CN111795713A - 光编码器 - Google Patents

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Abstract

光编码器的标尺中的标尺图案包括第一标尺标记和第二标尺标记，第一标尺标记阻挡第一光被引导到图像捕获器并且将第二光引导到图像捕获器，第二标尺标记将第一光和第二光引导到图像捕获器。第二标尺标记被布置成ABS图案，并且第一标尺标记通过结合第二标尺标记被布置成INC图案。图像捕获器包括：从经由第二标尺标记到达的第一光捕获ABS图案的图像的第一图像捕获部；以及从经由第一标尺标记和第二标尺标记到达的第二光捕获INC图案的图像的第二图像捕获部。计算器计算头部相对于标尺的位置。

Description

光编码器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月3日提交的日本申请第2019-071201号的优先权，该申请的公开内容通过整体引用明确地结合于此。
技术领域
本发明涉及一种光编码器。
背景技术
传统上，已知一种光编码器，其包括标尺、头部和计算器，标尺具有沿着测量方向设置的标尺图案，头部面向标尺并沿着测量方向相对于标尺位移，并且计算器计算基于标尺和头部之间的相对位移的信号。头部包括光源和图像捕获器，光源将光发射到标尺处，图像捕获器捕获从光源经由标尺图案到达的光的图像。
在这个示例中，作为检测标尺和头部之间的相对位移量的方法，对于光编码器，已知有增量法(下文称为INC(incremental method,incremental)法)和绝对法(下文称为ABS法)。INC法是通过连续检测增量图案，并且对检测到的INC图案的标尺标记的数量进行递减计数或递增计数来检测相对位置的方法，其中增量图案是具有以恒定间距布置在标尺上的标尺标记的标尺图案(下文称为INC图案)。ABS法是在适当的定时检测绝对图案，并且分析该绝对图案以检测绝对位置的方法，其中该绝对图案是具有随机布置在标尺上的标尺标记的标尺图案(下文称为ABS图案)。
在ABS法中，有一种根据由图像捕获器捕获的ABS图案来检测绝对位置的方法，例如，通过基于最大长度序列码(二级伪随机码)在光编码器的标尺的整个长度上布置ABS图案的标尺标记。用上面提到的方法，可以设计长的ABS图案。然而，因为配置标尺图案的标尺标记比在INC图案中更少，所以检测精度可能不如在INC法中好。
相比之下，日本专利公开特许公报第2013-79915号中描述的编码器使用INC和ABS检测方法两者来提高检测精度。该编码器包括双轨道类型的标尺，该标尺设置有具有INC图案的增量轨道(下文称为INC轨道)和具有ABS图案的绝对轨道(下文称为ABS轨道)。光从检测头部(头部)的光源朝向INC轨道和ABS轨道发射，经由每个轨道到达的光分别被光接收器元件(图像捕获器)接收以检测INC图案和ABS图案，并且编码器基于图案中的每一个计算位置信息。然而，当使用双轨道类型时，由于头部姿态和标尺中的波动(undulation)，可能会在INC轨道和ABS轨道的位置信息中产生误差，并可能影响检测结果。另外，为了抑制这种问题，需要校正INC轨道和ABS轨道的位置信息中的误差。
为了解决上述问题，在日本专利公开特许公报第H5-71984号中描述的绝对位置测量装置(光编码器)使用由增量轨道(INC轨道)和绝对轨道(ABS轨道)组成的单一复合轨道来检测位置信息。因此，绝对位置测量装置抑制了由于头部姿态和标尺中的波动而引起的在INC轨道和ABS轨道的位置信息中的误差。此外，绝对位置测量装置将INC轨道和ABS轨道视为单一轨道，因此可以减少轨道的数量，并且可以使设备做得更小。
然而，当使用由INC轨道和ABS轨道组成的单一复合轨道时(诸如在日本专利公开特许公报第H5-71984号中描述的绝对位置测量装置中)，INC图案可能是带有省略的标尺标记的不完整的INC图案。因此，与使用传统的INC图案的情况相比，可能会有损精确的检测。
发明内容
本发明提供了一种光编码器，其配置绝对图案和带有不省略标尺标记的增量图案的单一复合轨道标尺标记，并且能够提高位置信息的检测精度。
