一种超薄型线阵图像传感器和位移检测装置的制作方法

本发明属于图像传感器领域，涉及一种超薄型线阵图像传感器用于位移测量的位移检测装置。

背景技术：

现有的线阵图像传感器包括电路板、线阵图像传感芯片和自聚焦透镜阵列，线阵图像传感芯片装在电路板上，自聚焦透镜阵列设在图像传感芯片与被扫描物之间，并且自聚焦透镜阵列的光轴线垂直于电路板，其高（y）由物距、像距和透镜高度之和决定，一般大于10.5mm，其厚度（z）由电路板宽度及其固定壳体厚度之和决定，一般大于6mm。现在有很多应用场所要求线阵图像传感器于扫描方向垂直或平行的空间尺寸越小越好，为此公开号cn109462713a的技术方案，在被扫描物与自聚焦透镜阵列之间设有平面反光镜，改变被扫描物光线进入方向，使得原来垂直于扫描件的空间尺寸由10.5mm变为6mm，是一种变向空间尺寸压缩方式；公开号cn207753772u的技术方案，在透镜两端设有平面反光镜，也是一种变向空间尺寸压缩方式，以上两种技术方案都存在三个问题需要解决，一是电路板过于窄小，图像信号本就敏感，极易受干扰，线阵图像传感芯片需要就近装有去偶元件，有的还需匹配阻抗电路，再加上驱动信号、图像信号和电源的电气连接，在这样窄小的电路板上往往放弃了去偶元件和匹配阻抗电路，当工作频率超过4mhz时，图像信号明显变差，达不到实用要求；二是光源与电路板各自独立设置，它们往往需要电气连接，不仅加工工艺复杂，还使空间尺寸压缩受限；三是现有的线阵图像传感器不具备多条扫描线同时工作的功能，不能满足多轨扫描应用，例如多轨位移编码用于位移测量时就需要多条扫描线的图像传感器作为位移信息的获取单元。

线阵图像传感器也可用于位移检测领域，公开号cn111023977a的技术方案，采用现有的图像传感器作为位移信息获取单元，显得体积过大而受限，如用于光栅尺，其厚度最薄只能做到20mm，离超薄光栅尺小于16mm有一定差距；现有线阵图像传感器用于旋转编码器也同样难以微型化。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本申请的一种超薄型线阵图像传感器提供的技术方案，在一块电路板上既装有线阵图像传感芯片和反射光源，在其正上方还设有自聚焦透镜阵列、像平面反光镜、物平面反光镜或物多面平面反光镜和光源反射镜等，扩大了电路板的面积，克服了现有图像传感器为了压缩厚度致使电路板窄小，造成图像质量下降的问题；克服了电路板与光源分置造成工艺复杂和传感器空间尺寸压缩受限的问题，使得本方案的超薄型线阵图像传感器在从低频100khz到高频10mhz工作范围内具有良好的图像质量，而且工艺简单，空间尺寸压缩更甚，应用范围更广；物多面平面反光镜的设置，满足了多轨道扫描应用要求。

本申请的一种直线位移检测装置提供的技术方案，采用上述的超薄型线阵图像传感器作为位移信息获取单元，达到了直线位移检测装置小型化甚至微型化的目的，以期获得更广泛的应用。

本申请的一种旋转编码器提供的技术方案，采用上述的超薄型线阵图像传感器作为位移信息获取单元，达到了旋转编码器小型化甚至微型化的目的，以期获得更广泛的应用。

本申请提供的具体技术方案如下：

一种超薄型线阵图像传感器，包括电路板、线阵图像传感芯片和自聚焦透镜阵列；e和f分别为所述自聚焦透镜阵列光轴上的物点和对应的像点，a和b分别为ef与所述自聚焦透镜阵列的物端面和像端面的交点，所述电路板的安装面与所述自聚焦透镜阵列的光轴面相互平行，在靠近f点一侧的所述安装面上装有所述线阵图像传感芯片；在bf光路中设有像平面反光镜，所述线阵图像传感芯片的感光中心线、所述自聚焦透镜阵列的光轴中心点连线和所述像平面反光镜的反射面相互平行，一束光线沿bf射出，经所述像平面反光镜的反射面的o点处形成反射光线of’，所述线阵图像传感芯片、所述自聚焦透镜阵列和所述像平面反光镜处在预设的空间位置，使得f’正好落在所述线阵图像传感芯片的感光中心线上，并且of等于of’，所述自聚焦透镜阵列在所述安装面上的正投影超过一半的面积落在所述安装面范围以内。

