本发明专利技术实施例提供的一种新型光栅尺位移测量装置，包括：操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；光学镜头，所述光学镜头固定连接在所述数字相机，且位于所述光栅与所述数字相机之间；其中，所述光栅成像在所述数字相机的光学传感器上；光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。与传统光栅尺相比，本发明专利技术不需要传统光栅尺中的指示光栅，结构简单。解决了现有技术中高精密位移测量设备结构复杂、造价不菲，工作环境要求严格的技术问题。达到了在保证大尺度、微纳米级测量的同时，降低设备成本，结构简单且应用场合更加广泛的技术效果。
A new type of grating scale displacement measuring device
【技术实现步骤摘要】
一种新型光栅尺位移测量装置
本专利技术涉及光学测量
，尤其涉及一种新型光栅尺位移测量装置。
技术介绍
在大尺度、微纳米级分辨率位移测量场合，光栅尺技术或光学干涉仪技术被广泛应用。光栅尺由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床或位移台等活动部件上，光栅读数头装在机床或位移台的固定部件上，或者标尺光栅固定在固定部件上，光栅读数头固定在活动部件上。指示光栅装在光栅读数头中。两光栅栅距相同，光栅方向有个小夹角，从而产生莫尔条纹。当机床或位移台移动时，莫尔条纹发生移位。人们通过莫尔条纹获得机床或位移台的位移信息。光学干涉仪技术以波长为测量基准，由参考光路和测量光路构成，两光路的光束在探测器位置进行叠加，产生干涉信号。当测量光路光程发生变化时，该干涉信号发生变化。人们通过读取干涉信号获得机床或位移台的位移信息。这两种装置通常结构复杂且价格比较昂贵，同时对工作环境要求更加严格。申请专利技术人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述现有技术至少存在如下技术问题：现有技术中，为了达到纳米级测量精度，位移测量设备通常结构复杂，造价不菲，工作环境要求严格。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种新型光栅尺位移测量装置，与传统光栅尺相比，不需要传统光栅尺中的指示光栅，结构简单。且以光栅周期为测量基准，而不以波长为测量基准，减轻了对环境的要求。本专利技术同时提供一种新型的光栅尺位移测量方法，该方法有别于传统光栅尺通过测量莫尔条纹移动量的方法以测量位移，而是采用等光强位置的移动量以测量位移。解决了现有技术中位移测量设备结构复杂、造价不菲，工作环境要求严格的技术问题。本专利技术实施例提供了一种新型光栅尺位移测量装置，所述装置包括：操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；光学镜头，所述光学镜头固定连接在所述数字相机上，且位于所述光学光栅与所述数字相机之间；其中，所述数字相机的光学传感器面与所述光学镜头的光轴垂直，且所述光学镜头的光轴与所述光栅线所在平面垂直，所述光学光栅成像在所述数字相机的光学传感面上；光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。进一步的，所述光学光栅为等周期振幅型光栅，长度与活动部件行程相当，占空比为1:2。另一方面，本专利技术提供了一种新型光栅尺位移测量方法，所述方法包括：通过所述数字相机和光学镜头接收光学光栅图像；获得所述光学光栅图像的周期；通过所述数字相机获得虚拟光栅，为便于区分，分别称为第一虚拟光栅和第二虚拟光栅；获得所述虚拟光栅的周期；获得对准点；根据所述对准点、所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光学光栅图像的位移。进一步的，所述方法还包括：通过所述数字相机上由像素构成的光学传感器获得第一虚拟光栅；通过所述数字相机上由像素构成的光学传感器获得第二虚拟光栅，其中，所述第二虚拟光栅与所述第一虚拟光栅互补；将所述第一虚拟光栅、所述第二虚拟光栅分别与光学光栅在数字相机上的成像结合，获得所述叠加光栅图像，分别称为第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像。进一步的，所述获得所述对准点，还包括：获得所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像的总光强分布；根据所述总光强分布，获得等光强位置；将所述等光强位置作为所述对准点。进一步的，所述根据所述对准点、所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光学光栅图像的位移，包括：根据所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅周期，获得所述光学光栅图像周期和所述虚拟光栅图像周期的周期差；获得与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数；将所述周期差乘以所述与所述周期差相对应的对准点移动的虚拟光栅周期数，获得所述光学光栅图像的位移。活动部件的位移为所述光学光栅图像位移除以光学镜头放大倍率。进一步的，所述根据所述总光强分布，获得等光强位置，还包括：对所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像进行光强积分，获得两条光强曲线，为便于说明，分别称为第一光强曲线和第二光强曲线；根据所述第一光强曲线和第二光强曲线，获得所述第一光强曲线和第二光强曲线的交点；将所述交点作为所述等光强位置。