一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器

本发明属于位移传感与精密定位，具体涉及一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器。

背景技术：

1、受益于集成度高、抗干扰能力强、测量精度高等特点，光栅编码器被广泛应用于机床、加工中心、三坐标机等加工/检测设备刀头、工件台、转台等核心运动部件的绝对位移测量。目前，实现绝对位移测量，主要采用伪随机码(格雷码)、位置标记等方法：1)对于伪随机码法，采用计算机生成一列或多列格雷码，并以非均匀光栅的形式制造编码码道，位移过程中通过检测当前的若干位码值，可以唯一确定当前光栅读数头的绝对位置。该方法可以实时测量绝对位置/位移，但对于大量程测量，由于所需格雷码长度较长，对计算机算力要求较高；2)对于位置标记法，通常在编码码道上间隔特定距离设置若干组小幅面光栅作为位置标记，当读数头经过位置标记时，检测光强发生变化，以此确定当时位置。对于该方法而言，由于光强变化对比度直接影响到定位精度，因此需要对位置标记光强透过特性进行精密调控，难以实现高精度定位。两种方法都可以用于绝对位移的测量，然而二者通常均基于光栅多级衍射光干涉原理，测量过程中需要将不同方向的衍射光进行转向、合束等，导致系统体积较大、成本较高，难以实现机械/半导体高效加工与检测等集成化应用。

技术实现思路

1、面向机械/半导体精密加工与检测等集成化位移检测应用，针对光栅绝对式位移编码器体积大、集成度低等问题，本发明提出了一类基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器件，具体包括：1)微纳光栅泰伯像光场二次调制方法，利用傅里叶光学等原理，对于微纳光栅二次调控后的空间光场场分布特性进行分析，并明确其调控方法；2)透过式编码标记设计，利用有限元分析等方法，设计下层透过编码标记，实现读数头的精密定位；3)基于非均匀标记分布的绝对位置计算方法，通过多个编码标记的非均匀分布，结合增量位移测量结果，在避免大长度编码设计的前提下，实现绝对位置的便捷反演，实现绝对位移测量。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，包括激光器、准直扩束器、上层结构、下层结构、阵列探测器，所述激光器的光路方向上设置有准直扩束器，所述准直扩束器的光路方向上设置有上层结构，所述上层结构的光路方向上设置有下层结构，所述下层结构的光路方向上设置有阵列探测器。

4、所述上层结构包括第一增量码道和第一编码码道，所述第一增量码道与第一编码码道并列设置，所述第一增量码道由周期性的光栅刻线组成。

5、所述第一编码码道由若干个标记单元组成，所述标记单元为单块均匀光栅结构，所述标记单元包括零点标记和距离码参考标记，所述零点标记与距离码参考标记交错排列，相邻所述标记单元之间间距不同，相邻所述标记单元之间间距沿读数头正向运动方向依次递增或递减。

6、所述下层结构包括第二增量码道和第二编码码道，所述第二增量码道与第二编码码道并列设置。

7、所述第二增量码道由四块均匀光栅组成，所述第二增量码道的光栅周期与第一增量码道周期一致，所述第二编码码道由单块编码非均匀光栅组成，编码非均匀光栅长度与第一编码码道光栅周期一致。

8、所述第二编码码道采用金属或半导体薄膜为基底，通过光刻、ebl、fib的方法制备得到。

9、所述下层结构放置在上层结构的整数倍泰伯距离处。

10、一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器的测量方法，包括下列步骤：

11、s1、激光器发出的光首先通过准直扩束器与上层结构，并在上层结构后方空间形成泰伯像，该泰伯像的分布周期与光栅周期一致；

12、s2、下层结构放置在上层结构的整数倍泰伯距离处，对透过光场进行二次调控；

13、s3、当下层结构与上层结构相对位置发生变化，导致光场透过函数改变，使得透过光强变化；

14、s4、在下层结构后方放置阵列探测器，对光强变化进行探测，实现位置测量。

15、所述s4中对光强变化进行探测的方法为：

16、当上层结构上的第一编码码道与下层结构上的第二编码码道重合时，双层结构透过率最大，此时阵列探测器输出信号强度最大；当上层结构上的第一编码码道与下层结构上的第二编码码道二者不重合时，阵列探测器输出信号强度降低，输出值不为最大。

