CN1146551A - 光栅位移测量装置 - Google Patents

Abstract

光栅位移测量装置，适用于线位移和角位移的测量。具有光源、标尺光栅、指示光栅和光电接收装置。本发明的指示光栅的每条刻线是由多个精细的光学图形单元连接而成，每个光学图形单元含有透光部分，光强透过率为常数c，和不透光部分，光透过率为0或接近于0。本发明可输出纯净的正弦波信号，信号的纯洁性不受光栅莫尔条纹形式和空间频率变化的影响。

Description

光栅位移测量装置

本发明适用于线位移和角位移的测量。

光栅用于线位移和角位移的测量已为人们所熟知，通常光栅信号中含有丰富的谐波，高次谐波的含量一般可占基波的10％左右，这些高次谐波影响了光栅信号的质量。在测量仪器中，由于测量速度具有随意性，一般不能采用电路滤波的方法，而只能进行光学滤波。目前这一方面的研究很少，仅有一种用空间光阑改善光栅信号的正弦性的方法(美国专利3,674,372)。这种方法的不足之处在于：光阑只适用于横向和纵向莫尔条纹的滤波，无法对光闸莫尔条纹滤波；同时光阑滤波要求莫尔条纹具有固定的空间频率，光栅在使用时常常满足不了要求；光阑滤波降低了信号的对比度，光栅均匀性引起的直流电平漂移也更加突出，光阑滤波器的这些缺点使其很少应用。

本发明的目的在于提供一种由两个光栅组成的位移测量装置，该装置能够输出与位移有关的纯净的正弦信号。

本发明的基本思想是通过合理设计两光栅测量装置中指示光栅的刻线结构，使测量装置输出单一谐波的信号。在本发明中指示光栅的每条刻线是由多个精细的光学图形单元连接而成，每个光学图形单元含有透光部分，光强透过率为常数c，和不透光部分，光透过率为0。

图1是本发明所采用的光学系统结构示意图。

图2是图1中指示光栅4的局部示意图。

图3是图1中指示光栅4单个的透光单元的示意图。

图4为本发明的用于角位移测量的示意图。

图5是图4中径向指示光栅4的示意图。

图6是图4中指示光栅4的透光单元的示意图。

图中，1-光源，2-聚光镜，3-标尺光栅，4-指示光栅，5-光电接收装置，6-轴系。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

在图1所示的装置中，光源1位于聚光镜2的焦面上，光线经聚光镜2变为准直光，如果光源1本身能够发出准直光，聚光镜2可以省略不用。准直光依次通过彼此相邻的标尺光栅3和指示光栅4，标尺光栅3与指示光栅4之间取一很小的间隙z，以避免二者相互磨擦，它们可以在x轴方向作相对运动。标尺光栅3为一线性光栅，即光栅的各条刻线相互平行，指示光栅4的各条刻线也相互平行，并具有与标尺光栅3相同的光栅常数W。指示光栅4具有特别的刻线形式，如图2所示，它的每条刻线由许多个透光单元组成，每个透光单元中间有一透光孔，如图3所示，透光孔内光强透过率为常数c，透光孔以外区域光强透过率为0或接近于0，透光孔的内边缘沿y方向的跨度满足： ${\mathrm{\Δ}}_y=a_i+b_i\sin (\frac{2\mathrm{\πx}}{W}+{\mathrm{\φ}}_i)--------\left(1\right)$ 其中，W--光栅常数；

  i--光学图形单元的编号；

  a_i、b_i--与第i个光学图形单元形状大小有关的常数，对于不

            同的单元可以取不同的值；

  φ_i--第i个光学图形单元的初相角；

   $x_i-\frac{W}{2}<x<x_i+\frac{W}{2},$ x_i为该透光单元中心的坐标。

让标尺光栅3和指示光栅4的栅线相互平行或者稍微倾斜，照明光经过两光栅后为光电接收装置5所接收，光电接收装置5中通常含有多个光电元件，由于指示光栅的作用，当两光栅作相对直线运动时，每个光电元件的输出均不含有高次谐波，光电接收装置5中的光电元件之间通常具有一定的相位差，可用于细分和辨向等。

