CN108351229B - 编码器装置 - Google Patents

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Abstract

一种编码器装置，包括标尺和读头，该读头包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，该编码器装置被配置为使得对用于确定该标尺与该读头的相对位置的该传感器元件的输出进行加权，从而使得该传感器元件对该标尺与该读头的所确定相对位置的影响跨该阵列根据预定非矩形窗函数而变化，该预定非矩形窗函数被配置成减小该标尺信号中的不期望频率的不利影响，以便因此减小该编码器装置的细分误差。

Description

编码器装置
本发明涉及一种编码器装置，具体地涉及一种位置测量编码器装置，该位置测量编码器装置包括可相对于彼此移动的标尺和读头。
众所周知，位置测量编码器装置通常包括标尺，该标尺具有一系列特征(及其衍生物，诸如速度和/或加速度)，读头可以读取该一系列特征以确定和测量相对位置。编码器通常被分类为增量式或绝对式。用于增量式编码器(诸如可从雷尼绍公司(Renishaw plc)获得并且以下更详细描述的TONiCTM编码器)的标尺包括一系列大体周期性特征，读头检测该一系列大体周期性特征以确定标尺与读头的相对位置和移动。可以在标尺上提供一个或多个参考标记以便提供参考位置，根据该参考位置可以对标尺与读头的相对位置进行计数。用于绝对式编码器(诸如可从雷尼绍公司获得并且以下更详细描述的RESOLUTETM编码器)的标尺包括沿着标尺长度限定唯一位置的特征(例如，一系列唯一绝对位置)，并且可以使读头能够在启动时确定其绝对位置，而无需任何相对运动。
我们发明人想要提供一种经改进的编码器，具体是具有改进准确性的编码器。
如在位置测量编码器领域中众所周知的，细分误差(sub-divisional error，SDE)由于标尺特征的读数内插的缺陷而发生。这种缺陷可能是由于处理读数的方式、和/或由于被读头检测到的信号是有缺陷的。由读头检测到的信号由于多种原因可能是有缺陷的，例如，由于次优光学部件、光学部件的次优安排、标尺上的污垢和/或参考标记，例如，嵌入式参考标记。SDE不利地影响所确定位置的准确性。SDE还通常被称为“内插误差”。在本文献中，术语SDE和内插误差可以互换使用。如将理解，编码器装置的SDE可以沿着标尺的范围而变化(例如，沿着线性编码器的长度或者围绕旋转编码器的轴)。
本发明提供了一种用于改进编码器装置的输出的配置，例如，通过减小编码器装置的SDE，诸如例如，SDE是由落在读头传感器上的信号中的缺陷引起的。这是通过以下方式实现的：将编码器装置配置为使得传感器(例如，其输出)根据预定窗函数沿着其长度而被加权(例如，传感器的传感器元件的输出被加权)，该预定窗函数被配置成使编码器装置对落在传感器上的信号中的这种缺陷较不敏感(例如，在一些实施例中，对该缺陷具有过滤效果)。
例如，本文描述了一种编码器装置，该编码器装置包括标尺和读头，该读头包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，该编码器装置被配置为使得对用于确定该标尺与该读头的相对位置(例如，在标尺周期内)的该传感器元件的输出进行加权，从而使得该传感器元件对该标尺与该读头的所确定相对位置的影响跨该阵列根据预定非矩形窗函数而变化，该预定非矩形窗函数被配置成减小该标尺信号中的不期望频率的不利影响(例如，过滤器)，以便因此减小该编码器装置的细分误差。
根据本发明的第一方面，存在一种增量式编码器装置，包括：标尺和读头，该读头包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的用于确定该标尺与该读头的相对位置(例如，在标尺周期内)的标尺信号的传感器元件阵列，其中，该装置被配置为使得根据(预定)窗函数对该传感器沿着其长度的输出进行加权，该窗函数被配置成减小该标尺信号中不期望频率的不利影响(例如，以便由此减小该编码器装置的细分误差)，其中，该加权被配置为使得该传感器输出对所确定相对位置的影响主要朝向该传感器的端部减小。
已经发现，可以使用非矩形窗函数对传感器元件的输出进行加权，而不是使用未加权/矩形的传感器元件阵列，以便显著减小不期望频率的存在对编码器装置的测量性能所具有的不利影响。这种加权可以被配置以便大体上过滤不期望频率。具体地，已经发现，这种加权的使用具有减小编码器装置对这种不期望频率的敏感度的效果。相应地，这种加权可以用于减小编码器装置的SDE，这进而可以提高编码器装置的准确性。在增量式编码器包括可以用于产生利萨如曲线(Lissajous)的正交信号的情况下，减小SDE提高了利萨如曲线的圆度。
如将理解，被认为是“不期望频率”的那些频率将在编码器装置之间有所不同。然而，将理解，“不期望频率”意指造成编码器装置的SDE的频率。例如，不期望频率可以包括导致存在至少标尺信号的分量频率的在传感器的范围上的非整数个循环的那些频率。例如，落在传感器上的信号的至少分量频率的这种非整数个循环，例如可能是由于可以随运行高度(ride-height)发生变化的图像放大(例如，在基于图像的***中)或条纹和传感器周期失配(例如，在基于衍射的***中)，和/或由于信号中存在非谐波分量。在传感器包括对两组或更多组叉指/交织型传感器元件(例如，具有多条通道的增量式检测器)的重复安排的实施例中，不期望频率可以包括是该重复的频率的非整数倍的频率。这些在以下结合本发明的具体示例实施例进行更详细的解释。相应地，根据本发明进行的加权可以降低编码器装置对存在至少标尺信号的分量频率的在传感器的范围上的非整数个循环的敏感度。
如将理解，根据(例如，预定非矩形)窗函数对传感器(例如，传感器元件的输出)进行的这种加权可以被配置以便抑制传感器的(例如，空间)频率响应的旁瓣。优选地，该窗函数被配置(例如，被成形)为使得传感器(例如，空间)频率响应的至少主旁瓣的幅度不超过主瓣幅度的10％，更优选地不超过5％，例如，不超过2.5％，例如，不超过1％。如将理解，传感器的频率响应可以由传感器响应度/响应性的空间傅里叶变换来确定/可以被限定为传感器响应度/响应性的空间傅里叶变换。
如将理解，本发明可以通过各种适当的加权方案来实现。可选地，传感器输出被加权(例如，传感器元件的输出被加权)，从而使得来自传感器的输出对所确定位置的影响通常朝向该传感器的端部逐渐减小。可选地，所述减小是平滑的，换言之，是连续的。
