CN101952690B

CN101952690B - 角度测量设备和方法

Info

Publication number: CN101952690B
Application number: CN200880127273.5A
Authority: CN
Inventors: A·格利姆; M·弗格尔
Original assignee: Trimble Jena GmbH
Current assignee: Trimble Jena GmbH
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: CN101952690A; DE112008003711B4; US7697127B2; US20090231574A1; DE112008003711T5; WO2009103342A1

Abstract

描述了用于高度精确地确定旋转角的角度测量设备和角度测量方法。角度测量设备包括：由多个光敏像素组成的成像单元；照明单元；面向成像单元并具有不同光学特性的周期性图案的图案构件，图案构件被设置成由照明单元照亮，以将图案构件的图像投影到成像单元上；以及角度确定单元，其根据在从投影图像产生的波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移来确定图案构件相对于成像单元上的参考位置的旋转角，其中波形由光敏像素的测量值构成。

Description

角度测量设备和方法

技术领域

本发明涉及用于确定旋转角的角度测量设备和角度测量方法。

背景技术

角度编码器例如绝对和增量角度编码器已用于机床、驱动技术、汽车电子设备等中的角度测量。角度编码器通常由圆盘组成，当某种读数头(reading head)用于检测圆盘的旋转时，圆盘是部分半透明的或反射的，提供角位移(angular displacement)的测量。

例如，在角度编码器中，照明单元用于照亮部分半透明的圆盘，而在圆盘的相对侧上，布置有读数头例如光电二极管。因此，照明单元所发射的光通过部分圆盘的角位移来调节，因为光被透射，或不依赖于部分圆盘与读数头的相对位置。

角度编码器常常可用于测量角速度。在这里，可使用具有用于透射光的一个开口的圆盘和圆盘下的光电二极管，且必须确定当圆盘旋转时光在确定时间间隔内例如在一秒内多长时间射到光电二极管上一次。

进一步地，角度本身能以一种精度被测量，取决于圆盘上半透明和不透明部分的精确放置、读数位置的数量和读数的内插精度。

读数头例如光电二极管将调制光信号转换成电测量信号。为了增加测量的精度并减小在部分圆盘上的不精确分度和偏心率的影响，即，旋转轴不与圆盘的中心相交，可使用两个读数头且系统可被校准。

角度编码器的简单设计包括具有用于光透射的两个开口的圆盘，其相对于光敏区枢轴转动地布置，使得在每个旋转角处，来自两个开口的两个光束在光敏区上是可检测的。通过移动在光敏区上测量的两个光束点之间的连接线，可计算部分圆盘相对于光敏区的旋转。因此，在不透明和半透明部分内的圆盘的精确分度是不必要的，且偏心率的影响也被抑制。这样的角度编码器例如在US 2005/0072912中被描述。

然而，在本例中，角分辨率被限制，因而不适合于测地设备，因为光敏区的仅几个光电传感器用于实际测量，且光电传感器及其在光敏区上的位置的不精确性导致在角度确定中的误差。进一步地，对于每个不同的角位置，使用不同的光电传感器，其可在敏感度上不同，且其相对于彼此的位置可能不是精确地已知的。

方向和角度的确定在测量仪器例如测速仪或全站仪(total station)或视频全站仪中也具有重要性，其中期望以高精度和速度自动检测旋转角。

发明内容

因此期望提供一种角度测量设备和角度测量方法，其用于提高角度测量的精度，并实现小的、紧凑的、高度精确和便宜的角度测量设备。

根据实施方式，角度测量设备包括：包含多个光敏像素的成像单元；用于照亮成像单元的至少一部分的照明单元；面向成像单元并具有不同光学特性的周期性图案的图案构件，图案构件围绕旋转轴枢轴转动地布置并被设置成由照明单元照亮，以将图案构件的图像投影到成像单元上；以及角度确定单元，其根据在从投影图像产生的波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移，来确定图案构件相对于成像单元上的参考位置的旋转角，其中波形由光敏像素的测量值构成。因此，通过将图案构件的周期性图案的图像投影在成像单元上，以简单的光学布置可获得精确的旋转角。特别是，周期性图案在成像单元的光敏像素上再现，且基于周期性图案的波形从多个像素获得。因此，由于几个测量结果的平均，用于获得波形并计算相移的大量像素导致角度测量误差的减少。进一步地，具有总是相同的像素的成像单元的较大部分的使用只导致与旋转角无关的恒定误差，且在校准或后处理中可容易对付该误差。此外，因为小尺寸的周期性图案构件可用于在小面积上在成像单元上提供大量测量值，可实现小的、紧凑的和便宜的角度测量设备。

根据有利的例子，例如在以前的时间点或以前的旋转角处，从由光敏像素的测量值所构成的以前获得的波形，导出参考相位值。因此，可用与本波形的相位相同的方法来计算以前获得的波形的参考相位值，使得测量误差对这两个确定是相同的，并因此抵消，以便能以高精度确定相对相移。

根据另一有利的例子，至少一个波形由在围绕旋转轴的圆周方向上的光敏像素序列的测量值构成。因此，通过将在图案构件上以环形形状形成的周期性图案投影在成像单元上，也可通过分析在绕着旋转轴的圆周方向上的测量值而从具有到旋转轴的所有相同径向距离的光敏像素的测量值获得相同的周期性。

