CN1036633A

CN1036633A - 光学编码器

Info

Publication number: CN1036633A
Application number: CN89101853.0A
Authority: CN
Inventors: 市川宗次
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1988-02-22
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 1989-10-25
Also published as: US5026164A; GB8903837D0; JPH01180615U; DE3904898A1; IN171487B; US5067816A; GB2216256A; GB2216256B; JPH07888Y2; CN1015407B; DE3904898C2

Abstract

三光栅系统光学编码器，用于透过照射第一光栅的光的第二光栅的栅距P设置为比第一光栅距P更大且第二光栅透光部分的长度比栅距P的长度小。此布置可改善透过第二光栅各照射光间的不相干性，提高检测信号的SN。使用时，第二和第三光栅彼此分开地形成在第二刻度尺状组件上的彼此不同位置，还可形成具有彼此不同的相位差的多元第三光栅，从而可获具有不同的相位差的多元的光接收信号。可实现所需的三光栅系统的反射型光学编码器。

Description

本发明涉及到的是光学编码器，更具体地说，是一种称之为三光栅的光学编码器，它包括有：三个刻度尺状组件（透射型编码器）或两个刻度尺状组件（反射型编码器），且每一组刻度尺状组件都是与三种类型的周期性光栅相结合而构成的;一个用于照射这三类光栅的光源;一个用于接收已受到这三类光栅限制了的照射光的光接收元件;并可由此而提供一个相应于某两个部件间相对位移的周期性的检测信号。

在机床及其它类似的设备中，对于测量一固定部件和一可移动部件间相对位移的测量装置来说，现已公知的位移测量装置包括一个用以产生一相应于相对位移的周期性检测信号的光学编码器和一个用以将一检测信号转换为脉冲信号、并对其计数、积分的计算器。

对光学编码器而言，除了利用两类光栅重叠而形成的种种变化的普通编码器之外，现已公知的还有所谓的三光栅系统，这一系统是利用三类光栅12、14和16重叠而形成的种种变化，如图11所示。这类三光栅系统的基本原理如《美国光科学（Journal of the Optical Sociaty of America）》，1965年，Vol 55、No4，pp373-381所示，并已公开在美国专利3812352和英国专利申请44522/74中，尽管它们尚不十分理想。

图11所示的系统就是《SPIE（Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers）》，Vol136，1st European Congress on Optics Applied to Metrology（1977），pp325-331中所公开的系统。

如图11所示，这种已简化了的三光栅系统包括：一个栅距为P₁的第一光栅12;一个栅距为P₂的第二光栅14，它设置在距第一光栅12的距离为U的位置上;一个栅距为P₃的第三光栅16，它与第二光栅14相向设置且距第一光栅12的距离为V;一个光源18，它产生一个穿过第二光栅14的且沿第一、第三光栅12、16方向传播的漫射光;一个位于第三光栅16后面的光接收元件20，它用于检测已受到第一至第三光栅12、14和16限制了的照射光并对其进行光电变换;一个用以放大光接收元件20给出的信号并将其转换为检测信号a的前置放大器22;而且当第一光栅方位为X方向时，检测信号a为一周期性正弦波。

