二維編碼式零位對準標記和編碼方法
2023-09-16 20:15:55
專利名稱：二維編碼式零位對準標記和編碼方法
技術領域：
本發明是一種二維編碼式對準標記和編碼方法，屬於增量式測量系統中絕對零位的對準標記技術領域。
本發明的二維編碼式零位對準標記的編碼方法是標記的光柵單元按二維方式的矩陣x11x12x1nx21x22x2nMMMMxm1xm2xmn]]>進行編碼，其中矩陣元xij等於「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。光柵編碼的自相關函數中出現尖銳峰值，在兩標記準確對準時，輸出最大，而兩塊標記稍有相對偏移輸出光強銳減，次極大光強峰值與主極大峰值比值≤1/4。3、有益效果當兩塊標記平行重疊放置，放在平行光照明光路中時，在其透過光強與相對位移的關係圖中，會產生一個尖銳脈衝輸出。說明只有當兩塊標記完全對準時，輸出最大，如相對位置稍有偏離，信號輸出會迅速下降。在標記的二維移動中產生的這個尖銳脈衝輸出可被用作二維移動的高精度對準標記。這樣只要一組二維標記和一套光電檢測系統就可實現二維對準，使結構簡單、成本低，不會出現相互配合不協調的問題；同時，由於標記是由許多個「0」或「1」光柵單元排列而成，具有多單元的平均效應，對加工誤差不敏感，使加工容易實現、對準精度高；而且，由於二維編碼是不規則、非周期變化的矩陣方式，使得二維對準時形成的尖銳脈衝輸出範圍很窄，因而這種對準標記的對比度和靈敏度大大提高。
圖2是
圖1所示的一維零位光柵的輸出特性。
圖3是設計的二維對準標記結構示意，圖中黑色單元代表不透光，白色單元代表透光。
圖4是二維對準標記系統的示意圖，其中有平行光光源1，兩塊完全一樣的特殊編碼的標記光柵2，透鏡3，光闌4，接收平面5，光電探測器6。
圖5是圖3所示的對準標記的輸出特性圖。
由於零位光柵是由許多個0和1單元按照一定的編碼規律排列而成，具有多單元的平均效應，對加工誤差不敏感。其脈衝式的光強輸出可作為二維方向測量的絕對零位，也可用於高精度，高靈敏度的對準，實現精密定位和絕對測量。二維編碼光柵式對準標記的設計二維編碼光柵式對準標記是一組二維方向上進行特殊編碼的不規則的、非周期光柵。在二維方向上合理安排透光光柵單元的分布，使兩光柵在相對移動時有一個尖銳的脈衝光強輸出以滿足高精度對準要求。
標記的結構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則分散排列、其餘為不透光光柵單元，該排列位置(即編碼)使兩塊標記在相互對準時的透光光強的次最大值與最大值之間的比率小於等於四分之一。在上述結構中，透光光柵單元數與總光柵單元數之間的比率一般取等於四分之一。
二維對準標記的編碼方式可以用矩陣x11x12x1nx21x22x2nMMMMxm1xm2xmn]]>表示，其中矩陣元xij等於「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。可以用D，M，N三個參數來評定標記的編碼規律。其中D為接收光強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，N為總的光柵單元數，即m×n。那麼，對於選定的N和M的數值，則有接收光強的主極大值為i=1mj=1nxij2=M,]]>次極大值為max0km-1,0ln-1,k2+l20{i=1m-kj=1n-1xijxi+k,j+l}]]>(根據M的排列位置不同而不同)。指標D反映了對準標記輸出信號的對比度及靈敏度，在實際應用中，D應滿足關係式D≤1/4，M決定了最大輸出光強的大小，而N表明的是對準標記的大小。編碼過程為首先，根據所需設計的光柵系統的大小以及對準精度的要求確定光柵單元的寬度和數量，即確定N值和相應的m、n；而後任意選定一M值(通常選M＝N/4，此時便於計算，而且對於每塊標記本身而言其輸出光強的大小比較適宜)，作相應m行及n列的任意位置的排列、並對該排列計算相應的D值，如果D值不能滿足關係式D≤1/4，則對同一或另一M值進行重新排列和計算，直到D值滿足關係式D≤1/4，該M值的排列位置即可定為一種編碼。因此，根據本發明可得到多種編碼。編碼方式可採用人工選排，也可利用計算機編制相應的程序進行選排，在確定指標N、M值後優化搜索D值而生成；同時應使指標D儘可能小，以提高對準的靈敏度。
以下結合實例作進一步描述，假定製作一個16×16位編碼的對準標記，則N＝256，這裡選定M＝64，編碼方式如下(如圖3所示) 則計算得到D＝1/4，D指標滿足實際應用要求。將上述編碼圖案用微加工工藝複製到鍍鉻的光學玻璃基面上即成為二維零位對準標記。當這樣編碼的兩塊相同對準標記放在圖4所示的系統中，當兩標記完全對準時，可獲得最大光強輸出I0，如果兩光柵偏離一定位置，光強銳減，其光強輸出至多達到最大光強的D倍，也即I0/4。
權利要求
1.一種二維編碼式零位對準標記，其特徵在於該標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，每一塊光柵板標記的結構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則分散排列，其餘為不透光光柵單元。
2.據權利要求1所述的二維編碼式零位對準標記，其特徵在於透光光柵單元數與總光柵單元數之間的比率等於四分之一。
3.一種二維編碼式零位對準標記的編碼方法，其特徵在於標記的光柵單元按二維方式的矩陣x11x12x1nx21x22x2nMMMMxm1xm2xmn]]>進行編碼，其中矩陣元xij等於「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。
4.據權利要求3所述的二維編碼式零位對準標記的編碼方法，其特徵在於光柵編碼的自相關函數中出現尖銳峰值，在兩標記準確對準時，輸出最大，而兩塊標記稍有相對偏移輸出光強銳減，次極大光強峰值與主極大峰值比值≤1/4。
全文摘要
二維編碼式零位對準標記和編碼方法是增量式測量系統中絕對零位的對準標記和編碼方法，該標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，每一塊光柵板標記的結構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則分散排列，其餘為不透光光柵單元，透光光柵單元數與總光柵單元數之間的比率一般取等於四分之一。標記的光柵單元按二維方式的矩陣式1進行編碼，其中矩陣元x
文檔編號G01B11/04GK1467479SQ03131569
公開日2004年1月14日 申請日期2003年5月27日 優先權日2003年5月27日
發明者黃文浩, 陳宇航, 胡翹, 李尚志 申請人:中國科學技術大學