CN1924528A - 光学编码器和使用光学编码器的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学编码器和使用光学编码器的设备，该光学编码器包括圆筒形反射式刻度尺，用于照射反射式刻度尺的点光源，以及用于接收由反射式刻度尺反射的光束的光接收元件。反射式刻度尺的间距被设定为一适当值，以使得由反射式刻度尺反射的光束形成的干涉条纹的间距与在具有所希望间隔的位置上的光接收元件的间距相匹配。

Description

光学编码器和使用光学编码器的设备

技术领域

本发明涉及用于检测可移动体的位移的装置。

该装置被用作为用于透镜镜筒等的位移检测机构，该透镜镜筒等安装在诸如用于照相机、数字摄像机和数字静态照相机的可互换透镜的光学设备中。

背景技术

迄今为止，光学编码器被用于检测照相机中透镜的位置，手动环的旋转位移等等。

图17A和17B示出了安装在单反照相机的可互换透镜中依照第一种已知技术的旋转编码器的主要部分V。图17A中所示的中心线Z对应于可互换透镜的光轴。

主刻度尺620间接地连接到驱动透镜直线运动的凸轮(未示出)上。通过检测主刻度尺620的旋转角度来检测直线运动的透镜的位置。

图17B是图17A所示的主要部分V的局部放大视图。读数刻度尺630面向主刻度尺620。发光元件601和包含光接收元件604的光断续器被放置成使得两个刻度尺***其间，并且通过使用发光元件601和光断续器检测主刻度尺620的旋转角度。

根据这项已知技术，编码器是透射类型，并具有支撑发光元件和光接收元件的成角度的U形支架，以夹紧两个刻度尺。因此，在与光轴方向近似垂直的方向上，编码器的尺寸很大，并且很难减小编码器的总尺寸。此外，部件的数量很多，导致了较差的装配可加工性。

根据另一已知技术，通过使用放置在圆筒上的反射式刻度尺检测旋转角度。

根据第二种已知技术(日本专利特开No.5-203465)，检测传感器被放置在圆筒体的外侧或内侧。

在第二种已知技术中，被固定在柱形或筒形体上的反射式刻度尺和反射传感器用于检测。因此，减小该编码器的尺寸比减小依照第一种已知技术的编码器尺寸更容易。

然而，仅使用上述结构不能实现足够的分辨率。此外，这些元件是基于平面反射式刻度尺设计的，没有讨论根据曲面反射表面的影响由光束偏转引起的在光量上的损失、在检测间距上的位移、在间隙特征上的敏感度等。因此，由曲率半径产生输出信号特征中的误差，并且仅通过第二种已知技术不能实现所期望的性能。

此外，依照第三种已知技术(日本专利特开No.59-061711)，检测传感器被放置在圆筒的外侧以使得光学检测***在高精度检测方面得到改进。

然而，依照第三种已知技术，检测传感器的厚度被不利地增大。

近来，已经要求能够以微米数量级的高分辨率和高精度检测位置的传感器被用于安装在数字单反照相机、数字摄像机和数字静态照相机等的可互换透镜中的透镜镜筒。

此外，随着照相机的尺寸变得更小，对于更小的检测传感器具有强烈的需求。

发明内容

本发明提供一种小型光学编码器，其能够在考虑了例如圆筒形刻度尺的曲面反射式刻度尺的恒定曲率半径的情况下进行高精度高分辨率检测，该光学编码器也可应用于常规的平面反射式刻度尺。

