基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器的制造方法
【專利摘要】基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器涉及光電角度傳感器領(lǐng)域，該傳感器包括光電探測(cè)器、光學(xué)成像鏡頭組、刻有精碼和粗碼的合作靶標(biāo)、放大鏡頭和圖像處理器；合作靶標(biāo)固定在軸系的旋轉(zhuǎn)軸上，光電探測(cè)器、光學(xué)成像鏡頭組、放大鏡頭固定不動(dòng)；精碼通過放大鏡頭與粗碼一起通過光學(xué)成像鏡頭組在光電探測(cè)器上清晰成像；軸系進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)合作靶標(biāo)與光學(xué)成像鏡頭組產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而合作靶標(biāo)圖案在光電探測(cè)器上的成像隨之變化，光電探測(cè)器將實(shí)時(shí)的圖像傳送給圖像處理器，圖像處理器通過圖像處理的方法判斷碼盤的旋轉(zhuǎn)角度，并將計(jì)算出的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度輸出。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)小、精度高、易加工、易裝調(diào)、可批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電角度傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種基于圖像處理的高精度小型化光電角度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光電角度傳感器具有廣闊的市場(chǎng)需求，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)，光電角度傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是更高精度、更小型化和更智能化。根據(jù)精度要求的不同，光電角度傳感器的生產(chǎn)方式也不相同，精度較低的光電角度傳感器可以大批量的進(jìn)行生產(chǎn)，而高精度的角度傳感器產(chǎn)量不高，特殊應(yīng)用場(chǎng)合還需要定制。高精度的角度傳感器生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行精密裝調(diào)，因此成品率不高。常見的測(cè)量軸系轉(zhuǎn)動(dòng)的角度傳感器具有碼盤和光學(xué)探測(cè)器，通過測(cè)量其間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，確定軸系的旋轉(zhuǎn)角度，光學(xué)探測(cè)器可以是線陣或面陣CCD或CMOS，碼盤通常為圓盤或圓環(huán)，碼盤刻有編碼，用于光學(xué)探測(cè)器讀取，確定旋轉(zhuǎn)角度。碼盤刻畫的精密程度嚴(yán)重影響整個(gè)角度傳感器的精度，而碼盤刻畫的工藝水平是有限的，這使得角度傳感器的精度受到限制，高精度的角度傳感器難于加工和裝調(diào)，因此帶來了產(chǎn)量不高，成品率不高，維護(hù)費(fèi)用高，周期長(zhǎng)的特點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，為了提升角度傳感器的精度，往往通過電子細(xì)分或改變碼盤編碼方式來實(shí)現(xiàn)，但都存在碼盤加工工藝要求高的技術(shù)瓶頸，而且精密裝調(diào)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有光電角度傳感器存在的精度低、加工和裝調(diào)難、不能批量生產(chǎn)的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于圖像處理的高精度小型化光電角度傳感器。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下:
[0005]基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器包括:光電探測(cè)器、光學(xué)成像鏡頭組、合作靶標(biāo)、放大鏡頭和圖像處理器；合作靶標(biāo)上刻畫有由精碼和粗碼組成的合作靶標(biāo)圖案，在合作靶標(biāo)上刻畫的精碼直線與指向合作靶標(biāo)中心的向心線之間成固定角度，使得旋轉(zhuǎn)過程中精碼直線方向與光電探測(cè)器靶面的像元排列方向之間的夾角大于I度，在合作靶標(biāo)上采用基于圖像的編碼識(shí)別、多碼組合、按位累加的方式刻畫粗碼；合作靶標(biāo)固定在軸系的旋轉(zhuǎn)軸上，光電探測(cè)器、光學(xué)成像鏡頭組、放大鏡頭均固定在軸系的固定端上，光電探測(cè)器與圖像處理器連接；光源發(fā)出的光照射在合作靶標(biāo)圖案上，經(jīng)過合作靶標(biāo)圖案反射后的光射入放大鏡頭，經(jīng)過放大鏡頭的放大后射入光學(xué)成像鏡頭組，經(jīng)過光學(xué)成像鏡頭組后合作靶標(biāo)圖案在光電探測(cè)器上清晰成像；旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)合作靶標(biāo)圖案與光學(xué)成像鏡頭組產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而合作靶標(biāo)圖案在光電探測(cè)器上的成像隨之變化，光電探測(cè)器將實(shí)時(shí)的圖像傳送給圖像處理器，圖像處理器通過圖像處理的方法判斷合作靶標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度，并將計(jì)算出的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度輸出。
