光学位移测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开的光学位移测量系统包括光源、准直系统、用于标度尺的光栅、分光系统、奇数反射系统、偶数反射系统、合光系统、光电探测器和信号处理系统。光源发出的光经准直系统准直为平行光照明光栅，光栅的图像经分光系统分成两束，一束入射到奇数反射系统，另一束入射到偶数反射系统或直接进入合光系统，合光系统将来自奇数反射系统的光束和来自偶数反射系统或直接进入合光系统的光束重叠形成莫尔条纹，经光电探测器转换为电信号后输入到信号处理系统，对输入信号进行处理分析得到位移量。本发明结构简单，成本低，抗干扰能力强，能够有效地解决双光栅系统中光栅间隔和光栅局部缺陷对测量结果的影响，可用于位移测量和角位移测量。
【专利说明】光学位移测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学位移测量系统，具体是一种光学几何变换光栅位移测量系统。
【背景技术】
[0002]目前大多数光栅位移测量系统都是采用双光栅交叠产生莫尔条纹的计数法，或者是在莫尔条纹技术基础上进行电子细分等。这些方法不仅后续细分处理电路复杂，而且光栅间隙尺寸要求严格，安装过程中，很容易发生相互刮擦，划伤光栅表面，光路调整好后，如果光栅副之间落入灰尘也会划伤光栅。同时莫尔条纹信号易受光栅形变影响，存在正交性误差、幅值波动误差、非恒定周期性误差，使得细分成本提高。因此这种方法想要实现高精密测量成本很高，很难得到普及与推广。
[0003]除了双光栅位移测量方法，也有利用单光栅实现位移测量的方法。已知有:“一种单光栅位移传感器”(中国专利:CN1712904)和“Research on long-range gratinginterferometry with nanometer resolution” (MEASUREMENT SCIENCE ANDTECHN0L0GY,19,017001 (2008))，这两种测量方法是基于光栅衍射光干涉来获取位移信息。光栅干涉仪的缺点如下:首先，对光源的相干性和偏振性要求很高，而且空气流动、微小振动扰动对产生的干涉条纹影响很大，其次，光路调整极其繁琐，相同硬件条件下实现分辨率不可改变或者调整困难，再者，光栅干涉仪采用激光光源或会聚光照明，光栅局部缺陷会对测量结果带来很大影响，因此应用受限。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种光栅副间隙为零、能够消除因光栅局部缺陷和随机因素引入的误差、安装调节方便、成本低、结构简单、抗干扰能力强的光学位移测量系统。
[0005]本发明提供的光学位移测量系统包括光源、准直系统、用于标度尺的光栅、分光系统、奇数反射系统、偶数反射系统、合光系统、光电探测器和信号处理系统；光源发出的光经准直系统准直为平行光照明用于标度尺的光栅，该光栅的图像经分光系统分成两束，一束入射到奇数反射系统，另一束入射到偶数反射系统或直接进入合光系统，奇数反射系统的入射光经反射进入合光系统，偶数反射系统的入射光经反射进入合光系统，合光系统将来自奇数反射系统的光束和来自偶数反射系统或直接进入合光系统的光束重叠形成莫尔条纹，莫尔条纹经光电探测器转换为电信号输入到对输入信号进行位移量分析的信号处理系统。
[0006]本发明中，所述的光源可以是点光源或激光光源，经准直系统准直为平行光用于照明光栅。它不受光波长和相干性影响，点光源可以是LED，激光光源如半导体激光器。
[0007]本发明中，所述的用于标度尺的光栅可以是透射式光栅或反射式光栅，使用透射式光栅，平行光照明光栅，透射光进入分光系统。使用反射式光栅，平行光照明光栅，反射光进入分光系统。光栅可以在栅线所在的平面内沿垂直于光栅的栅线方向平移，也可以绕光轴旋转，光栅平移可以使得莫尔条纹发生平移，光栅绕光轴旋转，可使得莫尔条纹周期发生改变，实现相同硬件下分辨率的改变。
[0008]本发明中，所述的分光系统和合光系统均可以是半反半透镜。
