CN100543424C - 刻度尺读取设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量两个部件之间位移的设备。刻度尺提供在一个部件上，并且具有递增式图案，且带有至少一个嵌入于其中的参考标记。读取头提供在另一个部件上，并且包括：周期性衍射装置，用于同刻度尺上的递增式图案所调制的光图案相互作用的，以产生干涉条纹，该干涉条纹响应于所述位移而相对于所述读取头移动；第一检测装置，用于检测干涉条纹的移动；成像装置，用于使参考标记成像；以及，第二检测装置，用于检测参考标记的图像。

Description

刻度尺读取设备
本发明涉及光学刻度尺读取设备，其包括：刻度尺和可相对于刻度尺移动的读取头。特别地，本发明涉及一种具有嵌入式参考标记的递增式刻度尺，以及一种用于该刻度尺的读取头。
用于测量两个部件相对位移的刻度尺读取设备的已知形式包括，具有限定图案的刻度尺标记的一个部件上的刻度尺，和在另一个部件上提供的读取头。递增式刻度尺具有限定周期性图案的刻度尺标记，当刻度尺和读取头之间发生相对移动时，其在读取头处生成了周期性信号。这些周期性信号产生了向上/向下计数，该计数使得能够确定刻度尺和读取头之间的位移。
我们早期的欧洲专利No.207121描述了一种递增式刻度尺读取系统，其具有过滤作用，由此在光电检测器阵列处产生的信号很大程度上不受由于例如污染而引起的模糊的刻度尺部分的影响。
测量刻度尺可以具有参考标记，该参考标记在由读取头检测时，使得能够确定读取头的准确位置。例如，参考标记使得能够验证递增式计数的准确性。
参考标记典型地是提供在与递增式轨道平行的刻度尺轨道上。这具有以下优点，即，其增加了刻度尺的宽度。而且，其具有以下缺点，即，读取头的偏转可以引起通过读取头检测时的参考标记相对于递增式刻度尺的位置的误差。
由于使用分立的光学器件用于检测由递增式刻度尺和参考标记产生的光图案，因此读取头的纵向热膨胀也可以引起通过读取头检测时的参考标记和递增式刻度尺的相对位置的误差。
本发明提供了一种用于测量两个部件之间位移的设备，包括：
刻度尺，其位于具有周期性刻度尺标记的部件中的一个上，该周期性刻度尺标记形成了递增式图案，并且至少一个参考标记嵌入在递增式图案中；
读取头，其提供在另一个部件上；
周期性衍射装置，其提供在读取头中，用于同刻度尺上的递增式图案所调制的光图案相互作用，以产生干涉条纹，该干涉条纹响应于所述位移而相对于所述读取头移动；
第一检测装置，用于检测所述干涉条纹的所述移动；
成像装置，其提供在读取头中，用于使参考标记成像；
第二检测装置，用于检测参考标记的所述图像；
其中成像装置被安置在刻度尺和第二检测装置之间。
周期性衍射装置和成像装置可以提供在单一的单元上。
成像装置可以包括透镜，例如柱面透镜。成像装置可以包括菲涅尔(Fresnel)区板。成像装置可以至少部分地并入在周期性衍射装置中。可以在成像装置和周期性衍射装置之间提供掩蔽区域。
第一和第二检测装置可以提供在单一的检测单元处。第二检测装置可以至少部分地并入在第一检测装置中。
可以使用单一的光源用于递增式图案和参考标记。
成像装置、周期性衍射装置、第一和第二检测装置以及光源可被置于单一的平面中。该平面可以垂直于刻度尺的方向。
现将通过参考附图描述本发明，其中：
图1是刻度尺读取设备的透视图；
图2是表示来自图1的分裂检测器的输出信号的图；
图3是表示图2的输出信号之间的差异的图；
图4说明了本发明的第二实施例的光学元件的平面视图；
图5说明了本发明的第二实施例的检测器的平面视图；
图6说明了本发明的第三实施例的光学元件的平面视图；
图7说明了本发明的第三实施例的检测器的平面视图；
图8说明了其中将菲涅尔(Fresnel)区板并入在折射光栅中的光学元件的平面视图；并且
图9是具有图5的检测器和图8的光学元件的图1的刻度尺读取设备的平面视图。
