JP5764189B2 - Precision angle positioning device - Google Patents
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Description
本発明は、角度位置決め装置に係り、特に、高精度の角度位置決めが可能な装置に関するものである。 The present invention relates to an angle positioning device, and more particularly to a device capable of highly accurate angle positioning.
磁気角度センサは、第２次世界大戦中に発明されたものであり、戦車に応用することにより、戦車の砲塔を悪環境でも精密な角度で回転させることができる。その後も科学技術の進歩に伴い、光電誘導方式を用いる角度センサが大きな発展を遂げている。
図１の絶対位置決め円形光学格子の構造模式図を参照する。図１に示すように、前記絶対位置決め円形光学格子１’においては、回転軸１１’と、９個のリング型光学格子と、を備え、その内、最内環（第９環）の光学格子１２’は、５１２個の均等部分（２9）に分割される。同じように、第２環の光学格子１３’は、４個の均等部分（２2）に分割され、かつ最外環（第１環）の光学格子１４’は、２個の均等部分（２1）に分割される。また、９個の円環上の光学格子は、それぞれ９個の円環上の光学格子の明（１）値、暗（０）値を読み取るための９個の光電センサに対応することにより、１セットの明暗読み値（例えば、００００００００１）を絶対角度として表示する。
The magnetic angle sensor was invented during the Second World War, and when applied to a tank, the tank turret can be rotated at a precise angle even in a bad environment. Since then, with the advancement of science and technology, the angle sensor using the photoelectric induction method has been greatly developed.
Reference is made to the structural schematic diagram of the absolute positioning circular optical grating of FIG. As shown in FIG. 1, the absolute positioning circular optical grating 1 ′ includes a rotating shaft 11 ′ and nine ring type optical gratings, of which the innermost ring (nineth ring) optical grating. 12 ′ is divided into 512 equal parts (2 9 ). Similarly, the second ring optical grating 13 'is divided into four equal parts (2 2 ) and the outermost ring (first ring) optical grating 14' is divided into two equal parts (2 1 ) is divided. Further, the optical gratings on the nine rings correspond to nine photoelectric sensors for reading the light (1) value and the dark (0) value of the optical grating on the nine rings, respectively. A set of light and dark readings (for example, 000000001) is displayed as an absolute angle.
上記の絶対位置決め円形光学格子１’に対しては、その最内環（第９環）の光学格子１２’の数によって角度位置決め精度が決定される。言い換えれば、上記の絶対位置決め円形光学格子１’の角度位置決め精度をより一層向上することができない。
以上に鑑みて、図２の構造模式図に示すような高精度の絶対位置決め円形光学格子が開発され、提案されている。図に示すように、前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１”は、主に内環の光学格子１１”と外環の光学格子１２”とからなる。
その内、外環の光学格子１２”は、等間隔の光学格子で、内環の光学格子１１”は、非等間隔の光学格子である。このような特殊な光学格子の配置方式により、前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１”は絶対位置決めの角度値を精算することができる。
For the absolute positioning circular optical grating 1 ′, the angle positioning accuracy is determined by the number of the innermost (9th ring) optical gratings 12 ′. In other words, the angle positioning accuracy of the absolute positioning circular optical grating 1 ′ cannot be further improved.
In view of the above, a highly accurate absolute positioning circular optical grating as shown in the structural schematic diagram of FIG. 2 has been developed and proposed. As shown in the figure, the high-accuracy absolute positioning circular optical grating 1 ″ is mainly composed of an inner ring optical grating 11 ″ and an outer ring optical grating 12 ″.
Among them, the outer ring optical grating 12 ″ is an equally spaced optical grating, and the inner ring optical grating 11 ″ is a non-equally spaced optical grating. By such a special optical grating arrangement method, the absolute positioning circular optical grating 1 ″ with high accuracy can settle the angle value of absolute positioning.
しかしながら、現在市販されている角度エンコーダーには、いまなお以下に示すような課題が存在している。 However, the angle encoders currently on the market still have the following problems.
１．高精度の絶対位置決め円形光学格子の製作と校正は、相当な困難度を有することから、高精度の絶対位置決め円形光学格子の市販価格がその角度位置決めの精度に対して非直線的に増加するようになる。 1. The production and calibration of high-precision absolute positioning circular optical gratings have considerable difficulty, so that the commercial price of high-precision absolute positioning circular optical gratings increases non-linearly with respect to the accuracy of their angular positioning. become.
２．如何にして軸の同心度の誤差を生じせずに、校正を完成した高精度のエンコーダーをそのサービス機台の受け軸（回転軸）上に取り付けるかが、現在、高精度のエンコーダーが面する最も主要な問題である。 2. A high-precision encoder now faces how a high-precision encoder that has been calibrated can be mounted on the receiving shaft (rotary shaft) of the service machine stand without causing an error in the concentricity of the shaft. The most important issue.
以上の説明から、現在市販されている高精度の絶対位置決め円形光学格子と高精度のエンコーダーのいずれもコスト上、使用上の欠点を抱えていることが解る。 From the above description, it can be understood that both the high-precision absolute positioning circular optical grating and the high-precision encoder currently on the market have drawbacks in terms of cost.
本願発明者は、上記事情に鑑みて鋭意研究開発した結果、以下の知見を得て精密角度位置決め装置及び位置決め方法を完成するに至った。 As a result of earnest research and development in view of the above circumstances, the present inventor has obtained the following knowledge and has completed a precision angle positioning device and a positioning method.
本発明の主な目的は、精密角度位置決め装置及びその方法を提供することにある。本発明は、主に価格が相対的に安価である回転円盤ユニットと、不変形光斑捕捉ユニットと、角度識別位置決めユニットと、角度校正ユニットとから構成されることで、角度センサの高精度要求を満たす精密角度位置決め装置は、相当な産業競争力を有する。技術上では、不変形光斑捕捉ユニットを使用して回転する回転円盤ユニットの表面上からＮ個の不変形レーザ光斑画像を取得すると同時に、角度校正ユニットにより、毎枚の不変形レーザ光斑画像の校正角度を校正と記録することで、角度校正した後の不変形レーザ光斑画像をさらに座標光斑画像として定義し、続いてＮ枚の座標光斑画像及びその校正したＮ個の主変化角度を設定と記録し、それから画像マッチング方法と数式を用いて即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像との間の副変化角度を算出する。その後、数式θ被測定＝θi＋（（Δｄ×３６０°）／ΣＤ）を用いていずれか１つの即時の不変形光斑画像の被測定角度θ被測定を容易に算出することにより、精密な角度位置決めが完成する。 The main object of the present invention is to provide a precision angle positioning apparatus and method. The present invention is mainly composed of a rotating disk unit, a non-deformable light spot capturing unit, an angle identification positioning unit, and an angle calibration unit, which are relatively inexpensive in price. Satisfying precision angle positioning device has considerable industrial competitiveness. Technically, N invariant laser spot images are obtained from the surface of the rotating disk unit that rotates using the invariant spot capturing unit, and at the same time, the invariant laser spot image is calibrated by the angle calibration unit. By correcting and recording the angle, the undeformed laser light spot image after angle correction is further defined as a coordinate light spot image, followed by setting and recording N coordinate light spot images and their calibrated N main change angles. Then, by using an image matching method and a mathematical formula, a sub-change angle between the immediate undeformed light spot image and the i-th coordinate spot image having the maximum overlapping area is calculated. Then, by calculating easily the measured angle θ measured of any one immediate undeformed light spot image using the formula θ measured = θ i + ((Δd × 360 °) / ΣD) Angular positioning is completed.
