具有球透镜的光电编码器制造技术

本公开涉及具有球透镜的光电编码器。提供了一种用于关节的基于图像的光电编码器，该编码器具有用于关节的第一部分的读取头；以及包括用于关节的第二部分的球透镜的光学系统。球透镜具有对于测量光是透明的前表面，以及至少局部反射的经构造的后表面。球透镜具有针对测量光至少近似为2的折射率或者相等的径向变化的折射率，使得从球透镜的后表面的点在球透镜内部反射的测量光光线的束在在该球透镜的前表面处被折射之后形成至少近似平行的束。读取头和球透镜能够在至少两个自由度上相对于彼此旋转。读取头和球透镜相对于彼此的这种旋转位置可使用后表面的至少一部分的图像、通过对所成像的后表面的结构的图像评估而关于至少两个自由度来确定。两个自由度来确定。两个自由度来确定。

【技术实现步骤摘要】
具有球透镜的光电编码器


[0001]本专利技术涉及光电编码器以及用于确定关节(joint)的旋转位置的方法。

技术介绍

[0002]配备有编码器的一系列关节和将末端执行器连接至基部的连杆是现今在便携式计量中使用的许多系统的核心。现今使用的关节具有一个单自由度(DOF)，即，它们将两个连杆之间的运动理想地限制为平移或旋转，并且配备有测量该单DOF的编码器。假设在其它DOF中的运动小到可以忽略或者至少高度可再现，以使它们可以通过校准来消除。这导致精密、昂贵的关节。
[0003]一种增加DOF数量的方法是为低质量的单DOF关节配备传感器，该传感器除了测量主DOF之外还测量所有相关的寄生DOF，从而促进关节缺陷的校正。
[0004]利用图1a、图1b给出了具有本领域已知的编码器的计量装置的示例。然而，这些仪器具有如在图1a、图1b的上下文中描述的多个缺点。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种与现有技术中已知的光学编码器相比具有多个优点的新的光学编码器。本专利技术的一个目的是，提供一种使得能够测量多于一个旋转自由度(DOF)的编码器。
[0006]本专利技术涉及一种用于关节的、优选是用于计量铰接臂(articulated arm)或机器人的关节的光电编码器。该编码器包括读取头，该读取头具有至少第一测量光源(例如，LED)和图像传感器(特别是CMOS传感器)，该图像传感器用于对所反射的测量光进行成像。编码器还包括具有至少一个球透镜和孔径的光学系统。读取头和球透镜能够在至少两个自由度上相对于彼此旋转。
[0007]球透镜包括对测量光透明并且面对读取头(和光源)的前表面，以及至少部分反射的经构造的后表面。此外，球透镜具有针对测量光至少近似为2(2或接近2)的(恒定)折射率，或者径向变化的折射率、特别是阶梯式折射率或梯度式折射率(其总和等于约为2的折射率)。该折射率在任何情况下均使得在球透镜内部从球透镜的后表面的点反射的测量光光线的束在在该球透镜的前表面处被折射之后形成至少近似平行的束。
[0008]读取头和球透镜相对于彼此的所述旋转位置能够使用后表面的至少一部分的图像、通过对所成像的后表面的结构的图像评估而关于所述至少两个自由度来确定，该图像是通过光学系统利用图像传感器捕获的。
[0009]所述概念尤其提供了当测量光束被球透镜准直时独立于读取头到球透镜的轴向距离的测量的优点。另外，读取头与球透镜之间的横向偏移不会导致图像的偏移/平移。
[0010]作为一个优选选项，读取头包括至少一个标记图案，所述至少一个标记图案可使用测量光在图像传感器上成像，以使用该标记图案的图像中的位置，来补偿图像传感器相对于光学系统的平移位置的变化。使用这种参考标记，例如可以补偿由热影响造成的图像
传感器的位置变化。该标记例如位于光学系统的轴线的中心。作为另选方案，将标记(或多个标记)放置在围绕光轴的例如具有测量图像的较少像差的优点的周界处。
[0011]可选地，后表面是关于反射率来构造的，并且测量光是不相干的。换句话说，后表面是关于镜面反射(即，反射和吸收部分的图案，或者在较低反射率的区域中具有较高反射率的区域、面积或点的分布)来构造的。
[0012]另选地，光源和后表面的结构是按如下方式相对于彼此调整的，即，当利用测量光照射后表面时，在图像传感器上形成斑点图像，为此使测量光的相关性适合于表面的粗糙度。因此，后表面的至少一部分的图像是斑点图像。
[0013]在优选实施方式中，有效孔径是通过对处于光学系统的中继透镜的一个焦点中的真实孔径进行成像而形成在球透镜的中心处的虚拟孔径。因此，独立于读取头和球透镜相对于彼此的旋转位置，从后表面的点反射的光线的主光线(其在图像传感器上成像)穿过球透镜的中心。
[0014]作为一个选项，标记图案位于光学系统(该光学系统可以包括上面提及的中继透镜)的像平面中，使得该标记被成像到图像传感器上。另选地或另外地，该系统包括附加透镜，该附加透镜是光学系统的一部分并且将标记图案和/或位于中继透镜中心的标记图案成像到图像传感器上。
[0015]另外，作为另一选项，球透镜和读取头相对于彼此的至少一个平移自由度是可确定的。这是通过对利用不同波长生成的后表面的同一部分的图像进行评估，使用球透镜的色散性质来实现的，为此，读取头包括具有第二波长的第二光源，该第二波长不同于第一测量光源的第一波长，为此，优选地，可以交替地开启两个光源。
