CN112902854A

CN112902854A - 反射式位移测量装置

Info

Publication number: CN112902854A
Application number: CN202110349859.3A
Authority: CN
Inventors: 苟敬德; 王洋; 杨尚; 赵尔瑞; 李德胜
Original assignee: CHANGCHUN YUHENG OPTICS CO LTD
Current assignee: CHANGCHUN YUHENG OPTICS CO LTD
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2021-06-04

Abstract

本发明提供一种反射式位移测量装置，包括：投影系统、指示光栅、反射标尺光栅和接收系统，投影系统发出的平行光入射到指示光栅，并经过指示光栅入射到反射标尺光栅的表面，再反射回指示光栅产生莫尔条纹投影到接收系统转换为电信号；指示光栅包括玻璃基材，在玻璃基材镀有吸光膜，在吸光膜上刻蚀有由振幅光栅和相位光栅组成的只拥有±1级衍射条纹的复振幅光栅。本发明提供的反射式位移测量装置能够在提高能使用率、降低光栅的制造难度的条件下获得理想的光强分布。

Description

反射式位移测量装置

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，特别涉及一种反射式位移测量装置。

背景技术

位移传感器作为位置检测的精密传感器，根据不同使用场景和技术要求具有不同的技术规格，其中分体反射式位移传感器，对于高精度高分辨率的使用场景下具有广泛的应用。用于读取光栅位置信息的位移传感器系统目前市场上主要有图像和投影两种形式。其中投影式主要代表有雷尼绍与海德汉两大类产品，雷尼绍的产品使用的投影和接收方式相对比较容易实现，但问题在于单位面积下光能使用率很低，需要更强的光照强度与更大的电子增益，使得系统的发热量很大，不适用于发散热要求高的高集成结构；海德汉使用的是双相位光栅投影结构，可以理想的光强分布，但光栅制造难度很大。

综上，急需一种高光能使用率且光栅制造难度低的高精度位移传感器系统。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种反射式位移测量装置，以降低光栅制造难度低，提高光能使用率。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种反射式位移测量装置，包括：投影系统、指示光栅、反射标尺光栅和接收系统，投影系统发出的平行光入射到指示光栅，并经过指示光栅入射到反射标尺光栅的表面，再反射回指示光栅产生莫尔条纹投影到接收系统转换为电信号；指示光栅包括玻璃基材，在玻璃基材镀有吸光膜，在吸光膜上刻蚀有由振幅光栅和相位光栅组成的只拥有±1级衍射条纹的复振幅光栅。

优选地，在吸光膜上刻蚀有贯穿其厚度且等间距排布的第一沟槽形成振幅光栅，在相间隔的第一沟槽内向玻璃基材刻蚀第二沟槽形成相位光栅；第二沟槽的宽度为第一沟槽两侧的吸光膜长度的二倍。

优选地，复振幅光栅的数量为至少两个，相邻两个复振幅光栅错位布置。

优选地，反射标尺光栅包括基底，基底按区域划分为增量区和零位编码区。

优选地，接收系统包括零位信号光电接收器阵列和位移信号光电接收器阵列；其中，零位信号光电接收器阵列包括交替排布的零位信号接收器，分别产生Z+信号与Z-信号；位移信号光电接收器阵列为至少一组且成排布置，每组包括四位移信号光电接收器，每组中的四个位移信号接收器分别产生A+信号、B+信号、A-信号和B-信号。

优选地，位移信号光电接收器阵列成两排且相对错位布置。

优选地，复振幅光栅的周期为Tz，反射标尺光栅的周期为Tb，位移信号光电接收器阵列的周期为Tg，则三者满足如下关系：

(m±n)×Tz＝m×Tb＝Tg，m和n为正整数，且m＞n。

优选地，在吸光膜上刻蚀有用于透过莫尔条纹的第一透光窗口，第一透光窗口的深度为吸光膜的厚度。

优选地，在吸光膜上还刻蚀有用于产生零位信号投影条纹的零位光栅。

优选地，在吸光膜上刻蚀有用于透过零位信号投影条纹的第二透光窗口。

本发明能够取得以下技术效果：

1、复振幅光栅能够获得想要的光强分布，有利于实现光调制的编码，并且复振幅光栅无需经历S_iO₂镀膜工序，可以降低制作难度。

2、通过复振幅光栅的错位布置，可以消除加工误差带来的谐波，可使加工过程中的允差放大，使得系统对器件的要求进一步降低，提高成品合格率。

3、位移信号光电接收器阵列的错位布置，可以消除谐波。

4、复振幅光栅、反射标尺光栅与位移信号光电接收器阵列的周期满足的关系，可以得到正余弦电信号。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的反射式位移测量装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的指示光栅的结构示意图；

