CN107450117B - 光发射单元、光发射和光接收单元及光电译码器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光发射单元、光发射和光接收单元及光电译码器。光发射单元包括：光源；以及反射器，具有第一和第二局部抛物面的反射面，第一和第二局部抛物面在光源的光轴方向上彼此间隔开，第一和第二局部抛物面具有位于光源上的焦点，其中：第二局部抛物面在光轴方向上位于光源和第一局部抛物面之间；第二局部抛物面的系数与第一局部抛物面的系数不同；以及相对于假设第一局部抛物面根据第一局部抛物面的系数延伸至光源侧所获得的平面，第二局部抛物面定位在来自光源的光被第一局部抛物面反射的反射方向侧。

Description

光发射单元、光发射和光接收单元及光电译码器
技术领域
本文所述的各实施例的一定方面涉及一种光发射单元、一种光发射和光接收单元以及一种光电译码器。
背景技术
日本专利申请公开No.2011-059055(下文中称为文件1)公开了一种光电译码器，其具有准直透镜和双侧远心光学系统。日本专利申请公开No.07-151565(下文中称为文件2)公开了一种光电译码器，其具有使用抛物面镜的照明系统。
发明内容
文件1使用准直透镜。因此，当减小焦距以以较小尺寸设计照明系统时，会发生照明均匀性的恶化、光束平行性的恶化等。因此，使用文件2的技术。然而，当文件2的技术用于具有多个轨道的光电译码器时，需要放大抛物面以覆盖两个轨道。在该情况下，以较小尺寸设计照明系统是困难的。
根据本发明的一方面，提供了一种光发射单元，包括：光源；以及反射器，其具有第一局部抛物面的反射面和第二局部抛物面的反射面，第一局部抛物面和第二局部抛物面在光源的光轴方向上彼此间隔开，第一局部抛物面和第二局部抛物面具有位于光源上的焦点，其中，第二局部抛物面在光轴方向上位于光源和第一局部抛物面之间，第二局部抛物面具有与第一局部抛物面的系数不同的系数，相对于假定第一局部抛物面根据第一局部抛物面的系数延伸至光源侧所获得的平面，第二局部抛物面定位在来自光源的光通过第一局部抛物面反射的反射方向侧上。
根据本发明的另一方面，提供了一种光发射和光接收单元，包括：光发射单元；第一光接收元件，接收来自第一局部抛物面的光；以及第二光接收元件，接收来自第二局部抛物面的光。
根据本发明的另一方面，提供了一种光电译码器，包括：光发射和光接收单元；第一轨道，具有沿测量轴线的光学格栅，相对于光发射和光接收单元相对地移动，并从第一局部抛物面传输光；以及第二轨道，具有沿测量轴线的光学格栅，相对于光发射和光接收单元相对地移动，并从第二局部抛物面传输光，其中，第一光接收元件布置成接收穿过第一轨道的光，第二光接收元件布置成接收穿过第二轨道的光。
根据本发明的另一方面，提供了一种光发射单元，包括：第一光源和第二光源；以及反射器，其具有第一局部抛物面的反射面和第二局部抛物面的反射面，第一局部抛物面的反射面具有位于第一光源上的焦点，第二局部抛物面的反射面具有位于第二光源上的焦点，其中，第一局部抛物面和第二局部抛物面在第一光源的光轴方向上彼此间隔开，第二局部抛物面在第一光源的光轴方向上位于第一光源和第一局部抛物面之间，第二局部抛物面具有与第一局部抛物面的系数不同的系数，相对于假定第一局部抛物面根据第一局部抛物面的系数延伸至第一光源侧所获得的平面，第二局部抛物面定位在来自第一光源的光通过第一局部抛物面反射的反射方向上。
附图说明
图1A示出根据第一实施例的光电译码器的平面图；
图1B示出光电译码器的侧视图；
图1C示出光电译码器的前视图；
图2示出反射器的透视图；
图3示出光学检测器；
图4A至图4C示出光接收区域；
图5A示出根据对比实施例的光电译码器的侧视图；
图5B示出光电译码器的前视图；
图6A示出根据第二实施例的光电译码器的平面图；
