CN103308085B - 一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器涉及光栅位移测量领域，该传感器包括：增量位置信息接收模块、绝对位置信息接收模块、信号均匀性修正数据存储与读取控制模块、信号均匀性修正数据存储模块和偏置模块；该传感器可同时接收代表绝对位置信息的光学信号和代表增量位置信号的光学信号，而且可实现对绝对位置信息的均匀性修正。本发明的有益效果是：将两种光电接收器件增量位置信息接收模块和绝对位置信息接收模块集成在一起，减小了系统的体积，使单光源照明成为可能，同时绝对位置信息接收模块的输出信号进行均匀性修正，提高了位置测量值的准确性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光栅位移测量领域，具体涉及一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器。
背景技术
目前线位移和角位移光栅传感器构成的测量系统从增量式测量方法逐步发展为绝对式测量方法。安装有绝对式光栅线位移传感器的机床或生产线在重新开机后不需要找寻零位，立刻重新获得各个轴的绝对位置以及刀具的空间指向，因此可以马上从中断处开始继续原来的加工程序，缩短了数控机床的有效加工时间。
当前，单轨道绝对位置编码技术代表了绝对式光栅线位移传感器的最高技术水平。绝对式光栅线位移传感器的标尺光栅是其位置测量的基准，标尺光栅上刻有两个码道:绝对位置码道和增量位置码道。这个绝对位置码道所刻划的就是单轨道绝对位置编码，绝对位置码道将不同宽度和不同间距的栅线以绝对位置数据编码形式直接制作到标尺上用来确定绝对位置，也叫绝对粗位置，编码方式多采用伪随机编码（PRC）；增量码道通过信号细分提供高分辨力的位置值，用来确定光栅的精度和分辨力，通过两个码道位置值的结合实现最终的高精度绝对位置测量。用来接收和处理这两个码道的部件通常是两种光电传感器，然而，在实际应用中，两个部件的体积较大，很难实现单光源集成照明，这样会影响信号的稳定性。将这两种光电传感器集成化设计是绝对式光栅线位移传感器发展的方向。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明将提供一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，该传感器可同时接收代表绝对位置信息的光学信号和代表增量位置信号的的光学信号，而且可实现对绝对位置信息的均匀性修正。
一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，该传感器包括：增量位置信息接收模块、绝对位置信息接收模块、信号均匀性修正数据存储与读取控制模块、信号均匀性修正数据存储模块和偏置模块；
传感器工作时，外部启动控制信号控制偏置模块的两组包含了偏置电流和偏置电压信号的偏置信号发送至增量位置信息接收模块和绝对位置信息接收模块；
外部输入的共模信号为增量位置信息接收模块提供了电压参考信号，增量位置信息接收模块对所接收的光信号进行处理后输出一组四路相位分别相差90°的正弦信号，同时输出做差后的两路信号，并输出四路信号加和后的信号；
绝对位置信息接收模块工作时，根据第二外部启动控制信号和信号均匀性修正数据存储与读取控制模块发送的信号均匀性修正数据，将光信号处理后输出串行的代表绝对位置信息的模拟电压信号；
信号均匀性修正数据存储与读取控制模块在传感器上电初始化时，接收外部送来的信号均匀性修正数据，将其存储于信号均匀性修正数据存储模块中；在传感器工作过程中，信号均匀性修正数据存储与读取控制模块将信号均匀性修正数据存储模块中的信号均匀性修正数据读出，并输给绝对位置信息接收模块。
本发明的有益效果是：将两种光电接收器件增量位置信息接收模块和绝对位置信息接收模块集成在一起，减小了系统的体积，使单光源照明成为可能，同时绝对位置信息接收模块的输出信号进行均匀性修正，提高了位置测量值的准确性和稳定性。
附图说明
图1为本发明一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器系统结构图。
图2为增量位置信息接收模块的系统结构图。
图3为增量位置信息接收模块中增量位置信息处理放大模块的结构示意图。
图4为增量位置信息处理放大模块中电流/电压转化模块的结构示意图。
图5为增量位置信息处理放大模块中运算处理模块的结构示意图。
