絕對式光柵尺、其主光柵及其測量方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及測量領域，尤其涉及絕對式光柵尺、其主光柵及其測量方法。
【【背景技術】】
[0002]光柵尺的測距原理是利用參考光柵和測量光柵的±I級衍射光形成干涉條紋，當讀數頭沿測量光柵長度方向發生位移時，通過計數干涉條紋移動個數來解算增量位移，海德漢公司的光柵尺具有兩種碼道:增量碼道和參考碼道，這兩種碼道在空間上是分開的，即光柵尺中上面一條是參考碼道，下面一條是增量碼道，參考碼道上設置有若干組參考編碼，每次工作時，讀數頭只需移動很小一段距離便可找到開機所在的絕對位置。但是這種絕對式光柵尺目前只限于一維測距情形，這種結構的參考碼道和增量碼道不能夠擴展至二維測距。
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【發明內容】
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[0003]為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種新的絕對式光柵尺其主光柵及其測量方法。
[0004]—種絕對式光柵尺的主光柵，所述主光柵上分布有若干個參考編碼道，任意相鄰的兩個參考編碼道之間的距離與其余任意相鄰的兩個參考編碼道之間的距離不相同。
[0005]—種絕對式光柵尺，包括主光柵和讀數頭部件，所述讀數頭部件包括增量位移測量單元，所述讀數頭部件還包括第一分光鏡、掩膜板和參考位置光電探測器，所述主光柵上分布有若干個參考編碼道，任意相鄰的兩個參考編碼道之間的距離與其余任意相鄰的兩個參考編碼道之間的距離不相同，所述第一分光鏡用于將光源的光分成射向主光柵的光束和射向增量位移測量單元的光束，所述射向主光柵的光束經過所述掩膜板到達所述主光柵并被反射后，再次經過所述掩膜板后被所述參考位置光電探測器接收，所述掩膜板上設有與所述參考編碼道相對應的編碼道。
[0006]所述掩膜板上的編碼道與所述主光柵上的參考編碼道相同。
[0007]所述主光柵上的光柵柵距小于所述參考編碼碼道的寬度。
[0008]所述主光柵上的光柵柵距小于所述參考編碼碼道設定寬度。
[0009]所述主光柵和參考光柵為反射式光柵。
[0010]所述掩膜板上的編碼道上分布有透光區域和不透光區域，所述掩膜板上除所述編碼道以外的區域為不透光區域。
[0011]—種采用所述絕對式光柵尺的測量方法，包括如下步驟:
[0012]S1、移動所述讀數頭部件，所述增量位移測量單元測量所述讀數頭部件從初始位置開始的相對所述主光柵移動的第一位移；
[0013]S2、當所述參考位置光電探測器檢測到第一光脈沖時，記錄所述讀數頭部件位于第一位置，當所述參考位置光電探測器檢測到第二光脈沖時，記錄所述讀數頭部件位于第二位置，所述增量位移測量單元計算所述讀數頭部件從所述第一位置到所述第二位置的相對于所述主光柵移動的第二位移；
[0014]S3、計算所述第一位移與第二位移的差，根據所述差對照相鄰的兩個參考編碼道之間的距離；
[0015]S4、確定所述讀數頭部件的初始位置的絕對位置。
[0016]本發明的有益效果是:
[0017]將參考碼道與增量碼道在空間上重合在一起，即將參考編碼按照距離編碼的設計分布在增量碼道中，由于光柵周期遠小于參考編碼的線寬，因此在此增量碼道上我們既能實現增量位移的測量，又能實現參考位置的判讀，從而實現絕對位置的測量。目前，在一維光柵尺上已經實現將參考碼道與增量碼道的結合，在讀數頭部件中，由能量分光鏡將激光二極管的發出的光分為兩束，一束專門用來判讀參考信號，另外一束專門用來測量增量位移。這就為絕對式光柵尺測距擴展到二維時的情形提供了可能。
【【附圖說明】】
[0018]圖1是本發明一種實施例的絕對式光柵尺的原理框圖。
[0019]圖2a是本發明一種實施例的主光柵的增量碼道及其參考編碼。
[0020]圖2b是圖2a中的局部放大示意圖。
[0021]圖3是本發明一種實施例的讀數頭中掩膜板上的編碼道(參考編碼)。
[0022]圖4是本發明一種實施例的參考脈沖信號。
【【具體實施方式】】
[0023]以下對發明的較佳實施例作進一步詳細說明。
[0024]圖1所示，一種實施例的絕對式光柵尺，包括主光柵15和讀數頭部件，所述讀數頭部件包括增量位移測量單元23和參考位置測量單元22，其中，參考位置測量單元22包括第一分光鏡12、掩膜板13和參考位置光電探測器14，所述主光柵15上分布有若干個參考編碼道2。
[0025]所述第一分光鏡12將光源11(例如激光二極管)的光分成兩束激光:一束是射向主光柵的光束，另一束是射向增量位移測量單元23的光束，用于測量讀數頭相對于主光柵15移動的增量位移。所述射向主光柵的光束經過所述掩膜板13到達所述主光柵15，并被主光柵15反射后，再次經過所述掩膜板13后，透過第一分光鏡12被所述參考位置光電探測器14接收。
[0026]增量位移測量單元23可以是現有技術常用的技術方案，用于測量讀數頭相對于主光柵15移動的增量位移。
[0027]所述掩膜板上設有與所述參考編碼道相對應的編碼道。
[0028]增量位移測量單元23包含了干涉光路，射向增量位移測量單元23的激光束又被第二分光鏡16分為兩束，一束射向參考光柵19，另一束射向主光柵15，其中參考光柵的+N級衍射光會與主光柵的+N級衍射光形成干涉條紋(例如參考光柵19的+1級衍射光經過反射鏡24和第二分光鏡16反射后，與參考光柵19的+1級衍射光經過反射鏡20和第二分光鏡16反射后的光束衍射)，參考光柵的-N級衍射光會與主光柵的-N級衍射光形成干涉條紋(例如參考光柵19的-1級衍射光經過反射鏡21和第二分光鏡16反射后，與參考光柵19的-1級衍射光經過反射鏡25和第二分光鏡16反射后的光束衍射)，當讀數頭沿主光柵長度方向發生位移時，由于多普勒效應，干涉條紋會發生明暗變化，每當讀數頭移動一個光柵周期時，干涉條紋便會發生一次明暗變化，光路中還放置有若干光電探測器17和光電探測器18，用于感應干涉條紋的光強變化，通過計數干涉條紋的明暗周期變化個數可以解算出讀數頭移動的增量位移。
[0029]如圖2a所示，在主光柵15上設置有若干參考編碼2，其余為光柵線紋，即增量碼道I，在增量碼道I上，等間距的光柵線紋的光柵周期為lum，光柵類型為反射式全息衍射光柵。在主光柵15上，任意相鄰的兩個參考編碼道2之間的距離與其余任意相鄰的兩個參考編碼道之間的距離不相同，即參考編碼道2按照距離編碼的設計方式分布在增量碼道I上，此距離編碼使得相鄰兩個參考編碼間的距離為唯一確定的值。例如，某兩個相鄰的參考編碼的距離為Do+kS，另兩個相鄰的參考編碼的距離為Do+(k+l )δ。在一個實施例中，在此主光柵15上，一共設置有13個參考編碼2，其相鄰兩個參考編碼之間的距離分別為:10.02mm、9.98mm、10.04mm.9.96mm、10.06mm、9.94mm、10.08mm、9.92mm、10.10mm、9