图6B示出光电译码器的侧视图；
图6C示出光电译码器的前视图；
图7示出根据第二实施例的反射器的透视图；
图8A示出根据第三实施例的光电译码器的平面图；
图8B示出光电译码器的侧视图；
图8C示出光电译码器的前视图；
图9A和图9B示出抛物面的焦点和光源之间的位置偏差的可允许范围；以及
图10示出抛物面的焦点和光源之间的位置偏差的可允许范围。
具体实施方式
下面参考附图描述实施例。
[第一实施例]
图1A示出根据第一实施例的光电译码器100的平面图。图1B示出光电译码器100的侧视图。图1C示出光电译码器100的前视图。图2示出稍后描述的反射器20的透视图。在下面的描述中，形成稍后描述的刻度尺(scale)30中的每个光学格栅的阵列方向是X轴。稍后描述的光源10的光轴方向是Y轴。垂直于X轴和Y轴的方向是Z轴。Z轴对应于光源10的通过反射器20反射的输出光的方向。
如图1A至1C所示，光电译码器100包括光源10、反射器20、刻度尺30、第一光学检测器40、第二光学检测器50和光接收元件60。
光源10是点光发射单元，比如光电二极管。如上所述，光源10具有在Y轴方向上的光轴，并发光至Y轴方向的正侧。光源10布置在形成于反射器20的底面上的凹槽中。
反射器20是凹反射镜，其具有多个不同的局部抛物面，以将光源10的发射光转换为准直光。如图1B、图1C和图2所示，在实施例中，反射器20具有沿Y轴方向彼此间隔开并具有不同系数的第一局部抛物面21和第二局部抛物面22。第二局部抛物面22在Y轴方向上定位在光源10和第一局部抛物面21之间。相对于假设第一局部抛物面21根据第一局部抛物面21的系数延伸至光源10侧(Y轴的负侧)所获得的平面，第二局部抛物面22定位在Z轴的正侧。第一局部抛物面21和第二局部抛物面的系数被确定为第一局部抛物面21和第二局部抛物面22的焦点O位于光源10的光发射点处。因此，第一局部抛物面21的内表面和第二局部抛物面22的内表面反射光源10的发射光，并将发射光转换为准直光。稍后描述第一局部抛物面21和第二局部抛物面22的细节。
刻度尺30包括透明本体31和多个轨道。轨道的数量与反射器20的局部抛物面的数量相同。因此，在实施例中，刻度尺30具有两个轨道，第一轨道32和第二轨道33。第一轨道32布置在从第一局部抛物面21的准直光的光路上。第二轨道33布置在从第二局部抛物面22的准直光的光路上。第一轨道32和第二轨道33具有沿X轴方向处于预定刻度周期(scaleperiod)的光学格栅。即，第一轨道32和第二轨道33在X轴方向上具有光学格栅的阵列方向。第一轨道32和第二轨道33沿Y轴方向彼此间隔开。第一轨道32的刻度周期可以与第二周期33的刻度周期相同。第一轨道32的刻度周期可以与第二轨道33的刻度周期不同。例如，轨道之一可以是递增轨道，具有以相等间隔的亮暗递增图案。另外，另一个可以是绝对轨道，具有表示伪随机编码的绝对图案。轨道之一可以是粗糙图案。另外，另一个可以是精细图案。第一轨道32和第二轨道33可具有相同的图案格栅，其相位彼此不同。例如，第一轨道32和第二轨道33均可以是递增图案，具有90度的不同相位。光接收元件60的输出可以是二相正弦波信号或二相矩形信号。
第一光检测器40布置在穿过第一轨道32的准直光的光路上。第二光检测器50布置在穿过第二轨道33的准直光的光路上。穿过第一轨道32的准直光具有由第一轨道32的光学格栅导致的亮度和暗度，并进入第一光检测器40。穿过第二轨道33的准直光具有由第二轨道33的光学格栅导致的亮度和暗度，并进入第二光检测器50。
