TWI663845B - 光學編碼裝置及方法 - Google Patents

Abstract

一種裝置包括：光調變器，其被配置用以回應於第一電信號和參考光信號而產生第一及第二調變光信號。該裝置還包括：相位檢測器，被配置用以接收第一及第二編碼光信號以及第一及第二調變光信號，並產生指示第一及第二編碼光信號與第一及第二調變光信號之間的相位差的第二電信號。該裝置還包括被配置用以回應於第二電信號而產生電脈波的電壓控制振盪器以及被配置用以對電脈波的數量計數的計數器，從而產生計數。到光調變器的第一電信號是計數或計數的導數。

Description

光學編碼裝置及方法

本發明關於用於光學編碼器之高解析度內插器。本申請案主張2016年10月24日申請之美國第15/332,615號非臨時申請案的優先權，其全部內容如同以下所述且針對所有可應用目的於此透過引用併入本文。

光學編碼器用於與線性或角運動有關的位移測量。典型的光學編碼器採用將光束朝碼輪(code wheel)或碼帶(code strip)投射的光源。碼輪或碼帶的移動「編碼」光束，隨後由光檢測器接收。光檢測器將編碼的光轉換成電信號或碼，其由用於位置位移測量的電路來處理。在絕對編碼器中，編碼器的每個輸出對應於碼輪或碼條的唯一位置。在增量式編碼器(incremental encoder)中，編碼器的輸出是一個計數或一列脈波。

內插器是光學編碼器的重要組成，因為它們提高了光學編碼器的準確度和解析度。內插器的解析度和 頻率響應直接影響光學編碼器的解析度。一些基於TTL(電晶體-電晶體邏輯)比較器或ADC(類比數位轉換器)的傳統內插器不能為高速系統提供足夠的解析度。例如，它們可具有大約50的最大內插因子。基於正交電鎖相迴路(quadrature electrical phase-locked loop(QEPLL))的內插器可提供大約70的內插因子。然而，基於QEPLL的內插器通常需要ROM(唯讀記憶體)和查找表來產生參考波形，這需要大的晶片或電路板面積，因此不具有成本效益。這些領域的改進是需要的。

