一种光学定位装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及工业自动化运动系统定位技术领域，具体涉及一种光学定位装置及系统。


背景技术：

2.在拥有运动机构的系统中需要对运动机构进行定位，如自动化设备中的直线滑块坐标原点定位、机械手的初始位置定位等。定位的方式通常为机械限位、利用测距传感器或者工业相机进行定位以及光学定位。
3.机械限位属于接触式定位，定位精度差，而且长时间使用会造成机构磨损，进一步降低定位精度。利用测距传感器或工业相机进行定位，成本高、使用复杂、占用空间大，而且响应速度慢。
4.光学定位一般使用的是槽型开关，当运动机构或检测物遮挡住槽型开关光轴时，槽型开关输出信号到控制系统，停止运动机构或检测物的运动。
5.图1为一种常见的光学定位装置，检测光轴2’位于槽型开关1’内，且检测光轴2’只有一个，运动机构4’在导轨5’上滑动，导轨5’固定在两支架6’之间。另外，运动机构4’上有遮挡物3’，遮挡物3’用于遮挡检测光轴2’。在运动机构4’(或运动机构4’上的遮挡物3’)靠近检测光轴的过程中，无论遮挡物3’遮挡检测光轴2’多少，槽型开关1’均会输出信号到控制系统，停止运动机构或检测物的运动。而槽型开关1’的检测光轴2’并非一个单点光，而是有一定直径范围的光束，并且从槽型开关发出信号到控制系统控制运动机构4’或遮挡物3’停止也存在延时。因而使用槽型开关的单点定位，定位精度不高。而且运动机构4’或遮挡物3’不仅需要来回运动寻找槽型开关的检测光轴2’，而且靠近检测光轴2’时，运动速度减慢，从而影响了定位速度，间接影响了设备的运行速度和工作效率。
6.专利文件cn201811295843.3公开了一种多个光发射器且有多个光接收器的光学定位装置，光发射器与光接收器分别安装在凹槽的不同侧壁，两者位置关系一一对应。当检测物在凹槽内移动时，部分光接收器收到多个光发射器发出的光线，根据光接收器接收到的光线的状态确定检测物的位置。此方法虽然在一定程度上能够提高定位的精度。无需来回寻找光轴，也一定程度上加快了定位速度。但是需要多个光发射器以及光接收器，生产成本增加；而且对于光发射器和光接收器的位置对应关系要求高，若存在偏差就会影响测量精度；另外，当检测物处于两个光发射器中间位置时，此装置依然不能准确判断出检测物的精确位置。
7.可见，现有的光学定位装置，定位精度不够高，而且对光发射器和光接收器的装配要求高。


技术实现要素：

8.因此，为进一步提高定位精度，并降低对光发射器和光接收器的装配要求，本实用新型提供一种光学定位装置。
9.本实用新型的技术方案如下：
10.本实用新型提供一种光学定位装置，包括壳体、光发射器、光接收器、棱镜和检测区域，所述光发射器和所述光接收器位于所述壳体的一端，所述棱镜位于所述壳体的另一端，与所述光发射器和光接收器相对设置；所述检测区域为所述光接收器与所述棱镜之间的空间区域；所述棱镜将所述光发射器发出的光准直成平行光并反射进所述光接收器；所述光接收器为图像传感器。
11.特别地，上述光学定位装置中，所述光接收器为一维图像传感器。
12.特别地，上述光学定位装置中，所述棱镜包括入射面、出射平面、第一反射平面和第二反射平面；所述入射面与所述出射平面相接，构成所述棱镜的一个侧面，第一反射平面和第二反射平面呈90
°
，分别构成所述棱镜的另两个侧面；所述入射面向外凸出呈凸透镜状，用于将所述光发射器发出的光准直成平行光；所述平行光先后经第一反射平面和第二反射平面反射后，从所述出射平面射出。
13.进一步的，上述光学定位装置中，所述入射面的主轴线与所述出射平面的中垂线平行。
14.进一步的，上述光学定位装置中，所述棱镜一体成型。
15.进一步的，上述光学定位装置中，所述光发射器和光接收器放置在同一电路板上。
16.上述光学定位装置中，所述光发射器为led点光源或激光发射器。
17.进一步的，上述光学定位装置中，所述光发射器面向所述入射面设置，所述光接收器面向所述出射平面设置；所述检测区域位于所述光接收器和所述出射平面之间，被检测物可在所述检测区域内往复移动；所述壳体在所述光发射器端设置有引线口。
18.进一步的，上述光学定位装置中，所述光发射器和所述光接收器之间平行于所述平行光出射方向设置有挡板，所述挡板向所述棱镜方向延伸至所述入射面和所述出射平面相接处，以防止从所述光发射器发出的光直接进入所述检测区域或所述光接收器中。
19.进一步的，上述光学定位装置中，所述光接收器前朝向所述检测区域的方向上设置有滤光片。
20.进一步的，上述光学定位装置中，所述一维图像传感器的长度方向平行于所述检测物移动方向。
21.另一方面，为方便控制光学定位装置、被检测物的运动以及精确计算或确定被检测物的位置，本实用新型提供一种光学定位系统，其为插入式光学定位系统，所述定位系统包括控制系统及上述的光学定位装置，所述控制系统用于控制上述光学定位装置的工作，用于获取投影图像，用于读取所述投影图像上像素的灰度值，计算所述被检测物的位置并控制被检测物的运动。
