CN102168995B - 光电编码器 - Google Patents
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Abstract
一种光电编码器，其中通过光栅调制光源发出的光，调制后的光通过光接收元件检测，该光电编码器包括对光栅调制过的光成像的单边远心光学系统。成像光学系统包括一光圈，其允许部分通过光栅调制过的光可通过其中传输，该光圈具有当空间截止频率的值在傅立叶变换获得的光栅基本空间频率值和基本空间频率的二次谐波之间时所需要的尺寸，空间截止频率是表示由于光源发出的光导致的光学系统的分辨率极限的空间频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电编码器，其中光源发出的光由置于标尺上的均匀间隔的光栅调制，经过调制的光由光接收元件检测，更特别的涉及一种只检测由于光栅的均匀间隔产生的基本空间频率，而不检测来自光栅的多余谐波分量的光电编码器，由此可以提高测量位置精度。
背景技术
以往，光电编码器用于多种机床、测量仪等，光电编码器中，通过置于标尺上的均匀间隔的光栅来调制光源发出的光，并且由光接收元件检测该经过调制的光。
在专利参考文件1(JP-A-2004-264295)中公开的一种光电编码器中，例如，通过将光圈(aperture)置于透镜焦点处的远心光学系统在光接收元件的光接收表面上形成光栅的像，从而获得标尺相对于光接收元件的相对位置变化。
但是，例如专利参考文件1公开的远心光学系统中存在特定的MTF(调制传递函数)特性，该特性确定了所形成的光栅像的对比度。根据所选择的MTF特性，光栅的像可能包含由于光栅本身产生的多个高频分量，并导致光栅像的对比度降低并导致失真增加。在这种情况下，位置测量的精度降低。
发明内容
示例性实施例提供一种只检测由于光栅的均匀间隔产生的基本空间频率，而不检测来自光栅的多余谐波分量的光电编码器，由此使位置测量稳定并且可以测量位置精度提高。
根据本发明的第一方面的一种光电编码器，包括：
光源，配置用于发射光；
标尺，具有均匀间隔光栅，并被配置为通过光栅调制光源发出的光；
光接收元件，配置用于检测光栅调制过的光；以及
光学成像系统，配置用于对光栅调制过的光成像；
其中该成像光学系统包括第一光圈，部分由光栅调制过的光被允许通过该第一光圈传输，该第一光圈具有当空间截止频率的值在傅立叶变换获得的光栅基本空间频率和基本空间频率的二次谐波之间时所需要的尺寸，所述空间截止频率是表示由于光源发出的光导致的光学系统的分辨率极限的空间频率。
根据本发明的第二方面的光电编码器，进一步包括：
照明光学系统，配置为采用光源发出的光照亮标尺，
其中当光源数值孔径(numerical aperture)小于检测数值孔径时，空间截止频率具有由检测数值孔径除以光波长获得的值，所述光源数值孔径取决于光源到照明光学系统的距离和光源大小，并且所述检测数值孔径取决于光栅到光学成像系统的距离和第一光圈的大小。
光电编码器，可以进一步包括：
照明光学系统，配置为采用光源发出的光照亮标尺，
其中当取决于光源到照明光学系统的距离和光源大小的光源数值孔径为0时，空间截止频率具有通过检测数值孔径除以光波长获得的值。
根据本发明的第三方面的光电编码器，进一步包括：
照明光学系统，配置为采用光源发出的光照亮标尺，
其中当由光源到照明光学系统的距离和光源大小决定的光源数值孔径大于由光栅到光学成像系统的距离和第一光圈的大小决定的检测数值孔径时，
空间截止频率具有由检测数值孔径的2倍除以光波长获得的值。
根据本发明的第四方面的光电编码器，根据标尺相对于成像光学系统的光轴的放置误差所产生的误差角，光源到照明光学系统的距离缩小，或者光源的尺寸增大。
根据本发明的第五方面的光电编码器，照明光学系统包括第二光圈挡片，或者配置为偏转光的照明透镜，所述第二光圈挡片具有允许部分从光源发出的光可通过其中传输的第二光圈。
根据本发明的第六方面的光电编码器，光源与光学成像系统一样置于标尺的同侧，光学成像系统通过标尺反射的光成像。
根据本发明的第七方面的光电编码器，成像光学系统包括第一光圈挡片，其中放置第一光圈。
根据本发明的第八方面的光电编码器，成像光学系统包括至少一个成像透镜，配置用于使经过光栅调制的光偏转。
根据本发明的第九方面的光电编码器，成像光学系统形成为单边远心光学系统，其中的第一光圈挡片的第一光圈置于光轴上一个成像透镜焦点位置。
根据本发明的第十方面的光电编码器，光学成像系统形成为双边远心光学系统，其中的第一光圈挡片的第一光圈置于光轴上两个成像透镜之间的焦点位置。
