CN110926340A - 一种新型光栅尺位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种新型光栅尺位移测量装置，包括：操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；光学镜头，所述光学镜头固定连接在所述数字相机，且位于所述光栅与所述数字相机之间；其中，所述光栅成像在所述数字相机的光学传感器上；光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。与传统光栅尺相比，本发明不需要传统光栅尺中的指示光栅，结构简单。解决了现有技术中高精密位移测量设备结构复杂、造价不菲，工作环境要求严格的技术问题。达到了在保证大尺度、微纳米级测量的同时，降低设备成本，结构简单且应用场合更加广泛的技术效果。

Description

一种新型光栅尺位移测量装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种新型光栅尺位移测量装置。

背景技术

在大尺度、微纳米级分辨率位移测量场合，光栅尺技术或光学干涉仪技术被广泛应用。光栅尺由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床或位移台等活动部件上，光栅读数头装在机床或位移台的固定部件上，或者标尺光栅固定在固定部件上，光栅读数头固定在活动部件上。指示光栅装在光栅读数头中。两光栅栅距相同，光栅方向有个小夹角，从而产生莫尔条纹。当机床或位移台移动时，莫尔条纹发生移位。人们通过莫尔条纹获得机床或位移台的位移信息。光学干涉仪技术以波长为测量基准，由参考光路和测量光路构成，两光路的光束在探测器位置进行叠加，产生干涉信号。当测量光路光程发生变化时，该干涉信号发生变化。人们通过读取干涉信号获得机床或位移台的位移信息。这两种装置通常结构复杂且价格比较昂贵，同时对工作环境要求更加严格。

申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述现有技术至少存在如下技术问题：

现有技术中，为了达到纳米级测量精度，位移测量设备通常结构复杂，造价不菲，工作环境要求严格。

发明内容

本发明实施例提供了一种新型光栅尺位移测量装置，与传统光栅尺相比，不需要传统光栅尺中的指示光栅，结构简单。且以光栅周期为测量基准，而不以波长为测量基准，减轻了对环境的要求。本发明同时提供一种新型的光栅尺位移测量方法，该方法有别于传统光栅尺通过测量莫尔条纹移动量的方法以测量位移，而是采用等光强位置的移动量以测量位移。解决了现有技术中位移测量设备结构复杂、造价不菲，工作环境要求严格的技术问题。

本发明实施例提供了一种新型光栅尺位移测量装置，所述装置包括：操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；光学镜头，所述光学镜头固定连接在所述数字相机上，且位于所述光学光栅与所述数字相机之间；其中，所述数字相机的光学传感器面与所述光学镜头的光轴垂直，且所述光学镜头的光轴与所述光栅线所在平面垂直，所述光学光栅成像在所述数字相机的光学传感面上；光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。

进一步的，所述光学光栅为等周期振幅型光栅，长度与活动部件行程相当，占空比为1:2。

另一方面，本发明提供了一种新型光栅尺位移测量方法，所述方法包括：通过所述数字相机和光学镜头接收光学光栅图像；获得所述光学光栅图像的周期；通过所述数字相机获得虚拟光栅，为便于区分，分别称为第一虚拟光栅和第二虚拟光栅；获得所述虚拟光栅的周期；获得对准点；根据所述对准点、所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光学光栅图像的位移。

进一步的，所述方法还包括：通过所述数字相机上由像素构成的光学传感器获得第一虚拟光栅；通过所述数字相机上由像素构成的光学传感器获得第二虚拟光栅，其中，所述第二虚拟光栅与所述第一虚拟光栅互补；将所述第一虚拟光栅、所述第二虚拟光栅分别与光学光栅在数字相机上的成像结合，获得所述叠加光栅图像，分别称为第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像。

进一步的，所述获得所述对准点，还包括：获得所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像的总光强分布；根据所述总光强分布，获得等光强位置；将所述等光强位置作为所述对准点。

进一步的，所述根据所述对准点、所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光学光栅图像的位移，包括：根据所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅图像周期的周期差；获得与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数；将所述周期差乘以所述与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数，获得所述光学光栅图像的位移。活动部件的位移为所述光学光栅图像位移除以光学镜头放大倍率。

进一步的，所述根据所述总光强分布，获得等光强位置，还包括：对所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像进行光强积分，获得两条光强曲线，为便于说明，分别称为第一光强曲线和第二光强曲线；根据所述第一光强曲线和第二光强曲线，获得所述第一光强曲线和第二光强曲线的交点；将所述交点作为所述等光强位置。