可选地，该加权被配置为使得传感器的中间对所确定位置具有最显著的影响(例如，朝向(例如，处于)传感器中心的传感器元件对所确定位置具有最显著的影响)。换言之，可选地，该影响朝向(例如，在)传感器的中心达到峰值。如将理解，该加权可以被配置为使得处于传感器中间处和附近的多个传感器元件具有相同的影响(例如，从而使得窗函数在其中心具有平坦区域)。可选地，该加权被配置为使得该窗关于传感器的中心线大体上是对称的。可选地，该输出被加权以使得传感器元件的输出对所确定位置具有的影响存在向下/减小的趋势(例如，从阵列中间/靠近阵列中间的位置朝向阵列的端部)。
可选地，传感器的输出被加权以使得来自传感器的输出对所确定位置的影响通常朝向传感器的端部逐渐减小，从而使得传感器朝向(例如，处于)传感器端部的影响至多为传感器朝向(例如，处于)传感器中间的影响的25％。换言之，可选地，传感器元件的输出被加权以使得来自传感器元件的输出对所确定位置的影响通常朝向传感器的端部逐渐减小，从而使得传感器元件朝向(例如，处于)传感器的端部的影响至多为传感器元件朝向(例如，处于)传感器的中间影响的25％。
传感器理论上可以被划分成多个分段或部分，并且传感器对所确定相对位置的影响针对沿着其长度的不同分段或部分可能是不同的。可选地，该传感器理论上可以沿着其长度被划分成三个大体上相等的分段/部分；换言之，该传感器可以被划分成三等分。可选地，传感器输出对所确定相对位置的影响在该传感器的中间三分之一处比在该传感器的外三分之一处更大。例如，外三分之一的影响可以各自至多为中间三分之一的影响的50％。可选地，该传感器理论上可以沿着其长度被划分成五个大体上相等的分段/部分；换言之，该传感器可以沿着其长度被划分成五等分。可选地，传感器输出对所确定相对位置的影响在传感器的中间五分之一处比在该传感器的外五分之一处更大。例如，外五分之一的影响可以各自至多为中间五分之一的影响的30％。在这种情况下，可选地，传感器输出对所确定相对位置的影响在传感器的中间五分之一处比在传感器的相邻五分之一处(中间五分之一的任一侧)更大。
该加权可以通过操控传感器元件的输出来实现。例如，该加权可以通过使用一个或多个衰减器(例如，电阻器)和/或一个或多个放大器(例如，运算放大器)抑制和/或放大传感器元件的输出来实现。可选地，加权可以通过省略传感器元件来实现。例如，在具有周期性布置的传感器元件的传感器元件阵列中，加权可以通过遗漏传感器元件中的一个或多个来实现。
可选地，该加权可以通过限制传感器(例如，传感器元件)可以检测的信号来实现。例如，读头可以被配置成通常逐渐限制传感器(例如，传感器元件)朝向传感器端部可以检测的信号。这可以通过对落在传感器上的标尺信号的覆盖区(footprint)进行配置来实现。可选地，设置信号操控/限制构件，该信号操控/限制构件被配置成通过跨阵列的变化量来限制到达传感器元件的标尺信号的(例如，量/功率/强度/幅度)，例如，以使得该限制的范围朝向传感器的端部逐渐增大。换言之，该信号操控/限制构件可以被配置为使得落在传感器上的标尺信号量朝向传感器的端部(例如，朝向传感器元件阵列的端部)逐渐减小。可选地，这可以通过设置信号阻挡构件来实现，该信号阻挡构件被配置成通过跨阵列的变化量来阻挡到达传感器(例如，传感器元件)的标尺信号，例如，以使得该阻挡的范围朝向传感器的端部逐渐增大；换言之，以使得落在传感器上的标尺信号量朝向传感器的端部(例如，朝向传感器元件阵列的端部)逐渐减小。可选地，该编码器装置包括具有非矩形形状的掩模(换言之，为物理窗)。换言之，该掩模可以具有非矩形形状的孔口，标尺信号可以穿过该非矩形形状的孔口从而到达传感器。在编码器装置为光学编码器装置的实施例中，该掩模可以包括非矩形孔口，该非矩形孔口与光源间隔开并且接近或离开标尺的光可以穿过该非矩形孔口，从而对可由传感器检测的信号的覆盖区进行成形。可选地，该掩模被直接形成(换言之，被设置)在传感器上(例如，传感器元件上)。例如，该掩模可以包括沉积在传感器顶部上(例如，传感器元件顶部上)的层(例如，金属化、聚合物层)。可选地，该编码器装置包括照明***，该照明***包括光源。可选地，与该光源间隔开的至少一个光操控/限制构件被设置并且被配置为使得可由传感器检测的光的有效覆盖区在尺寸上主要朝向传感器端部减小。
可选地，传感器的形状和/或尺寸可以被配置以便通常逐渐限制传感器朝向传感器端部所检测的信号的量(例如，传感器的宽度可以朝向传感器的端部而减小)。换言之，可选地，传感器元件的形状和/或尺寸可以被配置以便通常逐渐限制传感器元件朝向传感器端部所检测的信号的量(例如，其可能朝向传感器的端部变的更小，例如，在长度上更短)。
可选地，传感器输出沿着其长度的加权被配置为使得输出对所确定位置的影响朝向阵列的端部而非线性地减小。换言之，可选地，传感器元件输出的加权被配置为使得其对所确定位置的影响朝向阵列的端部而非线性地减小。相应地，优选地，窗函数的形状不是直边三角形。换言之，其可以是如下情况：传感器输出对所确定位置的影响朝向传感器的端部减小的一般速率不是恒定的(换言之，减小速率的局部趋势不是恒定的)。可以优选的是，加权被配置为使得传感器输出对所确定位置的影响朝向传感器的端部逐渐减小(换言之，逐渐消失)。
可选地，传感器输出沿着其长度的加权(例如，传感器元件输出的加权)被配置为使得传感器对所确定位置的影响的减小速率朝向传感器的端部而降低。换言之，可选地，减小速率的局部趋势朝向阵列的端部而下降。优选地，传感器输出沿着其长度的加权被配置为使得传感器输出对所确定位置的影响从传感器中心朝向传感器端部的减小速率初始地升高并且然后朝向传感器的端部降低。换言之，影响的减小速率的局部趋势初始地升高并且然后降低。换句话说，加权的斜率/梯度初始地远离传感器的中间而增大，然后朝向传感器的端部减小。例如，窗/加权的梯度(例如，光电二极管不断被阻挡的速率)在传感器的中间处和附近相对较浅，然后在再次在传感器的端部附近变浅之前随着远离传感器中间的距离而变陡。相应地，传感器输出的加权可以为使得窗函数的一般形状为近似钟形的。例如，可选地，传感器元件的输出根据以下函数之一而被加权：凯泽(Kaiser)、汉宁(Hann)、汉明(Hamming)、韦尔奇(Welch)、切比雪夫(Chebyshev)、余弦(Cosine)、斯列宾(Slepian)、高斯(Gaussian)、兰索斯(Lanczos)、帕尔森(Parzen)、布莱克曼(Blackman)、纳托尔(Nuttall)、塔基(Tukey)、或这些中的任何混合。
编码器装置可以是通常被称为光学编码器的装置。该读头可以包括被配置成照亮标尺的光源。该标尺信号可以包括光场。可选地，该编码器装置被配置成利用非准直光来照亮标尺。该读头可以包括用于照亮标尺的相干光源。可选地，光源的光谱带宽不超过1nm，例如不超过0.5nm，例如不超过0.2nm，例如大约0.1nm。
编码器装置可以包括增量式编码器装置。相应地，该标尺可以包括增量式标尺。该标尺可以包括至少一个轨道，该至少一个轨道包括一系列(一般性地)周期性布置的特征。如将理解，可以提供紧邻该至少一个轨道或者嵌入该至少一个轨道内的一个或多个参考特征。