图1说明了本发明的第一实施例。刻度尺10具有周期性标记12，该周期性标记12组成了交替的反射和非反射线，这些反射和非反射线形成了递增式刻度尺。通过移除或添加线，在刻度尺中嵌入了参考标记14，由此形成了反射标记。
读取头(未示出)可以相对于刻度尺移动，并且包含光学器件，该光学器件包括光源16、光学元件18和检测器单元20。光源16被导向刻度尺，用于照明刻度尺，并且自递增式刻度尺产生周期性光图案。光学元件18具有折射光栅22，该折射光栅22同周期性光图案相互作用，以在检测器单元20处形成干涉条纹。检测器单元20具有光电检测器阵列24，该光电检测器阵列24检测这些干涉条纹，以产生周期性信号。读取头相对刻度尺的移动引起了干涉条纹相对该检测器部分24的移动，由此产生了向上/向下计数，这实现了位移的测量。
在我们早期的欧洲专利No.207121中描述了该类型的刻度尺和读取头。该配置具有这样的优点，即，由于光学器件的过滤作用，其很大程度上不受参考标记处的刻度尺位的添加或移除的影响。由此读取头可以在信噪比仅稍微减小的情况下通过参考标记。在该类型的配置中，折射光栅22被安置在刻度尺10和检测器22之间。在该配置中，刻度尺10用作由折射光栅22成像的对象。该配置允许将参考标记嵌入在递增式刻度尺中，而不会引起显著的信号损失。此外，该配置允许将成像光学器件18安置在刻度尺10和检测器之间，而不会引起显著的信号损失。在已知的可替换的配置中，其中折射光栅被安置在光源和刻度尺之间，该折射光栅用作对象，并且通过刻度尺成像。在该情况中，将参考标记置于刻度尺中或者将成像光学器件置于刻度尺和检测器之间，会对信噪比有更加显著的影响。
通过移除线或者添加线，可以形成参考标记。可替换地，该参考标记可以包括可同递增式刻度尺区分的任何图案。例如，参考标记可以包括自相关器，其中参考标记形成了与递增式刻度尺交错的图案，并且在读取头中提供匹配掩膜，例如国际专利申请WO02/065061中描述的。
当读取头通过参考标记14时，由刻度尺10反射的光强度变化被光学元件18中的透镜26成像到检测器20上。检测器20具有分裂检测器28，来自参考标记14的光成像到该分裂检测器28上。图2说明了读取头沿刻度尺移动时，来自分裂检测器(split detector)28的两半的输出。使来自分裂检测器两半的信号S1和S2相减，以形成图3中示出的信号S3。参考标记的位置典型地是信号S3的下降沿在所示读取方向中越过已知阈值的位置。
尽管在该实施例中，使用分裂检测器检测参考标记，但是也可以使用其他类型的检测器，例如可以组合来自三个检测器元件的输出。可使用多功能检测器元件检测递增式和参考标记信号。
图1中说明的透镜26是安装在板30上的柱面透镜。然而，还可以使用具有相同的光学功能的其他类型的透镜，例如，球面透镜、线性微透镜阵列或者菲涅尔区板。该透镜可以通过任何适当的方式安装在板30上，例如，粘合或模压。透镜26不需要与保持折射光栅22的光学元件18一体。
当透镜的光心(focal center)不与折射光栅同高时，图1中示出的配置仍然工作。
光学元件和检测器的多种不同的配置是可行的，例如，光学元件和/或检测器的递增式相关部分和参考标记相关部分的位置可以互换。
图4和5分别说明了光学元件和检测器，其中递增式和参考标记光学器件组合在一起。在图4中，透镜26被安置在折射光栅22中，并且在图5中，分裂检测器28被安置在递增式检测元件24中。
参考标记同递增式刻度尺以及它们的相关联的光学器件和检测器的多种程度的混合是可行的。图6和7分别说明了光学元件和检测器的另一实施例。图6说明了其中透镜26部分延伸到折射光栅部分22中的光学元件18。图7说明了相关联的检测器，其参考标记检测器28部分延伸到递增式检测器部分24中。
光学元件可以将递增式和参考标记光学器件组合为，例如，衍射光学元件(DOE)、多级光学器件或三维光学部件，诸如体积全息图等。透镜可以包括许多透镜分段，例如菲涅尔透镜。