进一步的，为提高测量精度，对所述第一叠加光栅图像和所述第二叠加光栅图像采用差分计算方法，还包括：对所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像进行光强积分，获得第一光强曲线和第二光强曲线；对所述第一光强曲线和第二光强曲线进行归一化差分处理，获得光强曲线，为与前述光强曲线区分，该光强曲线称为第三光强曲线；对所述第三光强曲线进行拟合，获得等光强位置。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

在本发明实施例提供的一种新型光栅尺位移测量装置，包括：操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；光栅，所述光栅固定连接在所述活动/固定部件上；数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定/活动部件上；光学镜头，所述光学镜头固定连接在所述数字相机上，且位于所述光栅与所述数字相机之间；其中，所述数字相机的光学传感器面与所述光学镜头的光轴垂直，且所述光学镜头的光轴与所述光栅线所在平面垂直，所述光栅成像在所述数字相机的光学传感面上；光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。

解决了现有技术中位移测量设备造价不菲，工作环境要求严格的技术问题。达到了在保证大尺度、微纳米级测量的同时，降低设备成本，结构简单且应用场合更加广泛的技术效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置的结构示意图

图2为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置的另一结构示意图。

图3为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机成像面上的光学光栅图像示意图。

图4为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机成像面上的叠加光栅图像示意图。

图5为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机上的成像随虚拟光栅周期变化的光强曲线。

图6为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机成像面上对准点随光学光栅图像移动变化示意图。

图7为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机上的成像随虚拟光栅线变化的归一化积分光强差分曲线。

图8为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置的具体实施例的一组实验数据。

附图标记说明：光学光栅1，数字相机2，光学镜头3，光源4。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种新型光栅尺位移测量装置，用于解决现有技术中位移测量设备造价不菲，工作环境要求严格的技术问题

本发明提供的技术方案总体思路如下：包括：操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；光学镜头，所述光学镜头固定连接在所述数字相机上，且位于所述光学光栅与所述数字相机之间；其中，所述数字相机的光学传感器面与所述光学镜头的光轴垂直，且所述光学镜头的光轴与所述光栅线所在平面垂直，所述光栅成像在所述数字相机的光学传感面上；光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

实施例一

本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置，请参考图1和图2，所述装置包括：

操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件。

具体而言，操作台包括活动部件和固定部件，通过测出活动部件与固定部件的相对位移测出活动部件或固定部件的移动距离。

光学光栅1，所述光学光栅1固定连接在所述活动部件或所述固定部件上。

具体而言，光学光栅1是在玻璃片、金属片或其他材料上上制作的大量周期性结构，一个周期包含一条光栅线，一般为不透光部分，两光栅线之间的部分可以透光，相当于狭缝，精制的光栅在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条光栅线。

数字相机2，所述数字相机2固定连接在所述固定部件或所述活动部件上。

具体而言，光学光栅1经过光源4照射之后在数字相机2中成像，数字相机2可远离活动部件安放。

光学镜头3，所述光学镜头3固定连接在所述数字相机2上，且位于所述光学光栅1与所述数字相机2之间。

具体而言，数字相机2中设置有光学传感器，由呈阵列布置的多个像素构成，诸如CCD器件、CMOS器件等。通过光学传感器将光学光栅1在数字相机2上的图像进行“像素化”形成光学光栅图像，即光线经光学光栅1后投射到数字相机2中的光学传感器上，光学传感器对接收的光学像进行像素化后产生对应的图像。另外，光学传感器可以通过保留或滤除指定的像素来产生虚拟的光栅图案。

其中，所述数字相机2的光学传感器面与所述光学镜头的光轴垂直，且所述光学镜头的光轴与所述光栅线所在平面垂直，所述光学光栅1成像在所述数字相机2的光学传感面上。

进一步的，所述光学光栅1为等周期振幅型光栅，长度与活动部件行程相当，占空比为1:2。

实施例二

针对实施例一，本申请实施例还提供了一种新型光栅尺位移测量装置的测量方法，应用于实施例一所述的一种新型光栅尺位移测量装置，具体包括：

通过所述数字相机2和光学镜头3接收光栅1的图像。

具体而言，通过所述数字相机2和光学镜头3接收光学光栅1的图像；获得所述光学光栅1图像的周期；通过控制所述数字相机2上的像元，使其保留或滤除信号，形成类似光学光栅的周期性结构，称为虚拟光栅。将前述光学光栅1在数字相机2上的成像与虚拟光栅结合，可获得叠加光栅图像。

