利用纤维光学接收器通道的微型成像编码器读取头制造技术

本发明专利技术公开了一种用来将标尺成像到一组纤维光学接收器通道中的纤维光学读取头装置。该读取头装置包括成像透镜，在远心结构中还可以包括位于成像透镜焦点处的孔径。可以使用展像透镜将源光从成像透镜引导至环绕成像透镜的圆形的环状源透镜中。源透镜将标尺上的源光集中到标尺上会被成像透镜成像回读取头的区域。在一个实施例中，可以将多根源光纤沿纤维光学读取头装置的周边设置。在另一个实施例中，接收器光纤也可作为源光纤。在各示范性实施例中，可以获得高水平的位移信号插值以提供高分辨率的测量。光纤编码器读取头能够以特别精确和经济的方式进行装配，并可以具有超微型的整体读取头尺寸。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来说涉及一种测量位移的光学编码器，尤其是，本专利技术涉及一种包含微型读取头的光学编码器，该读取头将标尺成像于读取头中的一组纤维光学接收器通道上，从而生成超小型成像编码系统。
技术介绍
目前可以用各种运动或位置编码器检测线性运动、旋转运动或角运动。这些编码器通常都是基于光学系统、磁标尺、感应换能器或电容换能器的。这些编码器中有的是专门设计成用来测量相对运动的。在这种检测相对位移或相对位置的编码器中，典型的测量是通过检测标尺位置相对于参照位置的改变来实现的，这就要求测量标尺图样上的变化，以便于计算出条纹的重复变化。可以将这种位置测量叫做增量位移测量或增量位置感测或测量。对光学编码器来说，许多增量位置系统已经被开发出来。授予Eselun的美国专利No.5,909,283中公开的系统所使用的零件比以前的绝大部分系统都要少。美国专利No.5,909,283中描述的该系统包含光栅标尺和读取头，该读取头包括点光源(读取头中的激光二极管)、朗驰(Ronchi)光栅或全息元件、及光电检测器阵列。正如在专利技术中所描述的，点光源会产生干涉条纹，其间隔与标尺的间隔一致。干涉条纹光经过Ronchi光栅或全息元件到达光电检测器阵列。设置该光电检测器阵列，以从所传输的干涉条纹光中得到四个正交信号通道。美国专利No.5,909,283中描述的系统有一个缺点，就是其得到的编码器不是尺寸相对较大就是不能用于多种应用。而且如美国专利No.5,909,283中公开的，在某些具有使用电子光电检测器的光学读取头的现代运动控制系统中，需要检测并在相对较长长度的线上传送高频测量信号，其衰减成为一个限制因素。授予Tokunaga的美国专利No.4,733,071公开了另外一种光学编码器。该专利No.4,733,071中描述的系统带有编码部件标尺和光学传感器头，光学传感器头包括一个光纤尖端光辐射源以及两个紧密地沿着编码部件的测量轴线排列的光纤尖端接收器。旋转(偏转)光学传感器头来调整两个光纤尖端接收器的相位差。然而，其得到的编码器精确度相对较低。因而，我们需要一种能克服前述问题及限制的、单独的或组合的位置感测设备。
技术实现思路
本专利技术要提供一种能克服前述及其他不足之处的编码器。更具体地说，本专利技术要提供一种成像编码器系统，其在读取头中设置有微型读取头，将标尺成像于一组接收器光纤通道上，并能提供非常高的分辨率的测量，该成像编码器系统具有非常小的尺寸，还具有大量其他理想的特征。用于检测标尺位移的光纤读取头装置描述如下。在一个实施例中，标尺可包括反射部分的条纹。读取头根据反射部分的条纹感测标尺在所选择方向上的位移。该读取头包括光源，用于将光传输经过光学组件到达标尺，及检测器通道，用于接收从标尺返回的经由光学组件的光。根据本专利技术一方面，该编码器读取头的检测器通道是纤维光学检测器通道。如上文所概述，诸如专利No.5,909,283中公开的电子读取头接收器(光电检测器)，在转换与标尺高速运动相关的高频检测信号及通过长电缆将该信号传输的时候会有明显的信号损失或干扰。另外，用于读取头的光电检测器及其相连的电路连接对许多潜在的编码器应用来说也太大。可以理解的是，本专利技术的光纤检测器通道克服了这些局限。依照本专利技术的另一方面，在一个实施例中，光学组件被构造为远心系统。该远心系统总体上包括放置在成像透镜焦点位置的孔径限制板。相应的，该限制孔径只允许近似平行于透镜及孔径的光轴的光束经过。这种远心系统最主要的优点是，它为读取头中可操作的标尺图像提供了与读取头和标尺之间的距离几乎无关的放大倍数。在其场深度范围内，该远心系统基本上很少有或不会有放大误差。因而这种实施例具有高精确度及高分辨率，并且安装公差要求得松。根据本专利技术的另一方面，在一个实施例中，光学组件除了包括成像透镜和限制孔径外，还包括展像透镜、至少一个光学隔板和环状源透镜。展像透镜使来自读取头的源光远离成像透镜，进入环绕成像透镜的孔型环状源透镜。该环状源透镜将光线会聚至标尺上的一个区域，从该区域光通过成像透镜被成像回到读取头上。该至少一个光学隔板减少或消除不需要的光，若没有该至少一个光学隔板，多余的光会到达读取头的光纤检测器通道。