CN103674081B - 标尺、编码器、透镜装置以及图像拾取系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及标尺、编码器、透镜装置以及图像拾取系统。标尺（20）具有多个图案以在空间上调制能量分布，所述标尺包括在移动方向上具有第一调制周期的第一图案、以及在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案，第一图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向而改变，第一图案和第二图案中的每一个通过包括反射光的反射部（26）和不反射光的非反射部（25）而被配置，以及沿所述与移动方向垂直的方向，在第一位置处的反射部（26）在移动方向上的宽度不同于在与第一位置不同的第二位置处的所述宽度。

Description

标尺、编码器、透镜装置以及图像拾取系统

技术领域

本发明涉及编码器（encoder）和用于编码器的标尺（scale）。

背景技术

日本专利No.2011-237231公开了设置有用于检测与测量方向（移动方向）正交的横向（lateral direction）上的位移（displacement）的位移检测传感器以能够显示标尺与检测器之间的位移的编码器。在该配置中，检测器和标尺可被调整和固定以具有预定的位置关系，并因此可获得适当的信号特性。

然而，在日本专利公开No.2011-237231中公开的编码器中，需要位移检测传感器、用于将从位移检测传感器获得的输出信号连接到微计算机（信号处理电路）的周边电路等。因此，它是增加编码器的尺寸和成本的因素。另外，用于检测与测量方向（移动方向）垂直的方向（横向）的标尺区域和用于检测测量方向的标尺区域被彼此分离地布置。因此，由于位置变动（诸如偏转（yawing）），在它们之间产生位移，并且检测位置的精度被劣化。

发明内容

本发明提供能够以高的精度检测在与移动方向垂直的方向上标尺与检测器之间的相对位置的小尺寸且低成本的标尺和编码器。本发明还提供使用该编码器的透镜装置和图像拾取系统。

作为本发明的一个方面的标尺具有多个图案（pattern）以在空间上调制能量分布，该标尺包括在移动方向上具有第一调制周期的第一图案、以及在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案，第一图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向而改变，第一图案和第二图案中的每一个通过包括反射光的反射部和不反射光的非反射部而被配置，以及沿所述与移动方向垂直的方向，在第一位置处的反射部在移动方向上的宽度不同于在与第一位置不同的第二位置处的所述宽度。

作为本发明的另一方面的编码器包括：标尺，具有多个图案以在空间上调制能量分布；检测器，被配置为相对于标尺能够相对移动，并具有检测能量分布且在移动方向上排列的多个检测元件；以及信号处理器，被配置为处理检测器的输出信号以获得位置信息，标尺包括在移动方向上具有第一调制周期的第一图案、以及在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案，第一图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向而改变，以及信号处理器包括基于第一图案获得第一相位的第一相位获得单元、以及基于第二图案获得第二相位的第二相位获得单元，并被配置为基于第一相位和第二相位获得在所述与移动方向垂直的方向上的位置信号。

作为本发明的另一方面的透镜装置包括：能够在光轴方向上位移的透镜；以及被配置为检测透镜的位移的编码器。

作为本发明的另一方面的图像拾取系统包括：透镜装置；以及图像拾取装置，具有被配置为对于经由透镜获得的光学图像执行光电转换的图像拾取元件。

从参照附图对示例性实施例的如下描述，本发明的进一步的特征和方面将变得显而易见。

附图说明

图1是实施例1、2以及4中的每一个中的编码器的示意性配置图。

图2是实施例1中的轨道（track）的部分平面图。

图3是实施例1至4中的每一个中的图案的放大平面图。

图4是实施例1至4中的每一个中的图案的放大平面图。

图5是实施例1中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。

图6是实施例1中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。

图7是实施例1中的另一例子的轨道的部分平面图。

图8是实施例1中的另一例子的轨道的部分平面图。

图9是实施例2和4中的每一个中的轨道的部分平面图。

图10是实施例2至4中的每一个中的图案的放大平面图。

图11是实施例2和3中的每一个中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。

图12是实施例2和3中的每一个中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。

图13是实施例2和3中的每一个中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。

图14A和图14B是示出实施例2中的检测信号与标尺位置之间的关系的示图。

图15是实施例3中的编码器的示意性配置图。

图16是实施例3中的轨道的部分平面图。

图17是实施例3中的轨道的部分平面图。

图18A和图18B是示出实施例3中的检测信号与标尺位置之间的关系的示图。

图19是实施例4中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。

图20是实施例5中的图像拾取系统的横截面的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。在附图中，相同的元件将由相同的附图标记来表示，并且将省略其描述。

[实施例1]

首先，参照图1，将描述本发明的实施例1中的编码器的配置。本实施例的编码器被用于检测可动部（要被测量的对象）的位置（位移）。图1是本实施例中的编码器100A的示意性配置图。该编码器100A通过包括附接于固定部（未示出）的传感器单元10A（检测器）、附接于可动部（未示出）的标尺20、信号处理电路30（信号处理器）、以及存储单元40而被配置。本实施例不限于此，而且相反地，如果传感器单元10A和标尺20被配置为相对于彼此是可移动的，那么传感器单元10A可附接于可动部，并且标尺20也可附接于固定部。

传感器单元10A是由光接收部和发光部一体化配置的传感器单元，其在同一封装中安装光源12A（诸如LED）和具有光接收元件阵列16A的光接收IC14A。光接收元件阵列16A用作检测元件阵列，在该检测元件阵列中，检测来自标尺20的图案的能量分布的多个检测元件（多个光接收元件）被排列在X方向上，该X方向是标尺20（或可动部）的移动方向（长度测量方向）。在本实施例中，能量分布是光分布，但实施例不限于此。本实施例也可被应用于磁分布、电分布等被用作能量分布的情形。因此，例如，能量分布的调制意味着通过将光分布（光强度分布，或者时间或空间的光强度分布）照射到具有反射率分布的标尺等上的调制。对于磁分布或电分布同样如此。由此，传感器单元10A被配置为相对于标尺20是可移动的，并且检测能量分布的多个检测元件被排列在移动方向（X方向）上。

标尺20具有轨道21A。在轨道21A中，图案阵列被形成在玻璃板上，该图案阵列包括由铬反射膜形成的多个图案。在轨道21A上形成的该多个图案被配置为在空间上调制能量分布（诸如光分布、磁分布、或电分布）。由此，标尺20包括用于在空间上调制能量分布的该多个图案。

轨道21A相对于与X方向（移动方向）垂直的Y方向设置有多个区域，该多个区域在X方向上具有彼此不同的节距（pitch）（调制周期）。例如，当两种类型的区域被设置为该多个区域时，轨道21A设置有第一区域和第二区域，该第一区域具有在X方向上具有第一节距（第一调制周期）的第一图案，该第二区域具有在X方向上具有第二节距（第二调制周期）的第二图案。该第一调制周期和第二调制周期彼此不同。如下面描述的那样，第一图案和第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向（Y方向）而改变。

在本实施例中，光接收元件阵列16A被配置为接收来自标尺20的图案的反射光，但本实施例不限于此。本实施例也可被应用于它被配置为接收来自标尺20的图案的透射光的情形。换句话说，如果光接收元件阵列16A被配置为能够接收来自标尺20的图案的光，那么来自图案的反射光或透射光中的任一种均可被使用。

