斑点读出头包括向光学粗糙表面发出光的光源。从该表面散射的光包含斑点。散射光在图像检测器上成象，并被捕获和存储。接着，捕获并存储第二图像。在位移方向上以不同偏移反复地比较这两个图像。具有最高值的比较表示两次取象间产生的读出头与表面之间的位移量。读出头的光学系统包括透镜和孔径。孔径可以为圆形，选择其直径使斑点的平均尺寸约等于或大于图像检测器元件的尺寸。垂直于位移方向的方向上的孔径尺寸可以减小。由此，该方向上成象的斑点将大于该方向上图像检测器元件的尺寸。这样的读出头对横向偏移不敏感。透镜可以是柱形透镜，该透镜能放大位移方向上的相对运动，但不会放大垂直于位移方向的方向上的相对运动。光学系统也可以是远心的。由此，读出头对读出头与表面之间的相对运动和间距不敏感。调整光源以避免斑点在图像检测器上产生的拖尾。可选通光源以稳定图像。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及利用斑点图像的相关来感测位置位移。许多已知装置利用斑点图像和斑点图像间相关性来确定形变和/或位移。通过光源照射光学上的粗糙表面产生斑点图像。通常，光源为相干光源，更具体的是指激光发生光源，例如激光器、激光二极管等等。在光学粗糙表面被光源照射后，从光学粗糙表面散射的光在光学传感器或半导体摄像传感器阵列等上成像，这些光学传感器例如电荷耦合装置(CCD)，半导体摄像传感器阵列例如有CMOS图像传感器阵列。在光学粗糙表面发生位移或变形之前捕获并存储第一斑点图像。接着，在光学粗糙表面发生位移或变形后捕获并存储第二斑点图像。然后一个象素接一个象素地比较在先和在后的斑点图像。具体是进行大量比较。在每次比较中，在先和在后斑点图像会相对于彼此会发生偏差，在每次比较中偏差量增加一个图像元素或象素。在每次比较中，在先图像中具体象素的图像值乘以或减去相应的在后图像象素(根据偏差量)并累计结果。当根据总的累计值绘制偏差图时，具有在后和在先图像间最大相关性的偏差产生波峰或波谷。例如，美国专利4794384公开一种鼠标，它利用图像斑点相关性来确定鼠标的二维运动方向。具体的是，在384专利中不需要高速地执行斑点图像相关，且其精度仅需要在毫米的范围内即可。美国专利法4967093公开了利用斑点图像相关测量物体变形的系统和方法。特别是，在093专利中详细描述了许多传统方法，用于比较两个斑点图像和确定用新的参考斑点图像更新当前参考斑点图像的时间。类似地，已公开的日本专利申请8-271231(1996年10月公开)公开了在基于斑点图像的位移测量器中避免累计误差的另外方法。最后，公开的日本专利5-52517(1993年3月公开)公开了一种基于斑点图像的位移测量仪，其在狭缝板5中使用了矩形或椭圆形状的狭缝51。来自激光光源的光束在照射光学粗糙表面前穿过狭缝51。由此，通过狭缝51使光束定形。定形后的光束能使主位移方向上的位移量得到高敏感度地测量，同时垂直于主位移方向的位移成分不会影响装置敏感度。然而，上述传统斑点图像相关系统也能确定斑点图像的表面位移，以此来分析物体变形和应变，其中希望将所有表面运动的斑点效果最大化，以便确定由计算机鼠标或其它低分辨率测量装置产生的低分辨率运动。特别是，在这些传统斑点图像相关系统中，通常不需要高精确地确定物体沿一个或多个规定运动轴的运动。在这些使用高精度斑点图像相关的位置编码器等的现有技术装置中，还没有充分考虑适于商业适销形式的、能有效避免高分辨率确定位置的实际问题。特别是，这些现有技术的高精度位置编码器等隐含假设在这些斑点图像相关、高精度位置编码器等的具体实现过程中使用了高稳定性结构和高精确度的轴承(bearing)系统。然而，这些高精度机械系统很昂贵。此外，在本领域商业上需求的高水平分辨率和准确度上，由于要在轴承、非平面表面等上工作，因此即使高精度机械系统也展示出不希望的测量误差。本专利技术提供了基于斑点图像相关的位置传感器，它能解决一个或多个此类问题。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的、能高分辨率地测量位置或位移的位置传感器来解决一个或多个这些问题。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的、能降低对横向偏移的敏感度的位置传感器来解决一个或多个这些问题。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个这些问题，该传感器能通过设置一个孔径来减少对横向偏移的敏感度，其中与位移方向平行的方向上的孔径要长于与位移方向垂直的方向上的孔径。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器通过在光学粗糙表面与检测器之间放置柱面透镜减小了对横向偏移的敏感度。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器减小了对光学粗糙表面与垂直于光学粗糙表面方向上的光源和/或检测器之间间距的敏感度。