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专利名称：一种单轨绝对光栅尺及其图像编码方法
技术领域：
本发明是ー种单轨绝对光栅尺及其图像编码方法，属于单轨绝对光栅尺及其图像编码方法的改造技术。
背景技术：
计量光栅技术的基础是莫尔条纹，1874年由英国物理学家L. Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密測量。1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制エ艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制エ艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了ー个4相信号系统，可以在ー个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技木，是光栅測量系统的基�。�并一直广泛应用至今[I]。目前常用的光栅尺可以分为増量式光栅尺、半绝对式光栅尺以及绝对式光栅尺，数控机床制造行业使用较多。増量式光栅尺是最常用的高精密測量装置，它有ー个绝对零点标志，其后标尺光栅等距分布，读数头相对标尺光栅运动，经过的栅格所形成的莫尔条纹会经过电信号处理，得到相对绝对零点的距离。这种测量模式简单易行，但在使用中，由于必须每次回到绝对零点附近重新定标，所以工作效率难以大幅提高[2]。为适应数控机床升级的需要，半绝对式光栅尺逐渐得到普遍使用。半绝对式光栅是在增量光栅上设置绝对轨，在绝对轨上设计了用不同距离编码的一系列零位光栅，使用时通过探测相邻零位光栅的距离来确定绝对位置，大大減少了回零的时间，提高了工作效率，此外，这类光栅尺出现故障时还能即时向数控机床发出报警信号，以保证加工的安全性。近来，绝对光栅尺的出现引发了装备制造业革命性进步，相比半绝对式光栅尺，绝对编码光栅尺有更多优势，由于在任何点都有相应绝对唯一的码值，所以没有累计误差，具有測量精度高、抗干扰能力強、稳定性高等特点，并且还可以进行非线性修正。另外绝对编码范围大，所以可测量较大量程的线性位移[3]。绝对光栅尺的结构相对简单，其关键点在于绝对编码的实现，及每ー个绝对编码对应着光栅标尺上的一个绝对位置，将出发点到終止点的绝对位置相减就可以得到相対的移动距离，避免了累计误差，也消除了回读零点的エ序。目前，出现了ー些种绝对编码方法，较多集中在多轨光栅条纹编码领域，这种编码的优点在于直读纵列ニ进制编码，方便光电元件读取数据，同时可以提高细分的精度[4]，但缺点主要是提高了对光栅标尺的刻画难度，编码范围有限，难以扩大测量范围。单轨绝对编码技术解决了这ー难题。单轨绝对编码技术代表了国际上光栅测量的发展方向，它符合了快速測量和小型化这两种趋势。但是，由于目前单轨绝对编码相对复 杂，解码方法繁琐，错码率高，仍然没有大量普及。

发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种避免了多轨光栅制造的低成品率，同时降低了制造成本，提高了图像信息采集的速度，提高编码的测量精度的单轨绝对光栅尺。本发明设计合理，方便实用。本发明的另一目的在于提供一种达到可靠编码、方便解码及快速给出结果的图像编码方法。