CN101055195A - 光学编码设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，该设备包括码尺、具有一个或者多个部分的编码器壳体、和嵌在编码器壳体中的光检测传感器，其中，光检测传感器能够感测由重叠在光检测传感器上的码尺所产生的图案，并且其中，光检测传感器包括光检测元件的n×m二维阵列，其中，n和m都是大于4的整数。

Description

光学编码设备
技术领域
本发明涉及用于感测位置和/或运动的光学编码器件。
背景技术
光学编码器用在各种情况下来判断物体相对于某一基准的位置和/或运动。光学编码器通常用在机械系统中作为测量和跟踪运动部件之间运动的廉价的和可靠的方式。例如，当在诸如纸张的图像介质上打印图像或者从介质扫描图像时，诸如打印机、扫描仪、影印机、传真机、绘图仪和其它成像系统通常使用光学编码器来跟踪图像介质的运动。
一般而言，光学编码器包括与“码轮”或者“码带”协同工作的某形式的光学发射器/检测器对。码轮一般是圆形并且能够用来检测旋转运动，例如打印机或者复印机中送纸鼓的运动。相反，码带一般呈线性形式，并且能够用来检测线性运动，例如打印机和打印头的位置和速度。取决于光学编码器的形式，这样的码轮和码带一般含有狭槽和条带的规则图案。
尽管光学编码器已经证明是可靠的技术，但是还存在很大的简化制造操作、减少制造工序数目、减少部件数目和减小工作空间的产业压力。因而，需要与光学编码器有关的新技术。
发明内容
在以下实施例中，本公开的新颖系统和设备消除了对码轮/码带的需要。通过将线性光学器件结合到编码器的发射器和检测器中，然后施加某种智能后处理，可以形成没有码轮/码带的可靠的光学编码器。
在第一方面，提供一种光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，该设备包括码尺、具有一个或者多个部分的编码器壳体、和嵌在编码器壳体中的光检测传感器，其中，光检测传感器能够感测由重叠在光检测传感器上的码尺所产生的图案，并且其中，光检测传感器包括光检测元件的n×m二维阵列，其中，n和m都是大于4的整数。
在第二方面，提供一种光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，该设备包括码尺；编码器壳体，其具有一个或者多个部分；光检测装置，其嵌在编码器壳体内，并且用于感测由码尺产生的二维图案；连接到光检测装置的处理装置，用于补偿码尺相对于编码器壳体的对准误差，并且用于确定码尺相对于编码器壳体的运动。
在第三方面，提供一种校准机械装置的方法，该机械装置具有光学编码设备，其中，光学编码设备包括码尺、编码器壳体和光检测传感器，其中，光检测传感器包含具有至少4×4元件的光检测元件二维阵列。该方法包括基于由光检测传感器检测的运动来补偿对准误差的步骤。
附图说明
当结合附图阅读以下详细的描述时，能够最佳理解示例性实施例。强调的是各种特征不一定是按比例绘制的。事实上，出于论述清楚的目的，尺寸可能有任意增大或者减小。类似的参考标号在任何可行之处都表示类似的元件。
图1示出用于本公开的方法和系统的基于反射的光学编码器；
图2示出用于本公开方法和系统的示例性检测器；
图3A示出具有重叠的第一投影码尺图案的图2的示例性检测器；
图3B示出对于图3A的示例情况，受影响的检测元件；
图3C示出对于图3A的示例，用于检测有关码尺的运动和方向的受影响检测元件的示例性子集；
图4A示出具有重叠的第二投影码尺图案的图2的示例性检测器；
图4B示出对于图4A的示例，受影响的检测元件；
图4C示出对于图4A的示例，用于对有关码尺的运动和方向进行检测的受影响检测元件的示例性子集；和
图5是概要示出根据本公开的示例性处理的流程图。
具体实施方式
在下面详细的说明中，出于说明和非限制性的目的，为了提供对根据本发明的实施例的完整理解，阐述了公开具体细节的示例性实施例。然而，受益于本公开的本领域的技术人员可以理解，根据本发明但脱离了此处公开的具体细节的其它实施例仍然在所附权利要求的范围内。而且，可能省略了对公知的设备和方法的描述，以免使示例性实施例的描述不清楚。这样的方法和设备显然在本技术教导的范围内。
