CN109357692A - 一种两片式部署的高速高精密光电编码器 - Google Patents

一种两片式部署的高速高精密光电编码器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于各种电机，特别是高速高精密电机的光电编码器，支持3200万线和60万转转速以上。光电编码器分为安装于转子的无源光学编码部件、安装于定子的光源+光电转换+数据采集处理模组构成。编码器支持绝对值编码和增量编码，不同规格无源光学部件使用集成电路或微机电、精密模具工艺以俄罗斯套娃方式批量制造或精密加工制造，跟随制造工艺的提升，支持更高转速和解析度。编码器使用微透镜阵列提高灵敏度，并且借助微透镜阵列构成特种图案的光斑，提高容差阈值，便于安装使用。编码器使用的光源、光敏器件、透镜阵列、无源光学编码部件等的性能指标，与编码精度、转速、器件尺寸相关。

Description

一种两片式部署的高速高精密光电编码器
技术领域
本发明属于电机光电编码器领域，涉及一种旋转或直线电机的精密光电编码器，尤其是高速高精密长时间使用的编码器，使用无源光学或激光部件对位置进行编码，光敏器件阵列并行读取信息并且进行数据处理的技术，器件制备方面涉及集成电路、微机电(MEMS)、微光机电(MOEMS)、编码、数据处理等交叉领域。
背景技术
光电编码器的码盘固定在主轴上，与主轴一起转动，狭缝盘固定不动，发光元件发射光线，通过码盘与狭缝盘的相对运动产生莫尔条纹传输到接收元件；之后接收元件把接收到的莫尔条纹的光信号转换成电信号传输到处理电路进行数据处理，最后把数据信息用输出装置输出，详细结构如图1所示。
●绝对式光电编码器的光学部分主要包括发射光信号系统与接收光信号系统，发光二极管(光源)发射出近似于平行的红外光(发光二极管发出的光，经过棱镜成为平行光)；光栅板刻有狭缝，固定光栅码盘上刻有多条圆形的通信码道，码道上分布着“透光”与“不透光”的区域，分别作为输入信号的“0”与“1″。码盘与狭缝盘保持相互平行，码盘固定在主轴上，与狭缝盘相对运动产生莫尔条纹。
●码盘上刻画的码道分为精码道与粗码道，接收光信号的光敏三极管分别把透过粗码道与精码道的光信号转换成电信号传输给处理芯片进行数据处理。粗码信号先用单片机中的比较电路进行比较，把比较之后的数据存储在锁存器中，然后把锁存器中的矩阵码盘的编码信息进行相应的译码；通过接收器的精码道的莫尔条纹进行差分放大，由于接收到的是模拟信号，再用单片机中模拟转换器进行采样、A/D转换，然后进行细分处理。
●把粗码信息与精码细分信息合在一起组成最终的信息码，之后把信息码进行校正，防止有错误的码，最终传输到输出接口。
光电编码器使用的检测器件是圆光栅或者码盘，具有不受磁场干扰、精度高、分辨率高、体积小、测量范围广、寿命长、功耗小、无机械磨损、稳定可靠、重量轻等优点。多圈数绝对值光电编码器不仅能够测量、记忆角位移，同时还能够在编码器内部实现圈数测量。被广泛应用于医疗器械、轧钢、雷达、汽车、雷达、机器人、光电经纬仪、地炮指挥仪、航空航天、军事指挥仪与高精度调速等领域。
生产光电编码器的国外知名的企业有德国HEIDENHAIN(海德汉)、TURCK(图尔克)、PEPPER+FUCHS(倍加福)、 BALLUFF(巴鲁夫)、KUBLER(库伯勒)，西班牙的FAGOR(发格)，瑞士的BAUMER(堡盟)，日本的TAMA GAWA(多摩川)、FANUC(发那科)、NEMICON(内密控)、OMRON(欧姆龙)、KOYO(光洋)，美国的EPC、DANAHER(丹纳赫)、 BEI，英国的RENISHAW(雷尼绍)；中国企业有中科院长春光机所、中科院光电技术研究院、成都光电所、长春博辰光电有限公司、上海精浦机电有限公司等。其中，德国海德汉公司的技术水平最高。
当前光电编码器虽然优点很多，但是缺点也不少。
●安装组件过多，需要额外附加众多的辅助机构才能够对准。
●精度越高，则需要的狭缝光栅板与固定光栅码盘的尺寸越大；在超高速应用时，由于线速度太快而使得光电编码器无法使用。
●粗码道与精码道的光信号，都需要电信号处理，特别是精码道信号还需要ADC部件协助，甚至借助于算法，才能够识别出准确的信号。整个信号的处理需要时间，在超高速、超高精度应用的场合，如机器人、精密医疗器械、高精密雷达等，不能够达成实时位置定位要求，甚至在超高速下无法工作。
发明内容
机器人以及精密制造等产业，需要更多电机运行在高速状态下，并且运转位置的精确信息可以实时获得并被处理，从而达到整机性能的高效，这就要求各种电机需要体积更小、适合于超高速、超高精密、超长寿命周期的新型的电机光电编码器。
如图2所示，本发明的新型光电编码器只有两个安装部件：安装于电机转动部分的无源光学编码部件、安装于固定位置的光电编码器信号处理单板。新发明的光电编码器的工作原理如下。
●无源光学编码部件：该部件安装在转子上，在光电编码器信号处理单板的光源的垂直光线入射下，无源光学编码部件将入射光线按照光线波长(光的颜色)转移到不同的编码平面；在编码平面上，将单色光进行绝对值编码；编码格式可以采用不同的制式；编码完成后的光，在单个物理点上进行不同波长的合成；一条直线上多个单点的合成光组合为一个绝对值编码(增量编码仅需要一个单点的光即可)；此用光构造的绝对值编码，经过无源光学编码部件上的透镜阵列，调整为合适的光斑，返回到光电编码器信号处理单板的光敏器件阵列。
●光电编码器信号处理单板：该部件安装在定子上，或者固定的位置，与无源光学编码部件对准安装。光电编码器信号处理单板的光源至少有1个，或者多个；光源经过透镜进行光路整理，然后发送到无源光学编码部件的受光窗口；光敏部件阵列接收无源光学编码部件发送回来的经过编码的光束，将光束转换为电信号，并且整形；整形后的信号通过自带的时钟信号进入存储器，被 MCU等读取和处理；MCU将数据按照总线等要求发送到主机。
●工作过程：光电编码器信号处理单板上电后，将光束打向无源光学编码部件的受光窗口。在时刻T1，光束打在无源光学编码部件受光窗口LOCATION1位置，则编码为CODE(LOCATION1) 的光束；光束CODE(LOCATION1)返回光电编码器信号处理单板上的光敏部件，生成电信号，经过解码，还原为LOCATION1对应的一个编码的绝对值ABS(LOCATION1)，该绝对值编码经过与预置的位置-绝对值编码表查询，获得T1时刻的绝对位置信息。
图2中光源出光可以是单色光，也可以是多个单色光的组合。返回光有2种：位置编码并行数据返回光、时钟信号返回光。位置编码并行数据返回光是【T1、T2.......】时刻的带编码的光束CODE(LOCATION【1，2...】) 的集合，时钟信号返回光是把位置数据进行时间标志的光脉冲的集合，每个时间标志光脉冲在处理后，将对应时刻的并行位置数据进行读写操作。
本发明的光电编码器，与传统的光电编码器相比，具有5个方面的优势。
●安装组件少，安装容差大。本发明仅需要安装2个组件，就可以达到传统光电编码器4个以上组件的功能与性能。本发明采用光斑整理技术，借助微透镜以及透镜组合，将无缘光学编码组件以及光电编码器信号处理单板的光源、光敏器件阵列的光斑进行整形，使得转子(运动部件)在与定子(固定部件)的振动不同步时，在较大的晃动范围内，都可以获得准确的编码信息。
●编码精度高，编码器件小尺寸，支持高转速。本发明的光电编码器，支持多种制造工艺，可以借助精密模具，或者集成电路，或者MEMS/MOEMS(微机电系统/微光机电系统)实现批量制造。由于编码精度取决于制造工艺，而集成电路、MEMS、MOEMS的工艺尺寸在迅速缩小，本发明的光电编码器更容易实现高精度的大批量制造。以MOEMS工艺，宽度w为1um的一个条形编码器为例，在半径r为1cm的周长上，可以部署2πr/w＝6.28*10/1*K＝62.8K个条形编码器，近似 216精度编码(绝对值编码和增量编码)；如果更换MOEMS工艺，宽度w为45nm的一个条形编码器为例，在半径r为1cm的周长上，可以部署2πr/w＝6.28*10/45*KK＝1.39KK个条形编码器，近似220精度编码(绝对值编码和增量编码)；如果更换MOEMS工艺，宽度w为28nm的一个条形编码器为例，在半径r为10cm的周长上，可以部署2πr/w＝62.8*10/28*KK＝22.4KK个条形编码器，近似224精度编码(绝对值编码和增量编码)；采用绝对值编码和增量编码的混合模式可以进一步提高编码精度，如以MOEMS工艺，宽度w为14nm的一个条形编码器为例，在半径 r为10cm的周长上，可以部署2πr/w＝62.8*10/14*KK＝44.8KK个条形编码器，同时在外环上配置(向右或向左错位1nm的14个增量编码外环，则编码器精度可以提升为44.8*14＝627KK，近似为229～230之间。在超高速转动时，如60Krpm(1KHz)，半径r＝1cm处部署220精度绝对值编码器，则线速度为6.28*1K/100m/s＝62.8m/s，而处于半径r＝10cm处的转子其他部分的线速度为 628m/s，近似2倍声速，光电编码器可以在较小的外部拉伸力作用下工作，为超高速旋转的转子提供精确的定位信息。
●能够支持微小空间的应用。无源光学编码部件使用精密模具或者MEMS/MOEMS工艺制造，高度在mm级别，半径r为1cm的周长上部署62.8K个宽度为1um的条形编码器，每条编码器的编码单位长度可以在0.2mm～0.5mm，则16位编码的的长度为3.2～8mm，在增加圈数计数、芯片切割的保护间距等额外空间需求后，则编码器是一个内径1cm，外径2cm的圆环，高度为mm级别。光电编码器信号处理单板是一个PCBA单板或者厚膜电路单板，高度在1cm以内(厚膜电路单板在mm级别)，面积在cm2级别。
