CN218916373U - 光学结构、读数头和光学传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学结构、读数头和光学传感器，光学结构包括光源组件、光栅组件和探测组件，光栅组件包括间隔设置的第一光栅和第二光栅，第一光栅具有与光源组件相向设置的第一衍射反射面，第二光栅具有与第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面，光源组件用于发出光束至第一光栅，第一光栅用于将光源组件发出的光束第一次反射衍射至第二光栅，第二光栅用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至第一光栅；第一光栅，还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至探测组件。本实用新型的光学结构采用衍射反射面相向设置的第一光栅和第二光栅，能够提高位移探测精度。

Description

光学结构、读数头和光学传感器

技术领域

本实用新型涉及检测技术领域，尤其涉及一种光学结构、读数头和光学传感器。

背景技术

在光栅位移检测中，可直接对两块光栅的投影即莫尔条纹进行计数以实现位移探测，而由于莫尔条纹计数探测在光学方向存在理论精度上限，因此，若需实现更高精度的位移探测，则需要使用光栅干涉的技术方案。通常通过光栅将衍射光束进行分束或整合以进行干涉探测，但是，现有的光栅编码器结构，通常通过将两块衍射光栅设置成一透射一反射的形式，形成等效的三光栅结构，该结构只能形成对光学位移信号的2倍细分，对探测精度的提升较为有限。

鉴于上述的缺陷，有必要提供一种新的光学结构、读数头和光学传感器。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种光学结构、读数头和光学传感器，旨在解决现有的利用光栅干涉的结构将两块衍射光栅设置成一透射一反射的形式所获得的位移探测精度不高的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出的光学结构包括光源组件、光栅组件以及探测组件：

光栅组件，包括间隔设置的第一光栅和第二光栅，所述第一光栅具有与所述光源组件相向设置的第一衍射反射面，所述第二光栅具有与所述第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；

光源组件，用于发出光束至第一光栅；

所述第一光栅，用于将所述光源组件发出的光束第一次反射衍射至所述第二光栅；

所述第二光栅，用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至所述第一光栅；

所述第一光栅，还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至所述探测组件。

优选地，所述第二光栅为二维光栅，所述第一光栅为一维光栅或二维光栅。

优选地，所述第一光栅为一维光栅，所述第一光栅的移动方向与所述第一光栅的刻线延伸方向垂直。

优选地，定义平行于所述第一光栅的平面为参考平面，所述第一光栅的任意刻线与所述第二光栅的任意刻线在所述参考平面上的投影均呈夹角布置。

优选地，所述光源组件发出的光束与所述第一光栅的法线轴之间的夹角为β，30°≤β≤45°。

优选地，所述光学结构还包括第一凸透镜，所述第一凸透镜设于所述光源组件和所述第一光栅之间；和/或，所述光学结构还包括第二凸透镜，所述第二凸透镜设于所述第一光栅和所述探测组件之间。

优选地，所述探测组件包括多个探测器，多个所述探测器的排列方向与所述第一光栅的移动方向相同。

优选地，所述第一光栅的移动方向包括第一方向和第二方向，所述多个所述探测器包括第一方向探测器组和第二方向探测器组。

另外，本实用新型还提出一种读数头，所述读数头包括光源组件、光栅组件以及探测组件：

光源组件，用于发出光束至外部第一光栅，所述外部第一光栅具有与所述光源组件相向设置的第一衍射反射面；

光栅组件，包括与所述外部第一光栅间隔设置的第二光栅，所述第二光栅具有与所述第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；

所述外部第一光栅，用于将所述光源组件发出的光束第一次反射衍射至所述第二光栅；

所述第二光栅，用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至所述外部第一光栅；

所述外部第一光栅，还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至所述探测组件。

另外，本实用新型还提出一种光学传感器，所述光学传感器包括光源组件、光栅组件、探测组件以及信号处理组件：

光栅组件，包括间隔设置的第一光栅和第二光栅，所述第一光栅具有与所述光源组件相向设置的第一衍射反射面，所述第二光栅具有与所述第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；