光学编码器一般分成两类：基于透射的光学编码器和基于反射的光学编码器。以下公开主要针对基于反射的光学编码器。然而，应该理解到，有关思想易于应用到基于透射的编码器。
图1示出第一基于反射的光学编码器100。基于反射的编码器100包括安装在衬底110上并且封装在光学壳体120中的光学发射器122和光学检测器132，其中光学壳体120通常由某种形式的树脂或者玻璃制成。示例性光学壳体120具有两个穹顶形透镜124和132，其中第一透镜124直接在光学发射器122的上方，第二透镜132直接在光学检测器134的上方。码尺193(即，码轮、码带等)位于壳体120上方的本体190上，并且在本实施例中是扁平的线性移动的本体或者旋转盘。从检测器134到后处理器(未示出)设置链路，以便能够正确获取到达检测器134的光信号。
在操作中，由光学发射器122发射的光能够由第一透镜124聚焦，然后传播到在位置195处的码尺193。如果码尺193定位成沿着传播光的路径150存在着反射狭槽/条带，则传播的光将反射到第二透镜132，然后由第二透镜132聚焦到能够检测到该光的光学检测器134。如果码尺193定位成沿着传播的光的路径150不存在反射狭槽/条带，则透射光将被有效地阻挡，并且光学检测器134能够检测到不存在光。如果码尺193构造成在位置195同时存在反射和非反射条带的组合，则码尺193能够反射与反射和非反射条带的图案相匹配的光，使得图案有效地投影到光学检测器134上。
一般地，应该理解到，光学编码器的安装是一项精密和耗时的任务。例如，必须以高对准精度来安装典型的光学编码器，不这样做会导致光学编码器在效果上产生故障。因而，与安装精密的光学编码器有关的制造成本会很大。
为了克服这个问题，本公开的方法和系统的发明者已经研制出高柔性光感测检测器，其不仅解决了大多数对准问题，而且也提供了很多其它优点。图2图示了用于本公开的方法和系统的示例性光感测检测器200。如在图2中所示，光感测检测器200包括光检测元件210的阵列，其中每个光检测元件210能够独立地感测光，将所感测的光转换成电学量(例如，电流、电压或者电阻)并且将该电学量送至外部装置(诸如具有模数转换器的数字信号处理器/控制器)。尽管示例性光感测检测器200包括光检测元件210的10×10阵列，但是应该理解到这样阵列的大小可以变化到2×2之小(或者更实用的4×4阵列)，或者根据使用的特定情况也可以超过100×100元件。此外，光检测元件210阵列的总大小(W1×H1)还能够根据需要或者另外由使用特定情况所要求而改变。
如将在以下所示，图2的光感测检测器200不仅能够用来减轻对准误差，还具有一些其它重要的优点。
例如，与一维运动相反，光感测检测器200能够用来感测二维运动，这一点其它光学编码器是受到限制的。此外，光感测检测器200能够用来以足够的精确度水平检测任何角度的偏心运动，以确保光学编码器的精确和可靠的操作。而且，光感测检测器200能够用来检测码尺相对于编码器本体的旋转。
进一步，光感测检测器200能够用来检测特定码尺上可能出现的具体形状。例如，特定的码带可以由整个长度上的交替的矩形条带和窗口组成，但是另外含有一个或者多个独特的图案(例如，正方形、星形、圆形等)以表示位置数据(诸如，中心或者位置基准)。这样的形状信息还使处理器能够确定特定的型号或者改型改进，因为可以含有这样的信息：例如写在码尺上的特定窗口形状、条形码或者甚至一系列字母数字符号。
图3A图示了在码尺投影310重叠在检测器200上的情况下图2的检测器200。这种示例性系统的特定码尺构造成相对于检测器210在左右方向上运动，并且如由图3A的构造可知，码尺的运动只影响有限数量的光检测元件(即，5×10子阵列)。
图3B更清楚地示出了受影响的光检测元件320(如阴影所示)，并且进一步表示图3A的码尺310偏移了线性距离D1，该距离是能够由对检测器200进行监视的处理器识别的距离。可以理解，如果只是所选数量的光检测元件320受到影响，则对检测器200进行监视的处理器不必监视每个检测元件。相反，由于码尺运动仅仅影响了一百个检测元件的中的五十个，监视码尺运动的处理器能够通过仅仅监视五十个所受影响的检测元件320来在不恶化性能的情况下消除许多不必要的处理。