可选地，该标尺信号(例如，光场)包括条纹(例如，散射场)。该条纹可以包括干涉条纹。该读头可以包括用于产生该干涉条纹的一个和多个衍射光栅。例如，该一个或多个衍射光栅可以与朝向标尺/从标尺行进的光进行交互以便产生该干涉条纹。可选地，该读头包括被配置成与离开标尺的光进行交互以便产生该干涉条纹的衍射光栅。可选地，该标尺包括被配置成对光进行衍射的一系列特征。可选地，该干涉条纹是通过来自标尺和衍射光栅的光的衍射级的重新组合(并且可选地，按照此顺序)而产生的。相应地，可选地，在标尺之前的光学路径中不存在衍射光栅。如将理解，该读头并不一定需要包括衍射光栅。例如，该读头可以检测标尺的图像，如以下更详细描述的。
可选地，该传感器包括电光栅，该电光栅包括两组或更多组叉指/交织型传感器元件，每组被配置成检测干涉条纹的不同相位。每组可以被称为通道。优选地，该传感器(例如，电光栅)是非混叠的。换言之，优选地，每组(例如，通道)中的传感器元件之间的距离标称地为一个条纹周期。
可选地，该标尺信号包括标尺的图像。相应地，该读头可以被配置成将标尺成像到传感器上。可选地，该读头包括被配置成在传感器上形成标尺的图像的一个或多个透镜。可选地，该传感器被配置成捕获该图像。
可选地，该标尺信号包括与传感器元件未对准的特征，例如，不与传感器元件平行地延伸。可选地，该标尺信号包括非平行特征。可选地，该标尺信号包括扇形特征。可选地，该标尺包括圆盘标尺。可选地，该圆盘标尺包括被安排在圆盘的表面上的标尺特征。可选地，当标尺和读头处于读取位置时，该标尺特征相对于传感器元件是未对准的(例如，是非平行的)。可选地，该标尺特征是扇形。该标尺特征可以是增量式标尺特征和/或绝对式标尺特征。
编码器装置可以是绝对式编码器装置。相应地，该标尺可以包括绝对式标尺。换言之，该标尺可以包括限定绝对位置信息的特征。该标尺可以包括限定一系列唯一绝对位置的特征。限定绝对位置信息的该特征可以包含在至少一个轨道中。除了限定绝对位置信息的特征之外，该标尺还可以包括限定增量位置的特征。例如，该标尺可以包括轨道，该轨道包括一系列一般周期性布置的特征。
编码器装置可以被配置成根据至少两种技术/按照两阶段来处理标尺信号。在这种情况下，该编码器装置可以被配置为使得由该技术中的一种技术使用的传感器元件的输出根据本发明被加权，但针对该技术中的另一种技术不被加权。例如，该编码器装置可以被配置成根据标尺的图像来确定粗略位置信息(使用第一种技术)和精细位置信息(使用第二种技术)。粗略位置信息可以是标尺与读头的相对位置的度量，达到一个或多个标尺周期的分辨率。精细位置信息可以是标尺与读头的相对位置的度量，达到比粗略位置更精细的分辨率。例如，其可以是标尺与读头的相对位置的度量，达到比一个标尺周期更精细的分辨率。这可以通过例如相位提取来实现。在WO2010/139964中更详细地描述了用于确定位置的这种方法的示例，其全部内容通过引用而结合。在这种情况下，相同的传感器元件输出可以用于粗略位置确定和精细位置确定两者。然而，该编码器装置可以被配置为使得被传递至用于确定精细位置的过程的传感器元件输出根据本发明被加权，然而，被传递至用于确定粗略位置的过程的传感器元件输出不被加权。例如，这可以通过将传感器元件输出分割成第一信号和第二信号来实现，其中，对于第一信号，原始输出被传递至一个过程，并且其中，对于第二信号，(多个)衰减器和/或(多个)放大器用于在输出被传递至另一过程之前相应地抑制和/或放大该输出。
根据本发明的另一方面，提供了根据以上被配置的读头。例如，根据本发明的另一方面，提供了一种读头，该读头包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，该读头被配置为使得对用于确定该标尺与该读头的相对位置的传感器元件的输出进行加权，从而使得该传感器元件对该标尺与该读头的所确定相对位置的影响跨该阵列根据预定非矩形窗函数而变化，该预定非矩形窗函数被配置成减小该标尺信号中的不期望频率的不利影响，以便因此减小该编码器装置的细分误差。根据具体示例，提供了一种读头，该读头包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的用于确定该标尺与该读头的相对位置的标尺信号的传感器元件阵列，其中，该读头被配置为使得根据窗函数对该传感器沿着其长度的输出进行加权，该窗函数被配置成减小该标尺信号中不期望频率的不利影响，以便由此减小该编码器装置的细分误差，其中，该加权被配置为使得该传感器输出对所确定相对位置的影响主要朝向该传感器的端部减小。根据另一具体示例实施例，提供了一种读头，该读头包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，其中，用于确定该标尺与该读头的相对位置的该传感器元件输出是使得来自传感器元件的输出对所确定相对位置的影响通常朝向该传感器的端部逐渐减小。可选地，该加权通过限制该传感器(例如，传感器元件)可以检测的信号量来实现。例如，传感器/传感器元件的形状和/或尺寸可以被配置以便通常逐渐限制传感器/传感器元件朝向传感器的端部所检测的信号量(例如，其可能朝向传感器的端部变的更小，例如，在长度上更短)。
根据本发明的另一方面，提供了一种读头，该读头包括：传感器，其包括用于检测落在该传感器上的标尺信号的传感器元件阵列；以及至少一个单独参考标记传感器，用于检测该标尺上的至少一个参考标记，其中，该至少一个参考标记传感器未被定位在该传感器元件阵列内，并且其中，该传感器的宽度朝向该传感器的端部减小，和/或其包括至少一个信号限制构件，该至少一个信号限制构件被配置成限制到达该传感器元件的标尺信号的量，从而使得如由该传感器检测到的标尺信号量朝向该传感器的端部减小。
根据本发明的另一方面，提供了一种绝对式编码器装置，该绝对式编码器装置包括：标尺，其具有限定一系列唯一位置的标记；以及读头，其包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，其中，该传感器的宽度在尺寸上朝向该传感器的端部减小，和/或其包括至少一个信号限制构件，该至少一个信号限制构件被配置成限制该标尺信号到达该传感器元件，从而使得如由该传感器检测的标尺信号量朝向该阵列的端部而减小。
根据本发明的另一方面，提供了一种读头，该读头包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，其中，该读头被配置为使得对用于确定该标尺与该读头的相对位置的传感器元件输出进行加权，从而使得至少该传感器的频率响应的主旁瓣的幅度不超过主瓣幅度的10％。
根据本发明的另一方面，提供了一种读头，该读头包括传感器，该传感器包括用于检测落在该传感器上的用于确定该标尺与该读头的相对位置的标尺信号的传感器元件阵列，其中，该读头被配置为使得该传感器沿着其长度的输出被加权，从而使得该传感器输出对所确定相对位置的影响在该传感器的中间三分之一处明显比在该传感器的外三分之一处大。
