TWI725598B - 改善編碼器系統性能的方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

編碼器系統包括可組態偵測器陣列，其中該可組態偵測器陣列包括複數個偵測器。該編碼器系統亦可包括記憶體，可操作以儲存界定該該複數個偵測器各者的狀態之分區圖。該編碼器系統亦可包括發射器，可操作以產生由運動物體調變的通量，其中該可組態偵測器陣列可操作以接收該通量並回應於該通量針對該等偵測器各者產生各別的電流輸出。在實施例中，從偵測器輸出具有相同狀態之電流被分組在一起。編碼器系統亦可包括一或多電流複製器，以複製具有一種狀態的偵測器的電流輸出，以與具有不同狀態的偵測器的電流輸出分組。編碼器系統亦可調整電流輸出之權重。

Description

改善編碼器系統性能的方法及裝置
本發明相關於一種改善編碼器系統性能的方法及裝置。
一種諸如光學編碼器之編碼器系統可包括透過使用一或多光偵測器偵測物體之位置(例如，線性及/或角位置)並將其轉換成類比或數位輸出訊號之機電裝置。存在不同類型之編碼器，諸如旋轉編碼器與線性編碼器。一例示性編碼器系統通常使用光源、位於該光源之光路徑中的光調變器、以及編碼器晶片(例如，光學感測器積體電路)，該編碼器晶片包括接收該經調變光並回應於其產生電性訊號之一或多光偵測器。在若干實施例中，編碼器晶片包括可組態光偵測器陣列，其提供將一編碼器晶片匹配到多編碼器模組之便利性與彈性，無論其類型與特定機械式建構，諸如碼輪或碼條組態。在可組態光偵測器陣列中，各光偵測器(術語「像素」)被分配一狀態，諸如與各別的正交軌道相對應的正交狀態之一。然而，若干像素可具有多於一正交軌道之貢獻，但其被迫分配到單一正交狀態，這會造成編碼器系統之不精準。此外，當光源產生不均勻的光強度輪廓時，回應於具有相同權重的入射光來處理由像素輸出的電流輸出也可能導致不精準。針對高解析度編碼器系統，存在找到較佳分配狀態與對像素之權重之需求。
據此，為了改善編碼器系統之準確度，編碼器的改良是被期望的。
及
以下揭露提供許多不同用於實作所提供標的不同特徵之實施例或實例。將在下文中描述組件與配置之特定實例以簡化本揭露。其理當而言僅是例示性而非旨在是限制性。如具有本揭露所屬領域的通常知識者通常會想到的，對本揭露原理的所描述的裝置、系統、方法的任何變化和進一步修改以及對本揭露原理的任何進一步應用都被充分考慮。舉例而言，關於一實施例所述之特徵、組件、及/或步驟可以與關於本揭露另一實施例所述之特徵、組件、及/或步驟結合，以進一步形成根據本揭露之又另一裝置、系統、或方法之實施例，即便此種組合並沒有被明確示出。此外，為簡單起見，在某些情況下，在所有圖式中使用相同的圖式參考編號指相同或相似的部分。
本揭露一般相關於編碼器系統與其方法，更明確而言，相關於具有可組態光偵測器陣列之光學編碼器與用於偵測目標物體之位置資訊並將其轉換成類比或數位輸出訊號之方法。為簡單起見之目的，本文所述實施例將使用碼輪(用於旋轉編碼器)作為目標物體之實例，雖然實施例之範疇可包括移動物體之任何適當的光學偵測。舉例而言，本揭露之原則亦可用於目標在於偵測線性運動的編碼器(例如，用於線性編碼器之碼條)之對準調整。本揭露之各實施例賦能可組態光偵測器陣列之使用，其允許針對具不同組態的編碼器模組之單一積體電路(IC)設計而不會對輸出訊號品質有所劣化，因此能夠透過增加產量來降低成本，並透過管理較少IC零件數量來簡化供應鏈。此外，本揭露各種實施例賦能能夠更準確地將由可組態光偵測器陣列輸出的輸出(即，電流或電壓)映射到不同區域並用以將光能貢獻予以加權運算，從而完善了從可組態光偵測器陣列到碼輪或到碼條的映射，並提高編碼器系統的整體準確度。
光源之不均勻光強度輪廓亦可透過所描繪技術補償。為簡單起見，本文所述實施例將專注於電流域，諸如電流複製器與電流權重調整器，將在下文中更詳細描述上述兩者。然而，相同原理亦可應用於電壓域，諸如透過跨阻抗放大器(TIA)將電流轉換成電壓，並接著將該電壓複製或調整。
額外地舉例而言，在其他實施例中，磁性編碼器系統可具有可組態磁場偵測器陣列，用以偵測由移動物體(諸如碼輪或碼條)調變所造成之磁通量變化。然而，為方便說明，本文所述實施例將專注於光學偵測，且應了解此等原理可應用於磁性偵測系統。
光學編碼器可包括遞增與絕對編碼器，其用於追蹤運動且可用於判定位置與速度。這可以是線性或旋轉運動。由於可判定出該方向，因此可做出極精準之測量。無論類型與特定機械式建構，光學編碼器通常使用相同的光學偵測機制與組件：光源、位於該光源之光路徑中的光調變器、以及接收該經調變光並回應於其產生電性訊號之光偵測器。舉例而言，光源可包括發光二極體(LED)，並且可發射在紅外線到紫外線頻譜區內的電磁輻射。在若干實施例中，光源可包括雷射發射器。
