一种多码道光栅尺制造技术

一种多码道光栅尺、测量设备及数据处理方法，该光栅尺包括第一光栅码道、第二光栅码道、线性渐变滤光片码道、两个光栅读数头以及渐变片读数头，三个码道相互平行并列，两个光栅读数头对应于第一、第二光栅码道而设置，渐变片读数头对应于线性渐变滤光片码道而设置，三个码道设置成沿长度方向水平移动，两个光栅读数头和渐变片读数头保持固定，并分别使用波长为λ的激光对第一光栅码道、第二光栅码道和线性渐变滤光片码道进行探测，其中光栅读数头获取光栅尺的位移‑干涉相位信息，渐变片读数头获取渐变片的位移‑反射光强度信息。本发明专利技术在保证测量精度和量程的同时大幅降低了绝对式光栅尺的系统复杂程度和成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光栅尺测量领域，尤其涉及一种多码道光栅尺。
技术介绍
光栅尺是精密测量、精密加工中的重要测量工具，光栅作为光栅尺的关键部件，在测量中起参考刻度的作用。绝对式光栅尺在测量前不需要大范围移动归零，在测量过程中可以实时提供绝对位移信息，并且累积误差很小，是光栅尺技术的发展趋势。在现有的技术方案中，绝对式光栅尺一般为带参考点的光栅式，通过对量程内若干个分立的参考点的检测，实现绝对位移的测量。这种原理的光栅尺严格来说是“准绝对”光栅尺，即光栅尺在经过一段位移检测到某个参考点后才能输出绝对位移，而不是开机即可立即输出绝对位移。此外，这种光栅尺的精度取决于参考点检测的精度，而参考点的检测精度一般比光栅尺增量部分的分辨率低得多，在一定意义上浪费了光栅尺的精密测量能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种多码道光栅尺、一种多码道光栅尺测量设备及一种多码道光栅尺数据处理方法，可实现大量程的高精度绝对位移实时测量，在保证测量精度和量程的同时大幅降低绝对式光栅尺的系统复杂程度和成本。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种多码道光栅尺，包括第一光栅码道、第二光栅码道、线性渐变滤光片码道、两个光栅读数头以及渐变片读数头，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道与所述线性渐变滤光片码道相互平行并列，所述两个光栅读数头对应于所述第一光栅码道和所述第二光栅码道而设置，所述渐变片读数头对应于所述线性渐变滤光片码道而设置，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道设置成沿长度方向水平移动，所述两个光栅读数头和所述渐变片读数头保持固定，并分别使用波长为λ的激光对所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道进行探测，其中所述光栅读数头获取光栅尺的位移-干涉相位信息，所述渐变片读数头获取所述渐变片的位移-反射光强度信息。进一步地：所述第一光栅码道和所述第二光栅码道为一维反射式光栅，光栅周期分别λ1和λ2，两光栅周期λ1≈λ2且具有恒定的光栅周期差。所述线性渐变滤光片码道包括相贴合设置的反射镜和线性滤光片，所述反射镜的反射率与沿长度方向的位置呈确定的线性关系。所述光栅读数头为干涉式光栅尺读数头。一种多码道光栅尺测量设备，包括所述的光栅尺以及数据处理计算机，所述数据处理计算机用于对所述光栅读数头和所述渐变片读数头获取的信息进行处理以实现绝对位移的测量。一种多码道光栅尺数据处理方法，基于所述的光栅尺获取的信息进行数据处理，所述数据处理方法定义有以下参数：合成波长λS，绝对位移x，第一光栅尺码道干涉信号相位第二光栅尺码道干涉信号相位相位差相位细分精度K倍，线性渐变滤光片码道反射光强度I，满足：I＝ax，其中a为线性系数；所述合成波长为：所述相位差光栅尺的绝对位置计算使用逐级细化的方法，包含下列步骤：1)根据线性渐变滤光片码道的反射光强初步判断绝对位置x所处的区间[k1λS,(k1+1)λS],其中为一级细分的整数部分；2)根据相位差来对合成波长区间[k1λS,(k1+1)λS]进行一级相位细分，得到绝对位置3)根据第一或第二光栅码道干涉信号相位或进行级间过渡，对于第一光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k1λS+k2λ1,k1λS+(k2+1)λ1]，对于第二光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k1λS+k2λ2,k1λS+(k2+1)λ2]，其中为二级细分的整数部分；4)根据相位差来对合成波长区间[k1λS+k2λ2,k1λS+(k2+1)λ2]进行二级相位细分，最终得到准确绝对位置进一步地，线性渐变滤光片码道反射光强度检测误差ΔI≤aλS，相位细分精度采用本专利技术提出的多码道光栅尺数据及处理方法能够得到高精度的绝对位移信息。基于本专利技术提出的多码道光栅尺，通过本专利技术提出的方法，使用三个简单的码道即可实现大量程的高精度绝对位移实时测量，在保证测量精度和量程的同时大幅降低了绝对式光栅尺的系统复杂程度和成本。与现有技术相比，本专利技术提出的多码道光栅尺，可以不借助复杂的多码道编码或绝对位置参考点而实现绝对位移的测量，绝对位移的测量精度达到所述增量式光栅尺码道的精度级别，并且结构简单可靠，成本较低。附图说明图1是本专利技术实施例的多码道光栅尺结构示意图。具体实施方式下面对照附图并结合优选的实施方式对本专利技术作进一步说明。