CN106500599B - 编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种编码器。标尺包括在测量方向上布置的光栅图案。检测头可以相对于标尺在测量方向上移动，并且输出指示图案的检测结果的电信号。运算单元计算检测头相对于标尺的相对位移。检测头使光照射标尺。光接收单元包括在测量方向上布置的光接收元件阵列、并且将施加至光接收元件阵列的照射光的检测结果作为电信号输出。光学系统通过使用在测量方向上布置的透镜阵列使来自标尺的光在光接收单元的光接收表面上形成干涉条纹。透镜阵列中的邻接透镜之间的透镜阵列间距不等于光栅图案的间距的整数倍。

Description

编码器
技术领域
本发明涉及一种编码器。
背景技术
目前，已知如下光学线性编码器：其是用于测量位移的设备的一种类型。该光学线性编码器包括标尺和沿着该标尺移动的检测头。标尺设有：例如，用于检测基准位置的绝对图案和用于检测标尺与检测头之间的相对位移的增量图案。该光学线性编码器通过使用基准信号来确定基准位置，其中该基准信号是对标尺上的绝对图案进行检测的结果。此外，可以通过在将基准位置用作基准的同时考虑上述的位移来检测标尺与检测头之间的位置关系。
光学线性编码器的示例是如下编码器：该编码器通过使用透镜阵列光学系统来检测具有连续周期性的标尺光栅(日本特表第2005-522682号)。在该编码器中，将透镜阵列的间距确定为使得在光学系统通过组成透镜阵列的每个单独的透镜来投射图像的范围的边界上，形成的图案的相位同步或者发生特定相位移位。这样，可以通过使用一个光接收元件阵列来检测由透镜阵列形成的本地图像的集合。
此外，同样提出了通过使用远心光学系统来形成光栅图案的图像的编码器(日本特开第2006-284563号)。
发明内容
然而，本发明人发现在上述编码器中存在以下问题。在上述编码器中，必须准确地确定透镜阵列的间距，因此需要一种用于制造透镜阵列的精确制造技术。此外，即使可以精确地制造透镜阵列，当透镜阵列周围的环境温度在环境温度倾向于波动的环境下发生波动时，透镜阵列的间距也可能由于透镜阵列的材料的膨胀/收缩而改变。例如，在如下条件下：将塑料用作透镜阵列的材料；预期的线性膨胀系数为60×10-6(1/℃)；预期的温度变化为100℃；以及透镜间距为1mm，预期间距会波动6μm。因此，当标尺的图案的周期等于或者短于10μm时，不能忽略间距波动。尽管可设想的是使用具有较小线性膨胀系数的玻璃材料，但玻璃材料的使用增加了材料成本和制造成本。此外，透镜阵列的间距与标尺的图案同步，即，透镜阵列的间距设置为标尺的图案的整数倍。因此，由透镜阵列形成的图像周期性地受到特定透镜像差的影响。
图10示意性地示出了像差在普通编码器中的影响。例如，在标尺71中，形成了增量图案，并且在测量方向(X方向)上以重复方式布置光透射部分71A和非透射部分71B。标尺71受到光PL的照射。然后，通过使用透镜阵列72来使已经穿过标尺71的光在光接收单元的光接收表面73上成像(即，干涉条纹FP)。在透镜阵列72中，在测量方向(X方向)上以间距(透镜阵列间距)AG按照重复方式布置透镜72A。在该示例中，将透镜阵列间距AG确定为：使得其等于标尺71的光栅图案的间距P的整数倍。
因此，如在图10中示出的，像差ABE表现出一种倾向性，即以等于标尺71的光栅图案的间距P的整数倍(即，透镜阵列间距AG)的周期而周期性地重复。应注意，像差ABE对干涉条纹FP的峰值(其按间距P周期性地出现)的影响也按透镜阵列间距AG重复。因此，像差的固有影响也可能出现在光接收单元所输出的干涉条纹FP的检测结果中，从而使干涉条纹检测的准确性易于劣化。
本发明是鉴于上述情况而设计的，并且其目的在于防止或者减少透镜像差在使用通过使用透镜阵列形成的光学系统的编码器中的影响。
本发明的第一示例性方面是一种编码器，包括：标尺，所述标尺上形成有在测量方向上布置的图案；检测头，所述检测头配置为相对于所述标尺在所述测量方向上移动，并且输出指示所述图案的检测结果的电信号；以及运算单元，所述运算单元配置为根据所述电信号来计算所述检测头相对于所述标尺的相对位移，其中，所述检测头包括：光源，所述光源配置为使光照射所述标尺；光接收单元，所述光接收单元包括在所述测量方向上布置的光接收元件阵列，并且配置为将施加至所述光接收元件阵列的照射光的检测结果作为所述电信号输出；以及光学系统，所述光学系统配置为正像光学系统，所述正像光学系统配置为通过使用在所述测量方向上布置的透镜阵列使来自所述标尺的光在所述光接收单元的光接收表面上形成干涉条纹，其中，所述透镜阵列中的邻接透镜之间的间距不等于所述图案的间距的整数倍。
这样，由于透镜阵列的间距不等于图案的间距的整数倍，所以由于透镜阵列中的透镜导致的像差的影响被平均化，并且因此可以减少在从整个干涉条纹上进行观察时的像差的影响。
本发明的第二示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述光学系统是1倍正像光学系统。
这样，可以以具体的方式来实施包括能够减少像差的影响的1倍正像光学系统的编码器。
