光學(xué)位移測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的光學(xué)位移測量系統(tǒng)包括光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)、用于標(biāo)度尺的光柵、分光系統(tǒng)、奇數(shù)反射系統(tǒng)、偶數(shù)反射系統(tǒng)、合光系統(tǒng)、光電探測器和信號處理系統(tǒng)。光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直為平行光照明光柵，光柵的圖像經(jīng)分光系統(tǒng)分成兩束，一束入射到奇數(shù)反射系統(tǒng)，另一束入射到偶數(shù)反射系統(tǒng)或直接進入合光系統(tǒng)，合光系統(tǒng)將來自奇數(shù)反射系統(tǒng)的光束和來自偶數(shù)反射系統(tǒng)或直接進入合光系統(tǒng)的光束重疊形成莫爾條紋，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號后輸入到信號處理系統(tǒng)，對輸入信號進行處理分析得到位移量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，抗干擾能力強，能夠有效地解決雙光柵系統(tǒng)中光柵間隔和光柵局部缺陷對測量結(jié)果的影響，可用于位移測量和角位移測量。
【專利說明】光學(xué)位移測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)位移測量系統(tǒng)，具體是一種光學(xué)幾何變換光柵位移測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前大多數(shù)光柵位移測量系統(tǒng)都是采用雙光柵交疊產(chǎn)生莫爾條紋的計數(shù)法，或者是在莫爾條紋技術(shù)基礎(chǔ)上進行電子細(xì)分等。這些方法不僅后續(xù)細(xì)分處理電路復(fù)雜，而且光柵間隙尺寸要求嚴(yán)格，安裝過程中，很容易發(fā)生相互刮擦，劃傷光柵表面，光路調(diào)整好后，如果光柵副之間落入灰塵也會劃傷光柵。同時莫爾條紋信號易受光柵形變影響，存在正交性誤差、幅值波動誤差、非恒定周期性誤差，使得細(xì)分成本提高。因此這種方法想要實現(xiàn)高精密測量成本很高，很難得到普及與推廣。
[0003]除了雙光柵位移測量方法，也有利用單光柵實現(xiàn)位移測量的方法。已知有:“一種單光柵位移傳感器”(中國專利:CN1712904)和“Research on long-range gratinginterferometry with nanometer resolution” (MEASUREMENT SCIENCE ANDTECHN0L0GY,19,017001 (2008))，這兩種測量方法是基于光柵衍射光干涉來獲取位移信息。光柵干涉儀的缺點如下:首先，對光源的相干性和偏振性要求很高，而且空氣流動、微小振動擾動對產(chǎn)生的干涉條紋影響很大，其次，光路調(diào)整極其繁瑣，相同硬件條件下實現(xiàn)分辨率不可改變或者調(diào)整困難，再者，光柵干涉儀采用激光光源或會聚光照明，光柵局部缺陷會對測量結(jié)果帶來很大影響，因此應(yīng)用受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種光柵副間隙為零、能夠消除因光柵局部缺陷和隨機因素引入的誤差、安裝調(diào)節(jié)方便、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強的光學(xué)位移測量系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明提供的光學(xué)位移測量系統(tǒng)包括光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)、用于標(biāo)度尺的光柵、分光系統(tǒng)、奇數(shù)反射系統(tǒng)、偶數(shù)反射系統(tǒng)、合光系統(tǒng)、光電探測器和信號處理系統(tǒng)；光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直為平行光照明用于標(biāo)度尺的光柵，該光柵的圖像經(jīng)分光系統(tǒng)分成兩束，一束入射到奇數(shù)反射系統(tǒng)，另一束入射到偶數(shù)反射系統(tǒng)或直接進入合光系統(tǒng)，奇數(shù)反射系統(tǒng)的入射光經(jīng)反射進入合光系統(tǒng)，偶數(shù)反射系統(tǒng)的入射光經(jīng)反射進入合光系統(tǒng)，合光系統(tǒng)將來自奇數(shù)反射系統(tǒng)的光束和來自偶數(shù)反射系統(tǒng)或直接進入合光系統(tǒng)的光束重疊形成莫爾條紋，莫爾條紋經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號輸入到對輸入信號進行位移量分析的信號處理系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明中，所述的光源可以是點光源或激光光源，經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直為平行光用于照明光柵。