CN102305988A - 一种基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置及其使用方法。它包括灯杯、灯杯装夹台、螺钉I、灯芯、灯芯装夹架、大导轨、大滑块、螺钉II、光学平面透镜、夹持架、凸透镜、支撑立柱、滤光片、二维光电位置传感器PSD、信号处理系统、PLC、伺服电机和三维精密调节台。灯芯发出的光经灯杯的内表面反射后形成平行的光柱，光柱经过光学平面透镜的两次透射和反射，少部分光反射到凸透镜，汇聚后透过滤光片照射在二维光电位置传感器PSD，二维光电位置传感器PSD输出的信号经过信号处理系统、PLC、伺服电机和三维精密调节台的一系列转化，最后控制灯芯在灯杯内的位置。本发明具有使用方法简单、成本低、效率高、调焦精度高等优点。

Description

一种基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及投影机领域，尤其涉及一种基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置及其使用方法。

背景技术

投影机灯泡是投影机的重要组成部件之一，也是投影机的最重要的耗材之一，与投影机整体的画面表现息息相关。投影灯泡的品质基本取决于灯杯的品质、灯芯的品质及组装工艺的品质。而其中控制灯芯在灯杯内的位置，也就是调焦，从而获得期望的光源，是一个技术难点。所谓“差之毫厘，谬以千里”，灯芯位置的略微偏差，都会造成光源射出光柱的光强、平行度和均匀性受到影响，从而使投影灯泡的质量受到重大影响。

目前国内投影行业对投影灯泡调焦的研究和实现方法还比较欠缺。

部分企业采用人工判断射出光斑的大小和中心位置，从而手工调节灯芯的位置，再进行后续的注胶等工艺；这种的方法有不少问题，比如效率低、调焦精度低等。

申请号为CN200810084310.0的专利，提出了一种采用视觉系统和图像处理系统来获得控制参数的方法，虽然可行，但成本较高，且比较复杂。

申请号为JP200623564的日本专利，采用了一种在被照射面的X、Y方向均分为2次开方的9个矩形领域的中央部位放置9个传感器的方法来测试，虽可行，但精确度还有待提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置。

基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置包括灯杯、灯杯装夹台、螺钉I、灯芯、灯芯装夹架、大导轨、大滑块、螺钉II、光学平面透镜、夹持架、凸透镜、支撑立柱、滤光片、二维光电位置传感器PSD、信号处理系统、PLC、伺服电机和三维精密调节台。灯杯通过螺钉I固定于灯杯装夹台, 灯杯装夹台通过螺钉II固定于一个大滑块，灯芯固定于灯芯装夹架，灯芯装夹架固定于三维精密调节台，光学平面透镜固定于夹持架, 夹持架固定于一个大滑块，凸透镜、滤光片、二维光电位置传感器PSD通过支撑立柱分别固定于三个大滑块，大滑块通过螺钉II固定于大导轨, 二维光电位置传感器PSD和信号处理系统相连接，信号处理系统和PLC相连接， PLC和伺服电机相连接，伺服电机和三维精密调节台相连接，形成闭环反馈控制系统。

所述的灯芯装夹架包括顶针、套筒、支撑杆、小导轨、小滑块和螺钉III。顶针、套筒分别固定于两个支撑杆, 两个支撑杆分别固定于两个小滑块, 两个小滑块通过螺钉III固定于小导轨, 套筒的一端套在灯芯的一端,顶针顶在灯芯的另一端，顶针的中心线、套筒的中心线和灯芯的中心线重合。

所述的光学平面透镜的数量为两块，光学平面透镜I和光学平面透镜II平行放置，光学平面透镜I的中心点在灯杯的中心线上，且灯杯的中心线和光学平面透镜I的夹角为45度，凸透镜、滤光片、二维光电位置传感器PSD和光学平面透镜II的中心点连线平行于导轨的上平面，且和光学平面透镜II的夹角为45度。