根据另一有利的例子，角度确定单元适合于将周期性形状拟合到至少一个波形的测量值，以获得至少一个波形的近似，从而获得相移。因此，相位可容易通过拟合从波形的近似提取，因为周期性图案的周期性是预先知道的，以便能以对拟合参数的某些限制执行与波形的拟合，简化并加速了拟合程序。

根据另一有利的例子，角度确定单元适合于将快速傅立叶变换应用于至少一个波形的测量值，以获得相移。因此，类似于上述内容，通过预先知道波形的周期性，即，频率，相位可容易和快速地由FFT提取。

根据另一有利的例子，测量值相应于不同的灰度值。因此，获得了关于被投影的周期性图案、特别是关于图案构件的不透明和半透明部分的相交部分的增加的信息量，其中光敏像素的测量值可为在最大和最小灰度值之间的中间值。

根据另一有利的例子，照明单元、图案构件和成像单元之间的距离被选择成使得图案构件的投影图像模糊，且不同的灰度值由光敏像素获得。因此，关于被投影的周期性图案的改进的信息仍可从波形获得过程获得。

根据另一有利的例子，光敏像素的测量值沿着起源于旋转轴的径向线或沿着平行于旋转轴的线被平均。在第一种情况下，当成像单元垂直于旋转轴时，沿着径向线平均导致通过并行的多个波形测量获得更精确的平均波形。在可选的情况下，当成像单元具有以旋转轴作为圆柱体中心轴的圆柱形式时，可实现相同的平均结果。

根据另一有利的例子，图案构件位于成像单元和照明单元之间。因此，简单的角度测量设备可使用在透射模式中的图案构件来实现。

根据另一有利的例子，图案构件的周期性图案是相对于旋转轴有周期性并在尺度(scale)上无变化的图案。因此，通过使用在尺度上无变化的周期性图案，可减小图像的自由度因而降低计算要求。例如，可使用Siemens星形作为图案，其中旋转角的小变化导致几个光敏像素的强度的大变化。

根据另一有利的例子，周期性图案通过对绕着旋转轴的一次旋转在图案构件上重复至少两次的基本形状的重复来表示。因此，甚至非常简单的周期性图案也可用于获得旋转角。

根据另一有利的例子，周期性图案被投影在成像单元上，以在成像单元上形成旋转对称的投影图像。因此，投影在成像单元上的图像总是相同的，只有它绕着旋转轴旋转，以便仅仅必须计算在成像单元上的图案的移动。

根据另一有利的例子，图案构件包括用于粗略角度确定的额外的第二周期性图案，第二周期性图案通过在图案构件上比第一周期性图案重复更少的次数的第二基本形状的重复来表示。因此，当第一周期性图案包括几个旋转对称的扇形区(sector)时，模糊性可能产生，以便使用具有减少的扇形区例如两个扇形区的第二周期性图案呈递来自这两个图案的相位和相应的旋转角的测量结果。

根据另一有利的例子，旋转轴实质上垂直于成像单元。因此，可实现小角度测量设备。

根据另一有利的例子，照明单元相对于图案构件固定并适合于照亮图案构件。因此，来自照明单元的照明图案的相同的光线总是射到周期性图案构件的相同部分，使得如果照明图案或周期性图案的变化存在，则这些变化总是以相同的方式被添加。因此，成像单元总是以相同的方式被照亮。根据另一实施方式，方法包括照亮由多个光敏像素组成的成像单元的至少一部分；在成像单元上投影面向成像单元并具有不同光学特性的周期性图案的图案构件的图像，图案构件围绕旋转轴枢轴转动地；以及根据在从投影图像产生的波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移，来确定图案构件相对于成像单元上的参考位置的旋转角，其中波形由光敏像素的测量值构成。因此，通过将图案构件的周期性图案的图像投影在成像单元上，可获得精确的旋转角。因此，由于几个测量结果的平均，大量像素可用于获得波形并计算相移，导致角度测量误差的减少。

根据另一实施方式，提供了包括适合于使数据处理装置执行具有上面的特征的方法的指令的程序。

根据另一实施方式，可提供包含有程序的计算机可读介质，其中程序是使计算机执行具有上面的特征的方法。

根据另一实施方式，可提供包括计算机可读介质的计算机程序产品。

根据另一实施方式，可提供包括具有上面的特征的角度测量设备的测量仪器。

在权利要求中公开了本发明的另外的有利特征。

附图说明

图1示出根据本发明的角度测量设备的元件；

图2示出根据本发明的实施方式的角度测量方法的操作；

图3示出图1的角度测量设备的元件和其使用；

图4示出在图1和3的角度测量设备的成像单元上投影的周期性图案；

图5示出从图4所示的周期性图案的外部区域的分析产生的成像单元的光敏像素的强度；

图6示出从图4所示的周期性图案的内部区域的分析产生的成像单元的光敏像素的强度；

图7示出根据本发明的实施方式的角度测量设备的元件的结构图；以及

图8示出供角度测量设备使用的周期性图案的两个例子。

具体实施方式

参考附图描述了本发明的优选实施方式。注意，下面的描述只包括例子，且不应被解释为限制本发明。

本发明的实施方式通常涉及测量旋转角，尤其是涉及提高测量的精度和速度，以及实现小的、紧凑的和便宜的角度测量设备的供应。

简要地讲，在一个例子中，提供了成像单元、照明单元、图案构件和角度确定单元，且图案构件的半透明和不透明片段的周期性图案的图像被投影到具有多个光敏像素的成像单元上。根据成像单元上的图像的旋转度来确定周期性图案构件相对于成像单元上的参考位置的旋转角。为了实现此，例如根据在圆周方向上的径向范围或某个径向位置处将波形拟合到成像单元的光敏像素所提供的灰度值，来确定从成像单元上的被投影的周期性图像产生的波形。接着从波形到相应于参考位置的参考相位值的相移之间的差异可获得旋转角。对于确定过程，关于成像单元上的多个像素中的哪些被照亮以及也可能到哪个程度的信息因此可被使用。而且，使用大量光敏像素，提高了确定结果的精度。

