CN111336924A - 一种透射式无指示光栅光学测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射式无指示光栅光学测量装置，包括光源、主光栅和接收器，主光栅和接收器依次设置在光源的直线光路上，主光栅上至少有3N+1根平行间隔排列的矩形光栅刻线，接收器上设有用于光电信号转换的硅光晶片，硅光晶片上设有4M+1块平行间隔排列的矩形光刻栅片；光栅刻线的宽度、相邻两光栅刻线的栅距、光刻栅片的宽度均为W，相邻两光刻栅片的栅距为W/2，N、M均为自然数。本发明的透射式无指示光栅光学测量装置具有测量准确性好、测量精度高和产品一致性好的特点。

Description

一种透射式无指示光栅光学测量装置

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体是指一种透射式无指示光栅光学测量 装置。

背景技术

光栅是高精度位移测量元件，它与数字信号处理仪表配套，组成位移测量 系统，光栅检测位移的原理如图1所示，光源发出平行光照射到主光栅、指示 光栅、接收器上，由于主光栅、指示光栅的栅距不一样，当光源、指示光栅、 接收器与移动物一起移动而主光栅不动时，平行光穿过主光栅、指示光栅到达 接收器上会形成明暗相间的莫尔条纹从而产生正弦波信号感知移动物移动位 移。

现有指示光栅结构复杂，制造难度高、精度低，不能与主光栅形成稳定准 确的信号，影响位移检测。

针对于此，中国发明专利申请CN110888191A公开了一种阵列式指示光栅结 构及其生产工艺，包括基板和安装在基板中的圆形光学玻璃，所述圆形光学玻 璃中部设有多个指示光栅刻线，指示光栅刻线阵列式横向排列，相邻两个指示 光栅刻线之间的栅距为19.5μm，指示光栅刻线为矩形且栅宽为9.75μm，指示 光栅刻线上方设有零位基准电压光栅窗口而下方设有零位光栅窗口，指示光栅 刻线阵列式横向排列，制造简单方便便于大批量生产，而栅距为19.5μm、栅宽 为9.75μm的指示光栅与栅距为20μm、栅宽为10μm的主光栅相配合能够形成 相位标准，提高位移信号准确度。中国发明专利申请CN 110794496A公开了一种 新型阵列式指示光栅结构及其生产工艺，包括基板和安装在基板中的圆形光学 玻璃，所述圆形光学玻璃中部设有多个指示光栅刻线，指示光栅刻线阵列式横 向排列，相邻两个指示光栅刻线之间的栅距为38μm，指示光栅刻线为矩形且栅 宽为19μm，指示光栅刻线上方设有零位基准电压光栅窗口而下方设有零位光栅 窗口，指示光栅刻线阵列式横向排列，制造简单方便便于大批量生产，而栅距 为38μm、栅宽为19μm的指示光栅与栅距为40μm、栅宽为40μm的主光栅相 配合能够形成相位标准，提高位移信号准确度。

以上两个专利均对指示光栅的结构进行了优化设计，在测试准确度上均取 得了一定的效果。

但是，在实际生产中，指示光栅的生产和贴合却不尽如人意。以透射式光 学装置为例，在组装的过程中，必须尽可能达到主光栅、指示光栅和接收器的 三点一线，否则会影响光线的干涉或衍射效果，进而影响莫尔条纹的形成的质 量，造成信号传递的误差；而且，目前多采用人工贴装指示光栅的方式，如何 均匀保证指示光栅上光栅刻度间隔的均匀性严重依靠操作员工的经验和操作手 法，严重影响产品的一致性，人为操作误差不可避免，存在批量返修的潜在风 险；此外，光学装置多安装在机床等装置使用，油污环境会在指示光栅表面形 成污垢，造成光学装置无法正常正确测量，维护频繁，既影响正常使用又造成保养成本居高不下。

发明内容

本发明的目的是提供一种透射式无指示光栅光学测量装置，具有测量准确 性好、测量精度高和产品一致性好的特点。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种透射式无指示光栅光学测量装置，包括光源、主光栅和 接收器，主光栅和接收器依次设置在光源的直线光路上，主光栅上至少有3N+1 根平行间隔排列的矩形光栅刻线，接收器上设有用于光电信号转换的硅光晶片， 硅光晶片上设有4M+1块平行间隔排列的矩形光刻栅片；光栅刻线的宽度、相邻 两光栅刻线的栅距、光刻栅片的宽度均为W，相邻两光刻栅片的栅距为W/2，N、 M均为自然数。

