标尺、编码器、透镜装置以及图像拾取系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及标尺、编码器、透镜装置以及图像拾取系统。标尺（20）具有多个图案以在空间上调制能量分布，所述标尺包括在移动方向上具有第一调制周期的第一图案、以及在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案，第一图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向而改变，第一图案和第二图案中的每一个通过包括反射光的反射部（26）和不反射光的非反射部（25）而被配置，以及沿所述与移动方向垂直的方向，在第一位置处的反射部（26）在移动方向上的宽度不同于在与第一位置不同的第二位置处的所述宽度。
【专利说明】标尺、编码器、透镜装置以及图像拾取系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及编码器(encoder)和用于编码器的标尺(scale)。
【背景技术】
[0002]日本专利N0.2011-237231公开了设置有用于检测与测量方向(移动方向)正交的横向(lateral direction)上的位移(displacement)的位移检测传感器以能够显示标尺与检测器之间的位移的编码器。在该配置中，检测器和标尺可被调整和固定以具有预定的位置关系，并因此可获得适当的信号特性。
[0003]然而，在日本专利公开N0.2011-237231中公开的编码器中，需要位移检测传感器、用于将从位移检测传感器获得的输出信号连接到微计算机(信号处理电路)的周边电路等。因此，它是增加编码器的尺寸和成本的因素。另外，用于检测与测量方向(移动方向)垂直的方向(横向)的标尺区域和用于检测测量方向的标尺区域被彼此分离地布置。因此，由于位置变动(诸如偏转(yawing))，在它们之间产生位移，并且检测位置的精度被劣化。
【发明内容】
[0004]本发明提供能够以高的精度检测在与移动方向垂直的方向上标尺与检测器之间的相对位置的小尺寸且低成本的标尺和编码器。本发明还提供使用该编码器的透镜装置和图像拾取系统。
[0005]作为本发明的一个方面的标尺具有多个图案(pattern)以在空间上调制能量分布，该标尺包括在移动方向上具有第一调制周期的第一图案、以及在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案，第一图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向而改变，第一图案和第二图案中的每一个通过包括反射光的反射部和不反射光的非反射部而被配置，以及沿所述与移动方向垂直的方向，在第一位置处的反射部在移动方向上的宽度不同于在与第一位置不同的第二位置处的所述宽度。
[0006]作为本发明的另一方面的编码器包括:标尺，具有多个图案以在空间上调制能量分布；检测器，被配置为相对于标尺能够相对移动，并具有检测能量分布且在移动方向上排列的多个检测元件；以及信号处理器，被配置为处理检测器的输出信号以获得位置信息，标尺包括在移动方向上具有第一调制周期的第一图案、以及在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案，第一图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向而改变，以及信号处理器包括基于第一图案获得第一相位的第一相位获得单元、以及基于第二图案获得第二相位的第二相位获得单元，并被配置为基于第一相位和第二相位获得在所述与移动方向垂直的方向上的位置信号。
[0007]作为本发明的另一方面的透镜装置包括:能够在光轴方向上位移的透镜；以及被配置为检测透镜的位移的编码器。
[0008]作为本发明的另一方面的图像拾取系统包括:透镜装置；以及图像拾取装置，具有被配置为对于经由透镜获得的光学图像执行光电转换的图像拾取元件。[0009]从参照附图对示例性实施例的如下描述，本发明的进一步的特征和方面将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是实施例1、2以及4中的每一个中的编码器的示意性配置图。