根据本发明的光编码器是一种包括标尺、头部和计算器的光编码器，标尺具有沿着测量方向设置的标尺图案、头部面向标尺并沿着测量方向相对于标尺位移、计算器计算基于标尺和头部之间的相对位移的信号，并且头部包括光源和图像捕获器，光源将光发射到标尺处，图像捕获器捕获经由标尺图案到达的、来自光源的光的图像。从光源发射的光包括作为预定波长的光的第一光和作为除第一光的波长之外的波长的光的第二光。标尺图案包括阻挡第一光被引导到图像捕获器并将第二光引导到图像捕获器的第一标尺标记，以及不同于第一标尺标记并将第一光和第二光引导到图像捕获器的第二标尺标记。第二标尺标记沿着测量方向布置，以便形成表示绝对位置的绝对图案，第一标尺标记沿着测量方向布置，以便通过结合由第二标尺标记创建的绝对图案以组合第一标尺标记和第二标尺标记来形成表示相对位置的增量图案。图像捕获器包括捕获由经由第二标尺标记到达的第一光配置的绝对图案的图像的第一图像捕获部分，以及捕获由经由第一标尺标记和第二标尺标记到达的第二光配置的增量图案的图像的第二图像捕获部分。计算器包括从由第一图像捕获部分捕获的绝对图案生成绝对信号的绝对信号生成器，从由第二图像捕获部分捕获的增量图案生成增量信号的增量信号生成器，以及从绝对信号和增量信号计算头部相对于标尺的位置的位置计算器。
根据本发明，第一标尺标记将第二光引导到图像捕获器，并且第二标尺标记将第一光和第二光引导到图像捕获器。第二标尺标记沿着测量方向布置，以便形成表示绝对位置的绝对图案，并且第一标尺标记沿着测量方向布置，以便通过结合由第二标尺标记创建的绝对图案以组合第一标尺标记和第二标尺标记来形成表示相对位置的增量图案，因此，绝对图案由第一光表示，并且增量图案由第二光表示。第一图像捕获部分捕获由经由第二标尺标记到达的第一光配置的绝对图案的图像，并且第二图像捕获部分捕获由经由第一标尺标记和第二标尺标记到达的第二光配置的增量图案的图像。另外，计算器包括从由第一图像捕获部分捕获的绝对图案生成绝对信号的绝对信号生成器，以及从由第二图像捕获部分捕获的增量图案生成增量信号的增量信号生成器，并且计算器使用位置计算器从绝对信号和增量信号计算头部相对于标尺的位置。
在这个示例中，使用了通过分析伪随机码来计算绝对位置的ABS法，伪随机码是例如由多个“1”和“0”构成的信号中的“1”和“0”的组合。根据分析方法和码类型，伪随机码的示例包括最大长度序列码、Gold序列码和Barker序列码。在ABS法中，在单一轨道的整个长度上布置标尺图案，以便根据伪随机码表示绝对位置。由多个“1”和“0”构成的信号是从由图像捕获器一次从标尺图案捕获的图像中获得的，并且信号中“1”和“0”的组合在单一轨道上的每个位置处彼此不同。因此，光编码器可以通过分析由多个“1”和“0”构成的信号中“1”和“0”的组合来计算头部相对于标尺的绝对位置。绝对信号生成器通过分析由多个“1”和“0”构成的信号中“1”和“0”的组合来生成绝对信号(例如，第一光被定义为“1”，第二光被定义为“0”)。
因此，光编码器包括阻挡第一光被引导到图像捕获器并将第二光引导到图像捕获器的第一标尺标记，以及将第一光和第二光引导到图像捕获器的第二标尺标记；并且还包括捕获由第一光配置的绝对图案的图像的第一图像捕获部分和捕获由第二光配置的增量图案的图像的第二图像捕获部分，从而使得可以获得绝对信号和增量信号两者，并且计算头部相对于具有单一轨道的标尺的位置。因此，光编码器可以在配置绝对图案和带有不省略标尺标记的增量图案的单一复合轨道标尺标记的同时提高位置信息的检测精度。此外，可以使光编码器做得更小并降低成本，因为对于绝对图案和增量图案中的每一个都不需要单独的轨道。
此时，优选的是，第一标尺标记通过吸收第一光来阻挡第一光被引导到图像捕获器，并且将第二光引导到图像捕获器。
利用这种配置，例如，第一标尺标记吸收第一光而不引起反射或折射，因此可以可靠地阻挡第一光被引导到图像捕获器。因此，光编码器可以提高检测精度。
此时，第一标尺标记优选地具有通过纳米压印(nanoimprint)形成的结构，其中该结构阻挡第一光被引导到图像捕获器，并且将第二光引导到图像捕获器。