●延迟小。光电编码器的编码是利用无源光学部件一次性把1个对应位置的绝对值编码(增量编码) 完成，整个编码的过程就是光路上单色光的行程。例如无源光学编码去部件的16位编码器的总长度在1cm，则整个的编码过程需要的时间是1cm/(2*108m/s)＝5*10-9s＝5ns，其中2*108m/s是光在透明的无源光学编码部件中的平均传播速度。光电编码器信号处理单板采用并行方式一次性读取 16位绝对值编码，采用的光敏部件从低速的一般光敏器件(1MBPS级别)到高速的Si-PIN或者 InGaAs-APD器件(100GBPS)中按照需要选取，读取数据时间在【us～ns～ps】级别。
●在不同的工作环境下，性能一致性高。转子在旋转过程中由于摩擦、振动等原因，转子的温度比较高；有轴承的转子可以附带恒温装置，而磁悬浮转子则无法采用接触式降温，特别是真空下的磁悬浮转子。本光电编码器可以原因在最严酷的磁悬浮转子上，将无源光学编码部件的中心对准磁悬浮转子的质心轴安装即可。无源光学编码部件对转子的动平衡带来的影响在ug(0.000001g) 级别，可以忽略不计。无源光学编码部件可以直接安装在真空环境下工作，与光电编码器信号处理单板间隔一透明真空保护隔离板；或者将无源光学编码部件、光电编码器信号处理单板全部放置在真空环境下。无源光学编码部件可以选择不同的透明材料作为基体，工作温度范围宽。在振动环境下工作时，转子和定子的共模振动，不对光电编码器造成影响。
以下对本发明的内容进行详细解释。
如图2所示两片式新光电编码器系统结构(2D无源光学编码)示例，是一个256线(28)的低精度编码器。其中无源光学编码部分1-2D无源光学编码部件-位置和无源光学编码部分2-正反转圈数计数部件集成在无源光学编码部件上，其他模组在光电编码信号处理单板上。无源光学编码部分1-2D无源光学编码部件-位置模组是一个编码单元，由透光口、编码输出的8个出光口、无光隔断口构成；无源光学编码部分2-正反转圈数计数部件由透光口1、透光口2、2个对应的出光口、8个无光隔断口构成；光电编码信号处理单板由恒流/稳压电路【1，2】、光源驱动器【1，2】、PCBA部分1-光源与光敏部件阵列、光电转换【0，1，2，3，4，5，6，7，8， 9，A】、信号拾取电路【0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A】、信号整形与降噪【0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A】、Clock与Reg【1，2】、延时、光电编码器时钟与缓存REG、MCU、通信接口、Flash存储、电源模组、断电监测、输出等构成。连接关系为：无源光学编码部分1-2D无源光学编码部件-位置模组由10个单元构成。透光口单元与自己两侧的各4个光学编码单元连接，同时与1个无光隔断口连接；无源光学编码部分2-正反转圈数计数部件由 12个光学编码单元构成，透光口1与透光口2分别与8个无光隔断口连接，同时各自与1个出光的编码单元对角线连接。
恒流/稳压电路1连接光源驱动器1，后接PCBA部分1-光源与光敏部件阵列；PCBA部分1的光敏部件阵列与光电转换【0，1，2，3，4，5，6，7，8，】连接，后接信号拾取电路【0，1，2，3，4，5，6，7，8】、信号整形与降噪【0，1，2，3，4，5， 6，7，8】，信号整形与降噪0模组与延时模组连接，后接光电编码器时钟与缓存REG模组的CLK端口；信号整形与降噪【1，2，3，4，5，6，7，8】与光电编码器时钟与缓存PEG模组的8个数据端口连接。
恒流/稳压电路2连接光源驱动器2，后接PCBA部分2-光源，PCBA部分2-光敏部件【1，2】分别与光电转换【9，A】连接，后接信号拾取电路【9，A】、信号整形与降噪【9，A】、Clock与REG【1，2】。
MCU模组与光电编码器时钟与缓存REG模组、Clock与REG【1，2】、Flash存储器、断电监测、通信接口连接，电源模组给各个模块供电，输出模组将数据已规定好的格式输出到主机。
工作原理：恒流/稳压电路1为光源驱动器1提供电源，驱动PCBA部分1-光源发光。光束一般是单色光，或者单色光的组合；光束经过透镜，整理成需要的光斑，以近似平行光方式射向无源光学编码部分1的透光口；光束在无源光学编码部分1的透光口按照波长分光，分别进入相应的无源光学编码层，如果仅有一束单色光，那么无源光学编码器件的编码层就在一个平面上的编码单元间进行；无源光学编码器件按照设定的编码格式，将一束单色光在不同的编码单元构成有光(“1”)或者无光(“0”)两种光束输出状态，与该位置的编码匹配；编码后光束投射到到透镜进行光斑整理，返回到PCBA部分1-光敏部件阵列；单色光条件下，光敏部件的个数与某个位置的无源光学编码的字长(比特数)相同，N个多色光组合条件下，光敏部件的个数是某个位置的无源光学编码的字长(比特数)的N倍；光敏部件在接收到返回的光束后，使用针对相应波长敏感的光敏部件，对多束返回的编码光束进行检测。
光电转换【1，2，3，4，5，6，7，8】分别对返回的8束光进行检测，有相应波长敏感的光束时，光敏器件导通；否则光敏器件截止。根据响应速度的需要，光敏器件可以选择MBPS级别的光敏三极管，或者GBPS级别的 Si-PIN器件，以及100GBPS级别的InGaAs-APD器件。信号拾取电路【1，2，3，4，5，6，7，8】按照不同速率的接入要求，拾取光敏器件的导通/截止状态造成的电路的信号变化，经过信号整形与降噪【1，2，3，4，5，6，7，8】，成为8比特二进制数据，该数据标志相应的无源光学编码部件的编码单元组所在位置的信息。光电转换0 对返回的光束进行检测，经过信号拾取电路0和信号整形与降噪0模组后，延时一个时间片段，成为上述位置编码的时钟信号。在时钟信号的上升沿(或者下降沿)，上述位置的编码数据进入光电编码器时钟与缓存REG模组，被寄存器锁存起来。
恒流/稳压电路2为光源驱动器2提供电源，驱动PCBA部分2-光源发光。光束一般是单色光；光束经过透镜，整理成需要的光斑，以近似平行光方式射向无源光学编码部分2的透光口1、透光口2；无源光学编码部分2将光束进行分光，分别从相邻的编码单元将光束返回到PCBA部分2的部件Sensor 1与Sensor2。光电转换【9，A】分别接收Sensor2、Sensor1的状态变化，经过信号拾取电路【9，A】与信号整形与降噪【9，A】模组，形成二进制的2位数据；二进制数据在Clock与Reg【1，2】被时钟信号锁存。光源固定，当无源光学编码部件载体的移动的方向为顺时针(自左向右)，则Sensor1先于Sensor2接收到返回的光束；当无源光学编码部件载体的移动的方向为逆时针(自右向左)，则Sensor2先于Sensor1接收到返回的光束；根据Sensor1和Sensor2接收到返回信号的先后逻辑，可以判断转向(顺时针或者逆时针)和运动方向(向右运动或者向左运动)；每旋转1周，Sensor1和Sensor2的光束变化一次，通过对Sensor1和 Sensor2的光束变化导致的状态改变信息整形后的信号(脉冲)进行计数，可以得到旋转的圈数(来回行程次数)数据；正转反转圈数是单独计数的，来回行程的次数数据也是单独计数的。
MCU接收光电编码器时钟与缓存REG、Clock与Peg【1，2】发送来的数据，按照与上位机的协议对数据打包，通过通信接口，将数据在输出模组增强后，发送到上位机。
电源模组给整个PCBA供电，断电检测一旦检测到掉电，立刻发送信号到MCU；在电源模组后备能源支持下，MCU立刻开始对电机的运行进行监控；当电机停止时刻，MCU发送指令到光电编码器时钟与缓存 REG、Clock与Reg【1，2】，读取当前位置数据以及旋转的圈数数据，并且将数据存储到Flash。再次上电时，MCU可以将Clock与Reg【1，2】清空，并且将Flash存储的位置数据与光电编码器时钟与缓存REG 中获得的刚上电时刻的位置数据比对，进而触发进一步逻辑控制。
MCU通过调用Flash资源，可以记录电机在整个寿命周期的圈数、断电保护次数、对应时间等信息，将相关数据上传到上位机，形成电机运行的大数据。
图4所示的两片式光电编码器组件光路示意图。定子组件(位置固定组件)上的光源发射光束到透镜K，将光斑调整为近似平行光构成的需要的形状。光斑垂直入射到转子组件的无源光学编码部件受光窗口上，受光窗口的棱形体将光束分开，光束由垂直于受光窗口转变为平行于受光窗口，在标志某个位置的一个无源光学编码部件内传播。
无源光学编码部件是由多个编码单元构成的一个条状的光束传播结构。以单色光编码为例，在位置M的N 个编码单元标记为1个编码阵列：编码部件【M，(1，2...N)】。光束在编码部件中传播时，受到该编码单元内的光学结构的影响，有两个结果：光学结构将光束的一部分光，传播到该部件的出光窗口，则该单元在编码中的表达为“1”；光学结构没有将光束的一部分光传播到该部件的出光窗口，则该单元在编码中的表达为“0”。在编码部件阵列的出光窗口上，使用一组透镜阵列-透镜【1，2....N】，将出光窗口的光束光斑，调整为基本由平行光构造的需要的形状。
定子组件(位置固定)上的PCBA部署的光敏器件阵列，其感光窗口与对应的无源光学编码部件的出光窗口对准。光敏器件感光窗口之间设置安全距离-光斑间保护间距，以此避免光斑在抖动时，部分光线入射到邻近的感光窗口。光敏器件【1，2...N】的感光窗口，在接收到无源光学编码部件出光窗口发送来的光束后，光敏器件的状态根据光束的有无而变化：当有光束到达感光窗口时，该光敏器件呈导通状态；当无光束到达感光窗口时，该光敏器件呈截止状态。
光束被细分为更小的光束，光束在垂直面-水平面之间的转换，以及光束在无源光学编码部件之间的配置等，由光学的棱镜结构保证其功能与性能的实现。
当有X个不同波长的单色光组合作为光源时，除了对透镜的设计有更高要求外，无源光学编码部件的受光窗口将被分为X个单色光的编码层，无源光学编码部件的受光窗口将被镀上不同的透射膜；编码部件将会在X个不同的分层展开，在编码部件的出光窗口，不同波长的单色光按照编码逻辑，被组合在不同的编码部件出光窗口上；光敏器件按照不同波长的单色光组合，在每个感光窗口后，部署X个针对不同波长敏感的光敏器件。
