CN118293798A - 一种高鲁棒性光栅尺绝对码道系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种高鲁棒性光栅尺绝对码道系统，其特征是：高精度光栅尺读头系统由光源(1)、标尺光栅(2)、指示光栅(3)、增量光电二极管(Photo‑Diode，PD)(4)、绝对PD(5)、增量PD检测电路(6)、绝对PD检测电路(7)、计算处理单元(8)组成。其中增量PD(4)和增量PD检测电路(6)共同组成增量检测码道，输出测量系统的增量位置信息到计算处理单元(8)；绝对PD(5)和绝对PD检测电路(7)共同组成绝对检测码道，输出测量系统的绝对位置信息到计算处理单元(8)，计算处理单元(8)根据增量位置信息和绝对位置信息对系统进行纠错修正并输出高精度的绝对位置信息。本发明可用于高精度微小位移的测量，可广泛用于精密半导体制造、精密位移测量、精密运动控制、数控机床的闭环反馈控制等领域。

Description

一种高鲁棒性光栅尺绝对码道系统

(一)技术领域

本发明涉及的是一种高鲁棒性光栅尺绝对码道系统，使用特定系统和算法提高光栅尺读头系统测量精度、鲁棒性及鲁棒性。可用于精密半导体制造、精密位移测量、精密运动控制、数控机床的闭环反馈控制等高精度微小位移测量，属于光电检测技术领域。

(二)背景技术

现代工业，人们对位移测量的精度、速度、分辨率、可靠性提出了越来越高的要求。光栅尺作为一种高精度的线性位移传感装置，不仅在以上指标上性能更优，同时具有更低的制造成本，使得其在数控加工技术等领域有着广泛的应用。随着数控加工技术的飞速发展，极大地促进了光栅尺技术水平的提高。

光栅尺是以高精度长光栅(标尺光栅)作为测量基准，当标尺光栅与读数头上的光栅(指示光栅)重叠时，通过两光栅后的光场将形成莫尔条纹(moirépattern)。根据几何遮光原理，莫尔条纹的条纹间距W和方向满足以下方程：

其中d₁、d₂和θ分别为两光栅栅距及其夹角。

公式(1)和(2)表示的是莫尔条纹的通用样式(也称斜向莫尔条纹)。根据d₁、d₂和θ取值的不同，条纹也将呈现不同样式：当d₁与d₂相等且θ趋近于0时，莫尔条纹几乎与栅线方向垂直，条纹间距W＝d/θ，这种条纹称为横向莫尔条纹；当d₁与d₂接近且θ等于0时，莫尔条纹与栅线方向平行，条纹间距W＝d²/Δd，这种条纹称为纵向莫尔条纹。在以上两种样式中，由于分母上的参数均为小量，因此条纹间距W远大于栅距d。当标尺光栅与指示光栅之间存在微小的栅距d尺度的相对位移时，莫尔条纹将发生较大的条纹间距W尺度的移动，实现了位移信号的放大。再利用特殊的光电检测器件，将莫尔条纹转换为电信号，通过对电信号进行处理，获取微小的位移信息。

绝对式光栅尺，其标尺光栅包含增量码道和绝对码道，对应在指示光栅上也存在增量码道和绝对码道。当系统开机时，通过指示光栅上的绝对码道读取标尺光栅上惟一的位置编码，即可快速获取低精度的绝对位置信息。而后再通过指示光栅上的增量码道获取到的莫尔条纹，得到高精度的位置信息。由于无需寻找参考零位，绝对式光栅尺拥有更高的可靠性和工作效率。反射式光栅尺，其标尺光栅大多为钢材质，光源和光电检测器件位于标尺光栅的同侧，也使得标尺光栅可以直接安装在待测系统的基面上。这样不仅节省安装空间，也使其可以用于大量程测试场景。

