CN101379370B - 用于伺服系统的光位置传感器 - Google Patents

Abstract

用于伺服系统的光位置传感器结构的系统和方法。优选实施例包括：光源(310)，其被配置成产生强度取决于控制信号的光；位置彼此相邻的第一光传感器(305)和第二光传感器(306)，每一个光传感器被配置成基于入射到每个光传感器上的光量产生电流。该优选实施例也包括被耦合至负载并且位于光源和第一光传感器与第二光传感器之间的带缝器件(315)。该带缝器件基于负载的位置调节射到第一光传感器和第二光传感器的光量。该带缝器件以缝隙为特征，该缝隙的半径随着旋转角度而线性增加以便该光位置传感器具有线性特性。

Description

用于伺服系统的光位置传感器

技术领域

本发明一般地涉及用于伺服系统的光位置传感器结构的方法和装置。 

背景技术

伺服系统需要反馈信息以便关闭伺服回路。为了将负载移动或旋转到新位置，针对伺服系统的伺服命令典型地要求该伺服机构产生表示负载的当前位置和新命令位置之间误差的信号(误差信号)。该误差信号然后能够用作将带有制动器的负载移动到新位置的基础。当负载接近新位置时，误差信号将趋向于表示更小的误差值，以表明负载正越来越接近新位置。 

位置传感器可用来将与负载和/或制动器的位置有关的信息转换成可以提供给伺服系统的电信息。该电信息(即误差信号)可以用于伺服系统中从而对用以控制制动器的伺服命令做出必要的调节。希望的是，位置传感器具有线性响应以便可以在伺服运动的全程过程中具有最优性能。 

各种各样的传感器类型过去已经被用作位置传感器。电位器在伺服系统中已经被用作位置传感器。该电位器使用电接触来提供可根据伺服位置而变化并具有线性响应的电压。而且，电位器可以是廉价的，允许低成本伺服系统的构造。电磁传感器，例如那些使用霍尔效应(Hall Effect)的传感器，在伺服系统中已被用作位置传感器。电磁位置传感器具有几乎没有机械部件磨损的优势。此外，由于没有涉及位置传感的摩擦，位置传感器的精度很高。具有单光敏器件的光传感器也已被用于伺服系统。光位置传感器具有机械部件少、无摩擦、寿命长等优点，以及具有优于大量位置传感器的一致性的、可预测的性能。 

现有技术的一个缺陷是：电位器利用机械机构来将位置信息转换成电信息。由于要求物理接触，机械机构将会产生摩擦，这可能导致尤其是当伺服机构开始或停止时性能不稳定。再则，机械机构会随着使用而磨损；因此，它们可能具有有限的使用寿命。

现有技术的第二个缺陷是：利用霍尔效应传感器的电磁传感器对于不同的位置传感器可能具有不可预知的性能，并且可能需要调整从而提供一致性且可预知的性能。额外的调整会提高与电磁传感器的使用有关的成本。

现有技术的第三个缺陷是：具有单光敏器件的光传感器具有非线性响应。因此，伺服系统的性能可能在伺服机构运动的全程中是次优的。

发明内容

这些或其它问题一般由本发明的优选实施例来解决或回避，并获得技术优势。所述本发明的优选实施例提供了用于伺服系统的光位置传感器结构的方法和装置。

根据优选实施例，提供了用于伺服系统移动负载的光位置传感器。该光位置传感器包括：光源，其被配置成产生具有强度由控制信号决定的光；位置彼此相邻的第一光传感器和第二光传感器；以及带缝器件，其被耦合至负载并位于光源和第一光传感器与第二光传感器之间。每个光传感器基于入射到每个光传感器中的探测器上的光量产生电流，并且该带缝器件基于负载位置调节由光源所产生的投射到第一光传感器和第二光传感器的光量。

根据另一个优选实施例，提供了一种用于给光学伺服系统产生反馈控制信号的方法。该方法包括：根据由第一光传感器产生的第一电流和由第二光传感器产生的第二电流之差来计算反馈控制信号；以及计算用来照射第一光传感器和第二光传感器的光源的光调制信号。其中所述光源的调制产生自动归一化的反馈控制信号。