17、所述s4中实现位置测量的方法为：

18、下层结构放置在上层结构的泰伯自成像区域内，且处于整数倍泰伯距离处，泰伯区域高度h表示为：

19、

20、其中：n为光栅周期个数，zt为单个泰伯周期长度值，zt表示为：

21、

22、其中：d为光栅周期，λ为入射光波长，n为衍射级次；

23、记录当前标记单元与前一个标记单元之间的位移输出值，将该值与已知的各标记单元间隔进行对照，便可获知此时读数头所处的标记单元区间，即读数头已经经过的标记单元个数，以此确定读数头绝对位置，读数头位置x表示为：

24、

25、其中：m表示读数头已经过的标记单元个数，△l表示绝对增量位移，lm表示标记单元之间间距。

26、本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

27、本发明利用微纳光栅泰伯像原理，通过检测双层结构透过光强变化，实现读数头精确定位。一方面，采用简单共轴光路实现位置测量，无需反射镜、偏振片等附件光学元件，简化器件结构、提高集成度；另一方面，利用多个编码标记非均匀排布的方式，结合增量位移信息反演位置信息，无需全码道编码，降低编码设计难度。本发明可以有效解决传统光栅衍射干涉式位移检测技术中编码设计难度大、系统集成度低等问题。

技术特征：

1.一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：包括激光器(1)、准直扩束器(2)、上层结构(3)、下层结构(4)、阵列探测器(5)，所述激光器(1)的光路方向上设置有准直扩束器(2)，所述准直扩束器(2)的光路方向上设置有上层结构(3)，所述上层结构(3)的光路方向上设置有下层结构(4)，所述下层结构(4)的光路方向上设置有阵列探测器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述上层结构(3)包括第一增量码道(31)和第一编码码道(32)，所述第一增量码道(31)与第一编码码道(32)并列设置，所述第一增量码道(31)由周期性的光栅刻线组成。

3.根据权利要求2所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述第一编码码道(32)由若干个标记单元组成，所述标记单元为单块均匀光栅结构，所述标记单元包括零点标记(321)和距离码参考标记(322)，所述零点标记(321)与距离码参考标记(322)交错排列，相邻所述标记单元之间间距不同，相邻所述标记单元之间间距沿读数头正向运动方向依次递增或递减。

4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述下层结构(4)包括第二增量码道(41)和第二编码码道(42)，所述第二增量码道(41)与第二编码码道(42)并列设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述第二增量码道(41)由四块均匀光栅组成，所述第二增量码道(41)的光栅周期与第一增量码道(31)周期一致，所述第二编码码道(42)由单块编码非均匀光栅组成，编码非均匀光栅长度与第一编码码道(32)光栅周期一致。

6.根据权利要求5所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述第二编码码道(42)采用金属或半导体薄膜为基底，通过光刻、ebl、fib的方法制备得到。

7.根据权利要求1所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，其特征在于：所述下层结构(4)放置在上层结构(3)的整数倍泰伯距离处。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器的测量方法，其特征在于：所述s4中对光强变化进行探测的方法为：

10.根据权利要求8所述的一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器的测量方法，其特征在于：所述s4中实现位置测量的方法为：

技术总结
本发明属于位移传感与精密定位技术领域，具体涉及一种基于微纳光栅泰伯像非均匀二次调制的光栅编码器，所述激光器的光路方向上设置有准直扩束器，所述准直扩束器的光路方向上设置有上层结构，所述上层结构的光路方向上设置有下层结构，所述下层结构的光路方向上设置有阵列探测器。本发明利用微纳光栅泰伯像原理，通过检测双层结构透过光强变化，实现读数头精确定位。一方面，采用简单共轴光路实现位置测量，无需反射镜、偏振片等附件光学元件，简化器件结构、提高集成度；另一方面，利用多个编码标记非均匀排布的方式，结合增量位移信息反演位置信息，无需全码道编码，降低编码设计难度。

技术研发人员：辛晨光,张一超,张梦迪,马霄琛,李孟委
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5