本发明的第三示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述光学系统包括：第一透镜阵列，所述第一透镜阵列设置为在所述光源的照射方向上与所述标尺相邻；第二透镜阵列，所述第二透镜阵列设置在所述第一透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧；以及第三透镜阵列，所述第三透镜阵列设置在所述第二透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧，以及所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的间距彼此相等。
这样，可以以具体的方式来实施包括利用三个透镜阵列形成且能够减少像差的影响的1倍正像光学系统的编码器。
本发明的第四示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述标尺与所述第一透镜阵列之间的距离、所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间的距离、所述第二透镜阵列与所述第三透镜阵列之间的距离、以及所述第三透镜阵列与所述光接收单元的所述光接收表面之间的距离分别等于所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜的焦距的两倍。
这样，可以以具体的方式来实施包括利用三个透镜阵列形成且能够减少像差的影响的1倍正像光学系统的编码器。
本发明的第五示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述光学系统是缩小正像光学系统。
这样，可以以具体的方式来实施包括能够减少像差的影响的缩小正像光学系统的编码器。
本发明的第六示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述光学系统包括：第一透镜阵列，所述第一透镜阵列设置为在所述光源的照射方向上与所述标尺相邻；第二透镜阵列，所述第二透镜阵列设置在所述第一透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧；以及第三透镜阵列，所述第三透镜阵列设置在所述第二透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧，其中，所述第一透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的第一间距比所述第二透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的第二间距长，以及所述第二间距比所述第三透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的第三间距长。
这样，可以以具体的方式来实施包括利用三个透镜阵列形成且能够减少像差的影响的缩小正像光学系统的编码器。
本发明的第七示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述光学系统是1/2倍正像光学系统，并且满足下面示出的表达式：
[表达式1]
Figure BDA0001111450690000041
Figure BDA0001111450690000042
其中：D1是所述标尺与所述第一透镜阵列之间、以及所述第二透镜阵列与所述第三透镜阵列之间的第一距离；D2是所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间、以及所述第三透镜阵列与所述光接收单元的所述光接收表面之间的第二距离；并且f是所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜的焦距。
这样，可以以具体的方式来实施包括利用三个透镜阵列形成且能够减少像差的影响的1/2倍正像光学系统的编码器。
本发明的第八示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜是柱面透镜，所述柱面透镜的长边方向垂直于所述光源的照射方向和所述测量方向。
这样，可以以具体的方式来实施包括利用三个透镜阵列形成且能够减少像差的影响的正像光学系统的编码器。
本发明的第九示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述光学系统包括：第四透镜阵列，所述第四透镜阵列设置为在所述光源的照射方向上与所述标尺相邻；第五透镜阵列，所述第五透镜阵列设置在所述第四透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧，所述第五透镜阵列配置为与所述第四透镜阵列形成双侧远心光学系统；第六透镜阵列，所述第六透镜阵列设置在所述第五透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧；以及第七透镜阵列，所述第七透镜阵列设置在所述第六透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧，所述第七透镜阵列配置为与所述第六透镜阵列形成双侧远心光学系统，以及所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的间距彼此相等。
这样，可以以具体的方式来实施包括利用四个透镜阵列形成且能够减少像差的影响的1倍正像光学系统的编码器。此外，即使当标尺与第四透镜阵列之间的距离和第七透镜阵列与光接收单元的光接收表面之间的距离中的一个或者两个波动时，上述配置也可以减少干涉条纹的峰值位置中的波动。