早期的光栅尺，莫尔条纹通常为光闸莫尔条纹(d₁＝d₂且θ＝0的情况)。根据公式(1)，光闸莫尔条纹间距趋向于无穷大，因此需要四场扫描的方式获取增量码道的光场信息。四场扫描需要4个准直光源，其指示光栅的增量码道需要开4个与准直光源对齐的窗口，各窗口栅距与标尺光栅相同，各窗口栅线依次相差1/4栅距，各窗口后端各有一个光电检测器件来接收这4相位光强信号。与四场扫描相对应，单场扫描指示光栅的增量窗口只需要开1个窗口，所形成的条纹为纵向莫尔条纹或横向莫尔条纹。窗口后端的光电检测器件采用密集排布的光电二极管阵列，其相邻的光电二极管之间接收到相差1/4相位的莫尔条纹信号。由于单场扫描的增量窗口只需开1个窗口，体积较小，易于集成化。且单场扫描每个相位有多个光电二极管实施检测，同相位光电二极管之间的平均效应能够有效地降低脏污或随机误差带来的影响。此外单场扫描的失效率和装调难度，较四场扫描有明显的降低。

由于装配、光源衰减、光路脏污、随机波动等因素，导致增量输出与绝对输出存在一定相位差。在不考虑此因素情况下，会因增量码道输出判断错误对整体输出精度造成很大影响。

为了解决以上问题，本发明公开了一种高精度光栅尺读头系统中绝对码道纠错技术，可用于高精度微小位移的测量，可广泛用于精密半导体制造、精密位移测量、精密运动控制、数控机床的闭环反馈控制等领域。如图1所示，本发明通过特殊的绝对PD检测电路(7)，实现检测参数可根据实际测量情况反馈调整，同时通过特殊的计算处理单元(8)中根据本专利公开的逻辑和算法，对输出进行判断和校正，从而提升光栅尺系统的准确度和可靠性。。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度光栅尺读头系统中绝对码道纠错技术，具有绝对码道纠错技术的系统由光源(1)、标尺光栅(2)、指示光栅(3)、增量PD(4)、绝对PD(5)、增量PD检测电路(6)、绝对PD检测电路(7)、计算处理单元(8)组成。

本发明的目的是这样实现的：

光源(1)发出的光通过标尺光栅(2)和指示光栅(3)后，照到增量PD(4)和绝对PD(5)上。其中在透射式光栅尺中标尺光栅(2)分为上下两部分不同的明暗相间的条纹，一部分条纹间隔规则对应增量PD，另一部分条纹间隔无明显规律对应绝对电池；指示光栅(3)同样分为上下两部分分条纹间隔规则对应增量PD，另一部分为透明玻璃窗口对应增量PD。整体系统光路由光源出发到接受PD为止。接收PD根据自身半导体特性和光照强度产生不同的感应电流信号，经过与其相对应的检测电路转换为模拟电压信号和数字信号，信号输入至计算处理单元后根据算法和测得情况对绝对PD检测电路(7)进行参数修正和输出判断。本发明专利针对高精度光栅尺读头系统中绝对码道纠错技术，绝对码道对应的检测电路分为两个，目的为产生相位相差90°的码道信息M1和M2，两个码道信息相互冗余纠错以提高整体测量精度。

光源(1)为准直光源，其发出亮度恒定波长恒定连续光，光通过两道光栅后其产生光斑影响绝对PD和增量PD输出电流，经过对应检测电路后输出对应模拟信号和数字信号到处理单元，处理单元根据输入信号进行算法修正和对前述电路的反馈修正。接收PD根据自身半导体特性和光照强度产生不同的感应电流信号，经过与其相对应的检测电路转换为模拟电压信号和数字信号，信号输入至计算处理单元后根据算法和测得情况对绝对PD检测电路(7)进行参数修正和输出判断。本发明专利针对高精度光栅尺读头系统中绝对码道纠错技术，绝对码道对应的检测电路分为两个，目的为产生相位相差90°的码道信息M1和M2，两个码道信息相互冗余纠错以提高整体测量精度。

在标尺光栅(2)、指示光栅(3)中对应增量码道部分和绝对码道部分由对应关系。其中准直光源经过两道光栅后增量码道产生摩尔条纹，相应产生摩尔条纹周期W1，绝对码道产生明暗相间的光斑，其中绝对码道采用M序列编码的形式，其产生光斑经增量PD和其检测电路后输出数字信号符合M序列要求。

