CN104748774B - 光学编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种根据本发明的光学编码器，包括：发光的光源；标尺，包括各具有预定的栅距的标尺光栅；光源光栅，设置在所述光源与所述标尺之间并且具有预定的栅距；以及干涉条纹检测部件，检测由所述光源光栅和所述标尺产生的干涉条纹。所述标尺光栅并排设置，并且相邻的标尺光栅彼此移位1/2周期。

Description

光学编码器
技术领域
本发明涉及一种光学编码器。
背景技术
日本未审专利申请出版物No.63-33604描述了一种光学编码器，其通过使用三光栅原理来检测两个构件之间的相对位移。图11图示了在日本未审专利申请出版物No.63-33604中描述的光学编码器800的结构。光学编码器800包括三个光栅：直接设置在光源110下面的光源光栅120、设置在标尺840中的标尺光栅(scale grating)850、以及直接设置在光电二极管152上面的光接收光栅151。包括光源光栅120和光接收光栅151的检测头170相对于标尺840移动；而检测头170的移动量根据光电二极管152所产生的信号强度变化进行检测。
光源光栅120包括以周期P交替地布置的透光部121和遮光部122。标尺光栅850包括以周期P交替地布置的透光部851和遮光部852。光接收光栅151包括以周期P交替地布置的透光部153和遮光部154。根据三光栅原理，光源光栅120、标尺光栅850和光接收光栅151具有相同的光栅栅距。而且，光源光栅120与标尺840之间的间隙和标尺840与光接收光栅151之间的间隙彼此相同。
图12是横截面图，图示了光源光栅120、标尺光栅850和光接收光栅151。遮光部122a至122d、852a至852e以及154a至154d的横截面被阴影化。
将简要地描述由于光学编码器800的移动而导致的标尺840的移动方式和干涉条纹的产生方式。具体而言，将描述根据三光栅原理每次标尺840移动半个栅距的信号强度峰值的发生方式。描述将参考图12、13和14。图12图示了初始状态。在图12示出的状态下，光源光栅120和标尺光栅850的线彼此对准。(由此，存在零级光(0-th order light)可以通过光源光栅120和标尺光栅850的透光部的路径。)光接收光栅151设置成使得其线与光源光栅120的线对准。因此，在图12示出的状态下，光源光栅120、标尺光栅850和光接收光栅151的线彼此对准。在这种状态下，光源光栅120的透光部将被称为121a、121b、121c、...(从右侧)。同样，标尺光栅850的透光部将被称为851a、851b、851c、...(从右侧)。光接收光栅151的透光部将被称为153a、153b、153c、...(从右侧)。
在这种状态下，亮的干涉条纹形成在光线已经通过光源光栅120和标尺光栅850的透光部并且沿着相同的光路长度到达光接收光栅151的位置。例如，通过121b、851c和153c的光线与通过121b、851d和153c的光线的光路长度是相同的。从而，亮的干涉条纹形成在光接收光栅151的透光部153c处。同样，通过121b、851c和153b的光线与通过121b、851a和153b的光线的光路长度是相同的。从而，亮的干涉条纹形成在光接收光栅151的透光部153b处。如上所述，在图12示出的状态下，已经通过光源光栅120和标尺光栅850的光产生干涉条纹，其包括以半个栅距周期布置在光接收光栅151位置的亮的干涉条纹。从而，所有的形成亮的干涉条纹的光线通过光接收光栅151的透光部并且到达光电二极管152。此时，光电二极管152的信号强度处于峰值。
接下来，假设标尺光栅850从图12示出的状态逐渐向右移动。当标尺光栅850移动时，干涉条纹的位置逐渐变化。随着亮的干涉条纹的位置从光接收光栅151的透光部移位，光电二极管152的信号强度将逐渐降低。如图13图示的，当标尺840已经移动半个栅距时，信号强度再次达到峰值。
