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光栅的工作原理

封闭式绝对光栅

绝对式开放光栅

增量式开放光栅

FORTiS™

什么是雷尼绍封闭式光栅?

封闭式光栅将编码器的电子元器件和光学组件容纳在与读数头本体相连的密封装置内,并通过一个密封壳体进一步保护密封的光学系统与栅尺。这种设计能够增强抵御液体和固体碎屑污染的能力。

该封闭式直线光栅具有挤压成型的栅尺壳体,带有纵向连接的互锁密封条和密封端盖。读数头本体通过滑片与密封的光学系统连接,而滑片可穿过密封条沿着光栅运动,范围可至整个光栅长度。线性轴运动带动读数头和光学系统扫掠过光栅的绝对式栅尺(固定在栅尺壳体内部),但无机械接触。

光栅的栅尺具有全尺线宽的绝对式编码,其通过透镜在读数头内的探测器阵列上成像。直线位置测量数据以数字形式输出,与多种行业标准串行通信协议兼容。

光学方案 FORTIS™

RESOLUTE™

RESOLUTE通过双向纯串行方式通信,采用各种行业标准协议,包括专有和开放的协议。

RESOLUTE™光栅光学系统示意图(带标注)

工作过程开始...

控制器发送需求信息到读数头后开始工作,指示它立即捕获直线或圆形栅尺上的绝对位置。读数头通过闪烁大功率LED光源照亮栅尺进行响应。闪烁时间仅持续短短的100 ns,以尽量避免运动轴的图像变模糊。关键在于此时间要控制在几纳秒内,以保持要求位置和报告位置之间的关系 — 这是使RESOLUTE适合超高规格运动系统的重要功能之一。

单码道栅尺

从本质上说,该栅尺属于全尺线宽的单码道,以30 µm标称栅距为基础。摒弃多个平行码道方式很大程度上避免了扭摆误差,并且读数头的侧向公差更为宽松。

图像采集

栅尺通过非球面透镜在专为RESOLUTE设计定制的探测器阵列上成像,最大程度上降低了图像失真。这种光学滤波系统采用折叠照明路径直接成像,设计精巧且稳定,从而确保了完美测量对保真度的基本要求。

数据解码和分析

探测器采集图像之后,就会通过模数转换器 (ADC) 传输至功能强大的数字信号处理器 (DSP)。接着,专门开发的算法就会从嵌入栅尺的代码中获得真正绝对、但相对粗糙的位置。DSP利用栅尺代码中的冗余和刻意的限制,通过更高级算法检查这一过程,并作出修正。同时,其他程序会计算出非常高分辨率的精细位置,然后与粗糙位置相结合,从而确定真正绝对的、非常高分辨率的位置。

最终检查和数据输出

经过最后的误差检查程序后,该信息作为一个表示定位误差不超过1 nm的纯串行字符通过适当的协议上传到控制器。增加循环冗余检查 (CRC) 可防止电子噪声干扰。整个过程只需短短几微秒,并且每秒可重复多达25,000次。通过各种技术,包括根据轴速度调整光闪持续时间,可以高达100 m/s的速度达到这一性能水平,同时,更重要的是能够在低速时保持极低的位置抖动。

结果...

该光栅具备很大的安装公差:RESOLUTE的扭摆、俯仰和滚摆公差为±0.5°,间隙公差达到±150 µm。同时,宽大的光学影像和先进的误差修正过程能够有效防止光污染,包括微粒和油渍。所有这些都在100 m/s的速度下且保持1 nm分辨率的情况下完成:RESOLUTE能够应对最艰难的绝对挑战。

EVOLUTE™

EVOLUTE光栅通过双向纯串行方式通信,采用各种行业标准协议,包括专有和开放的协议。

EVOLUTE™光栅光学系统示意图(带标注)

工作过程开始...

