一种反射式光学旋转编码器、校准方法及系统与流程

1.本发明涉及编码器技术领域，特别涉及一种反射式光学旋转编码器、校准方法及系统。


背景技术：

2.参照图1，常规的光学旋转编码器包括旋转部件1、光源和光学传感器阵列2，旋转部件1上设有反射面11，光学传感器阵列包括光谱通道阵列，光源发出的光入射至反射面11上并反射至光学传感器阵列2的光谱通道中。
3.图2(a)为现有光学旋转编码器中光学传感器阵列的第n(n≥1)帧图像，图2(b)为现有光学旋转编码器中光学传感器阵列的第n+1帧图像；两帧图像相对位移可通过计算图像中特征点的位移得到，一次计算得到的相对位移为：
[0004][0005]
其中，dx为特征点在x方向的位移，dy为特征点在y方向的位移。
[0006]
图3(a)为现有的光学旋转编码器在旋转部件沿单一方向旋转时计算得到的累计相对位移(ds_sum)随时间的变化图；可见，当旋转部件1沿单一方向旋转时，累计相对位移随时间逐渐增大，旋转周期越多，累计相对位移越大。图3(b)为现有的光学旋转编码器在旋转部件随机左右旋转时计算得到的累计相对位移随时间的变化图；可见，当旋转部件1随机左右旋转时，累计相对位移随机变化。而在没有校准信号的情况下，随着工作时间的推移，累计误差变得很大，从而影响造成读数于初始状态差别巨大，无法得知当前的绝对位置。


技术实现要素：

[0007]
本发明要解决的技术问题是提供一种可对进行位置校准、从而获得转动的绝对位置信息的反射式光学旋转编码器。
[0008]
为了解决上述问题，本发明提供了一种反射式光学旋转编码器，所述反射式光学旋转编码器包括：
[0009]
旋转部件，所述旋转部件上设有反射面，所述反射面上设有标志区域；
[0010]
光源，所述光源产生入射光并入射至所述反射面和标志区域上，所述反射面用于反射入射光并在光学传感器阵列上形成具有明暗变化的图像；所述标志区域用于反射所述入射光中目标波段的光，或者在所述入射光的作用下产生目标波段的光；
[0011]
光学传感器阵列，所述光学传感器阵列包括光谱通道阵列，用于接收所述反射面的反射光，所述光谱通道阵列中设有校准光谱通道，所述校准光谱通道用于检测所述标志区域反射或产生的目标波段的光；
[0012]
校准单元，所述校准单元用于在所述校准光谱通道检测到目标波段的光的强度增大到目标值时，将所述旋转部件的相对位移校准为零。
[0013]
作为本发明的进一步改进，所述旋转部件上设有多个标志区域，多个标志区域分别用于反射或产生不同目标波段的光，所述光谱通道阵列中设有多个校准光谱通道，所述
校准光谱通道与标志区域一一对应设置，每个校准光谱通道用于检测对应标志区域反射或产生的对应目标波段的光。
[0014]
作为本发明的进一步改进，所述多个标志区域沿所述旋转部件的径向错开设置，任意两个相邻的标志区域与所述旋转部件的旋转轴形成的夹角a为：
[0015][0016]
其中，n为标志区域的数量。
[0017]
作为本发明的进一步改进，所述标志区域的颜色为目标波段对应的光的颜色，以反射目标波段对应的光，所述标志区域通过与目标波段对应的光的颜色相同的颜料涂覆在所述反射面上形成；或者，通过目标波段对应的光的颜色相同的材料粘接在所述反射面上形成。
[0018]
作为本发明的进一步改进，通过在所述光谱通道阵列中的像素上镀滤光膜或加上滤光片，所述滤光膜或滤波片的滤光波段与目标波段一致，以形成所述校准光谱通道。
[0019]
本发明还提供了一种反射式光学旋转编码器的校准方法，应用于上述反射式光学旋转编码器，所述反射式光学旋转编码器的校准方法包括以下步骤：
[0020]
s1、所述旋转部件旋转并带动所述反射面旋转，所述光源产生入射光并入射至所述反射面上并反射，所述光谱通道阵列接收所述反射面的反射光；
[0021]