及

[0013] 以下揭露提供了用於實現所提供之發明標的的不同特徵的許多不同實施例或示例。以下描述組件和配置的具體示例以簡化本發明。當然，這些僅僅是示例且並不意圖限制。本發明所屬之技術領域之人士通常會想到對本發明的原理的所述裝置、系統、方法及任何進一步應用的任何改變及進一步修改。舉例來說，關於一實施例所描述的特徵、組件及/或步驟可以與關於本發明的其他實施例所描述的特徵、組件及/或步驟結合以形成根據本發明之裝置、系統或方法的又一實施例，儘使此種組合未被明確顯示。此外，為了簡單的緣故，在一些例子中，貫穿圖示使用相同的參考標號來指相同或相似的部件。 　　[0014] 本發明大致關於光學編碼器和光學編碼方法。更具體來說，本發明關於用於增量式光學編碼器的新且改進的內插器。除電子組件之外，各種實施例在鎖相迴路(PLL)中採用光調變器。因此，PLL是準光學的(或準電的)。此種新穎的PLL提供高頻率響應和雜訊排除(noise rejection)，並改善了內插器的內插因子。此外，相較於現有電內插器中的ROM和查找表，此新穎的PLL設計在某些應用中可使用較少晶片或電路板面積。因此，一些實施例可以比其對應物更經濟地製造。 　　[0015] 參照圖1，其中顯示根據本發明之態樣所建構的光學編碼器(或光學編碼系統)100中的某些組件的示意圖。在簡要概述中，光學編碼器100的本實施例包括光源11、可以是碼輪或碼帶的編碼設備16、以及內插器15。內插器15包括準光學PLL(QOPLL)，其具有以閉環連接的光調變器14、相位檢測器(PD)13、迴路濾波器(LF)7、電壓控制振盪器(EVCO)8及可逆計數器9。光學編碼器100可以包括圖1中未顯示的其他組件，例如電源電路、介面電路以及本領域已知之其它適合的組件。 　　[0016] 在操作中，光源11朝編碼設備16投射一個或多個光束，編碼設備16接著輸出光信號S _Ai、S _Bi及S _ref。光信號S _Ai和S _Bi由編碼設備16編碼，而光信號S _ref保持未編碼。此外，在本實施例中，光信號S _Ai和S _Bi相位差90度。內插器15接收並處理光信號S _Ai、S _Bi及S _ref。更具體而言，光調變器14用電輸入信號θ _CNT調變光信號S _ref並產生兩個調變光信號S _Ar及S _Br。在本實施例中，光信號S _Ar及S _Br也相位差90度。具有光檢測器的相位檢測器13檢測光信號S _Ai與S _Br之間(或S _Bi與S _Ar之間)的相位差。內插器15中的迴路被設計成使此相位差最小化。換言之，當QOPLL達到穩定的操作狀態時，光信號S _Ar及S _Br中的相位追蹤(或鎖定)光信號S _Ai及S _Bi的相位。因此，來自EVCO 8的輸出V _{o_up}及V _{o_down}成為光信號S _Ai及S _Bi的內插電信號。相較於現有的基於QEPLL的內插器，內插器15可以被建構得更緊密，卻提供更高的頻率響應。每個上述組件的詳細結構和操作進一步討論如下。 　　[0017] 在一實施例中，光源11包括發光二極體(LED)。在另一實施例中，光源11包括產生同調光(coherent light)的半導體雷射。由光源11產生的光的波長或光譜與PD 13中的編碼設備16、光調變器14及各種光檢測器兼容。光源11還可以包括一個或多個準直光學元件(collimating optics)(例如，在透光光學編碼器中)或一個或多個聚焦光學元件(例如，在反射式光學編碼器中)。 　　[0018] 編碼設備16可以在光源與內插器15之間角度地移動(例如透過碼輪的旋轉運動)或線性移動(例如，透過碼條的線性運動)。此外，編碼設備16對於由光源11所產生的光可以是透射的或反射的。根據本發明的態樣來建構的具有透光編碼設備16的光學編碼器100的示例繪示於圖2。根據本發明的各態樣建構之繪示圖3中具有反射編碼設備16的光學編碼器100的另一示例。 　　[0019] 參照圖2，其中繪示了根據一實施例之具有透光編碼設備16的光學編碼器100中的一些組件的透視圖。編碼設備16(例如，碼輪或碼帶)包括至少兩個軌道Tr1和Tr2。軌道Tr1具有分別由白色和黑暗空間指示的替代透光(light transmissive)及不透光(opaque)區域(或條紋)。每個透光和不透光區域沿運動方向126具有寬度「D」。透光和不透光區域形成周期為「2D」的周期性圖案。 　　[0020] 進一步繪示於圖2中的是相位檢測器(PD)13的局部視圖。PD 13包括兩個光檢測器，PDA _i及PDB _i。此處，「A」和「B」表示此單軌雙通道光學編碼器中的通道A及通道B，而「i」表示編碼信號「輸入」到內插器15(圖1)。