CN101017100A - 具有降低背景噪声的反射式编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有码带和发射器检测器模块的编码器。码带包括交替的反射条和不透明条。发射器检测器模块包括光源和光检测器，光源产生光并将部分所产生的光导向成像元件，光检测器产生信号，该信号表示光检测器接受到的、具有沿预定方向的线偏振态的光的强度。光源和光检测器包封在透明介质中，其中在透明介质与码带之间有间隙。预定方向被选择为使得从透明介质与间隙之间的界面反射的、由光检测器接受到的光强度降低。还可以在光源中包括偏振滤波器，来进一步提高对于从透明介质与间隙间界面反射的光的阻挡性。

Description

具有降低背景噪声的反射式编码器

技术领域

本发明涉及具有降低背景噪声的反射式编码器。

背景技术

编码器可以测量系统中元件相对于某个预定参考点的位置。编码器通常用于给电动机或其他致动器提供闭环反馈系统。例如，轴编码器输出数字式信号，该信号表示旋转轴相对于某个已知的不运动参考位置的位置。在可动平台沿着预定路径运动时，线性编码器测量可动平台当前位置与参考位置之间的距离，对于可动平台而言，该参考位置是固定的。

光学编码器采用光源和光检测器来测量码盘或码带的位置改变。在透射式编码器中，码盘包括一系列交替的透明带和不透明带。光源位于码带的一侧，光检测器位于码带的另一侧。光源和光检测器彼此相对固定，码带在光检测器与光源之间运动，使得码带的不透明区域会使到达光检测器的光发生中断。通过测量光电二极管观测到的亮暗区域之间的转换，来确定码带的位置。

在反射式编码器中，光源和光检测器位于码带的同一侧，码带由交替的反射带和吸收带组成。光源的位置使得当光从反射带反射时，来自光源的光反射到检测器中。

在公差和对比度方面，透射式编码器具有优于反射式编码器的若干优点。在反射式编码器中，码带与检测器之间的距离很关键，因为码带本身或来自码带的反射光中看到的光源会被成像到检测器中。因此，如果码带到检测器的距离存在误差，成像就会离焦并造成误差。

在透射式编码器中，来自光源的光在到达码带之前受到准直，因此离开码带的光也是准直的。检测组件只需将该准直光成像到检测器表面上。因此，惟一的关键距离是成像透镜到检测器的距离，检测器制造商可以不考虑具体编码器组件而严密控制该距离。

但是，透射式编码器要求对光源和光检测器这两个单独的元件在组装编码器时就进行安装并彼此对准。相反，反射式编码器是由单一的发射器-检测器元件构成的，该元件与用于将光源成像到光检测器上的各种光学元件封装在一起。这样降低了组件成本。另外，机械系统有越来越小的趋势。随着使用编码器的机械系统的尺寸减小，与在码带两侧安装元件有关的问题也变得严重起来。在这样的系统中，如果不考虑上述问题，则反射式编码器具有显著的优点。

但是，由于光源-检测器模块中光源的内部反射，反射式编码器的信噪比明显较低。在反射式编码器中，光源和检测器一起包封在透明材料中，所述透明材料还提供透镜功能，该功能是以期望方式照明码盘并将光反射到检测器上所需的。光源产生的部分光在封装物-空气界面处向检测器反射回去。这种光形成了与码轮无关的背景，因此降低了编码器的信噪比。

发明内容

本发明包括编码器，该编码器具有码带和发射器检测器模块。码带包括交替的反射条和不透明条。发射器检测器模块包括光源和光检测器，光源产生光并将部分所产生的光导向成像元件，光检测器产生信号，该信号表示光检测器接受到的、具有沿预定方向的线偏振态的光的强度。光源和光检测器包封在透明介质中，其中在透明介质与码带之间有间隙。预定方向被选择为使得从透明介质与间隙之间的界面反射的、由光检测器接受到的光强度降低。还可以在光源中包括偏振滤波器，来进一步提高对于从透明介质与间隙间界面反射的光的阻挡性。