第一光检测器40和第二光检测器50在光接收元件60上形成准直光的图像。第一光检测器40和第二光检测器50可以是双侧远心光学系统或透镜镜像阵列。图3示出第一光检测器40。在图3中，示出双侧远心光学系统。如图3所示，第一光检测器40具有第一成像透镜41、孔板42和第二成像透镜43以该顺序布置在光路方向上的结构。穿过第一轨道32的衍射光穿过第一成像透镜41，穿过孔板42的孔，由第二成像透镜43会聚，并聚焦在光接收元件60上。第二光检测器50具有与第一光检测器40相同的结构。
光接收元件60是比如光电二极管阵列。光接收元件60具有多个光接收区域。光接收元件的数量与反射器20的局部抛物面的数量相同。因此，在本实施例中，光接收元件60具有两个光接收区域，第一光接收元件61和第二光接收区域62。在第一光接收区域61和第二光接收区域62的每个中，多个光电二极管以预定周期间隔排列在X轴方向上。
第一光检测器40在光接收元件60的第一光接收区域61上形成穿过第一轨道32的准直光的图像。第二光检测器50在光接收元件60的第二光接收区域62上形成穿过第二轨道33的准直光的图像。第一光接收区域61使用多个光电二极管的输出，并根据第一轨道32的光学格栅检测亮度和暗度。第二光接收区域62使用多个光电二极管的输出，并根据第二轨道33的光学格栅检测亮度和暗度。因此，可检测刻度尺30和光接收元件60之间的相对位置波动。具体地，可基于由多个光电二极管检测到的光强计算出位置波动量。
接着，给出反射器20的第一局部抛物面21和第二局部抛物面22的细节的描述。第一局部抛物面21和第二局部抛物面22具有共同的焦点。第一局部抛物面21是旋转抛物面的一部分。第二局部抛物面22是另一旋转抛物面的一部分。第一局部抛物面21的旋转抛物面的系数与第二局部抛物面22的不同。相对于焦点O作为原点，第i个局部抛物面可以由下列方程(1)表示。“ai”是系数。如图1C所示，“ai”是在Z轴的负方向上在延伸到Y轴方向的负侧的每个局部抛物面与焦点O之间的距离。如上所述，从每个局部抛物面发出的准直光的光发射方向在Z轴的正方向上。第二局部抛物面的系数“a2”小于第一局部抛物面的系数“a1”。“ai”是满足ai>0的值。
zi+ai＝(xi 2+yi 2)/4ai (1)
由方程(1)表示的抛物面的形状相对于具有焦点O作为原点的理想球形波完美地实现平行光。然而，当光源装置位于焦点(例如LED封装部件连接到反射器部件)时，在具有不同折射率的界面处或在光源装置和反射器之间的空气界面处会发生光折射。因此，在由光源发射的波前处发生理想球形波的像差。另外，反射光的平行性会恶化。像差由光源到抛物面的结构确定。因此，可通过如下列的方程(2)添加校正项并消除像差来改进平行性。
zi+ai＝(xi 2+yi 2)/4ai+ci(x,y) (2)
ci(x,y)是根据局部抛物面上的坐标添加的任意校正项。作为像差项的设计方法，校正项可以由x和y的高阶多项式函数表示，系数可以最优地设计。
反射器20由透明材料制成。例如，反射器20是光学树脂。反射器20的形成方法并不受限。例如，可通过树脂注塑成型来形成反射器20。具有高反射率的反射膜形成在第一局部抛物面21和第二局部抛物面22的外表面上。例如，具有高反射率的反射膜可以是金属蒸镀膜(铝等)、介质多层膜等。
第一局部抛物面21的使光源10的发射光进入光接收元件60的第一光接收区域61的一部分在下文中称为第一有效区域23。第二局部抛物面22的使光源10的发射光进入光接收元件60的第二光接收区域62的一部分在下文中称为第二有效区域24。第一局部抛物面21和第二局部抛物面22的每个系数被选择成来自第一有效区域23的准直光和来自第二有效区域24的准直光不会彼此干扰。