如图13中由追踪光线可以看出的，通过121b、851d和153c的光线与通过121b、851d和153c的光线的光路长度是相同的。从而，亮的干涉条纹形成在光接收光栅151的透光部153c处。(回想一下，也是在图12示出的状态下，亮的干涉条纹形成在光接收光栅151的透光部153c处。)同样，例如，通过121b、851c和153b的光线与通过121b、851b和153b的光线的光路长度是相同的。从而，亮的干涉条纹形成在光接收光栅151的透光部153b处。
如上所述，在图13示出的状态下，已经通过光源光栅120和标尺光栅850的光形成干涉条纹，其包括以半个栅距周期布置在光接收光栅151位置的亮的干涉条纹。由于它们形成在图12示出的状态下(在标尺光栅850移动半个栅距之前)，这些干涉条纹是相同的。
图14图示了标尺光栅850已经进一步移动半个栅距的状态，该状态基本与图12示出的状态相同。从而，在图14示出的状态下形成的干涉条纹与图12的干涉条纹相同。
图15是描绘当标尺光栅850移动时发生的检测信号变化的图形。每次标尺光栅850移动半个栅距，检测信号达到峰值。虽然由于制造技术的局限性可能无法使光源光栅120、标尺光栅850和光接收光栅151每个的线间距小于栅距P，但是包括这些光栅的编码器具有半个栅距(P/2)的分辨率。这是使用三光栅原理的编码器的巨大优势。
而且，使用三光栅原理的编码器具有以下优点。因为(每次标尺光栅850移动半个栅距)信号强度的相同变化以某一周期重复，分割信号一个周期的内插(interpolation)可以执行，以检测小于信号周期(半个栅距)的标尺光栅850的位移。注意到，内插半个周期P/2的该内插所提供的分辨率是通过执行内插周期P的内插所获得的分辨率的两倍。
如上所述，根据三光栅原理，每次标尺光栅850移动半个栅距可以获得检测信号的峰值。更具体而言，峰值XII和XIV的信号强度略不同于峰值XIII的信号强度。在图15中，峰值XII对应于图12示出的状态，峰值XIII对应于图13示出的状态，而峰值XIV对应于图14示出的状态。虽然信号的峰值在每次标尺光栅850移动半个栅距时发生，但是以每半个栅距获得的信号彼此不同。这意味着，不可能正确地执行内插，这假设相同的信号可以(每次标尺光栅850移动半个栅距)以每一一定周期而获得。
应肯定的是，(在图12示出的情况下的)峰值XII与(在图14示出的情况下的)峰值XIV相同，这在标尺光栅850从图12示出的状态移动一个栅距时形成。从而，为了正确地执行内插，有必要内插周期P。如果内插以周期P/2执行，则内插误差将不可避免地产生。(内插误差将具有周期P。)没有意义的是执行周期P/2的内插，用以获得高分辨率，仅以周期P产生不可避免的误差。
发明人注意到该问题并且研究问题的原因。结果，发明人发现，即使在图12(图14)情况下产生的干涉条纹位置与图13情况的干涉条纹位置相同，但是这些情况下的光路特点彼此不同。
发明内容
本发明提供了一种光学编码器，其可以获得精确地具有周期P/2的检测信号，其中P是光栅栅距。
根据本发明的第一方面，一种光学编码器，包括：发光的光源；标尺，包括各具有预定的栅距的两个或更多个标尺光栅；光源光栅，设置在所述光源与所述标尺之间并且具有预定的栅距；以及干涉条纹检测部件，检测由所述光源光栅和所述标尺产生的干涉条纹。所述两个或更多个标尺光栅并排设置，并且任何相邻的一对标尺光栅彼此移位1/2周期。
可优选地，所述两个或更多个标尺光栅具有相同的栅距。
可优选地，所述干涉条纹检测部件检测由彼此移位1/2周期的所述标尺光栅产生的干涉条纹，作为一个干涉条纹。
可优选地，所述标尺是细长标尺，并且所述标尺光栅呈两排或呈四排布置在所述标尺的横向方向上。
可优选地，所述标尺在二维方向上延伸，并且所述标尺光栅布置成2N排，其中N是整数。
