变滤光片码道包括相贴合设置的反射镜和线性滤光片，所述反射镜的反射率与沿长度方向的位置呈确定的线性关系。

所述光栅读数头为干涉式光栅尺读数头。

一种多码道光栅尺测量设备，包括所述的光栅尺以及数据处理计算机，所述数据处理计算机用于对所述光栅读数头和所述渐变片读数头获取的信息进行处理以实现绝对位移的测量。

一种多码道光栅尺数据处理方法，基于所述的光栅尺获取的信息进行数据处理，所述数据处理方法定义有以下参数：合成波长λ_S，绝对位移x，第一光栅尺码道干涉信号相位

第二光栅尺码道干涉信号相位

相位差

相位细分精度K倍，线性渐变滤光片码道反射光强度I，满足：I＝ax，其中a为线性系数；

所述合成波长为：

所述相位差

光栅尺的绝对位置计算使用逐级细化的方法，包含下列步骤：

1)根据线性渐变滤光片码道的反射光强初步判断绝对位置x所处的区间[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S],其中

为一级细分的整数部分；

2)根据相位差

来对合成波长区间[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S]进行一级相位细分，得到绝对位置

3)根据第一或第二光栅码道干涉信号相位

或

进行级间过渡，对于第一光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k₁λ_S+k₂λ₁,k₁λ_S+(k₂+1)λ₁]，对于第二光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]，其中

为二级细分的整数部分；

4)根据相位差

来对合成波长区间[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]进行二级相位细分，最终得到准确绝对位置

进一步地，线性渐变滤光片码道反射光强度检测误差ΔI≤aλ_S，相位细分精度

采用本发明提出的多码道光栅尺数据及处理方法能够得到高精度的绝对位移信息。基于本发明提出的多码道光栅尺，通过本发明提出的方法，使用三个简单的码道即可实现大量程的高精度绝对位移实时测量，在保证测量精度和量程的同时大幅降低了绝对式光栅尺的系统复杂程度和成本。

与现有技术相比，本发明提出的多码道光栅尺，可以不借助复杂的多码道编码或绝对位置参考点而实现绝对位移的测量，绝对位移的测量精度达到所述增量式光栅尺码道的精度级别，并且结构简单可靠，成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例的多码道光栅尺结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

参阅图1，一种多码道光栅尺，包括第一光栅码道G1、第二光栅码道G2、线性渐变滤光片码道A、两个光栅读数头R1、R2以及渐变片读数头R3，所述第一光栅码道G1、所述第二光栅码道G2与所述线性渐变滤光片码道A相互平行并列，所述两个光栅读数头R1、R2对应于所述第一光栅码道G1和所述第二光栅码道G2而设置，所述渐变片读数头R3对应于所述线性渐变滤光片码道A而设置，所述第一光栅码道G1、所述第二光栅码道G2和所述线性渐变滤光片码道A设置成沿长度方向水平移动，所述两个光栅读数头R1、R2和所述渐变片读数头R3保持固定，并分别使用波长为λ的激光对所述第一光栅码道G1、所述第二光栅码道G2和所述线性渐变滤光片码道A进行探测，其中所述光栅读数头R1、R2获取光栅尺的位移-干涉相位信息，所述渐变片读数头R3获取所述渐变片的位移-反射光强度信息。

在优选的实施例中，所述第一光栅码道G1和所述第二光栅码道G2为一维反射式光栅，光栅周期分别λ₁和λ₂，两光栅周期λ₁≈λ₂且具有恒定的光栅周期差。

在优选的实施例中，所述线性渐变滤光片码道A包括相贴合设置的反射镜和线性滤光片，所述反射镜的反射率与沿长度方向的位置呈确定的线性关系。

在优选的实施例中，所述光栅读数头R1、R2为干涉式光栅尺读数头。

一种多码道光栅尺测量设备，包括所述的光栅尺以及数据处理计算机C，所述数据处理计算机C用于对所述光栅读数头R1、R2和所述渐变片读数头R3获取的信息进行处理以实现绝对位移的测量。