s2、当所述反射面旋转至所述标志区域接近校准位置时，所述校准光谱通道检测到所述标志区域反射或产生的目标波段的光，且所述目标波段的光的强度逐渐增大；
[0022]
s3、当所述反射面旋转至所述标志区域到达校准位置时，所述校准光谱通道检测到目标波段的光的强度增大到目标值，所述校准单元将所述旋转部件的相对位移校准为零。
[0023]
本发明还提供了一种反射式光学旋转编码器，其包括：
[0024]
旋转部件，所述旋转部件上设有反射面，所述反射面上设有标志区域；
[0025]
光源，所述光源产生入射光并入射至所述反射面和标志区域上，所述反射面用于反射入射光并在光学传感器阵列上形成具有明暗变化的图像；所述标志区域用于吸收所述入射光中目标波段的光；
[0026]
光学传感器阵列，所述光学传感器阵列包括光谱通道阵列，用于接收所述反射面的反射光，所述光谱通道阵列中设有校准光谱通道，所述校准光谱通道用于检测所述标志区域的反射光中目标波段的光；
[0027]
校准单元，所述校准单元用于在所述校准光谱通道检测到反射光中目标波段的光的强度低于目标值时，将所述旋转部件的相对位移校准为零。
[0028]
作为本发明的进一步改进，所述旋转部件上设有多个标志区域，多个标志区域分别用于吸收不同目标波段的光，所述光谱通道阵列中设有多个校准光谱通道，所述校准光谱通道与标志区域一一对应设置，每个校准光谱通道用于检测对应标志区域的反射光中目标波段的光。
[0029]
本发明还提供了一种反射式光学旋转编码器的校准方法，应用于上述反射式光学旋转编码器，其包括以下步骤：
[0030]
s1、所述旋转部件旋转并带动所述反射面旋转，所述光源产生入射光并入射至所
述反射面上并反射，所述光谱通道阵列接收所述反射面的反射光；
[0031]
s2、当所述反射面旋转至所述标志区域接近校准位置时，所述校准光谱通道接收到所述标志区域的反射光中目标波段的光，且所述目标波段的光的强度逐渐减小；
[0032]
s3、当所述反射面旋转至所述标志区域到达校准位置时，所述校准光谱通道接收到目标波段的光的强度减小到目标值，所述校准单元将所述旋转部件的相对位移校准为零。
[0033]
本发明还提供了一种编码器系统，所述编码器系统包括上述反射式光学旋转编码器。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
本发明反射式光学旋转编码器通过在旋转部件上设置反射面，在反射面上设置标志区域，利用标志区域反射或产生目标波段的光，在光谱通道阵列中设置校准光谱通道，利用校准光谱通道接收标志区域反射或产生的目标波段的光，并通过校准单元在校准光谱通道接收到目标波段的光的强度增大到目标值时，将旋转部件的相对位移校准为零。由此消除了累计误差，从而获得转动的绝对位置信息。
[0036]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0037]
图1是现有的光学旋转编码器的示意图；
[0038]
图2(a)是现有光学旋转编码器中光学传感器阵列的第n帧图像；图2(b)为现有光学旋转编码器中光学传感器阵列的第n+1帧图像；
[0039]
图3(a)是现有的光学旋转编码器在旋转部件沿单一方向旋转时计算得到的累计相对位移随时间的变化图；图3(b)是现有的光学旋转编码器在旋转部件随机左右旋转时计算得到的累计相对位移随时间的变化图；
[0040]
图4是本发明实施例一中的反射式光学旋转编码器的示意图；
[0041]
图5是本发明实施例一中的反射式光学旋转编码器中光学传感器阵列的图像；
[0042]
图6是本发明实施例一中反射式光学旋转编码器在旋转部件沿单一方向旋转时计算得到的累计相对位移和校准光谱通道接收到目标波段的光的强度随时间的变化图；
[0043]
图7是本发明实施例二中的反射式光学旋转编码器的示意图；
