專利名稱：超高分辨率光柵尺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有次納米級(jí)分辨率的光柵尺，屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光柵尺(即光柵尺位移傳感器)是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。光柵尺的核心部件是定光柵和動(dòng)光柵，在現(xiàn)有的光柵尺中，定光柵和動(dòng)光柵的柵格是等距離的，并且它們之間有一個(gè)小的夾角。這種光柵尺的分辨率可以達(dá)到幾納米，但隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)測(cè)量精度的要求越來越高，因此有必要設(shè)計(jì)分辨率更高的光柵尺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種超高分辨率光柵尺，以適應(yīng)制造業(yè)的精度要求。本發(fā)明所述 問題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)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(dòng)光柵和線陣CCD傳感器，所述線陣CCD傳感器與動(dòng)光柵并排固定在一起，所述線陣CCD傳感器的感光單元的長(zhǎng)度與動(dòng)光柵的長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)；在定光柵的柵格數(shù)為N-1的長(zhǎng)度上動(dòng)光柵的柵格數(shù)恰好是N個(gè)柵格，即動(dòng)光柵的柵距等于定光柵的柵距*[ (η-1)/ η],其中，η是在動(dòng)光柵長(zhǎng)度內(nèi)所能刻畫出的光柵數(shù)。上述超高分辨率光柵尺，所述線陣CCD傳感器的感光區(qū)域長(zhǎng)度大于或等于動(dòng)光柵的長(zhǎng)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(dòng)光柵的柵距。本發(fā)明的定光柵和動(dòng)光柵利用游標(biāo)卡尺的測(cè)量原理測(cè)量位移，同時(shí)利用線陣CCD傳感器采集測(cè)量信號(hào)，大大提高了光柵尺的分辨率，特別適用于對(duì)測(cè)量分辨率要求高的場(chǎng)合


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2是動(dòng)光柵與定光柵左端第一柵格對(duì)齊時(shí)對(duì)應(yīng)各像素點(diǎn)讀出電位；
圖3是動(dòng)光柵向右移動(dòng)1/4柵距時(shí)對(duì)應(yīng)各像素點(diǎn)讀出電位；
圖4是動(dòng)光柵向右移動(dòng)1/2柵距時(shí)對(duì)應(yīng)各像素點(diǎn)讀出電位；
圖5是動(dòng)光柵向右移動(dòng)3/4柵距時(shí)對(duì)應(yīng)各像素點(diǎn)讀出電位；
圖6是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖7是控制電路的電原理圖。
圖中各標(biāo)號(hào)清單為:1、定光柵，2、動(dòng)光柵，3、線陣CCD傳感器，4、平面光源，VR>電位器，RU第一電阻，R2、第二電阻，
Re、光敏電阻，BJ、比較器。
具體實(shí)施例方式參看圖1，本發(fā)明由光源4、定光柵1、動(dòng)光柵2和線陣CXD傳感器3構(gòu)成，它與現(xiàn)有的光柵尺結(jié)構(gòu)相似，外觀相同，區(qū)別在于本光柵尺的動(dòng)光柵外側(cè)有一個(gè)線陣CCD傳感器，線陣CCD傳感器感光單元的長(zhǎng)度與動(dòng)光柵的柵格的長(zhǎng)度相同(當(dāng)然，線陣CCD傳感器3的長(zhǎng)度也可以不等于動(dòng)光柵2的長(zhǎng)度；感光單元距離可以等于動(dòng)光柵的柵距，也可以不等于動(dòng)光柵的柵距)。本發(fā)明的動(dòng)光柵柵距比定光柵柵距小I/ 個(gè)柵距，當(dāng)動(dòng)光柵左端第一個(gè)柵格
和定光柵左端第一個(gè)柵格aI對(duì)齊時(shí)，動(dòng)光柵左起第個(gè)柵格} I和定光柵的第《-1個(gè)柵格恰好對(duì)齊，每當(dāng)動(dòng)光柵向右移動(dòng)I/ 個(gè)柵距時(shí)，所對(duì)齊的柵格號(hào)也向右移動(dòng)一位，當(dāng)動(dòng)光柵向右移動(dòng)I個(gè)柵距(《 / )時(shí)，動(dòng)光柵的η號(hào)柵格和定光柵的η號(hào)柵格對(duì)齊。光源通過動(dòng)光柵與定光柵的柵格照射在線陣CCD傳感器上，柵格對(duì)齊時(shí)光照最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的感光單元產(chǎn)生的電荷就多，讀出來的該點(diǎn)電位就低。