CN110617844A - 位移编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种位移编码器。相对于标尺可移动的检测头检测衍射光并输出检测结果。衍射光被增量图案衍射。信号处理单元计算标尺与检测头之间的相对位移。检测头包括：向标尺发射光的光源；以及检测单元，其包括通过光学元件接收衍射光的光接收单元，其中输出检测信号的光接收元件以预定周期周期性布置。多个光接收元件的数量是偶数。预定周期是通过将基本周期乘以奇数而获得的值。基本周期是由+1级和‑1级衍射光在光接收单元上形成的干涉条纹的周期。光接收元件的宽度不等于基本周期的整数倍。

Description

位移编码器
技术领域
本发明涉及一种位移编码器。
背景技术
目前，作为用于测量位移的装置的一种，光学位移编码器是公知的。光学位移编码器包括标尺和沿标尺移动的检测头。例如，标尺设置有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。光学位移编码器通过使用作为标尺上的绝对图案的检测结果的基准信号来确定基准位置。另外，通过考虑从增量图案的检测结果获得的相对于基准位置的位移，能够检测标尺与检测头之间的位置关系(即能够基于该位移而被检测)。
通常，增量图案形成为其中多个光栅图案沿测量方向布置的衍射光栅。光施加(即发射)到该衍射光栅，检测由衍射光栅衍射的+1级衍射光和-1级衍射光之间的干涉形成的干涉条纹的光强度。在这种光学位移编码器中，为了正确地检测+1级衍射光和-1级衍射光之间的干涉条纹，需要防止或尽量减小对由具有其他级的衍射光比如0级衍射光所引起的干涉条纹的影响。
例如，已经提出了一种位移编码器(日本专利第2619566号)，其中通过在光源和标尺之间设置光学块来去除0级衍射光。在该位移编码器中，在光源和标尺之间插入索引光栅(index grating)，并且从光源向索引光栅施加光。用于阻挡0级衍射光的屏蔽设置在索引光栅和标尺之间。该屏蔽设置在这样的位置，使得阻挡0级衍射光，而不阻挡+1级衍射光和-1级衍射光。因此，在+1级和-1级衍射光到达标尺的同时，0级衍射光没有达到标尺。结果，只有+1级和-1级衍射光从标尺传播到检测单元，从而可以防止0级衍射光的影响。
此外，已经提出了使用索引光栅的位移编码器的另一个示例(日本专利第4856844号)。在该位移编码器中，从光源向标尺施加光，并检测已经通过标尺的衍射光。索引光栅介于标尺和检测单元之间。此外，衍射光栅仅形成(即设置)在来自于标尺的衍射光的+1级和-1级衍射光所入射的位置上，以使包括0级衍射光的其他级衍射光被阻挡。入射在索引光栅上的+1级和-1级衍射光被衍射光栅衍射，并且在检测单元上形成干涉条纹。这样，只有+1级和-1级衍射光从标尺传播到检测单元，从而可以防止0级衍射光的影响。
此外，已经提出了一种利用空间滤波器去除0级衍射光的位移编码器(KazuhiroHane等：2，“使用金属表面光栅的光学编码器”，the Japan Society for PrecisionEngineering杂志，第64卷，1998年第10期)。在该位移编码器中，激光被施加到标尺上，并且所产生的衍射光被准直透镜准直。然后，使用空间滤波器，其中狭缝设置在这样的位置中，使得来自准直透镜的具有各级的准直衍射光的仅+1级和-1级衍射光从中通过，从而阻挡包括0级衍射光的其他级衍射光。之后，通过会聚透镜将+1级和-1级衍射光会聚在检测单元上，可以在检测单元上形成干涉条纹。
另外，作为0级衍射光的解决方案，已经提出了一种能够通过优化光栅的精细结构来防止产生0级衍射光的构造(日本未审查专利申请公开No.H8-219812)。
发明内容
然而，在日本专利第2619566号、日本专利第4856844号和“使用金属表面光栅的光学编码器”中公开的上述位移编码器中存在以下问题。如上所述，为了消除0级衍射光的影响，需要添加光学元件，比如索引光栅、透镜和空间滤波器。结果，位移编码器的尺寸会增加，其结构可能变得复杂。
此外，在这些示例中，通过使用衍射角的差异，将+1级和-1级衍射光与其他级的衍射光分离。然而，当需要完全分离衍射光级时，由于不同级的衍射光彼此分离的距离不能增加，因此需要增加光学元件之间的距离。因此，位移编码器的尺寸可以进一步增加。
在日本未审查专利申请公开No.H8-219812中，由于仅可以使用其结构被优化的光栅，所以限制了整个编码器的光学设计。
本发明是鉴于上述情况而作出的，且本发明的目的在于提供一种能够通过去除衍射光的不良影响来提高位置检测精度的位移编码器。
本发明的第一示例性方面是一种位移编码器，包括：
其中形成有增量图案的标尺；
能够相对于所述标尺在测量方向上移动的检测头，所述检测头配置为检测衍射光并输出检测结果，所述衍射光通过由所述增量图案向所述标尺发射的光的衍射而获得；和
信号处理单元，其配置为基于由所述检测头获得的检测结果来计算所述标尺与检测头之间的相对位移，其中，
所述检测头包括：
光源，其配置为将光发射到所述标尺；
检测单元，其包括光接收单元，所述光接收单元包括以预定周期在所述测量方向上周期性布置的多个光接收元件，所述多个光接收元件配置为输出来自所述标尺的衍射光的检测信号；和
光学元件，其配置为将衍射光引导至所述检测单元，
在所述测量方向上布置的多个光接收元件的数量是偶数，
所述预定周期是通过将基本周期乘以奇数而获得的值，所述基本周期是由所述衍射光的+1级衍射光和-1级衍射光形成在所述光接收单元上的干涉条纹的周期，以及
所述光接收元件在所述测量方向上的宽度不等于所述基本周期的整数倍。
本发明的第二示例性方面是上述位移编码器，其中来自所述标尺的+1级衍射光、-1级衍射光和0级衍射光入射到所述检测单元上。
本发明的第三示例性方面是上述位移编码器，其中，
所述光接收单元包括沿测量方向布置的多个检测区域，
每个检测单元包括在测量方向上布置的偶数个光接收元件；并且
在所述多个检测区域中，彼此相邻的两个检测区域彼此偏移相当于所述基本周期的四分之一的距离，从而在所述测量方向上彼此分开。
本发明的第四示例性方面是上述位移编码器，其中，
第一和第二检测区域沿所述测量方向依次布置，并且
所述检测单元将从所述第一检测区域输出的检测信号作为A相位信号输出到所述信号处理单元，并将从所述第二检测区域输出的检测信号作为B相位信号输出到所述信号处理单元。
本发明的第五示例性方面是上述位移编码器，其中，
第一、第二、第三和第四检测区域沿所述测量方向依次布置，并且
所述检测单元向所述信号处理单元输出差A相位信号和差B相位信号，所述差A相位信号是A相位信号与A-相位信号之间的差信号，所述差B相位信号是B相位信号与B-相位信号之间的差信号，所述A相位信号是从所述第一检测区域输出的检测信号，所述A-相位信号是从所述第三检测区域输出的检测信号，所述B相位信号是从所述第二检测区域输出的检测信号，所述B-相位信号是从所述第四检测区域输出的检测信号。
本发明的第六示例性方面是上述位移编码器，其中，
所述光接收单元包括沿测量方向布置的多个检测区域，
每个检测单元包括在测量方向上布置的偶数个光接收元件；并且
在所述多个检测区域中，彼此相邻的两个检测区域彼此偏移相当于所述基本周期的三分之一的距离，从而在所述测量方向上彼此分开。
本发明的第七示例性方面是上述位移编码器，其中，
第一、第二和第三检测区域沿所述测量方向依次布置在所述检测单元中，并且
