CN112689742A - 测量设备 - Google Patents

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Abstract

一种增量式测量编码器，包括标尺和读头。该标尺包括形成增量式轨道的一系列周期性特征以及至少一个参考标记。该读头包括结构化光源和参考标记光电检测器阵列。该至少一个参考标记可以包括至少一个成像元件，该至少一个成像元件被配置成将该结构化光源的图像形成到该参考标记光电检测器阵列上。

Description

测量设备
本申请的发明涉及一种测量设备、尤其涉及一种测量编码器，该测量编码器包括标尺和读头，该标尺包括增量式轨道和参考标记。
通常，测量编码器包括相对于彼此可移动的标尺和读头。一种已知类型的编码器是光学编码器，其中，标尺可以在表面上设置有标尺标记，并且读头可以包括用于照射标尺的光源以及用于检测由光、标尺和所存在的任何其他光学部件之间的相互作用而产生的光图案的检测器，从而确定标尺和读头的相对运动。特别地，增量式测量编码器通常包括具有周期性布置的增量式特征的标尺。通常，当测量标尺与读头之间发生相对移动时，会生成某种形式的周期性信号。对该信号进行计数，并且可以确定标尺与读头之间的位移。这种计数可以在读头内或其外部进行(例如，读头可以输出周期性信号和/或读头可以输出所述周期性信号的计数)。周期性信号可以采用SINE波的形式。通常，会生成多个周期性信号，这些周期性信号相互偏移例如90°。通常，这些信号被称为SIN信号和COS信号。已知可以对这些信号进行内插以便提高编码器的分辨率。
还已知具有一个或多个参考标记的测量标尺，参考标记即在测量标尺上提供位置“参考”点的标记。例如，当增量计数已经丢失(例如，由于电源故障)或由于读头行进太快或标尺上的污垢等因素而导致该增量计数不准确时，参考标记可以允许验证增量计数的准确性，和/或用于确定读头相对于标尺的参考位置。已知将参考标记设置在增量式特征旁边(使得增量式特征和参考标记位于不同的轨道中)或将参考标记嵌入在增量式特征内(使得增量式特征和参考标记位于同一轨道中)。WO 2005/124282披露了一种可以嵌入在增量式特征内的参考标记。通常，参考标记被配置成在读头中的参考标记检测器处提供信号脉冲(正或负)。这样的信号脉冲可以采用光脉冲的形式(该光脉冲是由到达参考标记检测器的光的增加或减少引起的)。编码器装置可以分析该脉冲以确定标尺与读头之间的参考位置。可以响应于此而输出参考标记信号(例如，编码器装置可以沿信号线向下、例如向接口单元和/或外部设备输出参考标记信号)。例如，可以使用一个或多个阈值来识别参考标记的存在。优选的是，脉冲可以是独特的(例如，具有相对较大的幅度和相对较窄的宽度)，以使得易于识别参考标记的存在，从而避免错误的参考标记检测(例如，由灰尘引起)和/或提高参考标记的分辨率。
如将理解的，在本申请中提及“光”是指落在从紫外到红外(含端值)的电磁辐射(EMR)光谱中的任何光谱的EMR。同样，诸如在“光学编码器”中对术语“光学”的使用是指使用落在从紫外到红外(含端值)的EMR光谱中的任何光谱的EMR进行操作的编码器。
WO 2008/053184 A1披露了一种用于标尺读取装置的读头，图15示出了该读头内的各部件的布置。示出了用于照射标尺上的增量式轨道的第一LED 15，来自该第一LED的光形成增量图案并且然后由LED 15的任一侧所示的增量式检测器进行检测。还示出了用于照射参考标记的LED 50，来自该LED的光由参考标记检测器51进行检测。
US 2006/0180748 A1披露了一种位置测量系统，该位置测量系统包括增量式分度轨道，扫描单元包括光源21、增量信号检测器230和参考标记信号检测器240。
US 7141780披露了一种编码器装置，其中，参考标记包括与掩模图案相关的特征图案以提供参考标记信号。
US 2006/0267822披露了一种光学编码器，该光学编码器包括光源110和标尺120。该标尺包括光学图案124和参考位置图案122，该光学图案在光电检测器阵列154上形成明暗图案。在参考位置图案122处反射的光入射在光电检测器组152上。
WO 2015/049174披露了一种编码器装置，该编码器装置包括至少一个光源，该至少一个光源被配置成使得在朝向标尺投射的光中具有结构。读头被配置成使得该结构成一定角度，从而使其相对于标尺的特征基本上未对准。
本发明涉及一种改进的测量编码器、尤其涉及一种改进的增量式测量编码器。该编码器包括标尺和读头。该标尺可以包括形成增量式标尺轨道的一系列周期性标记。该标尺还可以包括至少一个参考标记。
根据本发明的第一方面，提供了一种增量式测量编码器，该增量式测量编码器包括标尺和读头，该标尺包括形成增量式轨道的一系列周期性特征以及包括至少一个成像元件的至少一个参考标记。该读头可以包括结构化光源。该读头可以包括参考标记光电检测器阵列。该至少一个成像元件可以被配置成将该结构化光源的图像形成/投射到该参考标记光电检测器阵列上。该结构化光源可以包括不均匀间隔开的光源阵列。该光电检测器阵列可以包括被布置成与该结构化光源相关的一系列非连续的光电检测器元件。
已经发现，本发明的布置使得能够针对相对较小的参考标记在参考标记光电检测器阵列处产生相对独特的参考标记信号(例如，脉冲)。当参考标记被嵌入在增量式特征内时，这可能是特别有利的，因为参考标记越小，参考标记对增量信号产生的不利影响就越小。特别地，已经发现，这样的布置可以帮助允许可重复地确定读头相对于标尺处于与参考标记相对应的位置时的情况。例如，如果需要的话，这样的布置可以帮助提供可以在增量式标尺标记的宽度内重复并且可以在编码器系统的测量单位内重复的参考标记信号(例如，该参考标记信号由编码器装置输出)。这可能在细节距的增量式编码器(例如，标尺周期小于20μm(微米)的增量式编码器)中特别难以进行。
