具有用于谐波抑制的倾斜光探测器元件的光学编码器的制作方法

专利名称：具有用于谐波抑制的倾斜光探测器元件的光学编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光位置编码器领域，并且更具体地，涉及釆用用于抑 制出现在编码器内的周期性光学干涉图案中的不期望的谐波分量的技术 的光位置编码器。
背景技术：
一种通常类型的光位置编码器采用相干光源；相对于光源可活 动的衍射光栅；和探测器，用于采样由衍射光栅衍射的来自光源的光产 生的干涉条纹的图案。当光栅随着其位置正进行测量的物体运动时，干 涉条纹的图案具有成比例量的明显运动。该探测器在足够数目的位置处 采样图案，以产生干涉条纹的空间相位的估计，其可容易地转换成物体 的位置的估计。在一种普通结构中，光学编码器釆用所谓的"四槽(four-bin)"采样和处理方法。假设条纹图案沿运动方向的分量实质为正 弦，其至少对于第一级近似是精确的。该探测器包括一组或更多组四个 分离单元，并且每个组的元件彼此以90度偏置布置。对分离180度的 两个元件的输出进行组合以得出表示条纹图案的相位角的"正弦"值。 类似地，对其它两个元件的输出进行组合以得出表示相位角的"余弦" 值。然后，该位置估计得出作为与正弦和余弦值的比率的反正切成比例 的值。存在能够采用的多种变体，包括采用诸如三槽或六槽采样的其它 采样结构的变体。在衍射光学编码器中，该条纹图案优选地为尽可能的正弦形状， 以避免当这种假设无效时必定出现的位置估计中的误差。可能存在许多 噪声源或其它信号分量，从理想正弦特征失真条纹图案。 一种特别的问 题在于谐波失真，即出现其频率为条纹图案的基频整数倍的周期分量。编码器中的光栅与/或其它光学部件的特征可引入能够导致位置估计误差的不期望的谐波失真。例如，釆用所谓Talbot效应的编码器可具有 许多衍射级，其在探测器处干涉以产生具有多谐波分量的复杂条纹图 案。在许多情况中，在干涉条纹图案中出现的任何谐波失真在接收探 测器输出的信号处理器中进行滤波。虽然这种方式可能适合用于一些应 用，而在其它应用中则是困难的或不可能的。在其它困难中，这种滤波 可能需要不期望的大量处理资源，这能够导致增加的成本和其它缺点。已知釆用特殊设计的探测器，所述探测器趋向于对干涉条纹图案 的特定谐波分量更小的敏感性。例如，Thorburn等人的美国专利申请 公开2003/0047673A1示出了一种谐波抑制光学探测器，其中选择各 个光学探测器元件的形状、尺寸和位置，使得减小了诸如三阶谐波之类 的特定谐波的级。特别地，Thorburn等人公开的应用教授了用于第三 阶谐波的探测器，其中矩形探测器元件的宽度等亍第三阶谐波的空间 周期的T/3。结果，该探测器元件对干涉图案的这种特定分量不敏感， 并且与基本分量的幅度相比，探测器输出信号中的这种分量的幅度极 低。该探测器元件设置为使得能够执行四槽处理。美国专利6,018,881示出了一种磁性位置测量系统，采用通过对 第三阶谐波进行滤波的抑磁(MR)探测器的倾斜结构。该滤波减小了由 MR元件的高非线性响应导致的失真，其主要由于所谓的"饱和区域" 中的操作。发明内容虽然釆用诸如在Thorburn等人发布的申请中所示的谐波抑制光测 器阵列的编码器能够实现对不期望谐波分量的良好抑制，它们可能不适 合所有应用。在许多情况中，最关注的谐振分量是第三阶分量，因为其 幅度可能实质比诸如5th、 7'h等的更高阶奇数谐波更大。然而，对具有 宽度T/3的探测器元件的需要一定程度上与四槽釆样方法不一致。在条 形图案的一个周期内不可能并排布置四个探测器元件，并且每个具有 T/3的宽度。在Thorburn等人发布的申请中，釆用交替布置，其中通常涉及采用适合的相位偏置，分布自关于条形图案的多个周期的一组 的探测器元件。