在这个示例中，存在具有如下特性的波长的光：当***预定的纳米图案时，光被纳米图案吸收。另外，纳米压印是半导体领域中的一种技术，用于通过将刻有纳米图案的原始板按压到衬底上来转移纳米图案。根据本发明的配置，通过纳米压印在第一标尺标记中形成纳米图案，该纳米图案具有阻挡第一光被引导到图像捕获器并将第二光引导到图像捕获器的结构，并且第一光是具有如下特性的波长的光：当***预定的纳米图案时，光被纳米图案吸收。因此，可以容易地形成能够阻挡第一光被引导到图像捕获器的第一标尺标记。另外，因为使用纳米压印在第一标尺标记中形成纳米图案，所以可以通过转移而不使用曝光装置来形成纳米图案。因此，本发明可以降低成本。
此时，第二图像捕获部分优选地通过从第一图像捕获部分捕获图像时起偏移图像捕获定时来捕获图像。
利用这种配置，第二图像捕获部分例如可以使用单一图像捕获器捕获绝对图案和增量图案的图像，例如通过第一图像捕获部分捕获图像时起偏移图像捕获定时。因此，光编码器可以降低成本。
此时，光源优选地包括将预定波长的光发射到标尺处的第一光源和将除预定波长之外的波长的光发射到标尺处的第二光源。
利用这种配置，光源包括将预定波长的光发射到标尺处的第一光源和将除预定波长之外的波长的光发射到标尺处的第二光源，从而图像捕获器可以例如分别捕获增量图案和绝对图案的图像。此外，第一图像捕获部分可以捕获绝对图案的图像，并且第二图像捕获部分可以在相应的预定定时可靠地捕获增量图案的图像。
附图说明
在下面的详细描述中，通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，参照所提到的多个附图，进一步描述了本发明，贯穿附图的几个视图中，相同的附图标记表示相似的部分，其中：
图1是根据本发明第一实施例的光编码器的透视图；
图2A和图2B是示出光编码器的第一标尺标记和第二标尺标记的透视图；
图3是示出光编码器的标尺图案的透视图；
图4是示出光编码器的框图；
图5是用于计算光编码器位置的方法的流程图；
图6是根据本发明第二实施例的光编码器的透视图；
图7是根据本发明第三实施例的光编码器的透视图；以及
图8A和图8B是根据修改的光编码器的透视图。
具体实施方式
本文所示的细节仅是作为示例，并且仅出于说明性讨论本发明的实施例的目的，并且以提供被认为是对本发明的原理和构思的各方面的最有用且容易理解的描述的原因来呈现。在这点上，除了对本发明的基本理解所必需的之外，没有尝试更详细地示出本发明的结构细节，结合附图的描述使得本领域技术人员清楚本发明的形式如何在实践中体现。
第一实施例
下文参照图1至图5描述本发明的第一实施例。
在每个附图中，光编码器1的标尺2的长方向被示为X方向，短方向被示为Y方向，并且高度方向被示为Z方向。下文可以简单地使用术语X方向、Y方向和Z方向来提供描述。图1是根据本发明第一实施例的光编码器1的透视图。
如图1所示，光编码器1包括长标尺2和头部3，头部3面向标尺2并且沿着X方向(测量方向)相对于标尺2位移。光编码器1是线性标尺中使用的线性编码器，线性标尺是图中未示出的测量设备。光编码器1设置在线性标尺内部。线性标尺通过沿着X方向(测量方向)相对于标尺2位移头部3来检测头部3相对于标尺2的位置，并且将检测结果输出到显示组件，诸如液晶显示器，其在图中未示出。头部3包括朝向标尺2发射光的光源4，以及捕获经由标尺2到达的、来自光源4的光的图像的图像捕获器5。头部3被设置为能够相对于标尺2在X方向上前进和后退。光源4和图像捕获器5被配置为相对于标尺2整***移。
标尺2由例如玻璃形成，并且在一个表面上设置有沿着X方向(测量方向)设置的周期性标尺图案20。标尺图案20是反射类型的。标尺图案20是反射来自光源4的光的反射部分。标尺2的基部200是没有设置标尺图案20的部分，是不反射光的非反射部分。标尺图案20包括第一标尺标记21和第二标尺标记22，并且第一标尺标记21和第二标尺标记22以预定间距p沿着X方向平行布置。
光源4将光发射到标尺2处，该光具有作为预定波长的光的第一光和作为除第一光的波长之外的波长的光的第二光。光源4包括将第一光发射到标尺2处的第一光源41和将第二光发射到标尺2处的第二光源42。例如，第一光是作为特定波长λ的光的红外光，并且第一光源41是发射特定波长λ的光的红外光源。例如，第二光是特定波长λ之外的波长的光，并且第二光源42是发光二极管(light emitting diode，LED)。第一光源41和第二光源42以适当的角度安装，以用于将光发射到标尺2处。第一光源41可以是能够发射预定波长的光的任何光源。第二光源42不限于LED，而是可以采用能够发射不同于第一光源41的波长的光的任意光源。