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器对光学粗糙表面与垂直于光学粗糙表面方向上的光源和/或检测器之间的相对运动相对不敏感。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器能测量以相对高速度运动的光学粗糙物体的位移。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器在成像装置的曝光时间内选通光源以便稳定图像，从而能确定以相对高速度运动的光学粗糙物体的位移。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器具有提高的价格/性能比。本专利技术通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器具有改进的坚固耐用性和经济性。在根据本专利技术基于斑点图像相关的位置传感器的各种示例性实施例中，光源向光学粗糙表面射出光束。由于衍射作用，从光学粗糙表面散射的光包括光斑或斑点的无规图样。从光学粗糙表面散射的光在具有二维光敏元件阵列的图像检测器上成像。输出并存储在图像检测器上捕获的图像。然后，捕获并存储第二图像。然后基于一个象素接一个象素地比较两个图像，首先在特定位移方向上两个图像之间没有任何偏移。然后每次以特定位移方向上的不同偏移比较图像。具有最高或最低比较值的比较表示光学粗糙表面相对于光源的位移量，比较是在摄取两次图像之间产生的。特别是，在根据本专利技术的基于斑点图像相关的位置传感器的各种示例性实施例中，光学系统设置在光学粗糙表面与图像检测器之间。在各种示例性实施例中，光学系统包括透镜和针孔孔径。在光学系统的各种示范性实施例中，针孔孔径为圆形并具有这样选择的直径无规斑点图样的斑点平均尺寸至少约等于(在许多实施例中可大于)图像检测器正方形光敏元件的尺寸。在光学系统的其它示范性实施例中，减少针孔孔径在与位移方向垂直的方向上的尺寸。由此，在与位移方向垂直的方向上斑点图像要大于在该方向上图像检测器光敏元件的尺寸。由此，具有这种针孔孔径的基于斑点图像相关的位置传感器对横向位移变得相对不敏感。在光学系统的又一个其它示范性实施例中，透镜为柱面透镜，该透镜能放大沿位移方向的相对运动，而不会放大横向垂直于位移方向的方向上的相对运动。在光学系统的再一个其它示范性实施例中，光学系统为远心的。结果是，基于斑点图像相关的位置传感器变得对光学传感器与光学粗糙表面之间的间距以及光学系统与光学粗糙表面之间的相对运动都相对不敏感。在根据本专利技术的基于斑点图像相关位置传感器的各种示范性实施例中，调制光源，使其能避免斑点图像跨过图像检测器的光敏元件阵列时带来的模糊。特别是，在各种示范性实施例中，将光源选通很短的时间，以便在图像检测器曝光时间内能有效地稳定图像，其中曝光时间要远长于光源的选通时间。在根据本专利技术基于斑点图像相关位置传感器的各种示范性实施例中，光源、光学系统和图像检测器组成读出头，该读出头能相对于光学粗糙表面沿一维位移轴移动。特别是，在光源的各种示范性实施例中，光源为光学相干光源。特别是，在相干光源的各种示范性实施例中，相干光源为激光器。在第一示范性实施例中，光源发出的光束以相对于光学系统光轴的一定角度发出。光学粗糙表面向光学系统散射斑点图样，该光学系统能使斑点图像在图像检测器上成像。在第二示范性实施例中，由光源发出的光束以相对于光学系统光轴的一定角度发出到分束器上。该分束器可改变发本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种斑点图像相关的光学位置传感器读出头，当读出头相对于标尺部件沿至少一个期望相对运动轴运动时，它能测量相对于具有光学漫射表面并沿该至少一个期望相对运动轴延伸的部件的位移，读出头包括： 相干光源，它发出光束照射光学漫射表面的一部分，光学漫射表面的被照射部分反射光， 图像检测器，它能接收从光学漫射表面那部分散射的光，该检测器包括象元阵列，该象元对散射光敏感，阵列的象元沿至少第一阵列方向被分隔开，沿第一方向以预定间隔分隔象元， 光学系统，它包括至少一个光学元件，光学系统将至少一部分散射光发射到图像检测器上，以及 与图像检测器相接的光检测器接口电路；其中： 从光学漫射表面的那部分散射的光在象元阵列上产生基于光学漫射表面被照射部分的强度图形，光学漫射表面的被照射部分取决于光学漫射表面与读出头的相对位置；以及 光学系统的至少一个象元设置成能消除强度图形特征中的至少一个变化，该变化是由于光学漫射表面与不沿至少一个期望相对运动轴的读出头之间的相对运动产生的。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：M内厄姆，KG马斯雷里兹，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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