广义傅里叶级数投影光栅制造技术

广义傅里叶级数投影光栅，包括：灯串(1)、栅板(2)和光敏传感器(3)，其特征在于，光源夹在平行的栅板内，投射包含需要测量的位移信息的光线。多个灯串，分别经过对应的栅板后，合成一定性质的光线。合成光线的亮度在时间上，和测量方向的空间上，都呈正弦规律变化。位移信息是通过光线亮度变化的相位传递的。可以通过，增加空间上的周期分布，多次测量，提高测量精度。本实用新型专利技术的有益效果为：光栅结构简单，测量精度高，测量时间可以做到百分之一秒以下。光敏接收器不需要接触光栅。本实用新型专利技术提供的是绝对位移，而不是相对位移。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于长度线性尺寸的测量领域。
技术介绍
利用光栅测量位移，目前普遍采用以“莫尔条纹”为原理的光栅尺。这种光栅尺主要是由标尺光栅和指示光栅两个重要部分组成，另外还需要光源和光敏接收电路。工作时，标尺光栅和指示光栅形成“摩尔条纹”。“摩尔条纹”将指示光栅的微小移动放大，使得光栅尺的精度远高于光栅栅距。莫尔条纹光栅尺虽然能够获得很高的精度，但是需要两个光栅（标尺光栅和指示光栅）。为了获得指示光栅的移动方向，光栅尺需要在摩尔条纹的垂直方向上分布两个光敏传感器，根据光敏传感器变化的先后顺序，确定摩尔条纹的移动方向，从而获得指示光栅的移动方向。这些都增加了莫尔条纹光栅尺的复杂性和成本；而且因为标尺光栅和指示光栅紧靠，所以莫尔条纹光栅尺必须要求接触式测量；最后莫尔条纹光栅是通过条纹明暗变化计数，获得测量位移的，所以只能提供相对位移，不能提供绝对位移，需要事先清零才能正常工作。广义傅里叶级数：对于一元函数y=F(x)和二元函数y=G(x,s)，存在一个二元常数序列：使得等式对任意x都成立。这里的就是F(x)的广义傅里叶级数。可以简单的理解为，用多个G(x)模拟F(x)。
技术实现思路
本技术在保证精度的前提下，省去了指示光栅和一个光敏传感器，仅需一个光栅和一个光敏传感器即可获得测量点的位移，结构简单成本低。另外本技术支持非接触式测量。最后本技术还可以提供绝对测量值，而非相对测量值。本技术把光源夹在平行的栅板内，即可将光线投射出去，而且投射出去的光大体平行，就实现了非接触测量。多个投射光源的光组合在一起，就形成了投射条纹；投射光源的强度不断变化，投射条纹也不断变化。不同地方的条纹，变化方式不同，用单个光敏传感器获得条纹的变化方式，就可以获得光敏传感器所在位置的位移了。本技术在不同的地点投射频率一致，亮度一致，相位不同，随时间按正弦规律变化的光线。实际上本技术是通过相位调制的方式传递位移信息。相位在测量方向上连续变化，在一个时刻，在测量范围内的空间上，形成了正弦条纹。条纹是连续变化的，并不是亮暗跳变的01数字量。为了提高精确，每次测量分为两步。第一步投射光线的空间分布只有一个周期。这样可以获得测量点大体的位移。第二步进行相位细分。方法是把空间分布的周期增加到5个（也可以是其他数量）。两步测量结果结合在一起便得到精确的位移。算法如下：算法中P1、P2代表两次测量的相位，单位是弧度。S、s代表两次投射光强分布的空间周期，单位是毫米。n表示第二步测量时，光线空间周期的序数。Ψ、ψ代表两次的测量值，单位是毫米，其中的Ψ并不精确，ψ也不唯一。η表示Ψ和ψ最接近时n的取值。x为所求位移，单位是毫米。优选地，本技术分两步测量，还可以再多分几步，每一步空间分布的周期都有所增加，提高测量精度。另外，可以不用光敏传感器，而是对光线进行漫反射，通过摄像头获得反射光线的强度，也可以得到反射点的位移信息。优选地，这里用相位调制的方式传递位移信息，同理也通过频率调制或者幅度调制的方式传递位移信息。本技术中的相位在测量方向上连续分布，相位测量属于模拟量，在噪音足够小的情况下，可以达到很高的分辨率。