依照本发明的光学编码器包括一个曲面反射式刻度尺，其曲率中心设置在旋转轴上并且其具有恒定曲率半径，以及包括一个用于利用发散光束照射反射式刻度尺的点光源。

此外，反射式刻度尺和点光源之间的距离可基本上等于反射式刻度尺和光接收表面之间的距离。

此外，反射式刻度尺的间距(pitch)可根据反射式刻度尺的曲率半径而改变。

依照本发明，可以获得适用于高分辨率的高精度信号。

此外，可以获得不具有透镜的非常薄的传感器。

从下面参考附图的示例性实施例的描述中，本发明的更多特征将变得显而易见。

附图说明

图1是示出了本发明第一示例性实施例的透视图。

图2A至2C示出了检测传感器的结构。

图3A至3D示出了圆筒形反射式刻度尺膜。

图4示出了使用平面反射式刻度尺的光学***的布局。

图5是示出了由发散光束形成的干涉图的等效光学***。

图6示出了依照本发明的光学布局。

图7是依照本发明的光学布局的放大视图。

图8是光束光路的示意性视图。

图9是使用依照本发明的曲面反射式刻度尺的等效光学***。

图10示出了本发明的第二示例性实施例。

图11是依照本发明的光学布局的放大视图。

图12A至12F是示出了依照本发明的光学布局的变形的放大视图。

图13A至13C示出了本发明的第三示例性实施例。

图14示出了与本发明第四示例性实施例相比较的已知技术。

图15是该已知技术主要部分的放大视图。

图16是依照本发明第四示例性实施例的主要部分的放大视图。

图17A至17B示出了已知技术。

具体实施方式

将仅通过示例的方式参考图1至16描述本发明的示例性实施例。

第一实施例

图1是示出了依照本发明第一示例性实施例的反射光学编码器结构的透视图。

使用双面胶带把反射式刻度尺20固定在环形刻度尺支架21的内圆周上。

检测头40被放置在刻度尺支架21的内侧以使其面对反射式刻度尺20。

检测头40主要包括半导体单元，诸如由LED芯片形成的光源10和由光电IC芯片形成的光接收单元30。光接收部分和信号处理电路被嵌入到光电IC芯片中。

首先描述充当光源10的LED芯片和充当光接收单元30的光电IC芯片。

图2A至2C详细图示了检测头40。

在图2A中详细示出了LED芯片和光电IC芯片。LED芯片是具有电流约束通道(CCP)结构的点发射类型。LED芯片的有效发射区域11具有直径约为70μm的圆形发射窗口。LED芯片的发射波长为650nm，并且发射红光。光电IC芯片被放置在LED芯片下面。光电IC芯片包括紧邻LED芯片放置的光接收部分31和被放置在光接收部分31下面的信号处理电路部分。光接收部分31包括在图的水平方向上从左按以下顺序以间距Pe排列的十六个光电二极管，即光接收元件32a、32b、32c、32d、...、35a、35b、35c、35d。

四个光接收元件，即产生具有相互相移90°的A相位和B相位的电流的两个光接收元件、以及产生具有与A相位和B相位分别相移180°的C相位和D相位的电流的另外两个光接收元件，被分组为一个集合，且四个集合的光接收元件被放置在光电IC芯片上。

参考图2A，元件集合32包括四个光接收元件32a、32b、32c、和32d。

同样配置应用于如图2A所示的元件集合33、34和35。

这些元件集合32、33、34、和35以间距P放置，此后间距P被称为“光接收元件集合的间距P”。

现在描述这些光接收元件的电连接。

在图2A中，其附图标记添加有字符“a”的光接收元件32a、33a、34a、和35a被称为A相位组，并且彼此电连接。类似地，具有字符“b”，“c”和“d”的光接收元件被分别称为B相位组、C相位组、和D相位组。

随着反射式刻度尺20被移动，分别从光接收元件的A相位、B相位、C相位和D相位组获得具有移相90°的A、B、C、和D相位的输出电流。

当电流通过电流-电压转换器转换为电压之后，A相位和C相位之间的差以及B相位和D相位之间的差由差分放大器检测，以便获得表示移相90°的A′和B′相位的位移的输出信号。

现在描述在第一示例性实施例中的光接收元件的布局的具体数值。

作为光接收部分的最小单元的光接收元件32a、32b、32c、32d、...35a、35b、35c、35d按间距Pe放置。明确地说，十六个光接收元件以64μm的间距Pe放置。