进一步地，光刻栅片光电转换的信号为相位依次相差90°的4路正弦信号。

进一步地，N、M为相等或不等的自然数。

进一步地，M为小于N的自然数。

进一步地，M为大于或等于2的自然数时，相隔三块光刻栅片的两光刻栅片 彼此电信号并联。

进一步地，W为2-300μm。

进一步地，W为4、10、20、50、200μm。

进一步地，光源为平行光LED灯或点光源与聚光镜的组合。

进一步地，接收器上包括PCB板，硅光晶片封装在PCB板上。

进一步地，主光栅的平行透射光线垂直或倾斜照射到光刻栅片上。

本发明一种透射式无指示光栅光学测量装置，具有如下的有益效果：

第一、测量准确性高，本发明的无指示光栅光学测量装置在结构设计上通 过对主光栅的光栅刻度和在接收器上的光刻栅片的宽度和栅距进行调整，无需 指示光栅对光信号进行放大即可把光信号转换为相位相差90°的正弦波信号， 从而实现位移方向和距离的测量，测量过程不受指示光栅的信号传递误差、加 工误差的影响，有效提升测量的准确性；

第二、测量精度高，通过采用在硅光晶片上设置光刻栅片的方式对照射光 线进行接收，充分发挥光刻技术加工精度高甚至可达到纳米级别的优势，控制 精准，提升测量精度；

第三、产品一致性好，本发明的光学测量装置无需使用指示光栅，其加工 过程优化了指示光栅的加工环节避免了指示光栅对于产品一致性的影响，同时 光刻栅片采用光刻技术非传统的人工贴装实现自动化批量化加工，加工过程可 控性高，有效保证了产品的一致性；

第四、抗污能力强，本发明的光学测量装置通过光栅刻度和光刻栅片的宽 度和栅距进行控制，彼此相邻的5个光刻栅片形成一个完整的信号周期，彼此 的信号周期互相不影响，只要有一个信号周期能正常工作即可进行准确测量， 大大提升了光学测量装置的抗污能力，降低故障率，减少维护保养成本。

附图说明

附图1为现有技术光学测量装置的分解结构示意图；

附图2为本发明一种平行LED灯光源透射式无指示光栅光学测量装置的结 构示意图；

附图3为本发明一种点光源透射式无指示光栅光学测量装置的结构示意图；

附图4为本发明一种无指示光栅光学测量装置的正弦波信号示意图；

附图5为本发明一种无指示光栅光学测量装置的正弦波信号变换示意图；

附图6为现有技术正弦波波形示波器拟合效果图；

附图7为本发明正弦波波形示波器拟合效果图。

附图中的标记包括：100、光源；110、平行光LED灯，120、点光源，130、 聚光镜；200、主光栅，300、接收器，301-305(301A-305A)、光刻栅片，310、 硅光晶片。

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的技术方案，下面结合实施例 及附图对本发明产品作进一步详细的说明。

如图2、图3所示，本发明公开了一种透射式无指示光栅光学测量装置，包括光源100、主光栅200和接收器300，主光栅200和接收器300依次设置在光源100的直线光路上，主光栅上至少有3N+1根平行间隔排列的矩形光栅刻线，接收器上设有用于光电信号转换的硅光晶片310，硅光晶片310上设有4M+1块平行间隔排列的矩形光刻栅片；光栅刻线的宽度、相邻两光栅刻线的栅距、光刻栅片的宽度均为W，相邻两光刻栅片的栅距为W/2，N、M均为自然数。

在图2、图3中，光栅刻度至少数量为4根，光刻栅片至少数量为6块，4 根光栅刻度可与6块对应的光刻栅片形成一个完整的正弦波信号，在相对位置 发生运动时正弦波信号发生偏移，然后通过整形得到方波脉冲，结合脉冲的个 数和栅距可以得到相对被测物件移动的距离。若N值为2则可以形成2个完整 信号的触发且两者不会相互影响，在待测件端可以实现连续平行测量；若M值 为2则可以再一次移动过程中对同一测量触发源在测量端可以实现2次平行测 量；若N、M同时取值为2，整个测量过程为4个平行测量的过程，显著降低测 量的误差，即使主光栅或接收器的某一组光栅刻度或光刻栅片被灰尘或油污影 响也不会对测量准确性造成影响。同时，以此类推，随着N、M值的逐渐增大， 整个测量过程会得到N*M次平行测量的过程，有效降低测量误差提升测量准确 性，提升测量装置的抗油污能力。

在图2、图3中，以被主光栅200上的光栅刻度的光刻栅片301作为起始参 考点，从左往右，与光刻栅片301相邻的光刻栅片302左侧一半并光线照射其 右侧一半被主光栅200的光栅刻度遮挡；光刻栅片303被光线完全照射，与光 刻栅片301被完全遮挡恰恰相反；光刻栅片304的照射情况为左侧一半被遮挡 其右侧一半被照射，与光刻栅片302相反；光刻栅片305又回到被完全遮挡的 状态，同时光刻栅片305也是下一循环变化的起始光刻栅片301A，与其后续的 光刻栅片302A、303A、304A、305A重复前述的变化过程。结合光电信号转换过 程中电信号与光信号成正比的情况，光刻栅片光电转换的信号为相位依次相差 90°的4路正弦信号，具体如图4所示。