而相位细分，进一步提高了测量精度。所以本技术的测量精度很高。本技术光栅结构简单，虽然测量时间较长，但是随着电子技术的发展，电子元件的速度越来越快。这就使得本技术的测量时间可以做到百分之一秒以下。另外，条纹的投射，实现了非接触测量。最后，因为在测量方向上，任意两点的条纹变化都不同，所以本技术提供的是绝对位移，而不是相对位移。附图说明图1为摩尔条纹。图中1为指示光栅，2为标尺光栅。图中W代表栅距，θ代表两个光栅的夹角。B代表摩尔条纹的宽度。这里B远大于W。图2、图3和图4为“广义傅里叶级数光栅”的结构示意图。其中1为灯串，2为栅板，3为栅板间隔，4为栅距，5为接收屏。图2为偏正面观察的透视图，图3为偏背面观察的透视图，图4为俯视图，其中只有一串灯串是亮的。图5为光线叠加示意图，其中点虚线为每个灯串的亮度，实线是实际叠加后的光线强度，短线虚线为期望叠加后的光线强度。图6和图7为两个条纹实例。图6用于第一次测量，图7用于第二次测量。具体实施方式广义傅里叶级数投影光栅，包括：灯串、栅板和光敏传感器。如图2所示，为了投射光线，本技术利用平行的光栅栅板，夹住灯串，形成大体平行的光线。也可以用光学透镜/面镜投射；或者用有夹角的光栅栅板，投射发散/汇聚的光。使用灯串是为了提高光的强度。光敏传感器距离光栅一定的距离，不接触光栅。设备实际工作时，通过设定每一个灯串的亮度，就可以获得所需要的条纹。其原理是“广义傅里叶级数”。广义傅里叶级数中的F(x)代表x处的叠加光强，是简单的正弦函数。a[i]代表第i个灯串的亮度。s代表灯串的序号。G(x,s)代表第s号灯串在x处的光强。函数G没有显示解析式，只能靠实验获得。a[i]可以通过暴力算法获得。一个光强叠加实例如图5。注意：条纹在空间上的周期和栅距并不相同，亮条纹可以出现在任何地方，甚至处在栅板的正前方，暗条纹也可以出现在栅板间隔的正前方。条纹在空间上分布的周期一般大于等于光栅栅距的5倍。当在垂直于测量方向上且垂直于光线投射方向上的小范围测量时，灯串可换成单个的发光二极管。当灯串的发光二极管，本身有聚光功能，投射光线时，可省去栅板。也可通过一块面积大于整个光栅的凸透镜投射光线，替换所有栅板。实际上光敏传感器，有一定的尺寸（直径为5毫米），并不要求光敏传感器直径一定小于测量的精度，因为光敏接收器，将信号的差异平均掉了，相应的还提高了测量的精度和稳定性。测量时，获得的测量点的相位，一般有2~3个有效数字，第二步测量时光强的空间变化周期为光栅栅距的5倍。这样测量的精度为栅距的20分之一到500分之一。可见广义傅里叶级数光栅的测量精度远大于光栅栅距，而且只有一个光栅，只有一个接收点。本实例的光栅板尺寸为200mm*200mm，有30个栅板间隔，栅距为7mm。光敏传感器可以在距离光栅前方50~500mm的范围内，获得高达0.1mm左右的测量精度。如果栅距减少，精度会更好。本文档来自技高网...

【技术保护点】
广义傅里叶级数投影光栅，包括：灯串(1)、栅板(2)和光敏传感器，其特征在于，光源夹在栅板内，投射包含位移信息的光线。

【技术特征摘要】
1.广义傅里叶级数投影光栅，包括：灯串(1)、栅板(2)和光敏传感器，其特征在于，光源夹在栅板内，投射包含位移信息的光线。2.根据权利要求1所述的广义傅里叶级数投影光栅，其特征在于，只有一个光栅，不需要指示光栅。3.根据权利要求1所述的广义傅里叶级数投影光栅，其特征在于，光敏传感器距离光栅一定的距离，而不接触光栅。4.根据权利要求1所述的广义傅里叶级数投影光栅，其特征在于，光线亮度在时间上，按正弦规律变化；光线亮度在空间上，在测量方向上，按正弦规律变化。5.根据权利要求1所述的广义傅里叶级数投...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：常兆芹，
类型：新型
国别省市：北京;11