光檢測器PDA _i與PDB _i並排排列，每個寬度為半個D(D/2)。在一實施例中，每個PDA _i及PDB _i包括光二極體陣列。 　　[0021] 由光源11產生光束121，準直(例如透過透鏡)並且導向軌道Tr1。當編碼裝置16移動時，到達光檢測器PDA _i和PDB _i的光束被中斷(或「編碼」)。在圖2中，到達光檢測器PDA _i的光束表示為S _Ai，而到達光檢測器PDBi的光束表示為S _Bi。當編碼設備16移動時，光束S _Ai和S _Bi的強度根據光檢測器PD _Ai和PD _Bi分別被不透光條紋覆蓋多少區域而變化。基於如上所述的Tr1和光檢測器PDA _i和PDB _i的配置，光信號S _Ai和S _Bi被設計成相位相差90度。 　　[0022] 仍然參照圖2，軌道Tr2不具有不透光區域。換言之，對於整個編碼長度，軌道Tr2總是透光的。光束122由光源11產生並導向軌道Tr2。光束121和122可以是相同準直光束的不同小射束(beamlet)。光束122通過軌道Tr2且變成光信號S _ref。 　　[0023] 參照圖3，其中繪示了根據一實施例之具有反射編碼設備16的光學編碼器100中的一些組件的透視圖。編碼設備16(例如，碼輪或碼帶)包括兩個軌道Tr1及Tr2。軌道Tr1具有分別由白色和黑暗空間指示的替代光反射及吸收區域(或條紋)。軌道Tr2沒有光吸收區域。換言之，軌道Tr2對於整個編碼長度總是反射的。反射編碼設備16的其他態樣與圖2中透光編碼設備16所討論的相同。準直光束121及122可以透過光源11的適當光學元件聚焦。為了單純起見，在圖3中不顯示光檢測器PDA _i及PDB _i。當編碼設備16沿著方向126移動時，光信號S _Ai和S _Bi可以被周期性地中斷或調暗，從而光學「編碼」編碼設備16的移動。在本實施例中，軌道Tr1及光檢測器PDAi和PDBi被配置為使得光信號S _Ai和S _Bi相位相差90度。 　　[0024] 參考圖4，其中顯示根據本發明的態樣而建構的光調變器14的實施例。光調變器14包括電壓控制光調變器10、除法器17以及光耦合器或分光器12。光調變器14接收參考光信號S _ref，並回應於該光信號S _ref及輸入電信號θ _CNT產生兩個調變光信號S _Ar及S _Br。這裡，「A」和「B」分別表示通道A及通道B，且「r」表示輸入到內插器15(圖1)的「參考」信號。在所顯示的實施例中，在用於調變光信號S _ref之前，輸入信號θ _CNT被(在除法器17中)正整數「N」除。整數N是內插器15的內插因子，且可以根據期望的解析度和準確度來設計。除法器17可以用邏輯閘、正反器及/或其他電路元件來實現。在本實施例中，電壓控制光調變器10是數位控制的光強度調變器。在另一實施例中，調變器10是一種馬赫任德光調變器(March-Zehnder optical modulator，MZM)。因此，在以下的討論中它也可以被稱為MZM 10。然而，注意到，調變器10的實施不侷限於馬赫任德類型的調變器。 　　[0025] 根據本實施例，調變器10使用數位輸入(θ _CNT)來調變光信號S _ref，從而產生調變參考光信號S _mod。例如，它首先藉由將該n位元的二進制信號分配給n個偏壓電壓，每個位元對應一個偏壓電壓，而將n位元的二進制輸入轉換成類比信號。接著它在電極上施加偏壓電壓，其因光信號S _ref通過調變器10而造成光信號S _ref中的相移。調變器10的輸出S _mod處的累積相移Df隨時間與輸入偏壓電壓的總和成正比。換言之，Dfµ òv(t)dt，其中v(t)是偏壓電壓。在一實施例中，調變器10將相移Df轉換成光信號輸出S _mod中的強度變化。 　　[0026] 圖5繪示作為相移Df的函數的強度變化的曲線20。光信號S _mod的強度在最小強度I _m與最大強度I _M之間變化。在本實施例中，根據一實施例，強度作為相移Df的正弦函數而變化。在相位軸下標記的是n位元二進制輸入q _CNT/N的值。舉例來說，當n位元全部為0時，相移Df為p；當n位元全部為1時，相移Df為2p等等。標號V ₀、V ₁、….、V _n分別表示由調變器10施加的偏壓電壓，其分別對應於位元-0、位元-1、...、位元-n。 　　[0027] 調變器10的一些實施可以在美國專利4,288,785中找到，該專利透過引用併入本文。例如，調變器10可以設計成類似於'785號專利的圖3及5-8中所示的光調變器。 　　[0028] 再次參見圖4，調變的光信號S _mod被饋送到將S _mod分成兩個光信號S _Ar和S _Br的光耦合器/分光器12。信號S _Br的光路徑還包括p/2的光學延遲。