TWI724821B - 微位移測量裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種微位移測量裝置，包括光柵尺、影像處理單元及數據處理單元，所述光柵尺包括光源以及依次設置在所述光源光路上的準直裝置、主光柵、副光柵、影像感測晶片；所述主光柵及副光柵分別包括第一圖案以及位於所述第一圖案左右兩側的多個第二圖案，所述主光柵及所述副光柵兩者之一能相對另一個運動發生位移，所述光源發出的光能經過所述準直裝置、主光柵及副光柵後能在所述影像感測晶片上形成圖像，所述影像處理單元用於對所述圖像進行處理，所述數據處理單元用於根據所述影像處理單元處理的結果計算得到所述位移。
Description
本發明涉及光學測量技術領域，特別是涉及一種微位移測量裝置。
光柵尺是對刀具和工件的座標起一個檢測的作用，在數控機床中常用來觀察其是否走刀有誤差，以起到一個補償刀具的運動誤差的補償效果，因此光柵尺在各種精密加工機床中得到廣泛的應用。傳統的光柵尺是光源發出的光經過主、副光柵後被光探測器接收，再利用光探測器把主、副光柵移動時產生的莫爾條紋之明暗變化轉變為電流變化的方式，最後利用數據處理單元對電流的變化轉變為數字電流以計算位移量，由於光探測器在接收光信號時容易受到電磁波的幹擾，導致測量誤差。
有鑑於此，有必要提供一種能夠解決上述技術問題的微位移測量裝置。
一種微位移測量裝置，包括光柵尺、影像處理單元及數據處理單元，所述光柵尺包括光源以及依次設置在所述光源光路上的準直裝置、主光柵、副光柵、影像感測晶片；所述主光柵及副光柵分別包括第一圖案以及位於所述第一圖案左右兩側的多個第二圖案，所述主光柵及所述副光柵兩者之一能相對另一個運動發生位移，所述光源發出的光能經過所述準直裝置、主光柵及副光柵後能在所述影像感測晶片上形成圖像，所述影像處理單元用於對所述圖像進行處理，所述數據處理單元用於根據所述影像處理單元處理的結果計算得到所述位移。
在一個優選實施例中，所述第一圖案與鄰近的所述第二圖案之間的間距等於每兩個相鄰的第二圖案之間的間距。
在一個優選實施例中，所述第一圖案及所述第二圖案共同作為圖案部，所述第一圖案與所述第二圖案之間的間隔以及相鄰的第二圖案之間的間隔為空白部，所述圖案部與所述空白部兩者之一能透光，另一者不能透光。
在一個優選實施例中，所述第一圖案及第二圖案為在所述主光柵及所述副光柵上開設形成的不同形狀的凹槽。
在一個優選實施例中，所述第一圖案為菱形凹槽，所述第二圖案為方形凹槽。
在一個優選實施例中，所述第一圖案及第二圖案為在所述光柵表面塗布黑漆形成。
在一個優選實施例中，所述光柵尺還包括印刷電路板，所述印刷電路板包括第一線路板、第二線路板、垂直連接所述第一線路板及第二線路板的可撓曲的連接部以及與所述第一線路板連接的延伸部，所述第一線路板與第二線路板正對設置，所述影像感測晶片設置於所述第一線路板，所述光源設置於所述第二線路板，所述延伸部設置有電連接器。
在一個優選實施例中，所述光柵尺還包括底座，所述底座包括上表面、下表面、連接所述上表面與所述下表面的前側表面以及連接所述上表面、下表面的左側面以及右側面，所述上表面朝向下表面凹設形成容納槽，所述前側表面向開設形成貫穿孔，所述貫穿孔與所述容納槽相通，所述第一線路板設置於所述容納槽，所述延伸部從所述貫穿孔中伸出至所述容納槽外；所述底座還包括插槽，所述插槽從左側面延伸貫穿至右側面，所述主光柵與所述副光柵均從所述插槽插設且所述主光柵及副光柵的兩端均位於所述插槽外。
在一個優選實施例中，所述光柵尺還包括設置於所述底座上的中框，所述中框包括第一表面、相對所述第一表面的第二表面以及凸出於所述第二表面的凸臺，所述中框開設有位於所述凸臺一側的條形槽，所述凸臺中央形成有臺階部以及位於臺階部中央的通光孔，所述通光孔包括承載臺，所述準直裝置設置於所述承載臺；所述可撓曲的連接部穿過所述條形槽以使所述第二線路板與所述凸臺間隔設置，所述光源發出的光束能通過所述通光孔傳輸至所述影像感測晶片，進而被所述影像感測晶片感測。
在一個優選實施例中，所述光柵尺還包括蓋體，所述蓋體包括朝向所述中框的底表面，所述底表面凹設有凹部，所述蓋體蓋設於所述中框，所述第二線路板收容於所述凹部。
