CN109631765B

CN109631765B - 影像位移传感器及其测量方法

Info

Publication number: CN109631765B
Application number: CN201811497118.4A
Authority: CN
Inventors: 李宏明; 李里
Original assignee: 李里
Current assignee: SHENZHEN GUANGTAI TECHNOLOGY CO.,LTD.
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: CN109631765A

Abstract

本发明提供了一种影像位移传感器及其测量方法。本发明将影像传感电路和影像采集处理电路通过特殊布局设计在一起，再结合像靶图形设计，使它具有高分辨率、高精确度、小体积、低成本、易于制造等诸多优点。本发明可广泛应用于位移测量和精密位置定位。如千分尺、千分表、编码器、精密限位开关、精密定位器等等。

Description

影像位移传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及线阵影像传感器(即CCD或CIS)技术领域，特别是线阵影像传感器图像采集与图像处理技术相结合的领域。

背景技术

位移传感器有很多种，按原理可分为光栅式、磁栅式、容栅式及电阻式等等，它们各有优缺点。光栅式和磁栅式分辨率高精度高，但成本也高，体积大；电阻式成本低体积小，但精度低；容栅式介于光栅式和电阻式之间。本发明充分利用线阵影像传感芯片的高分辨率、高光敏特性和高精度像素间距，结合像靶独特的设计和算法，完美构成全新的位移传感器。现行影像传感器通常将影像传感电路和影像采集处理电路各自单独设计，不仅体积大，而且影像信号因传输线匹配问题，容易造成信号失真。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种影像位移传感器，包括线阵影像传感器和像靶，像靶与线阵影像传感器作相对运动，运动方向与扫描线平行；

所述线阵影像传感器包括影像传感电路、影像传感芯片、影像采集处理电路、壳体、柱形自聚焦透镜、遮光条、玻璃及反射光源；所述影像传感电路上设置所述影像传感芯片，所述影像传感芯片由一个或多个影像传感芯片组成，单个芯片长度为i，相邻两个芯片间隔为w；所述影像传感电路一端固定在壳体上，另一端与影像采集处理电路电气连接，并且所述影像传感电路与所述影像采集处理电路垂直；所述壳体上还设置所述柱形自聚焦透镜，所述柱形自聚焦透镜是由多个柱形透镜紧密排列成条状透镜，所述柱形自聚焦透镜沿排列方向与所述影像传感芯片沿像素排列方向平行，并且所述柱形自聚焦透镜一端的聚焦线正好与所述影像传感芯片受光中心线重合，所述柱形自聚焦透镜另一端的聚焦线经玻璃正好落在所述像靶上，形成扫描线；所述反射光源设置在所述影像采集处理电路上，在所述柱形自聚焦透镜与所述影像采集处理电路之间还装有遮光条，使所述影像传感芯片处于暗室中；

所述像靶包括左测量条和右测量条，所述左测量条和所述右测量条两侧各设有左测量空和右测量空，形成“空条空”结构；所述左测量条和所述右测量条以及所述左测量空和所述右测量空相互平行，并且与所述反射型影像传感器或所述透射型影像传感器的扫描线垂直，所述像靶与线阵影像传感器作相对运动，其方向与扫描线平行；所述左测量空和所述右测量空的宽度为a，所述左测量条和所述右测量条的宽度为b，相邻所述左测量空和所述右测量空间隔为c，沿扫描线方向所述左测量空和所述右测量空的两个外侧宽度为h，所述左测量条和所述右测量条垂直中心线距离为d，如果所述左测量条位置为Z，则所述右测量条的位置为Z+d。

一种影像位移传感器的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：设所述影像传感芯片第一颗芯片中第一个像素左侧边沿线为位置0；所述影像传感芯片分辨率为g(dpi)；单芯片长度为i；相邻芯片间隔为w1,w2,....,w(N-1)；所述左测量条在所述影像传感芯片第N个芯片上投影总面积为S，投影到每个像素面积为Sp，则S＝Sp(m)+Sp(m+1)+...+Sp(m+k)，其中m为第一个投影像素序号，m+k为最后投影像素序号；所述左测量条为黑，所述左测量空为白时，用像素量化值Mp来表达Sp，即Sp＝f-Mp，其中f为量化值满程，投影总面积S用投影像素量化值之和表达式：S＝(f-Mp(m))+(f-Mp(m+1))+...+(f-Mp(m+k))；

