CN1467479A - 二维编码式零位对准标记和编码方法 - Google Patents

Abstract

二维编码式零位对准标记和编码方法是增量式测量系统中绝对零位的对准标记和编码方法，该标记由两块具有相同排列形式的黑色单元和白色单元的光栅板重叠放置所组成，黑色单元不透光，白色单元透光，每一块光栅板标记的结构由一组沿二维方向排列的大小相等的非周期分布光栅单元组成，包括透光光栅单元和不透光光栅单元，透光光栅单元沿二维方向不规则分散排列，其余为不透光光栅单元，透光光栅单元数与总光栅单元数之间的比率一般取等于四分之一。标记的光栅单元按二维方式的矩阵式1进行编码，其中矩阵元x_ij等于“0”或“1”，m和n可以不相等，“1”表示透光，代表透光光栅单元；“0”表示不透光，代表不透光光栅单元。

Description

二维编码式零位对准标记和编码方法

一、技术领域

本发明是一种二维编码式对准标记和编码方法，属于增量式测量系统中绝对零位的对准标记技术领域。

二、背景技术

在传统计量光栅如周期性透射光栅中，标尺光栅上没有零位标志，在测量时，标尺光栅上的任一刻线都可作为零位计算，属于增量式测量系统，在很多实际工业应用的情况下，为了寻找坐标原点，消除误差积累，进行误差修正，以及停电记忆等功能，就需要有绝对零位标记，绝对零位由零位光栅实现。而现有的对准标记，是一组在动尺和定尺上刻制的特别编码的一维条纹。在动尺和定尺上刻有不等间距编码的条纹，当两标记完全对准即处于重合位置时，获得最大的光强信号输出，任何其他相对位置，其输出强度远小于对准时的峰值，输出光强和相对位置的关系中光强单位任意，位移单位为一个光栅单元宽度。上述方法可以获得一维移动时的基准零位，或进行一维的对准。而对二维情况，必须制作二组相互垂直配合的一维标记和两套光电检测系统，使之同时对准。这样必然会造成结构复杂、成本提高，而且两组一维标记之间的相互配合也不易协调。

三、发明内容1、技术问题

本发明的目的是用一组特定编码以简便、快捷地获得二维坐标的绝对零位或实现二维对准定位的二维编码式零位对准标记和编码方法。2、技术方案

    本发明的二维编码式零位对准标记由两块具有相同排列形式的黑色单元

和

白色单元的光栅板重叠放置所组成，黑色单元不透光，白色单元透光，每一块光栅板标记的结构由一组沿二维方向排列的大小相等的非周期分布光栅单元组成，包括透光光栅单元和不透光光栅单元，透光光栅单元沿二维方向不规则分散排列，其余为不透光光栅单元。透光光栅单元数与总光栅单元数之间的比率一般取等于四分之一。

本发明的二维编码式零位对准标记的编码方法是标记的光栅单元按二维方式的矩阵 $\left[\begin{array}{cccc}{x}_{11}& x_{12}& \mathrm{\Λ}& x_{1n}\\ x_{21}& x_{22}& \mathrm{\Λ}& x_{2n}\\ M& M& M& M\\ x_{m1}& x_{m2}& \mathrm{\Λ}& x_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$ 进行编码，其中矩阵元x_ij等于“0”或“1”，m和n可以不相等，“1”表示透光，代表透光光栅单元；“0”表示不透光，代表不透光光栅单元。光栅编码的自相关函数中出现尖锐峰值，在两标记准确对准时，输出最大，而两块标记稍有相对偏移输出光强锐减，次极大光强峰值与主极大峰值比值≤1/4。3、有益效果

当两块标记平行重叠放置，放在平行光照明光路中时，在其透过光强与相对位移的关系图中，会产生一个尖锐脉冲输出。说明只有当两块标记完全对准时，输出最大，如相对位置稍有偏离，信号输出会迅速下降。在标记的二维移动中产生的这个尖锐脉冲输出可被用作二维移动的高精度对准标记。这样只要一组二维标记和一套光电检测系统就可实现二维对准，使结构简单、成本低，不会出现相互配合不协调的问题；同时，由于标记是由许多个“0”或“1”光栅单元排列而成，具有多单元的平均效应，对加工误差不敏感，使加工容易实现、对准精度高；而且，由于二维编码是不规则、非周期变化的矩阵方式，使得二维对准时形成的尖锐脉冲输出范围很窄，因而这种对准标记的对比度和灵敏度大大提高。

四、附图说明：

图1是传统一维零位光栅的结构示意，图中有定尺光栅A、动尺光栅B，黑色单元代表不透光，白色单元代表透光。

图2是图1所示的一维零位光栅的输出特性。

图3是设计的二维对准标记结构示意，图中黑色单元代表不透光，白色单元代表透光。

图4是二维对准标记系统的示意图，其中有平行光光源1，两块完全一样的特殊编码的标记光栅2，透镜3，光阑4，接收平面5，光电探测器6。

图5是图3所示的对准标记的输出特性图。

五、具体实施方式该零位对准标记是在二维方向上进行特殊编码的不规则、非周期性光栅，并且其透光光栅单元和不透光光栅单元大小保持一致。微米量级的标记可在半导体材料上用微加工工艺制成。图3是二维光栅零位对准标记的典型结构示意，图中黑色表示该光栅单元不透光，白色则表示相应的光栅透光。图4是零位对准标记应用的一个光栅系统示意图，该光栅系统由二维零位光栅、光源、透镜、光阑和光电探测器组成。图中有平行光光源1，两块完全一样的特殊编码的标记光栅2，透镜3，光阑4，接收平面5，光电探测器6。将两块标记平行重叠放置，放在平行光照明光路中，用光电探测器配以后续信号处理电路来探测输出的光强，在其透过光强与相对位移的关系图中，会产生一个尖锐脉冲输出，如图5所示。图5中光强单位任意，位移单位是光栅单元宽度。说明只有当两块标记完全对准时，输出最大，如果相对位置稍有偏离，信号输出会迅速减弱。该峰值脉冲宽度只有一个光栅单元宽度。控制光栅单元宽度在微米范围内，则对准精度相应的在微米范围，当对准信号细分一定倍率后，极易获得亚微米甚至纳米量级的对准精度。