现在就以两光栅栅线相互平行为例来解释上述装置的原理。

在如图1所示的由标尺光栅与指示光栅组成的两光栅光学系统中，标尺光栅为一具有恒定周期的光栅，可以表示为傅立叶级数的形式， $g\left(x\right)=\underset{n-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_n\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;nx}}{W}\right)----------\left(2\right)$ 其中，C_n(n＝0，±1，±2，…)--傅立叶系数，其值取决于刻线结构；

x--在光栅平面内沿与刻线垂直方向的坐标；

W--光栅常数。

标尺光栅3在准直光照射下，根据傅立叶光学，光栅的近衍射场的光强也呈周期分布，可以表示为 $I(x,z)=\underset{n=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_l\left(z\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;xl}}{W}\right)----\left(3\right)$ 其中，x--在光栅平面内沿与刻线垂直方向的坐标；

z--衍射场平面与光栅平面的距离；

I_l(z)--为各次谐波的幅值，其值取决于刻线的结构及z的大

        小；

设指示光栅4共含有N个透光单元，则指示光栅的透光函数可以表示为 $l(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_i(x-x_i,y-y_i)------------\left(4\right)$ 式中，(x_i，y_i)--第i个透光单元中心的坐标；

t_i(x－x_i，y－y_i)--第i个单元的透光函数，若(x，y)位于第i个透光单元的透光孔内，t_i(x－x_i，y－y_i)＝c，否则t_i(x－x_i，y－y_i)＝0。

通常透光单元比较小，光电元件尺寸比较大，光电元件总是覆盖着许多透光单元，如果忽略光电元件边缘覆盖的分数单元，可设光电元件覆盖着整数n(＜N)个透光单元，光电元件接收到的光强E为标尺光栅衍射场的光强分布与指示光栅光强透过率的卷积，由式(3)、(4)得 $E=\underset{s}{\&Integral;\&Integral;}I(x_0-x)t(x,y)\mathrm{dxdy}$ $=\underset{s}{\&Integral;\&Integral;}\underset{l=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_l\left(z\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;l}(x_0-x)}{W}\right)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i(x-x_i,y-y_i)\mathrm{dxdy}$ $=\underset{I=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_l\left(z\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;l}{x}_0}{W}\right)\underset{i-l}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{s}{\&Integral;\&Integral;}\exp \left(\frac{-j2\mathrm{\&pi;lx}}{W}\right)l_i(x-x_i,y-y_i)\mathrm{dxdy}$ $=\underset{l=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_l\left(z\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;l}{x}_0}{W}\right)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}c{\&Integral;}_{x_i-\frac{W}{2}}^{x_i+\frac{W}{2}}\exp \left(\frac{-j2\mathrm{\&pi;lx}}{W}\right)[a_i+b_i\sin (\frac{2\mathrm{\&pi;x}}{W}+{\mathrm{\&phi;}}_i)]\mathrm{dx}----\left(5\right)$ 当l＝0时， $E_{l=0}=I_0\left(z\right)c\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{i}W$ 当l＝-1时， $E_{l=-1}=\exp \left(\frac{-j2\mathrm{\&pi;}{x}_0}{W}\right)I_{-1}\left(z\right)c\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{b_{i}W}{2}(\sin {\mathrm{\&phi;}}_i+j\cos {\mathrm{\&phi;}}_i)$ 当l＝1时， $E_{l=1}=\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;}{x}_0}{W}\right)I_l\left(z\right)c\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{b_{i}W}{2}({\sin \mathrm{\&phi;}}_i-j\cos {\mathrm{\&phi;}}_i)$ 当l≠0，±1时，E_l≠0＋1＝0

由此可见，在标尺光栅与指示光栅组成的位移测量装置中，光电元件接收的光强信号仅含有一次基波，二次以上高次谐波均为0。

在本发明的另一种形式图4里，光源1位于聚光镜2的焦面上，光线经聚光镜2变为准直光，如果光源1本身能够发出准直光，聚光镜2可以省略不用。准直光依次通过彼此相邻的标尺光栅3和指示光栅4，标尺光栅3通过轴系6与某一个转角待测定的部件刚性地联接在一起，轴系可以转动，指示光栅4与一基准部件相联接。标尺光栅3为一径向光栅，即光栅的各条刻线相交于一点，指示光栅4是具有与标尺光栅3相同的光栅常数ω的径向光栅，但指示光栅4只取整个圆周的一个局部，并具有特别的刻线形式，如图5所示。它的每条刻线由许多个透光单元连接而成，每个透光单元有一透光孔，如图6所示，透光孔内光强透过率为常数c，透光孔以外区域透过率为0或接近于0，透光部分沿半径方向的跨度Δ_y符合或者近似符合下面的表达式： ${\mathrm{\&Delta;}}_r=a_i+b_i\sin (\frac{2\mathrm{\&pi;\&theta;}}{\mathrm{\&omega;}}+{\mathrm{\&phi;}}_i)------\left(6\right)$ 其中，ω--径向光栅刻线的角间距；