如将理解的，成像会使正被成像的物体的副本空间翻转。因此，如将理解的，由成像元件形成的图像将是结构化光源的空间翻转表示/副本。可以包括另一光学构件以使结构化光源的副本恢复原状，使得当其最终落在参考标记光电检测器阵列上时，该副本不会发生空间翻转，但是这将涉及必须提供附加的光学元件。因此，优选地，成像元件使结构化光源的空间翻转表示/复本落在参考标记光电检测器阵列上。
如将理解的，用于参考标记的成像元件的其他术语包括成像器、或成像装置/设备/构件。成像元件可以包括以下各项中的至少一项：i)透镜(例如，柱面或球面透镜、或者菲涅耳透镜)；ii)衍射成像元件(诸如菲涅尔波带片(FZP))；或者iii)被配置成通过针孔效应来提供图像的特征。这样的特征(用于通过针孔效应来提供成像)可以是细长的针孔(例如，这样的特征可以垂直于标尺的测量方向是细长的，例如，该特征可以包括标尺上的线)。在这种情况下，如下文更详细地解释的，参考标记/成像元件可能仅提供一维图像。可选地，这样的特征(用于通过针孔效应来提供成像)可以包括反射特征或透射特征(例如，线)。可选地，参考标记/成像元件包括原本在增量式轨道中通常是一系列周期性特征的单个连续遗漏。例如，这样的特征(用于通过针孔效应来提供成像)可以包括反射线(例如，比沿测量方向在线的任一侧的标尺更具反射性的线)或孔口。
可选地，增量式特征的周期不大于20μm(微米)，例如不大于10μm，例如不大于5μm，例如不大于4μm。如将理解的，从增量式光电检测器的输出中得出的(多个)增量信号的周期(例如，正交信号(例如SIN信号和COS信号)，或“利萨如”周期)可以(但不必)等于标尺的节距。可选地，编码器装置的(多个)增量信号的周期不大于10μm，例如不大于5μm，例如不大于2μm。
可选地，参考标记/成像元件的宽度(平行于标尺的测量方向测得的)延伸不超过增量式检测器阵列的宽度(平行于测量维度测得的)的15％、优选地不超过增量式检测器阵列宽度的10％。可选地，参考标记/成像元件的宽度(平行于标尺的测量方向测得的)不大于150μm(微米)，例如不大于100μm，例如不大于75μm。
如将理解的，由成像元件形成的图像将在至少一个维度上延伸。可选地，参考标记/成像元件可以形成结构化光源的一维图像。换言之，参考标记可以包括一维成像装置/构件/设备/元件，例如，细长的针孔、柱面透镜或一维FZP。即，成像元件可以在第一维度上、而非第二维度上形成结构化光源的图像。所述第一维度可以平行于标尺的测量维度。这样的一维成像装置/设备/构件/元件可以是有利的，因为它们(与二维成像装置相比)在标尺上的制造可以更简单、更便宜且更高效，特别是当参考标记被嵌入在增量式特征内时亦是如此。例如，如果成像元件被配置成经由针孔效应进行成像，则可以简单地通过遗漏(或添加额外的)线(其形成增量式特征)来形成参考标记/成像元件。同样，在参考标记包括FZP的情况下，可以使用与增量式特征相同的过程来形成成像装置。
如将理解的，光源将具有至少一维的结构。换言之，从光源发射的光的强度将在至少一个维度上变化。光源可以被构造成使得在至少一个维度上存在光朝向标尺发射在其上的至少两个“明亮”或“照射”区域，该至少两个区域由“黑暗”区域隔开，在该“黑暗”区域上，朝向标尺发射的光的强度少得多(例如，比照射区域的强度少至少50％，可选地少至少75％，例如少90％)。可选地，从黑暗区域不发射光。优选地，存在至少三个明亮/照射区域(由“黑暗”区域隔开)，可选地存在至少四个明亮/照射区域(由“黑暗”区域隔开)。可选地，要由参考标记光电检测器阵列平行于测量方向检测的区域的宽度(例如，明亮/照射区域的宽度、或黑暗区域的宽度)在标称上是相同的。这可以帮助提供多组交织的光电检测器元件(下文更详细描述的)。
结构化光源可以被描述为离散或分离的光源阵列。该阵列可以是规则的(例如，均匀的)或不规则的(例如，不均匀的)。换言之，阵列中的(明亮)元件可以均匀地间隔开，使得对于阵列中的所有成对的相邻(即，直接相邻)元件(例如，明亮元件)，这些元件之间的间隔都是相同的。可替代地，阵列中的(明亮)元件可以不均匀地间隔开，使得一对相邻(即，直接相邻)元件中的(明亮)元件之间的间隔不同于另一对相邻(即，直接相邻)元件中的(明亮)元件之间的间隔。
因此，如将理解的，可以认为结构化光源朝向标尺投射图案(尽管不一定是重复图案)或代码。换言之，结构化光源可以被描述为图案化光源或编码光源(其中，可选地，图案或代码在至少一个维度上延伸，并且可选地仅在一个维度上延伸)。可选地，所述(至少)一个维度平行于标尺的测量方向。
在结构化光源被描述为编码光源的情况下，由编码光源投射的代码位的值可以由发射的光的强度来确定。例如，在由结构化光源发射的光大于预定阈值的情况下，可以将该值确定为“1”，而在由编码光源发射的光小于预定阈值的情况下，可以将该值确定为“0”。可选地，在每组光电检测器元件(下文更详细描述的)中，为代码中的每个“1”位或每个“0”位提供至少一个对应的光电检测器元件。换言之，对于每个“1”位(或每个“0”位)，存在被配置(例如，放置)成检测该位的至少一个对应的光电检测器元件。可选地，由编码光源投射的代码不包含任何相邻的“1”。这可以帮助提供多组交织的光电检测器元件(下文更详细描述的)。
结构化光源可以包括多个空间上分离的发光元件。例如，该多个空间上分离的发光元件可以包括多个空间上分离的发光二极管(LED)。
如在WO 2008/053184中所描述的，读头的光源和检测器元件(例如，参考标记光电检测器阵列)可以形成在相同的光电子芯片/半导体化合物中。
可选地，结构化光源可以由单个(扩展)光源上方的掩模(例如，单个LED上方的掩模)来提供。因此，以上所述的“明亮”或“照射”区域中的每个区域可以由单个发光元件(诸如LED)或由掩模中的透射区域(例如，掩模中的孔口)来提供。可选地，来自结构化光源的光不被准直。
