一种基于光斑图像的单向微位移检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及微位移检测技术领域，具体而言，涉及一种基于光斑图像的单向微位移检测装置。


背景技术：

2.平移距离测量领域，工业上一般使用光栅尺，也称为光栅尺位移传感器(光栅尺传感器)。其是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅尺按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。
3.栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头)。
4.但精密光栅尺中的尺光栅，因其精度高，制造成本高，制造周期长；同时，光栅读出头的制造复杂。精密光栅尺的整体装调工艺也非常复杂，严重依赖熟练的装调技术人员才能实施。
5.在高振动、高冲击应用场合，一般不使用玻璃质的光栅器件，首选反射式的非透光金属材质光栅器件，精密的金属光栅制造工艺成本皆较高。


技术实现要素：

6.本实用新型旨在提供一种基于光斑图像的单向微位移检测装置，以解决上述采用传统的光栅尺进行微位移检测存在的问题。
7.本实用新型提供的一种基于光斑图像的单向微位移检测装置，包括激光器和数字相机，在激光器的出射光路上设置有分束镜；所述分束镜的反射光路上依次设置准直物镜、前置镜和被测物反射镜；所述被测物反射镜的反射光路依次经前置镜和准直物镜到达分束镜，并经分束镜透射后进入所述数字相机；所述被测物反射镜上设有若干圆光栅条纹，每条所述圆光栅条纹的延长线皆交于一点。
8.在一个实施例中，所述分束镜的工作面与激光器的出射光路的夹角为 45
°
。
9.在一个实施例中，所述分束镜的工作面与被测物反射镜的反射面的夹角为45
°
。
10.在一个实施例中，所述分束镜的工作面与数字相机的接收镜面的夹角为45
°
。
11.在一个实施例中，所述数字相机为ccd相机。
12.在一个实施例中，所述被测物反射镜的材质为玻璃。
13.在一个实施例中，所述被测物反射镜的材质为金属。
14.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
15.1、本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置的工作原理是绝对式测量，不会产生累加误差。
16.2、本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置使用反射式圆光栅，可以是金属材质，也能够适用玻璃材质。
17.3、本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置使用宏观的衍射光斑图案进行测量，数据读出装置使用通用光学技术即可实现，制作装配周期和成本皆较优。
18.4、本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置使用的反射式圆光栅的间距对于最终测量结果影响较小，可以使用较大间距光栅实现，能够降低制作和装配成本、时间。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
20.图1为本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置的结构示意图。
21.图2为本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置的反射式圆光栅的结构示意图。
22.图3为本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置的应用示例中位置与衍射光斑图案示意图。
23.图标：1
‑
激光器、2
‑
分束镜、3
‑
准直物镜、4
‑
前置镜、5
‑
被测物反射镜、6
‑
数字相机。
具体实施方式
24.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
25.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.实施例
27.参见图1，本实施例提出一种基于光斑图像的单向微位移检测装置，包括激光器1和数字相机6，在激光器1的出射光路上设置有分束镜2；所述分束镜2的反射光路上依次设置准直物镜3、前置镜4和被测物反射镜5；所述被测物反射镜5的反射光路依次经前置镜4和准直物镜3到达分束镜2，并经分束镜2透射后进入所述数字相机6；参见图2，所述被测物反射镜5 上设有若干圆光栅条纹，每条所述圆光栅条纹的延长线皆交于一点。
28.也即是说，本实用新型是提出了一种反射式圆光栅来进行微位移检测。所述被测物反射镜5的材质可以是玻璃或金属，在其上印制或压印圆光栅条纹，并使得每条所述圆光
栅条纹的延长线皆交于一点(即圆光栅的圆心点)，参见图2。
29.应用示例：
30.按照前述的单向微位移检测装置的结构进行安装，并使得所述分束镜2 的工作面与激光器1的出射光路的夹角为45
°
；所述分束镜2的工作面与被测物反射镜5的反射面的夹角为45
°
；所述分束镜2的工作面与数字相机6的接收镜面的夹角为45
°
；从而形成图1所示的单向微位移检测装置，所述数字相机6采用ccd相机。
31.将被测物反射镜5安装于被测物上，当被测物反射镜5沿运动方向产生微位移后，数字相机6拍摄到的光栅干涉图案会发生转动，测量该转动值，即可测得实际的移动距离。具体地：
32.参见图2，所述被测物反射镜5在位置1和位置2时，所述单向微位移检测装置的测量点空间绝对位置不变，从而使得测量点在被测物反射镜5 上的相对位置会发生变化，由于所述被测物反射镜5采用的是圆光栅，因此在位置1和位置2处分别会产生图3所示的衍射光斑图案(多个级别的衍射亮斑形成的一条直线。不同位置处衍射出的图案，会发生转动)，通过识别和测量衍射光斑图案，即可获得移动距离信息。
33.如采用标定法，在多个标准移动距离位置处，事先记录衍射光斑图案，形成图案数据库；当实际应用所述单向微位移检测装置进行微位移检测时，直接将拍摄到的衍射光斑图案与图案数据库中的衍射光斑图案进行对比，找出最接近的图案数据库中衍射光斑图案，进而获知最接近的移动距离信息；更进一步的，可以通过插值方式，获得更高精度的测量结果。
34.通过上述可知，本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置具有如下有益效果：
35.1、本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置的工作原理是绝对式测量，不会产生累加误差。
36.2、本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置使用反射式圆光栅，可以是金属材质，也能够适用玻璃材质。
37.3、本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置使用宏观的衍射光斑图案进行测量，数据读出装置使用通用光学技术即可实现，制作装配周期和成本皆较优。
38.4、本实用新型的基于光斑图像的单向微位移检测装置使用的反射式圆光栅的间距对于最终测量结果影响较小，可以使用较大间距光栅实现，能够降低制作和装配成本、时间。
39.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。