现将仅借助于示例参考以下附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是示意图，展示了根据本发明的编码器装置；
图2示意性地展示了图1的编码器装置的光学方案；
图3和图4是示意性光线图，展示了在增量式光电检测器处通过使用衍射光来生成干涉条纹，以便促进相对于标尺的读头位置的增量式读取；
图5是适合与图1和图2的编码器装置一起使用的电光栅的一部分的示意图，其中，其上叠加了示例干涉条纹的强度变化；
图6a是简图，展示了可以使用非相干光源以及图1至图5的编码器装置的两种光栅布置获得的干涉条纹的强度变化；
图6b展示了图6a的干涉条纹的傅里叶变换；
图7a和图7b分别展示了通过使用相干光源替代非相干光源来获得所生成的干涉条纹的强度变化及其傅里叶变换；
图8是适合与图1和图2的编码器装置一起使用的电光栅的一部分的示意图，其中，其上叠加了包含部分谐波的干涉条纹的分量部分的强度变化；
图9示意性地展示了根据本发明的示例电光栅；
图10包括两个简图，分别展示了图9的电光栅的电光栅结构以及图9的电光栅的调制传递函数(MTF)；
图11包括两个简图，分别展示了标准未加权电光栅的电光栅结构以及这种电光栅的调制传递函数(MTF)；
图12示意性地展示了根据本发明的另一实施例的示例电光栅；
图13包括两个简图，分别展示了图12的电光栅的电光栅结构以及图12的电光栅的调制传递函数(MTF)；
图14示意性地展示了根据本发明的另一实施例的示例电光栅；
图15是适合与图1和图2的编码器装置一起使用的电光栅的一部分的示意图，其中，其上叠加了已经被拉伸(例如，由于条纹与传感器周期失配)的干涉条纹的强度变化；
图16(a)和(b)到图19(a)和(b)展示了各种窗形状及其各自的频率响应简图；
图20(a)和图20(b)分别展示了扇形绝对图案落在其上的绝对式编码器的未掩蔽传感器和掩蔽传感器；并且
图21展示了增量式检测器与参考标记检测器的示例性布置。
参考图1和图2，示出了根据本发明的第一示例编码器装置2。该编码器装置包括读头4和标尺6。尽管未示出，但是在使用中，读头4可以被紧固到机器的一个部件，并且标尺6被紧固到机器的另一个部件，其相对于彼此是可移动的。读头4用于测量其自身与标尺6的相对位置，并且因此可以用于提供机器的这两个可移动部件的相对位置的度量。读头4通过有线(如所示出的)和/或无线通信通道与诸如控制器8的处理器进行通信。如将理解，处理器可以包括被配置用于具体应用(例如，现场可编程门阵列“FPGA”)的定制处理器以及可以根据使用其的应用的需要被编程(例如，通过软件)的更通用的处理器。读头4可以将来自其检测器(以下更详细地描述)的信号上报给控制器8，该控制器然后对这些信号进行处理以便确定位置信息，和/或读头4自身可以处理来自其检测器的信号并且将位置信息发送至控制器8。在另一实施例中，中间单元(例如，接口单元)可以被定位在读头4与控制器8之间。该接口单元可以促进读头4与控制器8之间的通信。例如，该接口单元可以被配置成处理读头信号并且将位置信息提供给控制器8。
标尺6包括限定增量式轨道10的多个标尺标记。在所描述的实施例中，标尺6还包括参考轨道12。
在这种实施例中，该编码器装置是光学的、基于衍射的编码器。相应地，增量式轨道10包括形成衍射光栅的一系列周期性标尺标记14。增量式轨道10可以是通常被称为幅度标尺或相位标尺的东西。如将理解，如果其是幅度标尺，则特征被配置成控制朝向读头增量式检测器所透射的光的幅度(例如，通过选择性地吸收、散射和/或反射光)，而如果其是相位标尺，则特征被配置成控制朝向读头增量式检测器所透射的光的相位(例如，通过延迟光的相位)。在本实施例中，增量式轨道10是幅度标尺，但是在任一情况下，如以下更详细解释的，该光与周期性标尺标记14进行交互以生成衍射级。
参考轨道12包括由反射参考标记16限定的参考位置。轨道的剩余部分包括吸收光的特征17。相应地，参考位置由标记来限定，该标记允许比包含其的轨道的剩余部分相对更多的光到达参考标记光电检测器24(以下所描述的)，并且在这种情况下比包含其的轨道的剩余部分相对更具反射性。参考位置对使读头4能够精确地确定其相对于标尺6的位置可能是有用的。相应地，增量式位置可以根据参考位置来计数。此外，这种参考位置可以是还被称为“极限位置”的位置，因为其可以用于限定标尺6的、读头4被允许在其之间行进的极限或端部。
在这种实施例中，该编码器装置是反射光学编码器，因为其包括在标尺6的同一侧的电磁辐射(EMR)源18(例如，红外线光源18)以及至少一个检测器(在以下更详细描述的)。通常，来自光源18的红外线光被配置为由标尺6反射回朝向读头。如所展示的，光源18是发散的，并且光源的照亮覆盖区落在增量式轨道10和参考轨道12两者上。在所描述的实施例中，光源18在红外范围内发射EMR，然而，将理解，这不一定必须是这种情况并且可以在其他范围内发射EMR，例如，在红外线到紫外线中的任何地方。如将理解，对光源18的合适波长的选择可能取决于多个因素，包括在电磁辐射(EMR)波长处工作的合适光栅和检测器的可用性。还如所展示的，读头4还包括衍射光栅20(下文被称为“指示光栅”20)、增量式光电检测器22和参考光电检测器24。
如图2中所示，光源18在横向于读头的读取方向的方向上被定位在增量式光电检测器22与参考光电检测器24之间。这促进了均匀照亮增量式轨道10和参考标记轨道12两者。
来自光源18的光从读头4发射朝向标尺6，其中，光源18覆盖区的一部分与参考轨道12进行交互并且光源覆盖区的一部分与增量式轨道10进行交互。在当前所描述的实施例中，该参考位置由参考标记轨道12中的特征16来限定，该特征与其中包含参考标记的轨道的剩余部分相比修改了来自光源18的被反射回朝向参考光电检测器24的光量。例如，这可以通过在参考标记轨道12的剩余部分中的特征17吸收、透射和/或散射比参考标记16更多的光来实现。在图2所展示的位置中，读头4与参考位置对准，并且因此该光被示出为被反射回朝向参考光电检测器24。
相对于增量式轨道10，来自源18的光落在限定衍射光栅的周期性标尺标记14上。因此，该光衍射成多级，然后落到读头4中的指示光栅20上。在本实施例中，指示光栅20是相位光栅。然后，该光进一步由指示光栅20衍射成多级，该多级然后在增量式光电检测器22处进行干涉以形成合成场，在此示例中，该合成场是干涉条纹26。