参考标记光电检测器阵列可以包括用于检测由参考标记提供的图像的至少一组光电检测器元件，这些光电检测器元件被布置成与由结构化光源发射的结构(或图案/代码)匹配/相关。如将理解的，参考标记光电检测器阵列可以包括多组这样的光电检测器元件(例如，至少第一组光电检测器元件和第二组光电检测器元件，每一组用于分别检测由参考标记提供的图像)。如将理解的，这样的多个组可以被布置成使得当读头和参考标记彼此经过时，结构化光源的所述图像依次经过每组光电检测器元件(即，不是所有组同时检测图像)。因此，各组可以至少在与标尺的测量方向平行的维度上相对于彼此偏移。可选地，各组光电检测器元件是交织的。
参考标记光电检测器阵列可以包括一系列连续的光电检测器元件(换言之，规则的光电检测器元件阵列)，其中，该连续系列(规则阵列)内的选择元件用于形成一个组(即，上述至少一组光电检测器元件)。例如，仅其中一些元件可以用于产生用于检测参考标记的信号。
可选地，参考标记光电检测器阵列包括一系列非连续的光电检测器元件(例如，不规则/间断/不均匀的光电检测器元件阵列)。例如，一组内的元件可以被间隔开，使得光电检测器元件仅被放置/设置在预期结构化光源的至少一个图像的相对明亮部分(或相对黑暗部分)将落到的位置处，以便在读头经过参考标记时提供正(或负)脉冲。因此，在参考标记仅提供结构化光源的单个图像的实施例中，参考标记光电检测器阵列可以包括以与由参考标记成像的结构化光图案相关(例如，负匹配或正匹配)的布置彼此间隔开的一组光电检测器元件。
因此，在任一种情况下(即，在一系列连续的或非连续的光电检测器元件的情况下)，参考标记光电检测器阵列都可以包括至少一组光电检测器元件，其中，这些元件以与由参考标记成像的结构化光源布置(例如，“图案”)相关/相对应的、并且可选地与结构化光源的布置(例如，“图案”)相关/相对应的布置(例如，“图案”)彼此间隔开。换言之，检测器可以包括用于检测结构化光源的结构的元件阵列，这些元件以与结构化光源的结构相关/相对应的形式被布置/定位。如将理解的，相关/相对应包括匹配布置，该匹配布置是结构化光源的空间翻转(例如，前后和/或上下倒置)版本(或甚至是负版本)。
用于检测参考标记的光电检测器元件的结构/图案可以与结构化光源的结构/图案相同。用于检测参考标记的多个光电检测器元件的结构/图案可以相同，但是是结构化光源的图案的翻转(如上文所解释的，因为由参考标记形成的图像是结构化光源的翻转表示，并且正是这种翻转表示可能落在参考标记光电检测器阵列上)。
因此，编码器装置可以被配置成使得当读头经过参考标记的视野时，结构化光源的至少一个图像扫过参考标记光电检测器阵列。这可以使得在标尺和读头的某个相对位置处(例如，在参考位置处)，至少一个图像与用于检测参考标记的多个光电检测器元件之间具有高度相关性，从而产生信号峰。如将理解的，结构化光源的至少一个图像可以在与读头和标尺的相对行进方向相反的方向上扫过参考标记光电检测器阵列。
如将理解的，读头可以包括至少一个增量式光电检测器，例如，增量式光电检测器阵列。来自光源的光可以与增量式标尺轨道相互作用，以形成由增量式光电检测器检测的合成场。所述合成场可以包括干涉条纹。可选地，读头包括用于形成合成场(例如，干涉条纹/条纹场)的至少一个光栅(例如，衍射光栅)。至少一个(例如，衍射)光栅可以位于标尺之前(例如，以便在来自结构化光源的光到达标尺之前与光相互作用(例如，使光发生衍射))。至少一个(例如，衍射)光栅可以位于标尺之后(例如，以便与已经被标尺反射/透射的光相互作用(例如，使光发生衍射))。可选地，读头包括在标尺之前的至少一个(例如，衍射)光栅以及在标尺之后的至少一个(例如，衍射)光栅。可以在读头中提供除衍射光栅之外的光栅。例如，可以在例如检测器上方、诸如在增量式光电检测器阵列上方提供采样光栅。
可选地，编码器被配置成使得结构化光源的至少一部分提供与增量式标尺轨道相互作用以形成合成场的光。例如，在结构化光源包括多个独立光源的情况下，则优选地，来自所述独立光源中的至少一个独立光源的光、以及可选地来自所述独立光源中的所有独立光源的光可以被配置成形成所述合成光场。
因此，可选地，结构化光源被配置成照射标尺上的增量式特征和参考标记特征。可选地，结构化光源被配置成生成由读头检测到的增量信号和参考标记信号两者。例如，结构化光源可以被配置成照射参考标记光电检测器，并用于在光电检测器处产生合成场(例如，条纹场)，以检测读头相对于标尺的位置的增量变化。
以这种方式使用相同的结构化光源可实现高效率的测量编码器。使用相同的结构化光源还可以降低编码器的复杂度，并简化制造、特别是简化对读头的制造。进一步地，通过使用相同的光源来照射增量式光电检测器阵列和参考标记光电检测器阵列两者，由于没有单独的光源来照射参考标记光电检测器阵列，因此可以减少增量式光电检测器阵列上的背景照射量，这可以意味着馈送到(多个)信号放大器的信号中的信噪比更有利，这可以使对来自(多个)信号放大器的信号的区分度更高。
可以在结构化光源上方提供(例如，在其上直接安装)光栅(例如，衍射光栅)，以使来自结构化光源的光在到达标尺之前发生衍射。因此，例如，可以在结构化光源的至少一个照射区域上、可选地在结构化光源的所有照射区域上提供(衍射)光栅。在这样的布置中，光栅使来自结构化光源的光在增量式光电检测器处形成合成场(例如，干涉条纹)，以检测读头和标尺的相对移动。可选地，(衍射)光栅是振幅光栅。
参考标记可以包括多于一个成像元件。可选地，参考标记可以包括两个成像元件，这两个成像元件对结构化光源进行成像并且被设置成在标尺上彼此靠近(例如，其距离不超过平行于测量维度测得的结构化光源的宽度的50％)。如将理解的，在这种情况下，在参考位置处由读头检测到的图案/代码将与结构化光源的图案/代码不同。相反，在参考位置处由读头检测到的图案/代码将是由每个成像元件形成的两个或更多个图像的某种组合。