此外，元件集合32、33、34和35按256μm的间距P放置，它是64μm的间距Pe的四倍。

光接收元件集合的间距P也被称为“检测头的基本检测间距”。

图2B和2C示出了在其中密封有上述半导体单元的封装。在图2B中示出了用于防止光直接从光源10的发射区域11进入到光接收部分30的遮光墙48。图2C示出了检测头和反射式刻度尺的横截面以及光束的简化光路。除了光源10和光接收单元30之外，检测头40还包括布线板44，覆盖光源10和光接收单元40的半透明密封树脂层45，以及放置在密封树脂层45之上的透明玻璃层46。

下面参考图3A至3D来描述反射式刻度尺。

在该示例性实施例中，如图3A所示，使用双面胶带(未示出)把图3B中所示的平面反射式刻度尺粘接到环形刻度尺支架21的内侧圆周上。

反射式刻度尺20包括如图3C所示的图案片23和反射层片24。

图案片23由用于诸如工业照相制版工艺的透明PET膜形成。该膜的厚度大约为0.1至0.2mm，并根据需要通过膜的感光乳剂层的曝光和显影步骤形成图案。

图案片23包括基底23a和放置在基底23a上的图案层。图案层具有吸收光的非反射部分23b和透射光的透射部分23c，非反射部分23b和透射部分23c被交替放置。

另一方面，反射层片24包括由充当基底的PET膜形成的第一反射层24a和放置在第一反射层24a下表面上的由蒸镀膜形成的第二反射层24b。

如图3D所示，通过使用由透明粘胶组成的粘合层25把图案片23和反射层片24粘合到一起而形成反射式刻度尺20。

反射式刻度尺20的厚度大约为0.2mm，并且是柔性的。这样，最初是如图3B所示的长板状的反射式刻度尺20可被弯曲以如图3A所示粘连到圆筒的内圆周上。

[使用平面反射式刻度尺的检测原理]

下面将描述依照本发明的使用平面反射式刻度尺和检测传感器的检测原理。

现在将参考图4描述当用发散光束照射平面反射式刻度尺时的光学效果。

图4示出了反射编码器的构造。

在此，反射式刻度尺20被放置成使其为平坦的。用从光源10发射的发散光束照射平面反射式刻度尺20，并且通过来自反射式刻度尺20的反射衍射光束在光接收单元30的光接收部分31上形成干涉条纹。

光接收部分31和反射式刻度尺20以间隔G彼此远离。当使用平面反射式刻度尺时，在光接收部分31上形成的干涉条纹的间距Pf恰好是反射式刻度尺20的间距Ps的两倍(Pf＝2×Ps)。

将参考图5进行描述，图5是等效于如图4所示构造的光学***。

图5中，反射式刻度尺20、光接收部分31和光源10被分别放置在轴X₀，X₂和X₁上。光源10的发射区域11被放置在点L₀上。

在图5中的距离X₀-X₂和X₀-X₁对应于反射式刻度尺20和光接收部分31之间的间隔G。

从光源点L₀发射的发散光束入射到放置在轴X₀的反射式刻度尺20上。在图中显示从衍射光栅表面衍射的光束。

从点L₀发射并到达反射式刻度尺表面上的原点(0，0)的光束以衍射角度θ₁衍射并进入到光接收部分31。

在与传播方向相反的方向上延伸的衍射光束和原点为(0，0)且半径为G的圆的交叉点被定义为点L₊₁。

此时，衍射光束形成一个波前，就好像光源被放置在点L₊₁上。

这样，可通过假设各阶的衍射光束是从根据相应的阶分布在半径为G的圆的圆周上的虚拟光源点L₊₁，L_-1，...发射的，并且通过重叠从虚拟光源点发射的发散光束来形成干涉图，从而计算干涉图的光强度分布。