参照图3C，应该理解到，不是必须通过受影响的所有五十个检测元件320来监视码尺运动。因而，图3C图示了用来监视码尺运动和方向的检测元件330的示例性最小子集(如阴影所示)。尽管图3C的示例中仅使用了四个检测元件330，但应该理解到可以用更多的检测元件带来冗余性、更高的可靠性或者一些其它所需特征。还应该理解到，所选的检测元件不必是连续的，而是可以在五十个受影响的检测元件320中分布成任何有用的图案。此外，尽管在一些实施例中，所使用的检测元件的数目和图案可以基于进行必要操作所需的最小数目的检测元件而选择，但是也可以应用其它标准，包括与优化处理、可靠性和功能有关的标准。
图4A图示了在第二码尺投影410重叠在检测器200上的情况下图2的检测器200。本示例性系统的特定码尺构造成相对于检测器200(和有关编码器本体)在偏心方向上移动，并且从图4A的构造可知，码尺运动仅仅影响了有限数量的光检测元件。
图4B更清楚地图示了图4A中受影响的光检测元件420。完全受影响的(即完全露出和完全遮蔽的)那些光检测元件用深的阴影表示，受到部分影响的那些光检测元件用浅的阴影表示。图4A的码尺410偏移了线性距离D2和角度偏移θ2，这两个量都能够由对检测器200进行监视的处理器识别。
又如之前实施例那样，可以理解，如果只是所选数目的光检测元件420受到影响，则对检测器200进行监视的处理器不必监视每个检测元件。进一步，如图4C所示，应该理解到，不是需要所有受影响的检测元件420监视码尺运动，而是可以基于任意数量的功能标准(诸如处理、冗余性、可靠性等)来选择监视码尺运动和方向所用的检测元件430的子集。
尽管图3A和图4A针对的是一个方向码尺运动，但是应该理解到通过改变码尺使之包括窗口的二维阵列，图2的检测器200(在处理器的支持下)通过监视重叠在检测器200上方的窗口的相对运动，能够用来感测沿着二维的运动和方向，但是注意，所有的检测元件210将可能在操作中受到影响。
此外，参照图3A和图4A，应该理解到假定检测元件210的相对分辨率大到足以检测单个码尺窗口的相对形状，则能够检测到码尺的旋转。即，如果当码尺从θ＝0的角度(图3A)旋转到θ＝θ2(图4A)的角度时检测元件的即时数量和图案会变化，则能够通过适当的后处理从检测器200获得角度信息。
图5是概要示出使用和校准光学编码器(诸如具有上述相配部件的光学编码器)的示例性操作的流程图。处理在步骤502开始，在步骤502，将编码器本体安装在用作诸如打印头或者打印鼓的特定装置上。接着，在步骤504，还安装有关码尺(例如，码带或者码轮)。控制进行到步骤506。
在步骤506，码尺相对于编码器本体运动，以确定编码器本体中检测器的单个检测元件的响应性。示例性检测器可以是n×m阵列(诸如在图2-图4C中所示的10×10阵列)器件。然而，如上所述，检测器的大小、形状和分辨率能够依实施例不同而变化，这一点会是有用的或者有利的。接着，在步骤508，确定由步骤506的动作影响的检测元件的数目。控制进行到步骤510。
在步骤510，基于步骤506的动作能够确定一些其它有用的特性，包括：线性失调、角度失调、码尺相对于编码器本体的相对角运动、码尺和/或使用码尺的装置的型号/改型、码尺窗口的形状、码尺条带的形状、码尺运动属性(例如，一维、二维、偏心)等。控制进行到步骤512。
在步骤512，选择检测器中适合组的检测元件供使用。在各种实施例中，这样的组可以是使用中所影响到的检测元件的总数目(包括或者不包括受到部分影响的检测元件)，或者也可以是基于减少工序的标准、优化性能的标准、冗余性/可靠性标准、各种标准的折衷或者一些其它有用标准而定的某个子集。
在步骤514，对包括步骤502和504的码尺和编码器本体的装置进行操作来检测任何一维运动、二维运动、偏心运动和旋转运动等。这样的操作一直持续到所需或期望的时刻，并且控制继续到处理停止的步骤550。
尽管在此处公开了示例性实施例，但是本领域的技术人员可以明白，根据本技术教导可以有许多改变形式并仍在所附权利要求的范围内。因而本实施例除了所附的权利要求范围之外不受限制。

Claims (20)

1.一种光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，所述设备包括：
码尺；
编码器壳体，其具有一个或者多个部分；和