可优选地，所述光源光栅的横向方向上的宽度大于设置有所述两个或更多个标尺光栅的区域的横向方向的宽度。
根据本发明的第二方面，一种光学编码器，包括：发光的光源；XY-标尺，包括具有预定的栅距并且在二维方向上延伸的交错光栅；X轴方向光源光栅，设置在所述光源与所述XY-标尺之间并且包括在X轴方向上具有预定的栅距的光栅；Y轴方向光源光栅，设置在所述光源与所述XY-标尺之间并且包括在横跨X轴方向的Y轴方向上具有预定的栅距的光栅；X轴方向干涉条纹检测部件，检测由所述X轴方向光源光栅和所述XY-标尺产生的干涉条纹；以及Y轴方向干涉条纹检测部件，检测由所述Y轴方向光源光栅和所述XY-标尺产生的干涉条纹。
利用本发明，可以提供一种光学编码器，其可以获得精确地具有周期P/2的检测信号，其中P是光栅栅距。
附图说明
图1是图示根据第一实施例的编码器结构的透视图。
图2是图示根据第一实施例的编码器标尺结构的平面图。
图3图示了当在根据第一实施例的编码器中第一标尺光栅处于第一位置关系且第二标尺光栅处于第二位置关系时入射于光接收光栅上的光线光路。
图4图示了当在根据第一实施例的编码器中第一标尺光栅处于第二位置关系且第二标尺光栅处于第一位置关系时入射于光接收光栅上的光线光路。
图5是图示根据第二实施例的编码器结构的透视图。
图6是图示根据第二实施例的编码器标尺结构的平面图。
图7是图示根据第三实施例的编码器结构的透视图。
图8是图示根据第三实施例的编码器标尺结构的平面图。
图9是图示根据第三实施例的编码器的X轴方向光源光栅和Y轴方向光源光栅的结构的透视图。
图10是图示根据第三实施例的编码器的X轴方向光接收光栅和Y轴方向光接收光栅的结构的透视图。
图11是图示现有编码器结构的透视图。
图12是图示现有编码器操作的第一视图。
图13是图示现有编码器操作的第二视图。
图14是图示现有编码器操作的第三视图。
图15是描绘由现有编码器产生的检测信号的图形。
具体实施方式
第一实施例
下文中，将参考附图描述本发明的各实施例。图1是图示根据第一实施例的光学编码器100结构的透视图。光学编码器100包括标尺140和检测头170。检测头170包括光源110、光源光栅120和干涉条纹检测部件150。干涉条纹检测部件150包括光接收光栅151和光电二极管152。检测头170在其中相对于标尺140移动的光学编码器100检测出检测头170相对于标尺140的移动量。光源光栅120与标尺140之间的间隙和标尺140与干涉条纹检测部件150之间的间隙彼此相同。
图2图示标尺140的结构。标尺140包括设置在玻璃基板(未示出)上的第一标尺光栅141和第二标尺光栅142。第一标尺光栅141和第二标尺光栅142两者延伸在X轴方向(第一方向)上。第一标尺光栅141和第二标尺光栅142并排设置在玻璃基板上。
第一标尺光栅141包括透光部143和遮光部144。透光部143和遮光部144以周期P交替地布置。第二标尺光栅142包括透光部145和遮光部146。透光部145和遮光部146以周期P交替地布置。在此重要的一点在于，第一标尺光栅141和第二标尺光栅142设置成在X轴方向上彼此移位1/2周期(P/2)。注意到，替代the遮光部144和146，第一标尺光栅141和第二标尺光栅142可包括由具有高反射率的材料制成的光反射部。在这种情况下，标尺140充当反射型标尺。
如图1图示的，检测头170包括光源110、光源光栅120和干涉条纹检测部件150。光源110发光。作为光源110，例如，使用发光二极管(LED)、激光二极管、自扫描光发光器件(self-scanning light emitting device，SLED)或有机发光二极管(OLED)。