在这种情况下，可从如图5所示的几何关系中获得投射到光接收部分表面上的干涉条纹的强度分布。即，干涉条纹的间距Pf与反射式刻度尺的间距Ps的比率β是Pf/Ps＝(z+z)/z＝2。因而，干涉条纹的间距Pf是反射式刻度尺20的间距Ps的两倍。

[使用曲面反射式刻度尺的检测原理]

下面将描述应用了本发明的曲面反射式刻度尺的检测原理。

图6示出了依照该示例性实施例的构造放置的具有固定圆筒形状的反射式刻度尺20、光源10和光接收单元30。刻度尺支架21和检测头内除了主要部分之外的部件被省略。

在图6中，反射式刻度尺20的中心被设置在旋转轴Y₀上，并且反射式刻度尺相对于旋转轴Y₀的旋转位移由检测头40(未示出)检测。

在这里，圆筒形反射式刻度尺的反射表面及其中心之间的距离，即半径，被定义为R。图7是如图6所示的主要零件的放大视图。

现在将参考图7描述光源10、光接收单元30和反射式刻度尺20的布局。

坐标系(x₁，y₁，z₁)具有位于光源10的发射区域11的中心的原点(0，0，0)。

通过连接位于如图6所示的圆筒形反射式刻度尺20的中心的轴Y₀和光源的发射中心即坐标系的原点所形成的直线被定义为轴Z₁，并且平行于旋转轴Y₀的轴被定义为轴Y₁。

旋转位移检测的切线方向被定义为轴X₁。

光源10的发射表面与按距离R远离轴Y₀的反射式刻度尺20的实质反射面的位置之间的距离被称为间隔G。

十六个光接收元件分为两组相对于轴Y₁对称放置，其中每组有八个光接收元件。当发光元件的中心和光接收部分的中心之间的距离被定义为Ds时，光接收部分的中心坐标用(0，-Ds，0)表示。

此外，在反射式刻度尺20上的反射位置的坐标用(x，y，G)表示。

在上述位置关系中，使用具有间距Ps的圆筒形反射式刻度尺，Ps是间距Pf的一半。从光源10的发射区域11发射的发散光束入射到反射式刻度尺20上，同时保持发散波前，并且部分反射波到达光接收单元30。

当以凹面的方式使用具有光接收元件集合的间距P的一半的反射式刻度尺时，在光接收表面上形成周期小于光接收元件的间距P的干涉条纹。

明确地说，在该示例性实施例中，光接收元件的间距P是256μm。

当间距Ps为128μm的反射式刻度尺20被弯成如图1所示的圆筒形状时，在光接收部分的表面上形成周期小于256μm的周期的光的强度分布，其中128μm是当反射式刻度尺20以平面方式使用时的适当值。

图8是仅包含圆筒形反射式刻度尺的一半的、从轴Y₀的上方示出的示意性视图。

在该图中，反射式刻度尺的间距Ps被改变以使得由从光源发射、被反射式刻度尺反射、并投射到光接收表面上的光束形成的干涉条纹的间距Pf变成与光接收元件的间距P相同的值。

干涉条纹的间距Pf不能均一地匹配于光接收部分的表面上的光接收元件的间距P。然而，可通过使干涉条纹的间距Pf平均匹配于光接收表面上的光接收元件的间距P来获得足以值得实际应用的特征。

现在参考如图9所示的等效光学***来描述由来自曲面反射式刻度尺的反射衍射光束形成的干涉条纹的间距，就像如图5所示的发散光束的等效光学***的情况。

从光源发射的发散光束的波前被来自反射式刻度尺的曲面表面的反射改变。

在这种情况下，发散波前的扩展由于凹的圆筒形表面的影响被调整。

因此，如图9所示，作为依照凹的圆筒形表面的波前改变的结果，从反射式刻度尺20衍射到光接收表面的光束的虚拟光源点可从虚拟光源点的位置L₀，L₊₁，L_-1，...移动到在反射式刻度尺上按距离z′远离原点(0，0)的位置L₀′，L₊₁′，L_-1′，...。