步骤2：计算所述左测量条的相对位置，也就是投影总面积S平分线M位置，平分线M与扫描线垂直，设平分线M在所述影像传感芯片第N个芯片上的位置为Zm，则

Zm＝25.4/g*(m+【k/2】-1)+{S/2-[f-Mp(m))+(f-Mp(m+1))+...+(f-Mp(m+【k/2】)]}/f

步骤3：计算所述左测量条到所述右测量条中心距离d，如果已经有d值，可直接跳到步骤4。

将所述像靶移到某一影像传感芯片中心位置，设左测量条在该影像芯片中相对位置为Zz，右测量条在该影像芯片中相对位置为Zy，根据步骤1和步骤2计算，d＝Zy-Zz。

步骤4：计算相邻两个所述影像传感芯片间距w，如果已经有w值，可直接跳到步骤5。

将所述像靶移到相邻两个影像传感芯片间隔中心位置，根据步骤1-3，w＝d-(i-Zz+Zy)。i为单芯片长度。

步骤5：计算所述左测量条的绝对位置，也就是投影总面积S平分线M绝对位置Z。

Z＝i*(N-1)+w1+w2+...+w(N-1)+Zm

同理，所述左测量条为透光，所述左测量空为遮光，用像素量化值Mp来表达Sp，即Sp＝Mp，

S＝Mp(m)+Mp(m+1)+...+Mp(m+k)

Zm＝25.4/g*(m+【k/2】-1)+{S/2-[Mp(m)+Mp(m+1)+...+Mp(m+【k/2】)]}/f

Z＝i*(N-1)+w1+w2+...+w(N-1)+Zm

其中【】为取整运算；

计算右测量条位置Z时，需减掉差距d，即Z-d；

理论分辨率e＝25.4/g/f(mm)。

本发明的有益效果是：

本发明将影像传感电路和影像采集处理电路设计在一起，不仅体积小，还提高了影像信号保真度和稳定性，使测量结果更可靠；由于本发明的精确度依赖于线性影像传感芯片像素元中心距离的精确度，其一致性更可靠；本发明利用测量条在影像传感芯片上的投影，计算投影总面积的平分线位置，不仅方法简单可靠，而且对像靶测量条和测量空边沿粗糙度容忍性好，丝网印刷的像靶也能达到高分辨率、高精确度；本发明安装简便，将像靶印刷或张贴在被测物体适当位置，影像传感器安装在适当位置，无机械传动又非接触型，经久耐用，成本低廉。本发明可广泛用于微距离测量领域，具体可用于万分尺、万分表、测微仪、精密限位开关、精密定位器等等。

附图说明

图1是本发明反射型影像传感器结构示意图；

图2是本发明透射型影像传感器结构示意图；

图3是本发明像靶结构示意图；

图4是本发明测量条为黑色、测量空为白色，在影像传感芯片上的投影及对应像素量化值示意图；

图5是本发明测量条为透光、测量空为遮光，在影像传感芯片上的投影及对应像素量化值示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明主要由两部分构成：线阵影像传感器和像靶。线阵影像传感器因光源工作方式不同，分为反射型影像传感器1和透射型影像传感器2；像靶3与所述反射型影像传感器1或所述透射型影像传感器2作相对运动，运动方向与扫描线平行。

所述反射型影像传感器1，如图1所示。影像传感电路11上装有影像传感芯片12，所述影像传感芯片12由一个或多个影像传感芯片组成，单个芯片长度为i，相邻两个芯片间隔为w。所述影像传感电路11一端固定在壳体14上，另一端与影像采集处理电路13电气连接，并且所述影像传感电路11与所述影像采集处理电路13垂直。所述壳体14上还装有柱形自聚焦透镜15，所述柱形自聚焦透镜15是由多个柱形透镜紧密排列成条状透镜，所述柱形自聚焦透镜15沿排列方向与所述影像传感芯片12沿像素排列方向平行，并且所述柱形自聚焦透镜15一端的聚焦线正好与所述影像传感芯片12受光中心线重合，所述柱形自聚焦透镜15另一端的聚焦线经玻璃17正好落在所述像靶3上，形成扫描线。所述影像采集处理电路13上装有反射光源18，在所述柱形自聚焦透镜15与所述影像采集处理电路13之间还装有遮光条16，使所述影像传感芯片12处于暗室中。