参考图3和图4更详细地解释了干涉条纹的生成。如将理解，图3是在编码器装置中遇到的实际光学情况的非常简化的图示。具体地，在图3中仅展示了来自源的一条光线，而实际上增量式轨道10的区域由源来照亮。相应地，实际上，在图3中示出的光学情况在沿着标尺的长度上(例如，在由该源照亮的区域上)被重复多次，因此在检测器处产生了在图4中被示意性展示的较长干涉图案。同样，出于说明性目的，仅示出了+/-第1级(例如，如将理解，光将被衍射成多级，例如，+/-第3、+/-第5等衍射级)。光由在标尺6的增量式轨道10中的一系列周期性特征14来衍射，并且在该光在增量式检测器22处形成合成场26(在这种情况下为干涉条纹，但是可以例如是(多个)调制斑点)之前再次被衍射的情况下衍射级朝向指示光栅20传播。如图4中所示，合成场26是通过重新组合来自指示光栅20和标尺6的光的衍射级而产生的。
为了说明的简单起见，图3和图4中的光线图被示出为能透射的光线图(即，该光被示出为是透射穿过标尺和指示光栅中的每一者)，而实际上这些光线中的至少一个可以是反射的。例如，如以上结合图1和图2所描述的，光线可以由标尺6来反射。
增量式检测器22检测干涉条纹26以产生由读头4输出到外部设备(诸如，控制器8)的信号。具体地，读头4和标尺6的相对移动引起干涉条纹26相对于增量式检测器22的移动，该增量式检测器的输出可以被处理以提供能够对位移进行增量式测量的增量式递增/递减计数。如将理解，通常编码器被配置成提供正交(彼此为90度异相)的两个信号，并且通常被标记为SIN信号和COS信号(即使其可以实际上不是正弦信号或余弦信号)。正交信号可以被内插以提供将读头的位置准确测量到小于重复标尺图案的一个周期。由编码器装置提供这种正交信号是众所周知的，以便提供读头和标尺的方向以及相对移动的指示。
在所描述的实施例中，增量式检测器22采用电光栅的形式，换言之，该电光栅是包括两组或更多组叉指/交错/交织型光敏传感器元件(在本文中也被称为“光电检测器”或“指状物”)的光传感器阵列。每个组可以例如检测检测器22处的干涉条纹26的不同相位。在图5中展示了电光栅的示例，其中，示出了增量式检测器22的一部分，并且其中，四组光电二极管(A、B、C和D)中的指状物/光电二极管被叉指/交织以形成沿着传感器的长度“L”延伸的传感器元件阵列。多组光电二极管被安排成重复布置，具有周期“p”(并且因此频率“f”为1/“p”)。
如所示出的，在所描述的实施例中，独立指状物/光电二极管/传感器元件明显垂直于增量式检测器22的长度L而延伸。而且，独立指状物/光电二极管/传感器元件在形状上大体上为矩形。如将理解，本发明也适用于其他形状和布置的传感器元件。
来自一组中的每个指状物/光电二极管的输出被组合以提供单个输出，从而产生四个通道输出：A’、B’、C’和D’。这些输出然后用于获得正交信号SIN和COS。具体地，A’-C’用于提供第一信号(SIN)，并且B’-D’用于提供与该第一信号具有90度异相的第二信号(COS)。尽管在特定实施例中，该电光栅包括提供四条通道A’、B’、C’和D’的四组光电二极管，但是不一定必须是这种情况。例如，该电光栅可以包括仅提供两条通道A’和B’的两组光电二极管。另外，在这种实施例中，增量式检测器22是非混叠的。然而，如将理解，本发明同等地适用于混叠传感器(例如，每一组中的传感器元件之间的距离大于一个条纹周期的传感器)。
在图5中，干涉条纹26由线条来表示，该线条示意性展示了跨增量式检测器22的理想干涉条纹的变化强度。如所展示的，编码器装置被配置为使得在任何一个时刻任一组中的所有光电二极管都检测出干涉条纹的相同相位(如果条纹周期p’和传感器周期p是相同的)。
图5示出了干涉条纹具有纯粹正弦变化的强度并且条纹周期p’与电光栅周期“p”(例如，两个类似光电二极管的中心的周期，诸如两个“A”光电二极管)相匹配的理想场景，从而提供了每条通道的干涉条纹的周期性图案的整数次重复)。换言之，干涉条纹的空间频率(例如，1/p’)是多组光电二极管的重复的空间频率的整数倍(例如，1/p)(并且具体地，在这种情况下，干涉条纹的空间频率等于多组光电二极管的重复的空间频率)。
图6a示意性地展示了理想干涉条纹的强度分布，并且图6b示出了这种干涉条纹的傅里叶变换。如可以看到的，干涉条纹主要仅包括基本频率(有时被称为第一谐波)。通常，我们发明人已经在争取这种理想干涉条纹，以便从其编码器装置获得良好的性能，特别是避免可能由不纯粹干涉条纹引起的SDE。
然而，我们发明人已经发现将以其他方式由落在传感器上的干涉条纹的杂质引起的SDE可能大体上通过以下方式来减小：适当地配置编码器装置，以使得对来自光电二极管/指状物的输出进行加权从而使得来自光电二极管/指状物的输出对所确定位置的影响朝向传感器的端部逐渐减小。已经发现这是如此有效以使得其能够使用将导致干涉条纹的光学方案，该光学方案在不使用这种加权的情况下将提供不可接受的位置测量信号。
例如，我们发明人在过去已经使用了低相干光源(例如，发光二极管(LED))来优化干涉条纹的纯度，但是已经发现其他类型的光源(诸如，表面发射激光器(SEL)(例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL))可能由于提高的***效率而是有益的。然而，这些类型的光源比所使用的传统光源更相干，并且已经发现使用更相干光源可能对所生成的干涉条纹具有极其不利的影响。例如，图7a示意性地展示了落在本发明的读头的传感器上的干涉条纹的强度分布，该读头包括相干(具体为VCSEL)光源。图7b示出了这种干涉条纹的傅里叶变换，从该图中可以看出除了具有大量基本频率之外，该干涉条纹还由具有显著幅度的其他频率组成。具体地，该干涉条纹包含显著非谐波分量。例如，如图7b中所示，相对于基本频率，在基本的1.2倍处(以及在基本频率的其他非整数倍处)存在显著的幅度。如将理解，本发明还适用于其他类型的***，包括使用更传统低相干光源(诸如，LED)的这些***。这是因为本发明可以帮助减小由其他因素引起的不期望频率的不利影响，并且例如可以帮助改进编码器***的抗污染性能和/或运行高度容差。
图8示意性地展示了图7a的干涉条纹的基本频率分量26’以及1.2倍频率分量26”。如所展示的，为基本的1.2倍的分量26”不再具有与电光栅22的光电二极管(A、B、C、D)的重复组的空间频率(例如，1/“p”)匹配的空间频率，在这种具体示例中，该分量还导致跨电光栅范围的干涉条纹的这种分量频率的非整数个循环。
这种非谐波频率分量引起相当大的、不利地影响编码器装置的测量性能的SDE。当基本频率是重复组的叉指型光电二极管的频率的非整数倍时，也引起SDE。例如，即使条纹大体上是纯粹正弦的(并且因此明显不包括基本频率的任何非整数倍分量)也可以产生SDE，但是其中正弦信号的频率(其基本周期)是重复组的叉指型光电二极管的频率的非整数倍。在这种情况下，本发明的加权可以减小信号的基本周期与增量式检测器的多组叉指型光电二极管的重复之间的这种失配的不利影响。(这在下文结合图15更详细地进行解释)。相应地，当至少标尺信号的频率分量并且例如当标尺信号的基本频率是重复组的叉指型光电二极管的频率的非整数倍时，本发明具有益处。
