專利名稱：一種單軌絕對(duì)光柵尺及其圖像編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是ー種單軌絕對(duì)光柵尺及其圖像編碼方法，屬于單軌絕對(duì)光柵尺及其圖像編碼方法的改造技術(shù)。
背景技術(shù)：
計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋，1874年由英國物理學(xué)家L. Rayleigh首先提出這種圖案的工程價(jià)值，直到20世紀(jì)50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測量。1950年德國Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復(fù)制エ藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制エ藝，這才能制造高精度、價(jià)廉的光柵刻度尺，光柵計(jì)量儀器才能為用戶所接受，進(jìn)入商品市場。1953年英國Ferranti公司提出了ー個(gè)4相信號(hào)系統(tǒng)，可以在ー個(gè)莫爾條紋周期實(shí)現(xiàn)4倍頻細(xì)分，并能鑒別移動(dòng)方向，這就是4倍頻鑒相技木，是光柵測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直廣泛應(yīng)用至今[I]。目前常用的光柵尺可以分為増量式光柵尺、半絕對(duì)式光柵尺以及絕對(duì)式光柵尺，數(shù)控機(jī)床制造行業(yè)使用較多。増量式光柵尺是最常用的高精密測量裝置，它有ー個(gè)絕對(duì)零點(diǎn)標(biāo)志，其后標(biāo)尺光柵等距分布，讀數(shù)頭相對(duì)標(biāo)尺光柵運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過的柵格所形成的莫爾條紋會(huì)經(jīng)過電信號(hào)處理，得到相對(duì)絕對(duì)零點(diǎn)的距離。這種測量模式簡單易行，但在使用中，由于必須每次回到絕對(duì)零點(diǎn)附近重新定標(biāo)，所以工作效率難以大幅提高[2]。為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床升級(jí)的需要，半絕對(duì)式光柵尺逐漸得到普遍使用。半絕對(duì)式光柵是在增量光柵上設(shè)置絕對(duì)軌，在絕對(duì)軌上設(shè)計(jì)了用不同距離編碼的一系列零位光柵，使用時(shí)通過探測相鄰零位光柵的距離來確定絕對(duì)位置，大大減少了回零的時(shí)間，提高了工作效率，此外，這類光柵尺出現(xiàn)故障時(shí)還能即時(shí)向數(shù)控機(jī)床發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以保證加工的安全性。近來，絕對(duì)光柵尺的出現(xiàn)引發(fā)了裝備制造業(yè)革命性進(jìn)步，相比半絕對(duì)式光柵尺，絕對(duì)編碼光柵尺有更多優(yōu)勢，由于在任何點(diǎn)都有相應(yīng)絕對(duì)唯一的碼值，所以沒有累計(jì)誤差，具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，并且還可以進(jìn)行非線性修正。另外絕對(duì)編碼范圍大，所以可測量較大量程的線性位移[3]。絕對(duì)光柵尺的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，其關(guān)鍵點(diǎn)在于絕對(duì)編碼的實(shí)現(xiàn)，及每ー個(gè)絕對(duì)編碼對(duì)應(yīng)著光柵標(biāo)尺上的一個(gè)絕對(duì)位置，將出發(fā)點(diǎn)到終止點(diǎn)的絕對(duì)位置相減就可以得到相対的移動(dòng)距離，避免了累計(jì)誤差，也消除了回讀零點(diǎn)的エ序。