图3是传统的相位光栅的结构示意图；

图4是传统的相位光栅的光强分布图；

图5是传统的振幅光栅的结构示意图；

图6是传统的振幅光栅的光强分布图；

图7是根据本发明一个实施例的复振幅光栅的主视图；

图8是根据本发明一个实施例的复振幅光栅的俯视图；

图9是根据本发明一个实施例的复振幅光栅的光强分布图；

图10是根据本发明一个实施例的三个复振幅光栅的错位排布图；

图11是根据本发明一个实施例的反射标尺光栅的结构示意图；

图12是根据本发明一个实施例的接收系统的结构示意图；

图13是根据本发明一个实施例的另一种位移信号光电接收器阵列的结构示意图。

其中的附图标记包括：投影系统1、光源11、准直镜12、指示光栅2、玻璃基材21、吸光膜22、复振幅光栅23、第一沟槽231、第二勾槽232、第一透光窗口24、零位光栅25、第二透光窗口26、反射标尺光栅3、基底31、增量区32、零位编码区33、接收系统4、零位信号光电接收器阵列41、第一零位信号接收器411、第二零位信号接收器412、位移信号光电接收器阵列42、第一位移信号接收器421、第二位移信号接收器422、第三位移信号接收器423、第四位移信号接收器424。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面将对本发明实施例提供的反射式位移测量装置进行详细说明。

图1示出了根据本发明一个实施例的反射式位移测量装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的反射式位移测量装置，包括：投影系统1、指示光栅2、反射标尺光栅3和接收系统4，投影系统1包括光源11和准直镜12，光源11优选为LED光源，用于发光；准直镜12用于将光源11发出的光转换为平行光，平行光入射到指示光栅2，并经过指示光栅2入射到反射标尺光栅3的表面，再反射回指示光栅2产生莫尔条纹投影到接收系统4，经接收系统4转换为电信号进行输出。

本发明通过指示光栅2与反射标尺光栅3的配合产生莫尔条纹。指示光栅2作为反射式位移测量装置的重点设计，下面对指示光栅2的结构进行详细说明。

图2示出了根据本发明一个实施例的指示光栅的结构。

如图2所示，指示光栅2包括玻璃基材21，在玻璃基材21上镀有吸光膜22，在吸光膜22上朝玻璃基材21方向刻蚀有复振幅光栅23、第一透光窗口24、零位光栅25和第二透光窗口26，复振幅光栅23用于生成增量信号投影条纹，该增量信号投影条纹入射到反射标尺光栅3形成莫尔条纹，莫尔条纹为±1级衍射条纹，经反射标尺光栅3反射后从第一透光窗口24射出被接收系统4接收；零位光栅24用于生成零位信号投影条纹，其具体结构为现有技术，在此不再赘述，该零位信号投影条纹经反射标尺光栅3反射后从第二透光窗口26射出被接收系统4接收。

吸光膜22由铬或铬与氧化铬等物质制成，用于对光线进行遮挡与吸收。

由于光经过狭缝存在衍射效应，所以当复振幅光栅23与反射标尺光栅3之间的间隙较远时，能量分布不能完全按照应用光学中准直光源的发散角度来计算投影的能量分布，需要使用标量理论来对投影光场的能量分布进行计算，为了抑制除了一级衍射条纹外其他级次的衍射条纹，需要使用相位光栅和振幅光栅复合的形式对平行光进行调制，已得到本发明需要的光能量分布。

图3示出了传统的相位光栅的结构。如图3所示，在玻璃基材上刻蚀沟槽制成相位光栅，通过沟槽处的光程差来实现光能调制，其光强分布如图4所示，但不是本发明想要获得光强分布。

图5示出了传统的振幅光栅的结构。如图5所示，在玻璃基板上镀制遮光膜形成振幅光栅，根据入射光的方向将传统的振幅光栅分为透射式和反射式两种，其光强分布如图6所示，也不是本发明想要获得光强分布。

