CN1896695B - 用于测量两个元件之间的相对位移的设备 - Google Patents

Abstract

提供一种用于成像型光学编码器的照明结构。当在该编码器读头中使用焦阑成像光学器件时，该照明结构生成标度盘和二位结构的均匀亮度图像。在一个实施例中，通过利用准直或准准直波束照明而在视场内形成预期的均匀辐照度分布，但是确保该照明是充分不相干的，从而抑制由该标度盘上的周期性结构导致的潜在的自成像。在一个实施例中，有效发射器大小对准直透镜焦距的比率落在一个选择范围内，从而确保视场内相对均匀的照明，并且仍然提供充分不相干的照明。在另一实施例中，在准直透镜上方设置散射体，其有助于即使在照明方向由于该读头和标度盘表面之间的未对准而导致相对于该标度盘变化时也能产生均匀照明。

Description

用于测量两个元件之间的相对位移的设备 

发明领域

本发明涉及成像型光学编码器，尤其是涉及一种照明结构，用于产生一维和二维标度盘(scale)的预期测量图像，该标度盘包括周期性标度盘。 

背景技术

已知有各种光学编码器，其使用具有相对简单的光学装置的读头，该光学装置包括透镜以便为读头中的光电检测器装置提供标度盘图案(scalepattern)的图像。这种系统使用不相干光在光学检测器上成像标度盘图案以测量该标度盘图案的相对或绝对位移，被称为成像型编码器。在授予Takagi等的美国专利5539519号中公开了一个这种系统，这里通过引用而全文结合。在该′519号专利中描述的系统包括具有周期性狭缝图案的编码板。光源照射该狭缝图案以形成初级条纹图像。一个透镜以给定的放大率投射该初级条纹图像以形成沿第二平面偏移的二级放大条纹图像。固定光接收单元通过第二平面上的固定周期性掩模图案(索引光栅(indexgrating))接收该偏移图像。已知有一些成像型光学编码器读头，其使用相对简单的光学装置，该光学装置还包括焦阑孔(telecentric aperture)。焦阑孔对于预期范围的目标距离提供相对恒定的放大率。 

用户一般希望该光学编码器的读头和标度盘，包括成像型光学编码器和位移传感器，尽可能的小型化。例如，更小的光学编码器更便于安装在各种应用装置中。然而，减少读头和标度盘的大小一般会使得它们的精度相对于杂质、对准和其它可以预见的工业环境中的变化而不够强。因而，当读头和标度盘的大小减小时，为了尽可能强地保持精度，该编码器设计的每个方面都变得更重要，包括成像系统、光学检测器系统和照明系统。特别地，与用于小型成像型光学编码器的照明系统相关的潜在问题和发展还未能得到正确的认识。 

发明内容

提供一种用于成像型光学编码器的照明结构。使用一维(1D)或二维(2D)标度盘特征的直接不相干成像的编码器或其它位移传感系统可以受益于在光学检测器上具有均匀辐照度(光功率/面积)的标度盘或目标图像，该光学检测器可以是常规的光电检测器阵列或2D照相机传感器等。例如，在这种情况下，在各种光电检测器元件上的信号幅度是相似的，这通常增强了位移测量精度。当通过相对较小的读头对周期相对较小的标度盘成像时，该因素变得相对更加重要，因为所得到的测量信号平均了更少的标度盘特征，因而会变得相对更容易由单个标度盘特征所产生的信号作用中的像差或变异而失真。而且，应当认识到，对于相对更均匀的图像，杂质或未对准(misalignment)遮掩或位移该图像的“高强度”部分的可能性将会更小，那样会导致测量信号的不成比例的量。如果这种“高强度”部分存在(在非均匀图像中)，那么如果它们被遮掩或位移，该测量精度就会不成比例地减少。 

该标度盘或目标照明是生成均匀图像的关键元件。对于使用焦阑成像系统的成像型光学编码器，最优的照明结构可以是使得从该标度盘或目标反射或散射的光在围绕光轴的视场(FOV)内具有恒定辐射率(每个单位投影面积的每个单位立体角的辐射功率)的一种照明结构。这与散射或反射光的Lambertian照度分布不同，即，相对于视场(FOV)内的角而恒定的亮度或辐射率，这是在许多常规成像装置中提供的。例如，Lambertian照度分布会导致光源在成像透镜上再次成像的情况(参见Koehlerillumination，如Modern Optical Engineering，p.471，Third edition，Warren Smith，McGraw-Hill，2000中所描述的)。在焦阑系统中，很难在各种环境下获得均匀的图像照明。 

