[發明專利]超高分辨率光柵尺

有效

• 申請號: 201310122926.3
• 申請日: 2013-04-10
• 公開（公告）號: CN103234456A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 魏澤鼎;石建玲;張弛
• 申請（專利權）人: 河北科技大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 石家莊冀科專利商標事務所有限公司 13108
• 代理人: 李羨民;高錫明

技術領域

本發明涉及一種具有次納米級分辨率的光柵尺，屬于測量技術領域。

背景技術

光柵尺（即光柵尺位移傳感器）是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點，常應用于數控機床的閉環伺服系統中。光柵尺的核心部件是定光柵和動光柵，在現有的光柵尺中，定光柵和動光柵的柵格是等距離的，并且它們之間有一個小的夾角。這種光柵尺的分辨率可以達到幾納米，但隨著制造業的不斷發展，對測量精度的要求越來越高，因此有必要設計分辨率更高的光柵尺。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術之弊端，提供一種超高分辨率光柵尺，以適應制造業的精度要求。

本發明所述問題是以下述技術方案實現的：

一種超高分辨率光柵尺，它包括平面光源以及垂直于平面光源的照射方向并沿平面光源的照射方向依次排列且彼此平行的定光柵、動光柵和線陣CCD傳感器，所述線陣CCD傳感器與動光柵并排固定在一起，所述線陣CCD傳感器的感光單元的長度與動光柵的長度相對應；在定光柵的柵格數為N-1的長度上動光柵的柵格數恰好是N個柵格，即動光柵的柵距等于定光柵的柵距*[(n-1）/?n],其中，n是在動光柵長度內所能刻畫出的光柵數。

上述超高分辨率光柵尺，所述線陣CCD傳感器的感光區域長度大于或等于動光柵的長度。

上述超高分辨率光柵尺，所述線陣CCD傳感器的感光單元距離等于動光柵的柵距。

本發明的定光柵和動光柵利用游標卡尺的測量原理測量位移，同時利用線陣CCD傳感器采集測量信號，大大提高了光柵尺的分辨率，特別適用于對測量分辨率要求高的場合。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是動光柵與定光柵左端第一柵格對齊時對應各像素點讀出電位；

圖3是動光柵向右移動1/4柵距時對應各像素點讀出電位；

圖4是動光柵向右移動1/2柵距時對應各像素點讀出電位；

圖5是動光柵向右移動3/4柵距時對應各像素點讀出電位；

圖6是本發明的結構示意圖；

圖7是控制電路的電原理圖。

圖中各標號清單為：1、定光柵，2、動光柵，3、線陣CCD傳感器，4、平面光源，VR、電位器，R1、第一電阻，R2、第二電阻，????????????????????????????????????????????????、光敏電阻，BJ、比較器。

具體實施方式

參看圖1，本發明由光源4、定光柵1、動光柵2和線陣CCD傳感器3構成，它與現有的光柵尺結構相似，外觀相同，區別在于本光柵尺的動光柵外側有一個線陣CCD傳感器，線陣CCD傳感器感光單元的長度與動光柵的柵格的長度相同（當然，線陣CCD傳感器3的長度也可以不等于動光柵2的長度；感光單元距離可以等于動光柵的柵距，也可以不等于動光柵的柵距）。本發明的動光柵柵距比定光柵柵距小個柵距，當動光柵左端第一個柵格和定光柵左端第一個柵格對齊時，動光柵左起第n個柵格和定光柵的第個柵格恰好對齊，每當動光柵向右移動個柵距時，所對齊的柵格號也向右移動一位，當動光柵向右移動1個柵距（）時，動光柵的n號柵格和定光柵的n號柵格對齊。光源通過動光柵與定光柵的柵格照射在線陣CCD傳感器上，柵格對齊時光照最強，對應的感光單元產生的電荷就多，讀出來的該點電位就低。動光柵不同位置柵格對齊時對應各像素點讀出電位如圖2～圖5所示，其中圖2是左端對齊的情況，圖3～圖5分別是動光柵向右移動1/4、1/2,和3/4柵距時各點電位圖。每當動光柵向右移動1個柵距，各點電位自左向右交替變化一個周期，哪個位置對齊了，線陣CCD對應點的電位就最低，把線陣CCD輸出的信號與一個固定電位相比較，并把比較結果送到單片機的輸入端，單片機就可以通過計算比較結果的上升沿和下降沿，得到所對齊光柵的序號，通過記錄電平變化周期個數，得到動光柵向右移動的光柵格數，從而計算出動光柵向右移動的準確位移。

圖6是假設動光柵的第X號柵格對齊時，讀出信號與比較電壓及比較器輸出信號波形。將Vs與VREF進行比較，比較器電路如圖7所示，比較器的輸出會在D點上升為高電平，在E點下降到低電平，把該信號輸入單片機可以計算出，取整數X點就是動光柵對齊的柵格序號。

例如：電平變化周期個數M，當前對齊的光柵序號是x，則當前移動的距離是：個柵距。可見基于線陣CCD的超高分辨率光柵尺的分辨率是柵距。