信号处理电路30处理传感器单元10A的光接收元件阵列16A的要转换成位置信息的输出信号。换句话说，信号处理电路30处理传感器单元10A的输出信号以获得位置信息。信号处理电路30还执行由传感器单元10A所获得的编码器信号的内插处理，将信号写到存储单元40，以及从存储单元40读取信号。信号处理电路30包括信号分离单元31、第一相位获得单元32、第二相位获得单元33、位置信息获得单元34、以及Y方向位置信息获得单元35。信号处理电路30还包括噪声滤波器、放大电路、以及A/D转换电路（未示出）。

信号分离单元31具有将来自光接收元件阵列16A的输出信号分离成与轨道21A的各区域（第一区域和第二区域）对应的信号的功能。如在本实施例中描述的那样，当光接收IC14A具有切换空间分辨率的功能和用于实现该功能的切换电路时，信号分离单元31向切换电路发送用于切换空间分辨率（连接）的信号。另一方面，当光接收IC14A不具有切换空间分辨率的功能和用于实现该功能的切换电路时，快速傅立叶变换（FFT）被执行以能够分离来自光接收元件阵列16A的输出信号。由此，信号分离单元31将与第一图案（第一区域）对应的第一信号和与第二图案（第二区域）对应的第二信号分离。可替代地，信号分离单元31可通过在光接收元件阵列16A上设置对于每个图案节距（对于每个区域）具有单独的光接收表面的光接收元件来实现。

第一相位获得单元32对于来自光接收元件阵列16A的输出信号（来自第一区域中的第一图案的输出信号）执行反正切（arc tangent）计算，以获得第一区域中的能量分布的相位信号Φ1（第一相位）。第一相位获得单元32还可用作下面描述的相对位置信号获得单元。第二相位获得单元33对于来自光接收元件阵列16A的输出信号（来自第二区域中的第二图案的输出信号）执行反正切计算，以获得第二区域中的能量分布的相位信号Φ2（第二相位）。当轨道21A设置有具有与第一节距和第二节距不同的第三节距（第三调制周期）的区域（第三区域）时，根据第三区域在信号处理电路30中设置第三相位获得单元36。

位置信息获得单元34基于第一相位和第二相位（以及第三相位）获得标尺20的位置信息。位置信息获得单元34还可包括相对位置信号获得单元和绝对位置信号获得单元，该相对位置信号获得单元获得表示标尺20的相对位置的相对位置信号，该绝对位置信号获得单元获得表示标尺20的绝对位置的绝对位置信号。

当检测标尺20的位置信息时，从设置在传感器单元10A中的光源12A发射的发散光束照射于标尺20的轨道21A上。然后，由轨道21A反射的光束被传感器单元10A的光接收元件阵列16A接收。光接收元件阵列16A接收光，作为其中轨道21A的反射率分布被放大为两倍的图像。由光接收元件阵列16A接收的光束被转换成电信号，并且作为编码器信号被发送到信号处理电路30。信号处理电路30将来自光接收元件阵列16A的输出信号转换成位置信息，并且标尺20的位置信息以高的精度被获得和输出。

接下来，参照图2，将描述本实施例中的轨道21A的配置。图2是轨道21A的部分平面图。轨道21A通过在与标尺20的移动方向（X方向）垂直的方向（Y方向）上交替地（依次地）排列两种类型的区域（区域23和区域24）而被配置。在区域24（第二区域）中，相对于Y方向上的第N个区域24-N的周期，第（N+1）个区域24-（N+1）的周期向X方向偏移-10μm。由此，区域24通过包括区域24-1、24-2、24-3、24-4、24-5…而被配置。区域23对应于上述的第一区域，并且区域24对应于上述的第二区域。在图2中，白色部分是透射或吸收光的非反射部25。黑色部分是反射光的反射部26、27以及28。

随后，参照图3，将描述区域23（第一区域）的配置。图3是示出区域23在X方向上的一个周期的放大平面图。区域23通过图案阵列而被配置，该图案阵列对于X方向上的每个节距P1（第一调制周期，在本实施例中为128μm）包括图3所示的图案。每个图案通过反射部26和非反射部25而被配置，该反射部26由反射膜构成以便反射光。节距P1用作上述的第一调制周期。在本实施例中，区域23在Y方向上的宽度W1是75μm。

反射部26在X方向上的宽度根据区域23在Y方向上的位置而不同。换句话说，沿与移动方向垂直的方向，第一位置处的反射部在移动方向上的宽度与不同于第一位置的第二位置处的宽度不同。在离Y方向上的中心的距离不大于W1/8的范围内，反射部26在X方向上的宽度为P1×23/30。在离Y方向上的中心的距离为W1/8至W1/4的范围内，反射部26在X方向上的宽度为P1×17/30。在离Y方向上的中心的距离为W1/4至W1×3/8的范围内，反射部26在X方向上的宽度为P1×13/30。在离Y方向上的中心的距离为W1×3/8至W1/2的范围内，反射部26在X方向上的宽度为P1×7/30。

随后，参照图4，将描述区域24（第二区域）的配置。图4是示出区域24在X方向上的一个周期的放大平面图。区域24通过图案阵列而被配置，该图案阵列对于X方向上的每个节距P2（第二调制周期，在本实施例中为256μm）包括图4所示的图案。每个图案通过反射部27和28以及非反射部25而被配置，该反射部27和28中的每一个由反射膜构成以便反射光。节距P2用作上述的第二调制周期。在本实施例中，区域24在Y方向上的宽度W2是75μm。

反射部27和28中的每一个在X方向上的宽度根据区域24在Y方向上的位置而不同。在离Y方向上的中心的距离不大于W2/6的范围内，反射部27在X方向上的宽度为P2×70/96。在该区域中，还自周期的两端中的每一个以P2×3/96的宽度形成反射部28。在离Y方向上的中心的距离为W2/6至W2×1/3的范围内，反射部27在X方向上的宽度为P2×54/96。在离Y方向上的中心的距离为W2×1/3至W2×1/2的范围内，反射部27在X方向上的宽度为P2×22/96。

由此，第一图案（第一区域）和第二图案（第二区域）中的每一个通过包括反射光的反射部和不反射光的非反射部而被配置。在与移动方向垂直的方向（Y方向）上，反射部在移动方向（X方向）上的宽度不同。

随后，参照图5和图6，将描述本实施例中的光接收元件阵列16A的配置。图5和图6是光接收元件阵列16A的光接收表面的平面图。光接收元件阵列16A包括在X方向上以32μm的节距排列的64个光接收元件17A。一个光接收元件17A在X方向上的宽度X_pd是32μm，并且在Y方向上的宽度Y_pd是900μm。光接收元件阵列16A的总宽度X_total是2048μm。由于标尺20上的图案被加倍（double）以被投影，因此标尺20上的检测范围是Y方向上450μm和X方向上1024μm的范围。由于区域23和24在Y方向上的宽度W1和W2中的每一个是75μm，因此，在标尺20上的检测范围中，对于在位置检测方向上具有128μm的节距的区域23和具有256μm的节距的区域24中的每一个，沿Y方向包括三行（three lines）。

