CN1022776C

CN1022776C - 采用光传感方式的位移检测方法及装置

Info

Publication number: CN1022776C
Application number: CN 90108542
Authority: CN
Inventors: 刘光万
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1993-11-17
Anticipated expiration: 2005-10-25
Also published as: CN1061090A

Abstract

本发明为采用光传感方式的位移检测方法及装置，其装置主要包含一具有垂直水平座标线的坐标格板11及一在其上移动的内含光学元件及光传感元件的机体，其原理为：光源10照射坐标格板，成像透镜12将其上的细小刻度放大，再于成像面利用聚光透镜13、15或反射镜分别在垂直、水平轴向聚集、聚集之后投射于垂直、水平光传感元件14、16之上，由光传感元件的输出信号直接取得X、Y轴向的位移信息。该方法及装置简单且精确度高。

Description

本发明涉及一种位移检测方法及装置，尤其是一种采用光传感方式的位移检测方法及装置。

两维空间的位移检测技术在工业控制和电脑输出输入装置等的应用上已行之多年，且有成为必备品的趋势。相应装置的精度一向为企业界所追求与标榜，以电脑的日益普及为例，其系统的人机界面已逐渐舍弃传统上用键盘输入的方式，而采用以手在板面上移动，配合窗口（WINDOW）软件来完成电脑的光标（CURSOR）操控及下达操作指令的方式。实现这一功能的装置与软件除了在电脑辅助设计（CAD），绘图软件上展现威力之外，在商业、教育、家庭，甚到娱乐的软件上也逐渐普及，其原因在于该类装置可在使用上较为经济、实用及方便。

现有的常用装置多采用机械摩擦传动方式，其移动体内备有X、Y轴向的两组编码器（ENCODER），编码器为标准旋转式编码器（ROTARY ENCODER），其传动轴直接与板面摩擦，或由一球体转动;位移时，利用X、Y轴向的编码器给出位移信息。但这些技术有许多先天及后天的缺陷，因其必须具备多个传动机构，其结构复杂，且其机构配置上必须相当精密。

众所周知，旋转将造成摩擦，有摩擦必会产生间隙，也必定产生若干误差，因此，这种以摩擦传动方式的装置其精度自然降低。再者，任何材料都会磨损，致使其误差值将随使用次数而增加，既使机构上的问题得到克服，使用时，传动轴或球体会将板面上的灰尘及污垢携带至内部机构上，造成需要经常清洁和维护，严重时甚至完全无法操作，形成使用上的一大困扰。

显然，已知的类似装置，其设计与制造方法实有待更新更好的方法来突破。发明人以多年类似装置的使用设计经验，并经多次的试验改良之后，终于产生出本发明。

本发明的目的在于提供一种结构简单，无摩擦传动，高精度及高解析度的位移检测方法及其装置。

本发明的采用光传感方式的位移检测方法，主要通过以下方式实现其发明目的：一机体与一特定的座标格板做相对位移运动，将光源投射到座标格板上产生影像，利用成像透镜将影像放大后，经不同轴向的聚光透镜或反射镜使光线聚集，由光传感元件将各轴向的聚集光线转换为代表位移状态的电信号。

另外，聚集光源的方式为利用透镜或反射镜，或两者同时交互使用。光源相对于光传感元件位于座标格板的同一侧或另一侧，座标格板至成像透镜中心的距离小于成像透镜中心至成像平面的距离，用其对影像的放大作用来提高解析度。座标格板为反光式或透光式。座标格板表面的垂直及水平座标线为等宽度且线宽与线间距相等。

本发明的采用光传感方式的位移检测装置主要通过以下方式实现其发明目的：

-由具有反光或透光材料制成的、其表面标刻等宽度的垂直和水平标线且线宽与线间距相等的座标格板;

-与座标格板做相对位移的机体;

-对应于反光或透光的座标格板而设于机体内或座标格板的另一侧面的光源;

-设于机体内用以将座标格板的座标放大的成像透镜;

-组设于机体内且位于成像透镜的成像平面，用以将来自成像透镜的不同轴向的光线分别聚焦的聚光透镜或反射镜;

设于机体内且至少与每一聚光透镜或一反射镜一一对应的光传感元件。

另外，聚光透镜或反射镜呈长方形，同一轴向的透镜或反射镜可相邻排列或相距一座标线间距的距离。

关于光学上光线可藉透镜折射、反射镜反射而予以导引、聚集、扩散等一般物理常识，在此不拟赘述，而任何电气设备所必备的已知配件如电源、信号传输用导线，等等，于此亦不赘述。