本发明想要的光强分布如图9所示。为了得到图9所示的光强分布，在传统相位光栅的基础上结合振幅光栅，组成复振幅光栅23。

图7和图8分别示出了根据本发明一个实施例的复振幅光栅的主视结构和俯视结构。

如图2、图7和图8所示，在吸光膜22上刻蚀有贯穿自身厚度且等间距分布的第一勾槽231形成振幅光栅，第一勾槽231将吸光膜22等宽度平分，对应于相间隔的第一勾槽231内，在玻璃基材21上刻蚀有第二勾槽232形成相位光栅，也就是说，当形成振幅光栅后，在玻璃基材21上进行刻蚀形成相位光栅，由相位光栅和振幅光栅组成复振幅光栅23。

吸光膜22能够对相位光栅的位置进行调制，得到如9所示的光强分布，有利于实现光调制的编码。

由于第二沟槽232在玻璃基材21上等间距排布，因此形成的是连续周期结构的复振幅光栅23，其周期为Tz。

为了抑制除1级衍射条纹以外的其他能级的衍射条纹，第二沟槽232的宽度A2为第二沟槽232两侧的吸光膜22的宽度A1的二倍，A1+A2＝Tz，即此处光相位与相邻透光窗口的相位差为半个周期。

本发明设计的复振幅光栅23在制备时，在玻璃基材21上腐蚀出深度为π的第二沟槽232。由于在制备过程中无需进行S_iO₂镀膜工序，可以降低制作难度。

为了消除加工误差带来的k次谐波，使加工过程中的允差放大，使得系统对器件的要求进一步降低，提高成品合格率，复振幅光栅23的数量为至少两个，图10示出了三个复振幅光栅，相邻两个复振幅光栅以错开预设距离x拼接在一起，从而消除k次谐波，降低光栅的工艺难度，避免生产过程中出现光强分布不理想的情况。例如：相邻两个复振幅光栅错开Tz/2以消除2次谐波，又如：相邻两个复振幅光栅错开Tz/3以消除3次谐波。

当然，多个错位的复振幅光栅23可以做成一体结构，在同一个玻璃基板上刻蚀出错位的沟槽，以达到消除谐波的目的。

第一透光窗口24位于复振幅光栅23的一侧，第一透光窗口24的深度为吸光膜22的厚度，即第一透光窗口24未刻蚀到玻璃基材21。

第二透光窗口26位于零位光栅25的一侧，第二透光窗口26的深度也为吸光膜22的厚度。

图11示出了根据本发明一个实施例的反射标尺光栅的结构。

如图11所示，反射标尺光栅即为标尺光栅又作为反射光栅，其具体包括基底31，基底31为高抛光表面，用于增强抗腐蚀性，也可以通过镀金属膜来增强抗腐蚀性，基底31按照区域划分为增量区32和零位编码区33，增量区32使用基底31表面的高抛光区域与黑体区域交替形成的周期结构，其周期为Tb，零位编码区33同样使用基底31表面的高抛区域与黑体区域交替形成用于零位编码的结构。

图12示出了根据本发明一个实施例的接收系统的结构。

如图12所示，接收系统包括用于接收零位信号投影条纹的零位信号光电接收器阵列41和用于接收增量信号投影条纹的位移信号光电接收器阵列42；其中，零位信号光电接收器阵列41包括交替排布的第一零位信号接收器411和第二零位信号接收器412，第一零位信号接收器411用于产生Z+信号，第二零位信号接收器412用于产生Z-信号，Z+信号与Z-信号进入比较器比较电平后，输出零位脉冲。

位移信号光电接收器阵列42由第一位移信号接收器421、第二位移信号接收器422、第三位移信号接收器423和第四位移信号接收器424构成，以四个位移信号接收器为一组构成周期结构，单周期宽度为Tg，位移信号光电接收器阵列42包括至少一组周期结构，且多组周期结构排布成一排，第一位移信号接收器421用于产生A+信号，第二位移信号接收器422用于产生B+信号，第三位移信号接收器423用于产生A-信号，第四位移信号接收器424用于产生B-信号。

在本发明的一个具体实施方式中，第一位移信号接收器421、第二位移信号接收器422、第三位移信号接收器423和第四位移信号接收器424尽可能增大其受光面积，以提高单位面积下光能使用率。

