CN108007359A - 一种绝对式光栅尺及位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种绝对式光栅尺及位移测量方法。绝对式光栅尺包括光源、透镜组、信号处理器及图像传感器阵列。透镜组将光源出射的光束进行准直和聚焦后，出射至图像传感器阵列；图像传感器阵列采集光信息，并将光信息转化为电信息发送至信号处理模块；信号处理器对电信息进行模数转化，得到图像传感器阵列中各光敏元的灰度值，并从各灰度值中选取最大灰度值，最大灰度值对应的目标光敏元位置为目标光斑位置；根据预存的图像传感器排列顺序及各图像传感器中各光敏元的编排信息，获取目标光敏元位置值，根据目标光敏元位置值计算目标光斑的绝对位置测量值。本申请利用图像传感器阵列代替绝对码道，节省了制造成本，提高了测量精度和响应速度。

Description

一种绝对式光栅尺及位移测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种绝对式光栅尺及位移测量方法。

背景技术

随着光学技术的发展，光学测量技术也得到了快速的发展。由于绝对式光栅尺不需要寻找参考原点，在断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量，无需进行归零，绝对式光栅尺作为位置测量工具在机械加工业中的应用越来越广，而绝对式光栅尺的性能直接影响机械加工质量。

绝对式光栅尺可分为绝对式圆光栅和绝对式光栅尺，前者是用来检测回转体运动状态的光栅尺，后者是用来检测直线位移的光栅尺。绝对式光栅尺包括刻有绝对码道的光栅、光源、光电探测器及透镜组。由发光光源发出的光束透过光栅照射到光电传感器的光敏元件上，光电图像传感器采集绝对码道的光栅信号，然后经过模数转换、二值化、解码等处理，将采集到的光强度转化为相应的电信号，为了增强数据的准确性，可在光源后和光电传感器前增设透镜。

现有的绝对式光栅尺都具有绝对码道光栅，而绝对码道光栅的制作误差直接导致了整个绝对式光栅尺的测量精度，进而影响整个机械加工质量；此外，光电图像传感器对采集到的绝对码道的光栅信号后，需要经过模数转换、二值化、解码等处理，信号处理的时间周期长，导致测量时间较长，响应速度不高。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种绝对式光栅尺及位移测量方法，提高了绝对光栅尺的测量精度和响应速度。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例提供了一种绝对式光栅尺，包括读数头和光栅主尺；所述读数头包括光源、透镜组及信号处理器；所述光栅主尺为图像传感器阵列；

其中，所述透镜组用于将所述光源出射的测量光束进行准直和聚焦后，出射至所述图像传感器阵列，聚焦后的目标光斑直径小于图像传感器的光敏元中心距；

所述图像传感器阵列用于采集所述测量光束的光信息，并将所述光信息转化为电信息发送至所述信号处理器；

所述信号处理器用于对所述电信息进行模数转化，以得到所述图像传感器阵列中各光敏元的灰度值，并从各灰度值中选取最大灰度值，所述最大灰度值对应的目标光敏元位置为所述目标光斑位置；根据预存的图像传感器排列顺序及每个图像传感器中各光敏元的编排信息，获取所述目标光敏元位置值，根据所述目标光敏元位置值计算所述目标光斑的绝对位置测量值。

可选的，所述根据所述目标光敏元位置值计算所述目标光斑的绝对位置测量值包括：

获取所述图像传感器阵列的光敏元像素中心距；

根据下述公式计算所述目标光斑的绝对位置测量值：

s＝x_i*d；

式中，s为所述目标光斑的绝对位置测量值；d为光敏元像素中心距；x_i为所述目标光敏元位置值。

可选的，所述光源为红外光源。

可选的，所述图像传感器阵列为线阵图像传感器。

可选的，所述图像传感器阵列为线阵CCD图像传感器或线阵CMOS图像传感器。

可选的，所述透镜组包括准直镜和聚焦透镜。

可选的，还包括：

滤波器，分别与所述图像传感器阵列和所述信号处理器相连，用于滤除所述电信息中的噪声。

可选的，还包括：

显示器，用于向用户展示所述信号处理器计算得到的目标光斑的绝对位置测量值。

本发明实施例还提供了一种位移测量方法，包括：

获取图像传感器阵列采集的待测物体的移动测量信息；

对所述移动测量信息进行模数转化，以得到所述图像传感器阵列中各光敏元的灰度值；

从各灰度值中选取最大灰度值，所述最大灰度值对应的目标光敏元位置为目标光斑位置；

根据预存的图像传感器排列顺序及每个图像传感器中各光敏元的编排信息，获取所述目标光敏元位置值；

根据所述目标光敏元位置值计算所述目标光斑的绝对位置测量值；

其中，所述图像传感器阵列设置在待测物体上，所述移动测量信息为在所述待测物体移动过程中，光源出射的光束经透镜组准直聚焦后入射至所述图像传感器阵列，并由所述图像传感器阵列将采集的光信息转化的电信息。