可选地，参考标记光电检测器阵列的光电检测器元件的尺寸和/或间距被确定为使得对条纹场的相位不敏感。这可以通过使参考标记光电检测器阵列的光电检测器元件在测量方向上的横向延伸范围是在参考标记光电检测器阵列处的条纹场节距的整数倍来实现，和/或通过使参考标记光电检测器阵列的光电检测器元件在测量方向上的中心间距是参考标记光电检测器阵列处的条纹场节距的整数倍来实现。这样的布置可以允许参考标记光电检测器阵列不会受到对测量编码器设备所产生的条纹场照射图案的特定相位调整的影响。
如将理解的，编码器装置可以被配置成从参考标记光电检测器阵列的输出中得出用于确定至少一个参考标记的存在的至少一个信号。所述至少一个信号可以包括在读头经过参考标记时出现的一个主瓣和多个旁瓣。编码器装置可以被配置成使得旁瓣的幅值不大于主瓣幅值的75％，可选地不大于主瓣幅值的50％，例如不大于主瓣幅值的35％。可选地，所述至少一个信号(其用于确定至少一个参考标记的存在)是从至少两组光电检测器元件中得出的。例如，编码器装置可以被配置成从至少两组光电检测器元件中得出至少一个“门”/“窗口”信号和/或“过零点”信号。
所述至少一个信号(其用于确定至少一个参考标记的存在)(例如，参考标记过零点信号)可以基于来自参考标记光电检测器阵列的至少两个元件的输出(例如，来自至少两组参考标记光电检测器元件的输出)来确定。可选地，所述至少一个信号(其用于确定至少一个参考标记的存在)(例如，参考标记过零点信号)可以基于来自参考标记光电检测器阵列的四个元件的输出(例如，来自四组参考标记光电检测器元件的输出)来确定。所述至少一个信号(其用于确定至少一个参考标记的存在)(例如，参考标记过零点信号)可以基于来自参考标记光电检测器阵列的多于四个元件的输出(例如，来自多于四组参考标记光电检测器元件的输出)来确定。在使用中，基于参考标记光电检测器阵列中的至少两个、三个、四个或更多个元件的输出(例如，来自至少两组、三组、四组或更多组参考标记光电检测器元件的输出)，测量编码器可以监测参考标记过零点。
可选地，参考标记嵌入在增量式轨道内。这可以实现更紧凑的标尺，并且还可以实现更好的效率。
标尺可以是相位标尺。标尺可以是幅度标尺。
还披露了一种测量编码器，该测量编码器包括标尺和读头，该标尺包括参考标记以及形成增量式轨道的一系列周期性标记，该读头包括增量式光电检测器阵列和参考标记光电检测器阵列，其中，该读头进一步包括结构化光源，该参考标记光电检测器阵列包括被布置成与该结构化光源的代码相对应的元件，以使得在使用中形成条纹场以监测增量位置，并且还使得在该读头相对于该标尺行进穿过与该参考标记相对应的预定位置时，该参考标记光电检测器阵列的照射发生变化。
根据本发明的另一方面，提供了一种增量式编码器，该增量式编码器包括标尺和读头，该标尺包括限定增量式标尺的一系列周期性特征、以及至少一个参考标记，该读头包括用于照射该标尺的光源、以及用于检测该参考标记的检测器，其中：
该光源被构造成其在至少一个维度上包括相对(交替的)明暗区域的阵列/布置(例如，使得存在至少两个分离的明亮区域)；
该参考标记被配置成使得当该读头和该标尺在参考标记位置处对准时，其被配置成朝向该参考标记检测器投射/复制该光源的结构(特别是，其朝向该参考标记检测器投射该光源的空间翻转版本)；并且
用于检测该参考标记的该检测器包括用于检测该结构的元件阵列，使得当该读头和该参考标记在该参考标记位置处对准时，在该元件阵列处提供强度脉冲(特别地，该检测器包括用于检测该结构的元件阵列，这些元件以与该结构化光源的结构相对应的形式被布置/定位。
如将理解的，以上结合本发明的其他方面所描述的特征同样适用于本发明的这个方面，反之亦然。
如将理解的，这样的明暗区域可以(例如)通过在至少一个维度上彼此间隔开的发光元件(例如，LED)的布置来提供。这样的明暗区域可以(例如)通过至少一个发光元件与标尺之间的掩模来提供。例如，掩模可以具有明暗部分的布置，其中，与“黑暗”部分相比，“明亮”部分允许相对更大量的光朝向标尺传播。例如，“黑暗”部分可能会基本上阻止光朝向标尺传播。
明亮区域可以包括从其朝向标尺发射光的区域，并且其中，黑暗区域包括不存在发光元件的区域。
其中，在一个或多个明亮区域上方(以及例如所有明亮区域上方)提供光栅。
根据本发明的进一步方面，提供了一种增量式测量编码器，该增量式测量编码器包括标尺和读头，该标尺包括形成增量式轨道的一系列周期性特征以及至少一个参考标记，该读头包括光源和参考标记光电检测器阵列，其中，该读头可以在该增量式测量编码器的分辨率单位内检测何时该读头相对于该标尺处于参考标记位置。可选地，检测该读头相对于该标尺处于该参考标记位置时的情况包括将该光源的至少一个图像形成在该参考标记光电检测器上。光源可以是结构化光源。
现在将仅通过示例的方式并参考以下附图来更详细地描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的增量式测量编码器；
图2示出了用于图1所示的读头的一部分的各部件的布置；
图3示出了形成图1的读头的一部分的结构化光源的示例；
图4示意性地示出了读头相对于标尺处于与参考标记相对应的位置；
图5示出了参考标记光电检测器的元件的间隔；
图6示出了对从参考标记光电检测器输出的信号的处理，以确定参考标记信号；
图7示出了用于图1所示的读头的一部分的各部件的布置；
图8示意性地示出了其中参考标记包括多于一个成像元件的实施例；以及
图9(a)是展示了在每组参考标记光电检测器元件(J、K、L和M)的输出上存在的旁瓣的曲线图；以及
图9(b)是展示了在从多组参考标记光电检测器元件(J、K、L和M)的输出中得出的门信号和过零点信号上存在的旁瓣的曲线图。