本发明的技术方案是本发明的单轨绝对光栅尺，包括有光源、反射镜、里程碑标志位、增量标尺栅线、玻璃基板、上侧CMOS传感器、下侧CMOS传感器、移动光阑、光电接收器、指示光栅，其中光源与反射镜组合构成照明光路，提供平行光，玻璃基板上刻画有等宽、等距的增量标尺栅线，玻璃基板在增量标尺栅线的下方刻画有平行等距的里程碑标志位，移动光阑的左上方开ロ，该开口内嵌指示光栅，移动光阑的右边上下对称开ロ，该对称开ロ分别嵌入用于采集图像信息的上侧CMOS传感器和下侧CMOS传感器，且指示光栅紧贴玻璃 基板安装，上侧CMOS传感器的安装位置对准增量标尺栅线，下侧CMOS传感器的安装位置对准里程碑标志位，光源、移动光阑以及光电接收器相对位置固定装设在动尺上，动尺相对玻璃基板能前后移动，光源、移动光阑以及光电接收器能同时平行运动，増量标尺栅线和指示光栅的光线形成莫尔条纹投射在光电接收器。上述光源是蓝光光源。上述里程碑标志位所在行由若干等间距的栅线组成，其下从零点位置起，每隔ー定距离设置ー个绝对位置标记就是里程碑标志位，里程碑标志位分为用于标志里程碑的出现与结束的里程碑编码边界标志栅线，用于进行编码，扩大其位数，即能扩大编码的范围的里程碑条纹组内有效编码位；用于确定是否刻画栅线的具体位置的有效编码栅线位，刻画栅线处表示为0，不刻画栅线而留白，此处表示为1，相邻里程碑标志位的间距为d。上述有效编码栅线位共16条，两端的端线作为边界位始終刻画栅线，下侧CMOS传感器一旦发现两端都经过就知道能读完整的里程碑栅线阴影图形了。本发明应用单轨绝对光栅尺的图像编码方法，上述里程碑标志位由若干条等宽度栅线位组成，其呈现ニ进制编码，成为第一编码条码，光源与反射镜组合构成的照明光路提供的平行光通过增量标尺栅线产生的栅线阴影条纹组成第二编码区，超过里程碑标志位编码视窗内最后ー个里程碑标志位后的栅线条纹组成的图像，通过CMOS传感器，进行数字化采集，得到ニ进制数字编码，构成第二编码条码，最后两栅线线条内未及一个步长的余量则由CMOS像元插入进行编码，此为第三编码段，三段编码进行组合，可以得到一个有效位置码，此位置码对应标尺上的一个绝对位置，换而言之，光栅尺上的任何一个绝对位置，都有ー个三段码组成的绝对编码相对应，只要得到可靠的指示光阑起始位置的绝对编码，就可以通过求差，得到行程的绝对距离。上述下侧CMOS传感器直接采集里程碑标志位的图像编码信息，其编码数值为Nx，为第一绝对位置编码段，即里程碑标志位对应的绝对位置为Mv = Nx X d上侧CMOS传感器直接采集增量标尺栅线的图像，并按照以下方法进行编码当里程碑标志位条纹组完全出现在下侧CMOS传感器(7)的监视阵列时，对应的增量标尺栅线的条纹，也瞬时出现在上侧CMOS传感器的阵列上，这一条纹将被上侧CMOS传感器锁定，超过里程碑标志位条纹组的标尺栅线条纹将以图像的形式加以保存和编码，从图像中，能迅速分辨出栅线的数量为K，设标尺栅线间距为δ，那么超过绝对位置标志位的精确增量距离L则通过对增量栅线图中暗纹数量K得到，如下L = KX δ，此为第二编码段；当指示光阑遮光区域左侧端线处于增量标尺光栅相邻栅线之间，余量位移不足一个标尺栅线间间距，设此标尺栅线间测量余量为1L，这段位移的測量精度将直接影响到全局的测量精度以及绝对编码的客观性，由于左右CMOS像元间距的CMOS像元出现，CMOS像元尺寸也越来越�。�标尺栅线间测量余量的编码即为第三段绝对编码；上述标尺栅线间间距是指标尺光栅两个相邻栅线间的直线距离，标尺栅线间测量余量是指指示光阑遮光区域左侧端线到里程碑最左端的直线距离，CMOS像元尺寸是 指CMOS像元的宽度，CMOS像元间距是指两个相邻CMOS像元间的直线距离，指示光阑遮光区域是指指示光阑不透光的区域，即不开ロ区域，其表示了超过测量端区域，CMOS像元间测量余量是指指示光阑遮光区域左侧端线到左端最近的ー个CMOS像元的直线距离；第三段绝对编码分为两个部分，即标尺栅线间測量余量插入整数个CMOS像元的数值编码为B，为第一部分编码；CM0S像元间测量余量的行进显微细分值编码C，这样则将
