专利名称：带索引的光学编码器、用于索引光学编码器的方法以及用于动态调整光学编码器中的增 ...的制作方法
带索引的光学编码器、用于索引光学编码器的方法以及用 于动态调整光学编码器中的增益和偏移的方法本申请要求于2008年8月28日提交的美国临时申请第61/092，478号以及2009 年7月10日提交的美国临时申请第61/224，657号的优先权，这两件申请的全部内容以引 用的方式并入本文。
背景技术：
已经公开了许多用于测量角度位移的装置。典型的装置通常利用衍射光的条纹图 案中的移位检测。Kobayashi等人的美国专利第5，355，220号披露了一种从光源辐射到衍射光栅上 的光以产生允许检测亮条纹和暗条纹的不同阶衍射的衍射光。通过对条纹移动的直接检测 来对移动进行测量。Mitchell等人的美国专利第5，486，923号披露了一种在把具有预选波长的光集 中到+和-第一阶的同时使得零阶最小化的光栅。经过衍射的阶的光照射多相检测器板。Mitchell等人的美国专利第5，559，600号披露了一种把预选波长集中到正和负 第一阶的光栅。多相周期检测器的感测平面在如下位置处与光栅尺(scale)相隔其中每 个检测器组件对正和负第一阶做出响应而不需要将衍射光重新引导。Eselun的美国专利第5，909，283使用了一种把一定角度的束指向可移动光栅 尺的点光源。生成了被诸如Ronchi光栅之类的光学元件横穿的衍射光束从而形成莫尔 (Moire)条纹带。布置光电检测器组的阵列来拦截莫尔图案带并且发射经过电子处理以指 示光栅尺的位移的信号。Thorburn的美国专利第7，002，137号披露了一种光学编码器，其包括光栅尺，该 光栅尺包括光学光栅和光学组件；传感器头，该传感器头包括光源和检测器阵列，两者均被 布置于基板上，该光栅尺被布置成与传感器头相对并且被布置成相对于传感器头而移动。 光栅尺与最接近光栅尺的Talbot成像平面之间的距离等于d。传感器头被布置在由第一平 面和第二平面限定的区域内，第一平面与光栅尺相隔基本上等于η倍的d加上d倍的χ的 距离，第二平面与光栅尺相隔基本上长于η倍的d减去d倍的χ的距离，η为整数而χ小于 或等于0.5。光源发射发散的光束，发散的光束被引导至光栅尺，来自发散的光束的光被光 栅衍射到检测器阵列。掩模被布置于光栅尺与传感器头之间，该掩模定义了孔，该掩模保持 相对于传感器头的基本固定，将孔定位并调整孔的大小来基本上防止从光栅衍射的第五阶 光束到达检测器阵列。然而，对于这些装置通常需要高精度，例如通常需要微米范围的精度。许多传统装 置具有限制其精度、可靠性、校准和大规模生产的便捷性的问题，并且在需要这种精细分辨 率时它们一般很昂贵。该成本部分是由于需要以彼此精确的定位来组装这些部分。因此， 需要能以不昂贵的方式大规模生产的高精度和可靠性的光学编码器。
发明内容
光学编码器的一个实施例可以包括编码器盘；照明系统，其被构造成把光引导 至编码器盘；以及检测器，其被构造成检测从编码器盘衍射的光。编码器盘可以包括信号 轨道，其包括在编码器盘上形成圆环的衍射光栅；以及索引轨道，其包括反射索引标记，其 中索引标记的宽度大于衍射光栅的间距。一种用于光学编码器中的编码器盘的实施例可以包括信号轨道，其包括在编码 器盘上形成圆环的衍射光栅；以及索引轨道，其包括反射索引标记，其中索引标记的宽度大 于衍射光栅的间距。一种利用光学编码器的索引方法的实施例可以包括提供编码器盘；提供被构造 成把光引导至编码器盘的照明系统；提供被构造成对从编码器盘衍射的光进行检测的检 测器；计算从索引脉冲的上升沿到索引间隔的中间的正交状态的估计状态计数kest ；计算 Qkest,其中Qkest是在kest下的正交状态并且对应于索引脉冲的大致中心处的正交状态；以及 确定偏移校正。