图1示出了根据本发明的测量编码器1的第一实施例，该测量编码器包括标尺2和读头3。在使用中，标尺2和读头3固定在一个或多个机器的相对可移动部件上，并且测量编码器1允许确定这两个部件的相对位置。
在图1所示的实施例中，测量编码器1是线性测量编码器，用于在如图所指示的第一方向x上测量读头3相对于标尺2的位置。
标尺2是细长标尺，其上具有限定增量式轨道的一系列周期性标记200。在该实施例中，周期性标记在标尺上形成相位光栅，该相位光栅在被照射时可以使得由从其反射的光形成条纹场图案。标尺的形成部分还有参考标记202，该参考标记在该实施例中嵌入在增量式轨道内。在该实施例中，增量式轨道包括4μm(微米)节距刻度，并且参考标记202在测量方向(x)上延伸100μm的距离。
图1(b)示出了穿过图1(a)的测量编码器的、穿过与测量方向x正交的平面的截面图。
图2示出了用于图1所示的实施例的读头3的发光部件和光接收部件的布置。读头3的部件面向标尺2。特别地，读头3包括结构化光源300，在该实施例中，该结构化光源由被间隔304(即，“黑暗”区域)间隔开的三个独立光源302(即，“亮”或“照射”区域)组成。如下文将更详细描述的，由于这些独立光源302的间隔不均匀，因此当从左向右读取时，可以认为图2所示的结构化光源300对应于代码101001。在该实施例中，这些独立光源302设置有光栅(在该特定实施例中，该光栅是衍射光栅)。特别地，每个独立光源302都具有由直接形成在独立光源302上的独立元件306形成的光栅。该光栅使结构化光源形成干涉条纹场。
图2还示出了参考标记光电检测器阵列310。该参考标记光电检测器阵列包括与结构化光源300的三个独立光源302相对应的三个部分。参考标记光电检测器阵列310的这些部分以结构化光源中的这些独立光源302的镜像(换句话说，空间翻转)配置被布置在读头3上。如将更详细解释的，可以认为参考标记光电检测器阵列的各部分及其之间的间隔形成代码100101(其是对结构化光源的上述代码进行的空间翻转)。图2的实施例示出了包括三个部分/光电检测器310a、310b、310c的参考标记光电检测器阵列310。
作为读头3的一部分，还示出了增量式光电检测器阵列320。WO 2008/053184 A1中描述了合适的增量式光电检测器阵列的示例。增量式光电检测器阵列320检测落在其上的条纹场(例如，干涉条纹)的强度变化。在该实施例中，落在增量式光电检测器阵列320上的光的条纹场是由从结构化光源300发射的光的波前与由元件306形成的光栅相互作用、并且随后与第二光栅(在这种情况下是由周期性标记200组成的增量式轨道)相互作用产生的。这在增量式光电检测器阵列上形成条纹场(例如，干涉条纹)。标尺和读头的相对移动会导致增量式光电检测器上的条纹场发生变化(例如，移动)，这种变化/移动可由读头检测到并且例如用于使相对位置的计数递增/递减。如将理解的，除条纹场之外，可以使用合成场来确定增量式测量。例如，可以使用来自源的光来生成(例如，经由标尺、以及可选地读头中的一个或多个衍射光栅)斑点，这些斑点随标尺和读头的相对移动而调整(例如，强度变化)。例如，在US 6198534中描述了这样的编码器。
如将理解的，可以使用来自增量式光电检测器阵列的信号来产生一个或多个增量式测量信号(例如，正交信号，例如SIN信号和COS信号)。这样的增量式测量信号使得能够测量标尺和读头的相对位置的增量计数。可以对这样的增量式测量(例如，正交)信号进行内插以便提供更高的计数/测量分辨率。如将理解的，增量式编码器装置将具有给定/指定的分辨率单位。优选地，由参考标记光电检测器阵列(例如，由一组光电检测器元件)检测到的参考标记脉冲使得能够在增量式测量的分辨率单位内可重复地确定参考标记位置，换言之，使得由编码器装置确定/输出的参考位置信号在增量式测量的分辨率单位内是可重复的。如将理解的，这可以意味使得由编码器装置确定/输出的参考位置信号在增量式测量的分辨率单位内的相同位置处被提供，而与相对运动方向无关。
例如，当增量信号的循环中发生预定情况时(例如，当正交信号均为负且相等时)，可以使用来自参考标记光电检测器阵列的输出来确定“门”或“窗口”信号，在该信号期间，由编码器装置确定/输出参考位置信号。因此，重要的是，可以使“门”或“窗口”信号的宽度不大于增量信号的一个循环(例如，正交/SIN信号的一个周期)，以避免模糊性。由读头检测到的参考标记脉冲越窄(例如，检测器上的光的“脉冲”越窄)，则可以从参考标记光电检测器的信号中确定的“门”或“窗口”信号就越窄。使用“门”或“窗口”信号来确定参考标记的存在是众所周知的，并且例如，在根据专利合作条约公布的国际申请WO 2017/203210和WO2007/057645中更详细地描述的以及下文更详细地描述的。发明人已经发现，提供被成像到光电检测器阵列上的结构化光源可以使得较窄的参考标记脉冲落在检测器上，这进而可以帮助确保由编码器提供的参考标记信号在增量式编码器的分辨率单位内的可重复性。
图1和图2所示的实施例将被理解为反射式测量编码器，因为光源(这里为结构化光源300)和光电检测器阵列(这里为参考标记光电检测器阵列310和增量式光电检测器阵列320)在使用中位于标尺2的同一侧。