可选的，所述根据所述目标光敏元位置值计算所述目标光斑的绝对位置测量值包括：

获取所述图像传感器的光敏元像素中心距；

根据下述公式计算所述目标光斑的绝对位置测量值：

s＝x_i*d；

式中，s为所述目标光斑的绝对位置测量值；d为光敏元像素中心距；x_i为所述目标光敏元位置值。

本发明实施例提供了一种绝对式光栅尺，包括光源、透镜组、信号处理器及图像传感器阵列；透镜组用于将光源出射的测量光束进行准直和聚焦后，出射至图像传感器阵列，聚焦后的目标光斑直径小于图像传感器的光敏元中心距；图像传感器阵列用于采集测量光束的光信息，并将光信息转化为电信息发送至信号处理模块；信号处理器用于对电信息进行模数转化，以得到图像传感器阵列中各光敏元的灰度值，并从各灰度值中选取最大灰度值，最大灰度值对应的目标光敏元位置为目标光斑位置；根据预存的图像传感器排列顺序及每个图像传感器中各光敏元的编排信息，获取目标光敏元位置值，根据目标光敏元位置值计算目标光斑的绝对位置测量值。

本申请技术方案提供的绝对式光栅尺，图像传感器阵列不仅作为光电信号转化器件，还替代传统绝对光栅尺的绝对码道，从而省去了绝对码道的光栅，有效的避免了由于绝对码道光栅制作误差影响绝对光栅尺整个测量精度，不仅降低了制作成本，还有利于提升绝对光栅尺的测量精度；此外，由于图像传感器阵列作为绝对码道使用，不需要依次将采集到绝对码道光栅信号进行模数转换、二值化、解码等处理后才能得到绝对位置测量值，直接经过模数转换和比较灰度值后便可得到绝对位置测量值，信号处理的时间周期相对较短，减少了信号处理时间，从而提高了绝对式光栅尺的测量响应速度。

此外，本发明实施例还针对绝对式光栅尺提供了相对应的位移测量方法，进一步使得所述绝对式光栅尺更具有可行性和实用性，所述方法具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的绝对式光栅尺的一种具体实施方式的结构框图；

图2为本发明实施例提供的信号处理器的信号处理流程示意图；

图3为本发明实施例提供的绝对式光栅尺的另一种具体实施方式的结构框图；

图4为本发明实施例提供的绝对式光栅尺的再一种具体实施方式的结构框图；

图5为本发明实施例提供的一种位移测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种具体实施方式下绝对式光栅尺的结构框图。

绝对式光栅尺可包括读数头1和光栅主尺2。

读数头1包括光源11、透镜组12及信号处理器13。

光源11用于出射预设波长的测量光束至光栅主尺2，光源11在透镜组的调节作用下，使得光源发射出射的光线准直后，聚焦至光栅主尺2上，聚焦后的目标光斑直径小于图像传感器的光敏元中心距。透镜组也可包括两个透镜，例如准直镜和聚焦透镜，当然，也可为其他起聚焦作用的单聚焦透镜或透镜组本申请对此不做任何限定。

为避免普通可见光容易受外界干扰的情况，光源可为红外光源，可避免场景周边环境的自然光线干扰，保证测量的稳定性和可靠性。

光栅主尺2可为图像传感器阵列21。

图像传感器阵列21可为面阵图像传感器阵列，也可为线阵图像传感器阵列，考虑到后续处理的数据量以及响应速度，优选的，可采用线阵图像传感器。

图像传感器阵列21可为线阵CCD图像传感器或线阵CMOS图像传感器，当然，也可为其他类型的图像传感器，本申请对此不做任何限定。

图像传感器阵列21在本申请中代替的现有技术中绝对码道，用于采集测量光束的光信息，并将光信息转化为电信息发送至信号处理器13。

信号处理器13的信号处理流程示意图请参阅图2所示，信号处理器13用于对电信息进行模数转化，以得到图像传感器阵列中各光敏元的灰度值，并从各灰度值中选取最大灰度值，最大灰度值对应的目标光敏元位置为目标光斑位置；根据预存的图像传感器排列顺序及每个图像传感器中各光敏元的编排信息，获取目标光敏元位置值，根据目标光敏元位置值计算目标光斑的绝对位置测量值。