因此，光信號S _Ar和S _Br相位差90度。在一實施例中，光耦合器/分光器12是3dB定向耦合器(directional coupler)。 　　[0029] 參見圖6，其中顯示根據本發明的態樣建構的PD13的示意性方塊圖。PD13包括四個光檢測器，PDA _i、PDB _i、PDA _r及PDB _r。每個光檢測器可以包括光二極體、光電晶體(photo transistor)、光閘(photo gate)、光伏電池或其他類型的光電轉換器。每個光檢測器能夠檢測光信號並將該光信號轉換成電信號。光檢測器PDA _i及PDB _i分別用於接收編碼的光信號S _Ai和S _Bi，並將它們分別轉換成編碼的電信號S _AEi和S _BEi。光檢測器PDA _r及PDB _r分別用於接收調變的參考光信號S _Ar及S _Br，並分別將其轉換成調變的參考電信號S _AEi及S _BEr。 　　[0030] 已經參照圖2討論了光檢測器PDA _i及PDB _i的某些態樣。在一實施例中，光檢測器PDA _i及PDB _i是其上具有光柵(grating)結構的光二極體，以增加個別光檢測器的量子效率。此種設計的一個考量是光學編碼器100的解析度取決於光檢測器PDA _i及PDB _i的靈敏度，因為它們是用於在編碼電信號S _AEi及S _BEi中產生相位差之機制的一部分。此外，由於光束在到達光檢測器PDA _i及PDB _i(例如參見圖2)之前穿過各種光學器件及編碼設備16，所以編碼的光信號S _Ai及S _Bi中的光強度可能不是理想的。因此，可能期望光檢測器PDA _i及PDB _i具有光柵結構(未顯示)以增強其上的光接收。或者，光檢測器PDA _i及PDB _i可以採用其他類型的光學增強結構，例如圓錐體、柱體、金字塔、量子點等。 　　[0031] 相較之下，光檢測器PDA _r及PDB _r可以比光檢測器PDA _i及PDB _i相對更自由地設計。舉例來說，光檢測器PDA _r及PDB _r不必並排配置，因為光調變器14已經將相位差嵌入到光信號S _Ar及S _Br中。此外，光檢測器PDA _r及PDB _r可以設置在光調變器14附近。因此，它們可能不需要光柵或其他類型的光學增強結構以便正確地接收光信號S _Ar及S _Br。在一實施例中，光檢測器PDA _r及和PDB _r以及光調變器14製造於同一晶片上以進一步增加整合度。 　　[0032] 仍然參見圖6，PD13還包括兩個乘法器5A和5B以及減法器6。兩個乘法器5A和5B可以用邏輯閘、運算放大器、電晶體及/或其他電路元件來實施。減法器6可以使用邏輯閘、電晶體、運算放大器、加法器及/或其他電路元件來實施。在本實施例中，乘法器5A將通道A編碼的電信號S _AEi和通道B調變的參考信號S _BEr相乘並產生相乘後的電信號S _A。類似地，乘法器5B將通道B編碼的電信號S _BEi和通道A調變的參考信號S _AEr相乘並產生相乘後的電信號S _B。減法器6從信號S _B中減去信號S _A，並產生輸出電信號V _pe。信號V _pe可以用編碼信號(S _AEi和S _BEi)及調變參考信號(S _AEr和S _BEr)中的相位資訊表示，如下所述。 　　[0033] 在本實施例中，各種模組被設計為使得信號S _AEi、S _BEi、S _AEr及S _BEr是正弦信號。此外，信號S _AEi和S _BEi相位相差90度且信號S _AEr和S _BEr相位相差90度。因此，他們可以表示如下： 在上面的等式(1)-(4)中，相位q _i是由編碼的電信號S _AEi及S _BEi攜帶的相位，且相位q _o是由調變的電信號S _AEr及S _BEr攜帶的相位。乘法信號S _A和S _B可以表示如下： 從等式(7)中可以看出，輸出V _pe攜帶編碼信號S _AEi和S _BEi與調變參考信號S _AEr和S _BEr之間的相位誤差(或相位差)f _E的資訊。 　　[0034] 再參見圖1，信號V _pe被饋送到迴路濾波器(LF)7。在本實施例中，迴路濾波器7是具有低截止頻率的低通濾波器，用於濾除信號V _pe中的高頻分量。由於V _pe僅攜帶編碼信號與調變參考信號之間的相位誤差，因此可以獨立於編碼信號S _AEi和S _BEi或調變參考信號S _AEr和S _BEr的頻率來決定迴路濾波器7的參數。迴路濾波器7可以使用邏輯閘、運算放大器、電阻器、電容器及/或其他電路元件來實施。當相位誤差f _E足夠小時，來自迴路濾波器7的輸出信號e(t)可以表示如下： [0035] 信號e(t)被饋送到EVCO 8。回應於信號e(t)，EVCO 8產生電脈波，其可以是方波脈波或正弦脈波。EVCO 8的輸出是光學編碼器100的內插信號輸出。