它不受光波長和相干性影響，點光源可以是LED，激光光源如半導(dǎo)體激光器。
[0007]本發(fā)明中，所述的用于標(biāo)度尺的光柵可以是透射式光柵或反射式光柵，使用透射式光柵，平行光照明光柵，透射光進入分光系統(tǒng)。使用反射式光柵，平行光照明光柵，反射光進入分光系統(tǒng)。光柵可以在柵線所在的平面內(nèi)沿垂直于光柵的柵線方向平移，也可以繞光軸旋轉(zhuǎn)，光柵平移可以使得莫爾條紋發(fā)生平移，光柵繞光軸旋轉(zhuǎn)，可使得莫爾條紋周期發(fā)生改變，實現(xiàn)相同硬件下分辨率的改變。
[0008]本發(fā)明中，所述的分光系統(tǒng)和合光系統(tǒng)均可以是半反半透鏡。
[0009]本發(fā)明中，所述的奇數(shù)反射系統(tǒng)可以是反射棱鏡、反射鏡或半反半透鏡。所述的偶數(shù)反射系統(tǒng)也可以是反射棱鏡、反射鏡或半反半透鏡。奇數(shù)反射系統(tǒng)和偶數(shù)反射系統(tǒng)的作用是使得經(jīng)過奇數(shù)反射系統(tǒng)的光束相對經(jīng)過偶數(shù)反射系統(tǒng)的光束發(fā)生鏡像，對于奇數(shù)反射系統(tǒng)和偶數(shù)反射系統(tǒng)的具體反射次數(shù)沒有限制。
[0010]本發(fā)明中，所述的莫爾條紋是由光柵圖像與其鏡像圖像疊加產(chǎn)生，光柵移動I個周期，莫爾條紋移動2個周期，使得在相同硬件、相同夾角條件下，分辨率相對雙光柵方法
高一倍。
[0011]本發(fā)明中，所述的光電探測器可以是面陣探測器或線陣探測器或單點探測器，不同類型探測器決定后續(xù)信號處理系統(tǒng)和信號處理方式。
[0012]與現(xiàn)有的技術(shù)相比本發(fā)明的光學(xué)位移測量系統(tǒng)具有如下突出的優(yōu)點和效果:
首先，它采用單光柵，成本低，同時不用擔(dān)心光柵相互刮擦劃傷光柵表面，
而且可以完全消除由于光柵間隙帶來的安裝調(diào)節(jié)困難和因光柵副層疊間隙對測量帶來的影響。
[0013]其次，它采用經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)的平行光照明光柵，可有效地利用光柵信號，能夠消除因光柵局部缺陷引入的誤差。
[0014]第三，它采用的是成像原理，相對光柵干涉位移測量系統(tǒng)更穩(wěn)定，抗干擾能力更強，同時對光源相干性和偏振性沒有要求。
[0015]第四，在相同硬件條件下，它可以通過繞光軸旋轉(zhuǎn)光柵調(diào)節(jié)莫爾條紋周期，進而調(diào)節(jié)分辨率以滿足不同使用場合需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的光學(xué)位移測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:1_光源；2_準(zhǔn)直系統(tǒng)；3_可移動光柵；4_分光系統(tǒng)；5_奇數(shù)反射系統(tǒng)；6-偶數(shù)反射系統(tǒng)；7_合光系統(tǒng)；8_光電探測器；9_信號處理系統(tǒng)；
圖2是光學(xué)位移測量系統(tǒng)的一種實例；
圖3是光學(xué)位移測量系統(tǒng)的另一種實例；
圖4是光學(xué)位移測量系統(tǒng)的又一種實例；
圖5是莫爾條紋圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明的系統(tǒng)作進一步說明。
[0018]參照圖1，本發(fā)明的光學(xué)位移測量系統(tǒng)包括光源1、準(zhǔn)直系統(tǒng)2、用于標(biāo)度尺的光柵