本发明的第十示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述标尺与所述第四透镜阵列之间的距离和所述第七透镜阵列与所述光接收单元的所述光接收表面之间的距离分别等于所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜的焦距，以及所述第四透镜阵列与所述第五透镜阵列之间的距离、所述第五透镜阵列与所述第六透镜阵列之间的距离、以及所述第六透镜阵列与所述第七透镜阵列之间的距离分别等于所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜的焦距的两倍。
这样，可以以具体的方式来实施包括利用四个透镜阵列形成且能够减少像差的影响的1倍正像光学系统的编码器。此外，即使当标尺与第四透镜阵列之间的距离和第七透镜阵列与光接收单元的光接收表面之间的距离中的一个或者两个波动时，上述配置也可以减少干涉条纹的峰值位置中的波动。
本发明的第十一示例性方面是上述编码器，其中，优选地，所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜是柱面透镜，所述柱面透镜的长边方向垂直于所述光源的照射方向和所述测量方向。
这样，可以以具体的方式来实施包括利用四个透镜阵列形成且能够减少像差的影响的1倍正像光学系统的编码器。
本发明的第十二示例性方面是上述编码器，其中，优选地，其进一步包括形成有开口的光阑，所述开口位于所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜的光轴穿过的位置处，其中，所述光阑插入在所述第四透镜阵列与所述第五透镜阵列之间、或者插入在所述第六透镜阵列与所述第七透镜阵列之间、或者插入在所述第四透镜阵列与所述第五透镜阵列之间和所述第六透镜阵列与所述第七透镜阵列之间。
这样，即使当标尺与第四透镜阵列之间的距离和第七透镜阵列与光接收单元的光接收表面之间的距离中的一个或者两个波动时，也能够减少干涉条纹的峰值强度中的波动。
本发明的第十三示例性方面是上述编码器，其中，优选地，在所述光学系统是N倍正像光学系统的情况下，在所述光接收元件阵列中，连续地布置成排的四个光接收元件形成一个区域，并且所述区域在所述测量方向上重复地布置，所述光接收元件阵列中的光接收元件的布置间距是所述图案的布置间距的1/4N，以及所述区域中的所述四个光接收元件分别输出与A相信号对应的电信号、与B相信号对应的电信号、与A-相信号对应的电信号、以及与B-相信号对应的电信号，其中，N是正实数。
这样，能够提供配置为通过使用四相信号来进行位置检测的编码器。
根据本发明，能够防止或者减少透镜像差在使用通过使用透镜阵列形成的光学系统的编码器中的影响。
通过下文给出的详细说明和附图，将更加充分地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点，其中，这些附图仅是通过例示方式给出的，因而不应被视为限制本发明。
附图说明
图1是示出根据第一示例性实施例的编码器的外观的立体图；
图2示出了根据第一示例性实施例的检测头的内部和标尺的细节；
图3示出了根据第一示例性实施例的光学系统的配置；
图4示出了根据第一示例性实施例的、形成于光接收单元中的干涉条纹与由于光学系统引起的像差之间的关系；
图5示出了根据第二示例性实施例的光学系统和光接收单元的配置；
图6示出了根据第三示例性实施例的光学系统的配置；
图7示出了根据第四示例性实施例的编码器的光学系统的配置；
图8示出了根据第四示例性实施例的编码器的修改示例的光学系统的配置；
图9示出了根据第四示例性实施例的编码器的修改示例的光学系统的配置；以及
图10示意性地示出了像差在普通编码器中的影响。
具体实施方式
下文参考附图来说明根据本发明的示例性实施例。在整个附图中，向相同的组件指派相同的附图标记，并且适当省略了针对这些组件的重复说明。根据下文描述的示例性实施例的编码器被形成为光学编码器，该光学编码器检测来自光栅图案的光并且从而计算位置。
第一示例性实施例
下文将对根据本发明的第一示例性实施例的编码器进行说明。图1是示出根据第一示例性实施例的编码器100的外观的立体图。如在图1中示出的，编码器100包括：标尺1、检测头2、以及运算单元3。
下文将对标尺1进行说明。图2示出了根据第一示例性实施例的编码器100的检测头2的内部和标尺1的细节。如在图2中示出的，标尺1形成为板构件，该板构件的长边方向平行于作为编码器100的测量方向的X方向。标尺1包括光栅图案4，光栅图案4是增量图案。光栅图案4是长边方向(即，光栅图案4的每个矩形部分的长边方向)平行于Y方向的图案。注意，Y方向是在设置标尺1的图案的平面上垂直于(或者正交于)X方向(即，测量方向)的方向。
光栅图案4是用于生成增量信号的图案。在光栅图案4中，长边方向均平行于Y方向的光透射部分5和非透射部分6以相同的间距P交替地布置在测量方向(X方向)上。例如，光栅图案4在测量方向(X方向)上的间距P为50μm。在这种情况下，例如，以如下方式使光透射部分5和非透射部分6交替地布置：光透射部分5在测量方向(X方向)上的相应宽度分别为25μm，并且非透射部分6在测量方向(X方向)上的相应宽度分别为25μm。
