CN104422469B - 光电编码器 - Google Patents

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Abstract

一种光电编码器包括：具有基于伪随机数据的绝对图案的绝对标尺、和探测头，该探测头包括向绝对标尺的绝对图案发射光的光源和从绝对图案接收光的光接收单元，并且其检测探测头相对于绝对标尺的绝对位置。在光电编码器中，绝对图案由以重复方式布置的光栅部和暗部组成。光电编码器进一步包括：干涉图案生成装置，其与光栅部组合起来产生干涉图案；以及包括干涉图案信号处理单元，其基于光接收单元接收的干涉图案来检测绝对图案的伪随机数据。

Description

光电编码器
技术领域
本发明涉及一种光电编码器。
背景技术
已知一种光电绝对编码器，其通过检测位于标尺上的伪随机图案来获得绝对位置。例如可使用称为M序列码的图案作为标尺上的伪随机图案(″Absolute positionmeasurement using optical detection of coded patterns″，J T M Stevenson et.al，J.Phys，E：Sci.Instrum.21(1988)1140-1145)。公开号为H07-286861的日本未经审查的专利申请中公开了一种绝对编码器，其利用一个透镜将标尺上的伪随机图案的图像引向探测器，并且由此检测出探测器相对于标尺的位置。进一步地，公开号为2004-317503的日本未经审查的专利申请中公开的绝对编码器使用了透镜组，而不是一个透镜。
进一步地，还已知一种没有透镜的结构的绝对编码器。公开号为H05-71984的日本未经审查的专利申请中公开了一种绝对编码器，其使用探测元件直接检测穿过标尺上的伪随机图案的光线。
发明内容
公开号为H07-286861的日本未经审查的专利申请中公开的绝对编码器使用了一个透镜。因此就存在装置的尺寸大并且成本高的问题。进一步地，公开号为2004-317503的日本未经审查的专利申请中公开的绝对编码器使用了透镜组代替一个透镜。虽然这样减小了装置的尺寸，但是仍然存在高成本的问题。
另一方面，公开号为H05-71984的日本未经审查的专利申请中公开的绝对编码器不使用透镜。但是，当标尺和光探测器之间的距离很大时，穿过伪随机图案的光线就会发散，并且因此光探测器就不能检测作为伪随机图案的该伪随机图案。为了防止穿过伪随机图案的光线发散，可使用相干光源来作为光源，诸如可发射具有非常高平行度的平行光的激光器。但是，当标尺和 光探测器之间的距离很大时，即使发射了平行光，由于伪随机图案和平行光之间的交互作用，会发生光的衍射。于是，由于衍射光的干涉，与标尺上的伪随机图案不同的图案就到达了光探测器。
因此，不能增大标尺和探测头之间的间距。因此有必要显著减小标尺和探测头之间的间距。但是，如果标尺和探测头之间的间距过小，就有如下问题，即当由于标尺弯曲造成间距变化时或当诸如金属粉末的外来物质进入时，就不能进行编码器的测量。
本发明已经解决了上述问题并且因此本发明的目的是提供一种光电编码器，其能够在标尺和探测头之间具有很大的间距，而不需要使用透镜，并且能够检测标尺上的伪随机数据。
根据本发明一个方面的光电编码器包括：绝对标尺，其具有基于伪随机数据的绝对图案；探测头，其包括向绝对标尺的绝对图案发射光的光源和从绝对图案接收光的光接收单元，其中光电编码器检测探测头相对于绝对标尺的绝对位置，和由以重复方式布置的光栅部和暗部组成的绝对图案；以及与光栅部联合起来产生干涉图案的干涉图案生成装置；以及干涉图案信号处理单元，其根据光接收单元接收的干涉图案来检测绝对图案的伪随机数据。
在上述光电编码器中，干涉图案生成装置可包括在探测头中发射非相干光的光源、以及位于光路上的辅助光栅，其中光源发射的光线穿过绝对图案并且进入光接收单元。
在根据本发明另一个方面的光电编码器中，光源可发射相干光。
在根据本发明一个方面的光电编码器中，光源的发射强度为光源的中心轴上的发射强度50％处的半功率角θL、绝对图案的数据节距PDATA、绝对标尺和辅助光栅之间的距离u、辅助光栅与光接收单元之间的距离v可满足条件表达式(1)：