目前，出現(xiàn)了ー些種絕對(duì)編碼方法，較多集中在多軌光柵條紋編碼領(lǐng)域，這種編碼的優(yōu)點(diǎn)在于直讀縱列ニ進(jìn)制編碼，方便光電元件讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)可以提高細(xì)分的精度[4]，但缺點(diǎn)主要是提高了對(duì)光柵標(biāo)尺的刻畫難度，編碼范圍有限，難以擴(kuò)大測量范圍。單軌絕對(duì)編碼技術(shù)解決了這ー難題。單軌絕對(duì)編碼技術(shù)代表了國際上光柵測量的發(fā)展方向，它符合了快速測量和小型化這兩種趨勢。但是，由于目前單軌絕對(duì)編碼相對(duì)復(fù) 雜，解碼方法繁瑣，錯(cuò)碼率高，仍然沒有大量普及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種避免了多軌光柵制造的低成品率，同時(shí)降低了制造成本，提高了圖像信息采集的速度，提高編碼的測量精度的單軌絕對(duì)光柵尺。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，方便實(shí)用。本發(fā)明的另一目的在于提供一種達(dá)到可靠編碼、方便解碼及快速給出結(jié)果的圖像編碼方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的單軌絕對(duì)光柵尺，包括有光源、反射鏡、里程碑標(biāo)志位、增量標(biāo)尺柵線、玻璃基板、上側(cè)CMOS傳感器、下側(cè)CMOS傳感器、移動(dòng)光闌、光電接收器、指示光柵，其中光源與反射鏡組合構(gòu)成照明光路，提供平行光，玻璃基板上刻畫有等寬、等距的增量標(biāo)尺柵線，玻璃基板在增量標(biāo)尺柵線的下方刻畫有平行等距的里程碑標(biāo)志位，移動(dòng)光闌的左上方開ロ，該開口內(nèi)嵌指示光柵，移動(dòng)光闌的右邊上下對(duì)稱開ロ，該對(duì)稱開ロ分別嵌入用于采集圖像信息的上側(cè)CMOS傳感器和下側(cè)CMOS傳感器，且指示光柵緊貼玻璃 基板安裝，上側(cè)CMOS傳感器的安裝位置對(duì)準(zhǔn)增量標(biāo)尺柵線，下側(cè)CMOS傳感器的安裝位置對(duì)準(zhǔn)里程碑標(biāo)志位，光源、移動(dòng)光闌以及光電接收器相對(duì)位置固定裝設(shè)在動(dòng)尺上，動(dòng)尺相對(duì)玻璃基板能前后移動(dòng)，光源、移動(dòng)光闌以及光電接收器能同時(shí)平行運(yùn)動(dòng)，増量標(biāo)尺柵線和指示光柵的光線形成莫爾條紋投射在光電接收器。上述光源是藍(lán)光光源。上述里程碑標(biāo)志位所在行由若干等間距的柵線組成，其下從零點(diǎn)位置起，每隔ー定距離設(shè)置ー個(gè)絕對(duì)位置標(biāo)記就是里程碑標(biāo)志位，里程碑標(biāo)志位分為用于標(biāo)志里程碑的出現(xiàn)與結(jié)束的里程碑編碼邊界標(biāo)志柵線，用于進(jìn)行編碼，擴(kuò)大其位數(shù)，即能擴(kuò)大編碼的范圍的里程碑條紋組內(nèi)有效編碼位；用于確定是否刻畫柵線的具體位置的有效編碼柵線位，刻畫柵線處表示為0，不刻畫柵線而留白，此處表示為1，相鄰里程碑標(biāo)志位的間距為d。上述有效編碼柵線位共16條，兩端的端線作為邊界位始終刻畫柵線，下側(cè)CMOS傳感器一旦發(fā)現(xiàn)兩端都經(jīng)過就知道能讀完整的里程碑柵線陰影圖形了。