为清楚起见，现将前述的参数P₁、P₂、P₃、U、V和检测信号a之间的关系划分成几何系统和衍射系统两类，如表1所示。在表1中，l为自然数，λ为照射光有效波长。

表1

几何系统衍射系数

p₁p₁p₁

p₂｛（u+v）/v｝p₁｛（u+v）/v｝（p_1/2）

p₃｛（u+v）/u｝p₁｛（u+v）/u｝（p_1/2）

u u u

V ≠（lup² ₁）/（λu-lp² ₁）

（l为大于等于的整数）

检测信 p₁p_1/2

号节距（光学意义上的二分之一）

以前面描述的传统的三光栅系统，比如说几何系统为例，若第一光栅12的暗部分长度等于其亮部分长度＝10μm，则栅距p₁＝20μm，若光栅间隔u＝v≠5mm，则可知

第二光栅14的栅距p₂为

｛（u+v）/v｝p₁＝40μm，

第三光栅16的栅距p₃为

｛（u+v）/u｝p₁＝40μm。

若再以衍射系统为例，若第一光栅12的暗部分长度＝其亮部分长度＝20μm，该栅距p₁＝40μm，且光栅间隔u＝v≠5mm，则可知

第二光栅14的栅距p₂为

｛（u+v）/v｝（p_1/2）＝40μm，

第三光栅16的栅距p₃为

｛（u+v）/u｝（p_1/2）＝40μm

然而，对于传统的三光栅系统，虽然所提供的检测信号a中的直流分量是足够大的，但周期性信号中的交流分量的峰峰值却很小，如12所示，因而不能充分满足后继电路中所要求的信噪比（SN比）。

根据本发明者所作的实验，若用传统的方法进行十一次采样，若采用前述的几何系统，并且每一次实验的光栅栅距分别为p₁＝20μm，p₂＝40μm，p₃＝40μm，光栅间隔为u＝v≠5mm，各光栅均具有相等长度的暗部分和亮部分，则按下述方程式

SN比＝（PP/DC）X100% （1）

所确定的SN比最低为12%，最高为17%，其平均值为14.7%因而所得到的SN比是不能令人满意的。

若采用前述的衍射系统用传统方法进行类似的实验，且各光栅栅距分别为p₁＝40μm，p₂＝40μm，p₃＝40μm，光栅间隔为u＝V≠5mm，各光栅均具有相等长度的暗部分和亮部分，则所得到的实验数据和上述的数据基本上相同，显然也不能得到令人满意的SN比。

当利用三光栅系统制作反射型编码器时，如果将第一光栅12形成在某一反射型主刻度尺状组件上，而将形成在分刻度尺组件上的第二光栅14和第三光栅16作为共用光栅，则栅距p₂＝p₃，因而存在着栅距p₂和p₃不能彼此相对变化的缺点。

本发明为消除前述的现有技术的缺点而进行了改进，本发明的首要目的就是提供一种能使其检测信号具有足够高的SN比，从而能实现高精度测量的光学编码器。

本发明的第二个目的就是提供一种反射型光学编码器，其中形成在一个并且与原反射型光学编码器中使用的刻度尺状组件相同的组件（分刻度尺状组件）上的第二和第三光栅的栅距p₂和p₃可以设置为彼此不同的值，从而可以改善设计上的自由度。

为了实现其第一个目的，根据本发明构造的光学编码器应包括：

一个固定在一可相对移动的部件上的且形成有第一光栅的第一刻度尺状组件;

一个用于发射某种非准直照射光的光源;一个形成有第二光栅的第二刻度尺状组件，它用于部分地屏蔽来自光源的且照射第一光栅的照射光;一个形成有第三光栅的第三刻度尺状组件，它用于进一步限制已被第二和第一光栅限制了的照射光;一个用于检测已被第一至第三光栅限制了的照射光的光接收元件;上述各组件均固定在另一可相对移动的部件上;

上述两部件之间的相对位移可根据光接收元件给出的周期性变化的检测信号加以检测;

第二光栅的栅距p₂应设置为比第一光栅的栅距p₁更大，且第二光栅的透光部分的长度比第一光栅的栅距p₁的长度更小。

为了实现其第二个目的，根据本发明构造的反射型光学编码器应包括：

一个固定在一可相对移动的部件上的且形成有第一光栅的反射型第一刻度尺状组件;

一个用于发射某种非准直照射光的光源;一个形成有第二光栅的和在其相位上彼此不同且和第二光栅相分离的多元的第三光栅的第二刻度尺状组件，第二光栅用于部分地屏蔽来自光源的且照射第一光栅的照射光，第三光栅用于进一步限制已受到第二和第一光栅限制了的照射光;一个多元的光接收元件，它用于检测被第一至各相应的第三光栅分别限制了的照射光;所有上述组件均固定在可相对移动的另一部件上;

这两个部件之间的相对位移可根据光接收元件给出的周期性变化着的检测信号加以检测。

在根据本发明构造的上述三光栅光学编码器中，把用于透过照射第一光栅的光的第二光栅的栅距p₂设置为比第一光栅的栅距p₁更大，且使其透光部分（亮部分）的长度比第一光栅的栅距p₁的长度更小，从而改善了穿透过第二光栅的各束照射光之间的不相干性，提高了检测信号的SN比。其结果是简化了后继的信号处理并可实现高精度的位移检测。