相据本发明，只检测由于光栅的均匀间隔产生的基本空间频率而不检测来自光栅的多余谐波分量，由此使位置测量稳定并且可以提高测量位置的精度。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例所示的光电编码器示意图；
图2为根据第一实施例所示的标尺示意图；
图3为根据第一实施例所示的光栅傅立叶变换后的空间频率分量图；
图4A为解释MTF特性的示意图；
图4B为表示实施例中MTF特性图；
图4C为表示MTF特性和实施例中光栅傅立叶变换后空间频率分量之间的关系图；
图5为根据本发明第二实施例所示的光电编码器示意图；
图6为根据本发明第二实施例所示的标尺示意图；
图7为根据本发明第三实施例所示的光电编码器示意图；
图8A为实施例3中MTF特性的示意图；
图8B为根据第三实施例中光栅傅立叶变换后的空间频率分量的图；
图9为根据本发明第四实施例所示的光电编码器的示意图；
图10A～图10C为根据本发明第四实施例所示的标尺倾斜的情况下光电编码器的示意图；
图11为根据本发明第五实施例所示的光电编码器示意图；
图12为根据本发明第六实施例所示的光电编码器示意图；
图13为根据本发明第七实施例所示的光电编码器示意图；
图14为根据本发明改进实施例的光电编码器示意图，其中没有使用光圈挡片。
具体实施方式
接下来将会详细介绍本发明的实施例。
首先，参考图1和2介绍第一实施例所述的光电编码器的配置。
如图1所示，光电编码器100包括：光源102、起照明光学系统作用的准直透镜104、标尺106、起成像光学系统作用的单边远心光学系统11、以及光接收元件122。
如图1所示，光源102为点光源。准直透镜104(照明透镜)使置于透镜焦距fa处的光源102发出的光R1偏转，从而形成平行光R2照到标尺106上。因此光R2中光通量完全互相平行，因此从光源102到准直透镜104延申的结构称为平行光源。因为光源102没有尺寸，取决于光源102到准直透镜104的距离fa和光源102大小的数值孔径NAlight(称之为光源数值孔径)为0(NAlight＝0)。
如图2所示，标尺106具有标尺板108和沿着测量轴方向X以均匀间隔置于标尺板108上的光栅110。标尺板108由光学透明材料制成，例如玻璃。光栅110是通过，例如，在标尺板108上形成的薄膜上进行光刻处理成形的，由不透光的金属制成，例如络。当光R2照在标尺106上时，因此光R2向前穿过标尺板108并透过光栅110上的间隙(光R2经过光栅110的调制形成调制光R3)。
如图1所示，单边远心光学系统114具有成像透镜116和光圈挡片118。成像透镜116将光栅110调制过的光R3偏转。光圈挡片118包括光圈118A，部分的光R4可以通过该光圈118A传输，该光R4是通过成像透镜116对由光栅110调制过的光R3进行偏转而形成的。
光圈118A置于光轴O上的成像透镜116的焦距fb处。因此，在单边远心光学系统114中，即使成像透镜116和光栅110之间的距离有轻微变化，成像透镜116所成像的放大率也不会变化。也就是说，即使在安装步骤中成像透镜116和标尺106之间的距离有轻微变化，仍可保证位置测量精度。
将穿过光圈118A的光R5在成像透镜116处的直径用e表示，光栅110和成像透镜116之间的距离用a1表示，并且成像透镜116和光接收元件122的光接收表面之间的距离用b1表示，取决于光栅110和单边远心光学系统114之间距离以及光圈118A大小d1的数值孔径NAopt(称之为检测数值孔径)可用如下公式(1)确定：
NAopt＝Sin{tan-1(e/2·a1)}
当e＜＜a1时，
NAopt≈(1/2)·(e/a1) (1)
≈d1/(2·fb)
检测数值孔径NAopt和光源数值孔径NAlight之间的关系可以概括并表示为公式(2)：
NAlight＝0，NAlight＜NAopt (2)
光接收元件122是具有沿着测量轴方向X排列多个光接收区域的阵列传感器。例如，光电二极管阵列等可用作光接收元件122。若在测量轴方向X上扫描光接收元件122的光接收区域时，在光接收元件122的光接收表面所成的光栅110的像可被识别为至少测量轴方向X上的像。因此，精确测量标尺106在测量轴方向X上相对于光接收元件122位置变化是可能的。在此实施例中，光栅110的放大率可以简单地通过改变距离a1和b1的比率来改变。即使采用具有不同间距的光栅的标尺来代替上述标尺，光接收元件122也可以正常使用。
接下来介绍确定光圈挡片118上光圈118A的尺寸过程。