[0044]
图8是本发明实施例二中的反射式光学旋转编码器中光学传感器阵列的图像；
[0045]
图9是本发明实施例三中的反射式光学旋转编码器中光学传感器阵列的图像。
[0046]
标记说明：1、旋转部件；11、反射面；2、光学传感器阵列；3、标志区域；4、像素；5、校准光谱通道。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0048]
实施例一
[0049]
参照图4，本实施例公开了一种反射式光学旋转编码器，该反射式光学旋转编码器包括旋转部件1、光源、光学传感器阵列2和校准单元。可选地，光源为白光光源。
[0050]
旋转部件1上设有反射面11，反射面11上设有标志区域3，光源产生入射光并入射至反射面11和标志区域3上，反射面11用于反射入射光并在光学传感器阵列2上形成具有明暗变化的图像；标志区域3用于反射入射光中目标波段的光，或者在入射光的作用下产生目标波段的光。其中，反射面11为非镜面，使得反射面11反射回来的光能够在光学传感器阵列2上形成有明暗对比的图像，以便通过算法找到特征点，实现特征编码。
[0051]
光学传感器阵列2包括光谱通道阵列，用于接收反射面11的反射光，光谱通道阵列中设有校准光谱通道，校准光谱通道用于检测标志区域3反射或产生的目标波段的光，校准单元用于在校准光谱通道检测到目标波段的光的强度增大到目标值时，将旋转部件1的角度校准为零。
[0052]
图5是本实施例中的反射式光学旋转编码器中光学传感器阵列的图像。其中，校准光谱通道5可选用任意空闲的像素4来实现。可选地，通过在所述光谱通道阵列中的像素4上镀滤光膜或加上滤光片，滤光膜或滤波片的滤光波段与目标波段一致，以形成校准光谱通道5。
[0053]
图6是本实施例中反射式光学旋转编码器在旋转部件沿单一方向旋转时计算得到的累计相对位移和校准光谱通道检测到目标波段的光的强度随时间的变化图。可见，当旋转部件1沿单一方向旋转时，在旋转周期内，累计相对位移随时间逐渐增大。而在本实施例中，旋转部件上设有一个标志区域3，即实现旋转部件1每旋转360度校准一次，避免累计相对误差随旋转周期的增加而增加。
[0054]
可选地，标志区域3的目标波段为红光波段(波长范围760nm～622nm)、橙光波段(波长范围622nm～597nm)、黄光波段(波长范围597nm～577nm)、绿光波段(波长范围577nm～492nm)、青光波段(波长范围492nm～450nm)、蓝光波段(波长范围450nm～435nm)或紫光波段(波长范围435nm～390nm)。
[0055]
同理，当旋转部件1随机左右旋转时，累计相对位移随机变化，但是，只要旋转部件1在一个方向累计旋转360度，即进行一次校准，避免累计误差无限增大。
[0056]
可选地，标志区域3反射入射光中目标波段的光通过以下方式实现：标志区域3的颜色为目标波段对应的光的颜色，以反射目标波段对应的光。进一步地，标志区域3通过与目标波段对应的光的颜色相同的颜料涂覆在旋转部件1上形成；或者，通过目标波段对应的光的颜色相同的材料粘接在旋转部件1上形成。在其他实施例中，标志区域3也可以通过可反射特定波长的光的光学元件来替代。
[0057]
标志区域3在入射光的作用下产生目标波段的光可通过以下方式实现：
[0058]
一、光致发光
[0059]
光致发光可以进一步细分为荧光发光和磷光发光：
[0060]
a)荧光发光：荧光剂为某种常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线或x射线)照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出出射光(通常波长比入射光的的波长长，在可见光波段)；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。
