CN113175881B - 一种提高光栅读数间隙容差的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种提高光栅读数间隙容差的测量装置，包括光尺读数头和标尺光栅，光线直接穿过标尺光栅发生衍射和干涉，根据泰伯效应，在泰伯曲面附近沿着标尺光栅长度的方向形成“光尺”，由光尺读数头进行“光尺”上强度的读取，标尺光栅为三维结构化的相位透射光栅，增大了在标尺光栅后面同一空间距离附近的成像深度；光尺读数头由光源和半导体感光元件组成；本发明通过对标尺光栅进行结构改造，改变标尺光栅之后的泰伯像的成像深度信息，直接根据同一深度处的光强大小作为位移大小的数据判断依据；增大了在标尺光栅后面同一空间距离附近的成像深度，从而增加了半导体光电接受元件的安装空间范围，也就是说提高了光栅读数间隙的容差。

Description

一种提高光栅读数间隙容差的测量装置

技术领域

本发明涉及光栅测量技术领域，特别涉及一种提高光栅读数间隙容差的测量装置。

背景技术

精密光栅测量系统一般由标尺光栅和读数头组成，而传统的光栅读数头一般由指示光栅、光源和半导体光电转换元件所组成，由标尺光栅和指示光栅形成所需要的莫尔条纹进行位移的放大处理，然后由光电转换元件将所感知的光波信号转换为相应的电信号进行处理分析，最终确定位移的具体大小。

但读数头和标尺光栅的安装过程中，必须使标尺光栅的横向位置位于指示光栅所形成的一次泰伯像附近，即泰伯像位置的±δ区间内才有莫尔条纹的输出，而安装位置的调试也一般都在亚豪米级别，调试难度非常大；同时，标尺光栅的长度相对较长，且在使用的过程中一般固定在机床的导轨上，这对机床导轨的直线度和标尺光栅的直线度都有很高的要求，以及对两元件的重合直线度的保障更是重中之重。此外，伴随着维纳制造技术水平和计算机数据分析性能的不断提高，在微纳结构上实现对光场的调控也已逐渐变为了可能。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种提高光栅读数间隙容差的测量装置，光栅读数头和标尺光栅之间的安装调试容易，且提高了光栅读数间隙的容差。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种提高光栅读数间隙容差的测量装置，包括光尺读数头1和标尺光栅2，光线直接穿过标尺光栅2发生衍射和干涉，根据泰伯效应，在泰伯曲面附近沿着标尺光栅2长度的方向形成“光尺”，由光尺读数头1进行“光尺”上强度的读取，标尺光栅2为三维结构化的相位透射光栅，增大了在标尺光栅2后面同一空间距离附近的成像深度。

所述的标尺光栅2的栅齿为阶梯型周期性变化的梯形光栅。

所述的标尺光栅2的栅齿上表面为呈正弦周期性变化的透光薄膜。

所述的光尺读数头1由光源和半导体感光元件组成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过对标尺光栅2进行结构改造，改变标尺光栅2之后的泰伯像的成像深度信息，直接根据同一深度处的光强大小作为位移大小的数据判断依据。而不需要再去借助于指示光栅形成莫尔条纹后再去进行信息的处理分析，从硬件上减少了光栅读数头的组成部件数，更加便于制造和组装。

2)本发明通过对标尺光栅2进行机构改造，增大了在标尺光栅2后面同一空间距离附近的成像深度，从而增加了半导体感光元件的安装空间范围，也就是说提高了光栅读数间隙的容差。

3)在进行装配时，光栅读数间隙容差的增大更利于光尺读数头1和标尺光栅2之间的安装和调试。

附图说明

图1为实施例1标尺光栅的正视图。

图2为实施例1标尺光栅的三维结构图。

图3为实施例1标尺光栅的几何成像原理示意图。

图4为平面标尺光栅的几何成像原理示意图。

图5为实施例2标尺光栅的正视图。

图6为实施例2标尺光栅的三维结构图。

图7为实施例2标尺光栅的几何成像原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

实施例1，参照图1、图2和图3，一种提高光栅读数间隙容差的测量装置，包括光尺读数头1和标尺光栅2，光线直接穿过标尺光栅2发生衍射和干涉，根据泰伯效应，将会在标尺光栅2后的空间位置上形成距离不等的同级次的泰伯曲面，从而造成不同的光强分布，在泰伯曲面附近沿着标尺光栅2长度的方向形成“光尺”，由光尺读数头1进行“光尺”上强度的读取，标尺光栅2的栅齿为阶梯型周期性变化的梯形光栅，所述的光尺读数头1由光源和半导体感光元件组成，不再需要借助于指示光栅；