光調變器通常是薄碟片之型態，諸如碼輪，其與旋轉軸同心且具有與光源路徑垂直之面。碼輪可具有形成在表面上的透明和不透明區域的圖案，使得隨著軸的旋轉，穿過輪盤面的光源光根據該圖案被中斷。光偵測器感測到由該輪照射之獨特光線圖案。回應其，光偵測器產生在高電流層級(或高電壓層級)與低電流層級(或低電壓層級)間交替之電性訊號，且該訊號可以被圖像化表示成連續隨時間變化的波。圖1描繪透射式旋轉光學編碼器之實施例。在圖1中，碼輪標有「交替不透明與透明區」之區是由一或多軌道構成。在本實例中，軌道(track)是碼輪上點(其距離該軸中心距離在內徑R1與外徑R2之間)的集合，且軌道之不透明(例如，條(bar))區與透明(例如，縫(slit))區經配置以令該軌道繞軸心具有離散的N階旋轉對稱，其中N≥1。在遞增編碼器上之一此種軌道已知是正交軌道，其旋轉對稱之階被稱作編碼器系統之每轉脈衝數(pulses per revolution，PPR)。所描繪實施例中透射式光學編碼器僅是一實例，且其不旨在限制本揭露於所附申請專利範圍中所明確記載內容之外。本揭露之原理亦可應用於反射性光學編碼器。
圖2描繪正交軌道之例示性實施例。圖1中的光學感測器積體電路(IC)包含複數個光敏區域，該等區域被分組成數區，諸如A+、A-、B+、及B-區，且該等區對準碼輪之正交軌道(亦即，距碼輪旋轉軸一定距離(在正交軌道的R1和R2之間))。A+、A-、B+、及B-區各者是由並聯連接的離散光敏區域(因此，並行離散的光敏區域之光電流是加成性的)中一或多者構成，將在下文中對其更詳細描述。光發射器(例如，LED)朝光敏區域照射光。該光可以由軌道之不透明區遮住，或通過透明區且到達光敏區域。
圖3描繪編碼器系統中(部分重疊碼輪正交軌道)光學感測器IC之A+、A-、B+、及B-區之例示性實施例。圖4描繪在一時間週期內圖3中描繪A+、A-、B+、及B-區之聚集光電流，假設有恆定碼輪旋轉率(本文中聚集光電流被假定成與聚集照射區域直接成正比)。如圖4中可見，光電流波形是週期性的，其週期為1/(fCW *PPR)，其中fCW 是碼輪之旋轉頻率且PPR是與碼輪正交軌道的旋轉對稱順序。此外，光電流波形大約為正弦波且呈正交(亦即，量級上相等且相位上分離90°)。圖3中描繪的方案，其中感測器IC上的光敏區域在A+，B+，A-和B-區域之間呈空間上交替，並且在尺寸和位置上與碼輪的正交軌道中之縫和條的幾何形狀緊密匹配，稱為相控陣列設計。由於當碼輪組態(半徑與PPR)改變時，碼輪正交軌道的縫與條之幾何形狀會改變，因此當使用不同的碼輪組態時，旨在用於特定碼輪組態之相控陣列設計可能無法適當運作。此外，不同的碼輪可具有不同的縫形狀。在所描繪實施例中，該縫的形狀是規則的，諸如在各端具有一個半徑的餅形，且不同的縫可具有相同縫形狀。在各種其他實施例中，縫形狀可為不規則的，同時相同碼輪上的不同縫可進一步具有不同的形狀。此外，遞增編碼器之製造商傳統上針對其部屬各之不同碼輪組態皆需要不同的IC設計。對於以中小批量生產具有組態的許多不同編碼器模組的製造商而言，這導致以中小批量購買許多種不同IC之需求。相較於無論組態使用相同IC用於多個編碼器模組，這會導致較高成本與較複雜的供應鏈。
舉例而言，若客戶一般支援3個碼輪半徑和每個半徑4個不同的PPR，則客戶需要維持12種不同ASIC之庫存(至少理論上為此)。因此期望的是賦能可組態光偵測器陣列之使用，其允許針對具不同組態的編碼器模組之單一積體電路(IC)設計而不會對輸出訊號品質有所劣化，因此能夠透過增加產量來降低成本，並透過管理較少IC零件數量來簡化供應鏈。透過使用可組態光偵測器陣列將允許客戶可以庫存單一IC用於多種碼輪半徑與PPR，通常由於較高產量與降低的材料處理將允許客戶達成較低成本位置。
圖5描繪光學感測器IC中的可組態光偵測器陣列與該陣列中各光偵測器之經組態正交分配之實例，其疊加在碼輪的正交軌跡上。可組態光偵測器陣列形成光學感測器IC之光敏區域。各光偵測器可包括光二極體或光電晶體。為簡單起見，陣列中的光偵測器也稱為像素，且可配置光偵測器陣列亦稱作像素陣列。在所描繪實例中，像素陣列包含5列乘以7行個像素，共有35個像素。在所描繪實例中，一列(row)被定義為沿著平行於碼輪極軸的方向延伸，以及一行(column)被定義為沿著垂直於碼輪極軸的方向延伸。所描繪實施例中像素與像素陣列僅是一實例，且其不旨在限制本揭露於所附申請專利範圍中所明確記載內容之外。本揭露之原理亦可應用於包含任何數量個列與任何數量個行之像素陣列。此外，圖5所描繪像素陣列可代表一較大陣列之區，諸如在包含64列乘以32行個像素(共有2048個像素)的較大像素陣列中的小部分。另外，像素陣列亦可具有矩形形狀以外之形狀，諸如可以是方形或其他適當形狀。
圖5示出軌道縫如何與像素重疊之示意圖。像素經程式化選擇以將其電流路由到一特定區(亦即，針對正交軌道之A+、A-、B+、及B-區，或針對各種其他軌道(諸如換向軌道，索引軌道或絕對軌道)之Y、U、V、Z、ABS區)。此特定區亦被稱作像素之分配(assignment)或狀態。當光學感測器IC被通電時可透過從儲存於記憶體模組(諸如，非揮發性記憶體)中的像素分區圖(pixel partition map)讀取來執行狀態之分配。該組態亦可即時更新。像素分區圖儲存像素陣列中各像素之狀態。在圖5之例示性實例中，第2行之第1-2列之像素被設定成B+，且第2行之第3-5列之像素被設定成A-，同時第1行之像素全部被設定成OFF。