进一步的，为提高测量精度，对所述第一叠加光栅图像和所述第二叠加光栅图像采用差分计算方法，还包括：对所述第一叠加光栅图像和第二叠加光栅图像进行光强积分，获得第一光强曲线和第二光强曲线；对所述第一光强曲线和第二光强曲线进行归一化差分处理，获得光强曲线，为与前述光强曲线区分，该光强曲线称为第三光强曲线；对所述第三光强曲线进行拟合，获得等光强位置。本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：在本专利技术实施例提供的一种新型光栅尺位移测量装置，包括：操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；光栅，所述光栅固定连接在所述活动/固定部件上；数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定/活动部件上；光学镜头，所述光学镜头固定连接在所述数字相机上，且位于所述光栅与所述数字相机之间；其中，所述数字相机的光学传感器面与所述光学镜头的光轴垂直，且所述光学镜头的光轴与所述光栅线所在平面垂直，所述光栅成像在所述数字相机的光学传感面上；光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。解决了现有技术中位移测量设备造价不菲，工作环境要求严格的技术问题。达到了在保证大尺度、微纳米级测量的同时，降低设备成本，结构简单且应用场合更加广泛的技术效果。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本专利技术的具体实施方式。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例的一种新型光栅尺位移测量装置的结构示意图图2为本专利技术实施例的一种新型光栅尺位移测量装置的另一结构示意图。图3为本专利技术实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机成像面上的光学光栅图像示意图。图4为本专利技术实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机成像面上的叠加光栅图像示意图。图5为本专利技术实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机上的成像随虚拟光栅周期变化的光强曲线。图6为本专利技术实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机成像面上对准点随光学光栅图像移动变化示意图。图7为本专利技术实施例的一种新型光栅尺位移测量装置在相机上的成像随虚拟光栅线变化的归一化积分光强差分曲线。图8为本专利技术实施例的一种新型光栅尺位移测量装置的具体实施例的一组实验数据。附图标记说明：光学光栅1，数字相机2，光学镜头3，光源4。具体实施方式本专利技术实施例提供了一本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种新型光栅尺位移测量装置，其特征在于，所述装置包括：/n操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；/n光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；/n数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；/n光学镜头，所述光学镜头与所述数字相机连接，位于所述光学光栅与所述数字相机之间；/n其中，所述光学光栅成像在所述数字相机的光学传感器上；/n光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。/n
【技术特征摘要】
1.一种新型光栅尺位移测量装置，其特征在于，所述装置包括：
操作台，所述操作台包括活动部件和固定部件；
光学光栅，所述光学光栅固定连接在所述活动部件或所述固定部件上；
数字相机，所述数字相机固定连接在所述固定部件或所述活动部件上；
光学镜头，所述光学镜头与所述数字相机连接，位于所述光学光栅与所述数字相机之间；
其中，所述光学光栅成像在所述数字相机的光学传感器上；
光源，所述光源为所述光学镜头提供照明。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学光栅为等周期振幅型光栅，长度与所述活动部件行程相当，占空比为1:2。
3.一种新型光栅尺位移测量方法，所述方法应用于权利要求1-2任意一项权利要求所述的装置中，其特征在于，所述方法包括：
通过所述数字相机和光学镜头接收光学光栅图像；
获得所述光学光栅图像的周期；
通过所述数字相机获得两个互补的虚拟光栅所述虚拟光栅，包括第一虚拟光栅和第二虚拟光栅；
获得所述虚拟光栅的周期；
获得对准点；
根据所述对准点、所述光学光栅图像的周期和所述虚拟光栅的周期，获得所述光学光栅图像的位移。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述数字相机获得两个互补的虚拟光栅，包括：
通过所述数字相机上由像素构成的光学传感器获得第一虚拟光栅；
通过所述数字相机上由像素构成的光学传感器获得第二虚拟光栅，其中，所述第二虚拟光栅与所述第一虚拟光栅互补；
将所述第一虚拟光栅、所述第二虚拟光栅分别与光学光栅在数字相机上的成像结合，获得所述两个互补的叠...
【专利技术属性】
技术研发人员：马向红，李世光，宗明成，孟璐璐，谢冬冬，武志鹏，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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