结果，在反射式刻度尺的衍射表面和光接收部分之间的距离z不变的同时，反射式刻度尺的衍射表面和虚拟光源点L₀′，L₊₁′，L_-1′，...之间的距离改变为z′，并且在对应于光接收部分表面的轴X₂上的干涉图的间距Pf改变。

当反射式刻度尺是平面时，光源点和反射式刻度尺之间的距离等于反射式刻度尺和光接收表面之间的距离。因此，反射式刻度尺20的间距Ps等于干涉条纹的间距Pf的一半。

即，当使用平面反射式刻度尺时，比率β由Pf/Ps＝(z+z)/z＝2表示。然而，依照该示例性实施例的比率β由Pf/Ps＝(z′+z)/z′表示，这样干涉条纹的间距Pf不再是反射式刻度尺的间距Ps的两倍。

此外，当反射式刻度尺被放置在圆筒形反射式刻度尺支架的外表面上，且检测头40被面向刻度尺的反射表面放置时，即，当圆筒形表面是凸面时，波前反向变化。

此时，如图9所示，虚拟光源点移至以距离z″远离反射式刻度尺上的原点(0，0)的位置L₀″，L₊₁″，L_-1″，...，并且比率β变成大于2。

因此，在光接收表面上形成的干涉条纹的间距Pf需要平均匹配于光接收元件的间距P。因而，反射式刻度尺的间距Ps被改变以使得干涉条纹的间距Pf与光接收元件的间距P相匹配。

具体地，现在将讨论当其光接收元件以间距P排列的传感器被应用于放置在圆筒形反射式刻度尺20内侧的检测头40时的反射式刻度尺的已修正间距的计算。

将使用最小光路长度原理(Fermat原理)计算光接收表面上的干涉条纹的期望间距Pf。

确定在其上光源10和反射式刻度尺20之间的光路长度L1与反射式刻度尺20和光接收部分31中心之间的光路长度L2的和(用表达式1表示)最小化的反射式刻度尺表面上的坐标点(x，y，G)。从x坐标确定圆筒形反射式刻度尺的间距Ps。

[表达式1]

$f(x,y)=\sqrt{x^2+{(G-R+\sqrt{R^2-x^2})}^2+y^2}+\sqrt{{(x-P)}^2+{(G-R+\sqrt{R^2-x^2})}^2+{(y-\mathrm{Ds})}^2}$

其中

R：圆筒形反射式刻度尺的半径；

G：光源和反射式刻度尺之间的距离；

Ds：发光部分的中心和光接收部分的中心之间的距离；并且

P：检测头的基本检测间距，即，光接收元件集合的间距。

此时计算的修正间距在光轴附近是可用的，但在远离光轴的位置可观测到小的位移。

因此，反射式刻度尺的间距改变，以使得在光接收部分的表面上干涉条纹的间距Pf平均匹配于光接收元件的间距。

如上所述，当使用圆筒形反射式刻度尺时，反射式刻度尺的最优间距Ps可通过调整反射式刻度尺和传感器之间的间隔G、检测头的基本检测间距P(光接收元件的间距P)、以及光源和光接收部分之间的距离Ds来确定。

作为该刻度尺间距修正的结果，即使当反射式刻度尺是圆筒形时，也可用和平面反射式刻度尺基本相同的方式实现高精度的位置检测。

第二实施例

这里，依照第一示例性实施例的结构被称作是凹型的。

在第二示例性实施例中，将参考修改方案来描述间隔G和凹型圆筒形反射式刻度尺20的半径R之间的关系。

图12A至12F示出了凹型在六种情况下的光路。反射式刻度尺的间距Ps的大小用具有半径R的弧线(用虚线示出)上的实线示意性地图示。

1.在图12A中，间隔G相对较小。

2.在图12B中，间隔G等于半径R的一半，此时，反射式刻度尺的间距Ps变为基本上等于光接收元件的间距P(P＝Ps)。

3.在图12C中，反射式刻度尺的间距Ps变成比如图12B所示的更大，并且作为旋转编码器，反射式刻度尺的分辨率变低。这样，在这种状态下的反射式刻度尺在使用中几乎不具有价值。