来自光接收元件17A中的每一个的输出信号被输入到切换电路18。切换电路18连接到被布置在后续级处的四个第一级放大器（未示出）。切换电路18切换输出，使得从所有的光接收元件17A的输出信号中仅选择预定的输出信号。由切换电路18选择的信号被输出到四个第一级放大器。与输出端子A+、B+、A-以及B-对应的光接收元件17A与四个第一级放大器连接，输出端子A+、B+、A-以及B-分别指示A+、B+、A-以及B-相位。在该配置中，四相位正弦波输出S（A+）、S（B+）、S（A-）以及S（B-）被输出到四个第一级放大器。

切换电路18被配置为能够根据来自信号处理电路30的信号分离单元31的输入来切换光接收元件17A与输出端子之间的连接。因此，多个光接收元件17A中电相加（electric addition）的间隔被切换。当来自信号处理电路30的输入处于高电平时，如图5所示，标尺图案具有128μm的检测节距（256μm的反射图像的周期），并且仅来自区域23的周期信号可被分离。另一方面，当来自信号处理电路30的输入处于低电平时，如图6所示，标尺图案具有256μm的检测节距（512μm的反射图像的周期），并且仅来自区域24的周期信号可被分离。

对于各检测节距，相对于S（A+），四相位正弦波信号的相对相位具有对于S（B+）大约+90度、对于S（A-）大约+180度、以及对于S（B-）大约+270度的关系。信号处理电路30对于四相位正弦波输出S（A+）、S（B+）、S（A-）以及S（B-）执行由下式（1）和（2）表示的计算，以产生已去除了直流分量的二相位正弦波信号S（A）和S（B）。

S(A)=S(A+)-S(A-)...(1)

S(B)=S(B+)-S(B-)...(2)

当切换电路18的输入处于低电平时，S（A）的S（A+）和S（A-）对于128μm的标尺节距的图像具有相同的相位。因此，作为式（1）的差分（differential）计算的结果，S（A+）和S（A-）被抵消。对于S（B），同样如此。

信号处理电路30的第一相位获得单元32基于当切换电路18的输入处于高电平时的S（A）和S（B），通过由下式（3）表示的计算来获得区域23的能量分布的相位信号Φ1（第一相位）。在式（3）中，符号ATAN2[Y,X]是确定象限以便转换成0至2π的相位的反正切函数。

Φ1=ATAN2[S(A),S(B)]...(3)

类似地，信号处理电路30的第二相位获得单元33基于当切换电路18的输入处于低电平时的S（A）和S（B），通过由下式（4）表示的计算来获得区域24的能量分布的相位信号Φ2（第二相位）。

Φ2=ATAN2[S(A),S(B)]...(4)

信号处理电路30的位置信息获得单元34获得第一相位获得单元32的输出作为相对位置信号。位置信息获得单元34对相对位置信号的改变进行计数，以能够获得从测量开始位置作为预定周期被计数的标尺20所位于的周期数的信息。当在光接收IC14A中设置切换空间分辨率的功能和切换电路时，仅一个位置信息获得单元是足够的。

接下来，将描述在与位置检测方向（图中的X方向）垂直的方向（图中的Y方向）上传感器单元10A与标尺20之间的相对位置的位移的检测方法。

信号处理电路30的Y方向位置信息获得单元35基于由下式（5）表示的计算来获得信号Sy（位置信号）。

Sy=A·Φ1-B·Φ2...(5)

在式（5）中，符号A和B是任意的系数，当第一调制周期是P1且第二调制周期是P2时，该任意的系数满足A/B＝P1/P2的关系。

由于当从第四象限移动到第一象限时Φ1和Φ2中的每一个的值偏移2π，因此，为了在不依赖于X方向上的位置的情况下保持值的连续性，执行以下的处理是优选的。

首先，将Sy乘以系数k以替代Sy，其中，A×k和B×k中的每一个指示整数。可替代地，可通过整数来设定A和B。在以下的实施例中，与A和B中的每一个对应的系数通过整数来设定。并且，信号处理电路30在满足Sy<-π时重复Sy=Sy+2π的计算，并在满足Sy>+π时重复Sy=Sy-2π的计算，以将信号Sy转换到在-π与+π之间的输出范围中。

随后，将描述信号Sy对应于传感器单元10A与标尺20之间在Y方向上的相对位置的位移。区域23的能量分布的相位信号Φ1（第一相位）不依赖于Y方向上的位置y，并且相对于X方向上的位置x可被近似为下式（6）。

Φ1≒2Π×(x/P1)+C1...(6)

在式（6）中，符号C1表示预定的常数。

另一方面，区域24在Y方向上的一个周期的宽度是150μm，并且位置每一个周期被偏移10μm。因此，区域24的能量分布的相位信号Φ2（第二相位）相对于位置x和y可被近似为由下式（7）表示。

Φ2≒2Π×(x/P2)+2Π×(y/P2)×(10/150)+C2...(7)

在式（7）中，符号C2表示预定的常数。

在这种情况下，由于满足P1/P2＝1/2的关系，因此，式（5）被表示为Sy=1·Φ1-2·Φ2。式（5）的计算结果可被表示为下式（8）。

Sy≒y×(-4Π/(15×P2))+(C1-2×C2)...(8)

由此，信号Sy相对于Y方向上的位置线性地（或基本上线性地）改变，而不依赖于X方向上的位置。

通过监视获得的信号Sy的值，可容易地检测传感器（传感器单元10A）的扫描线的位移及其方向。如果LED灯根据信号Sy的值接通，那么可更容易地执行定位。例如，标尺图案可被设定，使得标尺20上的读取位置在Y方向上的宽度的中心（或中心附近）处指示Sy＝0。LED灯被设定，使得在满足Sy<0时红灯被接通，在满足Sy>0时蓝灯被接通，以及在满足Sy≒0时白灯被接通，由此，位移的方向是明显的，并且工作人员可容易地执行传感器单元10A与标尺20之间的相对定位。通过在将切换电路18的输入进行切换前后没有任何时间差（具有小的时间差）的情况下获得信号，可获得同一位置处（基本上同一位置处）的相位信号Φ1和Φ2。

在本实施例中，如图5和图6所示，包含于光接收元件阵列16A中的多个光接收元件17A的至少一部分作为获得相位信号Φ1的光接收元件和获得相位信号Φ2的光接收元件被共享。因此，与如传统上所采用的那样单独设置获得两种相位信号的光接收元件的情况相比，光接收元件阵列的尺寸被减小。

当标尺20以高速移动时，同步被劣化。在这种情况下，获得多个信号（相位）并将相位平均化以确保同步是优选的。首先，以128μm的检测节距获得信号S（A+）、S（A-）、S（B+）以及S（B-），并将切换电路18的输入从高电平切换到低电平。随后，以256μm的检测节距获得信号S（A+）、S（A-）、S（B+）以及S（B-），并将切换电路18的输入从低电平切换到高电平，从而以128μm的检测节距获得信号S（A+）、S（A-）、S（B+）以及S（B-）。获得信号的定时的间隔基本上是恒定的。通过将基于这些信号而计算的第一个相位信号Φ1和第二个相位信号Φ1平均化，相位信号Φ1和相位信号Φ2的同步可被提高。

本实施例的轨道21A通过在与标尺移动方向垂直的方向（Y方向）上周期性地排列两个区域而被配置，该两个区域在标尺移动方向（X方向）上具有彼此不同的节距（调制周期），但本实施例不限于此。例如，代替轨道21A，也可使用图7所示的轨道21D。图7是作为本实施例中的另一例子的轨道21D的部分平面图。