像素分區圖嘗試使狀態適合於特定的軌道組態。一般而言，經組態具有相同正交分配之像素在縫的形狀附近形成光敏區。在圖5中的描繪實例中，具有A-分配之像素形成匹配於各別的縫之光敏區。在若干實施例中，經組態具有相同正交分配之像素形成條狀之光敏區。在若干其他實施例中，經組態具有相同正交分配之像素形成馬賽克形狀之光敏區。像素之分配通常是取決於碼輪之半徑與PPR，以及像素陣列之形狀、像素數量與間距。在若干實施例中，像素分配之考慮亦包括在光學感測器IC與碼輪之間的安裝錯位。進一步於若干實施例中，像素分配之考慮包括校正不平衡電流或增益以及由於安裝錯位所造成的相位誤差。
當光學感測器IC安裝有不同軌道時，此等像素之個別者可能會改變狀態以形成適合新碼輪的新像素圖案。抑或在光學編碼器操作期間，系統可判定以即時遞增改變像素分區圖，並且此等特定像素可以與像素陣列中若干其他像素一起改變，諸如從A-改變成A+、B-或B+。因此，像素陣列提供賦能使用單一IC設計用於各種碼輪之優點。作為比較，大部分現存光學編碼器設計使用固定的圖案相控陣列用於偵測器，此等圖案完全匹配特定的碼輪，因此將陣列限制於特定尺寸與PPR(pulse per revolution)之碼輪。這是由於當碼輪組態(半徑與PPR)改變時，碼輪正交軌道的縫與條之幾何形狀會改變，且因此相應的當使用不同的碼輪組態時，旨在用於特定碼輪組態之相控陣列設計可能無法適當運作。對於以中小批量生產具有組態的許多不同編碼器模組的製造商而言，這可能會導致以中小批量購買許多種不同IC之需求。相較於無論組態使用相同IC用於多個編碼器模組，這會導致較高成本與較複雜的供應鏈。透過使用具有像素陣列之光學感測器IC將允許使用者可以庫存單一IC用於多種碼輪半徑與PPR，通常由於較高產量與降低的材料處理將允許使用者達成較低成本位置。
該像素之形狀亦可在像素陣列內被作成是非同質性的。具有不同尺寸/形狀的像素可降低總體系統雜訊。與較佳匹配該縫之理想形狀的偵測器相比，矩形且基於柵格的像素可能會產生少量的雜訊。將該形狀調整成圓形、橢圓或圓角可降低總體雜訊。進一步，改變像素群組或獨立像素之尺寸亦可改善系統雜訊，惟其具有用以判定像素映射可預期的增加配置複雜度與增加建模需求之成本。
具有相同分配狀態之像素被選擇以將其電流路由在一起。像素陣列可包括複數個像素與複數個集總電流模式輸出。參照圖6，由單一像素602輸出之電流輸出604經耦接到切換器606，諸如通道選擇多工器(MUX)。MUX 606將電流輸出路由到集總電流模式輸出608之一(例如，由通道加總放大器610收集)。總電流被進一步路由到跨阻抗放大器(TIA)以及其他處理電路612。圖7描繪根據圖6示意圖的圖5中像素陣列之例示性電路圖。為求簡潔，僅示出在第2與3行之第1、2及5列處的像素。
參照圖7，各像素包括具至少兩個電性端子之光敏區域，其中電流在第一端子(連接到陣列中所有像素，亦作共用或接地端子)與第二端子(為各像素獨特者，亦作個別端子)間流動，其與入射到光敏區域的光功率成正比。各像素可具有其自身MUX。第二端子耦接到該MUX。MUX接收來自控制線(例如，匯流排線或SRAM字線)之組態位元，並將該光敏區域之個別端子路由到集總電流模式輸出之一，在任何給定時間內最多只有一者被路由到該個別端子。透過此方式，各集總電流模式輸出攜有與其到輸出之切換器為關閉的該等像素之光敏區域中光電流總和相等的電流。集總電流模式輸出中各者對應於一各別的正交軌道分配(例如，A+、A-、B+、B-)。控制線可使用2位元以選擇MUX之四個集總正交追蹤分配中一者。具有相同正交軌道分配之電流被通道加總放大器進一步分組。
在各集總電流模式輸出間可基於碼輪之組態而將像素陣列中的像素予以分區。可透過對記憶體位元之寫入以控制MUX來執行分區。針對像素之圖案示基於系統中碼輪之設計。在例示性實施例中，使用模擬或實驗之處理用於根據碼輪半徑與縫圖案來判定針對像素之映射。該結果是寫入到ASIC記憶體中的初始分區圖，用以將各像素設定到正確區。在若干實施例中，初始分區圖在電流分佈與權重調整處理期間仍受分區圖調整影響，直到編碼器系統已準備好用於一般操作。
在若干實施例中，像素可以被設定成OFF狀態。一例示性解決方案將各像素設定到4個主要區中之一：A+、B+、A-、B-。在若干情況下有利的是將個別像素斷電(OFF)。舉例而言，控制線可進一步使用控制位元來控制像素之ON或OFF。這可以是逐像素執行或基於整列或整行執行。另一實作示將像素斷電以將一或多控制位元添加到MUX，以選擇該四個集總電流模式輸出中無任何者被耦接到個別端子之一狀態。透過允許將像素斷電，這可允許該像素可以潛在地更緊密匹配該碼輪圖案。進一步，這能力將允許橫跨4個主要區域達到較佳電流平衡，藉此簡化ASIC中下游區塊(如跨阻抗放大器(TIA)、濾波器與比較器等)之設計。
在此實例中集總電流輸出被路由到跨阻抗放大器(TIA)，諸如四個單端TIA或兩個差動TIA。參照圖8更詳細示出其細節。此等放大器將由像素陣列輸出之電流輸出轉換成可用於下游處理之電壓訊號。此等TIA具適當尺寸，用於從4區塊輸出之電流。在實施例中，TIA可為高度線性，以為了針對正交軌道產生高品質類比輸出。在另一實施例中，TIA是對數的(logarithmic)，以為了容納廣動態範圍之輸入(例如，當類比正交軌道輸出不被需要時)。該跨阻抗應足夠大，以使放大器自身的內部雜訊和下游比較器的偏移所引入的角位置誤差較小，但又應足夠小以在滿量程(full-scale)輸入電流下保持良好的線性度。除其輸入外，各TIA之實例下可具有可調電流汲取，用於補償偏移。針對特定實例之該電流汲取數值可由對應於該實例之控制位元組所控制。該可調電流汲取可包括鎖存器，其中用以儲存控制位元(例如，位元組)。