我们发明人已经发现，对电光栅的光电二极管的输出进行加权可以明显减小由于标尺信号中的缺陷而引起的细分误差(例如，如以上所解释的，当至少标尺信号的分量空间频率并且例如当标尺信号的基本空间频率是重复组的叉指型光电二极管的空间频率“1/p”的非整数倍时，或者由于存在至少标尺信号的分量频率的在传感器的范围上的非整数个循环)。存在可以完成这一点的许多种方式。例如，不透明(例如，金属化)层23可以被施加在电光栅上，以便部分地阻挡光电二极管/指状物，其方式为阻挡程度朝向电光栅的端部而增大(从而使得传感器的有效宽度“W”主要朝向增量式检测器22的端部减小)。例如，这种层可以例如吸收、散射和/或反射光以便防止其到达传感器元件。图9展示了一种这样的配置，并且图10与图9中所示的配置相关。具体地，图10的顶部简图(A)展示了从电光栅的中间开始每条通道的光电二极管的有效感测区域如何朝向电光栅的端部逐渐减小。如所示出的，增量式检测器22的有效感测区域处于朝向电光栅中间的峰值处并且朝向电光栅的端部逐渐减小。换言之，传感器的有效宽度“W”朝向增量式检测器22的端部减小。具体地，如此如果传感器理论上被划分成三等分，不透明层23被配置为使得增量式检测器22的中间三分之一被覆盖的明显小于该传感器的外三分之一。相应地，增量式检测器22的中间三分之一与增量式检测器22的外三分之一相比将对所确定的相对位置具有明显更大的影响。
在这种具体配置中，加权在形状上大体上是三角形。这种不透明层23有效地使增量式检测器22以及具体地光电二极管朝向光电二极管阵列的端部逐渐更小，从而使得电光栅的光电二极管对用于确定标尺与读头的相对位置的信号具有逐渐减小的贡献和影响。具体地，作为掩蔽的结果，来自这种指状物/光电二极管的信号朝向阵列端部的幅度将比来自这种指状物/光电二极管的信号朝向阵列中间的幅度更小。相应地，来自这种指状物/光电二极管的朝向阵列端部的输出对所产生的正交信号SIN和COS具有更小的影响。图10的底部简图(B)展示了这种电光栅22的A-C通道(其与B-D通道是相同的)的调制传递函数(MTF)。如所示出的，电光栅对基本频率是高度且最敏感的，但是如可以看到的(特别是，当与定期、矩形、非加权电光栅的MTF进行比较时；参见图11)，电光栅已经明显减小了对非谐波频率分量的敏感度。相应地，由于这种加权，该电光栅与诸如由图11所展示的标准电光栅相比，对落在电光栅上的干涉条纹中存在的这种非谐波频率分量显著较不敏感。图10和图11的底部简图上的***(C)示出了在基本频率周围的电光栅MTF的放大视图；如可以看出，基本频率周围的旁瓣大体上通过对电光栅的光电二极管输出进行加权来减小。
通过减小电光栅对这种非谐波频率的敏感度，电光栅22穿过更纯的信号到达随后的位置确定电子器件，从而使得编码器装置的SDE明显被减小。具体地，这种加权可以提高由编码器装置提供的正交信号的纯度，例如，使得该正交信号包括更纯的正弦信号和余弦信号。
图12和图13展示了另一种配置，其中，电光栅22再次被掩蔽，以便朝向电光栅22的端部逐渐阻挡光电二极管，从而使得传感器的有效宽度“W”朝向增量式检测器22的端部减小。与图9和图10的实施例相比，此时阻挡范围的增大是非线性的。如在图12和13中所示出的，以光电二极管被阻挡的速率变化。具体地，窗/加权的梯度(在这种情况下为光电二极管逐渐被阻挡的速率)在电光栅的中间处和附近是相对较浅的(实际上，在中间处/附近的一个点处可能是零梯度)，然后在再次在电光栅端部附近变浅之前随着与远离电光栅中间的距离而增大。这种形状可能被描述为是钟形。在这种具体示例中，如在图12和图13中所示出的光电二极管的掩蔽被配置为使得电光栅的光电二极管的输出根据凯泽窗函数而被加权，如所示出的，该凯泽窗函数对减小电光栅对非谐波频率分量的敏感度具有甚至更大的影响(例如，与图9和图10的线性/三角形加权相比)，并且因此明显消除了编码器的SDE，该编码器SDE将以其他方式由至少落在传感器上的干涉条纹的分量频率在传感器的范围上的非整数个循环引起。在图12中，电光栅的不同通道由不同的阴影而不是通过标签A、B、C、D来表示。如将理解，可以使用许多已知窗函数，包括例如汉宁(Hann)、海明(Hamming)、韦尔奇(Welch)、切比雪夫(Chebyshev)、余弦(Cosine)、斯列宾(Slepian)、高斯(Gaussian)、兰索斯(Lanczos)、帕尔森(Parzen)、布莱克曼(Blackman)、纳托尔(Nuttall)、塔基(Tukey)、凯泽(Kaiser)以及这些中的任何混合。
以上描述了根据本发明的配置如何可以帮助明显减小由非谐波频率分量在干涉条纹中的存在而引起(例如，通过使用相干/单色光源引起)的编码器装置的SDE。然而，我们发明人已经发现本发明的配置还可以有利地减小由其他因素引起的SDE。例如，甚至当使用不相干光源并且具有纯粹正弦变化强度的干涉条纹落在传感器上时，该干涉条纹可能经受条纹与传感器/周期失配(例如，由于运行高度的变化而引起的条纹周期的拉伸/收缩)。例如，如在图15中所展示的，由于条纹与传感器周期的失配，所以落在电光栅上的干涉条纹已经变得被拉伸(与图5中所展示的干涉条纹相比)，从而使得现在不再存在正弦变化强度的整数次重复次数。具体地，如由图15所展示的，干涉条纹的这种拉伸导致干涉条纹相对于电光栅通道逐渐地异相。具体地，正弦信号的空间频率(1/p’)现在是重复组的叉指型光电二极管的空间频率的非整数倍(1/p)。这破坏了由读头生成的正交信号的纯度，因此导致了显著的SDE。然而，对编码器装置进行配置以使得对用于确定标尺与读头的位置的传感器元件的输出进行加权，从而使得来自传感器元件的输出对所确定位置的影响朝向传感器22的端部逐渐减小，使电光栅对相对于电光栅朝向电光栅端部而变得逐步异相的条纹较不敏感，并且因此明显改进了正交SIN和COS信号的相位关系，这进而明显减小了编码器装置的SDE。
此外，已经发现本发明的配置在其他类型的位置测量编码器中是有益的。例如，已经发现本发明的配置对绝对式编码器装置是有益的。例如，WO2010/139964描述了可以如何根据包括限定一系列唯一绝对位置的特征的标尺图像来确定精细位置(例如，与比标尺特征的周期更精确的分辨率的位置)。总之，这涉及通过使用参考SINE和COSINE波来找到由读头传感器输出的信号的点积来找到所成像的标尺标记的相位偏移。WO2010/139964的过程被用在雷尼绍(Renishaw)公司品牌为RESOLUTETM的绝对式编码器中。在此产品中，参考SINE和COSINE波的根据汉宁窗函数被加权的系数被预先存储在查找表中。对传感器元件和该参考SINE和COSINE波的未加权输出的点积进行计算以便确定相位偏移。相反，我们的发明涉及对用于点积计算中的传感器元件的输出进行加权。相应地，与以上所描述的实施例一样，本发明可以通过逐渐限制传感器朝向传感器端部可检测的信号的强度/幅度/功率来并入到绝对式编码器中(例如，通过对传感器元件进行成形/尺寸设定或者通过掩蔽图像传感器的区域，以使得其有效感测宽度朝向图像传感器的端部而减小)，从而使得根据本发明对来自像素的输出进行加权。如在WO2010/139964中所描述的，从标尺获得的图像可以在两个阶段中/使用两种技术来处理以便确定粗略绝对位置和精细位置两者。对传感器朝向传感器端部可检测的信号的强度/幅度/功率(例如，通过对传感器元件进行成形/尺寸设定或者通过掩蔽图像传感器的区域)进行逐渐限制可能对于粗略和/或精细位置确定是有益的。