[0061]
b)磷光发光：磷光剂为某种常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线或x射线)照射，吸收光能后进入激发态(通常具有和基态不同的自旋多重度)，然后缓慢地退激发
并发出比入射光的的波长长的出射光，而且与荧光过程不同，当入射光停止后，发光现象持续存在，其衰退时间大于10e-8
秒。
[0062]
具体地，本发明可使用荧光发光或者磷光发光的方法，把特定波段荧光或者磷光剂涂抹在反射面11上以形成标志区域3，然后根据荧光剂或者磷光剂的要求，光源产生所需对应波段的光入射至标志区域3上，然后标志区域3产生目标波段的光。
[0063]
二、量子点发光技术：
[0064]
量子点发光技术是一种借由量子点(quantum dot,qd)或半导体纳米晶体其之特殊光电性质可产生纯色之红、绿和蓝光之三原色以作为显示应用的技术。实际使用中，可以使用包含有预制对特定波长进行设计过的量子点薄膜或者量子点涂料，附着于在反射面11上以形成标志区域3，然后通过激光或者led激发量子点后，产生所需要的目标波段的光。
[0065]
在本实施例中，旋转部件1为圆柱，反射面11设置在圆柱的端面或侧面。需要指出的是，这里的圆柱包括圆盘，圆盘属于在轴向延伸较小的圆柱，其本质上属于圆柱。
[0066]
在其他实施例中，旋转部件1可为圆环，反射面11设置在圆环的端面、内侧面或外侧面。
[0067]
本发明反射式光学旋转编码器通过在旋转部件1上设置标志区域3，利用标志区域3反射或产生目标波段的光，在光谱通道阵列中设置校准光谱通道5，利用校准光谱通道5检测标志区域3反射或产生的目标波段的光，并通过校准单元在校准光谱通道5检测到目标波段的光的强度增大到目标值时，将旋转部件1的相对位移(角度)校准为零。由此消除了累计误差，从而获得转动的绝对位置信息。
[0068]
实施例二
[0069]
参照图7，本实施例公开了一种反射式光学旋转编码器，本实施例中的反射式光学旋转编码器与实施例一中的反射式光学旋转编码器的区别在于：本实施例中旋转部件1上设有两个标志区域3，两个标志区域3分别用于反射或产生两个不同目标波段的光，光谱通道阵列中设有两个校准光谱通道5，校准光谱通道5与标志区域一一对应设置，每个校准光谱通道8用于检测对应标志区域反射或产生的对应目标波段的光，参照图8。
[0070]
需要说明的是：这里两个标志区域3为什么对应两个不同目标波段的光，而不是同一波段？因为，当两个标志区域对应同一波段的光时，如果误差累积的速度超过算法能识别的速度，算法就无法识别校准信号来自于哪个标志区域3，导致出错。特别是当需要进一步提高校准精度，而像实施例三中，设置三个及以上的标志区域3时，为了避免出错，就更需要一个标志区域对应一个目标波段的光，以保证系统不受误差积累速度的影响。
[0071]
进一步地，两个标志区域3沿旋转部件1的径向错开设置，两个标志区域3与旋转部件1的旋转轴形成的夹角a为180度，即两个标志区域3的连线经过旋转部件1的旋转轴。不论旋转部件1沿单一方向旋转还是随机左右旋转，只要旋转部件1在一个方向累计旋转180度，即进行一次校准，相对于实施例一，校准精度更高。
[0072]
可选地，两个标志区域3的目标波段为红光波段、橙光波段、黄光波段、绿光波段、青光波段、蓝光波段、紫光波段波段中的任意两个波段。
[0073]
实施例三
[0074]
本实施例公开了一种反射式光学旋转编码器，本实施例中的反射式光学旋转编码器与实施例一中的反射式光学旋转编码器的区别在于：旋转部件1上设有至少三个标志区