有关本发明的应用及实施上所使用的技术手段、元件及其功效，兹用实施例并配合相关附图详细说明于后。

说明书附图的说明如下：

图1是本发明采用聚光透镜组时的示意图。

图2是本发明采用聚光透镜组时的横断面图。

图3是本发明的座标格局部放大顶视图。

图4是本发明的聚像区的放大示意图。

图5是说明本发明的单轴向位移信号变化情形。

图6是说明本发明的双轴复合位移信号变化情形。

图7是本发明采用反射镜组时的示意图。

图8是本发明采用反射镜组时的横断面图。

图9是本发明的应用设计例一。

图10是本发明的应用设计例二。

如图1，本发明采用聚光透镜时，其主要元件包含光源10（或者10′），此光源主要是用来投射于座标格板11，其颜色、波长、材料、形状等均无特殊要求，本例以常用的发光二极管（LED）为例。本发明所使用的座标格板11可利用反光板加印座标格，或用如胶片、玻璃等透光材料并在其表面加印座标格来实现，当座标格板使用反光材料时，光源10固定于机体20内，投射于成像透镜12的物像区内。成像透镜12为成像镜，具有较佳的聚光性，可将透镜前方任何方向的入射光线聚于中心，而于成像透镜12的后方成像。

透过成像透镜12后，光线可在截面13、13′、15、15′上成像，依光学放大率M（放大倍数）＝P（像距）/S（物距），令P（即成像面13、13′、15、15′与成像透镜12中心的间距）大于物距（即透镜中心到座标格板11表面的距离），依此，可将座标格板的刻度予以放大。如图3及图4所示，斜线区17为座标刻度线的阴影，空白区18为座标刻度线的间隔，由光源10、10′投射形成亮块，座标线宽与间隔可设定为完全相等的宽度，而设计成长方形的聚光透镜13、13′及15、15′所覆盖的影像面积如图4所示，同一轴向的聚光透镜可相邻排列，亦可相距一个格区。现定义每块聚光镜所覆盖的面积为“集光面”，且每一块聚光镜的聚焦处必对应一个以上的光传感元件。如图1，聚光透镜13、13′将其所覆盖的集光面上所有的光线聚焦到光传感元件14、14′上，透镜15、15′则聚焦于元件16.16′上。由图4所示的聚焦情形可看出，光传感元件14、16、16′均因其对应的集光面13、13′15、15′无任何亮块或仅有相当微小部分的集光面有亮块，如果表面未接收到任何光线或光线太微弱，此时，定义其输出为“0”信号，而光传感元件14′因其对应集光面有1/2受到光照射，因此可以改变光传感元件14′的状态，此状态定义为“1”信号。

如图2，在本发明采用聚光透镜的实施例中，将成像透镜12、聚光透镜组13、13′、15、15′及光传感元件14、14′、16、16′与电子电路等必要元件19及导线21全部组装于一机体20内，令机体20与座标格板11脱离成两个独立体。当机体20与座标格板11之间有相对位移时，必形成成像透镜12前方的物像变化，因此，图4所示的集光面与座标格明、暗影像的关系亦必改变，现举X轴方向位移详如说明。

图5所示为本发明作单轴向位移时的位移检测原理，机体20与座标格板11之间仅做水平（X轴）方向位移，并依次产生A、B、C、D等连续信号，其间或为机体20右移，或为座标格板11左移。

根据上述将光传感元件接收的明、暗影像定义为1，0信号，则集光面13、13′位移时，可从光传感元件14、14′得到下面的信号组合，若位移变化为由状态A转变为状态B，则其组合由[0，0]变化为[0，1]，依此类推，若由状态D再继续向右位移，则又恢复到状态A，其间变化成周期性关系，将其组合状态整理、排列之后，可得如下关系式：

此组合关系即常用的标准位移检测器的输出信号。必须注意的是：此时机体20或座标格板11仅做单轴向位移，另一轴向状态将不会因此运动而有所影响。

当机体20与座标格板11在X、Y轴方向均有位移时，如图6所示，机体20由状态E到状态F可知为往右下方各做一个单位（UNIT）的位移，其X轴方向输出信号组合由[0，1]变化为[1，1]，状态F到状态G时其组合由[1，1]变化为[1，0];同时Y轴方向输出信号组合由[0，0]变化为[0，1]，状态F到状态G时其组合由[0，1]变化为[1，1]。此时，藉光传感元件由其X轴及Y轴方向的输出信号，可知其同时检测出的状况。