编码扩大到分辨率级别，标尺栅线间測量余量的编码通过以下公式表达
B Χσ C\L =--1--X σ
10 1280最終的绝对位置编码由三部分组成里程碑标志位的编码、増量标尺光栅的栅线编码、标尺栅线间測量余量的编码，由于标尺栅线间測量余量细分位置编码中C部分仅为分辨率级别，所以只保存B部分，经三段编码、解码，得到任意绝对位置
B X σNL- = NrKd^KXQ+-
“IO上述指示光栅产生的莫尔条纹，作为低精度编码，和CMOS得到的绝对位置进行对比分析，若误差在合理范围内，则认定编码正常；若超出误差范围，则认为编码错误，重新读取图像信息进行相关的编码对比，新的码值如等于前面分析数据的某ー个，则认为重新编码的码值正确，反之则输出光栅尺故障报警信息。上述里程碑标志位由14条等宽度栅线位组成，其呈现ニ进制编码，14条栅线能组成从0-16383范围的数字。上述最后ー个标尺栅线间间距利用投射显微放大技术平均放大10倍，这段距离内将平均分布100个像素単元，将标尺栅线间间距间距离等分成100份，即测量精度达到0. I O，即十分之一 CMOS像元间距。上述标尺栅线间测量余量根据上述十分之一 CMOS像元间距的精度加以精确量化，而指示光阑遮光区域左侧端线在像素间的行进距离，即CMOS像元间测量余量通过电子
细分为128份，使得分辨率达到^T以内。上述上侧CMOS传感器对准增量标尺栅线，下侧CMOS传感器对准里程碑标志位，高速运动时，利用里程碑标志位定位，減少图像采集的数据量，提高直线运动的速度，当运动的目标附近吋，减速采集分析增量标尺栅线的编码信息。
本发明与现有技术相比，具有如下优点I)本发明通过单轨光栅进行绝对编码，避免了多轨光栅制造的低成品率，同时降低了制造成本。2)本发明利用了 CMOS传感技术，提高了图像信息采集的速度，借助半导体器件的加工精度，间接提高编码的測量精度。3)本发明引入了显微放大技术，将最后ー对栅线间余量进行放大，利用像元插入模式，进ー步提高位置编码的精度。4)本发明降低了传统增量式编码在測量中的重要性，但保留其部分功能，为误码纠错提供了參考，从而提高了绝对光栅尺编码、解码的可靠性，同时为绝对光栅尺失效时，做为备份測量工具，在故障状态下保证光栅尺一定的測量功能。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的单轨绝对光栅尺及其图像编码方 法。


图I为本发明的单轨绝对光栅尺的结构示意图。图2本发明的绝对光栅尺光栅尺栅线构成示意图。图3本发明的绝对光栅尺标尺光栅栅线间细分測量示意图。
具体实施例方式实施例本发明单轨绝对光栅尺的结构示意图的结构示意图如图I所示，在图I中，光源I、反射镜2组合构成照明光路，可以提供一定光强的平行光，本实施例中，光源I是蓝光光源，是ー种特种光源。平行光的光线投射到里程碑标志位3和增量标尺栅线4时，栅线的投影会被上侧CMOS传感器6和下侧CMOS传感器7分别扫描接收，两个CMOS传感器镶嵌在移动光阑8上,光源I、反射镜2、移动光阑8、光电接收器9相对位置固定组成动尺测量系统,都平行于玻璃基板移动，外部和測量端机构连接，移动光阑8上嵌入一指示光栅10，光线通过标尺栅线4和指示光栅10后产生的莫尔条纹被光电接收器9接收，形成模拟增量信号。图I中，下侧CMOS传感器7可以直接采集里程碑标志位3图像的编码信息，其编码数值为Nx，为第一绝对位置编码段，即里程碑标志位(3)对应的绝对位置为Mx = Nx X d而上侧CMOS传感器6可以直接采集增量标尺栅线图像，但要依靠以下技术进行编码。増量栅线图像编码技术如下如图2中，当里程碑标志位3条纹组的标志栅线完全出现在下侧CMOS监视阵列时,对应的增量标尺栅线条纹,也瞬时出现在上侧CMOS传感阵列上，这一条纹将被图像电子系统锁定，超过里程碑标志位3条纹组的栅线条纹将以图像的形式加以保存和编码。从图像中，可以迅速分辨出暗线的数量为K，设标尺栅线间距为δ，那么超过绝对位置标志位的精确增量距离L则可以通过对增量栅线图中的栅线数量K得到，如下L = KXS