控制器发送需求信息到读数头后开始工作,指示它立即捕获直线栅尺上的绝对位置。读数头通过闪烁大功率LED光源照亮栅尺进行响应。闪烁时间仅持续短短的100 ns,以尽量避免运动轴的图像变模糊。关键在于此时间要控制在几纳秒内,以保持要求位置和报告位置之间的关系 — 这使得EVOLUTE系列光栅成为高规格运动系统的理想选择。


单码道栅尺

从本质上说,该栅尺属于全尺线宽的单码道,以50 µm标称栅距为基础。通过摒弃多个平行码道,很大程度上避免了扭摆误差,并且读数头的侧向公差更为宽松。

图像采集

栅尺通过非球面透镜在定制的探测器阵列上成像,最大程度上降低了图像失真。这种光学滤波系统采用折叠照明路径直接成像,设计精巧且稳定,从而确保了完美测量对保真度的基本要求。

数据解码和分析

探测器采集图像之后,就会通过模数转换器传输至功能强大的数字信号处理器 (DSP)。接着,专门开发的算法就会从嵌入栅尺的代码中获得真正绝对、但相对粗糙的位置。DSP利用栅尺代码中的冗余和刻意的限制,通过更高级算法检查这一过程,并作出修正。同时,其他程序会计算出非常高分辨率的精细位置,然后与粗糙位置相结合,从而确定真正绝对的、非常高分辨率的位置。

最终检查和数据输出

经过最后的误差检查程序后,位置信息作为一个纯串行字符通过适当的协议上传到控制器。增加循环冗余检查 (CRC) 可防止电子噪声干扰。整个过程只需短短几微秒,并且每秒可重复多达25,000次。通过各种技术,包括根据轴速度调整光闪持续时间,当速度高达100 m/s时仍可达到这一性能水平,同时,还可在低速时保持极低的位置抖动。

结果...

EVOLUTE光栅具有宽松的安装公差,其扭摆公差为±0.75°,俯仰和滚摆公差为±0.5°,间隙公差更达到±250 µm。此外,超大的光学影像面积和先进的误差修正过程能够有效抵御栅尺污染(包括微粒和油渍),同时能够在高达100 m/s的速度下保持50 nm的分辨率。

QUANTiC™

QUANTiC光栅采用雷尼绍第三代独特光学滤波系统,可对多个光栅周期进行平均,有效滤除脏污等引起的非周期性特征。名义方波光栅条纹也被滤去,以在探测器上留下一个完美的正弦波形。这里使用的是一个多条纹结构,它非常细,能够产生4个对称相位信号形式的光电流。这些结合在一起可免去DC器件,并可产生具有高光谱纯度和低偏置值的正弦和余弦输出,同时保持500 kHz以上的带宽。

包括自动增益控制、自动平衡控制和自动偏置控制在内的完全集成高级动态信号调节功能组合在一起,确保实现极低的电子细分误差 (SDE)(对于小型圆光栅系统,通常 <±80 nm,对于大型圆光栅系统,通常 <±150 nm,对于直线光栅系统,通常 <±80 nm)。

光学滤波系统的这一改进加上精心设计的优质电子器件,大带宽增量信号使得圆光栅系统可达到8,800 rpm的最大转速,直线光栅系统可达到24 m/s的最大速度,同时也是同类光栅中位置抖动(噪声)最小的。读数头内置细分功能,同时利用其他抗噪电子器件进一步增强高分辨率型的抗噪功能,从而将抖动水平降低至2.73 nm RMS。

TONiC™光学系统示意图(带标注)

IN-TRAC参考零位完全刻划在增量式栅尺上,并通过读数头内部的光电检测器进行检测。这种独特的设计也受益于自动校准程序,该程序对参考零位进行电子定相,并优化增量信号。

TONiC™

TONiC采用雷尼绍第三代独特光学滤波系统,可对多个光栅周期进行平均,有效滤除脏污等引起的非周期性特征。名义方波光栅条纹也被滤去,以在探测器上留下一个完美的正弦波形。这里使用的是一个多条纹结构,它非常细,能够产生4个对称相位信号形式的光电流。这些结合在一起可免去DC器件,并可产生具有高光谱纯度和低偏置值的正弦和余弦输出,同时保持500 kHz以上的带宽。

包括自动增益控制、自动平衡控制和自动偏置控制在内的完全集成高级动态信号调节组合在一起,确保实现超低电子细分误差 (SDE)(通常 <±30 nm)。

光学滤波系统的这一改进加上精选的优质电子器件,大带宽增量信号可达到10 m/s的最大速度,同时也是同类光栅中位置抖动(噪声)最小的。在TONiC Ti接口内通过CORDIC算法细分,同时利用其他抗噪电子器件进一步增强高分辨率型TONiC的抗噪功能,从而实现抖动水平仅有0.5 nm RMS。