进一步地，在根据本发明一个方面的光电编码器中，具有增量图案的增量标尺可与绝对标尺平行地放置。
此外，在上述光电编码器中，绝对图案的光栅部的光栅节距可与增量图案的光栅节距相同。
进一步地，在根据本发明一个方面的光电编码器中，根据从增量图案生 成的干涉图案获得的周期信号可以检测绝对图案的伪随机数据。
进一步地，在根据本发明一个方面的光电编码器中，绝对图案的光栅节距可与增量图案的光栅节距可以不相同。
根据本发明一个方面的绝对位置检测方法为利用光电编码器的绝对位置检测方法，该光电编码器包括具有基于伪随机数据的绝对图案的绝对标尺、包括光源、干涉图案生成装置以及光接收单元的探测头、以及干涉图案信号处理单元，该绝对位置检测方法用于检测探测头相对于绝对标尺的绝对位置，该方法包括：光源向绝对图案发射光的步骤，通过干涉图案生成装置在来自绝对图案的光中生成干涉图案的步骤，通过光接收单元接收干涉图案的步骤，通过干涉图案信号处理单元根据干涉图案检测绝对图案的伪随机数据的步骤。
根据本发明的上述方面，可以提供一种光电编码器，其具有在标尺和探测头之间的很大的间距，而不需要使用透镜，并且能够检测标尺上的伪随机数据。
本发明的上述和其它目的、特征和优点从下文给出的详细说明和附图中将会有更加全面地理解，这里附图仅通过图示的方式给出，因此并不能被认为是对本发明的限制。
附图说明
图1为示出了根据第一实施例的光电编码器结构的视图；
图2为示出了根据第一实施例的绝对标尺的结构的视图；
图3为示出了根据第一实施例的光接收单元的结构的视图；
图4为根据第一实施例的光电编码器的截面图；
图5为示出了其中根据第一实施例的光电编码器的光源的光发射与光源的光发射方向特性图有50％重叠的范围的视图；
图6为示出了根据第一实施例光电编码器的光源位于暗部中心正上方的状态的视图；
图7为示出了在根据第一实施例的光电编码器中、光源的光发射部分在测量方向上的尺寸W小于数据节距PDATA的情形下、生成干涉图案的位置的视图；
图8为示出了在根据第一实施例的光电编码器中、光源光发射部分在测 量方向上的尺寸W大于数据节距PDATA的情形下、生成干涉图案的位置的视图；
图9为示出了在根据第一实施例的光电编码器中、光源光发射方向特性设置得更尖的情形的视图；
图10为示出了在根据第一实施例的光电编码器中、在光源的光发射方向特性设置得更尖的情形下、分别通过两个光栅部生成干涉图案的状态的视图；
图11为示出了在根据第一实施例的光电编码器中、由具有暗部设置于其间的两个光栅部产生的干涉图案不交叠的条件的视图；
图12为示出了在根据第一实施例的光电编码器中、当满足条件表达式(1)时、穿过暗部左边和右边的光栅部的光线不相互交叉的视图；
图13为示出了根据第二实施例的光电编码器的结构的视图；
图14为示出了根据第二实施例的标尺的结构的视图；
图15为根据第二实施例的光电编码器的增量标尺侧的横截面图；
图16为示出了根据第三实施例的光电编码器的结构的视图；
图17为根据第三实施例的光电编码器的绝对标尺侧的横截面图；以及
图18为根据第三实施例的光电编码器的增量标尺侧的横截面图。
具体实施方式
[第一实施例]
参照附图在下文中将描述本发明的示例性实施例。
图1为示出了根据第一实施例的光电编码器100的结构的视图。光电编码器100包括绝对标尺110和探测头120。探测头120可沿着在测量轴方向上的绝对标尺110移动，并且探测头120相对于绝对标尺110的绝对位置被检测。探测头120包括非相干光源121、光接收单元122以及干涉图案信号处理单元124。而且，在根据第一实施例的光电编码器100的探测头120中，绝对辅助光栅123被放置在绝对标尺110和光接收单元122之间。
图1中示出的非相干光源121发射非相干光。例如，使用LED(发光二极管)、卤素灯等作为非相干光源121。
非相干光源121将光发射到绝对标尺110上。光接收单元122接收光穿过绝对标尺110和绝对辅助光栅123时产生的干涉图案，并且将其转换为电 信号。