根据本发明实施例的多码道光栅尺，可以通过三个相互平行并列的码道实现任意长度的一维绝对位移测量。通过逐级细分的方法求取绝对位移，并且绝对位移的求取精度完全达到增量光栅的自身的精度等级，完全发挥了增量光栅尺原本的优势，并且克服了其无法直接给出绝对位移的缺点。

在一种优选的实施例中，一种多码道光栅尺数据处理方法，基于前述任一实施例的光栅尺获取的信息进行数据处理，根据所述多码道光栅尺结构，所述方法定义以下参数：合成波长λ_S，绝对位移x，第一光栅尺码道干涉信号相位

第二光栅尺码道干涉信号相位

相位差

相位细分精度K倍，线性渐变滤光片码道反射光强度I，满足：I＝ax，其中a为线性系数。

其中，所述合成波长

所述相位差

所述线性渐变滤光片码道反射光强度检测误差ΔI≤aλ_S；

所述相位细分精度

所述的多码道光栅尺绝对位置计算的逐级细化的方法，包含下列步骤：

1)根据线性渐变滤光片码道的反射光强初步判断绝对位置x所处的区间[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S],其中

为一级细分的整数部分；

2)根据相位差

来对合成波长区间[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S]进行一级相位细分，得到绝对位置

3)根据第一或第二光栅码道干涉信号相位

或

进行级间过渡，对于第一光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k₁λ_S+k₂λ₁,k₁λ_S+(k₂+1)λ₁]，对于第二光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]，其中

为二级细分的整数部分。

4)根据相位差

来对合成波长区间[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]进行二级相位细分，最终得到准确绝对位置

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，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多码道光栅尺数据处理方法，其特征在于，所述多码道光栅尺包括第一光栅码道、第二光栅码道、线性渐变滤光片码道、两个光栅读数头以及渐变片读数头，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道与所述线性渐变滤光片码道相互平行并列，所述两个光栅读数头对应于所述第一光栅码道和所述第二光栅码道而设置，所述渐变片读数头对应于所述线性渐变滤光片码道而设置，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道设置成沿长度方向水平移动，所述两个光栅读数头和所述渐变片读数头保持固定，并分别使用波长为λ的激光对所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道进行探测，其中所述光栅读数头获取光栅尺的位移-干涉相位信息，所述渐变片读数头获取线性渐变滤光片码道 的位移-反射光强度信息；所述方法包括：

基于所述的光栅尺获取的信息进行数据处理，所述数据处理方法定义有以下参数：合成波长λ_S，绝对位移x，第一光栅尺码道干涉信号相位

第二光栅尺码道干涉信号相位

相位差

相位细分精度K倍，线性渐变滤光片码道反射光强度I，满足：I＝ax，其中a为线性系数；

所述合成波长为：

所述相位差

光栅尺的绝对位置计算使用逐级细化的方法，包含下列步骤：

1)根据线性渐变滤光片码道的反射光强初步判断绝对位置x所处的区间[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S],其中

为一级细分的整数部分；

2)根据相位差Δ

来对合成波长区间[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S]进行一级相位细分，得到绝对位置

3)根据第一或第二光栅码道干涉信号相位

或

进行级间过渡，对于第一光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k₁λ_S+k₂λ₁，k₁λ_S+(k₂+1)λ₁]，对于第二光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k₁λ_S+k₂λ₂，k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]，其中

为二级细分的整数部分；

4)根据相位差

来对合成波长区间[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]进行二级相位细分，最终得到准确绝对位置

2.根据权利要求1所述的多码道光栅尺数据处理方法，其特征在于，所述第一光栅码道和所述第二光栅码道为一维反射式光栅，光栅周期分别λ₁和λ₂，两光栅周期λ₁≈λ₂且具有恒定的光栅周期差。

3.根据权利要求1所述的多码道光栅尺数据处理方法，其特征在于，所述线性渐变滤光片码道包括相贴合设置的反射镜和线性滤光片，所述反射镜的反射率与沿长度方向的位置呈确定的线性关系。

4.根据权利要求1至3任一项所述的多码道光栅尺数据处理方法，其特征在于，所述光栅读数头为干涉式光栅尺读数头。

5.根据权利要求1所述的多码道光栅尺数据处理方法，其特征在于，线性渐变滤光片码道反射光强度检测误差ΔI≤aλ_S，相位细分精度

Images