图6为绝对位置信息接收模块的系统结构图。
图7为绝对位置信息接收模块中传感器阵列与预处理模块的结构示意图。
图8为绝对位置信息接收模块中信号处理模块的结构示意图。
图9为信号均匀性修正数据存储与读取控制模块的系统结构图。
图10为传感器阵列模块的一种实现方式。
具体实施方式
以下给出本发明的一种具体实现方式。
如图1所示，本发明所设计的的图像传感器包括五个模块：增量位置信息接收模块1、绝对位置信息接收模块2、信号均匀性修正数据存储与读取控制模块3、信号均匀性修正数据存储模块4和偏置模块5。
传感器工作时，外部启动控制信号BC控制偏置模块5的两组偏置信号BS1和BS2的输出，其中偏置信号BS1送给增量位置信息接收模块1，偏置信号BS2送给绝对位置信息接收模块2。偏置信号BS1和BS2均包含了偏置电流和偏置电压信号。
外部输入的共模信号VS为增量位置信息接收模块1提供了电压参考信号，增量位置信息接收模块1对所接收的光信号VS和偏置信号BS1进行处理后输出一组IS信号，IS信号包括四路相位分别相差90°的正弦信号IS1、IS2、IS3和IS4，同时输出信号IS1与IS3、IS2与IS4做差后输出两路IMS信号，即IMS1和IMS2。还输出IS1～IS4四路信号加和后的IPS信号。
增量位置信息接收模块1包括传感器阵列模块11和增量位置信息处理放大模块12，如图2所示，传感器阵列模块11接收代表增量位置信息的光信号，将其转化为4路相位分别相差90°的正弦电流信号I1、I2、I3和I4。
图10为传感器阵列模块11中传感器阵列的连接方式，为了消除光场不均匀所带来的信号差异，4路传感器被分作周期性重复的若干组，每组之内按照A1、B1、D1、C1、A2、B2、D2、C2……An、Bn、Dn、Cn的方式进行排列，即插值排列法。
增量位置信息处理放大模块12包括电流/电压转化模块121与运算处理模块122，见图3所示。
电流/电压转化模块121含有四个增益可调放大器，见图4所示，四个放大器的构成结构与性能完全相同。电流/电压转化模块121将正弦电流信号I1、I2、I3和I4转化为电压信号，并处理放大，产生相位分别相差90°的正弦电压信号IS1、IS2、IS3和IS4。
运算处理模块模块122含有两个减法器和一个加法器，见图5所示。两个减法器结构和参数相同，分别将电流/电压转化模块121的输出信号IS1与IS3、IS2与IS4做差后输出两路IMS信号，即IMS1和IMS2。加法器则将IS1～S4四路信号加和后输出IPS信号。
绝对位置信息接收模块2工作时，根据外部启动控制信号RC和信号均匀性修正数据存储与读取控制模块3给出的信号均匀性修正数据MC，将光信号处理后输出串行的代表绝对位置信息的模拟电压信号AS。其中，外部启动控制信号RC包括外部曝光控制信号SCS和时序控制信号RCS。
绝对位置信息接收模块2包括其传感器阵列与预处理模块21和信号处理模块22，见图6所示。传感器阵列与预处理模块21在外部曝光控制信号SCS和时序控制信号RCS的控制下，利用偏置信号BS21，将光信号转化为电信号AS0，依次通过总线的方式传输给信号处理模块22，信号处理模块22则在时序控制信号RCS的控制下依次处理总线上传来的AS0信号，将信号处理模块22其放大处理后输出串行的代表绝对位置信息的模拟电压信号AS。
传感器阵列与预处理模块21包括传感器阵列模块211、预放大模块212和采样保持电路模块213，见图7所示。
传感器阵列模块211各像元彼此独立，各传感器之间采用总线方式连接。预放大模块212，辅以偏置信号BS21为每个独立的传感器进行信号放大。为了使最后的信号串行输出，为每个传感器设计了采样保持电路213，在外部曝光控制信号SCS作用下，分别产生各像元的采用保持信号，在时序控制信号RCS的控制下串行输出采用保持信号AS0，送给信号处理模块22。
信号处理模块22包括第一级放大器221、第二级可调增益放大器222和可调电压源223，见图8所示。
第一级放大器221构成一积分器，将每个传感器的采样保持模块中存储的电荷通过积分转化为电压信号。第二级可调增益放大器222则将该信号放大后最终输出串行的代表绝对位置信息的模拟电压信号AS。