更具体地说，比较好的形式是使这些彼此间有尽可能少的相互关联的不相干的次级光源由第二光栅14的各亮部分14B₁、14B₂、……14B_n所形成。换句话说，若由前述的亮部分14B₁、14B₂……14B_n所形成的这种次级光源是彼此不相干的次生光源，则是最理想的。然而，如果用发光二极管（LEC）或灯泡作为初级光源18照射第二光栅14，那么，当各亮部分14B之间的间隔相当小时，则很难形成彼此不相干的次级光源，且当第一光栅12作相对移动时，光接收元件20所给出的检测信号的SN比将会降低。因此根据本发明的教导，将第二光栅14的栅距p₂设置为比第一光栅12的栅距p₁更大且将第二光栅14的亮部分14B的长度设置为比第一光栅12的栅距p₁的长度更小，因此能增大各亮部分14B之间的间隔，从而改善了各次级光源之间的非相干性。

更具体地说就是，当第二光栅14的栅距p₂比第一光栅12的栅距p₁更大时，照射第一光栅12的光的散射性（照度偏差）将会增加，而当第二光栅14的亮部分14B相当小时，亮部分14B将会形成点光源，因而使光源变为高度散射光源。因此，所希望的是使第二光栅14的亮部分长度等于第一光栅12的栅距p₁或比其更小。用这种高度散射性的光照射第一光栅12，其结果将使得信号的峰峰分量与直流分量的比变大，从而大大地改善了SN比。

根据本发明，当用通用的方程式，如下所示，来分别描述这些关系时，采用几何系统的光栅成象可以被测定。

p₂≥（（u+v）/v）·m₁·p₁≥p₁（1）

p₃≥（（u+v）/u）·u₁·p₁（2）

第二光栅亮部分的长度＝第一光栅的栅距p₁的长度（3）

u＝v＝d （在反射型的情况下）（4）

或

v＝1up² ₁/（λu-lp² ₁）（在透射型的情况下）（5）

其中，m₁为大于1的正整数，n₁最好为大于1的正整数，即自然数，l为自然数。

当采用通用的方程式，如下所示，来分别描述上述关系式时，采用衍射系统的光栅成象可以被测定。

p₂≥（（u+v）/v）·m₂·p_1/2≥p₁（6）

p₃≥（（u+v）/u）·n₂·p_1/2（7）

第二光栅亮部分长度≤第一光栅栅距p₁的长度（8）

u＝v＝d （在反射型的情况下）（9）

或

v＝lup² ₁/（λu-lp² ₁）（在透射型的情况下）（10）

其中，m₂为大于1的正整数，n₂最好为大于1的正奇数。

根据本发明者所进行的实验，第二光栅的挡光部分14A与透光部分14B之比的最佳范围是3∶1至7∶1。

根据本发明者所进行的实验，若类似传统的实例那样采用如图1所示的几何系统进行实验，每次实验均进行十一次采样，在测量SN比时，取第一光栅12的栅距p₁＝20μm（其亮部分12B的长度＝其暗部分12A的长度＝10μm），第二光栅14的光栅栅距p₂＝80μm（此为传统方法的两倍，而且其亮部分14B的长度为20μm，暗部分14A的长度为60μm），第三光栅16的光栅栅距p₃＝40μm（其亮部分长度＝其暗部分长度＝20μm）、而且光栅间隔u＝v≠5mm，则获得的SN比最低为25%，最高为35%，平均值为30.4%，因此表明其SN比较传统实例改善了大约两倍。

类似的，在采用如图2所示的衍射系统的时候，若第一光栅12的光栅栅距p₁＝40μm（其亮部分12B的长度＝暗部分12A的长度），第二光栅14的光栅栅距p₂＝80μm（此为传统方法的两倍，而且其亮部分14B的长度为20μm，暗部分14A的长度为60μm），第三光栅16的光栅栅距p₃＝40μm，（其亮部分长度＝暗部分长度＝20μm），且光栅间隔u＝v≠5mm，所得到的数据基本上和相应的几何系统的相同。

