专利名称：光学游标测角装置及其测量范围和精度设计方法
技术领域：
光学游标测角装置及其测量范围和精度设计方法属于光电传感器设计技术领域。
背景技术：
目前的光学测角装置和方法很多，但由于工作原理上的限制，一般很难同时实现大范围和高精度两方面的测量性能要求。经检索，国内外公开文献中未检索到与本发明相同或相似的光学测角装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种全新的光学测角装置——光学游标测角装置，该装置能够测量入射光的角度，由于该发明将游标测量技术和光学测角技术进行了融合，该装置能够同时实现光学角度的大范围和高精度的测量。本发明测量光线入射角度的原理类似于游标卡尺的测长原理，即通过对刻度周期不相等的定尺和动尺的组合编码实现高精度的测量。
本发明所提出的光学游标测角装置的特征在于它含有分别代表光学游标动尺和光学游标定尺的上掩膜板和下掩膜板，所述上掩膜板和下掩膜板的位置相对固定且相互平行，在上掩膜板的中央有一条代表测量零点的遮光的宽的零点暗条纹，在所述零点暗条纹的两边对称的且等周期的分布着通光和遮光的明暗相间的条纹；在所述下掩膜板上等周期的分布着通光和遮光的明暗相间的条纹；所述上掩膜板上的明暗条纹的周期与下掩膜板上的明暗条纹的周期不相等；在所述下掩膜板的下方放置着一块光电转换器。所述上掩膜板和下掩膜板由一个刚性结构固定。
本发明所提出的光学游标测角装置的测量范围和精度的设计方法，其特征在于测量范围由下述公式确定W=2×arctan(N×(c+d)2h)]]>测量精度由下述公式确定p=2·(a+b)×(c+d)·W(A-B)·C]]>其中W为测量范围，N为下掩膜板的定尺条纹的周期总数，c是定尺的暗条纹宽度，d是定尺的明条纹宽度，h是上、下掩膜板之间的距离；p是测量精度，a是上掩膜板上的暗条纹的宽度，b是上掩膜板上的明条纹的宽度，A是上掩膜板的明暗条纹的有效长度，即位于上掩膜板上动尺条纹所覆盖的总长度，B是上掩膜板上零点暗条纹的宽度，C是下掩膜板的明暗条纹的有效长度，即位于下掩膜板上定尺条纹所覆盖的总长度。
通过实验证明，本装置能够实现入射光线角度的测量，通过适当的参数设计，能够同时实现大范围和高精度的角度测量，达到了本发明预期的目标。
图1是本发明的原理性结构示意图，其中1是上掩膜板，2是动尺掩膜，3是定尺掩膜，4是下掩膜板，5是光电转换器，6是固定架。
图2是光学游标动尺掩膜图样示意图。
图3是光学游标定尺掩膜图样示意图。
图4是被测入射光通过光学游标后形成的光学游标编码示意图。
图5是本发明实施实例的光学游标测角装置的结构图。其中1是上掩膜板，2是动尺掩膜，3是定尺掩膜，4是下掩膜板，5是光电转换器，7是电路板，8是固定架压板，9是固定架主体。
具体实施例方式本发明的原理性结构示意图如图1所示，通过微机械加工技术，设计和制作出上下两块光学图形透射掩膜板，上、下掩膜板分别被装配在一个刚性结构的载体即固定架上，上掩膜板和下掩膜板的相对位置固定，相互平行，分别构成光学游标结构的光学动尺和光学定尺，上下掩膜板之间的距离为h。本发明的光学动尺和光学定尺构成对入射光角度测量的敏感部件。由于动尺(如图2)和定尺(如图3)分别由具有周期性分布，而周期大小又不完全相等的特殊掩膜图样结构构成，随入射光入射角度的变化，光学动尺在光学定尺上的投影产生变化，从而使光学游标编码发生明显的明暗条纹编码变化(如图4)。与游标卡尺的测量类似，每个光线角度有且只有一个光学游标编码与其对应。光学游标编码的变化由后续的线阵CCD或类似的光电转换器接收和检测，通过一定的转换关系，便能得出高精度的入射光角度信息。
光学游标结构中的光学动尺掩膜图样如图2所示，由对称分布且周期变化的“通光”和“遮光”的明暗条纹图样构成。光学游标结构中的光学定尺掩膜图样如图3所示，由周期变化的“通光”和“遮光”的明暗条纹图样构成。光学动尺和定尺上“通光”和“遮光”的明暗条纹图样的宽度及周期，光学动尺与定尺的掩膜板之间的光学间距，以及动尺和定尺掩膜板的大小等结构参数都是设计的关键，这些参数将决定整个装置能实现的测量精度和测量范围。