在己知的交替方案中，每组的元件沿垂直于标尺的运动 方向的方向分离，以便例如仅两个宽度T/3的元件并排布置。虽然在 四槽采样范围内，这些布置用于提供采用相对宽的探测器元件，它们可 具有阻碍其用于任何特殊的编码器中的其它缺点。在当前公开中，示出了独立于其宽度表现出谐波抑制的光学探测 器。该公开的光学探测器采用相对于干涉条纹的倾斜方位，用于空间积 分不期望的谐波分量，并且从而抑制其对探测器输出的贡献。结果，探 测器能够采用更灵活的方式布置，以便容易釆用四槽采样方案。特别地，公开的光学编码器通常包括:光束源；和设置用于相对于 光束运动的光栅。该光栅结合光束操作，以在探测器处产生干涉条纹的 空间图案，所述干涉条纹图案包括不期望的谐波分量。该编码器还包括 在探测器位置处的光探测器，所述光探测器包括多个通常伸长的探测器 元件，操作探测器元件以便以沿所述光栅的运动方向在空间上隔开的位 置处对干涉条纹图案进行采样。每个探测器元件实质包括一个或多个倾 斜段，并且每个倾斜段沿光栅的运动方向倾斜不期望的谐波分量周期的 整数倍，以对不期望的谐波分量进行空间积分，并且从而实质抑制所述 谐波分量对光探测器的输出的贡献。在更具体的实施例中，光学编码器采用实质彼此平行的多个伸长 的矩形探测器元件。这些编码器的子类型型包括探测器，其中探测器 元件成矩形阵列布置，整个矩形阵列相对于光栅的运动方向旋转以便将 探测器元件设置成倾斜。其它子类型包括探测器，其中探测器元件沿 光栅的运动方向并排布置，以形成非矩形平行四边形。在其它实施例中，所公开的光学编码器通常包括探测器，其中 每个探测器元件本身包括多个伸长的矩形段。在一个子类型中，该段以 粗略类似理发店招牌的方式彼此平行布置。在另一子类型中，该段被布 置成两个不平行组。两个组还能够以交替的方式布置，以便将每个探测 器元件设置成之字型或人字型形状。还能够采用探测器，所述探测器包括倾斜特性(为减小一个谐 波)和宽度特性，用于减小或者相同的谐波或不同的谐波，通常更高频率的谐波。从而，例如探测器元件可倾斜等于T/3的量，其是第三阶谐 波的周期，并且具有T/5的宽度，用于抑制5"阶谐波。所公开的光学编码器实现的其它优点包括在操作期间改进的对准 容限和更大的污染容限。这些优点部分地源于延伸经过多个周期的光学 探测器的"之字型"或重复"人字型"形状。该图案提供了对围绕探测 器轴的旋转未对准的相对较大的范围，有效对谐波进行滤波。此外，因 为重复形状的自然容余，甚至在存在可能阻塞一些段的少量污物的情况 中，探测器也能够有效操作。附困说明从下述如附图中所示的本发明的典型实施例的更详细描述，本发 明的前述和其它目的、特性以及优点将会变得明显，其中在不同视图 中，类似标号表示相同的部件。附图不一定成比例，重点在于说明本发 明的实施例、原理和概念。

图1是根据本发明的光学编码器的示意图；图2是如本领域已知的光学编码器中出现的光信号的波形图；以及图3-10是示出了图1的光学编码器中的光探测器的可选实施例的图。
具体实施方式
在图1中，传感器装置10安装作为反射衍射光学编码器的一部 分。光源12照射其上已产生周期性反射衍射光栅16的标尺14。自光 源12的光从标尺14反射性地衍射至传感器装置10，其在所示实施例 中包括光学探测器18。该衍射光栅16产生彼此干涉的多级衍射光，以 在探测器18上形成光学条纹图案(未示出)。来自探测器18的样本发 送到计算每个样本的条纹相位的电子处理器20。该条纹图案理想地特征为周期P正弦。概念上，当标尺14沿由直 线22指示的方向相对于探测器18侧向运动时，条纹图案在探测器18 的表面上运动成比例的距离。条纹图案的相位变化的准确测量值是标尺14运动的成比例测量值。如上所述，由于许多原因出现，测量误差可 能会上升，包括在条纹图案中存在不期望的谐波分量。如在下面更详细 地描述，探测器18配置为以下方式有助于抑制对于配置给处理器20 的探测器输出的这种不期望的谐波分量。为了方便参照，示出了一组坐标轴24以表示所关注的方向。运动 方向22沿X轴。该标尺14位于沿X和Y方向延伸的平面中，光栅16 的各个元件沿Y方向延伸。该标尺14和传感器设备沿.Z方向分离。应 该认识到在探测器18上入射的干涉条纹图案沿X和Y方向延伸，具 有沿X方向的光栅产生的强度变化。图2示出了采用有些夸大形式的目前公开的谐波抑制技术解决的 问题。图2(a)示出了一部分干涉条纹图案的实例强度曲线。该图案具 有如期望的确定周期T，但它也示出了实质上的谐波失真。图2(b)和 2(c)分别示出了这种波形的基波和第三阶谐波，第三阶谐波的周期指表 示为T/3。为了当前描述的目的，省略了其它谐波。然而，应该指出 偶数阶谐波在如下所述四级釆样结构中以及在其它釆样方案中得到内在 抑制。因此，通常是这样的情况抑制奇数阶谐波是在光学编码器的设 计中仍将解决的问题。这里公开的技术适用于其它奇数阶谐波，如果需 要可应用于偶数阶谐波。此外，如果期望，这里公开的技术也可与其它 谐波抑制技术组合，以抑制多谐波分量。图3示出了实现抑制入射干涉条纹图案中的第三阶谐波分量的第 —探测器18-1。该探测器18-1包括并排布置的多个伸长矩形光敏探测 器元件26 (诸如光电二极管)。整个阵列具有矩形形状，并且旋转使 得该探测器元件26以相对于沿X方向表示干涉条纹图案的中央央的直 线28呈某一角度倾斜。该探测器18-1通常以沿Y方向的直线28为中 心。所述旋转量使得每个元件26沿X方向倾斜将抑制的谐波的周期， 在这个实例中为T/3。因此，旋转量部分地由探测器元件26的长度确 定。如果探测器元件26相对较长，则需要相对较小的旋转以取得T/3 的期望X方向倾斜。如果探测器元件26相对较短，需要更多的旋转。 应该认识到探测器18-1能够在传感器装置上如所示定向，具有围绕 Z轴的法线、非旋转方位。即在这种实施例中，光源12 (图1)与探测器18-1的中心之间的虚线沿Y轴的方向，并且探测器元件26的阵列相 对于该直线旋转。可选地，该探测器元件26可平行于该直线，但该直 线本身相对于Y轴倾斜，即整个传感器装置10围绕Z轴略微旋转。在图3中，探测器元件26采用一致的方式显示。然而，如在本领 域已知，该探测器元件26可以组织成多个组，其在一个或多个周期内 以不同的相位釆样条纹图案。例如，通常采用四相位釆样，其需要探测 器元件在条纹图案的一个或多个周期中处于0、 90、 180和270度的每 个相位。将来自连续组的相应探测器电学连接在一起，用于空间平均并 获得更高强度的输出信号。为了简明起见，这种细节从图3 (以及剩余 图)省略。该探测器元件26操作以具有实质线性响应特征，即其各自的电输 出与入射光强度线性相关。因此，应该认识到元件26的响应特征本 身实质不会有助于在探测器输出信号中出现不期望的谐波分量。图4示出了可选探测器18-2。该探测器元件30如在图3的探测器 18-1那样倾斜，但沿直线28并排布置以形成非矩形的平行四边形形 状。在探测器18-2中，将倾斜或旋转应用于各自探测器元件30，而不 是如在探测器18-1应用于整个排列。因此，元件30均停留在干涉条纹 图案的中央部分中，产生更高的总信号强度。该探测器18-2能够用于 传统结构，其中:将光源12与探测器18-2的中心相连的直线平行于Y 轴延伸。--种变体可以是混合形式，其中元件30的倾斜部分通过整 个阵列的旋转(即，传感器10的旋转)并部分通过倾斜传感器10上的 各个探测器元件完成。图5示出了第三可选探测器18-3，其中每个探测器元件32包括 布置在中心线28上方和下方的多个分开的段34(如所示34-1和34-2)。针对给定的受关注谐波，更短的段34能够提供比图3和图4的单 段元件26和30更大的倾斜。这能够提高探测器18-3对于未对准的容 限。应该认识到每个探测器元件32的段34-1和34-2电连接在一 起，或者对其输出求和以形成各个元件32的输出。图6示出了一般原理，据此这里公开的探测器(诸如上述探测器 18-1、 18-2和18-3)用于抑制出现在干涉条纹图案中谐波分量的贡献。在图6中示出了探测器元件26和表示在两个任意相位的干涉条纹图案 的第三阶谐波分量的曲线。如所示，沿X方向，光强度的图案实质为正 弦图案。沿Y方向，光强度实质均匀。诸如元件26的探测器元件能够 视为对在其表面区域上入射光强度的图案进行空间积分。相对于入射光 图案的基波和其它分量，当在操作期间出现标尺12与传感器装置10之 间的相对运动时，该空间积分产生随所述相对运动变化的值。然而，相 对于第三阶谐波分量，探测器元件的输出保持恒定，尽管随着标尺12 运动该分量的相位变化。在图6中示出了该分量的两个任意相位。不考 虑相位，第三阶谐波的一个周期的积分为等于平均值的恒量。因为探测 器元件确切地沿X方向延伸第三阶谐波的一个周期，不管光图案的相 位，光强度图案的第三阶谐波分量的输出实质恒定，并且因此能够通过 处理器20内的适合处理滤波出来。图7示出了--部分可选实施例，其中探测器元件36由多个分开 的倾斜段组成，诸如在所关注谐波的给定周期内设置的段38-1和38-2。在所示实施例中，段38-2延伸经过谐波周期的近似2/3，并且段 38-1延伸经过周期的剩余1/3。应该认识到该段38电连接在一起或 者进行求和，并且其求和的输出将按照于单一倾斜元伸.26等效的方式 反映谐波的空间积分。图8示出了另一可选实施例，其中探测器元件40由倾斜段42-1 和42-2组成，类似于图7的段38-1和38-2，除了段42-1和42-2处 于与所关注的谐波的不同周期中。如果两段42-1和42-2在由来自光源 12的光均匀照亮的区域中(图1)，则探测器元件40采用与图6的元 件26实质相同的方式类似地起作用。图9示出了第四可选探测器18-4。探测器18-4的每个元件44包 括沿相反的方向倾斜的交替段46-1和46-2，产生多-周期"之字型" 或"人字型"形状。每个段46-1单向沿X方向倾斜所关注的谐波周 期，诸如所示T/3，同时每个段46-2沿相反的X方向倾斜相同的量。 应该认识到每个段46实现了空间积分，并且从而抑制了如上述元件 26、 30、 32、 36和42那样的第三阶谐波。另外，元件44的多-周期人 字形形状具有相对于那些其它探测器的形状的至少一个优点。例如，当釆用诸如18-1、 18-2或18-3的探测器时，由于由离开Y轴方向的元件 的倾斜导致的信号调制的减小，来自基波分量的信号强度消失。如果探 测器围绕Z轴旋转使得该元件与Y轴对准，这种信号强度能够得以改 进。这种旋转将趋向于使这些探测器的谐波抑制特性失效，并且从而从 该观点不是期望的。然而，在采用这种探测器的编码器的组装和调谐期 间，简单的装配器可能错误地轻松地设置这种旋转，更高信号强度对由 例如第三谐波的出现导致的信号质量降级是有益和明显的。这种问题利用探测器18-4得以避免，因为由于段46-1和46-2的 交替方向，它实现了沿相同方向最大信号强度和最大谐波抑制。来自段 46-1的信号强度的任何增加将从沿一个方向的旋转引起，将偏置自段 46-2的相应减小，并且反之亦然。在编码器的组装和调谐期间，对离 开这种最佳方位的任何Z轴旋转的灵敏性能够实际用于辅助对准传感器 装置10。图10示出了也采用人字型形状的元件48的可选探测器18-5。交 锊段50-1和50-2的Y轴间隙比对于探测器18-4的段46-1和46-2的 更大。通常，诸如探测器18-5之类的更高间距的探测器具有平均许多 更小段的优点，并且从而对光束照射的不规则性不敏感。更高间距的探 测器也可具有在关于编码对准方面的优点。然而，还可能出现施加实际 限制的困难增加。这些困难包括其中两个段50-1和50-2相遇处的相当 尖的"角"，其在探测器制造过程中可能难以精确产生。另外，更髙间 距的探测器可具有对沿入射光图案的Y轴分量的任何变化更大或更不敏 感。人字形形状的这些方面可以影响在任何特定实施例中的间距值的选 择。在上面描述的探测器中，探测器元件的宽度不会对正抑制的谐波 分量的周期或任何其它谐波分量的周期具有任何必要的关系。实际上， 通过实现取得所需程度的谐波抑制的具有紧密间隔元件的相对较小的探 测器的设计，这种与元件宽度的独立性是非常有利的。然而，可以釆用 探测器元件26的特定宽度，以便获得额外的谐波抑制。特别地，它可 能优选地釆用探测器元件，所述探测器元件具有相对于一个谐波周期X 轴倾斜的量，并且具有关于更高阶谐波周期的X轴宽度。例如，在具有T/3倾斜的探测器18-1到18-5中，其各自宽度能够被设置为T/5或 T/7，用于抑制第五阶或第七阶谐波。利用这种结构，它仍可以在单个 基波周期内，安装四个探测器元件，导致探测器的轮廓中的所需紧凑 性。在可选实施例中，可能期望地使每个元件的宽度等于或大于倾斜 量，例如以使探测器18-1中每个元件的宽度等于T/3的一些倍数。虽然前述描述是关于衍射反射编码器的，对于本领域的普通技术 人员很明显的是所公开的技术可以采用许多其它典型的编码器类型。 所公开的技术通常可用于包括下述的所有类型的光学编码器衍射和几 何编码器以及基于波纹的编码器、反射和透射编码器、具有附加光学器 件(例如，瞄准仪、孔径、衍射束校正器、棱镜、透镜、偏振光器件) 的编码器和没有这种附加光学器件(例如Talbot编码器)的编码器、 旋转和线性编码器、采用辅助或中间掩膜的编码器和采用激光源以外的 LED光源的编码器。另外，探测器的每个元件的多个段无需具有相同的 长度或彼此平行。重要特征在于探测器元件的倾斜等于所关注谐波周期 的整数倍。
权利要求
1.一种光学编码器，包括光束源；设置用于相对于光束运动的光栅，所述光栅结合所述光束操作，以在探测器位置处产生干涉条纹的空间图案，所述干涉条纹图案包括不期望的谐波分量；以及在探测器位置处的光探测器，所述光探测器包括多个伸长的探测器元件，操作探测器元件以便沿所述光栅的相对运动方向在空间上隔开的位置处对干涉条纹图案进行采样，每个探测器元件包括一个或更多个段，每个段在干涉条纹图案上倾斜不期望的谐波分量的周期的整数倍，以便按照实质抑制所述谐波分量对光探测器的位置相关输出的贡献的方式，对不期望的谐波分量进行空间积分。
2. 根据权利要求1所述的光学编码器，其中每个探测器元件包 括一个伸长段，并且其中所述探测器元件的各个段实质上彼此平行。
3. 根据权利要求2所述的光学编码器，其中所述探测器元件的段成矩形阵列布置，整个矩形阵列相对于光栅的运动方向旋转以便将探 测器元件的段设置成倾斜。
4. 根据权利要求2所述的光学编码器，其中所述探测器元件的段采用倾斜并排形式布置，以形成非矩形的平行四边形。
5. 根据权利要求4所述的光学编码器，其中所述平行四边形相对于光栅的运动方向不旋转。
6. 根据权利要求4所述的光学编码器，其中所述平行四边形相抵与光栅的运动方向旋转。
7. 根据权利要求1所述的光学编码器，其中每个探测器元件包 括多个伸长段。
8. 根据权利要求7所述的光学编码器，其中所述每个探测器元 件的所述伸长段彼此平行。
9. 根据权利要求7所述的光学编码器，其中每个探测器元件的 所述伸长段包括彼此不平行的多个段。
10. 根据权利要求9所述的光学编码器，其中每个探测器元件的 所述伸长段布置成两个不平行的组。
11. 根据权利要求9所述的光学编码器，其中每个探测器元件的 所述伸长段采用交替的方式布置，以便将每个探测器元件设置成多周期 之字型形状。
12. 根据权利要求11所述的光学编码器，其中每个探测器元件 的伸长段布置成两个不平行的组。
13. 根据权利要求1所述的光学编码器，其中每个伸长探测器元 件具有实质小于探测器元件倾斜的量的宽度。
14. 根据权利要求1所述的光学编码器，其中不期望的谐波分量 是第一不期望谐波分量；所述干涉条纹图案包括第二不期望的谐波分 量，并且每个伸长探测器元件具有实质等于第二不期望谐波分量周期整粉,立的舍审狄1口 H、J见bc 。
15. 根据权利要求14所述的光学编码器，其中第二不期望的谐 波分量具有比第一不期望的谐波分量更高的频率。
16. 根据权利要求1所述的光学编码器，其中每个伸长探测器元 件具有比探测器元件倾斜的量更大的宽度。
17. —种光学编码器，包括 光束源；设置用于相对于光束运动的光栅，所述光栅结合所述光束操作，以 在探测器位置处产生干涉条纹的空间图案，所述干涉条纹图案包括不期望的谐波分量；以及在探测器位置处的光探测器，所述光探测器包括多个伸长的探测 器元件，操作探测器元件以便沿所述光栅的相对运动方向在空间上隔开 的位置处对干涉条纹图案进行采样，每个探测器元件包括多个倾斜的不 邻接段，共同在干涉条纹图案上延伸不期望的谐波分量的周期的整数 倍，以便按照实质抑制所述谐波分量对光探测器的位置相关输出的贡献 的方式，对不期望的谐波分量进行空间积分。
18. 根据权利要求17所述的光学编码器，其中每个探测器元件的所述段位于所述千涉条纹图案的各个单独的周期内。
19. 根据权利要求17所述的光学编码器，其中每个探测器元件 的所述段位于所述干涉条纹图案的各个不同的周期内。
20. 根据权利要求17所述的光学编码器，其中每个探测器元件 的所述段是平行的。
21. 根据权利要求17所述的光学编码器，其中每个探测器元件 的所述段是不平行的。
22. —种光学编码器，包括光束源；设置用于相对于光束运动的光栅，所述光栅结合所述光束操作，以 在探测器处产生干涉条纹的空间图案，所述干涉条纹图案包括不期望的谐波分量；以及在探测器位置处的光探测器，所述光探测器包括多个伸长的探测 器元件，操作探测器元件以便沿所述光栅的相对运动的方向，在空间上 隔开的位置处对干涉条纹图案进行采样，每个探测器元件包括采用交替 方式布置在两个非平行组中的多个伸长段，以便将每个探测器元件设置 成多周期的之字型形状；每个探测器元件的每个段在干涉条纹图案上倾 斜不期望谐波分量周期的整数倍，以便按照实质抑制所述谐波分量对光 探测器的位置相关输出的贡献的方式，对不期望的谐波分量进行空间积 分。
全文摘要
一种光学编码器包括光束源；产生干涉条纹的空间图案的光栅；以及光学探测器，包括通常伸长的探测器元件，其沿光栅的运动方向，在空间分离的位置处对干涉条纹图案进行采样。每个探测器元件具有一个或多个段，其沿光栅的运动方向倾斜条形图案的不期望谐波分量的周期的整数倍，从而对谐波分量进行空间积分，并且抑制其对探测器的输出的贡献。一种具体的探测器类型包括围绕Z轴略微旋转的成矩形阵列的平行伸长矩形元件；另一类型包括布置以形成非矩形的平行四边形的探测器元件。另一种类型的探测器包括探测器元件，每个具有可布置成两个不平行组的多个伸长矩形段。两个组还能够以交替的方式布置，以便将之字型或人字型形状传递给每个探测器元件。
文档编号G01B11/02GK101268330SQ200680034293
公开日2008年9月17日 申请日期2006年7月24日 优先权日2005年7月26日
发明者唐纳德·K·迈克尔, 威廉·G·索伯恩 申请人:Gsi集团公司