CN113029006A - 一种基于莫尔条纹的检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于莫尔条纹的检测装置和检测方法，装置包括面阵的光源和面阵的光电探测器，光源和光电探测器相互平行设置且相对可沿自身所在平面滑移，光源和光电探测器之间还平行设置有成像透镜，光源所发出的光束经成像透镜后成像于光电探测器上，面阵的光源电连接编程控制器，以通过编程控制器控制面阵光源显示设定的内容信息；光电探测器电连接控制计算机，以通过控制计算机控制光电探测器按设定的读取区域进行信号读取，并通过控制计算机进行光电探测器所读取信号的处理。本发明通过简单的结构替换和相应方法，同样可实现莫尔条纹的位移测量应用，不再需要光栅和严格的装配工艺来保证物理结构位置，成本更低，并利于保证测量精度。

Description

一种基于莫尔条纹的检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于物理测量中以采用光学方法为特征进行计量的技术领域，具体涉及一种基于莫尔条纹的检测装置和检测方法。

背景技术

莫尔条纹图案的工程价值已被人们认可并得到应用，应用最广泛的领域是光栅的相对位移测量，也有如光栅尺之类的应用类产品，为提高测量精度，现有技术如：CN101571377A、CN102706373A、CN105627921A、CN106556342A等，也对光栅条纹、图像编码的细分和测量方法进行了研究和创新。但目前的光栅尺类应用产品对莫尔条纹的利用，可参见附图1，都是采用点光源100、透镜101、两个计量光栅（一个为标尺光栅102、一个为指示光栅103）、光电元件105的方式进行，具体为将点光源、透镜、一个计量光栅和光电元件集成为读数检测头，相对另一个计量光栅移动，点光源的光束穿过透镜，经两个计量光栅遮挡后的透射光成像在光电元件上，两计量光栅上的若干等距间隔的刻线之间有倾角θ，利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量（一维测量），即光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号，由电信号的变化实现对光栅的相对位移量的获取。

但是，计量光栅的加工制造难度较大，光栅上大量等宽等间距的平行狭缝（刻痕，1cm宽度内刻有几千条乃至上万条），需要在玻璃片或镀有金属层的表面上刻出，用精密的刻画机刻划而成或在玻璃基板上采用蒸发镀铬的光刻复制工艺得到，相邻刻划之间的距离称为光栅栅距、光栅节距或光栅常数，是位移测量的基准。计量光栅的造价高，并且进一步提高制造精度的难度也很大。另外，在作为产品装配时，两计量光栅之间的安装精度要求非常高，必须满足设计使用的装配相对位置要求，否则将严重影响产品的使用效果，这导致装配工艺复杂、操作难度较高。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于莫尔条纹的检测装置和检测方法，避免目前在基于莫尔条纹现象实现几何量的测量方面只能借助于光栅的问题，通过简单的结构替换和相应方法，实现莫尔条纹的另一种有效应用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于莫尔条纹的检测装置，包括面阵的光源和面阵的光电探测器，所述面阵的光源和光电探测器相互平行设置且相对可沿自身所在平面滑移，面阵的光源和光电探测器之间还平行设置有成像透镜，面阵的光源所发出的光束经成像透镜后成像于光电探测器上；

所述面阵的光源电连接编程控制器，以通过所述编程控制器控制面阵的光源显示设定的内容信息；

所述光电探测器电连接控制计算机，以通过所述控制计算机控制光电探测器按设定的读取区域进行信号读取，并通过所述控制计算机进行光电探测器所读取信号的处理。

进一步完善上述技术方案，所述面阵的光源为像素点距满足测量精度要求的平面的显示屏；所述光电探测器为面阵的CCD。

进一步地，面阵的光源和光电探测器之间，成像透镜至光源或光电探测器的垂直距离可调。

本发明还涉及一种基于莫尔条纹的检测方法，本方法基于上述的基于莫尔条纹的检测装置而实施，所述设定的内容信息为若干等宽等间距的条纹；所述设定的读取区域为与所述若干等宽等间距的条纹对应并可获得莫尔条纹数据的若干等宽等间距的条纹读取带；可以理解的，为了获得莫尔条纹数据，所述条纹和条纹读取带相对具有（满足测量精度要求的）倾斜角度θ以便获得莫尔条纹数据；

所述面阵的光源和光电探测器按垂直于所述条纹或条纹读取带的方向相对滑移，光电探测器读取获得莫尔条纹数据，并通过控制计算机对莫尔条纹数据的处理，可得到面阵的光源和光电探测器之间的线性位移量值。