所述透射型影像传感器2，如图2所示。影像传感电路21上装有影像传感芯片22，所述影像传感芯片22由一个或多个影像传感芯片组成，单个芯片长度为i，相邻两个芯片间隔为w。所述影像传感电路21一端固定在壳体24上，另一端与影像采集处理电路23电气连接，并且所述影像传感电路21与所述影像采集处理电路23垂直。所述壳体24上还装有柱形自聚焦透镜25，所述柱形自聚焦透镜25是由多个柱形透镜紧密排列成条状透镜，所述柱形自聚焦透镜25沿排列方向与所述影像传感芯片22沿像素排列方向平行，并且所述柱形自聚焦透镜25一端的聚焦线正好与所述影像传感芯片22受光中心线重合，所述柱形自聚焦透镜25另一端的聚焦线经玻璃27正好落在所述像靶3一面上，形成扫描线。在所述像靶3另一面装有透射光源28，在所述柱形自聚焦透镜25与所述影像采集处理电路23之间还装有遮光条26，使所述影像传感芯片22处于暗室中。

所述像靶3由左测量条31和右测量条33组成，如图3所示。为了提高测量稳定性和精确度，在所述左测量条31和所述右测量条33两侧各增加了左测量空32和右测量空34，形成“空条空”结构。所述左测量条31和所述右测量条33以及所述左测量空32和所述右测量空34相互平行，并且与所述反射型影像传感器1或所述透射型影像传感器2的扫描线垂直，所述像靶3与所述反射型影像传感器1或所述透射型影像传感器2作相对运动，其方向与扫描线平行。所述左测量空32和所述右测量空34的宽度为a，所述左测量条31和所述右测量条33的宽度为b，相邻所述左测量空32和所述右测量空34间隔为c，沿扫描线方向所述左测量空32和所述右测量空34的两个外侧宽度为h，所述左测量条31和所述右测量条33垂直中心线距离为d，如果所述左测量条31位置为Z，则所述右测量条33的位置为Z+d。

所述左测量条31和所述右测量条33通常为黑色或透光，所述左测量空32和所述右测量空34通常为白色或遮光。

由于光线散射原因，所述左测量空32和所述右测量空34为白色时其宽度a的最小值要保证在测量空区内至少有一个像素的量化值为满程f，如图4所示；所述左测量空32和所述右测量空34为遮光时其宽度a的最小值要保证在测量空区内至少有一个像素的量化值为0，如图5所示。所述左测量条31和所述右测量条33为黑色时其宽度b的最小值要保证在测量条区内至少有一个像素的量化值为0，如图4所示；所述左测量条31和所述右测量条33为透光时其宽度b的最小值要保证在测量条区内至少有一个像素的量化值为f，如图5所示。

像靶与影像传感器作相对运动时，会遇到其中一个测量条在相邻两个扫描线间隔区内，造成影像缺失，影响测量精度，因此要求相邻所述左测量空32和所述右测量空34沿扫描线方向间隔c，c要大于扫描线间隔w，即c>w，并且所述影像传感芯片12或所述影像传感芯片22单颗芯片长度i要大于沿扫描线方向所述左测量空32和所述右测量空34两个外侧宽度h，即i>h。这样可保证总有其中一个测量影像完整和测量精度。

以所述反射型影像传感器1和所述像靶3为例，并且所述左测量条31为黑色，所述左测量空32为白色，如图4所示：

所述影像位移传感器的测量方法步骤如下：

步骤1：设所述影像传感芯片12第一颗芯片中第一个像素左侧边沿线为位置0；所述影像传感芯片12分辨率为g(dpi)；单芯片长度为i；相邻芯片间隔为w1,w2,....,w(N-1)；所述左测量条31在所述影像传感芯片12第N个芯片上投影总面积为S，投影到每个像素面积为Sp，则S＝Sp(m)+Sp(m+1)+...+Sp(m+k),其中m为第一个投影像素序号，m+k为最后投影像素序号；用像素量化值Mp来表达Sp，即Sp＝f-Mp，其中f为量化值满程，如图4所示。投影总面积S用投影像素量化值之和表达式：S＝(f-Mp(m))+(f-Mp(m+1))+...+(f-Mp(m+k))