光源光栅120直接设置在光源110下面。光源光栅120包括透光部121和遮光部122。透光部121和遮光部122交替地布置在纵向方向(X轴方向)上。光源光栅120设置在玻璃基板(未示出)上。光源光栅120横向方向(Y轴方向)上的宽度L2大于设置有第一标尺光栅141和第二标尺光栅142的区域的横向方向的宽度L4。由此，第一标尺光栅141和第二标尺光栅142均匀地照射已经通过光源光栅120的光。
干涉条纹检测部件150检测由光源光栅120和标尺140产生的干涉条纹。干涉条纹检测部件150包括光接收光栅151和光电二极管152。光电二极管152接收光并且将所接收的光转换成电信号(检测信号)。检测信号的强度依据所接收的光强度而变化。光接收光栅151包括透光部153和遮光部154。透光部153和遮光部154以周期P交替地布置。图1图示标尺140是透射型标尺的情况。在标尺140是反射型标尺的情况下，干涉条纹检测部件150设置在标尺140的同一侧作为光源110。
光电二极管152检测通过光接收光栅151透光部153并且形成干涉条纹的光，而光电二极管152将光转换成检测信号。替代光接收光栅151和光电二极管152，干涉条纹检测部件150可包括布置有多个光电二极管的光电二极管阵列。图1图示的干涉条纹检测部件150被构造成输出单相正弦信号。可替代地，四个光接收光栅151可设置成使得其彼此移相π/4。在这种情况下，干涉条纹检测部件150可以输出分别具有彼此移相π/4的相A+、相B+、相A-和相B-的信号。
接下来，将描述光学编码器100的操作。当光通过光源光栅120并且变成相干光时，从光源110发射的光发射衍射。因为光源光栅120具有大量的透光部121，已经通过光源光栅120的光表现得如同布置在X轴方向上的大量线性光源。
已经通过光源光栅120的光通过标尺140的第一标尺光栅141和第二标尺光栅142发生衍射。术语“第一位置关系”将参考标尺光栅、光源光栅和光接收光栅的线彼此对准的状态，即，存在沿着它使已经通过光源光栅的零级光可以通过标尺光栅的路径的状态。术语“第二位置关系”将参考光源光栅、光接收光栅和标尺光栅的线彼此移位半个栅距的状态，即，已经通过光源光栅的零级光被标尺光栅阻挡的状态。
术语“第一干涉条纹”将参考当标尺光栅处于第一位置关系时产生的干涉条纹。术语“第二干涉条纹”将参考当标尺光栅处于第二位置关系时产生的干涉条纹。第一干涉条纹和第二干涉条纹具有相同的相。第一干涉条纹和第二干涉条纹由沿着不同光路到达光接收光栅151透光部153的光线形成。因此，虽然第一干涉条纹和第二干涉条纹具有相同的相，但是第一干涉条纹和第二干涉条纹的强度可彼此不同。
在图3中，第一标尺光栅141处于第一位置关系。此时，从第一标尺光栅141移位半个栅距的第二标尺光栅142处于第二位置关系。在图3中，通过第一标尺光栅141的光用实线描绘，而通过第二标尺光栅142的光用虚线描绘。
在图3示出的状态下，处于第一位置关系的第一标尺光栅141形成第一干涉条纹；而处于第二位置关系的第二标尺光栅142形成第二干涉条纹。形成第一干涉条纹的光和形成第二干涉条纹的光以50:50的比率加入，通过光接收光栅151的透光部153，并且进入光电二极管152。
图4图示标尺140已经从图3示出的状态移位半个栅距的状态。在图4中，如在图3中，通过第一标尺光栅141的光用实线描绘，而通过第二标尺光栅142的光用虚线描绘。在图4中，第一标尺光栅141处于第二位置关系。此时，从第一标尺光栅141移位半个栅距的第二标尺光栅142处于第一位置关系。处于第二位置关系的第一标尺光栅141形成第二干涉条纹；而处于第一位置关系的第二标尺光栅142形成第一干涉条纹。第一干涉条纹和第二干涉条纹具有相同的相。关于信号强度的总量，图4示出的光学编码器100状态与图3相同。
日本未审专利申请出版物No.63-33604中描述的光学编码器800仅具有一个标尺光栅。因此，每次标尺光栅移动半个栅距，第一位置关系和第二位置关系交替地发生。由此，第一干涉条纹和第二干涉条纹交替地产生。结果，由光电二极管152产生的检测信号的峰值强度发生波动。