22.本实用新型提供的光学定位装置和定位系统，具有如下优点：
23.1.将需要布线的光发射器和光接收器安装在同一侧或同一电路板上，信号线可从一个引线口引出，提供了方便灵活的布线方式；同时降低了光发射器与光接收器在装配时的位置精度要求。
24.2.整个定位装置只需一个光发射器和光接收器，结构简单，占用空间小，节约了制造成本。
25.3.检测物进入检测区域时，会挡住从出射平面射出的光束，从而在光接收器上形
成投影图像。因为采用的是平行光，所以投影的大小及位置间接反应了检测物的大小和位置。和单点定位相比，检测物无需来回移动寻找光轴，提高了定位速度；而且无论检测物进入检测区间的深度，均能准确定位检测物的位置。
26.4.使用一维图像传感器作为光接收器，控制系统通过投影图像来判断检测物的位置，和多点定位相比，定位精度能达到像素级。
27.5.利用投影的方式得到的投影图像边缘清晰、像素信号强度均匀，不受检测物表面不均匀反光的影响。
28.6.通过判断投影图像上投影边界的数量，可以实现被检测物的边缘定位和/或中心定位。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为常见的槽型开关单点光学定位装置示意图。
31.图2为本实用新型实施例提供的光学定位装置示意图；
32.图3为本实用新型实施例提供的光学定位装置立体图；
33.图4为本实用新型实施例提供的棱镜示意图；
34.图5为本实用新型实施例提供的光学定位装置的光路图；
35.图6为本发明实施例提供的光学定位方法；
36.图7为本发明实施例提供的像素偏移量计算原理图。附图标记说明：
37.1-光发射器；2-电路板；3-壳体；4-光接收器；5-滤光片；6-棱镜；7-信号线；8-检测区域；9-安装孔；10-挡板；
38.61-入射面；62-第一反射平面；63-第二反射平面；64-出射平面
具体实施方式
39.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
42.实施例1
43.图2-图5为本实用新型提供的第一种实施例，具体的，图2为本实用新型第一种实施例提供的定位装置示意图，图3为定位装置的立体图，图4为棱镜示意图，图5为光路图。光发射器1和光接收器4设置在同一电路板2上，电路板2上预留出光发射器1和光接收器4的位置，既避免了安装过程中精细调解光发射器1和光接收器4的位置，又能保证两者的安装精度，此外，还方便实现电路同步，优化定位装置的结构设计。电路板2与棱镜6分别位于壳体3的两侧。从光发射器1发出的光经棱镜6准直成平行光束并反射进入光接收器4。光发射器1和光接收器4设置在同一侧，避免了两者相对设置时需要精确调整位置关系，而且具体定位时平行光束进入光接收器4，增加了两者位置装配时左右方向上的误差范围。
44.棱镜6为组合透镜，用于准直和反射光线。具体的，棱镜6包括入射面61、第一反射平面62、第二反射平面63和出射平面64。其中，入射面61与出射平面64相接，位于棱镜6的一个侧面，第一反射平面62和第二反射平面63呈90
°
，分别位于棱镜6的另外两个侧面。入射面61向外凸出呈凸透镜状，用于准直入射光。为了获得垂直射出的平行光束，入射面61的主轴线与出射平面64的中垂线平行。为了降低生产成本和装配误差，提高定位器的定位精度，棱镜6采用注塑一体成型。
45.光发射器1与入射面61相对设置，光接收器4与出射平面64相对设置，光接收器4与出射平面64之间的空间区域为检测区域8，被检测物可在检测区域8往复移动。光发射器1为普通led光源或led点光源或激光发射器，优选led点光源，使用led点光源，既可获得良好的准直效果，而且占用空间小，利于结构和光路设计。光接收器4为一维图像传感器，优选一维cmos图像传感器，便于读取每个像素的信号。从光发射器1发出的发散的光束经过入射面61后准直成平行光束，平行光束经呈直角设置的第一反射平面62和第二反射平面63反射后，光线方向发生180
°
偏转，再射向检测区域8和光接收器4。当检测区域8内有被检测物时，在平行光束的照射下，光接收器4会形成一幅边缘清晰的投影图像，不受被检测物表面不均匀反光的影响。为了获得更好的投影图像，光接收器4的长度方向与被检测物的移动方向平行。因为采用的是平行光，所以投影的大小及位置间接反应了检测物的大小和位置。而且在此过程中，检测物无需来回移动寻找光轴，提高了定位速度；另外，无论检测物进入检测区间的深度，均能准确定位检测物的位置。光接收器4为一维图像传感器，因而可以通过读取投影图像上每个像素的灰度值或像素信号强度来判断检测物的位置，定位精度可以达到像素级或亚像素级。另外，在光接收器4侧，壳体3开有引线口，电与路板2连接的信号线7可以直接从引线口引出，并可对信号线7进行不同方向的布线排布。