本发明的另一实施例为采用反射镜聚光，如图7及图8所示，其动作原理与上述实施例完全相同，亦包含光源30或30′、座标格板31、透镜32、光传感元件34、34′、36、36′及电路元件39、机体40，唯在此将聚光透镜改为上拱型反射镜33、33′、35、35′。

因光线既可由聚光透镜又可由反射镜引导而偏折至任何方向，所以本发明在应用时，并没有任何组合形状上的限制，如一轴向聚光透镜及一轴向反射聚光镜组合，或其他类似组合，其组合方式多达16种（4²），采用透镜聚光法时，成像区在上方，较适合立式或长形设计，图9为此型应用的例子;而采用反射镜聚光时，则需稍大的横截面，而较适合卧式设计，图10为此形式应用的例子。

座标格板11的影像经放大之后，再由聚光透镜或反射镜聚焦于光传感元件上。考虑到经济成本，实际中，光传感元件可为光电晶体管（PHOTO-TRANSISTOR）或光电二极管（PHOTO-DIODE），其实际受光面积一般大约仅20密尔（MIL）见方，若影像的放大倍数为2，则放大后的线宽（要能覆盖两片聚光透镜或反射镜的宽度）只需有20密尔，即座标格板上的座标线宽为10密尔，间隔亦为10密尔，如此一来，每英寸内可有1000/20＝50条（约20条/厘米）座标线，因座标线到座标线间可以检出4个点数（COUNTS），则如此设计可达每英寸200点（D、P、I）（约79点/厘米）的精确度，若光学放大倍数为12时，可达1200点（约472点/厘米），其精确度非常高，这是常用的位移检测器几乎无法精确地达到的。特别值得注意的是：座标格板并未特别精细，亦不需要特别的制造技术即可制成，若要将座标格板做精细刻度，以目前工业技术水准，用蒸镀或感光法都可以达到。

本发明所提供的方法与装置具有结构简单、精确度高及解析度高的特点;更重要的是本发明所提供的输出为现有标准位移检测器的输出，但无任何复杂、费时的运算，不会降低位移检测器的反应速度。实为一极具实用价值的发明。

显然，本发明在不脱离其基本精神下，可为多种变换设计，即本发明的实施应超过上述详细说明的实施方式，因此，对熟悉此项技术者而言，该多种变换设计者应包含于本发明的申请专利范围内。

Claims

1、一种采用光传感方式的位移检测方法，它包括：一机体与一特定的座标格板做相对位移运动，将光源投射到座标格板上产生影像，其特征在于利用成像透镜将影像放大后，经不同轴向的聚光透镜或反射镜使光线聚集，由光传感元件将各轴向的聚集光线转换为代表位移状态的电信号。

2、如权利要求1所述的位移检测方法，其特征是：所述聚集光源的方式为利用透镜或反射镜，或两者同时交互使用。

3、如权利要求1所述的位移检测方法，其特征是：所述光源相对于光传感元件位于座标格板的同一侧或另一侧。

4、如权利要求1所述的位移检测方法，其特征是：所述座标格板至成像透镜中心的距离小于成像透镜中心至成像平面的距离，用其对影像的放大作用来提高解析度。

5、如权利要求1所述的位移检测方法，其特征是：所述座标格板为反光式或透光式。

6、如权利要求1所述的位移检测方法，其特征是：所述座标格板表面的垂直及水平座标线为等宽度且线宽与线间距相等。

7、一种采用光传感方式的位移检测装置，它包括：

一由具有反光或透光材料制成的、其表面标刻等宽度的垂直和水平标线且线宽与线间距相等的座标格板;

一与座标格板做相对位移的机体;

一对应于反光或透光的座标格板而设于机体内或座标格板的另一侧面的光源;

其特征在于，它还包括：

一设于机体内用以将座标格板的座标放大的成像透镜;

一组设于机体内且位于成像透镜的成像平面，用以将来自成像透镜的不同轴向的光线分别聚焦的聚光透镜或反射镜;

8、如权利要求7所述的位移检测装置，其特征是：所述的聚光透镜或反射镜呈长方形，同一轴向的透镜或反射镜可相邻排列或相距一座标线间距的距离。