[0006]采用基于圖像的編碼識(shí)別、多碼組合、按位累加的方式刻畫粗碼，當(dāng)需分辨2"條精碼線時(shí)，需要將η位信息刻畫在合作靶標(biāo)上，得到精碼的絕對(duì)位置，刻畫方式有兩種:一種為一維編碼刻畫方式，即采用二進(jìn)制編碼方式，實(shí)現(xiàn)η位表示；另一種為二維編碼刻畫方式，即采用按照碼在圖像上的不同位置來判斷位數(shù)和數(shù)值的方式。
[0007]本發(fā)明不采用傳統(tǒng)碼盤上高精度高密度的刻碼道的方式作為評(píng)估圖像進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)測(cè)量，比如，為了達(dá)到0.5"測(cè)量精度，傳統(tǒng)編碼器需要刻畫3萬多條線，而本發(fā)明僅需刻畫256條線即可達(dá)到0.5"的精度要求，合作靶標(biāo)圖案由精碼和粗碼組成，以合作靶標(biāo)圖案的位移信息數(shù)值經(jīng)過光學(xué)放大作為測(cè)量值的精碼，實(shí)現(xiàn)高精度的角度測(cè)量，粗碼用于區(qū)分精碼的絕對(duì)位置。在合作靶標(biāo)測(cè)量過程中采用高效的圖像細(xì)分算法，能夠?qū)⒐怆娞綔y(cè)器探測(cè)到的合作靶標(biāo)圖案的成像進(jìn)行細(xì)分，照明成像條件優(yōu)質(zhì)，從而達(dá)到更高精度的角度測(cè)量計(jì)算；用于計(jì)算粗碼和精碼的合作靶標(biāo)圖像數(shù)據(jù)可以采用同一個(gè)面陣圖像傳感器接收，也可以采用多個(gè)面陣圖像傳感器分別接收，光電探測(cè)器探測(cè)到的圖像數(shù)據(jù)量較大(如采用1024X 1024，8bit的CMOS傳感器，幀頻50Hz)，需要采用高速圖像處理器，可以采用FPGA或DSP或多核處理器或嵌入式GPU處理系統(tǒng)來完成。測(cè)量的瞬時(shí)角度由光電探測(cè)器的中心線與精碼的成像之間的相對(duì)位置關(guān)系來確定，精碼的絕對(duì)位置由粗碼來確定。
[0008]本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)為由放大鏡頭構(gòu)成的光學(xué)放大系統(tǒng)，本發(fā)明是采用光學(xué)成像鏡頭組的成像方式，合作靶標(biāo)的照明是采用反射式或透射式照明方式，而不是采用自發(fā)光的設(shè)計(jì)，而且本發(fā)明的光電角度傳感器接收的是圖像信息，不是單純的能量信息，本發(fā)明中合作靶標(biāo)的精碼上刻有絕對(duì)編碼作為粗碼，用于精碼的區(qū)分。本發(fā)明精碼根據(jù)粗碼進(jìn)行絕對(duì)位置確定，計(jì)算光電探測(cè)器中心線指向與精碼間的位置關(guān)系，無需參考圖案，而利用精碼本身在光電探測(cè)器上的截距移動(dòng)以及其與光電探測(cè)器參考線間的相對(duì)位置關(guān)系來計(jì)算當(dāng)前角度，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來根據(jù)參考圖案判斷角度不一致，本發(fā)明可以用更少的編碼刻畫達(dá)到更高的角度測(cè)量精度。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:該光電角度傳感器結(jié)構(gòu)小，精度高，易加工，易裝調(diào)，可批量生產(chǎn)，比現(xiàn)有同外徑的光電角度傳感器的精度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1采用的基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明中的光路原理圖，(a)為實(shí)施例1中的單點(diǎn)測(cè)量方式，(b)為實(shí)施例2中的對(duì)徑相加測(cè)量方式。
[0012]圖3是本發(fā)明根據(jù)圖像進(jìn)行角度測(cè)量時(shí)角度從O?2度變化過程的誤差曲線示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明粗碼精碼采用一維編碼一體化設(shè)計(jì)時(shí)的示意圖。
[0014]圖5是本發(fā)明粗碼精碼采用二維編碼一體化設(shè)計(jì)時(shí)的示意圖，其中，(a)為一點(diǎn)標(biāo)記方式，(b)為兩點(diǎn)標(biāo)記方式。
[0015]圖6是本發(fā)明粗碼精碼采用二維編碼兩點(diǎn)標(biāo)記的一體化設(shè)計(jì)示意圖。
[0016]圖7是圖6的局部放大圖。
[0017]圖8是本發(fā)明粗碼精碼采用二維編碼兩點(diǎn)標(biāo)記方式的放大的成像效果圖。
【具體實(shí)施方式】[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器包括:光電探測(cè)器1、光學(xué)成像鏡頭組2、合作靶標(biāo)3、放大鏡頭4和圖像處理器5 ;合作靶標(biāo)3上刻畫有由精碼和粗碼組成的合作靶標(biāo)圖案，在合作靶標(biāo)3上刻畫的精碼直線與指向合作靶標(biāo)3中心的向心線之間成固定角度，使得旋轉(zhuǎn)過程中精碼直線方向與光電探測(cè)器I靶面的像元排列方向之間的夾角大于I度，在合作靶標(biāo)3上采用基于圖像的編碼識(shí)別、多碼組合、按位累加的方式刻畫粗碼；合作靶標(biāo)3固定在軸系的旋轉(zhuǎn)軸6上，光電探測(cè)器1、光學(xué)成像鏡頭組2、放大鏡頭4均固定在軸系的固定端7上，光電探測(cè)器I與圖像處理器5連接；光源8發(fā)出的光照射在合作靶標(biāo)圖案上，經(jīng)過合作靶標(biāo)圖案反射后的光射入放大鏡頭4，經(jīng)過放大鏡頭4的放大后射入光學(xué)成像鏡頭組2，經(jīng)過光學(xué)成像鏡頭組2后合作靶標(biāo)圖案在光電探測(cè)器I上清晰成像；旋轉(zhuǎn)軸6進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)合作靶標(biāo)圖案與光學(xué)成像鏡頭組2產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而合作靶標(biāo)圖案在光電探測(cè)器I上的成像隨之變化，光電探測(cè)器I將實(shí)時(shí)的圖像傳送給圖像處理器5，圖像處理器5通過圖像處理的方法判斷合作靶標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度，并將計(jì)算出的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度輸出。
