CN110207596B - 一种图像编码方法、光栅尺测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种图像编码方法，包括：在基板上刻画等间距增量式栅线；设置各个目标栅线为间隔预设距离的多个子栅线；采用伪随机编码将绝对位置信息编码到码道中，并获取包括绝对式信号和增量式信号的编码信息。可见，本申请能够将接收到绝对式信号和增量式信号集成的编码信息，在单个码道上实现了绝对位置信息的采集和细分所用的增量式码道信息的采集，解决了现有的绝对式光栅尺码道过多，无法运用单个图像传感器进行码道信息采集的问题，避免了多轨光栅制造的低成品率，同时降低了制造成本，提高了图像信息采集的速度，提高编码的测量精度的单轨绝对光栅尺。本申请同时提供了光栅尺测量装置和光栅尺测量装置的测量方法，均具有上述有益效果。

Description

一种图像编码方法、光栅尺测量装置和测量方法

技术领域

本申请涉及光栅尺技术领域，特别涉及一种图像编码方法、光栅尺测量装置和光栅尺测量装置的测量方法。

背景技术

光栅尺是超精密技术领域的重要保证，它涉及光学、机械、电子、软件及硬件技术，广泛应用于制造、医疗、军事等领域，可以极大提高生产中的操作精度及效率，例如用于CCD测量仪、工具显微镜、投影仪等，又例如，作为数控机床核心零部件之一的光栅尺，对保障机床的各项性能指标起到决定性作用。在现代机加行业中，大多采用光栅传感器来进行位置反馈装置。由于光栅尺能够对系统实行全闭环控制，降低滚珠丝杠热变形等原因引起的误差，提高加工精度，所以目前中高档数控系统越来越多地采用光栅尺作为线位移反馈元件。

相关技术中的测量装置包括光栅尺、光学放大系统、图像采集模块和信号处理模块，光栅尺上设有多个编码轨道，各编码轨道均包括多个均匀地呈周期排列的光栅条纹，且各编码轨道分别具有不同周期，光学放大系统用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块上，图像采集模块用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块，信号处理模块用于对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。但是在光栅主体上设置了三条码道，增加了光栅编码器的体积，与单码道相比，该发明图像采集模块所采集的数据量较大，给后续的解码电路带来了难度。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种图像编码方法、光栅尺测量装置和光栅尺测量装置的测量方法，能够避免了多轨光栅制造的低成品率，同时降低了制造成本，提高了图像信息采集的速度，提高测量精度。其具体方案如下：

本申请提供一种图像编码方法，包括：

在基板上刻画等间距增量式栅线；

设置各个目标栅线为间隔预设距离的多个子栅线；

采用伪随机编码将绝对位置信息编码到码道中，并获取包括绝对式信号和增量式信号的编码信息。

可选的，所述基板是玻璃基板。

本申请提供一种光栅尺测量装置，包括：

光栅尺、光学放大系统、图像采集模块、A/D转换模块、信号处理模块，所述光栅尺上设置有如上述的图像编码方法制备得到的编码轨道。

可选的，所述图像采集模块是线阵CMOS图像传感器。

可选的，所述图像采集模块是线阵CCD图像传感器。

可选的，所述光栅尺还包括温度传感器。

本申请提供一种光栅尺测量装置的测量方法，包括：

将光栅尺安装在待测物体上，并驱动待所述测物体进行移动；

光学放大系统收集所述光栅尺上的编码轨道透射的光线，使会聚到图像采集模块上，其中，所述编码轨道是利用如上述图像编码方法制备得到的编码轨道；

所述图像采集模块采集到所述光线对应的光信号后，获得当前测量位置的模拟图像并发送到A/D转换模块；

所述A/D转换模块将所述模拟图像转化为数字图像信号，并发送到信号处理模块；

所述信号处理模块对所述数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，进而组合获得位置测量值。

可选的，所述信号处理模块对所述数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，包括：

所述信号处理模块对所述数字图像信号对应的图像块进行轮廓检测和二值化处理，获得所述增量移动值；

所述信号处理模块按照等间距规律取出代表绝对位置信息的绝对码，并进行二值化处理，获得绝对位置信号，将绝对位置信号与预设的编码数据库进行比对后，获得所述绝对位置值。

可选的，所述信号处理模块对所述数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，进而组合获得位置测量值，包括：

所述信号处理模块对所述数字图像信号进行处理，分别获得所述增量移动值及所述绝对位置值；

对所述增量移动值及所述绝对位置值进行校正，得到对应的校正后的增量移动值和校正后的绝对位置值；

根据所述校正后的增量移动值和所述校正后的绝对位置值进行组合，得到所述位置测量值。

本申请提供一种图像编码方法，包括：在基板上刻画等间距增量式栅线；设置各个目标栅线为间隔预设距离的多个子栅线；采用伪随机编码将绝对位置信息编码到码道中，并获取包括绝对式信号和增量式信号的编码信息。

