专利名称：光电角度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及角度测量技术领域，特别是涉及一种光电角度传感器。
背景技术：
光电角度传感器具有广阔的市场需求，其应用领域遍及各行各业，其发展趋势是 更高精度、更小型化和更智能化。根据精度要求的不同，光电角度传感器的生产方式也不相 同精度较低的光电角度传感器可以大批量的进行生产；而高精度的光电角度传感器不能 大批量的进行生产，以致其产量不高，特殊应用场合所需的光电角度传感器还需要定制，且 高精度的光电角度传感器生产过程中需要进行精密装调，因此成品率不高。
常见的测量轴系转动的角度传感器具有码盘和光电探测器，通过测量其间的相对 运动，确定轴系的旋转角度。光电探测器可以是线阵或面阵CCD(Charge-coupled Device, 电荷稱合兀件)或 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物 半导体)，码盘通常为圆盘或圆环，码盘刻有编码，光电探测器读取该编码用于确定旋转角 度。常见的角度传感器探测端小于码盘，码盘刻画的精密程度严重影响整个角度传感器的 精度，而码盘刻画的工艺水平是有限的，这使得角度传感器的精度受到限制。高精度的角度 传感器难于加工和装调，因此带来了产量不高、成品率不高、维护费用高、周期长的特点。现 有技术中，为了提升角度传感器的精度，往往通过电子细分或改变码盘编码方式来实现，但 这些方式都存在着码盘加工工艺要求高、精密装调难的问题。发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种光电角度传感器，采用图像处理方法， 结构小，精度高，易加工，易装调，且可以批量生产。本发明采用如下技术方案
—种光电角度传感器，所述光电角度传感器包括光源、准直镜、光学镜片、光电探 测器和图像处理单元，所述光学镜片与待测设备上旋转的旋转轴固定连接，所述光电探测 器与待测设备上不旋转的固定端固定连接，所述图像处理单元与光电探测器连接；所述光 源发出的光束通过准直镜准直后照射在光学镜片上，光束透射过光学镜片后在光电探测器 上成像，光电探测器将图像发送给图像处理单元，图像处理单元对所述图像进行处理并计 算光学镜片旋转角度。
优选地，所述光源、准直镜、光学镜片和光电探测器依次同轴放置。
优选地，所述光源为点光源。
优选地，所述光学镜片为柱面镜，在所述光电探测器上的成像为一条直线，所述图 像处理单元通过计算直线斜率得到光学镜片旋转角度。
优选地，所述光学镜片为两片柱面镜拼接，在所述光电探测器上的成像为两条平 行直线，所述图像处理单元通过计算直线斜率得到光学镜片旋转角度。
优选地，所述光学镜片为菲涅耳透镜，在所述光电探测器上的成像为多条平行直 线，所述图像处理单元通过计算直线斜率得到光学镜片旋转角度；或者所述光学镜片为波带片，在所述光电探测器上的成像为圆或直线，所述图像处理单元通过计算圆的旋转角度或直线斜率得到光学镜片旋转角度。
优选地，所述光电探测器为线阵(XD、面阵CXD或CMOS。
优选地，所述图像处理单元为计算机。
优选地，所述图像处理单元还将计算出的光学镜片旋转角度输出至一显示单元。
优选地，所述图像处理单元通过图像细分算法对所述图像进行处理。
本发明采用光学镜片通过透射式式照明直接在光电探测器上成像来实现合作靶标的获取，光学镜片尺寸能够小于等于光电探测器尺寸，使整个角度测量装置的尺寸更小； 由于成像过程中不采用光学镜头，直接利用光学镜片透射在光电探测器靶面上的图像，因此不会引入光学畸变，保证了测量精度；无需刻画码盘或光栅，易加工，易装调，且可以批量生产。
图1为本发明光电角度传感器的结构示意图2为本发明实施例1采用单片柱面镜作为光学镜片合作靶标的示意图3为本发明实施例1中光电探测器上上成像效果图4为本发明实施例2采用两片柱面镜作为光学镜片合作靶标的示意图5为本发明实施例3采用菲涅耳透镜作为光学镜片合作靶标的示意图。
附图标记如下
点光源I，
准直镜2，
光学镜片3，
柱面镜3 (a),
菲涅耳透镜3 (b)，
光电探测器4，