作为本方案进一步的改进，在靠近e点一侧的所述安装面上装有反射光源。

作为本方案进一步的改进，所述反射光源为贴片发光二极管或发光导光条。

作为本方案进一步的改进，在ae光路中设有物平面反光镜，所述物平面反光镜的反射面与所述自聚焦透镜阵列的光轴中心点连线平行，一束光线沿ae射出，经所述物平面反光镜的反射面的p点处形成远离所述安装面方向的反射光线pe’，所述物平面反光镜处在预设的空间位置，使得e’落在被扫描物上，并且e’为所述自聚焦透镜阵列的一个物点。

作为本方案进一步的改进，在ae光路中设有物多面平面反光镜，所述物多面平面反光镜包括至少两个反射面，所述物多面平面反光镜的所有反射面沿所述自聚焦透镜阵列的光轴中心点连线方向排列，所述物多面平面反光镜的所有反射面与所述自聚焦透镜阵列的光轴中心点连线平行，并且所述物多面平面反光镜的各个反射面相互不平行；a’为所述自聚焦透镜阵列的另一光轴线与所述物端面的交点，两束光线ap和a’p’沿所述自聚焦透镜阵列的光轴线从所述物端面射出，经所述物多面平面反光镜的其中两个反射面的p和p’点处形成远离所述安装面方向的反射光线pe’和p’e’’，所述物多面平面反光镜处在预设的空间位置，使得e’和e’’落在被扫描物上，e’和e’’分别为所述自聚焦透镜阵列的两个物点，并且所述e’和e’’分别处在两条不同扫描线上。

作为本方案进一步的改进，在所述反射光源的光路中设有光源反射镜，所述反射光源和所述光源反射镜处在预设的空间位置，使得所述反射光源的主光束经所述光源反射镜反射到被扫描物上。

一种直线位移检测装置，包括图像传感器、信号处理单元和标尺，所述图像传感器与所述标尺沿位移检测方向作相对直线运动，所述信号处理单元驱动所述图像传感器对所述标尺进行扫描，得到图像信号并对图像信号进行处理，经计算得到相对位移量，所述图像传感器为上述的超薄型线阵图像传感器。

一种旋转编码器，包括图像传感器、信号处理单元和码筒，所述图像传感器与所述码筒作相对圆周运动，所述信号处理单元驱动所述图像传感器对所述码筒进行扫描，得到图像信号并对图像信号进行处理，经计算得到相对角位移量，所述图像传感器为上述的超薄型线阵图像传感器，所述图像传感器的扫描线与所述码筒的轴线平行。

附图说明

说明书附图只画出与本发明有关的结构示意部分，不作为设计图：

图1为超薄型线阵图像传感器的结构示意图；

图2为带反射光源的超薄型线阵图像传感器的结构示意图；

图3为带物平面反光镜的超薄型线阵图像传感器的结构示意图；

图4为带反射光源、光源反射镜和物平面反光镜的超薄型线阵图像传感器的结构示意图；

图5为带物多面平面反光镜的超薄型线阵图像传感器的结构示意图；

图6为带反射光源、光源反射镜和物多面平面反光镜的超薄型线阵图像传感器的结构示意图；

图7为自聚焦透镜阵列和物多面平面反光镜的光路示意图；

图8为带双轨道条形位移码尺和双扫描线图像传感器的直线位移检测装置结构示意图；

图9为带单轨道条形位移码尺和单扫描线图像传感器的直线位移检测装置结构示意图；

图10为图像传感器设在码筒内侧的旋转编码器结构示意图；

图11为图像传感器设在码筒外侧的旋转编码器结构示意图。

实施例1

一种超薄型线阵图像传感器，如图1所示，包括电路板10、线阵图像传感芯片11和自聚焦透镜阵列12，e和f分别为所述自聚焦透镜阵列12光轴上的物点和对应的像点，a和b分别为ef与自聚焦透镜阵列12的物端面和像端面的交点，在所述电路板10的安装面101上正上方设有所述自聚焦透镜阵列12，所述自聚焦透镜阵列12的光轴面与所述安装面101平行，并且所述自聚焦透镜阵列12在所述安装面101上的正投影超过一半的面积落在所述安装面101范围以内；在靠近f点一侧的所述安装面101上装有所述线阵图像传感芯片11，在bf光路中设有像平面反光镜13，所述线阵图像传感芯片11的感光中心线、所述自聚焦透镜阵列12的光轴中心点连线和所述像平面反光镜13的反射面相互平行，一束光线沿bf射出，在像平面反光镜13的反射面的o点处形成反射光线of’，所述线阵图像传感芯片11、所述自聚焦透镜阵列12和所述像平面反光镜13处在预设的空间位置，使得所述反射光线of’的f’落在所述感光中心线上，并且of’等于of。

所述自聚焦透镜阵列12的光轴面是指同一列的所有柱状自聚焦透镜的光轴线所处的平面；所述自聚焦透镜阵列12的光轴中心点连线是指同一列的所有柱状自聚焦透镜的光轴线在物端面与像端面之间的中心点的连线。