根据目标光敏元位置值计算目标光斑的绝对位置测量值具体可包括：

获取图像传感器阵列的光敏元像素中心距；

根据下述公式计算目标光斑的绝对位置测量值：

s＝x_i*d；

式中，s为目标光斑的绝对位置测量值；d为光敏元像素中心距；x_i为目标光敏元位置值。

为了更好的理解本申请技术方案的思想与原理，以下以具体的一种应用场景进行对本发明实施例所提供的技术方案进行阐述，请参阅图3，图3为该示意性例子的系统结构示意图，具体可包括：

绝对式光栅尺可包括红外光源31、准直镜32、聚焦透镜33、线阵图像传感器34和信号处理器35，光敏元341为线阵图像传感器34上的最小像素单元。红外光源31出射的光束，经过准直镜32后变为平行光，平行光经过聚焦透镜23后在焦点f处聚焦形成光斑(光斑直径小于光敏元中心距)，此时，位于焦点处的线阵图像传感器34上的光敏元341采集到该光斑。线阵图像传感器34将采集到光信号传递到信号处理器35中进行处理，在信号处理器35中经过模数转换后得到每个光敏元处的灰度值，灰度值最大的光敏元就是当前光斑所处的位置，即绝对位置测量值。设灰度值最大光敏元为位置为x_i，则此时对应的绝对位置测量值s为s＝x_i*d，d为线阵图像传感器的光敏元像素中心距。

在本发明实施例提供的技术方案中，图像传感器阵列不仅作为光电信号转化器件，还替代传统绝对光栅尺的绝对码道，从而省去了绝对码道的光栅，有效的避免了由于绝对码道光栅制作误差影响绝对光栅尺整个测量精度，不仅降低了制作成本，还有利于提升绝对光栅尺的测量精度；此外，由于图像传感器阵列作为绝对码道使用，不需要依次将采集到绝对码道光栅信号进行模数转换、二值化、解码等处理后才能得到绝对位置测量值，直接经过模数转换和比较灰度值后便可得到绝对位置测量值，信号处理的时间周期相对较短，减少了信号处理时间，从而提高了绝对式光栅尺的测量响应速度。

基于上述实施例，请参阅图4，本申请还提供了另外一个实施例，绝对式光栅尺例如还可以包括：

滤波器3，分别与所述图像传感器阵列和所述信号处理器相连，用于滤除所述电信息中的噪声。

滤波器3用于滤除背景噪声及其他干扰因素，有利于提升数据处理的准确度，以输出精确和可靠的位置信号，提升绝对式光栅尺测量的准确性和可靠性。

还可包括：

显示器4，用于向用户展示计算得到的绝对位置测量值。

通过对绝对位置测量值进行显示，有利于提升用户的使用体验。

本发明实施例还针对绝对式光栅尺提供了相对应的位移测量方法，进一步使得所述绝对式光栅尺更具有可行性。下面对本发明实施例提供的位移测量方法进行介绍，下文描述的位移测量方法与上文描述的绝对式光栅尺可相互对应参照。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种位移测量方法的流程示意图，该方法可包括：

S501：获取图像传感器阵列采集的待测物体的移动测量信息。

S502：对移动测量信息进行模数转化，以得到图像传感器阵列中各光敏元的灰度值。

S503：从各灰度值中选取最大灰度值，最大灰度值对应的目标光敏元位置为目标光斑位置。

S504：根据预存的图像传感器排列顺序及每个图像传感器中各光敏元的编排信息，获取目标光敏元位置值。

S505：根据目标光敏元位置值计算目标光斑的绝对位置测量值。

图像传感器阵列设置在待测物体上，移动测量信息为在待测物体移动过程中，光源出射的光束经透镜组准直聚焦后入射至图像传感器阵列，并由图像传感器阵列将采集的光信息转化的电信息。