[0011]图2是实施例1中的轨道(track)的部分平面图。
[0012]图3是实施例1至4中的每一个中的图案的放大平面图。
[0013]图4是实施例1至4中的每一个中的图案的放大平面图。
[0014]图5是实施例1中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。
[0015]图6是实施例1中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。
[0016]图7是实施例1中的另一例子的轨道的部分平面图。
[0017]图8是实施例1中的另一例子的轨道的部分平面图。
[0018]图9是实施例2和4中的每一个中的轨道的部分平面图。
[0019]图10是实施例2至4中的每一个中的图案的放大平面图。
[0020]图11是实施例2和3中的每一个中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。
[0021]图12是实施例2和3中的每一个中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。
[0022]图13是实施例2和3中的每一个中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。
[0023]图14A和图14B是示出实施例2中的检测信号与标尺位置之间的关系的示图。
[0024]图15是实施例3中的编码器的示意性配置图。
[0025]图16是实施例3中的轨道的部分平面图。
[0026]图17是实施例3中的轨道的部分平面图。
[0027]图18A和图18B是示出实施例3中的检测信号与标尺位置之间的关系的示图。
[0028]图19是实施例4中的光接收元件阵列的光接收表面的平面图。
[0029]图20是实施例5中的图像拾取系统的横截面的示意图。
【具体实施方式】
[0030]以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。在附图中，相同的元件将由相同的附图标记来表示，并且将省略其描述。
[0031][实施例1]
[0032]首先，参照图1，将描述本发明的实施例1中的编码器的配置。本实施例的编码器被用于检测可动部(要被测量的对象)的位置(位移)。图1是本实施例中的编码器100A的示意性配置图。该编码器100A通过包括附接于固定部(未示出)的传感器单元IOA (检测器)、附接于可动部(未示出)的标尺20、信号处理电路30(信号处理器)、以及存储单元40而被配置。本实施例不限于此，而且相反地，如果传感器单元IOA和标尺20被配置为相对于彼此是可移动的，那么传感器单元IOA可附接于可动部，并且标尺20也可附接于固定部。
[0033]传感器单元IOA是由光接收部和发光部一体化配置的传感器单元，其在同一封装中安装光源12A (诸如LED)和具有光接收元件阵列16A的光接收IC14A。光接收元件阵列16A用作检测元件阵列，在该检测元件阵列中，检测来自标尺20的图案的能量分布的多个检测元件(多个光接收元件)被排列在X方向上，该X方向是标尺20 (或可动部)的移动方向(长度测量方向)。在本实施例中，能量分布是光分布，但实施例不限于此。本实施例也可被应用于磁分布、电分布等被用作能量分布的情形。因此，例如，能量分布的调制意味着通过将光分布(光强度分布，或者时间或空间的光强度分布)照射到具有反射率分布的标尺等上的调制。对于磁分布或电分布同样如此。由此，传感器单元IOA被配置为相对于标尺20是可移动的，并且检测能量分布的多个检测元件被排列在移动方向(X方向)上。
[0034]标尺20具有轨道21A。在轨道21A中，图案阵列被形成在玻璃板上，该图案阵列包括由铬反射膜形成的多个图案。在轨道21A上形成的该多个图案被配置为在空间上调制能量分布(诸如光分布、磁分布、或电分布)。由此，标尺20包括用于在空间上调制能量分布的该多个图案。