[0020]實(shí)施例1
[0021]如圖2(a)所示，本發(fā)明的光電角度傳感器采用的光路為單點(diǎn)測(cè)量模式。
[0022]放大鏡頭4的放大率4 ;光電探測(cè)器I采用的(XD/CM0S參數(shù):像元數(shù)1024*1024，像元尺寸8um ;精碼靶面直徑:8cm，平均分刻畫256條直線，直線寬度+間隔0.98mm，直線間角度1.4度，直線寬度40um，4倍放大，成像寬度約20個(gè)像素左右，直線長(zhǎng)度2200um左右，成像長(zhǎng)度約2200X4/8=1100個(gè)像素，能夠進(jìn)行細(xì)分來確定直線中心位置；視場(chǎng)內(nèi)至少有2條線(0.008X1024/4/ (0.98) =2.089)
[0023]此方案對(duì)圖像處理算法的要求是:為達(dá)到0.5"的精度，(XD/CM0S所需分辨率為
[0024]
【權(quán)利要求】
1.基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器，其特征在于，該傳感器包括光電探測(cè)器(I)、光學(xué)成像鏡頭組(2)、合作靶標(biāo)(3)、放大鏡頭(4)和圖像處理器(5);合作靶標(biāo)(3)上刻畫有由精碼和粗碼組成的合作靶標(biāo)圖案，在合作靶標(biāo)(3)上刻畫的精碼直線與指向合作靶標(biāo)(3)中心的向心線之間成固定角度，使得旋轉(zhuǎn)過程中精碼直線方向與光電探測(cè)器(I)靶面的像元排列方向之間的夾角大于I度，在合作靶標(biāo)(3)上采用基于圖像的編碼識(shí)別、多碼組合、按位累加的方式刻畫粗碼；合作靶標(biāo)(3)固定在軸系的旋轉(zhuǎn)軸(6)上，光電探測(cè)器(I)、光學(xué)成像鏡頭組(2)、放大鏡頭(4)均固定在軸系的固定端(7)上，光電探測(cè)器(I)與圖像處理器(5)連接；光源(8)發(fā)出的光照射在合作靶標(biāo)圖案上，經(jīng)過合作靶標(biāo)圖案反射后的光射入放大鏡頭(4)，經(jīng)過放大鏡頭(4)的放大后射入光學(xué)成像鏡頭組(2)，經(jīng)過光學(xué)成像鏡頭組(2)后合作靶標(biāo)圖案在光電探測(cè)器(I)上清晰成像；旋轉(zhuǎn)軸(6)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)合作靶標(biāo)圖案與光學(xué)成像鏡頭組(2)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而合作靶標(biāo)圖案在光電探測(cè)器(I)上的成像隨之變化，光電探測(cè)器(I)將實(shí)時(shí)的圖像傳送給圖像處理器(5)，圖像處理器(5)通過圖像處理的方法判斷合作靶標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度，并將計(jì)算出的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器，其特征在于，所述的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度由光電探測(cè)器(I)的中心線與精碼的成像之間的相對(duì)位置關(guān)系確定，精碼的絕對(duì)位置由粗碼確定。
3.如權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器，其特征在于，所述基于圖像的編碼識(shí)別、多碼組合、按位累加的方式為當(dāng)需分辨2η條精碼線時(shí)，需要將η位信息刻畫在合作靶標(biāo)(3)上，得到精碼的絕對(duì)位置，η為正整數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器，其特征在于，所述將η位信息刻畫在合作靶標(biāo)(3)上的方式為采用二進(jìn)制編碼方式實(shí)現(xiàn)η位表示的一維編碼刻畫方式。
5.如權(quán)利要求3所述的基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器，其特征在于，所述將η位信息刻畫在合作靶標(biāo)(3)上的方式為按照碼在圖像上的不同位置來判斷位數(shù)和數(shù)值的二維編碼刻畫方式。
6.如權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器，其特征在于，所述光電探測(cè)器(I)為一個(gè)或多個(gè)面陣圖像傳感器。
7.如權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的高精度小型光電角度傳感器，其特征在于，所述圖像處理器(5)為FPGA或DSP或多核處理器或嵌入式GPU處理系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01B11/26GK103471529SQ201310445116
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】賈平, 張葉, 洪永豐, 黃猛, 孫宏海, 許佳佳, 楊名宇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所