例如，参考图20a，示意性地示出了绝对式编码器的未掩蔽传感器122，该绝对式编码器包括相同形状和尺寸的传感器元件124的阵列、以及包括一系列标尺特征114的圆盘标尺106，该一系列标尺特征被布置在图案中，以便限定使得能够确定唯一位置的绝对代码字。如所示出的，因为标尺特征114被布置在圆盘106的表面上，所以其呈扇形。这意味着朝向传感器122的端部，特征114跨越多个传感器元件124。相对于粗略位置确定，这可能使得难以解码由特征114限定的代码字。相对于精细位置确定，影响所确定精细位置的准确性的不期望频率可以通过这种扇形(并且还由于诸如放大误差等的其他因素)来引入。图20b示出了同样的布置，但是被配置为使得传感器朝向传感器端部可检测的信号的强度/幅度/功率逐渐得到限制(在这种情况下通过制造层123)。如可以看出，这种安排减小了对粗略位置确定的不利扇形影响，因为朝向传感器端部(在扇形最差的情况下)，传感器元件的范围/有效长度被限制为使得其仅看到标尺特征114的一小部分并且因此跨越更少的传感器元件。如将理解，这种扇形还可能是增量式***的问题。根据本发明的加权还可以帮助抑制这种扇形的不利影响。还将理解，如果编码器***(绝对式或增量式)不涉及内插(并且因此SDE不是问题)，则如将理解，不需要配置加权以便使传感器对导致SDE的不期望频率较不敏感。相应地，例如，加权不一定必须抑制传感器的空间频率响应的旁瓣。相应地，可以使用更多样的窗形状，包括那些包括尖锐边缘的窗形状。
相对于图20(b)，这种加权还减小了信号中影响所确定精细位置的准确性的不期望频率的不利影响。这种加权可以以其他方式实现，诸如减小传感器元件124朝向传感器端部的尺寸，使得传感器122的有效宽度“W”主要朝向其端部减小。
可替代地，可能期望在一些编码器中不对传感器朝向传感器端部可检测的信号的强度进行逐步限制(例如，不对传感器元件进行成形/尺寸设定或者掩蔽传感器)。在一些情况下，总而言之，可能认为：针对粗略位置确定来对信号进行加权是不期望的，但针对精细位置确定来对信号进行加权仍是期望的(因为其可以帮助减小影响所确定精细位置的准确性的这些不期望频率的不利影响)。相应地，可能优选的是将传感器元件的输出分割成第一输出和第二输出，该第一输出被用于原始状态以确定粗略位置，并且该第二输出在被用于确定精细位置之前被加权。还可能期望在增量式类型编码器中不对传感器朝向传感器端部可检测的信号的强度进行逐步限制，并且如此，相反可能期望通过操控传感器元件的输出对信号进行加权来代替(例如，通过一个或多个衰减器和/或放大器)。
图16(a)展示了已知读头中通常采用的标准矩形窗形状(如将理解，现有编码器中发生某种自然渐晕(例如，由于光源)，但是对减小不期望频率的不利影响大体上没有影响，例如，由于渐晕的范围和形状)。如所示出的，在图16(b)中，这种传感器的频率响应(通过这种传感器的响应性的空间傅里叶变换而获得)包括主瓣和多个旁瓣。图17(a)和(b)类似地展示了可从雷尼绍公司购买的被称为TONiCTM的另一已知编码器的传感器窗形状和频率响应。由于单独参考标记传感器被定位在增量式检测器的传感器元件阵列内，所以窗形状中间的下沉是由于省略了阵列中的多个传感器元件而引起的。如在此设计中示出的，该旁瓣甚至比标准矩形窗形状的旁瓣更大。
相反，图18(a)和(b)以及图19(a)和(b)展示了新型编码器传感器窗形状(分别是菱形窗和凯泽窗)，其频率响应已经明显抑制了旁瓣。这种形状确保了传感器对导致SDE的这些不期望频率大体上较不敏感。
图21展示了示例性布置，借助于该布置，用于检测参考标记16的单独参考标记检测器25(在这种情况下，分割检测器包括至少两个，并且例如四个光电二极管中的三个)被设置在增量式检测器22附近，从而使得其未被定位在增量式检测器内。相应地，参考标记检测器未被定位在增量式检测器的传感器元件阵列内，而是定位到增量式检测器的侧面。如将理解，其他布置是可能的，例如，参考标记检测器被单独设置在增量式检测器的端部。
如以上所描述和示出的，在图9和图12中，电光栅的较大区域被单个连续掩模覆盖。然而，不一定必须是这种情况，并且由包括多个独立掩蔽特征的每个光电二极管可以实现相同的效果。图14中示意性地展示了这种实施例，其中，掩蔽的水平朝向阵列的端部增大，从而使得根据凯泽窗函数对输出进行加权。相应地，图14的电光栅结构的简图将与图13(a)中所示出的简图相同。
如将理解，不是直接在传感器上施加掩模，而是可以提供与传感器相距一定距离的适当形状/配置的掩模，以使得该掩模将阴影投射到传感器上，从而使得光电二极管逐渐处于朝向阵列端部的更大比例的阴影下。例如，在所描述的实施例中，这种掩模可以被施加到指示光栅20。
实现这种加权的另一种替代方式包括：使用照亮***/布置，其被配置为使得以限制到达光电二极管的光的方式对落在传感器上的光的覆盖区进行成形和尺寸设定，以便根据本发明对输出进行加权(例如，使得光电二极管通常朝向传感器的端部逐渐接收更少的光)。
实现本发明的另一种替代方式可以包括一个或多个信号操控器，该一个或多个信号操控器被配置成操控光电二极管的输出以便根据本发明对输出进行加权。例如，一个或多个衰减器和/或一个或多个放大器可以用于抑制和/或放大光电二极管的输出。如果必要，则一个或多个衰减器和/或一个或多个放大器可以被提供用于独立光电二极管。这种信号操控器可以被放置在被配置成处理和/或组合输出的后续电子器件之前。例如，在包括电光栅的编码器装置中，这种信号操控器可以被配置成在输出被组合以形成通道信号(例如，A’、B’、C’或D’)之前进行动作。
以上实施例描述了包括一维传感器元件阵列的传感器22、122。如将理解，传感器22、122可以包括二维感测元件阵列。如果是，则该加权可以通过使用朝向传感器端部的更少像素来实现。

Claims (26)