附图说明

图1图示了透射式编码器。

图2图示了一种类型的反射式编码器。

图3图示了另一种形式的成像编码器。

图4图示了根据本发明一种实施例的典型反射式编码器布局。

图5是根据本发明另一种实施例的编码器的剖视图。

图6是具有码带的线性编码器90一部分的俯视图，该码带包括沿直线布置的反射带和吸收带。

图7是根据本发明另一种实施例的编码器的俯视图。

具体实施方式

现在参考图1-图3，它们图示了一些类型的编码器设计。编码器可以划分成发射器/检测器模块15以及码轮或码带。为了简化此处所用的用词，术语“码尺”定义为既包括线性码带也包括圆形的码盘或码轮。模块15包括发射器11，发射器11照明部分码尺12。检测器13检查被照明的码尺。发射器通常用LED作为光源。检测器通常是基于一个或多个光电二极管。图1图示了透射式编码器。在透射式编码器中，来自光源的光由准直光学器件(例如透镜24)准直成平行光束。码尺12包括不透明带16和透明带17。当码尺12在发射器11与检测器13之间运动时，光束被码尺上的不透明带中断。检测器中的光电二极管接受到光的闪烁。然后用所得的信号产生逻辑信号，该逻辑信号在逻辑1与逻辑0之间转换。

检测器可以包括将准直光成像到光电二极管上的成像透镜25。透镜25可以用于调制光带的尺寸以与检测器中的一个或多个光电二极管的尺寸匹配。在以此方式使用时，光检测器位于码尺与透镜25焦点之间的某个位置。光检测器与透镜之间的距离确定了光检测器上码尺图像的尺寸。

一般地，透射式编码器是由提供给编码器制造商的两个单独子模块构成的。第一子模块包括由发射器11和透镜24组成的光源。第二子模块由光检测器13和透镜25组成。由于光是准直的，所以只有发射器11与透镜24之间的距离以及透镜25与光检测器13之间的距离是关键的距离。子模块制造商可以将这些距离控制在很高的精度水平。因此，透射式设计大大减小了需要由编码器制造商保证的公差。但是，从编码器的整个组装过程来看，透射式编码器更加昂贵，因为必须安装和对准两个子模块。另外，如上所述，在许多应用中，没有足够的空间来在编码器中与光检测器相反那侧容纳光源，因此就需要反射式编码器。

图2图示了一种类型的反射式编码器。在反射式编码器中，码尺包括反射带18和吸收带19。发射器包括光学系统(例如透镜21)，该光学系统在光照射到码尺上的反射带上时将发射器光源成像到检测器中。来自发射器的光被码尺上的带反射或吸收。光检测器的输出再次被转换成逻辑信号。某些实施例中的光检测器包括多个光电二极管，这些光电二极管提供取决于带的图像与光电二极管间匹配情况的信号，在这些实施例中，可以包括第二透镜27来以类似于上述的方式将码尺的尺寸调整到光检测器的尺寸。

图3图示了成像编码器的另一种形式。成像编码器以与上述反射式编码器基本相同的方式工作，只是模块15包括成像光学器件23，成像光学器件23在检测器14上形成被照明的码尺的图像。另外，光源经过了透镜22的处理，使得在被成像到检测器上的区域，码尺得到均匀照明。

为了简化下面的讨论，用于将光源成像到光检测器中的各种透镜将从其余附图中略去。但是，应当理解，光源和/或光检测器可以包括透镜或其他光源元件。

现在参考图4，它图示了根据本发明一种实施例的典型反射式编码器布局。码尺34由来自发射器-检测器模块37的光照明，该模块37包括安装在衬底31上的LED 32和光检测器33。光检测器33包括一个或多个光电二极管。光电二极管的数目取决于具体的编码器设计。这些元件包封在透明环氧树脂层35中，所述透镜环氧树脂层35具有模制的顶面以提供透镜，所述透镜将码尺34反射的那些来自LED 32的光成像到光检测器33上。标号38示出了成像光源的光线。

透明环氧树脂包封件具有比周围空气更大的折射率。因此，如标号39所示，由于菲涅耳反射，部分照射到表面36的光被反射回发射器-检测器模块。这些光中的一些直接照射到光检测器33。被反射光中的一些在发射器-检测器模块的壁上反射，也到达光检测器33。以此方式到达光检测器33的光的数量与从码尺34反射的光无关，因此形成了恒定的背景照明，它会降低光检测器33的信噪比。

这种背景光的显著性取决于编码器的尺寸和分辨率。从码尺34反射的光的数量取决于码尺上反射带的尺寸。在非常高分辨率的编码器中，这些带很小，因此反射光的数量也很小。类似地，许多应用场合由于空间上的限制而要求小体积的编码器。因此反射带的尺寸也很小。当光电二极管处来自码尺的反射光与来自表面36处内部反射的背景光强度相似时，编码器就不能正确工作。