因为要对周期性标度盘进行照明和成像，还会出现其它问题。该问题与照明的相干性有关。特别地，如果该照明是相干的或部分相干的，那么会在光学检测器上出现由于周期性标度盘而导致的自成像(也已知为Talbot图像)。虽然这种自成像被有意地用于某些光学编码器中，但是在成像型光学编码器中，完全形成或部分形成的自成像会干扰想要的“不相干”标度盘图像，并且干扰或破坏该成像型光学编码器的精度。因此，希望设计一种成像型光学编码器的照明系统，以使得该照明在视场内充分不相干。 

根据本发明的一个方面，当使用焦阑成像光学器件时，该照明结构生 成标度盘和二维(2D)结构的均匀亮度图像。 

根据本发明的另一方面，该照明结构在视场内产生充分不相干的照明，并且从而抑制了潜在的自成像。 

根据本发明的另一方面，在一个实施例中，一种用于在视场(FOV)内产生均匀照明条件的方法包括以准直或准准直(quasi-collimate)波束提供照明。这种准直波束可以通过在聚光透镜的焦面上放置相对较小的发光源发射元件(例如相对于该准直聚光透镜的焦距相对较小)而形成。一些LED具有相对于聚光透镜的焦距较小的有效发射元件(其可以包括或不包括LED灯透镜的效应)并且可以直接使用。如果需要的话，更大的光源可以先通过适当的针孔以提供具有减小尺寸的发射元件。理论上，该视场显著小于聚光透镜的直径。有效源或发射元件大小w对于透镜焦距f的比率与该照明波束的准直和相干度都有关。一般地，不希望该比率太大或太小。希望比率w/f落在确保视场内均匀照射并且充分抑制视场内的照明光相干的范围内。在各种实施例中，有利地使比率w/f落在如下所示的数学式5所指示的范围内。 

根据本发明的另一方面，在各个实施例中，当照明具有节距P的周期性标度盘结构时，使得该照明在视场内大于10*P的尺寸上不相干，或者更适当地为大于6*P，或者甚至更适当为大于P是有利的。 

根据本发明的另一方面，在各个实施例中，为了增强或确保视场内照明的均匀性，使比率w/f满足如下所示的数学式4中所表示的条件是有利的。 

根据本发明的另一方面，在各个实施例中，为了增强或确保视场内照明的均匀性，使成像视场的尺寸小于聚光透镜的通光孔径的直径，或者更适当地，实质上更少是有利的。 

根据本发明的另一方面，在各个实施例中，一种用于照明焦阑系统的方法包括在从准直或近似准直透镜发射的光路中设置散射体。通过对于散射体特性的正确选择，由于从透镜出射的光的准直特性和从散射体到标度盘的相对较小距离，这种结构可以产生均匀、散射的照明，该照明集中在仅比该准直或近似准直透镜的通光孔径略大的波束直径中。该结构对于未对准相对不灵敏，并且不倾向于相干人工效应，即使该光源和聚光器在光到达散射体之前提供高度准直。如果来自光源的光强度足够，并且如果希望该编码器读头的未对准对于检测器处的标定图像强度的幅度和均匀性具有最小效应，那么优选为该结构。如果希望未对准较小，并且如果该系统需要尽可能多的有用光强度，那么优选没有散射体的实施例。在具有散射体的实施例中，可以使用高增益散射体来产生一些准直传播的混合结构，但是使用Lambertian散射体也可以获得更高的准直传播。 

本发明提供一种用于测量两个元件之间的相对位移的设备，该设备包括：沿测量轴方向延伸的标度盘；读头，设计成被设置为具有位于到该标度盘的标定距离L处的照明透镜，并被设置为从该标度盘上的视场接收可操作的标度盘图像光，以及在该标度盘被照明时提供该标度盘的可操作图像，该读头包括：提供该标度盘的可操作图像的成像部件，该成像部件包括成像透镜；和为该视场提供照明的照明部件，该照明部件包括具有焦距f和通光孔径D的所述照明透镜和具有发射元件的光源。该光源被设置成使该发射元件的位置近似位于该照明透镜的焦平面上；该照明部件被配置成提供到该视场的照明是充分不相干的，使得在标度盘的可操作图像中自成像效应受到抑制，其中所述视场具有尺寸FOV，所述发射元件具有发射器尺寸w并且发射具有波长λ的辐射，并且所述照明部件被配置成使得w/f＞2.44*λ/(FOV/k)，其中k是至少为1的数字；以及，所述照明部件被配置成使w/f小于D/L。 

