CN117664195B - 光电检测单元、光电编码器系统及电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电检测单元、光电编码器系统及电机，其中所述光电检测单元用于对表征光栅盘位移的扫描光信号进行检测并转换成表征光栅盘位移的电信号，其中，所述扫描光信号携带有谐波分量，所述光电检测单元的几何结构被定义为用于对谐波分量进行抑制。本发明是一种面积利用率高、信噪比高、减少测量误差、能更高效地祛除谐波成分的光电检测单元、光电编码器系统及电机。

Description

光电检测单元、光电编码器系统及电机

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种光电检测单元、光电编码器系统及电机。

背景技术

光电编码器，是一种利用光栅衍射原理实现位移-数字变换，通过光电转换将输出轴上的机械位移量转换成脉冲或数字量的传感器。其中，机械位移量可以是直线位移，也可以是旋转位移，即输出轴的转动角度。光电编码器是由光源、光栅盘或直线形光栅，以及光电检测单元等等组成。光栅盘是在一定直径的圆板上开通多个缝隙的装置，直线形光栅是在一定长度的长板上开通多个缝隙的装置。由于光栅盘（或直线形光栅）与输出轴同步运动（运动形式包括转动或平移），扫描单元所发出的光会通过光栅盘（或直线形光栅）形成周期性的扫描光信号，通过光电检测单元对扫描光信号进行检测，能够得到表征光栅盘（或直线形光栅）机械位移量的电信号，进而得到输出轴的运动信息，例如转动角度、转速等，以及平移位移、速度等。

光电检测单元对扫描光信号进行检测得到的电信号中，包含较多的谐波分量，这些谐波分量会对后续信号处理引入噪声。通过设计光电检测单元的形状，可以消除或抑制谐波分量。公开号为US7268883B2，名称为：Optoelectronic harmonically filtereddetector system for a scanning unit（用于扫描单元的光电谐波滤波检测器系统）的美国专利，参考图3至图5，在说明书中说明了该发明实施例的单个光电检测器元件如何根据期望的抑制谐波的效果来成形。但是该发明示出的实施例，例如图3、5所示的实施例中，其几何结构的曲面元素复杂，需要将单个光电检测单元沿横向分成多段，每段由单独的函数定义，将多段所对应的多个函数组合起来才能定义出其几何结构，如需调整形状则需重新定义每段函数，调整效率很低。尤其图3所示的实施例中其几何结构的两端极其尖锐，导致加工难度很大，如需调整也需重新定义每段函数。

然而，在实际产品中，为了提高光电检测单元的布置密度和面积利用率，或为了消除锐角等难以加工的形状，往往需要对单个光电检测单元的形状进行多次调整。

因此，亟需一种面积利用率高、容易消除锐角、且图形调整效率高的光电检测单元、光电编码器系统及电机。

发明内容

本发明的目的是提供一种面积利用率高、容易消除锐角、且图形调整效率高的光电检测单元、光电编码器系统及电机。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的技术方案为：提供一种光电检测单元，所述光电检测单元用于对表征光栅盘位移的扫描光信号进行检测并转换成表征光栅盘位移的电信号，所述光栅的狭缝周期为P，其中：

所述光电检测单元的几何结构包括第一边沿和第二边沿，所述第一边沿及第二边沿的两个顶点彼此重合以形成一个封闭图形；

所述第一边沿通过第一描述函数进行描述，所述第二边沿通过第二描述函数进行描述，或者所述第一边沿经扇形-矩形变换后通过所述第一描述函数进行描述，所述第二边沿经扇形-矩形变换后通过所述第二描述函数进行描述；

所述第一描述函数包括第一倾斜度函数及第一谐波滤除函数，所述第二描述函数包括第二倾斜度函数及第二谐波滤除函数，且第一描述函数与第二描述函数之差为与成正比的函数，其中/>/P，x为沿光栅周期方向所取的坐标值。