此为第二编码段，和第一编码段结合，将进ー步提高动尺测端的位置测量的精确度。里程碑标志位3分为几个部分，即里程碑编码边界标志栅线12、里程碑条纹组内有效编码位11、有效编码栅线位13，相邻里程碑标志位3的间距为山边界便于扫描定位，有效编码栅线位13可以刻画栅线，表示为0，也可以留白表示为1，相邻里程碑标志位3的间距为d确定了编码定位的粗略步长。如图3，指示光阑遮光区域19左侧端线处于标尺光栅两相邻栅线之间，余量位移不足一个栅线间距时，设此标尺栅线间测量余量16为1L，这段位移的測量精度将直接影响到全局的測量精度以及绝对编码的客观性。在此充分利用到CMOS发展的新技木，由于左右CMOS像元间距18的CMOS像元14出现，CMOS像元尺寸17也越来越�。�细分技术进ー步升级。利用投射显微放大技术，可以将最后ー个标尺栅线间间距15平均放大10倍，假定这段距离内将平均分布100个像素単元，将两栅线间距离等分成100份，即测量精度可以达到O. I。，动尺测端在像素间的行进距离还可以通过电子细分为128份，使得分辨率可以达到
—以内。这部分的编码即第三段绝对编码，这段编码可以分为两个部分，即标尺栅线间
測量余量I插入整数个像元的数值编码为B，为第一部分编码；CM0S像元间测量余量(20)的行进显微细分值编码G，这样则可以将编码扩大到分辨率级别，如下所示，标尺栅线间测
量余量4可以通过以下公式表达
B K σ CIL =-^--X σ
10 1280最終的绝对位置编码由三部分组成里程碑绝对參考点标志位编码、相对位置编码、细分位置编码，由于细分位置编码中C部分仅为分辨率级别，所以只保存B部分。经三段编码、解码，就可以得到绝对位置
B ΧσM = NrXd + K Ko +-
x x 10上述指示光栅10产生的莫尔条纹，作为低精度编码，和CMOS得到的绝对位置进行对比分析，若误差在合理范围内，则认定编码正常；若超出误差范围，则认为编码错误，重新读取图像信息进行相关的编码对比，新的码值如等于前面分析数据的某ー个，则认为重新编码的码值正确，反之则输出光栅尺故障报警信息。本发明的工作原理如下增量标尺光栅下平行排列并等距刻画了里程碑绝对參考点位置标志，此标志为若干条栅线组成。可以编码的方式很多，有ニ进制和十进制等。以ニ进制为例，16条栅线位，左右端面处栅线位始終刻画不透光光栅，作为编码边界标志，中间14条栅线位中，每条栅线位对应着ー个唯一的数字O或I，共可以组成一万余组不同的数字编码，如相邻两里程碑间距为1mm，可编码范围将超过10m。指示光阑上有三个开孔，左上一个可以透光，安放有指示光栅，其与标尺光栅所形成的莫尔条纹信号可以被光电接收器接收。右边开有等宽度光阑开ロ，上下分别嵌入ー块CMOS感光元件，上侧CMOS用来搜集增量标尺栅线图像信息，而下侧CMOS用来识别里程碑绝对位置标志，由下侧CMOS检测到的里程碑绝对位置编码为第一编码分段Nx，由上侧CMOS得到的栅线投影暗区条纹个数编码为第二编码分段K。两相邻栅线间位移余量显微放大10倍，细分插入的像素个数编码为B，最后两像素间位移余量再次细分128份后编码为G，这部分可以称为第三编码段。设相邻两里程碑间距为d = 2_，标尺栅线间距为δ = IOym, CMOS像素间距为σ = I μ m，那么绝对位置Mx可以由以下公式得到
