基于参考-增量融合信号距离编码的绝对光栅尺定位新方法

《IEEE Photonics Technology Letters》：Absolute optical encoder using a reference–incremental fused signal

本刊编辑推荐：为解决传统绝对光栅编码器需要多读头、多码道、结构复杂的问题，研究人员开展了一项基于参考-增量融合信号距离编码的绝对光学编码器研究。通过将具有消光特性的参考标记直接嵌入高线密度全息光栅，利用高斯检测光束实现信号融合，结合曲线拟合与双峰平均算法，最终在单读头单码道条件下实现了0.15μm的重复定位精度，为高精度位移测量提供了创新解决方案。

　　

在高端数控机床和半导体设备等工业领域，高精度位移测量技术如同设备的"眼睛"，直接决定着加工精度和性能水平。光栅尺因其测量精度高、结构紧凑、环境适应性强等优势，已成为精密位移测量的主流选择。然而，传统的光栅尺系统面临着一个关键难题：增量式光栅在断电重启后需要重新找零，而绝对式光栅往往需要复杂的多码道结构或双读头设计，这不仅增加了系统的复杂性和成本，也限制了其在紧凑空间中的应用。

目前存在的绝对定位方案主要分为直接测量和间接测量两大类。直接测量采用伪随机二进制码或多码道混合编码结构，需要通过光电传感器阵列采集编码信息，再通过图像处理或游标计数进行解码计算。间接测量则通过设置独立的参考轨道或将参考轨道嵌入增量轨道中，利用非周期性排列的参考标记之间的距离唯一性来实现绝对定位。然而，现有技术存在明显局限性：参考标记设计复杂增加了光栅制造难度，脉冲信号需要掩模板配合且对安装位置极其敏感，更重要的是需要两个独立的读头分别采集参考信号和增量信号，导致读头结构复杂、占用空间大。

针对这些技术瓶颈，来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘兆武、曾鹏、梁旭等研究人员在《IEEE Photonics Technology Letters》上发表了一项创新研究成果，提出了一种基于参考-增量融合信号距离编码的绝对定位方法。该方法通过将具有消光特性的参考标记嵌入高线密度全息光栅，实现了单读头单码道的绝对定位，为光栅编码器的发展开辟了新途径。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先构建了基于高斯检测光束的融合信号模型，通过理论推导建立了干涉信号强度与参考标记参数的数学关系；其次利用激光直写技术在光栅表面直接刻蚀参考标记，制作了包含150μm和250μm两种标记宽度的样机；最后开发了结合曲线拟合、插值优化和双峰平均的算法，用于精确识别和提取参考标记位置。实验采用Thorlabs激光光源和Hamamatsu光电探测器，通过Newport高精度线性位移台驱动光栅运动，以10kHz采样率采集数据。

光学路径设计与信号融合原理

研究团队设计了一种特殊的光学路径结构，该结构包含读头和尺度光栅两部分。在读头内部，激光二极管发出的水平偏振光束经过非偏振分束器分成两束平行光，通过偏振分束器和四分之一波片后，经由刀口直角棱镜和直角反射镜入射到光栅表面的Littrow角位置。两束光在光栅表面重叠，产生自准直衍射光和反射光的干涉。这种对称双光束检测和双光电探测器收集的设计，能够通过差分测量抑制共模噪声，增强抗干扰能力。

当检测光束扫描经过参考标记时，由于标记区域的消光特性，光不再发生衍射或反射，导致干涉信号整体呈现出被参考标记调制的非等幅余弦信号。信号强度表达式为I=A_r²+A_m²+γ(x_n)·2A_rA_mcos(φ)，其中γ(x_n)为干涉信号对比度调制因子，受检测光束光斑与参考标记重叠程度的影响。这种方法的核心优势在于直接将参考标记嵌入光栅表面，实现了参考信号与增量信号的直接融合。

参考信号特性分析与参数优化

研究人员建立了基于高斯光束的参考信号模型，深入分析了调制深度与光束直径和标记宽度之间的关系。通过理论推导，得出了调制因子γ(x_n)的分段表达式，将光束与标记的相互作用过程分为三个典型阶段：进入标记、完全覆盖标记和离开标记。模拟结果显示，参考信号的调制深度与标记宽度呈正相关，与光束斑点直径呈负相关。

考虑到实际应用中读头尺寸和标记加工难度，研究团队将光束斑点直径范围设定为[500μm, 2000μm]，参考标记宽度范围设定为[0, 500μm]。在存在0.015V高斯白噪声的情况下，当调制深度超过0.5时，参考信号区域的位移误差明显大于非参考区域。基于这一发现，并结合实际使用的1mm光源斑点直径，最终选择了150μm的参考标记宽度。

实验验证与性能评估

研究团队搭建了原型系统进行实验验证。系统采用CPS670F激光光源配合可变光圈将光束斑点直径调整至1mm，通过Newport XML-210s高精度线性位移台以0.2mm/s的速度平稳驱动光栅运动，使用Hamamatsu S5981/-10光电探测器和NI PCI-6229数据采集卡以10kHz采样率进行信号检测和数据采集。

实验采用的定制1800线一维全息光栅（光栅周期约556nm）表面直接刻蚀了两组宽度分别为150μm和250μm的参考标记。实验结果与模拟结果表现出良好的一致性，验证了理论模型的准确性。对于基于距离编码的绝对定位方法而言，两个参考标记之间距离的重复性直接决定了位移测量的精度，因此从融合信号中准确识别标记位置并计算其间距离至关重要。

标记位置识别算法开发

研究团队开发了一套结合曲线拟合、插值优化和双峰平均的算法来精确定位参考标记位置。该算法首先对采集的融合信号进行归一化处理，提取每个周期的干涉信号峰值点，通过这些峰值点形成的包络曲线来描述融合信号的变化。当干涉信号的对比度降至0.8以下时，使用窗口识别参考信号。

考虑到运动噪声和信号采样频率的影响，算法采用双高斯曲线拟合初步确定参考信号最低峰值位置，然后以最低峰值位置为中心进行三次样条插值，拟合两侧相邻四个峰值点的数据，提高峰值点的定位分辨率。基于参考信号固有的对称性，最终通过上下两侧信号计算结果的算术平均值确定检测光束光斑与参考标记完全重叠的位置。

实验结果表明，仅使用上包络算法得到的标准偏差为600.39nm，而同时使用上下包络算法得到的标准偏差为148.735nm，重复定位精度显著提高。在10组实验数据中，标记间距的重复定位精度达到0.15μm。

这项研究提出了一种创新的定位方法，通过将参考标记直接刻蚀在尺度光栅表面，利用参考标记的消光效应在读头扫描过程中形成融合的参考-增量信号。基于融合信号的非等幅特性构建距离编码，实现了单读头单码道的绝对定位。研究建立的基于高斯检测光束的参考标记信号模型，准确模拟了融合信号调制深度与高斯光束直径和标记宽度的关系。实验验证了该模型对于150μm和250μm参考标记宽度的有效性，开发的曲线拟合、插值优化和双峰平均算法能够精确识别和提取参考标记位置。

该技术的重要意义在于其简化了绝对光栅编码器的结构设计，降低了制造难度和成本，同时保持了高精度测量性能。当这种定位方法进一步扩展到二维平面光栅尺度时，其紧凑的结构和简单的编码方式将展现出更大优势，为高精度二维定位测量提供了新的技术路径，在精密制造、半导体装备、航空航天等领域具有广阔的应用前景。