图8说明了其中将菲涅尔区板29并入在折射光栅21中的光学元件。可以在菲涅尔区板的任一侧上提供掩膜区域31，以改善系统响应。这掩蔽了来自递增式刻度尺的杂散光，防止其被参考标记检测器检测到。该掩膜区域可以通过玻璃上铬形成，或者以任何其他的适当手段形成。该掩膜可以与不同于菲涅尔区板的成像装置一同使用。
可替换地，可以分立地安置成像透镜和衍射光栅。它们不需要位于相同的平面中。
可以使该区域31是空白的，允许光透射，而不会将其导向参考标记检测器。
图9说明了与图1所示的实施例相似的实施例，但是其具有如图8中说明的光学元件(即，具有并入在折射光栅21中的菲涅尔区板29)和如图5中说明的检测器(即，其中分裂检测器28被安置在递增式检测元件24中)。在光学元件和检测器中，使递增式和参考标记光学器件组合。
不需要的光可能落在检测器上，该不需要的光诸如是背景未调制光和来自递增式/参考标记系统的调制光的交叉污染。可以在读取头中使用遮挡板(baffle)减少该不需要的光。而且，通过对递增式和参考标记系统使用具有不同的波长的不同光源，可以减少交叉污染。可以提供滤光器，由此检测器的参考标记部分和递增式部分仅检测该系统中使用的特定波长的光。
然而，单一的光源具有这样的优点，即递增式和参考标记信号共享相同的时效(age)、温度系数等。由此递增式和参考标记信号的相态保持稳定，减少了电子器件和电流消耗。
而且，相同的光源的使用允许使用来自仅一个系统的反馈同时地补偿两个系统。
刻度尺和读取头的该配置具有这样的优点，即，递增式刻度尺上的印记和参考标记位于刻度尺和光源上的相似的位置，对于递增式和参考标记系统，光学元件和检测器位于相同的平面32中(图1中示出)。该配置具有这样的益处，即，减少了视差，并且减少了对偏转的灵敏度。
如果参考标记检测器和递增式检测器位于单一的检测器单元上，并且透镜和折射光栅位于单一的光学元件上，则消除了由于读取头的纵向膨胀引起的问题。
尽管所描述的实施例是线性刻度尺读取系统，但是本发明同样适用于旋转系统或二维系统。

Claims (12)

1.一种用于测量两个部件之间位移的设备，包括：
刻度尺，其位于具有周期性刻度尺标记的部件中的一个上，该周期性刻度尺标记形成了递增式图案，并且至少一个参考标记嵌入在递增式图案中；
读取头，其提供在另一个部件上；
周期性衍射装置，其提供在读取头中，用于同刻度尺上的递增式图案所调制的光图案相互作用，以产生干涉条纹，该干涉条纹响应于所述位移而相对于所述读取头移动；
第一检测装置，用于检测所述干涉条纹的所述移动；
成像装置，其提供在读取头中，用于使参考标记成像；
第二检测装置，用于检测参考标记的所述图像；
其中成像装置被安置在刻度尺和第二检测装置之间。
2.如权利要求1所述的设备，其中周期性衍射装置和成像装置提供在单一的单元上。
3.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中成像装置包括透镜。
4.如权利要求3所述的设备，其中透镜包括柱面透镜。
5.如权利要求1～2中的任何一项权利要求所述的设备，其中成像装置包括菲涅尔区板。
6.如权利要求2所述的设备，其中成像装置至少部分地并入在周期性衍射装置中。
7.如权利要求2所述的设备，其中在成像装置和周期性衍射装置之间提供掩蔽区域。
8.如权利要求1或者2所述的设备，其中第一和第二检测装置提供在单一的检测单元处。
9.如权利要求8所述的设备，其中第二检测装置至少部分地并入在第一检测装置中。
10.如权利要求1或者2所述的设备，其中使用单一的光源用于递增式图案和参考标记。
11.如权利要求1或者2所述的设备，其中成像装置、周期性衍射装置、第一和第二检测装置以及光源被置于单一的平面中。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述平面垂直于刻度尺的方向。
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