所述检测单元向所述信号处理单元输出差A相位信号和差B相位信号，所述差A相位信号和差B相位信号通过组合A相位信号、B相位信号和C相位信号而生成，并且彼此具有90°的相位差，所述A相位信号是从所述第一检测区域输出的检测信号，所述B相位信号是从所述第二检测区域输出的检测信号，且所述C相位信号是从所述第三检测区域输出的检测信号。
本发明的第八示例性方面是上述位移编码器，其中，
所述光学元件将+1级衍射光和-1级衍射光会聚以在所述检测单元上形成干涉条纹。
本发明的第九示例性方面是上述位移编码器，其中，
所述光学元件包括衍射光栅和透镜中的一个。
本发明的第十示例性方面是上述位移编码器，其中，
所述光学元件包括两个反射镜，
一个反射镜将+1级衍射光反射到所述检测单元，并且
另一个反射镜将-1级衍射光反射到所述检测单元。
本发明的第十一示例性方面是上述位移编码器，其中，
k是等于或大于2的整数，
所述基本周期是P，
在横向于所述测量方向的方向上布置的k个检测区域构成检测序列，
所述检测区域相对于彼此偏移P/k的间距。
本发明的第十二示例性方面是上述位移编码器，其中，
n是等于或大于1的整数，
k个检测序列以nP+P/k的间距沿测量方向周期性地布置。
根据本发明，可提供能够通过去除不必要的衍射光的不良影响来提高位置检测精度的位移编码器。
本发明的上述和其他目的、特征和优点将从下面给出的详细描述和附图中得到更充分的理解，附图仅仅是作为说明给出的，因此不应被认为是对本发明的限制。
附图说明
图1是示出根据第一示例性实施例的光学位移编码器100的总体构造的透视图；
图2是示出根据第一示例性实施例的光学位移编码器100的构造的透视图；
图3示出了由+1级衍射光和-1级衍射光形成在检测单元上的干涉条纹；
图4示出了由+1级衍射光、-1级衍射光和0级衍射光形成在检测单元上的干涉条纹；
图5示出了根据示例1的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图6示出了根据示例2的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图7示出了根据示例3的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图8示出了根据示例4的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图9示出了根据示例5的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图10示出了根据比较示例1的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图11示出了根据比较示例2的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图12示出了根据比较示例3的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图13示出了根据比较示例4的干涉条纹与受光元件之间的关系；
图14示意性地示出了根据第二示例性实施例的光接收单元的构造；
图15示意性地示出了根据第二示例性实施例的光接收单元的另一构造；
图16示意性地示出了根据第二示例性实施例的光接收单元的另一构造；
图17是示出了根据第三示例性实施例的光学位移编码器的构造的透视图。
图18示出了根据第三实施例的光学元件的示例；
图19示出了根据第三实施例的光学元件的另一示例；
图20示出了根据第三实施例的光学元件的另一示例；
图21是示出了根据第四示例性实施例的光学位移编码器的构造的透视图；
图22是示出了根据第四示例性实施例的光学位移编码器的构造的俯视图；
图23是示出了沿着X轴方向观察时根据第四示例性实施例的光学位移编码器400的构造的侧视图；
图24是示出了沿着Y轴方向观察时根据第四示例性实施例的光学位移编码器400的构造的侧视图；
图25示意性地示出了根据第五示例性实施例的光接收单元LRU1的构造；
图26示意性地示出了根据第五示例性实施例的光接收单元LRU2的另一构造；
图27示意性地示出了根据第六示例性实施例的光接收单元LRU3的构造；以及
图28示意性地示出了根据第六示例性实施例的光接收单元LRU4的另一构造。
具体实施方式
在下文中参照附图说明根据本发明的示例性实施例。在整个附图中，相同的符号被分配给相同的部件，并且适当地省略它们的重复说明。
第一示例性实施例
对根据本发明的第一示例性实施例的光学位移编码器进行说明。图1是示出了根据第一示例性实施例的光学位移编码器100的总体构造的透视图。在下文中解释光学位移编码器100被构造为透射型位移编码器的示例情况。如图1所示，光学位移编码器100包括标尺1、检测头2和信号处理单元3。标尺1和检测头2构造成使得它们可以沿着与标尺1的纵向方向平行的测量方向(图1中的X轴方向)彼此相对移动。在标尺1中形成用于位置检测的图案。当光被施加(即发射)到该图案时产生干涉光。检测头2检测干涉光在测量方向上的变化，并将作为指示检测结果的电信号的检测信号DET输出到信号处理单元3。信号处理单元3对接收的检测信号DET执行信号处理，从而计算标尺1与检测头2的位置关系。
要指出的是，在以下说明中，将与测量方向(图1中的X轴方向)垂直且与标尺1的宽度方向平行的方向定义为Y轴方向。即，标尺1的主表面是X-Y平面(即与X-Y平面平行)。此外，将与标尺1的主表面(X-Y平面)垂直的方向即与X轴和Y轴均垂直的方向定义为Z轴方向。另外，在以下说明的透视图中，从图中的左下角朝向右上角的方向被定义为X轴上的正方向。从图中的右下角朝向左上角的方向被定义为Y轴上的正方向。此外，图中从底部朝向顶部的方向被定义为Z轴上的正方向。
在下文中将更详细地解释光学位移编码器100。图2是示出根据第一示例性实施例的光学位移编码器100的构造的透视图。如图2所示，检测头2包括光源4和检测单元5。如上所述，标尺1和检测头2构造成使得它们能够在测量方向(图2中的X轴方向)上相对于彼此移动。
光源4是输出准直光4A的光源。光源4包括例如光源元件和准直器。从光源输出的光被准直器准直，从而变成准直光4A。可用光源的示例包括LED(发光二极管)、半导体激光器、SLED(超辐射发光二极管)和OLED(有机发光二极管)。此外，关于准直器，可以使用各种准直装置，比如透镜光学系统。
标尺1形成为板构件，其主表面(X-Y平面)垂直于Z轴并且其纵向方向与图2中的X轴方向平行。标尺1设置在来自光源4的准直光4A以直角入射在其主表面(X-Y平面)上的位置。在图2中，标尺1相对于光源4设置在Z轴方向的负方向侧。
基准图案6和增量图案7形成在构成标尺1的板构件中。
作为基准图案6的典型示例，形成了具有其纵向方向与图2中的Y方向平行的格子状(或细长的矩形形状)的一个透光部6A。然而，基准图案6的图案不限于该示例。也就是说，还可以适当地使用诸如由多个网格图案组成的其他图案。
关于增量图案7，其中纵向方向与图2中的Y方向平行的多个格子状的透光部在X轴方向上排成一列。也就是说，透光部7A和非透光部7B在增量图案7中以间距g在X轴方向上交替重复布置。
标尺1优选地由玻璃形成。在这种情况下，非透光部由气相沉积在玻璃上的金属膜形成，且不形成金属膜的区域用作透光部。然而，可以将能够形成使光通过的格子状的透光部和不使光通过的非透光部的任何材料用作标尺1的材料。
检测单元5配置为使得其能够检测已经通过标尺1的光。检测单元5包括光接收单元8和9。光接收单元8和9并排布置在Y轴方向上。检测单元5输出由光接收单元8和9输出的信号作为检测信号DET。