従って、本発明の上記目的を達成するため、本願発明者が提案する精密角度位置決め装置は、回転円盤ユニットと、コヒーレントな入射光を前記回転円盤ユニットの位置決め表面の上に発射させると共に、前記位置決め表面から反射される反射光を受光することで、前記位置決め表面の不変形光斑画像を取得する不変形光斑捕捉ユニットと、角度校正ユニットと、前記不変形光斑捕捉ユニットと前記角度校正ユニットとを電気的に接続する角度識別位置決めユニットと、前記不変形光斑捕捉ユニットにより取得される前記不変形光斑画像を格納するための記憶ユニットと、を備え、前記回転円盤ユニットを連続的に１回転させる場合において、前記不変形光斑捕捉ユニットは、対応的に回転円盤ユニットのＮ枚の不変形光斑画像を取得すると同時に、前記角度校正ユニットは、前記Ｎ枚の不変形光斑画像に対応するＮ個の校正角度座標を計測すると共に、角度校正した後の不変形レーザ光斑画像を座標光斑画像として定義し、また前記Ｎ枚の座標光斑画像と前記Ｎ個の主変化角度とを前記記憶ユニット内に格納し、また、前記回転円盤ユニットを任意角度で回転させると共に、対応する即時の不変形光斑画像を捕捉した後、前記角度識別位置決めユニットは、画像マッチング関数を用いて前記即時の不変形光斑画像と記憶ユニット内に格納されたＮ枚の座標光斑画像とに対して画像マッチングを行い、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像との間の変位を算出して生成される即時位置の副変化角度は、該第ｉ個の主変化角度に合わせて、前記即時の不変形光斑画像の被測定角度を精確に算出することができる。 Therefore, in order to achieve the above object of the present invention, the precise angle positioning device proposed by the present inventor emits a rotating disk unit and coherent incident light onto the positioning surface of the rotating disk unit, and also performs the positioning. By receiving the reflected light reflected from the surface, the invariant light spot capturing unit, the angle calibration unit, the invariant light spot capturing unit, and the angle calibration unit that acquire the undeformed light spot image of the positioning surface are electrically connected. An angular identification positioning unit that is connected in a connected manner, and a storage unit for storing the invariant light spot image acquired by the invariant light spot capturing unit, and continuously rotating the rotating disk unit one time. The invariant light spot capturing unit correspondingly acquires N invariant light spot images of the rotating disk unit. Sometimes, the angle calibration unit measures N calibration angle coordinates corresponding to the N invariant light spot images, defines the invariant laser spot image after angle calibration as a coordinate spot image, and After N coordinate light spot images and the N main change angles are stored in the storage unit, and the rotating disk unit is rotated at an arbitrary angle, and a corresponding immediate undeformed light spot image is captured. The angle identification positioning unit uses the image matching function to perform image matching on the immediate invariant light spot image and the N coordinate light spot images stored in the storage unit, and to perform the instant invariant light spot image. The sub-change angle of the immediate position generated by calculating the displacement between the image and the i-th coordinate light spot image having the maximum overlapping area is the same as that of the i-th main change angle. The measured angle of the non modified light spots image immediate can be accurately calculated.
本発明に係る精密角度位置決め装置の好適な実施例について、以下、添付図面を参照しながら詳細に説明する。 Preferred embodiments of the precision angle positioning apparatus according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
本発明に係る精密角度位置決め装置の構成図である図３を参照する。
この図に示すように、本発明の精密角度位置決め装置１は、主に回転円盤ユニット１１と、不変形光斑捕捉ユニット１２と、角度校正ユニット１３と、角度識別位置決めユニット１４と、記憶ユニットとから構成される。
回転円盤ユニットの斜視図である図４Ａ、図４Ｂと図４Ｃとを同時に参照する。
この図に示すように、角度識別位置決めユニット１４に電気的に接続される不変形光斑捕捉ユニット１２により、コヒーレントな入射光を前記回転円盤ユニット１１の位置決め表面の上に発射させる。例としては、レーザ光を回転円盤ユニット１１の頂部表面（図４Ａを参照）、側辺表面（図４Ｂを参照）或いは底部表面（図４Ｃを参照）に発射することが挙げられる。
続いて、不変形光斑捕捉ユニット１２が前記位置決め表面から反射される反射光を受光すると共に、反射光のレーザ光斑を検出することにより、不変形光斑画像を取得する。
Reference is made to FIG. 3, which is a block diagram of a precision angle positioning device according to the present invention.
As shown in this figure, the precise angle positioning device 1 of the present invention mainly comprises a rotating disk unit 11, an undeformed light spot capturing unit 12, an angle calibration unit 13, an angle identification positioning unit 14, and a storage unit. Composed.
4A, 4B, and 4C, which are perspective views of the rotating disk unit, are simultaneously referred to.
As shown in this figure, coherent incident light is emitted onto the positioning surface of the rotating disk unit 11 by an invariant light spot capturing unit 12 electrically connected to the angle identification positioning unit 14. Examples include emitting laser light to the top surface (see FIG. 4A), side surface (see FIG. 4B) or bottom surface (see FIG. 4C) of the rotating disk unit 11.
Subsequently, the invariant light spot capturing unit 12 receives the reflected light reflected from the positioning surface, and detects the laser light spot of the reflected light, thereby acquiring an invariant light spot image.
図３に示すように、不変形光斑捕捉ユニット１２は、発光素子１２１と、前段絞り１２２と、レンズ１２３と、後段絞り１２４と、２次元画像センサ１２５と、を備えるように構成される。
その内、発光素子１２１は、当該コヒーレントな入射光（即ち、レーザ光）を前記回転円盤ユニット１１の前記位置決め表面の上に発射させるために用いられる。かつ、前記前段絞り１２２は、前記レーザ光の二次反射散乱光を濾過するために用いられる。また、レンズ１２３は、結像するために用いられ、前記回転円盤ユニット１１の表面の反射光を２次元センサ１２５に結像させる。
絞り１２４は、入射光線の入射視角及び光斑平均サイズを制御するために用いられ、光斑画像の変形量を効果的に低減することができる。さらに、前記２次元画像センサ１２５は、同様に制御と処理モジュール（角度識別位置決めユニット）１４に電気的に接続され、ここでの２次元画像センサは、ＣＣＤ画像センサ或いはＣＭＯＳ画像センサであってもよく、前記レーザ光のレーザ光斑画像を検出と記録するために用いられる。
単一の物体の各物体表面に呈示されている３次元テクスチャーパターンの何れも唯一であるため、レーザ光が物体表面に入射する場合、その反射されるレーザ光斑画像も唯一性を有する。物体表面に反射されるレーザ光斑画像が確かに唯一性を有するかどうかを確定するために、下記のステップ（１）〜（４）に従って以下の実験を行った。
As shown in FIG. 3, the undeformed light spot capturing unit 12 includes a light emitting element 121, a front stop 122, a lens 123, a rear stop 124, and a two-dimensional image sensor 125.
Among them, the light emitting element 121 is used to emit the coherent incident light (that is, laser light) onto the positioning surface of the rotating disk unit 11. The front stage stop 122 is used for filtering the secondary reflected scattered light of the laser light. The lens 123 is used for imaging, and the reflected light from the surface of the rotating disk unit 11 is imaged on the two-dimensional sensor 125.
The stop 124 is used to control the incident viewing angle of incident light and the average size of light spots, and can effectively reduce the amount of deformation of the light spot image. Further, the two-dimensional image sensor 125 is similarly electrically connected to the control and processing module (angle identification positioning unit) 14, and the two-dimensional image sensor here may be a CCD image sensor or a CMOS image sensor. Often used to detect and record a laser spot image of the laser light.
Since any one of the three-dimensional texture patterns presented on each object surface of a single object is unique, when the laser light is incident on the object surface, the reflected laser light spot image has uniqueness. In order to determine whether the laser spot image reflected on the object surface is indeed unique, the following experiment was performed according to the following steps (1) to (4).