当接收器300相对于主光栅200向右移动时，光刻栅片301的光电信号逐 渐增强，光刻栅片302的光电信号逐渐减弱，光刻栅片303的光电信号逐渐减 弱，光刻栅片304的光电信号逐渐增强，光刻栅片305的光电信号变化情况与 光刻栅片301相同；光刻栅片302A至305A与前述类似。为了便于理解，对正 弦波的波形零点稍作平移，各点起始位置可标示如图4所示。图4也也可以整 体平移至以光刻栅片301处作为零点，这些均是简单的数学平移变化。具体转 换效果如图5所示，此处不再累述。同时，由图5的波形变换进行平移前后的的波形变化，可以判断接收器与主光栅位置变化的移动方向。这些只需要结合 简单的数学常识即可得出。

若接收器300相对的主光栅100的位置为向左移动时，光刻栅片光电信号 强度变化趋势与上述向右移动相反，其波形也可以进行简单的变换得出。

作为本发明的一个实施例，N、M为相等或不等的自然数，具体可以根据实 际需要设置为M为小于N的自然数。这也与实际应用中主光栅相对指示光栅的 长度更长的实际相吻合，既符合实际使用的习惯，又避免在接收器上设置过多 的光刻栅片造成资源的浪费和加工成本的增加。

作为本发明的一个实施例，主光栅的平行透射光线垂直或倾斜照射到光刻 栅片上。但是，在实际应用过程中，为了保证光电转换的效果。垂直照射的效 果比倾斜照射效果更好，优选垂直照射或接近垂直照射的方式。

为了验证本发明的技术效果，采用示波器对测量所得的正弦波波形进行拟 合，为了方便比对，同时拟合采用现有技术含有指示光栅的测量装置，其效果 如图6、图7所示。通过图6和图7进行对比可以发现，现有技术含有指示光栅 的测量装置的波形拟合后边缘相对粗糙，毛边现象严重，说明其测量过程中存 在一定的波动，测量的精度和准确度有待提高。而采用本发明无指示光栅的测 量装置进行测量后，由于没有指示光栅造成的传递误差、安装误差等累积误差 的影响，拟合后的波形边缘更加平滑，更加接近真圆，其测量的准确度、精度、 稳定性具有明显的优势。

作为本发明的一个实施例，M为大于或等于2的自然数时，相隔三块光刻栅 片的两光刻栅片彼此电信号并联。并联形成的两组或多组光刻栅片可以形成若 干个完整的正弦波信号，只要有一组信号正常工作，即可满足测量的需求，有 效耐油污，延长维护周期，降低维护成本，提升测量的可靠性。

作为本发明的一个实施例，W为2-300μm，优选为W为4、10、20、50、200 μm，优选的宽度此处与目前实际应用的光学器件具有较大的通用性，无需更改 电路设计即可替代现有带有指示光栅的光学测量装置，拓展了光学使用装置的 应用前景。

如图2和图3所示，作为本发明的一个实施例，光源为平行光LED灯或点 光源与聚光镜的组合。在图2中，平行光LED灯110无需对光线进行变换即可 产生平行光，光线均匀，LED灯使用寿命长，光衰效应小，保证了测量的准确性 和可靠性。如图3所示，点光源120与聚光镜130是传统的光源实现平行射出 的方式，在实际使用中更为广泛，成本更加低廉。

作为本发明的一个实施例，接收器上包括PCB板，硅光晶片封装在PCB板 上。硅光晶片封装在PCB板的技术在电路板行业中应用技术非常成熟，其具体 工艺过程可参考中国发明专利申请CN110793554A一种单晶元四场接收器及其生 产工艺的相关记载。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语诸如“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描 述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方 位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗 示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、 “第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的 描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连 接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆 卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也 可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作 用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。

上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能 因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这 些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透射式无指示光栅光学测量装置，包括光源、主光栅和接收器，其特征在于：

主光栅和接收器依次设置在光源的直线光路上，所述主光栅上至少有3N+1根平行间隔排列的矩形光栅刻线，所述接收器上设有用于光电信号转换的硅光晶片，所述硅光晶片上设有4M+1块平行间隔排列的矩形光刻栅片；

所述光栅刻线的宽度、相邻两光栅刻线的栅距、光刻栅片的宽度均为W，相邻两光刻栅片的栅距为W/2，N、M均为自然数。

2.根据权利要求1所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：所述光刻栅片光电转换的信号为相位依次相差90°的4路正弦信号。

3.根据权利要求2所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：N、M为相等或不等的自然数。

4.根据权利要求2所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：M为小于N的自然数。

5.根据权利要求3或4所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：M为大于或等于2的自然数时，相隔三块光刻栅片的两光刻栅片彼此电信号并联。

6.根据权利要求5所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：W为2-300μm。

7.根据权利要求6所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：W为4、10、20、50、200μm。

8.根据权利要求7所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：所述光源为平行光LED灯或点光源与聚光镜的组合。

9.根据权利要求8所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：所述接收器上包括PCB板，所述硅光晶片封装在PCB板上。

10.根据权利要求9所述的透射式无指示光栅光学测量装置，其特征在于：主光栅的平行透射光线垂直或倾斜照射到光刻栅片上。

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