根据另一个优选实施例，提供了一种用于显示图像的显示系统。该显示系统包括：光调制器阵列，其被配置成通过将在光调制器阵列中的每个光调制器设置成与相应像素匹配的状态来创建由象素构成的图像；以及照射该光调制器阵列的光源，其中来自光源经光调制器阵列反射的光在显示器上形成图像。该显示系统也包括：位于光源和该光调制器阵列之间的孔，该孔被配置成调制由光源产生的光；以及耦合至孔的 伺服系统，该伺服系统被配置成将孔移动到适当位置从而将光调制到希望值。

优选实施例的优势是：光位置传感器结构提供了光传感器的好处(成本低、寿命长以及不会由于摩擦损失而降低性能等)以及在整个伺服运动范围内的线性响应。

优选实施例的进一步优势在于：多个光敏元件和差分操作的使用可以在大范围的条件下提供更稳定的操作。

然而优选实施例的另一个优势在于：用于归一化的闭环方法不需要模拟除法器电路。模拟除法器电路的消除既可以增加伺服系统的可靠性又可以降低其成本。

附图说明

图1是示例性伺服系统的图示；

图2是根据本发明的优选实施例用以控制数字显示系统中孔的伺服系统的图示；

图3a和3b是根据本发明的优选实施例用于将位置信息转换成电信息的光位置传感器的图示；

图4a和4b是根据本发明的优选实施例在光位置传感器中的带缝器件的图示；

图5a到5d是根据本发明的优选实施例由光位置传感器中的光电晶体管产生的电流的数据图；

图6是根据本发明的优选实施例用于产生位置反馈信号的位置传感器系统的图示；

图7a和图7b是根据本发明的优选实施例用于计算伺服控制、放大器单元和LED驱动电流的反馈信号的算法图；以及

图8是根据本发明的优选实施例的部分二进制SLM显示系统的图示，该显示系统使用伺服控制孔来增加由显示器显示的图像的位深度。

具体实施方式

本发明描述了具体情况下的有关优选实施例，即在数字显示系统中用来控制孔的伺服系统，其中所述数字显示系统是空间光调制器，该空间光调制器使用可移动的微镜调制光，例如德州仪器的数字光处理 器(DLP^TM)装置。然而，本发明也可以适用于其它应用，其中需要伺服系统将负载从一个位置移动到另一个位置。这些系统的示例包括基于其它类型的空间光调制器的显示系统，例如那些利用可变形镜来调制光的系统、制作系统、机器人系统、玩具系统、消费电子系统等等。 

图1示出伺服系统100的示例。该伺服系统100包括伺服控制和放大器单元105，该伺服控制和放大器单元105接收伺服命令并将伺服命令转换成可以驱动马达110的电信号。马达110为负载115提供运动。负载115的运动可由传感器120探测，该传感器为伺服控制和放大器单元105提供位置反馈信息。基于该位置反馈信息，该伺服控制和放大器单元105可以对其正提供给马达110的电信号做必要的改变从而将负载115移动到希望的位置。传感器120可以利用包括机械接触(电位器)、电磁感测(霍尔效应传感器)、光学传感(光敏元件)等多种技术将负载115的运动转换成位置反馈信息。

图2示出了根据本发明的优选实施例用于控制数字显示系统中的孔的伺服系统200。在数字显示系统中，例如二进制空间光调制器(SLM)显示系统，其中光由光调制器(例如可移动的微镜)调制从而在显示器上显示图像和移动的视频，希望通过增加显示器的位深度来增强图像品质。显示系统的位深度可以被定义为以2为底的，由显示系统所提供的最大光量除以由显示系统所提供的最小光量之值的对数。位深度越大，可以由显示系统所显示的图像细节越多。

可以用来增加显示系统的位深度的技术涉及要影响被用来显示图像的光的孔的移动(未显示)。孔的大小可以确定要显示的光量。因此，小孔可以导致显示少量的光而大孔可以导致显示大量的光。