[0035]轨道21A相对于与X方向(移动方向)垂直的Y方向设置有多个区域，该多个区域在X方向上具有彼此不同的节距(Pitch)(调制周期)。例如，当两种类型的区域被设置为该多个区域时，轨道21A设置有第一区域和第二区域，该第一区域具有在X方向上具有第一节距(第一调制周期)的第一图案，该第二区域具有在X方向上具有第二节距(第二调制周期)的第二图案。该第一调制周期和第二调制周期彼此不同。如下面描述的那样，第一图案和第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向(Y方向)而改变。
[0036]在本实施例中，光接收元件阵列16A被配置为接收来自标尺20的图案的反射光，但本实施例不限于此。本实施例也可被应用于它被配置为接收来自标尺20的图案的透射光的情形。换句话说，如果光接收元件阵列16A被配置为能够接收来自标尺20的图案的光，那么来自图案的反射光或透射光中的任一种均可被使用。
[0037]信号处理电路30处理传感器单元IOA的光接收元件阵列16A的要转换成位置信息的输出信号。换句话说，信号处理电路30处理传感器单元IOA的输出信号以获得位置信息。信号处理电路30还执行由传感器单元IOA所获得的编码器信号的内插处理，将信号写到存储单元40，以及从存储单元40读取信号。信号处理电路30包括信号分离单元31、第一相位获得单元32、第二相位获得单元33、位置信息获得单元34、以及Y方向位置信息获得单元35。信号处理电路30还包括噪声滤波器、放大电路、以及A/D转换电路(未示出)。
[0038]信号分离单元31具有将来自光接收元件阵列16A的输出信号分离成与轨道21A的各区域(第一区域和第二区域)对应的信号的功能。如在本实施例中描述的那样，当光接收IC14A具有切换空间分辨率的功能和用于实现该功能的切换电路时，信号分离单元31向切换电路发送用于切换空间分辨率(连接)的信号。另一方面，当光接收IC14A不具有切换空间分辨率的功能和用于实现该功能的切换电路时，快速傅立叶变换(FFT )被执行以能够分离来自光接收元件阵列16A的输出信号。由此，信号分离单元31将与第一图案(第一区域)对应的第一信号和与第二图案(第二区域)对应的第二信号分离。可替代地，信号分离单元31可通过在光接收元件阵列16A上设置对于每个图案节距(对于每个区域)具有单独的光接收表面的光接收元件来实现。
[0039]第一相位获得单元32对于来自光接收元件阵列16A的输出信号(来自第一区域中的第一图案的输出信号)执行反正切(arc tangent)计算，以获得第一区域中的能量分布的相位信号Φ I (第一相位)。第一相位获得单元32还可用作下面描述的相对位置信号获得单元。第二相位获得单元33对于来自光接收元件阵列16A的输出信号(来自第二区域中的第二图案的输出信号)执行反正切计算，以获得第二区域中的能量分布的相位信号Φ2 (第二相位)。当轨道21A设置有具有与第一节距和第二节距不同的第三节距(第三调制周期)的区域(第三区域)时，根据第三区域在信号处理电路30中设置第三相位获得单元36。
[0040]位置信息获得单元34基于第一相位和第二相位(以及第三相位)获得标尺20的位置信息。位置信息获得单元34还可包括相对位置信号获得单元和绝对位置信号获得单元，该相对位置信号获得单元获得表示标尺20的相对位置的相对位置信号，该绝对位置信号获得单元获得表示标尺20的绝对位置的绝对位置信号。
[0041]当检测标尺20的位置信息时，从设置在传感器单元IOA中的光源12A发射的发散光束照射于标尺20的轨道2IA上。然后，由轨道2IA反射的光束被传感器单兀IOA的光接收元件阵列16A接收。光接收元件阵列16A接收光，作为其中轨道21A的反射率分布被放大为两倍的图像。由光接收元件阵列16A接收的光束被转换成电信号，并且作为编码器信号被发送到信号处理电路30。信号处理电路30将来自光接收元件阵列16A的输出信号转换成位置信息，并且标尺20的位置信息以高的精度被获得和输出。