所述第一描述函数还包括第一中位线调整函数，且所述第二描述函数还包括第二中位线调整函数。

所述第一谐波滤除函数及第二谐波滤除函数为sin函数或者cos函数。

所述第一谐波滤除函数为，且第二谐波滤除函数为/>，且。

所述第一中位线调整函数及所述第二中位线调整函数均可为sin函数或者cos函数。

所述第一中位线调整函数及所述第二中位线调整函数均为，且。

所述第一倾斜度函数及第二倾斜度函数均为在所述封闭图形的x取值范围内单调递增的函数。

所述封闭图形的x取值范围相对于x轴的原点对称，且所述第一倾斜度函数及第二倾斜度函数为在所述封闭图形的x取值范围内的奇函数。

所述第一倾斜度函数及第二倾斜度函数均为kx，且。

所述扫描光信号为从所述第一边沿进入所述光电检测单元，并从所述第二边沿出来，以对所述扫描光信号携带的谐波分量进行抑制。

所述第一描述函数为：

(1)。

所述第二描述函数为：

(2)。

其中，，/>。

第二方面本发明提供一种光电检测系统，包括：

光源；

具有测量狭缝的光栅盘，所述光栅盘的狭缝周期为P；

光电检测单元，所述光电检测单元与所述光栅盘之间能够形成相对位移，且所述光源通过所述相对位移在所述光电检测单元上投射用于对表征所述相对位移的扫描光信号，所述光电检测单元用于对所述扫描光信号进行检测并转换成表征所述相对位移的电信号；

其中，所述光电检测单元的几何结构包括第一边沿和第二边沿，所述第一边沿及第二边沿的两个顶点彼此重合以形成一个封闭图形，所述第一边沿通过第一描述函数进行描述，所述第二边沿通过第二描述函数进行描述，或者所述第一边沿经扇形-矩形变换后通过所述第一描述函数进行描述，所述第二边沿经扇形-矩形变换后通过所述第二描述函数进行描述；

所述第一描述函数包括第一倾斜度函数及第一谐波滤除函数，所述第二描述函数包括第二倾斜度函数及第二谐波滤除函数，且所述第一描述函数与第二描述函数之差为与成正比的函数，其中/>/P，x为沿光栅周期方向所取的坐标值；

处理电路，所述处理电路用于将所述电信号转换成所述相对位移。

第三发明，本发明提供一种电机，所述电机配置有所述的光电检测系统。

与现有技术相比，本发明提供的光电检测单元、光电编码器系统及电机，由于所述光电检测单元用于对表征光栅盘位移的扫描光信号进行检测并转换成表征光栅盘位移的电信号，所述扫描光信号携带有谐波分量，所述光电检测单元的几何结构包括第一边沿和第二边沿；所述第一边沿及第二边沿分别通过第一描述函数及第二描述函数进行描述，所述第一描述函数及第二描述函数均包括：一次函数的项、用于描述原信号分量的频率的第一三角函数的项、用于描述谐波分量的第二三角函数的项，所述光电检测单元通过所述第一描述函数与第二描述函数之差以消除谐波分量的项，而对所述谐波分量进行抑制。所述光电检测单元的几何结构用于对谐波分量进行抑制，因此能够有效地通过所述光电检测单元的几何结构对不想要的谐波分量进行滤波。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1所示为根据本发明一个实施例的光电编码器系统的示意图。

图2所示为直线形光栅的示意图。

图3所示为根据本发明第一个实施例中的多个光电检测单元的示意图。

图4所示为根据本发明第一个实施例中的单个光电检测单元的示意图。

图5所示为根据本发明第一个实施例中的两排光电检测单元的示意图。

图6所示为使用谐波滤除函数、倾斜度函数、中位线调整函数来设计得到如图3所示图形的原理示意图。

图7所示为根据本发明第三个实施例的光电检测单元的示意图。

图8所示为根据本发明第四个实施例的光电检测单元的示意图。

图9所示为根据本发明第五个实施例的光电检测单元的示意图。

图10所示为根据本发明第六个实施例的光电检测单元的示意图。

图11所示为根据本发明第七个实施例的光电检测单元的示意图。

图12所示为根据本发明第八个实施例的光电检测单元的示意图。

图13所示为使用谐波滤除函数、倾斜度函数、中位线调整函数来设计得到另一光电检测单元图形的原理示意图。

图14所示为使用谐波滤除函数、倾斜度函数来设计得到光电检测单元图形的原理示意图。

图15所示为使用谐波滤除函数、倾斜度函数来设计得到另一光电检测单元图形的原理示意图。

图16所示为使用谐波滤除函数、倾斜度函数来设计得到又一光电检测单元图形的原理示意图。

图17所示为根据本发明一个实施例的电机的电路原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下文中，若在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，若本发明涉及到术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

结合图1进行理解，本发明实施例提供的光电检测系统10包括：具有光源111和准直透镜112的扫描单元11，输出轴13，及与输出轴13同步旋转的具有狭缝141的光栅盘14，光电检测单元15及信号处理电路16，其中狭缝141为周期性布设的透光条纹，更具体地，周期性布设的条纹在光栅盘14上形成周期性排布的透明区域和不透明区域（“透明区域”即是上文所说的“狭缝”）。光栅盘14可以与输出轴13同步转动，经过光源111发出的光经过准直透镜112形成平行光，在光栅盘14转动的过程中，平行光透过光栅盘14会在光电检测单元15上形成周期性变化的条纹光斑（前文所称“扫描光信号”），光电检测单元15对扫描光信号进行检测即形成电脉冲信号，通过对电脉冲信号进行处理就能得到当前输出轴所转动的角度、圈数及转速等信息。