光源组件，用于发出光束至第一光栅；

所述第一光栅，用于将所述光源组件发出的光束第一次反射衍射至所述第二光栅；

所述第二光栅，用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至所述第一光栅；

所述第一光栅，还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至所述探测组件；

所述信号处理组件，与所述探测组件连接，用于对探测组件发出的信号进行信号处理，得到位移信息。

本实用新型技术方案中，本实用新型的光学结构采用衍射反射面相向设置的第一光栅和第二光栅，光源组件的发出的光束倾斜照射在第一光栅的衍射反射面上，经过第一衍射和反射，其衍射反射光束落在第二光栅的衍射反射面上，经过第二次衍射和反射，其衍射反射光束落回至第一光栅的衍射反射面上，经过第三次衍射和反射，其衍射反射光束最后经由探测组件接收，光束经过两次第一光栅，光束引入了两次的多普勒频移量Ω；光束在干涉时，干涉的两束光一个引入+Ω，一个引入-Ω，干涉时，相位相减得到2Ω，总共得到4倍的光学细分，即光束在第一光栅和第二光栅中来回反射，在第一光栅上反射两次，可以引入更高倍率的多普勒频移，探测精度相比更换前提升2倍，达到4倍光学细分，从而提高位移探测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例中光学结构的光路示意图；

图2为本实用新型一实施例中光学结构的俯视光路示意图；

图3为本实用新型另一实施例中光学结构的光路示意图；

图4为本实用新型又一实施例中光学结构的一种光路示意图；

图5为本实用新型又一实施例中光学结构的另一种光路示意图；

图6为本实用新型再一实施例中光学结构的光路示意图；

图7为本实用新型一实施例中光学结构的衍射光束分布示意图；

图8为本实用新型一实施例中读数头的结构意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	光源组件	31	第一方向探测器组
2	光栅组件	32	第二方向探测器组
				21	第一光栅	4	第一凸透镜
22	第二光栅	5	第二凸透镜
				3	探测组件	10	读数头

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出光学结构、读数头和光学传感器，旨在解决现有的利用光栅干涉的结构将两块衍射光栅设置成一透射一反射的形式所获得的位移探测精度不高的问题。

请参照图1，光学结构包括光源组件1、光栅组件2和探测组件3，光栅组件2包括间隔设置的第一光栅21和第二光栅22，第一光栅21具有与光源组件1相向设置的第一衍射反射面，第二光栅22具有与第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；光源组件1用于发出光束至第一光栅21；第一光栅21用于将光源组件1发出的光束第一次反射衍射至第二光栅22；第二光栅22用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至第一光栅21；第一光栅21还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至探测组件1。

本实用新型的光学结构采用衍射反射面相向设置的第一光栅21和第二光栅22，光源组件1的发出的光束倾斜照射在第一光栅21的衍射反射面上，经过第一衍射和反射，其衍射反射光束落在第二光栅22的衍射反射面上，经过第二次衍射和反射，其衍射反射光束落回至第一光栅21的衍射反射面上，经过第三次衍射和反射，其衍射反射光束最后经由探测组件3接收，光束经过两次第一光栅21，光束引入了两次的多普勒频移量Ω；光束在干涉时，干涉的两束光一个引入+Ω，一个引入-Ω，干涉时，相位相减得到2Ω，总共得到4倍的光学细分，即光束在第一光栅21和第二光栅22中来回反射，在第一光栅21上反射两次，可以引入更高倍率的多普勒频移，探测精度相比更换前提升2倍，达到4倍光学细分，降低了产品对光栅栅距的要求，提高了位移探测精度。

需要说明的是，当光源组件1发出的光束在XOZ面内入射至第一光栅21，若第一光栅21的光栅刻线延伸方向平行于y方向，则光源组件1发出的光束入射方向和第一光栅21的移动方向共面，第一光栅21的移动方向也位于XOZ面内；若第一光栅21的光栅刻线延伸方向平行于x方向，则光源组件1发出的光束入射方向和第一光栅21的移动方向不共面，第一光栅21的移动方向不位于XOZ面内。