图1示出根据本发明的实施方式的角度确定设备100的元件，角度确定设备100包括成像单元110、照明单元120、图案构件130和角度确定单元150。

成像单元110由多个光敏像素组成。例如，成像单元110可由任何适当的成像设备构成，例如能够产生具有通常相应于阵列的元素的数量的很多像素的图像信息的传感器元件的两维阵列，如电荷耦合器件(CCD)、摄像机或互补金属氧化物半导体(CMOS)摄像机。例如，这样的阵列可由640x480个传感器元件组成，其平方面积可用于产生具有4802个像素的数字图像。

如图1所示，成像单元110与角度确定单元150连接以交换数据，例如由成像单元110获取的数据。例如，光敏像素的测量值可传输到角度确定单元150。可设想任何类型的数据传输，例如固定线路或无线数据传输，然而其中固定线路是优选的。

照明单元120照亮成像单元的至少一部分。例如，照明单元优选地是具有均匀照明图案的小光源。可使用具有小照明源(点LED)的发光二极管(LED)，其中照明源的直径可在图案构件130的周期性图案的结构的数量级上，这将在下面更详细地描述。

图案构件130面向成像单元110并具有不同光学特性的第一周期性图案。图案构件130可由带有周期性图案的玻璃载体制成，或可由不同的光学材料制成，其中图案可通过光刻产生。图案构件上的周期性图案可具有在圆周方向上观看时优选地相对于图案构件的中心周期性地布置的半透明部分和不透明部分。

除了第一周期性图案以外，图案构件130可具有不同于第一周期性图案的第二周期性图案。

在图1所示的实施方式中，成像单元110和图案构件130实质上彼此平行。

图案构件130围绕旋转轴140枢轴转动地布置，并设置成由照明单元120照亮以将图案构件130的图像投影在成像单元110上。优选地，旋转轴140与图案构件130的中心重合，且照明单元120设置成沿着旋转轴140。

然而，可选地，因为这样的对齐并不总是容易高度精确地实现，相对于旋转轴偏心地设置照明单元是可能的，使得图案中心的投影与旋转轴和成像单元110的相交点重合。将关于图3解释这个可选的对齐的细节及其优点。

存在周期性图案的多个例子，将关于图4详细讨论其中两个，即，Siemens星形和两个半圆。然而，将容易认识到，仅部分这些结构或其它结构也可被视为周期性图案。例如，不必形成半圆的圆的两个片段也可被使用并且甚至可在尺寸上不同。代替两个半圆，两个三角形也可用作周期性图案。基本上任何图案可用作在旋转和成像时导致波形的周期性图案，如下所述，其中波形具有由图案限定的周期性。

角度确定单元150根据在从投影图像产生的波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移，来确定图案构件130相对于成像单元110上的参考位置的旋转角。

角度确定单元150可由硬件布置例如由硬线电路或ASIC(专用集成电路)或软件或上述部件的任何适当组合实现。

更详细地，当光射到成像单元110的光敏像素且相应于光敏像素所接收的强度的用于估计的测量值被传输到角度确定单元150时，可得到旋转角。测量值可接着用于获得波形。

例如，波形可由在围绕旋转轴140的圆周方向上的光敏像素序列的测量值构成。因为图像是周期性图案，具有最佳地相应于周期性的频率和相位的波形也是周期性的。该相位可接着与参考相位值比较以获得与参考的相差。旋转角与该相移成尺度，使得当波形的相位和参考相位值之间的相移的精度增加时，旋转角的精度增加。

这样的波形可为具有相位和确定频率的正弦波，例如，在这种情况下为每一总圆周例如2π的周期。因为频率基本上从周期性图案的周期性已知，相位可容易通过不同的方法提取。下面将关于图5和6详细给出使用波形确定旋转角的详细解释。

在下文中，将关于图2描述根据本发明的实施方式的角度测量方法的操作。

图2示出角度测量方法的操作例如在图1和图3所示的角度测量设备的操作期间的流程图。

在角度测量方法的第一操作210中，当开始操作时，由多个光敏像素组成的成像单元例如成像单元110的至少一部分被照亮。为了照明，可使用照明单元120，如上所述。当照亮成像单元110的部分时，属于被照亮部分的光敏像素接收根据所接收的光的强度变化而转换成不同的测量值的光。

在随后的操作220中，面向成像单元110并具有不同光学特性的周期性图案的图案构件130的图像被投影在成像单元110上。图案构件围绕旋转轴140枢轴转动地布置，如上所解释的。

例如，将在下面详细描述的图3示出图案构件130的周期性图案的投影，导致在成像单元110上的光强度分布。投影可在如图3所示的透射模式中实现，即，图案构件位于成像单元和照明单元之间。进一步地，光学器件例如准直仪可布置在照明单元和图案构件之间或在图案构件和成像单元之间。