光电二极管阵列(photo diode array，PDA)被用作图像捕获器5(也称为照相机、成像器、图像检测器、检测器和/或成像设备)。图像捕获器5不限于PDA，并且可以使用任何合适的检测设备，诸如位置敏感检测器(position sensitive detector，PSD)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)传感器、电荷耦合设备(charge-coupled device，CCD)等。图像捕获器5包括捕获由经由第二标尺标记22到达的第一光配置的绝对图案(标尺图案20)的图像的第一图像捕获部分51(也称为第一图像捕获区、区域、元件和/或部)，以及捕获由经由第一标尺标记21和第二标尺标记22到达的第二光配置的增量图案(标尺图案20)的图像的第二图像捕获部分52(也称为第二图像捕获区、区域、元件和/或部)。稍后描述第一标尺标记21和第二标尺标记22之间的关系，以及绝对图案和增量图案之间的关系。
图像捕获器5面向标尺2的+Z方向(附图图纸的平面上的上侧)安装，以便与标尺2重叠。第一图像捕获部分51和第二图像捕获部分52在X方向(测量方向)上平行排列。换句话说，第一图像捕获部分51被布置在能够捕获经由标尺2到达的、来自第一光源41的光的图像的位置，并且第二图像捕获部分52被布置在能够捕获经由标尺2到达的、来自第二光源42的光的图像的位置。第一图像捕获部分51和第二图像捕获部分52也可以在Y方向上平行排列或者在Z方向上彼此偏移布置，只要第一图像捕获部分51能够捕获来自第一光源41的光的图像，并且第二图像捕获部分52能够捕获来自第二光源42的光的图像。第一图像捕获部分51和第二图像捕获部分52如何布置在头部3中是设计问题。
图2A和图2B是示出光编码器1的第一标尺标记21和第二标尺标记22的透视图。具体地，图2A是第一标尺标记21的透视图，图2B是第二标尺标记22的透视图。第一标尺标记21阻挡第一光被引导到图像捕获器5，并且将第二光引导到图像捕获器5。如图2A所示，第一标尺标记21由具有微小不均匀结构的纳米图案N形成。纳米图案N通过纳米压印形成。纳米图案N具有吸收在光源4发射的光中包含的特定波长λ的光的特性。具体地，通过基于电磁光学的计算，纳米图案N具有通过米氏共振(Mie resonance)吸收特定波长λ的光的特性的配置。
因此，在本实施例中，给出了其中被纳米图案N吸收的特定波长λ的光被定义为第一光并且除特定波长λ之外的波长的光被定义为第二光的描述。第一标尺标记21例如是反射光的金属膜。第一标尺标记21使用纳米图案N吸收第一光，同时反射第二光并将第二光引导到图像捕获器5。第二标尺标记22例如是反射光的金属膜，并且不具有如图2B所示的设置在第一标尺标记21上的纳米图案N。由于第二标尺标记22没有纳米图案N，所以第二标尺标记22通过反射第一光和第二光而不吸收第一光来将光引导到图像捕获器5。第一标尺标记21和第二标尺标记22不需要是金属膜，并且可以是能够反射光的任何组件。
图3是示出光编码器1的标尺图案20的透视图。具体地，图3中的(A)示出了第一标尺标记21和第二标尺标记22的外观，图3中的(B)示出了由第一图像捕获部分51捕获的标尺图案20，并且图3中的(C)示出了由第二图像捕获部分52捕获的标尺图案20。如图3的(A)所示，第二标尺标记22沿着X方向(测量方向)布置，以形成表示标尺图案20中的绝对位置的绝对图案(ABS图案)。第一标尺标记21沿着X方向(测量方向)布置，以便通过结合由第二标尺标记22创建的绝对图案以组合第一标尺标记21和第二标尺标记22来形成表示标尺图案20中的相对位置的增量图案(INC图案)。
具体地，如图3的(B)所示，对于以预定间距p布置的第一标尺标记21和第二标尺标记22，ABS图案将第一标尺标记21定义为吸收第一光(特定波长λ的光)的非反射部分，将第二标尺标记22定义为反射第一光的反射部分。因此，当发射特定波长λ的第一光时，第一光仅被第二标尺标记22反射。例如，当第一标尺标记21被定义为“0”并且第二标尺标记22被定义为“1”时，第一标尺标记21和第二标尺标记22沿着X方向布置在标尺2的整个长度上，以便形成根据最大长度序列码(伪随机码)表示绝对位置的ABS图案。