下文将对检测头2进行说明。如在图1中示出的，检测头2配置为使得检测头2可以在测量方向(X方向)上相对于标尺1移动并且输出指示光栅图案4的检测结果的电信号。如在图2中示出的，检测头2包括：光源7、光学系统11、以及光接收单元12。
如在图2中示出的，光源7使用光PL来照射标尺1。光源7包括例如光源和准直透镜。在这种情况下，光源的示例包括：LED(发光二极管)、半导体激光、SLED(自扫描发光装置)、以及OLED(有机发光二极管)。
光学系统11使在标尺1中被衍射的光在光接收单元12的光接收表面上成像。这样，在光接收单元12的光接收表面上形成干涉条纹。
光接收单元12形成为光接收元件阵列。光接收单元12接收已经穿过光栅图案4的光并且将其转换成电信号。光接收单元12包括：多个光接收元件12A、多个光接收元件12B、多个光接收元件12C、以及多个光接收元件12D。例如，可以将光电二极管用作光接收元件12A至12D。光接收元件12A至12D布置在测量方向(X方向)上并且其中四个(即，分别由光接收元件12A至12D组成的四个光接收元件)形成一组光接收元件。由光接收元件12A至12D形成的(即，由四个光接收元件形成的)组重复地布置在测量方向(X方向)上。
光接收元件12A至12D配置为使得其中每个光接收元件在测量方向(X方向)上的宽度等于光栅图案4的间距P的四分之一(即，等于P/4)。从上文的说明中，可以理解的是，光接收单元12配置为输出四个相位信号。例如，光接收元件12A、12B、12C和12D分别输出A相信号、B相信号、A-相信号、以及B-相信号。
再次参照图1，下文将对编码器100的配置的剩余部分进行说明。运算单元3对从光接收单元12输出的四相信号进行处理并且计算标尺1与检测头2之间的在测量方向(X方向)上的相对位移。在编码器100中，可以通过使用例如计算器来实施运算单元3，该计算器包括诸如个人计算机等CPU(中央处理单元)。
接下来，下文将对根据该示例性实施例的光学系统11进行说明。图3示出了根据第一示例性实施例的光学系统11的配置。光学系统11配置为包括三个透镜阵列13至15(分别也称为第一透镜阵列至第三透镜阵列)的1倍正像光学系统，该三个透镜阵列13至15在光照射方向(即，垂直于X方向和Y方向的Z方向)上布置成一排(即，按照纵列方式布置)。从标尺1上看，透镜阵列13至15按照透镜阵列13、透镜阵列14和透镜阵列15的顺序布置。
在透镜阵列13中，透镜13A在测量方向(X方向)上布置成一排(即，并排布置)。每个透镜13A形成为具有焦距f的柱面透镜，其中，该透镜在XZ平面截面上具有平凸透镜的形状(即，在标尺1侧上具有外凸形状)并且在YZ平面截面上具有矩形形状(未示出)。在透镜阵列14中，透镜14A在X方向上布置成一排。在透镜阵列15中，透镜15A在X方向上布置成一排。透镜14A和透镜15A中的每一个均形成为具有与透镜13A的形状和尺寸相同的形状和尺寸且具有焦距f的柱面透镜。
在该示例性实施例中，透镜阵列13至15的透镜阵列间距(透镜阵列中的邻接透镜的光轴之间的距离)被表示为“AG”。应注意，透镜13A、14A和15A配置为使得透镜阵列间距AG不等于光栅图案4的间距P的整数倍(AG≠kP(k是整数))。显然，透镜13A、14A和15A中的每一个在X方向上的宽度等于透镜阵列间距AG。
此外，在该示例性实施例中，光学系统11配置为使得光栅图案4与透镜阵列13之间的距离、透镜阵列13与透镜阵列14之间的距离、透镜阵列14与透镜阵列15之间的距离、以及透镜阵列15与光接收单元12的光接收表面之间的距离分别等于透镜13A、14A和15A的焦距f的两倍。
因此，光学系统11配置为将“-1”倍倒立光学系统串联地布置的1倍正像光学系统。图4示出了根据第一示例性实施例的、形成于光接收单元12中的干涉条纹FP与由于光学系统11引起的像差之间的关系。尽管透镜阵列间距AG不等于间距P的整数倍(AG≠kP)，但光栅图案4在光接收单元12的光接收表面上的图像(即，干涉条纹)中不存在相位差，如在图4中示出的。因此，在光接收单元12的光接收表面上形成反映光栅图案4的明/暗的干涉条纹FP。
另一方面，由于透镜阵列间距AG不等于间距P的整数倍(AG≠kP)，所以由于透镜阵列引起的像差ABE的重复周期(即，透镜阵列间距AG)不等于光栅图案4的间距P的整数倍。因此，如在图4中示出的，影响干涉条纹FP的明部分的像差的大小是不均匀的。因此，可以理解的是，在从整个干涉条纹上进行观察时，像差的影响被平均化。
此外，在该示例性实施例中，由于尤其可以将透镜阵列间距AG设置为不等于光栅图案4的间距P的整数倍的值(AG≠kP)，所以可以将透镜阵列间距AG设置为大体上任何任意值。因此，由于可以增加透镜阵列的制造公差，所以能够提高产量并且降低制造成本。此外，根据本发明，透镜阵列的间距不限于任何特定值。因此，即使由于使用环境的改变而使得透镜阵列的间距波动，仍可以对干涉条纹进行检测。
如上文描述的，可以将透镜阵列间距AG设置为不等于光栅图案4的间距P的整数倍的值。该特征可以实现是因为光学系统11被配置为正像光学系统。下文将对其原理(即，原因)进行说明。
如果光学系统11配置为倒立光学系统，则衍射光栅在光接收表面上的图像在构成透镜阵列的透镜的边界上变得不连续。因此，在这种情况下，需要将透镜阵列中的每个透镜在测量方向上的宽度(布置间距)设置为特定值，即，等于衍射光栅的整数倍的值，如在专利文献1和专利文献2中所描述的。当透镜阵列中的每个透镜在测量方向上的宽度(布置间距)不等于衍射光栅的整数倍时，衍射光栅的光透射部分(反射部分)或者非透射部分(非反射部分)的在测量方向上的中间位置处的图像形成为透镜边界上的图像。也就是说，由于透镜边界上的图像的相位变得不连续，所以由编码器进行的位置检测的准确性劣化。
