CN117647270A - 一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器 - Google Patents

一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器 Download PDF

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Abstract

本发明属于位移传感与精密定位技术领域，具体涉及一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，所述激光器的光路方向上设置有准直扩束器，所述准直扩束器的光路方向上设置有上层结构，所述上层结构的光路方向上设置有下层结构，所述下层结构的光路方向上设置有阵列探测器。本发明利用微纳光栅泰伯像原理，通过检测双层结构透过光强变化，实现读数头精确定位。一方面，采用简单共轴光路实现位置测量，无需反射镜、偏振片等附件光学元件，简化器件结构、提高集成度；另一方面，利用多个编码标记非均匀排布的方式，结合增量位移信息反演位置信息，无需全码道编码，降低编码设计难度。

Description

一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器
技术领域
本发明属于位移传感与精密定位技术领域，具体涉及一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器。
背景技术
受益于集成度高、抗干扰能力强、测量精度高等特点，光栅编码器被广泛应用于机床、加工中心、三坐标机等加工/检测设备刀头、工件台、转台等核心运动部件的绝对位移测量。目前，实现绝对位移测量，主要采用伪随机码(格雷码)、位置标记等方法：1)对于伪随机码法，采用计算机生成一列或多列格雷码，并以非均匀光栅的形式制造编码码道，位移过程中通过检测当前的若干位码值，可以唯一确定当前光栅读数头的绝对位置。该方法可以实时测量绝对位置/位移，但对于大量程测量，由于所需格雷码长度较长，对计算机算力要求较高；2)对于位置标记法，通常在编码码道上间隔特定距离设置若干组小幅面光栅作为位置标记，当读数头经过位置标记时，检测光强发生变化，以此确定当时位置。对于该方法而言，由于光强变化对比度直接影响到定位精度，因此需要对位置标记光强透过特性进行精密调控，难以实现高精度定位。两种方法都可以用于绝对位移的测量，然而二者通常均基于光栅多级衍射光干涉原理，测量过程中需要将不同方向的衍射光进行转向、合束等，导致系统体积较大、成本较高，难以实现机械/半导体高效加工与检测等集成化应用。
发明内容
面向机械/半导体精密加工与检测等集成化位移检测应用，针对光栅绝对式位移编码器体积大、集成度低等问题，本发明提出了一类基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器件，具体包括：1)微纳光栅泰伯像光场二次调制方法，利用傅里叶光学等原理，对于微纳光栅二次调控后的空间光场场分布特性进行分析，并明确其调控方法；2)透过式编码标记设计，利用有限元分析等方法，设计下层透过编码标记，实现读数头的精密定位；3)基于非均匀标记分布的绝对位置计算方法，通过多个编码标记的非均匀分布，结合增量位移测量结果，在避免大长度编码设计的前提下，实现绝对位置的便捷反演，实现绝对位移测量。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，包括激光器、准直扩束器、上层结构、下层结构、阵列探测器，所述激光器的光路方向上设置有准直扩束器，所述准直扩束器的光路方向上设置有上层结构，所述上层结构的光路方向上设置有下层结构，所述下层结构的光路方向上设置有阵列探测器。
所述上层结构包括第一增量码道和第一编码码道，所述第一增量码道与第一编码码道并列设置，所述第一增量码道由周期性的光栅刻线组成。
所述第一编码码道由若干个标记单元组成，所述标记单元为单块均匀光栅结构，所述标记单元包括零点标记和距离码参考标记，所述零点标记与距离码参考标记交错排列，相邻所述标记单元之间间距不同，相邻所述标记单元之间间距沿读数头正向运动方向依次递增或递减。
所述下层结构包括第二增量码道和第二编码码道，所述第二增量码道与第二编码码道并列设置。
所述第二增量码道由四块均匀光栅组成，所述第二增量码道的光栅周期与第一增量码道周期一致，所述第二编码码道由单块编码非均匀光栅组成，编码非均匀光栅长度与第一编码码道光栅周期一致。
所述第二编码码道采用金属或半导体薄膜为基底，通过光刻、EBL、FIB的方法制备得到。
所述下层结构放置在上层结构的整数倍泰伯距离处。
一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器的测量方法，包括下列步骤：
S1、激光器发出的光首先通过准直扩束器与上层结构，并在上层结构后方空间形成泰伯像，该泰伯像的分布周期与光栅周期一致；
S2、下层结构放置在上层结构的整数倍泰伯距离处，对透过光场进行二次调控；
S3、当下层结构与上层结构相对位置发生变化，导致光场透过函数改变，使得透过光强变化；
S4、在下层结构后方放置阵列探测器，对光强变化进行探测，实现位置测量。
所述S4中对光强变化进行探测的方法为：
当上层结构上的第一编码码道与下层结构上的第二编码码道重合时，双层结构透过率最大，此时阵列探测器输出信号强度最大；当上层结构上的第一编码码道与下层结构上的第二编码码道二者不重合时，阵列探测器输出信号强度降低，输出值不为最大。