4.在图12D中，光束会聚于光接收表面的一部分上，且没有形成干涉条纹。

5.在图12E中，条纹的移动方向被改变，结果，信号的A′和B′相位被反转。

6.在图12F中，反射式刻度尺的间距变为基本上等于如图12A所示的情况，并且干涉条纹的移动方向被反转。

第三实施例

现在描述第三示例性实施例。

图10和11示出了放置在圆筒外表面上的反射式刻度尺20和面向刻度尺反射表面的检测头40。

由于第一示例性实施例和第三示例性实施例之间的差异仅在于检测头40被放置在圆筒形反射式刻度尺的内侧或外侧，将省略详细的说明。

这里，与依照第一示例性实施例的凹型相对照，依照第三示例性实施例的结构被称为“凸型”。

凸型的反射式刻度尺20的间距Ps被修正为一个较小值。因此，当光接收元件的间距P和半径R与在第一示例性实施例中的相同时，凸型的分辨率与依照第一示例性实施例的凹型相比可实质上增加。

如图13A至13C所示，当圆筒形反射式刻度尺的半径恒定时，可通过增加检测头和反射式刻度尺之间的距离(间隔G)以及适当确定反射式刻度尺的修正后的间距Ps来增加旋转检测的分辨率。当间隔G以图13A至13C的顺序增加时，反射式刻度尺的间距必须减小，作为结果，旋转角的检测分辨率得到改善。

总的来说，检测传感器只能检测特定的检测间距。

即，由检测传感器检测的间距由光接收元件的间距P决定，并且检测传感器读出投影到光接收部分表面上的干涉条纹(具有周期性强度的光强度分布)的基波的空间频率。

为了支持各种不同的分辨率，有几种方法对于检测传感器是可用的。

1.改变光接收元件的间距P以使之与待检测间距相匹配。

2.近来，光接收元件被配置为包括集成在一起的诸如放大电路、数字化电路和电气分割电路(electrical division circuit)的电子电路的所谓“光电IC芯片”。为了支持各种不同的分辨率，改变电气分割电路的分割数目。

3.旋转编码器可通过改变其反射式刻度尺的直径来改变每一旋转的分辨率。这样，反射式刻度尺的直径为了支持各种不同分辨率而改变。

依照本发明的第二和第三示例性实施例，可通过在不改变圆筒直径的情况下改变反射式刻度尺的间距Ps来改变分辨率。这种新方法对于支持任意分辨率是有效的。

如在第二示例性实施例中，当传感器被放置在圆筒内侧时，与使用平面反射式刻度尺的情况相比，检测间距可增大。

如在第三示例性实施例中，当传感器被放置在圆筒外侧时，分辨率可增大。

例如，使用直径为10mm的圆筒形反射式刻度尺的分辨率可增加到4倍。在这种情况下，需要增大间隔。使用即使当光束发散时也可将能量聚焦在其主光线附近的半导体激光器(表面发射激光器)等作为有效光源。

第四实施例

现在将参考附图来描述依照本发明示例性实施例的安装在透镜镜筒内的传感器和反射式刻度尺。

图14是已知透镜镜筒的剖视图。

图15是包括在图14所示的透镜镜筒中的驱动力产生单元535的剖视图，图16是包含依照本发明的传感器和反射式刻度尺的单元535的剖视图。

图14示出了透镜镜筒的外部圆筒501，放置在外部圆筒501内部并用螺钉固定到底板上的固定圆筒502，以及充当驱动力产生单元535的框架或基板的固定圆筒503和504。