由于绝对位置信息接收模块2中各敏感元之间存在工艺性偏差以及入射光的均匀性也存在一定偏差，会导致各敏感元输出的光敏信号不一致，影响光栅位置测量的精度，严重时甚至会出现错误数据。为此在信号处理模块2中设计了可动态调整输出结果的模块，包括与积分器输入连接的可调电压源223，以及第二级可调增益放大器222，信号处理模块2接收两组修正数据MC0和MC1，修正数据MC0用于控制可调电压源223，修正数据MC1用于控制第二级放大器222的增益。两组修正数据MC0和MC1来自信号均匀性修正数据存储模块4。在AS信号处理输出的过程中，信号均匀性修正数据存储与读取控制模块3根据外部启动控制信号RC实时控制绝对位置信息接收模块2独立调整每个敏感元的输出结果。
信号均匀性修正数据存储与读取控制模块3在传感器上电初始化时，接受外部送来的信号均匀性修正数据MS，将其存储于信号均匀性修正数据存储模块4中；在传感器工作过程中，信号均匀性修正数据存储与读取控制模块3将信号均匀性修正数据存储模块4信号均匀性修正数据读出，并输给绝对位置信息接收模块2。
信号均匀性修正数据存储与读取控制模块3包括包括通讯模块31、控制模块32和存储器读写控制模块33,见图9所示。
通讯模块31读入信号均匀性修正数据号MS，经由控制模块32处理后通过控制模块33并行写入并存储在信号均匀性修正数据存储模块4中。
信号均匀性修正数据存储模块4可采用随机静态存储器或者非易失性存储器，通过读写通路MSW和MSR与存储器读写控制模块33通讯。
在该实现方式中，本发明中所涉及的传感器采用0.35um尺寸的CMOS平面工艺制造，在硅基底上完成整个系统的设计,整体尺寸约为10mm×5mm，厚度小于0.5mm。其中增量位置信息接收模块1、绝对位置信息接收模块2的光信号接收单元均采用基于CMOS工艺的PIN光电二极管结构，以期获得较高的光电响应效率。
系统工作电压为标准的3.3V，工作电流小于20mA。
系统信号输入采用光信号，传感器转换的峰值波长为880nm。
增量位置信息接收模块1和绝对位置信息接收模块2的光信号接收单元的宽度相同，平行分布，间距1mm。两组线阵采取中心对称结构，对称中心对应于理论的光源中心，系统光源经透镜平行化处理后的红外光LED光源或激光照明器件。
整个系统在使用过程中固定在遮光的腔体中，以减少环境光源的影响。
增量位置信息接收模块1的接收单元，接收到在响应范围之内的光信号后即可实时输出光信号的变化情况，此时四路IS信号代表各路光信号的实时变化情况，IPS对应于四路IS信号的加和值，其值正比于系统光源的强度，可用于表征光源的光强大小。
IMS信号则对应于两路信号的差值，分别实现A-D、B-C两组信号的做差，利用内插法消除信号中的公共直流成分，若信号存在相位差，则IMS信号可表征不同相位信号之间的差值。
在本案中，在输入光信号为满足一定相位和幅值关系的正弦光栅信号的条件下，两路IMS信号设计输出为符合工业标准的～1Vpp的正弦信号。
对于绝对位置信息接收模块2，传感器开始工作时，将预设的信号均匀性修正数据使用标准的I2C通讯协议通过串行数据接口经由信号均匀性修正数据存储与读取控制模块3写入并储存在信号均匀性修正数据存储模块4中。
当有光信号输入时，绝对位置信息接收模块2中的各独立放大模块实时放大所接收到的信号，当外部曝光控制信号SCS有效时，将对应曝光时间段内的光信号分别进行采样并保持下来。
当需要绝对位置信息接收模块2的信号输出时，可通过时序控制信号RCS，按位输出各个独立接收模块所采集到的光电信号。此时可以调整读取时序信号的周期和占空比，调整每位信号的输出时间，以保证输出的稳定性。
当需要对输出信号进行调整或纠正时，则可开启修调模式，可使用信号均匀性修正数据存储与读取控制模块3中的读取模块按照读取控制相同的时序按位读入修正数据MC0和MC1，调整信号处理模块22中的可调电压源223输出的大小和第二级放大器222的增益的大小，同步调整光电转换关系式中的增益和基底值，从而调整绝对位置信息接收模块2的最终输出信号AS。
若无需调整，则传感器阵列与预处理模块21使用固化预置的调整值进行工作。
信号均匀性修正数据存储模块4采用静态存储器，其存储容量的大小取决于传感器阵列与预处理模块21中传感器的数量和修正编码的位数，用以保证每个传感器所需的信号均匀性修正数据均能存储在信号均匀性修正数据存储模块4中。
Claims (9)
1.一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，该传感器包括：增量位置信息接收模块、绝对位置信息接收模块、信号均匀性修正数据存储与读取控制模块、信号均匀性修正数据存储模块和偏置模块；
传感器工作时，外部启动控制信号控制偏置模块的两组包含了偏置电流和偏置电压信号的偏置信号发送至增量位置信息接收模块和绝对位置信息接收模块；
