CN104459677A - 一种复合游标式光栅及其测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合游标式光栅及其测距系统，一种复合游标式光栅，其特征在于，包括自上而下的游标主尺光栅、主副光栅分界结构和游标副尺光栅，所述游标主尺光栅和游标副尺光栅均是等长度的长光栅且其中一个的线纹密度是N条/mm，另一个的线纹密度是（N-1）条/mm。由于采用光栅线纹相差1条的复合游标式光栅，使得光栅的两个频谱产生一个微小的差分，从而在不提高光栅线纹的情况下提高了光栅的细分，使得测量精度提高，结构简单更实用。

Description

一种复合游标式光栅及其测距系统

技术领域

本发明涉及一种复合游标式光栅及其测距系统。

背景技术

光栅技术目前已广泛应用于精密测长、测角等光电仪器中。一般激光测量方式主要是利用激光测距仪测量，主要有两种，脉冲法和相位法。脉冲法通过测量激光器发出光脉冲的时刻和光脉冲到达目标并由目标返回接收机的时间差计算出目标距离。相位法是利用发射连续激光信号和接收信号之间的相位差所含有的距离信息来实现对目标距离的测量。

传统的光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，此种结构测距精度不高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种复合游标式光栅及其测距系统，具有非接触、精度高、结构简单、方便测量的优点。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种复合游标式光栅，其特征在于，包括自上而下的游标主尺光栅、主副光栅分界结构和游标副尺光栅，所述游标主尺光栅和游标副尺光栅均是等长度的长光栅且其中一个的线纹密度是N条/mm，另一个的线纹密度是(N-1)条/mm。

一种基于复合游标式光栅的测距系统，包括激光光源和设置在待测物体一侧的CCD，在激光光源和待测物体之间顺次设置有透射光栅、滤波器，其特征在于，在待测物体和滤波器之间还设置有复合游标式光栅，所述复合游标式光栅包括自上而下的游标主尺光栅、主副光栅分界结构和游标副尺光栅，所述游标主尺光栅和游标副尺光栅均是等长度的长光栅且其中一个的线纹密度是N条/mm，另一个的线纹密度是(N-1)条/mm，激光依次经透射光栅、滤波器、复合游标式光栅衍射到待测物体并通过CCD获得最终衍射频谱图像。

复合游标式光栅基于游标原理，由两种线纹密度相差1条/mm的光栅复合组成，在不提高光栅线纹的情况下，提高测距精度。

本发明的有益效果是：一种复合游标式光栅及其测距系统，由于采用光栅线纹相差1条的复合游标式光栅，使得光栅的两个频谱产生一个微小的差分，从而在不提高光栅线纹的情况下提高了光栅的细分，使得测量精度提高，结构简单更实用。具有非接触、精度高、结构简单、方便测量的优点。

附图说明

图1是本发明一种复合游标式光栅的结构示意图；

图2是本发明基于复合游标式光栅的测距系统的结构示意图；

附图的标记含义如下：

1：主副光栅分界线；2：游标主尺光栅；3：游标副尺光栅；4：激光光源；5：透射光栅；6：滤波器；7：复合游标式光栅；8：待测物体的一个平面；9：CCD。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，是一种复合游标式光栅7的结构示意图，包括自上而下的游标主尺光栅2、主副光栅分界结构和游标副尺光栅3，这里为了便于区分将上下复合的两个光栅分别称之为游标主尺光栅2和游标副尺光栅3，图1中的横向即是主副光栅分界结构，比如可以是呈线状的主副光栅分界线1，也可以是其他不透明部件，起到分隔作用。

所述游标主尺光栅2和游标副尺光栅3均是等长度的长光栅，其中长光栅即表示光栅的线纹相互平行，各线纹之间距离(即栅距)相等。游标主尺光栅2和游标副尺光栅3中的一个的线纹密度是N条/mm，另一个的线纹密度是(N-1)条/mm，其中N是正整数。由图1可以看出：游标主尺光栅2和游标副尺光栅3沿水平方向的长度相同，且游标主尺光栅2的线纹密度是(N-1)条/mm，游标副尺光栅3的线纹密度是N条/mm。

一种基于复合游标式光栅7的测距系统，如图2所示，包括激光光源4和设置在待测物体一侧的CCD9，其中激光光源4可以是半导体激光器。在激光光源4和待测物体之间顺次设置有透射光栅5、滤波器6，在待测物体和滤波器6之间还设置有复合游标式光栅7，其中复合游标式光栅7的具体结构参见上述文字描述和图1，在此不再赘述。

