CN106524903A - 光电式编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明的光电式编码器包括：标尺，其包括栅格刻度；发光部，其朝向所述标尺照射光；受光部，其检测所述标尺的栅格刻度的像；和远心光学单元，其设置在所述标尺与所述受光部之间并在所述受光部上形成所述栅格刻度的像，其中，所述远心光学单元包括：第一光学元件，其布置成靠近所述标尺；第二光学元件，其布置成比所述第一光学元件靠近所述受光部并布置成在所述第二光学元件与所述第一光学元件之间形成有间隙；和光圈，其设置于所述第一光学元件的靠近所述第二光学元件的面和所述第二光学元件的靠近所述第一光学元件的面中的至少一者。

Description

光电式编码器
技术领域
本发明涉及使用远心透镜的光电式编码器。
背景技术
WO 2005/090923 A公开了一种包括两侧远心光学***的光电式编码器，在该两侧远心光学***中，第一透镜插在主标尺与受光元件之间，第二透镜和光圈布置在第一透镜的焦点位置处。在该光电式编码器中，改善了信号检测效率，并且由于扩大了的组装容许范围而能够减少调整步骤数。
发明内容
然而，在现有技术的光电式编码器中，由于透镜和光圈是独立的部件，所以难以使透镜与光圈之间的光轴对齐，并且需要确保光圈和用于保持光圈的空间在透镜之间。为此，使光学***的光轴对齐或使光学***小型化是困难的。
本发明的目的在于提供能够在抑制光学***的部件数量增加的同时使光轴高精度地对齐的光电式编码器。
为了解决上述问题，本发明的光电式编码器包括：标尺，其包括栅格刻度；发光部，其朝向所述标尺照射光；受光部，其检测所述标尺的栅格刻度的像；和远心光学单元，其设置在所述标尺与所述受光部之间并在所述受光部上形成所述栅格刻度的像，其中，所述远心光学单元包括：第一光学元件，其布置成靠近所述标尺；第二光学元件，其布置成比所述第一光学元件靠近所述受光部并布置成在所述第二光学元件与所述第一光学元件之间形成有间隙；和光圈，其设置于所述第一光学元件的靠近所述第二光学元件的面和所述第二光学元件的靠近所述第一光学元件的面中的至少一者。
根据这样的构造，由于第一光学元件和第二光学元件中的至少一者设置有光圈，所以无需设置作为独立部件的光圈，并且无需对齐光圈的光轴。也就是，在执行第一光学元件与第二光学元件之间的光轴对齐的同时也实现了光圈的光轴对齐。
在本发明的光电式编码器中，所述栅格刻度可以具有线-空间图案。因此，通过限制线-空间图案(line-and-space pattern)产生的衍射光中的一部分光的不必要的通过，能够在受光部中高精度地获得信号。
在本发明的光电式编码器中，所述光圈可以包括遮光部和透光部。此外，所述光圈可以包括光散射部和透光部。因此，在远心光学单元中，能够抑制在遮光部或光散射部中的不必要的光的透过。
在本发明的光电式编码器中，所述光圈可以包括：第一光圈部，其设置于所述第一光学元件的靠近所述第二光学元件的面；和第二光圈部，其设置于所述第二光学元件的靠近所述第一光学元件的面。因此，能够有效地抑制在光圈中的不必要的光的透过。
在本发明的光电式编码器中，所述光圈可以限制由所述标尺的栅格刻度产生的衍射光中的具有等于或大于三级衍射角度的角度的光线的通过。因此，通过抑制受光部中的像的光强度分布的谐波失真(harmonic distortion)，能够高精度地获得正弦波。
在本发明的光电式编码器中，所述第一光学元件和所述第二光学元件可以为仅在一个方向上具有曲率的透镜。此外，所述第一光学元件和所述第二光学元件可以被形成为透镜阵列，在所述透镜阵列中，多个光学面在平面内以任意的节距平行地配置。
本发明的光电式编码器还可以包括计算单元，所述计算单元从基于所述受光部检测到的像的电信号输出用于检测位置的信号。因此，能够从由受光部检测到的电信号高精度地计算出用于检测位置的信号。