如图3所示，当对标尺106上的光栅110进行傅立叶变换时，由于光栅110是等间距的，因此在光栅110的基本空间频率Sf1处可观察到较高的振幅强度。然而在这种情况下，将分别在基本空间频率Sf1的二倍、三倍、四倍空间频率处同时观察到二次谐波Sf2、三次谐波Sf3、四次谐波Sf4，以此类推。因此在此实施例中，如果适当选择了光圈118A的尺寸d1，可以消除二次谐波Sf2及以上的高频分量。
为了实现上述功能，获得表示实施例中单边远心光学系统114的成像特征的MTF(调制传递函数)特性。如图4A所示，当振幅强度为Ain的正弦光栅Ltc通过光学系统Os成像时，在成像表面Rf获得的正弦光栅Ltc的像通常在振幅强度为Aout时获得。这种情况下，光学系统Os的MTF特征可以用振幅强度的比来表示(式(3))：
MTF＝Aout/Ain (3)
在此实施例中，使用了平行光源。如图4B所示，因此图形用矩形表示MTF特性，振幅强度比在空间频率fc1(称之为空间截止频率)处急剧变化，并变为0。即空间截止频率fc1代表了由于光源102发出的光R1导致的单边远心光学系统114的分辨率极限(或者单边远心光学系统114在空间截止频率fc1处形成的图像寸比度为0(此处，“对比度为0”包括了获得不能观察到对比度的对比度水平的情况))。如果用λ表示光的波长，则空间截止频率fc1可以用式(4)表示。fc1代表用平行光入射时的空间截止频率，并且代表当非平行光的光入射时等于光学截止频率fc(＝2NAopt/λ)的一半的空间频率的值。
fc1＝NAopt/λ (4)
因此如图4C所示，在此实施例中，将空间截止频率fc1设置为基本空间频率Sf1和二次谐波Sf2之间的一个值(式(5))。
Sf1＜fc1＜Sf2 (5)
即，光圈118A的尺寸d1由来自式(1)、(4)和(5)的式(6)获得，由此可以避免二次谐波Sf2或更高阶次的谐波的高频分量影响基本空间频率Sf1所产生的光栅110的像。
2·λ·fb·Sf1＜d1＜2·λ·fb·Sf2 (6)
采用特定值进行计算。当光栅110的间距为10μm(基本空间频率Sf1为1/(10μm)，并且二次谐波频率Sf2为1/(5μm))，波长λ为660nm，并且成像透镜116的焦距fb为10mm时，通过式(6)可得到光圈118A的尺寸d1，如式(7)所示：
1.32mm＜d1＜2.64mm (7)
上述特定值仅仅是示例性的，可以使用其他值。
接下来，将参考图1介绍实施例中光电编码器100的操作。
首先，光源102发出的光R1通过准直透镜104偏转形成平行光R2。光R2入射在标尺106上，待由光栅110调制。调制后的光R3入射在单边远心光学系统114的成像透镜116上，待偏转。偏转光R4通过光圈挡片118上的光圈118A。通过的光R5在光接收元件122的光接收表面形成像。在所形成的光栅110像上，去除了光栅110的二次谐波Sf2或更高阶次的谐波的高频分量。因此，不存在由于高频分量而非基本空间频率而产生的明暗条纹。在此实施例中，如图4C所示，同时可获得相对于基本空间频率Sf1较高的MTF值(高对比度比率)，因此由于基本空间频率Sf1产生的明暗条纹以较高对比度成像。通过未显示在图中的处理系统处理光接收元件122检测到的明暗条纹信号，并精确计算标尺106相对位置的变化。
也就是说，光接收元件122没有检测到来自光栅110的多余谐波分量，而只检测由于光栅110的均匀间隔产生的基本空间频率，由此使位置测量稳定并且可以提高测量位置精度。
在实施例1中，光电编码器100是透射类型，并且光源102发出的光R1的利用效率高，因此所执行的位置测量可以更稳定。
接下来，将参考图5和6介绍第二实施例。
在第一实施例中，光电编码器100是透射类型，相比之下，本实施例中的光电编码器200是反射类型的。也就是说相对于标尺206，光源202和单边远心光学系统214置于同侧，而且单边远心光学系统214对标尺206反射的光S3成像。
在此实施例中，光轴O处插入半反射镜212，并且使用反射型的标尺206。接下来详细介绍此实施例。
在标尺206和成像透镜216之间在光轴O上以45度插入半反射镜212。因此在垂直于光轴O的P方向上从光源202发出的光S1可以由准直透镜204偏转从而成为平行光束之后入射在标尺206上。
如图6所示，标尺206包括标尺板208、光吸收膜208A和置于光吸收膜208A上并沿着测量轴方向X的具有均匀间隔的光栅210。标尺板208由不透光材料制成，例如金属。光吸收膜208A是不反射入射光而是吸收入射光的膜，其均匀的形成在标尺板208上。光栅210例如通过在标尺板208上形成的薄膜上进行光刻处理而形成，光栅由不透光并且具有高反射率的金属制成，例如铬。因此，当光R2照在标尺板206上时，光被光栅210的表面(即，标尺206)反射(光R2由光栅210调制过成为调制光R3)。