基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置的使用方法包括以下步骤：

1）调节灯杯装夹台、光学平面透镜、凸透镜、滤光片、二维光电位置传感器PSD的位置，用自准直仪等工具对光路进行校准；

2）把灯杯置于灯杯装夹台，并用螺钉I固定； 

3）把灯芯的一端置于套筒内, 灯芯的另一端用顶针顶住，使灯芯固定于灯芯装夹架；

4）给灯芯两端通电，灯芯发出的光经过灯杯的内表面反射后形成平行的光柱，光柱经过光学平面透镜的两次透射和反射，只有少部分光反射到凸透镜，通过凸透镜的汇聚作用，使光柱的横截面积减少，然后通过滤光片的作用，滤去部分干扰波段的光，最后照射在二维光电位置传感器PSD的感光元件上，形成光斑；

5）二维光电位置传感器PSD将光信号转化为电流信号I1、I2、I3、I4，并输出到信号处理系统；

6）信号处理系统先对电流信号I1、I2、I3、I4进行放大处理, 得到对应放大值X1、X2、Y1、Y2,并以二维光电位置传感器PSD的中心点为坐标原点，根据计算公式：

由此求得光斑中心点坐标（x,y），并将光斑中心点坐标传输到PLC，PLC将光斑中心点坐标转化为X方向伺服电机和Y方向伺服电机的旋转角度α、β，并发出控制信号到伺服电机使之运转；而X方向伺服电机和Y方向伺服电机的旋转又转化为三维精密调节台在X、Y方向上的位移，灯芯装夹架和灯芯的位置随之改变，实现对灯芯在灯杯内X、Y方向上的定位；

7）这时光斑中心点的位置就位于二维光电位置传感器PSD的中心点，此时二维光电位置传感器PSD输出的电流I1、I2、I3、I4近似相等；

在信号处理系统中，信号处理系统先对电流信号I1、I2、I3、I4进行放大处理, 到对应放大值X1≈X2≈Y1≈Y2，令I=X1，假定理想光斑输出的电流值对应放大值为I0,设为阀值，则令△I=I-I0，将△I值传输到PLC，PLC将△I值转化为Z方向伺服电机旋转角度γ，并发出控制信号到Z方向伺服电机使之运转；而Z方向伺服电机的旋转又转化为三维精密调节台在Z方向上的位移，灯芯装夹架和灯芯的位置随之改变，实现对灯芯在灯杯内Z方向上的定位；

8）整个装置形成一个闭环反馈控制系统，为后续的注胶和烘干等工序提供前期准备。

本发明具有以下优点：

１．应用了光学原理，利用一些简单的装置和仪器以及控制电路巧妙的设计而成，操作简单，整个装置构成闭环反馈控制回路，具有效率高，调焦精度高的优点；

２．采用两块光学平面透镜来对光柱透射和反射，并用凸透镜进行汇聚，解决了由于投影灯的温度过高、光柱截面积较大，对检测装置要求高的难题，降低了检测成本；

３．采用二维光电位置传感器PSD来采集光斑，从而获得光斑的大小和位置信息具有简单、快捷、精确的优点；

４．采用导轨和滑块的形式，可以保证光路的平行度、垂直度和精度要求，以及灯芯定位的精准度。

附图说明

图1为本发明基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置的总装配图；

图2为本发明的工作原理示意图；

图3为本发明的灯泡装夹示意图；

图4为本发明的灯芯装夹示意图；

图5为本发明的二维光电位置传感器PSD的工作原理示意图。

具体实施方式

如图１、图3所示，基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置包括灯杯1、灯杯装夹台2、螺钉I3、灯芯4、灯芯装夹架5、大导轨6、大滑块7、螺钉II8、光学平面透镜9、夹持架10、凸透镜11、支撑立柱12、滤光片13、二维光电位置传感器PSD14、信号处理系统21、PLC22、伺服电机23和三维精密调节台24。灯杯1通过螺钉I3固定于灯杯装夹台2, 灯杯装夹台2通过螺钉II8固定于一个大滑块7，灯芯4固定于灯芯装夹架5，灯芯装夹架5固定于三维精密调节台24，光学平面透镜9固定于夹持架10, 夹持架10固定于一个大滑块7，凸透镜11、滤光片13、二维光电位置传感器PSD14通过支撑立柱12分别固定于三个大滑块7，大滑块7通过螺钉II8固定于大导轨6, 二维光电位置传感器PSD14和信号处理系统21相连接，信号处理系统21和PLC22相连接， PLC22和伺服电机23相连接，伺服电机23和三维精密调节台24相连接，形成闭环反馈控制系统。

