用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置制造技术

技术编号:20111242 阅读:19 留言:0更新日期:2019-01-16 10:53
一种光学编码器配置包括标尺、照明源和光电检测器配置。照明源被配置为向标尺输出结构化照明。该标尺沿着测量轴方向延伸并且被配置为输出标尺光,该标尺光形成检测器条纹图案,该检测器条纹图案包括沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸的周期性高强度带和低强度带,并且沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向是相对窄且周期性的。当标尺光栅沿着测量轴方向移位时,高强度带和低强度带沿横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向移动。光电检测器配置被配置为检测沿检测到的条纹运动方向的高强度带和低强度带的位移,并提供指示标尺位移的相应空间相位位移信号。

Anti-pollution and Defect Optical Encoder Configuration for Providing Displacement Signals

An optical encoder configuration includes a ruler, a lighting source and a photoelectric detector configuration. The illumination source is configured to output structured illumination to the ruler. The ruler extends along the measurement axis direction and is configured to output the ruler light. The ruler light forms a detector fringe pattern. The detector fringe pattern includes a periodic high-intensity band and a low-intensity band extending along the measurement axis direction at a relatively long size, and the movement direction of the detected fringes along the transverse direction of the measurement axis is relatively narrow and periodic. When the scale grating shifts along the measurement axis, the high-intensity band and the low-intensity band move along the detected fringe movement direction transversely along the measurement axis. The photodetector configuration is configured to detect displacements of high and low intensity bands along the detected fringe motion direction, and to provide corresponding spatial phase displacement signals indicating the displacement of the scale.

【技术实现步骤摘要】
用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置相关申请的交叉引用本申请是于2017年9月12日提交的标题为“用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置(CONTAMINATIONANDDEFECTRESISTANTOPTICALENCODERCONFIGURATIONFORPROVIDINGDISPLACEMENTSIGNALS)”的美国专利申请序列第15/702,520号的部分继续申请案;其是于2017年6月29日提交的标题为“用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置(CONTAMINATIONANDDEFECTRESISTANTOPTICALENCODERCONFIGURATIONFORPROVIDINGDISPLACEMENTSIGNALS)”的美国专利申请序列号15/637,750的部分继续申请,它们的公开内容通过引用结合于此。
本专利技术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以与标尺的污染或缺陷部分相关联的错误。
技术介绍
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个位置提供独特的信号组合。光学编码器可以利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。美国专利号3,882,482;5,965,879;5,279,044;5,886,519;5,237,391;5,442,166;4,964,727;4,414,754;4,109,389;5,773,820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;9,018,578;9,029,757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,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“错误信号”以警告用户,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。因此这些方法具有有限的实用性。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”信号作为位置测量的基础被组合。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。
技术实现思路
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标尺、照明源和光电检测器配置。标尺沿着测量轴方向延伸,所述标尺包括标尺光栅,所述标尺光栅包括布置在标称平行于测量轴方向的标尺平面中的标尺光栅条,其中所述标尺光栅条沿着测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向的标尺光栅条方向伸长,并且沿测量轴方向以标尺间距PSF周期性地布置。照明源包括输出光的光源和被配置为输入光并且将结构化照明沿着源光路径SOLP输出到标尺平面处的照明区域的结构化照明产生部分,其中结构化照明包括照明条纹图案,所述照明条纹图案包括沿测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向定向的照明条纹方向伸长的条纹。光电检测器配置包括N个空间相位检测器的集合,沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向周期性地以检测器间距PD布置,其中每个空间相位检测器被配置为提供各自的空间相位检测器信号,并且至少大部分的各个空间相位检测器沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且沿着横向于测量轴的检测到的条纹运动方向相对较窄,并且N个空间相位检测器的集合沿着检测到的条纹运动方向在空间相位序列中布置。标尺光栅被配置为在照明区域处输入照明条纹图案并且沿着标尺光路径SCLP输出在光电检测器配置处形成条纹图案的标尺光,所述条纹图案包括周期性高强度带和低强度带,所述周期性高强度带和低强度带沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且相对窄并且周期性地具有沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向的检测到的条纹周期PDF。标尺光栅条方向相对于由源光路径SOLP和标尺光路径SCLP限定的读取头平面RHP定向在非零偏转角ψSC。结构化照明产生部分包括:第一照明源衍射光栅和第二照明源衍射光栅。第一照明源衍射光栅包括第一照明源光栅条,第一照明源光栅条以第一索引间距P1周期性地布置在第一索引平面中,其中第一索引光栅条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP旋转角ψ1的第一光栅条方向伸长。第二照明源衍射光栅包括第二照明源光栅条,第二照明源光栅条以第二索引间距P2周期性地布置在与第一索引平面平行的第二索引平面中,其中第二索引光栅条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP旋转角ψ2的第二索引光栅条方向伸长。检测到的条纹周期PDF和横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向至少部分取决于非零偏转角ψSC。当标尺光栅沿测量轴方向位移时,高强度带和低强度带沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向移动。光电检测器配置被配置为检测沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向的高强度带和低强度带的位移,并提供指示标尺位移的各个空间相位位移信号。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。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本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置,包括:标尺,沿着测量轴方向延伸,所述标尺包括标尺光栅,所述标尺光栅包括布置在标称平行于测量轴方向的标尺平面中的标尺光栅条,其中,所述标尺光栅条沿着测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向的标尺光栅条方向伸长,并且沿测量轴方向以标尺间距PSF周期性地布置;照明源,包括输出光的光源和被配置为输入光并且将结构化照明沿着源光路径SOLP输出到标尺平面处的照明区域的结构化照明产生部分,其中结构化照明包括照明条纹图案,所述照明条纹图案包括沿测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向定向的照明条纹方向伸长的条纹;以及光电检测器配置,包括N个空间相位检测器的集合,沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向周期性地以检测器间距PD布置,其中,每个空间相位检测器被配置为提供各个空间相位检测器信号,并且至少大部分的各个空间相位检测器沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且沿着横向于测量轴的检测到的条纹运动方向相对较窄,并且N个空间相位检测器的集合沿着检测到的条纹运动方向在空间相位序列中布置;其中:所述标尺光栅被配置为在照明区域处输入照明条纹图案并且沿着标尺光路径SCLP输出在光电检测器配置处形成条纹图案的标尺光,所述条纹图案包括周期性高强度带和低强度带,所述周期性高强度带和低强度带沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且相对窄并且周期性地具有沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向的检测到的条纹周期PDF;标尺光栅条方向相对于由源光路径SOLP和标尺光路径SCLP限定的读取头平面RHP定向在非零偏转角ψSC;所述结构化照明产生部分包括:第一照明源衍射光栅,包括第一照明源光栅条,第一照明源光栅条以第一索引间距P1周期性地布置在第一索引平面中,其中第一索引光栅条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP旋转角ψ1的第一光栅条方向伸长;以及第二照明源衍射光栅,包括第二照明源光栅条,第二照明源光栅条以第二索引间距P2周期性地布置在与第一索引平面平行的第二索引平面中,其中第二索引光栅条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP旋转角ψ2的第二索引光栅条方向伸长,;所述检测到的条纹周期PDF和横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向至少部分取决于非零偏转角ψSC;当标尺光栅沿测量轴方向位移时,高强度带和低强度带沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向移动;以及所述光电检测器配置被配置为检测沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向的高强度带和低强度带的位移,并提供指示标尺位移的各个空间相位位移信号。...