需要说明的是，扫描单元11并不限于由光源111和准直透镜112，还可以使用其他准直光源或者扫描光栅等，能够形成平行光即可，在此不作限制。光栅盘14也不一定跟随输出轴13同步转动，可以是光电检测单元15随输出轴13同步转动，只要光栅盘14与光电检测单元15之间形成相对位移，该相对位移即可用于测量输出轴与转动角度相关的各种信息。

光电检测系统10还可以是其他形态，或包括其他部件。例如，若光电检测系统用于检测水平位移大小及速度，则其包含光源、直线形光栅、光电检测单元及其他相应部件。本申请实施例不受限于光电检测系统10的具体形态。

光栅盘14上有M条狭缝141，光电检测单元15离转轴中心距离为R（此时将光电检测单元15视作一个点），则狭缝周期P为2πR/M。在优选实现方式中，狭缝形状为扇形或类扇形，其两条侧边最终相交于光栅盘圆心，而上下两条边的形状可以是标准圆弧。这种形状经过扇形-矩形变换后，可以从极坐标系图形变换为直角坐标系下的标准矩形，而业内常用的谐波抑制方法就基于形状为标准矩形的光栅狭缝进行。但由于实际使用中，光栅狭缝的长度一般大于光电检测单元15的尺寸，也就是说光栅狭缝上下顶端的两条边沿的形状不对投射到光电检测单元15上的光分布产生影响，故光栅狭缝上下顶端的两条边沿的形状可以是直线或其他曲线。此外，由于光栅盘上的狭缝很密集，因此单条光栅狭缝的长度尺寸远大于其宽度尺寸，故单条光栅狭缝可视作是矩形。即使在光栅盘中，使用矩形狭缝代替扇形狭缝，同样可以完成测量，只是谐波抑制效果稍差，并导致最后得到的基频分量强度稍弱。因此，光栅盘14中的狭缝141近似于扇形形状即可。光源111发出的光经过光栅盘14后，产生了周期为P的类方波状光波（并非标准方波状光波，是因为从单个周期看，光波形状为扇形或近似扇形），投射到光电检测单元15上。

当光电检测系统10用于检测水平位移大小及速度时，使用直线形光栅。参见图2，图2示出了一个直线形光栅14a。这种光栅通常用于测量平移位移，此直线形光栅具有狭缝141a，狭缝141a的周期P可以用L/M来计算，L为光栅总长度，M为狭缝总条数。光源透过直线形光栅14a后也形成方波状光波，投射到对应的光电检测单元上。

参见图3，光电检测单元15中包括多个光电检测单元，图3示出了其中4个光电检测单元151、152、153、154，分别输出传感器信号S1-S4。需注意的是，为了便于解释说明技术方案，对于配合光栅盘使用的光电检测单元，图3中所示的光电检测单元151、152、153、154形状与实际制作出来的光电检测单元的形状稍有不同，需经矩形-扇形后才得到实际制作的光电检测单元形状。实际操作中，一般通过数学表达式设计出如图3所示的图形，再经过矩形-扇形图形变换得到实际制作到光电检测单元上的图形。通过数学表达式设计出来的，是如图3所示以图形中心呈中心对称的细长状“豌豆荚”形，而经过矩形-扇形图形变换后，实际制作的光电检测单元形状是类“豌豆荚”形，即，在图4所示“豌豆荚”形状基础上稍有形变。这些是本领域技术人员的常用手段，故不赘述。而对于配合直线形光栅14a使用的光电检测单元，则直接通过数学表达式设计出如图3所示的图形（以图形中心呈中心对称的“豌豆荚”），无需进行矩形-扇形图形变换，即可制作到光电检测单元上。

传感器信号S1-S4相互之间一般具有固定的相位差，优选地，S1-S4中相邻的信号之间具有90度相位差，将S1-S4输入信号处理电路16进行处理，即可得到转轴的转动方位角、转动周期、转速等物理量。

若光电检测单元15并非配合光栅盘14使用，而是配合直线形光栅14a使用，则将S1-S4输入相应的信号处理电路进行处理，即可得到移动位移、速度等物理量及判断是否移动到某一特定位置。