可选择地，所述设定的内容信息为二维点阵，二维点阵中的所有点在纵横方向上为等宽等间距；所述设定的读取区域为与所述二维点阵对应并可获得莫尔条纹数据的纵横条纹网状读取带，或与所述二维点阵对应并可获得莫尔条纹数据的二维点阵读取带；可以理解的，为了获得莫尔条纹数据，所述纵横条纹网状读取带或二维点阵读取带与所述二维点阵相对具有（满足测量精度要求的）倾斜角度θ以便获得二维莫尔条纹数据；

面阵的光源和光电探测器相对滑移，光电探测器可读取获得二维的莫尔条纹数据，并通过控制计算机对二维的莫尔条纹数据的处理，可得到面阵的光源和光电探测器之间二维的相对滑移位移量值。

进一步地，所述设定的内容信息还包括一个粗测区域。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明的基于莫尔条纹的检测装置，通过面阵的光源替换类似光栅尺基础结构中的点光源和指示光栅，通过面阵的光电探测器和控制计算机替换类似光栅尺基础结构中的光电元件和标尺光栅，同样可实现莫尔条纹的有效应用，不再需要制造难度大的纯物理结构的光栅，成本更低。使用时，通过面阵的光源显示条纹或二维点阵，利用成像透镜将条纹或二维点阵成像在光电探测器上，光电探测器对应筛选读取即可，条纹、点阵的宽度、间距可以结合控制部分以及改变光源、成像透镜、光电探测器间间距来控制显示、读取，并可以变换，调节灵活、使用方便，并且，倾斜角度θ也同样是通过控制显示的方式来设定，不再需要通过严格的装配工艺来保证！可进一步降低成本，并利于保证、调节产品的使用测量精度。

本发明的具体应用时，考虑到显示屏、CCD的尺寸不宜过长、过大，可应用于较小相对位移量的测量。另外，也可以考虑应用到如自准直仪类的仪器中，借助被测面的反射光束成像于CCD上的位置变化，来进行被测面的角度变化的测量，就不需要显示屏和CCD相对移动，而是固定的，也就不需要过大的面积。其它可行应用不再详列，也不具体限制。

附图说明

图1为背景技术提及的目前应用莫尔条纹进行一维位移测量的光栅尺的结构原理图；

图2为具体实施例的一种基于莫尔条纹的检测装置的结构原理图；

图3为具体实施例的检测装置使用（检测方法）中，显示屏设定亮起条纹的示意图；

图4为具体实施例的检测装置使用（检测方法）中，CCD设定的条纹读取带的示意图；

图5为具体实施例的检测装置使用（检测方法）中，CCD筛选读取到的一维的莫尔条纹数据的示意图；

图6为以图5为基础进行了人为旋转的CCD筛选读取到的信号示意图；

图7为以图6为基础，增加了粗测区域的CCD筛选读取到的信号示意图；

图8为具体实施例的检测装置使用（检测方法）中，显示屏设定亮起二维点阵的示意图；

图9为具体实施例的检测装置使用（检测方法）中，CCD设定的纵横条纹网状读取带的示意图；

图10为具体实施例的检测装置使用（检测方法）中，CCD筛选读取到的二维的莫尔条纹数据正纹的示意图；

图11为具体实施例的检测装置使用（检测方法）中，CCD设定的二维点阵读取带的示意图；

图12为具体实施例的检测装置使用（检测方法）中，CCD筛选读取到的二维的莫尔条纹数据逆纹的示意图（增加了粗测区域）；

其中，点光源100、透镜101、标尺光栅102、指示光栅103、光电元件105、面阵的光源1，成像透镜2，光电探测器3，信号区域4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参见图2，具体实施例的一种基于莫尔条纹的检测装置，包括面阵的光源1和面阵的光电探测器3，所述面阵的光源1和光电探测器3相互平行设置且相对可沿自身所在平面滑移，面阵的光源1和光电探测器3之间还平行设置有成像透镜2，面阵的光源1所发出的光束经成像透镜2后成像于光电探测器3上。实施时，可选择将光源设在滑移载体上，光电探测器和成像透镜相对固定作为固定项，成像透镜至光电探测器的垂直距离可调，可保证将面阵光源图像按照需求比例缩放成像于光电探测器上，从而可起到调整条纹间距的作用。

