高容差光栅读数头的制作方法

本发明涉及光电测量技术领域，特别是涉及一种高容差光栅读数头。

背景技术：

光栅线位移传感器主要由读数头和光栅尺组成，一般光栅尺为主光栅，安装在机床床身上固定不动，读数头安装在机床移动部件上，由照明系统、指示光栅及半导体感光元件等组成。传统的光栅线位移传感器，入射光照射到反射式主光栅上，在每条线纹反光处发生衍射现象，衍射光与入射光在指示光栅后方的talbot平面处发生干涉成像形成莫尔条纹，被半导体感光元件所接收。talbot平面是最佳成像面，在最佳成像面上下偏差±δv范围内，半导体感光元件可以接收到莫尔条纹信息。由于莫尔条纹成像原理和半导体感光元件性能的限制，在光栅线位移传感器安装过程中，光栅副的读数间隙(光栅尺和读数头距离)一般在1mm以内，同时读数容差(读数头安装的上、下偏差)在0.15至0.2mm。小的读数间隙和读数容差对于读数头的安装与调试带来极高的要求。

此外，在大行程的测量仪器和数控机床应用场合，由于要保证读数间隙的变化量在读数容差范围内，以保证成像质量，对光栅尺和读数头安装基面以及导轨的直线度要求非常高。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种高容差光栅读数头，通过改变指示光栅的厚度，不需要改变读数头的机械结构，从而获得高的读数容差，能够很好地解决精密反射式光栅和读数头安装容差小、对安装调试要求苛刻的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高容差光栅读数头，包括：指示光栅、反射式主光栅和成像面，入射光照射到反射式主光栅上，在每条线纹反光处发生衍射现象，衍射光与入射光在指示光栅后方的talbot平面处发生干涉成像得到talbot成像面，由半导体感光元件接收到信号。

在本发明一个较佳实施例中，所述的指示光栅为三维结构化的相位光栅。

在本发明一个较佳实施例中，所述的指示光栅的正面为镀铬区，具有周期性变化的栅状结构，背面为正弦曲面。

在本发明一个较佳实施例中，所述的指示光栅的正面为镀铬区，具有周期性变化的栅状结构，背面为台阶面，指示光栅的厚度为1-5mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以明显提高精密反射式光栅和读数头的安装容差，降低了安装调试的难度，同时也可以保证大行程光栅线位移传感器读数的稳定性。

2、本发明的指示光栅是三维结构化的相位光栅，背面以正弦或台阶面代替传统的平面，改变了衍射光的光程，使得在一定范围内有多个成像面，半导体感光元件在一定范围内都可以接收到清晰的图像信号，由此可以增大读数头安装位置的变化，从而获得高的安装容差，降低了光栅副的安装调试难度以及应用于大行程的测量仪器和数控机床对安装基面的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为光栅副最佳成像原理图；

图2为背面为正弦面的三维结构化的指示光栅；

图3为指示光栅是三维结构化的相位光栅，背面以正弦面代替传统平面的成像原理图；

图4为背面为台阶面的三维结构化的指示光栅；

图5为指示光栅是三维结构化的相位光栅，背面以台阶面代替传统平面的成像原理图；

附图中各部件的标记如下：1、指示光栅，2、反射式主光栅，3、成像面。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，本发明实施例包括：

如图1所示，一种高容差光栅读数头，包括：指示光栅1、反射式主光栅2、成像面3，入射光照射到反射式主光栅2上，在每条线纹反光处发生衍射现象，衍射光与入射光在指示光栅1后方的talbot平面处发生干涉成像形成莫尔条纹得到talbot成像面3，由半导体感光元件接收到莫尔条纹信息。

talbot平面是最佳成像面，在最佳成像面上下偏差±δv范围内。

如图2所示，为三维结构化指示光栅，指示光栅1为间隔投射的镀铬玻璃，正面为镀铬区，具有周期性变化的栅状结构，背面为正弦曲面。

如图3所示，当入射光照射到反射式主光栅2上，在每条线纹的反光处发生衍射现象，衍射光透过指示光栅1，由于指示光栅1厚度不均匀，背面为正弦曲面，因此光线穿过指示光栅1会产生光程差，talbot成像面3由于穿过指示光栅1有光程差的存在而变为曲面，从而衍射光与入射光干涉成像形成的莫尔条纹分布在正弦曲面上，最佳成像面为曲面分布，在一定范围内存在多个成像面，半导体感光元件可以在一定范围内接收到莫尔条纹信息，从而提高了读数容差。

如图4所示，为三维结构化指示光栅，指示光栅1为间隔投射的镀铬玻璃，正面为镀铬区，具有周期性变化的栅状结构，背面为台阶面，指示光栅1的厚度为1-5mm。

如图5所示，当入射光照射到反射式主光栅2上，在每条线纹的反光处发生衍射现象，衍射光透过指示光栅1，由于指示光栅1厚度有多个值，因此光线穿过指示光栅1会产生光程差，talbot成像面3由于穿过指示光栅有光程差的存在，而分布于多个平面上，从而衍射光与入射光干涉成像形成的莫尔条纹分布在多个平面上，在一定范围内存在多个成像面，半导体感光元件可以在一定范围内接收到莫尔条纹信息，从而提高了读数容差。

本发明高容差光栅读数头的有益效果是：本发明可以明显提高精密反射式光栅和读数头的安装容差，降低了安装调试的难度，同时也可以保证大行程光栅线位移传感器读数的稳定性。本发明的指示光栅是三维结构化的相位光栅，背面以正弦或台阶面代替传统的平面，改变了衍射光的光程，使得在一定范围内有多个成像面，半导体感光元件在一定范围内都可以接收到清晰的图像信号，由此可以增大读数头安装位置的变化，从而获得高的安装容差，降低了光栅副的安装调试难度以及应用于大行程的测量仪器和数控机床对安装基面的要求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种高容差光栅读数头，包括：指示光栅、反射式主光栅和成像面，入射光照射到反射式主光栅上，在每条线纹反光处发生衍射现象，衍射光与入射光在指示光栅后方的Talbot平面处发生干涉成像得到Talbot成像面，由半导体感光元件接收到信号。本发明可以明显提高精密反射式光栅和读数头的安装容差，降低了安装调试的难度，同时也可以保证大行程光栅线位移传感器读数的稳定性。

技术研发人员：刘红忠;史永胜;尹磊;陈邦道
受保护的技术使用者：常州瑞丰特科技有限公司
技术研发日：2017.06.27
技术公布日：2017.09.08