與現有技術相比，本發明提供的微位移測量裝置，由於是使光源發出的光能經過準直裝置、主光柵及副光柵後能在所述影像感測晶片上形成圖像，然後利用所述影像處理單元用於對所述圖像進行處理，所述數據處理單元用於根據所述影像處理單元處理的結果計算得到所述位移。如此，無需設置光探測器接收明暗條紋，克服了電磁波對信號的幹擾，提高了微位移測量的準確度。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。
下面將結合附圖及實施例，對本發明提供的微位移測量裝置200作進一步的詳細說明。
請參與圖1-4，為本發明提供的一種微位移測量裝置200。所述微位移測量裝置200包括光柵尺100、影像處理單元110及數據處理單元120。所述影像處理單元110及數據處理單元120可以集成於所述光柵尺100包括的電路板上，也可以位於所述光柵尺100外部。
請參閱圖4及圖7，所述光柵尺100包括光源10以及依次設置在所述光源10光路上的準直裝置20、主光柵30、副光柵40、影像感測晶片50。
所述光源10可以為發光二極體或者雷射二極體。在本實施方式中，由於雷射二極體發出的光束準直度較高，所以選擇的是雷射二極體(LD)。
所述準直裝置20為透鏡或者光纖維，光導管。
請參閱圖6及圖7，所述主光柵30及副光柵40分別包括第一圖案31以及位於所述第一圖案31左右兩側的多個第二圖案33，所述主光柵30及所述副光柵40兩者之一能相對另一個運動發生位移。也即，可以使主光柵30固定，而副光柵40相對主光柵30移動，還可以是副光柵40固定，主光柵30移動。
可以理解，當副光柵40移動時，可以只在所述副光柵40上形成第一圖案31即可。
所述光源10發出的光經過所述準直裝置20、主光柵30及副光柵40後能在所述影像感測晶片50上形成圖像。所述影像處理單元110用於對所述圖像進行處理，所述數據處理單元120用於根據所述影像處理單元110處理的結果計算得到位移。
請參閱圖8，所述第一圖案31與鄰近的所述第二圖案33之間的間距L1等於每兩個相鄰的第二圖案33之間的間距L2。譬如，間距可以設置為0.01微米。
請參閱圖6，以主光柵30為例，所述第一圖案31及所述第二圖案33共同作為圖案部310。所述第一圖案31與所述第二圖案33之間的間隔、相鄰的第二圖案33之間的間隔為空白部320。所述圖案部310與所述空白部320兩者之一能透光，另一者不能透光。也即圖案部310透光時，所述空白部320就不透光。圖案部310不透光時，所述空白部320就設置為透光。在本實施方式中，是使所述圖案部310不透光。對於副光柵40也是如同主光柵30同樣設置。如此是為了形成顏色差，使在所述影像感測晶片50上形成容易辨識的圖案部310的圖像。譬如，所述第一圖案31及第二圖案33為在所述主光柵30及副光柵40表面塗布黑漆形成。而空白部320則為透光的。可以理解，當主光柵30及副光柵40上只設置有第一圖案31時，那就除第一圖案31之外的區域全部定義為空白部320。
在本實施方式中，所述第一圖案31及第二圖案33為在所述主光柵30及所述副光柵40上開設形成的不同形狀的凹槽。當第一圖案31及第二圖案33為凹槽時，黑漆通過印刷形成於所述凹槽的底表面。
所述第一圖案31為菱形凹槽、梯形凹槽，三角形凹槽或者圓形凹槽中的任意一種，所述第二圖案33為方形凹槽或者圓形凹槽中的一種。在本實施方式中，所述第一圖案31為菱形凹槽，菱形凹槽的對角線的長度可以設定為0.012微米。所述第二圖案33為方形凹槽。方形凹槽的邊長可以設定為0.01微米。
在本實施方式中，所述光柵尺100還包括印刷電路板60。請參閱圖4及圖5，所述印刷電路板60包括第一線路板62、第二線路板64、垂直連接所述第一線路板62及第二線路板64的可撓曲的連接部66以及與所述第一線路板62連接的延伸部68，所述第一線路板62與第二線路板64正對設置，所述影像感測晶片50設置於所述第一線路板62，所述光源10設置於所述第二線路板64，所述延伸部68設置有電連接器680。所述電連接器680用於實現光柵尺100與外部電子裝置之間的信號傳輸。