EVCO 8可以用本領域已知的電阻器、電容器、變容器(varactor)、二極體、運算放大器、電晶體及/或其他電路元件來實施。在本實施例中，EVCO 8是電壓頻率轉換器且信號e(t)被施加到EVCO 8的輸入電壓。回應於信號e(t)，EVCO 8產生兩列脈波V _{o_up}和V _{o_down}，分別表示遞增(incrementing)及遞減(decrementing)。例如，V _{o_up}上的脈波可指示順時針方向遞增1，而V _{o_down}上的脈波可指示逆時針方向遞增1(這與順時針方向遞減1相同)。在另一實施例中，EVCO8產生兩列脈波V _o和V _dir(圖1中未標出)，分別表示遞增及方向。例如，V _o上的脈波可能會增加順時針計數或逆時針計數，取決於V _dir的值。來自EVCO 8的脈波列被發送到外部電路(未顯示)以供進一步處理。 　　[0036] 來自EVCO 8的脈波列也被發送到可逆計數器9。可逆計數器9可以使用邏輯閘、正反器、電晶體及/或其他電路元件來實施。取決於輸入V _{o_up}和V _{o_down}，可逆計數器9向上或向下計數。如參照圖4所討論者，可逆計數器9的值q _CNT被饋送到光調變器14以調變參考光信號S _ref。相位q _o與q _CNT之間的關係可以表示如下： 在等式(9)中，數字N是內插因子而且也是圖4中除法器17的除數。 　　[0037] 有效地，PD13、LF7、EVCO8、可逆計數器9和光調變器14形成鎖相迴路，編碼信號S _AEi和S _BEi與調變參考信號S _AEr和S _BEr之間的相位誤差f _E透過該鎖相迴路被最小化。由於PLL包括迴路中的光學組件和電組件，因此它是一個準光學PLL(QOPLL)。當QOPLL達到穩定的操作狀態時，光信號S _Ar和S _Br中的相位追蹤(或鎖定)光信號S _Ai和S _Bi的相位。對於它們的電對應物也是如此，即電信號S _AEr和S _BEr中的相位追蹤(或鎖定)電信號S _AEi和S _BEi的相位。光學編碼器100的實施例可以提供優異的雜訊抑制能力且能使用於各種應用中，諸如用於高準確度伺服機構的控制器和具有高速數值控制(numerically controlled)運動的機器。 　　[0038] 參見圖7-9，其中，顯示根據本發明各態樣之用於執行光學編碼的方法200。方法200可全部或部分透過光學編碼器100或與光學編碼器100一起實施。應理解，可在方法200之前、期間和之後提供額外操作，而且所描述的一些操作可被替換、消除或移動以獲得該方法的額外實施例。方法200僅僅是一個示例，並不意圖將本發明侷限於申請專利範圍中明確記載的範圍之外。以下需要時結合圖1-6討論方法200。 　　[0039] 在操作202，方法200(圖7)產生來自光源的第一及第二編碼光信號及未編碼參考光信號，其中第一與第二編碼光信號相位差90度。使用光學編碼器100(圖1)作為示例，方法200使用光源11及編碼設備16的軌道Tr1來產生第一及第二編碼光信號S _Ai和S _Bi。為了進一步舉例，方法200使用光源11及編碼設備16的軌道Tr2來產生參考光信號S _ref。 　　[0040] 在操作204，方法200(圖7)用電信號調變未編碼的參考光信號，從而產生調變的參考光信號。使用光調變器14(圖4)作為示例，方法200使用數位控制光調變調變器10以電信號θ _CNT或θ _CNT的導數來調變參考光信號S _ref。例如，θ _CNT的導數可以是θ _CNT的除以N(divided-by-N)版本，其中，N是大於1的整數。 　　[0041] 在操作206，方法200(圖7)從調變參考光信號產生第一及第二調變光信號，其中第一與第二調變光信號相位差90度。仍然使用光調變器14(圖4)作為例子，方法200使用1×2光耦合器/分光器12來產生相位差90度的第一和第二調變光信號S _Ar和S _Br。 　　[0042] 在操作208，方法200(圖7)分別將第一及第二編碼光信號轉換成第一及第二編碼電信號。在操作210，方法200(圖7)分別將第一及第二調變光信號轉換成第一及第二調變電信號。使用相位檢測器13(圖6)作為示例，方法200使用四個光檢測器PDA _i、PDB _i、PDA _r及PDB _r將光信號S _Ai、S _Bi、S _Ar及S _Br分別轉換成電信號S _AEi、S _BEi、S _AEr及S _BEr。 　　[0043] 在操作212，方法200(圖8)將第一編碼電信號與第二調變電信號相乘，從而產生第一相乘後的電信號。在操作214，方法200(圖8)將第二編碼電信號與第一調變電信號相乘，從而產生第二相乘後的電信號。