图4A至图4C示出第一光接收区域61。如图4A所示，在第一光接收区域61中，多个光接收元件63彼此间隔开，并以预定间隔排列在X轴方向上。第一有效区域23设计成覆盖第一局部抛物面21中的所有光接收元件63，如由图4A的虚线所示。在另一情况下，第一有效区域23在X轴方向上覆盖第一局部抛物面21的所有光接收元件63，如图4B的虚线所示。另外，还存在第一有效区域23在Y轴方向上不覆盖每个光接收元件63的一部分的情况。第二有效区域24相对于第二光接收区域62形成相同区域。在图1A至图1C的示例中，如图4C所示，第一有效区域23对应于由光接收区域(通过连接所有光接收区域63的轮廓获得的区域)和第一光检测器40的放大率(图1A至图1C中的相同放大率)确定的区域。
[对比实施例]
根据对比实施例给出光电译码器200的描述，以描述根据第一实施例的光电译码器100的效果。图5A示出光电译码器200的侧视图。图5B示出光电译码器200的前视图。光电译码器200与光电译码器100的不同之处在于，提供反射器210来代替反射器20。
如图5A和图5B所示，一个局部抛物面201形成在反射器20中。方程(1)的系数是“a”(>0)。第一有效区域202和第二有效区域203包含在局部抛物面201中。第一有效区域202是局部抛物面201的一区域，是使光源10的发射光进入第一光接收区域61的一区域。第二有效区域23是局部抛物面201的一区域，是使光源10的发射光进入第二光接收区域62的一区域。第一有效区域202在Y轴方向上与第二有效区域203间隔开。将给出第一有效区域202在Y轴方向上与第二有效区域203间隔开的原因。
在具有两个不同轨道的光电译码器中，可通过组合由相等间隔的格栅轨道获得的高精度位置信息和存储绝对位置信息的轨道信息来检测完全高精度的绝对位置。这些轨道布置在垂直于测量方向的方向(Y轴方向)中。在光电译码器中，轨道具有在竖直方向(Y轴方向)上的高度。这是因为轨道必须具有大于光接收区域的高度的高度使得除了光接收元件(光电二极管阵列形成在IC上)的光接收区域的高度，允许通过组装检测部件或检测器移动导致的高度方向上的相互偏差。
两个不同的轨道彼此相邻地布置。因此，当轨道彼此靠近时，经由下一轨道的光混合(杂散光)的可能性增加。在该情况下，性能恶化的风险(比如噪声)增加。由于这些原因，要求具有合理高度的两个轨道以合理距离布置。作为示例，优选地，轨道之间的距离是3mm。因此，需要在Y轴方向上间隔开第一有效区域202与第二有效区域203。
当一个局部抛物面具有第一有效区域202和第二有效区域203时，需要在Y轴方向上间隔开第一有效区域202与第二有效区域203。因此，第一有效区域202在Z轴方向上与第二有效区域203间隔开。在图5B中，可提供反射器210的过量厚度T作为间隔距离。在该情况下，反射器变得在Z轴方向上更厚。因此，以较小尺寸设计具有光源和反射器的照明系统变得是困难的。
相比之下，在根据第一实施例的光电译码器100中，与使用单个局部抛物面的反射器相比，可消除第一有效区域23和第二有效区域24之间的过量厚度。具体地，相对于假设第一局部抛物面21根据第一局部抛物面21的系数延伸至Y轴方向的负侧所获得的平面，可使第二局部抛物面22偏移至Z轴的正侧。因此，可消除反射器20的过量厚度。因此，可以较小尺寸设计照明系统。另外，可辐射均匀平行光至充分覆盖第一有效区域23和第二有效区域24的范围。另外，当使用内反射时，抑制了来自外部的对反射面的污染。可以高精度确定光源10的位置并组装光源10，因为反射面和用于光源10的凹槽形成在相同部件中。
[第二实施例]
图6A示出根据第二实施例的光电译码器100a的平面图。图6B示出光电译码器100a的侧视图。图6C示出光电译码器100a的前视图。光电译码器100a与光电译码器100的不同之处在于，提供反射器20a代替反射器20。图7示出反射器20a的透视图。
反射器20a与反射器20的不同之处在于，反射器20a的形状受限。如图6A至6C和图7所示，在反射器20a中，假设第一有效区域23和第二有效区域24投影到XZ平面，第一局部抛物面21的系数a1(>0)和第二局部抛物面22的系数a2(>0)被确定成第一有效区域23的最小Z坐标Z1MIN和第二有效区域24的最小Z坐标Z2MAX彼此一致。
