专利名称：超高分辨率光栅尺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有次纳米级分辨率的光栅尺，属于测量技术领域。
背景技术：
光栅尺(即光栅尺位移传感器)是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点，常应用于数控机床的闭环伺服系统中。光栅尺的核心部件是定光栅和动光栅，在现有的光栅尺中，定光栅和动光栅的栅格是等距离的，并且它们之间有一个小的夹角。这种光栅尺的分辨率可以达到几纳米，但随着制造业的不断发展，对测量精度的要求越来越高，因此有必要设计分辨率更高的光栅尺。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种超高分辨率光栅尺，以适应制造业的精度要求。本发明所述 问题是以下述技术方案实现的:
一种超高分辨率光栅尺，它包括平面光源以及垂直于平面光源的照射方向并沿平面光源的照射方向依次排列且彼此平行的定光栅、动光栅和线阵CCD传感器，所述线阵CCD传感器与动光栅并排固定在一起，所述线阵CCD传感器的感光单元的长度与动光栅的长度相对应；在定光栅的栅格数为N-1的长度上动光栅的栅格数恰好是N个栅格，即动光栅的栅距等于定光栅的栅距*[ (η-1)/ η],其中，η是在动光栅长度内所能刻画出的光栅数。上述超高分辨率光栅尺，所述线阵CCD传感器的感光区域长度大于或等于动光栅的长度。上述超高分辨率光栅尺，所述线阵CCD传感器的感光单元距离等于动光栅的栅距。本发明的定光栅和动光栅利用游标卡尺的测量原理测量位移，同时利用线阵CCD传感器采集测量信号，大大提高了光栅尺的分辨率，特别适用于对测量分辨率要求高的场合
下面结合附图对本发明作进一步说明。图1是本发明的结构示意 图2是动光栅与定光栅左端第一栅格对齐时对应各像素点读出电位；
图3是动光栅向右移动1/4栅距时对应各像素点读出电位；
图4是动光栅向右移动1/2栅距时对应各像素点读出电位；
图5是动光栅向右移动3/4栅距时对应各像素点读出电位；
图6是本发明的结构示意 图7是控制电路的电原理图。
图中各标号清单为:1、定光栅，2、动光栅，3、线阵CCD传感器，4、平面光源，VR>电位器，RU第一电阻，R2、第二电阻，
Re、光敏电阻，BJ、比较器。
具体实施例方式参看图1，本发明由光源4、定光栅1、动光栅2和线阵CXD传感器3构成，它与现有的光栅尺结构相似，外观相同，区别在于本光栅尺的动光栅外侧有一个线阵CCD传感器，线阵CCD传感器感光单元的长度与动光栅的栅格的长度相同(当然，线阵CCD传感器3的长度也可以不等于动光栅2的长度；感光单元距离可以等于动光栅的栅距，也可以不等于动光栅的栅距)。本发明的动光栅栅距比定光栅栅距小I/ 个栅距，当动光栅左端第一个栅格
和定光栅左端第一个栅格aI对齐时，动光栅左起第个栅格} I和定光栅的第《-1个栅格恰好对齐，每当动光栅向右移动I/ 个栅距时，所对齐的栅格号也向右移动一位，当动光栅向右移动I个栅距(《 / )时，动光栅的η号栅格和定光栅的η号栅格对齐。光源通过动光栅与定光栅的栅格照射在线阵CCD传感器上，栅格对齐时光照最强，对应的感光单元产生的电荷就多，读出来的该点电位就低。动光栅不同位置栅格对齐时对应各像素点读出电位如图2 图5所示，其中图2是左端对齐的情况，图3 图5分别是动光栅向右移动1/4、1/2，和3/4栅距时各点电位图。每当动光栅向右移动I个栅距，各点电位自左向右交替变化一个周期，哪个位置对齐了，线阵CCD对应点的电位就最低，把线阵CCD输出的信号与一个固定电位相比较，并把比较结果送到单片机的输入端，单片机就可以通过计算比较结果的上升沿和下降沿，得到所对齐光栅的序号，通过记录电平变化周期个数，得到动光栅向右移动的光栅格数，从而计算出动光栅向右移动的准确位移。图6是假设动光栅的第X号栅格对齐时，读出信号与比较电压及比较器输出信号波形。将Vs与 VREF进行比较，比较器电路如图7所示，比较器的输出会在D点上升为高电平，在E点下降到低电平，把该信号输入单片机可以计算出(β+5)/2 = Ζ，取整数X点就是动光栅对齐的栅格序号。例如:电平变化周期个数Μ，当前对齐的光栅序号是X，则当前移动的距离是:
Afi个栅距。可见基于线阵C⑶的超高分辨率光栅尺的分辨率是’ Y栅距。 nUn当栅距等于2.5μπι，动光栅栅数是10000时，分辨率是25/100000 μπι,即1/% ,在2.5μπι栅距的情况下实现了次纳米级的分辨率。通过改进算法,把⑷+￡.)/2 = Ζ中的X取到0.5可以把分辨率提高到I/8臟。上述情况下动光栅的有效长度和线阵CCD传感器的有效长度都应该在2.5Χ10000 μ m=25mm,与现有的光栅尺尺寸几乎相当。当线阵CXD传感器分辨率小于2.5 μ m时，单片机也可以根据⑴+5)/2 = X找到
感光度最大的像素单元，计算出对应的删格位置。实现I栅距的分辨率。
权利要求
1.一种超高分辨率光栅尺，其特征是，它包括平面光源(4)以及垂直于平面光源(4)的照射方向并沿平面光源(4)的照射方向依次排列且彼此平行的定光栅(I)、动光栅(2)和线阵CCD传感器(3 )，所述线阵CCD传感器(3 )与动光栅(2 )并排固定在一起，所述线阵CCD传感器的感光单元的长度与动光栅(2)的长度相对应；在定光栅的栅格数为N-1的长度上动光栅的栅格数恰好是N个栅格，即动光栅的栅距等于定光栅的栅距* [(n-1)/ n]，其中η是在动光栅长度内所能刻画出的光栅数。
2.根据权利要求1所述的超高分辨率光栅尺，其特征是，所述线阵CCD传感器(3)的感光区域长度大于或等于动光栅的(2)长度。
3.根据权利要求1或2所述的超高分辨率光栅尺，其特征是，所述线阵CCD传感器(3)的感光单元距 离等于动光栅(2)的栅距。
全文摘要
一种超高分辨率光栅尺，它包括平面光源以及垂直于平面光源的照射方向并沿平面光源的照射方向依次排列且彼此平行的定光栅、动光栅和线阵CCD传感器，所述线阵CCD传感器与动光栅并排固定在一起，所述线阵CCD传感器的感光单元的长度与动光栅的长度相对应；在定光栅的栅格数为N-1的长度上动光栅的栅格数恰好是N个栅格，即动光栅的栅距等于定光栅的栅距*[(n-1)/n],其中，n是在动光栅长度内所能刻画出的光栅数。本发明的定光栅和动光栅利用游标卡尺的测量原理测量位移，同时利用线阵CCD传感器采集测量信号，大大提高了光栅尺的分辨率，特别适用于对测量精度要求较高的场合。
文档编号G01B11/02GK103234456SQ20131012292
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者魏泽鼎, 石建玲, 张弛 申请人:河北科技大学