与此相反，由于根据该示例性实施例的光学系统11是正像光学系统，所以衍射光栅在光接收表面上的图像在构成透镜阵列的透镜的边界上理所当然是连续的。因此，即使当透镜阵列中的每个透镜在测量方向上的宽度(布置间距)不等于衍射光栅的整数倍、并且衍射光栅的光透射部分(反射部分)或者非透射部分(非反射部分)的在测量方向上的中间位置处的图像形成为透镜边界上的图像时，衍射光栅的图像也会变得连续。因此，在光接收表面上形成了准确地反映衍射光栅的图像。从上述说明中，可以理解的是，通过将光学系统11配置成正像光学系统，可以将透镜阵列间距AG设置为不等于光栅图案4的间距P的整数倍的值。
第二示例性实施例
下文将对根据本发明的第二示例性实施例的编码器进行说明。根据第二示例性实施例的编码器200的配置是通过如下方式来获得：通过用光学系统21和光接收单元22来分别代替根据第一示例性实施例的编码器100的光学系统11和光接收单元12。
图5示出了根据第二示例性实施例的光学系统21和光接收单元22的配置。首先，下文将对光学系统21进行说明。光学系统21配置为包括三个透镜阵列23至25(也分别称为第一透镜阵列至第三透镜阵列)的缩小正像光学系统，该三个透镜阵列23至25在光照射方向(即，Z方向)上布置成一排(即，按照纵列方式布置)。从标尺1上看，透镜阵列23至25按照透镜阵列23、透镜阵列24和透镜阵列25的顺序布置。
在透镜阵列23中，透镜23A在X方向上布置成一排(即，并排布置)。每个透镜23A形成为柱面透镜，其中，该透镜在XZ平面截面上具有平凸透镜的形状(即，在标尺1侧上具有外凸形状)并且在YZ平面截面上具有矩形形状(未示出)。在透镜阵列24中，透镜24A在X方向上布置成一排。在透镜阵列25中，透镜25A在X方向上布置成一排。类似于透镜23A，透镜24A和透镜25A中的每一个均形成为柱面透镜，其中，该透镜在XZ平面截面上具有平凸透镜的形状(即，在标尺1侧上具有外凸形状)并且在YZ平面截面上具有矩形形状(未示出)。
在该示例性实施例中，透镜23A、透镜24A和透镜25A中的每一个的焦距均为f。此外，透镜24A在X方向上的尺寸小于透镜23A的尺寸，并且透镜25A在X方向上的尺寸小于透镜24A的尺寸。也就是说，透镜阵列23至25配置为使得透镜阵列23至25的透镜阵列间距AG23至AG25(分别也称为第一透镜间距至第三透镜间距)都不等于标尺1的间距P的整数倍并且关系“AG23＞AG24＞AG25”成立。
在该示例性实施例中，用D1来表示光栅图案4与透镜阵列23之间的距离和透镜阵列24与透镜阵列25之间的距离，并且用D2来表示透镜阵列23与透镜阵列24之间的距离和透镜阵列25与光接收单元22的光接收表面之间的距离，距离D1和距离D2分别设置为如在下面示出的表达式(1)和表达式(2)中所示出。
[表达式2]
Figure BDA0001111450690000131
[表达式3]
Figure BDA0001111450690000132
因此，光学系统21配置为1/2倍正像光学系统。即使在这种情况下，尽管透镜阵列间距AG23至AG25不等于间距P的整数倍(AG23≠kP，AG24≠kP，AG25≠kP)，但干涉条纹FP(即，光栅图案4在光接收单元22的光接收表面上的图像)中也不存在相位差，如在图5中示出的。因此，在光接收单元22的光接收表面上形成反映光栅图案4的明/暗的干涉条纹FP。
另一方面，由于透镜阵列间距AG23至AG25不等于间距P的整数倍(AG23≠kP，AG24≠kP，AG25≠kP)，所以由于透镜阵列导致的像差的重复周期不等于光栅图案4的间距P的整数倍。因此，类似于第一示例性实施例，影响干涉条纹FP的明部分的像差的大小是不均匀的。因此，即使当使用了缩小正像光学系统，在从整个干涉条纹上进行观察时，也可以使像差的影响平均化。
此外，基于第一示例性实施例和第二示例性实施例两者的说明，可以理解的是，当光学系统是N倍(N为正实数)正像光学系统时，可以(或者应该)将光接收元件阵列的光接收表面的布置间距设置为光栅图案的布置间距P的1/4N。
第三示例性实施例
下文将对根据本发明的第三示例性实施例的编码器进行说明。根据第三示例性实施例的编码器300的配置是通过如下方式来获得：通过用光学系统31来代替根据第一示例性实施例的编码器100的光学系统11。
图6示出了根据第三示例性实施例的光学系统31的配置。光学系统31配置为双侧远心1倍正像光学系统。光学系统31包括四个透镜阵列33至36(也分别称为第四透镜阵列至第七透镜阵列)，该四个透镜阵列33至36在光照射方向(即，Z方向)上布置成一排(即，按照纵列方式布置)。
在透镜阵列33中，透镜33A在X方向上布置成一排(即，并排布置)。每个透镜33A形成为具有焦距f的柱面透镜，其中，该透镜在XZ平面截面上具有平凸透镜的形状(即，在标尺1侧上具有外凸形状)并且在YZ平面截面上具有矩形形状(未示出)。透镜阵列33设置在光接收单元12侧上与标尺1相距焦距f的位置处。
在透镜阵列34中，透镜34A在X方向上布置成一排。每个透镜34A形成为具有焦距f的柱面透镜，其中，该透镜在XZ平面截面上具有平凸透镜的形状(即，在光接收单元12侧上具有外凸形状)并且在YZ平面截面上具有矩形形状(未示出)。透镜阵列34布置在光接收单元12侧上与透镜阵列33相距等于焦距f的两倍的距离(2f)的位置处。