相反，除第一标尺光栅141之外，根据本实施例的光学编码器100包括第二标尺光栅142。由于该结构，当标尺140移动时，第一位置关系和第二位置关系同时存在。从而，第一干涉条纹和第二干涉条纹同时存在。因此，第一干涉条纹和第二干涉条纹一直一起加入于光电二极管152，并且由光电二极管152产生的检测信号的峰值强度并不发生波动。
如前所述，利用本发明，可以提供一种光学编码器，其可以获得精确地具有周期P/2的检测信号，其中P是光栅栅距。
第二实施例
图5图示根据第二实施例的光学编码器400结构。光学编码器400包括光源110、光源光栅120、标尺410和干涉条纹检测部件150。光学编码器400检测标尺410相对于光源110、光源光栅120和干涉条纹检测部件150的移动量。光源光栅120与标尺410之间的间隙和标尺410与干涉条纹检测部件150之间的间隙彼此相同。
图6是图示标尺410结构的平面图。在光学编码器400中，标尺410包括并排设置在玻璃基板(未示出)上的第一标尺光栅420、第二标尺光栅430、第三标尺光栅440和第四标尺光栅450。标尺410具有细长形状，并且标尺光栅呈四排地布置在标尺410的横向方向上。
因为标尺光栅420至450以该方式进行布置，即使光源光栅120和标尺410在Y轴方向上彼此移位，也可以减少入射于第一标尺光栅420和第三标尺光栅440上的光强度与入射于第二标尺光栅430和第四标尺光栅450上的光强度的比率变化。由此，可以减少形成第一干涉条纹并且进入光电二极管152的光强度与形成第二干涉条纹并且进入光电二极管152的光强度的比率变化。从而，如果光源光栅120和标尺410在Y轴方向上彼此移位，则可以减少从光电二极管152输出的检测信号的内插误差。
第三实施例
图7是图示根据第三实施例的光学编码器600结构的透视图。光学编码器600可以检测X轴方向上的位移和Y轴方向上的位移。光学编码器600包括用于检测X轴方向上位移的结构，其与第一实施例的结构相同。光学编码器600包括用于检测Y轴方向上位移的结构，其从根据第一实施例的光学编码器100结构旋转90°。光学编码器600包括光源110、X轴方向光源光栅610、Y轴方向光源光栅620、XY-标尺630和干涉条纹检测部件640。X轴方向光源光栅610和Y轴方向光源光栅620设置在相同的平面上。X轴方向光源光栅610与XY-标尺630之间的间隙、Y轴方向光源光栅620与XY-标尺630之间的间隙、以及XY-标尺630与干涉条纹检测部件640之间的间隙彼此相同。
XY-标尺630包括形成在玻璃基板(未示出)上的XY-光栅633。图8是图示XY-标尺630的XY-光栅633的结构的平面图。XY-光栅633包括以交错方式二维布置的遮光部632。允许光通过其中的透光部631是XY-光栅633的没有遮光部632的部分。XY-光栅633具有X轴方向上的周期P和Y轴方向上的周期Q。换句话说，XY-光栅633包括标尺光栅，每个标尺光栅包括交替地布置在X轴方向上的透光部631和遮光部632。标尺光栅并排设置在Y轴方向上，以彼此移位1/2周期。
通过用具有高反射率的材料形成遮光部632，遮光部632可以用作光反射部。在这种情况下，包括布置有透光部631和光反射部的XY-光栅633的光学编码器600用作反射型编码器。因为每个透光部631和每个光反射部具有相同形状，一个XY-光栅633可以用于透射型编码器和反射型编码器。当XY-光栅633用于反射型编码器时，因为透光部631面积与光反射部(遮光部632)面积的比率是1:1，XY-光栅633可以反射大量的光，并且反射型编码器可以产生具有高强度的信号。
图9是图示X轴方向光源光栅610和Y轴方向光源光栅620的结构的透视图。X轴方向光源光栅610包括以周期P布置在X轴方向上的透光部611和遮光部612。Y轴方向光源光栅620包括以周期Q布置在Y轴方向上的透光部621和遮光部622。