所述面阵的光源1电连接编程控制器（图中未示出），以通过所述编程控制器控制面阵的光源1显示设定的内容信息；

所述光电探测器3电连接控制计算机（图中未示出），以通过所述控制计算机控制光电探测器3按设定的读取区域进行信号读取，并通过所述控制计算机进行光电探测器3所读取信号的处理。

其中，所述面阵的光源1为像素点距满足测量精度要求的平面的显示屏；所述光电探测器3为面阵的CCD。

显示屏的像素点距越小越好，例如点距为0.1245mm的显示屏，可作为优选。

本发明还提供上述检测装置的检测方法，具体使用时，通过本装置可方便地以一维或二维的方式进行测量。

一维测量为：使所述设定的内容信息为满足测量精度要求的若干等宽等间距的条纹，即显示屏按等宽等间距的条纹区域亮起，可参见图3；所述设定的读取区域为与所述若干等宽等间距的条纹对应并可获得莫尔条纹数据的若干等宽等间距的条纹读取带，其宽度和间距与显示屏显示条纹对应，可参见图4，即CCD按图示亮起（白色）区域进行筛选读取，暗的（黑色）区域舍去；如此，通过CCD可筛选读取到莫尔条纹数据，可参见图5；本实施例中，假设CCD固定，显示屏移动，显示屏亮起条纹的调节角度为0，条纹读取带与显示屏亮起条纹成夹角θ，CCD筛选读取到的莫尔条纹方向与显示屏移动方向成夹角θ/2；实施时，可通过控制计算机对提取莫尔条纹数据图像进行人为旋转角度-θ/2，参见图6，可以更方便莫尔条纹位置信息的提取。

当显示屏向沿移动方向移动一个周期T时，莫尔条纹将垂直移动方向移动一个周期，将莫尔条纹强度数据沿着条纹方向求和，可得周期性变化数据，可通过适当数学方法（如快速傅里叶变换、函数拟合等）求解周期性变化数据相位信息获得显示屏的条纹移动量，从而实现了一维的相对位移量测量，解算过程为现有技术，这里不展开叙述。当移动一个周期后，图像将重复，可通过特殊的办法对不同周期进行区别，如：可在显示屏中心设置一粗测区域（暗区），这样在CCD上会出现同样的信号区域4（暗区），可参见图7，显示屏移动时，暗区将随着显示屏一起移动，莫尔条纹移动一个周期，信号区域4将移动一个显示屏条纹间距，通过判断信号区域4的位置粗测可方便判断移动所处周期。实施时，也可将粗测区域设置为单独亮区（仅有亮区没有条纹），通过控制面阵的光源让亮区与条纹区域交替显示，提高对亮区位置判断的精度且降低亮区位置判断算法难度，通过对与亮区位置对应的信号区域4进行粗测即可，具体使用时可根据实际需要进行选择。

二维测量为：使所述设定的内容信息为满足测量精度要求的二维点阵，二维点阵中的所有点在纵横方向上为等宽等间距，即显示屏亮起显示呈等宽等间距二维点阵的亮点，可参见图8；所述设定的读取区域为与所述二维点阵对应并可获得莫尔条纹数据的纵横条纹网状读取带，纵横条纹网状读取带等宽等间距并与显示屏显示的二维点阵对应，可参见图9，即CCD按图示亮起（白色）区域进行筛选读取，暗的（黑色）区域舍去；如此，通过CCD可筛选读取到二维的莫尔条纹的正纹数据，可参见图10（同上进行了人为旋转角度以便信息的提取）；

面阵的光源和光电探测器发生相对滑移时，可通过控制计算机结合莫尔条纹强度数据的变化，对二维的莫尔条纹数据进行处理，沿着二维点阵的运动方分别进行X、Y向的求和可得到X、Y向周期性变化的强度数据，进而求得光源和光电探测器之间二维的相对滑移位移量值。

在二维测量时，所述设定的读取区域也可以是与所述二维点阵对应并可获得莫尔条纹数据的二维点阵读取带，二维点阵读取带的各读取点等宽等间距并与显示屏显示的二维点阵对应，可参见图11，即CCD按图示亮起（白色）区域进行筛选读取，暗的（黑色）区域舍去；如此，通过CCD可筛选读取到二维的莫尔条纹的逆纹数据，可参见图12（同上进行了人为旋转角度以便信息的提取）；与前述正纹的处理原理不变，同样可以通过控制计算处理得到光源和光电探测器之间二维的相对滑移位移量值。