如在图6中示出的，由透镜阵列33和透镜阵列34组成的一组透镜(前侧透镜组)形成双侧远心光学系统，该双侧远心光学系统是“-1”倍倒立光学系统。
在透镜阵列35中，透镜35A在X方向上布置成一排。类似于透镜33A，每个透镜35A形成为具有焦距f的柱面透镜，其中，该透镜在XZ平面截面上具有平凸透镜的形状(即，在标尺1侧上具有外凸形状)并且在YZ平面截面上具有矩形形状(未示出)。透镜阵列35布置在光接收单元12侧上与透镜阵列34相距等于焦距f的两倍的距离(2f)的位置处。
在透镜阵列36中，透镜36A在X方向上布置成一排。每个透镜36A形成为具有焦距f的柱面透镜，其中，该透镜在XZ平面截面上具有平凸透镜的形状(即，在光接收单元12侧上具有外凸形状)并且在YZ平面截面上具有矩形形状(未示出)。透镜阵列36布置在光接收单元12侧上与透镜阵列35相距等于焦距f的两倍的距离(2f)的位置处。注意，透镜阵列36与光接收单元12的光接收表面之间的距离等于焦距f。
如在图6中示出的，由透镜阵列35和透镜阵列36组成的一组透镜(后侧透镜组)形成双侧远心光学系统，该双侧远心光学系统是“-1”倍正像倒立光学系统。
如上文所描述的，通过串联地布置两个“-1”倍率倒立光学系统、即前侧透镜组(透镜阵列33和透镜阵列34)和后侧透镜组(透镜阵列35和透镜阵列36)，将光学系统31配置成1倍正像光学系统。因此，类似于第一示例性实施例，尽管透镜阵列间距AG不等于间距P的整数倍(AG≠kP)，但光栅图案4在光接收单元12的光接收表面上的图像(即，干涉条纹)中不存在相位差。因此，在光接收单元12的光接收表面上形成反映光栅图案4的明/暗的干涉条纹FP。
另一方面，由于透镜阵列间距AG不等于间距P的整数倍(AG≠kP)，所以由于透镜阵列导致的像差的重复周期(即，透镜阵列间距AG)不等于光栅图案4的间距P的整数倍。因此，类似于第一示例性实施例，影响干涉条纹FP的明部分的像差的大小是不均匀的。因此，在从整个干涉条纹上进行观察时，像差的影响被平均化。
第四示例性实施例
下文将对根据本发明的第四示例性实施例的编码器进行说明。根据第四示例性实施例的编码器400是根据第三示例性实施例的编码器300的修改示例。图7示出了根据第四示例性实施例的编码器400的光学系统41的配置。光学系统41配置为双侧远心1倍正像光学系统，该光学系统是通过如下方式来获得：通过在根据第三示例性实施例的光学系统31中添加光阑(即，其中形成有孔径的组件，下文简单地称为“光阑”)42。
光阑42设置在透镜阵列33与透镜阵列34之间的中间处(即，在透镜阵列33与透镜阵列34之间与这两个阵列等距的位置处)，并且配置为使得光阑42在与透镜33A和透镜34A的光轴相对应的位置处具有开口。在此，光阑42的开口的宽度由W表示。于是，物体侧和图像形成侧的数值孔径NA由下面示出的表达式(3)来表示。
[表达式4]
Figure BDA0001111450690000161
此外，用λ来表示光PL的波长，则编码器400的焦深DOF由下面示出的表达式(4)来表示。
[表达式5]
Figure BDA0001111450690000162
根据该配置，即使当标尺1与光学系统41之间的距离波动以及光学系统41与光接收单元12之间的距离波动时，也能够防止或者减少由光接收单元12检测到的干涉条纹的峰值强度中的波动。
在该示例性实施例中，插入光阑的位置可以改变。下文将对编码器400的修改示例进行说明。编码器401作为编码器400的修改示例具有通过如下方式获得的配置：通过用光学系统51来代替编码器400的光学系统41。
图8示出了编码器401的光学系统51的配置，编码器401是根据第四示例性实施例的编码器400的修改示例。光学系统51具有通过如下方式获得的配置：通过移除光学系统41的光阑42并且添加光阑52。光阑52设置在透镜阵列35与透镜阵列36之间的中间处(即，在透镜阵列35与透镜阵列36之间与这两个阵列等距的位置处)，并且配置为使得光阑52在与透镜35A和透镜36A的光轴相对应的位置处具有开口。在此，光阑52的开口的宽度由W表示。编码器401中的物体侧和图像形成侧的数值孔径NA和焦深DOF类似于编码器400的数值孔径和焦深，并且因此省略对其的说明。
根据该配置，类似于编码器400，即使当标尺1与光学系统51之间的距离波动以及光学系统51与光接收单元12之间的距离波动时，也能够防止或者减少由光接收单元12检测到的干涉条纹的峰值强度中的波动。
此外，将对编码器400的另一个修改示例进行说明。编码器402是编码器400的另一个修改示例，编码器402具有通过如下方式获得的配置：通过用光学系统61来代替编码器400的光学系统41。
图9示出了编码器402的光学系统61的配置，编码器402是根据第四示例性实施例的编码器400的修改示例。光学系统61包括光学系统41的光阑42和光学系统51的光阑52。光阑42类似于编码器400的光阑并且光阑52类似于编码器401的光阑，并且因此省略对其的说明。
根据该配置，类似于编码器400和编码器401，即使当标尺1与光学系统61之间的距离波动以及光学系统61与光接收单元12之间的距离波动时，也能够防止或者减少由光接收单元12检测到的干涉条纹的峰值强度中的波动。
其它示例性实施例