在该结构中，当反射器20a的金属模具通过车床等处理时，工具的背隙变得更大。因此，实现易加工性的优选效果。
[第三实施例]
在第一实施例和第二实施例中，光源的数量是一个。然而，该数量不受限。例如，可以提供多个光源。图8A示出根据第三实施例的光电译码器100b的平面图。图8B示出光电译码器100b的侧视图。图8C示出光电译码器100b的前视图。
在光电译码器100b中，提供反射器20b代替反射器20。如图8A至图8C所示，反射器20b具有设置在Y轴方向上且彼此间隔开的第一局部抛物面21和第二局部抛物面22，如第一实施例和第二实施例。第二局部抛物面22在Y轴方向上定位在第一光源11和第一局部抛物面21之间。相对于假设第一局部抛物面21根据第一局部抛物面21的系数延伸至第一光源11侧(Y轴的负侧)所获得的平面，第二局部抛物面22定位在Z轴的正侧。
例如，第一光源11和第二光源12可以设置在Z轴方向上的两个不同位置。第一光源11和第二光源12分别设置在形成在反射器20b的底面上的两个凹槽中。第一局部抛物面21的系数被确定成第一局部抛物面21的第一焦点O1定位在第一光源11的发射点处。第二局部抛物面22的系数被确定成第二局部抛物面22的第二焦点O2定位在第二光源12的发射点处。
相对于作为原点的第一局部抛物面21的第一焦点O1的XYZ轴是X1Y1Z1轴。相对于作为原点的第二局部抛物面22的第二焦点O2的XYZ轴是X2Y2Z2轴。在该情况下，X1轴、Y1轴和Z1轴分别平行于X2轴、Y2轴和Z2轴。然而，X1轴、Y1轴和Z1轴可分别从X2轴、Y2轴和Z2轴偏离。即，多个光源位于任何位置处，当彼此不同的第一局部抛物面21和第二局部抛物面22设置在Y轴方向上的两个不同位置且彼此间隔开时，第二局部抛物面22在Y轴方向上位于第一光源11和第一局部抛物面21之间，相对于假设第一局部抛物面21根据第一局部抛物面21的系数延伸至第一光源11侧(Y轴的负侧)所获得的平面，第二局部抛物面22定位在Z轴的正侧。
接着，将给出局部抛物面的焦点与光源之间的位置偏差的可允许范围的描述。图9A示出包括局部抛物面、光源焦点(焦点O)和轨道位置(物质A)的示意图。如图9A所示，从焦点O发射的光束被局部抛物面反射，到达物质A。之后，透射光被引入具有光引入角正负“θ”的光检测器中，并形成图像。
以角度正负“α”表示的两个光束对应于通过具有格栅间距“p”的衍射格栅获得的具有波长“λ”的一阶衍射光α＝sin-1(±λ/p)。这些衍射光和零阶透射光是贡献格栅间距“p”的图像形成的光束。通常，为了以足够对比度形成具有格栅间距“p”的图像，确定“θ”充分大于“α”。
当焦点O从光轴在竖直方向上偏离“ε”时，通过用焦点和光源中心之间的误差“ε”除以从光源到局部抛物面的焦距f获得的光束的倾斜误差(ε/f)会在到物质A的入射角中发生。在该情况下，图9B所示的正负“α”的两个衍射光相等地倾斜。然而，当两个衍射光位于光引入角正负“θ”时，这两个衍射光有助于图形形成，如果由光束的倾斜导致的光学像差可以忽略的话。
在上面的描述中，不具有尺寸的虚拟光源点与局部抛物面的焦点重合。然而，实际光源具有有限尺寸“w”。因此，光束在理想平行光周围变得更大。变宽的角度被表征为光源的数值孔径NAs＝sin(w/2f)，(“f”是局部抛物面的焦距)。相应地，在焦点周围具有有限尺寸的光源的发射光以w/2f的变宽角变宽。因此，根据该角度，光源的中心位置的误差的可允许范围变宽。
在有助于图像形成的衍射光被引入图像形成系统的情形下，回顾光源的中心位置的误差“ε”被允许的限制。图10示出在角度放大的情形下，在物质A周围的光束的有限关系。从图10的左侧，光束以ε/f的倾斜并以w/2f的变宽角辐射。最小倾斜角是ε/f–w/2f。
