CN105674893B - 基于cmos图像传感器的绝对式光栅尺及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺及其测量方法，该绝对式光栅尺包括光栅尺主体、光学放大系统、CMOS图像传感器、信号处理模块和主控模块，光栅尺主体上设有测量码道和细分码道，光学放大系统用于收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上，CMOS图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块，信号处理模块用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块，主控模块用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。本发明测量精度高、大大提高了测量分辨率，可广泛应用于光栅测量行业中。

Description

基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺及其测量方法

技术领域

本发明涉及光栅尺测量领域，特别是涉及基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺及其测量方法。

背景技术

绝对式光栅尺用于检测直线位移的绝对位置，目前技术中，一般采用的是垂直编码的物理刻度，然后利用长度与栅距相等的集成式光电池来检测绝对位置，同时为了提高位置分辨率，此类光栅尺往往附加有正余弦增量检测通道，通过增量输出信号的细分，位置分辨率最高可达0. 005微米。但是目前的绝对式光栅尺，光栅码道都刻画在玻璃或钢带等材料上，而电机在运行过程中，不可避免地会产生一定的径向跳动，从而可能造成码道出现微小位移，当振动造成的径向位移达到一定幅值时，甚至可能出现读数错误。而且，传统的绝对式光栅尺均采用光栅编码，对光栅刻画技术的要求很高，例如二进制编码盘，n位二进制码盘具有2ⁿ 种不同编码，若要提高绝对式光栅尺分辨力，必须增加n值。而随着n值的增大，光栅尺码道越来越多，导致光栅尺寸也越来越大，制作成本大大提高，而且这种方式存在编码范围的限制，给测量范围的扩大带来限制。另外，二进制光栅码道微小的制作误差，将会使个别码道提前或延后，这会造成输出信号的误差。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，本发明的另一目的是提供及基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，包括光栅尺主体、光学放大系统、CMOS图像传感器、信号处理模块和主控模块，所述光栅尺主体上设有测量码道和细分码道，所述光学放大系统用于收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上，所述CMOS图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块，所述信号处理模块用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块，所述主控模块用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。

进一步，所述测量码道包括多个在水平方向上紧密排列的长度相同且高度依次递增的光栅条纹，所述细分码道设有多个二进制码道且每个二进制码道与一光栅条纹相对应。

进一步，所述CMOS图像传感器被配置为设有一与高度最高的光栅条纹相匹配的第一开窗以及一与二进制码道相匹配的第二开窗。

进一步，所述主控模块具体用于：将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理，进而分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值，进而将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步，还包括用于对CMOS图像传感器进行运动补偿的校正补偿单元。

进一步，所述校正补偿单元包括陀螺仪传感器、微处理器和压电陶瓷片组，所述微处理器分别与陀螺仪传感器和压电陶瓷片组连接。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

所述的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，包括步骤：

S1、将光栅尺主体安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；

S2、光学放大系统收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上；

S3、CMOS图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块；

S4、信号处理模块将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块；

S5、主控模块对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。

进一步，所述步骤S5，具体包括：

S51、将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理；

S52、分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库进行比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值；

S53、将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步，所述S52，其具体为：

获取二值化后的测量码道图像块中的直线的高度，进而将该高度与预设的编码数据库进行比对后，获得粗测位置值，同时获取二值化后的细分码道图像块中的二进制编码信息，并将二进制编码信息与预设的编码数据库进行比对后，获得细分位置值。

本发明的有益效果是：基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，包括光栅尺主体、光学放大系统、CMOS图像传感器、信号处理模块和主控模块，光栅尺主体上设有测量码道和细分码道，光学放大系统用于收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上，CMOS图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块，信号处理模块用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块，主控模块用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。本绝对式光栅尺降低了光栅刻蚀难度，能有效降低光栅出错率，降低了制造成本，而且测量精度高、大大提高了测量分辨率。

本发明的另一有益效果是：基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，包括步骤：S1、将光栅尺主体安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；S2、光学放大系统收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上；S3、CMOS图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块；S4、信号处理模块将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块；S5、主控模块对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。本测量方法操作简单，可以快速地获得测量结果，而且测量精度高、大大提高了测量分辨率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的结构示意图；

图2是本发明的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的光栅尺主体的结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，包括光栅尺主体1、光学放大系统2、CMOS图像传感器3、信号处理模块4和主控模块5，所述光栅尺主体1上设有测量码道11和细分码道12，所述光学放大系统2用于收集经测量码道11和细分码道12反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器3上，所述CMOS图像传感器3用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块4，所述信号处理模块4用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块5，所述主控模块5用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。