[0009]本发明中，所述的奇数反射系统可以是反射棱镜、反射镜或半反半透镜。所述的偶数反射系统也可以是反射棱镜、反射镜或半反半透镜。奇数反射系统和偶数反射系统的作用是使得经过奇数反射系统的光束相对经过偶数反射系统的光束发生镜像，对于奇数反射系统和偶数反射系统的具体反射次数没有限制。
[0010]本发明中，所述的莫尔条纹是由光栅图像与其镜像图像叠加产生，光栅移动I个周期，莫尔条纹移动2个周期，使得在相同硬件、相同夹角条件下，分辨率相对双光栅方法
高一倍。
[0011]本发明中，所述的光电探测器可以是面阵探测器或线阵探测器或单点探测器，不同类型探测器决定后续信号处理系统和信号处理方式。
[0012]与现有的技术相比本发明的光学位移测量系统具有如下突出的优点和效果:
首先，它采用单光栅，成本低，同时不用担心光栅相互刮擦划伤光栅表面，
而且可以完全消除由于光栅间隙带来的安装调节困难和因光栅副层叠间隙对测量带来的影响。
[0013]其次，它采用经准直系统的平行光照明光栅，可有效地利用光栅信号，能够消除因光栅局部缺陷引入的误差。
[0014]第三，它采用的是成像原理，相对光栅干涉位移测量系统更稳定，抗干扰能力更强，同时对光源相干性和偏振性没有要求。
[0015]第四，在相同硬件条件下，它可以通过绕光轴旋转光栅调节莫尔条纹周期，进而调节分辨率以满足不同使用场合需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的光学位移测量系统结构示意图；
图中:1_光源；2_准直系统；3_可移动光栅；4_分光系统；5_奇数反射系统；6-偶数反射系统；7_合光系统；8_光电探测器；9_信号处理系统；
图2是光学位移测量系统的一种实例；
图3是光学位移测量系统的另一种实例；
图4是光学位移测量系统的又一种实例；
图5是莫尔条纹图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施方式对本发明的系统作进一步说明。
[0018]参照图1，本发明的光学位移测量系统包括光源1、准直系统2、用于标度尺的光栅
3、分光系统4、奇数反射系统5、偶数反射系统6、合光系统7、光电探测器8和信号处理系统9 ;光源I发出的光经准直系统2准直为平行光照明用于标度尺的光栅3，该光栅3的图像经分光系统4分成两束，一束入射到奇数反射系统5，另一束入射到偶数反射系统6或直接进入合光系统7，奇数反射系统5的入射光经反射进入合光系统7，偶数反射系统6的入射光经反射进入合光系统7，合光系统7将来自奇数反射系统5的光束和偶数反射系统6或直接进入合光系统7的光束重叠形成莫尔条纹，生成的莫尔条纹由光电探测器8转换为电信号后输入到信号处理系统9，信号处理系统9对输入信号进行处理分析得到位移量。
[0019]图2具体实例中，光栅3采用的是透射式光栅，分光系统4和合光系统7均为半反半透镜，奇数反射系统5为反射镜，光电探测器8采用面阵CMOS探测器，信号处理系统9为计算机。光源I发出的光经准直系统2准直为平行光照明用于标尺的透射式光栅3，设该光栅3的图像坐标系为右手坐标系，光栅3的图像经分光系统4分成两束，分光系统4的透射光经奇数反射系统5反射I次进入合光系统7，又经合光系统7反射后进入面阵探测器8，分光系统4的透射光在整个系统中被反射2次,坐标系不变,仍为右手坐标系,分光系统4的反射光直接进入合光系统7，经合光系统7透射后进入面阵探测器8，分光系统4的反射光在整个系统中被反射I次，坐标系变为左手坐标系，即合光系统7中的透射出射光相对于反射出射光发生镜像，合光系统7中的透射出射光与反射出射光重叠后形成莫尔条纹；生成的莫尔条纹由面阵探测器8转换成电信号并输入到计算机9，计算机9对输入信号进行处理便可得到位移量。
