[发明专利]基于CMOS的光栅位移测量系统及其测量方法

摘要

本发明公开了一种基于CMOS的光栅位移测量系统，包括标尺光栅、线阵CMOS图像传感器、数字信号处理系统，标尺光栅可相对于线阵CMOS图像传感器沿标尺光栅的长度方向往复移动，线阵CMOS图像传感器与数字信号处理系统连接，标尺光栅上刻有平行等距栅线，线阵CMOS图形传感器设置有形成线形感光区域的线形感光芯片阵列，线形感光芯片阵列的感光方向朝向所述栅线，所述线形感光芯片阵列的线形长度方向与所述栅线的长度方向存在夹角θ，以使同一时刻至少有两条栅线在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光区域中成像。本发明还公开了一种采用上述测量系统进行测量的方法。本发明兼顾高速和高精度的测量要求，并且成本较低，适用于高速高精密的位移测量领域。

主权项

1.一种基于CMOS的光栅位移测量方法，采用基于CMOS的光栅位移测量系统进行测量，所述基于CMOS的光栅位移测量系统包括标尺光栅(1)、线阵CMOS图像传感器(2)、数字信号处理系统，所述标尺光栅(1)可相对于线阵CMOS图像传感器(2)沿标尺光栅(1)的长度方向往复移动，所述线阵CMOS图像传感器(2)与数字信号处理系统连接，所述标尺光栅(1)上刻有平行等距栅线(101)，所述线阵CMOS图形传感器设置有形成线形感光区域的线形感光芯片阵列(201)，所述线形感光芯片阵列(201)的感光方向朝向所述栅线(101)，所述线形感光芯片阵列(201)的线形长度方向与所述栅线(101)的长度方向存在夹角θ，以使同一时刻至少有两条栅线(101)在所述线阵CMOS图像传感器(2)的线形感光区域中成像，其特征在于：所述测量方法包括如下步骤：S1.在照明光源的均匀背景光照射下，所述线阵CMOS图像传感器获取所述标尺光栅上N(N≥2)条栅线的像；S2.所述数字信号处理系统对步骤S1中获得N条栅线的像进行图像二值化处理后，获得N条栅线像在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的像素感光芯片位置信息；S3.对步骤S2获得各条栅线像的像素感光芯片位置信息单独进行加权处理操作，获得每条栅线像的感光芯片加权位置P‑i(i＝1,2,3,..,N)，其中i按照栅线像在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列的出现位置顺次排序；S4.通过步骤S2、S3获得测量起始位置处的N条栅线像的初始感光芯片加权位置P0_i(i＝1,2,3,..,N)；所述数字信号处理系统记录所述N个所述感光芯片加权位置P0_i(i＝1,2,3,..,N)作为测量区间端点，所述的N个测量区间端点将所述线阵CMOS图像传感器的线形感光阵列划分出N‑1个测量区间Int_i(i＝1,2,3..,N‑1)，其中相邻的两个测量区间端点之间部分为1个测量区间；S5.根据步骤S2‑S3所获得的连续时刻点上N个栅线像的感光芯片加权位置在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的状态变化，获得栅线像的感光芯片加权位置在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的移动方向，并进而判断并获取所述线阵CMOS图像传感器与所述标尺光栅之间的相对运动方向；S6.所述数字处理系统依据步骤S5获得栅线像的感光芯片加权位置CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的移动方向，检测所述栅线像的感光芯片加权位置在所述步骤S4所述测量区间中的移入移出状态；所述数字信号处理系统每检测到一次所述栅线像的感光芯片加权位置从所述步骤S4所述测量区间中移入移出，就触发一次其内部栅距计数器，并依据所述栅线像的感光芯片加权位置CMOS图像传感器的线形感光芯片阵列上的移动方向不同，对所述内部栅距计数进行加1或减1操作；S7.所述栅线像的感光芯片加权位置位于步骤S4所述测量区间中时，所述数字信号处理系统根据步骤S5获得的所述栅线像的感光芯片加权位置在所述感光芯片阵列上的移动方向选定步骤S4所述测量的某一侧的区间端点处的位置作为各个所述区间的测试基准位置，计算测试区间中部所述栅线像的感光芯片加权位置在N个测试区间上与各个所述区间的测试基准位置的相对距离；所述数字信号处理系统将所述相对距离与响应的各个区间长度相除后再与所述标尺光栅的栅距相乘，得到所述标尺光栅和所述线阵CMOS图像传感器之间的单位栅距内的细分位移量；S8.所述数字信号处理系统将步骤S6中所述数字信号处理系统内部栅距计数器的计数值乘以单位栅距，并与步骤S7获得最终所述线阵CMOS图像传感器和所述标尺光栅之间的单位栅距内的细分位移量进行叠加，获得最终所述线阵CMOS图像传感器和所述标尺光栅之间的位移量。