具体而言，光学光栅1经过光源4照射之后在数字相机2中成像，成像结果如图3斜条纹区域所示，方块代表数字相机成像面上的像素，光栅像的强度分布可以用一个矩阵A表示：

下标中前两位代表行数，后两位代表列数。同时，将数字相机2上由像素构成的光学传感器看作一个过滤器，它选择性地将某一个或多个像素上的信号保留或过滤。本专利用一个像素矩阵B来表示各个像素的保留或滤除功能，“1”代表保留，“0”代表滤除，为

图3中b1-b7代表虚拟光栅边界，p1为所述虚拟光栅周期，p2为所述光栅图像周期。所述虚拟光栅周期p1与所述光栅图像周期p2在数值上有一微小差值，通过所述虚拟光栅周期p1与所述光栅图像周期p2相减获得所述周期差Δp。

具体而言，拟定一个周期为p1，用以构造虚拟光栅，p1为偶数像素数或与该偶数像素数相对应的宽度值，虚拟光栅占空比为1:2。光学光栅图像周期与虚拟光栅周期之差为周期差Δp。

通过所述数字相机2获得虚拟光栅。

具体而言，当式(2)中“1”、“0”排列类似光栅图像的周期性结构时，称其为虚拟光栅，一组相邻的状态为“1”(代表保留信号)的像素构成一条虚拟光栅线，虚拟光栅线之间状态为“0”(代表滤除信号)的像素构成间隔。将图3中灰色方块代表的像机像元信号保留、白色方块代表的像机像元信号滤除，形成的虚拟光栅称为第一虚拟光栅。经过B的滤波，光栅图像A转变为叠加光栅图像C1，如图4-C1所示，叠加光栅图像C1中灰色方块为保留信号的像元，将对应的光学光栅图像保留；白色方块为滤除信号的像元，将对应的光栅图像滤除。具体而言，该合成图像用矩阵表示为：

C₁＝A*B (3)

将(2)式中的“1”、“0”互换，产生一个新的虚拟光栅，称为第二虚拟光栅。表示为

这样，用同一个光学传感器构造了两个虚拟的互补的光栅。

也可以用图3中的一系列灰白方块表示，只不过此时灰色方块代表该像素上的信号将被滤除，白色方块代表该像素上的信号将被保留。经过_B_的滤波，光栅图像A转变为一个新的叠加光栅图像C2，如图4-C2所示，叠加光栅图像C2中白色方块为保留信号的像元，将对应的光栅图像像素保留；灰色方块为滤除信号的像元，将对应的光栅图像像素滤除。具体而言，该合成图像用矩阵表示为：

获得对准点。

具体而言，如图4所示，b1-b7代表虚拟光栅边界，该边界将光学光栅图像分为两部分，一部分在C1，一部分在C2。C1、C2在某光栅线处的光强总和为该光栅线处的总光强。

所述获得对准点，包括：所述光学光栅分别和所述第一虚拟光栅和第二虚拟光栅结合，获得两个互补的叠加光栅图像，包括：第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像；获得所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像的总光强分布；根据所述总光强分布，获得等光强位置；将所述等光强位置作为所述对准点。

具体而言，所述对准点对应图4中b2所示位置，此处将b2位置的光栅线的成像平分，使得第一光强曲线与第二光强曲线在b2处相交。

获得光栅图像移动时，对准点跨越的虚拟光栅周期数。

具体而言，当光栅图像移动时，对准点会随之改变，对应图5、图6中，当光栅图像移动时，对准点位置从b2改变到b6，图6中粗边框斜条纹区域为对准点处的光栅像，当光栅图像向下移动时，对准点位置下移到b6处。通过图6测量获得对准点移动过程中经历的虚拟光栅周期数Δx。

所述根据所述对准点、所述光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光栅图像的位移，包括：根据所述光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光栅图像周期和所述虚拟光栅周期的周期差；获得与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数；将所述周期差乘以所述与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数，获得所述光栅图像的位移；活动部件的位移为所述光栅图像位移除以光学镜头放大倍率。

具体而言，所述对准点移动的虚拟光栅周期数Δx乘以周期差Δp，可得到光栅的位移，即所述周期差Δp乘以所述与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数Δx，获得所述光栅图像的位移D，即

D＝Δx·Δp (6)

活动部件的位移为所述光栅图像位移D除以光学镜头放大倍率。

由于制造工艺等原因，直接测量分辨率Δp很难达到纳米量级，且对准点难以从图像上直接寻找，为提高测量精度，可对I1、I2进行归一化差分处理，获得等光强位置，包括：对所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像进行光强积分，获得第一光强曲线和第二光强曲线；对所述第一光强曲线和第二光强曲线进行归一化差分处理，获得第三光强曲线；对所述第三光强曲线进行拟合，获得对准点位置。