如图7所示，具有第一调制周期（128μm）的第一图案的区域23D（第一区域）形成于轨道21D上。另外，各具有第二调制周期（256μm）的第二图案的区域24D-1和区域24D-2（多个第二区域）形成于轨道21D上。区域23D（第一区域）与区域24D-1和24D-2（多个第二区域）中的每一个相邻，以在与移动方向垂直的方向（Y方向）上被设置在区域24D-1和24D-2之间。区域24D-1相对于区域24D-2在X方向上偏移-43μm。在图7中，白色部分是透射和吸收光的非反射部25。

区域23D、24D-1以及24D-2的宽度中的每一个为225μm。因此，当区域23D在Y方向上的中心和光接收元件阵列16A在标尺20上的检测范围彼此一致（coincide）时，区域23D是作为检测范围的Y宽度的1/2，并且区域24D-1和24D-2中的每一个是作为检测范围的Y宽度的1/4。当区域23D在Y方向上的中心和光接收元件阵列16A在标尺20上的检测范围彼此偏移时，区域24D-1与区域24D-2的比率被改变。因此，通过使用与式（5）的计算相类似的计算，可以检测Y方向上的位置。并且，区域24D-1和24D-2在X方向上的位移（偏移量）是第二调制周期的1/6（接近1/6）。因此，当Y方向上的检测范围位于标尺20的中心处时，第三谐波畸变的分量被从通过使用式（1）和（2）而检测的波形（检测波形）中去除。

本实施例不限于线性编码器，而且也可被应用于旋转编码器（rotary encoder）。当采用旋转编码器时，例如如图8所示，标尺图案被放射状地（radially）布置并且移动方向上的周期被以角度替代。图8是作为本实施例中的另一例子的轨道21E的部分平面图。在图8中，具有第一调制周期Pθ1（0.18度）的区域23E（第一区域）与具有第二调制周期Pθ2（0.36度）的区域24E-1和24E-2（统称为第二区域）相邻，并被布置于区域24E-1和24E-2之间。

在本实施例中，光学编码器被用作编码器100A，但是本实施例不限于此。例如，也可使用磁编码器、电容编码器等以获得类似的效果。当使用磁分布作为能量分布的磁编码器被采用时，磁性材料被用作标尺20，并且与本实施例的标尺20的反射膜的形状相类似地形成磁性能的极性分布。然后，靠近该标尺排列的磁场检测元件被布置以检测磁分布。当利用电分布作为能量分布的电容编码器被使用时，具有导电性的电极图案可被形成为具有与本实施例的标尺反射膜的形状相类似的形状，并且具有阵列形状的另一电极图案可被靠近地面对，以检测电分布。

根据本实施例，可以提供小尺寸且低成本的编码器和标尺，其能够以高的精度检测在与扫描方向（移动方向）垂直的方向上以及扫描方向上标尺与检测器之间的相对位置。

[实施例2]

接下来，将描述本发明的实施例2中的编码器。本实施例的编码器使用轨道21F代替实施例1的轨道21A。并且，代替实施例1的光接收IC14A，使用包括图11、图12以及图13所示的光接收元件阵列16E的光接收IC14E。其它的配置与实施例1中的配置相同，并因此省略配置的描述。

参照图9，将描述本实施例的轨道21F的配置。图9是轨道21F的部分平面图。在轨道21F中，在与标尺20的移动方向（X方向）垂直的方向（Y方向）上依次周期性地排列三种类型的区域（区域23、29以及24）。并且，在区域29中，相对于在Y方向上的第N个区域29-N的周期，第（N+1）个区域29-（N+1）的周期在X方向上偏移-10μm。

区域23（第一区域）如图3所示的那样被配置，该区域23包括其中以节距P1（第一调制周期，即，本实施例中的128μm）来布置图3的图案的图案阵列。在本实施例中，区域23在Y方向上的宽度W1是50μm。与实施例1相类似，反射部26在X方向上的宽度根据区域23在Y方向上的位置而不同。

区域24（第三区域）如图4所示的那样被配置，该区域24包括其中以节距P2（第三调制周期，即，本实施例中的257.560976μm）来布置图4的图案的图案阵列。在本实施例中，区域24在Y方向上的宽度W2是50μm。与实施例1相类似，反射部27和28中的每一个在X方向上的宽度根据区域24在Y方向上的位置而不同。

随后，参照图10，将描述区域29（第二区域）的配置。图10是示出区域29在X方向上的一个周期的放大平面图。区域29具有图案阵列，该图案阵列包括具有X方向上的节距P3（第二调制周期，即，本实施例中的512μm）的图10的图案。区域29中的每个图案通过反射部39和非反射部25而被配置，该反射部39由反射膜构成以反射光。在本实施例中，区域29在Y方向上的宽度W3是50μm。

反射部39的宽度根据区域29在Y方向上的位置而不同。在离Y方向上的中心的距离不大于W3/8的范围内，反射部39在X方向上的宽度是P3×185/240。在离Y方向上的中心的距离为W3/8至W3/4的范围内，反射部39在X方向上的宽度是P3×141/240。在离Y方向上的中心的距离为W3/4至W3×3/8的范围内，反射部39在X方向上的宽度是P3×105/240。在离Y方向上的中心的距离为W3×3/8至W3/2的范围内，反射部39在X方向上的宽度是P3×61/240。

由此，具有与第一调制周期和第二调制周期中的每一个不同的第三调制周期的第三图案在移动方向（X方向）上形成于轨道21F上。第三图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向（Y方向）改变。

随后，参照图11至13，将描述本实施例中的光接收元件阵列16E的配置。图11至13是光接收IC14E中的光接收元件阵列16E的光接收表面的平面图。光接收元件阵列16E在X方向上包括具有32μm的节距的64个光接收元件17E。一个光接收元件17E在X方向上的宽度X_pd是32μm，并且在Y方向上的宽度Y_pd是900μm。光接收元件阵列16E的总宽度X_total是2048μm。

由于标尺20上的图案被加倍以被投影，因此标尺20上的检测范围是Y方向上450μm和X方向上1024μm的范围。因此，在标尺20上的检测范围中，对于在位置检测方向上具有128μm的节距的区域23、具有257.560976μm的节距的区域24、以及具有512μm的节距的区域29中的每一个，沿Y方向包括三行。

来自光接收元件17E中的每一个的输出信号被输入到切换电路18。切换电路18连接到被布置在后续级处的四个第一级放大器（未示出）。切换电路18切换输出，使得从所有的光接收元件17E的输出信号仅选择预定的输出信号。由切换电路18选择的信号被输出到四个第一级放大器。与输出端子A+、B+、A-以及B-对应的光接收元件17E与四个第一级放大器连接，该输出端子A+、B+、A-以及B-分别指示A+、B+、A-以及B-相位。在该配置中，四相位正弦波输出S（A+）、S（B+）、S（A-）以及S（B-）被输出到四个第一级放大器。

切换电路18被配置为能够根据来自信号处理电路30的信号分离单元31的输入来切换光接收元件17E与输出端子之间的连接。因此，在多个光接收元件17E中电相加的间隔被切换。当来自信号处理电路30的输入处于高电平时，如图11所示，标尺图案具有128μm的检测节距（256μm的反射图像的周期），并且仅来自区域23的周期信号可被分离。另一方面，当来自信号处理电路30的输入处于低电平时，如图12所示，标尺图案具有256μm的检测节距（512μm的反射图像的周期），并且仅来自区域24的周期信号可被分离。当来自信号处理电路30的输入处于中间电平时，如图13所示，标尺图案具有512μm的检测节距（1024μm的反射图像的周期），并且仅来自区域29的周期信号可被分离。