参阅图1，一种多码道光栅尺，包括第一光栅码道G1、第二光栅码道G2、线性渐变滤光片码道A、两个光栅读数头R1、R2以及渐变片读数头R3，所述第一光栅码道G1、所述第二光栅码道G2与所述线性渐变滤光片码道A相互平行并列，所述两个光栅读数头R1、R2对应于所述第一光栅码道G1和所述第二光栅码道G2而设置，所述渐变片读数头R3对应于所述线性渐变滤光片码道A而设置，所述第一光栅码道G1、所述第二光栅码道G2和所述线性渐变滤光片码道A设置成沿长度方向水平移动，所述两个光栅读数头R1、R2和所述渐变片读数头R3保持固定，并分别使用波长为λ的激光对所述第一光栅码道G1、所述第二光栅码道G2和所述线性渐变滤光片码道A进行探测，其中所述光栅读数头R1、R2获取光栅尺的位移-干涉相位信息，所述渐变片读数头R3获取所述渐变片的位移-反射光强度信息。在优选的实施例中，所述第一光栅码道G1和所述第二光栅码道G2为一维反射式光栅，光栅周期分别λ1和λ2，两光栅周期λ1≈λ2且具有恒定的光栅周期差。在优选的实施例中，所述线性渐变滤光片码道A包括相贴合设置的反射镜和线性滤光片，所述反射镜的反射率与沿长度方向的位置呈确定的线性关系。在优选的实施例中，所述光栅读数头R1、R2为干涉式光栅尺读数头。一种多码道光栅尺测量设备，包括所述的光栅尺以及数据处理计算机C，所述数据处理计算机C用于对所述光栅读数头R1、R2和所述渐变片读数头R3获取的信息进行处理以实现绝对位移的测量。根据本专利技术实施例的多码道光栅尺，可以通过三个相互平行并列的码道实现任意长度的一维绝对位移测量。通过逐级细分的方法求取绝对位移，并且绝对位移的求取精度完全达到增量光栅的自身的精度等级，完全发挥了增量光栅尺原本的优势，并且克服了其无法直接给出绝对位移的缺点。在一种优选的实施例中，一种多码道光栅尺数据处理方法，基于前述任一实施例的光栅尺获取的信息进行数据处理，根据所述多码道光栅尺结构，所述方法定义以下参数：合成波长λS，绝对位移x，第一光栅尺码道干涉信号相位第二光栅尺码道干涉信号相位相位差相位细分精度K倍，线性渐变滤光片码道反射光强度I，满足：I＝ax，其中a为线性系数。其中，所述合成波长所述相位差所述线性渐变滤光片码道反射光强度检测误差ΔI≤aλS；所述相位细分精度所述的多码道光栅尺绝对位置计算的逐级细化的方法，包含下列步骤：1)根据线性渐变滤光片码道的反射光强初步判断绝对位置x所处的区间[k1λS,(k1+1)λS],其中为一级细分的整数部分；2)根据相位差来对合成波长区间[k1λS,(k1+1)λS]进行一级相位细分，得到绝对位置3)根据第一或第二光栅码道干涉信号相位或进行级间过渡，对于第一光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k1λS+k2λ1,k1λS+(k2+1)λ1]，对于第二光栅码道，将绝对位置过渡到区间[k1λS+k2λ2,k1λS+(k2+1)λ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多码道光栅尺，其特征在于，包括第一光栅码道、第二光栅码道、线性渐变滤光片码道、两个光栅读数头以及渐变片读数头，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道与所述线性渐变滤光片码道相互平行并列，所述两个光栅读数头对应于所述第一光栅码道和所述第二光栅码道而设置，所述渐变片读数头对应于所述线性渐变滤光片码道而设置，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道设置成沿长度方向水平移动，所述两个光栅读数头和所述渐变片读数头保持固定，并分别使用波长为λ的激光对所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道进行探测，其中所述光栅读数头获取光栅尺的位移‑干涉相位信息，所述渐变片读数头获取所述渐变片的位移‑反射光强度信息。

【技术特征摘要】
1.一种多码道光栅尺，其特征在于，包括第一光栅码道、第二光栅码道、线性渐变滤光片码道、两个光栅读数头以及渐变片读数头，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道与所述线性渐变滤光片码道相互平行并列，所述两个光栅读数头对应于所述第一光栅码道和所述第二光栅码道而设置，所述渐变片读数头对应于所述线性渐变滤光片码道而设置，所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道设置成沿长度方向水平移动，所述两个光栅读数头和所述渐变片读数头保持固定，并分别使用波长为λ的激光对所述第一光栅码道、所述第二光栅码道和所述线性渐变滤光片码道进行探测，其中所述光栅读数头获取光栅尺的位移-干涉相位信息，所述渐变片读数头获取所述渐变片的位移-反射光强度信息。2.根据权利要求1所述的光栅尺，其特征在于，所述第一光栅码道和所述第二光栅码道为一维反射式光栅，光栅周期分别λ1和λ2，两光栅周期λ1≈λ2且具有恒定的光栅周期差。3.根据权利要求1所述的光栅尺，其特征在于，所述线性渐变滤光片码道包括相贴合设置的反射镜和线性滤光片，所述反射镜的反射率与沿长度方向的位置呈确定的线性关系。4.根据权利要求1至3任一项所述的光栅尺，其特征在于，所述光栅读数头为干涉式光栅尺读数头。5.一种多码道光栅尺测量设备，其特征在于，包括根据权利要求1至4任一项所述的光栅尺以及数据处理计算机，所述数据处理计算机用于对...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪凯，李星辉，肖翔，周倩，王欢欢，曾理江，袁伟涵，苏晓，王晓浩，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44