作为内置的反射光源，在靠近e点一侧的所述安装面101上装有反射光源16，如图2所示。

为了适应在垂直扫描件的低矮空间应用，在所述自聚焦透镜阵列12的ae光路中设有物平面反光镜14，所述物平面反光镜14的反射面与所述自聚焦透镜阵列12的光轴中心点连线平行，一束光线沿ae射出，在所述物平面反光镜14的反射面的p点处形成远离所述安装面101方向的反射光线pe’，所述物平面反光镜14处在预设的空间位置，使得e’落在被扫描物上，e’为所述自聚焦透镜阵列12的一个物点，即ae’=ae，如图3所示。

为了适应多扫描线应用，在ae光路中设有物多面平面反光镜15，如图5所示，所述物多面平面反光镜15包括至少两个反射面，所述物多面平面反光镜15的所有反射面沿所述自聚焦透镜阵列12的光轴中心点连线方向排列，所述物多面平面反光镜15的所有反射面与所述自聚焦透镜阵列12的光轴中心点连线平行，并且所述物多面平面反光镜15的所有反射面相互不平行；a’为所述自聚焦透镜阵列12另一个光轴线与所述物端面的交点，两束光线ap和a’p’沿光轴线从物端面射出，在所述物多面平面反光镜15的其中两个反射面的p和p’点处形成远离所述安装面101方向的反射光线pe’和p’e’’，所述物多面平面反光镜15处在预设的空间位置，使得e’和e’’落在被扫描物上，e’和e’’为所述自聚焦透镜阵列12的两个物点，并且所述e’和e’’分别处在两条不同的扫描线上，如图7所示。

为了内置的所述反射光源16的主光束能照射到被扫描物上，在所述反射光源16的光路中设有光源反射镜17，如图4和图6所示。

为了电路板最大化，上述的自聚焦透镜阵列12、像平面反光镜13、物平面反光镜14或物多面平面反光镜15和光源反射镜17在所述安装面101上的各自正投影超过一半的面积落在所述安装面101范围以内。

所述反射光源16的种类包括发光二极管和发光导光条，发光方向为正向或侧向。

所述平面反光镜的反射面包括金属镀膜面、反射涂层面和金属研磨抛光面。

只有一条扫描线的所述超薄型线阵图像传感器称为单扫描线图像传感器，具有两条扫描线的所述超薄型线阵图像传感器称为双扫描线图像传感器。

实施例2

一种直线位移检测装置，包括图像传感器21、信号处理单元22和标尺23，所述图像传感器21与所述标尺23沿位移检测方向作相对直线运动，所述信号处理单元22驱动所述图像传感器21对所述标尺23进行扫描，得到图像信号并对图像信号进行量化和计算，得到相对位移量，所述图像传感器21为上述的一种超薄型线阵图像传感器。

为了提高所述直线位移检测装置的精度和质量，所述图像传感器21的图像传感芯片为单颗芯片。

所述标尺23为公开号cn111457846a所公开的一种条形位移码尺或公开号cn111023977a所公开的一种位移码尺。

当所述标尺23为公开号cn111023977a所公开的一种位移码尺时，所述图像传感器21的扫描线211与所述位移码尺的位移码两侧线平行；当所述标尺23为公开号cn111457846a所公开的一种条形位移码尺时，所述图像传感器21的扫描线211与所述条形位移码尺的条空垂直，如图8为双轨道条形位移码尺和双扫描线图像传感器的直线位移检测装置，图9为单轨道条形位移码尺和单扫描线图像传感器的直线位移检测装置。

实施例3

一种旋转编码器，包括图像传感器31、信号处理单元32和码筒33，所述图像传感器31与所述码筒33作相对圆周运动，并且所述图像传感器31的扫描线311与所述码筒33的轴线平行，所述信号处理单元32驱动所述图像传感器31对所述码筒33进行扫描，得到图像信号并对图像信号进行量化和计算，得到相对角位移量，所述图像传感器31为上述的一种超薄型线阵图像传感器。

为了提高所述旋转编码器的精度和质量，优选地，所述图像传感器31的图像传感芯片为单颗芯片。

优选地，所述图像传感器31设在所述码筒33内侧，成为实心轴旋转编码器，如图10所示；优选地，所述图像传感器31设在所述码筒33外侧，成为空心轴旋转编码器，如图11所示。

所述码筒33为公开号cn111023977a技术方案中的位移码接续并按圆周方向制作在圆筒柱面上的位移码尺。

上述实施例只是本申请方案三个特例，本领域的技术人员能显而易见地做出修改的技术方案，都应在本申请权利要求的保护范围内。