光检测传感器，其嵌在所述编码器壳体中，其中，所述光检测传感器能够感测由重叠在所述光检测传感器上的所述码尺所产生的图案，并且其中，所述光检测传感器包括光检测元件的n×m二维阵列，其中，n和m都是大于4的整数。
2.根据权利要求1所述的光学编码设备，还包括处理器件，其连接到所述光检测传感器，并且能够确定由每个光检测元件所接收的光量。
3.根据权利要求2所述的光学编码设备，其中，所述处理器件构造成基于从所述光检测传感器接收的信号确定所述码尺相对于所述编码器壳体的线性偏移和角度偏移中至少一项。
4.根据权利要求2所述的光学编码设备，其中，所述处理器件构造成基于从所述光检测传感器接收的信号确定所述码尺相对于所述编码器壳体的二维运动。
5.根据权利要求2所述的光学编码设备，其中，所述处理器件构造成基于从所述光检测传感器接收的信号检测至少两个不同窗口形状或者两个不同条带形状。
6.根据权利要求2所述的光学编码设备，其中，所述处理器件构造成检测所述码尺相对于所述编码器本体的旋转。
7.根据权利要求2所述的光学编码设备，其中，所述处理器件构造成确定所述光检测传感器的当所述码尺相对于所述编码器本体改变位置时改变状态的受影响的光检测元件组，其中，所述受影响的光检测元件组是所述光检测传感器的光检测元件的总数目的子集。
8.根据权利要求7所述的光学编码设备，其中，所述处理器件还构造成基于所述受影响的检测元件组的每个元件来至少检测所述码尺相对于所述编码器本体的位置变化。
9.根据权利要求8所述的光学编码设备，其中，所述处理器件还构造成基于所述受影响的检测元件组的元件子集来至少检测所述码尺相对于所述编码器本体的位置变化。
10.根据权利要求8所述的光学编码设备，其中，所述处理器件还构造成基于所述光检测元件组的检测元件的最少的可行数目来至少检测所述码尺相对于所述编码器本体的位置变化。
11.根据权利要求8所述的光学编码设备，其中，所述处理器件还构造成至少使用所述受影响的检测元件组内的多个检测元件来补偿所述码尺相对于所述编码器本体的失调。
12.根据权利要求1所述的光学编码设备，其中，每个检测元件等于或者小于所述码尺的投影窗口的宽度的一半。
13.一种光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，所述设备包括：
码尺；
编码器壳体，其具有一个或者多个部分；和
光检测装置，其嵌在所述编码器壳体内，并且用于感测由所述码尺产生的二维图案。
14.根据权利要求13所述的光学编码设备，还包括连接到所述光检测装置的处理装置，用于补偿所述码尺相对于所述编码器壳体的对准误差，并且用于确定所述码尺相对于所述编码器壳体的运动。
15.根据权利要求14所述的光学编码设备，其中，所述光检测装置和处理装置能够检测以下当中至少一个：所述码尺相对于所述编码器本体的失调、所述码尺相对于所述编码器本体的二维运动、所述码尺相对于所述编码器本体的偏心运动和所述码尺相对于所述编码器本体的旋转。
16.一种校准机械装置的方法，所述机械装置具有光学编码设备，其中，所述光学编码设备包括码尺、编码器壳体和光检测传感器，并且其中，所述光检测传感器包含具有至少4×4元件的光检测元件二维阵列，所述方法包括基于由所述光检测传感器检测的运动补偿对准误差。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，补偿对准误差包括下述第一步骤：相对于所述编码器本体移动所述码尺，并且确定由所述运动影响的所述光检测传感器的第一组光检测元件。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，补偿对准误差包括选择第二组光检测元件以用于确定码尺相对于所述编码器本体的运动，其中，所述第二组光检测元件的每个元件都能在所述第一组光检测元件中找到。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述补偿对准误差的步骤包括补偿角度对准误差。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述补偿对准误差的步骤包括补偿线性偏移误差。
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