注意，本发明不限于上述示例性实施例，并且可以在不背离本发明的精神的情况下适当地进行改变。例如，尽管将上述编码器作为透射型光学编码器进行了说明，但本发明也可以应用于反射型光学编码器。在这种情况下，标尺的光栅图案的光透射部分和非透射部分分别可以由反射部分和非反射部分代替。此外，光接收单元可以设置在标尺1的设置有光源7的一侧。
在假定光接收单元输出四相信号的情况下说明了上述示例性实施例。然而，光接收单元也可以配置为输出任何相数的信号，而不是输出四相信号。
在上述示例性实施例中，说明了利用设在标尺中的光栅图案构成的增量图案的示例。然而，其仅是示例。例如，很显然，本发明可以类似地应用于除了设在标尺中的光栅图案之外的图案(例如，光透射部分和非透射部分随机地布置的绝对图案)。
此外，很显然，根据本发明的编码器不限于线性编码器，并且本发明可以应用于旋转编码器。
根据如此描述的本发明，可以以多种方式来改变本发明的实施例是明显的。这些变形例不应被视为背离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员而言明显的是，所有这些变形例意图包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种编码器，包括：
标尺，所述标尺上形成有在测量方向上布置的图案；
检测头，所述检测头配置为相对于所述标尺在所述测量方向上移动，并且输出指示所述图案的检测结果的电信号；以及
运算单元，所述运算单元配置为根据所述电信号来计算所述检测头相对于所述标尺的相对位移，
其中，所述检测头包括：
光源，所述光源配置为使光照射所述标尺；
光接收单元，所述光接收单元包括在所述测量方向上布置的光接收元件阵列，并且配置为将施加至所述光接收元件阵列的照射光的检测结果作为所述电信号输出；以及
光学系统，所述光学系统配置为正像光学系统，所述正像光学系统配置为通过使用在所述测量方向上布置的透镜阵列使来自所述标尺的光在所述光接收单元的光接收表面上形成干涉条纹，
其中，所述透镜阵列中的邻接透镜之间的间距不等于所述图案的间距的整数倍，
其中，所述光学系统是1倍正像光学系统，
所述光学系统包括：
第一透镜阵列，所述第一透镜阵列设置为在所述光的照射方向上与所述标尺相邻；
第二透镜阵列，所述第二透镜阵列设置在所述第一透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧；
第三透镜阵列，所述第三透镜阵列设置在所述第二透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧，以及
所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的间距彼此相等。
2.根据权利要求1所述的编码器，其中，所述标尺与所述第一透镜阵列之间的距离、所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间的距离、所述第二透镜阵列与所述第三透镜阵列之间的距离、以及所述第三透镜阵列与所述光接收单元的所述光接收表面之间的距离分别等于所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜的焦距的两倍。
3.根据权利要求1所述的编码器，其中，所述光学系统是缩小正像光学系统。
4.根据权利要求1或2所述的编码器，其中，所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜是柱面透镜，所述柱面透镜的长边方向垂直于所述光源的照射方向和所述测量方向。
5.一种编码器，包括：
标尺，所述标尺上形成有在测量方向上布置的图案；
检测头，所述检测头配置为相对于所述标尺在所述测量方向上移动，并且输出指示所述图案的检测结果的电信号；以及
运算单元，所述运算单元配置为根据所述电信号来计算所述检测头相对于所述标尺的相对位移，
其中，所述检测头包括：
光源，所述光源配置为使光照射所述标尺；
光接收单元，所述光接收单元包括在所述测量方向上布置的光接收元件阵列，并且配置为将施加至所述光接收元件阵列的照射光的检测结果作为所述电信号输出；以及
光学系统，所述光学系统配置为正像光学系统，所述正像光学系统配置为通过使用在所述测量方向上布置的透镜阵列使来自所述标尺的光在所述光接收单元的光接收表面上形成干涉条纹，
其中，所述透镜阵列中的邻接透镜之间的间距不等于所述图案的间距的整数倍，
所述光学系统是缩小正像光学系统，
所述光学系统包括：
第一透镜阵列，所述第一透镜阵列设置为在所述光的照射方向上与所述标尺相邻；
第二透镜阵列，所述第二透镜阵列设置在所述第一透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧；以及
第三透镜阵列，所述第三透镜阵列设置在所述第二透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧，
其中，所述第一透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的第一间距比所述第二透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的第二间距长，以及
所述第二间距比所述第三透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的第三间距长。
6.根据权利要求5所述的编码器，其中，