第一图像捕获部分51从第一光中捕获最大长度序列码(伪随机码)的图像作为ABS图案。最大长度序列码是与从由第一图像捕获部分51(图像捕获器5)捕获的信号“0”和“1”生成的序列中的其他码相比具有最长周期的码。因此，被布置成根据最大长度序列码来表示绝对位置的第一标尺标记21和第二标尺标记22可以形成比采用另一伪随机码的标尺图案更长的标尺图案20。
如图3的(C)所示，INC图案将第一标尺标记21和第二标尺标记22定义为反射第二光(除特定波长λ之外的波长的光)的反射部分，并将标尺2的基部200定义为非反射部分。因此，经由第一标尺标记21和第二标尺标记22反射的第二光被第二图像捕获部分52捕获为INC图案。
图4是示出光学控制器1的框图。如图4所示，光编码器1还包括计算器6，其计算基于标尺2和头部3之间的相对位移的信号。计算器6包括绝对信号生成器61、增量信号生成器62和位置计算器63。例如，计算器6是微型计算机。绝对信号生成器61从由第一图像捕获部分51捕获的ABS图案生成绝对信号(ABS信号)。增量信号生成器62从由第二图像捕获部分52捕获的INC图案生成增量信号(INC信号)。位置计算器63从ABS信号和INC信号计算头部3相对于标尺2的位置。
图5是光编码器1的位置计算方法的流程图。下文基于图5描述用于计算头部3相对于光编码器1的标尺2的位置的方法。首先，图像捕获器5捕获经由标尺图案20到达的、来自光源4的光的图像。具体而言，第一图像捕获部分51捕获由第二标尺标记22反射的第一光(特定波长λ的光)形成的ABS图案的图像，并且第二图像捕获部分52捕获由第一标尺标记21和第二标尺标记22反射的第二光(除特定波长λ之外的波长的光)形成的INC图案的图像。
接下来，如图5所示，绝对信号生成器61执行绝对信号生成步骤，该步骤从由第一图像捕获部分51捕获的ABS图案生成ABS信号(步骤ST01)。在用于生成ABS信号的方法中，例如，第一图像捕获部分51捕获经由第一标尺标记21和第二标尺标记22中的八个到达的第一光的图像。例如，如图3的(B)所示，从附图平面的左侧起，绝对信号生成器61生成由二进制图案“01110100”构成的信号。当头部3相对于标尺2朝向+X方向(附图平面的右侧)位移时，每当头部3移动第一标尺标记21或第二标尺标记22的单一标尺标记的量时，绝对信号生成器61生成具有不同码的信号，诸如“11101001”和“11010010”。
此外，增量信号生成器62执行增量信号生成步骤，该步骤从由第二图像捕获部分52捕获的第二光创建的INC图案生成INC信号(步骤ST02)。此时，增量信号生成器62通过从绝对信号生成器61执行绝对信号生成步骤时起偏移用于执行增量信号生成步骤的定时来执行增量信号生成步骤(步骤ST02)。在第一实施例中，第一图像捕获部分51对应于第一光源41布置，第二图像捕获部分52对应于第二光源42布置，因此，增量信号生成器62也可以在绝对信号生成器61执行绝对信号生成步骤的同时执行增量信号生成步骤。
接下来，位置计算器63执行位置计算步骤，该步骤基于在绝对信号生成步骤中生成的ABS信号和在增量信号生成步骤中生成的INC信号来计算头部3相对于标尺2的位置(步骤ST03)。因此，光编码器1可以抑制由于头部3的姿态和标尺2的波动而引起的在INC轨道和ABS轨道的位置信息中的误差，并且可以用单一轨道计算头部3相对于标尺2的位置，并且实现与双轨道***中类似的检测精度。
根据上述第一实施例，可以实现以下效果和优点。
(1)光编码器1包括阻挡第一光被引导到图像捕获器5并将第二光反射到图像捕获器5的第一标尺标记21，以及将第一光和第二光反射到图像捕获器5的第二标尺标记22；并且还包括捕获由第一光配置的绝对图案的图像的第一图像捕获部分51，以及捕获由第二光配置的增量图案的图像的第二图像捕获部分52，从而使得可以获得绝对信号和增量信号两者，并且利用单一轨道计算头部3相对于标尺2的位置。因此，光编码器1可以在配置绝对图案和带有不省略标尺标记的增量图案的单一复合轨道的同时提高位置信息的检测精度标尺标记。
(2)对于绝对图案和增量图案中的每一个，不需要单独的轨道，因此可以使光编码器1做得更小，并且可以降低成本。