被用来移动通过光的孔210的伺服系统200可以包括伺服控制和放大器单元105，该伺服控制和放大器单元给马达110提供指令从而物理上移动孔210。该伺服控制和放大器单元105可以接收来自控制器205比如专用集成电路(ASIC)的命令，该专用集成电路被设计成使用可移动的微镜来控制二进制空间光调制器显示系统的操作。除了为ASIC外，该控制器205还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、嵌入式控制器等等。

如图2所示，孔210被示为以放射状方式运动。然而，本发明的可替换实施例可以具有以线性方式运动的孔210。传感器120可以将孔210的运动转换成可提供给伺服控制和放大器单元105的位置反馈信息。

图3a和3b示出了根据本发明的优选实施例用于将位置信息转换成电信息的光位置传感器300。图3说明光位置传感器300的俯视图，该光位置传感器300可以被用作传感器120(图2)的一种实施方式并且包括一对光电晶体管PT1 305和PT2 306。该光电晶体管PT1 305和PT2306可以以并排分布形式被布置，并且可以包括红外线滤波器(未显示)以防止杂散可见光影响位置感测精度。光电晶体管PT1 305和PT2 306可以由发光二极管(LED)310照射。该LED 310应具有与光电晶体管PT1 305和PT2 306的响应相匹配的发射波长。

带缝器件315可以被安置在光电晶体管PT1 305和PT2 306与LED 310之间，以控制在光电晶体管PT1 305和PT2 306端接收的光量。根据本发明的优选实施例，带缝器件315包括一片材料，该材料优选地呈扁平形状并且带有切入所述片的缝隙。图3a中所示的图说明带缝器件315的俯视横截面视图。可看见两部分：在缝隙的第一侧上的第一部分316和在缝隙的第二侧上的第二部分317。来自LED 310的光射到光电晶体管PT1 305和PT2 306可以在每一个光电晶体管中产生电流的幅值与光电晶体管PT1 305和PT2 306上的光量成比例的电流。

图3b说明光位置传感器300的前视图，例如从LED 310的有利位置观察。被显示的是光电晶体管PT1 305和PT2 306，以及带缝器件315的第一部分316和第二部分317。图3b中所示的带缝器件315可以只是整个带缝器件315的一小部分。当孔210运动时，带缝器件315也运动。当带缝器件315运动时，缝隙平移穿过光电晶体管PT1 305和PT2 306的前部，并允许来自LED 310的光以不同的比例射到光电晶体管PT1 305和PT2 306。例如，带缝器件315的缝隙位于如图3b所示时，来自LED 310的光将相对等比例地射到光电晶体管PT1 305和PT2 306。如果该带缝器件315运动以致缝隙朝着左边运动，则与射到光电晶体管PT2 306的光相比，更多的来自LED 310的光将会射到光电晶体管PT1 305。

图4a和4b说明了根据本发明的优选实施例的带缝器件315。图 4a说明了伺服系统200的马达110、孔210和光位置传感器300的详细视图。马达110径向地或线性地移动孔210(径向移动如图4a所示)。根据本发明的优选实施例，具有以弧形形式切开的缝隙特征的光位置传感器300可以直接将马达电枢405的旋转转换成穿过光电晶体管PT1 305和PT2306的缝隙图像的平移运动从而产生电信息。由于光位置传感器300径向地运动，如果马达110线性地移动孔210，必须发生运动转换以便光位置传感器300可以精确地将孔210的移动转换成电信息。在另一些实施例中，简化齿形轮(未显示)可以用来将电枢405的线性移动转换成光位置传感器300的旋转运动。

图4b说明了光位置传感器300的详细视图。光电晶体管PT1 305和PT2 306以虚线形式示出，该虚线表明光电晶体管PT1 305和PT2 306的位置在带缝器件315的后面。该带缝器件315被显示为V形，但也可能是其它形状，例如扁平弧带形。该带缝器件315可以由不透明材料制成，所述不透明材料阻挡由LED 310(图4b中未显示)产生的光并且具有切穿该带缝器件315的缝隙455，其中由LED 310产生的光可以通过未受遮挡的缝隙455。该缝隙455可以拥有连续变化的半径，例如，在缝隙455的起点处，缝隙455可以有值为R的半径460，而在缝隙455的末端点处，缝隙455可以有值为R+□的半径465。根据本发明的优选实施例，缝隙455的半径随旋转角度线性地变化。因此，当带缝器件315旋转时，缝隙455线性地平移穿过光电晶体管PT1 305和PT2 306。缝隙455的形状被公知为阿基米德螺旋线。阿基米德螺旋线被认为由本发明领域的那些普通技术人员所公知并且不将在此讨论。