权利要求
1.一种单轨绝对光栅尺，其特征在于包括有光源(I)、反射镜(2)、里程碑标志位(3)、增量标尺栅线(4)、玻璃基板(5)、上侧CMOS传感器(6)、下侧CMOS传感器(7)、移动光阑(8)、光电接收器(9)、指示光栅(10)，其中光源(I)与反射镜(2)组合构成照明光路，提供一定光强的平行光，玻璃基板(5)上刻画有等宽、等距的增量标尺栅线(4)，玻璃基板(5)在增量标尺栅线(4)的下方刻画有平行等距的里程碑标志位(3)，移动光阑(8)的左上方开口，该开口内嵌指示光栅(10)，移动光阑(8)的右边上下对称开口，该对称开口分别嵌入用于采集图像信息的上侧CMOS传感器(6)和下侧CMOS传感器(7)，且指示光栅(10)紧贴玻璃基板(5 )安装，上侧CMOS传感器(6 )的安装位置对准增量标尺栅线(4)，下侧CMOS传感器(7 )的安装位置对准里程碑标志位(3)，光源(I)、移动光阑(8)以及光电接收器(9)相对位置固定装设在动尺(21)上，动尺(21)相对玻璃基板(5)能前后移动，光源(I)、移动光阑(8)以及光电接收器(9)能同时平行运动，增量标尺栅线(4)和指示光栅(10)的光线形成莫尔条纹投射在光电接收器(9 )。
2.根据权利要求I所述的单轨绝对光栅尺，其特征在于上述光源(I)是蓝光光源。
3.根据权利要求I所述的单轨绝对光栅尺，其特征在于上述里程碑标志位(3)所在行由若干等间距的栅线组成，其下从零点位置起，每隔一定距离设置一个绝对位置标记就是里程碑标志位(3)，里程碑标志位(3)分为用于标志里程碑的出现与结束的里程碑编码边界标志栅线(12)，用于进行编码，扩大其位数，即能扩大编码的范围的里程碑条纹组内有效编码位(11);用于确定是否刻画栅线的具体位置的有效编码栅线位(13)，刻画栅线处表示为0，不刻画栅线而留白，此处表示为1，相邻里程碑标志位(3)的间距为d。
4.根据权利要求3所述的单轨绝对光栅尺，其特征在于上述有效编码栅线位(13)共16条，两端的端线作为边界位始终刻画栅线，下侧CMOS传感器(7) —旦发现两端都经过就知道能读完整的里程碑栅线阴影图形了。
5.一种应用权利要求I所述的单轨绝对光栅尺的图像编码方法，其特征在于上述里程碑标志位(3)由若干条等宽度栅线位组成，其呈现二进制编码，成为第一编码条码，光源(I)与反射镜(2)组合构成的照明光路提供的平行光通过增量标尺栅线(4)产生的栅线阴影条纹组成第二编码区，超过里程碑标志位(3)编码视窗内最后一个里程碑标志位(3)后的栅线条纹组成的图像，通过CMOS传感器，进行数字化采集，得到二进制数字编码，构成第二编码条码，最后两栅线线条内未及一个步长的余量则由CMOS像元插入进行编码，此为第三编码段，三段编码进行组合，可以得到一个有效位置码，此位置码对应标尺上的一个绝对位置，换而言之，光栅尺上的任何一个绝对位置，都有一个三段码组成的绝对编码相对应，只要得到可靠的指示光阑起始位置的绝对编码，就可以通过求差，得到行程的绝对距离。
6.根据权利要求5所述的图像编码方法，其特征在于上述下侧CMOS传感器(7)直接采集里程碑标志位(3)的图像编码信息，其编码数值为Nx，为第一绝对位置编码段，即里程碑标志位(3)对应的绝对位置为 M'x = NxXd 上侧CMOS传感器(6)直接采集增量标尺栅线(4)的图像，并按照以下方法进行编码 当里程碑标志位(3)条纹组完全出现在下侧CMOS传感器(7)的监视阵列时，对应的增量标尺栅线(4)的条纹，也瞬时出现在上侧CMOS传感器(6)的阵列上，这一条纹将被上侧CMOS传感器(6)锁定，超过里程碑标志位(3)条纹组的标尺栅线条纹将以图像的形式加以保存和编码，从图像中，能迅速分辨出栅线的数量为K，设标尺栅线间距为5，那么超过绝对位置标志位的精确增量距离L则通过对增量栅线图中暗纹数量K得到，如下 