在此实施例中，光源202和单边远心光学系统214与在第一实施例中的设置一致。因此，与第一实施例相似，光圈218A的尺寸d2(＝d1)可通过式(6)获得。当包括标尺206的光栅210间距的特定值与第一实施例设定相同时，即，光圈218A的尺寸d2可通过式(8)获得：
1.32mm＜d1＜2.64mm (8)
由于此实施例中的光电编码器200是反射型的，安装在配合使用的机器上自由度很高。本实施例采用的单边远心光学系统214即使在标尺206沿着光轴O的方向移位，其放大率也不会发生变化。因此，本实施例的一个优势在于在将标尺106安装到配合使用的机器上时没有严格的要求。
接下来参考图7、8A和8B介绍本发明的第三实施例。与第一实施例的不同在于光源302具有预设的尺寸，其余部分与第一实施例相同。以下将详细描述第三实施例。
如图7所示，光源302的尺寸为D3。准直透镜304(照明透镜)将置于该透镜焦距fa处的光源302发出的光偏转，使得光照射在标尺306上。因此，经过准直透镜304偏转后的光并不形成完全平行的光束。这里，光源数值孔径NAlight由式(9)定义：
NAlight＝Sin{tan-1(D3/2·fa)}
当D3＜＜fa时，
NAlight≈D3/(2·fa) (9)
当光源的数值孔径NAlight大于式(1)定义的检测数值孔径NAopt时，光源302和准直透镜304形成的配置称为漫射光源。即，漫射光源的条件可用式(10)表示：
NAlight＞NAopt (10)
因此，入射在标尺306上的光的扩张角(称之为光源光通量角)θ3大于从标尺306入射在成像透镜316上的光的扩张角(称之为检测光通量角)(式(11))。
θ3＞φ3 (11)
接下来将介绍光光圈挡片318上的光圈318A尺寸d3的确定方法。
当标尺306上的光栅310进行傅立叶变换时，得到与第一实施例类似的如图3所示的空间频率分量。在此实施例中同样，如果适当选择光圈318A的尺寸d3，可以去除二次谐波Sf2或更高阶谐波的高频分量。
为了实现上述方案，获得表示该实施例中单边远心光学系统314的成像特性的MTF(调制传递函数)特性。在此实施例中使用漫射光源。因此如图8A所示的表示MTF特性的图中，值从100％的状态逐渐降低，振幅强度比在空间频率fc3(称之为空间截止频率)处为0。也就是说，空间截止频率fc3代表由于从光源302发出的光产生的单边远心光学系统314的分辨率极限(或者单边远心光学系统314在空间截止频率fc3处所成像的对比度为0(此处，“对比度为0”包括了获得不能观察到对比度的对比度水平情况))。如果用λ代表光波长，空间截止频率fc3可用式(12)表示(空间截止频率fc3等于光截止频率fc(＝2·NAopt/λ))。
fc3＝2·NAopt/λ (12)
因此，空间截止频率fc3设定为基本空间频率Sf1和二次谐波Sf2之间的一个值，如图8B所示(式(13))。
Sf1＜fc3＜Sf2 (13)
即，通过来自式(1)、(12)和(13)的式(14)可计算光圈318A的尺寸d3，由此可以避免二次谐波Sf2或更高阶次的谐波的高频分量影响基本空间频率Sf1所产生的光栅310的像。
λ·fb·Sf1＜d3＜λ·fb·Sf2 (14)
采用特定值进行计算。当光栅310的间距为10μm(基本空间频率Sf1为1/(10μm)，二次谐波频率Sf2为1/(5μm))，波长λ为660nm，并且成像透镜316的焦距fb为10mm时，通过式(14)可得到光圈318A的尺寸d3，如式(15)所示：
0.66mm＜d3＜1.32mm (15)
同样通过式(12)和(13)可以得到式(16)表示的关系：
0.033＜NAopt＜0.066 (16)
上述特定值仅仅是范例，可以使用其他值。
同样在此实施例中，当光圈318A的尺寸d3满足上述条件，则可消除光栅310产生的多余谐波分量，根据MTF值在合适的对比度处检测到光栅310的图像。
接下来参考图9、10A、10B和10C介绍第四实施例。
第三实施例中，光电编码器300是透射型，相比之下，本实施例中的光电编码器400是反射型的。也就是说本实施例与第二实施例中的光电编码器200不同的地方在于光源402，光源402被设置为与第三实施例中的光源302相同的条件。接下来将详细介绍该实施例。
在此实施例中，同样通过光源402和准直透镜404配置成漫射光源。与第三实施例类似，同样可获得式(10)。
也就是说，光源的光通量角θ4大于检测光通量角(式(17))。
θ4＞φ4 (17)
因此，在与第三实施例类似的方式中，光圈418A的尺寸d4(＝d3)由基于式(14)的式(18)得到。
λ·fb·Sf1＜d4＜λ·fb·Sf2 (18)
接下来将介绍标尺406相对于单边远心光学系统414的光轴O发生放置误差的情况。