M序列为伪随机序列，其特点有容易产生，规律性较强，且由很好的自相关性和互相关性，使用移位寄存器能很方便生成，适合用于移动编码的场景。因此选择使用M序列用于绝对码道检测，其中标尺光栅(2)中绝对码道条纹符合M序列规则。M序列又称最长线性反馈移位寄存器序列，其递推关系有称为反馈逻辑函数或递推方程，特征方程式为

其中f(x)为生成的需要插入到最低位的数据；c₀到c_n为采用M序列的移位寄存器的反馈连接，在无反馈时为0；xⁿ为对应的原始序列。

本权利要求M序列采取n＝4,则其周期p＝2⁴-1＝15，且可以产生15种M序列。每个M序列移位1bit对应增量码道一个周期，因此增量码道PD间隔与摩尔条纹周期W1相同。从原理分析增量码到初始相位与绝对码道初始相位应完全对齐，以便不出现错误判决，但因增量码道输出为模拟信号，与亮度信息直接对应，绝对码道输出为数字信号，由模拟信号转为数字信号存在一定时间延时，可从物理上物理上绝对码道超前增量码道一定相位，用于弥补时间误差。

增量PD检测电路(6)主要由跨阻放大器(trans-impedance amplifier，TIA)组成，其作用为将因亮度不同引起的PD输出大小不同的电流信号转为电压信号，主要由运算放大器组成，其输出延时为固定延时，不会对系统引入误差。绝对PD检测电路(7)中主要包括TIA和迟滞比较器组成，其中TIA将电流信号转为电压信号，TIA将根据计算处理单元(8)输入参数VIH和VIL将电压信号转为数字信号。增量PD检测电路(6)输出和绝对PD检测电路(7)输出均发送至计算处理单元(8)做出逻辑判断。在绝对码道PD中包括至少5个间隔为W1的PD，对应包含5组处理电路。判断逻辑中增量码道分为两个信号M1和M2，根据使用绝对码道光栅排布规则，M1在相位为0°处对应输出一个周期高电平，M2在相位为90°处输出一个周期高电平。其中若出现光脏污问题或环境引入干扰，导致高电平时间大于1个增量码道周期的情况下需要M1和M2进行互纠错。

纠错方式为分别判断M1,M2输出上升沿和下降沿对应增量码道的相位情况，若对应相位为0°、180°则认为此时M1,M2均判断正确，若出现未对准情况则对非对准情况进行判断，悬起角度偏差最小情况为当前本次计算依据，并根据偏差情况修改VIH和VIL。

6、绝对PD检测电路(7)中包含迟滞比较器中参考电压Vref需随光斑亮度变化，该值为PD输出电压最大值的一半，由系统自行判定。其输出数字信号Vout的逻辑为：

其中Vin为TIA输出及迟滞比较起输入，VIH为设置高电平迟滞电压，VIL为设置低电平迟滞电压。VIH和VIL受计算处理单元(8)控制。在权利要求4中若上升沿下降沿均未对齐情况，则计算出最小相位误差Δω。计算处理单元(8)根据计算出该值对相位对齐情况进行校正，并更改VIH和VIL。若Δω大于0则可说明绝对码道超前增量码道，因此需加大绝对码道判决延时；若Δω小于0则说明增量码道超前绝对码道，因此需要减小绝对码道判决延时。一般情况同时调整VIH和VIL,且其值为：

此调整可理解为逐次逼近策略，其逼近程度由系数k来表示。k过大情况下可能会引入测量抖动过大。k过小会导致修正过慢，测量绝对误差大。

整个判断及修正过程在计算处理单元(8)中完成并将校准结果反馈至绝对PD检测电路(7)。同时根据根据现有数据及修正后数据计算出位置信息进行输出。

(四)附图说明

图1为一种高鲁棒性光栅尺绝对码道系统示意图。高精度光栅尺读头系统由光源(1)、标尺光栅(2)、指示光栅(3)、增量PD(4)、绝对PD(5)、增量PD检测电路(6)、绝对PD检测电路(7)、计算处理单元(8)组成。