在本實施方式中，所述光柵尺100還包括底座70，所述底座70包括上表面71、下表面72、連接所述上表面71與所述下表面72的前側表面73以及連接所述上表面71、下表面72的左側面74以及右側面75。所述上表面71朝向下表面72凹設形成容納槽701，所述前側表面73開設形成貫穿孔703，所述貫穿孔703與所述容納槽701相通，所述第一線路板62設置於所述容納槽701。請參閱圖1，圖2，所述印刷電路板60設置於所述底座70時所述延伸部68從所述貫穿孔703中伸出至所述容納槽701外。所述底座70還包括插槽705，所述插槽705從左側面74延伸貫穿至右側面75，所述主光柵30與所述副光柵40均從所述插槽705插設且所述主光柵30及副光柵40的兩端均位於所述插槽705外。所述副光柵40可以與所述插槽705位置固定，所述主光柵30相對所述副光柵40移動，當然，所述主光柵30與所述副光柵40還可以分別固定於相對移動的兩個物體上。
在本實施方式中，所述光柵尺100還包括設置於所述底座70上的中框80，所述中框80包括朝向所述底座70的第一表面81、相對所述第一表面81的第二表面83以及凸出於所述第二表面83的凸臺85，所述中框80開設有位於所述凸臺85一側的條形槽87，所述凸臺85中央形成有臺階部89以及位於臺階部89中央的通光孔890，所述通光孔890包括承載臺892。所述準直裝置20設置於所述承載臺892；可撓曲的所述連接部66穿過所述條形槽87以使所述第二線路板64與所述第二表面83間隔設置，所述光源10設置於所述第二線路板64上且位於所述臺階部89，從而，所述光源10發出的光束能通過所述通光孔890傳輸至所述影像感測晶片50，進而在所述影像感測晶片50上成像。
在本實施方式中，所述光柵尺100還包括蓋體90。請參閱圖5，所述蓋體90包括朝向所述中框80的底表面92，所述底表面92凹設有凹部920，所述蓋體90蓋設於所述中框80，所述第二線路板64收容於所述凹部920。
請參閱圖1，所述蓋體90上可以嵌入設置顯示幕130，所述數據處理單元120處理的位移通過電性連接或者無線傳輸的方式將計算結果傳輸至顯示幕130，所述顯示幕130用來顯示所述數據處理單元120計算得到的位移，從而，方便從所述顯示幕130上讀取位移的數值。
綜上所述，本發明提供的微位移測量裝置200，由於包括主光柵30及副光柵40，在使用時，使主光柵30及副光柵40分別固定於相對移動的兩個部件上，當主光柵30相對副光柵40移動時，所述光源10發出的光經過準直裝置20、主光柵30及副光柵40後能在所述影像感測晶片50上形成圖像。在初始位置時，主光柵30的第一圖案31與副光柵40的第一圖案31是對齊的，如圖8的P1圖像所示。當主光柵30與副光柵發生位移時，主光柵30的第一圖案31與副光柵40的第一圖案31就會錯開，如圖8的P2圖像所示, 主光柵30的第一圖案31與副光柵40的第一圖案31之間的距離就代表發生的位移, 兩個所述第一圖案31之間的所有第二圖案33及所有間隔之和就是所述位移。其中，圖8的兩張圖像為了清楚顯示第一圖案31及第二圖案33均省略了圖像中的畫素點（pixel point），實際上兩張圖像均佈滿了畫素點。所述數據處理單元120中建立有圖像的畫素與圖案之間的比例關係，所述影像處理單元110能判斷所述圖像中主光柵30的第一圖案31與副光柵40的第一圖案31之間包括多少畫素，從而即可得到主光柵30的第一圖案31與副光柵40的第一圖案31之間的畫素數量，所述數據處理單元120用於根據所述影像處理單元110處理的畫素數量計算得到所述位移，並將所述位移顯示在所述顯示幕130。如此，無需設置光探測器接收明暗條紋，克服了電磁波對信號的幹擾，提高了微位移測量的準確度。
可以理解的是，以上實施例僅用來說明本發明，並非用作對本發明的限定。對於本領域的普通技術人員來說，根據本發明的技術構思做出的其它各種相應的改變與變形，都落在本發明請求項的保護範圍之內。
200:微位移測量裝置
100:光柵尺
110:影像處理單元
120:數據處理單元
10:光源
20:準直裝置
30:主光柵
40:副光柵
50:影像感測晶片
31:第一圖案
33:第二圖案
L1，L2:間距
310:圖案部
320:空白部
60:印刷電路板
62:第一線路板
64:第二線路板
66:連接部
68:延伸部
680:電連接器
70:底座
71:上表面
72:下表面
73:前側表面
74:左側面
75:右側面
701:容納槽