圖8示出例示性內插器電阻器階梯架構之電路圖，該架構透過跨阻抗放大器(TIA)將光偵測器陣列讀數轉換成類比輸出。這僅是一實例。亦可使用其他適當實作，諸如其他適當量之內插器電阻器(≥2)及/或其他適當電路拓樸。在所描繪實施例中，此區塊產生類比波形，該類比波形從濾波後的A+/A-/B+/B-TIA輸出波形以5.625°(=90°/16)的相等步階在0°至90°之間相位移位。透過數位比較適當的內插波形，在此實例中，可以產生高達TIA輸出頻率16倍的方波。該區塊由四個相同電阻器梯構成，各在四個正交軌道TIA(A+，A-，B+，B-)的兩者之經濾波輸出之間：一個在B+和A-濾波的TIA輸出之間，一個在A-和B-濾波的TIA輸出之間，一個在B-和A+濾波的TIA輸出之間，以及第四個在A+和B+濾波的TIA輸出之間。各種其他實施例可被視需求縮放以提供任何數量之步驟。
圖9描繪與上文參照圖5中像素陣列所討論者類似之像素陣列。舉例而言，圖9中的像素陣列亦具有5列乘以7行個像素。與圖5揭露者不同之處在於圖9中像素陣列接收不同的像素分配。明確而言，在圖5中相同行之像素可被分配到多於一個正交狀態，諸如針對第2行之像素分配B+與A-正交狀態。在圖9中，相同行之像素被分配單一正交狀態以及可選OFF狀態，諸如針對第2行之像素分配A-正交狀態與OFF狀態。透過將各行分配單一正交狀態，從相同行中像素輸出之電流可被加總起來並貢獻相同的狀態。相應的，在此種實施例中只有一個MUX被用於像素陣列之一行，這與使用多MUX之其他實施例相比會大幅簡化電路複雜度。
參照圖10，從一行像素1002輸出之電流輸出1004被分組在一起並由一MUX 1006接收。MUX 1006將電流輸出路由到集總電流模式輸出1008之一(例如，由通道加總放大器1010收集)。集總電流輸出被進一步路由到跨阻抗放大器(TIA)以及其他處理電路1012。
圖11描繪根據圖10示意圖的圖9中像素陣列之例示性電路圖。為求簡潔，僅示出在第2與3行之第1、2及5列處的像素。在圖11中，各像素包括具至少兩個電性端子之光敏區域，其中電流在第一端子(連接到陣列中所有像素，亦作共用或接地端子)與第二端子(為各像素獨特者，亦作個別端子)間流動，其與入射到光敏區域的光功率成正比。取代一個MUX用於每個各別的像素(例如，在圖7中)，存在一個MUX用於各別的行的像素。這是因為相同行之像素全部具有相同的正交狀態，且該各別的電流輸出可以被加總起來並共同地饋送到一MUX。在所描繪實例中，可透過將相同行中的像素之第二端子物理短路(如圖11所示)或透過在MUX之前使用電流加總放大器(未示出)收集該電流示出以達成將電流輸出加總。MUX接收來自控制線(例如，匯流排線或SRAM字線)之組態位元，並將總電流輸出從一行路由到集總電流模式輸出之一。集總電流模式輸出中各者對應於一各別的正交軌道分配(例如，A+、A-、B+、B-)。控制線可使用2位元以選擇MUX之四個集總正交追蹤分配中一者。由具有相同正交軌道分配的其他行所輸出之電流被通道加總放大器進一步分組。
相同行中的個別像素可以被設定成OFF狀態，以表示最佳化映射。舉例而言如圖9所示，第2行之第1與2列中像素被設定成OFF狀態以形成光敏區，以大約形成縫之形狀。設定OFF狀態可以是逐像素執行或基於整列或整行執行。舉例而言，控制線可進一步使用控制位元來控制像素之ON或OFF。另一實作示將像素斷電(off)以將一或多控制位元添加到MUX，以選擇該四個集總電流模式輸出中無任何者被耦接到個別端子之一狀態。
在例示性實作系統中，像素圖案映射不完美且若干像素可具有多於一正交軌道之貢獻，但其被迫分配到單一軌道。參照回圖5，該草圖示出靜態定向。在真實系統中，碼碟將在一個槽中旋轉一個完整的週期。如可從重疊草圖所見，並非全部的像素皆被完美映射到唯一區中。在縫邊緣處之像素可能貢獻多於一個狀態。舉例而言，在第2行之第3列的像素經分配到A-。然而，此像素之大於一半的光敏區域沒有被縫覆蓋。由於在第2行之第2列的相鄰像素經分配到B+，因此在第2行之第3列的像素有可能貢獻A-與B+兩者。但由此像素輸出之電流輸出被完全分組到狀態A-中。另一實例在於在第6行之第4列的像素經分配到B-。然而，此像素光敏區域之左上角被縫覆蓋，因此相關於此角之電流輸出的部分可以被視為貢獻狀態A-。相似的，除了個別像素外，該像素陣列中一行可能貢獻多於一個狀態。參照回圖9，第1行之像素被分配到A+(連同OFF)且在相鄰第2行之像素被分配到A-(連同OFF)。第2行中像素也有可能貢獻狀態A+。然而，將第2行全部分配到狀態A-會引入映射缺陷到系統中。
圖12示出電流1204如何從一像素或一組像素1202(例如，一行或一行之部分)路由到一或多狀態之示意圖。此方法賦能像素得以貢獻不同有效形狀，因此潛在地對碼碟之縫提供較佳匹配。電流複製器1206被插入MUX 1208與像素1202之間。在實施例中，電流複製器1206包括電流反射鏡以建立接收到電流輸出之複製，並將該複製之電流輸出饋送到多於一個MUX(例如，兩個MUX)。MUX 1208經設定以將接收到電流輸出路由到不同的狀態，諸如一者路由到A+且另一者路由到A-，其由各別的通道加總放大器1210收集。因此，一像素或一組像素可貢獻多於一種狀態。在替代實施例中，圖12中的兩個MUX 1208經設定以將接收到電流輸出路由到相同的狀態。舉例而言，兩個MUX 1208經設定以將接收到電流輸出路由到集總電流模式輸出A-，並由對應於A-分配之相同通道加總放大器予以收集。這被視為將由個別像素或一組像素輸出之原始電流輸出增加一倍，等效於加權因子為2之電流加權函數。TIA與處理電路1212之剩餘功能維持相同且因此為了簡潔而在此省略描述。