图2是高精度光栅尺系统中增量码道部分原理示意图，其中准直后光通过标尺光栅和指示光栅后在增量PD阵列表面形成光斑，标尺光栅和指示光栅均为规律分布的条纹，因安装关系可能产生一定角度误差，光通过两道光栅后最终形成摩尔条纹类型光斑。随着指示光栅和PD(都在读头系统中)的移动光斑发生变化。在增量PD阵列中不同PD因表面光斑大小不同，输出不同的电流值，经过增量PD检测电路后随着光栅尺读头的移动产生正余弦信号。

图3是高精度光栅尺系统中增量码道部分原理示意图，其中准直后光通过标尺光栅和指示光栅后在绝对PD阵列表面形成光斑，标尺光栅为按照M序列分布的条纹，指示光栅为透明窗口，光通过两道光栅后形成与M序列对应的光斑。随着指示光栅和PD(都在读头系统中)的移动光斑发生变化。随着指示光栅的移动光斑发生变化。在绝对PD阵列中不同PD因表面光斑大小不同，输出不同的电流值，经过绝对PD检测电路后随着光栅尺读头的移动输出规律的数字方波信号。

图4是高精度光栅尺系统中增量码道数字输出示意图，PD阵列分为A、B两种类型规律排布，根据排布规则可看出输出信号相位存在90°相位差，且根据M序列特定能明确得到当前绝对位置，随着光栅尺读头的移动引起的光斑的变化，数字输出发生变化，计算处理单元中根据数字输出以及M序列移位寄存器的值计算出当前绝对位置并且计算出每一次序列的开始，并同增量码道输出正弦波相对应。

图5是高精度光栅尺系统中计算处理单元逻辑，逻辑整体依据增量码道输出对绝对码道输出的有效性做出判断，并根据判断结果对绝对PD检测电路进行修正，以逐步逼近最准确测量值。

图6是高精度光栅尺系统中校正输出与未校正输出的波形对比。可以看出未校正前存在未对齐边沿，在计算处理单元中判定未对齐边沿为1，分析发现造成该现象原因为出现脏污、油污等原因引起的指示光栅或标识光栅阻挡有效光，产生异常光斑，引起误判，此情况出现时采用增量信号对其进行修正。

(五)具体实施方式

实施例一：

图4给出了绝对码道相位偏差冗余输出以增大系统的鲁棒性实施例，高精度光栅尺读头系统由光源(1)、标尺光栅(2)、指示光栅(3)、增量PD(4)、绝对PD(5)、增量PD检测电路(6)、绝对PD检测电路(7)、计算处理单元(8)组成。光通过标尺光栅(2)和指示光栅后，照到绝对PD和增量PD上。其中在透射式光栅尺中标尺光栅(2)分为上下两部分不同的明暗相间的条纹，一部分条纹间隔规则对应增量PD，另一部分条纹间隔无明显规律对应绝对电池；指示光栅同样分为上下两部分分条纹间隔规则对应增量PD，另一部分为透明玻璃窗口对应增量PD。整体系统光路由光源出发到接受PD为止。接收PD根据自身半导体特性和光照强度产生不同的感应电流信号，经过与其相对应的检测电路转换为电压信号。本发明专利针对高精度光栅尺读头系统中绝对码道纠错技术，绝对码道对应的检测电路分为两个，目的为产生相位相差90°的码道信息M1和M2，两个码道信息相互冗余纠错以提高整体测量精度。

脏污光栅或系统安装差异会影响输出精度以及破坏输出波形，该问题需要整体分为两个解决思路，第一个针对因系统差异引起的非对齐现象，其特征为多于两个边沿未对齐的情况，此时修正绝对PD检测电路中参数，使对齐情况逐步逼近，最终得到对齐的情况以消除误差。第二个为针对因脏污光栅引起的误差，此时使用增量码道修正绝对码道，其整体效果如图6所示。可看出能使输出相位全部对齐，用来消除外界环境对高精度光栅尺系统的影响，以提高整体系统的鲁棒性。

