一种贯穿式光学定位装置的制作方法

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


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.现有技术中，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贯穿式光学定位装置。
9.本实用新型技术方案如下：
10.本实用新型提供一种贯穿式光学定位装置，包括壳体、光发射器、光接收器和棱镜，其特征在于，所述壳体具有沿着壳体高度方向设置的第一凸出部和第二凸出部，所述第一凸出部和所述第二凸出部平行设置，与所述壳体形成凹槽结构；所述光发射器和所述光接收器位于所述第一凸出部侧的壳体内部；所述棱镜位于所述第二凸出部侧的壳体内部；所述棱镜用于将从所述光发射器发出的光准直成平行光并反射进所述检测区域和所述光接收器；所述光接收器为图像传感器。
11.特别的，上述光学定位装置中，所述光接收器为一维图像传感器。
12.进一步的，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，位于所述棱镜的一个侧面；所述第一反射平面和第二反射平面呈90
°
，分别位于所述棱镜的另两个侧面；所述入射面向外凸出呈椭球面凸透镜状，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.特别的，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，所述棱镜一体成型。
14.进一步的，上述光学定位装置中，所述凹槽结构的开口方向与所述椭球面凸透镜状的入射面的长轴方向垂直。
15.上述光学定位装置中，所述光接收器位于所述第一凸出部内，所述出射平面位于所述第二凸出部内；所述凹槽结构的内凹空间为检测区域，被检测物可以在所述检测区域内往复运动或贯穿所述检测区域；所述光发射器发出的光从所述出射平面射出后进入所述检测区域，到达所述光接收器。
16.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设置在同一电路板上。
17.特别的，上述光学定位装置中，所述光放射器为led点光源或激光发射器。
18.另外，上述光学定位装置中，所述光接收器朝向所述检测区域的方向上设置有滤光片。
19.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被检测物移动方向。
20.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贯穿式光学定位系统。
21.本实用新型的技术方案如下：
22.本实用新型提供一种贯穿式光学定位系统，包括控制系统和上述的光学定位装置；所述控制系统与所述光学定位装置通信连接，以获取投影图像，并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。
23.本实用新型提供的贯穿式光学定位装置具有如下优点：
24.1.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。
25.2.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。
26.3.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；而且无论检测物在检测区域的任何位置，均能准确定位检测物的位置。
27.4.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。
28.5.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。
29.6.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
30.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。
31.图1为常见的槽型开关单点光学定位装置示意图；
32.图2为本实用新型实施例提供的光学定位装置立体图；
33.图3为图2所示的光学定位装置的俯视图；
34.图4为图3所示的光学定位装置b-b面的剖视图；
35.图5为本实用新型实施例提供的棱镜示意图；
36.图6为本实用新型实施例提供的光学定位装置光路图；
37.附图标记说明：
38.1-壳体；2-第一凸出部；3-第二凸出部；4-安装孔；5-信号线；6-滤光片；7-检测区域；8-光发射器；9-光接收器；10-棱镜；11-电路板；12
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挡板；
39.101-入射面；102-第一反射平面；103-第二反射平面；104-出射平面。
具体实施方式
40.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。
41.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。
42.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。
43.实施例1
44.图2-图6为本实用新型提供的第一种实施例。如图2-图6所示，本实施例提供的贯穿式光学定位装置，包括壳体1、光发射器8、光接收器9和棱镜10。壳体1上沿着壳体高度方向设置有第一凸出部2和第二凸出部3，第一凸出部2和第二凸出部3平行设置，与壳体1形成凹槽结构。凹槽结构的内凹空间即为检测区域7，被检测物可在检测区域7内往复运动或贯穿整个检测区域。
45.光发射器8和光接收器9位于壳体1内第一凸出部2侧，具体的，两者位于同一电路板11上。实际生产过程中，电路板11上预留出光发射器8 和光接收器9的位置，既避免了安装过程中精细调解光发射器8和光接收器9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。
46.棱镜10位于壳体1内第二凸出部3侧。棱镜10为一组合透镜，用于准直和反射光束。棱镜10包括入射面101、第一反射平面102、第二反射平面103和出射平面104。其中，入射面101与出射平面104相接，位于棱镜10的一个侧面，第一反射平面102和第二反射平面103呈90
°
，分别位于棱镜10的另外两个侧面。光发射器8与入射面101相对而设，位于壳体 1的内部，光接收器9与出射平面104相对而设，分别位于第一凸出部2和第二凸出部3的内部。另外，入射面101向外凸出呈椭球面凸透镜状，用于准直光线。为了获得垂直射出的平行光束，入射面101的主轴线与出射平面104的中垂线平行。为了降低生产成本和装配误差，提高定位装置的定位精度，棱镜10采用注塑一体成型。
47.实际使用中，经光发射器8发出的发散光束，经棱镜10的入射面101 准直成平行光束，平行光束再经第一反射平面102和第二反射平面103反射，光束方向发生180
°
偏转，从出射平面104射出，进入检测区域7，最后到达光接收器9。
48.光发射器8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为图像传感器，优选一维cmos图像传感器，便于获得边缘清晰的一维投影图像，而且便于读取投影图像上每个像素的信号值。
49.当检测区域7内有被检测物时，在平行光束的照射下，光接收器9会形成一幅边缘清晰的投影图像，且不受被检测物表面不均匀反光的影响。同时，光接收器9的长度方向与被检测物的移动方向平行，这样，被检测物进入检测区域7的任何地方，均能被平行光束照射形成投影图像，从而定位出被检测物的位置。
50.在整个定位过程中，因为采用的是平行光照射，所以投影的大小及位置间接反应了被检测物的大小和位置。而且在此过程中，被检测物无需来回移动寻找光轴，提高了定位速度。光接收器9为一维图像传感器，因而可以通过读取从光接收器9上获得的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。
51.此外，第一凸出部2和第二凸出部3形成的凹槽结构的正面开口方向与入射面101的长轴方向垂直，可进一步压缩壳体内部空间，减小定位装置的尺寸。
52.特别的，在光接收器9前面面向检测区域7的方向，设置有滤光片5 以过滤杂光。为了防止光发射器8发出的光直接进入检测区域9或光接收器9，影响投影图像的质量，在光发
射器8和光接收器9之间平行于平行光束出射方向设置有挡板12。
53.可选择的，本发明实施例中的光学定位装置，光发射器8和光接收器9 也可以不设置在同一电路板上，仅需对光发射器8和光接收器9进行电路同步。
54.实施例2
55.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。
56.本实施例提供的光学定位系统的定位过程如下：
57.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。
58.光发射器发光：经光发射器发出的光束，射向入射面，准直成平行光束，平行光束再先后经第一反射平面和第二反射平面全反射，光路方向发生180
°
偏转后射向检测区域和光接收器。为获得良好的准直效果，光发射器优选led点光源或激光发射器，
59.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，光接收器优选一维cmos图像传感器。
60.获取投影图像：被检测物在平行光束的照射下，光接收器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。
61.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。
62.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。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：
[0063][0064]
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。
[0065]
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。
[0066]
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。