針對與圖5中像素陣列相似者，其中各像素可被個別分配正交狀態中一狀態，各像素可具有各別的電流複製器。換言之，電流複製器之數量可等於像素陣列中的總像素。替代地，為了將電路簡化，故在若干實施例中只有在縫邊緣處之像素有各別的電流複製器。換言之，電流複製器之數量遠少於像素陣列中的總像素。針對與圖9中像素陣列相似者，其中相同行中的像素可被分配相同的正交狀態，各行可具有各別的電流複製器。換言之，電流複製器之數量可等於像素陣列中的行數。替代地，為了將電路簡化，故在若干實施例中也許只有在縫邊緣處之行有各別的電流複製器。換言之，在若干實例中，電流複製器之數量可少於像素陣列中的行數。
圖13示出對圖12中所描繪的電流複製機制之進一步改良。明確而言，電流權重調整器1218被添加到電流複製器1206之各輸出埠中，以在饋送到MUX 1208之前調整複製電流輸出之權重。與電流複製器之功能相似，加權函數允許與在縫附近提供較佳形狀相似之優勢。在兩情況下，除了像素的純幾何映射之外，還有其他好處。通常較佳的是，正交軌道的輸出將產生正弦訊號，彼此之間的相位移位盡可能接近90度。取決於碼磁碟之縫的幾何形狀與匹配像素分配，可能會發生理想正弦波之畸變。在縫較寬之較極端例子中，透過將碼碟轉置於一組像素上而產生的圖案可能會產生一個梯形，在過渡點處具有相對尖銳的邊緣。這針對下游訊號處理(如內插器等)而言通常是不期望的。透過此等技術得以不同的加權像素處理將賦能像素能夠加總於可產生較佳正弦波之圖案中。
圖14示出電流權重調整器之例示性電路圖。電晶體Q0、Q1、Q2、及Q3形成電流反射鏡，其具有三個輸出分支，其中Q1-Q3之電流輸出(亦即，I1-I3)追蹤Q0之電流輸入(亦即，I0)。由於橫跨此等四個電晶體之閘極與源極的電壓是相同，因此流動通過各電晶體之電流大約與各別的電晶體之接面尺寸成正比。在一實施例中，Q0：Q1：Q2：Q3之接面尺寸之比例為約1：0.6：0.4：0.2。因此，I0：I1：I2：I3之電流之比例亦大約為1：0.6：0.4：0.2。電流權重調整器Isum之輸出可操作以取鏡射電流I1、I2及I3之總和或個別者，該鏡像電流例如透過控制來自控制線的位元來組態。因此，若I0之權重被視為是1，則電流權重調整器之輸出的權重可選自{0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1, 1.2}之集合。具有多輸出分支之電流反射鏡(例如，透過添加更多鏡射到Q0之電晶體)可實現較精細權重調整解析度及/或較大權重之調整範圍。
參照回圖13，耦接到相同電流複製器之電流權重調整器可具有相同或不同的權重設定。舉例而言，針對貢獻40%到狀態A+與貢獻60%到狀態A-之行，電流複製器從該行相等地複製該總電流輸出，同時一電流權重調整器被設定到0.4之權重並將一複製電流輸出路由通過MUX以分組到狀態A+中且另一電流權重調整器被設定到0.6之權重並將另一複製電流輸出路由通過另一MUX以分組到狀態A-中。
電流複製器與電流權重調整器可屬於不同的電路區塊。替代地，電流複製器可在其電路中包括電流權重調整功能。圖15示出具備電流權重調整功能之電流複製器之例示性電路圖。該電路接收一電流輸入I0並複製兩個加權的電流輸出Isum與I'sum。類似於圖14之電流反射鏡，圖15中所描繪之電路被視為具有兩組電流反射鏡。第一電流反射鏡包括電晶體Q0、Q1、Q2及Q3。第二電流反射鏡包括電晶體Q0、Q'1、Q'2及Q'3。電流輸出Isum與I'sum各可被個別設定到各別的鏡射電流分支之一者或總和。在一實施例中，Q0：Q1：Q2：Q3與Q0：Q'1：Q'2：Q'3之接面尺寸之比例皆為約1：0.6：0.4：0.2。因此，I0：I1：I2：I3與I0：I'1：I'2：I'3之電流之比例亦大約為1：0.6：0.4：0.2。據此，電流輸出Isum與I'sum各具有在{0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1, 1.2}集合內的權重調整範圍。具例而言，透過設定Isum=I1+I2與I'sum=I'1+I'2，電路可作用為電流複製器而無需權重調整(或權重=1)。抑或，透過設定Isum=I2與I'sum=I'1，電路針對一輸出作用為具有0.4權重設定之電流複製器且針對另一輸出作用為0.6權重設定之電流複製器。
針對像素陣列而言，電流複製器或電流權重調整器中任一者是可選的。在若干實施例中，像素陣列可具有電流權重調整器1218但不具有電流複製器，諸如圖16所描繪者。圖16示出對一像素或一組像素1202(例如，一行或一行之部分)施加加權函數之示意圖，允許與上述內容相似優勢以便在縫附近提供較佳形狀。在一實施例中，可調整針對像素陣列中各像素之權重。仍在另一實施例中，可調整針對像素陣列中各行之權重。MUX 1208、通道加總放大器1210、TIA與處理電路1212之剩餘功能維持相同且因此為了簡潔而在此省略描述。
