一种基于CMOS成像的高速光栅尺系统的制作方法

本发明涉及的是一种基于cmos成像的高速光栅尺系统，可用于数显、数控机床以及测量仪器的高精度线位移探测，属于光电探测。

背景技术：

1、光栅尺作为一种高精度位移测量工具，其工作原理主要是通过光栅和光电转换技术将物理位移转换为电信号输出。具体而言，光栅尺由光栅和读数头组成，当光线通过光栅时，会产生周期性的光强变化，这种变化被读数头中的光电传感器接收并转化为电信号。根据不同的应用需求，光栅尺可以分为增量式、绝对式和粗精组合式三类。增量式光栅尺通过记录相对位移来测量位置，需要一个参考点来确定初始位置；绝对式光栅尺在每个位置都有唯一的编码，能够直接读取绝对位置，即使在断电后也能保留位置信息；粗精组合式光栅尺则结合了两者的优点，既能提供高精度的测量，又能确保位置信息的可靠性。

2、近年来，光栅尺技术在多个方面取得了显著的进展，推动了其在各个领域的广泛应用。首先是精度和分辨率的提升，现代光栅尺的分辨率已经达到了纳米级别，能够满足超精密加工和测量的需求。其次是抗干扰能力的增强，通过改进光栅设计和读数头结构，光栅尺在面对环境振动和温度变化时能够保持高稳定性。例如，使用双光栅结构可以有效消除外界干扰。此外，光栅尺的小型化和集成化也取得了重要突破，现代光栅尺尺寸越来越小，便于在空间有限的环境中使用，同时集成了更多的功能，进一步提高了系统的稳定性和可靠性。最后，数字化和智能化技术的应用使得光栅尺的信号处理更加高效和智能化，具备自我校准、误差补偿和状态监测等功能，大大提高了测量精度和可靠性。

3、光栅尺的广泛应用反映了其在精密测量领域的重要性，覆盖了数控机床、光学仪器、精密测量仪器和自动化设备等多个领域。在数控机床中，光栅尺能够提高加工精度，确保加工过程的稳定性和可靠性，通过精确控制机床的移动，确保产品的尺寸精度和表面质量。在光学仪器中，光栅尺用于精确控制物镜和载物台的位置，提高观测和测量的精度。在精密测量仪器如三坐标测量机、激光干涉仪等中，光栅尺的高精度和高稳定性确保了测量结果的准确性。在自动化设备中，光栅尺用于位置反馈和控制，确保设备的精确定位和稳定运行。未来，随着技术的不断进步，光栅尺将在更多领域发挥其重要作用，特别是在工业自动化和精密制造中，为各类应用提供可靠的测量解决方案。光栅尺的持续发展不仅推动了相关领域的技术进步，也为提高整体工业生产效率和产品质量提供了坚实的基础。

4、为了提高光栅尺系统的测量精度，研究人员通过设计不同的专用图像传感器和信号处理电路来改变测量方案。如乔栋等设计高精度绝对式光栅尺采用单场扫描，将光电二极管阵列和cmos器件集成在片上，cmos器件拍下绝对码道的图像，经后续信号处理电路进行识别、译码和细分得到绝对编码从而确定粗略的绝对位置。光电二极管阵列探测四裂相莫尔条纹，四裂相莫尔条纹经后续信号处理电路形成两路正交的正弦信号，两路正弦信号通过反正切细分法得到增量码道周期内的具体位置。两者结合得到准确的绝对位置，提高了测量精度（乔栋.高精度绝对式光栅尺测量技术研究[d].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2015.）；除此之外，王晗等于2010年公开了“一种单轨绝对光栅尺系统”（中国专利：201810844200.3），通过在光栅尺上设置有等宽度等间距的长光栅条纹和短光栅条纹的绝对码道，长光栅条纹和短条纹按二进制伪随机序列编码分布，长光栅条纹和短光栅条纹含有绝对编码信息，每一个伪随机码都对应一个光栅尺的绝对位置值，通过光学放大系统对光栅尺进行k放大倍数放大，使得图像采集器采集到的图像具有一组完整的伪随机码条纹，由控制器对伪随机码条纹进行解码，即可得到该伪随机码对应的光栅尺的绝对位置值，解决了现有的光栅尺每次使用前都需要回零操作和不能在任何时刻检测出绝对位置值的技术问题并提高了测距精度。这些设计的缺陷有：1.所描述的系统需要将四裂相莫尔条纹处理成正交的两路莫尔条纹并且再经过细分技术才能得到准确的绝对位置；2. 所描述的系统只适用于低速探测，当线位移变化速度过快时，得到的线位移测量值将出现很大偏差；3. 所描述的系统不能将绝对码道和增量码道狭缝位置一一对应，出现机械偏差后不便于校准。