附图说明

通过参照以下详细说明并且结合附图，本发明的前述方面和许多伴随优点将会变得更容易认识和更好理解，其中： 

图1是沿线性编码器的测量轴的横截面示意图，示出了可以利用反射型标度盘操作的一个示例性读头的组合光学组件和光路； 

图2是普通单焦阑成像系统的示意图； 

图3是示出了用于描述根据本发明的成像型光学编码器照明结构的各种实施例的各种参数的示意图； 

图4是示出了在使用具有焦距不足的聚焦透镜的LED的光学系统的成像平面上的辐照度分布的示意图； 

图5是在使用具有过长焦距的聚焦透镜的LED的光学系统的成像平面上的辐照度分布的示意图； 

图6是示出了在使用具有适当焦距的聚焦透镜的LED的光学系统的成像平面上的辐照度分布的示意图； 

图7是示出了用于描述根据本发明的成像型光学编码器照明结构的其它实施例的各种参数的示意图，其中使用了散射体； 

图8是示出了通过散射体散射的预期类型的光线的示意图；和 

图9A和9B是示出了用于成像型编码器的各种照明结构的设计考虑的示意图。 

具体实施方式

图1是可以通过反射型标度盘光栅116操作的读头100的示意图，提供了一个成像型光学编码器的例子，其可以结合这里所公开的发明的照明系统特征。图1的视图是沿着近似平行于标度盘光栅116的测量轴的方向(即，该测量轴延伸入和延伸出该图的平面)，并且近似垂直于该读头成像系统和读头照明系统的光轴，并示出了该系统的组合光学组件和光路。在读头100的反射型结构中，一般将照明源114设置在反射型标度盘光栅116之上，同成像透镜123，布置成焦阑结构的孔121，和检测器组件122一样。读头100工作，以从上方照明该反射型标度盘光栅116。在本实施例中，照明源114以角度105照明标度盘光栅116，这仅仅是示例性而不是限制性的。来自照明源114的照明光137通过准直或准准直照明透镜136将可用的光学功率聚焦在标度盘光栅116平面上视场(FOV)尺寸150周围的限制照明区138中。所示照明透镜136被布置在距离标度盘光栅116的FOV的标定距离L处，如下面将要进一步描述的。该限制照明区138可以足够大以确保在该读头100和标度盘光栅116之间的间隙和各种未对准的预期容差范围上完全照明该FOV。 

在一个实施例中，该反射型标度盘光栅116包括周期性的光栅行和间隔。在各种实施例中，该光栅行被这样制造，即，使得反射或散射地反射来自照明源114的光137，并且透镜123聚焦该反射光139，从而在由检测器组件122接收的标度盘图像中提供相应的更亮区域。相反，在各种可替换实施例中，该间隔被制造成显著吸收光137、将其反射而离开光轴129，或者传输其以使其不被检测器组件122接收。因而该间隔在由检测器组件122接收的图像中提供暗区，其与由该反射或散射反射行提供的亮区形成强 烈对比。在各种示例性实施例中，该标度盘光栅结构包括基本为平面或扁平的行和间隔。在其它各个实施例中，该标度盘光栅结构包括炫耀光栅元件，其考虑光源光的入射角而设计，以提供和/或增强在由检测器组件122接收的标度盘光栅结构的图像中亮区和暗区之间的对比。在美国专利申请10/804636号中更详细地描述了该读头100和标度盘光栅116，这里通过引用而全文结合。 

图2是普通单焦阑成像系统200的示意图。该成像系统200包括标度盘目标210、成像透镜225、焦阑孔230、光轴280和检测器/图像平面240。孔径光阑230被沿着光轴280放置在成像透镜225的后聚焦面上。图2示出了一个典型的相应主光线270，其将各个目标点211沿平行于光轴280的方向设置在标度盘目标210上，并穿过孔230的中心。每个这种相应主光线270到达检测器/图像平面240上各自相应的图像点271。该孔230还允许每个这种相应的图像点271接收其它光线，该其它光线将各个目标点211设置在标度盘目标210上相应主光线270周围的相应光锥内(在角度α内)，如图2所示。 