本發(fā)明應(yīng)用單軌絕對(duì)光柵尺的圖像編碼方法，上述里程碑標(biāo)志位由若干條等寬度柵線位組成，其呈現(xiàn)ニ進(jìn)制編碼，成為第一編碼條碼，光源與反射鏡組合構(gòu)成的照明光路提供的平行光通過增量標(biāo)尺柵線產(chǎn)生的柵線陰影條紋組成第二編碼區(qū)，超過里程碑標(biāo)志位編碼視窗內(nèi)最后ー個(gè)里程碑標(biāo)志位后的柵線條紋組成的圖像，通過CMOS傳感器，進(jìn)行數(shù)字化采集，得到ニ進(jìn)制數(shù)字編碼，構(gòu)成第二編碼條碼，最后兩柵線線條內(nèi)未及一個(gè)步長的余量則由CMOS像元插入進(jìn)行編碼，此為第三編碼段，三段編碼進(jìn)行組合，可以得到一個(gè)有效位置碼，此位置碼對(duì)應(yīng)標(biāo)尺上的一個(gè)絕對(duì)位置，換而言之，光柵尺上的任何一個(gè)絕對(duì)位置，都有ー個(gè)三段碼組成的絕對(duì)編碼相對(duì)應(yīng)，只要得到可靠的指示光闌起始位置的絕對(duì)編碼，就可以通過求差，得到行程的絕對(duì)距離。上述下側(cè)CMOS傳感器直接采集里程碑標(biāo)志位的圖像編碼信息，其編碼數(shù)值為Nx，為第一絕對(duì)位置編碼段，即里程碑標(biāo)志位對(duì)應(yīng)的絕對(duì)位置為Mv = Nx X d上側(cè)CMOS傳感器直接采集增量標(biāo)尺柵線的圖像，并按照以下方法進(jìn)行編碼當(dāng)里程碑標(biāo)志位條紋組完全出現(xiàn)在下側(cè)CMOS傳感器(7)的監(jiān)視陣列時(shí)，對(duì)應(yīng)的增量標(biāo)尺柵線的條紋，也瞬時(shí)出現(xiàn)在上側(cè)CMOS傳感器的陣列上，這一條紋將被上側(cè)CMOS傳感器鎖定，超過里程碑標(biāo)志位條紋組的標(biāo)尺柵線條紋將以圖像的形式加以保存和編碼，從圖像中，能迅速分辨出柵線的數(shù)量為K，設(shè)標(biāo)尺柵線間距為δ，那么超過絕對(duì)位置標(biāo)志位的精確增量距離L則通過對(duì)增量柵線圖中暗紋數(shù)量K得到，如下L = KX δ，此為第二編碼段；當(dāng)指示光闌遮光區(qū)域左側(cè)端線處于增量標(biāo)尺光柵相鄰柵線之間，余量位移不足一個(gè)標(biāo)尺柵線間間距，設(shè)此標(biāo)尺柵線間測量余量為1L，這段位移的測量精度將直接影響到全局的測量精度以及絕對(duì)編碼的客觀性，由于左右CMOS像元間距的CMOS像元出現(xiàn)，CMOS像元尺寸也越來越小，標(biāo)尺柵線間測量余量的編碼即為第三段絕對(duì)編碼；上述標(biāo)尺柵線間間距是指標(biāo)尺光柵兩個(gè)相鄰柵線間的直線距離，標(biāo)尺柵線間測量余量是指指示光闌遮光區(qū)域左側(cè)端線到里程碑最左端的直線距離，CMOS像元尺寸是 指CMOS像元的寬度，CMOS像元間距是指兩個(gè)相鄰CMOS像元間的直線距離，指示光闌遮光區(qū)域是指指示光闌不透光的區(qū)域，即不開ロ區(qū)域，其表示了超過測量端區(qū)域，CMOS像元間測量余量是指指示光闌遮光區(qū)域左側(cè)端線到左端最近的ー個(gè)CMOS像元的直線距離；第三段絕對(duì)編碼分為兩個(gè)部分，即標(biāo)尺柵線間測量余量插入整數(shù)個(gè)CMOS像元的數(shù)值編碼為B，為第一部分編碼；CM0S像元間測量余量的行進(jìn)顯微細(xì)分值編碼C，這樣則將
編碼擴(kuò)大到分辨率級(jí)別，標(biāo)尺柵線間測量余量的編碼通過以下公式表達(dá)
B Χσ C\L =--1--X σ
10 1280最終的絕對(duì)位置編碼由三部分組成里程碑標(biāo)志位的編碼、増量標(biāo)尺光柵的柵線編碼、標(biāo)尺柵線間測量余量的編碼，由于標(biāo)尺柵線間測量余量細(xì)分位置編碼中C部分僅為分辨率級(jí)別，所以只保存B部分，經(jīng)三段編碼、解碼，得到任意絕對(duì)位置
B X σNL- = NrKd^KXQ+-