图2为示出了根据第一实施例的绝对标尺110的结构的视图。如图2所示，绝对(ABS)标尺110具有绝对(ABS)图案200。该ABS图案200由根据伪随机数据以重复的方式布置的光栅部210和暗部220组成。光栅部210是对应于伪随机数据“1”的区域，以及暗部220是对应于伪随机数据“0”的区域。
如图2所示，ABS标尺110的光栅部210具有绝对(ABS)光栅211。ABS标尺110的光栅部210对应于具有数据节距为PDATA的透光部，并且进一步地ABS光栅211具有的数据节距PABS在数据节距PDATA范围内。暗部220具有非透光部。图2中通过剖面线示出该不透明的部分。光栅部210可以连续地布置。在这种情况下，光栅部210的长度为数据节距PDATA的整数倍。
图3为示出了根据第一实施例的光接收单元122的结构的视图。如图3所示，光接收单元122上安装有检测光的传感器301、模拟开关303和开关控制逻辑电路304，并且例如使用诸如CCD线性图像传感器或CMOS线性图像传感器的光电转换元件。在传感器301中被转换的电信号通过模拟开关303和电线302，以便光接收单元122接收的干涉图案可以作为电信号被观测到，并且之后进入干涉图案信号处理单元124，其中开/关由开关控制逻辑电路304控制。
干涉图案信号处理单元124根据光接收单元122接收的干涉图案来检测ABS图案200的伪随机数据。干涉图案信号处理单元124可以放置在探测头120内部或者通过将电线302引出到探测头120的外面而放置在探测头外部。
图4为根据第一实施例的光电编码器的截面图。如图4所示，绝对(ABS)辅助光栅123位于光路上，在该光路上，非相干光源121发射的光线穿过ABS图案200并且进入光接收单元122。在图4中，ABS标尺110和ABS辅助光栅123位于非相干光源121和光接收单元122之间。从非相干光源121发射的光穿过绝对标尺110上的ABS图案200和ABS辅助光栅123，之后进入光接收单元122。
当ABS标尺110和ABS辅助光栅123被以距离u安排时，在与ABS辅助光栅123距离v处的平面上产生干涉图案401。
当ABS辅助光栅123的空间频率为f1并且ABS标尺110的光栅部210 中的ABS光栅211的频率为f2时，生成的干涉图案401描述如下。
首先，在ABS辅助光栅123和ABS光栅211彼此协作共同作为衍射光栅的情况下，各个空间频率的关系表示为：
f2/f1＝2·v/(u+v)
并且当干涉图案401的频率为F3时，其表示为：
F3/f1＝2·u/(u+v)
其中当f1＝f2＝F3时，v＝u。
因此，当ABS辅助光栅123的空间频率与ABS标尺110的光栅部210中的ABS光栅211的空间频率相同时，在离ABS辅助光栅123的距离与ABS辅助光栅123和ABS标尺110之间的距离相等的平面上，产生了频率与两个光栅相同的干涉图案401。
在另一方面，在ABS辅助光栅123和ABS光栅211不是彼此协作来作为衍射光栅、而是彼此协作来增加遮蔽(shutter)效果的情况下，各个空间频率的关系表示为：
f2/f1＝v/(u+v)
F3/f1＝u/(u+v)
其中，当f1＝2f2＝2F3时，v＝u。
因此，当ABS辅助光栅123的空间频率是ABS标尺110的光栅部210中的ABS光栅211的空间频率的2倍时(当节距为一半时)，在离ABS辅助光栅123的距离与ABS辅助光栅123和ABS标尺110之间的距离相等的平面上，产生了频率与ABS光栅211相同的干涉图案401。
虽然以上提供了在u＝v的条件下的情形，但是在不是u＝v的条件下也可以产生干涉图案401，只要ABS辅助光栅123和ABS光栅211被设定为采用上述等式适当地计算出来的空间频率即可。
如上所述，产生干涉图案401的条件为上述等式的参数u、v、f1和f2满足上述等式，并且对u或v的值没有限制。因此，只要满足上述等式，即使ABS标尺110和ABS辅助光栅123之间的距离u增大，干涉图案401产生的位置也在与ABS辅助光栅123相距v处。将光接收单元122放置在离ABS辅助光栅123的距离v的位置处，可以可靠地检测干涉图案401。