本发明的光电式编码器还可以包括计算单元，所述计算单元从基于所述受光部检测到的像的电信号输出两相正弦波信号。因此，能够以比标尺的栅格刻度的节距短的节距检测位置。
附图说明
图1是示例性地示出根据第一实施方式的光电式编码器的构造图；
图2是示出由栅格刻度产生的衍射光的示意图；
图3是在光学上与图1所示的构造等同的构造图；
图4是示例性地示出根据第二实施方式的光电式编码器的构造图；
图5是示例性地示出根据第三实施方式的光电式编码器的构造图；
图6A至图6C是示例性地示出根据第四实施方式的光电式编码器的构造图；
图7A和图7B是示例性地示出根据第五实施方式的光电式编码器的示意图；
图8A和图8B是示例性地示出根据第六实施方式的光电式编码器的示意图；
图9是示出根据第六实施方式的光电式编码器的成像的示意图；
图10是示出适用例的示意图；和
图11是示出适用例的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图说明本发明的优选实施方式。此外，在以下说明中，对相同的部件将给予相同的附图标记，并且将适当地省略相同部件的说明。
[第一实施方式]
图1是示例性地示出根据第一实施方式的光电式编码器的构造图。
如图1所示，根据本实施方式的光电式编码器包括作为发光部的照明***1、标尺(scale)2、成像光学***4和作为受光部的受光元件8。照明***1以平行光线的方式朝向标尺2照射光，使得标尺被平行光线照明。标尺2设置有栅格刻度(grid scale)3，栅格刻度3具有线-空间图案。
成像光学***4为远心光学单元并设置在标尺2与受光元件8之间。成像光学***4在受光元件8上形成栅格刻度3的像7。受光元件8响应于像7输出电信号。在本实施方式中，设置有计算电路(未示出)。计算电路从由受光元件8转换的电信号输出用于检测位置的信号。例如，计算电路基于由受光元件8转换的电信号输出两相正弦波信号。
在本实施方式中，成像光学***4被构造为具有一倍倍率的远心光学***。成像光学***4整体上被构造为关于光轴旋转对称并相对于全视野的光线集中的位置10线对称的光学***。
成像光学***4包括：第一透镜5A和第二透镜5B，其为两个光学元件；和光圈13，其设置在第一透镜5A与第二透镜5B之间。第一透镜5A和第二透镜5B均为远心透镜。期望的是，第一透镜5A和第二透镜5B具有相同的形状。
光圈13包括：第一光圈13A，其设置于第一透镜5A的靠近第二透镜5B的面51；和第二光圈13B，其设置于第二透镜5B的靠近第一透镜5A的面52。第一光圈13A和第二光圈13B均包括遮光部和透光部。透光部设置在以光轴为中心的预定范围内，遮光部设置在透光部的周围。例如，使用铬(Cr)的薄膜或诸如墨等的具有大吸光度的遮光性的涂膜作为遮光部。
能够通过包括第一光圈13A和第二光圈13B的光圈13的遮光部遮挡如下光线的通过：由标尺2的栅格刻度3产生的衍射光中的具有等于或大于三级衍射角度(thirddiffraction angle)的角度的光线。同时，具有小于三级衍射角度的角度的光线能够透过透光部。
根据该构造，由于在保持如下特性时无需作为独立部件的光圈，所以能够减少部件数量：光从照明***1照向标尺2之后由标尺2的栅格刻度3产生的衍射光中的三级以上的衍射光被光圈13遮蔽。此外，由于仅通过第一透镜5A与第二透镜5B之间光轴对齐来实现光圈13的光轴对齐，所以能够容易地执行组装。
这里，将说明光圈13的开口尺寸的期望条件。
作为光圈13(第一光圈13A和第二光圈13B)的开口尺寸的期望条件，开口尺寸被设定为如下尺寸：由具有线-空间图案的栅格刻度3(具有节距p)产生的衍射光中的零级衍射光(zero-th diffracted light)(透过光)和一级衍射光(first diffracted light)能够透过，而三级以上的衍射光被限制。图2是示出由栅格刻度3产生的衍射光的示意图。图1所示的光路为图2所示的零级衍射光、一级衍射光和三级衍射光的光路。光圈13限制具有等于或大于三级衍射角度的角度的光线的通过。