然而，例如，当周期性图案的光学特性被选择成反射性的和非反射性的时，通过使照明单元位于成像单元和图案构件之间可获得类似的优点，使得来自图案构件的反射部分的反射光可在成像单元上被检测到。

在操作230中，根据在从投影图像产生的波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移，来确定图案构件130相对于成像单元110上的参考位置的旋转角，其中波形由光敏像素的测量值构成。例如，当呈现单位圆时，通过使例如构成2π的几分之一的相移除以周期性图案的圆周例如2π并乘以360°，可计算角。该计算相应于使相移除以圆的总圆周并乘以360°，该相移例如构成限定以旋转轴为中心的读出区域的圆的片段的长度。

下面将关于图5和6给出关于旋转角的确定的细节，图5和6示出从图4所示的周期性图案的图像产生的数据。

在下文中，关于图3，描述了执行前面所述的操作的角度测量设备的例子。

图3示出类似于图1的角度测量设备100的角度测量设备300。图3的角度测量设备300包括基本上与上面讨论的器件相同的成像单元110、照明单元120、图案构件130和角度确定单元150。

角度测量设备300还包括圆柱形轴310，其中可放置照明单元120且图案构件130可固定到其上，使得图案构件位于成像单元110和照明单元120之间。圆柱形轴310的中心优选地与旋转轴140重合。

在该实施方式中，图案构件130的周期性图案可关于优选地与旋转轴140重合并在尺度上无变化的图案构件的中心是图案周期性的，即，周期与再现尺度无关。

如图3所示，实质上位于旋转轴140上的照明单元120照亮图案构件130，使得图案构件130的周期性图案作为放大的图像330投影在成像单元110上。投影射线由参考数字320示出，说明周期性图案的图像完全充满成像单元110。

详细地，周期性图案可投影在成像单元110上，以在成像单元110上形成旋转对称的投影图像。因此，周期性图案的图像看起来在成像单元110上总是相同的，只是它相对于旋转轴140旋转。因此，优选地，旋转轴和成像单元的相交点与成像单元上的周期性图案的图像的对称中心实质上重合。

在该实施方式中，旋转轴140实质上垂直于成像单元110。这意味着旋转轴在优选地在成像单元110的中心处大致垂直地与成像单元110相交。

然而，通过提供绕着照明单元旋转的以圆柱形式的周期性图案构件，并通过提供绕着周期性图案构件的也以圆柱形式的成像单元，可实现类似的优点，使得旋转的圆柱形周期性图案构件的图像在较大的圆柱形成像单元的内部上形成。在这种情况下，圆柱体轴应实质上是平行的并优选地与旋转轴重合。

在这两种情况下，具有相对于图案构件固定的照明单元120从而总是以相同的方法照亮图案构件是优选的。因此，照明单元120的照明图案的相同光线入射在图案构件的相同部分上，使得从照明单元120发射的照明图案中的变化总是被添加到图案构件的周期性图案中的相同变化，因此图案构件的相同部分可总是以相同的缺陷被照亮，可能导致在成像单元上的恒定误差，该误差在必要时可容易通过校准来注意。

一旦获得与入射在成像单元上的强度的变化相应的成像单元110的光敏像素的测量值，该信息就可被传送到角度确定单元150。角度确定单元150接着确定旋转角。

在角度确定单元150中，图案构件相对于成像单元110上的参考位置的旋转角可从周期性图案的读出图像和参考相位值获得，例如，从关于成像单元的坐标系的参考位置上的周期性图案的已知数学函数获得。

注意，不一定整个图案构件被周期性图案覆盖，而是图案构件的结构的至少一部分应包括周期性图案，例如，如图4所示的Siemens星形的图案，以估计旋转角的精细值。在这里，读出区域优选地是以旋转轴为中心的圆或环。归因于高周期性的精细角度值的模糊性如果存在，可通过使用第二区域来消除，如以后关于图4示出的。

上面描述了照明单元120和图案构件130的中心大致位于旋转轴140上，且通过射线320示出的中央投影，图案被投影在成像单元110上，其中旋转轴大致与成像单元110的光敏区域的中心相交。

然而，可选地，因为不总是容易高度精确地实现这样的对齐，相对于旋转轴偏心地设置照明单元也是可能的，如上所述。

详细地，照明单元120可侧向移动，使得周期性图案的中心的投影与旋转轴140和成像单元110的相交点重合。因此，垂直于图案构件并在其对称中心与周期性图案相交的轴平行于旋转轴。

因此，即使周期性图案相对于旋转轴偏心地对齐，在成像单元上的周期性图案的图像相对于相交点位于中心可被实现，且在预定的测量圆或环中，同一图像被检测到，除了旋转。因为照明单元120和图案构件彼此固定，它们相对于成像单元110有同一旋转轴。

在这种情况下，旋转轴和成像单元的相交点不一定必须被对齐，而是可由适当的方法确定。

图像的周期性图案的中心，即，X-Y坐标系中的成像单元上的位置，可例如由最佳拟合确定。通过以不同的旋转角重复这种方法，在第一近似中获得圆，其由依赖于旋转角的图像中的周期性图案的中心的位置给出。圆的中心相应于旋转轴和成像单元的相交点并可被计算。该点相应于用于获得测量值的圆或环的中心。为了使图像位于中心，照明单元可接着被移动，使得图像的周期性图案的中心与交叉点重合。