因此，探测头120和ABS标尺110之间可以具有很大的间距，而不需要使用透镜。
在第一实施例中，非相干光源121和ABS辅助光栅123构成了绝对干涉图案生成装置130。
在ABS标尺110上，以非连续方式提供ABS图案200的光栅部210。因此，干涉图案401不是连续地出现，并且干涉图案401仅出现在光栅部210的正下方部分(见图4中的干涉图案401)。
因此，当光接收单元122的传感器301位于出现干涉图案401的平面上时，光接收单元122将非连续的干涉图案401转换为电信号(干涉图案信号402)。之后，干涉图案信号处理单元124从干涉图案信号402的包络404中检测ABS图案200的伪随机数据。对应于ABS标尺110上的长度PDATA的干涉图案信号402等于伪随机数据的一个单元。
在ABS图案200上，与伪随机数据一致地提供具有ABS光栅211的光栅部210。但是，如果来自光源的光发散，则光线会来到暗部220下方并且产生干涉图案401。在这种情况下，光栅部210产生的干涉图案信号402会干扰对应于暗部220的0-信号区域。这可能妨碍0-信号区域的准确测量。
为了避免分别由其间插入暗部220的两个光栅部210产生的干涉图案401的重叠，有必要布置ABS标尺110、ABS辅助光栅123和光接收单元122以满足一定条件。在下文中，参照附图5到12，描述了避免分别由两个光栅部210产生的干涉图案401重叠的条件。
图5为示出了非相干光源121的光发射与非相干光源121的光发射方向特性图有50％重叠的范围的视图。
光发射方向特性的图示出了当非相干光源121的中心轴上的发射强度为100％时、从与中心轴成θ度的方向看的发射强度的百分比。发射强度为中心轴上的发射强度50％时的角度称为半功率角θL。
图6示出了如下的一种状态，在该状态中，图5所示的非相干光源121位于与一个伪随机数据“0”对应的暗部220中心的正上方，并且表示伪随机数据“1”的光栅部210R和210L位于暗部220的两侧。
考虑光仅从非相干光源121的中心部以半功率角θL发出的情况。在这种情况下，穿过左光栅部210L的光和穿过右光栅部210R的光不相互交叉，并且分别在光接收单元122上生成干涉图案401R和401L。
在图6中，假设非相干光源121为点光源。仅从小点发射光的点光源是理想的光源。但是，作为用于光电编码器的光源，光发射部分510为圆形或 矩形，对于点激光光源为几个μm(微米)，对于LED为100μm到几个mm(毫米)。
图7示出了光源的光发射部分510在测量方向上的尺寸W小于数据节距PDATA的情况下生成的干涉图案401的位置。在图7中，从光发射部分510的任何部分发出并且穿过暗部220右边和左边的光栅部210R和210L的光到达光接收单元122，并且没有相互交叉。在光接收单元122上，生成相互独立地分别对应于右光栅部210R和左光栅部210L的干涉图案401R和401L。因此，可以彼此区分地检测出光栅部210R和210L表示的伪随机数据“1”。
图8示出了光发射部分510大于数据节距PDATA的情况下生成的干涉图案的位置。由于空间有限，仅部分示出了非相干光源121(图10到12也一样)。在这种情况下，穿过右光栅部210R和左光栅部210L的光在光接收单元122上可相互交叉在暗部220的正下方。之后，分别由光栅部210R和210L产生的干涉图案401R和401L在相同点重叠，并且不能彼此区分。因此，不能彼此区分地检测出由右光栅部210R和左光栅部210L表示的伪随机数据“1”。
为了解决这个问题，如图9所示，光源的光发射方向特性被设置为更尖一些以减小半功率角θL。如图10所示，当半功率角θL足够小时，穿过右光栅部210R和左光栅部210L的光不相互交叉，并且因此，可以彼此区分地检测出分别由光栅部210R和210L产生的干涉图案401R和401L。