进一步作为优选的实施方式，所述测量码道11包括多个在水平方向上紧密排列的长度相同且高度依次递增的光栅条纹，所述细分码道设有多个二进制码道且每个二进制码道与一光栅条纹相对应。

进一步作为优选的实施方式，所述CMOS图像传感器3被配置为设有一与高度最高的光栅条纹相匹配的第一开窗以及一与二进制码道相匹配的第二开窗。

进一步作为优选的实施方式，所述主控模块5具体用于：将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理，进而分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值，进而将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步作为优选的实施方式，还包括用于对CMOS图像传感器3进行运动补偿的校正补偿单元6。

进一步作为优选的实施方式，所述校正补偿单元6包括陀螺仪传感器、微处理器和压电陶瓷片组，所述微处理器分别与陀螺仪传感器和压电陶瓷片组连接。

本发明还提供了基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，包括步骤：

S1、将光栅尺主体1安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；

S2、光学放大系统2收集经测量码道11和细分码道12反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器3上；

S3、CMOS图像传感器3采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块4；

S4、信号处理模块4将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块5；

S5、主控模块5对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5，具体包括：

S51、将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理；

S52、分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库进行比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值；

S53、将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步作为优选的实施方式，所述S52，其具体为：

获取二值化后的测量码道图像块中的直线的高度，进而将该高度与预设的编码数据库进行比对后，获得粗测位置值，同时获取二值化后的细分码道图像块中的二进制编码信息，并将二进制编码信息与预设的编码数据库进行比对后，获得细分位置值。

以下结合具体实施例对本发明作详细说明。

实施例一

参照图1，基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，包括光栅尺主体1、光学放大系统2、CMOS图像传感器3、信号处理模块4、主控模块5以及用于对CMOS图像传感器3进行运动补偿的校正补偿单元6，光栅尺主体1上设有测量码道11和细分码道12，光学放大系统2用于收集经测量码道11和细分码道12反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器3上，CMOS图像传感器3用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块4，信号处理模块4用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块5，主控模块5用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。CMOS图像传感器3通过固定板7与校正补偿单元6连接，当绝对式光栅尺运动时，校正补偿单元6能实时补偿CMOS图像传感器3的运动，便于CMOS图像传感器3拍摄清晰的图像，减小由于径向跳动导致码道出现微小位移而造成的测量误差。具体的，校正补偿单元6包括陀螺仪传感器、微处理器和压电陶瓷片组，微处理器分别与陀螺仪传感器和压电陶瓷片组连接，利用陀螺仪传感器来获得绝对式光栅尺在运行状态下的振动角度和加速度，并实时驱动压电陶瓷片组来产生反向补偿运动，使得CMOS图像传感器3维持在有效拍摄范围，从而在校正补偿单元6和光学放大系统2的作用下，CMOS图像传感器3可以快速拍摄且获得较为清晰的图像。

本实施例中，如图2所示，测量码道11包括多个在水平方向上紧密排列的长度相同且高度依次递增的光栅条纹，细分码道12设有多个二进制码道且每个二进制码道与一光栅条纹相对应，图2中，“…”代表未穷举的二进制码道或光栅条纹。根据光栅条纹的高度依次递增的关系，可以根据光栅条纹的高度获得该光栅条纹对应的长度信息，从而获得粗测位置值。二进制码道的长度与光栅条纹的长度相同，用于测量细分位置值，从而结合光栅条纹测量获得的粗测位置值获得精确的绝对位置测量值。优选的，本实施例中，二进制码道采用2进制葛莱码编码，因此可以减少读错率。码道的位数一般选用8位，也可以根据实际需要进行设置。图2中，每个光栅条纹的长度为2mm，高度为5微米，在每个光栅条纹的长度范围内，假设采用的二进制码道的位数为8位，则测量值可以精确到2mm/2⁸，即将2mm细分为256份，二进制码道的不同位置的编码代表了距离起点位置的不同的距离，因此，本绝对式光栅尺大大提高了测量分辨率，而且通过采用二进制码道，降低了光栅刻蚀难度，能有效降低光栅出错率，降低了制造成本。

本实施例中，CMOS图像传感器3被配置为设有一与高度最高的光栅条纹相匹配的第一开窗以及一与二进制码道相匹配的第二开窗。这里的相匹配是指第一开窗的高度不小于经光学放大系统2放大后的高度最高的光栅条纹的高度，第二开窗的尺寸不小于经光学放大系统2放大后的二进制码道的尺寸，同时第一开窗和第二开窗的长度小于单个二进制码道放大后的长度。CMOS图像传感器3通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。本实施例中，光学放大系统2由多个微透镜21构成。将CMOS图像传感器3配置为开窗模式，即选取CMOS图像传感器3的拍摄镜头的一部分感光单元进行拍摄工作，而不是整个镜头抓取进行高速扫描和采集。本发明中将CMOS图像传感器3的某一位置配置成呈直线排列的多窗口的工作状态，本发明中包含两个开窗，两个开窗的高度均不小于对应的经光学放大系统2放大后的最高光栅条纹的高度或二进制码道的高度，窗口长度小于经光学放大系统放大后二进制码道的宽度，满足能拍摄到码道信息即可。CMOS图像传感器3开窗后能选取感兴趣的位置进行信息采集，对光栅尺的刻线进行拍摄，得到某一光栅尺位置的特定图像，采集的数据量比较少，计算延时较短，解码成本较低。