可以理解的，为了获得莫尔条纹数据，所述纵横条纹网状读取带或二维点阵读取带与所述二维点阵相对具有倾斜角度θ以便获得二维莫尔条纹数据。

测量时，如前所述，CCD所获得得莫尔条纹强度数据呈周期性变化，其周期T可通过预先设定的条纹间距、条纹倾斜角度θ计算得到，也可通过对数据进行傅里叶变换计算得到，每经过一个周期T后，强度数据又回到原样并重复。当光源和光电探测器之间的位移量大于T时，因强度数据的原样重复，给识别和位移量的测量带来不便，需要叠加周期数对应的位移，如果在显示屏上预设显示一个粗测区域，粗测区域可以是亮斑或暗区，CCD上可获取对应的信号区域4，请继续参见图12，就可以方便地确定位移对应的周期，从而达到粗侧的目的，简化测量计算过程，提高测量结果准确度。

实施时，粗测区域只要能表征出现在所测数据所处周期即可，即只需要能实现对T的分辨精度。若设定莫尔条纹的放大倍数为10倍、CCD像素间距2微米，通过计算就能实现0.1像素的莫尔条纹移动测量精度，对应可实现20nm的位移量测量精度。

实施时，二维点阵中的所有点在纵横方向上为等宽等间距，二维点阵宽度、间距可根据测量精度要求进行设定，例如，采用显示屏像素点距为0.1245mm，CCD像素点距为2μm，假设显示屏二维点阵间距为4个显示屏像素点距（0.498mm），通过成像透镜显示屏在CCD成像缩小到1/6，像点距变为0.083mm，对应CCD上41.5个像素（实际操作时可适当调整显示屏、成像透镜、CCD间距实现不同点距，比如刚好为CCD像素点距整数倍)，通过设定θ为2.86°约0.05rad，则莫尔条纹间距约为1.66mm，显示屏与CCD相对位置移动量为0.083mm时，莫尔条纹移动1.66mm，若莫尔条纹位置移动测量精度为1μm，则显示屏与CCD相对位置移动可实现50nm测量精度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于莫尔条纹的检测装置，其特征在于：包括面阵的光源和面阵的光电探测器，所述面阵的光源和光电探测器相互平行设置且相对可沿自身所在平面滑移，面阵的光源和光电探测器之间还平行设置有成像透镜，面阵的光源所发出的光束经成像透镜后成像于光电探测器上；

所述面阵的光源电连接编程控制器，以通过所述编程控制器控制面阵的光源显示设定的内容信息；

所述光电探测器电连接控制计算机，以通过所述控制计算机控制光电探测器按设定的读取区域进行信号读取，并通过所述控制计算机进行光电探测器所读取信号的处理。

2.根据权利要求1所述一种基于莫尔条纹的检测装置，其特征在于：所述面阵的光源为平面的显示屏；所述光电探测器为面阵的CCD。

3.根据权利要求1所述一种基于莫尔条纹的检测装置，其特征在于：面阵的光源和光电探测器之间，成像透镜至光源或光电探测器的垂直距离可调。

4.一种基于莫尔条纹的检测方法，其特征在于：本方法基于权利要求1-3中任一项所述的一种基于莫尔条纹的检测装置而实施，所述设定的内容信息为若干等宽等间距的条纹；所述设定的读取区域为与所述若干等宽等间距的条纹对应并可获得莫尔条纹数据的若干等宽等间距的条纹读取带；

所述面阵的光源和光电探测器按垂直于所述条纹或条纹读取带的方向相对滑移，光电探测器读取获得莫尔条纹数据，并通过控制计算机对莫尔条纹数据的处理，可得到面阵的光源和光电探测器之间的线性位移量值。

5.一种基于莫尔条纹的检测方法，其特征在于：本方法基于权利要求1-3中任一项所述的一种基于莫尔条纹的检测装置而实施，所述设定的内容信息为二维点阵，二维点阵中的所有点在纵横方向上为等宽等间距；所述设定的读取区域为与所述二维点阵对应并可获得莫尔条纹数据的纵横条纹网状读取带，或与所述二维点阵对应并可获得莫尔条纹数据的二维点阵读取带；

面阵的光源和光电探测器相对滑移，光电探测器可读取获得二维的莫尔条纹数据，并通过控制计算机对二维的莫尔条纹数据的处理，可得到面阵的光源和光电探测器之间二维的相对滑移位移量值。

6.根据权利要求4或5所述一种基于莫尔条纹的检测方法，其特征在于：所述设定的内容信息还包括一个粗测区域。

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