域3，至少三个标志区域3分别用于反射或产生至少三个目标波段的光，光谱通道阵列中设有至少三个校准光谱通道5，校准光谱通道5与标志区域3一一对应设置，每个校准光谱通道5用于检测对应标志区域3反射或产生的对应目标波段的光。参照图9。
[0075]
至少三个标志区域3沿旋转部件1的径向错开设置，任意两个相邻的标志区域3与旋转部件1的旋转轴形成的夹角a为：
[0076][0077]
其中，n为标志区域3的数量。
[0078]
不论旋转部件1沿单一方向旋转还是随机左右旋转，只要旋转部件1在一个方向累计旋转a，即进行一次校准，校准精度进一步提高。
[0079]
实施例四
[0080]
本实施例公开了一种反射式光学旋转编码器的校准方法，应用于实施例一中的反射式光学旋转编码器，该反射式光学旋转编码器的校准方法包括以下步骤：
[0081]
s1、旋转部件1旋转并带动反射面11旋转，光源产生入射光并入射至反射面11上并反射，光谱通道阵列接收反射面11的反射光；
[0082]
s2、当反射面11旋转至标志区域3接近校准位置时，校准光谱通道5接收到标志区域3反射或产生的目标波段的光，且目标波段的光的强度逐渐增大；参照图6，在校准位置附近，校准光谱通道检测到目标波段的光的强度增大，在远离校准位置时，校准光谱通道检测到目标波段的光的强度减小。
[0083]
s3、当反射面11旋转至标志区域3到达校准位置时，校准光谱通道5检测到目标波段的光的强度增大到目标值，校准单元将旋转部件1的角度校准为零。
[0084]
实施例五
[0085]
本实施例公开了一种反射式光学旋转编码器，本实施例中的反射式光学旋转编码器与实施例一中的反射式光学旋转编码器的区别在于：标志区域3用于吸收所述入射光中目标波段的光；所述校准光谱通道5用于检测标志区域3的反射光中目标波段的光；所述校准单元用于在校准光谱通道5检测到反射光中目标波段的光的强度低于目标值时，将旋转部件1的相对位移校准为零。
[0086]
其中，标志区域3可选用目标波段对应的吸波材料来实现。
[0087]
在其他实施例中，所述旋转部件1上设有多个标志区域3，多个标志区域3分别用于吸收不同目标波段的光，所述光谱通道阵列中设有多个校准光谱通道，所述校准光谱通道与标志区域一一对应设置，每个校准光谱通道用于检测对应标志区域3的反射光中目标波段的光。
[0088]
本实施例的机理与实施例一类似，区别仅仅在于实施例一是反射或产生目标波段的光，进而校准光谱通道在校准位置检测到的目标波段的光就会增强，而本实施例是吸收目标波段的光，进而校准光谱通道在校准位置检测到的目标波段的光就会减弱，从而实现校准。
[0089]
实施例六
[0090]
本实施例公开了一种反射式光学旋转编码器的校准方法，应用于实施例五中的反射式光学旋转编码器，该反射式光学旋转编码器的校准方法包括以下步骤：
[0091]
s1、旋转部件1旋转并带动反射面11旋转，光源产生入射光并入射至反射面11上并反射，光谱通道阵列接收反射面11的反射光；
[0092]
s2、当反射面11旋转至标志区域3接近校准位置时，校准光谱通道5接收到标志区域3的反射光中目标波段的光，且目标波段的光的强度逐渐减小；在远离校准位置时，校准光谱通道检测到目标波段的光的强度增大且强度稳定，在校准位置附近，校准光谱通道检测到的反射光中目标波段的光的强度减小。
[0093]
s3、当反射面11旋转至标志区域3到达校准位置时，校准光谱通道5检测到目标波段的光的强度减小到目标值，校准单元将旋转部件1的角度校准为零。
[0094]
实施例七
[0095]
本实施例公开了一种编码器系统，其包括实施例一、实施例二、实施例三或实施例五中的反射式光学旋转编码器，并利用实施例一、实施例二、实施例三或实施例五中的反射式光学旋转编码器进行编码以及校准。
[0096]
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。