在光电式编码器中，通过受光元件8检测栅格刻度3的像7。受光元件8配备有位置相位差为90°的光电二极管阵列。基于光电二极管的信号，最终能够获得两相正弦波信号。
即使在光刚透过栅格刻度3所获得的光强度分布截面16为具有周期p的矩形波形状时，也仅零级衍射光和一级衍射光用于形成像，因而像7的光强度分布截面17具有周期为p的正弦波形状。因此，能够抑制最终获得的两相正弦波信号的谐波失真。
此外，存在如下假设：由栅格刻度3产生的并使矩形波形状的光强度调制的衍射光的强度以如一级、三级、五级、……的奇数级分量为主，并且偶数级分量的衍射强度小到可忽略不计。因而，稍后将不考虑偶数级衍射光的影响。
图3是在光学上与图1所示的构造等同的构造图。
在图3中，分别用第一光圈11A和第二光圈11B替换图1所示的第一光圈13A和第二光圈13B。第一光圈11A和第二光圈11B布置在相对于位置10对称的位置，并且这些光圈起到一个光圈的作用。
第一光圈11A和第二光圈11B的位置和开口尺寸可以被设定成满足以下条件：在全视野区域(视野端9B、视野中央9A和视野端9C)中，一级衍射光穿过，而不必要的三级以上的衍射光被遮蔽。
在图3中，第一光圈11A和第二光圈11B能够尽可能地远离位置10并与面12A和12B的如下位置对应：从视野中央9A射出的三级衍射光与从视野端9B和9C射出的一级衍射光交叉的位置。于是，此时需要将光圈的尺寸定为从光轴至三级衍射光与一级衍射光的交叉点的距离。
根据该实施方式，无需将被设定成具有期望开口尺寸的光圈13设置为独立部件，因而无需使光圈的光轴对齐。因而，当执行第一透镜5A与第二透镜5B之间的光轴对齐时也实现了光圈13的光轴对齐。此外，由于可以设置均具有光圈13且具有相同形状的第一透镜5A和第二透镜5B，所以与将光圈13设置为独立部件的情况相比，能够减少部件数量。
[第二实施方式]
图4是示例性地示出根据第二实施方式的光电式编码器的构造图。
如图4所示，代替遮光部，根据本实施方式的光电式编码器包括作为光圈13的光扩射部。其它构造与根据第一实施方式的光电式编码器相同。
也就是，成像光学***4配备有第一透镜14A和第二透镜14B。第一光圈15A设置于第一透镜14A的靠近第二透镜14B的面51，第二光圈15B设置于第二透镜14B的靠近第一透镜14A的面52。第一光圈15A和第二光圈15B均包括光扩散部和透光部。透光部设置在以光轴为中心的预定范围内，光扩散部设置在透光部的周围。光扩散部为通过在各面51和52的预定区域中执行表面处理而粗糙化的部分。
由于第一光圈15A和第二光圈15B均设置有光扩散部，所以光扩散部能够使通过的由标尺2的栅格刻度3产生的衍射光中的具有等于或大于三级衍射角度的角度的光线扩散。同时，具有小于三级衍射角度的角度的光线能够透过透光部。
根据本实施方式，能够仅通过在第一透镜14A的面51上执行表面处理来形成第一光圈15A，能够仅通过在第二透镜14B的面52上执行表面处理来形成第二光圈15B。
[第三实施方式]
图5是示例性地示出根据第三实施方式的光电式编码器的构造图。
如图5所示，根据本实施方式的光电式编码器具有如下构造：在该构造中，设置有包括第一透镜14A和第二透镜14B的透镜单元LU的组，并且设置了两组透镜单元LU。在图5所示的示例中，使用根据第二实施方式的第一透镜14A和第二透镜14B，而根据第一实施方式的第一透镜5A和第二透镜5B可以用作透镜单元LU。此外，可以组合使用这些透镜单元LU。此外，可以设置三组或更多的透镜单元LU。以此方式，即使在设置了多组透镜单元LU时，也能够获得与第一实施方式和第二实施方式的效果相同的效果。