本发明基于这样的结论，即来自表面36的菲涅耳反射光是部分偏振的。光源32发射的光可以看作由具有两种正交线偏振态的光组成，一种偏振态是进入纸面的，另一种与纸面平行。在处于布儒斯特角时，电场平行于入射面的那种光的反射系数变成零。在其他角度情况下，反射光是部分偏振的。因此，从表面36反射到光检测器33中的菲涅耳反射光是部分偏振的。即，光会具有两种线偏振分量，其中一种分量比另一种大。可以通过下述方式来消除这种光：在光检测器33之前设置线偏振滤波器41，并设置其偏振轴线使具有最大幅度偏振分量的光消除。

本发明的上述实施例阻止了部分菲涅耳反射光进入光检测器33。或者，光源32可以由线偏振光源代替，所述线偏振光源定向为使得从光源32产生的光中除去那些在表面36处倾向于反射的偏振态的光。在此情况下，减小了菲涅耳反射的光数量，从而提高了编码器的信噪比。线偏振光源是本领域公知的，只要注意这样的光源可以通过在LED或其他非偏振光源前方设置偏振滤波器来构成就够了。还应当注意，发射线偏振光的激光器也是本领域公知的。

现在参考图5，它是根据本发明另一种实施例的编码器的剖视图。编码器60包括带有线偏振光源62的发射器检测器模块65。光源62提供位于纸面内的偏振方向。偏振方向被选择为使得会在界面66处受到菲涅耳反射的光数量减少。在界面66处反射时，这种光的一部分仍然反射回发射器检测器模块65，因为不是所有的光都会以布儒斯特角照射到界面66处。剩余的光会射出发射器检测器模块65并经过偏振态旋转器(例如四分之一波片68)，所述偏振态旋转器使偏振态如标号72所示旋转90度。这种光由码尺34反射并成像到包括偏振滤波器61的光检测器63上。偏振滤波器61设置成使偏振态矢量垂直于纸面的光通过，而阻止偏振态矢量在纸面内的那些光。因此，标号71所示的在界面66处发生反射的光被阻挡。

上述实施例使用了码尺对来自发射器检测器模块的光进行调制。术语“码尺”通常用于表示线性编码器，即用于对一个元件相对于另一个元件的线性位移进行测量的、沿直线的一系列交替矩形带。现在参考图6，它是线性编码器90一部分的俯视图，线性编码器90具有码尺91，码尺91包括分别沿直线96布置的反射带92和吸收带93。反射器检测器模块95设在一段码尺下方。码尺沿平行于直线96的方向相对于发射器编码器模块95运动。

但是，应当明白，采用本发明的教导也可以构成轴编码器，使用码盘来测量轴相对于固定位置的角位移。现在参考图7，它是根据本发明另一种实施例的编码器80的俯视图。编码器80对轴86的角位置进行编码。编码器80类似于上述编码器，发射器检测器模块85照明编码图样并对编码图样的反射部分所反射的光进行测量。上述码尺由码盘81代替，码盘81包括沿环形交替的切顶饼状部分82和83，这些部分具有与轴86一致的中心。每个部分由环形89的两条半径以及环形88和89来限定，环形89的中心在轴86的中心。发射器检测器模块85的光源和光检测器在环形89的半径84上对准。为了简化文中所用的用词，术语“码尺”定义为既包括线性的码带也包括环形的码盘。

根据前述说明以及附图，本领域技术人员会明白本发明的各种变形。因此，本发明应当仅由权利要求的范围来限定。

Claims (4)

1.一种编码器，包括：

码尺，包括交替的反射带和不透明带；

发射器检测器模块，包括光源和光检测器，所述光源产生光并将部分所产生的所述光导向所述成像元件，所述光检测器产生信号，所述信号表示所述光检测器接受到的具有沿预定方向线偏振态的光的强度，所述光源和所述光检测器包封在透明介质中，其中所述透明介质与所述码尺之间存在间隙，并且

其中，所述预定方向选择为使得从所述透明介质与所述间隙之间的界面反射的、由所述光检测器接受到的光的强度减小。

2.根据权利要求1所述的编码器，其中，所述光检测器包括线偏振滤波器。

3.根据权利要求1所述的编码器，其中，所述光源产生线偏振光，所述线偏振光具有与所述预定方向正交的偏振态。

4.根据权利要求3所述的编码器，还包括偏振态旋转器，所述偏振态旋转器使离开所述透明介质的光的偏振态旋转90度，所述偏振态旋转器位于所述间隙中。

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