光接收单元8配置为使得其能够检测已经通过基准图案6的光。另外，光接收单元8将检测结果输出到信号处理单元3。在本示例中，光接收元件10设置成检测已经通过基准图案6的透光部6A的光。以这种方式，光接收单元8将通过把已经通过基准图案6的透光部6A的光转换成电信号(光/电转换)而获得的电信号输出到信号处理单元3。
光接收单元9配置为使得其能够检测已经通过增量图案7的光。另外，光接收单元9将检测结果输出到信号处理单元3。例如，光接收单元9将通过把已经通过增量图案7的光转换成电信号(光/电转换)而获得的电信号输出到信号处理单元3。光接收单元9形成为光接收元件阵列，其中偶数个光接收元件11(例如光电二极管)以适于检测由增量图案7衍射的光形成的干涉条纹的间距布置。
可替代地，光接收单元9可以具有这样的配置，包括布置有其中的偶数个透光部的衍射光栅设置在具有大的光接收区域的光电二极管上方。在这种情况下，其中设置各个光接收元件的每个部分基本上起着上述光接收元件的作用。
接下来对在光接收单元9上形成的干涉条纹进行说明。已经通过增量图案7的光在其中衍射，并且衍射光在光接收单元9上形成干涉条纹。首先，在下文中对由+1级衍射光和-1级衍射光在光接收单元9上形成的干涉条纹20进行说明。图3示出了由+1级和-1级衍射光形成在光接收单元9上的干涉条纹20。如图3所示，具有周期P的干涉条纹20由+1级和-1级衍射光形成在光接收单元9上。在下文中，将由+1级和-1级衍射光形成在光接收单元9上的干涉条纹20的周期称为“基本周期P”。
然而，其他级的衍射光即具有已经通过增量图案7的除+1级以及-1级以外的级的衍射光也入射在光接收单元9上。在其他级的衍射光中，0级衍射光的光强度较大。因此，形成在光接收单元9上的干涉条纹受到0级衍射光的影响。
图4示出了由+1级衍射光、-1级衍射光和0级衍射光形成在光接收单元9上的干涉条纹30。如图4所示，在由+1级衍射光、-1级衍射光和0级衍射光形成于光接收单元9上的干涉条纹30中交替地出现高峰31和低峰32。由于高峰31和低峰32彼此分开相当于基本周期P的距离，所以干涉条纹30具有其中高峰31和低峰32以周期2P重复(并交替)出现的波形，即是基本周期P的两倍。因此，当简单地将干涉条纹30的光强度转换成电信号(光/电转换)时，指示转换结果的输出信号OUT也具有其中以周期2P出现高峰和低峰的波形，即是基本周期P的两倍。
为了解决这个问题，在光学位移编码器100中，通过将光接收单元9的光接收元件配置和布置成与下面显示的设计条件一致，从而能够减少或防止不必要的干涉项比如上述的0级衍射光的影响。下文将详细说明本示例性实施例中的光接收单元9的光接收元件11的构造和布置。在光接收单元9中，多个光接收元件11沿X方向布置，从而满足以下设计条件1至3。
[设计条件1]
在该示例性实施例中，光接收单元9的光接收元件11布置成使得沿X方向布置的光接收元件11的数量变为偶数。在下文中，将该条件称为“设计条件1”。
[设计条件2]
此外，在该示例性实施例中，光接收单元9的光接收元件11布置为使得光接收元件11在X方向上布置的周期(或循环)变为干涉条纹的基本周期P的奇数倍(即通过将基本周期P乘以奇数所获得的数目)。在下文中，将该条件称为“设计条件2”。
[设计条件3]
此外，在该示例性实施例中，光接收单元9的光接收元件11形成为使得每个光接收元件11在X方向上的宽度W不等于干涉条纹的基本周期P的整数倍(即通过将基本周期P乘以整数所获得的数目)。在下文中，将该条件称为“设计条件3”。
通过满足上述设计条件1至3，光接收单元9能够消除由0级衍射光引起的干涉条纹30的基本周期P的两倍的周期性的影响，从而可以获得随着基本周期P而变化的输出信号。下面通过使用示例说明该特征的机理。
[示例1]
图5示出了根据示例1的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在示例1中，布置的光接收元件的数量是十个，并且光接收元件布置的周期(即周期)(以下称为“布置周期”)与干涉条纹的基本周期P相等。此外，每个光接收元件的宽度W是干涉条纹的基本周期P的0.5倍(即基本周期P的一半)。要指出的是，在本示例中，光接收元件11A和光接收元件11B交替布置。
对于光接收元件11A，它们以周期2P布置，即是如图5所示的基本周期P的两倍。对于光接收元件11B，它们也以周期2P布置，即是基本周期P的两倍。也就是说，光接收元件11A检测干涉条纹中的相位θ处的光强度，其随周期2P即基本周期P的两倍而变化。同时，光接收元件11B检测干涉条纹中的相位(θ+2π)处的光强度，其随周期2P即基本周期P的两倍而变化。
在下文中，布置的光接收元件的数目的一半由n表示，并且由每个光接收元件11A和11B检测的相位θ处的光的强度由I(θ)表示。相位θ被定义用于基本周期P。每当相位θ改变2π时，干涉条纹移动等于基本周期P的距离。此外，由于干涉条纹30具有如上所述的基本周期P的两倍的周期，所以每当相位θ改变4π时，由每个光接收元件11A和11B在相位θ处检测到的光强度I(θ)具有相同的值。也就是说，“I(θ)≠I(θ+2π)”和“I(θ)＝I(θ+4π)”的关系成立。这些关系也在下面的示例和比较示例中成立。这里，在上述条件下，下面的表达式[1]成立。
I总计＝nI(θ)+nI(θ+2π) [1]
其中，I总计是由光接收单元9检测到的光的强度。
如下面的表达式[2]所示，每当相位改变2π时，表达式[1]具有相同的值。因此，在强度I总计中，具有相同高度的峰以等于基本周期P的周期出现。
I总计＝nI(θ+2π)+nI(θ+2π+2π)
＝nI(θ+2π)+nI(θ)
＝nI(θ)+nI(θ+2π) [2]
从上面的说明中可以理解的是，可以获得以基本周期P上升和下降的输出信号OUT。
[示例2]
图6示出了根据示例2的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在示例2中，布置的光接收元件的数量是四个，并且光接收元件的布置周期是干涉条纹的基本周期P的三倍。此外，每个光接收元件的宽度W是干涉条纹的基本周期P的0.5倍。在该示例中，光接收元件11A和光接收元件11B交替布置。
对于光接收元件11A，它们以周期6P布置，即是如图6所示的基本周期P的六倍。对于光接收元件11B，它们也以周期6P布置，即是基本周期P的六倍。也就是说，光接收元件11A检测干涉条纹中的相位θ处的光强度，其随周期2P即基本周期P的两倍而变化。同时，光接收元件11B检测干涉条纹中的相位(θ+6π)处的光强度，其随周期2P即基本周期P的两倍而变化。
下面的表达式[3]成立。
I总计＝nI(θ)+nI(θ+6π)
＝nI(θ)+nI(θ+2π+4π)
＝nI(θ)+nI(θ+2π) [3]
其中：n是布置的光接收元件的数目的一半；I(θ)是由每个光接收元件11A和11B检测的相位θ处的光的强度；I总计是由光接收单元9检测到的光的强度。
也就是说，表达式[3]与示例1的表达式[1]相同。因此，类似于示例1，在强度I总计中，具有相同高度的峰以等于基本周期P的周期出现。从上述可以理解的是，可以获得以基本周期P上升和下降的输出信号OUT。
[示例3]
图7示出根据示例3的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在示例3中，布置的光接收元件的数量是四个，并且光接收元件的布置周期是干涉条纹的基本周期P的三倍。此外，每个光接收元件的宽度W是干涉条纹的基本周期P的1.5倍。在该示例中，光接收元件11A和光接收元件11B交替布置。
