CN108592786B - 一种判断光栅尺参考位置的装置及方法 - Google Patents

一种判断光栅尺参考位置的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种判断光栅尺参考位置的装置及方法，该装置包括光源、参考点编码区、参考点掩膜、光电探测器和信号处理计算机，所述光源的光束依次穿过所述参考点掩膜和参考点编码区的透光部分之后透射到所述光电探测器上，所述光电探测器将采集到的信号发送给所述信号处理计算机，其中所述参考点掩膜和所述参考点编码区相互平行且具有相同的透光结构。本发明能够大幅度提升参考点的检测准确度和光栅尺系统的精度，同时能够降低参考点掩膜的制造难度和参考点编码区的复杂度，提高了装置的经济型和鲁棒性。

Description

一种判断光栅尺参考位置的装置及方法
技术领域
本发明涉及光栅尺领域，尤其涉及一种判断光栅尺参考位置的装置及方法。
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。其中透射式光栅一般用于莫尔条纹光栅尺，反射式光栅可用于干涉式光栅尺，干涉式光栅尺的光栅制作成本更低，且激光干涉法的测量精度由于莫尔条纹发，因此激光干涉法广泛应用于光栅尺。
干涉式光栅尺在工作光栅匀速移动时输出正弦电信号，通过信号处理可以获知光栅的增量位移，故称为增量式光栅尺；其需要配合一个或是一系列经过绝对位置标定的参考点，才能将增量位移与绝对位置结合起来，从而输出光栅的绝对位移；因此参考点的标定和检测精度直接决定了光栅尺的正确度，与增量光栅分辨力一同决定光栅尺的精度。参考点的绝对位置标定同样依赖于对参考点位置的检测。
现有的成熟方案，一般基于参考点编码区域-参考点掩膜的特殊设计，使得I-SR信号呈现一个尖锐的脉冲，脉冲尖点所在位置就是参考点位置零点，通过检测脉冲信号的尖点来确定参考点的位置；而在此方案中，由于电路噪声、零位编码和掩膜的制造误差等各种干扰因素和制约条件的存在，上述尖脉冲的尖锐度是有限的，而基于脉冲尖点检测的参考位置的检测方法的精度约为50nm，且进一步提高的难度较大，即需要大幅提高零位和掩膜的制造精度，大幅降低电路噪声，其成本很高。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种判断光栅尺参考位置的装置及方法，能够大幅度提升参考点的检测准确度和光栅尺系统的精度，同时能够降低参考点掩膜的制造难度和参考点编码区的复杂度，提高了装置的经济型和鲁棒性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种判断光栅尺参考位置的装置，包括光源、参考点编码区、参考点掩膜、光电探测器和信号处理计算机，所述光源的光束依次穿过所述参考点掩膜和参考点编码区的透光部分之后透射到所述光电探测器上，所述光电探测器将采集到的信号发送给所述信号处理计算机，其中所述参考点掩膜和所述参考点编码区相互平行且具有相同的透光结构。
优选地，所述参考点掩膜和所述参考点编码区均为线性条状结构，而且均由不透明的黑色区域和全透明的白色区域按照预定的编码规则组成。
优选地，所述参考点编码区的编码包括所述参考点掩膜的编码。
优选地，所述参考点掩膜的编码总位数为30位，每一位对应的长度为50mm。
优选地，所述参考点掩膜的编码为0010000100001000010000100，其中0表示黑色区域，1表示白色区域。
优选地，所述参考点掩膜和所述参考点编码区的间距小于或等于1mm。
本发明还公开了一种采用上述的装置来判断光栅尺参考位置的方法，包括以下步骤：
S1：所述参考点编码区与所述参考点掩膜相对平移，通过所述信号处理计算机实时获取所述参考点编码区与所述参考点掩膜的相对位移量SR，并根据内部时钟t生成t-SR信号曲线；
S2：所述信号处理计算机实时采集所述光电探测器的电流信号I，并根据内部时钟t生成t-I信号曲线；
S3：将步骤S1的t-SR信号曲线和步骤S2的t-I信号曲线整合为I-SR信号曲线，作为样本信号Eo；
S4：将每一次零位检测操作时生成的I-SR信号曲线作为采样信号ES；
S5：对步骤S3中的样本信号Eo和采样信号ES进行互相关计算，得到相关度曲线R-SR，其中R为相关度；
S6：取步骤S5中的相关度曲线中的最大值SR(max)，得到与SR(max)对应的相对位置点R0，即为参考位置的零点。
优选地，步骤S5中具体包括：首先对步骤S3中的样本信号Eo和采样信号ES进行三次方加权预处理，然后进行互相关计算，得到相关度曲线R-SR，其中进行互相关的计算公式为：
优选地，步骤S3中包括：通过第一长度的样本窗在I-SR信号曲线的脉冲尖端的两侧进行截取，得到样本窗信号ESO；步骤S4中包括：通过第一长度的采样窗在I-SR信号曲线的距离脉冲尖端第二长度以内的区间连续滑动进行截取，得到多个不同的采样窗信号，每个采样窗的增量位移为Ki，相应的采样窗信号为ES(Ki)；步骤S5包括：对样本窗信号ESO和各个采样窗信号ES(Ki)进行特征匹配，使用互相关函数逐个计算样本窗信号ESO和各个采样窗信号ES(Ki)在零偏差位的相关度，记为相关度R(Ki)；步骤S6包括：取相关度R(Ki)的最大值，此时相对应的位移增量的取值为Kmax，即为参考位置的零点。