在此实施例中，当标尺406在安装到配合使用的机器上时，如图10A所示，由于标尺406相对于光轴O的放置误差导致标尺406倾斜了误差角δθ，光源数值孔径NAlighht根据倾斜误差角δθ而增大，由此位置测量可以保持稳定。
如图10B所示，如果标尺406产生了δθ的误差角时，本应垂直入射在标尺406上的光(称之为主入射光)Mri被反射，形成以2·δθ倾斜的光(称之为主出射光)Mro。因此，光源光通量角由两个角度表示；将主入射光束Mri作为参照，一个是位于Mri上部的通量角θ4UP，另一个是图10B中位于Mri下部的通量角θ4DWN。另外，如图10C所示，当Mri作为参考时，检测通量角由两侧的两个角度表征。因此，04UP和04DWN的值必须分别大于并且必须满足式(19)和(20)。
θ4UP＝θ4-2·δθ＞φ4 (19)
θ4＞φ4+2·δθ (20)
注意，使用式(19)和(20)时，应将与θ4UP和θ4DWN中的较小者进行比较。在此实施例中，基于图10B，与较小的角θ4UP比较。
此处，光源的数值孔径NAlight＝sinθ4，光源402的尺寸D4(＝D3)通过式(9)计算(式(21))获得。
D4＞2·fa·sin(φ4+2δθ) (21)
采用特定值进行计算。当光栅410的间距为10μm(基本空间频率Sf1为1/(10μm)，并且二次谐波频率Sf2为1/(5μm))，波长λ为660nm，获得式(16)所示的检测数值孔径NAlight的范围。当检测数值孔径NAopt是0.061时，检测光通量角
是3.5度。当误差角δθ是0.1度，则式(21)可表达为式(22)：
D4＞2·fa·0.065 (22)
当误差角δθ是0，则式(21)可表达为式(23)：
D4＞2·fa·0.061 (23)
即，确定光源402的尺寸D4或者焦距fa以满足式(22)。
上述特定值仅仅是范例，可以使用其他值。
此实施例中，如上所述，标尺406作为一个独立的部件，并安装在配合的机器上。因此很容易产生倾斜误差δθ。在这种情况下，比较式(22)和(23)，并且根据误差角δθ相应增加光源402的尺寸D4，或者缩短光源402和准直透镜404之间的距离(焦距fa)。即，可以通过增加光源数值孔径NAlight来保持漫射光源的状态，从而使得位置测量稳定。
当光源具有上述的尺寸时，配置不是仅限于此实施例，使光源数值孔径NAlight增大的设计可用于第三实施例中透射型的光电编码器300。
虽然本发明介绍了优选的实施例，但是本发明不限于上述实施例。当然可以在不偏离本发明主旨基础上进行改进和设计上的改变。
在上述实施例中，例如，标尺用单边远心光学系统作为成像系统。但是，本发明并不限于此。如图11所示的第五实施例，例如，光接收元件的单边远心光学系统514可用作成像光学系统。在这种情况下，即使成像透镜520和光接收元件522的光接收表面之间的距离轻微变化，透镜520所成像的图像放大率也不发生变化。即，即使光接收元件522和成像透镜520安装位置有轻微变化，也可保持精确的位置测量。如果成像透镜520的焦距是fc，检测数值孔径NAopt可表示为式(24)：
NAopt＝d5/(2·(a5-fc)) (24)
如图12所示的第六实施例，双边远心光学系统614可用作成像光学系统，其中光圈挡片618的光圈618A置于光轴O上成像透镜616、620的焦距处。在这种情况下，即使成像透镜616和光栅610之间的距离发生轻微变化，成像透镜616所成图像的放大率不变。进一步，即使成像透镜620和光接收元件622的光接收表面之间的距离发生轻微变化，成像透镜620所成图像的放大率不变。即，即使成像透镜616和标尺606之间的距离在将光电编码器600安装到配合使用的机器上时发生轻微变化，甚至光接收元件622和成像透镜620之间的安装位置发生轻微变化，也可保持精确位置测量。检测数值孔径NAopt可表示为式(25)：
NAopt＝d6/(2·a6) (25)
在上述各实施例中，光圈挡片置于焦点处。但是，没必要总是将光圈挡片置于焦点处，而且并不是总要求有光圈挡片。即使在不使用光圈挡片的情况下，当使用成像透镜时，通过使用成像透镜限制光圈，因此光圈的尺寸基本确定(如图14所示)。在图14中，成像透镜316的尺寸使得从标尺306上的光栅310观察单边远心光学系统314时，发射光束中只有在检测光通量角的范围内的光通量才能通过成像透镜。在这种情况下，如果用D表示成像透镜316的直径，光源数值孔径NAlight可用式(26)限定：
NAlight＝Sin{tan-1(D/2·a1)}
当D＜＜a1时，
NAlight≈D/(2·a1) (26)