圖17示出操作具像素陣列之光學編碼器的例示性方法1700之流程圖。諸如實體上分離之電腦系統(例如，PC)及/或其他微控制器單元(例如，ASIC)等控制器可透過從電腦可讀媒體讀取碼並執行該碼以提供本文所述功能性來執行方法1700之操作。在操作1702，在通電後(power up)，光學感測器IC從記憶體模組取回像素分區圖。在一實施例中，光學感測器IC可運行內部狀態機器，其讀取外部非揮發性記憶體以載入該像素分區圖。在操作1704，像素陣列中各像素經組態到像素分區圖中所界定之狀態，舉例而言，該分區圖將各個別像素定義成如上述四個正交區中一者或OFF狀態。舉例而言，可對切換器(例如，MUX)施加控制訊號，以將各像素與各別的電流線耦合。在操作1706，至少一像素或一組像素(例如，一行或一行之部分)經分配到多於一種狀態。在若干實施例中，電流複製器從各別的一像素或一組像素複製電流輸出到二或多MUX。隨後，二或更多MUX將複製電流輸出路由到狀態不同之各別的通道加總放大器。操作上而言，方法1700包括操作1708，其調整由電流複製器輸出的輸出之權重。替代地，操作1706可為可選及可被跳過，而操作1708從至少一像素或一組像素直接調整電流輸出之權重。
在操作1706與1708中會被影響的像素或行是透過記錄錯位結果之系統所判定的，例如共同考慮相鄰正交電流波形之間的相位差和電流量級平衡。舉例而言，可使用模擬或實驗以迭代性測量相位差，並接著做出調整以達到90°的相位差。在操作1710，透過回應於由移動物體(例如，繞線性軸旋轉或沿線性條上下滑動的碼縫)調變的光發射器從像素陣列上不同的分配區收集電流，光學編碼器執行光學偵測。
透過在編碼器系統中使用具有電流加權功能的像素陣列還可允許進行對準調整之處理，以首先映射由光源造成的光強度輪廓，然後使用該結果在常規操作期間微調該分區圖。在理想情況下，編碼器系統中的光源(例如，LED)為光源的直徑提供均勻的光強度。在實際設計中，光源通常顯現不均勻光強度分佈，其在側面有滾落(rolloff)且光源的頂部為不平坦。在若干實施例中，該光強度輪廓符合高斯分佈。該調整處理可首先透過將像素區塊程式化並測量該對應電流輸出來將光強度映射，以獲得光強度輪廓映射圖(intensity profile map)。此映射圖有助於判定要調整之像素與各別的電流權重，以減輕照射中的不均勻分佈。在常規操作期間，此權重調整會被覆蓋於像素圖案上以改變一或多像素之權重，以對各正交通道提供均勻的訊號強度。舉例而言，LED可在一個正交組(quad grouping)附近具有較高的輸出條，因此透過將一個或多個像素設置為OFF狀態來選擇較少的像素，或透過使用諸如對由對應正交區中一或多像素所產生的電流分配權重(例如，＜1表示較少的增益，＞1表示較高的增益)等類比技術，令一正交區與其他正交區相比可以向下增益。在一特定實例中，像素陣列週邊區比中央區接收較少的光強度，而權重調整會增加由週邊區中像素輸出之電流輸出及/或減少由中央區中像素輸出之電流輸出，以補償該光源不均勻。
圖18示出例示性方法1800之流程圖，其結合光強度不均勻性補償與一般(或任務模式)操作。方法1800中多個操作與方法1700中操作相似，故將在下文中簡短說明以利簡潔。諸如實體上分離之電腦系統(例如，PC)及/或其他微控制器單元等控制器可透過從電腦可讀媒體讀取碼並執行該碼以提供本文所述功能性來執行方法1800之操作。
在操作1802，在通電後(power up)，光學編碼器從記憶體模組取回第一像素分區圖。在若干實施例中，第一像素分區圖是特定設計以將照射輪廓基準化，且該分區圖與稍後用於操作1812以用於一般操作目的者不同。在若干實施例中，第一像素分區圖與稍後用於操作1812以用於一般操作目的者相同。在一實施例中，光學感測器IC可運行內部狀態機器，其讀取外部非揮發性記憶體以載入該分區圖。在操作1804，像素陣列中各像素經組態到第一像素分區圖中所界定之狀態，舉例而言，該分區圖將各個別像素定義成如上述四個正交區中一者或OFF狀態。舉例而言，可對切換器(例如，MUX)施加控制訊號，以將各像素與各別的電流線耦合。在操作1806，由該像素陣列測量該光源造成之光強度輪廓。在操作1808，基於該測量到的光強度輪廓，一或多像素經判定要被調整以減輕照射中的不均勻分佈。該調整可包括改變分配到對應於所選像素之電流的權重，諸如將所選像素設定以降低增益或增加增益，目的在於建立四個具有相等振幅且各分離90°之正弦波。在操作1810，該經判定的權重被儲存於記憶體模組中。
在操作1812，光學編碼器從該記憶體模組取回第二像素分區圖。該第二像素分區圖對應於碼輪上之正交軌道，且將用於一般操作，在操作1814，於操作1808所選像素之電流權重被調整，諸如透過從記憶體模組取回判定權重並將該權重覆於第二像素分區圖上。如上述，該調整可包括將所選像素設定以降低電流輸出(或設定到OFF)或用以增加電流輸出。接著，在操作1816，透過回應於由移動物體(例如，繞線性軸旋轉或沿線性條上下滑動的碼縫)調變的光發射器從像素陣列上不同的分配區收集電流，光學編碼器執行光學偵測。