编码器盘可以包括信号轨道，其包括在编码器盘上形成圆环的衍射光栅； 以及索引轨道，其在编码器盘上形成圆环，该索引轨道包括在索引角坐标处提供的索引标记。 检测器可以包括两个偏移检测器，其被构造成对从信号轨道衍射的光进行检测并且输出正交 信号；以及索弓丨检测器，其被构造成对从索引轨道反射的光进行检测并且输出索弓丨脉冲。一种动态调节光学编码器中的增益和偏移的方法的实施例可以包括提供包括衍 射光栅的编码器盘；用光照射编码器盘；提供被构造成对从衍射光栅衍射的光进行检测并 且输出第一精细计数通道的检测器；计算用于第一精细计数通道的第一目标增益和第一目 标偏移；以及基于第一目标增益和第一目标偏移来对从第一精细计数通道采样的数据进行 校正。
现在将参考示意性而非限制性的附图仅以示例方式对实施例进行描述，并且在几 个附图中相同的组件的附图标记相同，在附图中图1是编码器盘的实施例的示图。图2是示出了根据至少一个实施例的双正交信号与索引信号的相对位置的示图。图3是示出了根据至少一个实施例的双正交信号与索引信号的相对位置的示图。图4是示出了根据至少一个实施例的双正交信号与选通和非选通的索引信号的 相对位置的示图。图5A是根据至少一个实施例的编码器盘的示图。图5B是根据至少一个实施例的编码器盘的一部分的放大视图。图6是根据至少一个实施例的编码器盘的示图。图7是根据至少一个实施例的编码器盘的一部分和各个检测器的示图。图8A是示出了根据至少一个实施例的索引轨道和检测器的相对位置的示图。图8B是示出了根据至少一个实施例的由索引轨道所生成的信号的图表。图9是示出了根据至少一个实施例的各个信号的图表。图10是根据至少一个实施例的比较器的示图。图11是示出了根据至少一个实施例的不同正交状态的示图。
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图12A是说明根据至少一个实施例的索引算法的示图。图12B是说明根据至少一个实施例的索引算法的示图。图13A是说明根据至少一个实施例的索引算法的示图。图13B是说明根据至少一个实施例的索引算法的示图。图13C是说明根据至少一个实施例的索引算法的示图。图14是说明根据至少一个实施例的索引算法的示图。图15是示出了根据至少一个实施例的从编码器盘离开的光反射的示图。图16是示出了根据至少一个实施例的光反射对索引信号的影响的图示。图17是根据至少一个实施例的一侧涂黑的编码器盘正面的照片。图18是根据至少一个实施例的一侧涂黑的编码器盘正面的照片。图19是根据至少一个实施例的一侧涂黑的编码器盘背面的照片。图20是示出了根据至少一个实施例的多模垂直腔面发射激光器(VCSEL)的各个 束分布的图表。图21是示出了在多模VCSEL中的电流与束分布之间的关系的示图。图22是示出了根据至少一个实施例的针对编码器的衍射图案的示图。图23是示出了高斯(Gaussian)束分布的三维图表。图24是示出了高斯束分布的显示。图25是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的束分布的图表。图26是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的束分布的图表。图27是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的束分布的图表。图28是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的束分布的图表。图29是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的各个束分布的示图。图30是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的各个束分布的图表。