如前所示，当每个相应图像点271为标度盘目标210在图像系统200的视场(FOV)250内具有相同标定反射性的部分提供相同的标定图像强度时，可以增强位置编码器的精度。当入射在标度盘目标210上的照明被配置成均匀时，图像系统200将以理想方式达到该条件，从而使得相同量的能量被包含在每个目标点211的相应光锥内被反射的可用照明光线中。可以认识到，焦阑孔径光阑230和沿光轴280的各个光学元件之间的间隔的大小决定了离开标度盘目标210的光线的角分散(角α)，该光线被成像透镜225收集以在检测器/图像平面240的每个相应图像点271上提供图像强度。 

对于小型成像型编码器，如前所述，当利用相干或部分相干光照射周期性标度盘目标时，由该周期性标度盘导致的自成像(也已知为Talbot图像)会出现在距离该周期性标度盘结构平面特定距离的自成像平面上，并且在这些平面之间会出现更弱或更模糊的自成像。即使将编码器读头初始安装在离该标度盘一定距离处以避免该自成像平面，该安装的干扰或标度盘的扁平度不足也足以会改变与该标度盘的距离，从而引入一定程度的自成像。在成像型光学编码器的情况中，完全形成或部分形成的自成像会干 扰所希望的“不相干”标度盘图像，并且破坏该成像型光学编码器的精度。因而，可以预期，为成像型光学编码器提供的照明不仅如前所述是相对均匀的，而且还在FOV上充分不相干，从而不会出现自成像。由于与小型成像型编码器相关的小尺寸和短光路长度，通常使用的照明源会导致相干效应，除非对于该照明结构进行特别注意。然而，通过遵循以下所述的特定设计关系，可以控制或消除这种潜在的相干照明效应。 

用于成像型编码器的另一照明考虑是功率需求。一般地，功率越低越好，假定该照明提供足够的图像亮度和对比度。因此，通常希望该照明光不被浪费。应当认识到，根据与图2相关的讨论，对于焦阑成像系统，从标度盘目标角α外部反射的照明将不会到达该检测器/图像平面，将被浪费。根据这一准则，希望得到平行于该成像系统光轴而反射的完全准直的照明。然而，完全准直的照明比更散射的照明更容易引起相干效应，如下面将更详细描述的。因而，在各种预期编码器照明特征之间存在冲突。以下列出的特定设计关系提供了在用于小型成像型编码器的这些各种特征之间的预期折衷。 

图3是根据本发明用于成像型光学编码器的照明结构300的第一实施例的示意图。该照明结构300包括布置成距离聚光透镜320一定距离L的标度盘目标310，和布置在与透镜320相距为焦距f、具有标定尺寸w的发射区域的照明源390。标度盘目标310上的FOV尺寸350由成像该标度盘目标310的光学系统(未示出)来限定。例如，该FOV可以由该成像光学器件的放大率和场阑大小(例如检测器尺寸)来限定。该FOV也可以基于该成像透镜的光学性能来限制。在这种情况下，可以提供机械或软件场阑来将该FOV限制到小于检测器尺寸的尺寸。以下将进一步讨论与小型成像型编码器的FOV相关的各种考虑。如下所述，在任一情况下，用于小型成像型编码器的照明光学器件可以为特定的FOV而有利地设定。 

忽略远离光轴的小角度误差，透镜320平面中的每个点将从完全角范围R内的发射区域接收光线。该角度R(以弧度)近似等于比率w/f。当透镜320被标定为准直透镜并且角R相对较小时，角β将近似等于角R。因而，在标度盘目标310上的FOV 350中的每个点将从完全角范围R内的发射区域接收光线，该角β将近似等于w/f。如前所述，对于小型成像型编码器，更低的功率需求通常是有利的，并且通常希望不浪费该照明光。而且，对 于焦阑成像系统，从标度盘目标角α外部反射的照明将不会到达该检测器/图像平面，从而将被浪费。因此，通常希望除了满足如下所述的各种设计条件之外，照明结构还应当提供尽可能小地(或者根本不)超过角α的角β，小到直到被其它设计考虑所允许的程度。 

关于前述的相干考虑，基于van Cittert-Zernicke定理，可以在透镜320的平面上估计标定的“相干程度”尺寸d(忽略远离光轴的小角度误差)，在该d上，来自照明源390的照明至少部分相干，该估计如下： 