可见，本申请能够将接收到绝对式信号和增量式信号集成的编码信息，在单个码道上实现了绝对位置信息的采集和细分所用的增量式码道信息的采集，解决了现有的绝对式光栅尺码道过多，无法运用单个图像传感器进行码道信息采集的问题，避免了多轨光栅制造的低成品率，同时降低了制造成本，提高了图像信息采集的速度，提高编码的测量精度的单轨绝对光栅尺。本申请同时提供了光栅尺测量装置和光栅尺测量装置的测量方法，均具有上述有益效果，不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种图像编码方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种单码道局部放大图；

图3为本申请实施例提供的一种单码道示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种光栅尺测量装置的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的绝对式光栅尺原理图；

图6为本申请实施例提供的种光栅尺测量装置的测量方法。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相关技术中的测量装置在光栅主体上设置了三条码道，增加了光栅编码器的体积，与单码道相比，该发明图像采集模块所采集的数据量较大，给后续的解码电路带来了难度。基于上述技术问题，本实施例提供一种图像编码方法，通过够将接收到绝对式信号和增量式信号集成的编码信息，在单个码道上实现了绝对位置信息的采集和细分所用的增量式码道信息的采集，解决了现有的绝对式光栅尺码道过多，无法运用单个图像传感器进行码道信息采集的问题，避免了多轨光栅制造的低成品率，同时降低了制造成本，提高了图像信息采集的速度，提高编码的测量精度的单轨绝对光栅尺，具体请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种图像编码方法的流程图，具体包括：

S101、在基板上刻画等间距增量式栅线。

本实施例在基板上刻画栅线，采用将绝对位置信息复合到等宽的栅线的方式，设计了一种能够将接收到绝对式信号和增量式信号集成的编码信息，在单个码道上实现了绝对位置信息的采集和细分所用的增量式码道信息的采集。本实施例不对间距进行限定，用户可自定义设置。

本实施例不对玻璃基板的材质进行限定，可以是玻璃基板或者玻璃陶瓷基板，只要是能够实现本实施例的目的即可。优选的，基板是玻璃基板。

S102、设置各个目标栅线为间隔预设距离的多个子栅线。

S103、采用伪随机编码将绝对位置信息编码到码道中，并获取包括绝对式信号和增量式信号的编码信息。

在基板上刻画等间距增量式栅线，同时栅线内部可设置为中空形式即设置各个目标栅线为间隔预设距离的多个子栅线。本实施例不对预设间隔进行限定，用户可自定义设置，也不对子栅线的个数进行限定，只要是能够实现本实施例的目的即可。例如，增量式栅线的宽度尺寸为a，当子栅线个数是2个时，子栅线的宽度尺寸为b，即如图2、图3所示，图2为本申请实施例提供的一种单码道局部放大图，图3为本申请实施例提供的一种单码道示意图。增量式栅线的宽度尺寸为a，当子栅线个数是3个时，子栅线的宽度尺寸为c，此时3个子栅线间的距离要求任意两个的距离在距离码中是不重复的，保证唯一性。

以子栅线个数是2个为例，在进行增量式测量时，可以通过图像传感器采集的码道信息，进行整体图像的轮廓检测，此时的码道相当于增量式码道。

当采集绝对位置信息的时候，将采集的数字图像信息，进行A/D转换，按照等间距规律取出计算绝对位置信息的绝对码。此时，单个编码宽度为a代表1，出现两个单个编码宽度为b代表0，与预设的编码数据库比对后，对应获得位置值。在进行编码时，采用伪随机编码将绝对位置信息编码到码道中，线阵CMOS传感器采集到的码道信息进行采集时可以通过后期的图像处理进行解码。当此光栅尺系统开始工作时，首先，将采集到的码道信息进行解码可得到此时的光栅尺绝对位置信息，在进行测量时，可通过计算此时光栅条纹的个数实现粗码检测，计算出此时的光栅尺移动距离，同时与码道的绝对位置信息作对比，可以实现光栅测量的自校正，如果增量信息与绝对位置信息得出的结果相差较大，则此次测量结果有误。首次上电时通过读取位置编码来获取绝对位置信息，随后即可以对增量码道进行计数、细分来进行位置计算，绝对码道可以间歇性的进行较检，而不必参与到每一次位置信息的获取中去，这样就大幅度减少了位置信息的获取实时性。

基于上述技术方案，本实施例能够将接收到绝对式信号和增量式信号集成的编码信息，在单个码道上实现了绝对位置信息的采集和细分所用的增量式码道信息的采集，解决了现有的绝对式光栅尺码道过多，无法运用单个图像传感器进行码道信息采集的问题，避免了多轨光栅制造的低成品率，同时降低了制造成本，提高了图像信息采集的速度，提高编码的测量精度的单轨绝对光栅尺。