附带说一下，采用本发明时，光源18和第二光栅14不一定必须彼此分开，也可以采用某种将光源和第二光栅彼此结合成一体的阵列形光源30，如图3所示。在这种情况下，结构可以被简化。

而且，第三光栅16和光接收元件20也不一定必须互相分开，也可以采用某种将第三光栅和光接收元件彼此结合成一体的阵列形的光接收元件32，如图4所示。这种布置也可使结构简化。

阵列形的光源30和阵列形的光接收元件32两者可以同时使用，此时将使结构进一步简化。

当使用三光栅系统来构造反射型编码器时，如果仅仅将第一光栅12形成在反射型第一刻度尺状组件上，而将在第二（第三）刻度尺状组件上形成的第二光栅14和第三光栅16作为共用光栅，则有光栅栅距p₂＝p₃，p₂和p₃在数值上不能彼此相对变化。因此重要的是，第二光栅14和第三光栅16应该彼此分开地形成在第二刻度尺组件上的彼此不同的位置上，进而还可以形成具有彼此不同的相位差的多元的第三光栅16，从而可以得到彼此具有不同相位差的多元的光接收信号。

利用以上所描述的布置，即使是反射型编码器，光栅栅距p₂和p₃也可以设置为彼此不同的值，因此，设计的自由度增加了。

进而，所需要的三光栅系统的反射型编码器是可以实现的，该编码器与透射型编码器相比，在尺寸上更为紧凑，因而更易于安装到被测的部件上。

本发明的确切的本质特征以及其它目的和优点，将根据下面的结合附图进行的详细描述进一步加以说明，各图中相同的或相类似的组件已附以相同的参考标号。

图1是本发明应用于几何系统的光学编码器的一个例子的示意图。

图2是应用本发明的衍射系统光学编码器的一个例子的示意图。

图3是利用了阵列形光源的一个例子的示意图。

图4是利用了阵列形光接收元件的一个例子的示意图。

图5是根据本发明构造的光学编码器的一个最佳实施例的主要部件的配置的剖视图。

图6是沿图5中v₁-v₁线所取的剖视图，它示出了上述最佳实施例中的第一光栅的构成。

图7是沿图5中v_Ⅱ-v_Ⅱ线所取的剖视图，它示出了上述最佳实施例中的第二和第三光栅的布置。

图8、图9是与图7相类似的剖视图，示出了第二和第三光栅的其它布置方式。

图10示出了上述实施例中信号处理回路的基本布置的电路示意图。

图11是传统的三光栅系统光学编码器的布置示意图。

图12是一幅用于表明检测信号的SN比的曲线图。

以下将结合附图描述本发明的最佳实施例。

第一个实施例是将本发明应用于几何系统的反射型光学编码器。如图5所示，根据第一实施例构造的反射型光学编码器应包括：

一个由玻璃制成的作为第一刻度尺状组件的主刻度尺状组件40，在其下表面上形成有栅距为p₁的第一光栅12，所说的主刻度尺组件固定在一可相对移动的部件上;

一个由LEP（发光二极管）或灯泡构成的、用于发射非准直照射光（波长λ≠0.8μm）的光源42;一个由玻璃制成的作为第二和第三刻度尺状组件的共用分刻尺状组件44，在其上表面上的相应部位形成有一个栅距为p₂的第二光栅14和若干个栅距为p₃的第三光栅16，第二光栅14用于部分地屏蔽来自光源42的且照射主刻度尺状组件40上的第一光栅12的照射光，第三光栅16用于进一步限制已被第二和第一光栅14和12限制了的照射光，在这种布置中，第三光栅16夹着第二光栅14;一个光接收元件48，它用于接收已受到第一至各相应的第三光栅12、14和16限制了的照射光，所说的光接收元件被固定在与位于开口组件46之下的第三光栅16的相对应的位置处，如图5所示，在它们之间形成有用于通过来自光源42的照射光的开口46A;上述这些组件均固定在可相对移动的另一部件上。