i--光学图形单元的编号；

θ--以指示光栅刻线交点为圆心沿圆周方向的角度坐标，

${\mathrm{\&theta;}}_i-\frac{\mathrm{\&omega;}}{2}+{<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&theta;}}_i+\frac{\mathrm{\&omega;}}{2},$ θ_i为第i个光学图形单元中心的角

度坐标；a_i、b_i--与第i个光学图形单元形状大小有关的常数，对于不

      同的单元可以取不同的值；φ_i--第i个光学图形单元的初相角；

标尺光栅3和指示光栅4栅线方向一致或者稍微倾斜，照明光经过两光栅后为光电接收装置5所接收，由于指示光栅4的特殊作用，当轴系转动时，光电接收装置的输出是较纯净的正弦波。图4所示装置的原理类似于图1，只需将直角坐标改为极坐标，以角度坐标θ代替x，线性光栅的常数W换为径向光栅的常数ω即可，这里不再赘述。

本发明的积极效果在于：采用本发明所提供的标尺光栅和指示光栅组成的测量装置只输出单一的谐波信号。与其它技术相比(美国专利3,674,372)，具有以下优点：本发明的指示光栅可以制作成与现有各种指示光栅相兼容的形式，在不需要改变现有光栅测量装置下，只要更换一片指示光栅就可以达到滤波效果。而光阑滤波器只能以自己独特的形式存在，与现有的光栅读数装置兼容性差，不利于推广。采用本发明提供的光栅位移测量装置中，光栅信号谐波的纯净性不受莫尔条纹空间频率变化的影响，克服了光阑滤波器的缺点。提高了测量质量。本发明可用于一切线位移和角位移测量装置中。

Claims (3)

1.光栅位移测量装置具有光源、标尺光栅、指示光栅和光电接收装置，其光源位于标尺光栅一侧，照明光线依次经过标尺光栅和指示光栅，为光电接收装置所接受，其特征是所说的指示光栅其每条刻线是由多个精细的光学图形单元连接而成，每个光学图形单元含有透光部分，光强透过率为常数c，和不透光部分，光透过率接近为0。

2.按照权利要求1所说的光栅位移测量装置，其特征是所说的指示光栅各条刻线相互平行，其组成刻线的光学图形单元中的透光部分沿刻线方向的跨度Δ_y符合或者近似符合下面的表达式： ${\mathrm{\&Delta;}}_y=a_i+b_i\sin (\frac{2\mathrm{\&pi;x}}{W}+{\mathrm{\&phi;}}_i)$ 其中，W--光栅常数；

i--光学图形单元的编号；

x--光栅平面内沿与刻线垂直的方向的坐标， $x_i-\frac{W}{2}<x<x_i+\frac{W}{2},$ xi为第i个光学图形单元中心在x方向

的坐标：a_i、b_i--与第i个光学图形单元形状大小有关的常数，对于不

    同的单元可以取不同的值；φ_i--第i个光学图形单元的初相角。

3.按照权利要求1所说的光栅位移测量装置，其特征是所说的指示光栅各条刻线相交于一点，其组成刻线的光学图形单元中的透光部分沿该刻线方向的跨度Δ_y符合或者近似符合下面的表达式： ${\mathrm{\&Delta;}}_r=a_i+b_i\sin (\frac{2\mathrm{\&pi;\&theta;}}{\mathrm{\&omega;}}+{\mathrm{\&phi;}}_i)$ 其中，ω--指示光栅相临刻线的角间距；

  i--光学图形单元的编号；

θ--以指示光栅的刻线交点为圆心沿圆周方向的角度坐标，

${\mathrm{\&theta;}}_i-\frac{\mathrm{\&omega;}}{2}<\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_i+\frac{\mathrm{\&omega;}}{2},$ θi为第i个图形单元中心的角度坐标：

a_i、b_i--与第i个光学图形单元形状大小有关的常数，对于不

        同的单元可以取不同的值；

φ_i--第i个光学图形单元的初相角。

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