$d=1.22\frac{\mathrm{\λ}}{(w/2f)}$ (数学式1) 

其中λ是照明源的标定波长，w和f分别是标定发射器尺寸和透镜焦距，如图3中所例示的。 

当透镜320被标定为准直透镜时，由于小型成像型编码器所特有的离开透镜320的光的近似准直特性和到FOV的相对较短的光路长度L，我们还可以通过尺寸d近似得到该FOV平面上的“相干程度”大小。为了避免相干照明，d必须小于FOV尺寸350。例如，可以希望d最多是FOV尺寸的四分之一，FOV尺寸的八分之一，或者更少。因此，可以希望小型成像型的照明系统这样配置： 

$\frac{w}{f}>2.44\frac{\mathrm{\λ}}{(\mathrm{FOV}/k)}$ (数学式2) 

其中FOV是标定FOV尺寸，k是至少为1的数字，并且优选地至少为4，更优选地至少为8，如果其它设计考虑允许的话。对于多数照明源，该源的输出光谱的平均强度加权波长可以被取为波长λ。然而，对于具有不规则输出光谱的源，有利地对于包括足够能量以产生显著的自成像效应的任何波长都满足数学式2、3和/或5(以下将要描述)的条件。 

关于抑制自成像，还会考虑标度盘目标310上FOV中的周期性标度盘结构的节距P。小光栅的模拟显示，利用相干照明对多于10个相邻行对的照明会产生实质上的干扰效应。因此，为了抑制或消除由FOV中的周期性标度盘结构导致的自成像，d应当最多为10*P或者更小。例如，对于一个好的设计界限，希望d最多为6*P，或者甚至为1*P或更小。因此，希望一种小型成像型的照明系统这样配置： 

$\frac{w}{f}>2.44\frac{\mathrm{\λ}}{(n*P)}$ (数学式3) 

其中n是最多为10的数字，优选地最多为6，更优选地最多为1，如果其它设计考虑允许的话。 

对于前面讨论的照明均匀性考虑，我们可以考虑与光源尺寸和照明光学结构相关联的模糊盘(blur disk)，该模糊盘在FOV上具有尺寸d_BLUR＝(w/f)*L。然后通过该模糊盘与透镜320的通光孔径D的折合部分(convolution)给出穿过FOV尺寸350的辐照度或强度分布，该折合部分通过FOV尺寸350采样。如果该模糊盘的大小d_BLUR小于FOV尺寸350和直径D，并且直径D充分大于FOV尺寸350，那么穿过FOV的辐照度将是近似均匀的。因此，在FOV上近似均匀照明所需的一组条件可以表示为： 

$\frac{w}{f}<\frac{\mathrm{FOV}}{L}<\frac{D}{L}$ (数学式4) 

其中FOV是标定FOV尺寸。对于图3中所示的结构，FOV尺寸350在理论上显著小于聚光透镜320的通光孔径直径D，如果其它设计考虑允许的话。例如，如果通光孔径直径D至少是该FOV尺寸的1.5倍将是有利的，如果其它设计考虑允许的话。 

根据前述考虑，通常不希望该比率w/f太大或太小。综上所述，当数学式2的表示被违反时，该源会近似为虚拟点源，并且相干效应和对于未对准的灵敏度会变成问题。当数学式3的表示被违反时，由周期性标度盘结构导致的自成像会干扰该编码器的检测器处的预期常规标度盘图像。当数学式4的条件被违反时，充分准直的不足会在视场350的边缘引起图像亮度的减少。由于这些原因，小型成像型编码器有利地使用例如图3所示的照明系统，配置成使得比率w/f落在如下式的范围内： 

$2.44\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(\mathrm{FOV}/k)}<\frac{w}{f}<\frac{D}{L}$ (数学式5) 

理论上，数学式3和4的表示的其它预期条件也将被满足。对于w/f的给定值，从数学式5的右手部分，也可以有利地表示为： 

$\frac{w}{f}*L<D$ (数学式6) 

该条件避免了在距离L为不合适的大值时发生的发射源的近再成像。对于图3中所示的结构，wL/f在理论上显著小于聚光透镜320的通光孔径直径D，如果其它设计考虑允许的话。在这种情况下，即使wL/f与FOV尺 寸近似相同，仍然可以提供穿过该FOV尺寸的近似均匀的照明。 