优选地，其中第二长度小于第一长度；优选地，第一长度为1000位，第二长度为250位。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的判断光栅尺参考位置的装置及方法，通过采用相互平行且具有相同的透光结构的参考点掩膜和参考点编码区，可以采用基于相关度的波形特征匹配的方法进行参考位置的判断，规避了现有技术方案中参考位置的检测精度对脉冲尖锐度的依赖性，大幅提升了参考点的检测准确度和光栅尺系统的精度，同时降低了参考点掩膜的制造难度和参考点编码区的复杂度，提高了系统的经济性和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明优选实施例的判断光栅尺参考位置的装置的结构示意图；
图2是采用图1的装置判断光栅尺参考位置时采集的样本窗信号；
图3是采用图1的装置判断光栅尺参考位置时采集的采样窗信号；
图4是结合图2的样本窗信号和图3的采样窗信号得到的相关度曲线示意图。
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。
本发明优选实施例的判断光栅尺参考位置的装置及方法采用了基于相关函数的算法对I-SR信号进行整体的特征匹配，并为参考点掩膜设计了新的编码，在不增加硬件成本的基础上大幅提高了参考位置的检测精度和检测可靠性。
如图1所示，本发明优选实施例的判断光栅尺参考位置的装置，包括光源10、参考点掩膜20、参考点编码区30、光电探测器40和信号处理计算机50，其中光源10的光束垂直照射到参考点掩膜20上，参考点掩膜20和参考点编码区30相互平行且具有相同的透光结构，并且参考点编码区30可以沿着其长度方向相对平移，光源10的光束依次穿过参考点掩膜20和参考点编码区30的透光部分之后透射到光电探测器40上，光电探测器40测得的光强取决于参考点掩膜20和参考点编码区30的相对位置，光电探测器40的输出电流强度与透射到其感光面上的光强有确定的函数对应关系，光电探测器40将采集到的光强-位移电流信号发送给信号处理计算机50，信号处理计算机50根据基于互相关检测的数据处理方法和光强-位移电流信号对参考点的绝对位置进行检测，最终可以输出参考点的位置信息。
在一些实施例中，光源10的光束为平行光束，光电探测器40采用光电二极管，且光电探测器40的工作范围包含整个可见光波段，且在工作范围内照射光强与输出电流强度呈确定的单调函数关系。参考点掩膜20和参考点编码区30均为线性条状结构，而且均由不透明的黑色区域和全透明的白色区域按照预定的编码规则组成，其中参考点编码区30的编码包括参考点掩膜20的编码，参考点掩膜20的编码总位数为30位，每一位对应的长度为50mm，在本实施例中，参考点掩膜20的编码为0010000100001000010000100，其中0表示黑色区域，1表示白色区域。
其中，参考点掩膜20和参考点编码区30的间距小于或等于1mm，能够最大限度地减小参考点掩膜20和参考点编码区30的狭缝衍射效应所带来的干扰。
下列结合图1的装置来详细说明判断光栅尺参考位置的方法。
S1：参考点编码区30与参考点掩膜20相对平移，通过信号处理计算机50实时获取参考点编码区30与参考点掩膜20的相对位移量SR，并根据内部时钟t生成t-SR信号曲线，表示相对位移与时间的关系；
其中信号处理计算机50通过增量式光栅尺获取参考点编码区30与参考点掩膜20的相对位移量SR。
S2：信号处理计算机50实时采集光电探测器40的电流信号I，并根据内部时钟t生成t-I信号曲线，表示探测到的光强与时间的关系；
S3：信号处理计算机50将步骤S1的t-SR信号曲线和步骤S2的t-I信号曲线以数据查表方式整合为I-SR信号曲线，作为样本信号Eo；
该信号记录了参考点编码区与参考点掩膜的相对位置信息，为判断相对位置的零位提供依据，该I-SR信号曲线的横轴SR的每一位代表增量式光栅尺分辨力对应的长度。
S4：将每一次零位检测操作时生成的I-SR信号曲线作为采样信号ES；
S5：对步骤S3中的样本信号Eo和采样信号ES进行互相关计算，得到相关度曲线R-SR，其中R为相关度；
首先对对步骤S3中的样本信号Eo和采样信号ES进行三次方加权预处理，然后进行互相关计算，得到相关度曲线R-SR，其中进行互相关的计算公式为：R(ki)＝∑[(E0)3·(ES)3]。
S6：取步骤S5中的相关度曲线中的最大值SR(max)，并找到与SR(max)对应的相对位置点R0，即为参考位置的零点。
在具体实施例中，步骤S3～S6为以下：
S3：将上述I-SR信号曲线通过长度为1000位的样本窗在近似脉冲尖端的两侧进行截取，得到样本窗信号ESO，如图2所示；该对绝对位置的标定过程可以借助更高精度的激光干涉仪等测量仪器，可以标定ESO上任一点的绝对位置，实际过程中只需要标记样本窗信号的右端KA；将ESO波形及其绝对位置信息储存在信号处理计算机中，作为比对样本。
S4：实际测量过程中，当参考点掩膜20每次掠过参考点编码区30，都可以相应的获得实测的I-SR信号，利用长度同为1000位的采样窗，在近似尖端附近±250位的区间内连续滑动采样窗，得到共500个不同的样本窗；每个采样窗的右侧的增量位移为Ki，相应的采样窗信号记为ES(Ki)，如图3所示。