“IO上述指示光柵產(chǎn)生的莫爾條紋，作為低精度編碼，和CMOS得到的絕對(duì)位置進(jìn)行對(duì)比分析，若誤差在合理范圍內(nèi)，則認(rèn)定編碼正常；若超出誤差范圍，則認(rèn)為編碼錯(cuò)誤，重新讀取圖像信息進(jìn)行相關(guān)的編碼對(duì)比，新的碼值如等于前面分析數(shù)據(jù)的某ー個(gè)，則認(rèn)為重新編碼的碼值正確，反之則輸出光柵尺故障報(bào)警信息。上述里程碑標(biāo)志位由14條等寬度柵線位組成，其呈現(xiàn)ニ進(jìn)制編碼，14條柵線能組成從0-16383范圍的數(shù)字。上述最后ー個(gè)標(biāo)尺柵線間間距利用投射顯微放大技術(shù)平均放大10倍，這段距離內(nèi)將平均分布100個(gè)像素単元，將標(biāo)尺柵線間間距間距離等分成100份，即測量精度達(dá)到0. I O，即十分之一 CMOS像元間距。上述標(biāo)尺柵線間測量余量根據(jù)上述十分之一 CMOS像元間距的精度加以精確量化，而指示光闌遮光區(qū)域左側(cè)端線在像素間的行進(jìn)距離，即CMOS像元間測量余量通過電子
細(xì)分為128份，使得分辨率達(dá)到^T以內(nèi)。上述上側(cè)CMOS傳感器對(duì)準(zhǔn)增量標(biāo)尺柵線，下側(cè)CMOS傳感器對(duì)準(zhǔn)里程碑標(biāo)志位，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用里程碑標(biāo)志位定位，減少圖像采集的數(shù)據(jù)量，提高直線運(yùn)動(dòng)的速度，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)附近吋，減速采集分析增量標(biāo)尺柵線的編碼信息。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)I)本發(fā)明通過單軌光柵進(jìn)行絕對(duì)編碼，避免了多軌光柵制造的低成品率，同時(shí)降低了制造成本。2)本發(fā)明利用了 CMOS傳感技術(shù)，提高了圖像信息采集的速度，借助半導(dǎo)體器件的加工精度，間接提高編碼的測量精度。3)本發(fā)明引入了顯微放大技術(shù)，將最后ー對(duì)柵線間余量進(jìn)行放大，利用像元插入模式，進(jìn)ー步提高位置編碼的精度。4)本發(fā)明降低了傳統(tǒng)增量式編碼在測量中的重要性，但保留其部分功能，為誤碼糾錯(cuò)提供了參考，從而提高了絕對(duì)光柵尺編碼、解碼的可靠性，同時(shí)為絕對(duì)光柵尺失效時(shí)，做為備份測量工具，在故障狀態(tài)下保證光柵尺一定的測量功能。本發(fā)明是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用的單軌絕對(duì)光柵尺及其圖像編碼方 法。


圖I為本發(fā)明的單軌絕對(duì)光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本發(fā)明的絕對(duì)光柵尺光柵尺柵線構(gòu)成示意圖。圖3本發(fā)明的絕對(duì)光柵尺標(biāo)尺光柵柵線間細(xì)分測量示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例本發(fā)明單軌絕對(duì)光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，在圖I中，光源I、反射鏡2組合構(gòu)成照明光路，可以提供一定光強(qiáng)的平行光，本實(shí)施例中，光源I是藍(lán)光光源，是ー種特種光源。平行光的光線投射到里程碑標(biāo)志位3和增量標(biāo)尺柵線4時(shí)，柵線的投影會(huì)被上側(cè)CMOS傳感器6和下側(cè)CMOS傳感器7分別掃描接收，兩個(gè)CMOS傳感器鑲嵌在移動(dòng)光闌8上,光源I、反射鏡2、移動(dòng)光闌8、光電接收器9相對(duì)位置固定組成動(dòng)尺測量系統(tǒng),都平行于玻璃基板移動(dòng)，外部和測量端機(jī)構(gòu)連接，移動(dòng)光闌8上嵌入一指示光柵10，光線通過標(biāo)尺柵線4和指示光柵10后產(chǎn)生的莫爾條紋被光電接收器9接收，形成模擬增量信號(hào)。