在该结构中，虽然每个光接收元件的宽度不同于示例1和2，但光接收元件11A检测与示例1和2中相同的波形，并且光接收元件11B也检测与示例1和2中相同的波形。此外，光接收元件11A的数量等于光接收元件11B的数量。因此，与示例1的情况一样，表达式[1]和[2]成立。结果，类似于示例2，可以获得以基本周期P上升和下降的输出信号OUT。
[示例4]
图8示出了根据示例4的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在示例4中，布置的光接收元件的数量是两个，并且光接收元件的布置周期是干涉条纹的基本周期P的五倍。此外，每个光接收元件的宽度W是干涉条纹的基本周期P的1.5倍。在该示例中，光接收元件11A和光接收元件11B交替布置。
在这种结构中，尽管光接收元件的数量和每个光接收元件的宽度与示例3不同，但是光接收元件11A与光接收元件11B分开基本周期P的五倍的距离。因此，上述表达式[1]和[2]成立。结果，类似于示例3，可以获得以基本周期P上升和下降的输出信号OUT。
[示例5]
示例5是示例2的修改示例，并且是获得四相位信号的示例。图9示出了根据示例5的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在示例5中，对于每个相位的布置的光接收元件的数量是偶数，并且对于每个相位的光接收元件的布置周期是干涉条纹的基本周期P的三倍。此外，对于每个相位的每个光接收元件的宽度W是干涉条纹的基本周期P的0.5倍。另外，在该示例中，对于A相位、B相位、A-相位、B-相位的光接收元件分别用符号A、B、A-、B-表示。
如图9所示，分别用于A、B、A-和B-相位的光接收元件12至15中的每一个以与根据图2的光接收元件11(光接收元件11A和11B)类似的方式布置。换句话说，虽然彼此相邻的光接收元件的布置周期是基本周期P的0.75倍，但是由于示例5配置为能够获得四相位信号的事实，在关注用于每个相位的光接收元件时，用于每个相位的光接收元件的布置与示例2相同。也就是说，根据示例5，与示例2的情况一样，可以在不受不必要的干涉光影响的情况下获得以基本周期P上升和下降的输出信号OUT。
此外，为了与上述示例进行比较，研究了不满足上述设计条件1至3中的至少一个的比较示例。
[比较示例1]
图10示出了根据比较示例1的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在比较示例1中，布置的光接收元件的数量是三个，并且光接收元件的布置周期是干涉条纹的基本周期P的三倍。此外，每个光接收元件的宽度W是干涉条纹的基本周期P的0.5倍。在该示例中，光接收元件11A和光接收元件11B交替布置。也就是说，比较示例1不满足上述的设计条件1。
下面的表达式[4]成立。
I总计＝(m+1)I(θ)+mI(θ+2π) [4]
其中：m是通过将布置的光接收元件的数量除以2而获得的值；I(θ)是由每个光接收元件11A和11B检测的在相位θ处的光的强度；以及I总计是由光接收单元9检测到的光的强度。
在表达式[4]中，当相位改变2π即基本周期P时，获得下面示出的表达式[5]。
I总计＝(m+1)I(θ+2π)+mI(θ+2π+2π)
＝(m+1)I(θ+2π)+mI(θ) [5]
由于干涉条纹以周期2P即如上所述的基本周期P的两倍而变化，所以在彼此分开基本周期P的位置处的干涉条纹的光强度彼此不相等。因此，表达式[3]中的强度I总计的值不同于表达式[4]中的值。
在表达式[4]中，当相位改变4π即基本周期P的两倍时，获得下面示出的表达式[6]。
I总计＝(m+1)I(θ+4π)+mI(θ+2π+4π)
＝(m+1)I(θ)+mI(θ+2π) [6]
因此，表达式[5]变得与表达式[3]相同。也就是说，在强度I总计中，具有相同高度的峰以与基本周期P的两倍相等的周期出现。结果，输出信号OUT变成以如在干涉条纹30的情况下等于基本周期P的两倍的周期而变化的信号，并且具有混合存在的高度不同的峰的波形。结果，位置检测的精度变差。
[比较示例2]
图11示出了根据比较示例2的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在比较示例2中，布置的光接收元件的数量是四个，并且光接收元件的布置周期是干涉条纹的基本周期P的两倍。此外，每个光接收元件的宽度W是干涉条纹的基本周期P的0.5倍。在该示例中，光接收元件11A和光接收元件11B交替布置。也就是说，比较示例2不满足上述的设计条件2。
对于光接收元件11A，它们以周期4P即如图11所示的基本周期P的四倍来布置。对于光接收元件11B，它们也以周期4P即基本周期P的四倍布置。
下面的表达式[7]成立。
I总计＝nI(θ)+nI(θ+4π)
＝2nI(θ) [7]
其中：n是布置的光接收元件的数目的一半；I(θ)是由每个光接收元件11A和11B检测的在相位θ处的光的强度；以及I总计是由光接收单元9检测到的光的强度。
也就是说，如表达式[6]所示，由于强度I总计直接反映相位θ处的干涉条纹的光强度，所以与干涉条纹的情况一样，其以周期2P即基本周期P的两倍而变化。结果，输出信号OUT变成以如在干涉条纹30的情况下等于基本周期P的两倍的周期而变化的信号，并且具有混合存在的高度不同的峰的波形。结果，位置检测的精度变差。
[比较示例3]
图12示出了根据比较示例3的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在比较示例3中，布置的光接收元件的数量是四个，并且光接收元件的布置周期是干涉条纹的基本周期P的三倍。此外，每个光接收元件的宽度W等于干涉条纹的基本周期P。在该示例中，光接收元件11A和光接收元件11B交替布置。也就是说，比较示例3不满足上述的设计条件3。
在该示例中，由光接收元件11A检测的干涉条纹的波形与示例2中的干涉条纹的波形相同。此外，由光接收元件11B检测的干涉条纹的波形也与示例2中的干涉条纹的波形相同。然而，由于每个光接收元件的宽度W等于基本周期P，所以来自9的输出信号OUT被平整。结果，输出信号OUT的周期是基本周期P的两倍。也就是说，由于输出信号OUT的周期变得比基本周期P更长，所以位置检测精度相应地变差。
在该示例中，对每个光接收元件的宽度W等于基本周期P的情况进行了说明。然而，当每个光接收元件的宽度W是基本周期P的奇数倍时，上述内容也是成立的。
[比较示例4]
图13示出了根据比较示例4的干涉条纹与光接收元件之间的关系。在比较示例4中，布置的光接收元件的数量是四个，并且光接收元件的布置周期是基本周期P的三倍。此外，每个光接收元件的宽度W是干涉条纹的基本周期P的两倍。也就是说，比较示例4不满足上述的设计条件3。
在该示例中，由光接收元件11A检测的干涉条纹的波形与示例2中的干涉条纹的波形相同。此外，由光接收元件11B检测的干涉条纹的波形也与示例2中的干涉条纹的波形相同。然而，由于每个光接收元件的宽度W是基本周期P的两倍并且等于干涉条纹30的周期，所以由光接收单元9检测到的光的强度变得恒定。结果，输出信号OUT变成不具有周期性的信号，因此不能进行位置检测。
在该示例中，对每个光接收元件的宽度W是基本周期P的两倍的情况进行了说明。然而，当每个光接收元件的宽度W是基本周期P的偶数倍时，上述内容也是成立的。
在上面的说明中，关注在不必要的衍射光中具有最大影响的0级衍射光。然而，根据该示例性实施例的配置还可以减少由具有其他级的不必要的衍射光产生的影响。在下文中，通过使用减少或防止+2级衍射光和-2级衍射光产生的影响的示例来对关于该特征的机理进行说明。