关于满足数学式4和/或5的条件，一些LED具有相对于该聚光透镜的焦距较小的有效发射元件(其可以包括或不包括LED灯透镜的效应)，并且可以直接使用。如果需要的话，更大的源可以首先被通过适当的针孔以提供具有减小尺寸的发射元件。 

前面已经讨论了准直、或者近似准直的照明结构，其中该发射器的有效平面(其可以包括限制孔，如果需要的话)被近似设置在聚光透镜的焦距处。相反，一种发射器的有效平面被从聚光透镜的焦距处移开的结构会引起离开该透镜的光的角分布和方向越过该透镜的孔并从而越过FOV而变化。对于发射器从透镜焦距位置的小偏离，这种结构可以允许额外的浮动以改变相干和准直程度。然而，从该透镜焦距的显著偏离通常将会导致不希望的不均匀照明，例如图4和5中所示。 

图4、5和6示出了通过各个照明结构的图像平面的视场的辐照度分布。图4示出了一种焦距短于该发射器到准直聚光透镜的距离的所不希望照明结构的结果。如图所示，产生了一个发射器的图像，其中由于覆盖该LED芯片中心的电极结构而导致在该分布中心的辐照度减小。因此，这种用于小型成像型编码器的照明结构产生了不均匀照明，是不合适的。 

图5是关于一种焦距长于该发射器到准直聚光透镜的距离的所不希望照明结构的辐照度分布500的示意图。如图5所示，在该分布中心的辐照度实质上高于该分布的外围。因此，这种用于小型成像型编码器的照明结构产生了不均匀照明，是不合适的。 

图6是关于一种焦距近似与该发射器到准直聚光透镜的距离相同的预期照明结构的辐照度分布600的示意图，并且该结构符合数学式4的条件。如图6所示，获得了预期的照明均匀性。 

图7是根据本发明用于成像型光学编码器的照明结构700的第二实施例的示意图。该照明结构700与照明结构300类似，包括布置在距离聚光透镜720为距离L处的标度盘目标710，其可以是准直透镜，以及具有标定尺寸w的发射器区域的照明源790。在标度盘目标710上的FOV尺寸750由成像该标度盘目标710的光学系统(未示出)的特性所限定。此外，该照明结构700包括被设置在聚光透镜720和标度盘目标710之间的散射体715。散射体715可以被用于帮助减少由于该照明系统光学元件相对于该标度盘 目标710的节距或滚动对准(roll alignment)的变化而导致的辐照度分布变化。这种未对准会使得在FOV内的照明分布偏移，导致在FOV中出现在照明分布边缘处的不均匀部分。散射体可以平滑和/或延伸该分布的边缘，减少由于这种未对准导致的FOV照明中的变化。由于从透镜720出射的光的准直或近似准直特性，以及所特有的从透镜720和散射体715到小型成像型编码器的标度盘目标710的相对较短的尺寸，该结构700可以在标度盘目标710处生成均匀散射的照明场，该场具有与透镜720的通光孔径的直径D近似相同的直径。可选地，该照明场可以是略大一些的，该数量依赖于该散射体的特性并结合从透镜720和散射体715到标度盘目标710的尺寸而确定。 

可以认识到，图7的照明结构700与图3的照明结构300类似，除了在准直透镜720之后的散射体715。在某些例子中，该照明结构700可以不如照明结构300有效，但是也对于未对准更不灵敏，更不倾向于相干人工效应。 

对于某些应用，如果来自源的光强度多于足够量，并且如果对于未对准的灵敏性是不希望的，那么相对于照明结构300，可以优选采用照明结构700。如果希望未对准较小，并且如果该系统需要尽可能有用的光强度，那么可以优选采用照明结构300。 