動(dòng)光柵不同位置柵格對(duì)齊時(shí)對(duì)應(yīng)各像素點(diǎn)讀出電位如圖2 圖5所示，其中圖2是左端對(duì)齊的情況，圖3 圖5分別是動(dòng)光柵向右移動(dòng)1/4、1/2，和3/4柵距時(shí)各點(diǎn)電位圖。每當(dāng)動(dòng)光柵向右移動(dòng)I個(gè)柵距，各點(diǎn)電位自左向右交替變化一個(gè)周期，哪個(gè)位置對(duì)齊了，線陣CCD對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電位就最低，把線陣CCD輸出的信號(hào)與一個(gè)固定電位相比較，并把比較結(jié)果送到單片機(jī)的輸入端，單片機(jī)就可以通過計(jì)算比較結(jié)果的上升沿和下降沿，得到所對(duì)齊光柵的序號(hào)，通過記錄電平變化周期個(gè)數(shù)，得到動(dòng)光柵向右移動(dòng)的光柵格數(shù)，從而計(jì)算出動(dòng)光柵向右移動(dòng)的準(zhǔn)確位移。圖6是假設(shè)動(dòng)光柵的第X號(hào)柵格對(duì)齊時(shí)，讀出信號(hào)與比較電壓及比較器輸出信號(hào)波形。將Vs與 VREF進(jìn)行比較，比較器電路如圖7所示，比較器的輸出會(huì)在D點(diǎn)上升為高電平，在E點(diǎn)下降到低電平，把該信號(hào)輸入單片機(jī)可以計(jì)算出(β+5)/2 = Ζ，取整數(shù)X點(diǎn)就是動(dòng)光柵對(duì)齊的柵格序號(hào)。例如:電平變化周期個(gè)數(shù)Μ，當(dāng)前對(duì)齊的光柵序號(hào)是X，則當(dāng)前移動(dòng)的距離是:
Afi個(gè)柵距?？梢娀诰€陣C⑶的超高分辨率光柵尺的分辨率是’ Y柵距。 nUn當(dāng)柵距等于2.5μπι，動(dòng)光柵柵數(shù)是10000時(shí)，分辨率是25/100000 μπι,即1/% ,在2.5μπι柵距的情況下實(shí)現(xiàn)了次納米級(jí)的分辨率。通過改進(jìn)算法,把⑷+￡.)/2 = Ζ中的X取到0.5可以把分辨率提高到I/8臟。上述情況下動(dòng)光柵的有效長(zhǎng)度和線陣CCD傳感器的有效長(zhǎng)度都應(yīng)該在2.5Χ10000 μ m=25mm,與現(xiàn)有的光柵尺尺寸幾乎相當(dāng)。當(dāng)線陣CXD傳感器分辨率小于2.5 μ m時(shí)，單片機(jī)也可以根據(jù)⑴+5)/2 = X找到
感光度最大的像素單元，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的刪格位置。實(shí)現(xiàn)I柵距的分辨率。
權(quán)利要求
1.一種超高分辨率光柵尺，其特征是，它包括平面光源(4)以及垂直于平面光源(4)的照射方向并沿平面光源(4)的照射方向依次排列且彼此平行的定光柵(I)、動(dòng)光柵(2)和線陣CCD傳感器(3 )，所述線陣CCD傳感器(3 )與動(dòng)光柵(2 )并排固定在一起，所述線陣CCD傳感器的感光單元的長(zhǎng)度與動(dòng)光柵(2)的長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)；在定光柵的柵格數(shù)為N-1的長(zhǎng)度上動(dòng)光柵的柵格數(shù)恰好是N個(gè)柵格，即動(dòng)光柵的柵距等于定光柵的柵距* [(n-1)/ n]，其中η是在動(dòng)光柵長(zhǎng)度內(nèi)所能刻畫出的光柵數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高分辨率光柵尺，其特征是，所述線陣CCD傳感器(3)的感光區(qū)域長(zhǎng)度大于或等于動(dòng)光柵的(2)長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超高分辨率光柵尺，其特征是，所述線陣CCD傳感器(3)的感光單元距 離等于動(dòng)光柵(2)的柵距。
全文摘要
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(dòng)光柵和線陣CCD傳感器，所述線陣CCD傳感器與動(dòng)光柵并排固定在一起，所述線陣CCD傳感器的感光單元的長(zhǎng)度與動(dòng)光柵的長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)；在定光柵的柵格數(shù)為N-1的長(zhǎng)度上動(dòng)光柵的柵格數(shù)恰好是N個(gè)柵格，即動(dòng)光柵的柵距等于定光柵的柵距*[(n-1)/n],其中，n是在動(dòng)光柵長(zhǎng)度內(nèi)所能刻畫出的光柵數(shù)。本發(fā)明的定光柵和動(dòng)光柵利用游標(biāo)卡尺的測(cè)量原理測(cè)量位移，同時(shí)利用線陣CCD傳感器采集測(cè)量信號(hào)，大大提高了光柵尺的分辨率，特別適用于對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01B11/02GK103234456SQ20131012292
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者魏澤鼎, 石建玲, 張弛 申請(qǐng)人:河北科技大學(xué)