用螺钉将固定圆筒504固定在固定圆筒503上，并用螺钉将固定圆筒503固定在固定圆筒502上。

固定圆筒505被放置在外部圆筒501的前端位置，并用螺钉固定在固定圆筒503和504上。固定圆筒505包括其中形成凸轮的外部圆筒形部件505a和位于固定圆筒503和504内侧的内部圆筒形部件505b。

手动操作环506被安装于在圆周方向上的、固定圆筒505的外部圆筒形部件505a的外部圆周表面上形成的凹槽(凸轮)中以及在圆周方向上的、外部圆筒501的外部圆周表面上形成的凹槽中，以使之可相对于透镜的中心轴即光轴Z旋转。

当手动操作环506在光轴方向上移动时，该在光轴方向上可移动的手动操作环506使用外部圆筒501的爪501a和在手动操作环506的内圆周表面中形成的凹槽506b来产生触感，并使用爪501a和凹槽506b保持在光轴方向上移动后的位置。

如图15所示，振荡波电动机533的部件512至519、以集成的方式与振荡波电动机533的转子518相结合进行转动的可旋转圆筒520、充当发动机和与可旋转圆筒520进行接触的输出构件的轴承的滚轮座534、以及用于向手动操作环506输入转矩的手动输入环523被放置在固定圆筒503的外圆周表面上。

依照已知技术的光学编码器的主刻度尺(脉冲板)524连接到滚轮座534上。

在图15中，光断续器525将根据脉冲板524的角度位置的信号输出至透镜CPU。透镜支架532的驱动键530用螺钉固定在环522上。

驱动键530被安装于在固定圆筒503中形成的洞503a上，而固定在透镜支架532上的滚轮(roller)529(未示出)被安装于在驱动键530中形成的凹槽530a上。

下面描述具有依照该示例性实施例的上述结构的透镜镜筒的操作。

首先，当透镜镜筒的操作者想要使用振荡波电动机533驱动透镜支架532时，其操作用于自动聚焦的调焦开关(未示出)或旋转手动操作环506。

当调焦开关***作时，控制电路(未示出)被驱动以便将电压施加到电致伸缩元件515上。

结果，在定子516中产生在圆周方向上行进的振动，同时，转子518、橡胶环519和可旋转圆筒520根据定子516的振动相对于光轴Z旋转。

响应于这些部件的旋转，空心滚轮521从可旋转圆筒520接收转矩。然而，手动输入环523由于摩擦环526的摩擦力而不转动。因此，在相对于滚轮支撑轴522a旋转的同时，空心滚轮521沿着手动输入环523的端表面滚动。