其中，光源组件1的发出的光束可从第二光栅22的两侧斜入射到第一光栅21的衍射反射面上，增加了方位角，增大了信号光和其它杂散光之间的角度，降低了杂散信号的影响。光束在整个被衍射和反射的过程中，光束被分束后，在第一光栅21和第二光栅22的栅距的设置下，部分光束会在第三次衍射时，在第一光栅21上发生合束，发生干涉。而第一光栅21在位移过程中，会对其上发生的衍射光叠加多普勒频移，引起干涉光的光强变化；且光栅的设置，可以使得落在不同探测器上的光初相不同。接收光信号并解码，即可得到位移信息。

为方便阅读，附图中对光束做了简化处理，只显示了部分可展示原理的光束。光束由光源组件1发出和第一次衍射的部分由实线标识，第二次衍射的光束由点划线标识，第三次衍射的光束由双点划线标识。

需要说明的是，请结合图2所示，可以看到第二次衍射时，存在其他角度的光束，但其在第三次衍射时和所需的光束分离，因此不被探测器接收，未在图中示出剩余部分光束。

其中，请结合图1、图3所示，在一实施例中，第一光栅21为一维光栅，第二光栅22为二维光栅。光束从光源组件1一侧斜入射，第一光栅21采用一维光栅，第二光栅22采用二维光栅，光束在第一光栅21和第二光栅22之间共反射+衍射三次，实现对多普勒信号的4倍细分。需要说明的是，第一光栅21一般不在读数头10里面，是外部组件，而在特定工况下，第一光栅21也可集成在读数头10里面。

在另一实施例中，请结合图4所示，第一光栅21和第二光栅22均为二维光栅。第一光栅21采用二维光栅，即第二光栅22和第一光栅21均为二维光栅，但第一光栅21和第二光栅22的刻线方向不同。探测组件3不但可接收到来自一维的位移信息，如图4、图5所示的两种情况，探测组件3还可同时接收到分别来自二维的位移信息，请结合图6所示，利用衍射光束级次和多普勒频移系数相同的原理，采用二维光栅的高级次衍射光束，同时降低一维光栅栅距，实现系统输出信号的倍数化精度提升。另外，还可通过选择第一光栅21的更高衍射级次，输出更高的信号周期细分结果，但需注意的是，第一光栅21使用衍射级次越高，对第一光栅21的设计和制造要求越高，如槽深、占空比设置等。

进一步地，第一光栅21为一维光栅，第一光栅21的移动方向与第一光栅21的刻线延伸方向垂直。第一光栅21沿垂直于其刻线延伸方向移动，可将光源组件1发出的光束反射衍射至第二光栅22上，并可将第二光栅22反射衍射的光束反射至探测组件3上，从而能够进行位移信息的读取。

进一步地，定义平行于第一光栅21的平面为参考平面，第一光栅21的任意刻线与第二光栅22的任意刻线在参考平面上的投影均呈夹角布置。为便于探测组件3对光束的接收，可将第一光栅21的刻线方向和第二光栅22的刻线方向设置成具有夹角。

另外，在一实施例中，第一光栅21的任意刻线与第二光栅22的任意刻线在参考平面上的投影夹角为α，α＝45°。当第一光栅21为一维光栅，第二光栅22为二维光栅时，第二光栅22的两条刻线相互垂直，第二光栅22的两条刻线与第一光栅21的刻线在参考平面的投影夹角均为45°；当第一光栅21为二维光栅，第二光栅22为二维光栅时，第一光栅21的两条刻线相互垂直，第二光栅22的两条刻线相互垂直，第二光栅22的任意一条刻线与第一光栅21的任意一条刻线在参考平面的投影夹角均为45°。45°夹角便于实现位移检测中的计算。