对于各检测节距，相对于S（A+），四相位正弦波信号的相对相位具有对于S（B+）大约+90度、对于S（A-）大约+180度、以及对于S（B-）大约+270度的关系。信号处理电路30对于四相位正弦波输出S（A+）、S（B+）、S（A-）以及S（B-）执行由上式（1）和（2）表示的计算，以产生已去除了直流分量的二相位正弦波信号S（A）和S（B）。

当来自信号处理电路30的输入处于高电平时，如图11所示，对于与每个周期对应的每个相位的光接收元件阵列的区域在光接收表面的中心处是两个阵列，并且另一方面，该区域在周边处是一个阵列。由此，在本实施例中，在传感器单元10E中设置加权（weighting）单元，该加权单元对于检测第一图案（第一调制周期）的多个检测元件的输出信号根据多个检测元件的位置执行加权。加权单元被设定，使得通过加权获得的值在预定范围内不大于在没有加权的情况下获得的值，该预定范围包括第一相位获得单元32的空间频率响应的节距P3（第二调制周期）所对应的空间频率。

当来自信号处理电路30的输入处于低电平时，如图12所示，对于与每个周期对应的每个相位的光接收元件阵列的区域在光接收表面的中心处是四个阵列，并且另一方面，该区域在周边处是两个阵列。另外，在中心处的四个阵列不是连续的光接收元件，并且在两端的两个阵列被以相邻的检测相位替代。结果，与连续的四个阵列被累积（accumulate）的情况相比，有效的累积宽度增大，并且来自区域23的周期分量的影响可减少。

当来自信号处理电路30的输入处于中间电平时，如图13所示，对于与每个周期对应的每个相位的光接收元件阵列的区域在光接收表面的中心处是八个阵列，并且另一方面，该区域在周边处是两个阵列。关于S（A），S（A+）和S（A-）对于P1＝128μm和P2＝257.560976μm的图像具有相同的相位分量（基本上相同的相位分量）。因此，作为以上的差分计算的结果，区域23和24的周期分量被抵消并且衰减。对于S（B），同样如此。

接下来，将描述执行位置检测的处理的流程。信号处理电路30的第一相位获得单元32基于当切换电路18的输入处于高电平时的S（A）和S（B），通过由下式（9）表示的计算来获得区域23的能量分布的相位（相位信号Φ1）。在式（9）中，符号ATAN2[Y,X]是确定象限以便转换成0至2π的相位的反正切函数。

Φ1=ATAN2[S(A),S(B)]...(9)

类似地，信号处理电路30的第三相位获得单元36基于当切换电路18的输入处于低电平时的S（A）和S（B），通过由下式（10）表示的计算来获得区域24的能量分布的相位（相位信号Φ2）。

Φ2=ATAN2[S(A)，S(B)]...(10)

并且，信号处理电路30的第二相位获得单元33基于当切换电路18的输入处于中间电平时的S（A）和S（B），通过由下式（11）表示的计算来获得区域29的能量分布的相位（相位信号Φ3）。

Φ3=ATAN2[S(A),S(B)]...(11)

通过在将切换电路18的输入切换前后没有任何时间差（具有小的时间差）的情况下获得信号，可获得同一位置处（基本上同一位置处）的相位信号Φ1、Φ2以及Φ3。

接下来，将描述与位置检测方向（图中的X方向）垂直的方向（图中的Y方向）上传感器单元10E与标尺20之间的相对位置的位移的检测方法。

首先，信号处理电路30的Y方向位置信息获得单元35通过由下式（12）表示的计算来获得信号Sy（位置信号）。

Sy=Φ1-4·Φ3...(12)

信号处理电路30在满足Sy<-π时重复Sy=Sy+2π的计算，并在满足Sy>+π时重复Sy=Sy-2π的计算，以将信号Sy转换到在-π与+π之间的输出范围中。通过监视获得的信号Sy的值，可容易地检测传感器（传感器单元10E）的扫描线的位移及其方向。

本实施例的位置信息获得单元34基于第一相位获得单元32和第三相位获得单元36的输出信号产生下面描述的游标（vernier）信号，以获得标尺20的绝对位置信息。信号处理电路30的位置信息获得单元34通过由下式（13）表示的计算来获得用作绝对位置信号的游标信号Sv。

Sv=Φ1-2·Φ2...(13)

信号处理电路30在满足Sv<0时重复Sv=Sv+2π的计算，并在满足Sv>2π时重复Sv=Sv-2π的计算，以将信号Sv转换到在0与2π之间的输出范围中。节距P1和P2的相位信号Φ1和Φ2与X方向上的位置x之间的关系分别被表示为下式（14）和（15）。

Φ1≒2Π×(x/P1)+C1...(14)

Φ2≒2Π×(x/P2)+C2...(15)

在本实施例中，游标信号Sv不限于由式（13）指示的相位信号Φ1和Φ2的系数。相对于节距P1和P2（第一调制周期和第二调制周期），游标信号Sv可通过使用两个系数A和B被一般化为Sv=A·Φ1-B·Φ2，系数A和B对于整数m和n满足A/B=n/m的关系，整数m和n满足|（m·P1-n·P2）|<|（P1-P2）|的条件。

如由下式（16）所指示的那样，Φ1-2·Φ2的值是X方向上的位置改变量，该位置改变量从0到±2π改变。在式（16）中，符号Tv表示游标信号的周期（总的行程（stroke））。

Φ1-2·Φ2=2Π·Tv/P1-2·2Π·Tv/P2=±2Π...(16)

因此，游标信号Sv的周期Tv可被表示为下式（17）。

Tv=|P1·Ｐ2/(2·Ｐ1-Ｐ2)｜...(17)

图14A和图14B是示出本实施例中的检测信号与标尺位置之间的关系的示图，图14A示出游标信号Sv与标尺位置之间的关系，图14B示出相位信号Φ1与标尺位置之间的关系。在本实施例中，根据式（17），游标信号Sv的周期Tv是21.12mm并且这是可检测的范围。在本实施例中，相位信号Φ1被用作表示标尺20的相对位置的相对位置信号（增量（incremental）信号），并且游标信号Sv被用作表示标尺20的绝对位置的绝对位置信号。

根据本实施例，除了实施例1的效果之外，还可以在不增大传感器单元的尺寸的情况下提供能够获得绝对位置信号的编码器和标尺。

[实施例3]

接下来，将描述本发明的实施例3中的编码器。图15是本实施例中的编码器100B的示意性配置图。编码器100B通过包括附接于固定部（未示出）的传感器单元10B、附接于可动部（未示出）的标尺20、信号处理电路30（信号处理器）、以及存储单元40而被配置。本实施例不限于此，并且如果传感器单元10B和标尺20被配置为是相对可移动的，那么相反地，传感器单元10B可附接于可动部，而标尺20可附接于固定部。