接着，关于图4详细描述了在成像单元例如成像单元110上的周期性图案的图像。

如上所述，光学结构例如以前简单地被描述为周期性图案的图案或图案组合在必要的情况下使用确定准直或聚焦光学器件被照亮和投影在成像单元上。图案和成像单元可旋转地对彼此布置，且旋转轴大致在其中心处与成像单元相交。

图4所示的图案是由在外部区域中和内部区域中的两个周期性图案组成的图案。在图4中，图案的图像被示为投影在成像单元400上。成像单元400具有如上所述的光敏像素，其被示为仅仅部分地在左上角410上。光敏像素相对于彼此的位置是已知的。

图案的图像420包括由具有20个扇形区的Siemens星形的圆形部分组成的外部区域和由黑和白半圆组成的内部区域。这两个区域的中心位于与成像单元400的中心点450大致重合且优选地也与旋转轴重合的相同位置上。

为了简单的原因，在图4中示出了具有精确限定的边缘的图案的图像。然而，有利地，通过适当地选择照明单元、图案构件和成像单元之间的距离而有模糊的边缘，使得图案构件的投影图像模糊，且不同的灰度值通过光敏像素而不是黑和白像素获得，这也是可能的，如图4所示。进一步地，边缘也可通过适当地选择照明单元的直径而变模糊，以便获得相应于不同的灰度值的测量值。

成像单元400的测量值被传送到角度确定单元150以确定图案420的图像相对于成像单元400的旋转。因此，将笛卡尔坐标系转换到极坐标系是有利的，其中新坐标系的原点优选地是以前限定的相交点，例如中心点450。参考位置或方向480可被任意选择，以便光敏像素的位置可接着被半径和角限定，并可相对于参考方向被计算。因此，示例性光敏像素460可能与角β470相关。

可选地，代替测量相对于对应参考相位值的参考位置的角或相应的相位，参考相位值也可从以前获得的波形导出，波形由光敏像素的测量值构成，如下面将进一步描述的。

为了确定旋转角，在本例中，只使用位于以中心点450为中心的两个虚线环430之间的光敏像素用于精细角度确定，和仅使用位于以中心点450为中心的两个虚线环440之间的光敏像素用于粗略角度确定。比例关系和机械条件应被选择成使得环总是在待估计的图案内部。

在简单的情况下，代替使用两个环之间的所有像素，也可能通过使用围绕中心点450例如旋转轴的圆周方向上(即，在最简单的情况下具有以周期性图案的中心作为中心的圆)的光敏像素序列的测量值，来获得用于旋转角确定的波形。注意，图4所示的两个周期性图案的中心是相同的。

然而，期望测量精度越高，可使用的光敏像素的测量值就越多，如图4所示这些测量值是容易利用的。

详细地，光敏像素的测量值可沿着起源于旋转轴的径向线被平均，以提高测量精度。

在圆柱形图案构件和圆柱形成像单元的上述情况下，沿着平行于旋转轴的线进行平均也是可能的。

因此通过优选地对称地使用在整个成像单元中具有相同权重的确定光敏像素的平均，来实现在本发明中的提高的测量精度，以便能够克服关于归因于成像单元例如CCD的关于失真的前面的缺点，因为CCD上的X和Y方向不一定是垂直的，且CCD不是最佳调整的。

从上面的解释很清楚，周期性图案不限于20个扇形区和如图4所示的Siemens星形，而是可使用任何周期性图案，其通过对绕着旋转轴或图案构件中心轴的一次旋转在图案构件上重复至少两次的基本形状的重复来表示。

进一步地，图案构件130可包括用于粗略角度确定的额外的第二周期性图案，例如图4所示的图案，这将在下文中被描述。

在这里，第二周期性图案通过在图案构件上比上面讨论的第一周期性图案重复更少的次数的第二基本形状的重复来表示，并在下面被更详细地描述。

因此，应清楚，可被使用的最基本的周期性图案可为具有对一次旋转在图案构件上重复至少一次的基本形状的图案，例如两个半圆，如黑半圆和白半圆或甚至在完全模糊的两个半圆之间有接触边缘的黑和白半圆，如以后在图8中示出的。因此，周期性图案的理解可以是可在图案构件上找到至少一次的图案，并在旋转360度时导致周期性波形。

接着，成像单元400的光敏像素的测量值被读出，且它们的至少部分与数学模型或图案的所储存的图像关联以确定旋转角。用于确定旋转角的光敏像素具有不同的测量值，例如沿着成像单元中的圆的光敏像素的测量值，当沿着圆的圆周方向被估计时优选地导致周期性波形。

为了获得关于原始图案和数学模型之间的偏差以及关于成像单元的失真的高不变度，例如当X和Y方向在CCD中不总是精确地垂直时，且对于光敏像素的敏感度的差异，这里所述的对齐被选择成对于图像的不同旋转角，大致估计原始图案的相同部分。

如上所述，这可通过使用中心是旋转轴的成像单元上的圆或环来完成，以获得用于确定旋转角的测量值。为了实现关于侧面移动的自由度的高不变度、图案的图像的长宽比变化或模糊，如图4所示优选地使用Siemens星形的环形部分。