当+2级衍射光、+1级衍射光、0级衍射光、-1级衍射光和-2级衍射光的复振幅分别由u+2、u+1、u0、u-1和u-2表示时，在光接收单元9上形成的干涉条纹可以表示为这五个复振幅和它们共轭的五个复振幅的乘积的总和I。注意，具有给定级的衍射光的复振幅的共轭由其符号上方添加杠来表示。
可以根据两个衍射光的行进方向来计算由上述表达式的每个项表示的干涉条纹的周期。由于+1级和-1级衍射光形成的干涉条纹的周期是基本周期P，所以每个项的干涉条纹的周期如下表所示。
如上所述，由0级衍射光和+1级衍射光形成的干涉条纹的周期以及由0级衍射光和-1级衍射光形成的干涉条纹的周期是基本周期P的两倍。因此，可以通过上述配置消除其影响。
由+1级衍射光和+2级衍射光形成的干涉条纹的周期以及由-1级衍射光和-2级衍射光形成的干涉条纹的周期是基本周期P的两倍。因此，可以通过上述配置来消除其影响。
由-1级衍射光和+2级衍射光形成的干涉条纹的周期以及由+1级衍射光和-2级衍射光形成的干涉条纹的周期是基本周期P的三分之二。在这种情况下，通过布置光接收元件11A和11B，最终消除不必要的干涉光的影响。
因此，根据该结构，能够去除由+2级和-2级衍射光形成的干涉条纹的影响的一部分，即具有基本周期P的两倍的周期和基本周期P的三分之二的周期的干涉条纹的影响。
同时，由-2级和+2级衍射光形成的干涉条纹具有基本周期P的一半的周期，并且干涉条纹的影响保持而不被除去。然而，由于-2级和+2级衍射光的光强度比0级衍射光、-1级衍射光和+1级衍射光的光强度小得多，所以它们的影响相对较小(或可忽略不计)。因此，如上所述，通过消除由具有其他级的不必要的衍射光引起的影响，能够充分提高位置检测精度，而不会消除由+2级衍射光和-2级衍射光形成的干涉条纹的影响。
此外，已经说明的是，在上面的描述中可以去除具有基本周期的三分之二的周期和基本周期的两倍的周期的干涉分量。然而，考虑到混合了3级以上的衍射光的情况，可以将所有形成的干涉条纹中周期为基本周期P的2/(2×n+1)倍的干涉分量去除，其中n是不小于零的整数。也就是说，根据该结构，可以理解的是，可以去除具有高于1级的高级的混合衍射光所引起的不必要的干涉分量中的具有特定周期的干涉分量。
如上所述，根据该结构，可以减少或防止不必要的衍射光的影响，而不添加用于去除不必要的衍射光的光学元件等。因此，由于位移编码器的物理尺寸没有增加，所以有利于减小位移编码器的尺寸。
第二示例性实施例
下面对根据本发明第二示例性实施例的光学位移编码器进行说明。在该示例性实施例中，说明了光接收单元9的修改示例。图14示意性地示出了根据第二示例性实施例的光接收单元的构造。在光接收单元40中，两个检测区域41和42在X方向上布置。注意，检测区域41和42也分别被称为第一和第二光接收单元。
每个检测区域41和42具有与根据第一示例性实施例的光接收单元9相似的配置。然而，检测区域42的光接收元件从检测区域41的光接收元件在X方向上偏移相当于基本周期P的四分之一的距离。也就是说，检测区域41和42在X方向上彼此偏移相当于基本周期P的四分之一的距离，从而在X方向上彼此分开。在这种情况下，检测区域41和42之间的连接部分中的最近的光接收元件之间的距离是1.25C。
根据该结构，检测区域41能够输出A相位信号(0°)，检测区域42能够输出B相位信号(90°)。通过如上所述产生相位差信号，可以实现更精确的位置检测。
此外，说明了光接收单元的配置的另一示例。图15示意性地示出了根据第二示例性实施例的光接收单元的另一配置。在光接收单元50中，四个检测区域51至54在X方向上按此顺序布置。每个检测区域51至54具有与根据第一示例性实施例的光接收单元9相似的配置。注意，检测区域51至54也分别被称为第一至第四光接收单元。
检测区域52的光接收元件从检测区域51的光接收元件在X方向上偏移相当于基本周期P的四分之一的距离。检测区域53的光接收元件从检测区域52的光接收元件在X方向上偏移相当于基本周期P的四分之一的距离。检测区域54的光接收元件从检测区域53的光接收元件在X方向上偏移相当于基本周期P的四分之一的距离。也就是说，检测区域51至54布置为使得两个相邻的光接收单元在X方向上彼此偏移相当于基本周期P的四分之一的距离，从而在X方向上相互分离。在这种情况下，在两个相邻的光接收单元之间的连接部分中的最近的光接收元件之间的距离是1.25C。
根据该结构，检测区域51、52、53和54能够分别输出A相位信号(0°)、B相位信号(90°)、A-相位信号(180°)、B-相位信号(270°)。以这种方式，可以从A相位信号(0°)和A-相位信号(180°)产生差A相位信号，并且可以从B相位信号(90°)和B-相位信号(270°)产生差B相位信号。通过如上所述产生相位差信号，可以实现更精确的位置检测。
此外，说明了光接收单元的配置的另一示例。图16示意性地示出了根据第二示例性实施例的光接收单元的另一配置。在光接收单元60中，三个检测区域61至63在X方向上按该顺序布置。每个检测区域61至63具有与根据第一示例性实施例的光接收单元9相似的配置。另外，检测区域61至63也分别被称为第1至第3光接收单元。
检测区域62的光接收元件从检测区域61的光接收元件在X方向上偏移相当于基本周期P的三分之一的距离。检测区域63的光接收元件从检测区域62的光接收元件在X方向上偏移相当于基本周期P的三分之一的距离。也就是说，检测区域61至64布置为使得两个相邻的光接收单元彼此在X方向上偏移相当于基本周期P的三分之一的距离，从而在X方向上彼此分开。在这种情况下，在两个相邻的光接收单元之间的连接部分中的最近的光接收元件之间的距离是4/3C(即1.3333...C)。
根据该结构，检测区域61、62和63能够分别输出A相位信号(0°)、B相位信号(120°)、C相位信号(240°)。以这种方式，通过组合三相位信号可以产生差A相位信号(0°)和差B相位信号(90°)，从而实现更精确的位置检测。
第三示例性实施例
接下来，将描述根据第三示例性实施例的光学位移编码器。图17是示出了根据第三示例性实施例的光学位移编码器300的构造的透视图。这里，光学位移编码器300构造为透射型位移编码器。
如图17所示，光学位移编码器300具有其中光学元件70被添加到根据第一示例性实施例的光学位移编码器100的构造。光学元件70配置为接收至少包括+1级衍射光、-1级衍射光和0级衍射光的衍射光，并将接收到的衍射光引导至检测单元5的光接收单元9。换句话说，光学元件70配置为将接收到的衍射光会聚在检测单元5上，使得+1级衍射光和-1级衍射光在光接收单元9上形成干涉条纹20。在图17中，作为示例，光学元件70表示为衍射光栅。在光学元件70中，沿Y轴方向细长的透光部70A在X轴方向上周期性地布置在具有与X-Y平面平行的主平面的板状构件70B上。然而，应该理解的是，可以使用能够将衍射光会聚在光接收单元9上的各种光学元件作为光学元件70。
图18示出了根据第三实施例的光学元件的示例。如图18所示，衍射光栅71被设置为光学元件。衍射光栅71具有与配置为衍射光栅的光学元件70相同的构造。衍射光栅71进一步将+1级衍射光L+1和-1级衍射光L-1衍射到检测单元5以形成干涉条纹20。可以使用包括振幅光栅和相位光栅的各种光栅作为衍射光栅71。