图13示出了根据本发明一个实施例的另一种位移信号光电接收器阵列的结构。

如图13所示，为了消除h次谐波，位移信号光电接收器阵列42排布为两排，且上下两排的周期结构以错开预设距离y布置。例如：上下两排的周期结构错开Tg/2以消除2次谐波，又如：相邻两个复振幅光栅错开Tg/3以消除3次谐波。

为了得到正余弦信号，需要复振幅光栅23、反射标尺光栅3和位移信号光电接收器阵列42的周期满足如下关系：

(m±n)×Tz＝m×Tb＝Tg，其中m，n为正整数，且m＞n。

在本发明的一个具体示例中，反射标尺光栅3的周期Tb＝20μm，m＝40，则有Tg＝800μm；此时取n＝1，m±n取m-n，则有Tz＝20.5128μm，此时复振幅光栅23与位移信号光电接收器阵列42可以分别选用错位布置的消谐波方案，或者复振幅光栅23选择消谐波方案，位移信号光电接收器阵列42不选择消谐波方案，或者复振幅光栅23不选择消谐波方案，位移信号光电接收器阵列42选择消谐波方案。

本发明可以选择一次消除谐波或分次消除谐波，在选择一次消除谐波时，可以单独通过复振幅光栅23或位移信号光电接收器阵列42一次消除所有的谐波，在选择分次消除谐波时，可以通过复振幅光栅23消除部分谐波，通过位移信号光电接收器阵列42另一部分的谐波。根据实际情况做出最适合的选择。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种反射式位移测量装置，其特征在于，包括：投影系统、指示光栅、反射标尺光栅和接收系统，所述投影系统发出的平行光入射到所述指示光栅，并经过所述指示光栅入射到所述反射标尺光栅的表面，再反射回所述指示光栅产生莫尔条纹投影到所述接收系统转换为电信号；

所述指示光栅包括玻璃基材，在所述玻璃基材镀有吸光膜，在所述吸光膜上刻蚀有由振幅光栅和相位光栅组成的只拥有±1级衍射条纹的复振幅光栅。

2.如权利要求1所述的反射式位移测量装置，其特征在于，在所述吸光膜上刻蚀有贯穿其厚度且等间距排布的第一沟槽形成所述振幅光栅，在相间隔的第一沟槽内向所述玻璃基材刻蚀第二沟槽形成所述相位光栅；所述第二沟槽的宽度为所述第一沟槽两侧的吸光膜长度的二倍。

3.如权利要求2所述的反射式位移测量装置，其特征在于，所述复振幅光栅的数量为至少两个，相邻两个复振幅光栅错位布置。

4.如权利要求1所述的反射式位移测量装置，其特征在于，所述反射标尺光栅包括基底，所述基底按区域划分为增量区和零位编码区。

5.如权利要求1-4中任一项所述的反射式位移测量装置，其特征在于，所述接收系统包括零位信号光电接收器阵列和位移信号光电接收器阵列；其中，

所述零位信号光电接收器阵列包括交替排布的零位信号接收器，分别产生Z+信号与Z-信号；

所述位移信号光电接收器阵列为至少一组且成排布置，每组包括四位移信号光电接收器，每组中的四个位移信号接收器分别产生A+信号、B+信号、A-信号和B-信号。

6.如权利要求5所述的反射式位移测量装置，其特征在于，所述位移信号光电接收器阵列成两排且相对错位布置。

7.如权利要求5或6所述的反射式位移测量装置，其特征在于，所述复振幅光栅的周期为Tz，所述反射标尺光栅的周期为Tb，所述位移信号光电接收器阵列的周期为Tg，则三者满足如下关系：

(m±n)×Tz＝m×Tb＝Tg，m和n为正整数，且m＞n。

8.如权利要求1所述的反射式位移测量装置，其特征在于，在所述吸光膜上刻蚀有用于透过莫尔条纹的第一透光窗口，所述第一透光窗口的深度为所述吸光膜的厚度。

9.如权利要求8所述的反射式位移测量装置，其特征在于，在所述吸光膜上还刻蚀有用于产生零位信号投影条纹的零位光栅。

10.如权利要求9所述的反射式位移测量装置，其特征在于，在所述吸光膜上刻蚀有用于透过零位信号投影条纹的第二透光窗口。