TONiC™光学系统示意图(带标注)

IN-TRAC参考零位完全刻划在增量式栅尺上,并通过读数头内部的分离光电检测器进行检测。如图所示,参考零位分离式探测器直接嵌入到增量码道线性光电二极管阵列的中心,尽量避免出现扭摆失相。产生参考零位输出信号,在所有速度下双向重复精度都能够达到单位分辨率。这种独特的设计也受益于自动校准程序,该程序对参考零位进行电子定相,并优化动态信号调节。

VIONiC™

VIONiC光栅采用雷尼绍第三代独特光学滤波系统,可对多个光栅周期进行平均,有效滤除脏污等引起的非周期性特征。名义方波光栅条纹也被滤去,以在探测器上留下一个完美的正弦波形。这里使用的是一个多条纹结构,它非常细,能够产生4个对称相位信号形式的光电流。这些结合在一起可免去DC器件,并可产生具有高光谱纯度和低偏置值的正弦和余弦输出,同时保持500 kHz以上的带宽。

包括自动增益控制、自动平衡控制和自动偏置控制在内的完全集成高级动态信号调节组合在一起,确保实现超低电子细分误差 (SDE)(通常 <±15 nm)。

光学滤波系统的这一改进加上精选的优质电子器件,大带宽增量信号可达到12 m/s的最大速度,同时也是同类光栅中位置抖动(噪声)最小的。读数头内置细分功能,同时利用其他抗噪电子器件进一步增强高分辨率型VIONiC的抗噪功能,从而实现抖动水平仅有1.6 nm RMS。

TONiC™光学系统示意图(带标注)

IN-TRAC™参考零位完全刻划在增量式栅尺上,并通过读数头内部的分离光电检测器进行检测。如图所示,参考零位分离式探测器直接嵌入到增量码道线性光电二极管阵列的中心,尽量避免出现扭摆失相。这种独特的设计也受益于自动校准程序,该程序对参考零位进行电子定相,并优化增量信号。

ATOM DX™

与雷尼绍TONiC和VIONiC等增量式光栅一样,ATOM DX也采用经过市场检验的光学滤波系统。ATOM DX读数头在增量传感器和参考零位传感器中间有一个非准直LED光源:这种高发散的LED光源在栅尺上产生的细长影像比LED光源本身要大很多,可以照亮增量区域和参考零位区。这种发散的LED光源产生的信号谐波纯度高,因此细分电路分辨率很高。高效光度测定也使得输出信号抖动比较低。光学滤波系统的一大优点就是栅尺污染小,抖动低,因此ATOM DX不会产生测量误差。


包括自动增益控制、自动平衡控制和自动偏置控制在内的完全集成高级动态信号调节方法组合在一起,确保实现超低电子细分误差 (SDE)(典型值 <±15 nm)。


光学滤波系统加上精选的优质电子器件,可使大带宽增量位置反馈信号达到12 m/s的最大速度,同时也是同类光栅中位置抖动(噪声)最小的。读数头内置数字信号细分功能,同时利用其他抗噪电子器件进一步增强高分辨率型号的抗噪功能,从而实现抖动水平仅有1.6 nm RMS。


ATOM DX光栅系列采用大型单一功能码道外光学参考零位,抗污性能良好。与QUANTiC™VIONiC™光栅系列一样,通过简单、直观的自动校准程序实现参考零位定相。

ATOM™光学系统示意图(带标注)

ATOM™

ATOM采用位于增量传感器和参考零位传感器中间的非准直LED光源。这种高发散的LED光源在栅尺上产生的细长影像比LED光源本身要大很多,可以照亮增量区域和参考零位区。

ATOM与所有的雷尼绍增量式光栅一样,都采用同一种光学滤波系统。这种发散的LED光源产生的信号谐波纯度高,因此细分电路分辨率很高。高效光度测定也使得信号抖动比较低。光学滤波系统的另外一个优点就是栅尺污染小,抖动低,因此ATOM不会产生测量误差。

ATOM采用大型单一功能码道外光学参考零位,抗污性能良好。参考零位定相操作和TONiC一样简单。

ATOM™光学系统示意图(带标注)