为了简化描述，以下实施例，都针对如图4所示的以图形中心呈中心对称的“豌豆荚”的单个光电检测单元进行描述，此时投射到单个光电检测单元151上的光为标准的矩形光波。本领域技术人员能够理解，若光电检测单元15配合光栅盘使用，根据本申请实施例设计出来的单个光电检测单元，需经矩形-扇形变换后，再制作到光电检测单元15上。若光电检测单元15配合直线形光栅14a使用，则无需经矩形-扇形变换，可以直接制作到光电检测单元15上。矩形-扇形变换方法及其逆变换，即扇形-矩形变换，皆是图形变换领域的常用技术，用于将直角标系中的图形变换为极坐标系中的图形，在此不再赘述。美国专利US7268883B2亦提及一种具体算法可供参考。

参见图3，若W为光电检测单元151最宽处的宽度，d为相邻的光电检测单元（例如151和152）之间的最小间隙宽度，则应满足：

。

其中，P为光栅狭缝周期，N为一个光栅狭缝周期内单排所需要放置的光电检测单元数量，N为大于等于1的整数。

由于扫描光信号为方波，其可以展开为基频光波（基频分量）与奇数次谐波分量的叠加：

。

其中，A₀为方波按时间积分后的平均值，A_i为各谐波幅值，基频光波的角速度如下：

。

根据三角函数的正交关系，参考图4，若单个光电检测单元151在Y方向上的高度值h沿x轴呈以方式变化，则在方波的照射下，单个光电检测单元151输出的电信号除了基频分量不为零外，其他谐波分量皆为0。这就实现了对多次谐波分量的抑制或滤除。这是本领域进行谐波抑制的常用方式，故不赘述。

现有技术中，单个光电检测单元151在Y方向上的高度值沿X轴呈以方式变化的实现方式很复杂，需要分段进行，对每一段设置图形边沿的变化函数；若在几何结构的顶点出现锐角等难以制作的形状，或因传感器的空余部分太多、面积利用率低等原因，希望对图形进行调整时，需要重新选择图形边沿函数，因此调整效率很低。

在此，根据本发明一个实施例，提供一种简单易操作的图形边沿设定方法，使得容易对图形进行调整，能按具体需求得到满意的图形。

参见图4，根据本发明一个实施例，光电检测单元15几何结构的外边沿包括第一边沿L1和第二边沿L2，所述第一边沿L1及第二边沿L2分别通过第一描述函数及第二描述函数进行描述。也即是，本发明实施例提供的所述光电检测单元15，其几何结构包括两边沿，两边沿分别使用一个描述函数进行描述，而使其形成一个闭合的几何结构。

在使用描述函数对第一边沿L1和第二边沿L2进行描述时，描述函数在X轴与Y轴上的变量分别为x与y。当x取最小值时对应几何结构的顶点A，当x取最大值时对应几何结构的顶点B，随着x从最小值到最大值变化，y也连续变化，因而形成了两个顶点之间的曲线（在x、y取离散数值时，这一“连续变化”实际上为间隔很密的离散数值之间的“准连续变化”），故第一描述函数及第二描述函数分别形成两个顶点之间的第一边沿L1和第二边沿L2。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一描述函数及第二描述函数均包括：倾斜度函数、中位线调整函数以及谐波滤除函数。其中，谐波滤除函数用于保障对于任意x取值，第一描述函数与第二描述函数之间的差值呈方式变化；倾斜度函数用于给予单个光电检测单元一定姿态；中位线调整函数用于视需要对光电检测单元的形状中位线进行调整，从而对光电检测单元的外形轮廓进行微调。上述函数的一个优选实施例如下，其中，/>为第一描述函数，/>为第二描述函数：

(1)

(2)

其中，/P，P为光栅狭缝周期。/>即为方波光波中含有的基频分量的角速度。在本示例中，A₁ = 80，A₂= 5，P = 240，k= 2。

本领域技术人员能够理解，A₁、A₂实际上是一个与光电检测单元尺寸相关的常数，根据光电检测单元尺寸的不同而变化，本领域技术人员可以根据想要的光电检测单元尺寸和其他实际情况选择适当参数。一般来说，如果光电检测单元的尺寸是微米量级，则A₁、A₂也为微米量级；如果光电检测单元的尺寸是纳米量级，则A₁、A₂也为纳米量级。本申请文件中，示例性地将光栅周期P取值为240、256等无单位常数，这意味着光电检测单元的尺寸也是无单位常数，此时A₁、A₂也是无单位常数。这种取值仅为示例，以解释说明本实施例的技术方案。在实际应用中，可以根据P的实际尺寸值相应地调整A₁、A₂值。