5、为了解决以上问题，本发明公开了一种基于cmos成像的高速光栅尺系统，可用于数控机床、光学仪器、精密测量仪器和自动化设备的高精度线位移测量。本发明中只有在光栅尺系统启动时用到cmos成像器件采集绝对码道图像，运行时无需cmos成像器件，cmos成像器件右端的光电二极管和cmos成像器件上方的光电二极管阵列相配合，光电二极管探测到光强变化通过信号处理电路输出二进制编码值，光电二极管阵列探测到莫尔条纹通过信号处理电路输出正弦信号，正弦信号与编码值一一对应，一个正弦信号周期对应一个编码周期，从而无需将莫尔条纹正交化和细分即可获得准确的绝对位置。并且由于在运行中无需cmos成像器件工作，减少了高速工作过程中容易出现的误差，只需光电二极管和光电二极管阵列配合即可得到运行中的绝对位置，所以该光栅尺系统可以在高速工作条件下得到准确的绝对位置。本发明的光栅尺系统还将绝对码道和增量码道狭缝位置一一对应，便于出现机械偏差后用光电二极管和光电二极管阵列经信号处理电路后输出的结果对比进行校准。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于cmos成像的高速光栅尺系统由光源1、准直透镜2、标尺光栅3、指示光栅4、透明窗5、专用图像传感器6、信号处理电路7组成，其中标尺光栅3由增量码道31、绝对码道32组成，专用图像传感器6由光电二极管阵列61、cmos成像器件62、光电二极管63组成。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、光源1产生发散性光束，准直透镜2将发散性光束准直成为平行光束，光栅尺系统启动时，平行光束先后通过标尺光栅3中的绝对码道32以及透明窗5形成图像，该图像被cmos成像器件62、光电二极管63探测并通过信号处理电路7解码成绝对位置信息，光栅尺系统运行中，平行光束先后通过标尺光栅3中的增量码道31与指示光栅4形成莫尔条纹，莫尔条纹被光电二极管阵列61探测并通过信号处理电路7形成正弦信号，增量码道31每增加一个光栅周期p1，光电二极管63输出一个编码，根据这个编码以及正弦信号即可确定此时的绝对位置。

4、所述系统中标尺光栅3中增量码道31的一个光栅周期p1与绝对码道32中的一个编码周期p大小一致，并且增量码道31中的狭缝边缘与绝对码道32的狭缝边缘纵向对齐。

5、所述系统中专用图像传感器6中对应增量码道31位置的为光电二极管阵列61，用于探测莫尔条纹。专用图像传感器6中对应绝对码道32位置的为cmos成像器件62，用于探测光栅尺系统启动时的绝对位置图像。cmos成像器件62最右侧为光电二极管63，用于探测其对应绝对码道的光强度。

6、所述系统中光电二极管阵列61探测到的莫尔条纹，莫尔条纹经过信号处理电路7得到正弦信号。cmos成像器件62探测到的图像携带绝对位置编码信息，经后续信号处理电路7解析得到绝对位置。光电二极管63探测到的光强经后续信号处理电路7处理后，超过阈值的为编码1，低于阈值的为编码0。信号处理电路7输出的正弦信号与编码值一一对应，一个正弦信号周期对应一个编码周期。

7、所述的绝对码道32采用伪随机编码中较常用的m 序列进行编码，它是线性反馈移位寄存器序列的一种，其特点是在相同寄存器级数的情况下输出序列周期最长。线性反馈移位寄存器的工作原理是，给定所有寄存器一个初始值，当移位脉冲到来时，将最后一级寄存器的值输出，同时将第 i 级的寄存器内容存储到第 i+1 级中，此外将每一级的寄存器输出按照一定的线性运算规则计算出一个值，并将该值存入第一级寄存器中。 随着移位脉冲的累加，线性反馈移位寄存器的输出可以组成一个序列，称之为移位寄存器序列。图2中的移位寄存器原理图所构成的特征多项式为：

8、

9、通过特征多项式的本原多项式来确定m序列，从而获得绝对码道的编码。