所述光学系统是1/2倍正像光学系统，并且
满足下面示出的表达式：
[表达式1]
Figure FDA0002457541960000031
Figure FDA0002457541960000032
其中：D1是所述标尺与所述第一透镜阵列之间、以及所述第二透镜阵列与所述第三透镜阵列之间的第一距离；D2是所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间、以及所述第三透镜阵列与所述光接收单元的所述光接收表面之间的第二距离；并且f是所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜的焦距。
7.根据权利要求5或6所述的编码器，其中，所述第一透镜阵列至所述第三透镜阵列所包括的透镜是柱面透镜，所述柱面透镜的长边方向垂直于所述光源的照射方向和所述测量方向。
8.一种编码器，包括：
标尺，所述标尺上形成有在测量方向上布置的图案；
检测头，所述检测头配置为相对于所述标尺在所述测量方向上移动，并且输出指示所述图案的检测结果的电信号；以及
运算单元，所述运算单元配置为根据所述电信号来计算所述检测头相对于所述标尺的相对位移，
其中，所述检测头包括：
光源，所述光源配置为使光照射所述标尺；
光接收单元，所述光接收单元包括在所述测量方向上布置的光接收元件阵列，并且配置为将施加至所述光接收元件阵列的照射光的检测结果作为所述电信号输出；以及
光学系统，所述光学系统配置为正像光学系统，所述正像光学系统配置为通过使用在所述测量方向上布置的透镜阵列使来自所述标尺的光在所述光接收单元的光接收表面上形成干涉条纹，
其中，所述透镜阵列中的邻接透镜之间的间距不等于所述图案的间距的整数倍，
所述光学系统是1倍正像光学系统，
所述光学系统包括：
第四透镜阵列，所述第四透镜阵列设置为在所述光源的照射方向上与所述标尺相邻；
第五透镜阵列，所述第五透镜阵列设置在所述第四透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧，所述第五透镜阵列配置为与所述第四透镜阵列形成双侧远心光学系统；
第六透镜阵列，所述第六透镜阵列设置在所述第五透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧；以及
第七透镜阵列，所述第七透镜阵列设置在所述第六透镜阵列的设置有所述光接收单元的一侧，所述第七透镜阵列配置为与所述第六透镜阵列形成双侧远心光学系统，以及
所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜之间的在所述测量方向上的间距彼此相等。
9.根据权利要求8所述的编码器，其中，
所述标尺与所述第四透镜阵列之间的距离和所述第七透镜阵列与所述光接收单元的所述光接收表面之间的距离分别等于所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜的焦距，以及
所述第四透镜阵列与所述第五透镜阵列之间的距离、所述第五透镜阵列与所述第六透镜阵列之间的距离、以及所述第六透镜阵列与所述第七透镜阵列之间的距离分别等于所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜的焦距的两倍。
10.根据权利要求8或者9所述的编码器，其中，所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜是柱面透镜，所述柱面透镜的长边方向垂直于所述光源的照射方向和所述测量方向。
11.根据权利要求8或者9所述的编码器，其进一步包括形成有开口的光阑，所述开口位于所述第四透镜阵列至所述第七透镜阵列所包括的透镜的光轴穿过的位置处，其中，
所述光阑插入在所述第四透镜阵列与所述第五透镜阵列之间、或者插入在所述第六透镜阵列与所述第七透镜阵列之间、或者插入在所述第四透镜阵列与所述第五透镜阵列之间和所述第六透镜阵列与所述第七透镜阵列之间。
12.一种编码器，包括：
标尺，所述标尺上形成有在测量方向上布置的图案；
检测头，所述检测头配置为相对于所述标尺在所述测量方向上移动，并且输出指示所述图案的检测结果的电信号；以及
运算单元，所述运算单元配置为根据所述电信号来计算所述检测头相对于所述标尺的相对位移，
其中，所述检测头包括：
光源，所述光源配置为使光照射所述标尺；
光接收单元，所述光接收单元包括在所述测量方向上布置的光接收元件阵列，并且配置为将施加至所述光接收元件阵列的照射光的检测结果作为所述电信号输出；以及
光学系统，所述光学系统配置为正像光学系统，所述正像光学系统配置为通过使用在所述测量方向上布置的透镜阵列使来自所述标尺的光在所述光接收单元的光接收表面上形成干涉条纹，
其中，所述透镜阵列中的邻接透镜之间的间距不等于所述图案的间距的整数倍，
其中，在所述光学系统是N倍正像光学系统的情况下，
在所述光接收元件阵列中，连续地布置成排的四个光接收元件形成一个区域，并且所述区域在所述测量方向上重复地布置，
所述光接收元件阵列中的光接收元件的布置间距是所述图案的布置间距的1/4N，以及
所述区域中的所述四个光接收元件分别输出与A相信号对应的电信号、与B相信号对应的电信号、与A-相信号对应的电信号、以及与B-相信号对应的电信号，其中，N是正实数。
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