3、分光系統(tǒng)4、奇數(shù)反射系統(tǒng)5、偶數(shù)反射系統(tǒng)6、合光系統(tǒng)7、光電探測器8和信號處理系統(tǒng)9 ;光源I發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)2準(zhǔn)直為平行光照明用于標(biāo)度尺的光柵3，該光柵3的圖像經(jīng)分光系統(tǒng)4分成兩束，一束入射到奇數(shù)反射系統(tǒng)5，另一束入射到偶數(shù)反射系統(tǒng)6或直接進入合光系統(tǒng)7，奇數(shù)反射系統(tǒng)5的入射光經(jīng)反射進入合光系統(tǒng)7，偶數(shù)反射系統(tǒng)6的入射光經(jīng)反射進入合光系統(tǒng)7，合光系統(tǒng)7將來自奇數(shù)反射系統(tǒng)5的光束和偶數(shù)反射系統(tǒng)6或直接進入合光系統(tǒng)7的光束重疊形成莫爾條紋，生成的莫爾條紋由光電探測器8轉(zhuǎn)換為電信號后輸入到信號處理系統(tǒng)9，信號處理系統(tǒng)9對輸入信號進行處理分析得到位移量。
[0019]圖2具體實例中，光柵3采用的是透射式光柵，分光系統(tǒng)4和合光系統(tǒng)7均為半反半透鏡，奇數(shù)反射系統(tǒng)5為反射鏡，光電探測器8采用面陣CMOS探測器，信號處理系統(tǒng)9為計算機。光源I發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)2準(zhǔn)直為平行光照明用于標(biāo)尺的透射式光柵3，設(shè)該光柵3的圖像坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系，光柵3的圖像經(jīng)分光系統(tǒng)4分成兩束，分光系統(tǒng)4的透射光經(jīng)奇數(shù)反射系統(tǒng)5反射I次進入合光系統(tǒng)7，又經(jīng)合光系統(tǒng)7反射后進入面陣探測器8，分光系統(tǒng)4的透射光在整個系統(tǒng)中被反射2次,坐標(biāo)系不變,仍為右手坐標(biāo)系,分光系統(tǒng)4的反射光直接進入合光系統(tǒng)7，經(jīng)合光系統(tǒng)7透射后進入面陣探測器8，分光系統(tǒng)4的反射光在整個系統(tǒng)中被反射I次，坐標(biāo)系變?yōu)樽笫肿鴺?biāo)系，即合光系統(tǒng)7中的透射出射光相對于反射出射光發(fā)生鏡像，合光系統(tǒng)7中的透射出射光與反射出射光重疊后形成莫爾條紋；生成的莫爾條紋由面陣探測器8轉(zhuǎn)換成電信號并輸入到計算機9，計算機9對輸入信號進行處理便可得到位移量。
[0020]圖3具體實例中，光柵3采用的是透射式光柵，分光系統(tǒng)4和合光系統(tǒng)7均為半反半透鏡，奇數(shù)反射系統(tǒng)5為等腰棱鏡，光電探測器8采用面陣CMOS探測器，信號處理系統(tǒng)9為計算機。光源I發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)2準(zhǔn)直為平行光照明用于標(biāo)尺的透射式光柵3，設(shè)該光柵3的圖像坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系，光柵3的圖像經(jīng)分光系統(tǒng)4分成兩束，分光系統(tǒng)4的反射光經(jīng)奇數(shù)反射系統(tǒng)5反射3次進入合光系統(tǒng)7，又經(jīng)合光系統(tǒng)7反射后進入面陣探測器8,分光系統(tǒng)4的反射光在整個系統(tǒng)中被反射5次,坐標(biāo)系變?yōu)樽笫肿鴺?biāo)系,分光系統(tǒng)4的透射光直接進入合光系統(tǒng)7，經(jīng)合光系統(tǒng)7透射后進入面陣探測器8，分光系統(tǒng)4的透射光在整個系統(tǒng)中被反射O次,坐標(biāo)系不變,仍為右手坐標(biāo)系，即合光系統(tǒng)7中的透射出射光相對于反射出射光發(fā)生鏡像，合光系統(tǒng)7中的透射出射光與反射出射光重疊后形成莫爾條紋；生成的莫爾條紋由面陣探測器8轉(zhuǎn)換成電信號并輸入到計算機9，計算機9對輸入信號進行處理便可得到位移量。
[0021]圖4具體實例中，光柵3采用的是反射式光柵，分光系統(tǒng)4和合光系統(tǒng)7均為半反半透鏡，奇數(shù)反射系統(tǒng)5為反射鏡，偶數(shù)反射系統(tǒng)6為五角棱鏡，光電探測器8采用面陣CMOS探測器，信號處理系統(tǒng)9為計算機。光源I發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直為平行光照明用于標(biāo)尺的反射式光柵3，設(shè)該光柵3的圖像坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系，光柵3的圖像經(jīng)分光系統(tǒng)4分成兩束，分光系統(tǒng)4的反射光經(jīng)奇數(shù)反射系統(tǒng)5反射I次進入合光系統(tǒng)7，經(jīng)合光系統(tǒng)7透射后進入面陣探測器8，分光系統(tǒng)4的反射光在整個系統(tǒng)中被反射2次，坐標(biāo)系不變，仍為右手坐標(biāo)系，分光系統(tǒng)4的透射光經(jīng)偶數(shù)反射系統(tǒng)6反射2次進入合光系統(tǒng)7，又經(jīng)合光系統(tǒng)7反射后進入面陣探測器8，分光系統(tǒng)4的透射光在整個系統(tǒng)中被反射3次，坐標(biāo)系變?yōu)樽笫肿鴺?biāo)系，即合光系統(tǒng)7中的透射出射光相對于反射出射光發(fā)生鏡像，合光系統(tǒng)7中的透射出射光與反射出射光重疊后形成莫爾條紋；生成的莫爾條紋由面陣探測器8轉(zhuǎn)換成電信號并輸入到計算機9，計算機9對輸入信號進行處理便可得到位移量。