S5：对样本窗信号ESO和各个采样窗信号ES(Ki)进行特征匹配，使用互相关函数逐个计算样本窗信号ESO和各个采样窗信号ES(Ki)在零偏差位的相关度，记为相关度R(Ki)，如图4所示，该函数表示了不同位置的采样窗信号与样本窗信号的匹配度。
S6：通过编码优化和算法优化，可以保证R(Ki)有单一最大值，找出相关度R(Ki)的最大值，此时相对应的位移增量的取值为Kmax，即为参考位置的零点；最后可以得到得到增量位移参考位置零点和绝对位置的对应关系：Kmax＝KA，即实现所谓的零点检测和标定。
本发明提出的判断光栅尺参考位置的装置及方法，利用特殊的参考点编码设计和基于相关度的波形特征匹配的方法进行参考点检测，规避了现有技术方案中对参考点检测精度对脉冲尖锐度的依赖性，使得检测精度的提高不再依赖于电信号滤波质量、编码位数、编码区域长度等限制条件，而是取决于匹配算法、编码的优化和增量光栅的分辨力，为进一步的精度提升开创了新的思路；从而大幅提升了参考点的检测准确度和光栅尺系统的精度，同时降低了参考点掩膜的制造难度和参考点编码区的复杂度，提高了系统的经济性和鲁棒性。
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 (10)

1.一种判断光栅尺参考位置的方法，其特征在于，采用判断光栅尺参考位置的装置来进行判断，其中所述装置包括光源、参考点编码区、参考点掩膜、光电探测器和信号处理计算机，所述光源的光束依次穿过所述参考点掩膜和参考点编码区的透光部分之后透射到所述光电探测器上，所述光电探测器将采集到的信号发送给所述信号处理计算机，其中所述参考点掩膜和所述参考点编码区相互平行且具有相同的透光结构；
所述方法包括以下步骤：
S1：所述参考点编码区与所述参考点掩膜相对平移，通过所述信号处理计算机实时获取所述参考点编码区与所述参考点掩膜的相对位移量SR，并根据内部时钟t生成t-SR信号曲线；
S2：所述信号处理计算机实时采集所述光电探测器的电流信号I，并根据内部时钟t生成t-I信号曲线；
S3：将步骤S1的t-SR信号曲线和步骤S2的t-I信号曲线整合为I-SR信号曲线，作为样本信号Eo；
S4：将每一次零位检测操作时生成的I-SR信号曲线作为采样信号ES；
S5：对步骤S3中的样本信号Eo和采样信号ES进行互相关计算，得到相关度曲线R-SR，其中R为相关度；
S6：取步骤S5中的相关度曲线中的最大值SR(max)，得到与SR(max)对应的相对位置点R0，即为参考位置的零点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考点掩膜和所述参考点编码区均为线性条状结构，而且均由不透明的黑色区域和全透明的白色区域按照预定的编码规则组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参考点编码区的编码包括所述参考点掩膜的编码。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述参考点掩膜的编码总位数为30位，每一位对应的长度为50mm。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述参考点掩膜的编码为0010000100001000010000100，其中0表示黑色区域，1表示白色区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考点掩膜和所述参考点编码区的间距小于或等于1mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中具体包括：首先对步骤S3中的样本信号Eo和采样信号ES进行三次方加权预处理，然后进行互相关计算，得到相关度曲线R-SR，其中进行互相关的计算公式为：R(ki)＝∑[(E0)3·(ES)3]。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤S3中包括：通过第一长度的样本窗在I-SR信号曲线的脉冲尖端的两侧进行截取，得到样本窗信号ESO；
步骤S4中包括：通过第一长度的采样窗在I-SR信号曲线的距离脉冲尖端第二长度以内的区间连续滑动进行截取，得到多个不同的采样窗信号，每个采样窗的增量位移为Ki，相应的采样窗信号为ES(Ki)；
步骤S5包括：对样本窗信号ESO和各个采样窗信号ES(Ki)进行特征匹配，使用互相关函数逐个计算样本窗信号ESO和各个采样窗信号ES(Ki)在零偏差位的相关度，记为相关度R(Ki)；
步骤S6包括：取相关度R(Ki)的最大值，此时相对应的位移增量的取值为Kmax，即为参考位置的零点。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其中第二长度小于第一长度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第一长度为1000位，第二长度为250位。
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