（１）５０ｕｍを撮像間隔とし、不変形光斑捕捉ユニット１２を使用してステンレス鋼の表面上から計１２００枚のレーザ光斑画像を取得すると共に、レーザ光斑画像の撮像作業を行うと同時に、レーザ干渉計を使用して各枚のレーザ光斑画像の位置を計測・記録して、１２００枚の座標光斑画像及びその対応の座標位置を設定する。 (1) Using a non-deformable light spot capturing unit 12 with an imaging interval of 50 μm, a total of 1200 laser light spot images are obtained from the surface of stainless steel, and at the same time as the laser light spot image is picked up, laser interference is performed. The position of each laser light spot image is measured and recorded using a meter, and 1200 coordinate light spot images and corresponding coordinate positions are set.
（２）取得される１２００枚の座標光斑画像及びその対応の座標位置を角度識別位置決めユニット１４のデータベースの中に格納する。 (2) The acquired 1200 coordinate light spot images and the corresponding coordinate positions are stored in the database of the angle identification positioning unit 14.
（３）不変形光斑捕捉ユニット１２を使用して前記ステンレス鋼の表面上において、３ｃｍの位置箇所に即時のレーザ光斑画像を再取得する。 (3) Using the undeformed light spot capturing unit 12, an immediate laser spot image is re-acquired at a position of 3 cm on the surface of the stainless steel.
（４）前記角度識別位置決めユニット１４により、画像マッチング関数（即ち、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ））を用いて取得される即時のレーザ光斑画像とデータベースの中の１２００枚の座標光斑画像とを逐一にマッチングする。 (4) By the angle identification positioning unit 14, an instantaneous laser spot image obtained by using an image matching function (that is, SAD (Sum of Absolute Difference)) and 1200 coordinate spot images in the database are sequentially processed. To match.
図５の不変形レーザ光斑画像に示すように、図（ａ）〜図（ｇ）は、それぞれ０ｕｍ（即ち、撮像始点）、１００００．７３ｕｍ、２０００１．５７ｕｍ、２９９９９．０４ｕｍ、３９９９９．９５ｕｍ、５０００１．１８ｕｍ及び６０００１．９４ｕｍの座標光斑画像を示す。そして、図６Ａと図６Ｂに示す１２００枚の座標光斑画像と前記即時のレーザ光斑画像のＳＡＤのマッチンググラフから明らかなように、前記即時のレーザ光斑画像に比べて、データベースの中の位置２９９９９．０４ｕｍでの座標光斑画像が最小のＳＡＤ値を表していることが分かる。
これは、データベースの中には、ただ１枚の座標光斑画像が再取得の前記即時のレーザ光斑画像に最も類似しており、最大の重なり面積を有することを示している。従って、実験結果によれば、物体表面から反射されるレーザ光斑画像が確かに唯一性を有することが実証された。
As shown in the undeformed laser light spot image in FIG. 5, FIGS. (A) to (g) are respectively 0 μm (that is, imaging start point), 10000.73 μm, 20001.57 μm, 29999.04 μm, 39999.95 μm, and 50001. The coordinate light spot images of .18 um and 60001.94 um are shown. As apparent from the SAD matching graph of the 1200 coordinate light spot images and the immediate laser spot image shown in FIGS. 6A and 6B, the position 29999. It can be seen that the coordinate light spot image at 04 um represents the minimum SAD value.
This indicates that in the database, only one coordinate spot image is most similar to the re-acquired instant laser spot image and has the largest overlap area. Thus, experimental results have demonstrated that the laser spot image reflected from the object surface is indeed unique.
以上の説明から、如何にして不変形光斑捕捉ユニット１２を用いて物体の表面上から不変形レーザ光斑画像を取得するかは既に明らかであろう。さらに、角度校正ユニット１３の使用に合わせれば、レーザ光斑画像技術も「角度位置決め」に応用可能である。しかし、補助説明すべきことは、レーザ光斑画像技術を物体表面の位置決めに応用する場合、まず、レーザ光斑画像が「不変形」であることを確保する必要がある。
レーザ光斑画像が「不変形」であることを確保する条件は、前記レーザ光斑画像内の任意の２点の光斑の相対光路差の変化量が、前記レーザ光の波長の１／５よりも必ず小さいことである。また、前記座標光斑画像のデータベース内に任意の相隣する２枚の座標光斑画像の重なり長さが、１／２の前記座標光斑画像の長さより大きいことである。さらに、毎枚の座標光斑画像の撮像長さが、光斑不変形の移動可能な距離よりも必ず小さい或いは等しいことである。従って、重なり領域内にある２枚の光斑画像は、光斑画像の変位距離が光斑の不変形距離より小さいので、ほぼ完全一致の光斑画像は、ＳＡＤ、ＳＳＤ、ＮＣＣ或いはＳＩＦＴ等の方法を利用して光斑画像の変位マッチングを行うことができ、相隣する２枚の光斑画像が回転により、画像センサ上に生成される２個の像平面の変位ベクトル（ｄｘ′，ｄｙ′）を精確に算出する。
その内、ｄｘ′は、像平面のｘ′軸の変位ベクトル成分で、ｄｙ′は、像平面のｙ′軸の変位ベクトル成分である。上記より光斑画像が移動する像平面の変位ベクトルが得られ、そして光斑捕捉ユニット（１２）の光学拡大倍率Ｍを利用して物平面の変位ベクトル（ｄｘ，ｄｙ）を算出することができ、ここではｄｘ＝ｄｘ′／Ｍ、ｄｙ＝ｄｙ′／Ｍの条件を満たす。
From the above description, it will already be clear how to obtain an invariant laser spot image from the surface of an object using the invariant spot capturing unit 12. Furthermore, if the angle calibration unit 13 is used, laser spot image technology can also be applied to “angle positioning”. However, an auxiliary explanation is that when applying the laser spot image technique to the positioning of the object surface, it is necessary to first ensure that the laser spot image is “undeformed”.
The condition for ensuring that the laser light spot image is “undeformed” is that the amount of change in the relative optical path difference between any two spots in the laser light spot image is more than 1/5 of the wavelength of the laser light. It is small. Further, the overlapping length of two adjacent coordinate light spot images in the database of coordinate light spot images is larger than the length of the coordinate light spot image which is ½. Furthermore, the imaging length of each coordinate light spot image is necessarily smaller than or equal to the movable distance of the light spot invariant. Accordingly, the two spotted images in the overlapping region have a displacement distance of the spotted image smaller than the undeformed distance of the spotted spot. Therefore, the nearly perfect spotted spot image uses a method such as SAD, SSD, NCC, or SIFT. It is possible to perform displacement matching of light spot images, and accurately calculate the displacement vectors (dx ', dy') of two image planes generated on the image sensor by rotating two adjacent light spot images. To do.
Among them, dx ′ is a displacement vector component of the image plane on the x ′ axis, and dy ′ is a displacement vector component of the image plane on the y ′ axis. From the above, the displacement vector of the image plane on which the light spot image moves is obtained, and the displacement vector (dx, dy) of the object plane can be calculated using the optical magnification M of the light spot capturing unit (12). Then, the conditions of dx = dx ′ / M and dy = dy ′ / M are satisfied.
上記の説明から分かるように、回転円盤ユニット１１の不変形光斑画像の校正位置座標を予め記録しておけば、座標値を有する座標光斑画像が生成されるので、この位置決め方法は、相対位置決め技術から絶対位置決め技術に転換することができる。
応用する際に、即時に取得される光斑画像は、前記即時の光斑画像との重なり範囲が最大となる座標光斑画像を計算するように、その前に記録される全ての座標光斑画像とをマッチングして、これらの２枚の光斑画像が像平面での変位量を計算して、光斑捕捉ユニット１２の光学拡大倍率Ｍ及び座標光斑画像の位置座標に合わせることで、即時の光斑画像の位置座標を確認できる。
As can be seen from the above description, if the calibration position coordinates of the invariant light spot image of the rotating disk unit 11 are recorded in advance, a coordinate light spot image having coordinate values is generated. To absolute positioning technology.
