專利名稱：二維編碼式零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的制作方法
專利說(shuō)明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型是一種二維編碼式對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，屬于增量式測(cè)量系統(tǒng)中絕對(duì)零位的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記技術(shù)領(lǐng)域。
二背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)計(jì)量光柵如周期性透射光柵中，標(biāo)尺光柵上沒有零位標(biāo)志，在測(cè)量時(shí)，標(biāo)尺光柵上的任一刻線都可作為零位計(jì)算，屬于增量式測(cè)量系統(tǒng)，在很多實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的情況下，為了尋找坐標(biāo)原點(diǎn)，消除誤差積累，進(jìn)行誤差修正，以及停電記憶等功能，就需要有絕對(duì)零位標(biāo)記，絕對(duì)零位由零位光柵實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)有的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，是一組在動(dòng)尺和定尺上刻制的特別編碼的一維條紋。在動(dòng)尺和定尺上刻有不等間距編碼的條紋，當(dāng)兩標(biāo)記完全對(duì)準(zhǔn)即處于重合位置時(shí)，獲得最大的光強(qiáng)信號(hào)輸出，任何其他相對(duì)位置，其輸出強(qiáng)度遠(yuǎn)小于對(duì)準(zhǔn)時(shí)的峰值，輸出光強(qiáng)和相對(duì)位置的關(guān)系中光強(qiáng)單位任意，位移單位為一個(gè)光柵單元寬度。上述方法可以獲得一維移動(dòng)時(shí)的基準(zhǔn)零位，或進(jìn)行一維的對(duì)準(zhǔn)。而對(duì)二維情況，必須制作二組相互垂直配合的一維標(biāo)記和兩套光電檢測(cè)系統(tǒng)，使之同時(shí)對(duì)準(zhǔn)。這樣必然會(huì)造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本提高，而且兩組一維標(biāo)記之間的相互配合也不易協(xié)調(diào)。
三
發(fā)明內(nèi)容
1、技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的是用一組特定編碼以簡(jiǎn)便、快捷地獲得二維坐標(biāo)的絕對(duì)零位或?qū)崿F(xiàn)二維對(duì)準(zhǔn)定位的二維編碼式零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。
2、技術(shù)方案本實(shí)用新型的二維編碼式零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記由兩塊具有相同排列形式的黑色單元和白色單元的光柵板重疊放置所組成，黑色單元不透光，白色單元透光，每一塊光柵板標(biāo)記的結(jié)構(gòu)由一組沿二維方向排列的大小相等的非周期分布光柵單元組成，包括透光光柵單元和不透光光柵單元，透光光柵單元沿二維方向不規(guī)則分散排列，其余為不透光光柵單元，透光光柵單元數(shù)與總光柵單元數(shù)之間的比率一般取等于四分之一。
本實(shí)用新型的二維編碼式零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的光柵單元按二維方式的矩陣x11x12···x1nx21x22···x2n............xm1xm2···xmn]]>進(jìn)行編碼，，其中矩陣元xij等于“0”或“1”，m和n可以不相等，“1”表示透光，代表透光光柵單元；“0”表示不透光，代表不透光光柵單元。光柵編碼的自相關(guān)函數(shù)中出現(xiàn)尖銳峰值，在兩標(biāo)記準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)時(shí)，輸出最大，而兩塊標(biāo)記稍有相對(duì)偏移輸出光強(qiáng)銳減，次極大光強(qiáng)峰值與主極大峰值比值≤1/4。
3、有益效果當(dāng)兩塊標(biāo)記平行重疊放置，放在平行光照明光路中時(shí)，在其透過(guò)光強(qiáng)與相對(duì)位移的關(guān)系圖中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖銳脈沖輸出。說(shuō)明只有當(dāng)兩塊標(biāo)記完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)，輸出最大，如相對(duì)位置稍有偏離，信號(hào)輸出會(huì)迅速下降。在標(biāo)記的二維移動(dòng)中產(chǎn)生的這個(gè)尖銳脈沖輸出可被用作二維移動(dòng)的高精度對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。這樣只要一組二維標(biāo)記和一套光電檢測(cè)系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)二維對(duì)準(zhǔn)，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，不會(huì)出現(xiàn)相互配合不協(xié)調(diào)的問題同時(shí)，由于標(biāo)記是由許多個(gè)“0”或“1”光柵單元排列而成，具有多單元的平均效應(yīng)，對(duì)加工誤差不敏感，使加工容易實(shí)現(xiàn)、對(duì)準(zhǔn)精度高；而且，由于二維編碼是不規(guī)則、非周期變化的矩陣方式，使得二維對(duì)準(zhǔn)時(shí)形成的尖銳脈沖輸出范圍很窄，因而這種對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的對(duì)比度和靈敏度大大提高。