实施例二：

图5是高精度光栅尺系统中计算处理单元逻辑，基增量码道和绝对码道的输出及判决原理；其特征是：增量PD检测电路(6)主要由跨阻放大器(trans-impedanceamplifier，TIA)组成，其作用为将因亮度不同引起的PD输出大小不同的电流信号转为电压信号，主要由运算放大器组成，其输出延时为固定延时，不会对系统引入误差。绝对PD检测电路(7)中主要包括TIA和迟滞比较器组成，其中TIA将电流信号转为电压信号，TIA将根据计算处理单元(8)输入参数VIH和VIL将电压信号转为数字信号。增量PD检测电路(6)输出和绝对PD检测电路(7)输出均发送至计算处理单元(8)做出逻辑判断。在绝对码道PD中包括至少5个间隔为W1的PD，对应包含5组处理电路。判断逻辑中增量码道分为两个信号M1和M2，根据使用绝对码道光栅排布规则，M1在相位为0°处对应输出一个周期高电平，M2在相位为90°处输出一个周期高电平。其中若出现光脏污问题或环境引入干扰，导致高电平时间大于1个增量码道周期的情况下需要M1和M2进行互纠错。

纠错方式为分别判断M1,M2输出上升沿和下降沿对应增量码道的相位情况，若对应相位为0°、180°则认为此时M1,M2均判断正确，若出现未对准情况则对非对准情况进行判断，悬起角度偏差最小情况为当前本次计算依据，并根据偏差情况修改VIH和VIL。

Claims (5)

1.一种高鲁棒性光栅尺绝对码道系统，其特征是：由高精度光栅尺读头系统由光源(1)、标尺光栅(2)、指示光栅(3)、增量光电二极管(Photo-Diode，PD)(4)、绝对PD(5)、增量PD检测电路(6)、绝对PD检测电路(7)、计算处理单元(8)组成；所述系统中由光源(1)发射出光分别经过标尺光栅(2)和指示光栅(3)后在增量PD(4)和绝对PD(5)表面形成特定的光斑。该光斑根据移动位置不同和光栅特性，会具有特定形状，该形状包含当前位置信息。增量PD(4)和增量PD检测电路(6)共同组成增量检测码道，其中增量PD(4)将照到其表面的反映当前位置信息的光斑转换为电流信号，经过增量PD检测电路(6)后转换为模拟电压信号，将包含测量系统的增量位置信息的电压信号输入到计算处理单元(8)中用于进一步计算。绝对PD(5)和绝对PD检测电路(7)共同组成绝对检测码道，其中绝对PD(5)将照到其表面的反映当前位置信息的光斑转换为电流信号，经过绝对PD检测电路(7)后转换为数字信号，将包含测量系统绝对信息的数字信号输入到计算处理单元(8)用于进一步计算。计算处理单元(8)根据输入的增量位置信息和绝对位置信息判断当前位置信息状态，并对增量PD检测电路(6)和绝对PD检测电路(7)发出修正指令，并根据现有增量位置信息和绝对位置信息计算当前精确绝对位置。

2.根据权利要求1所述的高鲁棒性光栅尺绝对码道系统；其特征是：所述系统中的光源1是准直光源，光通过标尺光栅(2)和指示光栅后，照到绝对PD和增量PD上。其中在透射式光栅尺中标尺光栅(2)分为上下两部分不同的明暗相间的条纹，一部分条纹间隔规则对应增量PD，另一部分条纹间隔无明显规律对应绝对电池；指示光栅同样分为上下两部分分条纹间隔规则对应增量PD，另一部分为透明玻璃窗口对应增量PD。整体系统光路由光源出发到接受PD为止。接收PD根据自身半导体特性和光照强度产生不同的感应电流信号，经过与其相对应的检测电路转换为电压信号。本发明专利针对高精度光栅尺读头系统中绝对码道纠错技术，绝对码道对应的检测电路分为两个，目的为产生相位相差90°的码道信息M1和M2，两个码道信息相互冗余纠错以提高整体测量精度。