环522经由滚轮支撑轴522a相对于光轴Z旋转。

在通过驱动键530相对于光轴Z转动的同时，透镜支架532沿着在其中形成凸轮的外部圆筒形部分505a在光轴方向上移动。在这种方式下，自动调整焦距。

现在描述在如图15所示的圆形区域VE中的已知的透射编码器的结构。

光断续器525和脉冲板524被如图所示放置以使得可检测脉冲板524的旋转角度。

由于成角度的U型光断续器525不得不从透镜镜筒内侧***，所以装配光断续器的可加工性很小。

此外，由于在光轴Z方向上的光断续器525的尺寸较大，布局的灵活程度很低。因此，该编码器不能够被包含在如图15所示的光轴方向上的驱动力产生单元535中。

如果编码器被放置在如图15所示的圆形区域VF内的固定圆筒503和转子518之间的空间中，则光轴方向上的透镜镜筒尺寸可被显著地减小。

将被减小的长度L示于图16中。

图16示出了安装在圆形区域VG(对应于如图15所示的圆形区域VF)中的依照本发明的传感器和反射式刻度尺。

检测传感器540和反射式刻度尺541按如图16中圆形区域VG所示那样被放置。

使用双面胶带将反射式刻度尺膜541固定在滚轮座534的内表面。反射式刻度尺的厚度约为0.3mm。

另一方面，安装在弹性基底上的检测传感器540被放置在固定圆筒503的一部分被切去的位置上。

检测传感器的厚度约为1.56mm，并且在反射式刻度尺541和检测传感器540之间的间隔近似为0.85mm。

安装了传感器的部分在径向上的总厚度是0.3+1.56+0.85＝2.71mm，该值小于或等于在径向上的尺寸5mm。

在该示例性实施例中，检测传感器540的基本检测间距(光接收元件的间距P)是128μm。

反射式刻度尺541被粘接在直径为60.9mm的滚轮座534的内表面的部分。

使用依照本发明的表达式1确定使得光源和反射式刻度尺之间光路长度L1与反射式刻度尺和光接收表面的光路长度L2的和最小化的反射点的坐标(x，y)。需要考虑在厚度方向上在反射式刻度尺膜上的实质反射位置、膜的光学厚度、检测传感器中的光路长度等。

[表达式1]

$f(x,y)=\sqrt{x^2+{(G-R+\sqrt{R^2-x^2})}^2+y^2}+\sqrt{{(x-P)}^2+{(G-R+\sqrt{R^2-x^2})}^2+{(y-\mathrm{Ds})}^2}$

在检测传感器被放置在圆筒内侧的条件下，反射式刻度尺的修正后的间距在考虑了设计间隔的情况下被确定为134μm。

在透镜中，将具有134μm的周期的模拟信号以电子方式分割成32份，最终获得134/32≈4.2μm的分辨率。

依照本发明的极小的反射检测传感器和反射式刻度尺膜可被安装在狭窄的空间中。这样，可实现极小的但具有高分辨率和高精度的光学编码器。

虽然本发明参考示例性实施例进行了描述，应该理解，本发明并不限于公开的示例性实施例。应对下面权利要求的范围给予最宽的解释，以使之包含所有变形、等同结构和功能。

Claims (8)

1.一种光学编码器，包括：

具有确定间距的条形图案的曲面反射式刻度尺；

用于以发散光束照射反射式刻度尺的光源；以及

多个用于接收由反射式刻度尺反射的光束的光接收元件，该光接收元件具有确定间距，其中

反射式刻度尺和光源之间的距离基本上等于反射式刻度尺和光接收元件的光接收表面之间的距离。

2.依照权利要求1的光学编码器，其中，反射式刻度尺的间距根据反射式刻度尺的曲率半径而设定。

3.依照权利要求1的光学编码器，其中

当反射式刻度尺的曲率中心与光源和光接收元件位于反射式刻度尺的相同一侧时，光接收元件的间距P与反射式刻度尺的间距Ps具有如下关系：

P＜2×Ps。

4.依照权利要求1的光学编码器，其中

当反射式刻度尺的曲率中心与光源和光接收元件位于反射式刻度尺的相反侧时，光接收元件的间距P与反射式刻度尺的间距Ps具有下列关系：

P＞2×Ps。

5.一种光学旋转编码器，包括：

具有确定间距的条形图案的曲面反射式刻度尺；

用于以发散光束照射反射式刻度尺的光源；以及

多个用于接收由反射式刻度尺反射的光束的光接收元件，该光接收元件具有确定间距，其中

反射式刻度尺的间距基于使下式f(x，y)的值最小化的x坐标来设定：

$f(x,y)=\sqrt{x^2+{(G-R+\sqrt{R^2{-x}^2})}^2+y^2}+\sqrt{{(-P+x)}^2+{(G-R+\sqrt{R^2-x^2})}^2+{(-\mathrm{Ds}+y)}^2}$

其中

x，y，z：在反射式刻度尺的反射表面上的坐标；

R：反射式刻度尺的半径；

G：光源和反射式刻度尺的反射表面之间的距离；

Ds：发光中心和光接收区域的中心之间的距离；以及

P：光接收元件的间距。

6.依照权利要求1或5的光学编码器，其中，反射式刻度尺由柔性物质组成。

7.依照权利要求1或5的光学编码器，其中，光源是半导体激光器。

8.一种光学设备，其包含依照权利要求1或5的光学编码器。

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