四

圖1是傳統(tǒng)一維零位光柵的結(jié)構(gòu)示意，圖中有定尺光柵A、動(dòng)尺光柵B，黑色單元代表不透光，白色單元代表透光。
圖2是圖1所示的一維零位光柵的輸出特性。
圖3是設(shè)計(jì)的二維對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記結(jié)構(gòu)示意，圖中黑色單元代表不透光，白色單元代表透光。
圖4是二維對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)的示意圖，其中有平行光光源1，兩塊完全一樣的特殊編碼的標(biāo)記光柵2，透鏡3，光闌4，接收平面5，光電探測(cè)器6。
圖5是圖3所示的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的輸出特性圖。
五具體實(shí)施方式
該零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記是在二維方向上進(jìn)行特殊編碼的不規(guī)則、非周期性光柵，并且其透光光柵單元和不透光光柵單元大小保持一致。微米量級(jí)的標(biāo)記可在半導(dǎo)體材料上用微加工工藝制成。圖3是二維光柵零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的典型結(jié)構(gòu)示意，圖中黑色表示該光柵單元不透光，白色則表示相應(yīng)的光柵透光。圖4是零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記應(yīng)用的一個(gè)光柵系統(tǒng)示意圖，該光柵系統(tǒng)由二維零位光柵、光源、透鏡、光闌和光電探測(cè)器組成。圖中有平行光光源1，兩塊完全一樣的特殊編碼的標(biāo)記光柵2，透鏡3，光闌4，接收平面5，光電探測(cè)器6。將兩塊標(biāo)記平行重疊放置，放在平行光照明光路中，用光電探測(cè)器配以后續(xù)信號(hào)處理電路來(lái)探測(cè)輸出的光強(qiáng)，在其透過(guò)光強(qiáng)與相對(duì)位移的關(guān)系圖中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖銳脈沖輸出，如圖5所示。圖5中光強(qiáng)單位任意，位移單位是光柵單元寬度。說(shuō)明只有當(dāng)兩塊標(biāo)記完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)，輸出最大，如果相對(duì)位置稍有偏離，信號(hào)輸出會(huì)迅速減弱。該峰值脈沖寬度只有一個(gè)光柵單元寬度?？刂乒鈻艈卧獙挾仍谖⒚追秶鷥?nèi)，則對(duì)準(zhǔn)精度相應(yīng)的在微米范圍，當(dāng)對(duì)準(zhǔn)信號(hào)細(xì)分一定倍率后，極易獲得亞微米甚至納米量級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度。
由于零位光柵是由許多個(gè)0和1單元按照一定的編碼規(guī)律排列而成，具有多單元的平均效應(yīng)，對(duì)加工誤差不敏感。其脈沖式的光強(qiáng)輸出可作為二維方向測(cè)量的絕對(duì)零位，也可用于高精度，高靈敏度的對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精密定位和絕對(duì)測(cè)量。二維編碼光柵式對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的設(shè)計(jì)二維編碼光柵式對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記是一組二維方向上進(jìn)行特殊編碼的不規(guī)則的、非周期光柵。在二維方向上合理安排透光光柵單元的分布，使兩光柵在相對(duì)移動(dòng)時(shí)有一個(gè)尖銳的脈沖光強(qiáng)輸出以滿足高精度對(duì)準(zhǔn)要求。
標(biāo)記的結(jié)構(gòu)為由一組沿二維方向排列的大小相等的光柵單元組成，包括透光光柵單元和不透光光柵單元，透光光柵單元沿二維方向不規(guī)則分散排列、其余為不透光光柵單元，該排列位置(即編碼)使兩塊標(biāo)記在相互對(duì)準(zhǔn)時(shí)的透光光強(qiáng)的次最大值與最大值之間的比率小于等于四分之一。在上述結(jié)構(gòu)中，透光光柵單元數(shù)與總光柵單元數(shù)之間的比率一般取等于四分之一。二維對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的編碼方式可以用矩陣x11x12···x1nx21x22···x2n............xm1xm2···xmn]]>表示，其中矩陣元xij等于“0”或“1”，m和n可以不相等。“1”表示透光，代表透光光柵單元；“0”表示不透光，代表不透光光柵單元?？梢杂肈，M，N三個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)定標(biāo)記的編碼規(guī)律。其中D為接收光強(qiáng)的次極大值與最大值之間的比率，M為總的透光光柵單元數(shù)，N為總的光柵單元數(shù)，即m×n。那么，對(duì)于選定的N和M的數(shù)值，則有接收光強(qiáng)的主極大值為Σi=1mΣj=1nxij2=M,]]>次極大值為max0≤k≤m-1,0≤l≤n-1,k2+l2≠0{Σi=1m-kΣj=1n-lxij×xi+k,j+l}]]>(根據(jù)M的排列位置不同而不同)。