从上面的描述很清楚，多于两个的周期性图案也可用在图案构件130上，且其相对于图案构件的中心的顺序可被任意选择。在图4中，精细角度确定被显示在外部区域中，因为可使用更多的像素，增强波形的确定，这将在下面被描述。

在下文中，将描述可如何从在图4中获得的测量值导出旋转角。

图5示出例如沿着圆方向，即，在图4的虚线环430所限定的外部区域的圆上，光敏像素的被示为点的依赖于角Φ的所测量的强度A。示例性光敏像素500被示为有角度β和强度A[β]。

在图5中对相应于0到360°的角范围0到2π示出了入射在光敏像素上的强度的测量值。根据精确的成像条件，图中的测量值可分布在具有周期长度为2π/n的n个周期的曲线上。

在关于示出Siemens星形的图4讨论的实施方式中，Siemens星形的扇形区的数量是n＝20。

角度确定单元150可接着使周期性形状拟合到由图5所示的这些测量值构成的波形的测量值，以获得该波形的近似并获得相位。因为通常从周期性图案已知周期和周期长度，波形的频率是已知的，以便容易获得相位。在图5中，相位的值是α。因此，例如，可从n-周期正弦波与外部区域的光敏像素的测量值的拟合或更好的最佳拟合来得到相位，用于精细角度确定。

进一步地，可能将快速傅立叶变换应用于构成波形的测量值，以获得相位因而获得相移。因此，使用n-周期正弦波的测量值的傅立叶分析可获得最佳拟合，类似于上面所讨论的。

将周期性形状拟合到测量值或将快速傅立叶变换应用于测量值对技术人员是已知的，因此将省略其中更详细的描述。

注意，最佳拟合的所获得的相位值α相应于具有k＊2π/n的模糊度的旋转角，因为在目前的情况下，Siemens星形的所有20个扇形区实质上是相同的。更具体地，旋转角相应于相移，即，在所测量的相位和参考相位值之间的相移或相差，其中参考相位值可从以前获得的波形导出。在本例中，参考相位值可被定义为值0，使得相位等于相移。

为了解决模糊度，可使用关于图4讨论的用于粗略角度确定的第二周期性图案，其通过在图案构件上比第一周期性图案重复更少的次数的第二基本形状的重复来表示。例如，第二基本形状可为如图4的实施方式中所示的半圆，图4示出两个半圆分别为黑和白，即，不透明和半透明。

然而，应注意，当图案构件相对于成像单元旋转时，通过数多少扇形区经过成像单元中的确定像素也可解决模糊度，以便可通过估计旋转过程来获得k。

关于图6将更详细地描述在图4中示出并导致第二波形的第二周期性图案。

图6示出例如沿着圆方向，即，在图4的虚线环440所限定的内部区域的圆上，光敏像素的被示为点的依赖于角Φ的所测量的强度A。在这里，示出了比图5中的更少的依赖于角Φ的测量值，但基本概念与图5中解释的相同。

注意到，从图6所示的强度值获得的正弦波仅仅是可从理想地模糊的图像获得的理想化。实际上，图4中的内部区域的图像，即，两个半圆，将给出较接近于方波的结构，然而，其可与正弦波类似地被处理。

从图6中可容易推出，图6的波形-第二波形涉及不同的周期性，即，由第二周期性图案给出的周期性，第二周期性图案的图像在图4中示出。这个第二周期性图案用于旋转角的粗略角度确定，并用于解析从具有较高的周期性的第一周期性图案的分析产生的模糊度，如上所述。

在图6中示出示例性光敏像素600。进一步地，参考数字610表示导致相位值γ的最佳拟合，其在图6的情况下是明确的，因为周期长度是2π。

通过将周期性形状，例如具有周期2π的正弦波拟合到光敏像素的不同测量值可获得最佳拟合。接着，相对于参考位置来表示相位值γ，即，由用于分析的光敏像素的圆与例如由图4中的参考数字480给出的预定参考方向的相交所给出的值。

关于图5讨论的具有n个扇形区的Siemens星形的一个扇形区的周期也在图6中由值2π/n示出。因此，因为相位值γ位于2π/n和4π/n之间，可看到，最佳拟合的相位位于Siemens星形的第二周期中。因此，可能导出从第二周期性图案的投影图像明确地产生的第二波形的相位。

进一步地，应注意，在X轴上的原点可限定图4所示的参考方向，使得相应于旋转角的相移在所示情况下是γ。然而，还应注意，可相对于以前获得的波形来测量相移，该波形由在早些时候情况中及时得到的光敏像素的测量值构成。

不需要说明，对于图6所示的第二波形的分析，快速傅立叶变换也可如关于图5解释的被使用。因此，相同的结果，即，相移可高度精确地被得到，且相移可用于导出在图案构件和成像单元之间的旋转角。

在上面的讨论中，给出了几种可能性来确定旋转角，其中角度确定单元可适应这些方法中的一个或组合，以确定旋转角。应强调，光敏像素的单独测量值在图5和6中示出，但从上面的讨论很清楚，也可使用沿着起源于旋转轴的径向线平均的值。

总之，本发明的优点之一是能够获得遍及成像单元的大量光敏像素的多个测量值，以便以较高的精度可获得如图5和6所示的第一和/或第二波形，且以较高的精度可获得的相移，其相应于旋转角。