When applying, the spotlight image acquired immediately matches all the spotlight spot images recorded before it so as to calculate the spotlight spot image that maximizes the overlapping range with the spotlight spot image. Then, by calculating the amount of displacement of these two light spot images on the image plane and matching them with the optical magnification M of the light spot capturing unit 12 and the position coordinates of the coordinate light spot image, the position coordinates of the immediate light spot image are obtained. Can be confirmed.
図３の構成のように、実施例１では、Ａｇｉｌｅｎｔ（登録商標）５５３０ 動的測定器（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｏｒ）を角度校正ユニット１３とすると共に、下記の手順を通じて即時の角度位置決めが完成する。
まず、回転円盤ユニット１１を１回転させると共に、不変形光斑捕捉ユニット１２を使用して前記回転円盤ユニット１１のＮ枚の不変形光斑画像及び第Ｎ＋１枚の不変形光斑画像を取得し、続いて画像マッチング関数を用いて第１枚の不変形光斑画像と第Ｎ＋１枚の不変形光斑画像とに対して画像変位量マッチングを行い、第Ｎ＋１枚の光斑画像が第１枚の光斑画像を超えたかどうかを確認し、第Ｎ＋１枚の光斑画像が第１枚の光斑画像を超えた場合は、第Ｎ＋１枚の光斑画像の角度座標値が３６０度を超えたことを示し、不変形光斑画像を継続的に捕捉する必要がない。
画像マッチング関数としては、例えば差分絶対値和（Ｓｕｍ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ＳＡＤ）、差分二乗和（Ｓｕｍ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ＳＳＤ）、正規化相互相関（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ＮＣＣ）或いはスケール不変特徴変換（Ｓｃａｌｅ Ｉｎｖａｒｉａｎｔ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＳＩＦＴ）等の指標値複数あるがどれを用いてもよいものとする。
As in the configuration of FIG. 3, in the first embodiment, an Agilent (registered trademark) 5530 dynamic measuring instrument (Dynamic Calibrator) is used as the angle calibration unit 13, and immediate angular positioning is completed through the following procedure.
First, the rotating disk unit 11 is rotated once, and the N deformation light spot images and the (N + 1) th non-deformed light spot image of the rotating disk unit 11 are acquired using the non-deformation light spot capturing unit 12, and then Image displacement function matching was performed on the first non-deformed light spot image and the (N + 1) -th non-deformation light spot image using an image matching function, and whether the (N + 1) -th light spot image exceeded the first light spot image. If the (N + 1) th spot image exceeds the first spot image, it indicates that the angle coordinate value of the (N + 1) th spot image has exceeded 360 degrees, and the unmodified spot image continues. There is no need to capture.
Examples of the image matching function include a sum of absolute differences (Sum Absolute Difference, SAD), a sum of squares of differences (Sum Squared Difference, SSD), normalized cross correlation (Normalized Cross Correlation, NCC), or scale invariant feature transformation (Scale Invert Feature Conversion). There are a plurality of index values (Transform, SIFT), etc., but any of them may be used.
不変形光斑画像を捕捉すると同時に、角度校正ユニット１３（即ち、Ａｇｉｌｅｎｔ ５５３０動的測定器）により、毎枚の不変形光斑画像の校正角度座標を定義する必要があり、角度を画定した不変形光斑画像を座標光斑画像として定義する。例えば、第１枚の不変形光斑画像の校正角度座標がθ1＝０で、第ｉ枚の不変形光斑画像の校正角度座標がθiである。かつ、この校正角度を前記座標光斑画像の主変化角度として定義する。Ｎ枚の座標光斑画像及びその対応の主変化角度θiを座標データベース内に記録して完成となる。 At the same time that the invariant light spot image is captured, the angle calibration unit 13 (i.e., the Agilent 5530 dynamic measuring device) needs to define the calibration angle coordinates of each of the invariant light spot images, The image is defined as a coordinate light spot image. For example, the calibration angle coordinate of the first undeformed light spot image is θ 1 = 0, and the calibration angle coordinate of the i-th undeformed light spot image is θ i . The calibration angle is defined as the main change angle of the coordinate light spot image. N coordinate light spot images and the corresponding main change angle θ i are recorded in the coordinate database to complete.
さらに、回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和ΣＤを計算する。ＳＩＦＴ（Ｓｃａｌｅ Ｉｎｖａｒｉａｎｔ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を利用して相隣する２枚の座標光斑画像の像平面の変位量をマッチングする。
例えば、第２枚の座標光斑画像と第１枚の座標光斑画像との間の像平面の変位量がｄ１’で、第Ｎ枚の座標光斑画像と第１枚の座標光斑画像との間の像平面の変位量がｄｎ′である。回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和は、数式ΣＤ＝（ｄ１′＋ｄ２′＋…＋ｄ（ｎ−１）′＋ｄｎ′）を用いて計算する。
こうして、さらに下記の数式（１）を用いて即時の光斑画像が位置決めをする時の副変化角度を算出する。式中、θｓｕｂは、即時の不変形光斑画像の副変化角度を表し、Δｄは、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる座標光斑画像とをマッチングして位置決めする像平面の変位量を表す。
Further, the sum total ΣD of the displacement amount of the image plane when the rotating disk unit 11 is rotated once is calculated. The amount of displacement of the image planes of the two coordinate light spot images adjacent to each other is matched using SIFT (Scale Invariant Feature Transform).
For example, the displacement amount of the image plane between the second coordinate light spot image and the first coordinate light spot image is d1 ′, and between the Nth coordinate light spot image and the first coordinate light spot image. The amount of displacement of the image plane is dn ′. The total amount of displacement of the image plane when the rotating disk unit 11 is rotated once is calculated using the formula ΣD = (d1 ′ + d2 ′ +... + D (n−1) ′ + dn ′).
In this way, the sub-change angle when the immediate light spot image is positioned is further calculated using the following formula (1). In the equation, θsub represents a sub-change angle of the immediate undeformed light spot image, and Δd represents an image plane for matching and positioning the immediate undeformed light spot image and the coordinate light spot image having the largest overlapping area. Represents the amount of displacement.
こうして、Ｎ枚の不変形光斑画像、Ｎ個の主変化角度の座標データベースを完成した場合において、回転円盤ユニット１１を任意角度で回転させると共に、即時の不変形光斑画像を取得した後、画像マッチング関数を用いてデータベースの中から前記即時の不変形光斑画像との間に重なり面積が最大となる座標光斑画像を見つけ出し、もし該枚の座標光斑画像を第ｉ枚の座標光斑画像として定義する場合であれば、下記の数式（２）を用いて前記即時の不変形光斑画像の被測定角度θ被測定を容易に算出することにより、精密の角度位置決めが完成する。 In this way, when the N invariant light spot images and the coordinate database of the N main change angles are completed, the rotating disk unit 11 is rotated at an arbitrary angle, and after obtaining the immediate invariant light spot image, image matching is performed. When a coordinate light spot image having a maximum overlap area is found from the database using the function and has the maximum overlapping area, and the coordinate light spot image of the sheet is defined as the i-th coordinate light spot image if, by easily calculate the measured angle θ measured not modified light spots image of the immediately using equation (2) below, precision of angular positioning is completed.