图3示出了在图1的实施例中使用的结构化光源300。图3示出了具有如在图2所示的实施例中使用的代码101001的结构化光源。这里，给定宽度的独立光源302表示“1”，而给定宽度的间隔表示“0”。这里，可以看出，第一间隔304a(当从左向右读取时)的宽度等于第一独立光源302a的宽度，而第二间隔304b的宽度等于第一间隔304a的宽度的两倍。在该实施例中，间隔304b表示“00”。用于结构化光源的其他示例可能代码包括代码10000001000100001000001，其中，这些独立光源表示“1”，而间隔表示“0”，其中，与这些独立光源相比，间隔的宽度决定了“0”的数量。110010000010100001是可以使用的另一代码的示例。将理解的是，在该结构中，最左边的独立光源将是其他独立光源的宽度的两倍，因为这里一个独立光源(其宽度是给定宽度的两倍)表示代码内的“11”。这样的独立光源可以是单个连续的光源，或者由相邻的单独的相邻光源组成。在实施例中还可以使用代码111001100011011011。在其他实施例中，结构化光源可以是巴克码。将理解的是，如以上关于图2所示的具有图3所示的代码的独立光源的实施例所描述的，参考标记光电检测器阵列310被配置成对应于结构化光源300，并且可以是结构化光源300的镜像(例如，空间翻转版本)。
被布置为上述结构化光源300的代码的镜像的参考标记光电检测器阵列310是100101(对于图3所示的101001)、10000010000100010000001(对于代码10000001000100001000001)、100001010000010011(对于代码110010000010100001)和110110110001100111(对于代码111001100011011011)。
虽然图1和图2描述了反射实施例，但是将理解的是，其他布置也是可能的，例如参考标记光电检测器阵列可以位于标尺2的与结构化光源300相反的一侧，这样的系统可以被称为透射系统。
图4(a)示意性地示出了从透射系统的结构化源300到参考标记光电检测器阵列310的光路。将理解的是，除了在参考标记202处穿过标尺2的光的反射/透射之外，对于图1和图2的反射实施例以及图4(a)的透射实施例，基本原理是相同的。为了便于解释，现在将描述图4(a)的透射实施例。
在图4(a)中，示出了读头3相对于标尺2处于与参考标记位置相对应的位置。结构化光源300被示出为处于参考标记202的一侧，并且参考标记光电检测器阵列310被示出为处于参考标记202的相反侧。结构化光源300和参考标记光电检测器阵列310两者均形成读头3的一部分，其中，参考标记光电检测器阵列310位于读头3的表面上。结构化光源300和参考标记光电检测器阵列310保持彼此固定的关系，并且可以相对于标尺2在移动方向x上移动。当读头3相对于标尺2移动时，读头也将相对于参考标记202移动。在该实施例中，标尺2中的参考标记202允许光从其透射并充当成像元件；特别地，参考标记包括通过针孔效应将结构化光源300成像到光电检测器阵列310上的特征。所透射的光将结构化光源300的图像形成在包含参考标记光电检测器阵列310所处的表面的平面上。当读头3相对于标尺2处于与参考标记202相对应的位置时，则所形成的图像是结构化光源300的代码的空间翻转表示。由于在该实施例中参考标记光电检测器阵列310被配置成结构化光源的空间翻转表示，因此当读头3相对于标尺2处于与参考标记202相对应的位置时，结构化光源300对参考标记光电检测器阵列310进行最大程度的照射。参考标记光电检测器阵列310被配置成基于落在其上的光量来输出信号。
如将理解的，在其他实施例中，参考标记的成像元件可以包括透镜(例如，柱面透镜)和/或衍射光学元件(诸如菲涅尔波带片)。如还将理解的，术语成像可以是指由结构化光源发射的光的结构/图案与参考标记的光脉冲响应或点扩展函数的卷积。同样，术语图像可以指代通过该过程在参考标记检测器处形成的光的图案。
图4(b)示出了参考标记光电检测器阵列310的输出可以如何随读头3和标尺2在测量方向x上相对于彼此的移动而变化。如在图4(b)中可以看出，当读头3相对于标尺2处于参考标记位置或其附近时，在参考标记光电检测器阵列310的输出中形成脉冲500。通过调节参考标记202可以改变脉冲500的相对比例。例如，使参考标记变宽允许更多的光透射穿过透射系统中的标尺，并且因此增加了峰的强度，反之，使参考标记202变窄则允许较少的光透射穿过标尺，并且因此减小了脉冲500的强度。然而，使参考标记202变宽还将使脉冲500变得更宽并且还将更多地破坏增量信号。诸如结构化光源300与标尺的垂直距离(即，沿图1所示的z轴)等其他因素也可能影响到达参考标记光电检测器阵列310的光的强度。有利地，通过增加结构化光源中“明亮”区域的数量，可以增大脉冲500的强度/幅度，而不会增加脉冲500宽度；从而有助于提供更独特的脉冲。因此，当试图提供较小的参考标记而同时仍在检测器处获得独特的脉冲时，使用通过参考标记进行成像的结构化光源可能特别有用。
将理解的是，在所描述的透射布置中，从结构化光源300发射的光波前与包括直接处于结构化光源300上的元件306的光栅相互作用，并且随后与标尺2相互作用(如以上关于由周期性标记200形成的增量式轨道所描述的那样)。当光穿过参考标记202时，由于元件306而形成的条纹场形成在参考标记光电检测器阵列310的部分310a、310b、310c上。
在一些实施例中，各部分310a、310b、310c可以包括多于一个区段/元件。例如，310a、310b、310c中的每个部分可以由四个区段/元件J、K、L、M形成。在这样的实施例中，参考标记光电检测器阵列310包括三个四联单元310a、310b、310c。例如，可以看出，310a、310b和310c中的每个部分由四个区段J、K、L、M组成。如将理解的，这三个部分中的相同区段形成以与结构化光源匹配/相关的方式间隔开的一组光电检测器元件。例如，所有J区段都以与结构化光源匹配/相关的方式间隔开，并且所有K区段、L区段和M区段也是如此。这些J区段形成第一组光电检测器元件，这些K区段形成第二组光电检测器元件，这些L区段形成第三组光电检测器元件，并且这些M区段形成第四组光电检测器元件。来自这些组的输出可以进行合并以帮助确定参考标记位置，如下文结合图6更详细描述的。