光学游标动尺结构如图2所示，宽度为B的暗条纹为游标的零点，动尺以“零点”为对称中心、且由具有周期特征的明暗条纹结构构成。设光学游标动尺一个周期的长度为T1＝a+b，其中的a和b分别是经过微技术加工后产生的动尺“遮光”暗条纹宽度和“通光”明条纹宽度。光学游标动尺采用对称编码结构，光学游标动尺单边条纹的周期总数为M。光学游标动尺“零点”条纹的宽度为B。光学游标动尺的有效长度为A，即位于上掩膜板上动尺条纹图形所覆盖的总长度。
光学游标定尺结构如图3所示，定尺由具有周期特征的明暗条纹结构构成。设光学游标定尺一个周期的长度为T2＝c+d。其中的c和d分别是经过微技术加工后产生的定尺“遮光”暗条纹宽度和“通光”明条纹宽度。光学游标定尺条纹的周期总数为N。光学游标定尺的有效长度为C，即位于下掩膜板上定尺条纹图形所覆盖的总长度。
光学游标的动尺掩膜和定尺掩膜上的明暗条纹的周期大小接近但不相等，即T1≠T2。被测光线入射后，动尺对光线进行了第一次的调制，产生与动尺条纹相应的明暗相间的一次调制图像，该调制图像随入射光角度的变化而被动态地投影到定尺的不同位置上。而定尺则对动尺产生的一次调制图像进行第二次调制，从而产生了明显变化的光学游标编码图像(明暗条纹编码)，如图4所示。通过定尺和动尺的设计，可保证每一个入射光线角度对应着唯一的明暗条纹编码，即光学游标编码。这个光学游标编码图像可以很容易地通过后续的线阵CCD或类似的光电转换器接收和检测，通过一定的转换关系，便能得出高精度的入射光角度信息，测量精度主要取决于光学游标动、定尺的结构参数。如果定尺足够的长，则理论上可以得出入射光线在接近180°(180°一般被认为是测角仪器测量范围的极限值)的入射范围内的角度变化信息。这就是本发明能够同时实现大范围和高精度测量的原因，且测量范围和测量精度完全取决于光学游标结构参数的设计。
设光学游标结构中光学游标动尺与光学游标定尺之间的光学距离为h(如图1)。则各参数与待测入射光角度的测量范围和测量精度的关系如下待测入射光角度的测量范围确定待测入射光角度的测量范围确定比较简单。根据几何光学原理，待测入射光角度的测量范围W取决于光学游标定尺的有效结构尺寸C和光学游标动尺与光学游标定尺之间的光学距离h。如图1和图3，可得参数关系如下W=2×arctan(C/2h)---(1)]]>光学游标定尺的有效结构尺寸C取决于定尺条纹周期总数N和定尺一个周期的长度T2。如图3，可得参数关系如下C＝N×T2(2)T2＝c+d(3)由(1)、(2)、(3)可得W=2×arctan(N×(c+d)2h)---(4)]]>待测入射光角度的测量精度的确定待测入射光角度的测量精度的确定比较复杂，也是本发明的关键。在待测入射光角度的测量范围W确定以后，待测入射光角度的测量精度(记为p)取决于光学游标结构对入射光角度细分的倍数n。其关系如下p=Wn---(5)]]>根据游标测量原理，细分倍数(记为n)与动尺单边条纹周期总数M、定尺条纹周期总数N的关系为n＝M×N(6)如图2，动尺单边条纹周期总数M与其结构尺寸A、B和T1的关系如下
M=A-B2·T1---(7)]]>T1＝a+b (8)由(2)可得N=CT2---(9)]]>由(3)、(6)、(7)、(8)、(9)可得n=(A-B)·C2·(a+b)×(c+d)---(10)]]>由(4)、(10)可得待测入射光角度的测量精度为p=2·(a+b)×(c+d)·W(A-B)·C---(11)]]>以上各式中a+b≠c+d，B＞a，B＞c。
通过实验证明，本装置能够实现入射光线角度的测量，通过适当的参数设计，能够同时实现大范围和高精度的角度测量，达到了本发明预期的目标。
将光学游标动尺设计成对称结构的理由和优点是(1)便于零点的识别。如图2所示，由于零点的宽度B比游标动尺周期的暗条纹宽度a大，因此在线阵CCD或类似的光电转换器上能覆盖更大的区域，产生明显的零点位置信息，方便了零点位置的识别。(2)产生冗余编码，提高光学游标编码识别的精度和可靠性。零点左右两边可以分别构成一个相对独立的光学游标，而这两个对称光学游标同时测量(敏感)同一方向的光学游标影像位移，但游标影像、定尺的相对移动方向刚好相反，其结果是两边游标测量的结果应该互补。这样设计的目标和明显优点是测量结果的编码互补冗余，左右游标的测量结果可以相互校验(相当于数字奇偶校验)，大大减低游标读数软件误判的可能性，用一种简单和有效的方法来提高测量结果的可靠性和软件判读的准确度。(3)通过左右互补的方法，光学游标左右均不存在测量盲区。在入射光角度较大的测量范围内，由一边的游标测量不到的角度信息可以通过另一边的游标测量得出，在同等结构尺寸下扩大了测量范围。