其中，第一光栅21的任意相邻的两个光栅的距离为a，第二光栅22的任意相邻的两个光栅的距离为b，b＝0.7071a。第二光栅22的栅距是第一光栅21的栅距的0.7071倍，若第一光栅21栅距为8um，则第二光栅22的栅距设置为5.6568um，当第一光栅21和第二光栅22均为二维光栅时，第一光栅21的两刻线分别延第一方向和第二方向延伸，第二光栅22的任意一条刻线与第一方向和第二方向均呈45°夹角，第二光栅22在第一方向和第二方向的等效栅距为8um，和第一光栅21的栅距相同，便于后期光束的分离与合束，即进行干涉，可提高信号质量和位移解码精度。由于第一光栅21和第二光栅22的栅距设置，需使用第一光栅21的±1级和0级衍射光束，第二光栅22的(1,0)、(0,-1)或(-1,0)、(0,1)衍射级次。二维光栅的衍射光束落点成点阵式分布，会对信号产生影响的有9个点，其分布为九宫格形状，每个点根据其衍射级次的不同，分布在不同的位置，而(1,0)、(0,-1)或(-1,0)、(0,1)则指的是在9个点其中的四个点，其分布如图7所示。基于以上结构设置及多普勒测量原理，当第一光栅21发生位移时，探测组件3可以接收到相比于第一光栅21栅距的1/4的信号周期，即得到2um的信号周期。

进一步地，为了实现多种功能，光源组件1发出的光束与第一光栅21的法线轴之间的夹角为β，30°≤β≤45°。入射角在30～45°之间，即保证最后的衍射光束分开，又不会使得结构体积太大。

另外，在上述的实施例中，光学结构还包括第一凸透镜4，第一凸透镜4设于光源组件1和第一光栅21之间。为能够获得更好的光信号，可将第一光栅21与光源组件1之间设置第一凸透镜4，光源组件1发出的光速经由凸透镜的准直和汇聚，再照射至第一光栅21的第一衍射反射面上。

在另一实施例中，光学结构还包括第二凸透镜5，第二凸透镜5设于第一光栅21和探测组件3之间。为使得探测组件3能够接收更好的光信号，可将第一光栅21与探测组件3之间设置第二凸透镜5，第一光栅21衍射反射的光束经由第二凸透镜5的准直和汇聚，再经由探测组件3接收。

其中，在一实施例中，探测组件3包括多个探测器，多个探测器的排列方向与第一光栅21的移动方向相同。多个探测器可分别接收第一光栅21衍射反射的不同光束，可以是第一光栅21第一次衍射反射的光束，也可以是第一光栅21第二次衍射反射的光束，从而可接收不同的光束，同时分别得到2倍和4倍细分的信号，更利于后期的信号处理。还需说明的是，不是所有反射的光束均进行探测。

请结合图6所示，第一光栅的移动方向包括第一方向(图中Z方向)和第二方向(图中Y方向)，多个探测器包括第一方向探测器组31和第二方向探测器组32，第一方向探测器组31接收第一光栅21在第一方向衍射反射的光束，第二方向探测器组32接收第一光栅21在第二方向衍射反射的光束，从而可同时接收第一方向和第二方向的光束，利于后期的信号处理。

进一步地，光源组件1包括与第一光栅21对应的LED灯，光源组件1发出的光束由LED灯产生。光源组件1包括与第一光栅21对应的LED灯，LED产生的光束通过第一凸透镜4的准直和汇聚，形成光源组件1发出的光束，LED灯便于结构的安装。

另外，请结合图8所示，本实用新型还提出一种读数头10，读数头10包括光源组件1、光栅组件2以及探测组件3，其中，光源组件1用于发出光束至外部第一光栅21，外部第一光栅21具有与光源组件1相向设置的第一衍射反射面；光栅组件2包括与外部第一光栅间隔设置的第二光栅22，第二光栅22具有与第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；外部第一光栅21用于将光源组件1发出的光束第一次反射衍射至第二光栅；第二光栅22用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至外部第一光栅21；外部第一光栅21还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至探测组件3。

光源组件1发出光束至外部第一光栅21，外部第一光栅21的第一衍射反射面将接收到的光束第一次反射衍射至第二光栅22上，第二光栅22上设置的与第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面将接收到的光束进行第二次衍射反射至外部第一光栅21，外部第一光栅21的第一衍射反射面将接收到的第二次衍射反射的光束衍射反射至探测组件3上，从而能够进行位移信息的读取。