图5(a)示出了参考标记光电检测器阵列310的部分310a包括具有四个区段J、K、L、M的四联单元的第一种方式，其可以被配置成对在其上形成的条纹场不敏感。图5(a)示出了在参考标记光电检测器处形成的条纹场600的强度。如可以看出，所展示的四联单元中的每个区段J、K、L、M的宽度是条纹场的周期的整数倍。该图还示出了每个指状部J、K、L、M具有相同的宽度。
图5(b)示出了参考标记光电检测器阵列310的部分310a包括具有可以被配置的四个区段J、K、L、M的四联单元的第一种方式，其可以被配置成对在其上形成的条纹场不敏感。图5(b)示出了在参考标记光电检测器处形成的条纹场600的强度。如可以看出，四联单元中的每个区段J、K、L、M具有相同的宽度，并且相邻指状部J、K、L、M的中心之间的距离是条纹场的整数倍。
根据结构化源元件的配置和/或参考标记光电检测器元件的尺寸，JKLM检测器可能能够或可能不能够部分地或甚至完全地交织(例如，因为源之间的间隙大到足以在检测信号的位置放置每个元件所需的四个检测器)。如果源元件之间的间隙不够大(和/或参考标记光电检测器元件的期望尺寸太大)，以致于无法将所有四个元件都装配在检测信号的位置处，则可以根据需要将检测器放置在两个或更多个相邻轨道中。完全交织的检测器是有利的，因为它们高效利用了昂贵的半导体面积。相邻轨道中的非交织检测器的有利之处在于它们提供了更大的自由度来选择任何期望的代码模式，并且可以允许更大的检测器区域提供更大的更低噪声的信号，但代价是需要更大的半导体面积。图5(c)(以及还有图7(b)和图7(c))示出了其中检测器是非交织的示意性实施例，而图5(d)(以及还有图7(a))示出了其中检测器是交织的示意性实施例。
图6(a)示出了当读头3相对于标尺2沿测量方向x移动时来自参考标记光电检测器阵列310的四联单元310a的每个区段J、K、L、M的信号。为了识别读头3相对于标尺2处于与参考标记202相对应的位置时的情况，对来自四联单元的每个区段的信号进行处理。特别地，如在编码器领域中已知的，得出所谓的“门”信号(也被称为“sum”信号)和“过零点”信号(也被称为“diff”信号)，对这些信号进行分析以确定参考标记的存在。图6(b)示出了来自图6(a)的四联单元的区段J、K、L、M根据公式(1)合并的信号，以提供“门”信号或“sum”信号。
(K+L)-(J+M) (1)
图6(b)还示出了阈值700。公式(1)的输出被用作门信号，以实现过零检测器。当门信号高于阈值700时，这里，在点x1与点x2之间，激活过零检测器。过零检测器根据公式(2a)来处理四联单元的各个区段的信号，以获得“过零点”信号，该信号的输出如图6(c)所示。
K–L (2a)
在其他实施例中，过零检测器可以根据公式(2b)来处理四联单元的信号。
(J+K)-(L+M) (2b)
图6(c)还示出了过零检测器在其之间被激活的位置x1和位置x2。在一个实施例中，编码器装置可以被配置成使得当过零检测器的输出为0(即，其越过“0”)时，确定读头3相对于标尺2处于与参考标记202相对应的位置，并且因此由读头输出参考标记信号。然而，替代性实施例是可能的。例如，可以使用另外一对阈值(例如，t1，t2)来分析过零点(或“diff”)信号，使得当过零点(或“diff”)信号在这些阈值之间时，生成窗口W信号，进而使用该窗口信号来分析增量SIN信号和COS信号(W信号、SIN信号和COS信号在图6(d)中被示意性地示出为是叠加的)。特别地，可以使用该窗口W，使得当在这种窗口W内确定SIN信号和/或COS信号满足特定的预定条件时(例如，当确定SIN信号和COS信号相等且为负时)，由编码器装置输出参考标记信号。如将理解的，这种窗口信号W需要足够窄，以使得SIN信号和COS信号的这种预定条件仅在窗口W内发生一次，从而确保参考标记在编码器装置的一个分辨率单位内是可重复的。
图9(a)与图6(a)的相似之处在于：其示出了当读头3相对于标尺2沿测量方向x移动时来自参考标记光电检测器阵列310的四联单元310a的每个区段J、K、L、M的信号。然而，它展示了在实际中信号可能包括旁瓣以及主瓣。图9(b)还展示了这些旁瓣如何仍然存在于所谓的门(或“sum”)信号和过零点(或“diff”)信号(例如，从各组参考标记光电检测器元件的输出中得出的信号)上。这样的旁瓣可能会对这些信号的处理产生不利影响，尤其是当这些旁瓣的幅值太大时。对于给定的光学系统，结构化光源的“代码”或图案可能会对旁瓣的幅值产生影响。因此，已经发现，通过选择适当的代码，可以将编码器装置配置成使得在从各组参考标记光电检测器元件的输出中得出的信号中(例如，在所谓的“门”信号和/或“过零点”信号中)，最高有效旁瓣的幅值不超过主瓣幅值的75％。在图9中模拟的实施例中(其中，光源具有代码110010000010100001)，最高有效旁瓣的幅值小于主瓣幅值的30％。
图7(a)示出了图2所示的部件几何结构的替代性部件几何结构。在该实施例中，参考标记光电检测器阵列310的每个部分被示出为包括四联单元的四个区段。在图7(a)中，结构化光源表示代码10000001000100001000001。该代码的优点在于，可以使各组参考标记检测器元件交织，这对于给定的芯片尺寸增大了检测器区域。如将理解的，可以提供也使得各组参考标记检测器元件能够交织的其他代码。
图7(b)示出了读头3的部件的另一替代性几何结构。在该实施例中，结构化光源具有代码110010000010100001。从图中可以看出，该代码不是以交织的参考标记光电检测器来实施的，而是参考标记光电检测器阵列的区段J、K、L、M在测量方向x上重叠。
图7(c)示出了用于代码111001100011011011的部件的布置。