ここで、特別に説明すべきことは、本発明の精密角度位置決め装置の精密角度位置決め誤差源として、下記２種類が挙げられる点である。
１．使用される角度校正ユニット１３の位置決め誤差である。この位置決め誤差は、角度校正ユニット１３が座標光斑画像の主変化角度を校正する時に生じる位置決め誤差である。Ａｇｉｌｅｎｔ ５５３０ 動的測定器（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｏｒ）を角度校正ユニット１３とする場合では、座標光斑画像を校正した後の主変化角度の位置決め誤差が０．５″である。
２．即時の光斑画像と座標光斑画とをマッチングして位置決めする時に生じる位置決め誤差である。この位置決め誤差量δの大きさを見積もると、一般的な商用の精密角度センサの位置決め精度が約１″で、高精度の角度センサの外径の範囲が約２０〜３０ｃｍである。角度センサの回転時の回転円周長であるＤに換算すると、その範囲が約６０〜１００ｃｍである。
現在商用規格であるＣＣＤ或いはＣＭＯＳセンサの画素の大きさの範囲が１〜５ｕｍで、ＳＩＦＴマッチング方法を使用してδ値の範囲が約１／５０〜１／１００である画素の大きさは、つまりその範囲約１０〜１００ｕｍである。撮像装置の光学拡大倍率Ｍが１である場合、即時の光斑画像の即時の角度位置決め誤差範囲としては
と見積もることができる。
従って、座標光斑画像の主変化角度の位置決め誤差である０．５″に、即時の光斑画像と座標光斑画像とをマッチングして得られる位置決め誤差である０．２″を加えた、本方法を利用する角度位置決めの誤差総和としては、つまり０．５″＋０．２″＝０．７″となり、１″より小さいので、角度センサの高精度要求を満たすことができる。
Here, what should be specially explained is that the following two types of precision angle positioning error sources of the precision angle positioning device of the present invention can be cited.
1. This is a positioning error of the angle calibration unit 13 used. This positioning error is a positioning error that occurs when the angle calibration unit 13 calibrates the main change angle of the coordinate light spot image. In the case where the Agilent 5530 dynamic calibrator is the angle calibration unit 13, the positioning error of the main change angle after the coordinate light spot image is calibrated is 0.5 ″.
2. This is a positioning error that occurs when the instantaneous light spot image and the coordinate light spot image are matched and positioned. When the magnitude of this positioning error amount δ is estimated, the positioning accuracy of a general commercial precision angle sensor is about 1 ″, and the outer diameter range of the high-precision angle sensor is about 20 to 30 cm. When converted to D, which is the rotational circumferential length at the time of rotation, the range is about 60 to 100 cm.
The size of a pixel of a CCD or CMOS sensor that is currently a commercial standard is 1 to 5 μm, and the range of a δ value using a SIFT matching method is about 1/50 to 1/100. That is, the range is about 10 to 100 um. When the optical magnification M of the imaging device is 1, the immediate angular positioning error range of the immediate light spot image is
Can be estimated.
Therefore, the present method in which the positioning error of 0.2 ″ which is obtained by matching the instantaneous light spot image and the coordinate light spot image is added to 0.5 ″ which is the positioning error of the main change angle of the coordinate light spot image. The total error of angle positioning to be used is 0.5 ″ +0.2 ″ = 0.7 ″, which is smaller than 1 ″, so that the high accuracy requirement of the angle sensor can be satisfied.
図７に示す本発明に係る精密角度位置決め装置の第２構成は、回転円盤ユニット１１と、不変形光斑捕捉ユニット１２と、角度校正ユニット１３と、角度識別位置決めユニット１４と、記憶ユニットとから構成されると共に、慣性レーザジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする。
実施例２では、下記の手順を通じて座標光斑画像の主変化角度の校正・位置決めが完成する。まず、不変形光斑捕捉ユニット１２の２次元画像センサ１２５の撮像重複率の範囲を１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚの間に設定する必要がある。
続いて回転円盤ユニット１１を１０°／秒の固定回転速度で１回転させると共に、Ｎ枚の不変形光斑画像を取得する。そして、前記回転円盤ユニット１１を回転させると同時に、慣性レーザジャイロスコープが出力するビート信号の周期数ｋｉと座標位相φｉとを読み取り、記録する。
The second configuration of the precise angle positioning device according to the present invention shown in FIG. 7 includes a rotating disk unit 11, an undeformed light spot capturing unit 12, an angle calibration unit 13, an angle identification positioning unit 14, and a storage unit. In addition, the inertial laser gyroscope is used as the angle calibration unit 13.
In the second embodiment, calibration / positioning of the main change angle of the coordinate light spot image is completed through the following procedure. First, it is necessary to set the range of the imaging overlap rate of the two-dimensional image sensor 125 of the undeformed light spot capturing unit 12 between 1 KHz and 10 KHz.
Subsequently, the rotating disk unit 11 is rotated once at a fixed rotation speed of 10 ° / second, and N undeformed light spot images are acquired. Then, at the same time as the rotating disk unit 11 is rotated, the beat signal cycle number ki and the coordinate phase φi output from the inertial laser gyroscope are read and recorded.
上記の説明のように、第１枚の座標光斑画像の角度座標を原点とすることによって、ｋ１＝０とφ１＝０を定義するものとなり、また第２枚の座標光斑画像のビート信号の累計周期数がｋ２＋（φ２／３６０）で、第ｉ枚の座標光斑画像のビート信号の累計周期数がｋｉ＋（φｉ／３６０）で、そして第Ｎ枚の座標光斑画像のビート信号の累計周期数がｋｎ＋（φｎ／３６０）である。
ここでは画像マッチング関数を用いて第１枚の不変形光斑画像と第Ｎ枚の変形光斑画像との間の像平面の変位量がｄｎを算出し、かつ性レーザジャイロスコープが対応的に出力するビート信号の周期数をΔｋに設定する。こうして、Δｋの値は、下記の数式（３）に代入して、
As described above, by using the angle coordinates of the first coordinate light spot image as the origin, k1 = 0 and φ1 = 0 are defined, and the cumulative number of beat signals of the second coordinate light spot image is defined. The cycle number is k2 + (φ2 / 360), the cumulative cycle number of the beat signal of the i-th coordinate light spot image is ki + (φi / 360), and the cumulative cycle number of the beat signal of the Nth coordinate light spot image is kn + (φn / 360).
Here, the image plane displacement between the first unmodified light spot image and the Nth deformed light spot image is calculated using an image matching function, and the sex laser gyroscope outputs correspondingly. The number of beat signal cycles is set to Δk. Thus, the value of Δk is substituted into the following formula (3), and
Ｎ枚の座標光斑画像とＮ個の主変化角度の校正と記録を完成した後、続いて回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和は、数式ΣＤ＝（ｄ１′＋ｄ２′＋…＋ｄ（ｎ−１）′＋ｄｎ′）を用いて計算する。
また、回転円盤ユニット１１を任意角度で回転させると共に、即時の不変形光斑画像を取得した後、画像マッチング関数を用いてデータベースの中から前記即時の不変形光斑画像とその間に重なり面積が最大となる座標光斑画像とをマッチングして位置決めすることにより、これらの２枚の光斑画像が像平面での変位量Δｄが得られる。それから、下記の数式（６）に代入して、
After completing the calibration and recording of the N coordinate light spot images and the N main change angles, the total sum of the displacement amounts of the image plane when the rotating disk unit 11 is rotated once is expressed by the formula ΣD = (d1 ′ + d2 '+ ... + d (n-1)' + dn ').