所述S4中实现位置测量的方法为：
下层结构放置在上层结构的泰伯自成像区域内，且处于整数倍泰伯距离处，泰伯区域高度H表示为：
其中：N为光栅周期个数，ZT为单个泰伯周期长度值，ZT表示为：
其中：d为光栅周期，λ为入射光波长，n为衍射级次；
记录当前标记单元与前一个标记单元之间的位移输出值，将该值与已知的各标记单元间隔进行对照，便可获知此时读数头所处的标记单元区间，即读数头已经经过的标记单元个数，以此确定读数头绝对位置，读数头位置X表示为：
其中：m表示读数头已经过的标记单元个数，△L表示绝对增量位移，Lm表示标记单元之间间距。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明利用微纳光栅泰伯像原理，通过检测双层结构透过光强变化，实现读数头精确定位。一方面，采用简单共轴光路实现位置测量，无需反射镜、偏振片等附件光学元件，简化器件结构、提高集成度；另一方面，利用多个编码标记非均匀排布的方式，结合增量位移信息反演位置信息，无需全码道编码，降低编码设计难度。本发明可以有效解决传统光栅衍射干涉式位移检测技术中编码设计难度大、系统集成度低等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为本发明上层结构的结构示意图；
图4为本发明下层结构的结构示意图；
图5为本发明读数头不同位置对标记检测输出编码的影响图；
图6为本发明标记单元阵列探测器输出信号示意图；
图7为本发明编码码道位置编码原理图；
图8为本发明无编码区域阵列探测器输出信号示意图。
其中：1为激光器，2为准直扩束器，3为上层结构，31为第一增量码道，32为第一编码码道，321为零点标记，322为距离码参考标记，4为下层结构，41为第二增量码道，42为第二编码码道，5为阵列探测器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
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。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本实施例中，如图1所示，激光器1、准直扩束器2、上层结构3、下层结构4、阵列探测器5在同一光轴上。如图2所示，首先，激光器1发出的光首先通过准直扩束器2与上层结构3，并在其后方空间形成泰伯像，该泰伯像的分布周期与光栅周期一致。其次，下层结构3放置在上层结构的整数倍泰伯距离处，对透过光场进行二次调控，当下层结构4与上层结构相对位置发生变化，导致光场透过函数改变，使得透过光强变化。最后，在下层结构后方放置阵列探测器5，对光强变化进行探测，实现位置测量。具体过程为：当上层结构3上的第一编码码道32与下层结构4上的第二编码码道42重合时，如图5所示，双层结构透过率最大，此时探测器输出信号强度最大，图5中(a)读数头恰好处于标记位置，输出编码为01001；(b)读数头相对标记位置左向偏移1个周期，输出编码为10010；(c)读数头相对标记位置向右偏移1个周期，输出编码为00100。如图6所示；当上层结构3上的第一编码码道32与下层结构4上的第二编码码道42二者不重合时，图6中(a)读数头恰好处于标记位置，输出编码为01001时探测器检测光强；(b)读数头恰好处于标记位置，输出编码为10010时探测器检测光强；(c)读数头恰好处于标记位置，输出编码为00100时探测器检测光强。如图7所示，探测器输出信号强度降低，输出值不为最大，如图8所示。因此，通过检测探测器输出极大值点，可以实现定位功能。
进一步，如图3所示，上层结构3包括第一增量码道31和第一编码码道32，第一增量码道31是由周期性的光栅刻线组成的，第一编码码道32是由零点标记321和距离码参考标记322组成。第一增量码道31道用于增量位移检测，第一编码码道32用于读数头定位。光栅采用金属薄膜或不透光半导体薄膜，通过光刻、EBL、FIB等刻蚀制备形成的黑白光栅。
进一步，如图4所示，下层结构4包括第二增量码道41和第二编码码道42，第二编码码道42结构为校准图形。采用金属或半导体薄膜为基底，通过光刻、EBL、FIB等方法制备得到。
进一步，阵列探测器5由多个探测像元组成，像元数量与第二编码码道42编码位数相一致。每个探测像元横向结构尺寸与单个第二编码码道42周期长度严格一致。
进一步，下层结构4放置在上层结构3的泰伯自成像区域内，且处于整数倍泰伯距离处。泰伯区域高度(H)可表示为：
其中，N为光栅周期个数，ZT为单个泰伯周期长度值。ZT可表示为：
其中，d为光栅周期；λ为入射光波长，n为衍射级次。
进一步，光栅制备所用薄膜基底在激光光源波长处光学透过率<1％。
进一步，第一编码码道32由多组相同的标记单元构成，分为零点标记321和距离码参考标记322。各组标记单元之间间距不同，采取非均匀排布的方式沿光栅位移检测方向排列。如图3、图4所示，零点标记Ⅰ与距离参考标记Ⅰ的间隔为L1，距离参考标记Ⅰ与零点标记Ⅱ的间隔为L2，零点标记Ⅱ与距离参考标记Ⅲ的间隔为L3。两标记单元的间隔是逐渐递减的。
进一步，利用标记单元间隔递减来实现绝对位置的确定。具体方法如下：
位移系统记录当前标记单元与前一个标记单元之间的位移输出值，将该值与已知的各标记单元间隔进行对照，便可获知此时读数头所处的标记单元区间(即读数头已经经过的标记单元个数)，以此确定读数头绝对位置。读数头位置(X)可以表示为：
X＝∑Lm +ΔL (3)
其中，m表示读数头已经过的标记单元个数，△L表示绝对增量位移，Lm表示标记单元之间间距。