图19示出了根据第三实施例的光学元件的另一示例。如图19所示，透镜72被设置为光学元件。透镜72将+1级衍射光L+1和-1级衍射光L-1会聚在检测单元5上以形成干涉条纹20。各种透镜比如球形透镜可以用作透镜72。注意，透镜72仅是光学元件的示例。只要+1级衍射光L+1和-1级衍射光L-1能够会聚在检测单元5上，也可以采用包括两个或更多个透镜的光学系统。例如，可以采用双远心镜头系统(双镜头，4f设计)或双倍远心镜头系统。
图20示出了根据第三实施例的光学元件的另一示例。如图20所示，反射镜73和74设置为光学元件。反射镜73和74理想地相对于光学位移编码器300的光轴对称地设置，光学位移编码器300的光轴穿过光源的中心和检测单元5的中心并平行于Z方向，以面对彼此。反射镜73将从标尺1发送的+1级衍射光L+1反射到检测单元5，反射镜74将从标尺1发送的-1级衍射光L-1反射到检测单元5。因此，反射的衍射光可以在检测单元5上形成干涉条纹20。反射镜的布置可以不限于当前的布置。只要衍射光被适当地引导到检测单元5，还可以采用其它布置。
在图18至20所示的例子中，0级衍射光L0也通过光学元件到达检测单元5。然而，应该理解的是，基于在上述示例性实施例中说明的原理，可以适当地抑制或消除0级衍射光L0的效果。因此，可以实现更紧凑的设计，因为阻止不是用于抑制错误的所需功能，如上所述。
如上所述，根据该构造，可以减少或防止不必要的衍射光的影响，而不添加用于去除不必要的衍射光的光学元件等，如上述示例性实施例中那样。
第四示例性实施例
接下来，将描述根据第四示例性实施例的光学位移编码器。图21是示出了根据第四示例性实施例的光学位移编码器400的构造的透视图。图22是示出了根据第四示例性实施例的光学位移编码器400的构造的俯视图。图23是示出了当沿着X轴方向观察时根据第四示例性实施例的光学位移编码器400的构造的侧视图。图24是示出当沿着Y轴方向观察时根据第四示例性实施例的光学位移编码器400的构造的侧视图。
与光学位移编码器300相比，光学位移编码器400具有这样的构造，其中标尺1和光学元件70分别被标尺90和光学元件80代替，并且其中的部件的布置被改变。
在本构造中，光学位移编码器400配置为反射型位移编码器。光源4和检测单元5设置成面向光学元件80的一个表面(图21中的顶表面)，并且标尺90设置成面向光学元件80的另一个表面(图21中的底表面)。
在图21至24中，为了表示光路，准直光4A、激光4D、+1级衍射光L+1和-1级衍射光L-1由三条线表示。这里，图21、22和24中的三条线表示为在X轴方向上分离，并且图23中的三条线表示为在Y轴方向上分离。注意，当沿着X方向观察时，+1级衍射光L+1和-1级衍射光L-1重叠。因此，为了简单起见，在图23中仅表示+1级衍射光L+1。
在本示例性实施例中，从光源4输出的准直光4A入射到标尺90上。在本示例性实施例中，光源4包括半导体激光器4B和准直透镜4C。半导体激光器4B向准直透镜4C输出激光4D。在图21中，半导体激光器4B表示为其中安装输出激光4D的半导体激光二极管的CAN封装。激光4D的波长可以是例如660nm。准直透镜4C准直激光4D并将准直光4A输出到标尺90。
由于光学位移编码器400配置为反射型位移编码器，所以光源4设置成使得准直光4A以相对于标尺90的表面倾斜的方向入射到标尺90上。在图21至24的示例中，准直光4A在YZ平面内沿相对于标尺90的表面倾斜预定角度的方向入射到标尺90上。注意，图21至24中的准直光4A的入射方向仅是示例，并且可以选择另一方向作为入射方向。因此，+1级衍射光L+1和-1级衍射光L-1的路径不与准直光4A的路径重叠，并且检测单元5可以适当地接收衍射光而不干涉光源4。
标尺90配置为反射型光栅。标尺90的增量图案的间距Ps可以是例如2μm。入射到标尺90上的准直光4A被标尺90衍射和反射。
光学元件80配置和设置为接收包括至少+1级衍射光、-1级衍射光和0级衍射光的衍射光，并且将接收到的衍射光引导到检测单元5的光接收单元9上。换句话说，光学元件80配置为将接收到的衍射光会聚在检测单元5上，使得+1级衍射光和-1级衍射光在检测单元5上形成干涉条纹20。
将描述光学元件80的构造。光学元件80配置为透射型光栅。光学元件80包括周期性图案81和透明基板82。透明基板82是由诸如玻璃或合成石英的透明材料形成的板状构件，并且具有平行于XY平面的主平面。此外，为了简单起见，在图22中省略了透明基板82。
标尺90的顶表面与透明基板82的底表面之间在Z轴方向上的距离D1可以是例如2.5mm。透明基板82在Z方向上的厚度T1可以是例如2.286mm(或0.09英寸)。标尺90的顶表面与检测单元5的光接收表面之间在Z轴方向上的距离D2可以是例如13.28mm。
周期性图案81形成在透明基板82的面向光源4和检测单元5的顶表面上。周期性图案81可以形成为相位光栅。在这种情况下，沿着Y轴方向延伸并且沿着X轴方向周期性布置的凹槽构成周期性图案81。周期性凹槽可以通过通常的光刻和蚀刻(例如，干蚀刻比如RIE[反应性离子蚀刻])形成。周期性凹槽的间距Pi可以是例如4/3μm(1.333…μm)。
干涉条纹20的间距Pf可以由以下表达式限定。
当Ps为2μm且Pi为4/3μm(1.333…μm)时，间距Pf为2μm。
如上所述，根据该构造，可以减少或防止不必要的衍射光的影响，而不添加用于去除不必要的衍射光的光学元件等，如上述示例性实施例中那样。
光学元件80可以不限于衍射光栅。可以使用比如在第三示例性实施例中描述的透镜和反射镜的各种光学元件作为光学元件80。
第五示例性实施例
在该示例性实施例中，将描述根据上述示例性实施例的光接收单元9的修改示例。图25示意性地示出了根据第五示例性实施例的光接收单元LRU1的构造。光接收单元LRU1包括沿Y方向布置的多个检测序列DS。在该示例中，为了简单起见，将描述包括在Y方向上布置的两个检测序列DS的光接收单元LRU1。在图25中，DS11表示两个检测序列DS中的一个，DS12表示两个检测序列DS中的另一个。应该理解的是，可以在光接收单元LRU1中沿Y方向布置三个或更多个检测区域。
每个检测序列DS包括多个检测区域。在该示例性实施例中，将描述其中设置四个检测区域DA11至DA14的四相配置。检测区域DA11至DA14配置为分别提供A、B、A-和B-相位信号。应该理解，可以在每个检测区域中设置两个(两相配置)、三个(三相配置)、五个或更多个检测区域。
检测区域DA11至DA14中的每个具有与根据第一示例性实施例的光接收单元9相似的构造。当检测区域DA11至DA14沿Y方向布置时，检测区域DA11至DA14分别偏移基本周期P的四分之一(即P/4)以提供四相配置。
具体地，检测区域DA12中的光接收元件11相对于检测区域DA11中的光接收元件11在X方向上偏移P/4。检测区域DA13中的光接收元件11相对于检测区域DA12中的光接收元件11在X方向上偏移P/4。检测区域DA14中的光接收元件11相对于检测区域DA13中的光接收元件11在X方向上偏移P/4。
检测区域DA11中的光接收元件11彼此连接以组合所述输出信号，并且组合信号作为A相位信号输出。检测区域DA12中的光接收元件11彼此连接以组合所述输出信号，并且组合信号作为B相位信号输出。检测区域DA13中的光接收元件11彼此连接以组合所述输出信号，并且组合信号作为A-相位信号输出。检测区域DA14中的光接收元件11彼此连接以组合所述输出信号，并且组合信号作为B-相位信号输出。