图像处理单元5。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种光电角度传感器，包括光源、准直镜2、光学镜片3、 光电探测器4和图像处理单元5，光源、准直镜2、光学镜片3和光电探测器4依次同轴放置。 其中，光源I为点光源1，点光源I发出的光束通过准直镜2准直后成为平行光，照射在光学镜片3上，光束透射过光学镜片3后在光电探测器4上清晰成像，光电探测器4可以采用线阵CCD、面阵CCD或CMOS。光学镜片3与待测设备上旋转的旋转轴固定连接，光电探测器4 与待测设备上不旋转的固定端固定连接，光学镜片3与光电探测器4在待测设备轴系进行转动时产生相对运动，进而在光电探测器4上的成像将发生变化，图像处理单元5与光电探测器4连接，光电探测器4将实时图像发送给图像处理单元5。图像处理单元5通过图像细分算法对图像进行处理并计算光学镜片3的旋转角度，还可以将计算出的光学镜片3的旋 转角度输出至一显示单元，图像处理单元5可以采用计算机或具备图像处理能力的其他电 子设备。
本发明提供的光电角度传感器，采用图像处理方法，结构小，精度高，易加工，易装 调，且可以批量生产，比目前市场上同外径产品的精度提升了 一个数量级。
实施例1
如图2所示，本实施例中，光学镜片选用单片柱面镜3 Ca)作为合作靶标，点光源 发出的光束通过准直镜2后转为平行光，照射在柱面镜3 (a)上，则会在光电探测器上形成 一条清晰的直线(如图3所示)，图像处理单元可以通过图像处理的方法对成像直线进行精 确定位，当柱面镜3 Ca)发生旋转时，图像处理单元得到的直线图像也会随之发生旋转，通 过直线斜率的精确计算就可以得到当前轴系旋转的精确角度。
本实施例选用单片柱面镜3 (a)作为光学镜片合作靶标，其优点是装调方便，尺寸 小，成本低，运算简单。
实施例2
如图4所示，本实施例中，光学镜片选用两片柱面镜3(a)拼接作为合作靶标，点光 源发出的光束通过准直镜2后转为平行光，照射在两片柱面镜3 (a)上，则会在光电探测器 上形成两条清晰的平行直线，图像处理单元可以通过图像处理的方法对成像直线进行精确 定位，当两片柱面镜3 Ca)发生旋转时，图像处理单元得到的直线图像也会随之发生旋转， 通过直线斜率的精确计算就可以得到当前轴系旋转的精确角度。
除了选用两片柱面镜3 (a)拼接作为光学镜片合作靶标以外，还可以选用多片柱 面镜3 (a)拼接作为光学镜片合作靶标，两片柱面镜3 (a)或多片柱面镜3 Ca)比单片柱 面镜3 (a)提供了更多的信息，并且柱面镜3 (a)的相对位置已知，可以达到平差的效果。
实施例3
如图5所示，本实施例中，光学镜片3选用菲涅耳透镜3 (b)作为合作靶标，点光 源发出的光束通过准直镜2后转为平行光，照射在菲涅耳透镜3 (b)上，则会在光电探测器 上形成多条平行直线，图像处理单元可以通过图像处理的方法对成像进行精确定位，当菲 涅耳透镜3 (b)发生旋转时，图像处理单元得到的直线图像也会随之发生旋转，通过直线斜 率的精确计算就可以得到当前轴系旋转的精确角度。
本实施例选用菲涅耳透镜3 (b)作为光学镜片合作靶标，其优点是成像线条更丰 富，信息量更大。
实施例4
本实施例中，光学镜片选用波带片作为合作靶标，点光源发出的光束通过准直镜 后转为平行光，照射在波带片上，则会在光电探测器上形成圆或直线等规则图案，例如同心 圆或平行直线，图像处理单元可以通过图像处理的方法对成像进行精确定位，当波带片发 生旋转时，图像处理单元得到的圆或直线图像也会随之发生旋转，通过对最初的圆与最末 的圆之间的旋转角度或直线斜率的精确计算就可以得到当前轴系旋转的精确角度。
本实施例选用波带片作为光学镜片合作靶标，其优点是成像形状更复杂，有同心 圆或平行直线等规则图案。
本发明的光学镜片不限于上述4个实施例中的形式，只要是能实现光的投射的元件都可以作为光学镜片合作靶标，应用于本发明的光电角度传感器中。
综上所述，本发明不采用传统的码盘上刻码道的方式或光栅作为评估图像进行角 度旋转测量，而是采用光学镜片通过透射式照明直接在光电探测器上成像来实现合作靶标 的获取，光学镜片与待测设备的回转轴相连，当待测设备轴系转动时会带动光学镜片转动， 透射过来的光通过光学镜片投射在光电探测器上的清晰图像会随着光学镜片转动，采用图 像处理的方法对采集到的合作靶标图像进行旋转角度测量即可得到光学镜片的旋转角度， 也即待测回转轴的旋转角度。