[0042]接下来，参照图2，将描述本实施例中的轨道21A的配置。图2是轨道21A的部分平面图。轨道21A通过在与标尺20的移动方向(X方向)垂直的方向(Y方向)上交替地(依次地)排列两种类型的区域(区域23和区域24)而被配置。在区域24 (第二区域)中，相对于Y方向上的第N个区域24-N的周期，第(N+1)个区域24- (N+1)的周期向X方向偏移-ΙΟμπι。由此，区域24通过包括区域24-1、24-2、24-3、24-4、24-5…而被配置。区域23对应于上述的第一区域，并且区域24对应于上述的第二区域。在图2中，白色部分是透射或吸收光的非反射部25。黑色部分是反射光的反射部26、27以及28。
[0043]随后，参照图3，将描述区域23 (第一区域)的配置。图3是示出区域23在X方向上的一个周期的放大平面图。区域23通过图案阵列而被配置，该图案阵列对于X方向上的每个节距Pl (第一调制周期，在本实施例中为128μπι)包括图3所示的图案。每个图案通过反射部26和非反射部25而被配置，该反射部26由反射膜构成以便反射光。节距Pl用作上述的第一调制周期。在本实施例中，区域23在Y方向上的宽度Wl是75 μ m。
[0044]反射部26在X方向上的宽度根据区域23在Y方向上的位置而不同。换句话说，沿与移动方向垂直的方向，第一位置处的反射部在移动方向上的宽度与不同于第一位置的第二位置处的宽度不同。在离Y方向上的中心的距离不大于W1/8的范围内，反射部26在X方向上的宽度为Pl X 23/30。在离Y方向上的中心的距离为W1/8至W1/4的范围内，反射部26在X方向上的宽度为Pl X 17/30。在离Y方向上的中心的距离为W1/4至Wl X3/8的范围内，反射部26在X方向上的宽度为PlX 13/30。在离Y方向上的中心的距离为Wl X3/8至W1/2的范围内，反射部26在X方向上的宽度为Pl X 7/30。
[0045]随后，参照图4，将描述区域24 (第二区域)的配置。图4是示出区域24在X方向上的一个周期的放大平面图。区域24通过图案阵列而被配置，该图案阵列对于X方向上的每个节距P2 (第二调制周期，在本实施例中为256μπι)包括图4所示的图案。每个图案通过反射部27和28以及非反射部25而被配置，该反射部27和28中的每一个由反射膜构成以便反射光。节距Ρ2用作上述的第二调制周期。在本实施例中，区域24在Y方向上的宽度 W2 是 75μπι。
[0046]反射部27和28中的每一个在X方向上的宽度根据区域24在Y方向上的位置而不同。在离Y方向上的中心的距离不大于W2/6的范围内，反射部27在X方向上的宽度为P2X70/96。在该区域中，还自周期的两端中的每一个以P2X3/96的宽度形成反射部28。在离Y方向上的中心的距离为W2/6至W2X 1/3的范围内，反射部27在X方向上的宽度为P2X54/96ο在离Y方向上的中心的距离为W2X1/3至W2X1/2的范围内，反射部27在X方向上的宽度为P2X22/96。
[0047]由此，第一图案(第一区域)和第二图案(第二区域)中的每一个通过包括反射光的反射部和不反射光的非反射部而被配置。在与移动方向垂直的方向(Y方向)上，反射部在移动方向(X方向)上的宽度不同。[0048]随后，参照图5和图6,将描述本实施例中的光接收兀件阵列16A的配置。图5和图6是光接收元件阵列16A的光接收表面的平面图。光接收元件阵列16A包括在X方向上以32 μ m的节距排列的64个光接收元件17A。一个光接收元件17A在X方向上的宽度X_pd是32 μ m，并且在Y方向上的宽度Y_pd是900 μ m。光接收元件阵列16A的总宽度X_total是2048 μ m。由于标尺20上的图案被加倍(double)以被投影，因此标尺20上的检测范围是Y方向上450 μ m和X方向上1024 μ m的范围。由于区域23和24在Y方向上的宽度Wl和W2中的每一个是75 μ m，因此，在标尺20上的检测范围中，对于在位置检测方向上具有128 μ m的节距的区域23和具有256 μ m的节距的区域24中的每一个，沿Y方向包括三行(three lines)。