从检测序列DS11和DS12输出的相同相位信号被组合，并且组合相位信号被输出到信号处理单元3。具体地，从检测序列DS11和DS12输出的A相位信号被组合并且组合的A相位信号被输出到信号处理单元3。从检测序列DS11和DS12输出的B相位信号被组合并且组合的B相位信号被输出到信号处理单元3。从检测序列DS11和DS12输出的A-相位信号被组合并且组合的A-相位信号被输出到信号处理单元3。从检测序列DS11和DS12输出的B-相位信号被组合并且组合的B-相位信号被输出到信号处理单元3。
根据该构造，检测区域DA11至DA14可以分别输出A相位信号(0°)、B相位信号(90°)、A-相位信号(180°)和B-相位信号(270°)。因此，与第二示例性实施例中一样，可以生成相位差信号并实现更精确的位置检测。
另外，由于检测区域在Y方向上横向于测量方向(即X方向)布置，因此即使当存在任何受污染或具有缺陷的检测区域时，未被污染或者没有缺陷的其他检测区域可以补偿由于污染或缺陷造成的不良影响。因此，可以适当地保持光接收单元的输出信号的准确性。
接下来，将描述光接收单元的另一构造。图26示意性地示出了根据第五示例性实施例的光接收单元LRU2的另一构造。在该示例中，光接收单元LRU2具有三相构造。
光接收单元LRU2具有其中光接收单元LRU1的检测序列DS11和DS12分别被检测序列DS21和DS22替换的构造。
检测序列DS21和DS22中的每个包括三个检测区域DA21至DA23。检测区域DA21至DA23配置为分别提供A、B和C相位信号。
除了光接收元件11的布置间距之外，每个检测区域DA21至DA23具有与每个检测区域DA11至DA14类似的构造。虽然检测区域DA21至DA23沿Y方向布置，但检测区域DA21至DA23分别偏移基本周期P的三分之一(P/3)以提供三相构造。
因此，检测区域DA22中的光接收元件11相对于检测区域DA21中的光接收元件11在X方向上偏移P/3。检测区域DA23中的光接收元件11相对于检测区域DA22中的光接收元件11在X方向上偏移P/3。
检测区域DA21中的光接收元件11彼此连接以组合所述输出信号，并且组合信号作为A相位信号输出。检测区域DA22中的光接收元件11彼此连接以组合输出信号，并且组合信号作为B相位信号输出。检测区域DA23中的光接收元件11彼此连接以组合所述输出信号，并且组合信号作为C相位信号输出。
从检测序列DS21和DS22输出的相同相位信号被组合并且组合的相位信号被输出到信号处理单元3。具体地，从检测序列DS21和DS22输出的A相位信号被组合并且组合的A相位信号被输出到信号处理单元3。从检测序列DS21和DS22输出的B相位信号被组合并且组合的B相位信号被输出到信号处理单元3。从检测序列DS21和DS22输出的C相位信号被组合并且组合的C相位信号被输出到信号处理单元3。
根据该构造，检测区域DA21至DA23可以分别输出A相位信号(0°)、B相位信号(120°)以及C相位信号(240°)。因此，如光接收单元LRU1的情况那样，可以生成相位差信号并实现更精确的位置检测。
另外，如光接收单元LRU1的情况那样，可以适当地保持光接收单元的输出信号的准确性。
注意，通过修改在本示例性实施例中描述的光接收单元，可以实现对应于多相信号的光接收单元。具体地，可以实现能够获得k相位信号的光接收单元，其中k是等于或大于2的整数。在这种情况下，在一个检测区域中，以间距P在测量方向(X方向)上布置光接收元件的k个检测区域可以沿着横向于测量方向(X方向)的方向(Y方向)布置，并且k个检测区域在测量方向(X方向)上相对彼此偏移P/k的间距。
第六示例性实施例
在该示例性实施例中，将描述根据第五示例性实施例的光接收单元LRU1和LRU2的修改示例。
图27示意性地示出了根据第六示例性实施例的光接收单元LRU3的构造。光接收单元LRU3是LRU1的修改示例。因此，光接收单元LRU3配置为具有四相构造。
在光接收单元LRU3中，四个检测序列DS11以间距nP+P/4在X方向上布置，其中n是等于或大于1的整数，并且四个检测序列DS12以间距nP+P/4在X方向上布置。在该示例中，DS11_1至DS11_4分别表示沿着图中的X方向从左侧到右侧布置的四个检测序列DS11。DS12_1至DS12_4分别表示沿着图中的X方向从左侧到右侧布置的四个检测序列DS12。
检测序列DS11_1以与光接收单元LRU1中的检测序列DS11相同的方式输出A、B、A-和B-相位信号。
在该构造中，由于两个相邻的检测区域在X方向上基本上偏移了nP+P/4，所以与相邻的两个检测区域中的一个中的光接收元件11相对应的相位相对于与两个相邻检测区域中的另一个中的光接收元件11相对应的相位基本上偏移了90°。
因此，检测序列DS11_1至DS11_4中的检测区域DA11分别输出A、B、A-和B-相位信号。检测序列DS11_1至DS11_4中的检测区域DA12分别输出B、A-、B-和A相位信号。检测序列DS11_1至DS11_4中的检测区域DA13分别输出A-、B-、A和B相位信号。检测序列DS11_1至DS11_4中的检测区域DA14分别输出B-、A、B和A-相位信号。从检测序列DS11_1至DS11_4输出的相同相位信号被组合，并且组合信号被输出至信号处理单元3。
因为检测序列DS11_1至DS11_4的原理也可以应用于检测序列DS12_1至DS12_4，所以将省略对检测序列DS12_1至DS12_4的描述。
根据该构造，与光接收单元LRU1相比，由于检测区域进一步沿测量方向(即X方向)布置，所以即使存在任何被污染或具有缺陷的检测区域时，其他未被污染或没有缺陷的检测区域可以补偿污染或X方向缺陷的不良影响。因此，可以进一步抑制污染或缺陷的不良影响。因此，可以适当地保持光接收单元的输出信号的准确性。
通过修改光接收单元LRU3可以实现进一步改进的构造。在该构造中，检测序列DS11_1至DS11_4构成用于提供四个相位信号的组，并且检测序列DS12_1至DS12_4也构成用于提供四个相位信号的组。因此，通过在测量方向(即X方向)上布置包括这四个检测区域的两组或更多组，可以在测量方向(即X方向)上进一步抑制污染或缺陷的不良影响。
接下来，将描述光接收单元的另一构造。图28示意性地示出了根据第六示例性实施例的光接收单元LRU4的另一构造。光接收单元LRU4是具有三相构造的光接收单元LRU2的修改示例。
在光接收单元LRU4中，三个检测序列DS21以间距nP+P/3在X方向上布置，并且三个检测序列DS22以间距nP+P/3在X方向上布置。在该示例中，DS21_1至DS21_3分别表示沿着图中的X方向从左侧到右侧布置的三个检测序列DS21。DS22_1至DS22_3分别表示沿着图中的X方向从左侧到右侧布置的三个检测序列DS22。
检测序列DS21_1以与光接收单元LRU2中的检测序列DS21相同的方式输出A、B和C相位信号。
在该构造中，由于两个相邻的检测区域在X方向上偏移了nP+P/3，所以与相邻的两个检测区域中的一个中的光接收元件11相对应的相位相对于与两个相邻检测区域中的另一个中的光接收元件11相对应的相位基本上偏移了120°。
因此，检测序列DS21_1至DS21_3中的检测区域DA21分别输出A、B和C相位信号。检测序列DS21_1至DS21_3中的检测区域DA22分别输出B、C和A相位信号。检测序列DS21_1至DS21_3中的检测区域DA23分别输出C、A和B相位信号。从检测序列DS21_1至DS21_3输出的相同相位信号被组合并且组合信号被输出到信号处理单元3。
因为检测序列DS21_1至DS21_3的原理也可以应用于检测序列DS22_1至DS22_3，所以将省略对检测序列DS22_1至DS22_3的描述。