相应的，主控模块5具体用于：将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理，进而分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值，进而将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。预设的编码数据库是指根据测量码道11和细分码道12的刻画规则所预先定义的编码数据库，例如测量码道11的每个光栅条纹的长度为2mm，总共有500个光栅条纹，光栅条纹的高度从5微米依次呈等差数列递增，则第500个光栅条纹的高度为2500微米，因此，可以建立光栅条纹的高度与长度测量值之间的对应关系并添加到预设的编码数据库中。同样的，细分码道12通过二进制码道将每个光栅条纹的长度进行细分，假设二进制码道为8位，则将2mm的光栅条纹细分为256份，从而可以获得每个二进制编码对应的测量长度，因此也可以建立二进制编码与其对应的测量长度之间的对应关系并添加到预设的编码数据库中。

实施例二

实施例一的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，包括步骤：

S1、将光栅尺主体1安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；

S2、光学放大系统2收集经测量码道11和细分码道12反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器3上；

S3、CMOS图像传感器3采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块4；

S4、信号处理模块4将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块5；

S5、主控模块5对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值，具体包括步骤S51~S53：

S51、将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理；二值化处理可以使得图像更加清晰，便于后期进行算法比对；因为本发明所采集的图像的几何轮廓边界较为简单，可以采用“双峰法”来确定灰度阈值，然后将测量码道图像块和细分码道图像块处理成只有黑白信息的图像。前者经二值化处理后的图像为一条具有高度信息的直线图像，后者经二值化处理后为黑白方格交替的较清晰的图像，可以根据该图像的最左边或最右边的一列方格所对应的编码信息来获得细分位置测量值；

S52、分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库进行比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值，具体为：获取二值化后的测量码道图像块中的直线的高度，进而将该高度与预设的编码数据库进行比对后，获得粗测位置值，同时获取二值化后的细分码道图像块中的二进制编码信息，并将二进制编码信息与预设的编码数据库进行比对后，获得细分位置值。

另外，当处理过程中，发现测量码道图像块或细分码道图像块刚好位于两个相邻码道之间，则采用边缘模糊算法对其进行处理，比较两个相邻码道哪个码道的图像信息较多，并将图像信息较多的码道标记为测量位置的码道。

S53、将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，其特征在于，包括光栅尺主体、光学放大系统、CMOS图像传感器、信号处理模块和主控模块，所述光栅尺主体上设有测量码道和细分码道，所述光学放大系统用于收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上，所述CMOS图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块，所述信号处理模块用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块，所述主控模块用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值；

所述测量码道包括多个在水平方向上紧密排列的长度相同且高度依次递增的光栅条纹，所述细分码道设有多个二进制码道且每个二进制码道与一光栅条纹相对应，二进制码道的长度与光栅条纹的长度相同；

所述主控模块具体用于：将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理，进而分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值，进而将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

2.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，其特征在于，所述CMOS图像传感器被配置为设有一与高度最高的光栅条纹相匹配的第一开窗以及一与二进制码道相匹配的第二开窗。

3.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，其特征在于，还包括用于对CMOS图像传感器进行运动补偿的校正补偿单元。

4.根据权利要求3所述的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，其特征在于，所述校正补偿单元包括陀螺仪传感器、微处理器和压电陶瓷片组，所述微处理器分别与陀螺仪传感器和压电陶瓷片组连接。

5.权利要求1所述的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，其特征在于，包括步骤：

S1、将光栅尺主体安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；

S2、光学放大系统收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上；

S3、CMOS图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块；

S4、信号处理模块将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块；

S5、主控模块对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。

6.根据权利要求5所述的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，其特征在于，所述步骤S5，具体包括：

S51、将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理；

S52、分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库进行比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值；

S53、将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

7.根据权利要求6所述的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，其特征在于，所述S52，其具体为：

获取二值化后的测量码道图像块中的直线的高度，进而将该高度与预设的编码数据库进行比对后，获得粗测位置值，同时获取二值化后的细分码道图像块中的二进制编码信息，并将二进制编码信息与预设的编码数据库进行比对后，获得细分位置值。