本揭露中光學編碼器可適應以使用於透射式與反射性架構兩者中。本處說明是針對透射式設計，其中LED在碼輪一側上且偵測器在另一側上。在反射性設計中，LED坐落於與偵測器IC相同側上，無論與偵測器IC在晶片上或晶片外，且透過反射性「縫」和非反射性空間將光從碼輪反射出去。這可提供較小的系統設計。該像素陣列支援透射式與反射性架構。在例示性反射性設計中，LED與偵測器IC是在相同晶粒上。在另一例示性反射性設計中，LED與偵測器IC在兩個分離裝置上(例如，兩個晶粒)，但物理上組裝在一起。
本文所論及概念可被應用到線性編碼器以及旋轉編碼器上。在線性設計中，碼縫之等效物可以在線性軸上並將像素陣列向上/下滑動。在該情況下，該像素陣列亦同樣可正常運作。舉例而言，在線性編碼器實施例中，運動物體可包括每長度脈衝，其與使用半徑與PPR之旋轉編碼器不同。
可以利用從隨機存取記憶體(RAM)或從非揮發性記憶體(NVM)存取的組態來建構該像素。在RAM情況下，主機微控制器可設定各記憶體。替代地，編碼器ASIC可包含用以從外部NVM或內部NVM讀取之邏輯並將記憶體設定成該方式。內部NVM可為可程式化的，亦即，快閃，或可以是單次性可程式化記憶體。像素亦可使用唯讀記憶體(ROM)設定，以儲存靜態圖案，雖然這會降低使用者彈性之優勢。具足夠量之使用者可訂購ROM圖案以消去在運行時間組態記憶體之需求。
在各種實施例中，像素陣列可具有可組態像素，該像素可由記憶體設定以映射到四通道中之一。可組態像素可由主機微控制器(使用具用以讀取與設定的電路之內部非揮發性記憶體)或透過使用遮罩ROM(其中像素被設定於某種工廠對準組態)中任一者而設定。然而，各種實施例可使用任何適當處理器或記憶體。此外，針對若干實施例，系統內可組態性亦是可行的。編碼器製造商可在現場施加修補(patch)，以在產品已經備安裝於現場中後更新像素映射圖。此修補可改善或甚至改變性能特徵。
另外，缺乏可視相控陣列圖案會造成該設計較不易有被複製(cloning)風險。傳統而言，可在顯微鏡下觀察常規相控陣列來判斷特徵之尺寸，因此允許競爭者可以複製該設計。該像素陣列不具有任何映射之指示，因此需要中斷I2 C或其他協定流以判定何者像素被映射到何者正交區。這會導致複製變得顯著較為困難。
此外，可組態像素陣列亦可允許使用者使用相同IC來開發不同性能層級之產品組合(product portfolio)，舉例而言透過設定不同的臨界值來限制光學編碼器之精準層級。因此，編碼器製造商可透過一套通用的硬體(包括碼輪)提供不同的性能/價位。使用通用碼輪將像素陣列再次映射可允許結果產生系統之不同性能。基於相同硬體之性能，編碼器製造商可提供較高或較低價位，因此允許其以不同方式推銷其產品。
本揭露之原理亦可如同應用於光學編碼器般應用於磁性編碼器。舉例而言，在磁性編碼器中，取代包括複數個光偵測器之可組態光偵測器陣列，系統可具有包括複數個磁性偵測器之可組態磁場偵測器陣列。發射器中的磁化部分產生磁通量。該可組態磁場偵測器偵測到由移動物體(碼輪或碼條)所調變的磁通量之變化。磁性編碼器之其他態樣與上述針對光學編碼器所論及者相似，因此為了簡潔性將在下文省略。
前述概述了幾個實施例的特徵，使得在該技術領域中具有通常知識者可以更佳地理解本揭露的態樣。熟習該技術者應當理解，他們可以容易地將本揭露用作設計或修改其他過程和結構的基礎，用於實現與本文介紹的實施例相同的目的及/或實現相同的優點。熟習該技術者還應當理解，這樣的等效構造不脫離本揭露的精神和範圍，並且在不脫離本揭露的精神和範圍的前提下，可對其進行各種改變、替換和變更。
602:像素 604:電流輸出 606:通道選擇多工器 608:集總電流模式輸出 610:通道加總放大器 612:其他處理電路 1002:一行像素 1004:電流輸出 1006:通道選擇多工器 1008:集總電流模式輸出 1010:通道加總放大器 1012:其他處理電路 1202:一像素或一組像素 1204:電流 1206:電流複製器 1208:通道選擇多工器 1210:通道加總放大器 1212:其他處理電路 1218:電流權重調整器 1700:方法 1702:步驟 1704:步驟 1706:步驟 1708:步驟 1710:步驟 1800:方法 1802:步驟 1804:步驟 1806:步驟 1808:步驟 1810:步驟 1812:步驟 1814:步驟 1816:步驟
當參照所附圖式閱讀以下詳細說明時，可最佳理解本揭露之態樣。要強調的是根據業界標準實作，並沒依照比例繪製各種特徵。實際上，為了討論之清晰，各種特徵之維度可被任意增加或降低。
[圖1]是根據若干實施例的例示性透射式光學編碼器之示意圖。
[圖2]是根據若干實施例的透射式光學編碼器系統中正交軌道碼輪縫之例示性圖案之示意圖。
[圖3]示出根據若干實施例的，將光學感測器IC上的光敏區域正交分配(A+、A-、B+、B-)的例示性實施例，其疊加在圖2所示的碼盤的正交軌道上。
[圖4]示出根據若干實施例的，當碼輪以固定速率順時針旋轉時圖3中A+、A-、B+、B-區域之聚集照射區域。
[圖5]描繪根據若干實施例的，例示性可組態光偵測器陣列與該陣列中像素之經組態正交分配，其疊加在碼輪的正交軌道上。
[圖6]示出根據若干實施例的，在可組態光偵測器陣列中對像素之正交分配機制的例示性示意圖。