圖I中，下側(cè)CMOS傳感器7可以直接采集里程碑標(biāo)志位3圖像的編碼信息，其編碼數(shù)值為Nx，為第一絕對(duì)位置編碼段，即里程碑標(biāo)志位(3)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)位置為Mx = Nx X d而上側(cè)CMOS傳感器6可以直接采集增量標(biāo)尺柵線圖像，但要依靠以下技術(shù)進(jìn)行編碼。増量柵線圖像編碼技術(shù)如下如圖2中，當(dāng)里程碑標(biāo)志位3條紋組的標(biāo)志柵線完全出現(xiàn)在下側(cè)CMOS監(jiān)視陣列時(shí),對(duì)應(yīng)的增量標(biāo)尺柵線條紋,也瞬時(shí)出現(xiàn)在上側(cè)CMOS傳感陣列上，這一條紋將被圖像電子系統(tǒng)鎖定，超過里程碑標(biāo)志位3條紋組的柵線條紋將以圖像的形式加以保存和編碼。從圖像中，可以迅速分辨出暗線的數(shù)量為K，設(shè)標(biāo)尺柵線間距為δ，那么超過絕對(duì)位置標(biāo)志位的精確增量距離L則可以通過對(duì)增量柵線圖中的柵線數(shù)量K得到，如下L = KXS
此為第二編碼段，和第一編碼段結(jié)合，將進(jìn)ー步提高動(dòng)尺測端的位置測量的精確度。里程碑標(biāo)志位3分為幾個(gè)部分，即里程碑編碼邊界標(biāo)志柵線12、里程碑條紋組內(nèi)有效編碼位11、有效編碼柵線位13，相鄰里程碑標(biāo)志位3的間距為山邊界便于掃描定位，有效編碼柵線位13可以刻畫柵線，表示為0，也可以留白表示為1，相鄰里程碑標(biāo)志位3的間距為d確定了編碼定位的粗略步長。如圖3，指示光闌遮光區(qū)域19左側(cè)端線處于標(biāo)尺光柵兩相鄰柵線之間，余量位移不足一個(gè)柵線間距時(shí)，設(shè)此標(biāo)尺柵線間測量余量16為1L，這段位移的測量精度將直接影響到全局的測量精度以及絕對(duì)編碼的客觀性。在此充分利用到CMOS發(fā)展的新技木，由于左右CMOS像元間距18的CMOS像元14出現(xiàn)，CMOS像元尺寸17也越來越小，細(xì)分技術(shù)進(jìn)ー步升級(jí)。利用投射顯微放大技術(shù)，可以將最后ー個(gè)標(biāo)尺柵線間間距15平均放大10倍，假定這段距離內(nèi)將平均分布100個(gè)像素単元，將兩柵線間距離等分成100份，即測量精度可以達(dá)到O. I。，動(dòng)尺測端在像素間的行進(jìn)距離還可以通過電子細(xì)分為128份，使得分辨率可以達(dá)到
—以內(nèi)。這部分的編碼即第三段絕對(duì)編碼，這段編碼可以分為兩個(gè)部分，即標(biāo)尺柵線間
測量余量I插入整數(shù)個(gè)像元的數(shù)值編碼為B，為第一部分編碼；CM0S像元間測量余量(20)的行進(jìn)顯微細(xì)分值編碼G，這樣則可以將編碼擴(kuò)大到分辨率級(jí)別，如下所示，標(biāo)尺柵線間測
量余量4可以通過以下公式表達(dá)
B K σ CIL =-^--X σ
10 1280最終的絕對(duì)位置編碼由三部分組成里程碑絕對(duì)參考點(diǎn)標(biāo)志位編碼、相對(duì)位置編碼、細(xì)分位置編碼，由于細(xì)分位置編碼中C部分僅為分辨率級(jí)別，所以只保存B部分。經(jīng)三段編碼、解碼，就可以得到絕對(duì)位置
B ΧσM = NrXd + K Ko +-