(3)例如，第一标尺标记21吸收第一光而不引起反射或折射，因此可以可靠地阻挡第一光被反射到图像捕获器5。因此，光编码器1可以提高检测精度。
(4)第一标尺标记21具有通过纳米压印形成的纳米图案N，其中纳米图案N具有阻挡第一光反射到图像捕获器5并将第二光反射到图像捕获器5的结构，并且第一光是特定波长λ的光，该特定波长λ的光具有如下特性：当***预定的纳米图案N时，光被纳米图案N吸收。因此，可以容易地形成能够阻挡第一光反射到图像捕获器5的第一标尺标记21。另外，因为使用纳米压印在第一标尺标记21中形成纳米图案N，所以纳米图案N可以例如通过转移而不使用曝光装置来形成。因此，本发明可以降低成本。
(5)光源4包括将预定波长的光发射到标尺处的第一光源41，以及将除预定波长之外的波长的光发射到标尺处的第二光源42，从而例如图像捕获器5可以分别捕获增量图案和绝对图案的图像。另外，第一图像捕获部分51可以捕获绝对图案的图像，并且第二图像捕获部分52可以在相应的预定定时可靠地捕获增量图案的图像。
第二实施例
下文参照图6描述本发明的第二实施例。在下面的描述中，先前已经描述的那些部分被分配相同的附图标记，并且省略其描述。图6是示出根据本发明第二实施例的光编码器1A的透视图。除了光编码器1A包括头部3A之外，第二实施例的光编码器1A具有与第一实施例的光编码器1基本相似的配置。
第一实施例的光编码器1的头部3包括光源4和图像捕获器5，并且如图1所示，光源4包括第一光源41和第二光源42。第二实施例的光编码器1A的头部3A与第一实施例的不同之处在于，头部3A还包括单一光源4A，以及将经由标尺图案20到达的、来自光源4A的光色散成第一光和第二光的色散组件10。例如，色散组件10是棱镜，其将经由标尺图案20到达的、来自光源4A的光色散成作为特定波长λ的光的第一光和作为除特定波长λ之外的波长的光的第二光。在图像捕获器5中，第一图像捕获部分51捕获由色散组件10色散的第一光的图像，并且第二图像捕获部分52捕获由色散组件10色散的第二光的图像。
在上述第二实施例中，除了与根据第一实施例的(1)至(4)类似的效果和优点之外，还可以实现以下效果和优点。
(6)头部3A包括色散组件10，该色散组件10将经由标尺图案20到达的、来自光源4A的光色散成第一光和第二光，因此第一图像捕获部分51可以捕获绝对图案的图像，并且第二图像捕获部分52可以在相应的预定定时可靠地捕获增量图案的图像。
(7)头部3A包括色散组件10，因此即使当使用单一光源4A时，图像捕获器5也可以捕获增量图案和绝对图案两者的图像。另外，因为可以使用单一光源4A，所以可以使光编码器1A做得更小。
第三实施例
下文参照图7描述本发明的第三实施例。在下面的描述中，先前已经描述的那些部分被分配相同的附图标记，并且省略其描述。图7是示出根据本发明第三实施例的光编码器1B的透视图。除了光编码器1B包括头部3B之外，第三实施例的光编码器1B具有与第二实施例的光编码器1A基本相似的配置。
第二实施例的光编码器1A的头部3A包括单一光源4A和色散组件10，如图6所示。第三实施例的光编码器1B的头部3B与第二实施例的不同之处在于，头部3B不包括色散组件10，并且不同之处在于，图像捕获器5B的第一图像捕获部分51B和第二图像捕获部分52B被设置在同一图像捕获器5B内，并且通过偏移每个图像捕获部分的图像捕获定时来捕获经由标尺2到达的光的图像。例如，第一图像捕获部分51B和第二图像捕获部分52B通过偏移图像捕获定时和切换功能来捕获光的图像。当第一图像捕获部分51B捕获图像时，在第二图像捕获部分52B的功能关闭之后捕获绝对图案的图像。当第二图像捕获部分52B捕获图像时，在第一图像捕获部分51B的功能关闭之后捕获增量图案的图像。此时，光源4A也可以改变光的颜色，并且第一图像捕获部分51B和第二图像捕获部分52B可以基于不同的颜色捕获绝对图案或增量图案的图像。
在上述第三实施例中，除了类似于根据第一实施例的(1)至(4)的效果和优点之外，还可以实现以下效果和优点。
(8)第一图像捕获部分51B和第二图像捕获部分52B被设置在同一图像捕获器5B内，并且通过偏移每个图像捕获部分的图像捕获定时来捕获经由标尺2到达的光的图像，从而使得可以节省空间并降低成本。此外，可以提高设计光编码器的自由度。