[0020]图3具体实例中，光栅3采用的是透射式光栅，分光系统4和合光系统7均为半反半透镜，奇数反射系统5为等腰棱镜，光电探测器8采用面阵CMOS探测器，信号处理系统9为计算机。光源I发出的光经准直系统2准直为平行光照明用于标尺的透射式光栅3，设该光栅3的图像坐标系为右手坐标系，光栅3的图像经分光系统4分成两束，分光系统4的反射光经奇数反射系统5反射3次进入合光系统7，又经合光系统7反射后进入面阵探测器8,分光系统4的反射光在整个系统中被反射5次,坐标系变为左手坐标系,分光系统4的透射光直接进入合光系统7，经合光系统7透射后进入面阵探测器8，分光系统4的透射光在整个系统中被反射O次,坐标系不变,仍为右手坐标系，即合光系统7中的透射出射光相对于反射出射光发生镜像，合光系统7中的透射出射光与反射出射光重叠后形成莫尔条纹；生成的莫尔条纹由面阵探测器8转换成电信号并输入到计算机9，计算机9对输入信号进行处理便可得到位移量。
[0021]图4具体实例中，光栅3采用的是反射式光栅，分光系统4和合光系统7均为半反半透镜，奇数反射系统5为反射镜，偶数反射系统6为五角棱镜，光电探测器8采用面阵CMOS探测器，信号处理系统9为计算机。光源I发出的光经准直透镜2准直为平行光照明用于标尺的反射式光栅3，设该光栅3的图像坐标系为右手坐标系，光栅3的图像经分光系统4分成两束，分光系统4的反射光经奇数反射系统5反射I次进入合光系统7，经合光系统7透射后进入面阵探测器8，分光系统4的反射光在整个系统中被反射2次，坐标系不变，仍为右手坐标系，分光系统4的透射光经偶数反射系统6反射2次进入合光系统7，又经合光系统7反射后进入面阵探测器8，分光系统4的透射光在整个系统中被反射3次，坐标系变为左手坐标系，即合光系统7中的透射出射光相对于反射出射光发生镜像，合光系统7中的透射出射光与反射出射光重叠后形成莫尔条纹；生成的莫尔条纹由面阵探测器8转换成电信号并输入到计算机9，计算机9对输入信号进行处理便可得到位移量。
[0022]本发明中奇数反射系统和偶数系统可以依据不同反射元件进行不同设计，只需合光系统中的透射出射光相对于反射出射光发生镜像，两幅光栅图像叠加便会形成莫尔条纹，如图5所不，图中z轴代表光轴方向，Θ为光栅的栅线与X轴方向之间的夹角为莫尔条纹的周期。光栅在栅线所在的平面内沿垂直于光栅的栅线方向平移时，莫尔条纹沿X轴方向平移，光栅绕光轴旋转即Θ发生改变时，莫尔条纹周期#发生改变，实现相同硬件下分辨率的改变。由于光栅平移时，经过奇数次反射和偶数次的两幅光栅图像会以相同位移量朝同一方向移动，故光栅移动I个周期，莫尔条纹移动2个周期。本发明的量程由光栅长度决定。
【权利要求】
1.光学位移测量系统，其特征是包括光源(I)、准直系统(2)、用于标度尺的光栅(3)、分光系统(4)、奇数反射系统(5)、偶数反射系统(6)、合光系统(7)、光电探测器(8)和信号处理系统(9);光源(I)发出的光经准直系统(2)准直为平行光照明用于标度尺的光栅(3)，该光栅(3)的图像经分光系统(4)分成两束，一束入射到奇数反射系统(5)，另一束入射到偶数反射系统(6)或直接进入合光系统7，奇数反射系统(5)的入射光经反射进入合光系统(7),偶数反射系统(6)的入射光经反射进入合光系统(7),合光系统(7)将来自奇数反射系统(5 )的光束和来自偶数反射系统(6 )或直接进入合光系统(7 )的光束重叠形成莫尔条纹，莫尔条纹经光电探测器(8)转换为电信号输入到对输入信号进行位移量分析的信号处理系统(9)。
2.按照权利要求1所述的光学位移测量系统，其特征是所述的光源(I)是点光源或激光光源。
3.按照权利要求1所述的光学位移测量系统，其特征是所述的用于标度尺的光栅(3)是透射式光栅或反射式光栅。
4.按照权利要求1所述的光学位移测量系统，其特征是所述的分光系统(4)是半反半透镜。
5.按照权利要求1所述的光学位移测量系统，其特征是所述的奇数反射系统(5)是反射棱镜、反射镜或半反半透镜。
6.按照权利要求1所述的光学位移测量系统，其特征是所述的偶数反射系统(6)是反射棱镜、反射镜或半反半透镜。
7.按照权利要求1所述的光学位移测量系统，其特征是所述的合光系统(7)是半反半透镜。
8.按照权利要求1所述的光学位移测量系统，其特征是所述的光电探测器(8)是面阵探测器或线阵探测器或单点探测头。
【文档编号】G01B11/02GK103791844SQ201410024145
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】伍剑, 袁波 申请人:浙江大学