标尺光栅2的栅齿成阶梯型周期性变化，光线穿过标尺光栅2后引起泰伯像成像深度的改变，只需将半导体感光元件的光信号接受部分放置在相应的光场区间范围内，进行光信号的扫描读取。

如图3所示，图3为标尺光栅2的几何成像原理示意图，在y轴附近可以明显的看到成像中心处的位置变化，在y轴上的光强有效特征信息存在，可选取光强最大处为光尺的标记点，在y轴上安装半导体光电转换原件进行光强信息的扫入；图中的Δδ为y轴的放置区间，也即半导体光信号接受部分的安装区间。

如图4所示，图4为平面标尺光栅的几何成像原理示意图，在y轴上为泰伯像的最佳成像位置，而传统光栅测量系统主要借助于指示光栅在y轴上形成莫尔条纹进行位移的测定，相对比较复杂繁琐，难以安装调配。

对比图3和图4，可以看到图3相对于图4的成像深度几乎增加了一倍，更利于光尺读数头1和标尺光栅2之间的安装。

实施例2，参照图5、图6和图7，一种提高光栅读数间隙容差的测量装置，包括光尺读数头1和标尺光栅2，光线直接穿过标尺光栅2发生衍射和干涉，根据泰伯效应，将会在标尺光栅2后的空间位置上形成距离不等的同级次的泰伯曲面，从而造成不同的光强分布，在泰伯曲面附近沿着标尺光栅2长度的方向形成“光尺”，由光尺读数头1进行“光尺”上强度的读取；所述的标尺光栅2的栅齿上表面为呈正弦周期性变化的透光薄膜，所述的光尺读数头1由光源和半导体感光元件组成，不再需要借助于指示光栅；

标尺光栅2的栅齿上表面为厚度呈正弦型周期变化的透光膜，透过光栅后的光线继续在透光膜内进行传播，引起不同位置的相位差，从而形成相应分布的结构广场；同样，将半导体感光元件的光信号接受部分放置在相应的光场区间范围内，便可直接进行光信号的读取。

如图7所示，在栅齿上表面镀上一层厚度成正弦周期性变化的透光膜，改变光线穿过标尺光栅2之后的光程差，引起相位差变化，从而使标尺光栅2之后的广场分布在y轴方向上呈现正弦分布，可以在y轴上进行光强特征信息的有效提取，选取合适的标记点；同样在y轴上放置半导体光电接受元件，进行光强信息的扫入。图7中的Δδ为y轴的容纳区间，也即半导体光信号接受部分的安装区间，可以看到图7相对于图4的成像深度也成倍增加，对比图7和图4，可以看到图7相对于图4的成像深度几乎增加了一倍，更利于光尺读数头1和标尺光栅2之间的安装，从而提高光尺读数头1和标尺光栅2之间的读数间隙容差。

本发明去除光尺读数头1的指示光栅，直接对光信号进行扫描读取，有利于光尺读数头1的制造与组装；对标尺光栅2在结构上进行改造，形成阶梯标尺光栅或镀膜标尺光栅，从而拉大标尺光栅2的泰伯像成像深度，成倍地提高光尺读数头1和标尺光栅2之间的安装间隙容差。

Claims (1)

1.一种提高光栅读数间隙容差的测量装置，包括光尺读数头(1)和标尺光栅(2)，光线直接穿过标尺光栅(2)发生衍射和干涉，根据泰伯效应，在泰伯曲面附近沿着标尺光栅(2)长度的方向形成“光尺”，其特征在于：由光尺读数头(1)进行“光尺”上强度的读取；标尺光栅(2)为三维结构化的相位透射光栅，增大了在标尺光栅(2)后面同一空间距离附近的成像深度；

所述的标尺光栅(2)的栅齿为阶梯型周期性变化的梯形光栅，或栅齿上表面为呈正弦周期性变化的透光薄膜；

所述的光尺读数头(1)由光源和半导体感光元件组成；

通过对标尺光栅(2)进行结构改造，改变标尺光栅(2)之后的泰伯像的成像深度信息，直接根据同一深度处的光强大小作为位移大小的数据判断依据，而不需要再去借助于指示光栅形成莫尔条纹后再去进行信息的处理分析。

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