优选的，在一种具体的实施方式下，根据目标光敏元位置值计算目标光斑的绝对位置测量值具体过程可包括：

获取图像传感器阵列的光敏元像素中心距；

根据下述公式计算目标光斑的绝对位置测量值：

s＝x_i*d；

式中，s为目标光斑的绝对位置测量值；d为光敏元像素中心距；x_i为目标光敏元位置值。

本发明实施例所述位移测量方法可根据上述绝对式光栅尺的各功能模块功能的具体实现，其具体实现过程可以参照上述实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例中的图像传感器阵列不仅作为光电信号转化器件，还替代传统绝对光栅尺的绝对码道，从而省去了绝对码道的光栅，有效的避免了由于绝对码道光栅制作误差影响绝对光栅尺整个测量精度，不仅降低了制作成本，还有利于提升绝对光栅尺的测量精度；此外，由于图像传感器阵列作为绝对码道使用，不需要依次将采集到绝对码道光栅信号进行模数转换、二值化、解码等处理后才能得到绝对位置测量值，直接经过模数转换和比较灰度值后便可得到绝对位置测量值，信号处理的时间周期相对较短，减少了信号处理时间，从而提高了绝对式光栅尺的测量响应速度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种绝对式光栅尺及位移测量方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种绝对式光栅尺，其特征在于，包括读数头和光栅主尺；所述读数头包括光源、透镜组及信号处理器；所述光栅主尺为图像传感器阵列；

其中，所述透镜组用于将所述光源出射的测量光束进行准直和聚焦后，出射至所述图像传感器阵列，聚焦后的目标光斑直径小于图像传感器的光敏元中心距；

所述图像传感器阵列用于采集所述测量光束的光信息，并将所述光信息转化为电信息发送至所述信号处理器；

所述信号处理器用于对所述电信息进行模数转化，以得到所述图像传感器阵列中各光敏元的灰度值，并从各灰度值中选取最大灰度值，所述最大灰度值对应的目标光敏元位置为所述目标光斑位置；根据预存的图像传感器排列顺序及每个图像传感器中各光敏元的编排信息，获取所述目标光敏元位置值，根据所述目标光敏元位置值计算所述目标光斑的绝对位置测量值。

2.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征在于，所述根据所述目标光敏元位置值计算所述目标光斑的绝对位置测量值包括：

获取所述图像传感器阵列的光敏元像素中心距；

根据下述公式计算所述目标光斑的绝对位置测量值：

s＝x_i*d；

式中，s为所述目标光斑的绝对位置测量值；d为光敏元像素中心距；x_i为所述目标光敏元位置值。

3.如权利要求1所述的绝对式光栅尺，其特征在于，所述光源为红外光源。

4.如权利要求3所述的绝对式光栅尺，其特征在于，所述图像传感器阵列为线阵图像传感器。

5.如权利要求1-4任意一项所述的绝对式光栅尺，其特征在于，所述图像传感器阵列为线阵CCD图像传感器或线阵CMOS图像传感器。

6.如权利要求5所述的绝对式光栅尺，其特征在于，所述透镜组包括准直镜和聚焦透镜。

7.如权利要求6所述的绝对式光栅尺，其特征在于，还包括：

滤波器，分别与所述图像传感器阵列和所述信号处理器相连，用于滤除所述电信息中的噪声。

8.如权利要求7所述的绝对式光栅尺，其特征在于，还包括：

显示器，用于向用户展示所述信号处理器计算得到的目标光斑的绝对位置测量值。

9.一种位移测量方法，其特征在于，包括：

获取图像传感器阵列采集的待测物体的移动测量信息；

对所述移动测量信息进行模数转化，以得到所述图像传感器阵列中各光敏元的灰度值；

从各灰度值中选取最大灰度值，所述最大灰度值对应的目标光敏元位置为目标光斑位置；

根据预存的图像传感器排列顺序及每个图像传感器中各光敏元的编排信息，获取所述目标光敏元位置值；

根据所述目标光敏元位置值计算所述目标光斑的绝对位置测量值；

其中，所述图像传感器阵列设置在待测物体上，所述移动测量信息为在所述待测物体移动过程中，光源出射的光束经透镜组准直聚焦后入射至所述图像传感器阵列，并由所述图像传感器阵列将采集的光信息转化的电信息。

10.根据权利要求9所述的位移测量方法，其特征在于，所述根据所述目标光敏元位置值计算所述目标光斑的绝对位置测量值包括：

获取所述图像传感器的光敏元像素中心距；

根据下述公式计算所述目标光斑的绝对位置测量值：

s＝x_i*d；

式中，s为所述目标光斑的绝对位置测量值；d为光敏元像素中心距；x_i为所述目标光敏元位置值。