外部输入的共模信号为增量位置信息接收模块提供了电压参考信号，增量位置信息接收模块对所接收的光信号进行处理后输出一组四路相位分别相差90°的正弦信号，同时输出做差后的两路信号，并输出四路信号加和后的信号；
绝对位置信息接收模块工作时，根据第二外部启动控制信号和信号均匀性修正数据存储与读取控制模块发送的信号均匀性修正数据，将光信号处理后输出串行的代表绝对位置信息的模拟电压信号；
信号均匀性修正数据存储与读取控制模块在传感器上电初始化时，接收外部送来的信号均匀性修正数据，将其存储于信号均匀性修正数据存储模块中；在传感器工作过程中，信号均匀性修正数据存储与读取控制模块将信号均匀性修正数据存储模块中的信号均匀性修正数据读出，并输给绝对位置信息接收模块。
2.如权利要求1所述的一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，所述增量位置信息接收模块包括传感器阵列模块和增量位置信息处理放大模块，传感器阵列模块接收代表增量位置信息的光信号，将其转化为四路相位分别相差90°的正弦电流信号。
3.如权利要求2所述的一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，所述增量位置信息处理放大模块包括电流/电压转化模块；电流/电压转化模块含有四个增益可调放大器，四个放大器的构成结构与性能完全相同；电流/电压转化模块将正弦电流信号转化为电压信号，并处理放大，产生相位分别相差90°的四路正弦电压信号。
4.如权利要求2所述的一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，所述增量位置信息处理放大模块包括运算处理模块；运算处理模块含有两个减法器和一个加法器，两个减法器结构和参数相同，分别将电流/电压转化模块的输出四路电压信号第一路与第三路、第二路与第四路做差后输出两路信号，加法器则将四路信号加和后输出信号。
5.如权利要求1所述的一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，所述绝对位置信息接收模块包括其传感器阵列与预处理模块和信号处理模块，传感器阵列与预处理模块在外部曝光控制信号和时序控制信号的控制下，利用偏置信号，将光信号转化为电信号，依次通过总线的方式传输给信号处理模块，信号处理模块在时序控制信号的控制下依次处理总线上传来的信号，将信号处理模块其放大处理后输出串行的代表绝对位置信息的模拟电压信号。
6.如权利要求5所述的一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，所述传感器阵列与预处理模块包括传感器阵列模块、预放大模块和采样保持电路模块，传感器阵列模块各像元彼此独立，各传感器之间采用总线方式连接，预放大模块辅以偏置信号为每个独立的传感器进行信号放大，在外部曝光控制信号作用下，分别产生各像元的采用保持信号，在时序控制信号的控制下串行输出采用保持信号，送给信号处理模块。
7.如权利要求5所述的一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，所述信号处理模块包括第一级放大器、第二级可调增益放大器和可调电压源，第一级放大器构成一积分器，将每个传感器的采样保持模块中存储的电荷通过积分转化为电压信号；第二级可调增益放大器将第一级放大器积分后的信号放大后最终输出串行的代表绝对位置信息的模拟电压信号。
8.如权利要求5或7所述的一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，所述信号处理模块接收两组修正数据，第一修正数据用于控制可调电压源，第二修正数据用于控制第二级放大器的增益；两组修正数据来自信号均匀性修正数据存储模块。
9.如权利要求1所述的一种具有敏感元一致性修正功能的图像传感器，其特征在于，所述信号均匀性修正数据存储与读取控制模块包括通讯模块、控制模块和存储器读写控制模块，通讯模块读入信号均匀性修正数据号，经由控制模块处理后通过控制模块并行写入并存储在信号均匀性修正数据存储模块中。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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