In addition, after rotating the rotating disk unit 11 at an arbitrary angle and obtaining an immediate invariant light spot image, an image matching function is used to store the instant invariant light spot image and the overlap area between the maximum from the database. By matching and positioning with the coordinate light spot image, the displacement amount Δd on the image plane of these two light spot images can be obtained. Then, substituting into the following formula (6),
図８に示す不変形レーザ光斑画像を参照する。その内、図８の図（ａ）は、前記即時の不変形光斑画像を示し、図（ｂ）、図（ｃ）、図（ｄ）と図（ｅ）は、それぞれデータベースの中の第ｉ枚の座標光斑画像、第ｉ−１枚の座標光斑画像、第ｉ−２枚の座標光斑画像と第ｉ＋１枚の座標光斑画像を示す。
ＳＩＦＴ画像マッチングによると、第ｉ枚の座標光斑画像（図（ｂ））と即時の不変形光斑画像（図（ａ））との間に、最大の光斑画像の重なり領域を有し、またＳＩＦＴ画像マッチング関数でマッチングすれば、２枚の光斑画像が像平面での変位距離Δｄが−０．０５画素であることが分かる。この数値は、像平面のマッチングにおいて、前記即時の光斑画像は、第ｉ枚の座標光斑画像から０．０５画素の距離をリードすることを意味している。
逆に、図（ｅ）の第ｉ＋１枚の座標光斑画像は、図（ａ）の不変形光斑画像を超えて２枚の光斑画像が像平面での変位距離の大きさが＋５．６０画素である。よって、図（ｂ）に示す第ｉ枚の座標光斑画像は、前記即時の不変形光斑画像との間に最大の重なり面積を有することが確定する。第ｉ枚の座標光斑画像の主変化角度がθiとすれば、下記の数式（７）に代入して、
Reference is made to the undeformed laser spot image shown in FIG. Among them, FIG. 8 (a) shows the instant invariant light spot image, and FIG. 8 (b), FIG. 8 (c), FIG. The coordinate light spot image of 1 sheet, the i-1th coordinate light spot image, the i-2th coordinate light spot image, and the (i + 1) th coordinate light spot image are shown.
According to SIFT image matching, there is an overlap region of the maximum light spot image between the i-th coordinate spot image (FIG. (B)) and the immediate undeformed spot image (FIG. (A)), and SIFT If matching is performed using the image matching function, it can be seen that the displacement distance Δd on the image plane of the two light spot images is −0.05 pixels. This numerical value means that in the image plane matching, the immediate light spot image leads a distance of 0.05 pixels from the i-th coordinate light spot image.
Conversely, the (i + 1) -th coordinate light spot image in FIG. (E) exceeds the undeformed light spot image in FIG. (A) and the two light spot images have a displacement distance of +5.60 pixels on the image plane. is there. Accordingly, it is determined that the i-th coordinate light spot image shown in FIG. 5B has the maximum overlap area with the immediate undeformed light spot image. If the main change angle of the i-th coordinate light spot image is θ i , it is substituted into the following formula (7),
ここで、特別に説明すべきことは、例えばＨｏｎｅｙｗｅｌｌ（登録商標）ＧＧ１３２０ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌａｓｅｒ Ｇｙｒｏの慣性レーザジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする場合において、そのバイアス安定性（Ｂｉａｓ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）が０．００３５ｄｅｇ／ｈｏｕｒで、かつ回転円盤ユニット１１を秒毎に１０0の固定回転速度で回転させるので、回転円盤ユニット１１を１回転に要する時間が約３６秒（或いは０．０１時間）であることが分かる。
こうして、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＧＧ１３２０が０．０１時間内の角度位置決め精度が０．００３５ｄｅｇ／ｈｏｕｒ×０．０１ｈｏｕｒ＝３．５×１０-5ｄｅｇ＝０．１２６″と計算する。従って、慣性レーザジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする場合において、本発明の角度位置決め誤差値は、約座標光斑画像の主変化角度の位置決め誤差である０．１２６″に、即時の光斑画像と座標光斑画像とをマッチングして得られる位置決め誤差である０．２″を加えた値であり、つまり（０．１２６″＋０．２″）≦０．４″なので、実施例１と同様に角度センサの高精度要求を満たすことができる。
Here, what should be specially explained is that, for example, when the inertial laser gyroscope of Honeywell (registered trademark) GG1320 Digital Laser Gyro is used as the angle calibration unit 13, the bias stability (Bias Stability) is 0.0035 deg / hour. in, and so rotate the rotary disk unit 11 at a fixed rotational speed of every seconds 10 0, it can be seen time required for rotary disk unit 11 in one rotation is approximately 36 seconds (or 0.01 hours).
Thus, Honeywell GG1320 calculates the angular positioning accuracy within 0.01 hour as 0.0035 deg / hour × 0.01 hour = 3.5 × 10 −5 deg = 0.126 ″. In the case of the calibration unit 13, the angle positioning error value of the present invention is obtained by matching the immediate light spot image and the coordinate light spot image to 0.126 ″ which is the positioning error of the main change angle of the coordinate light spot image. This is a value obtained by adding 0.2 ″ which is a positioning error, that is, (0.126 ″ +0.2 ″) ≦ 0.4 ″, so that the high accuracy requirement of the angle sensor can be satisfied as in the first embodiment. it can.
図９に示す本発明に係る精密角度位置決め装置の第３構成は、回転円盤ユニット１１と、不変形光斑捕捉ユニット１２と、角度校正ユニット１３と、角度識別位置決めユニット１４と、記憶ユニットとから構成されると共に、慣性光ファイバジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする。
実施例３では、下記の手順を通じて座標光斑画像の主変化角度の校正・位置決めが完成する。まず、実施例２と同様に不変形光斑捕捉ユニット１２の２次元画像センサ１２５の撮像重複率の範囲を１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚの間に設定する必要がある。続いて回転円盤ユニット１１を１０°／秒の固定回転速度で１回転させると共に、Ｎ枚の不変形光斑画像を取得する。そして、前記回転円盤ユニット１１を回転させると同時に、慣性光ファイバジャイロスコープが出力する前記Ｎ枚の座標光斑画像に対応するＮ個の校正角度を読み取りする。その内、第１枚の座標光斑画像の校正角度がθ1′で、第２枚の座標光斑画像の校正角度がθ2′で、かつ、第Ｎ枚の座標光斑画像の校正角度がθn′である。
こうして、第１枚の座標光斑画像の主変化角度をθ1＝θ1′−θ1′＝０として定義し、さらに第２枚の座標光斑画像の主変化角度をθ2＝θ2′−θ1′に代入して計算し、かつ第Ｎ枚の座標光斑画像の主変化角度をθn＝θn′−θ1′に代入して計算することができる。言い換えれば、第ｉ枚の座標光斑画像の主変化角度は、下記の数式（８）を用いて計算することができる。
The third configuration of the precise angle positioning device according to the present invention shown in FIG. 9 is composed of a rotating disk unit 11, an undeformed light spot capturing unit 12, an angle calibration unit 13, an angle identification positioning unit 14, and a storage unit. In addition, the inertial optical fiber gyroscope is used as the angle calibration unit 13.
In the third embodiment, calibration / positioning of the main change angle of the coordinate light spot image is completed through the following procedure. First, as in the second embodiment, it is necessary to set the range of the imaging overlap rate of the two-dimensional image sensor 125 of the undeformed light spot capturing unit 12 between 1 KHz and 10 KHz. Subsequently, the rotating disk unit 11 is rotated once at a fixed rotation speed of 10 ° / second, and N undeformed light spot images are acquired. Then, at the same time as rotating the rotating disk unit 11, N calibration angles corresponding to the N coordinate light spot images output from the inertial optical fiber gyroscope are read. Among them, the calibration angle of the first coordinate light spot image is θ 1 ′, the calibration angle of the second coordinate light spot image is θ 2 ′, and the calibration angle of the Nth coordinate light spot image is θ n. '.
Thus, the main change angle of the first coordinate light spot image is defined as θ 1 = θ 1 ′ −θ 1 ′ = 0, and the main change angle of the second coordinate light spot image is defined as θ 2 = θ 2 ′ −. It is possible to calculate by substituting into θ 1 ′ and substituting the main change angle of the Nth coordinate light spot image into θ n = θ n ′ −θ 1 ′. In other words, the main change angle of the i-th coordinate light spot image can be calculated using the following formula (8).