另外，本实用新型还提出一种光学传感器，光学传感器包括光源组件1、光栅组件2、探测组件3以及信号处理组件：其中，光栅组件2包括间隔设置的第一光栅21和第二光栅22，第一光栅21具有与光源组件1相向设置的第一衍射反射面，第二光栅22具有与第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；光源组件1用于发出光束至第一光栅21；第一光栅21用于将光源组件1发出的光束第一次反射衍射至第二光栅22；第二光栅22用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至第一光栅21；第一光栅21还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至探测组件3；信号处理组件与探测组件3连接，用于对探测组件3发出的信号进行信号处理，得到位移信息。

光学传感器包括如上所述的光学结构。光学传感器中光学结构的具体结构参照上述实施例，由于本光学传感器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学结构，其特征在于，所述光学结构包括光源组件、光栅组件以及探测组件：

光栅组件，包括间隔设置的第一光栅和第二光栅，所述第一光栅具有与所述光源组件相向设置的第一衍射反射面，所述第二光栅具有与所述第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；

光源组件，用于发出光束至第一光栅；

所述第一光栅，用于将所述光源组件发出的光束第一次反射衍射至所述第二光栅；

所述第二光栅，用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至所述第一光栅；

所述第一光栅，还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至所述探测组件。

2.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述第二光栅为二维光栅，所述第一光栅为一维光栅或二维光栅。

3.如权利要求2所述的光学结构，其特征在于，所述第一光栅为一维光栅，所述第一光栅的移动方向与所述第一光栅的刻线延伸方向垂直。

4.如权利要求2所述的光学结构，其特征在于，定义平行于所述第一光栅的平面为参考平面，所述第一光栅的任意刻线与所述第二光栅的任意刻线在所述参考平面上的投影均呈夹角布置。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光学结构，其特征在于，所述光源组件发出的光束与所述第一光栅的法线轴之间的夹角为β，30°≤β≤45°。

6.如权利要求1至4中任一项所述的光学结构，其特征在于，

所述光学结构还包括第一凸透镜，所述第一凸透镜设于所述光源组件和所述第一光栅之间；和/或，

所述光学结构还包括第二凸透镜，所述第二凸透镜设于所述第一光栅和所述探测组件之间。

7.如权利要求1至4中任一项所述的光学结构，其特征在于，所述探测组件包括多个探测器，多个所述探测器的排列方向与所述第一光栅的移动方向相同。

8.如权利要求7中所述的光学结构，其特征在于，所述第一光栅的移动方向包括第一方向和第二方向，所述多个所述探测器包括第一方向探测器组和第二方向探测器组。

9.一种读数头，其特征在于，所述读数头包括光源组件、光栅组件以及探测组件：

光源组件，用于发出光束至外部第一光栅，所述外部第一光栅具有与所述光源组件相向设置的第一衍射反射面；

光栅组件，包括与所述外部第一光栅间隔设置的第二光栅，所述第二光栅具有与所述第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；

所述外部第一光栅，用于将所述光源组件发出的光束第一次反射衍射至所述第二光栅；

所述第二光栅，用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至所述外部第一光栅；

所述外部第一光栅，还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至所述探测组件。

10.一种光学传感器，其特征在于，所述光学传感器包括光源组件、光栅组件、探测组件以及信号处理组件：

光栅组件，包括间隔设置的第一光栅和第二光栅，所述第一光栅具有与所述光源组件相向设置的第一衍射反射面，所述第二光栅具有与所述第一衍射反射面相向设置的第二衍射反射面；

光源组件，用于发出光束至第一光栅；

所述第一光栅，用于将所述光源组件发出的光束第一次反射衍射至所述第二光栅；

所述第二光栅，用于将第一次反射衍射的光束第二次衍射反射至所述第一光栅；

所述第一光栅，还用于将第二次反射衍射的光束第三次衍射反射至所述探测组件；

所述信号处理组件，与所述探测组件连接，用于对探测组件发出的信号进行信号处理，得到位移信息。

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