根据该构造，与光接收单元LRU2相比，由于检测区域进一步沿测量方向(即X方向)布置，所以即使存在任何被污染或具有缺陷的检测区域时，其他未被污染或没有缺陷的检测区域可以补偿污染或X方向缺陷的不良影响。因此，可以进一步抑制污染或缺陷的不良影响。因此，可以适当地保持光接收单元的输出信号的准确性。
通过修改光接收单元LRU4可以实现进一步改进的构造。在该构造中，检测序列DS21_1至DS21_3构成用于提供四个相位信号的组，并且检测序列DS22_1至DS22_3也构成用于提供四个相位信号的组。因此，通过在测量方向(即X方向)上布置包括这四个检测区域的两组或更多组，可以在测量方向(即X方向)上进一步抑制污染或缺陷的不良影响。
注意，通过修改在本示例性实施例中描述的光接收单元，可以实现对应于多相信号的光接收单元。具体地，可以实现能够获得k相位信号的光接收单元，其中k是等于或大于2的整数。在这种情况下，在一个检测区域中，以间距P在测量方向(X方向)上布置光接收元件的k个检测区域可以沿着横向于测量方向(X方向)的方向(Y方向)布置，并且沿Y方向布置的k个检测区域在测量方向(X方向)上相对彼此偏移P/k的间距，如在第五示例性实施例中那样。
此外，k个检测区域以nP+P/k的间距沿测量方向(X方向)布置在同一行上。在这种情况下，在X方向上布置的第j个检测区域可以输出具有2π(j-1)/k+θint的相位的信号，其中j是等于或大于2且等于或小于k(2<＝j<＝k)的整数，并且θint是第一检测区域(j＝1)处的初始相位。
其他示例性实施例
注意，本发明不限于上述示例性实施例，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下适当地改变。尽管在上述示例性实施例中光学位移编码器100被说明为透射型位移编码器，但这仅仅是示例。也就是说，光学位移编码器100当然也可以构成为反射型位移编码器。
此外，在上述位移编码器中，用于选择传播衍射光的顺序的索引光栅可以设置在光源与标尺之间和/或标尺与检测单元之间。此外，也可以在标尺与检测单元之间设置光学器件，比如衍射光栅和用于由来自标尺的衍射光形成图像的透镜。
在上述示例性实施例中，已经描述了产生A相位信号(0°)、B相位信号(90°)、A-相位信号(180°)和B-相位信号(270°)的构造。然而，相位(通道)的顺序可能会改变，所以有些偏移为+1/4，其他偏移为+1/2或-1/2，以及其他偏移为-1/4。例如，顺序(A、A-、B、B-)将具有阶跃(1/2、-1/4、1/2、-1/4)。
可以采用具有基本条纹周期的至少三个不同相位并且包括对应于三个相位中的每一个的元件偏移与其相位相对应的适当量的构造。对应于至少三个相位中的每个的元件可被分组到每个相位的一个或多个检测区域中。
与三相或更多相对应的检测区域不必沿着X方向以给定的顺序布置。检测器区域也可以在X方向的大致相同范围内沿着Y方向以给定的顺序布置。对应于三相或更多相的检测器区域也可以在X和Y方向上以二维模式布置。
在上述位移编码器中，对于标尺与检测单元之间的距离没有特别的限制。然而，当光学器件比如衍射光栅和用于将来自标尺的衍射光会聚而形成图像的透镜没有设置在标尺与检测单元之间时，标尺与检测单元之间的距离优选地为在检测单元上适当地形成干涉条纹的距离。

Claims (12)

1.一种位移编码器，包括：
其中形成有增量图案的标尺；
能够相对于所述标尺在测量方向上移动的检测头，所述检测头配置为检测衍射光并输出检测结果，所述衍射光通过由所述增量图案向所述标尺发射的光的衍射而获得；和
信号处理单元，其配置为基于由所述检测头获得的检测结果来计算所述标尺与检测头之间的相对位移，其中，
所述检测头包括：
光源，其配置为将光发射到所述标尺；
检测单元，其包括光接收单元，所述光接收单元包括以预定周期在所述测量方向上周期性布置的多个光接收元件，所述多个光接收元件配置为输出来自所述标尺的衍射光的检测信号；和
光学元件，其配置为将衍射光引导至所述检测单元，
在所述测量方向上布置的多个光接收元件的数量是偶数，
所述预定周期是通过将基本周期乘以奇数而获得的值，所述基本周期是由所述衍射光的+1级衍射光和-1级衍射光形成在所述光接收单元上的干涉条纹的周期，以及
所述光接收元件在所述测量方向上的宽度不等于所述基本周期的整数倍。
2.根据权利要求1所述的位移编码器，其中，来自所述标尺的+1级衍射光、-1级衍射光和0级衍射光入射到所述检测单元上。
3.根据权利要求1所述的位移编码器，其中，
所述光接收单元包括沿测量方向布置的多个检测区域，
每个检测单元包括在测量方向上布置的偶数个光接收元件；并且
在所述多个检测区域中，彼此相邻的两个检测区域彼此偏移相当于所述基本周期的四分之一的距离，从而在所述测量方向上彼此分开。
4.根据权利要求3所述的位移编码器，其中，
第一和第二检测区域沿所述测量方向依次布置，并且
所述检测单元将从所述第一检测区域输出的检测信号作为A相位信号输出到所述信号处理单元，并将从所述第二检测区域输出的检测信号作为B相位信号输出到所述信号处理单元。
5.根据权利要求3所述的位移编码器，其中，
第一、第二、第三和第四检测区域沿所述测量方向依次布置，并且
所述检测单元向所述信号处理单元输出差A相位信号和差B相位信号，所述差A相位信号是A相位信号与A-相位信号之间的差信号，所述差B相位信号是B相位信号与B-相位信号之间的差信号，所述A相位信号是从所述第一检测区域输出的检测信号，所述A-相位信号是从所述第三检测区域输出的检测信号，所述B相位信号是从所述第二检测区域输出的检测信号，所述B-相位信号是从所述第四检测区域输出的检测信号。
6.根据权利要求1所述的位移编码器，其中，
所述光接收单元包括沿测量方向布置的多个检测区域，
每个检测单元包括在测量方向上布置的偶数个光接收元件；并且
在所述多个检测区域中，彼此相邻的两个检测区域彼此偏移相当于所述基本周期的三分之一的距离，从而在所述测量方向上彼此分开。
7.根据权利要求6所述的位移编码器，其中，
第一、第二和第三检测区域沿所述测量方向依次布置在所述检测单元中，并且
所述检测单元向所述信号处理单元输出差A相位信号和差B相位信号，所述差A相位信号和差B相位信号通过组合A相位信号、B相位信号和C相位信号而生成，并且彼此具有90°的相位差，所述A相位信号是从所述第一检测区域输出的检测信号，所述B相位信号是从所述第二检测区域输出的检测信号，且所述C相位信号是从所述第三检测区域输出的检测信号。
8.根据权利要求1所述的位移编码器，其中，
所述光学元件将+1级衍射光和-1级衍射光会聚以在所述检测单元上形成干涉条纹。
9.根据权利要求8所述的位移编码器，其中，
所述光学元件包括衍射光栅和包括一个或多个透镜的光学系统中的一个。
10.根据权利要求8所述的位移编码器，其中，
所述光学元件包括两个反射镜，
一个反射镜将+1级衍射光反射到所述检测单元，并且
另一个反射镜将-1级衍射光反射到所述检测单元。
11.根据权利要求2所述的位移编码器，其中，
k是等于或大于2的整数，
所述基本周期是P，
在横向于所述测量方向的方向上布置的k个检测区域构成检测序列，
所述检测区域相对于彼此偏移P/k的间距。
12.根据权利要求11所述的位移编码器，其中，
n是等于或大于1的整数，
k个检测序列以nP+P/k的间距沿测量方向周期性地布置。
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