接着，关于图7解释另一实施方式的角度测量设备。

在图7中，解释了角度测量设备700例如角度测量设备100的结构图。

在图7中，角度测量设备700包括具有处理器712和存储器714的控制单元710、成像单元720和照明单元730。

成像单元720可为任何适当的成像单元，例如上面解释的CCD。照明单元730可为类似于上述照明单元的任何适当的照明单元，例如LED。

控制单元710可由微处理器、计算机、现场可编程门阵列(FPGA)或集成电路例如ASIC(专用集成电路)、或软件或上述项的任何适当的组合实现，但不限于此。

在所示实施方式中，控制单元710包括处理器712和存储器714，其中存储器714可存储程序，其提供适合于使数据处理器例如处理器712执行上述操作的组合的指令。因此，存储在存储器714中的程序或仅仅其组成部分可容易由处理器712取回，用于执行。

而且，可提供计算机可读介质，其中包含有程序。计算机可读介质可为有形的，例如磁盘或其它数据载体，或可由适合于电子、光学或任何其它类型的传输的信号构成。计算机程序产品可包括计算机可读介质。

例如，计算机程序可包括控制成像单元720和照明单元730的指令。例如，控制单元710可指示照明单元730打开灯或指示读出成像单元720的光敏像素的测量值。进一步地，一旦控制单元710指示读出光敏像素的测量值，这些测量值就可被传输并在处理器712中被处理以确定旋转角，如上所述。

因此，对技术人员来说很明显，控制单元710可包括由如上所述的角度确定单元150执行的功能。然而，角度确定单元也可构成连接到控制单元710的单独的单元。

在描述成像单元、照明单元和角度确定单元的功能的图7的结构图的详细解释之后，将关于图8A和8B更详细地再次描述图案构件特别是其图案。

图8A和8B提供了图案的另外的可能性、在成像单元上的那些图案的图像的产生及其分析。

详细地，图8A的角度测量设备800包括照明单元120、图案构件130、透镜810和成像单元110上的图像820。进一步地，图案构件的图案在平面图中由参考数字850示出，且该图像的分析在下面示出，其中参考数字870表示所测量的角，参考数字880表示所使用的光敏像素的面积，而参考数字890表示所接收的强度的权重的所计算的中心。

图8B的角度测量设备805类似于角度测量设备800但不包括透镜810，而图案构件130包括不同的图案，其在平面图中由参考数字860示出。在图案860的下面，示出了图案构件130的图像的分析。

请注意，图案850也构成在本发明的意义上的周期性图案，因为它基本上包括两个半圆，其中在两个半圆之间的接触边缘是完全模糊的。

绘制在围绕图8A或8B中的成像单元110的中心的圆周方向上的光敏像素序列的测量值将导致类似于关于图6描述的第二波形的波形。因此，图案850和860是周期性图案并导致周期性函数，例如图6所示的正弦函数。

详细地，图8A中的照明单元120照亮构成灰色楔形物的图案构件130，灰色楔形物被透镜810投影在成像单元110上。用于确定旋转角的光敏像素可为在参考数字880所表示的圆内的区域中的所有像素。在这里，可计算所接收的强度的权重的中心，其由参考数字890示出。权重890的中心和圆的原点之间的线限定旋转的方向，因而限定旋转角870。

相同的分析可适用于不同于图8A的图8B，因为在成像单元上的灰色分布被不同地产生。具有明确限定的边缘的图案860可使用较大的照明单元投影在成像单元110上，以形成边缘的模糊图像。

因此，图8A和8B中的类似的灰色分布可由不同的图案850和860获得，取决于光学器件和照明单元及其相对于彼此的距离。

因此，上述优点也可使用图8A和8B所示的角度测量设备来实现，角度测量设备也使用来自成像单元的大量采样点来支持对精确的相移确定有用的波形的精确表示。

最后，在另一实施方式中，角度测量设备可包括在测量仪器例如测速仪或视频全站仪中，以给出关于这样的测量仪器的光学器件例如望远镜的精确定位角的信息。由此，任何前面讨论的角度测量设备可合并在可在多种应用中使用的测量仪器中，其中仪器在现场中的固定位置处，安装在施工现场或类似场所处的车上。

应理解，这里所述的操作不固有地涉及任何特定的设备或仪器，且可由部件的任何适当的组合实现。在上面详细描述的并在图1、3和7中示出的角度测量设备以及在图8A和8B示出的角度测量设备构成执行上述方法的操作的优选实施方式。然而，这可能不限于此。

对本领域技术人员来说显然，可在本发明的设备和方法中以及在本发明的构造中进行各种更改和变化，而不偏离本发明的范围或精神。

关于特定的例子描述了本发明，这些例子在所有方面意味着是例证性的而不是限制性的。本领域技术人员将认识到，硬件、软件和固件的很多不同组合将适合于实践本发明。

而且，从这里公开的发明的实践和说明书的考虑中，本发明的其它实现将对本领域技术人员变得明显。意图是，说明书和例子被认为仅仅是示例性的。为此，应理解，创造性方面是少于单个的前面公开的实现或配置的所有特征的。因此，本发明的真实范围和精神由下面的权利要求指示。

Claims

1.一种角度测量设备，包括：

成像单元，该成像单元由多个光敏像素组成；

照明单元，该照明单元用于照亮所述成像单元的至少一部分；

图案构件，该图案构件面向所述成像单元并具有不同光学特性的第一周期性图案，所述图案构件围绕旋转轴枢轴转动地布置并被设置成由所述照明单元照亮，以将所述图案构件的图像投影到所述成像单元上；以及