下面对本申请实施例提供的一种光栅尺测量装置进行介绍，下文描述的光栅尺测量装置与上文描述的图像编码方法可相互对应参照，参考图4，图4为本申请实施例所提供的一种光栅尺测量装置的结构示意图，包括：

光栅尺410、光学放大系统420、图像采集模块430、A/D转换模块440、信号处理模块450，光栅尺410上设置有如上述的图像编码方法制备得到的编码轨道。

光学放大系统420用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块430上，编码轨道是如上述的图像编码方法制备得到的编码轨道。

图像采集模块430用于采集到光线对应的光信号后，获得当前测量位置的模拟图像并发送到A/D转换模块440；

A/D转换模块440用于将模拟图像转化为数字图像信号，并发送到信号处理模块450；

信号处理模块450用于对对数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，进而组合获得位置测量值；进一步的，还可以用于数字图像信号进行处理后分别获得增量位置值及绝对位置值进而组合获得绝对位置测量值并与增量值进行校正，同时为后续细分提供基础。

光栅尺按其工作原理可分为增量光栅尺和绝对光栅尺。增量式光栅尺的测量原理是将光通过两个相对运动的光栅调制成摩尔条纹，通过对摩尔条纹进行计数、细分后得到位移变化量，并通过在标尺光栅上设定一个或是多个参考点来确定绝对位置；绝对式光栅尺的测量原理是在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道，读数头通过读取当前位置的编码可以得到绝对位置。绝对光栅尺具有断电无需复位归零，且无累计误差的优点；绝对光栅尺一方面使机床的精度提高并降低制造成本，另一方面可以使机床的辅助时间更短，机床发生故障后重启的时间段，使机床尽可能更快的处于工作状态，提高了工作效率，因此更加受到市场的青睐。绝对光栅尺可以通过多种编码方式实现，其中单轨技术能使绝对光栅尺的编码方法简单化。线阵CMOS图像传感器只检测代表绝对位置信息的码道，虽然也是二维图象，但极长，几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。为后期的快速图像处理和快速解码提供了可能，缩短了绝对位置信息的处理时间，可以实时的将位置信息反馈到系统中。驱动线阵CMOS图像器采集绝对码图像信息，获取高速、高分辨率、动态图像信息，并用DSP模块进行解码处理，是绝对光栅尺整体性能更加稳定可靠、读数精度更高。具体请参考图5，图5为本申请实施例提供的绝对式光栅尺原理图。

解决了现有的绝对式光栅尺码道过多，无法运用单个图像采集模块430进行码道信息采集的问题，避免了多轨光栅制造的低成品率，同时降低了制造成本，提高了图像信息采集的速度，提高编码的测量精度的单轨绝对光栅尺。

在一些具体的实施例中，图像采集模块430是线阵CMOS图像传感器。

在一些具体的实施例中，图像采集模块430是线阵CCD图像传感器。

在一些具体的实施例中，光栅尺410还包括温度传感器。针对由于温度引起的被测物体的尺寸误差进行校正，以保证测量数据的准确性。

请参考图6，图6为本申请实施例提供的一种光栅尺测量装置的测量方法，包括：

S601、将光栅尺安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动。

S602、光学放大系统收集光栅尺上的编码轨道透射的光线，使会聚到图像采集模块上，其中，编码轨道是利用如上述图像编码方法制备得到的编码轨道。

S603、图像采集模块采集到光线对应的光信号后，获得当前测量位置的模拟图像并发送到A/D转换模块。

S604、A/D转换模块将模拟图像转化为数字图像信号，并发送到信号处理模块。

S605、信号处理模块对数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，进而组合获得位置测量值。

在一些具体的实施例中，信号处理模块对数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，包括：

信号处理模块对数字图像信号对应的图像块进行轮廓检测和二值化处理，获得增量移动值；

信号处理模块按照等间距规律取出代表绝对位置信息的绝对码，并进行二值化处理，获得绝对位置信号，将绝对位置信号与预设的编码数据库进行比对后，获得绝对位置值。

具体的，按照等间距规律取出代表绝对位置信息的绝对码，并进行二值化处理，此时，单个编码宽度为a代表1，出现两个单个编码宽度为b代表0，获得绝对位置信号，将绝对位置信号与预设的编码数据库进行比对后，获得绝对位置信息。

在一些具体的实施例中，信号处理模块对数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，进而组合获得位置测量值，包括：