如图11所示，为了避免来自右光栅部210R和左光栅部210L的光交叠，如此设置光发射方向特性以便使来自光栅部210L的右端A的光线和来自光栅部210R的左端B的光线在光接收单元122的点C处相遇。也就是说，需要满足下面的条件表达式(1)。
表达式(1)：
由于满足了条件表达式(1)，可以防止光线的串扰，并且克服了其间设置有暗部220的光栅部210不能彼此区分地识别的缺点。注意到，半功率角θL优选为较小，以增加检测ABS图案200的精确度。
进一步地，如图12所示，只要半功率角θL满足条件表达式(1)，无论光源的光发射部分510的尺寸为多大，穿过左光栅部210L的光线不会与穿 过右光栅部210R的光线在光接收单元122上交叉。同样地，穿过右光栅部210R的光线也不与穿过左光栅部210L的光线在光接收单元122上交叉。这样不需要为了防止光线的串扰对光源的光发射部分510的大小施加约束，从而能够更加灵活地选择光源。
下文中将描述制造ABS标尺110的方法。在平板玻璃基材的表面上形成诸如铬的金属薄膜之后，在金属薄膜的表面上形成光敏树脂膜。然后，曝光和沉积光敏树脂膜以将ABS图案200和ABS光栅211转移到光敏树脂膜上。为了曝光光敏树脂膜，例如使用了具有ABS图案200和ABS光栅211的掩模。最后，刻蚀金属薄膜以在ABS标尺110上形成ABS图案200和ABS光栅211。
如上所述，根据该实施例的光电编码器100，可以提供一种可在标尺和探测头之间具有很大的间距而没有使用透镜并且可检测标尺上的伪随机数据的光电编码器。
由于根据该实施例的光电编码器100的结构中不使用透镜，因此由于镜身的体积从而可以减小尺寸。
更进一步地，根据该实施例的光电编码器100的结构中不使用透镜或透镜阵列，元件的数量减小了，实现了低成本。
更进一步地，即使探测头和标尺之间的间距大，根据该实施例的光电编码器100可以检测伪随机数据。因此能够容许探测头和标尺之间的间隙中进入外物。
[第二实施例]
图13为示出了根据本发明第二实施例的光电编码器700结构的视图。光电编码器700包括绝对(ABS)标尺110、增量(INC)标尺714以及探测头720。光电编码器700检测所述探测头720相对于ABS标尺110的绝对位置，并且进一步地检测探测头720相对于INC标尺714的相对移动量。探测头720包括非相干光源121、光接收单元122和干涉图案信号处理单元124。此外，根据该实施例的光电编码器700包括在绝对标尺110与INC标尺714以及光接收单元122之间的绝对(ABS)辅助光栅123和增量(INC)辅助光栅726。
图14为示出了根据第二实施例的标尺的结构的视图。如图14所示，在根据本发明第二实施例的光电编码器700中，增量(INC)标尺714和绝对 (ABS)标尺110以整体形式平行布置。INC标尺714和ABS标尺110也可以分开。
如图14所示，ABS标尺110具有绝对(ABS)图案200。ABS标尺110的结构与第一实施例中的结构相同。在ABS图案200中，提供了基于伪随机数据的光栅部210和暗部220。光栅部210是对应于伪随机数据“1”的区域，并且暗部220是对应于伪随机数据“0”的区域。
INC标尺714具有增量(INC)图案800。在INC图案800中，节距为PINC的增量(INC)光栅801在测量轴方向上连续布置。
在根据该实施例的光电编码器700中，INC标尺714和ABS标尺110相互平行地一体形成。在该结构中，可以同时检测探测头720相对于标尺的绝对位置和相对移动量。
在同时检测探头720相对于标尺的绝对位置和相对移动量的情况中，使用两个线性图像传感器或二维图像传感器作为光接收单元122。因此，可以同时检测INC标尺714和ABS标尺110产生的两个干涉图案。
进一步地，在根据该实施例的光电编码器700中，使用ABS标尺110的粗略位置检测和使用INC标尺714的精确位置检测可以结合起来。这样能够进行快速且高精度的位置检测。
在根据该实施例的光电编码器700中，ABS图案200的光栅部210的光栅节距PABS可与INC图案800的光栅节距PINC相等。
