光编码器制造技术

本发明专利技术提供了一种光编码器，包括照明源、沿测量轴线方向延伸的标尺光栅、光学部分、莫尔光栅和检测器部分。光学部分包括用于来自标尺光栅的标尺光的空间滤波的孔径部分。莫尔光栅构造成接收空间滤波标尺光，并朝向检测器部分输出空间调制条纹图案。光学部分输出空间调制标尺光以形成具有初级条纹间距PPF的初级干涉条纹图案。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空间调制条纹图案的N个相应空间相位，其中N是至少为三的整数，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。

【技术实现步骤摘要】
光编码器
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
该
技术实现思路
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
技术实现思路
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量两个构件之间的相对位移的光编码器，所述光编码器包括：标尺光栅，沿测量轴线方向延伸，所述标尺光栅具有光栅间距PSF；以及读头构造，以相对位移相对于标尺光栅移动，所述读头包括：照明构造，包括照明源，所述照明构造成朝向所述标尺光栅输出具有波长λ的准直源光；光学部分，沿光轴布置，所述光学部分包括：第一透镜，具有焦距f1，并定位在与所述标尺光栅相距约f1的距离处；孔径部分，定位在与所述第一透镜相距约f1的距离处；以及第二透镜，具有焦距f2，并定位在与所述孔径部分相距约f2的距离处；莫尔光栅；以及检测器部分，其中，所述标尺光栅构造成接收准直源光，并向第一透镜输出衍射标尺光；所述第一透镜构造成接收标尺光，并朝向所述孔径部分聚焦标尺光；所述孔径部分构造成接收标尺光，阻挡零级标尺光的大部分，并朝向第二透镜传输主要包括+1和‑1级标尺光的空间滤波标尺光；所述第二透镜构造成接收空间滤波标尺光，并朝向所述莫尔光栅输出空间滤波标尺光，以形成具有条纹的初级干涉条纹图案，所述条纹沿光轴方向并大致平行于所述莫尔光栅的条延伸，所述条纹具有初级条纹间距PPF，并以对应于所述相对位移的条纹位移移动；所述莫尔光栅构造成接收所述初级干涉条纹图案，并向检测器部分传输周期空间调制条纹图案，所述空间调制条纹图案在检测器部分的检测器平面处沿对应于测量轴线方向的方向具有调制周期PMFP；以及所述检测器部分包括至少N个相应检测器元件，所述检测器元件定位成检测周期空间调制条纹图案的相应空间相位，其中N是至少为三的整数，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。...

【技术特征摘要】
2015.09.29 US 14/869,3471.一种用于测量两个构件之间的相对位移的光编码器，所述光编码器包括：标尺光栅，沿测量轴线方向延伸，所述标尺光栅具有光栅间距PSF；以及读头构造，以相对位移相对于标尺光栅移动，所述读头包括：照明构造，包括照明源，所述照明构造成朝向所述标尺光栅输出具有波长λ的准直源光；光学部分，沿光轴布置，所述光学部分包括：第一透镜，具有焦距f1，并定位在与所述标尺光栅相距约f1的距离处；孔径部分，定位在与所述第一透镜相距约f1的距离处；以及第二透镜，具有焦距f2，并定位在与所述孔径部分相距约f2的距离处；莫尔光栅；以及检测器部分，其中，所述标尺光栅构造成接收准直源光，并向第一透镜输出衍射标尺光；所述第一透镜构造成接收标尺光，并朝向所述孔径部分聚焦标尺光；所述孔径部分构造成接收标尺光，阻挡零级标尺光的大部分，并朝向第二透镜传输主要包括+1和-1级标尺光的空间滤波标尺光；所述第二透镜构造成接收空间滤波标尺光，并朝向所述莫尔光栅输出空间滤波标尺光，以形成具有条纹的初级干涉条纹图案，所述条纹沿光轴方向并大致平行于所述莫尔光栅的条延伸，所述条纹具有初级条纹间距PPF，并以对应于所述相对位移的条纹位移移动；所述莫尔光栅构造成接收所述初级干涉条纹图案，并向检测器部分传输周期空间调制条纹图案，所述空间调制条纹图案在检测器部分的检测器平面处沿对应于测量轴线方向的方向具有调制周期PMFP；以及所述检测器部分包括至少N个相应检测器元件，所述检测器元件定位成检测周期空间调制条纹图案的相应空间相位，其中N是至少为三的整数，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。2.如权利要求1所述的光编码器，其中：所述莫尔光栅包括间距PM，该间距PM被确定为使得调制周期PMFP和初级条纹间距PPF满足表达式PMFP＝M*PPF，并且，M具有至少为5的值。3.如权利要求1所述的光编码器，其中，所述莫尔光栅定位在与所述第二透镜相距约f2的距离处。...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y谢，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：日本,JP