仍然使用相位檢測器13(圖6)作為示例，方法200使用乘法器5A將信號S _AEi與S _BEr相乘以產生相乘後的信號S _A，並使用乘法器5B將信號S _BEi與S _AEr相乘以產生相乘後的信號S _B。 　　[0044] 在操作216，方法200(圖8)從第二相乘後的電信號中減去第一相乘後的電信號，從而產生第二電信號。仍然使用相位檢測器13(圖6)作為示例，方法200使用減法器6從信號S _B中減去信號S _A，產生電信號V _pe，其攜帶編碼信號與調變信號之間的相位誤差。 　　[0045] 在操作218，方法200(圖8)從第二電信號導出第一電信號，使得第一調變電信號追蹤第一編碼電信號。使用光學編碼器100(圖1)作為示例，方法200從信號V _pe導出信號θ _CNT，使得調變信號S _AEr和S _BEr追蹤編碼信號S _AEi和S _BEi。圖9顯示根據一實施例的操作218，其包括四個子操作230、232、234及236。 　　[0046] 參見圖9，在子操作230處，方法200使用諸如LP 7(圖1)的低通濾波器對第二電信號濾波，從而產生經濾波的第二電信號。LP 7濾除第二電信號的高頻分量並允許其低頻分量通過。在子操作232處，方法200回應於經濾波的第二電信號使用諸如EVCO 8的電壓控制振盪器產生電脈波。在子操作234處，方法200使用諸如可逆計數器9的可逆計數器來計數電脈波的數量，從而產生計數。在子操作236處，方法200將該計數除以正整數，從而產生第一電信號。 　　[0047] 儘管不意旨限制，但是本發明的一或多個實施例提供提供許多益處予光學編碼器或內插器。舉例來說，本發明的實施例提供一種新穎的準光學(quasi-optical)(或準電(quasi-electrical))PLL(QOPLL)。各種實施例提供高頻響應和雜訊抑制，並改善內插器的內插因子。根據本發明實施例的內插器可以在一些應用中提供比傳統內插器多兩倍的插值因子。此外，一些實施例不使用與現有電內插器中的ROM及查找表一樣多的晶片或電路板面積。因此，此種實施例可以比傳統的對應物更經濟地製造。這可以導致具高解析度的緊湊且具成本效益的光學編碼器。 　　[0048] 在一個示例性態樣中，本發明針對一種裝置。該裝置包括光調變器，其被配置為回應於第一電信號及參考光信號而產生第一及第二調變光信號。該裝置還包括相位檢測器，其被配置為接收第一及第二編碼光信號以及該第一及第二調變光信號且產生指示該編碼光信號與該調變光信號之間的相位差的第二電信號。該裝置還包括電壓控制振盪器，其被配置為回應於該第二電信號而產生電脈波。該裝置還包括計數器，其被配置為對來自該電壓控制振盪器的該等電脈波的數量進行計數，從而產生計數，其中，到該光調變器的該第一電信號包括該計數或該計數的導數。 　　[0049] 在另一個示例性態樣中，本發明針對一種裝置。該裝置包括用以回應於第一電信號及參考光信號而產生第一及第二調變光信號的裝置。該裝置還包括用以回應於第一及第二編碼光信號以及該第一及第二調變光信號而產生第二電信號的裝置，該第二電信號指示該第一及第二編碼光信號與該第一及第二調變光信號之間的相位差。該裝置還包括用以回應於該第二電信號而產生電脈波的裝置以及用以產生該等電脈波之計數的裝置，其中，該第一電信號包含除以正整數的該計數。 　　[0050] 在又一示例性態樣中，本發明針對一種光學編碼的方法。該方法包括從光源產生第一及第二編碼光信號及未編碼參考光信號，其中，該第一及第二編碼光信號相位差90度。該方法還包括用第一電信號調變該未編碼參考光信號，從而產生調變參考光信號。該方法還包括從該調變參考光信號產生第一及第二調變光信號，其中，該第一及第二調變光信號相位差90度。該方法還包括將該第一及第二編碼光信號分別轉換成第一及第二編碼電信號。該方法還包括將該第一及第二調變光信號分別轉換成第一及第二調變電信號。該方法還包括將該第一編碼電信號與該第二調變電信號相乘，從而產生第一相乘後的電信號。該方法還包括將該第二編碼電信號與該第一調變電信號相乘，從而產生第二相乘後的電信號。該方法還包括從該第二相乘後的電信號減去該第一相乘後的電信號，從而產生第二電信號以及從該第二電信號導出該第一電信號，使得該第一調變電信號追蹤該第一編碼電信號。 　　[0051] 以上概述若干實施例的特徵，使得熟於此技術人士可以更佳地理解本發明的各態樣。熟於此技術人士應體認到，他們可以容易地使用本發明作為設計或修改用以實現相同目的及/或達到本文介紹之實施例的相同優點的其他程序及結構的基礎。熟於此技術人士亦應瞭解到，此種等同建構不背離本發明的精神和範圍，且他們可以在不背離本發明的精神和範圍的情況下進行各種改變、替換及修改。