如图5所示新光电编码器无源光学编码部件与信号采集的耦合结构。整个耦合结构从部分无源光学编码结构开始，到最终的编码数据被读取和存储。
无源光学编码结构部分，光束L【1，2，3，4，5，6，7，8】入射到某个编码层的4比特编码器件内。在图示的4比特编码条内，部署了4个逐步向右侧位移的反射阶梯微面【1，2，3，4】。反射阶梯微面1将光束L【1，2】反射到右侧的棱镜结构B0，而将光束L【3，4，5，6，7，8】无阻挡直入后续的反射阶梯微面【2，3.4】。反射阶梯微面2将光束L【3，4】反射到右侧的棱镜结构B1，而将光束L【5，6，7，8】无阻挡直入后续的反射阶梯微面【3.4】，而光束L【1，2】被反射阶梯微面1阻挡而无法到达反射阶梯微面2。反射阶梯微面3将光束L【5，6】反射到右侧的棱镜结构B2，而将光束L【7，8】无阻挡直入后续的反射阶梯微面【4】，而光束L【1，2，3，4】被反射阶梯微面【1，2】阻挡而无法到达反射阶梯微面3。反射阶梯微面3将光束L【7，8】反射到右侧的棱镜结构B3，光束L【1，2，3，4，5，6】被反射阶梯微面【1，2，3】阻挡而无法到达反射阶梯微面4。
本示例是4比特编码条，因此构造了能够将光束L【1，2，3，4，5，6，7，8】进行4等分的反射阶梯微面【1，2，3，4】；当编码精度提高时，光束将被更多的反射阶梯微面划分。如果是X比特编码，则需要构造能够对光束L 【1，2，3，4，5，6，7，8】进行X等分的反射阶梯微面【1，2...X】。
棱镜B【0，1，2，3】将光束传播从水平面转换为垂直面，入射到相应的光敏器件的感光窗口。当相应的反射阶梯微面不存在时，对应的光束不会到达相应的棱镜B【0，1，2，3】，从而在光敏器件的感光窗口上，不会有次光束存在，光敏器件表现为截止状态。
一个编码条内的多个反射阶梯微面【1，2...X】以及对应的水平面-垂直面棱镜结构B【0，1...X】，可以是整体存在，也可以是在每个编码单元内的对应部分存在而非整体存在。如反射阶梯微面3，可以仅仅存在光束L【5，6】照射的部分，而光束L【1，2，3，4，7，8】照射的部分可以不存在，同样的，水平面-垂直面棱镜结构B2页可以仅仅存在功能的1/4部分，而其他的3/4部分可以不存在。这样的结构可以将编码部件尽可能最小化而保留全部的功能，同时使得制造成本大幅度降低。
为了保证无源编码部件的出光口能够正确工作，采用集成电路的掩膜版技术，对编码后不需要出光的编码部件的出光口使用不透光材料进行遮盖，作为功能正确的二次保障手段。如示例的编码条，如B2的输出确定为无光束输出，则：反射阶梯微面3不存在，棱镜B2对应的垂直面透明件部分将被不透光的掩膜版覆盖，确保B2没有光束输出。
无源光电编码部件的出光口将棱镜B【0，1，2，3】编码后的光束发送到对应部分的耦合结构的感光窗口，然后经过光电转换【1，2，3，4】、信号拾取【1，2，3，4】、信号整形与降噪【1，2，3，4】的相应处理，转换为数据 Data_B【0，1，2，3】，至此，无源光学编码部件的有光/无光编码，变换为二进制数据的“1”(或取反)或“0”(或取反)。在时钟信号CLK作用下，数据Data_B【0，1，2，3】被锁存在数据缓存模组内。
CLK_Gen信号被延时后，作为编码数据的时钟信号CLK应用。电机在运行过程中，转速从零到全速，跨越0～KHz的频段，是非定频的时钟信号。本发明将时钟信号的产生结构，部署在无源光学编码部件的每个编码上，跟随电机运行状态自动变化。
CLK_Gen被延时后作为数据的锁存时钟，在电机正转和反转，以及位置解析精度不同时，延时的具体时间是不同的。不同的延时需求，可以：在电路部分通过逻辑组合，选择不同的延时；或者在无源光学编码部件上，直接部署不同逻辑下的延时结构。
如图6所示的216线新光电编码的一线+正反转圈数计数+自带CLK结构光路示意图。定子组件(位置固定) 的结构对供电编码器的所有位置点适用，整个编码器可以只有一套；转子组件(无源光学编码部件)需要按照位置解析度部署多个，如示例，需要部署216个示例力中的编码条；类激光/激光光源UR、SI-PIN传感器UR、SI-PIN传感器UL、透镜R、受光口R、透镜RR、透镜RL、出光口RR、出光口RL构成正反转圈数计数前端模组，此模组在无源光学编码部件中可以仅部署1个。
工作原理：定子组件(位置固定)上的类激光/激光光源UP发出单色光或者多个单色光的组合，经过透镜 UP将光斑的形状与大小进行调整，以近似平行光(很小扩散角)发射到转子组件上的无源光学编码部件。转子组件(无源光学编码部件)上的透镜P接受光斑，将光斑调整为合适的大小以及对光斑形状进行规整处理，将光斑投射到受光口P。受光口P使用棱镜将光束分为左右两束，左光束进入出光口【8，9，A，B，C，D， E，F】对应的编码单元，右光束进入出光口【0，1，2，3，4，5，6，7】对应的编码单元以及出光口CLKD对应的编码单元。
出光口【0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F】对应的编码单元，根据该细分位置的编码规则，决定是否有光束发送到对应的出光口，透镜P【0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F】对相应出光口的光束进行调整，以近似平行光将光束发送到对应的定子组件(位置固定)上的透镜UP【0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F】进行光斑大小与形状的调整后，将光斑投射到对应的光电转换部件SI-PIN传感器【0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F】，自此光信号转换为电信号。
转子组件(无源光学编码部件)的每一个位置的编码都是光束在不同的棱镜结构中完成的，编码的速度以光在透镜部件中的传播速度进行。
●设定光在透明部件中的传播速度是v＝2*108m/s，则光束在受光口左右分光后，进行16比特(左右两侧各8比特)编码的距离分别是D＝4mm，则完成一个位置的编码时间是D/v＝4mm/(2*108m/s) ＝2*10-11s。
●光束在定子与转子之间的传播时间，仅仅构成系统的延时，对系统的编码速度没有影响；在转子高速旋转时，转子组件(无源光学编码部件)与定子组件的对准，需要考虑编码时间以及光束在定子与转子之间的传播时间。设定定子与转子的距离为3cm，则光束来回程距离为6cm，耗时6cm/ (3*108m/s)＝2*10-10s。
●设定转速为60Krpm，转子组件安装在内径为4cm、外径为5cm的圆环上，则位置编码的受光口 P的线速度为2*π*(4.5cm)*1K/s＝28.3cm*1K＝283m/s。位置绝对值编码216线中每线的受光口P 的宽度为28.3cm/216＝4.42um。
●216线为一圈，每圈耗时1ms(转速60Krpm)，则每线的受光窗口P(加相邻窗口隔光部分)的有效工作时间为1ms/216＝15.625ns。
以上计算数据，基本可以得知在定子组件(位置固定)上的PCBA的器件的性能需求；当位置解析度更高、转速更快时，需要的光电传感器件SI-PIN的性能指标更高，或者更换为速度达到100GBPS的InGaAs-APD 光电传感器件。
在转子组件(无源光学编码部件)上，受光口P向右分光的光束，到达出光口CLKD对应的编码单元。该编码单元的输出为固定的“有光”光学结构，即216线的每一线位置上的编码，都有一次对应的有光输出从出光口CLKD到透镜CLKU，进而到SIN-PIN传感器CLK，作为与位置编码跟随的时钟信号。此时钟信号经过延时后，作为位置编码数据的锁存时钟。
在正转和反转时，无源光学编码部件上的光束到达时钟编码单元与位置绝对值(增量)编码单元的先后顺序不同。为解决此问题，在定子组件(位置固定)上的PCBA，对正转-反转的逻辑状态进行确认，利用正反转的逻辑状态，将时钟信号经过不同的延时组合构成的模组，以此确保位置绝对值(增量)编码数据与时钟的一致性。
类激光/激光光源UR、SI-PIN传感器UR、SI-PIN传感器UL、透镜R、受光口R、透镜RR、透镜RL、出光口RR、出光口RL构成正反转圈数计数前端模组。定子组件(位置固定)上的类激光/激光光源UR发出单色光，经过透镜UR将光斑的形状与大小进行调整，以近似平行光(很小扩散角)发射到转子组件上的无源光学编码部件。转子组件(无源光学编码部件)上的透镜R接受光斑，将光斑调整为合适的大小以及对光斑形状进行规整处理，将光斑投射到受光口R。受光口R使用棱镜将光束分为左右两束，左光束进入出光口RL对应的编码单元，右光束进入出光口RR对应的编码单元，只有光束经过编码后分别进入透镜RL和透镜RR，调整光斑形状后，以近似平行光返回到定子组件(位置固定)上PCBA的透镜URL和透镜URR，重整光斑后进入SI-PIN传感器UL和SI-PIN传感器UR，恢复为电信号进行处理。
正反转圈数计数前端模组的转子组件(无源光学编码部件)部分，在整个转子组件上可以仅仅部署一个。电机正转、反转圈数的计算，可以通过在无源光学编码部件上设计的结构实现，也可以通过对绝对值编码器的数据分析获得，增量编码器模式下必须在无源光学编码部件上具备相应的结构才能够获得电机正转、反转圈数的数据。
设定绝对值光电编码器的某个位置的16位编码为16进制的9AD6，顺时针递增编码，则左右两侧的编码分别为9AD5、9AD7。则简单的相应判定规则为
●16进制编码递增获得，则电机正转，否则反转。如图16位编码的绝对值光电编码器，先获得位置绝对值编码9AD5，然后依次获得9AD6、9AD7，则判定电机正转；先获得位置绝对值编码9AD7，然后依次获得9AD6、9AD5，则判定电机反转；