x x 10上述指示光柵10產(chǎn)生的莫爾條紋，作為低精度編碼，和CMOS得到的絕對(duì)位置進(jìn)行對(duì)比分析，若誤差在合理范圍內(nèi)，則認(rèn)定編碼正常；若超出誤差范圍，則認(rèn)為編碼錯(cuò)誤，重新讀取圖像信息進(jìn)行相關(guān)的編碼對(duì)比，新的碼值如等于前面分析數(shù)據(jù)的某ー個(gè)，則認(rèn)為重新編碼的碼值正確，反之則輸出光柵尺故障報(bào)警信息。本發(fā)明的工作原理如下增量標(biāo)尺光柵下平行排列并等距刻畫了里程碑絕對(duì)參考點(diǎn)位置標(biāo)志，此標(biāo)志為若干條柵線組成?？梢跃幋a的方式很多，有ニ進(jìn)制和十進(jìn)制等。以ニ進(jìn)制為例，16條柵線位，左右端面處柵線位始終刻畫不透光光柵，作為編碼邊界標(biāo)志，中間14條柵線位中，每條柵線位對(duì)應(yīng)著ー個(gè)唯一的數(shù)字O或I，共可以組成一萬余組不同的數(shù)字編碼，如相鄰兩里程碑間距為1mm，可編碼范圍將超過10m。指示光闌上有三個(gè)開孔，左上一個(gè)可以透光，安放有指示光柵，其與標(biāo)尺光柵所形成的莫爾條紋信號(hào)可以被光電接收器接收。右邊開有等寬度光闌開ロ，上下分別嵌入ー塊CMOS感光元件，上側(cè)CMOS用來搜集增量標(biāo)尺柵線圖像信息，而下側(cè)CMOS用來識(shí)別里程碑絕對(duì)位置標(biāo)志，由下側(cè)CMOS檢測到的里程碑絕對(duì)位置編碼為第一編碼分段Nx，由上側(cè)CMOS得到的柵線投影暗區(qū)條紋個(gè)數(shù)編碼為第二編碼分段K。兩相鄰柵線間位移余量顯微放大10倍，細(xì)分插入的像素個(gè)數(shù)編碼為B，最后兩像素間位移余量再次細(xì)分128份后編碼為G，這部分可以稱為第三編碼段。設(shè)相鄰兩里程碑間距為d = 2_，標(biāo)尺柵線間距為δ = IOym, CMOS像素間距為σ = I μ m，那么絕對(duì)位置Mx可以由以下公式得到
權(quán)利要求
1.一種單軌絕對(duì)光柵尺，其特征在于包括有光源(I)、反射鏡(2)、里程碑標(biāo)志位(3)、增量標(biāo)尺柵線(4)、玻璃基板(5)、上側(cè)CMOS傳感器(6)、下側(cè)CMOS傳感器(7)、移動(dòng)光闌(8)、光電接收器(9)、指示光柵(10)，其中光源(I)與反射鏡(2)組合構(gòu)成照明光路，提供一定光強(qiáng)的平行光，玻璃基板(5)上刻畫有等寬、等距的增量標(biāo)尺柵線(4)，玻璃基板(5)在增量標(biāo)尺柵線(4)的下方刻畫有平行等距的里程碑標(biāo)志位(3)，移動(dòng)光闌(8)的左上方開口，該開口內(nèi)嵌指示光柵(10)，移動(dòng)光闌(8)的右邊上下對(duì)稱開口，該對(duì)稱開口分別嵌入用于采集圖像信息的上側(cè)CMOS傳感器(6)和下側(cè)CMOS傳感器(7)，且指示光柵(10)緊貼玻璃基板(5 )安裝，上側(cè)CMOS傳感器(6 )的安裝位置對(duì)準(zhǔn)增量標(biāo)尺柵線(4)，下側(cè)CMOS傳感器(7 )的安裝位置對(duì)準(zhǔn)里程碑標(biāo)志位(3)，光源(I)、移動(dòng)光闌(8)以及光電接收器(9)相對(duì)位置固定裝設(shè)在動(dòng)尺(21)上，動(dòng)尺(21)相對(duì)玻璃基板(5)能前后移動(dòng)，光源(I)、移動(dòng)光闌(8)以及光電接收器(9)能同時(shí)平行運(yùn)動(dòng)，增量標(biāo)尺柵線(4)和指示光柵(10)的光線形成莫爾條紋投射在光電接收器(9 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單軌絕對(duì)光柵尺，其特征在于上述光源(I)是藍(lán)光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單軌絕對(duì)光柵尺，其特征在于上述里程碑標(biāo)志位(3)所在行由若干等間距的柵線組成，其下從零點(diǎn)位置起，每隔一定距離設(shè)置一個(gè)絕對(duì)位置標(biāo)記就是里程碑標(biāo)志位(3)，里程碑標(biāo)志位(3)分為用于標(biāo)志里程碑的出現(xiàn)與結(jié)束的里程碑編碼邊界標(biāo)志柵線(12)，用于進(jìn)行編碼，擴(kuò)大其位數(shù)，即能擴(kuò)大編碼的范圍的里程碑條紋組內(nèi)有效編碼位(11);用于確定是否刻畫柵線的具體位置的有效編碼柵線位(13)，刻畫柵線處表示為0，不刻畫柵線而留白，此處表示為1，相鄰里程碑標(biāo)志位(3)的間距為d。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單軌絕對(duì)光柵尺，其特征在于上述有效編碼柵線位(13)共16條，兩端的端線作為邊界位始終刻畫柵線，下側(cè)CMOS傳感器(7) —旦發(fā)現(xiàn)兩端都經(jīng)過就知道能讀完整的里程碑柵線陰影圖形了。