在替代性实施例中，参考标记光电检测器阵列310的每个部分310a、310b、310c可以仅由两个区段组成，即，可以具有第一部分K和第二部分L的双单元。在这样的实施例中，可以通过合并如公式3所示的区段K和区段L的输出并施加阈值来获得门信号，同时可以使用通过合并如公式4所示的区段K、区段L的输出并监测公式4的值为0时的情况来检测过零。
K+L (3)
K–L (4)
在进一步实施例中，参考标记光电检测器阵列310的各部分中的每个区段的宽度可以等于在其上形成的条纹图案的周期的整数倍，并且这些区段被间隔开以使得它们的中心间距是在其上形成的条纹场的整数倍。
虽然以上结合至少一个实施例描述了本发明，但是将理解的是，在不脱离权利要求的范围的情况下，许多其他实施例也是可能的。例如，标尺2的增量式轨道可以包括幅度(或“朗奇”)标尺，而不是上述相位标尺。进一步地，图7(a)至图7(c)示出了采用各种配置的读头3的部件，将理解的是，部件在垂直于测量方向x的方向上的位置可以变化。虽然以上实施例描述了线性测量编码器，但是该编码器也可以是旋转式测量编码器。在其他实施例中，结构化光源可以由位于光源上方的掩模提供，该光源可以是扩展光源。如将理解的，不是将光栅直接形成在结构化光源上，而是可以将光栅设置在与结构化光源间隔开的单独元件上。可替代地，可以在标尺之后提供光栅，以与来自标尺的光相互作用以形成合成场(例如，在增量式光电检测器处的条纹场，例如，干涉条纹)。此外，可以提供单独的光源来照射增量式标尺轨道并在增量式光电检测器处形成合成场。然而，发明人发现，可以使用相同的光源，并且使用结构化光源来照射增量式标尺轨道并在增量式光电检测器处形成合成场是特别有利的布置。特别地，其可以减少所需部件的数量、读头的尺寸。而且，其降低了背景照射水平，从而降低了信号噪声，并减小了处理信号所需的必需放大器动态范围。
在另外其他实施例中，参考标记光电检测器阵列可以被配置成当读头相对于标尺处于参考标记位置时检测亮度的降低。这样的增量式测量编码器的示例实施例可以包括具有代码101001(如图3所示)的结构化光源，参考标记光电检测器阵列可以具有与代码011010相对应的部分(其中，“1”用于指示存在光电检测器，而“0”用于指示不存在光电检测器)，即，具有被布置成与结构化光源的图像的区域相对应的部分，其中，当读头相对于标尺处于参考标记位置时，可预期从背景照射水平到较低照射水平的照射下降。如将理解的，在这种情况下，图6(a)的曲线图看起来是相同的，但是是上下倒置的，使得当读头经过参考标记时在来自每组光电检测器元件的信号中将出现负脉冲或“谷(dip)”。
到目前为止，所有示例都使用了标尺上的单个标记(单个成像元件)来形成编码光源的图像。然而，参考标记可以包括多个成像元件。每个成像元件形成编码光源的图像，但是每个图像被横向偏移了由标尺上每个标记的位置来确定的量。这在参考标记检测器上产生了更加复杂的图案。图8示意性地示出了这方面的示例实施例。

Claims (14)

1.一种增量式测量编码器，包括标尺和读头，
所述标尺包括形成增量式轨道的一系列周期性特征以及至少一个参考标记，
所述读头包括结构化光源和参考标记光电检测器阵列，
其中，所述至少一个参考标记包括至少一个成像元件，所述至少一个成像元件被配置成将所述结构化光源的图像形成在所述参考标记光电检测器阵列上，
其中，所述结构化光源包括不均匀间隔开的光源阵列。
2.根据权利要求1所述的增量式测量编码器，其中，所述参考标记包括以下各项中的至少一项：i)透镜；ii)衍射成像元件；或者iii)被配置成通过针孔效应对所述结构化光源进行成像的特征。
3.根据权利要求1或2所述的增量式测量编码器，其中，所形成的图像包括一维图像。
4.根据任一前述权利要求所述的增量式测量编码器，其中，来自所述结构化光源的光还用于在光电检测器处产生合成场，以检测所述读头相对于所述标尺的位置的增量变化。
5.根据任一前述权利要求所述的增量式测量编码器，其中，光栅直接安装在所述结构化光源上。
6.根据任一前述权利要求所述的增量式测量编码器，其中，所述参考标记光电检测器阵列包括至少第一组光电检测器元件和第二组光电检测器元件，每一组包括多个间隔开的光电检测器元件，并且每一组被配置成在横向偏移的位置处分别检测由所述至少一个成像元件提供的图像。
7.根据权利要求6所述的增量式测量编码器，其中，所述至少第一组光电检测器元件和第二组光电检测器元件是交织的。
8.根据权利要求7所述的增量式测量编码器，其中，在使用中，基于来自至少所述第一组光电检测器元件和所述第二组光电检测器元件的输出来确定参考标记过零点信号。
9.根据权利要求8所述的增量式测量编码器，其中，在使用中，基于至少所述第一组光电检测器元件和所述第二组光电检测器元件的输出，所述测量编码器监测所述参考标记过零点。
10.根据任一前述权利要求所述的增量式测量编码器，其中，所述参考标记光电检测器阵列的元件的尺寸和/或间距被确定为使得对由所述增量式标尺轨道产生的并落在所述参考标记光电检测器阵列上的条纹场的相位不敏感。
11.根据任一前述权利要求所述的增量式测量编码器，其中，所述参考标记嵌入在所述增量式轨道内。
12.根据任一前述权利要求所述的增量式测量编码器，其中，从所述参考标记光电检测器阵列的输出中得出用于确定所述至少一个参考标记的存在的至少一个信号，其中，所述信号包括在所述读头经过所述参考标记时出现的一个主瓣和多个旁瓣，并且其中，所述编码器装置被配置成使得所述旁瓣的幅值不大于所述主瓣幅值的75％。
13.根据权利要求6和12所述的增量式测量编码器，其中，用于确定所述至少一个参考标记的存在的所述信号是从至少两组光电检测器元件中得出的。
14.根据任一前述权利要求所述的增量式测量编码器，所述增量式测量编码器被配置成提供在所述增量式测量编码器的分辨率单位内可重复的参考位置信号。
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