步骤2：计算所述左测量条的相对位置，也就是投影总面积S平分线M位置，平分线M与扫描线垂直，如图4所示。设平分线M在所述影像传感芯片12第N个芯片上的位置为Zm，则

Z＝i*(N-1)+w1+w2+...+w(N-1)+Zm

同理，所述左测量条31为透光，所述左测量空32为遮光，用像素量化值Mp来表达Sp，即Sp＝Mp，如图5所示。

S＝Mp(m)+Mp(m+1)+...+Mp(m+k)

Zm＝25.4/g*(m+【k/2】-1)+{S/2-[Mp(m)+Mp(m+1)+...+Mp(m+【k/2】)]}/f

Z＝i*(N-1)+w1+w2+...+w(N-1)+Zm

其中【】为取整运算。

计算右测量条位置Z时，需减掉差距d，即Z-d。

本发明理论分辨率e＝25.4/g/f(mm)。

本发明适用于高精度高分辨率直线位移测量装置，如数显千分尺、数显千分表、数显万分尺、数显万分表、定位器、限位开关等等。

有助于位移传感器行业技术升级，扩大更多应用领域。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种影像位移传感器，其特征在于：包括线阵影像传感器和像靶，像靶与线阵影像传感器作相对运动，相对运动方向与扫描线平行；

所述线阵影像传感器包括影像传感电路、影像传感芯片、影像采集处理电路、壳体、柱形自聚焦透镜、遮光条、玻璃及光源；所述影像传感电路上设置有所述影像传感芯片，所述影像传感芯片数量为一个或N个，N≥2，单个影像传感芯片长度为i，所述影像传感芯片数量为N个时，依次相邻两个影像传感芯片间隔为w_j，j=1,2,…,N-1；所述影像传感电路一端固定在壳体上，另一端与所述影像采集处理电路电气连接，并且所述影像传感电路与所述影像采集处理电路垂直设置；所述壳体上还设置有所述柱形自聚焦透镜，所述柱形自聚焦透镜是由多个柱形透镜紧密排列成条状透镜，所述柱形自聚焦透镜沿排列方向与所述影像传感芯片沿像素排列方向平行，并且所述柱形自聚焦透镜一端的聚焦线正好与所述影像传感芯片受光中心线重合，所述柱形自聚焦透镜另一端的聚焦线经玻璃正好落在所述像靶一面上，形成扫描线；在所述柱形自聚焦透镜与所述影像采集处理电路之间还装有遮光条，使所述影像传感芯片处于暗室中；

所述线阵影像传感器为反射型线阵影像传感器，光源为反射光源，所述反射光源设置在所述影像采集处理电路上，与影像传感芯片在像靶的同一侧；

所述像靶包括左测量条和右测量条，所述左测量条两侧设有左测量空，形成“空条空”结构，所述右测量条两侧设有右测量空，形成“空条空”结构；所述左测量条和所述右测量条以及所述左测量空和所述右测量空相互平行，并且与线阵影像传感器的扫描线垂直，所述像靶与线阵影像传感器作相对运动，相对运动方向与扫描线平行；所述左测量空和所述右测量空的宽度为a，所述左测量条和所述右测量条的宽度为b，所述左测量条的右侧的左测量空和所述右测量条的左侧的右测量空间隔为c，沿扫描线方向所述左测量条的左侧的左测量空外侧和所述右测量条的右侧的右测量空外侧之间的宽度为h，所述左测量条和所述右测量条垂直中心线距离为d，如果所述左测量条的中心线位置为Z，则所述右测量条的中心线位置为Z+d；

所述左测量条和所述右测量条为黑色，所述左测量空和所述右测量空为白色，或者所述左测量条和所述右测量条为透光，所述左测量空和所述右测量空为遮光；所述左测量空和所述右测量空为白色时其宽度a的最小值要保证在每一个测量空区内至少有一个像素的量化值为满程f，所述左测量空和所述右测量空为遮光时其宽度a的最小值要保证在每一个测量空区内至少有一个像素的量化值为0，所述左测量条和所述右测量条为黑色时其宽度b的最小值要保证在每一个测量条区内至少有一个像素的量化值为0，所述左测量条和所述右测量条为透光时其宽度b的最小值要保证在每一个测量条区内至少有一个像素的量化值为f。