1.一种编码器装置，包括增量式标尺和读头，所述增量式标尺包括至少一个轨道，所述轨道包括一系列一般周期性布置的、被配置成对光进行衍射的特征，所述读头包括传感器，所述传感器包括用于检测落在所述传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，其用于确定所述标尺与所述读头的相对位置，其中，所述标尺信号包括干涉条纹，其中，所述装置被配置为使得根据窗函数对所述传感器沿着其长度的输出进行加权，所述窗函数被配置成减小所述标尺信号中不期望频率的不利影响，以便由此减小所述编码器装置的细分误差，其中，所述加权被配置为使得所述传感器输出对所确定相对位置的影响主要朝向所述传感器的端部减小。
2.如权利要求1所述的编码器装置，其中，根据所述窗函数进行所述加权被配置成抑制所述传感器的空间频率响应的旁瓣。
3.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述传感器的空间频率响应的主旁瓣的幅度不超过所述传感器的空间频率响应的主瓣幅度的10％。
4.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述加权被配置为使得来自所述传感器的所述输出对所述所确定相对位置的影响通常朝向所述传感器的端部逐渐减小。
5.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述传感器输出对所述所确定相对位置的影响在所述传感器的中间三分之一处明显比在所述传感器的外三分之一处大。
6.如权利要求1所述的编码器装置，其被配置为使得所述传感器朝向所述传感器的端部的影响至多为所述传感器朝向所述传感器的中间的影响的25％。
7.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述加权是通过限制到达所述传感器的所述信号来实现的。
8.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述传感器的宽度主要朝向所述传感器的端部减小。
9.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述加权是由至少一个信号限制构件来实现的，所述至少一个信号限制构件被配置成限制到达所述传感器元件的所述标尺信号，从而使得可由所述传感器检测的所述标尺信号朝向所述传感器的端部减小。
10.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述加权是通过部分地阻挡到达所述传感器的所述标尺信号来实现的。
11.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述加权是由具有非矩形形状的掩模来实现的。
12.如权利要求11所述的编码器装置，其包括与所述掩模间隔开的光源，并且其中，接近和/或离开所述标尺的光被配置为穿过所述掩模，以便对可由所述传感器检测的所述信号的覆盖区进行成形。
13.如权利要求11或12所述的编码器装置，其中，所述掩模被直接形成在所述传感器上。
14.如权利要求1所述的编码器装置，其被配置为使得根据钟形窗函数来对所述输出进行加权，所述钟形窗函数根据以下各项中的一项：凯泽函数；以及汉明函数。
15.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述读头包括光源，所述光源被配置成照亮所述标尺，并且可选地被配置成利用非准直光来照亮所述标尺。
16.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述读头包括用于照亮所述标尺的相干光源。
17.如权利要求16所述的编码器装置，其中，所述光源的光谱带宽不超过1nm。
18.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述读头包括用于产生所述干涉条纹的一个和多个衍射光栅。
19.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述传感器包括电光栅，所述电光栅包括两组或更多组叉指型传感器元件，每组被配置成检测所述干涉条纹的不同相位。
20.如权利要求19所述的编码器装置，其中，所述电光栅包括对所述两组或更多组叉指型传感器元件的重复布置，并且其中，所述不期望频率是所述重复的频率的非整数倍。
21.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述读头进一步包括用于检测所述标尺上的至少一个参考标记的至少一个单独参考标记传感器，其中，所述至少一个参考标记传感器未被定位在所述传感器元件阵列内。
22.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述传感器元件阵列是连续的传感器元件阵列。
23.如权利要求1所述的编码器装置，其中，所述窗函数的形状大体上为三角形或钟形。
24.一种编码器装置，包括增量式标尺和读头，所述增量式标尺包括至少一个轨道，所述轨道包括一系列一般周期性布置的、被配置成对光进行衍射的特征，所述读头包括传感器，所述传感器包括用于检测落在所述传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，其中所述标尺信号包括干涉条纹；以及至少一个单独参考标记传感器，用于检测所述标尺上的至少一个参考标记，其中，所述至少一个参考标记传感器未被定位在所述传感器元件阵列内，并且其中，所述传感器的宽度朝向所述传感器的端部减小，和/或其包括至少一个信号限制构件，所述至少一个信号限制构件被配置成朝向所述传感器的端部逐渐限制到达所述传感器元件的所述标尺信号。
25.一种编码器装置，包括增量式标尺和读头，所述增量式标尺包括至少一个轨道，所述轨道包括一系列一般周期性布置的、被配置成对光进行衍射的特征，所述读头包括传感器，所述传感器包括用于检测落在所述传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，其中所述标尺信号包括干涉条纹，并且其中，所述读头被配置为使得所述传感器沿着其长度的用于确定所述标尺与所述读头的相对位置的输出被加权，从而使得所述传感器的频率响应的主旁瓣的幅度不超过主瓣幅度的10％。
26.一种编码器装置，包括增量式标尺和读头，所述增量式标尺包括至少一个轨道，所述轨道包括一系列一般周期性布置的、被配置成对光进行衍射的特征，所述读头包括传感器，所述传感器包括用于检测落在所述传感器上的标尺信号的传感器元件阵列，其用于确定所述标尺与所述读头的相对位置，其中所述标尺信号包括干涉条纹，并且其中，所述读头被配置为使得所述传感器沿着其长度的输出被加权，从而使得所述传感器输出对所确定相对位置的影响在所述传感器的中间三分之一处明显比在所述传感器的外三分之一处大。
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