在方程（1）、(2)中，kx为倾斜度函数，当k=0时，如图3所示的图形将退化为如图6中的（a）中两条X线所示图形，即整个图形的倾斜度为0。图3所示图形对应k≠0，此时图形具有明显的倾斜度，该倾斜度有助于在有限空间内更加密集地摆放光电检测器。此时，光电检测单元15为在Y方向上实际为偏离一个角度α设置，其中，0≤α＜90°，且：

(10)

H为光电检测单元154在Y方向上的高度，D为光电检测单元154在X方向上所占的实际宽度，即，在X坐标轴方向上x取值范围的最大值与最小值的差值。优选的，D=P/2，以使得透过光栅狭缝141投射下来的光正好覆盖单个光电检测单元，此时谐波滤除效果最好。其中，对于仅有单排光电检测单元151-154的光电检测单元15而言，光电检测单元154的高度H一般小于光栅高度的1/2，以保证光电检测单元151-154在光线最集中的地方。根据需要的H、D的数值，即可计算出合适的k值。根据经验，k的优选值范围为1-10。

需注意的是，虽然使用在x变化范围内进行单调变化的函数（例如kx）作为倾斜度函数，能很得到摆放密集的光电传感器，但倾斜度函数不限于此形式设计人员可以根据需要选择合适的倾斜度函数。根据需要，倾斜度函数可以为在x变化范围内进行非单调变化的函数，以得到具有特殊弯曲形状的单个光电传感器。另外，即使是选择在x变化范围内进行单调变化的函数，倾斜函数也不限于一次函数kx，而可以是其他形式的单调变化函数，以得到设计者想要的大致长条形但具边沿有更多形态变化的光电传感器。

又其中，在计算式(1)、(2)中，为中位线调整函数，它的作用是对几何结构的边沿L1、L2的形状进行调整。它的具体作用将结合图6进行说明。另外，还可以使用其他函数作为中位线调整函数，为了保持L1、L2线段能在顶点A、B处封闭性，该函数满足在x取最大值与最小值时y为0即可，例如，可取/>、/>或其他函数。设计者可以通过调整函数形式或其前面的系数，对光电传感器单元的形状进行调整。

又其中，在计算式(1)、(2)中，为谐波滤除函数。其作用是当计算式(1)与(2)相减时，能得到一个正比于/>的函数，则此时光电传感单元的高度在x的整个变化范围内呈现/>的变化形式。方波光波投射在具有此种高度变化的光电传感器单元15上，则单个光电检测单元151输出的电信号除了基频分量不为零外，其他谐波分量皆为0。这就实现了对多次谐波的抑制或滤除。谐波滤除函数也可以具有其他形式，在本实施例中，只要满足计算式(1)与(2)相减时，能得到一个正比于/>的函数即可。不同形式的谐波滤除函数也能对光电传感器单元的边沿进行调整。

继续参考图4，所述光电检测单元15沿方向延伸，而扫描光信号为从X方向进入所述光电检测单元。由于倾斜度函数采用了一次函数kx。

因此，单个光电检测单元151在y方向上希望的高度差，即可通过所述第一描述函数与第二描述函数之差，即是上述计算式(1)-(2)得到：

具体到图3所示的实施例中，光电检测单元151、152、153、154得到的对谐波分量进行抑制后的信号分别为：

(12)

(13)

(14)

(15)

其中，为常数。需要说明的是，系数/>和/>的作用分别是用来调整上述公式(1)和(2)的余弦函数和正弦函数的幅度。具体到光电检测单元15，/>和/>均包括有一次函数/>，因此能够确保所述光电检测单元15的几何结构为在Y方向上延伸，且系数k是是用来调整所述光电检测单元的斜率。系数/>可以调整单个光电检测单元151的宽度W，系数/>可以调整单个光电检测单元151的顶点A、B处的顶角大小。

参见图5，图5所示为光电检测单元15包括两排光电检测单元，第一排光电检测单元包括其中4个光电检测单元151、152、153、154，第二排光检测单元包括另外4个光电检测单元155、156、157、158。其中，第一排光电检测单元和第二排光电检测单元呈一夹角布置。

参见图6，图6是使用谐波滤除函数、倾斜度函数、中位线调整函数来设计得到如图3所示图形的原理示意图。

如图6中的（a）所示，X线分为上下两条，分别是谐波滤除函数与-对应的曲线；Y线为倾斜度函数kx对应的曲线；Z线为中位线调整函数对应的曲线。其中，A₁=55，A₂=15，k=5/3，P=256，/>。图6中的（a）中两条X线围起来的图形中，随着x取值的变化，上下两根X线之间距离随余弦函数变化，这是实现谐波抑制或滤除的根本原因。但实际中一般需要图形具有一定姿态以提高传感器面积利用率或简化后续运算算法，故不会直接使用图6中的（a）中两条X线围起来的图形。