[0022]本發(fā)明中奇數(shù)反射系統(tǒng)和偶數(shù)系統(tǒng)可以依據(jù)不同反射元件進行不同設(shè)計，只需合光系統(tǒng)中的透射出射光相對于反射出射光發(fā)生鏡像，兩幅光柵圖像疊加便會形成莫爾條紋，如圖5所不，圖中z軸代表光軸方向，Θ為光柵的柵線與X軸方向之間的夾角為莫爾條紋的周期。光柵在柵線所在的平面內(nèi)沿垂直于光柵的柵線方向平移時，莫爾條紋沿X軸方向平移，光柵繞光軸旋轉(zhuǎn)即Θ發(fā)生改變時，莫爾條紋周期#發(fā)生改變，實現(xiàn)相同硬件下分辨率的改變。由于光柵平移時，經(jīng)過奇數(shù)次反射和偶數(shù)次的兩幅光柵圖像會以相同位移量朝同一方向移動，故光柵移動I個周期，莫爾條紋移動2個周期。本發(fā)明的量程由光柵長度決定。
【權(quán)利要求】
1.光學(xué)位移測量系統(tǒng)，其特征是包括光源(I)、準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)、用于標(biāo)度尺的光柵(3)、分光系統(tǒng)(4)、奇數(shù)反射系統(tǒng)(5)、偶數(shù)反射系統(tǒng)(6)、合光系統(tǒng)(7)、光電探測器(8)和信號處理系統(tǒng)(9);光源(I)發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)準(zhǔn)直為平行光照明用于標(biāo)度尺的光柵(3)，該光柵(3)的圖像經(jīng)分光系統(tǒng)(4)分成兩束，一束入射到奇數(shù)反射系統(tǒng)(5)，另一束入射到偶數(shù)反射系統(tǒng)(6)或直接進入合光系統(tǒng)7，奇數(shù)反射系統(tǒng)(5)的入射光經(jīng)反射進入合光系統(tǒng)(7),偶數(shù)反射系統(tǒng)(6)的入射光經(jīng)反射進入合光系統(tǒng)(7),合光系統(tǒng)(7)將來自奇數(shù)反射系統(tǒng)(5 )的光束和來自偶數(shù)反射系統(tǒng)(6 )或直接進入合光系統(tǒng)(7 )的光束重疊形成莫爾條紋，莫爾條紋經(jīng)光電探測器(8)轉(zhuǎn)換為電信號輸入到對輸入信號進行位移量分析的信號處理系統(tǒng)(9)。
2.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移測量系統(tǒng)，其特征是所述的光源(I)是點光源或激光光源。
3.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移測量系統(tǒng)，其特征是所述的用于標(biāo)度尺的光柵(3)是透射式光柵或反射式光柵。
4.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移測量系統(tǒng)，其特征是所述的分光系統(tǒng)(4)是半反半透鏡。
5.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移測量系統(tǒng)，其特征是所述的奇數(shù)反射系統(tǒng)(5)是反射棱鏡、反射鏡或半反半透鏡。
6.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移測量系統(tǒng)，其特征是所述的偶數(shù)反射系統(tǒng)(6)是反射棱鏡、反射鏡或半反半透鏡。
7.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移測量系統(tǒng)，其特征是所述的合光系統(tǒng)(7)是半反半透鏡。
8.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移測量系統(tǒng)，其特征是所述的光電探測器(8)是面陣探測器或線陣探測器或單點探測頭。
【文檔編號】G01B11/02GK103791844SQ201410024145
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】伍劍, 袁波 申請人:浙江大學(xué)