传感器单元10B是由光接收部和发光部一体化配置的传感器单元，其在同一封装中安装由一个LED构成的光源12B、具有光接收元件阵列16B的光接收IC14B、以及具有光接收元件阵列16C的光接收IC14C。光接收元件阵列16B和16C用作检测元件阵列，在该检测元件阵列中，检测来自标尺20的图案的能量分布的多个检测元件（多个光接收元件）被排列在X方向上，该X方向是标尺20（或可动部）的移动方向（长度测量方向）。除了来自传感器单元10B的光接收元件阵列16B和16C的输出信号被转换成位置信息（绝对位置信息）以外，本实施例的信号处理电路30与实施例1的相同。光接收IC14B和光接收IC14C中的每一个的配置与实施例2中的光接收IC14E的配置相同。

在检测标尺20的位置信息时，从设置在传感器单元10B中的光源12B发射的发散光束的一部分照射于标尺20的轨道21B上。然后，由轨道21B反射的光束被传感器单元10B的光接收元件阵列16B接收。从光源12B发射的发散光束的另一部分照射于标尺20的轨道21C上。然后，由轨道21C反射的光束被传感器单元10B的光接收元件阵列16C接收。光接收元件阵列16B和16C接收其中轨道21B和21C中的每一个的反射率分布被加倍的图像。由光接收元件阵列16B和16C接收的光束中的每一个被转换成电信号，并且作为编码器信号被发送到信号处理电路30。信号处理电路30将来自光接收元件阵列16B和16C的输出信号中的每一个转换成位置信息，并且由此以高的精度获得和输出标尺20的位置信息。

接下来，参照图16，将描述本实施例中的轨道21B的配置。图16是轨道21B的部分平面图。在轨道21B中，在与标尺20的移动方向（X方向）垂直的方向（Y方向）上交替地（依次地）排列两种类型的区域（区域23B和区域29B）。在区域29B中，相对于Y方向上的第N个区域29B-N的周期，第（N+1）个区域29B-（N+1）的周期在X方向上偏移-10μm。

区域23B具有与图3所示的区域23的配置相同的配置，并具有其中以X方向上的节距P1a（第二调制周期，在本实施例中为128μm）来布置图3的图案的图案阵列。在本实施例中，区域23B在Y方向上的宽度W1是75μm。与实施例2相类似，反射部26在X方向上的宽度根据区域23B在Y方向上的位置而不同。区域29B具有与图10所示的区域29的配置相同的配置，并具有其中以X方向上的节距P3a（第一调制周期，在本实施例中为512μm）来布置图10的图案的图案阵列。在本实施例中，区域29B在Y方向上的宽度W3是75μm。与实施例2相类似，反射部39在X方向上的宽度根据区域29B在Y方向上的位置而不同。

接下来，参照图17，将描述本实施例中的轨道21C的配置。图17是轨道21C的部分平面图。在轨道21C中，在与标尺20的移动方向（X方向）垂直的方向（Y方向）上交替地（依次地）排列两种类型的区域（区域23C和区域29C）。在区域29C中，相对于Y方向上的第N个区域29C-N的周期，第（N+1）个区域29C-（N+1）的周期在X方向上偏移-10.1μm。

区域23C具有与图3所示的区域23的配置相同的配置，并具有其中以X方向上的节距P1b（第四调制周期，在本实施例中为130.612245μm）来布置图3的图案的图案阵列。在本实施例中，区域23C在Y方向上的宽度W1是75μm。与实施例2相类似，反射部26在X方向上的宽度根据区域23C在Y方向上的位置而不同。区域29C具有与图10所示的区域29的配置相同的配置，并具有其中以X方向上的节距P3b（第三调制周期，在本实施例中为517.171717μm）来布置图10的图案的图案阵列。在本实施例中，区域29C在Y方向上的宽度W3是75μm。与实施例2相类似，反射部39在X方向上的宽度根据区域29C在Y方向上的位置而不同。

信号处理电路30的第二相位获得单元33基于当切换电路18的输入处于高电平时从光接收元件阵列16B获得的S（A）和S（B），获得轨道21B的区域23B的能量分布的相位信号Φ1a（第二相位）。相位信号Φ1a通过由下式（18）表示的计算获得。在式（18）中，符号ATAN2[Y,X]是确定象限以便转换成0至2π的相位的反正切函数。

Φ1a=ATAN2[S(A),S(B)]...(18)

类似地，信号处理电路30的第一相位获得单元32基于当切换电路18的输入处于低电平时从光接收元件阵列16B获得的S（A）和S（B），获得区域29B的能量分布的相位信号Φ3a（第一相位）。相位信号Φ3a通过由下式（19）表示的计算获得。

Φ3a=ATAN2[S(A),S(B)]...(19)

信号处理电路30的第四相位获得单元37基于当切换电路18的输入处于高电平时从光接收元件阵列16C获得的S（A）和S（B），获得区域23C的能量分布的相位信号Φ1b（第四相位）。相位信号Φ1b通过由下式（20）表示的计算获得。

Φ1b=ATAN2[S(A),S(B)]...(20)

类似地，信号处理电路30的第三相位获得单元36基于当切换电路18的输入处于低电平时从光接收元件阵列16C获得的S（A）和S（B），获得区域29C的能量分布的相位信号Φ3b（第三相位）。相位信号Φ3b通过由下式（21）表示的计算获得。

Φ3b=ATAN2[S(A)，S(B)]...(21)

通过在将切换电路18的输入进行切换前后没有任何时间差（具有小的时间差）的情况下获得信号，可获得同一位置处（基本上同一位置处）的相位信号Φ1a、Φ3a、Φ1b以及Φ3b。

接下来，将描述在与位置检测方向（图中的X方向）垂直的方向（图中的Y方向）上传感器单元10B与标尺20之间的相对位置的位移的检测方法。信号处理电路30的Y方向位置信息获得单元35通过由下式（22）表示的计算来获得信号Sy（位置信号）。

Sy=Φ1a-4·Φ3a...(22)

信号处理电路30在满足Sy<-π时重复Sy=Sy+2π的计算，并在满足Sy>+π时重复Sy=Sy-2π的计算，以将信号Sy转换到在-π与+π之间的输出范围中。通过监视获得的信号Sy的值，可容易地检测传感器（传感器单元10B）的扫描线的位移及其方向。

本实施例的位置信息获得单元34产生下面描述的游标信号，以获得标尺20的绝对位置信息。随后，将描述执行绝对位置检测的处理的流程。相位信号Φa和Φb分别通过由下式（23）和（24）表示的计算获得。

Φa=Φ3a-Φ3b...(23)

Φb=Φ1a-Φ1b...(24)

信号处理电路30在满足Φa<0时重复Φa=Φa+2π的计算，并在满足Φa>2π时重复Φa=Φa-2π的计算，以将相位信号Φa转换到在0与2π之间的输出范围中。对于相位信号Φb，同样如此。

相位信号Φ3a和Φ3b对于位置x和y可被近似，以分别由下式（25）和（26）表示。

Φ3a≒2Π×(x/P3a)+2Π×(y/P3a)×(10/150)+C3a...(25)

Φ3b≒2Π×(x/P3b)+2Π×(y/P3b)×(10.1/150)+C3b...(26)

在式（25）和（26）中，符号C3a和C3b中的每一个表示预定的常数。通过使用式（25）和（26），式（24）的结果被表达为下式（27）。

Φb≒2Π×(x/P3a-x/P3b)+(C3a-C3b)...(27)