【技术特征摘要】
2017.06.29 US 15/637,750;2017.09.12 US 15/702,520;1.一种用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置,包括:标尺,沿着测量轴方向延伸,所述标尺包括标尺光栅,所述标尺光栅包括布置在标称平行于测量轴方向的标尺平面中的标尺光栅条,其中,所述标尺光栅条沿着测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向的标尺光栅条方向伸长,并且沿测量轴方向以标尺间距PSF周期性地布置;照明源,包括输出光的光源和被配置为输入光并且将结构化照明沿着源光路径SOLP输出到标尺平面处的照明区域的结构化照明产生部分,其中结构化照明包括照明条纹图案,所述照明条纹图案包括沿测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向定向的照明条纹方向伸长的条纹;以及光电检测器配置,包括N个空间相位检测器的集合,沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向周期性地以检测器间距PD布置,其中,每个空间相位检测器被配置为提供各个空间相位检测器信号,并且至少大部分的各个空间相位检测器沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且沿着横向于测量轴的检测到的条纹运动方向相对较窄,并且N个空间相位检测器的集合沿着检测到的条纹运动方向在空间相位序列中布置;其中:所述标尺光栅被配置为在照明区域处输入照明条纹图案并且沿着标尺光路径SCLP输出在光电检测器配置处形成条纹图案的标尺光,所述条纹图案包括周期性高强度带和低强度带,所述周期性高强度带和低强度带沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且相对窄并且周期性地具有沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向的检测到的条纹周期PDF;标尺光栅条方向相对于由源光路径SOLP和标尺光路径SCLP限定的读取头平面RHP定向在非零偏转角ψSC;所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:JD托比亚森N拉曼木村彰秀平田州
申请(专利权)人:株式会社三丰
类型:发明
国别省市:日本,JP

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