图31是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的各个束分布的图表。图32是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的束分布的显示。图33是示出了根据至少一个实施例的针对多模VCSEL的电流与束分布之间的关 系的图表。图34是示出了高斯束分布的图表。图35是示出了高斯束分布的图表。图36是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的非高斯束分布的图表。图37是示出了根据至少一个实施例的多模VCSEL的非高斯束分布的图表。图38是根据至少一个实施例的VCSEL功率控制电路的示图。图39是根据至少一个实施例的VCSEL功率控制电路的示图。图40是VCSEL的示图。图41-42是双铬层编码器盘的视图。图43是增益修改之前正交通道的输出的李萨如(Lissajous)图案。图44是示出了与读取的头校准有关的数据的图表。图45是增益修改之后正交通道的输出的李萨如图案。图46是示出了与读取的头校准有关的数据的图表。
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图47-49是示出了来自双铬层编码器盘的输出的图表。图50-55是双铬层编码器盘的各个视图。图56是示出了动态参数调整方法的示意图。图57是示出了预滤波方法的流程图。图58是示出了移动平均滤波器的各个窗口的示图。图59是示出了针对正直流(DC)偏移的正交状态中的误差的示图。图60是示出了针对负DC偏移的正交状态中的误差的示图。
具体实施例方式如图1所示，通过沿圆形玻璃片的外侧部分放置线条的轨道(诸如信号轨道12) 可以形成编码器盘10。在被照射时，信号轨道12的线条产生交替的亮/暗图案。盘计数指 的是盘每转动一周的亮/暗对的数量。间距指的是信号轨道12的各个标记或线条之间的距离。如图2所示，当通过偏移检测器(1/4间距偏移)处理线条时，可以产生通常被称 为正交信号对的两个输出，即，第一正交信号(CH A) 20和第二正交信号(CH B) 22。还应当 理解，信号20和信号22的组合对通常被称为正交信号，应当理解的是正交信号包括一对相 移信号。如图1进一步所示，典型地将第二标记添加到传统编码器盘12来识别盘上的特定 (绝对)位置。索引标记14为这种标记的示例。CH A 20和CH B 22的正交关系允许由例如加法/减法计数器或其他任何适合的 装置来确定旋转的方向和幅度。索引标记14可以提供“0”基准位置。图3示出了与第一 正交信号20和第二正交信号22相比较的索引信号24。正交编码器可以形成两种形式，选通的或非选通的。图4示出了基于不同类型选 通的不同索引信号的示例。例如，选通的索引信号26用第一正交信号20和第二正交信号 22的乘积来选通。另一示例是选通的索引信号27，其仅用第一正交信号来选通。第三可行 的示例是非选通的索引信号28。存在两种用于生成索引脉冲的方法。一种方法使用从极窄的索引标记离开的反射 或者通过窄索引狭缝的传播并后接光电检测器。比较器跟随经过调节的检测器信号并且在 光密度超过某个阈值时进行触发。第二种方法使用衍射。索引标记由一系列间距变化的精细线条制成。取决于衍射 阶在不同位置上放置两个或更多个光电检测器。把信号加上或减去并施加到比较器。当信 号电平超过某个阈值时，生成索引脉冲。由于小的反射或衍射区域，两种方法都需要严格的 对准。图5A、图5B和图6示出了编码器盘的实施例。例如，如图5B和图6所示，编码器 盘30可以包括信号轨道32，信号轨道32是在编码器盘30上形成圆环的衍射光栅。可以通 过交替反射和非反射部分形成信号轨道。例如，可以通过加黑或变暗的玻璃形成信号轨道 的非反射部分，诸如通过用全黑涂料进行喷涂或其他适当方法。应当理解，术语非反射不必 要求表面具有0 %反射率。例如，在至少一些实施例中，非反射表面可以具有低反射率，诸如 5%或其他适当值的反射率。