●圈数计算。光电编码器的位置解析度为2N线，以上电时刻的位置编码作为起点，每经过一圈2N个位置数据，重新获得上电时刻的位置编码，作为一圈；停电时不足一圈的，以停电时刻的位置编码与上电时刻的位置编码相减，除以2N，获得小数计算的非整数数据。如图16位编码的绝对值光电编码器，以上电时刻的位置编码9AD5作为起点，每经过一圈216个位置数据，重新获得上电时刻的位置编码9AD5，作为一圈；停电时不足一圈，以停电时刻的位置编码CDFA与上电时刻的位置编码相减9AD5，除以216，获得小数计算的非整数圈数计算数据为(CDFA-9AD5) /216＝3325/216。
图7所示双向分光双向编码单元与其构建的编码平面示意图。图示结构为28线编码的部分片段结构(非规则递增量，特殊编码)，入射光斑保持固定不动，编码单元以顺时针或者逆时针转动，顺序完成相关位置的编码输出。
入射光斑从无源光学编码部件的中间垂直入射，遇到分光微棱镜时，将光束在编码平面分为向前向后两部分。前向光束(如图示为L【1，2，3，4，5，6，7，8】)在编码单元内传播时，遇到编码比特微棱镜，就将部分光束发送到本比特编码蜂窝(CELL，基本单元/细胞)的出光微棱镜，从而此比特编码的输出为“有光”状态；光束在传播时，没有遇到编码比特微棱镜，则没有光束被发送到本比特编码蜂窝(CELL，基本单元/ 细胞)的出光微棱镜，从而此比特编码的输出为“无光”状态。
后向光束(如图示为L【9，A，B，C，D，E...】)在编码单元内的工作与前向光束相同。
对于没有光束输出的出光口，在无源光学编码部件的制造过程中，使用集成电路掩膜版技术(或者类似集成电路掩膜版技术)，对相应的出光孔进行覆盖，确保出光口位置不出光。
如图7所示右侧光路示意图为28线光电编码器的前向光束(或者后向光束)的1111编码的解释。光束L 【1，2，3，4，5，6，7，8】自下侧入射到左右两侧的半个位置绝对值编码部件，光束L4、L5被B【0，1，2，3，4，5，6，7】编码单元的B3编码比特微棱镜分光，光束L4射向出光微棱镜HL4，光束L5射向出光微棱镜HR5，分别成为位置绝对值编码中两个相邻位置的B4编码的“有光”结构。同样的，光束L3射向出光微棱镜HL3，光束L6射向出光微棱镜HR3，分别成为位置绝对值编码中两个相邻位置的B5编码的“有光”结构；光束L2射向出光微棱镜HL2，光束L7射向出光微棱镜HR2，分别成为位置绝对值编码中两个相邻位置的 B6编码的“有光”结构；光束L1射向出光微棱镜HL1，光束L8射向出光微棱镜HR1，分别成为位置绝对值编码中两个相邻位置的B7编码的“有光”结构。
后向光束L【9，A，B，C，D，E...】在无源光学编码部件蜂窝(CELL，基本单元/细胞)中的传播，构成B3、B2、 B1、B0的编码。
前向光束和后向光束，集成在一起构成某个位置的8比特绝对值编码B【0，1，2，3，4，5，6，7】。
如图7所示，该片段的无源光学编码部件的位置绝对值编码，自左向右依次为11111111、11111111、11100111、 11100111、11011011、11011011、10111101、10111101。与此类似的双向分光双向编码，其对应的变化为：
●双向编码中的任何一个方向的编码蜂窝(CELL，基本单元/细胞)中，相邻的编码的分光微棱镜根据编码规则变化，分光微棱镜在光束方向上可以是非对称结构。
●位置绝对值编码中的各个比特对应的数据位置，既可以在无源光学编码部件的结构上实现，也可以在定子组件PCBA上的信号整形后根据需要调整，如对调B【M】与B【N】的位置等，仅仅需要调整相应的缓存器的连接，或者寄存器的连接，或者数据传输时各个比特的打包位置，即可实现不同的B【0......X】数据的排序。
●编码比特微棱镜、出光微棱镜在图示中是全尺寸存在，在实际应用中，为了减少器件尺寸，降低成本，编码比特微棱镜、出光微棱镜时可以仅存在部分尺寸：与相应编码比特对应的光束面尺寸对等、相向位置。
编码比特微棱镜、出光微棱镜在每个无源光学编码部件的一个位置编码条的某编码比特蜂窝(CELL，基本单元/细胞)中，既可以是全尺寸存在，也可以是仅仅有效尺寸存在：与相应编码比特对应的光束面尺寸对等、相向位置的存在，有效尺寸结构与全尺寸结构比较，可以大大降低在集成电路、MEMS、MOEMS 制造工艺下的无源光学编码部件的尺寸，而小尺寸意味着低成本。
图8所示单向编码与其构造的编码平面示意图。右侧图示结构为28线编码的部分片段结构(非规则递增量，特殊编码)，入射光斑保持固定不动，编码单元以顺时针或者逆时针转动，顺序完成相关位置的编码输出。左侧小单元为位置编码输出为“1111”的上半段(或者下半段)编码的无源光学编码单元4个蜂窝(CELL，基本单元/细胞)的结构。
如图示8比特无源光学编码的上半段(或者下半段)编码部件，光束L【1，2，3，4，5，6，7，8】入射到某个编码层的4比特编码器件内。在图示的4比特编码条内，部署了4个逐步向右侧位移的反射阶梯微面【1，2，3，4】。反射阶梯微面1将光束L【1，2】反射到右侧的棱镜结构B0，而将光束L【3，4，5，6，7，8】无阻挡直入后续的反射阶梯微面【2，3，4】。反射阶梯微面2将光束L【3，4】反射到右侧的棱镜结构B1，而将光束L【5，6，7，8】无阻挡直入后续的反射阶梯微面【3.4】，而光束L【1，2】被反射阶梯微面1阻挡而无法到达反射阶梯微面 2。反射阶梯微面3将光束L【5，6】反射到右侧的棱镜结构B2，而将光束L【7，8】无阻挡直入后续的反射阶梯微面【4】，而光束L【1，2，3，4】被反射阶梯微面【1，2】阻挡而无法到达反射阶梯微面3。反射阶梯微面3将光束L【7，8】反射到右侧的棱镜结构B3，光束L【1，2，3，4，5，6】被反射阶梯微面【1，2，3】阻挡而无法到达反射阶梯微面4。
根据此编码规则，片段结构的28线编码分别为B【7，6，5，4，3，2，1，0】＝11111111、11100111、11011011、10111101。与双向分光双向编码一样，双向分光单向编码结构的大部分规则依然适用。
●位置绝对值编码中的各个比特对应的数据位置，既可以在无源光学编码部件的结构上实现，也可以在定子组件PCBA上的信号整形后根据需要调整。
●光学编码结构可以是全尺寸存在，也可以是有效尺寸存在。
图11所示1D编码BAR及其在旋转电机绝对值编码器上的环形2D部署示意图。在一个电机的转子轴承上，以同心圆圆环方式安装供电编码器，如图示216线解析度的绝对值编码器，在轴承安装孔外的圆环上排列216个位置编码BAR(编码条)，位置编码BAR之间可以是背靠背的(白色条也是位置编码BAR)，位置编码BAR之间也可以是间隔开的(白色条是隔离带，没有编码BAR存在)。
位置编码BAR有两类，一种是带有圈数计数的编码BAR，一种是不带圈数计数的编码BAR。带有圈数计数的编码BAR一般与增量编码器一起使用，也可以和绝对值编码器一起使用。绝对值编码器在没有圈数计数的编码BAR存在时，通过数据分析，同样可以获得圈数计数数据与正反转状态数据；而增量编码器在没有编码BAR存在时，不能够获得圈数计数数据与正反转状态数据。
如图所示，216线带圈数计数的位置编码BAR包含三个部分：圈数计数、16bit绝对值编码BAR、CLK发生器；不带圈数计数的位置编码BAR包含两个部分：16bit绝对值编码BAR、CLK发生器。
圈数计数单元在编码器上仅仅部署一个单元即可工作；部署N个圈数计数单元时，真实的圈数计数是获得的脉冲计数总和除以N。每个圈数计数单元包含L、P、R三部分：P为透光口以及左右分光的棱镜，将垂直光束转换为左光束、右光束；左右光束在L、R单元从平面转向垂直输出，以入射光平行方式返回到感敏器件感光口。
16bit绝对值编码BAR和CLK发生器共用一个透光口PP，PP将垂直入射的光束转换为平面的左右两个光束，左光束在传播中，通过编码蜂窝(CELL，基本单元/细胞)对半段编码BAR的B【0，1，2，3，4，5，6，7】进行位置绝对值编码，右光束在传播中，通过编码蜂窝(CELL，基本单元/细胞)对半段编码BAR的B 【9，A，B，C，D，E，F】进行位置绝对值编码，右光束在传播中同时扫描固定结构的CK单元，获得本次位置绝对值编码的时钟信号。
本发明的光电编码器的无源光学编码器部件在旋转电机转子上的安装，以及对应的无源光学编码部件的设计，相应的主要规则为：
●安装位置基于转子轴心，在转子表面直接使用激光焊接、胶水粘接、嵌入式固定等方式，或者将无源光学编码器部件安置于一个圆环形金属槽内，再将金属槽套接在转子轴承上。
●无源光学编码部件在设计制造时，每个编码BAR的俯视图可以是长方形，也可以是梯形，两者都可以工作。在编码BAR俯视图是长方形时，靠近内径的位置，相邻两个编码BAR的间距小；靠近外径的位置，相邻两个编码BAR的间距大。
●在旋转时，内径部分的拉伸力较小而外径部分的拉伸力较大；无源光学编码部件和承载该部件的圆环形金属槽，两者能够承受的最大的拉伸力中，数据较小的一个决定整个器件的工作范围。
●绝对值编码器的位置解析精度，取决于成环状分布的编码BAR的宽度、环状安装槽的内径、以及无源光学编码部件制造加工的工艺精度。编码BAR的宽度越小，要求的无源光学编码部件制造加工的工艺精度越高，则在同样的环状安装槽的内径情况下，位置的解析度越高；环状安装槽的内径越大，在编码BAR的宽度固定(无源光学编码部件制造加工的工艺不变)的情况下，位置的解析度越高。
图12所示圈数计数器与旋转(前进)方向确认示意图。圈数计数器的无源光学编码器部分与位置编码的无源光学编码器部分有所不同。圈数计数器的无源光学编码器部分在一个圆周上仅需要部署一次即可，其结构的安排空间足够大。