如图13所示的第七实施例，可以只使用光圈挡片718而不使用透镜。即使当只用光圈挡片718时，成像功能由光圈当片的光圈718A执行，光栅710可以在光接收元件722的光接收表面上成像。在这种情况下，与上述任何实施例相比可以减小生产成本，同时进一步减少共轴光轴所需的工时。
上述实施例中，准直透镜(照明透镜)用作照明光学系统。但是本发明并不限于此。例如，一个可以使光源发出的光的一部分通过的带有前孔径的前置光圈挡片可以作为照明光学系统使用。在这种情况下，照明光学系统的成本很低，而且可以很容易的进行共轴光轴。
上述实施例中光电编码器为线性编码器，但是本发明并不限于此，例如，可以配置旋转编码器。
上述实施例是作为独立的发明分别介绍的，但是本发明并不限于此，任何构成要素可以适当的互相结合。
在上述实施例中，焦距fa、fb、fc在不同的实施例中是一样的。可选择的，不同的实施例中可改变特定值，或焦距fa、fb、fc可以相等。
Claims (12)
1.一种光电编码器，包括：
光源(102、202、302、402、502、602、702)，配置用于发射光；
标尺(106、206、306、406、506、606、706)，具有均匀间隔光栅(110、210、310、410、510、610、710)，并被配置为通过光栅调制光源(102、202、302、402、502、602、702)发出的光；
光接收元件(122、222、322、422、522、622、722)，配置用于检测光栅(110、210、310、410、510、610、710)调制过的光；以及
光学成像系统(114、214、314、414、514、614)，配置用于对光栅(110、210、310、410、510、610、710)调制过的光成像；
其中
由于标尺(106、206、306、406、506、606、706)相对于所述编码器的所述光学成像系统的光轴O的放置误差导致所述标尺(106、206、306、406、506、606、706)倾斜了误差角δθ，从而位于相对于来自所述光源(102、202、302、402、502、602、702)的所述倾斜的主入射光Mri上部的通量角θ4UP、来自所述光源(102、202、302、402、502、602、702)的所述倾斜的主入射光Mri的光源光通量角θ4、倾斜的主出射光Mro的检测光通量角以及所述误差角δθ满足公式：
θ4UP＝θ4-2·δθ＞
该成像光学系统(114、214、314、414、514、614)包括第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)，由光栅(110、210、310、410、510、610、710)调制过的部分光被允许通过该第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)传输，该第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)具有当空间截止频率fc1、fc2、fc3的值在傅立叶变换获得的光栅(110、210、310、410、510、610、710)基本空间频率和基本空间频率Sf1的二次谐波Sf2之间时所需要的尺寸，所述空间截止频率fc1、fc2、fc3是表示由于光源(102、202、302、402、502、602、702)发出的光导致的所述成像光学系统(114、214、314、414、514、614)的分辨率极限的基本空间频率Sf1。
2.根据权利要求1所述的光电编码器，其中
所述光源(102、202、302、402、502、602、702)被配置为以波长λ来发射光，所述编码器包括一个检测数值孔径(NAopt)，所述空间截止频率fc3满足所述公式
fc3＝2·NAopt/λ。
3.根据权利要求1所述的光电编码器，进一步包括：
照明光学系统(104、204、304、404、504；604、704)，配置为采用光源(102、202、302、402、502、602、702)发出的光照亮标尺(106、206、306、406、506、606、706)，
其中当光源数值孔径NAlight小于检测数值孔径NAopt时，空间截止频率fc1、fc2、fc3具有由检测数值孔径NAopt除以光波长λ获得的值，所述光源数值孔径NAlight取决于光源(102、202、302、402、502、602、702)到照明光学系统(104、204、304、404、504、604、704)的距离和光源(102、202、302、402、502、602、702)大小，并且所述检测数值孔径NAopt取决于光栅(110、210、310、410、510、610、710)到光学成像系统的距离和第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)的大小。