Ｎ枚の座標光斑画像とＮ個の主変化角度の校正と記録を完成した後、続いて回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和は、数式ΣＤ＝（ｄ１′＋ｄ２′＋…＋ｄ（ｎ−１）′＋ｄｎ′）を用いて計算する。また、回転円盤ユニット１１を任意角度で回転させると共に、即時の不変形光斑画像を取得した後、画像マッチング関数を用いてデータベースの中から前記即時の不変形光斑画像とその間に重なり面積が最大となる座標光斑画像とをマッチングして位置決めすることにより、これらの２枚の光斑画像が像平面での変位量Δｄが得られる。それから、下記の数式（９）に代入して、 After completing the calibration and recording of the N coordinate light spot images and the N main change angles, the total sum of the displacement amounts of the image plane when the rotating disk unit 11 is rotated once is expressed by the formula ΣD = (d1 ′ + d2 '+ ... + d (n-1)' + dn '). In addition, after rotating the rotating disk unit 11 at an arbitrary angle and obtaining an immediate invariant light spot image, an image matching function is used to store the instant invariant light spot image and the overlap area between the maximum from the database. By matching and positioning with the coordinate light spot image, the displacement amount Δd on the image plane of these two light spot images can be obtained. Then, substituting into the following formula (9),
さらに、下記の数式（１０）に代入して、
Furthermore, substituting into the following formula (10),
ここで、特別に説明すべきことは、例えばＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏの慣性光ファイバジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする場合においては、そのバイアス安定性（Ｂｉａｓ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）が０．０００３ｄｅｇ／ｈｏｕｒで、かつ回転円盤ユニット１１を秒毎に１０°の固定回転速度で回転させるので、回転円盤ユニット１１の１回転に要する時間が約３６秒（或いは０．０１時間）であることが分かる。
こうして、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏが０．０１時間内の角度位置決め精度が
と計算する。従って、慣性光ファイバジャイロスコープを角度校正ユニット１３とする場合において、本発明の角度位置決め誤差値は、約座標光斑画像の主変化角度の位置決め誤差である０．０１″に、即時の光斑画像と座標光斑画像とをマッチングして得られる位置決め誤差である０．２″を加えた値であり、つまり（０．０１″＋０．２″）≦０．３″なので、実施例１及び実施例２と同様に角度センサの高精度要求を満たすことができる。
また、もし不変形光斑画像の位置決め精度を０．１ｕｍから１０ｎｍまでに高めることができるか、或いは回転円盤ユニットの周長を１ｍから１０ｍまでに増加させることができる場合であれば、即時の光斑画像の重複位置決め誤差を０．０２″までに改善することができるので、システム全体においては角度位置決め精度を０．０３″（０．０１″＋０．０２″＝０．０３″）までに高める可能性を示唆する。
Here, what should be specially explained is that, for example, when the inertial fiber optic gyroscope of Honeywell Fiber Optic Gyro is the angle calibration unit 13, its bias stability is 0.0003 deg / hour, and Since the rotating disk unit 11 is rotated at a fixed rotation speed of 10 ° every second, it can be seen that the time required for one rotation of the rotating disk unit 11 is about 36 seconds (or 0.01 hours).
In this way, Honeywell Fiber Optic Gyro has achieved the accuracy of angular positioning within 0.01 hours.
And calculate. Therefore, when the inertial fiber optic gyroscope is the angle calibration unit 13, the angle positioning error value of the present invention is about 0.01 ″ which is the positioning error of the main change angle of the coordinate light spot image, and the instantaneous light spot image and The value obtained by adding 0.2 ″ which is a positioning error obtained by matching the coordinate light spot image, that is, (0.01 ″ +0.2 ″) ≦ 0.3 ″. The high accuracy requirement of the angle sensor can be satisfied as well.
Further, if the positioning accuracy of the undeformed light spot image can be increased from 0.1 um to 10 nm, or if the circumference of the rotating disk unit can be increased from 1 m to 10 m, an immediate light spot is obtained. Image overlap positioning error can be improved to 0.02 ", so that the angle positioning accuracy can be increased to 0.03" (0.01 "+0.02" = 0.03 ") in the whole system Suggest sex.
こうして、上記の詳細な説明から、本発明の精密角度位置決め装置は、完全かつ明瞭に開示されており、本発明が下記の利点を有することが分かる。 Thus, from the above detailed description, it can be seen that the precise angle positioning device of the present invention is completely and clearly disclosed and that the present invention has the following advantages.
１．本発明によれば、価格が相対的に安価である回転円盤ユニット１１と、不変形光斑捕捉ユニット１２と、角度識別位置決めユニット１４と、角度校正ユニット１３とを利用するだけで、角度センサの高精度要求を満たす精密角度位置決め装置が構成され、相当な産業競争力を有する。 1. According to the present invention, the rotational sensor unit 11, the undeformed light spot capturing unit 12, the angle identification positioning unit 14, and the angle calibration unit 13, which are relatively inexpensive, can be used to increase the height of the angle sensor. A precision angle positioning device that meets the accuracy requirements is constructed and has considerable industrial competitiveness.
２．本発明の技術によれば、不変形光斑捕捉ユニット１２を使用して回転する回転円盤ユニット１１の表面上からＮ個の座標光斑画像を取得すると同時に、角度校正ユニット１３と角度識別位置決めユニット１４との使用に合わせて、毎枚の座標光斑画像の主変化角度を校正と記録する。
このようにして、データベース内に格納されたＮ枚の座標光斑画像及びそれに対応するＮ個の主変化角度は、即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像に合わせることで、像平面の変位距離Δｄ及び回転円盤ユニット１１を１回転させる時の像平面の変位量の総和ΣＤといった２つのパラメーターが得られ、それから、数式θ被測定＝θi＋（（Δｄ×３６０0）／ΣＤ）を用いて前記即時の不変形光斑画像の被測定角度θ被測定を容易に算出することにより、精密な角度位置決めが完成する。
2. According to the technique of the present invention, N coordinate light spot images are acquired from the surface of the rotating disk unit 11 that rotates using the undeformed light spot capturing unit 12, and at the same time, the angle calibration unit 13, the angle identification positioning unit 14, The main change angle of each coordinate light spot image is calibrated and recorded for each use.
In this way, the N coordinate light spot images and the N main change angles corresponding to the N coordinate light spot images stored in the database are the immediate undeformed light spot image and the i-th coordinate light spot image having the maximum overlapping area. To obtain two parameters such as the displacement distance Δd of the image plane and the total displacement ΣD of the displacement amount of the image plane when the rotary disk unit 11 is rotated once, and then the equation θ measured = θ i + ((( by easily calculate the measured angle θ measured not modified light spots image of the immediately using Δd × 360 0) / ΣD) , precise angular positioning is completed.
３．上記第２点に続いて、さらに本発明の精密角度位置決め装置は、Ａｇｉｌｅｎｔ ５５３０ 動的測定器（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｏｒ）、慣性レーザジャイロスコープ及び慣性光ファイバジャイロスコープのいずれかを角度位置決めユニット１３として使用してもよく、それらの全てが角度センサの高精度要求を満たすことができる。 3. Following the second point, the precision angle positioning apparatus of the present invention further uses any one of an Agilent 5530 dynamic calibrator, an inertial laser gyroscope, and an inertial optical fiber gyroscope as the angle positioning unit 13. All of them can satisfy the high accuracy requirement of the angle sensor.
強調すべき点は、上記の詳細な説明は、本発明の実施可能な実施例を具体的に説明したものであり、本発明の特許範囲はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的精神を逸脱しない限り、その等効果実施又は変更は、なお、本願の特許請求の範囲内に含まれる点である。 It should be emphasized that the above detailed description specifically describes possible embodiments of the present invention, and the patent scope of the present invention is not limited to these embodiments. Unless the technical spirit of the invention departs from, the implementation or modification of the same effect is still within the scope of the claims of the present application.