信号处理模块对数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值；

对增量移动值及绝对位置值进行校正，得到对应的校正后的增量移动值和校正后的绝对位置值；

根据校正后的增量移动值和校正后的绝对位置值进行组合，得到位置测量值。

基于上述技术手段，本实施例操作简单，通过设计合适的成像光学系统采集绝对/增量集成模式的图像，基于单个编码光栅的轮廓检测和单个编码光栅的宽度检测，使得分离绝对式信号和增量式信号成为可能，可以实现单个线阵CMOS传感器同时采集绝对位置信息和增量信息。

本例只是将本发明提出的一种图像编码方法，基于单码道，还有其他的替代方案：对图像采集模块进行重新布局，以及对光栅重新布置，而没有放弃采用本发明提出的编码方法的行为都视为本发明的替代方案。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的一种一种图像编码方法、光栅尺测量装置和光栅尺测量装置的测量方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光栅尺测量装置，其特征在于，包括：

光栅尺、光学放大系统、图像采集模块、A/D转换模块、信号处理模块，所述光栅尺上设置有图像编码方法制备得到的编码轨道；

所述图像编码方法包括：在基板上刻画等间距增量式栅线；

设置各个目标栅线为间隔预设距离的多个子栅线；所述子栅线间的距离要求任意两个的距离在距离码中是不重复的；

采用伪随机编码将绝对位置信息编码到码道中，并获取包括绝对式信号和增量式信号的编码信息；

所述栅线内部设置为中空形式即设置各个所述目标栅线为间隔预设距离的多个所述子栅线；

将采集到的码道信息进行解码，得到光栅尺绝对位置信息，在进行测量时，通过计算此时光栅条纹的个数实现粗码检测，计算出此时的光栅尺移动距离，同时与码道的绝对位置信息作对比，实现光栅测量的自校正，如果增量信息与绝对位置信息得出的结果相差较大，则此次测量结果有误；且，首次上电时通过读取位置编码来获取绝对位置信息，随后即可以对增量码道进行计数、细分来进行位置计算，绝对码道可以间歇性的进行较检。

2.根据权利要求1所述的光栅尺测量装置，其特征在于，所述图像采集模块是线阵CMOS图像传感器。

3.根据权利要求1所述的光栅尺测量装置，其特征在于，所述图像采集模块是线阵CCD图像传感器。

4.根据权利要求1所述的光栅尺测量装置，其特征在于，所述光栅尺还包括温度传感器。

5.一种光栅尺测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

将光栅尺安装在待测物体上，并驱动待所述测物体进行移动；

光学放大系统收集所述光栅尺上的编码轨道透射的光线，使会聚到图像采集模块上，其中，所述编码轨道是利用图像编码方法制备得到的编码轨道；

所述图像采集模块采集到所述光线对应的光信号后，获得当前测量位置的模拟图像并发送到A/D转换模块；

所述A/D转换模块将所述模拟图像转化为数字图像信号，并发送到信号处理模块；

所述信号处理模块对所述数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，进而组合获得位置测量值；所述图像编码方法包括：在基板上刻画等间距增量式栅线；

设置各个目标栅线为间隔预设距离的多个子栅线；所述子栅线间的距离要求任意两个的距离在距离码中是不重复的；

采用伪随机编码将绝对位置信息编码到码道中，并获取包括绝对式信号和增量式信号的编码信息；

所述栅线内部设置为中空形式即设置各个所述目标栅线为间隔预设距离的多个所述子栅线；

将采集到的码道信息进行解码，得到光栅尺绝对位置信息，在进行测量时，通过计算此时光栅条纹的个数实现粗码检测，计算出此时的光栅尺移动距离，同时与码道的绝对位置信息作对比，实现光栅测量的自校正，如果增量信息与绝对位置信息得出的结果相差较大，则此次测量结果有误；且，首次上电时通过读取位置编码来获取绝对位置信息，随后即可以对增量码道进行计数、细分来进行位置计算，绝对码道可以间歇性的进行较检。

6.根据权利要求5所述的光栅尺测量装置的测量方法，其特征在于，所述信号处理模块对所述数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，包括：

所述信号处理模块对所述数字图像信号对应的图像块进行轮廓检测和二值化处理，获得所述增量移动值；

所述信号处理模块按照等间距规律取出代表绝对位置信息的绝对码，并进行二值化处理，获得绝对位置信号，将绝对位置信号与预设的编码数据库进行比对后，获得所述绝对位置值。

7.根据权利要求5所述的光栅尺测量装置的测量方法，其特征在于，所述信号处理模块对所述数字图像信号进行处理，分别获得增量移动值及绝对位置值，进而组合获得位置测量值，包括：

所述信号处理模块对所述数字图像信号进行处理，分别获得所述增量移动值及所述绝对位置值；

对所述增量移动值及所述绝对位置值进行校正，得到对应的校正后的增量移动值和校正后的绝对位置值；

根据所述校正后的增量移动值和所述校正后的绝对位置值进行组合，得到所述位置测量值。

Images