5.一種應(yīng)用權(quán)利要求I所述的單軌絕對(duì)光柵尺的圖像編碼方法，其特征在于上述里程碑標(biāo)志位(3)由若干條等寬度柵線位組成，其呈現(xiàn)二進(jìn)制編碼，成為第一編碼條碼，光源(I)與反射鏡(2)組合構(gòu)成的照明光路提供的平行光通過增量標(biāo)尺柵線(4)產(chǎn)生的柵線陰影條紋組成第二編碼區(qū)，超過里程碑標(biāo)志位(3)編碼視窗內(nèi)最后一個(gè)里程碑標(biāo)志位(3)后的柵線條紋組成的圖像，通過CMOS傳感器，進(jìn)行數(shù)字化采集，得到二進(jìn)制數(shù)字編碼，構(gòu)成第二編碼條碼，最后兩柵線線條內(nèi)未及一個(gè)步長的余量則由CMOS像元插入進(jìn)行編碼，此為第三編碼段，三段編碼進(jìn)行組合，可以得到一個(gè)有效位置碼，此位置碼對(duì)應(yīng)標(biāo)尺上的一個(gè)絕對(duì)位置，換而言之，光柵尺上的任何一個(gè)絕對(duì)位置，都有一個(gè)三段碼組成的絕對(duì)編碼相對(duì)應(yīng)，只要得到可靠的指示光闌起始位置的絕對(duì)編碼，就可以通過求差，得到行程的絕對(duì)距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像編碼方法，其特征在于上述下側(cè)CMOS傳感器(7)直接采集里程碑標(biāo)志位(3)的圖像編碼信息，其編碼數(shù)值為Nx，為第一絕對(duì)位置編碼段，即里程碑標(biāo)志位(3)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)位置為 M'x = NxXd 上側(cè)CMOS傳感器(6)直接采集增量標(biāo)尺柵線(4)的圖像，并按照以下方法進(jìn)行編碼 當(dāng)里程碑標(biāo)志位(3)條紋組完全出現(xiàn)在下側(cè)CMOS傳感器(7)的監(jiān)視陣列時(shí)，對(duì)應(yīng)的增量標(biāo)尺柵線(4)的條紋，也瞬時(shí)出現(xiàn)在上側(cè)CMOS傳感器(6)的陣列上，這一條紋將被上側(cè)CMOS傳感器(6)鎖定，超過里程碑標(biāo)志位(3)條紋組的標(biāo)尺柵線條紋將以圖像的形式加以保存和編碼，從圖像中，能迅速分辨出柵線的數(shù)量為K，設(shè)標(biāo)尺柵線間距為5，那么超過絕對(duì)位置標(biāo)志位的精確增量距離L則通過對(duì)增量柵線圖中暗紋數(shù)量K得到，如下 L = KX S，此為第二編碼段； 當(dāng)指示光闌遮光區(qū)域(19)左側(cè)端線處于增量標(biāo)尺光柵(4)相鄰柵線之間，余量位移不足一個(gè)標(biāo)尺柵線間間距(15)，設(shè)此標(biāo)尺柵線間測量余量(16)為1L，這段位移的測量精度將直接影響到全局的測量精度以及絕對(duì)編碼的客觀性，由于左右CMOS像元間距(18)的CMOS像元(14)出現(xiàn)，CMOS像元尺寸(17)也越來越小，標(biāo)尺柵線間測量余量(16)的編碼即為第三段絕對(duì)編碼； 上述標(biāo)尺柵線間間距(15)是指標(biāo)尺光柵兩個(gè)相鄰柵線間的直線距離，標(biāo)尺柵線間測量余量(16)是指指示光闌遮光區(qū)域(19)左側(cè)端線到里程碑最左端的直線距離，CMOS像元尺寸(17)是指CMOS像元的寬度，CMOS像元間距(18)是指兩個(gè)相鄰CMOS像元間的直線距離，指示光闌遮光區(qū)域(19)是指指示光闌不透光的區(qū)域，即不開口區(qū)域，其表示了超過測量端區(qū)域，CMOS像元間測量余量(20)是指指示光闌遮光區(qū)域(19)左側(cè)端線到左端最近的一個(gè)CMOS像元的直線距離； 