[0049]来自光接收元件17A中的每一个的输出信号被输入到切换电路18。切换电路18连接到被布置在后续级处的四个第一级放大器(未示出)。切换电路18切换输出，使得从所有的光接收元件17A的输出信号中仅选择预定的输出信号。由切换电路18选择的信号被输出到四个第一级放大器。与输出端子A+、B+、A-以及B-对应的光接收元件17A与四个第一级放大器连接，输出端子A+、B+、A-以及B-分别指示A+、B+、A-以及B-相位。在该配置中，四相位正弦波输出S (A+)、S (B+)、S (A-)以及S (B-)被输出到四个第一级放大器。
[0050]切换电路18被配置为能够根据来自信号处理电路30的信号分离单元31的输入来切换光接收元件17A与输出端子之间的连接。因此，多个光接收元件17A中电相加(electric addition)的间隔被切换。当来自信号处理电路30的输入处于高电平时,如图5所示，标尺图案具有128 μ m的检测节距(256 μ m的反射图像的周期)，并且仅来自区域23的周期信号可被分离。另一方面，当来自信号处理电路30的输入处于低电平时，如图6所示，标尺图案具有256 μ m的检测节距(512 μ m的反射图像的周期)，并且仅来自区域24的周期信号可被分离。
[0051]对于各检测节距，相对于S (A+)，四相位正弦波信号的相对相位具有对于S (B+)大约+90度、对于S (A-)大约+180度、以及对于S (B-)大约+270度的关系。信号处理电路30对于四相位正弦波输出S (A+)、S (B+)、S (A-)以及S (B-)执行由下式(I)和(2)表示的计算，以产生已去除了直流分量的二相位正弦波信号S (A)和S (B)。
[0052]S (A) =S (A+) -S (A-)…(I)
[0053]S (B) =S (B+) -S (B-)...(2)
[0054]当切换电路18的输入处于低电平时，S (A)的S (A+)和S (A-)对于128μπι的标尺节距的图像具有相同的相位。因此，作为式(I)的差分(differential)计算的结果，S(A+)和S (A-)被抵消。对于S (B),同样如此。
[0055]信号处理电路30的第一相位获得单元32基于当切换电路18的输入处于高电平时的S (A)和S (B)，通过由下式(3)表示的计算来获得区域23的能量分布的相位信号Φ1(第一相位)。在式(3)中，符号ATAN2[Y，X]是确定象限以便转换成O至2π的相位的反正切函数。
[0056]
【权利要求】
1.一种具有多个图案以在空间上调制能量分布的标尺，所述标尺包括: 在移动方向上具有第一调制周期的第一图案；以及 在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案， 其中，第一图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向而改变， 其中，第一图案和第二图案中的每一个通过包括反射光的反射部和不反射光的非反射部而被配置，以及 其特征在于，沿所述与移动方向垂直的方向，在第一位置处的反射部在移动方向上的宽度不同于在与第一位置不同的第二位置处的所述宽度。
2.根据权利要求1的标尺， 其特征在于，具有第一图案的第一区域和具有第二图案的第二区域在所述与移动方向垂直的方向上被交替地布置。
3.根据权利要求1的标尺， 其特征在于， 第一图案被形成在第一区域中， 第二图案被形成在多个第二区域中的每一个中，以及 第一区域与所述多个第二区域中的每一个相邻，以在所述与移动方向垂直的方向上被布置于所述多个第二区域之间 。
4.根据权利要求1至3中任一项的标尺， 其特征在于，标尺是旋转标尺，所述旋转标尺在环形的盘表面上包括放射状图案作为第一图案和第二图案。
5.根据权利要求1至3中任一项的标尺， 其特征在于，标尺是线性标尺，所述线性标尺在膜基材上包括光栅图案作为第一图案和第二图案。
6.根据权利要求1至3中任一项的标尺，还包括第三图案，所述第三图案在移动方向上具有与第一调制周期和第二调制周期中的每一个不同的第三调制周期， 其特征在于，第三图案和第二图案之间的相对相位根据所述与移动方向垂直的方向而改变。