换句话说，尽管相位信号Φ3a根据Y方向上的位置而偏移，但是，相位信号Φ3b也以相同的量（基本上相同的量）偏移，因此，作为所述相位信号的差的相位信号Φa不根据Y方向上的位置而改变（基本上不改变）。

相位信号Φa和Φb在X方向上的信号周期Ta和Tb是Ta＝51200[μm]和Tb＝6400[μm]。

图18A和图18B是示出本实施例中的检测信号与标尺位置之间的关系的示图，图18A示出相位信号Φa与标尺位置之间的关系，图18B示出相位信号Φb与标尺位置之间的关系。

接下来，将描述获得绝对位置信息的处理。信号处理电路30使相位信号Φa（其为上层（upper-level）信号）和相位信号Φb同步，并基于相位信号Φa计算相位信号Φb的周期数。然后，信号处理电路30连接相位信号Φb，以获得如由下式（28）所表达的那样具有相位信号Φb的位置精度的绝对位置信号ABS。

ABS=(2Π·ROUND[((Ta/Tb·Φa-Φb)/(2Π)]+Φb)·Tb/(2Π)[μm]

...(28)

在式（28）中，符号ROUND[x]表示将x转换成最接近x的整数的函数。通过执行组合处理，更高精度的绝对位置可被检测。

在本实施例中，信号处理电路30包括第三相位获得单元36和第四相位获得单元37，该第三相位获得单元36从第三图案获得第三相位，该第四相位获得单元37从第四图案获得第四相位。然后，位置信息获得单元34基于第一相位、第二相位、第三相位以及第四相位获得移动方向上的绝对位置信息。根据本实施例，除了实施例1的效果之外，还可以提供能够获得具有长行程的绝对位置信号的编码器和标尺。

[实施例4]

接下来，将描述本发明的实施例4中的编码器。本实施例与实施例2的不同之处在于，使用具有光接收元件阵列16F的光接收IC14F，代替具有光接收元件阵列16E的光接收IC14E。其它的配置与实施例2中的配置相同。

参照图19，将描述本实施例中的光接收元件阵列16F的配置。图19是光接收元件阵列16F的光接收表面的平面图。光接收元件阵列16F是能够同步于时钟定时依次地获得根据每个光接收元件的光接收量的输出（多个检测元件中的每一个的输出信号）的线性传感器。光接收元件阵列16F包括在X方向上以16μm的节距排列的128个光接收元件17F。Y方向上的宽度Y_pd是900μm，并且X方向上的总宽度X_total是2048μm。由于标尺20上的图案被加倍以被投影，因此标尺20上的检测范围是Y方向上450μm和X方向上1024μm的范围。因此，标尺20上的检测范围在Y方向上包括区域23、24和29中的每一个的三行。

作为将区域23、24以及29的周期信号分量中的每一个与从光接收元件阵列16F的输出部19输出的线性图像信号V分离的方法，与实施例2相类似，信号可被转换成四相位正弦波，该四相位正弦波中的每一个与各周期对应。在这种情况下，光接收元件阵列16F将两个相邻的光接收元件的输出相加，并且相加的输出替代实施例2中的光接收元件的输出，并由此可执行类似的计算。在这种情况下，信号处理电路30根据每个光接收元件的位置适当地执行加权。由此，在本实施例中，在信号处理电路30中设置加权单元。

在本实施例中，与区域23（具有128μm的周期）对应的相位信号被表示为Φ1，与区域24（具有257.560976μm的周期）对应的相位信号被表示为Φ2，并且与区域29（具有512μm的周期）对应的相位信号被表示为Φ3。标尺20上的三个周期图案的初始相位被设定，以在移动范围内的一端（X＝0mm）满足Φ1＝Φ2＝Φ3＝0。

作为将区域23、24以及29的周期信号分量中的每一个与由光接收元件阵列16F检测的线性图像信号分离的方法，也可使用傅立叶变换。随后，将描述执行傅立叶变换时信号处理电路30的处理。

首先，128个光接收元件17F的输出的平均值作为直流分量被从每个光接收元件的输出减去。并且，光接收元件阵列16F被分成两个区域，这两个区域是中心周围的64个光接收元件的区域（中心部分）和从两端各由32个光接收元件构成的总共64个光接收元件的区域（周边部分）。将中心部分和周边部分的输出中的每一个乘以彼此不同的系数并执行加权，并且然后对于128个数据执行傅立叶变换。相位信号Φ1、Φ2以及Φ3基于通过傅立叶变换获得的相位及其对应的空间频率而被计算。

由于傅立叶变换的频率分辨率作为光接收表面上的空间频率是Δf＝1/1024（μm^-1），因此，它与区域24的图案的反射图像不完全相同。作为Δf·8＝1/256（μm^-1）的分量的相位信号Φ1、作为Δf·4＝1/512（μm^-1）的分量的相位信号Φ2、以及作为Δf·2＝1/1024（μm^-1）的分量的相位信号Φ3被用于随后的计算。在本实施例中，由信号处理电路30通过计算处理来对于每个区域执行加权，但是可替代地，每个光接收元件的输出可具有根据区域而不同的电增益。执行计算以检测测量方向上和与测量方向垂直的方向上的位置的方法与实施例2的相类似，并因此将省略该方法的描述。

根据本实施例，由于可通过使用线性传感器阵列来拾取每个检测元件的输出，因此，拾取信号的操作仅需要一次并且各信号相位之间的时间同步被改善。

[实施例5]

接下来，将参照图20描述本发明的实施例5。图20是本实施例中的图像拾取系统200的横截面的示意图。图像拾取系统200是在透镜装置上安装上述实施例中的每一个中的编码器的图像拾取系统。图像拾取系统200通过包括图像拾取装置200a和透镜装置200b（包括编码器的透镜镜筒）而被配置，该透镜装置200b可附接于图像拾取装置200a且可从图像拾取装置200a移除。然而，本实施例也可被应用于由图像拾取装置和透镜装置一体化配置的图像拾取系统。

在图20中，附图标记53表示传感器单元，附图标记54表示CPU。编码器通过传感器单元53和CPU54（以及标尺20）而被配置。传感器单元53例如具有实施例1中的传感器单元10A的功能，并且CPU54具有信号处理电路30的功能。附图标记51表示透镜单元，附图标记52表示驱动透镜，附图标记55表示图像拾取元件，并且附图标记50表示圆筒体（cylindrical body）,它们主要构成图像拾取系统。构成透镜单元51的驱动透镜52（透镜）例如是可在作为光轴方向的Y方向上偏移的自动聚焦透镜。如果驱动透镜52是要被驱动的透镜，则它也可以是诸如变焦透镜的其它透镜。本实施例中的圆筒体50与对驱动透镜52进行驱动的致动器（未示出）耦接。图像拾取元件55被设置在图像拾取装置200a上，其对于经由透镜单元51（透镜）获得的光学图像（对象图像）执行光电转换。

本实施例的透镜装置200b包括驱动透镜52和编码器100，该驱动透镜52能够在光轴方向（Y方向）上位移，该编码器100被配置为检测驱动透镜52的位移。标尺20附接于圆筒体50。在该配置中，编码器100获得圆筒体50绕光轴方向的旋转量（位移），以检测驱动透镜52在光轴方向上的位移。

