本發(fā)明涉及測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及到一種階梯形光電傳感器陣列高靈敏度的光柵尺。

背景技術(shù)：

在精密測(cè)量中，光柵尺作為重要的工具，利用光柵的光學(xué)原理，進(jìn)行精密位移或角度測(cè)量。

現(xiàn)有光柵尺主要有增量光柵尺和絕對(duì)光柵尺兩種，其中，增量光柵尺利用等間距的刻線產(chǎn)生明暗相間的莫爾條紋，通過(guò)數(shù)條紋數(shù)量，對(duì)移動(dòng)的距離進(jìn)行計(jì)數(shù)。根據(jù)測(cè)量精度要求可以對(duì)條紋進(jìn)行細(xì)分。然而，當(dāng)分辨率高時(shí)，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生丟步。絕對(duì)光柵尺雖然不丟步，但是需要通過(guò)圖像處理識(shí)別編碼，速度慢。

申請(qǐng)人在先發(fā)明提出了一種縱橫轉(zhuǎn)換放大光柵尺，將寬度方向的細(xì)分轉(zhuǎn)到長(zhǎng)度方向，提高了分辨率，保持相對(duì)光柵尺優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，在細(xì)分方面提高了分辨率。其處理方法一種是圖像處理，效率較低。另一種是通過(guò)線陣光柵尺旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，通過(guò)各像素傳感器與柵紋覆蓋的先后順序確定位置，效率高。然而，由于光電傳感器與柵紋成一夾角φ，兩端的接觸面積與位移x的關(guān)系為0.5×x²/|[tan(φ)+cot(φ)]，呈非線性關(guān)系如圖2所示(a處和c處呈非線性關(guān)系，p處呈線性關(guān)系)，所對(duì)應(yīng)的脈沖序列如圖3，該傳感器信號(hào)的靈敏度較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種不需要圖像處理，測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，階梯形光電傳感器陣列高靈敏度的光柵尺。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種階梯形光電傳感器陣列高靈敏度的光柵尺，包括平面光源以及垂直平面光源的照射方向并沿平面光源的照射方向依次排列的光學(xué)透鏡、標(biāo)尺光柵、光電傳感器陣列，其中，所述光電傳感器陣列在光柵尺的寬度方向上呈階梯狀布置，且光電傳感器陣列中的每個(gè)光電傳感器逐一錯(cuò)開(kāi)。

進(jìn)一步地，在光柵尺寬度方向上布置的光電傳感器陣列中光電傳感器數(shù)量n＝b/(l+s)，其中，b為光柵尺柵紋寬度；l為光電傳感器像素的長(zhǎng)度；s為光電傳感器之間的錯(cuò)位間距。光柵尺測(cè)量精度為d/n，d為柵距，隨著柵距內(nèi)階梯布置的光電傳感器數(shù)量越多，測(cè)量的精度越高。

現(xiàn)有技術(shù)中，光電傳感器與光柵尺柵紋在兩端的接觸面積與位移間呈非線性關(guān)系，利用陣列光電傳感器的相位差進(jìn)行細(xì)分后得到圖4所示的錯(cuò)位脈沖序列；經(jīng)過(guò)將光電傳感器陣列在光柵尺的寬度方向上呈階梯狀布置，且光電傳感器陣列中的每個(gè)光電傳感器逐一錯(cuò)開(kāi)，使之呈現(xiàn)圖7所示的梯形錯(cuò)位脈沖序列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

本方案中的光柵尺測(cè)量速度更快，測(cè)量精度更高、傳感器信號(hào)的靈敏度更高，不需要圖像處理。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)陣列圖像傳感器的布局圖；

圖2為現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)陣列圖像傳感器在圖1中的201部分的局部關(guān)系放大圖；

圖3為非線性局部關(guān)系所對(duì)應(yīng)的錯(cuò)位脈沖序列圖；

圖4為本發(fā)明光柵尺測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明所述階梯型線陣光電傳感器的布局圖之一；

圖6為階梯型線陣光電傳感器在圖5中的301部分的局部關(guān)系放大圖；

圖7為階梯型線陣光電傳感器線所對(duì)應(yīng)的錯(cuò)位脈沖序列圖；

圖8為本發(fā)明所述階梯型線陣光電傳感器的布局圖之二。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

參見(jiàn)附圖4至8所示，本實(shí)施例所述的一種階梯形光電傳感器陣列高靈敏度的光柵尺，包括平面光源1以及垂直平面光源1的照射方向并沿平面光源1的照射方向依次排列的光學(xué)透鏡3、標(biāo)尺光柵2、光電傳感器陣列4，其中，所述光電傳感器陣列4在光柵尺的寬度方向上呈階梯狀布置，且光電傳感器陣列4中的每個(gè)光電傳感器逐一錯(cuò)開(kāi)，使光電傳感器與光柵柵紋呈圖6所示關(guān)系(q處呈線性關(guān)系)。

在光柵尺寬度方向上布置的光電傳感器陣列4中光電傳感器數(shù)量n＝b/(l+s)，其中，b為光柵尺柵紋寬度；l為光電傳感器像素的長(zhǎng)度；s為光電傳感器之間的錯(cuò)位間距；光柵尺測(cè)量精度為d/n，d為柵距，隨著柵距內(nèi)階梯布置的光電傳感器數(shù)量越多，測(cè)量的精度越高。

假設(shè)光柵尺的柵紋寬度為2000um，光電傳感器像素大小為3um×3um，間距為2um,則可以在寬度方向布置400個(gè)光電傳感器；若按光柵尺柵距為20um，則每個(gè)傳感器錯(cuò)位為20um/400＝0.05um，分辨率為50nm。

加上放大倍數(shù)為10的光學(xué)透鏡3，可以放置4000個(gè)光電傳感器，分辨率將達(dá)到5nm。

本實(shí)施例不需要圖像處理，速度快，精度高，傳感器信號(hào)的靈敏度好，其測(cè)量速度與分辨率為20um的相對(duì)光柵尺的速度一致。

以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種階梯形光電傳感器陣列高靈敏度的光柵尺，包括平面光源以及垂直平面光源的照射方向并沿平面光源的照射方向依次排列的光學(xué)透鏡、標(biāo)尺光柵、光電傳感器陣列，其中，所述光電傳感器陣列在光柵尺的寬度方向上呈階梯狀布置，且光電傳感器陣列中的每個(gè)光電傳感器逐一錯(cuò)開(kāi)；本發(fā)明的光柵尺測(cè)量速度快，精度高，傳感器信號(hào)的靈敏度高，不需要圖像處理，所獲得相位差一直的脈沖序列，可以通過(guò)移位電路，快速獲得脈沖數(shù)量和方向，實(shí)現(xiàn)位移信息的快速處理。

技術(shù)研發(fā)人員：楊志軍;李彥鋒;陳新;陳桪;高健
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.14
技術(shù)公布日：2017.07.14