通过设置了相同的光栅节距，可以使用一种类型的掩模来制作绝对和增量的两个图案。在这种情况下，仅需要制造一种类型的掩模来创建图案。由于掩模是很昂贵的，因此可减小标尺的制造成本。
图15为根据本发明第二实施例的光电编码器700的增量标尺侧的横截面图。它示出了图13中INC标尺714侧的横截面。参照图15，在下文中描述了根据该实施例的光电编码器700的相对位置检测方法。如图15所示，INC辅助光栅726放置在从非相干光源121发出的光线穿过INC标尺714并且进入到光接收单元122的光路上。
具体地，在图15中，INC标尺714和INC辅助光栅726放置在非相干光源121和光接收单元122之间。从非相干光源121发出的光穿过在INC标尺714上的INC图案800和INC辅助光栅726，并且之后进入到光接收单元122。
正如ABS标尺110的情形，当INC标尺714和INC辅助光栅726以距离u布置时，在离INC辅助光栅726距离v处的平面上产生了干涉图案901。
当INC辅助光栅726的空间频率为f1并且INC标尺714上的INC图案800的INC光栅801的频率为f2时生成的干涉图案901描述如下。
首先，在INC辅助光栅726和INC光栅801相互协作共同作为衍射光栅的情况下，各个空间频率的关系表示为：
f2/f1＝2·v/(u+v)
并且当干涉图案901的频率为F3时，其表示为：
F3/f1＝2·u/(u+v)
其中当f1＝f2＝F3时，v＝u。
因此，当INC辅助光栅726的空间频率与INC光栅801的空间频率相同时，即当两个光栅的节距相等时，在离INC辅助光栅726的距离与INC标尺714和INC辅助光栅726之间的间距相等的平面上，产生了频率与两个光栅相同的干涉图案901。
另一方面，在INC辅助光栅726和INC光栅801不是相互协作来作为衍射光栅，而是相互协作来增加遮蔽效果的情况下，各个空间频率的关系表示为：
f2/f1＝v/(u+v)
F3/f1＝u/(u+v)
其中，当f1＝2f2＝2F3时，v＝u。
因此，当INC辅助光栅726的空间频率是INC光栅801的空间频率的2倍时，即当INC辅助光栅726的节距为INC光栅801节距的一半时，在离INC辅助光栅726的距离与INC标尺714和INC辅助光栅726之间的距离相等的平面上，产生了频率与INC光栅801相同的干涉图案901。
虽然以上论述了在u＝v的情形，但是在u＝v之外的条件下也可以产生干涉图案901，只要INC辅助光栅726和INC光栅801被设定为采用上述等式适当计算出来的空间频率即可。
如上所述，产生干涉图案901的条件为上述等式的参数u、v、f1和f2满足上述等式，并且对u或v的值没有限制。因此，只要满足上述等式，即使当INC标尺714和INC辅助光栅726之间的距离u增大时，干涉图案901产生的位置也在与INC辅助光栅726相距距离v处。即使当光接收单元122 放置在离INC辅助光栅726的距离v的位置处，也可以可靠地检测干涉图案901的高光强部分。
因此，在探测头120和INC标尺714之间可以具有很大的间距，而不需要使用透镜。
在第二实施例中，非相干光源121和INC辅助光栅726构成了增量干涉图案生成装置730。
之后，生成的干涉图案901由光接收单元122接收并转换为电信号(干涉图案信号)。从干涉图案901生成的干涉图案信号为对应于INC图案800、节距为PINC的波形。在从起点移动的过程中，干涉图案信号处理单元124测量干涉图案901的通过峰值的数目。根据该实施例的光电编码器700从节距PINC和干涉图案901的通过峰值的数目中，检测出探测头720相对于INC标尺714的移动量。
根据该实施例的光电编码器700的绝对位置检测方法与根据本发明第一实施例的绝对位置检测方法相同(见图4)。
首先，非相干光源121向ABS标尺110发射光。穿过ABS标尺110上的ABS图案200的光栅部210的光穿过了ABS辅助光栅123，以使得干涉图案401产生在放置干涉图案401的平面上。
所生成的干涉图案401由光接收单元122接收，并且被转换为电信号(干涉图案信号402)。之后，根据干涉图案401生成的干涉图案信号402的包络404检测出ABS图案200的伪随机数据。