修改
此外，本发明不限于上述实施例，并且包括在能够实现本发明的优点的范围内的修改和改进。例如，在上述实施例中，光编码器1、1A和1B在用作测量设备的线性标尺中使用，但是光编码器也可以在另一种测量设备中使用，诸如千分表(测试指示器)、游标卡尺或千分尺。也就是说，光编码器在其所用于的测量设备的形式、方法等方面没有特别限制，并且也可以用于其他测量设备等。本发明的光编码器在其可被安装到的对象方面没有特别的限制。另外，光编码器可以用在除测量设备之外的设备中，诸如传感器。
在上述实施例中，光编码器1、1A和1B是线性编码器，但是光编码器也可以是旋转编码器(rotary encoder)。在上述实施例中，例如，计算器6是具有处理器和存储可由处理器执行的用于执行本文描述的操作的一组指令的存储器的微型计算机，但是计算器不需要是微型计算机，而是可以是例如可以外部连接的专用计算机或个人计算机(personalcomputer，PC)。总之，计算器只需要能够计算基于标尺和头部之间相对位移的信号。
图8A和图8B分别是根据修改的光编码器1C和1D的透视图。具体地，图8A示出了第一修改，并且图8B示出了第二修改。在上述实施例中，第一标尺标记21阻挡第一光反射到图像捕获器5和5B，并且将第二光反射到图像捕获器5和5B。第二标尺标记22将第一光和第二光反射到图像捕获器5和5B。在第一修改中，如图8A所示，光编码器1C与上述实施例的不同之处在于，光编码器1C包括具有透明标尺图案20C的标尺2C和对应于透明标尺2C的头部3C。具体而言，第一标尺标记21C阻挡第一光传输到图像捕获器5，并允许第二光传到图像捕获器5C。第二标尺标记22C允许第一光和第二光传到图像捕获器5C。第一图像捕获部分51C捕获由穿过标尺2C的第一光形成的ABS图案的图像，并且第二图像捕获部分52C捕获由穿过标尺2C的第二光形成的INC图案的图像。
此外，在第二修改中，如图8B所示，光编码器1D的头部3D与第一修改的不同之处在于，光编码器1D还包括将来自光源4A的光反射到标尺2C的反射组件11。反射组件11例如是镜子，但是可以是能够将来自光源4A的光反射到标尺2C的任何组件。光编码器1D可以通过具有反射组件11来调节光源4A的光的发射方向，因此，可以提高设计光编码器1D的自由度。此外，第一修改和第二修改可以包括如第二实施例中的色散组件10，并且可以设置有分别独立的第一图像捕获部分和第二图像捕获部分，或者可以具有如第一实施例中的两个光源。每个实施例和修改的组合都在设计修改的范围内。
在上述实施例中，第一标尺标记21吸收第一光(特定波长λ的光)。然而，第一标尺标记不需要吸收第一光，并且可以使用另一种方法阻挡第一光被引导到图像捕获器，诸如在不影响图像捕获器的方向上反射或色散光。另外，第一光不需要是特定波长λ的光，并且可以是预定波长的光。此外，在上述实施例中，具有微小不均匀结构的纳米图案N形成在第一标尺标记21中，并且纳米图案N通过纳米压印形成。然而，第一标尺标记不需要通过纳米压印来形成，而是可以通过例如将微小的不均匀结构附着到金属膜上来形成，并且不需要使用具有不均匀结构的纳米图案作为阻挡第一光的引导的组件。总之，第一标尺标记可以以任何方式配置，只要第一标尺标记可以阻挡第一光(预定波长的光)被引导到图像捕获器，而第二光(除预定波长之外的波长的光)可以被引导到图像捕获器。
如上所述，本发明可以有利地用于光编码器。
应该注意的是，前面的示例仅仅是为了解释的目的而提供的，决不能解释为对本发明的限制。虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本文使用的词语是描述性和说明性的词语，而不是限制性的词语。在所附权利要求书的范围内，如目前陈述的和修改的，可以进行改变，而不脱离本发明的范围和精神。尽管在本文已经参考特定的结构、材料和实施例描述了本发明，但是本发明不旨在不限于在本文公开的细节；相反，本发明扩展到所有功能等同的结构、方法和用途，诸如在所附权利要求的范围内的结构、方法和用途。
本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，各种变化和修改是可能的。

Claims (16)

1.一种光编码器，包括：