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作为一个可行的替�。梢允褂昧讲愀跏迪址瓷浜头欠瓷洳糠郑渲幸徊闶悄芪� 收的而另一层是反射的。图41和图42示出了使用两层铬的编码器盘400的实施例。图41 示出了具有基板402、低反射铬层404和高反射铬层406的编码器盘400。高反射铬层406 沉积在低反射铬层404上。可以用使得低反射铬层404的一部分在涂覆高反射铬层406之 后保持可见的图案来形成高反射铬层406。例如，高反射铬层406可以形成图案从而在编码 器盘上形成信号轨道和索引轨道。低反射铬层404可以例如由铬氧化物或其他适合的材料制成，并且在至少一个实 施例中在空气侧可以具有5%的反射率。另外，在至少一个实施例中，高反射铬层可以在空 气侧具有65%的反射率而在玻璃侧具有59%的反射率。在此进一步讨论具有两个铬层的 编码器的性能。编码器盘30还可以包括外侧索引轨道34，外侧索引轨道34沿径向方向被定位在 信号轨道34的外侧，即，朝着编码器盘30的外沿。在图5B和图6所示的实施例中，除了在 编码器盘的索引角坐标处定位的反射的外侧索引标记35之外，外侧索引轨道34是非反射 的。索引角坐标在圆周方向上可以是任意“0”基准点。编码器盘30还可以包括在编码器盘上形成圆环的内侧索引轨道36。内侧索引轨 道可以沿径向方向形成在信号轨道内部，即，靠近编码器盘30的中心。在图5B和图6所示 的实施例中，除了在与反射外侧索引标记35相同的索引角坐标处定位的非反射的内侧索 引标记37之外，内侧索引轨道是反射的。如图7和图8A所示，在至少一个实施例中，索引标记的宽度大于衍射光栅的线间距。尽管图5B和图6的实施例示出了具有反射的外侧索引标记35的非反射的外侧索 引轨道34以及具有非反射的内侧索引标记37的反射的内侧索引轨道36，但是应当理解，反 射和非反射部分可以互换并且仍会得到严格相同的结果。例如，可以具有非反射的外侧索 引标记的反射的外侧索引轨道和具有的反射的外侧索引标记的非反射的内侧索引轨道。可以按照各种方式实现索引轨道的反射部分和非反射部分。例如，类似于信号轨 道，通过使得编码器盘的玻璃变暗，可以形成索引轨道的非反射部分。可替选地，如上所述，还可以使用能吸收的和反射的铬层。图50-55示出了具有两 个铬层的编码器盘400、500的特定可行实施例。如图51和54所示，编码器盘400、500被 类似地构造成上述的编码器盘，并且可以包括外侧索引轨道434、534;外侧索引标记435、 535 ；内侧索引轨道436、536 ；以及内侧索引标记437、537。类似于上述的编码器盘30，编码 器盘400、500的反射部分和非反射部分可以互换并且不限于一个特定实施例。附加地，应 当理解，在特定附图中指代的尺度指的是所示的特定实施例，而不以任何方式限制本发明 的范围。可以使用光电检测器来监测每个索引轨道和信号轨道。如图7所示，可以使用检 测器40、41来检测外侧索引轨道和内侧索引轨道，并且信号轨道检测器42可以用来检测从 信号轨道衍射的信号。由于索引图案彼此相反(即，一个索引轨道在索引角坐标处是反射 的，而另一个索引轨道在该索引角坐标处是非反射的)，所以来自检测器40、41的索引输出 将关于公共偏移电平是相反的。例如，图8A示出了会聚在索引角坐标的区域上的视图。在图8A中，暗区域(艮口，34,37)是非反射的并且向左侧移动。亮区域(即，35、36)是反射的并且同样从左向右移动。 检测器40、41被示出叠加在索引轨道上。