需说明的是，优选待测物体包含有至少一个平面，因为平面结构可以保证测距结构的精确度，如果待测物体表面没有平面结构，则误差较大，因此基于复合游标式光栅7的测距系统适用于至少有一个平面结构的物体的距离测量。

激光依次经透射光栅5、滤波器6、复合游标式光栅7衍射到待测物体并通过CCD9获得最终衍射频谱图像，CCD9记录复合游标式光栅7的频谱。其中，优选滤波器6用于获得经透射光栅5后的衍射光谱的±1级光谱，可以通过在滤波器6上开孔，也可以是任何局部透光元件。激光通过透射光栅5的第一次衍射后，被滤波器6过滤后，对±1级光谱分别通过复合游标式光栅7的游标主尺光栅2和游标副尺光栅3进行二次衍射，两束对称的光通过复合游标式光栅7后，由衍射原理可知，复合游标式光栅7会产生两种频谱图，且两个光栅的光谱级次会产生一定的错位，通过测量复合游标式光栅7所形成的两个光谱某一级次的错位差值，通过公式计算便可得出复合游标式光栅7与待测物体的一个平面8之间的距离，可以是手工计算，也可以利用计算单元进行计算，当使用计算单元进行计算式，CCD9获得最终衍射频谱图像并传送给计算单元进行图像处理和计算。

为便于理解本发明，首先对复合游标式光栅7的原理进行补充说明。

对于复合游标式光栅7的频谱，光栅方程可由下式来表达:

d_ix_i/l＝mλ，

式中，d_i代表光栅的周期，m为频谱级次，λ代表激光的波长，x_i代表频谱级次的位置，i＝1,2分别代表复合游标式光栅7的游标主尺光栅2和游标副尺光栅3部分，l代表复合游标式光栅7与待测物体的一个平面8之间的距离。

以激光通过复合游标式光栅7进行衍射后的1级谱为例：

游标主尺光栅2部分：

x₁＝λl/d₁。

游标副尺光栅3部分：

x₂＝λl/d₂。

上两式相减：

$\mathrm{\Δx}=x_1-x_2=(\frac{1}{d_1}-\frac{1}{d_2})\mathrm{\λl}.$

当游标主尺光栅2和游标副尺光栅3的线纹数分别为n和(n-1)时，d₁＝1/n,d₂＝1/(n-1)时，可得：

$l=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λ}[n-(n-1)]}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λ}}$

由上式可知，相对于用一块普通光栅测衍射谱来测量相同距离的情况，用复合游标式光栅7进行测量提高了精度。

当采用高阶频谱m级次时:

$l=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{m\λ}[n-(n-1)]}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{m\λ}}$

由上述可知，当采取更高阶的谱进行测量时，精确度会进一步提高，但受制与更高级次谱光强更弱的缘故，级次也不能太高，否则不适合CCD9拍摄频谱图后计算单元进行图像数字处理。

由于采用光栅线纹相差1条的复合游标式光栅7，使得光栅的两个频谱产生一个微小的差分，从而在不提高光栅线纹的情况下提高了光栅的细分，使得测量精度提高，结构简单更实用。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种复合游标式光栅，其特征在于，包括自上而下的游标主尺光栅(2)、主副光栅分界结构和游标副尺光栅(3)，所述游标主尺光栅(2)和游标副尺光栅(3)均是等长度的长光栅且其中一个的线纹密度是N条/mm，另一个的线纹密度是(N-1)条/mm。

2.一种基于复合游标式光栅的测距系统，包括激光光源(4)和设置在待测物体一侧的CCD(9)，在激光光源(4)和待测物体之间顺次设置有透射光栅(5)、滤波器(6)，其特征在于，在待测物体和滤波器(6)之间还设置有复合游标式光栅(7)，所述复合游标式光栅(7)包括自上而下的游标主尺光栅(2)、主副光栅分界结构和游标副尺光栅(3)，所述游标主尺光栅(2)和游标副尺光栅(3)均是等长度的长光栅且其中一个的线纹密度是N条/mm，另一个的线纹密度是(N-1)条/mm，激光依次经透射光栅(5)、滤波器(6)、复合游标式光栅(7)衍射到待测物体并通过CCD(9)获得最终衍射频谱图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合游标式光栅的测距系统，其特征在于，所述激光光源(4)是半导体激光器。

4.根据权利要求3所述的一种基于复合游标式光栅的测距系统，其特征在于，所述滤波器(6)用于获得经透射光栅(5)后的衍射光谱的±1级光谱。

5.根据权利要求4所述的一种基于复合游标式光栅的测距系统，其特征在于，所述CCD(9)与计算单元相连。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的一种基于复合游标式光栅的测距系统，其特征在于，所述待测物体包含有至少一个平面。