进一步地，在光电编码器700中，还检测出从由INC图案800生成的干涉图案901获得的周期信号。
因此，根据从增量干涉图案901获得的周期信号，可生成用于通过同步探测而检测来自绝对干涉图案信号402的包络404的同步信号波形。通过使用同步信号波形来检测通过ABS图案200生成的干涉图案401的信号，增加了对诸如噪声的干扰的耐受性。
在光电编码器700中，ABS图案200的光栅节距与INC图案800的光栅节距可以不同。例如，ABS图案200的光栅节距可以为7μm，以及INC图案800的光栅节距可以为4μm。
即使当INC图案800的干涉图案被入射到光接收单元122上的ABS图案200侧，由于绝对与增量图案的干涉图案信号的节距是不同的，因此这两 个信号可以在干涉状态中被分开。
[第三实施例]
图16为示出了根据本发明第三实施例的光电编码器结构的视图。如图16所示，根据本发明第三实施例的光电编码器1000包括绝对(ABS)标尺110、增量(INC)标尺714、以及探测头1020。探测头1020包括相干光源1021、光接收单元122，以及干涉图案信号处理单元124。
根据该实施例的光电编码器1000检测探测头1020相对于ABS标尺110的绝对位置，并且进一步检测探测头1020相对于INC标尺714的相对移动量。
相干光源1021发射相干光。例如，使用半导体激光作为相干光源1021。
图17为根据该实施例的光电编码器1000的ABS标尺侧的截面图。参照图17，下文中描述了根据该实施例的光电编码器1000的绝对位置检测方法。
首先，相干光源1021发射光到绝对标尺110上。由于入射到绝对标尺110上的光为相干光，由于塔尔博特(Talbot)效应的自干涉图案1101出现在离ABS标尺110距离v处的平面上。当相干光的波长为λ并且ABS标尺110上的ABS图案200的光栅部210的光栅节距为PABS时，在满足v＝PABS 2÷λ平面上生成的自干涉图案1101的节距是PABS。
之后，生成的自干涉图案1101由光接收单元122接收，并且转换为电信号(干涉图案信号1102)。在这之后，根据从自干涉图案1101中产生的干涉图案信号1102的包络1104检测出ABS图案200的伪随机数据。由此，根据该实施例的光电编码器1000检测出探测头1020相对于ABS标尺110的绝对位置。
图18为根据该实施例的光电编码器1000的增量标尺侧的截面图。参照图18，下文中描述了根据该实施例的光电编码器1000的相对位置检测方法。
首先，相干光源1021发射光到INC标尺714上。由于入射到INC标尺714上的光为相干光，由于塔尔博特效应的自干涉图案1201出现在离INC标尺714距离v处的平面上。当相干光的波长为λ、并且INC标尺714上的INC图案800的光栅节距为PINC时，在满足v＝PINC 2÷λ平面上生成的自干涉图案1201的节距为PINC。
之后，生成的自干涉图案1201由光接收单元122接收并且转换为电信 号(自干涉图案信号)。从自干涉图案1201中生成的干涉图案信号为对应于INC图案800、节距为PINC的波形。在从起点移动的过程中，干涉图案信号处理单元124测量自干涉图案1201的通过峰值的数目。根据该实施例的光电编码器1000从通过自干涉图案1201的节距PINC和通过峰值的数目生成的干涉图案信号中，检测出探测头1020相对于INC标尺714的移动量。
因此，在第三实施例中，相干光源1021充当了干涉图案生成装置。当相干光穿过ABS标尺110或INC图案800时，在指定平面上生成自干涉图案，而不像在第一和第二实施例中描述的那样使用ABS辅助光栅123或INC辅助光栅726。
根据该实施例的光电编码器1000没有和第一和第二实施例中一样的辅助光栅。因而减少了部件的数量且可以简化结构。此外，由于不需要调整标尺和辅助光栅的位置的步骤，因此可以降低制造成本。
本发明不限于上面描述的实施例，并且可以做出各种变化和修改而不背离发明的范围。例如，不限于透射式线性编码器，并且可以是反射式线性编码器。