46.特别的，为了过滤掉杂光，在光接收器4前面面向检测区域8的方向，设置有滤光片5。为了防止光发射器1发出的光直接进入检测区域8，影响投影图像的质量，在光发射器1和光接收器4之间平行于平行光束出射方向设置有挡板10，挡板10朝棱镜方向延伸至入射面61和出射平面64相接处。
47.可选择的，本实用新型实施例中，光发射器1和光接收器4也可以不设置在同一电路板上，仅需对光发射器1和光接收器4进行电路同步。
48.实施例2
49.本实施例提供一种光学定位系统，包括控制系统和实施例1所述的光学定位装置。其中，控制系统用于控制光学定位装置的工作，用于获得投影图像，用于读取所述投影图像上像素的灰度值，计算所述被检测物的位置并控制被检测物的运动。本实施例提供的光学
定位系统，可控制被检测物的移动，通过读取投影图像上像素的灰度值或信号强弱判断被检测物是否移动到检测区域。若不在检测区域，则可被检测物继续向检测区域移动，减少了来回寻找光轴的步骤，提高了定位速度；若在检测区域，可计算被检测物的精确位置，定位精度可达像素级甚至亚像素级，极大地提高了定位精度。
50.图6为本实施例提供的光学定位系统的定位过程，具体如下：
51.定位装置通电：定位装置通过信号线连接至电源和/或控制系统，实现电流的通断，为定位装置的正常工作做准备。
52.光发射器发光：经光发射器1发出的光束，射向入射面61，准直成平行光束，平行光束再先后经第一反射平面62和第二反射平面63全反射，光路方向发生180
°
偏转后射向检测区域8和光接收器4。为获得良好的准直效果，光发射器1优选led点光源或激光发射器，
53.光接收器曝光：光接收器曝光，为获得被检测物的投影图像做准备。为获得边界清晰，像素信号清楚的投影图像，光接收器4优选一维cmos图像传感器。
54.获取投影图像：被检测物在平行光束的照射下，光接收器4上形成一维的投影图像。因是平行光照射，所以投影的大小和位置间接反应了被检测物的大小和位置。
55.停止光发射器发光和光接收器曝光：为不影响后续的位置判断，停止光发射器发光和光接收器曝光。
56.读取投影图像上各像素的灰度值或信号强度：若被检测物在检测区域，则投影区域内的像素因没有光照，输出的信号强度会远低于完全光照区域。若某一像素恰好处于投影区域和完全光照区域的边界，由于该像素部分被遮挡，其信号强度也会相应减弱。但光照量与像素信号强度之间成正比例关系，即光照越多，输出信号越强，因而控制系统通过读取投影图像上各像素的灰度值或信号强度，初步判断被检测物的位置。
57.判断投影边界的数量：在获取的一维投影图像上，根据像素的灰度值或像素信号强弱判断投影边界的数量。若投影边界数量为1，可根据此边界对被检测物进行边缘定位；若投影边界数量为2，被检测物小于投影区域的大小，可根据这两个边界对被检测物进行中心定位。另外，实际检测过程中，判断投影边界时，还会有投影边界数量为0的情况。若投影边界数量为0，说明被检测物还未驶入检测区域8,这时，可继续控制被检测物向检测区域8移动，然后再进行上述步骤。
58.计算投影边界处的像素偏移量：因像素的灰度值或信号强度跟光照量成正相关，所以可以通过比较完全光照区、投影边界处、投影区域内三个不同地方的像素灰度值或信号强度，计算像素偏移量d。像素偏移量d满足：
[0059][0060]
其中，d为单个像素的尺寸，v
n-1
为完全光照区的像素信号强度；v
n+1
为投影区域内的像素信号强度；vn为投影边界处的像素信号强度。图7给出了像素偏移量d的计算原理图。
[0061]
计算边界或中心位置：若投影边界数量为1，计算投影边界位置p1,p1满足
[0062]
p1＝d+(a-1)*d
[0063]
其中，a为被检测物伸入检测区域8的方向开始计数，投影区域内像素及投影边界所在的像素数量之和；
[0064]
若所述投影边界的数量为2，计算所述被检测物的中心位置p2,p2满足:
[0065][0066]
其中，
[0067]
a1为从被检测物伸入检测区域8的方向开始计数，到第一个投影边界的像素个数，包括所述第一投影边界所在的像素；
[0068]
d1为所述第一个投影边界的像素偏移量；
[0069]
a2为从被检测物伸入检测区域8的方向开始计数，到第二个投影边界的像素个数，包含所述第二投影边界所在的像素；
[0070]
d2为所述第二个投影边界的像素偏移量。
[0071]
上传位置信息：将位置信息上传给控制系统或其他装置。
[0072]
本实施例提供的光学定位系统，通过初步判断像素的灰度值或信号强度，即可达到像素级的定位精度；进一步的，通过计算像素偏移量，可以达到亚像素级的定位精度。跟现有的光学定位装置相比，可显著提高定位精度，并节省定位时间。
[0073]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。