7.一种编码器，包括: 标尺，具有多个图案以在空间上调制能量分布； 检测器，被配置为相对于标尺能够相对移动，并具有检测能量分布且在移动方向上排列的多个检测元件；以及 信号处理器，被配置为处理检测器的输出信号以获得位置信息， 其中，标尺包括在移动方向上具有第一调制周期的第一图案、以及在移动方向上具有与第一调制周期不同的第二调制周期的第二图案， 其中，第一图案与第二图案之间的相对相位根据与移动方向垂直的方向而改变，以及其特征在于，信号处理器包括基于第一图案获得第一相位的第一相位获得单元、以及基于第二图案获得第二相位的第二相位获得单元，并被配置为基于第一相位和第二相位获得在所述与移动方向垂直的方向上的位置信号。
8.根据权利要求7的编码器，其特征在于，信号处理器基于下式计算位置信号:
Sy=A.Φ 1-B.Φ2 这里，Sy是位置信号，Φ I是第一相位，Φ2是第二相位，A和B是任意的系数，当第一调制周期是Pl且第二调制周期是P2时，所述任意的系数满足A/B = P1/P2的关系。
9.根据权利要求7或8的编码器， 其特征在于，具有第一图案的第一区域和具有第二图案的第二区域在所述与移动方向垂直的方向上被交替地布置。
10.根据权利要求7或8的编码器， 其中，第一图案和第二图案中的每一个通过包括反射光的反射部和不反射光的非反射部而被配置，以及 其特征在于，沿所述与移动方向垂直的方向，在第一位置处的反射部在移动方向上的宽度不同于在与第一位置不同的第二位置处的所述宽度。
11.根据权利要求7或8的编码器， 其特征在于， 第一图案被形成在第一区域中， 第二图案被形成在多个第二区域中的每一个中，以及 第一区域与所述多个第二区域中的每一个相邻，以在所述与移动方向垂直的方向上被布置于所述多个第二区域之间。
12.根据权利要求7或8的编码器， 其特征在于，信号处理器包括信号分离单元，所述信号分离单元分离与第一图案对应的第一信号和与第二图案对应的第二信号。
13.根据权利要求7或8的编码器，还包括加权单元，所述加权单元被配置为对于检测第一图案的所述多个检测元件的输出信号，执行取决于所述多个检测元件的位置的加权， 其特征在于，加权单元被设定，使得通过执行加权获得的值在预定范围内不大于在不执行加权的情况下获得的值，所述预定范围包括第一相位获得单元的空间频率响应的第二调制周期所对应的空间频率。
14.根据权利要求7或8的编码器， 其中，标尺包括在移动方向上具有与第一调制周期和第二调制周期中的每一个不同的第三调制周期的第三图案， 其中，第三图案和第二图案之间的相对相位根据所述与移动方向垂直的方向而改变，以及 其特征在于，信号处理器包括基于第三图案获得第三相位的第三相位获得单元，并被配置为基于第一相位和第三相位获得绝对位置信息。
15.根据权利要求7或8的 编码器， 其中，标尺还包括在移动方向上具有第三调制周期的第三图案、以及在移动方向上具有与第三调制周期不同的第四调制周期的第四图案， 其中，第三图案与第四图案之间的相对相位根据所述与移动方向垂直的方向而改变，以及 其特征在于，信号处理器包括基于第三图案获得第三相位的第三相位获得单元、以及基于第四图案获得第四相位的第四相位获得单元，并被配置为基于第一相位、第二相位、第三相位以及第四相位获得移动方向上的绝对位置信息。
16.根据权利要求7或8的编码器， 其特征在于，检测器包括线性传感器阵列，所述线性传感器阵列能够同步于时钟定时依次获得所述多个检测元件的输出信号中的每一个。
17.一种透镜装置，包括: 能够在光轴方向上位移的透镜；以及 根据权利要求7的编码器，其中，编码器被配置为检测透镜的位移。
18.—种图像拾取系统,包括: 根据权利要求17的透镜装置；以及 图像拾取装置，具有被 配置为对于经由透镜获得的光学图像执行光电转换的图像拾取元件。
【文档编号】G01D5/30GK103674081SQ201310385873
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】名仓千裕 申请人:佳能株式会社