光编码器的制作方法

本申请总体上涉及精确测量仪器，更具体地涉及光学位移编码器。

背景技术：

已知使用读头的各种光学位移编码器，读头具有将标尺图案成像至读头中的光检测器布置的光学布置。标尺图案的像与标尺构件协作地移位，移位的标尺图案像的移动或位置由光检测器布置检测。常规成像、自成像(还称为talbot成像)和/或阴影成像可用于以各种构造提供标尺图案像。

在一些光编码器中使用的一种类型的构造是远心布置。美国专利no.7,186,969、no.7,307,789和no.7,435,945(其全部内容均作为引用并入本文)公开了单独地或双重地利用远心成像系统来成像光的周期图案并感测周期标尺结构的位移的各种编码器构造。远心成像系统提供这种光编码器中的某些期望特征。

关于设计这种光编码器的一个问题是，用户一般优选的是，编码器的读头和标尺尽可能紧凑。紧凑编码器更方便在各种各样的应用中安装。对于某些精确测量应用，还需要高分辨率。然而，各种已知编码器没有提供高分辨率、范围-分辨率比、耐用性、大视场和设计特征的某些组合，这些设计特征允许使用共享的制造技术和部件提供许多编码器分辨率，并便于编码器的用户所想要的低成本。提供这种组合的编码器的改进构造是期望的。

技术实现要素：

该发明内容提供用于介绍简化形式的概念的选择，这些概念在下面的具体实施方式中进一步描述。该发明内容并不意在确认所要求的主题的关键特征，也不意在用于帮助确定所要求的主题的范围。

提供了一种用于测量两个构件之间的相对位移的光编码器。该光编码器包括：标尺光栅(scalegrating)，沿测量轴线方向延伸，该标尺光栅具有光栅间距psf；以及读头构造，相对于标尺光栅以相对位移移动。该读头包括具有照明源的照明构造、沿光轴布置的光学部分、莫尔光栅和检测器部分。光学部分可构造成在一些实施例中操作为远焦光学系统。该照明构造布置成朝向标尺光栅输出具有波长λ的准直源光。光学部分包括：第一透镜，具有焦距f1，定位成与标尺光栅相距约f1的距离处；孔径部分，定位成与第一透镜相距约f1的距离处；以及第二透镜，具有焦距f2，并定位成与孔径相距约f2的距离处。标尺光栅构造成接收准直源光，并向第一透镜输出衍射的标尺光(scalelight)。第一透镜构造成接收标尺光，并朝向孔径部分聚焦标尺光。孔径部分构造成接收标尺光，阻挡大部分零级标尺光，朝向第二透镜传输主要包括+1和-1级标尺光的空间滤波的标尺光。第二透镜构造成接收空间滤波的标尺光，并朝向莫尔光栅输出空间滤波的标尺光，以形成具有沿光轴方向且大致平行于莫尔光栅的条(bar)延伸的条纹的初级干涉条纹图案(primaryinterferencefringepattern)，该条纹具有初级条纹间距ppf，并对应于相对位移随着条纹位移而移动。莫尔光栅构造成接收初级干涉条纹图案，并给检测器部分传输周期性空间调制条纹图案，在检测器部分的检测器平面中，空间调制条纹图案具有沿对应于测量轴线方向的方向的强度调制周期或间距pmfp。检测器部分包括至少n个相应检测器元件，它们定位成检测周期性空间调制条纹图案的n个相应空间相位，其中n是整数，至少为三，每个相应检测器元件具有宽度尺寸dw，其沿条纹位移方向与ppf至少一样大。在各实施例中，调制周期pmfp可以明显大于初级条纹间距ppf和光栅间距psf，从而允许使用以大间距(与标尺光栅间距相比)间隔开的检测器元件。此外，单个检测器部分设计可通过适配莫尔光栅的间距而与多于一个的标尺光栅间距一起使用。

附图说明

图1a是光学位移编码器构造的第一实施例的示意图。

图1b是光学位移编码器构造的第二实施例的示意图。

图1c是光学位移编码器构造的第三实施例的示意图

图2a-2d示出与图1的光学位移编码器构造的光学信号相关的各方面。

图3是图1的光学位移编码器构造的孔径元件的图，示出各种尺寸。

具体实施方式

图1a是用于测量两个构件之间的相对位移的光学位移编码器构造100a的第一实施例的示意图。光学位移编码器构造包括：标尺光栅110，其沿测量轴线方向ma延伸，并具有光栅间距psf；以及读头构造，相对于标尺光栅110以相对位移移动。读头构造包括：照明构造130a、沿光轴oa布置的光学部分180；莫尔光栅150和检测器部分120。光学部分180包括定位在第一透镜平面flp处的第一透镜181、定位在孔径平面ap处的孔径部分182和定位在第二透镜平面slp处的第二透镜183。当谈到将透镜定位成与另一物体或其中的位置相距一距离时，通常意味着定位透镜的有效平面(例如，好像其是十分薄的透镜)，而不是透镜的最近表面的定位。标尺光栅110位于标尺光栅平面sgp处，莫尔光栅150位于莫尔光栅平面mgp处，检测器部分120位于检测器平面dp处。照明构造130a包括光源133和透镜181，光源133在该实施例中可靠近大致位于孔径平面ap的孔径部分182安装或者安装在孔径部分182上。在该实施例中，透镜181提供多于一个的功能，包括充当构造成给标尺光栅110输出准直源光131’的准直透镜。将光源133放置在该位置以及使用第一透镜181作为准直元件允许具有比典型读头更少的部件的更紧凑的编码器读头。应明白，在替代实施例中，转镜可类似地定位，以从替代定位的光源朝向透镜181使聚焦光束改向。而且，还可根据本文公开原理使用照明源的其它替代布置，例如图1b和1c所示。

第一透镜具有焦距f1，并定位在与标尺光栅110相距约f1的距离处。孔径部分182定位在与第一透镜181相距约f1的距离处。第二透镜183具有焦距f2，并定位在与孔径部分182相距约f2的距离处。莫尔光栅定位在与第二透镜183相距约f2的距离处。在一些实施例中，焦距f1和f2可以相等，但是并非在所有实施例中均这样要求。在各实施例中，光学部分180可操作成提供远焦光学系统，其是包括空间滤波器的远心光学系统。

根据本文常规使用的，图1a示出正交x、y和z方向。x和y方向平行于标尺光栅110的平面，x方向平行于预期测量轴线方向ma(例如垂直于可包含在标尺光栅110中的纵长图案元件)。z方向正交于标尺光栅平面sgp。

在操作中，照明构造130a构造成朝向标尺光栅110输出具有波长λ的准直源光131’。特别地，第一透镜181构造成接收来自光源133的光131，并向标尺光栅110输出准直源光131’。标尺光栅110构造成接收准直源光131’，并向第一透镜181输出(反射)衍射的标尺光132。衍射的标尺光132包括由示例性+1级标尺光线132p1表示的+1级标尺光和由示例性-1级标尺光线132m1表示的-1级标尺光。应明白，衍射的标尺光132还包括零级和更高级衍射的标尺光线(在图1中未示出)，因为它们被该构造阻挡和/或不起作用。第一透镜181构造成接收标尺光132，并朝向孔径部分182聚焦标尺光。孔径部分182构造成接收标尺光132，阻挡大部分零级标尺光，朝向第二透镜183传输主要包括+1和-1级标尺光的空间滤波的标尺光132’。第二透镜183构造成接收空间滤波的标尺光132’，并朝向莫尔光栅150输出空间滤波的标尺光132’，以形成具有“平面”条纹的初级条纹图案pfp，“平面”条纹沿光轴oa的方向并大致平行于莫尔光栅150的条延伸。初级条纹图案pfp的条纹具有初级条纹间距ppf，并以对应于标尺光栅110和读头之间的相对位移的条纹位移沿测量轴线ma移动。莫尔光栅150构造成接收初级条纹图案pfp，并向检测器部分120传输周期空间调制条纹图案mfp，在检测器部分120的检测器平面dp处，空间调制条纹图案mfp具有沿对应于(例如，在一些情况下平行于)测量轴线方向的方向的调制周期pmfp。应明白，在图1a中，空间调制条纹图案mfp在莫尔光栅150和检测器平面dp之间的各处延伸，但是为了解释的目的，随同对应调制强度包络mie一起示意性示出。空间调制条纹图案mfp的调制强度包络mie示意性地示出大致正弦调制(或滤波)光的较高强度区域和较低强度区域落在检测器部分120的哪处。空间调制条纹图案mfp的调制强度包络mie还参考图2c示出。检测器部分120包括至少n个相应检测器元件，它们定位成检测周期空间调制条纹图案mfp的n个相应空间相位，其中n是整数，至少为三(例如对于已知类型的3相位型位移信号处理方案)，每个相应检测器元件具有宽度尺寸dw，其沿条纹位移方向与初级条纹间距ppf至少一样大。下面参考图2d更详细地描述适用于已知类型的正交型(quadrature-type)位移信号处理方案的检测器部分的一个实施例。

在图1a所示实施例中，孔径部分182包括内部阻挡部分182b、开口孔径部分182ap1和182ap2以及外部阻挡部分182ob1和182ob2。内部阻挡部分182b及外部阻挡部分182ob1和182ob2由阻挡一部分标尺光132的不透明材料构成。更确切地，内部阻挡部分182b构造成阻挡标尺光132的0级部分，外部阻挡部分182ob1和182ob2构造成阻挡标尺光132的+2级、-2级和更高级部分。开口孔径部分182ap1和182ap2可包括透射材料或孔径部分182的材料的开口部分。内部阻挡部分182b以及开口孔径部分182ap1和182ap2关于光轴oa定心。

在各实施例中，光源133可包括激光二极管或小led。

在各应用中，照明构造130、光学部分180、莫尔光栅150和检测器部分120相对彼此以固定关系安装在例如读头或量规壳体中，并根据已知技术通过承载系统沿测量轴线相对于标尺光栅110引导。在各应用中，标尺光栅110可附接到移动台或量规测杆等。

在所示实施例中，标尺光栅110是递增标尺光栅，其可与提供绝对位置信号的绝对编码器中的多个标尺轨道协作使用。绝对位置标尺结构在沿标尺的每个位置处提供了独特的输出信号或信号组合。它们不需要连续地积聚递增位移以识别出位置。美国专利no.8309906公开了绝对编码器的一个示例，其全部内容作为引用并入本文。

图1b是光学位移编码器构造100b的第二实施例的示意图。应明白，图1a所示构造使用反射标尺类型构造。与之相比，图1b示出透射标尺类型构造，其以类似于图1a所示实施例类似的方式操作。光学位移编码器构造100b包括透射标尺光栅110b和照明构造130b，照明构造包括光源133和准直透镜134。透射标尺光栅110b包括光阻挡部分和光透射部分(例如使用已知薄膜图案化技术等制造在透明基底上)，光透射部分接收来自照明构造130b的透镜134的准直源光131’。然后，标尺光栅110b通过传输向光学部分180输出衍射的标尺光132。在该情况下，照明部分130b位于标尺光栅的与光学部分180和检测器部分120相对的一侧。

图1c是光学位移编码器构造100c的第三实施例的示意图。应明白，图1a所示构造使用反射标尺类型构造，其中，光轴正交于标尺光栅。与之相比，图1c示出反射标尺类型构造，其中，光轴在yz平面中偏离法线倾斜，但是以类似于图1a所示实施例的方式操作。光学位移编码器构造100c包括反射标尺光栅110c和照明构造130c，照明构造包括光源133和准直透镜134。照明构造130c取向成朝向标尺光栅110c在yz平面中以第一角度(例如45度)输出准直源光131’。然后，标尺光栅110c通过反射在yz平面中沿互补的反射角沿光学部分的光轴向光学部分180输出衍射的标尺光132。在该情况下，照明构造130c位于标尺光栅110c的与光学部分180和检测器部分120相同的一侧，这允许光编码器的更简单的读头和安装构造。

图2a-2d示出与对应于图1的标尺光栅110的光学信号相关的各方面。更确切地，图2a示出标尺光栅110，其显示为具有间距psf。图2b示出莫尔光栅150和示意性示出的空间滤波的源光132’的重叠在莫尔光栅150上的初级条纹图案pfp的强度。莫尔光栅150显示为具有间距pm，空间滤波的源光132’显示为形成初级干涉条纹图案(还称为初级条纹图案)，其具有间距ppf，如图2b所示初级条纹图案强度曲线所示意性示出的。

图2c是对应于由莫尔光栅150(例如图1a所示)输出的周期空间调制条纹图案mfp的总正弦调制强度包络图案mie的图表。如图2c所示，莫尔光栅150输出具有示意性示出的空间高手条纹图案强度的莫尔图案(还称为莫尔条纹)。对应的总正弦调制强度包络图案mie具有由拍频效应确定的调制图案周期或间距pmfp，如这种莫尔效应图案已知的那样(例如，在各实施例中，大约10微米或25微米或更多的pmfp)。空间调制条纹图案强度可包括高频率信号内容(在图2c中以hfsc示意性显示)，其可例如包括与初级条纹图案和/或其空间谐波内容一样高的空间频率。高频率信号内容可通过使用宽检测器元件(例如比初级条纹间距pfp宽或更宽)和/或通过组合来自多个检测器元件的信号而从检测器位移信号中达到平衡或消除，如关于图2d更详细所述的。

图2d是检测器部分120的图，为了说明，其具有示意性重叠在其上的空间调制条纹图案mfp(例如图1a所示)的拍频或调制强度包络图案mie。检测器部分包括检测器元件121a、121b、121a’、121b’、122a、122b、122a’和122b’。如图2d所示，检测器部分构造成输出正交信号，四个相应检测器元件(例如检测器元件121a、121b、121a’和121b’)定位成检测周期空间调制条纹图案mfp在其对应调制强度包络图案mie的一个周期尺寸pmfp内的四个相应空间相位。如图2d所示，检测器元件121a、121b、121a’、121b’、122a、122b、122a’和122b’包括单独的光检测器元件或区域，它们布置成空间滤波它们各自的调制条纹图案mfp的接收部分，以提供表示对应于调制强度包络图案mie的不同空间相位的信号的期望位置。在一些实施例中，具有类似字母和“””后缀的检测器元件(例如121a和122a或121a’和122a’)通过调制强度包络图案mie的整数个周期pmfp分隔开，并电耦合以合计具有相同空间相位的信号。在各实施例中，期望每个相应检测器元件具有宽度尺寸dw，其沿条纹位移方向(例如在一些实施例中，测量轴线方向ma的方向)与ppf(如图2b和2c所示)一样大。在一些实施例中，宽度尺寸dw可以沿条纹位移方向与2*ppf一样大。在一些实施例中，宽度尺寸dw可以沿条纹位移方向与3*ppf或更大一样大。

在一些实施例中，过滤高频信号内容hfsc可取决于检测器平面dp和莫尔光栅平面mgp之间的间隔。在一些实施例中，对于最佳性能，该间隔可以小于1mm。该间隔可通过分析或实验来确定。

在一些实施例中，替代单独的光检测器区域，具有充当检测器元件(掩盖比较大的光检测器区域)的单独孔径的空间滤波掩模用于提供与单独光检测器元件类似的光接收区域，以根据已知技术提供类似的总信号效应。

在一些实施例中，空间周期pmfp可满足表达式pmfp＝m*ppf，其中m是比较空间调制条纹图案mfp(或其调制强度包络图案mie)的周期或间距pmfp与初级条纹间距ppf的放大值。在各实施例中，莫尔光栅可包括间距pm，其被确定成使得调制周期pmfp和初级条纹间距ppf满足必要的放大m。在各实施例中，期望m具有比较大的值(例如至少为5，或者在一些实施例中为10或20，或更大)，以允许使用相对低质量和/或便宜的检测器和/或在检测器元件121a、121b、121a’和121b’上平衡化高频信号内容hfsc。在图2a-d所示实施例中，m具有约25的值。这避免了对于空间滤波调制条纹图案mfp的额外光学部件的需求，因为宽检测器元件提供了对高频信号内容hfsc的有效过滤，使得调制强度包络图案mie给检测器元件121a、121b、121a’和121b’提供正交信号。

应明白，检测器部分120显示为包括检测器元件，它们布置成检测周期空间调制条纹图案的四个相应空间相位。在替代实施例中，检测器部分可包括布置成检测三个空间相位或多于四个空间相位的检测器元件。

图3是图1的孔径部分182的图，示出各尺寸。在图3所示实施例中，孔径部分182包括内部阻挡部分182b以及开口孔径部分182ap1和182ap2。在它们距孔径部分182的光轴oa的最宽点处，开口孔径部分182ap1和182ap2由孔径宽度aw分开。总体上，为了提供大的信噪比，有利地，有限的孔径宽度aw被确定成使得其至少传输+1和-1级标尺光132的大部分。对于具有标称波长λ的光源131和具有标尺光栅间距psf的标尺光栅图案110，包括+1和-1级标尺光132的光线束在孔径平面ap处的标称分离取决于+1和-1级标尺光132的衍射角、源光栅平面sgp和第一透镜平面flp之间的距离f。衍射角是arcsin[λ/psf]正负。在一些实施例中，有限的孔径宽度aw可被确定成使得：

其中，kmin至少为2。在一些实施例中，有利地，kmin至少为2.5或至少为3，以传输期望量的+1和-1级标尺光132(例如以提供期望量的图案对比度)。此外，在一些实施例中，有限的孔径宽度aw可以被确定为使得：

其中，kmax至多为5。在一些实施例中，有利地，kmax至多为4或至多为3，或者另外选择成提供对在得到的空间滤波标尺光132’中产生标尺间距psf的空间谐波的光束的期望量空间滤波。当空间谐波被抑制时，在空间滤波标尺光132’中沿测量轴线方向ma的图像强度理论上更加正弦化，这总体上减少了位移测量误差和/或简化了编码器系统中的信号处理。

内部阻挡部分182b具有孔径阻挡宽度abw。内陪阻挡部分182b的孔径阻挡宽度abw还应当选择成至少传输+1和-1级标尺光132的大部分(例如以提供期望量的图像对比度)。在一些实施例中，孔径阻挡宽度abw可以被确定成使得：

其中，bmax至多为2。在一些实施例中，有利地，bmax至多为5，或至多为1，以传输期望量的+1和-1级标尺光132。此外，为了阻挡标尺光132的0级部分的大多数或全部，孔径阻挡宽度abw可以被确定为使得：

其中，在一些实施例中，bmin至少为0.5。在一些实施例中，有利地，bmin至少为0.75或至少为1，以阻挡期望量的标尺光132的0级部分。

应明白，本文公开的光学编码器实施例的设计尤其适于小的标尺光栅间距psf。在一些实施例中，标尺光栅间距psf可以与小至1μm或甚至更小。更小的标尺光栅间距psf导致大的衍射角，这允许标尺光132的衍射级之间的更宽间隔，这由此允许孔径部分182的更宽松的制造容差。孔径部分182还允许阻挡标尺光132的零级部分，这消除了对于昂贵或复杂的照明源或者是更昂贵的透射相位光栅的标尺光栅的需求。

尽管示出和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，所示和所述的特征布置和操作顺序中的许多变型例对于本领域技术人员来说是显然的。各替代形式可用于实施本文公开的原理。此外，上面描述的各实施方式可以组合以提供其它实施方式。在本说明书中提及的所有美国专利和美国专利申请的全部分内容通过引用并入本文。必要时，实施方式的各方面可以修改，以采用各专利和申请的概念来提供又一实施方式。

根据上面详述的说明，对实施方式可以进行这些和其它改变。总体上，在下面的权利要求中，使用的术语不应理解为限制权利要求至说明书和权利要求中公开特定实施方式，而是应理解为包括所有可能实施方式以及等同物(权利要求对等同物享有权利)的全部范围。