图5a至5d是根据本发明的优选实施例说明由光电晶体管PT1305和PT2 306产生的电流的数据图。图5a中所示的数据图说明了当带缝器件315旋转以使缝隙455移过光电晶体管PT1 305和PT2 306时由光电晶体管PT1 305和PT2 306产生的电流。在该实施例中，缝隙455的宽度基本上等于光电晶体管PT1 305和PT2 306的中心距。然而，这一点不应该被理解成是对本发明精神或范围的限制。最初，整个缝隙455不在任一个光电晶体管上方。然后随着带缝器件315继续旋转，缝隙455开始在其中一个光电晶体管(例如光电晶体管PT1 305而不是另一个光电 晶体管PT2 306)上方移动。这样，来自LED 310的光仅射到光电晶体管PT1 305的表面并且只有光电晶体管PT1 305产生电流。

随着带缝器件315继续旋转，缝隙455平移穿过光电晶体管PT1305和PT2 306，并且最后开始在光电晶体管PT2 306上方移动。当缝隙455移动到光电晶体管PT2 306上方时，该缝隙455也开始移离光电晶体管PT1 305。因此，由光电晶体管PT1 305产生的电流减少而由光电晶体管PT2 306产生的电流增加。当带缝器件315到达旋转的末端时，缝隙455移离光电晶体管PT2 306并且由光电晶体管PT2 306产生的电流下降。第一曲线505说明由光电晶体管PT1 305产生的电流，而第二曲线506说明由光电晶体管PT2 306产生的电流，而第三曲线507说明两个光电晶体管PT1 305和PT2 306的电流之和的电流。

图5b所示的数据图说明了示出由光电晶体管PT1 305和PT2 306产生的电流之差的第四曲线510。该第四曲线510示出了呈现线性行为的缝隙455运动范围。通常，为了提供独立于由LED 310产生的光振幅(即LED 310的亮度)的恒定结果，所述电流之差(第四曲线510(图5b))可以用由光电晶体管PT1 305和PT2 306产生的电流之和(第三曲线507(图5a))进行归一化(相除)。这在图5c所示的数据图中被示为第五曲线515。最后，在图5d中所示的数据图说明了第五曲线515的扩展部分，示出了归一化差分曲线部分的线性部分。

现参考图6，示出了根据本发明的优选实施例说明用于产生位置反馈信号的位置传感器系统600的图示。位置传感器600可以位于传感器120(图2)中从而将位置信息转换成电信息，该电信息可以被反馈到伺服控制和放大器单元105(图2)从而允许精确控制孔210(或者通常是负载115)的位置。

位置传感器系统600包括耦合至电路的光位置传感器300，该电路用来将由光位置传感器300产生的电流转换成电信息以便反馈到所述伺服控制和放大器单元105。如图3a和3b的描述所讨论的，光位置传感器300包括光电晶体管PT1 305和PT2 306，这对光电晶体管可以产生与射到它们的反应表面的光强成比例的光电流。所述光由LED 310提供并且带缝器件315可以阻止由LED 310产生的光或者通过由LED 310产生 的光。带缝器件315可以连同孔210的移动而移动。因此，由光电晶体管PT1 305和PT2 306产生的电流强度取决于孔210的移动。

来自每个光电晶体管PT1 305和PT2 306的输出可以被耦合至前置放大器(预放大器)从而放大由光电晶体管PT1 305和PT2 306产生的电流，并且产生足够由后续电路处理的电压电平。第一前置放大器605可以被耦合至来自光电晶体管PT1 305的输出而第二前置放大器606可以被耦合至来自光电晶体管PT2 306的输出。来自第一前置放大器605(标示A)和第二前置放大器606(标示B)的放大电压输出可以被提供给差分放大器610和求和放大器615。差分放大器610优选地是可以计算其两个输入端的两个信号之差的双输入放大器，产生基本上等于A-B的输出。求和放大器615(也优选双输入放大器)可以计算其两个输入端的两个信号之和，产生基本上等于A+B的输出。