[0052] 7：迴路濾波器(LF) 8：電壓控制振盪器(EVCO) 9：可逆計數器 10：調變器 11：光源 12：光耦合器或分光器 13：位檢測器(PD) 14：光調變器 15：內插器 16：編碼設備 17：除法器 100：光學編碼器 121：光束 122：光束 126：方向 200：方法 202：操作 204：操作 206：操作 208：操作 210：操作 212：操作 214：操作 216：操作 218：操作 230：子操作 232：子操作 234：子操作 236：子操作

由利用附圖閱讀時的以下詳細說明可最佳理解本發明的各態樣。需要強調的是，根據業界的標準實務，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為了討論的清楚，各種特徵的尺寸可以任意增加或減小。

圖1是根據本發明各態樣之實施例中的光學編碼器的簡化方塊圖。

圖2繪示根據一實施例之包括透光編碼設備的圖1的光學編碼器的局部視圖。

圖3繪示根據一實施例之包括反射編碼設備的圖1的光學編碼器的局部視圖。

圖4是根據一實施例之圖1的光學編碼器中的光調變器的簡化方塊圖。

圖5繪示根據一實施例之自圖4的光調變器的光輸出。

　　

圖6是根據一實施例之圖1的光學編碼器中的相位檢測器的簡化方塊圖。

圖7和8顯示根據本發明之各態樣的執行光學編碼的方法的流程圖。

圖9顯示根據一實施例導出用於圖7至8中的方法的操作的電信號的方法的流程圖。

Claims (20)