703:貫穿孔
703:插槽
80:中框
81:第一表面
83:第二表面
85:凸臺
87:條形槽
89:臺階部
890:通光孔
892:承載臺
90:蓋體
92:底表面
920:凹部
130:顯示幕
P1、P2:圖像
圖1為本發明提供的微位移測量裝置的模組示意圖。
圖2為圖1提供的微位移測量裝置包括的光柵尺的整體結構圖。
圖3為圖2提供的光柵尺的部分分解圖。
圖4為圖2提供的光柵尺的分解圖。
圖5為圖4提供的光柵尺的分解圖翻轉180度後的示意圖。
圖6為圖2提供的光柵尺包括的主光柵的結構圖。
圖7為圖2提供的光柵尺沿VII-VII方向的剖面圖。
圖8為光柵尺測量位移的原理圖。
10:光源
20:準直裝置
30:主光柵
40:副光柵
50:影像感測晶片
31:第一圖案
33:第二圖案
60:印刷電路板
62:第一線路板
70:底座
80:中框
89:臺階部
890:通光孔
892:承載臺
920:凹部
Claims (10)
- 一種微位移測量裝置，包括光柵尺、影像處理單元及數據處理單元，其中，所述光柵尺包括光源以及依次設置在所述光源光路上的準直裝置、主光柵、副光柵、影像感測晶片；所述主光柵及副光柵分別包括第一圖案以及位於所述第一圖案左右兩側的多個第二圖案，所述主光柵及所述副光柵兩者之一能相對另一個運動發生位移，所述光源發出的光能經過所述準直裝置、主光柵及副光柵後能在所述影像感測晶片上形成圖像，所述影像處理單元用於對所述圖像進行處理，所述數據處理單元用於根據所述影像處理單元處理的結果計算得到所述位移。
- 如請求項1所述的微位移測量裝置，其中，所述第一圖案與鄰近的所述第二圖案之間的間距等於每兩個相鄰的第二圖案之間的間距。
- 如請求項2所述的微位移測量裝置，其中，所述第一圖案及所述第二圖案共同作為圖案部，所述第一圖案與所述第二圖案之間的間隔以及相鄰的第二圖案之間的間隔為空白部，所述圖案部與所述空白部兩者之一能透光，另一者不能透光。
- 如請求項3所述的微位移測量裝置，其中，所述第一圖案及第二圖案為在所述主光柵及所述副光柵上開設形成的不同形狀的凹槽。
- 如請求項4所述的微位移測量裝置，其中，所述第一圖案為菱形凹槽、梯形凹槽，三角形凹槽、五角形凹槽或者圓形凹槽中的任意一種，所述第二圖案為方形凹槽或者圓形凹槽中的一種。
- 如請求項4所述的微位移測量裝置，其中，所述第一圖案及第二圖案為在所述第一光柵或者第二光柵表面塗布黑漆形成。
- 如請求項1所述的微位移測量裝置，其中，所述光柵尺還包括印刷電路板，所述印刷電路板包括第一線路板、第二線路板、垂直連接所述第一線路板及第二線路板的可撓曲的連接部以及與所述第一線路板連接的延伸部，所述第一線路板與第二線路板正對設置，所述影像感測晶片設置於所述第一線路板，所述光源設置於所述第二線路板，所述延伸部設置有電連接器。
- 如請求項7所述的微位移測量裝置，其中，所述光柵尺還包括底座，所述底座包括上表面、下表面、連接所述上表面與所述下表面的前側表面以及連接所述上表面、下表面的左側面以及右側面，所述上表面朝向下表面凹設形成容納槽，所述前側表面向開設形成貫穿孔，所述貫穿孔與所述容納槽相通，所述第一線路板設置於所述容納槽，所述延伸部從所述貫穿孔中伸出至所述容納槽外；所述底座還包括插槽，所述插槽從左側面延伸貫穿至右側面，所述主光柵與所述副光柵均從所述插槽插設且所述主光柵及副光柵的兩端均位於所述插槽外。
- 如請求項8所述的微位移測量裝置，其中，所述光柵尺還包括設置於所述底座上的中框，所述中框包括第一表面、相對所述第一表面的第二表面以及凸出於所述第二表面的凸臺，所述中框開設有位於所述凸臺一側的條形槽，所述凸臺中央形成有臺階部以及位於臺階部中央的通光孔，所述通光孔包括承載臺，所述準直裝置設置於所述承載臺；所述可撓曲的連接部穿過所述條形槽以使所述第二線路板與所述第二表面間隔設置，所述光源設置於所述第二線路板上且位於所述臺階部，所述光源發出的光束通過所述通光孔成像於所述影像感測晶片。
- 如請求項9所述的微位移測量裝置，其中，還包括蓋體，所述蓋體包括朝向所述中框的底表面，所述底表面凹設有凹部，所述蓋體蓋設於所述中框，所述第二線路板收容於所述凹部。
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