具体实施方式参数如下：
光栅基底薄膜材料：Au
光栅薄膜厚度：200nm
光栅周期：2μm
入射光中心波长：633nm
上层结构3周期个数：8个
下层结构4编码个数：5个
阵列探测器5像元个数：5个
标记单元编码：01001
上层结构3与下层结构4间距：31.955μm(10个整数周期上)
标记初始间距(L1)：30μm
在上述条件下，由公式(2)可以计算得到，当上层结构3与下层结构4间距为所设置的31.955μm时，下层结构处于上层结构的10倍泰伯像位置，满足使用要求。由于初始间距L1＝30μm，且光栅周期d＝2μm，可知L2＝28μm，L3＝26μm，L4＝24μm，以此类推。
假设读数头从L1初始位置出发，共移动200μm的位移。每当读数头经过一个标记单元时，阵列探测器输出编码为01001；当读数头未处于标记单元位置时，阵列探测器输出编码不为01001。在上述情况中，读数头共经过标记单元10个，分别为“标记1，标记2到标记10”。因此可以得知此时读数头位于标记10和标记11之间的区间范围内，实现读数头绝对位置的确定。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：包括激光器(1)、准直扩束器(2)、上层结构(3)、下层结构(4)、阵列探测器(5)，所述激光器(1)的光路方向上设置有准直扩束器(2)，所述准直扩束器(2)的光路方向上设置有上层结构(3)，所述上层结构(3)的光路方向上设置有下层结构(4)，所述下层结构(4)的光路方向上设置有阵列探测器(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述上层结构(3)包括第一增量码道(31)和第一编码码道(32)，所述第一增量码道(31)与第一编码码道(32)并列设置，所述第一增量码道(31)由周期性的光栅刻线组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述第一编码码道(32)由若干个标记单元组成，所述标记单元为单块均匀光栅结构，所述标记单元包括零点标记(321)和距离码参考标记(322)，所述零点标记(321)与距离码参考标记(322)交错排列，相邻所述标记单元之间间距不同，相邻所述标记单元之间间距沿读数头正向运动方向依次递增或递减。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述下层结构(4)包括第二增量码道(41)和第二编码码道(42)，所述第二增量码道(41)与第二编码码道(42)并列设置。
5.根据权利要求4所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述第二增量码道(41)由四块均匀光栅组成，所述第二增量码道(41)的光栅周期与第一增量码道(31)周期一致，所述第二编码码道(42)由单块编码非均匀光栅组成，编码非均匀光栅长度与第一编码码道(32)光栅周期一致。
6.根据权利要求5所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述第二编码码道(42)采用金属或半导体薄膜为基底，通过光刻、EBL、FIB的方法制备得到。
7.根据权利要求1所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述下层结构(4)放置在上层结构(3)的整数倍泰伯距离处。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、激光器(1)发出的光首先通过准直扩束器(2)与上层结构(3)，并在上层结构(3)后方空间形成泰伯像，该泰伯像的分布周期与光栅周期一致；
S2、下层结构(4)放置在上层结构的整数倍泰伯距离处，对透过光场进行二次调控；
S3、当下层结构(4)与上层结构(3)相对位置发生变化，导致光场透过函数改变，使得透过光强变化；
S4、在下层结构(4)后方放置阵列探测器(5)，对光强变化进行探测，实现位置测量。
9.根据权利要求8所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器的测量方法，其特征在于：所述S4中对光强变化进行探测的方法为：
当上层结构(3)上的第一编码码道(32)与下层结构(4)上的第二编码码道(42)重合时，双层结构透过率最大，此时阵列探测器(5)输出信号强度最大；当上层结构(3)上的第一编码码道(32)与下层结构(4)上的第二编码码道(42)二者不重合时，阵列探测器(5)输出信号强度降低，输出值不为最大。
10.根据权利要求8所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器的测量方法，其特征在于：所述S4中实现位置测量的方法为：
下层结构(4)放置在上层结构(3)的泰伯自成像区域内，且处于整数倍泰伯距离处，泰伯区域高度H表示为：
其中：N为光栅周期个数，ZT为单个泰伯周期长度值，ZT表示为：
其中：d为光栅周期，λ为入射光波长，n为衍射级次；
记录当前标记单元与前一个标记单元之间的位移输出值，将该值与已知的各标记单元间隔进行对照，便可获知此时读数头所处的标记单元区间，即读数头已经经过的标记单元个数，以此确定读数头绝对位置，读数头位置X表示为：
X＝∑Lm+ΔL
其中：m表示读数头已经过的标记单元个数，△L表示绝对增量位移，Lm表示标记单元之间间距。
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