如图所示的上半部，圈数计数器的无源光学编码器部分的两个透光口：透光口1和透光口2紧挨着，中间没有光束隔离空间。光源的垂直入射光，以光斑(位置固定)方式入射到无源光学编码器部分的两个透光口。当转子在顺时针方向转动时，入射的光斑先射入透光口1，然后射入透光口2。透光口1将入射的光束，转向到右下方的出光口以近似于光源入射光束平行的光束返回，入射到光敏器件Sensor1，然后转换为电信号；透光口2将入射的光束，转向到左上方的出光口以近似于光源入射光束平行的光束返回，入射到光敏器件Sensor2，然后转换为电信号。光源的入射光斑是固定的，所以，光敏器件中的电信号的表现是：光敏器件sensor 1的输出与光敏器件sensor 2的输出有交叠。
如图所示的下半部，圈数计数器的无源光学编码器部分的两个透光口：透光口1和透光口2紧挨着，中间部署有不透光的光束隔离空间。光源的垂直入射光，以光斑(位置固定)方式入射到无源光学编码器部分的两个透光口。当转子在顺时针方向转动时，入射的光斑先射入透光口1，然后射入透光口2。透光口1 将入射的光束，转向到右下方的出光口以近似于光源入射光束平行的光束返回，入射到光敏器件Sensor1，然后转换为电信号；透光口2将入射的光束，转向到左上方的出光口以近似于光源入射光束平行的光束返回，入射到光敏器件Sensor2，然后转换为电信号。光源的入射光斑是固定的，所以，光敏器件中的电信号的表现是：光敏器件sensor 1的输出与光敏器件sensor 2的输出没有交叠。
圈数计数器的无源光学编码部分的部署与设计规则：
●圈数计数器可以放置在编码器的一个圆周上的任何一个位置。无论是绝对值编码器增加圈数计数器作为辅助，还是增量编码器增加圈数计数器作为旋转(来回往复)次数的数据采集，圈数计数器在无源光学编码部件的位置，是可以选择的。
●圈数计数器的光源，可以是单独的不同于位置编码的光源，也可以与位置编码共享一个光源。当圈数计数器光源是单独的不同于位置编码的光源时，光斑可以做得更加细长，而两个透光口之间的中间的不透光的光束隔离空间可以更大，这样对光敏器件Sensor1、sensor2的性能要求降低。当圈数计数器光源与位置编码共享一个光源时，光敏器件Sensor1、Sensor2与位置编码器的光敏器件保持同样的性能指标。
●圈数计数器光源与位置编码共享一个光源时，借助特殊的结构，可以使得多个位置编码单元的光都到达圈数计数器的光学单元，而且是连续的光斑，这样可以降低对光敏器件Sensor1、sensor2 的性能要求。
转子组件上无源光学编码部件的尺寸，以及透镜阵列对光斑形状的规整，与定子组件上的光敏器件的性能指标之间存在互相兑换关系，无源光学编码部件的尺寸越小，透镜阵列对光斑形状的规整后光斑尺寸越小、光强越小，光束的入射角度偏离90度垂直越大，则需要的定子组件上的光敏器件的性能指标越高。
图9A所示2D编码序列示意图。图中列出了20-232线光电编码器的光源与光敏器件2D阵列、无源光学编码部件2D阵列的示意图。光源与光敏器件2D阵列包括中间位置的光源以及光束隔离空间、集成在一个平面上的光敏器件阵列；无源光学编码部件2D阵列包括中间位置的透光口以及光束隔离空间、集成在一个平面上的光学编码蜂窝(CELL，基本单元/细胞)。光敏器件部署在光源以及光束隔离空间的前后两个部分，前部分构成传感器-FrontArray【0：N】，后部分构成传感器-BackArray【N+1：2N】；光学编码蜂窝(CELL，基本单元/细胞)部署在透光口以及光束隔离空间的前后两个部分，前部分构成无源光学-FrontArray【0：N】，后部分构成无源光学-BackArray【N+1：2N】。
以图示第二组的218线的2D光电编码器为例，无源光学部件-FrontArray【0：8】与传感器-FrontArray【0： 8】一一对准，无源光学部件-FrontArray【9：17】与传感器-FrontArray【9：17】一一对准。当光源的光束入射到无源光学部件的透光口时，光束在透光口前后传播，经过各个光学编码蜂窝(CELL，基本单元/细胞)，经过蜂窝内部的光学结构编码后，将光发送到蜂窝的出光口，对准发送到传感器对应单元。
2D编码矩阵在工作时，无论是顺时针还是逆时针旋转，需要无源光学编码部件的单元与传感器单元是同时多个对准的，而旋转时光源的光斑是逐步到达的，工作规则为：
●所有对准器件的最终结果，是以时钟信号结构的上升沿(下降沿)对准的时刻为基准的。在时钟信号到来前，移动过程中错位的出光口与对准的传感器，会有中间数据产生，但是数据不会被时钟信号锁存。
●2D编码的无源光学编码部件阵列，可以按照不同波长的单色光构造的不同的编码平面，逐步缩小矩阵规模，最后成为多个波长单色光构造的多个编码平面同时工作的一条编码BAR。以2D编码的232线编码器为例，如光源为两个不同波长的单色光，则2D编码的无源光学编码部件的前后矩阵，将从4*4*1(层)转变为4*2*2(层)；如光源为4个不同波长的单色光，则2D编码的无源光学编码部件的前后矩阵，将从4*4*1(层)转变为4*1*4(层)，从而成为4层无源光学编码结构的编码BAR，此编码BAR的表面看上去是一个28线的1D编码器。
图9B所示2D编码序列-3D编码序列转换示意图。一个2D的4*4*2的232线光电编码器，借助于光源的不同波长的单色光组合，以及3D的无源光学编码部件结构，可以多种方式重构光电编码器。
图中4*4*2(段)*1(层)是传统的2D单色光编码器，光源使用1个单色光，在光束扫描区域的内外侧，分别构件16个无源光学编码部件的编码蜂窝，从而形成232线的光电编码。这种编码器在一个圆周上排列时，需要较大的周长。如每个编码蜂窝的宽度为14nm，则一个2D编码的无源光学编码部件单元需要4*14nm 的宽度，232线光电编码器需要4*14nm*232＝4*14*4m＝224m，半径为35.668m。
图中4*2*2(段)*2(层)是双波长复用的3D两个单色光组合编码器。光源使用2个单色光，在光束扫描区域的内外侧，分别构件16个无源光学编码部件的编码蜂窝，16个编码划分为两个层面，每个层面使用1个单色光进行光学编码，然后在每个蜂窝的出光口，将两个单色光组合为一个光束；在光敏器件阵列的每一个单元上，同时部署对2个单色光波长敏感的光敏器件，对从无源光学编码部件返回的一束光进行检测，检测逻辑为
如每个编码蜂窝的宽度为14nm，则一个2D编码的双波长2层无源光学编码部件单元需要2*14nm的宽度， 232线光电编码器需要2*14nm*232＝2*14*4m＝112m，半径为17.834m。
图中4*1*2(段)*4(层)是4波长复用的3D四个单色光组合编码器。光源使用4个单色光，在光束扫描区域的内外侧，分别构件16个无源光学编码部件的编码蜂窝，16个编码划分为4个层面，每个层面使用1个单色光进行光学编码，然后在每个蜂窝的出光口，将4个单色光组合为一个光束；在光敏器件阵列的每一个单元上，同时部署对4个单色光波长敏感的光敏器件，对从无源光学编码部件返回的一束光进行检测，检测逻辑为
如每个编码蜂窝的宽度为14nm，则一个2D编码的4波长4层无源光学编码部件单元需要14nm的宽度， 232线固定编码器需要14nm*232＝14*4m＝56m，半径为8.917m。
进一步减小半径的方法是绝对值编码与增量编码混合应用，借助于集成电路、MEMS、MOEMS的最小的对准误差距离，在绝对值编码圆环外侧之间，通过错位寸移方式，加入多个增量编码圆环。如14nm工艺的对准误差是0.5nm，则在任意两个相邻绝对值编码之间可以插入28个增量编码外环。此时光电编码器位置解析精度为232*28，近似为237线位置解析度。此方法在后段解释。
通过使用不同个数不同波长的光源、分层的不同单色光构成的无源光学编码部件的空间复用结构以及对应的滤光窗口、光敏部件等，可以将2D平面的一个无源光学编码矩阵、2D平面的一个光敏器件矩阵变为一个光学编码BAR和感光器件BAR，大幅度降低成本。
图10所示2D编码序列向下兼容示意图。光电编码器的光源与光敏器件阵列、无源光学编码部件的光学编码阵列是互相对应的。光在空间的传播是直线，所以光敏器件与光学编码蜂窝的出光口需要一一对应，并且光斑保持在一个最小面积、光强保持在一个最低照度水准上。
在光敏部件受光口与光学编码蜂窝出光口互相对准的前提下，编码序列向下兼容有两个含义。
●光敏部件的个数大于或者等于光学编码蜂窝的出光口个数，则光电编码器可以有效使用。如图所示的28线编码器，定子组件上的光敏器件有8个构成的一个阵列，则在转子组件上的无源光学编码部件上，编码单元个数少于等于8个编码蜂窝的，则可以在不更换定子组件的前提下，仅仅更换转子组件是可以在低解析度下有效使用的。
●光学编码部件的编码蜂窝的出光口光束中，包含的不同波长的单色光组合是光敏部件的包含的不同波长的单色光组合的一个子集，则光电编码器可用。如图9B所示的光电编码器的一个感光单元是2(4)个波长的不同单色光的组合，则在相同结构下，无源光学编码部件的编码蜂窝出光口仅含有1(2，3，4)个波长的单色光组合时，整个供电编码器可以在低解析度下有效使用。
图13A所示增量编码器的无源光学编码部件单元的圆周部署方式示意图。如图所示部署了22线、23线、 24线、25线光电编码器，此环状部署方式适合于绝对值编码器和增量式编码器，在实际应用中一般仅部署一种解析度。
在如图所示的简单部署中，自内而外，每旋转一圈，则光电编码器的无源光学编码组件分别贡献4、8、16、 32个光脉冲，在光敏器件检测光脉冲后，每圈输出4、8、16、32个电脉冲。系统通过起始点标志、对电脉冲的技术，获得当前的位置信息。
图13B所示的26线增量编码器的无源光学编码部件单元的圆周部署方式。如图所示总共部署了16个增量式编码器的无源光学编码部件的编码蜂窝，而每个蜂窝能够输出的光脉冲是4个，则旋转一圈总共有64 个光脉冲输出。
无源光学编码部件的单元在圆环模式部署时，一般将单元部署在圆环的切线上。在密集部署的情况下，无源光学编码部件的蜂窝单元构成一个圆环；部署的无源光学编码部件的蜂窝单元越多，则整体形状越接近于圆环。
