一种阶梯形光电传感器阵列高灵敏度的光栅尺的制作方法

本发明涉及测量的技术领域，尤其涉及到一种阶梯形光电传感器阵列高灵敏度的光栅尺。

背景技术：

在精密测量中，光栅尺作为重要的工具，利用光栅的光学原理，进行精密位移或角度测量。

现有光栅尺主要有增量光栅尺和绝对光栅尺两种，其中，增量光栅尺利用等间距的刻线产生明暗相间的莫尔条纹，通过数条纹数量，对移动的距离进行计数。根据测量精度要求可以对条纹进行细分。然而，当分辨率高时，在高速运动时产生丢步。绝对光栅尺虽然不丢步，但是需要通过图像处理识别编码，速度慢。

申请人在先发明提出了一种纵横转换放大光栅尺，将宽度方向的细分转到长度方向，提高了分辨率，保持相对光栅尺优势基础上，在细分方面提高了分辨率。其处理方法一种是图像处理，效率较低。另一种是通过线阵光栅尺旋转一个角度，通过各像素传感器与栅纹覆盖的先后顺序确定位置，效率高。然而，由于光电传感器与栅纹成一夹角φ，两端的接触面积与位移x的关系为0.5×x²/|[tan(φ)+cot(φ)]，呈非线性关系如图2所示(a处和c处呈非线性关系，p处呈线性关系)，所对应的脉冲序列如图3，该传感器信号的灵敏度较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种不需要图像处理，测量速度快，测量精度高，阶梯形光电传感器阵列高灵敏度的光栅尺。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种阶梯形光电传感器阵列高灵敏度的光栅尺，包括平面光源以及垂直平面光源的照射方向并沿平面光源的照射方向依次排列的光学透镜、标尺光栅、光电传感器阵列，其中，所述光电传感器阵列在光栅尺的宽度方向上呈阶梯状布置，且光电传感器阵列中的每个光电传感器逐一错开。

进一步地，在光栅尺宽度方向上布置的光电传感器阵列中光电传感器数量n＝b/(l+s)，其中，b为光栅尺栅纹宽度；l为光电传感器像素的长度；s为光电传感器之间的错位间距。光栅尺测量精度为d/n，d为栅距，随着栅距内阶梯布置的光电传感器数量越多，测量的精度越高。

现有技术中，光电传感器与光栅尺栅纹在两端的接触面积与位移间呈非线性关系，利用阵列光电传感器的相位差进行细分后得到图4所示的错位脉冲序列；经过将光电传感器阵列在光栅尺的宽度方向上呈阶梯状布置，且光电传感器阵列中的每个光电传感器逐一错开，使之呈现图7所示的梯形错位脉冲序列。

与现有技术相比，本方案具有以下优点及有益效果：

本方案中的光栅尺测量速度更快，测量精度更高、传感器信号的灵敏度更高，不需要图像处理。

附图说明

图1为现有旋转阵列图像传感器的布局图；

图2为现有旋转阵列图像传感器在图1中的201部分的局部关系放大图；

图3为非线性局部关系所对应的错位脉冲序列图；

图4为本发明光栅尺测量系统的结构示意图；

图5为本发明所述阶梯型线阵光电传感器的布局图之一；

图6为阶梯型线阵光电传感器在图5中的301部分的局部关系放大图；

图7为阶梯型线阵光电传感器线所对应的错位脉冲序列图；

图8为本发明所述阶梯型线阵光电传感器的布局图之二。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参见附图4至8所示，本实施例所述的一种阶梯形光电传感器阵列高灵敏度的光栅尺，包括平面光源1以及垂直平面光源1的照射方向并沿平面光源1的照射方向依次排列的光学透镜3、标尺光栅2、光电传感器阵列4，其中，所述光电传感器阵列4在光栅尺的宽度方向上呈阶梯状布置，且光电传感器阵列4中的每个光电传感器逐一错开，使光电传感器与光栅栅纹呈图6所示关系(q处呈线性关系)。

在光栅尺宽度方向上布置的光电传感器阵列4中光电传感器数量n＝b/(l+s)，其中，b为光栅尺栅纹宽度；l为光电传感器像素的长度；s为光电传感器之间的错位间距；光栅尺测量精度为d/n，d为栅距，随着栅距内阶梯布置的光电传感器数量越多，测量的精度越高。

假设光栅尺的栅纹宽度为2000um，光电传感器像素大小为3um×3um，间距为2um,则可以在宽度方向布置400个光电传感器；若按光栅尺栅距为20um，则每个传感器错位为20um/400＝0.05um，分辨率为50nm。

加上放大倍数为10的光学透镜3，可以放置4000个光电传感器，分辨率将达到5nm。

本实施例不需要图像处理，速度快，精度高，传感器信号的灵敏度好，其测量速度与分辨率为20um的相对光栅尺的速度一致。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种阶梯形光电传感器阵列高灵敏度的光栅尺，包括平面光源以及垂直平面光源的照射方向并沿平面光源的照射方向依次排列的光学透镜、标尺光栅、光电传感器阵列，其中，所述光电传感器阵列在光栅尺的宽度方向上呈阶梯状布置，且光电传感器阵列中的每个光电传感器逐一错开；本发明的光栅尺测量速度快，精度高，传感器信号的灵敏度高，不需要图像处理，所获得相位差一直的脉冲序列，可以通过移位电路，快速获得脉冲数量和方向，实现位移信息的快速处理。

技术研发人员：杨志军;李彦锋;陈新;陈桪;高健
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2017.03.14
技术公布日：2017.07.14