[第四实施方式]
图6A至图6C是示例性地示出根据第四实施方式的光电式编码器的示意图。图6A是俯视构造图，图6B是侧视构造图，图6C是立体图。
本实施方式中使用的成像光学***4包括第一柱面透镜24A和第二柱面透镜24B。其它构造与根据第二实施方式光电式编码器相同。
第一柱面透镜24A和第二柱面透镜24B具有仅在一个方向上有曲率的光学面。光学面为例如球面柱面透镜面或具有由高次多项式表达的形状的非球面柱面透镜面。
根据本实施方式，未获得透镜的母线(generatrix)方向上的分辨率，但相反，无需使部件在母线方向上光轴对齐。因此，组装相对容易。即使在这种情况下，也能够获得与第二实施方式的效果相同的效果。
[第五实施方式]
图7A和图7B是示例性地示出根据第五实施方式的光电式编码器的示意图。图7A是俯视构造图，图7B是立体图。
本实施方式中使用的成像光学***4包括第一透镜阵列34A和第二透镜阵列34B。第一透镜阵列34A和第二透镜阵列34B均具有如下构造：在该构造中，将第一实施方式、第二实施方式和第四实施方式的光学元件形成为透镜阵列(多个光学面以任意的节距平行布置的透镜)。
作为示例，图7A和图7B示出了如下构造：在该构造中，使用了根据第二实施方式的包括光扩散部的第一透镜14A和第二透镜14B的光学面作为第一透镜阵列34A和第二透镜阵列34B的光学面。
在本实施方式中，通过配置与不具有透镜阵列的成像光学***4相比具有小直径和短焦距的透镜来获得透镜阵列。因此，在整个成像光学***4中，能够在维持成像光学***的有效视野的同时，缩短光学***的全长。因此，能够获得使整个光学***小型化的有利效果，并且能够获得与第一实施方式、第二实施方式和第四实施方式的效果相同的效果。
[第六实施方式]
图8A和图8B是示例性地示出根据第六实施方式的光电式编码器的示意图。图8A是俯视构造图，图8B是立体图。
图9示出根据第六实施方式的光电式编码器的成像的示意图。
本实施方式中使用的成像光学***4包括两组透镜阵列单元LAU。在各透镜阵列单元LAU中，代替第三实施方式中使用的透镜单元LU的第一透镜14A和第二透镜14B，使用了第一柱面透镜阵列44A和第二柱面透镜阵列44B。
在本实施方式中，如图9所示，栅格刻度3的像S1至S12的倒立中间像6形成在第一组透镜阵列单元LAU的透镜节距处。此外，通过具有与第一组透镜阵列单元LAU的节距相同的节距的第二组透镜阵列单元LAU对倒立中间像6成像，进而获得了正立像(像7)。该构造具有如下期望的特性：无论透镜阵列单元LAU的透镜节距如何，最终的像的位置和方向与最初的栅格的位置和方向均相同。此外，即使在本实施方式中，也能够获得与其它实施方式的效果相同的效果。
此外，适用于透镜阵列单元LAU的第一柱面透镜阵列44A和第二柱面透镜阵列44B均可以是如下柱面透镜阵列：该柱面透镜阵列设置有遮光部以代替光扩散部。
[适用例]
图10和图11是示出适用例的示意图。
图10和图11示出了根据本实施方式的光电式编码器适用于线性标尺(linearscale)100的示例。如图10所示，线性标尺100包括检测单元110和标尺2。标尺2包括沿着测量基准线ML布置的多个栅格刻度3。栅格刻度3使用了线-空间图案。检测单元110与控制单元130连接。在线性标尺100中，检测检测单元110与标尺2之间的测量基准线ML上的相对位置关系。向控制单元130发送通过检测单元110获得的信号，以便计算检测单元110相对于测量基准线ML的位置。
图11示出了检测单元110的构造。检测单元110配备有根据实施方式的光电式编码器。在线性标尺100中，光从照明***1朝向栅格刻度3射出之后由栅格刻度3产生的衍射光穿过成像光学***4、被受光元件8接收。这里，通过检测受光量的变化来测量移位量。