具体而言，为提高测量精度至纳米量级，对所述第一光强曲线I1、第二光强曲线I2进行归一化差分处理，获得所述第三光强曲线，即令I＝(I1-I2)/(I1+I2)。如图7所示，光强I＝0处为对准点位置，实线为参考高度处的I曲线，虚线为离开参考高度Δp距离的曲线。对准点位置不仅限于虚拟光栅边界位置，当光栅在像面上移动时，任意位置的对准点可通过对I曲线进行拟合得到，例如对I曲线进行三阶多项式拟合，该多项式的三个根中一个有意义的根为对准点的位置。对I曲线进行拟合既可细分直接测量分辨率Δp，又可进一步降低光强变化对测量结果的影响。

如图8所示，为本发明实施例的一种新型光栅尺位移测量装置的具体实施例的一组实验数据。I1和I2为第一光强曲线和第二光强曲线的原始实验数据，I为归一化差分处理后的第三光强曲线。对以上数据进行算法处理即可获得相应的位移信息。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

在本发明实施例提供的一种新型光栅尺位移测量装置，包括：操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；光学镜头，所述光学镜头固定连接在所述数字相机上，且位于所述光学光栅与所述数字相机之间；其中，所述数字相机的光学传感器面与所述光学镜头的光轴垂直，且所述光学镜头的光轴与所述光栅线所在平面垂直，所述光学光栅成像在所述数字相机的光学传感面上；光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。

本发明同时提供一种新型的光栅尺位移测量方法，该方法有别于传统光栅尺通过测量莫尔条纹移动量的方法以测量位移，而是采用等光强位置的移动量以测量位移。

解决了现有技术中位移测量设备造价不菲，工作环境要求严格的技术问题。与现有光栅尺技术相比，不需要其指示光栅，达到了在保证大尺度、微纳米级测量的同时，降低设备成本，结构简单且应用场合更加广泛的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种新型光栅尺位移测量装置，其特征在于，所述装置包括：

操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；

光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；

数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；

光学镜头，所述光学镜头与所述数字相机连接，位于所述光学光栅与所述数字相机之间；

其中，所述光学光栅成像在所述数字相机的光学传感器上；

光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学光栅为等周期振幅型光栅，长度与所述活动部件行程相当，占空比为1:2。

3.一种新型光栅尺位移测量方法，所述方法应用于权利要求1-2任意一项权利要求所述的装置中，其特征在于，所述方法包括：

通过所述数字相机和光学镜头接收光学光栅图像；

获得所述光学光栅图像的周期；

通过所述数字相机获得两个互补的虚拟光栅所述虚拟光栅，包括第一虚拟光栅和第二虚拟光栅；

获得所述虚拟光栅的周期；

获得对准点；

根据所述对准点、所述光学光栅图像的周期和所述虚拟光栅的周期，获得所述光学光栅图像的位移。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述数字相机获得两个互补的虚拟光栅，包括：

通过所述数字相机上由像素构成的光学传感器获得第一虚拟光栅；

通过所述数字相机上由像素构成的光学传感器获得第二虚拟光栅，其中，所述第二虚拟光栅与所述第一虚拟光栅互补；

将所述第一虚拟光栅、所述第二虚拟光栅分别与光学光栅在数字相机上的成像结合，获得所述两个互补的叠加光栅图像，包括第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获得对准点，包括：

获得所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像的总光强分布；

根据所述总光强分布，获得等光强位置；

将所述等光强位置作为所述对准点。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述对准点、所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光学光栅图像的位移，包括：

根据所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期的周期差；

获得与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数；

将所述周期差乘以所述与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数，获得所述光学光栅图像的位移；

活动部件的位移为所述光学光栅图像位移除以光学镜头放大倍率。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述总光强分布，获得等光强位置，包括：

对所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像进行光强积分，获得第一光强曲线和第二光强曲线；

根据所述第一光强曲线和第二光强曲线，获得所述第一光强曲线和第二光强曲线的交点；

将所述交点作为所述等光强位置。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述积分光强分布，获得等光强位置，包括：

对所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像进行光强积分，获得第一光强曲线和第二光强曲线；

对所述第一光强曲线和第二光强曲线进行归一化差分处理，获得第三光强曲线；

对所述第三光强曲线进行拟合，获得等光强位置。

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