１ 精密角度位置決め装置
１１ 回転円盤ユニット
１２ 不変形光斑捕捉ユニット
１３ 角度校正ユニット
１４ 制御と処理モジュール
１２１ 発光素子
１２２ 前段絞り
１２３ レンズ
１２４ 後段絞り
１２５ ２次元画像センサ
１’ 絶対位置決め円形光学格子
１１’ 回転軸
１２’ 最内環の光学格子
１３’ 第８環の光学格子
１４’ 最外環の光学格子
１” 高精度の絶対位置決め円形光学格子
１１” 内環の光学格子
１２” 外環の光学格子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Precision angle positioning apparatus 11 Rotary disk unit 12 Undeformed light spot capturing unit 13 Angle calibration unit 14 Control and processing module 121 Light emitting element 122 Pre-stage diaphragm 123 Lens 124 Rear stage diaphragm 125 Two-dimensional image sensor 1 ′ Absolute positioning circular optical grating 11 ′ Rotation Axis 12 'Inner ring optical grating 13' Eighth ring optical grating 14 'Outer ring optical grating 1 "High precision absolute positioning circular optical grating 11" Inner ring optical grating 12 "Outer ring optical grating
Claims (7)
回転円盤ユニットと、
コヒーレントな入射光を前記回転円盤ユニットの位置決め表面の上に発射させると共に、前記位置決め表面から反射される反射光を受光することで、前記位置決め表面の不変形光斑画像を取得する不変形光斑捕捉ユニットと、
前記不変形光斑画像の校正角度座標を測定するための角度校正ユニットと、
前記不変形光斑捕捉ユニットと前記角度校正ユニットとを電気的に接続する角度識別位置決めユニットと、
前記不変形光斑捕捉ユニットにより取得される前記不変形光斑画像を格納するための記憶ユニットと、を備え、
前記回転円盤ユニットを連続的に１回転させる場合において、前記不変形光斑捕捉ユニットは、対応的に回転円盤ユニットのＮ枚の不変形光斑画像を取得すると同時に、前記角度校正ユニットは、前記Ｎ枚の不変形光斑画像に対応するＮ個の校正角度座標を計測すると共に、前記角度識別位置決めユニットにより、対応のＮ個の主変化角度が算出され、校正を経て主変化角度の不変形光斑画像を座標光斑画像として定義し、また前記Ｎ枚の座標光斑画像と前記Ｎ個の主変化角度とを前記記憶ユニット内に格納し、
前記回転円盤ユニットを任意角度で回転させると共に、対応する即時の不変形光斑画像を捕捉した後、前記角度識別位置決めユニットは、画像マッチング関数を用いて前記即時の不変形光斑画像と記憶ユニット内に格納されたＮ枚の座標光斑画像に対して画像マッチングを行い、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる第ｉ個の座標光斑画像との間の変位を算出して生成される即時位置の副変化角度は、該第ｉ個の主変化角度に合わせて、前記即時の不変形光斑画像の被測定角度を精確に算出し、
前記不変形光斑捕捉ユニットは、レーザ光を前記回転円盤ユニットの前記位置決め表面の上に発射させるための発光素子と、前記レーザ光の二次反射散乱光を濾過するための前段絞りと、前記レーザ光を物体表面に照射することによる光斑画像を２次元センサ上に結像させるためのレンズと、前記反射光の光斑サイズを制御するための後段絞りと、ＣＣＤ画像センサ或いはＣＭＯＳ画像センサであり、前記レーザ光が前記物体表面に照射することによる不変形レーザ光斑画像を検出と記録するための２次元画像センサと、を備え、
前記座標光斑画像内に任意の２点の光斑の相対光路差の変化量が、前記レーザ光の波長の１／５よりも必ず小さく、かつ前記座標光斑画像のデータベース内の任意の相隣する２枚の座標光斑画像の重なり長さが、１／２の前記座標光斑画像の長さより大きく、各座標光斑画像の撮像長さが、光斑不変形の移動可能な距離よりも必ず小さい或いは等しいことを特徴とする、
精密角度位置決め装置。 A precision angle positioning device,
A rotating disk unit,
An invariant light spot capturing unit that emits coherent incident light on the positioning surface of the rotating disk unit and receives reflected light reflected from the positioning surface to acquire an invariant light spot image of the positioning surface. When,
An angle calibration unit for measuring the calibration angle coordinates of the undeformed light spot image;
An angle identification positioning unit that electrically connects the invariant light spot capturing unit and the angle calibration unit;
A storage unit for storing the undeformed light spot image acquired by the undeformed light spot capturing unit;
In the case where the rotating disk unit is continuously rotated once, the invariant light spot capturing unit correspondingly acquires N invariant light spot images of the rotating disk unit, and at the same time, the angle calibration unit has the N sheets. N calibration angle coordinates corresponding to the undeformed light spot image are measured, and the corresponding N main change angles are calculated by the angle identification positioning unit. After the calibration, the undeformed light spot image of the main change angle is obtained. A coordinate light spot image, and the N coordinate light spot images and the N main change angles are stored in the storage unit;
After rotating the rotating disk unit at an arbitrary angle and capturing the corresponding immediate invariant light spot image, the angle identification positioning unit uses the image matching function to store the instant invariant light spot image and the storage unit. It is generated by performing image matching on the stored N coordinate spot images and calculating a displacement between the immediate undeformed spot image and the i-th coordinate spot image having the maximum overlapping area. The sub-change angle of the immediate position is accurately calculated in accordance with the i-th main change angle, and the measured angle of the immediate undeformed light spot image is accurately calculated,
The invariant light spot capturing unit includes a light emitting element for emitting laser light onto the positioning surface of the rotating disk unit, a front stage aperture for filtering secondary reflected scattered light of the laser light, and the laser A lens for forming a light spot image on a two-dimensional sensor by irradiating the object surface with light, a rear stop for controlling the light spot size of the reflected light, a CCD image sensor or a CMOS image sensor, A two-dimensional image sensor for detecting and recording an undeformed laser light spot image by irradiating the object surface with the laser light,
The amount of change in the relative optical path difference between any two spots in the coordinate spot image is always smaller than 1/5 of the wavelength of the laser beam, and two adjacent spots in the coordinate spot image database. The overlapping length of the coordinate light spot images is larger than the length of the coordinate light spot image which is ½, and the imaging length of each coordinate light spot image is necessarily smaller or equal to the movable distance of the light spot invariant. Features
Precision angle positioning device.
θ1＝θ1′−θ1′＝０，θ2＝θ2′−θ1′，θ3＝θ3′−θ1′であり、
Δｄは、前記即時の不変形光斑画像とその重なり面積が最大となる該第ｉ個の座標光斑画像との間の像平面の変位量を表し、ΣＤは、前記回転円盤ユニットを１回転させて、像平面に生じる変位量の総和を表し、θsubは、前記即時の不変形光斑画像の副変化角度を表し、θ被測定は、即時の不変形光斑画像の被測定角度を表すことを特徴とする、請求項４に記載の精密角度位置決め装置。 In the case where the inertial optical fiber gyroscope is the angle calibration unit, the main change angle, the sub change angle, and the measured angle of the instantaneous undeformed light spot image are respectively expressed by the following equations (4) to (6). Is calculated using
θ 1 = θ 1 ′ −θ 1 ′ = 0, θ 2 = θ 2 ′ −θ 1 ′, θ 3 = θ 3 ′ −θ 1 ′,
Δd represents the amount of displacement of the image plane between the immediate undeformed light spot image and the i-th coordinate spot image having the largest overlapping area, and ΣD represents one rotation of the rotating disk unit. Represents the total amount of displacement generated in the image plane, θ sub represents the sub- change angle of the instantaneous undeformed light spot image, and θ measured represents the measured angle of the immediate undeformed spot image. The precision angle positioning device according to claim 4 .
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