角度确定单元，该角度确定单元根据在从所投影的图像产生的至少一个波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移，来确定所述图案构件相对于所述成像单元上的所述参考位置的旋转角，其中所述至少一个波形由所述光敏像素的测量值构成，其中

所述测量值相应于不同的灰度值。

2.如权利要求1所述的角度测量设备，其中所述参考相位值从所述光敏像素的测量值所构成的以前获得的波形来导出。

3.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中至少一个波形由在围绕着所述旋转轴的圆周方向上的光敏像素序列的测量值构成。

4.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述角度确定单元适合于将周期性形状拟合到所述至少一个波形的所述测量值，以获得所述至少一个波形的近似，从而得到所述相移。

5.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述角度确定单元适合于将快速傅立叶变换应用于所述至少一个波形的所述测量值，来获得所述相移。

6.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述照明单元、图案构件和成像单元之间的距离被选择成使得所述图案构件的投影图像模糊，且不同的灰度值由所述光敏像素获得。

7.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述光敏像素的测量值沿着起源于所述旋转轴的径向线或沿着平行于所述旋转轴的线被平均。

8.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述图案构件位于所述成像单元和所述照明单元之间。

9.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述图案构件的所述第一周期性图案是相对于所述旋转轴有周期性并在尺度上无变化的图案。

10.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述第一周期性图案通过对围绕着所述旋转轴的一次旋转在所述图案构件上重复至少两次的基本形状的重复来表示。

11.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述第一周期性图案被投影在所述成像单元上，以在所述成像单元上形成旋转对称的投影图像。

12.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述图案构件包括用于粗略角度确定的额外的第二周期性图案，所述第二周期性图案通过在所述图案构件上比第一周期性图案重复更少的次数的第二基本形状的重复来表示。

13.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述旋转轴垂直于所述成像单元。

14.如权利要求1或2所述的角度测量设备，其中所述照明单元相对于所述图案构件固定并适合于照亮所述图案构件。

15.一种角度测量方法，包括：

照亮包括多个光敏像素的成像单元的至少一部分；

在所述成像单元上投影面向所述成像单元并具有不同光学特性的第一周期性图案的图案构件的图像，所述图案构件围绕旋转轴枢轴转动地布置；以及

根据在从所投影的图像产生的至少一个波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移，来确定所述图案构件相对于所述成像单元上的所述参考位置的旋转角，其中所述至少一个波形由所述光敏像素的测量值构成，其中

所述测量值相应于不同的灰度值。

16.如权利要求15所述的角度测量方法，其中所述参考相位值从所述光敏像素的测量值所构成的以前获得的波形来导出。

17.如权利要求15或16所述的角度测量方法，其中至少一个波形由在围绕着所述旋转轴的圆周方向上的光敏像素序列的测量值构成。

18.如权利要求15或16所述的角度测量方法，还包括将周期性形状拟合到所述至少一个波形的所述测量值，以获得所述至少一个波形的近似，从而得到所述相移。

19.如权利要求15或16所述的角度测量方法，还包括将快速傅立叶变换应用于所述至少一个波形的所述测量值，来获得所述相移。

20.如权利要求15或16所述的角度测量方法，还包括选择照明单元、图案构件和成像单元之间的距离，使得所述图案构件的投影图像模糊，且不同的灰度值由所述光敏像素获得，其中所述照明单元用于照亮包括多个光敏像素的成像单元的至少一部分。

21.如权利要求15或16所述的角度测量方法，还包括沿着起源于所述旋转轴的径向线或沿着平行于所述旋转轴的线来平均所述光敏像素的测量值。

22.如权利要求15或16所述的角度测量方法，其中所述图案构件的所述第一周期性图案是相对于所述旋转轴有周期性并在尺度上无变化的图案。

23.如权利要求15或16所述的角度测量方法，其中所述第一周期性图案通过对围绕着所述旋转轴的一次旋转在所述图案构件上重复至少两次的基本形状的重复来表示。

24.如权利要求15或16所述的角度测量方法，其中所述第一周期性图案被投影在所述成像单元上，以在所述成像单元上形成旋转对称的投影图像。

25.如权利要求15或16所述的角度测量方法，其中所述图案构件包括用于粗略角度确定的额外的第二周期性图案，所述第二周期性图案通过在所述图案构件上比在第一周期性图案中重复更少的次数的第二基本形状的重复来表示。

26.如权利要求15或16所述的角度测量方法，其中所述旋转轴垂直于所述成像单元。

27.如权利要求15或16所述的角度测量方法，还包括使用相对于所述图案构件固定的照明单元来照亮所述图案构件。

28.一种角度测量设备，包括：

用于照亮包括多个光敏像素的成像单元的至少一部分的装置；

用于在所述成像单元上投影面向所述成像单元并具有不同光学特性的第一周期性图案的图案构件的图像的装置，所述图案构件围绕旋转轴枢轴转动地布置；以及

用于根据在从所投影的图像产生的至少一个波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移，来确定所述图案构件相对于所述成像单元上的所述参考位置的旋转角的装置，其中所述至少一个波形由所述光敏像素的测量值构成，其中

所述测量值相应于不同的灰度值。

29.一种测量仪器，包括如权利要求1到14中的一项所述的角度测量设备。