由于零位光栅是由许多个0和1单元按照一定的编码规律排列而成，具有多单元的平均效应，对加工误差不敏感。其脉冲式的光强输出可作为二维方向测量的绝对零位，也可用于高精度，高灵敏度的对准，实现精密定位和绝对测量。二维编码光栅式对准标记的设计：

二维编码光栅式对准标记是一组二维方向上进行特殊编码的不规则的、非周期光栅。在二维方向上合理安排透光光栅单元的分布，使两光栅在相对移动时有一个尖锐的脉冲光强输出以满足高精度对准要求。

标记的结构为：由一组沿二维方向排列的大小相等的光栅单元组成，包括透光光栅单元和不透光光栅单元，透光光栅单元沿二维方向不规则分散排列、其余为不透光光栅单元，该排列位置(即编码)使两块标记在相互对准时的透光光强的次最大值与最大值之间的比率小于等于四分之一。在上述结构中，透光光栅单元数与总光栅单元数之间的比率一般取等于四分之一。

二维对准标记的编码方式可以用矩阵 $\left[\begin{array}{cccc}{x}_{11}& x_{12}& \mathrm{\Λ}& x_{1n}\\ x_{21}& x_{22}& \mathrm{\Λ}& x_{2n}\\ M& M& M& M\\ x_{m1}& x_{m2}& \mathrm{\Λ}& x_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$ 表示，其中矩阵元x_ij等于“0”或“1”，m和n可以不相等。“1”表示透光，代表透光光栅单元；“0”表示不透光，代表不透光光栅单元。可以用D，M，N三个参数来评定标记的编码规律。其中D为接收光强的次极大值与最大值之间的比率，M为总的透光光栅单元数，N为总的光栅单元数，即m×n。那么，对于选定的N和M的数值，则有：接收光强的主极大值为 ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n{x_{\mathrm{ij}}}^2=M,$ 次极大值为 $\underset{0\≤k\≤m-\mathrm{1,0}\≤l\≤n-1,k^2+l^2\≠0}{\max }\{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{m-k}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{x}_{\mathrm{ij}}\×x_{i+k,j+l}\}$ (根据M的排列位置不同而不同)。指标D反映了对准标记输出信号的对比度及灵敏度，在实际应用中，D应满足关系式D≤1/4，M决定了最大输出光强的大小，而N表明的是对准标记的大小。编码过程为：首先，根据所需设计的光栅系统的大小以及对准精度的要求确定光栅单元的宽度和数量，即确定N值和相应的m、n；而后任意选定一M值(通常选M＝N/4，此时便于计算，而且对于每块标记本身而言其输出光强的大小比较适宜)，作相应m行及n列的任意位置的排列、并对该排列计算相应的D值，如果D值不能满足关系式D≤1/4，则对同一或另一M值进行重新排列和计算，直到D值满足关系式D≤1/4，该M值的排列位置即可定为一种编码。因此，根据本发明可得到多种编码。编码方式可采用人工选排，也可利用计算机编制相应的程序进行选排，在确定指标N、M值后优化搜索D值而生成；同时应使指标D尽可能小，以提高对准的灵敏度。

以下结合实例作进一步描述，假定制作一个16×16位编码的对准标记，则N＝256，这里选定M＝64，编码方式如下(如图3所示)：则计算得到D＝1/4，D指标满足实际应用要求。将上述编码图案用微加工工艺复制到镀铬的光学玻璃基面上即成为二维零位对准标记。当这样编码的两块相同对准标记放在图4所示的系统中，当两标记完全对准时，可获得最大光强输出I₀，如果两光栅偏离一定位置，光强锐减，其光强输出至多达到最大光强的D倍，也即I₀/4。

Claims (4)

1、一种二维编码式零位对准标记，其特征在于该标记由两块具有相同排列形式的黑色单元和白色单元的光栅板重叠放置所组成，黑色单元不透光，白色单元透光，每一块光栅板标记的结构由一组沿二维方向排列的大小相等的非周期分布光栅单元组成，包括透光光栅单元和不透光光栅单元，透光光栅单元沿二维方向不规则分散排列，其余为不透光光栅单元。

2、据权利要求1所述的二维编码式零位对准标记，其特征在于透光光栅单元数与总光栅单元数之间的比率等于四分之一。

3、一种二维编码式零位对准标记的编码方法，其特征在于标记的光栅单元按二维方式的矩阵 $\left[\begin{array}{cccc}{x}_{11}& x_{12}& \mathrm{\Λ}& x_{1n}\\ x_{21}& x_{22}& \mathrm{\Λ}& x_{2n}\\ M& M& M& M\\ x_{m1}& x_{m2}& \mathrm{\Λ}& x_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$ 进行编码，其中矩阵元x_ij等于“0”或“1”，m和n可以不相等，“1”表示透光，代表透光光栅单元；“0”表示不透光，代表不透光光栅单元。

4、据权利要求3所述的二维编码式零位对准标记的编码方法，其特征在于光栅编码的自相关函数中出现尖锐峰值，在两标记准确对准时，输出最大，而两块标记稍有相对偏移输出光强锐减，次极大光强峰值与主极大峰值比值≤1/4。

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