4.根据权利要求1所述的光电编码器，进一步包括：
照明光学系统(104、204、304、404、504；604、704)，配置为采用光源(102、202、302、402、502、602、702)发出的光照亮标尺(106、206、306、406、506、606、706)，
其中当由光源(102、202、302、402、502、602、702)到照明光学系统(104、204、304、404、504；604、704)的距离和光源(102、202、302、402、502、602、702)大小决定的光源数值孔径NAlight大于由光栅(110、210、310、410、510、610、710)到光学成像系统(114、214、314、414、514、614)的距离和第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)的大小决定的检测数值孔径NAopt时，
空间截止频率fc1、fc2、fc3具有由检测数值孔径NAopt的2倍除以光波长λ获得的值。
5.根据权利要求4所述的光电编码器，其中根据标尺(106、206、306、406、506、606、706)相对于照明光学系统(104、204、304、404、504、604、704)的光轴O的放置误差所产生的误差角δθ，光源(102、202、302、402、502、602、702)到照明光学系统(104、204、304、404、504、604、704)的距离缩小，或者光源(102、202、302、402、502、602、702)的尺寸增大。
6.根据权利要求3-5的任何一项所述的光电编码器，其中照明光学系统(104、204、304、404、504；604、704)包括第二光圈挡片，或者配置为偏转光的照明透镜，所述第二光圈挡片具有允许部分从光源(102、202、302、402、502、602、702)发出 的光可通过其中传输的第二光圈。
7.根据权利要求1-5的任何一项所述的光电编码器，其中光源(102、202、302、402、502、602、702)与成像光学系统(114、214、314、414、514、614)置于标尺(106、206、306、406、506、606、706)的同侧，成像光学系统(114、214、314、414、514、614)对标尺(106、206、306、406、506、606、706)反射的光成像。
8.根据权利要求7所述的光电编码器，其中成像光学系统(114、214、314、414、514、614)包括第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)挡片，其上放置第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)。
9.根据权利要求8所述的光电编码器，其中成像光学系统(114、214、314、414、514、614)包括至少一个成像透镜(116、216、316、416、520、616、620)，使光栅(110、210、310、410、510、610、710)调制过的光偏转。
10.根据权利要求9所述光电编码器，其中成像光学系统(114、214、314、414、514、614)形成为单边远心光学系统，其中的第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)挡片的第一光圈(118A、218A、318A、418A、518A、618A、718A)置于光轴(O)上一个成像透镜(116、216、316、416、520、616、620)焦点位置。
11.根据权利要求9所述光电编码器，其中光学成像系统(614)形成为双边远心光学系统(614)，其中的第一光圈(618)挡片的第一光圈(618A)置于光轴O上两个成像透镜(616、620)之间的焦点位置。
12.根据权利要求1所述的光电编码器，进一步包括：
照明光学系统(104、204、304、404、504、604、704)，配置采用光源(102、202、302、402、502、602、702)发出的光照亮标尺(106、206、306、406、506、606、706)，
其中取决于光源(102、202、302、402、502、602、702)到照明光学系统(104、204、304、404、504、604、704)的距离和光源(102、202、302、402、502、602、702)大小的光源数值孔径NAlight为0时，空间截止频率fc1、fc2、fc3具有通过检测数值孔径NAopt除以光波长λ获得的值。