由于根据实施方式的成像光学***4用作线性标尺100的检测单元110的光学***，所以能够简化检测单元110的光学***的构造，并且能够以令人满意的远心度高精度地测量移位。
如上所述，根据实施方式，能够提供如下光电式编码器：该编码器能够在抑制部件数量增加的同时使光轴高精度地对齐。
虽然以上已经说明了实施方式，但是本发明不限于这些示例。例如，以上已经说明了第一光圈13A和15A设置于第一透镜5A和14A的面51、第二光圈13B和15B设置于第二透镜5B和14B的面52的示例，但是可以设置第一光圈13A和15A以及第二光圈13B和15B中的至少一者。此外，在实施方式中，已经例示了通过受光元件8检测从照明***1照射的、透过标尺2的衍射光的像7的构造，但是可以通过受光元件8检测从照明***1照射的、被标尺2反射的衍射光的像。此外，标尺的栅格刻度可以具有线-空间图案以外的图案(例如，以随机码序列布置的ABS图案)。因此，虽然透镜(第一透镜5A和14A以及第二透镜5B和14B)作为光学元件的示例，但是光学元件可以包括诸如反射镜等的反射光学***。此外，在不背离本发明的主旨的情况下，由本领域技术人员对上述实施方式的部件作出的各种添加、删除或变型或者上述实施方式的特征的组合也包括在本发明的范围中。
产业上的可利用性
本发明能够适当地用作诸如显微镜等的光学装置或诸如线性标尺以外的图像测量装置等的其它测量装置的光学***。

Claims (10)

1.一种光电式编码器，其包括：
标尺，其包括栅格刻度；
发光部，其朝向所述标尺照射光；
受光部，其检测所述标尺的栅格刻度的像；和
远心光学单元，其设置在所述标尺与所述受光部之间并在所述受光部上形成所述栅格刻度的像，
其中，所述远心光学单元包括：
第一光学元件，其布置成靠近所述标尺；
第二光学元件，其布置成比所述第一光学元件靠近所述受光部并布置成在所述第二光学元件与所述第一光学元件之间形成有间隙；和
光圈，其设置于所述第一光学元件的靠近所述第二光学元件的面和所述第二光学元件的靠近所述第一光学元件的面中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述栅格刻度具有线-空间图案。
3.根据权利要求1或2所述的光电式编码器，其特征在于，所述光圈包括遮光部和透光部。
4.根据权利要求1或2所述的光电式编码器，其特征在于，所述光圈包括光散射部和透光部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，所述光圈包括：
第一光圈部，其设置于所述第一光学元件的靠近所述第二光学元件的面；和
第二光圈部，其设置于所述第二光学元件的靠近所述第一光学元件的面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，所述光圈限制由所述标尺的栅格刻度产生的衍射光中的具有等于或大于三级衍射角度的角度的光线的通过。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件为仅在一个方向上具有曲率的透镜。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件被形成为透镜阵列，在所述透镜阵列中，多个光学面在平面内以任意的节距平行地配置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，所述光电式编码器还包括计算单元，所述计算单元从基于所述受光部检测到的像的电信号输出用于检测位置的信号。
10.根据权利要求2所述的光电式编码器，其特征在于，所述光电式编码器还包括计算单元，所述计算单元从基于所述受光部检测到的像的电信号输出两相正弦波信号。
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