如图4所示的灯芯装夹架5包括顶针15、套筒16、支撑杆17、小导轨18、小滑块19和螺钉III20。顶针15、套筒16分别固定于两个支撑杆17, 两个支撑杆17分别固定于两个小滑块19, 两个小滑块19通过螺钉III20固定于小导轨18, 套筒16的一端套在灯芯4的一端,顶针15顶在灯芯4的另一端，顶针15的中心线、套筒16的中心线和灯芯4的中心线重合。

如图1、图2所示，光学平面透镜9的数量为两块，光学平面透镜I9和光学平面透镜II9平行放置，光学平面透镜I9的中心点在灯杯1的中心线上，且灯杯1的中心线和光学平面透镜I9的夹角为45度，凸透镜10、滤光片11、二维光电位置传感器PSD12和光学平面透镜II9的中心点连线平行于导轨5的上平面，且和光学平面透镜II9的夹角为45度。

基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置的使用方法，包括以下步骤：

1）调节灯杯装夹台2、光学平面透镜9、凸透镜11、滤光片13、二维光电位置传感器PSD14的位置，用自准直仪等工具对光路进行校准；

2）把灯杯1置于灯杯装夹台2，并用螺钉I3固定； 

3）把灯芯4的一端置于套筒16内, 灯芯4的另一端用顶针15顶住，使灯芯4固定于灯芯装夹架5；

4）给灯芯4两端通电，灯芯4发出的光经过灯杯1的内表面反射后形成平行的光柱，光柱经过光学平面透镜9的两次透射和反射，大部分光都透射，只有少部分光反射到凸透镜11，通过凸透镜11的汇聚作用，使光柱的横截面积减少，然后通过滤光片13的作用，滤去部分干扰波段的光，最后照射在二维光电位置传感器PSD14的感光元件上，形成光斑；

5）如图5所示，二维光电位置传感器PSD14受到光照射时，在光斑位置处产生比例于光能量的电子，将光信号转化为电流信号I1、I2、I3、I4，并输出到信号处理系统21；

6）信号处理系统21先对电流信号I1、I2、I3、I4进行放大处理, 得到对应放大值X1、X2、Y1、Y2,并以二维光电位置传感器PSD14的中心点为坐标原点，根据计算公式：

由此求得光斑中心点坐标（x,y），并将光斑中心点坐标传输到PLC22，PLC22将光斑中心点坐标转化为X方向伺服电机23和Y方向伺服电机23的旋转角度α、β，并发出控制信号到伺服电机23使之运转；而X方向伺服电机23和Y方向伺服电机23的旋转又转化为三维精密调节台24在X、Y方向上的位移，灯芯装夹架5和灯芯4的位置随之改变，实现对灯芯4在灯杯1内X、Y方向上的定位；

7）这时光斑中心点的位置就位于二维光电位置传感器PSD14的中心点，此时二维光电位置传感器PSD14输出的电流I1、I2、I3、I4近似相等；

在信号处理系统21中，信号处理系统21先对电流信号I1、I2、I3、I4进行放大处理, 到对应放大值X1≈X2≈Y1≈Y2，令I=X1，假定理想光斑输出的电流值对应放大值为I0,设为阀值，则令△I=I-I0，将△I值传输到PLC22，PLC22将△I值转化为Z方向伺服电机23旋转角度γ，并发出控制信号到Z方向伺服电机23使之运转；而Z方向伺服电机23的旋转又转化为三维精密调节台24在Z方向上的位移，灯芯装夹架5和灯芯4的位置随之改变，实现对灯芯4在灯杯1内Z方向上的定位；

8）整个装置形成一个闭环反馈控制系统，为后续的注胶和烘干等工序提供前期准备。

 

实施例：基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置的使用方法，包括以下步骤：

1）选用型号为W203的二维光电位置传感器PSD14，其有效光敏面为21mm*21mm；调节灯杯装夹台2、光学平面透镜9、凸透镜11、滤光片13、二维光电位置传感器PSD14的位置，用自准直仪等工具对光路进行校准；