图8A使用与图5B和图6所示的反射部分和非反 射部分相同的结构。图8B示出了内侧索引信号46和外侧索引信号48作为时间函数的输出。例如，图 表的左侧表示索引角坐标远离检测器40、41时的时间段。在此时，内侧索引轨道在检测器 41处是反射的，并且由此内侧索引信号46在图8B中的图表左侧为高。同样在此时，外侧索 引轨道在检测器40处是非反射的，并且由此外侧索引信号48在图8B中的图表左侧为低。随着图8A中时间前进并且编码器盘旋转，可以由检测器40见到的区域从非反射 的转换为反射的，而可以由检测器41见到的区域从反射的转换为非反射的。这种转换在图 8B中由从高到低的内侧索引信号46以及从低到高的外侧索引信号47所反映。内侧索引信 号46和外侧索引信号47的交点可以指示编码器盘上索引标记的“开始”或“结束”。图9指示了示出索引脉冲和信号轨道轨迹的显示的一个示例。例如，图9的索引 脉冲80代表索引标记。图9还示出了索引脉冲80的上升和下降对应于内侧索引信号46 和外侧索引信号48的交点44。图10示出了用于把内侧索引信号和外侧索引信号转变成逻辑索引信号的比较器 的一个示例。例如，逻辑索引信号会基于内侧索引信号和外侧索引信号的交点来转换成高 或低。如上所述，衍射光栅信号轨道可以产生双正交信号，诸如CH A 20和CH B 22。这 些信号可以通过使用例如包括偏移检测器的检测器42来产生。通过例如借助加法/减法 计数器分析双正交信号，可以确定旋转幅度和方向。一旦建立索引，还可以根据加法/减法 计数器确定绝对位置。如图11所示，存在四种可行的正交状态60、62、64、66。下面的表格概括了 CH A 20 和CH B 22的可行的正交状态
CH A (20)CH B (22)Ql (60)高低Q2(62)高高Q3(64)低高Q4(66)低低换言之，正交状态代表格雷码(Gray Code)序列。从前一(不同的)状态进入到 不同的正交状态会基于方向使得位置计数器递增或递减。在索引操作中，在索引周期期间存在几种正交状态。换言之，索引轨道上的索引标 记可以足够大，使得通过索引轨道的历程经历了几个正交状态。例如，设K作为正交状态的数量。最优目标索引状态是最靠近索引间隔或索引脉 冲72的中心的正交状态。在给定方向(+/-,CCW/CW)中，最优目标状态是K/2(针对偶数K)
11或者(K+l)/2(针对奇数K)。在图12Α中，例如，K= 10，并且最优目标状态70被定位在正 交状态5处。注意，当K为奇数时，“最优”状态对于CW和CCW旋转来说相同，而在K为偶数 时，“最优”状态相差一个正交状态(例如，参见图12Β)。下面更具体地描述这种情况。通过选择尽可能靠近索引间隔72的中心的目标状态(并且补偿偶数计数)，可以 显示出无论使用哪个旋转方向，都可以始终无误地找到所选择的状态。而且，不会受到索引 间隔72的宽度改变的影响。索引间隔72可以非对称(即，沿一个方向)或者对称(即，围绕索引中心点扩展 或收缩)移位。通过叠加，一种方式可以具有两种方式的组合，但是可以通过单独检查非对 称和对称特性来考虑误差。而且，对索引脉冲72的下降沿施加滞后会减小对于一个正交状 态的�：�(ambiguity)。非对称误差对于非对称误差存在两种来源。第一个是由于读取头位置的移位，第二个来源是 由于提供了正交状态和索引脉冲转换的同步改变的�：�(由噪声和延迟引起的)。第一个不需要考虑。移动读取头使得精确编码器无法实现。这必须通过设计来消 除。第二个非对称误差来源具有两个分量。如果单边沿出现，则实现1/2计数误差 (1/2正交状态)。如果转换�：砸韵嗤较�(不同方向会形成对称移位)出现在两端， 则存在导致最坏情形条件的第二分量。然而，在考虑到在CCW和CW两个方向中的传播时， 这可能会转化成在两个估计之间的两次计数(或正交状态)差。这是所不希望的，因为存 在关于哪个状态是正确的�：�。