3.根据权利要求1所述的高鲁棒性光栅尺绝对码道系统；其特征是：在标尺光栅(2)、指示光栅(3)中对应增量码道部分和绝对码道部分由对应关系；其中准直光源经过两道光栅后增量码道产生摩尔条纹，相应产生摩尔条纹周期W1，绝对码道产生明暗相间的光斑，其中绝对码道采用M序列编码的形式，其产生光斑经增量PD和其检测电路后输出数字信号符合M序列要求。

M序列为伪随机序列，其特点有容易产生，规律性较强，且由很好的自相关性和互相关性，使用移位寄存器能很方便生成，适合用于移动编码的场景；因此选择使用M序列用于绝对码道检测，其中标尺光栅(2)中绝对码道条纹符合M序列规则；M序列又称最长线性反馈移位寄存器序列，其递推关系有称为反馈逻辑函数或递推方程，特征方程式为

其中f(x)为生成的需要插入到最低位的数据；c₀到c_n为采用M序列的移位寄存器的反馈连接，在无反馈时为0；xⁿ为对应的原始序列。

本权利要求M序列采取n＝4,则其周期p＝2⁴-1＝15，且可以产生15种M序列。每个M序列移位1bit对应增量码道一个周期，因此增量码道PD间隔与摩尔条纹周期W1相同。从原理分析增量码到初始相位与绝对码道初始相位应完全对齐，以便不出现错误判决，但因增量码道输出为模拟信号，与亮度信息直接对应，绝对码道输出为数字信号，由模拟信号转为数字信号存在一定时间延时，可从物理上物理上绝对码道超前增量码道一定相位，用于弥补时间误差。

4.根据权利要求3所述的增量码道和绝对码道的输出及判决原理；其特征是：增量PD检测电路(6)主要由跨阻放大器(trans-impedance amplifier，TIA)组成，其作用为将因亮度不同引起的PD输出大小不同的电流信号转为电压信号，主要由运算放大器组成，其输出延时为固定延时，不会对系统引入误差。绝对PD检测电路(7)中主要包括TIA和迟滞比较器组成，其中TIA将电流信号转为电压信号，TIA将根据计算处理单元(8)输入参数VIH和VIL将电压信号转为数字信号。增量PD检测电路(6)输出和绝对PD检测电路(7)输出均发送至计算处理单元(8)做出逻辑判断。在绝对码道PD中包括至少5个间隔为W1的PD，对应包含5组处理电路。判断逻辑中增量码道分为两个信号M1和M2，根据使用绝对码道光栅排布规则，M1在相位为0°处对应输出一个周期高电平，M2在相位为90°处输出一个周期高电平。其中若出现光脏污问题或环境引入干扰，导致高电平时间大于1个增量码道周期的情况下需要M1和M2进行互纠错。

纠错方式为分别判断M1,M2输出上升沿和下降沿对应增量码道的相位情况，若对应相位为0°、180°则认为此时M1,M2均判断正确，若出现未对准情况则对非对准情况进行判断，悬起角度偏差最小情况为当前本次计算依据，并根据偏差情况修改VIH和VIL。

5.根据权利要求3所述的增量码道和绝对码道的输出及判决原理中绝对码道的修正原理；其特征是：绝对PD检测电路(7)中包含迟滞比较器中参考电压Vref需随光斑亮度变化，该值为PD输出电压最大值的一半，由系统自行判定。其输出数字信号Vout的逻辑为：

其中Vin为TIA输出及迟滞比较起输入，VIH为设置高电平迟滞电压，VIL为设置低电平迟滞电压。VIH和VIL受计算处理单元(8)控制；在权利要求4中若上升沿下降沿均未对齐情况，则计算出最小相位误差Δω；计算处理单元(8)根据计算出该值对相位对齐情况进行校正，并更改VIH和VIL；若Δω大于0则可说明绝对码道超前增量码道，因此需加大绝对码道判决延时；若Δω小于0则说明增量码道超前绝对码道，因此需要减小绝对码道判决延时；一般情况同时调整VIH和VIL,且其值为：

此调整可理解为逐次逼近策略，其逼近程度由系数k来表示。k过大情况下可能会引入测量抖动过大，k过小会导致修正过慢，测量绝对误差大。