本发明的关键在于上、下两块掩膜板上的光学图形及其尺寸的设计，将照射在光学游标构件上的光线入射光角度的变化转换成易识别的光学游标编码变化。本发明的特点在于入射光入射角的测量范围和测量精度完全取决于特殊设计的光学游标结构的结构参数，而与接收和检测光学游标编码变化的线阵CCD或类似的光电转换器(辅助器件)无关。因此，本发明的优点在于可以用分辨率相对较低的线阵CCD或类似的廉价光电转换器在特别大的测量范围内，全程实现光线入射角变化的高精度测量。
本发明的具体实施实例要求在128°的光线入射角测量范围内，实现全程0.01°的高精度测量。具体实施技术如下本发明实施实例的光学游标结构如图5所示，以光学玻璃作为光学游标掩膜的载体，光学游标掩膜在光学玻璃上加工而成。铝制固定架结构用来装配两块玻璃，保证两块玻璃之间的准确定位。铝制固定架结构由主体和压板两部分组成，两部分均为铝制。主体用于放置上下两块玻璃，保证两块玻璃的距离尺寸和平行度要求。压板的主要作用则是在上表面对玻璃进行固定，同时也可以起到遮挡杂散光的作用。光电转换器焊接在电路板上，表面紧贴着下掩膜板。电路板上同时放置着用于进行数据处理的电子元器件。基于本发明工作原理，具体实现装置的设计参数取值取T1＝98um，M＝50，a＝42um，b＝56um，A＝9.958mm，B＝158um，N＝264，T2＝100um，c＝42um，d＝58um，C＝26.4mm，h＝6.3mm。
测量范围及测量精度的检验如下将以上参数代入式(4)，得到测量范围W为 将以上参数代入式(11)，可以得到测量精度p为 实施实例的实验结果表明，实验结果与理论分析相符。
权利要求
1.光学游标测角装置，其特征在于，它含有分别代表光学游标动尺和光学游标定尺的上掩膜板和下掩膜板，所述上掩膜板和下掩膜板的位置相对固定且相互平行，在上掩膜板的中央有一条代表测量零点的遮光的宽的零点暗条纹，在所述零点暗条纹的两边对称的且等周期的分布着通光和遮光的明暗相间的条纹；在所述下掩膜板上等周期的分布着通光和遮光的明暗相间的条纹；所述上掩膜板上的明暗条纹的周期与下掩膜板上的明暗条纹的周期不相等；在所述下掩膜板的下方放置着一块光电转换器。
2.如权利要求1所述的光学游标测角装置，其特征在于所述上掩膜板和下掩膜板由一个刚性载体固定。
3.如权利要求1所述的光学游标测角装置的测量范围和精度的设计方法，其特征在于测量范围以下述公式确定W=2×arctan(N×(c+d)2h)]]>测量精度以下述公式确定p=2·(a+b)×(c+d)·W(A-B)·C]]>其中W为测量范围，N为下掩膜板的定尺条纹的周期总数，c是定尺的暗条纹宽度，d是定尺的明条纹宽度，h是上、下掩膜板之间的距离；p是测量精度，a是上掩膜板上的暗条纹的宽度，b是上掩膜板上的明条纹的宽度，A是上掩膜板的明暗条纹的有效长度，即位于上掩膜板上动尺条纹所覆盖的总长度，B是上掩膜板上零点暗条纹的宽度，C是下掩膜板的明暗条纹的有效长度，即位于下掩膜板上定尺条纹所覆盖的总长度。
全文摘要
光学游标测角装置及其测量范围和精度设计方法属于光电传感器设计技术领域。其特征是，它含有分别代表光学游标动尺和光学游标定尺的上掩膜板和下掩膜板，所述上掩膜板和下掩膜板的位置相对固定且相互平行，在上掩膜板的中央有一条代表测量零点的遮光的宽的零点暗条纹，在所述零点暗条纹的两边对称的且等周期的分布着通光和遮光的明暗相间的条纹；在所述下掩膜板上等周期的分布着通光和遮光的明暗相间的条纹；所述上掩膜板上的明暗条纹的周期与下掩膜板上的明暗条纹的周期不相等；在所述下掩膜板的下方放置着一块光电转换器。本发明还提出了测量范围和精度的设计方法，通过适当设计能同时实现宽范围和高精度角度测量。
文档编号G01B11/26GK1563887SQ200410030788
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月9日 优先权日2004年4月9日
发明者陈非凡, 洪志伟 申请人:清华大学