專利名稱：二維編碼式零位對準(zhǔn)標(biāo)記和編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種二維編碼式對準(zhǔn)標(biāo)記和編碼方法，屬于增量式測量系統(tǒng)中絕對零位的對準(zhǔn)標(biāo)記技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明的二維編碼式零位對準(zhǔn)標(biāo)記的編碼方法是標(biāo)記的光柵單元按二維方式的矩陣x11x12Λx1nx21x22Λx2nMMMMxm1xm2Λxmn]]>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)確對準(zhǔn)時(shí)，輸出最大，而兩塊標(biāo)記稍有相對偏移輸出光強(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)，在其透過光強(qiáng)與相對位移的關(guān)系圖中，會產(chǎn)生一個尖銳脈沖輸出。說明只有當(dāng)兩塊標(biāo)記完全對準(zhǔn)時(shí)，輸出最大，如相對位置稍有偏離，信號輸出會迅速下降。在標(biāo)記的二維移動中產(chǎn)生的這個尖銳脈沖輸出可被用作二維移動的高精度對準(zhǔn)標(biāo)記。這樣只要一組二維標(biāo)記和一套光電檢測系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)二維對準(zhǔn)，使結(jié)構(gòu)簡單、成本低，不會出現(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“0”或“1”光柵單元排列而成，具有多單元的平均效應(yīng)，對加工誤差不敏感，使加工容易實(shí)現(xiàn)、對準(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，使得二維對準(zhǔn)時(shí)形成的尖銳脈沖輸出范圍很窄，因而這種對準(zhǔn)標(biāo)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(shè)計(jì)的二維對準(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，光電探測器6。
圖5是圖3所示的對準(zhǔn)標(biāo)記的輸出特性圖。
由于零位光柵是由許多個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量的絕對零位，也可用于高精度，高靈敏度的對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精密定位和絕對測量。二維編碼光柵式對準(zhǔn)標(biāo)記的設(shè)計(jì)二維編碼光柵式對準(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，使兩光柵在相對移動時(shí)有一個尖銳的脈沖光強(qiáng)輸出以滿足高精度對準(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。
二維對準(zhǔn)標(biāo)記的編碼方式可以用矩陣x11x12Λx1nx21x22Λx2nMMMMxm1xm2Λxmn]]>表示，其中矩陣元xij等于“0”或“1”，m和n可以不相等?！?”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三個參數(shù)來評定標(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-1xij×xi+k,j+l}]]>(根據(jù)M的排列位置不同而不同)。指標(biāo)D反映了對準(zhǔn)標(biāo)記輸出信號的對比度及靈敏度，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表明的是對準(zhǔn)標(biāo)記的大小。編碼過程為首先，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16×16位編碼的對準(zhǔn)標(biāo)記，則N＝256，這里選定M＝64，編碼方式如下(如圖3所示) 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準(zhǔn)標(biāo)記。當(dāng)這樣編碼的兩塊相同對準(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。
3.一種二維編碼式零位對準(zhǔn)標(biāo)記的編碼方法，其特征在于標(biāo)記的光柵單元按二維方式的矩陣x11x12Λx1nx21x22Λx2nMMMMxm1xm2Λxmn]]>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。
4.據(jù)權(quán)利要求3所述的二維編碼式零位對準(zhǔn)標(biāo)記的編碼方法，其特征在于光柵編碼的自相關(guān)函數(shù)中出現(xiàn)尖銳峰值，在兩標(biāo)記準(zhǔn)確對準(zhǔn)時(shí)，輸出最大，而兩塊標(biāo)記稍有相對偏移輸出光強(qiáng)銳減，次極大光強(qiáng)峰值與主極大峰值比值≤1/4。
全文摘要
二維編碼式零位對準(zhǔn)標(biāo)記和編碼方法是增量式測量系統(tǒng)中絕對零位的對準(zhǔn)標(biāo)記和編碼方法，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式1進(jìn)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(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 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)