差分放大器610的输出(A-B)可以被反馈到伺服控制和放大器单元105并用来修正提供给马达110的电信号从而移动孔210。一般地，反馈信号(差分放大器610的输出)需要用求和放大器615的输出(A+B)进行归一化(相除)。然而，模拟除法器的实现可能很困难。因此，通过对求和放大器615的输出进行额外的处理，可能不需要模拟除法器。

根据本发明的优选实施例，通过控制由LED 310产生的光强可能不需要模拟除法器。求和放大器615的输出(A+B)可以被处理并随后用来控制由LED 310产生的光量(强度)，从而将求和放大器615的输出驱动到恒定工作点。求和放大器615的输出可以被提供给减法器620，该减法器从参考电压中减去求和放大器615的输出(reference_voltage-(A+B))，从而产生误差信号。根据本发明的优选实施例，参考电压可以被设置成确定求和放大器615的所需工作点。一般地，参考电压将被设置成电源电压的一半。减法器620的误差信号输出可以随后被提供给积分器625，该积分器625顾名思义计算减法器620的误差信号输出的积分。积分器625的积分误差信号输出随后可以用来调节LED驱动电流的大小直到求和放大器615的输出达到希望的工作点并且误差信号被驱动到零。如果积分器625的积分误差信号输出很大，则LED 310将会很亮，而如果积分器625的积分误差信号输出很小，则LED 310将会很暗。 调节由LED 310产生的光导致求和放大器615的输出基本上等于常数。这导致自动归一化差分放大器610的输出。

图7a和7b示出了根据本发明的优选实施例说明计算伺服控制和放大器单元105(图2)的反馈信号和LED驱动电流的算法的图示。图7a和图7b所示的算法可以说明发生在位置传感器系统600中的计算。

图7a说明了用于计算伺服控制和放大器单元105的反馈信号的算法700。该算法700可以表示由位置传感器系统600中的电路或功能模块执行的操作。可替换地，该反馈信号的计算可以通过实现位置传感器系统600的电路或功能块的软件功能以软件方式执行。反馈信号的计算可以始于计算由第一光电晶体管(例如光电晶体管PT1 305)提供的电流和由第二晶体管(例如光电晶体管PT2 306)提供的电流之差(块705)。如果差分放大器用电路或功能块来执行，则差分放大器例如图6所示的差分放大器610可以用来计算与两电流之差成比例的电压。在计算该差分之前，由光电晶体管所产生的电流可以被转换成电压电平并被放大从而使电压大小达到与差分放大器610(以及任何其它电路)的要求相适应的电平。

与由这些光电晶体管所产生的两电流之差成比例的电压可以作为反馈信号回送到伺服控制和放大器单元105(块710)。一般地，反馈信号在被反馈到伺服控制和放大器单元105之前将要求归一化。然而，基于维持两个光电流之和等于常数值的LED光调制的使用可以允许无需归一化。下面会提及LED光调制的计算讨论。

图7b示出了用于调制LED 310(图6)的光输出强度的算法750以便使无需对差分放大器610(图6)的输出进行归一化成为可能。由光电晶体管产生的电流数值可以由几个因素所决定，例如入射在光电晶体管上的光量和光强。例如，入射到晶体管上的光量可以由带缝器件315的位置调节，而光强可以由用以驱动LED 310的电流大小决定。例如，随着用以驱动LED 310的电流值的增加，由LED 310产生的光强也将增大。

算法750可以表示由位置传感器系统600中的电路或功能块所执行的操作。可替换地，控制由LED 310所产生的光可以由实现位置传 感器600的电路或功能块的软件操作程序以软件方式执行。控制由LED310产生的光可以通过控制用以驱动LED 310的电流大小来完成。电流大小的控制可以首先计算来自第一光电晶体管(例如光电晶体管PT1305)的电流和来自第二光电晶体管(例如光电晶体管PT2 306)的电流之和(块755)。如果求和放大器用电路或功能块来执行，则求和放大器例如图6所示的求和放大器615可用来计算与两个电流之和成比例的电压。在计算和值之前，由光电晶体管产生的电流可以被转换成电压并被放大以使电压数值达到与求和放大器615(以及任何其它电路)的要求相适应的电平。