1. 一種光學編碼裝置，包含：光調變器，其被配置用以回應於第一電信號及參考光信號而產生第一及第二調變光信號；相位檢測器，其被配置用以接收第一及第二編碼光信號以及該第一及第二調變光信號並且用以產生指示該第一及第二編碼光信號與該第一及第二調變光信號之間的相位差的第二電信號；電壓控制振盪器，其被配置用以回應於該第二電信號而產生電脈波；以及計數器，其被配置用以對來自該電壓控制振盪器之該等電脈波的數量進行計數，從而產生計數，其中，到該光調變器的該第一電信號包括該計數或該計數的導數。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該相位檢測器包括：第一及第三光檢測器，其被配置用以將該第一及第二編碼光信號分別轉換成第一及第二編碼電信號；第二及第四光檢測器，其被配置用以將該第一及第二調變光信號分別轉換成第一及第二調變電信號；第一乘法器，其被配置用以將該第一編碼電信號與該第二調變電信號相乘以及用以產生第一相乘後的電信號；第二乘法器，其被配置用以將該第二編碼電信號與該第一調變電信號相乘以及用以產生第二相乘後的電信號；以及裝置，其被配置用以從該第二相乘後的電信號減去該第一相乘後的電信號，從而產生該第二電信號。
3. 如申請專利範圍第1項之裝置，還包含：迴路濾波器，其與該相位檢測器耦合且被配置用以在該第二電信號被該電壓控制振盪器接收之前通過該第二電信號的低頻分量。
4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該電壓控制振盪器包含電壓頻率轉換器。
5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，藉由將該計數除以大於2的整數而從該計數導出到該光調變器之該第一電信號。
6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該第一及第二調變光信號相位差90度，且該第一及第二編碼光信號相位差90度。
7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該光調變器包括：數位控制光強度調變器，其被配置用以回應於該第一電信號及該參考光信號而產生第三調變光信號；以及光耦合器或分光器，其被配置用以回應於該第三調變光信號而產生該第一及第二調變光信號。
8. 如申請專利範圍第1項之裝置，還包含：光源，用以將第一光束導向於第一軌道以產生該第一及第二編碼光信號以及用以將第二光束導向於第二軌道以產生到該光調變器的該參考光信號。
9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中，該第一光束被導向穿過該第一軌道以產生該第一及第二編碼光信號，且該第二光束被導向穿過該第二軌道以產生到該光調變器的該參考光信號。
10. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中，該第一光束從該第一軌道反射以產生該第一及第二編碼光信號，且該第二光束從該第二軌道反射以產生到該光調變器的該參考光信號。
11. 一種光學編碼裝置，包含：第一機構，用以回應於第一電信號及參考光信號而產生第一及第二調變光信號；第二機構，用以回應於第一及第二編碼光信號以及該第一及第二調變光信號而產生第二電信號，該第二電信號指示該第一及第二編碼光信號與該第一及第二調變光信號之間的相位差；電脈波產生機構，用以回應於該第二電信號而產生電脈波；以及計數產生機構，用以產生該等電脈波之計數，其中，該第一電信號包含除以正整數的該計數。
12. 如申請專利範圍第11項之裝置，還包含：導向機構，用以將第一光束導向於第一軌道以產生該第一及第二編碼光信號以及用以將第二光束導向於第二軌道以產生到該第一機構的該參考光信號，其中，該第一及第二軌道係在相同的編碼設備上。
13. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中，該第一軌道包括替代的透光及不透光區域，且該第二軌道沒有不透光區域。
14. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中，該第一軌道包括替代的光反射及光吸收區域，且該第二軌道沒有光吸收區域。
15. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中，用以產生第一及第二調變光信號的機構包括電壓控制光調變器及耦合到該電壓控制光調變器的輸出的分光器。
16. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中，該第二機構包括：第一及第三光檢測機構，用以回應於該第一及第二編碼光信號分別產生第一及第二編碼電信號；第二及第四光檢測機構，用以回應於該第一及第二調變光信號分別產生第一及第二調變電信號；乘法機構，用以將該第一編碼電信號與該第二調變電信號相乘，從而產生第一相乘後的電信號；乘法機構，用以將該第二編碼電信號與該第一調變電信號相乘，從而產生第二相乘後的電信號；以及減法機構，用以從該第二相乘後的電信號減去該第一相乘後的電信號，從而產生該第二電信號。
17. 一種光學編碼方法，包含：從光源產生第一及第二編碼光信號及未編碼參考光信號，其中，該第一及第二編碼光信號相位差90度；用第一電信號調變該未編碼參考光信號，從而產生調變參考光信號；從該調變參考光信號產生第一及第二調變光信號，其中，該第一及第二調變光信號相位差90度；將該第一及第二編碼光信號分別轉換成第一及第二編碼電信號；將該第一及第二調變光信號分別轉換成第一及第二調變電信號；將該第一編碼電信號與該第二調變電信號相乘，從而產生第一相乘後的電信號；將該第二編碼電信號與該第一調變電信號相乘，從而產生第二相乘後的電信號；從該第二相乘後的電信號減去該第一相乘後的電信號，從而產生第二電信號；以及從該第二電信號導出該第一電信號，使得該第一調變電信號追蹤該第一編碼電信號。
18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，從該第二電信號導出該第一電信號包括：使用低通濾波器對該第二電信號濾波，從而產生經濾波的第二電信號；回應於該經濾波的第二電信號，使用電壓控制振盪器來產生電脈波；使用可逆計數器來計數該等電脈波的數量，從而產生計數；以及將該計數除以正整數，產生該第一電信號。
19. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，從該光源產生該第一及第二編碼光信號及該未編碼參考光信號包括：將第一光束導向於設備上的第一軌道，該設備是碼輪或碼帶，其中，該第一軌道包括替代的透光及不透光區域；以及將第二光束導向於該設備上的第二軌道，其中，該第二軌道僅具有透光區域。
20. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，從該光源產生該第一及第二編碼光信號及該未編碼參考光信號包括：將第一光束導向於設備上的第一軌道，該設備是碼輪或碼帶，其中，該第一軌道包括替代的透光及光吸收區域；以及將第二光束導向於該設備上的第二軌道，其中，該第二軌道僅具有光反射區域。