L = KX S，此为第二编码段； 当指示光阑遮光区域(19)左侧端线处于增量标尺光栅(4)相邻栅线之间，余量位移不足一个标尺栅线间间距(15)，设此标尺栅线间测量余量(16)为1L，这段位移的测量精度将直接影响到全局的测量精度以及绝对编码的客观性，由于左右CMOS像元间距(18)的CMOS像元(14)出现，CMOS像元尺寸(17)也越来越�。�标尺栅线间测量余量(16)的编码即为第三段绝对编码； 上述标尺栅线间间距(15)是指标尺光栅两个相邻栅线间的直线距离，标尺栅线间测量余量(16)是指指示光阑遮光区域(19)左侧端线到里程碑最左端的直线距离，CMOS像元尺寸(17)是指CMOS像元的宽度，CMOS像元间距(18)是指两个相邻CMOS像元间的直线距离，指示光阑遮光区域(19)是指指示光阑不透光的区域，即不开口区域，其表示了超过测量端区域，CMOS像元间测量余量(20)是指指示光阑遮光区域(19)左侧端线到左端最近的一个CMOS像元的直线距离； 第三段绝对编码分为两个部分，即标尺栅线间测量余量(16)插入整数个CMOS像元(14)的数值编码为B，为第一部分编码；CM0S像元间测量余量(20)的行进显微细分值编码G，这样则将编码扩大到分辨率级别，标尺栅线间测量余量(16)的编码通过以下公式表达
7.根据权利要求6所述的图像编码方法，其特征在于上述里程碑标志位(3)由14条等宽度栅线位组成，其呈现二进制编码，14条栅线能组成从0-16383范围的数字。
8.根据权利要求6所述的图像编码方法，其特征在于上述最后一个标尺栅线间间距(15)利用投射显微放大技术平均放大10倍，这段距离内将平均分布100个像素单元，将标尺栅线间间距(15)间距离等分成100份，即测量精度达到0. I O，即十分之一 CMOS像元间距(18)。
9.根据权利要求8所述的图像编码方法，其特征在于上述标尺栅线间测量余量(16)根据上述十分之一 CMOS像元间距(18)的精度加以精确量化，而指示光阑遮光区域(19)左侧端线在像素间的行进距离，即CMOS像元间测量余量(20)通过电子细分为128份，使得分辨
10.根据权利要求6所述的图像编码方法，其特征在于上述上侧CMOS传感器(6)对准增量标尺栅线(4)，下侧CMOS传感器(7 )对准里程碑标志位(3 )，高速运动时，利用里程碑标志位(3)定位，减少图像采集的数据量，提高直线运动的速度，当运动的目标附近时，减速采集分析增量标尺栅线(4)的编码信息。
全文摘要
本发明是一种单轨绝对光栅尺及其图像编码方法。包括光源、反射镜、增量标尺栅线、玻璃基板、移动光阑、光电接收器、指示光栅，其中光源与反射镜组合为照明光路，玻璃基板上刻画有等宽等距的增量标尺栅线，玻璃基板在增量标尺栅线下方刻画有平行等距的里程碑标志位，移动光阑的左上方开口内嵌指示光栅，移动光阑的右边的上下对称开口分别嵌入上侧CMOS传感器和下侧CMOS传感器，指示光栅紧贴玻璃基板安装，上侧CMOS传感器的安装位置对准增量标尺栅线，下侧CMOS传感器的安装位置对准里程碑标志位，增量标尺栅线和指示光栅的光线形成莫尔条纹投射在光电接收器。本发明提高了图像信息采集的速度，提高编码的测量精度，能可靠编码、方便解码及快速给出结果。
文档编号G01D5/347GK102706373SQ20121016529
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者刘强, 李克天, 李锻能, 王晗, 陈学松, 陈新, 陈新度, 马平 申请人:广东工业大学