第三段絕對(duì)編碼分為兩個(gè)部分，即標(biāo)尺柵線間測量余量(16)插入整數(shù)個(gè)CMOS像元(14)的數(shù)值編碼為B，為第一部分編碼；CM0S像元間測量余量(20)的行進(jìn)顯微細(xì)分值編碼G，這樣則將編碼擴(kuò)大到分辨率級(jí)別，標(biāo)尺柵線間測量余量(16)的編碼通過以下公式表達(dá)
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像編碼方法，其特征在于上述里程碑標(biāo)志位(3)由14條等寬度柵線位組成，其呈現(xiàn)二進(jìn)制編碼，14條柵線能組成從0-16383范圍的數(shù)字。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像編碼方法，其特征在于上述最后一個(gè)標(biāo)尺柵線間間距(15)利用投射顯微放大技術(shù)平均放大10倍，這段距離內(nèi)將平均分布100個(gè)像素單元，將標(biāo)尺柵線間間距(15)間距離等分成100份，即測量精度達(dá)到0. I O，即十分之一 CMOS像元間距(18)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像編碼方法，其特征在于上述標(biāo)尺柵線間測量余量(16)根據(jù)上述十分之一 CMOS像元間距(18)的精度加以精確量化，而指示光闌遮光區(qū)域(19)左側(cè)端線在像素間的行進(jìn)距離，即CMOS像元間測量余量(20)通過電子細(xì)分為128份，使得分辨
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像編碼方法，其特征在于上述上側(cè)CMOS傳感器(6)對(duì)準(zhǔn)增量標(biāo)尺柵線(4)，下側(cè)CMOS傳感器(7 )對(duì)準(zhǔn)里程碑標(biāo)志位(3 )，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用里程碑標(biāo)志位(3)定位，減少圖像采集的數(shù)據(jù)量，提高直線運(yùn)動(dòng)的速度，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)附近時(shí)，減速采集分析增量標(biāo)尺柵線(4)的編碼信息。
全文摘要
本發(fā)明是一種單軌絕對(duì)光柵尺及其圖像編碼方法。包括光源、反射鏡、增量標(biāo)尺柵線、玻璃基板、移動(dòng)光闌、光電接收器、指示光柵，其中光源與反射鏡組合為照明光路，玻璃基板上刻畫有等寬等距的增量標(biāo)尺柵線，玻璃基板在增量標(biāo)尺柵線下方刻畫有平行等距的里程碑標(biāo)志位，移動(dòng)光闌的左上方開口內(nèi)嵌指示光柵，移動(dòng)光闌的右邊的上下對(duì)稱開口分別嵌入上側(cè)CMOS傳感器和下側(cè)CMOS傳感器，指示光柵緊貼玻璃基板安裝，上側(cè)CMOS傳感器的安裝位置對(duì)準(zhǔn)增量標(biāo)尺柵線，下側(cè)CMOS傳感器的安裝位置對(duì)準(zhǔn)里程碑標(biāo)志位，增量標(biāo)尺柵線和指示光柵的光線形成莫爾條紋投射在光電接收器。本發(fā)明提高了圖像信息采集的速度，提高編碼的測量精度，能可靠編碼、方便解碼及快速給出結(jié)果。
文檔編號(hào)G01D5/347GK102706373SQ20121016529
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者劉強(qiáng), 李克天, 李鍛能, 王晗, 陳學(xué)松, 陳新, 陳新度, 馬平 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)