另一方面，在物质A的右侧，有助于图像形成的衍射光(由±α夹角)在光引入角“θ”内表示。对应于零阶透射光的光束的角度是“θ-α”。因此，在一近似(其角度足够小)中，可获得关系ε/f–w/2f≤θ–α，即ε≤f(θ-α)+w/2(0≤θ-α)。即，光源的中心位置的误差“ε”的可允许范围为大约在最严格条件下的光源宽度的一半w/2。认为，可允许范围基于图像形成系统的引入角的可允许度数(θ-α)和局部抛物面的焦距“f”增加。
不需要在光源的发射点的中心和实施例的光学部件中的焦点之间进行对应。优选地，光源中心的位置误差满足从上述近似方程中获得的条件。
此外，相对于照明系统的结构，预想了直接引入零阶透射光至图像形成系统的亮场照明。然而，检测来自物质的散射光的暗场照明的结构或使用通过扩散板散射的照明光的结构可用于实施例的部件。
本发明不限于特定公开的实施例和变型例，而是在不脱离本发明的范围的情况下可包括其它实施例和变型例。

Claims (6)

1.一种光发射单元，包括：
光源；以及
反射器，具有第一局部抛物面的反射面和第二局部抛物面的反射面，第一局部抛物面和第二局部抛物面在光源的光轴方向上彼此间隔开，第一局部抛物面和第二局部抛物面具有位于光源上的焦点，
其中：
第二局部抛物面在光轴方向上位于光源和第一局部抛物面之间；
第二局部抛物面的系数与第一局部抛物面的系数不同；以及
相对于假设第一局部抛物面根据第一局部抛物面的系数延伸至光源侧所获得的平面，第二局部抛物面定位在来自光源的光被第一局部抛物面反射的反射方向侧。
2.如权利要求1所述的光发射单元，其中：
当光轴方向是Y轴，第一局部抛物面和第二局部抛物面的反射方向是Z轴，垂直于Y轴和Z轴的轴线是X轴，系数是“a”时，第一局部抛物面和第二局部抛物面由z+a＝(x2+y2)/4a(a>0)表示；以及
第二局部抛物面的系数“a”小于第一局部抛物面的系数“a”。
3.如权利要求1所述的光发射单元，其中：
当光轴方向是Y轴，第一局部抛物面和第二局部抛物面的反射方向是Z轴，垂直于Y轴和Z轴的轴线是X轴，系数是“a”时，第一局部抛物面和第二局部抛物面由z+a＝(x2+y2)/4a+ci(x,y)(a>0)表示，ci(x,y)是根据第一和第二局部抛物面上的坐标添加的任意校正项；以及
第二局部抛物面的系数“a”小于第一局部抛物面的系数“a”。
4.一种光发射和光接收单元，包括：
如权利要求1至3中任一项所述的光发射单元；
第一光接收元件，接收来自第一局部抛物面的光；以及
第二光接收元件，接收来自第二局部抛物面的光。
5.一种光电译码器，包括：
如权利要求4所述的光发射和光接收单元；
第一轨道，具有沿测量轴线的光学格栅，相对于光发射和光接收单元相对地移动，并从第一局部抛物面传输光；以及
第二轨道，具有沿测量轴线的光学格栅，相对于光发射和光接收单元相对地移动，并从第二局部抛物面传输光，
其中：
第一光接收元件布置成接收穿过第一轨道的光；以及
第二光接收元件布置成接收穿过第二轨道的光。
6.一种光发射单元，包括：
第一光源和第二光源；以及
反射器，具有第一局部抛物面的反射面和第二局部抛物面的反射面，第一局部抛物面的反射面具有位于第一光源上的焦点，第二局部抛物面的反射面具有位于第二光源上的焦点，
其中：
第一局部抛物面和第二局部抛物面在第一光源的光轴方向上彼此间隔开；
第二局部抛物面在第一光源的光轴方向上位于第一光源和第一局部抛物面之间；
第二局部抛物面的系数与第一局部抛物面的系数不同；以及
相对于假设第一局部抛物面根据第一局部抛物面的系数延伸至第一光源侧所获得的平面，第二局部抛物面定位在来自第一光源的光被第一局部抛物面反射的反射方向上。
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