指標(biāo)D反映了對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記輸出信號(hào)的對(duì)比度及靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中，D應(yīng)滿足關(guān)系式D≤1/4，M決定了最大輸出光強(qiáng)的大小，而N表明的是對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的大小。編碼過(guò)程為首先，根據(jù)所需設(shè)計(jì)的光柵系統(tǒng)的大小以及對(duì)準(zhǔn)精度的要求確定光柵單元的寬度和數(shù)量，即確定N值和相應(yīng)的m、n；而后任意選定一M值(通常選M＝N/4，此時(shí)便于計(jì)算，而且對(duì)于每塊標(biāo)記本身而言其輸出光強(qiáng)的大小比較適宜)，作相應(yīng)m行及n列的任意位置的排列、并對(duì)該排列計(jì)算相應(yīng)的D值，如果D值不能滿足關(guān)系式D≤1/4，則對(duì)同一或另一M值進(jìn)行重新排列和計(jì)算，直到D值滿足關(guān)系式D≤1/4，該M值的排列位置即可定為一種編碼。因此，根據(jù)本發(fā)明可得到多種編碼。編碼方式可采用人工選排，也可利用計(jì)算機(jī)編制相應(yīng)的程序進(jìn)行選排，在確定指標(biāo)N、M值后優(yōu)化搜索D值而生成；同時(shí)應(yīng)使指標(biāo)D盡可能小，以提高對(duì)準(zhǔn)的靈敏度。以下結(jié)合實(shí)例作進(jìn)一步描述，假定制作一個(gè)16×16位編碼的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，則N＝256，這里選定M＝64，編碼方式如下(如圖3所示)0000000010111010100000000010001100000011000000101000100110000000000001000001000000000001001000100100011000000100000000101000101010010010011011000000100001000011110000000100001000101110000000000100000100000100101000000000100110000010111000110000010000010000]]>
則計(jì)算得到D＝1/4，D指標(biāo)滿足實(shí)際應(yīng)用要求。將上述編碼圖案用微加工工藝復(fù)制到鍍鉻的光學(xué)玻璃基面上即成為二維零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。當(dāng)這樣編碼的兩塊相同對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記放在圖4所示的系統(tǒng)中，當(dāng)兩標(biāo)記完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)，可獲得最大光強(qiáng)輸出I0，如果兩光柵偏離一定位置，光強(qiáng)銳減，其光強(qiáng)輸出至多達(dá)到最大光強(qiáng)的D倍，也即I0/4。
權(quán)利要求1.一種二維編碼式零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，其特征在于該標(biāo)記由兩塊具有相同排列形式的黑色單元和白色單元的光柵板重疊放置所組成，黑色單元不透光，白色單元透光，每一塊光柵板標(biāo)記的結(jié)構(gòu)由一組沿二維方向排列的大小相等的非周期分布光柵單元組成，包括透光光柵單元和不透光光柵單元，透光光柵單元沿二維方向不規(guī)則分散排列，其余為不透光光柵單元。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的二維編碼式零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，其特征在于透光光柵單元數(shù)與總光柵單元數(shù)之間的比率等于四分之一。
3.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二維編碼式零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，其特征在于標(biāo)記的光柵單元按二維方式的矩陣x11x12···x1nx21x22···x2n............xm1xm2···xmn]]>進(jìn)行編碼，其中矩陣元xij等于“0”或“1”，m和n可以不相等，“1”表示透光，代表透光光柵單元；“0”表示不透光，代表不透光光柵單元。
專利摘要二維編碼式零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記是增量式測(cè)量系統(tǒng)中絕對(duì)零位的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，該標(biāo)記由兩塊具有相同排列形式的黑色單元和白色單元的光柵板重疊放置所組成，黑色單元不透光，白色單元透光，每一塊光柵板標(biāo)記的結(jié)構(gòu)由一組沿二維方向排列的大小相等的非周期分布光柵單元組成，包括透光光柵單元和不透光光柵單元，透光光柵單元沿二維方向不規(guī)則分散排列，其余為不透光光柵單元。透光光柵單元數(shù)與總光柵單元數(shù)之間的比率一般取等于四分之一。標(biāo)記的光柵單元按二維方式的矩陣
文檔編號(hào)G01B11/00GK2622671SQ03222148
公開日2004年6月30日 申請(qǐng)日期2003年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月27日
發(fā)明者黃文浩, 陳宇航, 胡翹, 李尚志 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)