如图6所示，第一光栅12由设置在主刻度尺状组件40下表面上的栅距为p₁的纵向条纹状刻度所形成。

如图7详细所示，第二光栅14和第三光栅16是这样布置的，即在分刻度尺状组件44的中央部位形成用于形成多个线性光源的栅距为p₂的第二光栅14，在第二光栅14的两侧形成有四个栅距为p₃的第三光栅16，后者分别具有其相位依次相差90°的相位A、相位B、相位 A、相位 B。在这两类光栅的周围是一铬沉积表面50，以防止如干扰光等等所产生的不良影响。而且，相位A、相位B、相位 A和相位 B的排列方式并不仅仅局限于图7所示的方式，还可以采用如图8、9所示的以及其它种不同的布置方式。而当仅仅需要区分其方向而不需要区分其相位时，则可仅采用两种相位。

如图10所示，用于处理由光接收元件48给出的输出信号以分别形成具有在相位上彼此相差90°的相位A和相位B的两相检测信号的电路回路应包括：

用于放大光接收元件48给出的相位分别为相位A、相位B、相位 A和相位 B的输出信号的电阻52A、52 A、52B、52 B以及运算放大器54A、54 A、54B、54 B;

用于差分放大相位为A的输出信号和相位为 A的输出信号或相位为B的输出信号和相位为 B的输出信号以分别形成相位为A的输出信号或相位为B的输出信号的电阻58A、58 A、58B、58 B和60A、60B和62A、62B以及运算放大器64A、64B。

采用几何系统的第一实施例中，第二光栅14的暗部分14A的长度为60μm，第二光栅14的亮部分14B的长度为20μm，该光栅栅距p₂为80μm。第一光栅12的暗部分12A的长度为10μm，第一光栅12的亮部分12B的长度为10μm，该光栅栅距p₁为20μm。第三光栅16的暗部分的长度为20μm，第三光栅16的亮部分的长度为20μm，该光栅栅距p₃为40μm。光栅间隔u＝v＝d可依玻璃折射率被校正并换算成空气折射率时的计算取为0.7～6mm。

当用实验的方式测定由这种第一实施方式所得到的检测信号的SN比时，正如已描述的那样，这一SN比已为30.4%，因而表明第一实施方式的SN比已大约改善为相应于第一实施方式的布置的传统布置方式的两倍。

本发明的第二最佳实施例是将本发明应用于下面将描述的衍射系统的反射型光学编码器。

在第二实施例中，第二光栅14的暗部分14A的长度为60μm，第二光栅14的亮部分14B的长度为20μm，该光栅栅距p₂为80μm，第一光栅12的暗部分的长度为20μm，第一光栅12的亮部分的长度为20μm，该光栅栅距p₁为40μm，第三光栅16的暗部分的长度为20μm，第三光栅16的亮部分的长度为20μm，该光栅栅距p₃为40μm，光栅间隔u＝v＝d＝0.5mm或更大。

这种布置的其它方面与第一实施例相类似，因而不再重复说明。

现已查明，第二实施例的SN比相应的传统布置改善了大约两倍，这与第一实施例相类似。

在上述各实施例中，应用本发明的反射型光学编码器均包括有由玻璃制作的主刻度尺状组件40，然而本发明的应用范围并不仅限于此，显然，本发明还可以应用于具有金属制作的反射型主刻度状组件的反射型光学编码器，以及应用于具有由玻璃制作的透射型主刻度尺状组件的透射型光学编码器，其第二光栅14和第三光栅16形成在设置在所说的主刻度尺状组件（第一光栅）两侧的两个刻度尺状组件上，其布置方式如图1至图4所示。

在上述的各实施例中，本发明是应用于直线型编码器，然而本发明的应用范围并不仅限于此，显然，本发明还可以应用于类似的环型编码器。

Claims

1、一种光学编码器，包括：

一个固定在一可相对移动的部件上的且形成有第一光栅的第一刻度尺状组件；

一个用于发射非准直照射光的光源；一个形成有第二光栅的第二刻度尺状组件，它用于部分地屏蔽来自光源的且照射第一光栅的照射光；一个形成有第三光栅的第三刻度尺状组件，它用于进一步限制已被第二和第一光栅限制了的照射光；一个用于检测已被第一至第三光栅限制了的照射光的光接收元件；上述各组件均固定在另一可相对移动的部件上；