标尺，其具有沿着测量方向设置的标尺图案；
头部，其面向标尺并且沿着测量方向相对于标尺可位移，所述头部包括：
光源，其将光发射到标尺处，其中从光源发射的光包括作为预定波长的光的第一光和作为除第一光的波长之外的波长的光的第二光；以及
图像捕获器，其捕获经由标尺图案接收的、来自光源的光的图像；以及
计算器，其计算基于标尺和头部之间的相对位移的信号，其中：
所述标尺图案包括：
第一标尺标记，其阻挡第一光被引导到图像捕获器，并且将第二光引导到图像捕获器；以及
第二标尺标记，其不同于第一标尺标记，并且将第一光和第二光引导到图像捕获器，
第二标尺标记沿着测量方向布置，并且形成表示绝对位置的绝对图案，
第一标尺标记沿着测量方向布置，并且通过结合由第二标尺标记创建的绝对图案以组合第一标尺标记和第二标尺标记来形成表示相对位置的增量图案，
所述图像捕获器包括：
第一图像捕获部，其捕获由经由第二标尺标记到达的第一光配置的绝对图案的图像；以及
第二图像捕获部，其捕获由经由第一标尺标记和第二标尺标记到达的第二光配置的增量图案的图像，以及
计算器包括处理器和存储一组可执行指令的存储器，其中在处理器执行可执行指令时，所述计算器作为以下各项进行操作：
绝对信号生成器，其从由第一图像捕获部捕获的绝对图案生成绝对信号；
增量信号生成器，其从由第二图像捕获部捕获的增量图案生成增量信号；以及
位置计算器，其从绝对信号和增量信号计算头部相对于标尺的位置。
2.根据权利要求1所述的光编码器，其中，所述第一标尺标记通过吸收所述第一光来阻挡所述第一光被引导到所述图像捕获器，并且将所述第二光引导到所述图像捕获器。
3.根据权利要求1所述的光编码器，其中：
所述第一标尺标记具有纳米压印结构，并且
所述结构阻挡所述第一光被引导到所述图像捕获器，并且将所述第二光引导到所述图像捕获器。
4.根据权利要求2所述的光编码器，其中：
所述第一标尺标记具有纳米压印结构，并且
所述结构阻挡所述第一光被引导到所述图像捕获器，并且将所述第二光引导到所述图像捕获器。
5.根据权利要求1所述的光编码器，其中，所述第二图像捕获部通过从所述第一图像捕获部捕获图像时起偏移图像捕获定时来捕获图像。
6.根据权利要求2所述的光编码器，其中，所述第二图像捕获部通过从所述第一图像捕获部捕获图像时起偏移图像捕获定时来捕获图像。
7.根据权利要求3所述的光编码器，其中，所述第二图像捕获部通过从所述第一图像捕获部捕获图像时起偏移图像捕获定时来捕获图像。
8.根据权利要求4所述的光编码器，其中，所述第二图像捕获部通过从所述第一图像捕获部捕获图像时起偏移图像捕获定时来捕获图像。
9.根据权利要求1所述的光编码器，其中，所述光源包括：
第一光源，其将预定波长的光发射到所述标尺处，以及
第二光源，其将除预定波长之外的波长的光发射到所述标尺处。
10.根据权利要求2所述的光编码器，其中，所述光源包括：
第一光源，其将预定波长的光发射到所述标尺处，以及
第二光源，其将除预定波长之外的波长的光发射到所述标尺处。
11.根据权利要求3所述的光编码器，其中，所述光源包括：
第一光源，其将预定波长的光发射到所述标尺处，以及
第二光源，其将除预定波长之外的波长的光发射到所述标尺处。
12.根据权利要求4所述的光编码器，其中，所述光源包括：
第一光源，其将预定波长的光发射到所述标尺处，以及
第二光源，其将除预定波长之外的波长的光发射到所述标尺处。
13.根据权利要求5所述的光编码器，其中，所述光源包括：
第一光源，其将预定波长的光发射到所述标尺处，以及
第二光源，其将除预定波长之外的波长的光发射到所述标尺处。
14.根据权利要求6所述的光编码器，其中，所述光源包括：
第一光源，其将预定波长的光发射到所述标尺处，以及
第二光源，其将除预定波长之外的波长的光发射到所述标尺处。
15.根据权利要求7所述的光编码器，其中，所述光源包括：
第一光源，其将预定波长的光发射到所述标尺处，以及
第二光源，其将除预定波长之外的波长的光发射到所述标尺处。
16.根据权利要求8所述的光编码器，其中，所述光源包括：
第一光源，其将预定波长的光发射到所述标尺处，以及
第二光源，其将除预定波长之外的波长的光发射到所述标尺处。
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