在计算与来自光电晶体管PT1 305和PT2 306的电流之和成比例的和电压之后，可以从参考电压中减去和电压(块760)。正如前面所讨论的，参考电压可以被设置以决定求和放大器615所希望的操作点。一般地，参考电压将被设置成电源电压的一半。参考电压与来自求和放大器615的和电压之差可以随后被作为误差信号提供给积分器，例如积分器625(图6)，此处误差信号可以被积分(块765)且然后用以驱动LED310(块770)。

图8示出了根据本发明的优选实施例的二进制SLM显示系统800的一部分，该二进制SLM显示系统用伺服控制孔来增加由显示器所显示的图像的位深度。正如前面所讨论的，在二进制SLM显示系统800中，光调制器阵列，例如数字微镜器件805(DMD)中的可运动微镜阵列，用以调制由光源810所产生的光以便从DMD 805反射的光可以将所希望的图像显示在显示器815上。

孔210可以移入光源810和DMD 805之间的位置或从中移出，以改变来自光源810射到DMD 805上的光量。通过改变射到DMD 805的光量，可以改变反射离开DMD 805并显示在显示器815上的光量。这可以导致二进制SLM显示系统800的位深度的增加。孔210可以通过马达110而运动，该马达由伺服控制和放大器单元105利用由光位置传感器120提供的反馈控制信号来控制。孔210的位置可以通过由系统控制器(未显示)发出的命令来控制，该系统控制器也可以用来控制光调制器状态等等。

本发明涉及的本领域技术人员将会理解，可以针对描述的样本实施例进行各种增加、删除、替代和其它修改，而并不偏离本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于伺服系统移动负载的光位置传感器，其包括：

光源，其被配置成产生强度取决于控制信号的光；

位置彼此相邻的第一光传感器和第二光传感器，每个光传感器被配置成基于入射到每个光传感器中的光探测器上的光量产生电流；以及

被耦合至所述负载且位于所述光源和所述第一光传感器与所述第二光传感器之间的带缝器件，所述带缝器件被配置成基于所述负载的位置调节由所述光源产生的同时射到所述第一光传感器和所述第二光传感器两者的光量，所述带缝器件具有缝隙，所述缝隙被取向为所述负载的运动使所述带缝器件以这样的方向运动，即所述带缝器件以该方向运动，使得缝隙平移穿过光传感器从而改变同时射到所述第一光传感器和所述第二光传感器两者的光量的相应比例。

2.根据权利要求1所述的光位置传感器，其中所述带缝器件进一步调节来自所述光源的光射到所述第一光传感器和所述第二光传感器的位置。

3.根据权利要求2所述的光位置传感器，其中所述缝隙具有随所述带缝器件的旋转而线性变化的半径，且其中当所述负载移过整个运动范围时，来自所述光源的光射到所述第一光传感器和所述第二光传感器的所述位置横通过所述第一光传感器和所述第二光传感器。

4.根据权利要求3所述的光位置传感器，其中在所述带缝器件中所述缝隙的宽度在所述缝隙的整个长度上保持恒定。

5.根据权利要求4所述的光位置传感器，其中所述缝隙的所述宽度基本上等于所述第一光传感器和所述第二光传感器的中心距。

6.根据权利要求1至5中的任意一个权利要求所述的光位置传感器，其中在所述带缝器件中的所述缝隙是阿基米德螺旋线。

7.根据权利要求1至5中的任意一个权利要求所述的光位置传感器，其中所述伺服系统径向地移动所述负载，且其中所述带缝器件直接被耦合至所述负载。

8.根据权利要求1至5中的任意一个权利要求所述的光位置传感器，其中所述伺服系统线性地移动所述负载，且所述光位置传感器进一步包括被耦合在所述负载和所述带缝器件之间的径向运动转换器，所述径向运动转换器被配置成将线性运动转换成径向运动。

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