如图13B的无源光学编码部件部署方式，借助于棱镜部署方式构造空间复用格局，在每个无源光学编码部件的蜂窝构造4个增量编码出光结构。16个无源光学编码部件手拉手形成一个圆环，每个蜂窝的4个出光结构从空间复用结构上，将光斑放大2倍后从出光口射出。如按照工艺需求，每个蜂窝的尺寸为4um*4um，则16个蜂窝手拉手的周长为64um，在此圆周上有均匀部署的16*4个出光口，则有64个光脉冲输出。
图14所示的提高增量式光电编码器采样精度的游标卡尺式位移-圆周部署方式示意图。增量编码器的无源光学编码部件，可以按照游标卡尺式提高精度的设计方法，采用多圈错位寸移圆周部署方式。如图所示的的编码，单圈是每周部署8个蜂窝单元，以图中圆环的最高端作为起点，则最内圈的部署是每间隔45度角(2π/8弧度)就部署一个蜂窝；自内圈到外圈，每向外扩展一圈，就把起始点向右侧渐次位移5.625 度(2π/8弧度)，构成每圈8个蜂窝，总共8圈的部署结构，此种结构下，光脉冲每旋转一圈会有64个输出，此64个光脉冲转换为电脉冲，利用电路逻辑实现需要的均匀间隔的电脉冲输出。图15所示增量式编码器的游标卡尺式位移部署的精度提升示意图。无源光学编码部件的每个蜂窝的物理尺寸是L，在错位寸移部署时，每次寸移ΔL，N圈总的寸移是N*ΔL，则每个蜂窝的有光束输出物理尺寸为N*ΔL，没有光束输出物理尺寸为L-N*ΔL。在光脉冲转变为电脉冲后，得到如图所示的的电脉冲序列。有光束输出物理尺寸N*ΔL与没有光束输出物理尺寸为L-N*ΔL相等时，能够在等间隔物理结构上获得等时间间隔的光脉冲以及电脉冲。
电脉冲序列通过内外圈的增量编码器的无源光学编码部件阵列与对准的光敏器件阵列获得，同时通过相邻内外圈的电脉冲的逻辑运算，可以获得时间间隔均等的顺延PULSE以及作为错位寸移部署Start Pulse。以图14所示的结构为例，8圈内外嵌套、错位寸移的每圈8个片段，总共可以得到(2*8-1)*8＝120个电脉冲，通过电路的逻辑运算获得更高的解析度。
通过错位寸移的方式循环部署多圈的增量编码器，基本的规则为：
●器件本身的制造尺寸，与制造器件的工艺对准误差精度要求是两个不同的概念。多圈部署的错位寸移设计借助集成电路、MEMS、MOEMS、精密制造等技术的最小对准误差而言，不是器件的最小尺寸。如最小器件1um的集成电路制造工艺，其最小的对准误差借助于最新的对准设备，可以做到28nm甚至更高。如216个1um的无源光学编码部件蜂窝在周长64mm的圆周上部署64K个增量编码蜂窝单元，根据MEMS工艺，可以使用错位寸移技术构造(1um/28nm)＝36圈的圆环部署。如此部署得到的复合逻辑的电脉冲个数为(2*36-1)*216＝4.65M，及每圈的专利编码脉冲个数为465 万线，相当于222线专利编码器。如此部署时，需要更多的光敏器件，每圈无源光学编码部件，需要一个光敏器件对准。
●空间复用的编码器物理结构，可以与错位寸移部署互相嵌套。如图13B的物理空间复用单元，可以成为图14所示的错位寸移部署的一个圆环的一个编码蜂窝。如图13B所示的单环部署，变换为N圈的圆环，则总的光脉冲为64*N个，电脉冲为(2*N-1)*64个。电脉冲的解析度是光脉冲的2倍左右。
●根据内外径的变化，外圈的部署可以有更多圈数，从而借助更加复杂的解析度算法获得更高的位置解析度。如内环是211个增量编码器的蜂窝单元，逐步向外扩展为211+24，211+32个蜂窝，即内外环的解析度一次为2048、2072、2104个蜂窝，其公约数为17437952；以17437952*8Hz为时钟信号，则三个环的每一个出光口，以有无光束各占50％时间片段计算，会分别获得68117/2，、67328/2、 66304/2个时钟信号，通过对高稳定高速时钟的计数，得到更高解析度的位置数据。
图16所示基于3D空间与多波长的N维无源光学编码部件示意图。入射到无源光学编码部件的光束由多个不同波长的单色光组合而成，如图中所示由单色光1、单色光2组合而成；两个单色光的合成光束入射到无源光学编码部件的透光窗口，单色光1停留在单色光1无源光学编码层，单色光2穿透镀膜后的滤光型透光窗口，到达单色光2无源光学编码层。
到达各自编码层的单色光1和单色光2，分别被划分成前后编码光束，前编码光束在光束传播中，通过各自的编码蜂窝进行编码，然后到蜂窝自己的出光口输出；前编码光束在光束传播中，通过各自的编码蜂窝进行编码，然后到蜂窝自己的出光口输出，垂直入射到单色光1的相应蜂窝的出光口与该蜂窝编码后的单色光1混合，从无源光学编码部件的顶层出光口射出。
无源光学编码部件的每个顶层蜂窝的出光口，分别与光敏器件组合单元对准。每个光敏器件组合单元包含针对单色光1和单色光2的光敏器件。如图所示，单色光1和单色光2入射到光敏组件1，光敏组件1的两个光敏单元同时导通；单色光1入射到光敏组件2，光敏组件2的单色光1光敏单元导通，单色光2光敏单元截止；单色光2入射到光敏组件3，光敏组件3的单色光1光敏单元截止，单色光2光敏单元导通。基于3D空间与多波长的N维无源光学编码部件的基本规则为：
●每个单色光的编码层是互不干扰的，每个单色光的编码层可以采用不同的编码体制，每个编码蜂窝单元可以各自采用自己的编码结构。
●光源的输出是多色光构成的组合光束。光束打到的位置信息通过编码信息获得，光源是多色光光束，一起入射到无源光学编码部件的某个位置；光源如果是非组合光，则可以采用不同波长入射到无源光学编码部件的不同位置，通过不同的光学编码进行编码层面的合成而不是物理位置的空间复用。如多色光1采用BCD编码，位置起始点为圆弧角度0(0度)；多色光2采用BCD编码，位置起始点为圆弧角度π(180度)。在光敏器件部署方面，多色光1的光敏器件与多色光 2的光敏器件分开部署，多色光1光敏器件在平面的0度线上，多色光2光敏器件在平面的180 度线上，这样可以在编码层面实现位置信息的组合，而不是物理位置的编码蜂窝层面。
●无源光学编码部件的透光口，具备选择不同波长的单色光能力；或者不同波长多色光在不同位置上入射到无源光学编码部件的不同位置，同时调整该单色光在对应编码层面的不同编码分段。
图17所示基于2D的双向分光双向编码示意图。此编码为8比特编码器的无源光学编码部件的一个片段，其中包含CLK时钟信息。
光束从中间位置入射到无源光学编码部件的中间的透光口，通过透光口部署的双向分光棱镜，分别进行上下4比特的编码，其中上部编码包含CLK信息。
按照前述的光束有无的编码规则，有光为1无光为0，如此编码片段的解读规则为CLK+MSB(4比特，上半部)+LSB(4比特，下半部)，则此片段的位置编码信息(无CLK)是：011111110、11111111、10111101、 11011011、10000001、01100110、00111100、01011010。
本编码层的编码片段的结构是CLK+4比特MSB+4比特LSB，既可以作为一个完整的位置信息编码，也可以是某个编码层的的某个片段的位置信息编码。
采用多维度编码，如4个编码层的232线编码，在采用【4(前向分光串联编码)+4(后向分光串联编码)】 *1(并行列数目)*4(编码层)+CLK】的编码模式的单色光1的编码层的片段；同样的，其他3个编码层的编码模式可以为：
单色光1的编码模式：【4(前向分光串联编码)+4(后向分光串联编码)】*1(并行列数目)*4(编码层)+CLK】；单色光2的编码模式：【2(前向分光串联编码)+6(后向分光串联编码)】*1(并行列数目)*4(编码层)+CLK】；单色光3的编码模式：【6(前向分光串联编码)+2(后向分光串联编码)】 *1(并行列数目)*4(编码层)+CLK】；单色光4的编码模式：【0(前向分光串联编码)+8(后向分光串联编码)】*1(并行列数目)*4(编码层)+CLK】；
只要前向分光串联编码个数+后向分光串联编码个数＝8，则4个单色光组合而成的编码就可以达到232的位置解析度。
图18所示光学编码基本功能的凸版与凹版单元示意图。如左侧图示，当光束L【1，2，3】I从空气(或不同的透明传播介质)中入射到棱镜的斜面时，光束从垂直入射面转换为水平出光面的光束L【1，2，3】O。当光束L【1，2，3】O以逆向方式从空气(或不同的透明传播介质)中射向棱镜斜面，则光束从水平入射转换为垂直出光面光束L【1，2，3】I。
如右侧图示，当光束L【1，2，3】I从透明传播介质中入射到棱镜的斜面(与空气，或不同的透明传播介质) 时，光束从垂直入射面转换为水平出光面的光束L【1，2，3】O。当光束L【1，2，3】O以逆向方式从透明传播介质中射向棱镜斜面(与空气，或不同的透明传播介质)，则从光束水平入射转换为垂直出光面光束L 【1，2，3】I。
图19所示N维编码分层光路示意图。光束L【1，2，3，4，5，6，7，8】入射到上层的编码层，其中光束L【5，6，7，8】在编码上层被棱镜转向传播，从垂直入射面转变为水平出光面的光束L【5，6，7，8】_O，分别进入不同的分光后的前向编码片段和后向编码片段。
光束L【1，2，3，4】穿过编码上层的透光口，经过滤除非本波长的单色光后，进入编码下层的分光棱镜斜面，光束被前后向分光，L1L2成为左向光束，L3L14成为右向光束，光束经过后续分光棱镜，分别成为左前水平光束L1_O，左后水平光束L2_O，，右前水平光束L3_O，右后水平光束L4_O。
图20所示具备光斑放大功能的增量编码器双向分光光学编码单元结构。棱镜F【1，2】和B【1，2】将垂直入射光束实现水平前向转换或水平后向转换，顺时针旋转时垂直入射光束先后扫过棱镜B2、F2、B1、F1，逆时针旋转时垂直入射光束先后扫过棱镜F1、B1、F2、B2。
棱镜F1将垂直入射光束F1转换为水平光束发射到棱镜F1_1，棱镜F1_1是一个倾斜体后仰式的棱镜，棱镜F1_1将入射光束一部分转换为垂直方向的出射光束F1_1，一部分转换为水平向左的光束入射到棱镜 F1_2，棱镜F1_2将接受到的光束全部转换为垂直出射光束F1_2。