由于余弦函数与正弦函数仅相位相差180度，故谐波滤除函数也可以是正弦函数。随着技术的发展，不排除上下两根X线之间距离随其他函数变化也可以实现一定程度、或一定方面的谐波滤除，此时可以直接用这一函数替代余弦或正弦函数，并使用本申请实施例所公开的形状调整方法来设计光电检测单元图形即可。

图6中的（b）中，上下两条X线分别对应kx+与kx-/>，也就是说，在曲线/>、-/>基础上分别加上kx，等效于给图6中的（a）中两条X线组成的图形加上了倾斜度，故能产生这种效果的函数称之为“倾斜度函数”。其中，图6中的（b）图形的中位线Y即为kx，该“中位线”含义是，在每个x取值点上，中位线Y到上下两根X线（图形上下外沿）的y方向距离分别为/>。

图6中的（c）中，Z线为在图6中的（b）中的Y线基础上加了后得到的曲线，它也是图形中位线，即，在每个x取值点上，线Z到上下两根X线的y方向距离分别为。可见，增加/>的效果在于，将图6中的（b）图形中的中位线Y进行微调，以此实现对图形外沿的微调。故能产生这种效果的函数称之为“中位线调整函数”。此时，图6中的（c）上下两条曲线X分别对应kx+/>与kx-/>。

图6中的（a）-6中的（c）中展示了一个示例，说明了根据本发明实施例的光电检测单元图形的调整原理。其原理在于，通过倾斜度函数使图形“立”起来或得到其他姿态，再通过取适当的中位线调整函数对图形中位线进行微调，从而使得图形边沿各段的曲率有所调整。用这种方法，设计人员可以根据想要图形的大致形态，选择一个合适的倾斜度函数以得到大体姿态，再通过选择合适的中位线调整函数对图形外沿曲线进行微调，直到得到想要的图形。一般来说，如果需要图形呈现“立”起来的形状，倾斜度函数为在x取值范围内呈单调变化的函数，该函数的变化快慢决定了图形“立”起来的程度。当x取值范围相对于x轴原点对称时，可以使用奇函数作为倾斜度函数。中位线调整函数视需要才使用，当谐波滤除函数与倾斜度函数结合就可以得到适当图形时，可以不用中位线调整函数。后续将结合图13-15给出倾斜度函数、中位线调整函数的一些其他示例。

在计算式(1)和(2)所示的优选实施例中，还可以调整参数A₁、A₂，以对图形进行微调。参见图7-12，说明计算式(1)和(2)中系数A₁、A₂对光电传感器形状的影响。

图7中，各个参数的取值为：k=1、、/>，P=268；图8中，各个参数的取值为：k=1、/>、/>，P=268；图9中，各个参数的取值为：k=1、/>、，P=268。

从图7-9不难得出，当其他系数不变的情况下，通过调整系数，能够很方便地调整顶角附近的平整度，在/>并保持不变的情况下，随着/>的值从5、10、20逐渐增大的过程，平整度是逐渐变差的，因此，通过所述第一描述函数/>及第二描述函数/>，即能够快速地得到希望的光电检测单元15的希望的平整度的几何结构，需要说明的是，当平整度较好时，所述光电检测单元15的加工会变得更加容易，多个光电检测单元15排列在一起时，空间利用率会更高。

图10中，各个参数的取值为：k=1、、/>，P=268；图11中，各个参数的取值为：k=1、/>、/>，P=268；图12中，各个参数的取值为：k=1、/>、，P=268。

从图10-12不难得出，当其他系数不变的情况下，通过调整系数，能够很方便地调整单个光电检测单元151的宽度W，能够得到希望宽度W的几何结构。

当其他系数不变的情况下，通过调整系数，能够很方便地调整宽度W，在并保持不变的情况下，随着/>的值从35、30、20逐渐变小的过程，宽度W是逐渐变窄的。随着宽度W变窄，光电检测单元的顶角大小迅速变为锐角，而锐角在制作中难以加工。因此，需选择适当的/>，使得顶点处的角度避开锐角，并得到希望的单个光电检测单元151宽度W。

参考图13-16，为使用其他形式的倾斜度函数及中位线调整函数的示例。

在图13中的（a）中，两条X线分别是谐波滤除函数与-对应的曲线；Y线为倾斜度函数/>对应的曲线；Z线为中位线调整函数/>对应的曲线。其中，A₁=55，A₂=15，P=256，/>。图13中的（b）中，上下两条X线分别为在/>与-/>上叠加倾斜度函数所得曲线；Y线与图13中的（a）中的Y线一致，为倾斜度函数/>对应的曲线，且实际上是图13中的（b）所示图形的中位线。可见，谐波滤除函数与倾斜度函数组合已经得到不错的图形，该图形的倾斜度与粗细适合多个图形横向叠放，也没有明显的尖角，这一图形即可使用。图13中的（c）中增加了中位线调整函数，线Z为中位线，比对图13中的（b）中的中位线Y线，可见中位线形态有了调整，这导致上下两根曲线的形态有了进一步变化。图13中的（c）所示图形也是一个适宜使用的图形。

在图14中的（a）中，两条X线分别是谐波滤除函数与-对应的曲线；Y线为倾斜度函数/>对应的曲线。其中，A1=55，P=256，/>。图14中的（b）中，上下两条X线分别为在/>与-上叠加倾斜度函数/>所得曲线；Y线与图14中的（a）中的Y线一致，为倾斜度函数/>对应的曲线，且实际上是图14中的（b）所示图形的中位线。图14中的（b）图形近似于矩形，在一定情况下也便于排布（使用该图形，则在一个光栅周期内单排只能包含两个光电检测单元。为了后续算法简便，一般希望光电传感器在一个光栅周期内包含四个光电检测单元，可以将图14中的（b）所示图形分两排排列，以满足这一要求；或者不追求后续算法简便，在每个光栅周期内只放置两个光电检测单元亦可），并且没有难以制作的尖角，也是个可以使用的图形。

在图15中的（a）中，两条X线分别是谐波滤除函数与-对应的曲线；Y线为倾斜度函数/>对应的曲线。其中，A₁=55，P=256，。图15中的（b）中，上下两条X线分别为在/>与-/>上叠加倾斜度函数/>所得；Y线与图15中的（a）中的Y线一致，为倾斜度函数对应的曲线，且实际上是图15中的（b）所示图形的中位线。图15中的（b）所示图形没有难以制作的尖角，是一种可用图形，还可以通过双排放置来实现在一个光栅周期内包含四个光电检测单元的优选做法。

在图16中的（a）中，两条X线分别是谐波滤除函数与-对应的曲线；Y线为倾斜度函数/>对应的曲线。其中，A₁=55，A₂=15，P=256，/>。图16中的（b）中，上下两条X线分别为在与-/>上叠加倾斜度函数/>所得；Y线与图16中的（a）中的Y线一致，为倾斜度函数/>对应的曲线，且实际上是图16中的（b）所示图形的中位线。图16中的（b）所示图形没有难以制作的尖角，并且图形上下两端一大一小，图形下方的空余区域正好容纳该图形上下翻转180度后得到的镜像图形中的较大一端。这样一对图形横向反复排布，可以提高排布密集性，还可以实现在一个光栅周期内包含四个光电检测单元的优选做法。

随着技术发展，光编传感器领域可能产生对光电检测单元形状和姿态的其他要求，这些都可以方便地通过本申请实施例所公开方法得到设计。

应能理解，以上各实施例中P的数值及各函数参数仅为示例性，根据本申请实施例中揭示的原理，技术人员可以根据实际使用的光栅周期P，以及需要的图形尺寸、排布方式和密度，来调整所使用的各函数参数。

一个实施例中，参考图17，本发明提供一种电机100，所述电机配置有光电检测系统10。

具体地，参考图1、3、13，所述光电检测系统10包括：具有光源111和准直透镜112的扫描单元11，输出轴13，及与输出轴13同步旋转的具有测量狭缝141的光栅盘14，光电检测单元15及信号处理电路16，其中狭缝141为周期性布设的透光条纹，更具体地，周期性布设的条纹在光栅盘14上形成周期性排布的透明区域和不透明区域（“透明区域”即是上文所说的“狭缝”），光栅盘14可以与输出轴13同步转动。扫描单元11中，经过光源111发出的光经过准直透镜112形成平行光，在光栅盘14转动的过程中，平行光透过光栅盘14在光电检测单元15上形成脉冲信号，通过计算脉冲信号的个数就能反映当前输出轴所转动的角度、圈数及转速等信息。

光电检测系统10还可以是其他形态，或包括其他部件。例如，若光电检测系统用于检测水平位移大小及速度，则其包含光源、直线形光栅、光电检测单元及其他相应部件。本申请实施例不受限于光电检测系统10的具体形态。