[圖7]示出根據若干實施例的，在根據圖6所描繪示意圖之可組態光偵測器陣列之例示性電路圖。
[圖8]示出根據若干實施例的例示性內插器電阻器階梯架構之例示性電路圖，該架構透過跨阻抗放大器(TIA)將可組態光偵測器陣列之讀數轉換成類比輸出。
[圖9]描繪根據若干實施例的，另一例示性可組態光偵測器陣列與該陣列中行(column)之經組態正交分配，其疊加在碼輪的正交軌道上。
[圖10]示出根據若干實施例的，在可組態光偵測器陣列中對行(column)之正交分配機制的另一例示性示意圖。
[圖11]示出根據若干實施例的，在根據圖9所描繪示意圖之可組態光偵測器陣列之另一例示性電路圖。
[圖12]示出根據若干實施例的，將可組態光偵測器陣列中一或一組像素分配到多於單一狀態之電流複製機制的例示性示意圖。
[圖13]示出根據若干實施例的，透過經調整權重將可組態光偵測器陣列中一或一組像素分配到多於單一狀態之電流複製機制與電流權重調整機制的例示性示意圖。
[圖14]示出根據實施例的電流權重調整器之例示性電路圖。
[圖15]示出根據實施例的具備電流權重調整功能之電流複製器之例示性電路圖。
[圖16]示出根據若干實施例的，對可組態光偵測器陣列中單一或一組像素之調整權重的電流權重調整機制之例示性示意圖。
[圖17]示出根據若干實施例的，分配電流複製與對可組態光偵測器陣列進行電流權重調整之例示性方法的流程圖。
[圖18]示出根據若干實施例的，調整可組態光偵測器陣列的電流權重以減輕編碼器系統中的光強度不均勻性的例示性方法的流程圖。

Claims (19)

  1. 一種編碼器系統，其包含：光發射器，其經組態發射光通量；陣列中的複數個光偵測器，其中各光偵測器可操作以回應於該光通量產生電流，以及其中各光偵測器具有可變的狀態分配；複數個多工器，其經組態以根據各別的可變的狀態分配將各該電流路由；以及電流複製器，其經組態以複製該電流中的第一電流以饋送該多工器中兩者。
  2. 如請求項1所述之編碼器系統，其中該可變的狀態分配是複數個正交狀態或OFF中一者。
  3. 如請求項2所述之編碼器系統，其中該陣列中相同行之各光偵測器具有相同的正交狀態或OFF。
  4. 如請求項1所述之編碼器系統，進一步包含經組態以增加或減少該複製的第一電流之電流權重調整器。
  5. 如請求項1所述之編碼器系統，其中該電流複製器包含經組態以增加或減少該複製的第一電流之電流權重調整功能。
  6. 如請求項1所述之編碼器系統，其中該第一電流是由單一光偵測器所產生。
  7. 如請求項1所述之編碼器系統，其中該第一電流是由該陣列中相同行之多個光偵測器所產生。
  8. 如請求項1所述之編碼器系統，其中該兩個多工器具有不同之可變的狀態分配。
  9. 如請求項1所述之編碼器系統，其中該兩個多工器具有相同之可變的狀態分配。
  10. 一種編碼器系統，其包含：可組態偵測器陣列，其包括複數個偵測器；記憶體，其經組態以儲存分區圖，其中該分區圖界定針對該偵測器各者之狀態；控制器，其可操作以從該記憶體讀取該分區圖並用以根據該分區圖組態該可組態偵測器陣列；發射器，可操作以產生由運動物體調變的通量，其中該多個偵測器可操作以回應於該通量產生電流；用於對該電流分配權重之第一機構；用於將由具有相同狀態的該多個偵測器產生之該電流進行分組之第二機構；以及用於複製該電流至少一部分之第三機構。
  11. 如請求項10所述之編碼器系統，其中該第一機構根據該通量之密度分佈來分配該權重。
  12. 如請求項10所述之編碼器系統，其中該第二機構將由該可組態偵測器陣列之相同行的該多個偵測器所產生的該電流進行分組。
  13. 如請求項10所述之編碼器系統，其中該第二機構包括複數個多工器，該多工器經組態以根據該偵測器各者的各別狀態來將該電流路由。
  14. 如請求項10所述之編碼器系統，其中：該複數個偵測器，其包含複數個光偵測器；該發射器包含光發射器；以及該通量包含光通量。
  15. 如請求項10所述之編碼器系統，其中：該複數個偵測器包含複數個磁性偵測器；該發射器包括磁化部分；以及該通量包含磁通量。
  16. 一種調整光學編碼器系統之方法，其包含：從記憶體取回分區圖；基於該分區圖組態光偵測器陣列，該光偵測器陣列包含複數個光偵測器，其中透過該分區圖將該光偵測器陣列中各光偵測器分配正交狀態，其中電流複製器從該光偵測器各者複製電流輸出到二或多個多工器，該多個多工器將複製的電流輸出路由到狀態不同的複數個通道加總放大器；透過該光偵測器陣列執行光強度偵測；以及調整由該電流複製器輸出的電流輸出的權重，以減輕透過該光強度偵測所識別的光強度不均勻性。
  17. 如請求項16所述之方法，其中調整該權重包括：相對於由該光偵測器陣列的中央區中的該多個光偵測器輸出之電流輸出，增加由該光偵測器陣列的週邊區中的該多個光偵測器輸出之該電流輸出。
  18. 如請求項16所述之方法，其中調整該權重包括：相對於由該光偵測器陣列的週邊區中的該多個光偵測器輸出之電流輸出，減少由該光偵測器陣列的中央區中的該多個光偵測器輸出之該電流輸出。
  19. 如請求項16所述之方法，進一步包含：儲存該經調整權重之設定於該記憶體中。
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