此外，尽管在上述实施例中使用线性编码器作为例子描述了本发明，但本发明也可以应用于旋转编码器。
从如此描述的本发明中，很显然本发明的实施例可以以多种方式而变化。这样的变化不被认为是背离了本发明的精神和范围，并且对本领域技术人员是显而易见的所有这样的修改旨在包含在下面权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种光电编码器，包括：
绝对标尺，具有基于伪随机数据的绝对图案；
探测头，其包括向绝对标尺的绝对图案发射光的光源、以及从绝对图案接收光的光接收单元，其中光电编码器检测探测头相对于绝对标尺的绝对位置，并且绝对图案由以重复方式布置的光栅部和暗部组成；
干涉图案生成装置，其与光栅部联合起来产生干涉图案；以及
干涉图案信号处理单元，其基于光接收单元接收的干涉图案来检测绝对图案的伪随机数据，
其中，
干涉图案生成装置包括辅助光栅，其位于从光源发射的光线穿过绝对图案并且进入到光接收单元的光路上，
光源的发射强度为光源的中心轴上的发射强度的50％处的半功率角θL、绝对图案的数据节距PDATA、绝对标尺和辅助光栅之间的距离u、辅助光栅与光接收单元之间的距离v满足条件表达式(1)：
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <msup> <mi>tan</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>A</mi> <mi>T</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>+</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
2.根据权利要求1的光电编码器，其中
所述光源发射非相干光。
3.根据权利要求1的光电编码器，其中
所述光源发射相干光。
4.根据权利要求1-3中任一项的光电编码器，其中
具有增量图案的增量标尺与绝对标尺平行地放置。
5.根据权利要求4的光电编码器，其中
所述绝对图案的光栅部的光栅节距与所述增量图案的光栅节距相同。
6.根据权利要求5的光电编码器，其中
基于从通过增量图案生成的干涉图案获得的周期信号来检测所述绝对图案的伪随机数据。
7.根据权利要求4的光电编码器，其中
绝对图案的光栅节距与增量图案的光栅节距不相同。
8.一种使用光电编码器的绝对位置检测方法，该光电编码器包括绝对标尺、探测头以及干涉图案信号处理单元，该绝对标尺具有基于伪随机数据的绝对图案，该探测头包括光源、干涉图案生成装置以及光接收单元，该方法用于检测探测头相对于绝对标尺的绝对位置，该方法包括：
光源向绝对图案发射光的步骤；
通过干涉图案生成装置在来自绝对图案的光中生成干涉图案的步骤；
通过光接收单元接收干涉图案的步骤；
通过干涉图案信号处理单元基于干涉图案来检测绝对图案的伪随机数据的步骤，
其中，
干涉图案生成装置包括辅助光栅，其位于从光源发射的光线穿过绝对图案并且进入到光接收单元的光路上，
光源的发射强度为光源的中心轴上的发射强度的50％处的半功率角θL、绝对图案的数据节距PDATA、绝对标尺和辅助光栅之间的距离u、辅助光栅与光接收单元之间的距离v满足条件表达式(1)：
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <msup> <mi>tan</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>A</mi> <mi>T</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>+</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
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