棱镜F2将垂直入射光束F2转换为水平光束发射到棱镜F2_1，棱镜F2_1是一个倾斜体后仰式的棱镜，棱镜F2_1将入射光束一部分转换为垂直方向的出射光束F2_1，一部分转换为水平向左的光束入射到棱镜 F2_2，棱镜F2_2将接受到的光束全部转换为垂直出射光束F2_2。
棱镜B1将垂直入射光束B1转换为水平光束发射到棱镜B1_1，棱镜B1_1是一个倾斜体后仰式的棱镜，棱镜B1_1将入射光束一部分转换为垂直方向的出射光束B1_1，一部分转换为水平向左的光束入射到棱镜 B1_2，棱镜B1_2将接受到的光束全部转换为垂直出射光束B1_2。
棱镜B2将垂直入射光束B2转换为水平光束发射到棱镜B2_1，棱镜B2_1是一个倾斜体后仰式的棱镜，棱镜B2_1将入射光束一部分转换为垂直方向的出射光束B2_1，一部分转换为水平向左的光束入射到棱镜 B2_2，棱镜B2_2将接受到的光束全部转换为垂直出射光束B2_2。
从图示信息，入射到中间位置棱镜F【1，2】和B【1，2】的光斑，在经过处理后，光斑的面积增大，长度为入射光斑的2倍；同时，在光敏器件部分，需要2个前后向部署的光敏部件，交替对光脉冲进行信号拾取，这样降低了光敏部件的性能要求。
图21所示提高编码精度的绝对值编码与增量编码混合模式应用示意图。在无源光学编码部件的绝对值编码的内外、外侧或者内侧+外侧部署增量式编码，调试增加相应的光敏部件，通过对光敏部件接收的光脉冲转换后的电脉冲进行处理，可以提高绝对值编码的精度。
如图绝对值编码为23线，在每一个绝对值编码的每一个位置信息环的外圈，部署8个错位寸移增量式编码，通过对错位的增量编码进行解析，可以将每一线的位置信息细化为15等份，则此时整个绝对值编码的数据为8*15＝120线。
现在集成电路、MEMS、MOEMS的制造尺寸已经达到亚微米级别，集成电路已经不是深亚微米的的14nm 技术水准。如在半径为18.7mm的圆环上部署222个宽度为28nm的绝对值编码的无源光学编码部件蜂窝单元，同时在绝对值编码圆环的内侧和外侧，总共部署8个错位寸移～3.5nm(按照圆环位置稍有变化)的增量编码单元，则该光电编码器的位置解析度为222*(2*8-1)，约～226线。
大多数电机是旋转电机，其光电编码器是个圆环结构。圆环结构在使用集成电路、MEMS、MOEMS等工艺制造时，大圆环(高精度光电编码器)与小圆环(低精度光电编码器)之间的空隙，以及小圆环内部的空隙，如没有合适的产品填充，将是原料以及工艺时间的浪费。
图22所示基于MEMS/MOEMS制造工艺的无源光学编码部件在Wafer上的部署-俄罗斯套娃方式示意图。混合制式的俄罗斯套娃方式的拼版结构，可以有效利用Wafer面积，降低成本。
混合制式的俄罗斯套娃方式的拼版结构，与一般的俄罗斯套娃方式不同。
●每一个俄罗斯套娃的无源光学编码部件，可以是绝对值光电编码器、增量式光电编码器，或者是绝对值编码器+内外侧的增量式编码器。
●由于集成电路、MEMS、MOEMS的切割保护间距的存在，每个光电编码器的无源光学编码部件之间需要此保护间距。在部分位置解析度的区间段，可以是不同解析度的绝对值编码的无源光学编码部件的内外嵌套，也可以是绝对值编码与增量式编码的组合嵌套。
●在较高解析度的2进制编码跃进时，如从223线到224线，中间会出现较大的物理空间间隙。此间隙可以由低解析度的绝对值编码部件、阵列编码部件、绝对值与增量的组合编码部件等构成的俄罗斯套娃单元来填充。
图23所示定子组件与转子组件的对准方式示意图。定子组件的光敏器件阵列需要和转子组件的编码蜂窝的出光口对准，对准有两种方式。一种是左侧图所示的垂直对准方式，一种是右侧图所示的光斑放大后的光斑移位对准方式。
左侧图所示的垂直对准方式。转子组件-无源光学编码部件-编码BAR的蜂窝出光口【1，2，3，4，5，6，7，8，9】与定子组件-PCBA的光敏器件受光口【1，2，3，4，5，6，7，8，9】一一对准，这需要蜂窝单元的设计尺寸与光敏器件阵列的设计尺寸基本相当，转子组件-无源光学编码部件-编码BAR的蜂窝出光口【1，2，3，4，5，6，7，8，9】发出的光束，经过较小的扩散角，投射到定子组件-PCBA的光敏器件受光口【1，2，3，4，5，6，7，8，9】上。为了避免转子振动等造成光斑漂移的影响，要求入射到定子组件-PCBA的光敏器件受光口【1，2，3，4，5，6，7，8，9】光斑的尺寸大于光敏器件的实际感光窗口的尺寸。
右侧图所示的光斑放大后的光斑移位对准方式。转子组件-无源光学编码部件-编码BAR的蜂窝出光口【1，2，3，4，5，6，7，8，9】按照集成电路、MEMS、MOEMS制造工艺制作，其加工精度高，器件尺寸小；但是由于应用环境、光敏器件尺寸等原因，蜂窝出光口【1，2，3，4，5，6，7，8，9】与定子组件-PCBA的光敏器件受光口【1，2，3，4，5，6，7，8，9】不能够在一条直线上一一对准；为了避免光斑放大后的互相干扰，需要将光敏器件不在一条直线上部署，同时必须在蜂窝出光口部署成一定角度倾斜的透镜，在光敏器件的感光口部署准直透镜。在部署各种透镜时的规则是：
●部署在一个部件上的透镜的光处理方式尽可能一样。部署在转子组件-无源光学编码部件-编码 BAR的蜂窝出光口的透镜尽可能光学特性一致，如焦距、对不同波长的单色光处理特性等；部署在定子组件-PCBA的光敏器件受光口的准直透镜尽可能一致，将不同方向入射到准直透镜上的光束转变为垂直入射光到光敏器件感光口。
●转子组件-无源光学编码部件-编码BAR的蜂窝出光口到定子组件-PCBA的光敏器件受光口距离尽可能相等。这样保证光束在空间传播的距离一致。
●透镜的部署方式尽可能一致。透镜在转子组件-无源光学编码部件-编码BAR的蜂窝出光口，部署的倾斜角度一致，但是倾斜的方向不同；准直透镜在定子组件-PCBA的光敏器件受光口的部署全部垂直于PCB平面安装。
附图说明
图1：当前光电编码器示意图
图2：两片式新光电编码器安装示意图
图3：两片式新光电编码器系统结构(2D无源光学编码)
图4：两片式光电编码器组件光路示意图
图5：新光电编码器无源光学编码部件与信号采集的耦合结构
图6：216线新光电编码+正反转圈数计数+自带CLK结构光路示意图
图7：双向分光单向编码单元与其构建的编码平面示意图
图8：单向编码与其构造的编码平面示意图
图9A：2D编码序列示意图
图9B：2D编码序列-3D编码序列转换示意图
图10：2D编码序列向下兼容示意图
图11：1D编码BAR及其在旋转电机绝对值编码器上的环形2D部署示意图
图12：圈数计数器与旋转(前进)方向确认示意图
图13A：增量编码器的无源光学编码部件单元的圆周部署方式示意图
图13B：26线增量编码器的无源光学编码部件单元的圆周部署方式
图14：提高增量式光电编码器采样精度的游标卡尺式位移-圆周部署方式示意图
图15：增量式编码器的游标卡尺式位移部署的精度提升示意图
图16：基于3D空间与多波长的N维无源光学编码部件示意图
图17：基于2D的双向分光双向编码示意图
图18：光学编码基本功能的凸版与凹版单元示意图
图19：N维编码分层光路示意图
图20：具备光斑放大功能的增量编码器双向分光光学编码单元结构
图21：提高编码精度的绝对值编码与增量编码混合模式应用示意图
图22：基于MEMS/MOEMS制造工艺的无源光学编码部件在Wafer上的部署-俄罗斯套娃方式示意图
图23：定子组件与转子组件的对准方式示意图
图24：实施例示意图-基于精密加工工艺的2D双向分光单向编码28无源光学编码部件分段
图25：实施例示意图-定子组件的PCBA
图26：所示实施例示意图-编码器整体安装与磁悬浮电机整体
具体实施方式
图24所示实施例示意图-基于精密加工工艺的2D双向分光单向编码28无源光学编码部件分段。此部件是转子组件-无源光学编码部件的4条编码BAR。横向3mm，自左至右构造了4bite MSB编码、垂直入射左右分光单元、4bite LSB编码。
照片是非垂直拍摄的，在没有出光口透镜的条件下，与定子组件-PCBA的距离在15mm以内，可以正常工作。如果需要增大定子组件-PCBA与转子组件-无源光学编码部件的距离，需要借助出光口透镜、或者出光口透镜与受光口准直透镜，对编码的光束进行约束和处理。
图25所示实施例示意图-定子组件的PCBA。PCBA上部署了光源和光敏器件阵列，甘愿为852nm的类激光源芯片，光敏器件采用了高速高灵敏度的SI-PIN光敏二极管，工作波长范围730nm～1100nm，上升沿和下降沿在10ns，支持周期100ns的脉冲输出。在本验证实施例中，采用28线绝对值光电编码器，则支持的最高转速为10M/256＝2343Krpm，而在实际测试中，电机转速最高为40Krpm。
图26所示实施例示意图-编码器整体安装与磁悬浮电机整体。转子组件-无源光学编码部件和定子组件 -PCBA分别安装在两个互相对准的金属环槽结构上，当电机被驱动旋转后，光源入射位置信息被无源光学编码部件编码，位置编码信息被光束发送到定子-PCBA的光敏器件受光口上，在PCBA的信号处理完成后，位置信息数据按照协议发送到上位机。

Claims (10)

1.一种适用于各种电机，特别是高速高精密电机的光电编码器，可支持225线绝对值编码232线绝对值增量混合编码和60万转转速以上，提供任一时刻电机相关部件的详细位置信息以及正转、反转圈数的历史数据；光电编码器分为安装于转子的无源光学编码部件、安装于定子的光源+光电转换+数据采集处理模组构成；编码器支持绝对值编码和增量编码，绝对值编码的编码格式采取客户定制方式或者通用BCD编码等，增量编码除提供每圈(或者每个固定长度)的脉冲个数外，还可以提供类似游标卡尺模式的移位对准高精度脉冲；无源光学部件使用精密模具或集成电路或MEMS/MOEMS工艺、不同规格按照俄罗斯套娃方式构造一个统一的Wafer图案进行批量制造，制造工艺的提升可以支持电机的更高转速和更高的位置解析度；编码器使用微透镜阵列提高灵敏度，并且借助微透镜阵列构成特种图案的光斑，提高容差阈值，便于安装使用；编码器使用的光源、光敏器件、透镜阵列、无源光学编码部件等的性能指标，与编码精度、转速、器件尺寸等相关。