2）把灯杯1置于灯杯装夹台2，并用螺钉I3固定； 

3）把灯芯4的一端置于套筒16内, 灯芯4的另一端用顶针15顶住，使灯芯4固定于灯芯装夹架5；

4）给灯芯4两端通电，灯芯4发出的光经过灯杯1的内表面反射后形成平行的光柱，光柱经过光学平面透镜9的两次透射和反射，大部分光都透射，只有少部分光反射到凸透镜11，通过凸透镜11的汇聚作用，使光柱的横截面积减少，然后通过滤光片13的作用，滤去部分干扰波段的光，最后照射在二维光电位置传感器PSD14的感光元件上，形成光斑；

5）如图5所示，二维光电位置传感器PSD14受到光照射时，在光斑位置处产生比例于光能量的电子，将光信号转化为电流信号I1、I2、I3、I4，并输出到信号处理系统21；

6）信号处理系统21先对电流信号I1、I2、I3、I4进行放大处理, 得到对应放大值X1=206、X2=408、Y1=310、Y2=280，并以二维光电位置传感器PSD14的中心点为坐标原点，根据计算公式：

其中L=21mm,由此求得光斑中心点坐标（2.1mm,1.5mm），并将光斑中心点坐标传输到PLC22，PLC22将光斑中心点坐标转化为X方向伺服电机23的旋转角度1035度和Y方向伺服电机23的旋转角度739度，并发出控制信号到伺服电机23使之运转；而X方向伺服电机23和Y方向伺服电机23的旋转又转化为三维精密调节台24在X、Y方向上的位移，灯芯装夹架5和灯芯4的位置随之改变，实现对灯芯4在灯杯1内X、Y方向上的定位；

7）这时光斑中心点的位置就位于二维光电位置传感器PSD14的中心点，此时二维光电位置传感器PSD14输出的电流I1、I2、I3、I4近似相等；

在信号处理系统21中，信号处理系统21先对电流信号I1、I2、I3、I4进行放大处理, 到对应放大值X1≈X2≈Y1≈Y2=525，令I=X1=525，假定理想光斑输出的电流值对应放大值为I0=450,设为阀值，则令△I=I-I0=75，将△I值传输到PLC22，PLC22将△I值转化为Z方向伺服电机23旋转角度1125度，并发出控制信号到Z方向伺服电机23使之运转；而Z方向伺服电机23的旋转又转化为三维精密调节台24在Z方向上的位移，灯芯装夹架5和灯芯4的位置随之改变，实现对灯芯4在灯杯1内Z方向上的定位；

8）整个装置形成一个闭环反馈控制系统，为后续的注胶和烘干等工序提供前期准备。

Claims (4)

1.一种基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置，其特征在于包括灯杯（1）、灯杯装夹台（2）、螺钉I（3）、灯芯（4）、灯芯装夹架（5）、大导轨（6）、大滑块（7）、螺钉II（8）、光学平面透镜（9）、夹持架(10)、凸透镜（11）、支撑立柱(12)、滤光片(13)、二维光电位置传感器PSD(14)、信号处理系统(21)、PLC(22)、伺服电机(23)和三维精密调节台(24)、灯杯（1）通过螺钉I（3）固定于灯杯装夹台（2）, 灯杯装夹台（2）通过螺钉II（8）固定于一个大滑块（7），灯芯（4）固定于灯芯装夹架（5），灯芯装夹架（5）固定于三维精密调节台(24)，光学平面透镜（9）固定于夹持架(10), 夹持架(10)固定于一个大滑块（7），凸透镜（11）、滤光片(13)、二维光电位置传感器PSD(14)通过支撑立柱(12)分别固定于三个大滑块（7），大滑块（7）通过螺钉II（8）固定于大导轨（6）, 二维光电位置传感器PSD(14)和信号处理系统(21)相连接，信号处理系统(21)和PLC(22)相连接， PLC(22)和伺服电机(23)相连接，伺服电机(23)和三维精密调节台(24)相连接，形成闭环反馈控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置，其特征在于所述的灯芯装夹架（5）包括顶针（15）、套筒（16）、支撑杆（17）、小导轨（18）、小滑块（19）和螺钉III（20）、顶针（15）、套筒（16）分别固定于两个支撑杆（17）, 两个支撑杆（17）分别固定于两个小滑块（19）, 两个小滑块（19）通过螺钉III（20）固定于小导轨（18）, 套筒(16)的一端套在灯芯(4)的一端,顶针(15)顶在灯芯(4)的另一端，顶针（15）的中心线、套筒（16）的中心线和灯芯（4）的中心线重合。