上述两部件之间的相对位移可根据光接收元件给出的周期性变化着检测信号加以检测；

其特征在于第二光栅的栅距P₂应设置为比第一光栅的栅距P₁更大，且第二光栅的透光部分的长度比第一光栅的栅距P₁的长度更小。

2、如权利要求1所述的光学编码器，其特征在于所说的光源是发光二极管或灯泡。

3、如权利要求1所说的光学编码器，其特征在于第二光栅栅距P₂、第三光栅栅距P₃、第一光栅和第二光栅间的光栅间隔u以及第一光栅和第三光栅间的光栅间隔v的设置应进一步满足下述方程式所限定的关系，由此来检测反射型几何系统的光栅成象，

p₂≥（（u+v）/v）·m₁·p₁≥p₁

p₃≥（（u+v）/u）·n₁·p₁

u＝v

其中，m₁、n₁分别是m₁＞1、n₁≥1的自然数。

4、如权利要求1所说的光学编码器，其特征在于第二光栅栅距P₂、第三光栅栅距p₃、第一光栅和第二光栅间的光栅间隔u以及第一光栅和第三光栅间的光栅间隔v的设置应进一步满足下述方程式所限定的关系，由此来检测透射型几何系统的光栅成象。

p₂≥（（u+v）/v）·m₁·p₁≥p₁

p₃≥（（u+v）/u）·n₁·p₁

v＝1up² ₁/（λu-1p² ₁）

其中，m₁n₁、l分别是m₁＞1、n₁≥1、l≥1的自然数，λ是光源的有效波长。

5、如权利要求1所说的光学编码器，其特征在于第二光栅栅距p₂、第三光栅栅距p₃、第一光栅和第二光栅间的光栅间隔u以及第一光栅和第三光栅间的光栅间隔v的设置应进一步满足下述方程式所限定的关系，由此来检测反射型衍射系统的光栅成象。

p₂≥（（u+v）/v）·m₂·p_1/2≥p₁

p₃≥（（u+v）/u）·n₂·p_1/2

u＝v

其中，m₂是m₂＞1的自然数，n₂是n₂≥1的正奇数。

6、如权利要求1所说的光学编码器，其特征在于第二光栅栅距p₂、第三光栅栅距p₃、第一光栅和第二光栅间的光栅间隔u以及第一光栅和第三光栅间的光栅间隔v的设置应进一步满足下述方程式所限定的关系，由此来检测透射型衍射系统的光栅成象，

p₂≥（（u+v）/v）·m₂·p_1/2≥p₁

p₃≥（（u+v）/u）·n₂·p_1/2

v＝1up² ₁/（λu-lp² ₁）

其中，m₃是m₂＞1的自然数，n₂是n₂≥1的正奇数，l是自然数，λ是光源的有效波长。

7、如权利要求1所说的光学编码器，其特征在于所说的光源和第二光栅相互结合成一体以形成一阵列形光源。

8、如权利要求1所说的光学编码器，其特征在于所说的第三光栅和光接收元件相互合成一体以形成一阵列形光接收元件。

9、一种反射型光学编码器，包括：

一个用于发射某种非准直照射光的光源;一个形成有第二光栅和在其相位上彼此不同且和第二光栅相分离的多元的第三光栅的第二刻度尺状组件，第二光栅用于部分地屏蔽来自光源的且照射第一光栅的照射光，第三光栅用于进一步限制已受到第二和第一光栅限制了的照射光;一个多元的光接收元件，它用于检测被第一至各相应的第三光栅分别限制了的照射光;所有上述组件均固定在可相对移动的另一部件上;

这两个部件间的相对位移根据所说的光接收元件给出周期性变化着的检测信号加以检测。

10、如权利要求9所说的反射型光学编码器，其特征在于第二光栅的栅距p₂设置为比第一光栅的栅距p₁更大且第二光栅的透光部分的长度比第一光栅的栅距p₁更小。