将光学镜片作为合作靶标，根据需要，光学镜片的尺寸能够小于等于光电探测器 尺寸，使整个角度测量装置的尺寸更小。图像处理方法采用高效的图像细分算法，能够将 光电探测器探测到的光学镜片成的像进行细分，从而达到更高精度的角度测量计算。由 于成像过程中不采用光学镜头，直接利用光学镜片透射在光电探测器靶面上的图像，因 此不会引入光学畸变，保证了测量精度。光电探测器得到的图像数据量较大(例如采用 1024X1024，8bit的CMOS传感器，帧频50Hz)，图像处理单元需要采用高速图像处理器，例 如可以米用 FPGA (Field — Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、DSP (Digital Signal Processing,数字信号处理器)、多核处理器或 ASIC (Application Specific Integrated Circuit,特定应用集成电路)等器件来完成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种光电角度传感器，其特征在于，所述光电角度传感器包括光源、准直镜、光学镜片、光电探测器和图像处理单元，所述光学镜片与待测设备上旋转的旋转轴固定连接，所述光电探测器与待测设备上不旋转的固定端固定连接，所述图像处理单元与光电探测器连接；所述光源发出的光束通过准直镜准直后照射在光学镜片上，光束透射过光学镜片后在光电探测器上成像，光电探测器将图像发送给图像处理单元，图像处理单元对所述图像进行处理并计算光学镜片旋转角度。
2.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述光源、准直镜、光学镜片和光电探测器依次同轴放置。
3.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述光源为点光源。
4.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述光学镜片为柱面镜，在所述光电探测器上的成像为一条直线，所述图像处理单元通过计算直线斜率得到光学镜片旋转角度。
5.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述光学镜片为两片柱面镜拼接，在所述光电探测器上的成像为两条平行直线，所述图像处理单元通过计算直线斜率得到光学镜片旋转角度。
6.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述光学镜片为菲涅耳透镜， 在所述光电探测器上的成像为多条平行直线，所述图像处理单元通过计算直线斜率得到光学镜片旋转角度；或者所述光学镜片为波带片，在所述光电探测器上的成像为圆或直线，所述图像处理单元通过计算圆的旋转角度或直线斜率得到光学镜片旋转角度。
7.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述光电探测器为线阵CCD、 面阵CCD或CMOS。
8.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述图像处理单元为计算机。
9.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述图像处理单元还将计算出的光学镜片旋转角度输出至一显不单兀。
10.根据权利要求1所述的光电角度传感器，其特征在于，所述图像处理单元通过图像细分算法对所述图像进行处理。
全文摘要
本发明涉及角度测量技术领域，提供了一种光电角度传感器，包括光源、准直镜、光学镜片、光电探测器和图像处理单元，所述光学镜片与待测设备上旋转的旋转轴固定连接，所述光电探测器与待测设备上不旋转的固定端固定连接，所述图像处理单元与光电探测器连接；所述光源发出的光束通过准直镜准直后照射在光学镜片上，光束透射过光学镜片后在光电探测器上成像，光电探测器将图像发送给图像处理单元，图像处理单元对所述图像进行处理并计算光学镜片旋转角度。本发明的光电角度传感器采用图像处理方法，结构小，精度高，易加工，易装调，且可以批量生产。
文档编号G01B11/26GK103063165SQ20121057935
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者贾平, 张叶, 洪永峰, 黄猛, 孙宏海, 艾华 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所