3.根据权利要求1所述的一种基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置，其特征在于所述的光学平面透镜（9）的数量为两块，光学平面透镜I（9）和光学平面透镜II（9）平行放置，光学平面透镜I（9）的中心点在灯杯（1）的中心线上，且灯杯（1）的中心线和光学平面透镜I（9）的夹角为45度，凸透镜(10)、滤光片(11)、二维光电位置传感器PSD(12)和光学平面透镜II（9）的中心点连线平行于导轨（5）的上平面，且和光学平面透镜II（9）的夹角为45度。

4.一种如权利要求1所述的基于光斑检测的投影灯泡自动调焦装置的使用方法，其特征在于它的步骤如下：

1）调节灯杯装夹台（2）、光学平面透镜（9）、凸透镜（11）、滤光片（13）、二维光电位置传感器PSD（14）的位置，用自准直仪等工具对光路进行校准；

2）把灯杯（1）置于灯杯装夹台（2），并用螺钉I（3）固定； 

3）把灯芯(4)的一端置于套筒(16)内, 灯芯(4)的另一端用顶针(15)顶住，使灯芯（4）固定于灯芯装夹架（5）；

4）给灯芯（4）两端通电，灯芯（4）发出的光经过灯杯（1）的内表面反射后形成平行的光柱，光柱经过光学平面透镜（9）的两次透射和反射，只有少部分光反射到凸透镜（11），通过凸透镜(11)的汇聚作用，使光柱的横截面积减少，然后通过滤光片(13)的作用，滤去部分干扰波段的光，最后照射在二维光电位置传感器PSD（14）的感光元件上，形成光斑；

5）二维光电位置传感器PSD（14）将光信号转化为电流信号I1、I2、I3、I4，并输出到信号处理系统(21)；

6）信号处理系统(21)先对电流信号I1、I2、I3、I4进行放大处理, 得到对应放大值X1、X2、Y1、Y2,并以二维光电位置传感器PSD(14)的中心点为坐标原点，根据计算公式：

由此求得光斑中心点坐标（x,y），并将光斑中心点坐标传输到PLC(22)，PLC(22)将光斑中心点坐标转化为X方向伺服电机(23)和Y方向伺服电机(23)的旋转角度α、β，并发出控制信号到伺服电机(23)使之运转；而X方向伺服电机(23)和Y方向伺服电机(23)的旋转又转化为三维精密调节台(24)在X、Y方向上的位移，灯芯装夹架(5)和灯芯(4)的位置随之改变，实现对灯芯(4)在灯杯(1)内X、Y方向上的定位；

7）这时光斑中心点的位置就位于二维光电位置传感器PSD(14)的中心点，此时二维光电位置传感器PSD(14)输出的电流I1、I2、I3、I4近似相等；

在信号处理系统(21)中，信号处理系统(21)先对电流信号I1、I2、I3、I4进行放大处理, 到对应放大值X1≈X2≈Y1≈Y2，令I=X1，假定理想光斑输出的电流值对应放大值为I0,设为阀值，则令△I=I-I0，将△I值传输到PLC(22)，PLC(22)将△I值转化为Z方向伺服电机(23)旋转角度γ，并发出控制信号到Z方向伺服电机(23)使之运转；而Z方向伺服电机(23)的旋转又转化为三维精密调节台(24)在Z方向上的位移，灯芯装夹架（5）和灯芯（4）的位置随之改变，实现对灯芯（4）在灯杯（1）内Z方向上的定位；

8）整个装置形成一个闭环反馈控制系统，为后续的注胶和烘干等工序提供前期准备。

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