干涉条纹检测部件640包括检测X轴方向(第一方向)上的干涉条纹的X轴方向干涉条纹检测部件650和检测Y轴方向(第二方向)上的干涉条纹的Y轴方向干涉条纹检测部件660。X轴方向干涉条纹检测部件650检测X轴方向上的移动量，而Y轴方向干涉条纹检测部件660检测Y轴方向上的移动量。
X轴方向干涉条纹检测部件650检测由X轴方向光源光栅610和XY-标尺630产生的干涉条纹。X轴方向干涉条纹检测部件650包括X轴方向光接收光栅651和第一光电二极管652。X轴方向光接收光栅651包括以周期P布置在X轴方向上的透光部653和遮光部654。
Y轴方向干涉条纹检测部件660检测由Y轴方向光源光栅620和XY-标尺630产生的干涉条纹。Y轴方向干涉条纹检测部件660包括Y轴方向光接收光栅661和第二光电二极管662。Y轴方向光接收光栅661包括以周期Q布置在Y轴方向上的透光部663和遮光部664。
在X轴方向光源光栅610、Y轴方向光源光栅620、XY-标尺630、X轴方向光接收光栅651和Y轴方向光接收光栅661的每个之中，X轴方向上的光栅栅距可与Y轴方向上的光栅栅距相同(P＝Q)。当P＝Q时，XY-光栅633的透光部631和遮光部632的每个具有方形形状。由此，光学编码器600在X轴方向和Y轴方向上具有相同的分辨率。
如上所述，如同第一实施例，根据第三实施例的光学编码器600可以获得精确地具有周期P/2的检测信号，其中p是光栅栅距。而且，根据第三实施例的光学编码器600可以同时检测X轴方向的位移和Y轴方向的位移。
本发明并不限于上面描述的各实施例，并且各实施例可以在本发明的精神和范围内进行修改。例如，在上面描述的各实施例中，编码器是透射型编码器。然而，本发明可以应用至反射型编码器。在上面描述的各实施例中，编码器是线性编码器。然而，本发明可以应用至旋转编码器。

Claims (7)

1.一种光学编码器，包括：
发光的光源；
标尺，包括各具有预定的栅距的超过两个的标尺光栅；
光源光栅，设置在所述光源与所述标尺之间并且具有预定的栅距；以及
干涉条纹检测部件，检测由所述光源光栅和所述标尺产生的干涉条纹，
其中，所述超过两个的标尺光栅并排设置，并且任何相邻的一对标尺光栅彼此移位1/2周期。
2.根据权利要求1所述的光学编码器，
其中，所述超过两个的标尺光栅具有相同的栅距。
3.根据权利要求1所述的光学编码器，
其中，所述干涉条纹检测部件检测由彼此移位1/2周期的所述标尺光栅产生的干涉条纹，作为一个干涉条纹。
4.根据权利要求1至3任一项所述的光学编码器，
其中，所述标尺是细长标尺，并且
其中，所述标尺光栅呈四排布置在所述标尺的横向方向上。
5.根据权利要求1至3任一项所述的光学编码器，
其中，所述标尺在二维方向上延伸，并且
其中，所述标尺光栅布置成2N排，其中N是大于2的整数。
6.根据权利要求1至3任一项所述的光学编码器，
其中，所述光源光栅的横向方向上的宽度大于设置有所述超过两个的标尺光栅的区域的横向方向的宽度。
7.一种光学编码器，包括：
发光的光源；
XY-标尺，包括具有预定的栅距并且在二维方向上延伸的交错的XY-标尺光栅；
X轴方向光源光栅，设置在所述光源与所述XY-标尺之间并且包括在X轴方向上具有预定的栅距的光栅；
Y轴方向光源光栅，设置在所述光源与所述XY-标尺之间并且包括在横跨X轴方向的Y轴方向上具有预定的栅距的光栅；
X轴方向干涉条纹检测部件，检测由所述X轴方向光源光栅和所述XY-标尺产生的干涉条纹；以及
Y轴方向干涉条纹检测部件，检测由所述Y轴方向光源光栅和所述XY-标尺产生的干涉条纹，
其中XY-标尺光栅在X轴方向上和在Y轴方向上彼此移位1/2周期。
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