[0016]可选地，编码器包括按照如下方式设置的分束器、优选是棱镜，即，所发射的测量光可被分成两条路径，从而使得能够以不同的视角对后表面进行成像。
[0017]本专利技术还涉及一种用于确定特别是计量关节臂或机器人的关节关于至少两个、特别是所有三个角度自由度的旋转位置的方法，该关节具有根据本专利技术的光电编码器。在所述方法的过程中，在球透镜处发射测量光，接收从球透镜的后表面反射回的通过光学系统的测量光，利用图像传感器捕获所反射的测量光作为图像，以及通过对图像的图像评估来确定相对于所述至少两个、特别是所有三个自由度的旋转位置。
[0018]可选地，编码器包括如上所述的标记图案，该标记图案是与后侧(back side)一起成像在一个图像中的，并且关于成像的标记图案对后侧的图像进行评估。
[0019]作为另一选项，仅是在后表面的图像中分布的关注区域(ROI)如同所成像的后表面的部分被评估以用于位置确定。与完整图像的评估相比，该选项例如允许更高的帧速率或测量速率。关注区域可选地围绕图像均匀分布和/或具有矩形形状。作为另一选项，各个关注区域皆包括标记图案。
[0020]作为又一选项，测量光源的发射和所反射的测量光的捕获相对于彼此是同步的。
[0021]本专利技术的编码器优选地启用自校准或提供自校准功能。至于校准目的(例如，高帧速率不具有高优先级)，那么即使在如上所述仅评估ROI的测量模式中，也为了自校准而优选地评估整个图像，或者通过评估作为整体的后表面的图像来自校准编码器。
附图说明
[0022]下文中，参照附图中示意性描绘的示例性实施方式，纯粹以示例的方式，对根据本专利技术的编码器和根据本专利技术的方法进行更详细描述。
[0023]更具体地，在图中：
[0024]图1a、图1b示意性地示出了被具体实施为现有技术的铰接臂的计量仪器；
[0025]图2示意性地示出了根据本专利技术的具有光电编码器的关节，该光电编码器包括作为量度计(scale)的球透镜；
[0026]图3描绘了球透镜和测量光束；
[0027]图4示出了具有球透镜、图像传感器、另一透镜以及光学测量路径的简化光学系统；
[0028]图5a、图5b例示了简化光学系统的另一示例；
[0029]图6a、图6b示出了由编码器的图像传感器生成的图像的两个示例；
[0030]图7示出了测量图像的另一示例；以及
[0031]图8以简化示意图描绘了基于图像的多DOF编码器的进一步发展。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于关节(1)的光电编码器(2)，特别是用于计量铰接臂或机器人的关节(1)的光电编码器(2)，所述光电编码器(2)具有：读取头(5)，所述读取头包括：至少第一测量光源(6)，以及图像传感器(11)、特别是CMOS传感器，所述图像传感器用于对所反射的测量光(7)进行成像，光学系统，所述光学系统至少包括球透镜(3)和孔径(8、8')，其中，所述球透镜(3)包括：前表面(4f)，所述前表面(4f)对于所述测量光(7)是透明的并且面对所述读取头(5)，以及至少局部反射的经构造的后表面(4)，所述球透镜(3)具有针对所述测量光(7)至少近似为2的折射率(n)或者径向变化的折射率(n)、特别是阶梯式折射率或梯度式折射率(n)，使得在所述球透镜(3)内部从所述球透镜(3)的所述后表面(4)的点(A)反射的测量光(7)光线的束在所述球透镜(3)的所述前表面处被折射之后形成至少近似平行的束，所述读取头(5)和所述球透镜(3)能够在至少两个自由度上相对于彼此旋转，所述读取头(5)和所述球透镜(3)相对于彼此的这种旋转位置能够使用所述后表面(4)的至少一个部分的图像(14)、通过对所成像的所述后表面(4)的结构进行图像评估而关于所述至少两个自由度(Rx、Ry、Rz)来确定，所述图像(14)是通过所述光学系统利用所述图像传感器(11)捕获的。2.根据权利要求1所述的光电编码器(2)，其特征在于，所述读取头(5)包括至少一个标记图案(9)，所述至少一个标记图案(9)能够使用测量光(7)在所述图像传感器(11)上成像，以使用所述标记图案(9)的图像(14)中的位置来补偿所述图像传感器(11)相对于所述光学系统的形状或姿态的变化、特别是热致变化。3.根据权利要求1或2所述的光电编码器(2)，其特征在于，所述后表面(4)是关于反射率来构造的，并且所述测量光(7)是不相干的。4.根据权利要求1或2所述的光电编码器(2)，其特征在于，所述光源(6)和所述后表面(4)的结构是按照以下方式彼此调整的，即，当利用所述测量光(7)照射所述后表面(4)时，在所述图像传感器(11)上形成斑点图像(14)，为此使所述测量光(7)的相干性适合于所述后表面(4)的粗糙度。5.根据前述权利要求中任一项所述的光电编码器(2)，其特征在于，所述孔径(8)位于所述读取头(5)中。6.根据前述权利要求中任一项所述的光电编码器(2)，其特征在于，
所述孔径(8、8')是通过对处于所述光学系统的中继透镜(13)的一个焦点中的真实孔径(8)进行成像而形成在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊斯，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：