2.根据权利要求书1所述的光电编码器，其特征在于：光电编码器简化为两个部件进行实际安装，无源光学编码部件安装在电机转子上，光源+光电转换+数据采集处理模组安装在电机定子上；两个部件的发光和受光窗口可以增加透镜或透镜阵列，使得两个部件的安装间距误差阈值提高，两个部件的间隔距离在此范围内，得到相同的编码数据；两个部件的发光和受光窗口增加的透镜或透镜阵列对光处理的方式可以各不相同，从而得到不同的光斑图案，提高电机在非同心圆或者非直线扰动下转动的容差能力；通过使用不同个数不同波长的光源、分层的不同单色光构成的无源光学编码部件的空间复用结构以及对应的滤光窗口、光敏部件等，可以将2D平面的一个无源光学编码矩阵、2D平面的一个光敏器件矩阵变为一个光学编码BAR和感光器件BAR，大幅度降低成本；多维度的某个位置的编码信息，是多种单色光在不同编码层面的同一位置的数据合成，也可以是多种单色光在不同编码层面的不同位置的数据经过算法处理后的数据融合；无源光学编码部件的多维度编码结构，只要编码组合满足要求，具体的物理结构与编码层可以是多种组合模式的。
3.根据权利要求书1所述的光电编码器的无源光学编码部件的绝对值编码，其特征在于：包括但不限于三种空间构造，基于光在0°度与180°两个方向传播的一维的条编码，基于条状编码组合成面或者光在前后左右4个方向传播的二维的面编码，基于多个二维编码构造的立体或者光在前后左右上下传播的三维的立体编码；无源光学编码部件的编码格式采用通用的BCD编码、格雷码等，或者客户定制方式的十进制编码、自己定义的信息交换码等；使用不同波长的光源以及相应的光敏部件，辅助以透镜阵列图案，可以在一维、二维、三维编码的基础上实现多维编码；光在某个透光孔入射时，该位置的绝对值编码将一次性呈现和读出；按照制造工艺以及编码器尺寸的不同，无源光学编码部件可以实现最高210-232的精确的位置编码；根据单个无源光学编码部件的尺寸，选择需要的光源和透镜阵列的性能参数；绝对值编码信息反映的是光束入射到无源光学编码部件时的光斑所在位置的信息，而代表此信息的编码数据是从编码蜂窝出光口获得的，编码蜂窝可以和和光斑所在位置邻近、成直线结构，也可以不相邻、非直线结构。
4.根据权利要求书1所述的光电编码器的无源光学编码部件的增量编码，其特征在于：每圈(每个固定长度的编码段)脉冲的基准个数取决于制造无源光学编码部件的极限工艺尺寸以及部署的周长；在更高精度要求时，以无源光学编码部件的最小分辨率(集成电路工艺下，一般为最小器件的关键尺寸的1/4～1/3)为单位，将一圈(或固定长度)的无源光学编码部件进行拷贝，位移1个最小分辨率单位距离进行外延式部署；无源光学编码部件形成多圈的面状圆环分布，或者一个平面上的阶梯状分布，类似多个游标卡尺的部署；N圈或N阶梯状增量编码器的输出光脉冲的个数，是单圈或者1阶增量编码器的输出光脉冲的N倍；空间复用的编码器单元的物理结构可以与整体的错位寸移部署以环状与平行状互相嵌套，并且在使用高速高稳定时钟信号对光束输出有无的时间片段进行基于时钟信号的计数，可以获得更高的位置解析度；通过对光脉冲转换的电脉冲信号的逻辑运算，可以在电信号域直接成倍提升位置的解析度；绝对值编码信息反映的是光束入射到无源光学编码部件时的光斑所在位置的信息，而代表此信息的编码数据是从编码蜂窝出光口获得的，编码蜂窝可以和和光斑所在位置邻近，也可以不相邻。
5.根据权利要求书1所述的光电编码器的无源光学编码部件，其特征在于：无源光学部件由多个单元构成，每个单元按照是否有光可以反射出无源光学编码部件，划分为逻辑的“1”、“0”状态；有光输出/无光输出与逻辑状态“1/0”或“0/1”匹配；有光输出单元的出光窗口成透明状态，无光输出单元的出光窗口被镀膜(或者集成电路的掩膜等)覆盖，确保无光输出单元的无光输出状态；无源光学编码部件可以采用凸版、凹版两种制造和工作模式；无源光学编码部件自带时钟结构，为每个位置的绝对值编码输出或者增量编码输出，提供大范围频率变化的时钟同步信号；无源光学编码部件的绝对值编码和增量编码可以混搭使用提高精度，在两个绝对值编码中间，参照游标卡尺模式，错位嵌入N个增量编码单元始尾，可以提高N倍的绝对值编码精度；一个编码条内的多个反射阶梯微面以及对应的水平面-垂直面棱镜结构，可以是整体存在，也可以是在每个编码单元内的对应部分存在而非整体存在；不同规格的无源光学编码部件，可以按照内外嵌套的组合式俄罗斯套娃图案，在一个Wafer上构造一个整体构架进行批量制造，每个批量中不同规格的产品比例与图案中集成的产品规格的比例相同，即一个批次、系统工艺制造的产品可以是不同规格的；采用集成电路/MEMS/MOEMS的掩膜版技术，对编码后不需要出光的无源光学编码部件的出光口，使用不透光材料进行遮盖，作为功能正确的二次保障手段；编码比特微棱镜、出光微棱镜在每个无源光学编码部件的一个位置编码条的某编码比特蜂窝(CELL，基本单元/细胞)中，既可以是全尺寸存在，也可以是仅仅有效尺寸存在：与相应编码比特对应的光束面尺寸对等、相向位置的存在，有效尺寸结构可以大大降低在集成电路、MEMS、MOEMS制造工艺下的无源光学编码部件的尺寸；多维度编码中每个单色光的编码层是互不干扰的，每个单色光的编码层可以采用不同的编码体制，每个编码蜂窝单元可以各自采用自己的编码结构；多维度编码中的无源光学编码部件的透光口，具备选择不同波长的单色光进入不同编码层的能力；多维度编码中的无源光学编码部件的出光口，具备合成不同波长的单色光进入最顶层编码层的出光口的能力；无源光学编码部件的位置信息是由该部件接受光源照射位置或者与该位置相关的其他位置确定的，被光源照射位置的前后两个编码分段可以是对称的，也可以是非对称的，并且两个分段的编码格式以及编码制式可以是相同的，也可以是不相同的。
6.根据权利要求书1所述的光电编码器采集的数据，其特征在于：光电编码器除提供精确的位置数据外，还提供电机正转、反转圈数的历史数据；在外接电源连续工作情况下，可以提供每次开关机的精确位置数据，每次不断电运行时的正转、反转圈数数据；历史上每次运行的数据会被存储在本机，或者通过数据总线备份存储在外部主机或者网络上；光电编码器数据采集的时钟，来自于无源光学编码器部件的自带结构，对于在正反转、不同转速下的时钟信号的不同延时需求，通过逻辑电路的使能与不同延时的切入来实现；电机正转、反转圈数的计算，可以通过在无源光学编码部件上设计的结构实现，也可以通过对绝对值编码器的数据分析获得，增量编码器模式下必须在无源光学编码部件上具备相应的结构才能够获得电机正转、反转圈数的数据；位置绝对值编码中的各个比特对应的数据位置，既可以在无源光学编码部件的结构上实现，也可以在定子组件PCBA上的信号整形后根据需要调整相应的缓存器的连接，或者寄存器的连接，或者数据传输时各个比特的打包位置来实现；数据采集后获得的光脉冲转变为电脉冲，在增量编码模式下通过对电脉冲的处理，可以获得与光脉冲个数2倍以上的位置信息数据。
7.根据权利要求书1所述的光电编码器的微透镜阵列，其特征在于：微透镜的作用是将光线调整为平行光，使得光线在无源光学编码器部件与光源+光电转换+数据采集处理模组之间的空间传播时，保持光斑的大小不变，即使无源光学编码器部件与光源+光电转换+数据采集处理模组之间的距离变化，光斑大小不变或者变化很小，降低光电编码器对安装距离的灵敏度；同时将光斑调整为合适的大小，在不造成相邻编码互相干扰的情况下，使得光斑扫过无源光学编码部件受光窗口与光敏器件感光窗口的时间尽可能长；在无源光学编码部件的出光口和光敏器件的受光口使用透镜，可以有效提高光电编码器运行的准确性，同时可以调整转子组件-无源光学编码部件与定子组件-PCBA之间的距离。
8.根据权利要求书1所述的光电编码器的光敏器件，其特征在于：系统对光敏器件的反应时间的要求与光电编码器的精度、转速相关；转速越高，光电编码器的精度越高，光敏器件的反应时间就需要越短；多个光敏器件在一个模组上，则要求光敏器件保持反应时间、光电流等参数尽可能一致；转子组件上无源光学编码部件的尺寸，以及透镜阵列对光斑形状的规整，与定子组件上的光敏器件的性能指标之间存在互相兑换关系，无源光学编码部件的尺寸越小，透镜阵列对光斑形状的规整后光斑尺寸越小、光强越小，光束的入射角度偏离90度垂直越大，则需要的定子组件上的光敏器件的性能指标越高；在光敏部件受光口与光学编码蜂窝出光口互相对准的前提下，光学编码部件的编码蜂窝的出光口光束中，包含的不同波长的单色光组合是光敏部件的包含的不同波长的单色光组合的一个子集，则光电编码器可以在低解析度下有效使用；在光敏部件受光口与光学编码蜂窝出光口互相对准的前提下，光敏部件的个数大于或者等于光学编码蜂窝的出光口个数，则光电编码器可以在低解析度下有效使用。
9.根据权利要求书1所述的光电编码器的光源，其特征在于：光源为散射角度小的单色激光光源，光源的波长与光敏器件的峰值灵敏度波长接近，光斑越小则需要的光源的波长越短；多个单波长的激光混合为多波长光源，可以实现精确位置信息的多维编码；光源光斑入射到无源光学编码部件的位置，是光学编码器输出位置编码信息的来源，光源光斑入射到无源光学编码部件的位置是唯一的，但是无源光学编码部件在该位置的编码单元的排列方式，以及编码蜂窝出光口与对应光敏器件受光口的部署位置和方式，都可以是多样组合的。
10.根据权利要求书1所述的光电编码器的特种图案的光斑，其特征在于：特种图案的光斑是利用透镜实现的对光线的传播方向的重组，使得光线进入无源光学编码部件受光窗口和光敏感光窗口的能量尽可能大；光斑的形状与无源光学编码部件受光窗口和光敏感光窗口的形状匹配，同时在振动环境下光斑晃动时，对系统的影响小；光斑尺寸一般大于无源光学编码部件受光窗口和光敏感光窗口的尺寸，同时不会在振动环境下对邻近的无源光学编码部件受光窗口和光敏感光窗口造成干扰。
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