标尺20也可以是旋转标尺，该旋转标尺通过形成放射状图案作为第一图案和第二图案（以及第三图案）而被配置，该放射状图案形成在环形的盘表面（多纳圈（doughnut）形状的表面）上。在这种情况下，在该配置中，标尺20附接于圆筒体50。可替代地，标尺20可以是通过在膜基材（film base material）上形成光栅（grating）图案而被配置的线性标尺。在这种情况下，标尺20沿着圆筒体50的旋转方向附接于圆筒表面。

当圆筒体50通过致动器或者手动地绕光轴旋转时，标尺20相对于传感器单元53被相对位移。根据标尺20的位移，驱动透镜52在作为光轴方向（箭头方向）的Y方向上被驱动。取决于从编码器的传感器单元53获得的驱动透镜52的位移的信号被输出到CPU54。CPU54产生驱动信号以将驱动透镜52移动到希望的位置。驱动透镜52基于驱动信号被驱动。

根据上述实施例中的每一个，可以提供能够以高的精度检测在与移动方向垂直的方向上标尺与检测器之间的相对位置的小尺寸且低成本的标尺和编码器。也可以提供使用该编码器的透镜装置和图像拾取系统。

尽管已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。随附的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包括所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (18)

1.一种具有多个图案以在空间上调制能量分布的标尺，所述标尺包括：

在移动方向上具有第一调制周期的第一图案；以及

在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案，

其特征在于，第一图案和第二图案中的每一个通过包括反射光的反射部和不反射光的非反射部而被配置，所述反射部和非反射部沿移动方向被交替地设置，

反射部中的至少一个在移动方向上的宽度根据沿与移动方向垂直的方向的位置而变化，并且

第一图案与第二图案之间的移动方向上的相对位置根据与移动方向垂直的方向而改变。

2.根据权利要求1的标尺，

其特征在于，具有第一图案的第一区域和具有第二图案的第二区域在所述与移动方向垂直的方向上被交替地布置。

3.根据权利要求1的标尺，

其特征在于，

第一图案具有在所述与移动方向垂直的方向上被布置的多个第一图案线，

第二图案具有在所述与移动方向垂直的方向上被布置的多个第二图案线，

所述多个第一图案线和多个第二图案线在所述与移动方向垂直的方向上被交替地布置，以及

所述多个第一图案线中的一个与所述多个第二图案线中的一个之间的移动方向上的相对位置和所述多个第一图案线中的另一个与所述多个第二图案线中的另一个之间的移动方向上的相对位置彼此不同。

4.根据权利要求1至3中任一项的标尺，

其特征在于，标尺是旋转标尺，所述旋转标尺在环形的盘表面上包括放射状图案作为第一图案和第二图案。

5.根据权利要求1至3中任一项的标尺，

其特征在于，标尺是线性标尺，所述线性标尺在膜基材上包括光栅图案作为第一图案和第二图案。

6.根据权利要求1至3中任一项的标尺，还包括第三图案，所述第三图案在移动方向上具有与第一调制周期和第二调制周期中的每一个不同的第三调制周期，

其特征在于，第三图案和第二图案之间的移动方向上的相对位置根据所述与移动方向垂直的方向而改变。

7.一种编码器，包括：

标尺，具有多个图案以在空间上调制能量分布；

检测器，被配置为相对于标尺能够相对移动，并具有检测能量分布且在移动方向上排列的多个检测元件；以及

信号处理器，被配置为处理检测器的输出信号以获得位置信息，

其中，标尺包括在移动方向上具有第一调制周期的第一图案、以及在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案，

其特征在于，第一图案与第二图案之间的移动方向上的相对位置根据与移动方向垂直的方向而改变，以及

信号处理器包括基于第一图案获得第一相位的第一相位获得单元、以及基于第二图案获得第二相位的第二相位获得单元，并被配置为基于第一相位和第二相位获得在所述与移动方向垂直的方向上的位置信号。

8.根据权利要求7的编码器，

其特征在于，信号处理器基于下式计算位置信号：

Sy＝A·Φ1-B·Φ2

这里，Sy是位置信号，Φ1是第一相位，Φ2是第二相位，A和B是任意的系数，当第一调制周期是P1且第二调制周期是P2时，所述任意的系数满足A/B＝P1/P2的关系。

9.根据权利要求7或8的编码器，

其特征在于，具有第一图案的第一区域和具有第二图案的第二区域在所述与移动方向垂直的方向上被交替地布置。

10.根据权利要求7或8的编码器，

其中，第一图案和第二图案中的每一个通过包括反射光的反射部和不反射光的非反射部而被配置，所述反射部和非反射部沿移动方向被交替地设置，以及

其特征在于，反射部中的至少一个在移动方向上的宽度根据沿所述与移动方向垂直的方向的位置而变化。

11.根据权利要求7或8的编码器，

其特征在于，

第一图案具有在所述与移动方向垂直的方向上被布置的多个第一图案线，

第二图案具有在所述与移动方向垂直的方向上被布置的多个第二图案线，

所述多个第一图案线和多个第二图案线在所述与移动方向垂直的方向上被交替地布置，以及

所述多个第一图案线中的一个与所述多个第二图案线中的一个之间的移动方向上的相对位置和所述多个第一图案线中的另一个与所述多个第二图案线中的另一个之间的移动方向上的相对位置彼此不同。

12.根据权利要求7或8的编码器，

其特征在于，信号处理器包括信号分离单元，所述信号分离单元分离与第一图案对应的第一信号和与第二图案对应的第二信号。

13.根据权利要求7或8的编码器，还包括加权单元，所述加权单元被配置为对于检测第一图案的所述多个检测元件的输出信号，执行取决于所述多个检测元件的位置的加权，

其特征在于，加权单元被设定，使得通过执行加权获得的值在预定范围内不大于在不执行加权的情况下获得的值，所述预定范围包括第一相位获得单元的空间频率响应的第二调制周期所对应的空间频率。

14.根据权利要求7或8的编码器，

其中，标尺包括在移动方向上具有与第一调制周期和第二调制周期中的每一个不同的第三调制周期的第三图案，

其中，第三图案和第二图案之间的移动方向上的相对位置根据所述与移动方向垂直的方向而改变，以及

其特征在于，信号处理器包括基于第三图案获得第三相位的第三相位获得单元，并被配置为基于第一相位和第三相位获得绝对位置信息。

15.根据权利要求7或8的编码器，

其中，标尺还包括在移动方向上具有第三调制周期的第三图案、以及在移动方向上具有与第三调制周期不同的第四调制周期的第四图案，

其中，第三图案与第四图案之间的移动方向上的相对位置根据所述与移动方向垂直的方向而改变，以及

其特征在于，信号处理器包括基于第三图案获得第三相位的第三相位获得单元、以及基于第四图案获得第四相位的第四相位获得单元，并被配置为基于第一相位、第二相位、第三相位以及第四相位获得移动方向上的绝对位置信息。

16.根据权利要求7或8的编码器，

其特征在于，检测器包括线性传感器阵列，所述线性传感器阵列能够同步于时钟定时依次获得所述多个检测元件的输出信号中的每一个。

17.一种透镜装置，包括：

能够在光轴方向上位移的透镜；以及

根据权利要求7的编码器，其中，编码器被配置为检测透镜的位移。

18.一种图像拾取系统，包括：

根据权利要求17的透镜装置；以及

图像拾取装置，具有被配置为对于经由透镜获得的光学图像执行光电转换的图像拾取元件。