2.根据权利要求1所述的影像位移传感器，其特征在于：所述线阵影像传感器还可以为透射型线阵影像传感器，光源为透射光源，所述透射光源设置在所述像靶另一面，与影像传感芯片在像靶的不同侧。

3.根据权利要求1所述的影像位移传感器，其特征在于：所述左测量条的右侧的左测量空和所述右测量条的左侧的右测量空沿扫描线方向间隔为c，所述影像传感芯片数量为N个时，扫描线间隔等于相邻两个影像传感芯片间隔w_j，c大于扫描线间隔，即c>w_j，并且所述单个影像传感芯片长度i大于沿扫描线方向所述左测量条的左侧的左测量空外侧和所述右测量条的右侧的右测量空外侧之间的宽度h，即i>h。

4.根据权利要求3所述的影像位移传感器的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：设所述影像传感芯片第一颗芯片中第一个像素左侧边沿线为位置0；所述影像传感芯片分辨率为g(dpi)；单个影像传感芯片长度为i；依次相邻两个影像传感芯片间隔为w1,w2,....,w(N-1)；所述左测量条在所述影像传感芯片第n个芯片上投影总面积为S，n=1,2,…,N，投影到每个像素面积为Sp_l，l=m,m=1,…,m+k，则S＝Sp(m)+Sp(m+1)+...+Sp(m+k)，其中m为第一个投影像素序号，m+k为最后投影像素序号；所述左测量条为黑色，所述左测量空为白色时，用像素量化值Mp_l来表达Sp_l，即Sp_l＝f-Mp_l，其中f为量化值满程，投影总面积S用投影像素量化值之和表达式：S＝(f-Mp(m))+(f-Mp(m+1))+...+(f-Mp(m+k))；

其中【】为取整运算；

步骤3：计算所述左测量条到所述右测量条垂直中心线距离d，如果已经有d值，可直接跳到步骤4；

将所述像靶移到某一影像传感芯片中心位置，左测量条和右测量条同时投影在该影像传感芯片上，设左测量条在该影像传感芯片中相对位置为Zz，右测量条在该影像传感芯片中相对位置为Zy，由步骤1和步骤2计算Zm的方法同理计算Zz和Zy，然后计算d，d＝Zy-Zz；

步骤4：计算相邻两个所述影像传感芯片间隔w_j，如果已经有w_j值，可直接跳到步骤5；

将所述像靶依次从第一个相邻两个影像传感芯片间隔中心位置移到第N-1个相邻两个影像传感芯片间隔中心位置，左测量条和右测量条分别投影在相邻的两个影像传感芯片上，设左测量条在相邻两个影像传感芯片中左侧影像传感芯片中的相对位置为Zmz，右测量条在相邻两个影像传感芯片中右侧影像传感芯片中的相对位置为Zmy，由步骤1和步骤2计算Zm的方法同理计算Zmz和Zmy，然后计算w_j，w_j＝d-(i-Zmz+Zmy)，其中，j=1,2,…,N-1，i为单个影像传感芯片长度；

步骤5：计算所述左测量条的绝对位置，也就是投影总面积S平分线 M绝对位置Z；

Z＝i*(N-1)+w1+w2+...+w(N-1)+Zm

同理，所述左测量条为透光，所述左测量空为遮光时，用像素量化值Mp_l来表达Sp_l，即Sp_l＝Mp_l，l=m,m=1,…,m+k，其中m为第一个投影像素序号，m+k为最后投影像素序号，

S＝Mp(m)+Mp(m+1)+...+Mp(m+k)

Zm＝25.4/g*(m+【k/2】-1)+{S/2-[Mp(m)+Mp(m+1)+...+Mp(m+【k/2】)]}/f

Z＝i*(N-1)+w1+w2+...+w(N-1)+Zm

其中【】为取整运算；

计算右测量条绝对位置时，需减掉d；

理论分辨率e＝25.4/g/f(mm)。