根据本专利技术的另一方面，在一个实施例中，光学组件包括成像透镜，但该成像透镜不包括圆锥透镜、光学隔板、孔径和环状源透镜，因而更加小型简单。然而，其小巧简单的结构的一个代价是，其纤维光学读取头装置一般都不是远心的，因而对安装差异及对准不当差异更敏感。根据本专利技术的另一方面，在一个实施例中，读取头的一根或多根接收器光纤也可以用作源光纤。通常，通过分束器、偏振器或其他这种的光分离装置可以将检测过的光从源光分离出来。在另一实施例中，光纤循环器可以用于此目的。根据本专利技术的另一方面，在一个实施例中，源光可以由离开紧密排列的轴对称光纤装置中心的多个源光纤生成，而不是由一条位于接收器光纤中心的单独源光纤生成。在该实施例中，紧密排列的轴对称光纤装置的中心可以设置哑光纤，以方便周围光纤的排列。在一个实施例中，接收器光纤被安装在位于读取头中心的第一套圈内。然后，源光纤总体上被安装在第一套圈外部周围，并被紧固在环绕读取头的第二套圈内。第一套圈用以支撑相位掩模板，而第二套圈用以支撑源透镜或位于每一个源光纤前面的透镜。在一个实施例中，源光纤具有一大数值孔径，以在标尺上获得良好的光分布。根据本专利技术的另一方面，在多个示例性实施例中，纤维光学读取头装置包括用来接收来自标尺的光的纤维光学检测器通道。本专利技术的纤维光学检测器通道可以与专利No.5,909,283中描述的电子读取头接收器(光电探测器)相对比。通常，电子读取头接收器(光电探测器)在转换与标尺高速运动相关的高频检测信号及通过长电缆将该信号传输的时候会有明显的信号损耗或干扰。另外，用于读取头的光电检测器及其相连的电路连接对许多潜在的编码器应用来说也太大。可以理解的是，本专利技术的纤维光学检测器通道克服了这些局限。根据本专利技术的另一方面，纤维光学读取头装置包括多个纤维光学检测器通道，这些纤维光学检测器通道都有各自的相位掩模板。相对于标尺光栅或条纹来说，至少两根光纤检测器通道各自的相位掩模板具有彼此不同的空间相位。美国专利No.4,733,071中描述的传统纤维光学尖端接收器相对较粗糙。一般地说，如果该纤维光学尖端接收器的直径较大，则其就不具有足够的空间分辨率来区分精细的相位信号，而如果其直径较小，则收集的光线太少，不能生成好的信号。另外，很难安装传统的纤维光学尖端接收器，而在彼此间获得合适的空间相位。因此，每一个的分辨率受到限制，其总的精确度也因此受到限制。可以理解的是本专利技术的纤维光学检测器通道及其各自的相位掩模板可以克服这些及其他的不足，以提供较高的分辨率及精确度。根据本专利技术的另一方面，纤维光学检测器通道检测的标尺光栅图像或条纹图像，其焦深可以提供高分辨率，而对准容差要求松。根据本专利技术单独的一方面，读取头的纤维光学检测器通道是以对成对方式排列的，以提高其精度。根据本专利技术进一步的一方面，位于读取头内有3对称对纤维光学检测器通道，对其的方式进行信号处理，以提高精度。根据本专利技术单独的一方面，光纤为读取头提供光源，以生成全光学读取头，因此没有编码器读取头中电子组件及电子信号的任何限制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量设备，用来测量两个元件之间的相对位移，该设备包括：标尺，该标尺沿测量轴方向形成有标尺光栅图样；及纤维光学读取头装置，该装置可定位成生成标尺光栅图样的可操作的图像，该纤维光学读取头装置包括：壳体元件；透镜；及多 个纤维光学接收器通道，每一纤维光学接收器通道都包括：各自的接收器通道空间相位掩模板部分，该部分具有相应的空间相位，并具有以一定间距设置的光线阻挡元件，可对标尺光栅图样的图像进行空间滤波，各接收器通道空间相位掩模板部分总体上位于用来对标尺光栅图样的可操作图像进行空间滤波的名义接收面上；及至少一个相应的接收器通道光纤，其具有输入端，可接收相应的接收器通道内的光信号；其中：由所述至少一个接收器通道光纤接收的相应接收器通道光信号光，包括通过相应接收器通道的空间相位掩模 板部分在相应的光线收集区域收集的光学信号光，该光线收集区域沿着测量轴的方向的尺寸，至少是接收器通道相应空间相位掩模板部分的一个完整周期；当读取头相对标尺光栅图样被可操作地定位时，多个纤维光学接收器通道组中至少第一和第二相应通道，对名 义接收面上的标尺光栅图样的可操作图像的相应部分进行滤波，以生成各自具有至少第一和第二信号相位的至少第一和第二相应接收器通道光信号；及该设备沿相应光纤输出所述至少第一和第二相应接收器通道光信号，从而以多个相应光学输出信号的形式生成相对 位移测量信息，所述相应光学输出信号的生成不需要电子光电探测器元件。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫D托比亚森，迈克尔内厄姆，金W阿瑟顿，
申请(专利权)人：三丰株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]