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| CN104656173B (zh) * | 2015-02-09 | 2017-05-03 | 浙江大学 | 一种基于光通量约束的随机编码混合光栅 |
| JP6634249B2 (ja) * | 2015-09-14 | 2020-01-22 | 株式会社ミツトヨ | 絶対位置検出型光電式エンコーダ |
| JP6883939B2 (ja) * | 2015-09-14 | 2021-06-09 | 株式会社ミツトヨ | 光電式エンコーダ |
| US10302466B2 (en) * | 2017-06-29 | 2019-05-28 | Mitutoyo Corporation | Contamination and defect resistant optical encoder configuration including first and second illumination source diffraction gratings arranged in first and second parallel planes for providing displacement signals |
| TWI675187B (zh) * | 2017-12-19 | 2019-10-21 | 財團法人工業技術研究院 | 光學編碼器 |
| DE102018251727A1 (de) * | 2017-12-29 | 2019-07-04 | Mitutoyo Corporation | Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehpositionsgeberkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1438532A (zh) * | 2002-02-13 | 2003-08-27 | 欧姆龙株式会社 | 光学编码器 |
| EP1382941A1 (en) * | 2002-07-16 | 2004-01-21 | Mitutoyo Corporation | Grating encoder using fiber optic receiver channels and displacement measuring apparatus |
| CN100451559C (zh) * | 2004-03-19 | 2009-01-14 | 三丰株式会社 | 光电式编码器 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4950891A (en) * | 1987-09-30 | 1990-08-21 | Kabushiki Kaisha Okuma Tekkosho | High resolution optical encoder having a long detection stroke |
| JP3301249B2 (ja) * | 1995-01-26 | 2002-07-15 | 株式会社ニコン | 反射用光学素子及びその製造方法 |
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| JP2007248302A (ja) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Mitsutoyo Corp | 光電式インクリメンタル型エンコーダ |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1438532A (zh) * | 2002-02-13 | 2003-08-27 | 欧姆龙株式会社 | 光学编码器 |
| EP1382941A1 (en) * | 2002-07-16 | 2004-01-21 | Mitutoyo Corporation | Grating encoder using fiber optic receiver channels and displacement measuring apparatus |
| CN100451559C (zh) * | 2004-03-19 | 2009-01-14 | 三丰株式会社 | 光电式编码器 |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |