用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置的制作方法

本发明总体上涉及精确位置或位移测量仪器，并且更具体地涉及一种具有信号处理的编码器配置，该信号处理能够抵抗可能与标尺的污染或缺陷部分相关联的错误。

背景技术：

光学位置编码器确定读数头相对于标尺的位移，该标尺包括由读数头检测到的图案。典型地，位置编码器采用包括至少一个具有周期性图案的标尺轨道的标尺，并且从标尺轨道产生的信号作为读取头沿着标尺轨道的位移或位置的函数而是周期性的。绝对式位置编码器可以使用多个标尺轨道在沿着绝对标尺的每一个位置提供独特的信号组合。

光学编码器可以使用增量或绝对位置标尺结构。增量位置标尺结构允许读数头相对于标尺的位移通过沿着标尺从初始点开始累积位移的增量单位来确定。这种编码器适用于某些应用，特别是那些线路功率可用的应用。在低功耗应用(例如，电池供电仪表等)中，更希望使用绝对位置标尺结构。绝对位置标尺结构在沿标尺的每一个位置提供独特的输出信号或信号组合，因此允许各种节能方案。美国专利3,882,482；5965879；5279044；5886519；5237391；5442166；4964727；4414754；4109389；5773820和5,010,655公开了与绝对位置编码器相关的各种编码器配置和/或信号处理技术，并且因此通过引用将其全部内容合并于此。

一些编码器配置通过在编码器配置的照明部分中利用照明源光衍射光栅而实现某些优点。其中的每一个通过引用整体并入本文的美国专利号8,941,052；9018578；9029757和9,080,899公开了这样的编码器配置。这些专利中公开的一些配置也可以表征为利用超分辨率莫尔成像。

在各种应用中，制造缺陷或污染(如标尺轨道上的灰尘或油)的标尺可能会干扰读数头检测到的图案，从而在结果位置或位移测量中造成误差。一般来说，由缺陷或污染引起的误差大小可能取决于这样的因素，诸如缺陷或污染的大小、标尺上的周期性图案的波长、读数头检测器区域的大小、这些尺寸之间的关系等等。已知用于响应编码器中的异常信号的各种方法。几乎所有这些方法都基于禁用编码器信号，或提供警告用户的“错误信号”，或调整光源强度以增强低信号等。然而，尽管由于某些类型的标尺缺陷或污染而产生的异常信号，但这种方法不能提供继续精确测量操作的手段。因此这些方法的效用有限。在日本专利申请jp2003-065803('803申请)中公开了确实减轻标尺污染或缺陷对测量精度的影响的一种已知方法。'803申请教导了一种方法，其中两个或多个光电检测器输出具有相同相位的周期性信号，这些信号分别输入到各自的信号稳定性判断装置。信号稳定性判断装置仅输出被判断为“正常”的信号，并且“正常”信号被组合作为位置测量的基础。位置测量计算中排除了“异常”的信号。然而，在'803申请中公开的判断“正常”和“异常”信号的方法具有某些缺点，限制了'803申请的教导的实用性。

美国专利第8,493,572号('572专利)公开了一种抗污染和缺陷光学编码器配置，其提供了一种从不受污染的光电检测器元件中选择信号的手段。然而，'572专利依赖于复杂的信号处理，在某些应用中可能不太理想。

将期望避免或减轻由某些类型的标尺缺陷或污染引起的异常信号而无需复杂信号处理的提供精确测量操作的改进方法。

技术实现要素：

公开了一种用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置。该抗污染和缺陷光学编码器配置包括照明部分、标尺和光电检测器配置。照明部分沿着源光路径将源光传输到标尺。标尺沿着测量轴方向延伸，并且包括周期性图案，所述周期性图案包括条，所述条沿着测量轴方向是窄的并且沿着与测量轴方向垂直的y方向伸长，并且沿测量轴方向周期性排列。标尺沿源光路径输入源光并沿标尺光路径输出标尺光。光电检测器配置沿着标尺光路径从标尺接收周期性标尺光图案。周期性标尺光图案沿着所述测量轴方向对应于标尺和光电检测器配置之间的相对位移，移位经过光电检测器配置。光电检测器配置包括沿着横向于测量轴的方向以空间相位序列布置的n个空间相位检测器的集合，其中n是至少为6的整数，并且空间相位序列包括在沿着横向于测量轴的方向的序列的开始和结束处的两个外部空间相位检测器以及位于所述两个外部空间相位检测器之间的空间相位检测器的内部组。至少大部分的各个空间相位检测器沿着测量轴方向相对伸长并且沿着垂直于测量轴方向的方向相对较窄，并且包括沿着测量轴方向在空间上周期性的并且对应于该空间相位检测器相对于周期性标尺光图案的各个空间相位被定位的标尺光接收器区域，并且被配置为提供各个空间相位检测器信号。内部组中的每一个空间相位检测器在空间相位序列中在具有与所述空间相位检测器不同并且彼此不同的各自空间相位的空间相位检测器之前和之后。

附图说明

前述方面和伴随的许多优点将变得更容易理解，因为通过结合附图参考以下详细描述，其变得更好理解，其中：

图1是用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置的局部示意性分解图。

图2是用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置的部分示意图。

图3是抗污染和缺陷光学编码器配置的光电检测器配置的部分示意图。

图4a是抗污染和缺陷光学编码器配置的光电检测器配置的部分的示意图。

图4b是抗污染和缺陷光学编码器配置的光电检测器配置的部分的示意图。

具体实施方式

图1是用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置100的部分示意性分解图。编码器配置100包括标尺光栅110、照明部分120和光电检测器配置160。

图1示出了根据这里使用的惯例的正交x、y和z方向。x方向和y方向平行于标尺光栅110的平面，其中x方向平行于测量轴方向ma(例如，垂直于标尺光栅110的细长图案元件)。z方向垂直于标尺光栅110的平面。

在图1所示的实施中，标尺光栅110是透射光栅。标尺光栅110沿着测量轴方向ma延伸，并且包括条的周期性图案，该条沿着测量轴方向ma是窄的并且沿着与测量轴方向ma垂直的方向(即，y方向)伸长，并且沿测量轴方向ma周期性排列。

照明部分120包括照明源130、第一照明光栅140和第二照明光栅150。照明源130包括光源131和准直透镜132。光源131被配置为输出源光134到准直透镜132。准直透镜132被配置为接收源光134并将准直的源光134'输出到第一照明光栅140。第一照明光栅140接收源光134'并且将源光134'向第二照明光栅150衍射。第二照明光栅150接收源光134'并进一步沿源光路径solp向标尺光栅110衍射源光134'。标尺光栅110沿源光路径solp输入源光134'，并将包括周期性标尺光图案135的标尺光沿着标尺光路径sclp输出到光电检测器配置160。光电检测器配置160沿着标尺光路sclp从标尺光栅110接收周期性标尺光图案135。周期性标尺光图案135沿着测量轴方向ma对应于标尺光栅110和光电检测器配置160之间的相对位移，移位经过光电检测器配置160。图3详细示出了类似于光电检测器160的光电检测器配置的示例。光电检测器配置160包括n个空间相位检测器的集合，其沿着横向于测量轴方向ma的方向(即，y方向)以空间相位序列布置，其中n是至少为6的整数，并且空间相位序列包括在沿着横向于测量轴的方向的序列的开始和结束处的两个外部空间相位检测器以及位于两个外部空间相位检测器之间的空间相位检测器的内部组。在图1所示的实现中，n个空间相位光电检测器的集合包括具有相同子集空间相位序列的空间相位检测器s1、s2和s3的3个子集。

至少大部分的各个空间相位检测器沿着测量轴方向ma相对伸长并且沿着与测量轴方向ma垂直的方向(即，y方向)相对较窄，并且包括沿着测量轴方向ma在空间上周期性的并且对应于该空间相位检测器相对于周期性标尺光图案的各个空间相位被定位的标尺光接收器区域，并且被配置为提供各个空间相位检测器信号。内部组中的每一个空间相位检测器在空间相位序列中在具有与该空间相位检测器不同并且彼此不同的各自空间相位的空间相位检测器之前和之后。

在各种应用中，光电检测器配置160和照明部分120可以相对于彼此例如在读取头或测量仪外壳(未示出)中以固定的关系安装，并且根据已知技术，沿着测量轴线方向ma相对于标尺光栅110通过轴承系统引导。标尺光栅110可以在各种应用中附接到移动台、或测量轴或类似物。

应该认识到，根据这里公开的原理，抗污染和缺陷光学编码器配置100仅仅是抗污染和缺陷光学编码器配置的一个例子。在替代实施中，可以使用各种光学部件，例如远心成像系统、限制孔等。在替代实施中，照明部分可以仅包括单个照明光栅。

图2是用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置200的局部示意图。光学编码器配置200与编码器配置100类似。除非上下文或描述另外指示，否则图2中的相似附图标记2xx和图1中的1xx可指代相似的元件。图2中所示的编码器配置200是反射配置。标尺210是反射式标尺光栅。

图3是抗污染和缺陷光学编码器配置300的光电检测器配置360的部分示意图。抗污染和缺陷光学编码器配置300可以类似于抗污染和缺陷光学编码器配置100或者抗污染和缺陷光学编码器配置200。光电检测器配置360包括n个空间相位检测器的集合，其沿着横向于测量轴方向ma的方向以空间相位序列排列，其中n是至少为6的整数，并且空间相位序列包括在沿着横向于测量轴的方向的序列的开始和结束处的两个外部空间相位检测器以及位于两个外部空间相位检测器之间的空间相位检测器的内部组。至少大部分的各个空间相位检测器沿着测量轴方向ma相对伸长并且沿着与测量轴方向ma垂直的方向相对较窄，并且包括沿着测量轴方向ma空间上周期性的并且对应于该空间相位检测器相对于周期性标尺光图案的各个空间相位被定位的标尺光接收器区域，并且被配置为提供各个空间相位检测器信号。内部组中的每一个空间相位检测器在空间相位序列中在具有与该空间相位检测器不同并且彼此不同的各自空间相位的空间相位检测器之前和之后。

在一些实施中，n个空间相位光电检测器的集合可以包括空间相位检测器的至少m个子集，其中m是至少为2的整数，并且其中m个子集中的每一个包括空间相位检测器，空间相位检测器提供包括在n个空间相位光电检测器的集合中的各个空间相位的每一个。在一些实施中，m可以至少为3。在一些实施中，m可以至少为6。在一些实施中，空间相位检测器的m个子集中的每一个可以包括空间相位检测器，空间相位检测器提供布置在相同的子集空间相位序列中的相同的各个空间相位。图3示出了具有由s1至sm表示的空间相位检测器的m个子集的实现。子集s1包括空间相位检测器spd1a、spd1b、spd1c和spd1d。子集s2包括空间相位检测器spd2a、spd2b、spd2c和spd2d。子集sm包括空间相位检测器spdma、spdmb、spdmc和spdmd。示出了图3中的每一个空间相位检测器具有k个标尺光接收器区域。作为标尺光接收器区域的一个例子，空间相位检测器spdmd标有标尺光接收器区域slram1和slramk。在一些实施中，k可能是偶数值。

在图3所示的实现中，空间相位序列由包括下标索引a、b、c和d的空间相位检测器来指示(例如，空间相位检测器spd1a、spd1b、spd1c和spd1d)。具有下标索引a和d的空间相位检测器是在空间相位序列的每一个实例的开始和结束处的两个外部空间相位检测器。具有下标索引b和c的空间相位检测器是内部组。

空间相位检测器spd1a、spd1b、spd1c和spd1d输出各自的空间相位检测器信号a1、b1、c1和d1。空间相位检测器spd2a、spd2b、spd2c和spd2d输出各自的空间相位检测器信号a2、b2、c2和d2。空间相位检测器spdma、spdmb、spdmc和spdmd输出各自的空间相位检测器信号am、bm、cm和dm。

根据此处公开的原理配置的抗污染和缺陷光学编码器提供了一种简单的设计，该设计可以容忍高达100微米的污染(例如，线粘污染)和高达300微米的标尺缺陷。标尺上的污染或缺陷通常会在相邻空间相位检测器上产生共模误差分量，这可能在信号处理(例如正交处理)中被抵消。沿着测量轴方向ma相对伸长并且沿着垂直于测量轴方向ma的方向相对较窄的空间相位检测器提供对污染和缺陷的更好的抵抗性。通过沿着测量轴方向ma降低空间相位检测器的结构的频率，信号电平可能变化得更慢。此外，这样的编码器不需要复杂的信号处理来提供对污染和缺陷的容忍。由n个空间相位检测器的集合提供的信号可以根据本领域技术人员已知的标准技术进行处理。

在诸如图3所示的实施的一些实施中，n至少为8，并且空间相位检测器的每一个子集可以包括具有相隔90度的各个空间相位的4个空间相位检测器。在替代实施中，空间相位检测器的每一个子集可以包括具有相隔120度的各个空间相位的3个空间相位检测器。

在图3所示的实施中，光电检测器配置360包括被配置为组合对应于相同的各个空间相位的空间相位检测器信号并将每一个这样的组合输出为相应的空间相位位置信号的连接。光电检测器配置360被配置为输出与相隔90度的空间相位相对应的4个空间相位位置信号。具有相同字母标记(例如，a1、a2和am)的空间相位信号被组合(例如相加)以提供空间相位信号σa、σb、σc和σd。在替代实施中，光电检测器配置可以被配置为输出与相隔120度的空间相位对应的3个空间相位位置信号。在任何一种情况下，可以进一步利用空间相位位置信号来确定位移信号，例如通过正交或三相信号处理。

在一些实施中，各个空间相位检测器中的每一个可以沿着测量轴方向ma相对伸长并且沿着垂直于测量轴方向ma的方向相对较窄，并且可以包括沿着测量轴方向ma在空间上周期性的并且对应于该空间相位检测器相对于周期性标尺光图案的各个空间相位被定位的标尺光接收器区域，并且可被配置为提供各个空间相位检测器信号。

在一些实施中，沿着y方向的n个空间相位检测器中的每一个的标尺光接收器区域的尺寸yslra可以至多250微米。在一些实施中，yslra可以是至少5微米。

在一些实施中，沿着y方向的n个空间相位检测器中的每一个相邻对的标尺光接收器区域之间的分隔距离ysep可以至多是25微米。

在一些实施中，n个空间相位检测器中的每一个的标尺光接收器区域的尺寸yslra沿y方向可以是相同的。在一些实施中，n个空间相位检测器中的每一个相邻对的标尺光接收器区域之间的分隔距离ysep沿着y方向可以是相同的。

应该意识到，尽管大的n值对污染提供了更强的鲁棒性，但存在一个折衷，即大的n值可以在每一个单独的空间相位检测器内提供较小的信号电平。

图4a是抗污染和缺陷光学编码器配置400a的光电检测器配置460a的部分的示意图。为了简单起见，图4a仅示出了具有两个空间相位检测器spd1a和spd1b的空间相位检测器s1的一个子集。应该理解的是，根据本文公开的原理，光电检测器460a包括至少六个空间相位检测器，但为了简单起见仅示出了两个。在图4a所示的实施中，n个空间相位检测器(例如，空间相位检测器spd1a和spd1b)中的每一个包括由空间相位掩模(例如，相位掩模pm1a和pm1b)覆盖的光电检测器(例如，由虚线指示的光电检测器pd1a和pd1b)，空间相位掩模除了通过包括在空间相位掩模中的开口之外，阻挡光电检测器接收周期性标尺光图案。在这种情况下，标尺光接收器区域包括通过各个空间相位掩模(例如，空间相位掩模pm1a和pm1b)中的开口暴露的光电检测器(例如，光电检测器pd1a和pd1b)的区域。在图4a所示的实施中，相位掩模pm1b的标尺光接收器区域(即，开口)沿着测量轴方向ma相对于相位掩模pm1a的标尺光接收器区域偏移90度。应该理解的是，虽然空间相位掩模pm1a和pm1b在图4a中被示意性地示出为分离的部分，但是在一些实施中，它们可以在相同的处理中用相同的材料方便地构造以消除任何潜在的定位误差。

图4b是抗污染和缺陷光学编码器配置400b的光电检测器配置460b的部分的示意图。为简单起见，图4b仅示出具有两个空间相位检测器spd1a'和spd1b'的空间相位检测器s1'的一个子集。应该理解的是，根据本文所公开的原理，光电检测器460b包括至少六个空间相位检测器，但为了简单仅示出了两个。在图4b所示的实施中，n个空间相位检测器(例如，空间相位检测器spd1a'和spd1b')中的每一个包括接收周期性标尺光图案的电互连光电检测器区域的周期性阵列。在这种情况下，标尺光接收器区域包括光电检测器的周期性阵列的光电检测器区域。在图4b所示的实施中，空间相位检测器spd1b'的光电检测器区域沿着测量轴方向ma相对于空间相位检测器spd1a'的光电检测器区域偏移90度。

虽然已经说明和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开内容，对于本领域技术人员而言，所示出和描述的特征布置和操作序列中的许多变化是显而易见的。可以使用各种替代形式来实现这里公开的原理。另外，上述各种实现可以被组合以提供进一步的实现。本说明书中提及的所有美国专利和美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。如果必要的话，可以修改实施方式的各个方面以使用各种专利和应用的概念来提供进一步的实现。

根据以上详细描述，可以对这些实现进行这些和其他改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制在说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而是应该被解释为包括所有可能的实施方式以及这种权利要求所授权的等同物的全部范围。