图8是示出了光通过散射体815散射的光学装置800的示意图。如上所述，散射体815可以帮助减少由于节距和/或滚动未对准而导致的照明分布的变化和/或不均匀。换句话说，当对准误差发生时，散射体815帮助确保能够维持均匀的辐照度分布。如图8所示，来自源(例如LED发射器)的光束892在点893通过散射体815以形成散射光束894。该散射体可以被这样设计或选择，即，使得该散射光束894将大部分或全部照明能量集中在预期的完全角范围β′内，如图8所示。并且，如图8示意性示出的，该散射体被优选地设计，使得每个点893提供标定的相同散射光的散射轮廓(scattering profile)。散射体815还被定位以接收标定均匀的光束892的分布。因此，对于每个散射光束894，被包含在角β′内的光线束标定地遵循相同的角强度分布和/或角辐射通量分布。从而，在标度盘目标810上的FOV中的每个点都会从提供照明的相应的散射光束894接收相同的光线分布。然后，由标度盘目标810反射的每个光束896也会近似地在完全角 范围β′上提供相同角强度分布，以按照预期而提供标定均匀的图像光。如前面参照图2所述，并且下面进一步参照图9A和9B，一个焦阑成像系统将“选择”光束896的在相对于成像系统的光轴成角α内对准的光线。应当认识到，如前所述，因为在标度盘目标810上的每个点处的反射光束896提供近似相同的角强度分布，所以当光轴相对于标度盘目标810未对准时，在相对于该未对准光轴的角α内接收的光将在FOV内保持均匀(至少当β′等于或大于α时)。因而，如图8所示，即使当发生未对准时，散射体815也能够帮助产生均匀照明。 

散射体对于其它目的也是有利的。例如，希望使用使其不能够达到参照数学式2-6所述条件的各种组件。例如，希望使用低成本或者能够构成相对更小的小型成像型编码器的组件。在这种情况下，散射体715可以干扰这些组件和/或结构产生的不希望的准直和相干，以提供希望的均匀照明，以及上面列出的其它好处。而且，如果产生潜在的漫射光和重象效应作为该成像光学器件及其支持装置结构的边界效应，那么可以通过散射该照明而减轻这种效应。 

关于角β′，一个设计考虑是，角β′应当足够大，从而通常沿着成像型编码器读头的成像部件的光轴，在该读头相对于标度盘目标810的预期未对准角的完全范围内提供反射成像光线。另一设计考虑是，如前所述，更低的功率需求通常对于小型成像型编码器是有利的，一般地，希望该照明光不被浪费。对于焦阑成像系统，从标度盘目标的角α之外反射的照明将不会到达该检测器/图像平面，从而将被浪费。因此，一般地，希望除了满足这里所述的各种其它设计条件之外，散射体应当提供尽可能小地超过角α、而又足够大以容纳预期的未对准范围的角β′。角β′可以通过适当地选择散射体815的特性来控制。各种光学组件厂家能够很容易地设计和提供具有相应于上述各种预期设计考虑的特性的散射体。作为一个例子，可以设计和制造常规设计的小型衍射光学元件以提供预期的散射体特性。作为另一个例子，由于角β′可以相对较小，所以具有适当表面粗糙度的均匀纹理散射体可以近似地提供预期特性。 

图9A和9B示出了与成像系统结合的照明系统的相关部件，以解释关于成像型编码器的照明结构的其它设计考虑。该考虑可以应用于具有或不具有散射体的结构。可以理解，图9A和9B所示的“透射(transmissive)” 结构可以是例如图1所示的“展开(unfolded)”反射成像型编码器结构的示意性表示。在图9A和9B中，任何散射体和图9A中的透镜920(或图9B中的920′)之间的间隔被忽略，并且在距离标度盘目标910为距离L处示意性显示了其中之一或两个组件，该距离与到图9A和9B中的标度盘目标910上的FOV的距离一致。角α与前面参照图2所述的角α相同，也就是说，在大于角α的角度处的光线不会有助于在焦阑成像系统200的图像平面处的强度分布，如图2所示。因此，以下讨论仅与角α内的光线相关。 

图9A示出了一种结构，其中FOV尺寸950小于通光孔径直径D减-Lα。因此，FOV中的每个点都是均匀照明的，也就是说，在角α的完全范围内接收照明并且在角α的完全范围内反射该照明以通过该焦阑成像系统透镜925投射标定均匀的照明图像。相反，图9B示出了一种非预期结构，其中FOV尺寸950′不小于通光孔径直径D减-Lα。特别地，在本特定示例中，该FOV尺寸950′等于通光孔径直径D。因此，在FOV边缘上的点被不希望地不均匀照明，即它们仅在角α的完全范围的一半内接收照明。类似地，仅在角α的完全范围的一半内标定地反射该照明，以通过该焦阑成像系统透镜925投射在其周边具有减少的照明的图像。因此，对于给定尺寸L和焦阑成像系统完全进入角α，除了符合如前所述的其它设计考虑，如果其它设计考虑允许的话，提供一种这样配置的照明系统是有利的： 

D＞FOV+(L*α)    (数学式7) 

在各个实施例中，一种照明结构可以满足上面所述的各种设计条件，分离地或者结合地，以在视场内提供近似均匀的照明。在各个实施例中，可以提供一种照明均匀性，以使得该辐照度分布在视场内最多变化15％、10％、5％或者甚至更少。当该成像系统包括具有完全进入角α的焦阑成像装置时，该照明均匀性可以包括对于每个等于或小于α的角，沿着相应角度提供到FOV的照明强度分布在视场内最多变化15％、10％、5％或者甚至更少。一般地，当上面所述的各种设计考虑被组合满足时，可以提供更好和/或更强的照明均匀性。 

虽然已经图解和说明了本发明的优选实施例，但可以理解，其中可以做出各种改变而不脱离本发明的精神和范围。 

Claims (20)

1.一种用于测量两个元件之间的相对位移的设备，该设备包括：

沿测量轴方向延伸的标度盘；

读头，设计成被设置为具有位于到该标度盘的标定距离L处的照明透镜，并被设置为从该标度盘上的视场接收可操作的标度盘图像光，以及在该标度盘被照明时提供该标度盘的可操作图像，该读头包括：

提供该标度盘的可操作图像的成像部件，该成像部件包括成像透镜；知

为该视场提供照明的照明部件，该照明部件包括具有焦距f和通光孔径D的所述照明透镜和具有发射元件的光源，

其中：

该光源被设置成使该发射元件的位置近似位于该照明透镜的焦平面上；

该照明部件被配置成提供到该视场的照明是充分不相干的，使得在标度盘的可操作图像中自成像效应受到抑制，其中所述视场具有尺寸FOV，所述发射元件具有发射器尺寸w并且发射具有波长λ的辐射，并且所述照明部件被配置成使得w/f＞2.44*λ/(FOV/k)，其中k是至少为1的数字；知

所述照明部件被配置成使w/f小于D/L。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述照明部件被配置成使提供到所述视场的照明具有在所述视场内最多变化15％的辐照度分布。

3.如权利要求2所述的设备，其中提供到所述视场的照明具有在所述视场内最多变化10％的辐照度分布。

4.如权利要求2所述的设备，其中提供到所述视场的照明具有在所述视场内最多变化5％的辐照度分布。

5.如权利要求2所述的设备，其中所述成像部件包括具有完全进入角α的焦阑成像装置，并且对于每个等于或小于α的角，沿该各个角提供到该视场的照明的辐照度分布在所述视场内最多变化15％。

6.如权利要求5所述的设备，其中对于每个等于或小于α的角，沿该各个角提供到该视场的照明的辐照度分布在所述视场内最多变化5％。

7.如权利要求1所述的设备，其中k至少为4。

8.如权利要求7所述的设备，其中k至少为8。

9.如权利要求7所述的设备，其中w/f小于FOV/L。

10.如权利要求9所述的设备，其中D至少为1.5*FOV。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述标度盘包括具有节距P的周期性光栅结构，并且所述照明部件被配置成使得w/f＞2.44*λ/(n*P)，其中n是至多为10的数字。

12.如权利要求11所述的设备，其中n至多为6。

13.如权利要求12所述的设备，其中n至多为1。

14.如权利要求1所述的设备，其中所述光源包括LED、被包含在LED透镜中的LED、和包含限制孔的光源中的一个。

15.如权利要求1所述的设备，其中所述成像部件包括具有完全进入角α的焦阑成像装置，并且所述设备被配置成使得L＜(D-FOV)/α。

16.如权利要求1所述的设备，其中所述照明部件还包括散射体，所述散射体被定位以从所述照明透镜接收光并为所述视场提供照明。

17.如权利要求16所述的设备，其中D至少为1.5*FOV。

18.如权利要求16所述的设备，其中提供到所述视场的照明具有在所述视场内最多变化5％的辐照度分布。

19.如权利要求16所述的设备，其中所述成像部件包括具有完全进入角α的焦阑成像装置，并且对于每个等于或小于α的角，沿该各个角提供到该视场的照明的辐照度分布在所述视场内最多变化15％。

20.如权利要求19所述的设备，其中对于每个等于或小于α的角，沿该各个角提供到该视场的照明的辐照度分布在所述视场内最多变化5％。

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