所述光电检测单元15用于对表征光栅盘14位移的扫描光信号进行检测并转换成表征光栅盘14转动位移的电信号，其中，所述光电检测单元15的几何结构包括第一边沿L1和第二边沿L2；所述第一边沿L1通过第一描述函数进行描述，所述第二边沿L2通过第二描述函数进行描述；所述第一描述函数及第二描述函数均包括：倾斜度函数、中位线调整函数以及谐波滤除函数，所述光电检测单元通过所述第一描述函数与第二描述函数之差以消除谐波分量，而对所述谐波分量进行抑制。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (13)

1.一种光电检测单元，其特征在于，

所述光电检测单元用于对表征光栅盘位移的扫描光信号进行检测并转换成表征光栅盘位移的电信号，所述光栅的狭缝周期为P，其中：

所述光电检测单元的几何结构包括第一边沿和第二边沿，所述第一边沿及第二边沿的两个顶点彼此重合以形成一个封闭图形；

所述第一边沿通过第一描述函数进行描述，所述第二边沿通过第二描述函数进行描述，或者所述第一边沿经扇形-矩形变换后通过所述第一描述函数进行描述，所述第二边沿经扇形-矩形变换后通过所述第二描述函数进行描述；

所述第一描述函数包括第一倾斜度函数及第一谐波滤除函数，所述第二描述函数包括第二倾斜度函数及第二谐波滤除函数，且第一描述函数与第二描述函数之差为与成正比的函数，其中/>/P，x为沿光栅周期方向所取的坐标值。

2.如权利要求1所述的光电检测单元，其特征在于，所述第一描述函数还包括第一中位线调整函数，且所述第二描述函数还包括第二中位线调整函数。

3.如权利要求1所述的光电检测单元，其特征在于，所述第一谐波滤除函数及第二谐波滤除函数为sin函数或者cos函数。

4.如权利要求3所述的光电检测单元，其特征在于，所述第一谐波滤除函数为，且第二谐波滤除函数为/>，且/>。

5.如权利要求2所述的光电检测单元，其特征在于，所述第一中位线调整函数及所述第二中位线调整函数均为sin函数或者cos函数。

6.如权利要求2所述的光电检测单元，其特征在于，所述第一中位线调整函数及所述第二中位线调整函数均为，且/>。

7.如权利要求1所述的光电检测单元，其特征在于，所述第一倾斜度函数及第二倾斜度函数均为在所述封闭图形的x取值范围内单调递增的函数。

8.如权利要求7所述的光电检测单元，其特征在于，所述封闭图形的x取值范围相对于x轴的原点对称，且所述第一倾斜度函数及第二倾斜度函数为在所述封闭图形的x取值范围内的奇函数。

9.如权利要求8所述的光电检测单元，其特征在于，所述第一倾斜度函数及第二倾斜度函数均为kx，且。

10.如权利要求1所述的光电检测单元，其特征在于，所述扫描光信号为从所述第一边沿进入所述光电检测单元，并从所述第二边沿出来，以对所述扫描光信号携带的谐波分量进行抑制。

11. 如权利要求1～10任一项所述的光电检测单元，其特征在于，所述第一描述函数为：

(1)

所述第二描述函数为：

(2)

其中，，/>。

12.一种光电检测系统，其特征在于，包括：

光源；

具有测量狭缝的光栅盘，所述光栅盘的狭缝周期为P；及

光电检测单元，所述光电检测单元与所述光栅盘之间能够形成相对位移，且所述光源通过所述相对位移在所述光电检测单元上投射用于对表征所述相对位移的扫描光信号，所述光电检测单元用于对所述扫描光信号进行检测并转换成表征所述相对位移的电信号；

其中，所述光电检测单元的几何结构包括第一边沿和第二边沿，所述第一边沿及第二边沿的两个顶点彼此重合以形成一个封闭图形，所述第一边沿通过第一描述函数进行描述，所述第二边沿通过第二描述函数进行描述，或者所述第一边沿经扇形-矩形变换后通过所述第一描述函数进行描述，所述第二边沿经扇形-矩形变换后通过所述第二描述函数进行描述；

所述第一描述函数包括第一倾斜度函数及第一谐波滤除函数，所述第二描述函数包括第二倾斜度函数及第二谐波滤除函数，且所述第一描述函数与第二描述函数之差为与成正比的函数，其中/>/P，x为沿光栅周期方向所取的坐标值；

处理电路，所述处理电路用于将所述电信号转换成所述相对位移。

13.一种电机，其特征在于，所述电机配置有如权利要求12所述的光电检测系统。