滞后提供了对该误差来源的一种解决方案。对施加在索引一端的滞后的1/2正交状态的相加(对于两个方向都是如此)去除 了两个边沿�：裕⑶野袰CW和CW估计之间的差减小到1个计数(正交)状态。参见图 13A、图13B和图13C。本质上，两种估计变得更接近。因此，在“目标”和最新计算的目标估计之间至多可能只存在一个计数或一个正交 状态差。正交状态的测试会揭示出真实的目标位置。对称误差随着索引间隔扩展或收缩，不存在引入的额外误差。在移动期间，如上所述，只能 出现单次计数非对称误差。当针对偶数计数间隔进行校正时，会使用为CCW/CW运动两者选 择一个状态的目标选择策略。误差校正如上所述，在根据τη或(K+1V2建立的状态与随后的评估之间至多只会发现一 个计数/状态误差。掌握在校准期间所达到的目标偏移方向(所选状态)允许我们产生将 要添加到目标计数的校正因子从而产生偏移(在索引目标处的真实计数和期望计数(0)之 间的差)。从当前计数中减去该偏移以提供绝对的索引位置。使用以下定义来说明误差校正算法并且参考图14。P.Count,=位置i处的位置计数器的值。P_Count-index为索引脉冲的上升沿处的位置计数。K=从索引脉冲开始到结束的正交计数。这总是正值(即，与方向无关)。Dir = 0 (P_Count在该方向上递增)或1 (P_Count在该方向上递减)。
这是记录通过索引序列的旋转运动的方向的标志。例如对于CCW，Dir = 0，而对于 CW，Dir = 1。kest =从索引上升沿到目标状态的正交状态数量的估计。这是从索引脉冲的上升沿到索引间隔的中心的状态计数。ktarget =从索引脉冲的上升沿到目标状态的真实状态计数。Qi =位置i处的正交状态(格雷码)。Qtarget =针对索引基准的目标状态下的格雷码。下面假定采用1/2状态滞后。给定目标状态(Qtoget),可以根据四个变量建立基准 点。使用这些变量来调整基准点的方式被称为索引算法。如果没有定义目标状态，则必须在两个方向上运行索引算法。估计来自每次通过 的输出并且选择Qtawt。稍后对此进行描述。这暗示出存在目标有效(TV)标志。目前，假定对于没有定义的Qtogrt，TV = 0，而 在已经定义了 Qtmget时TV = 1。在索引算法中使用以下变量1.在索引开始处(索引脉冲的上升沿)的位置计数器值。2.旋转方向(位置计数器通过索引间隔是递增还是递减？)。3.索引开始处的正交状态的格雷码。4.在索引间隔中的正交状态的总数。对于TV = O通过在两个方向上运行索引算法来建立Qtmget。比较来自每个方向的算法输出 (Qkest+和U。如果相等，则其变成目标状态。如果相差一个状态，则我们总是让Qkest = Qkest-(相反也是可接受的)。一致的方法是最佳的。如果Qkest+和Qkest-相差多于一个状态， 则出现硬件故障。对于TV=I该算法计算kta_ (从索引开始到目标状态(Qtogrt)的状态数)。注意，Qtawt为最 佳状态(最接近索引间隔的中心)。一旦确定了 ktarget，则如下计算基准运算(0位置)(参考随后的定义部分)对于正方向-P-Countnew = P_Countcurrent_ [P_Count-index+ (ktarget_l)] 公式 1注意，的调整(-1项)是因为在索引开始事件时k计数器从1开始。对于反方向-P-Countnew = P_Countcurrent_ [P_Count-index- (ktarget_l)] 公式 2注意，的调整(-1项)是因为在索引开始事件时k计数器从1开始。这一 点与正向旋转情况相同。相位Cal_PhaSe-使用CCW和CW两个方向来确定目标索引状态。FACTORY设置。所使用的索引算法。IndeX_Phaseto-求出基准点。所使用的索引算法。Zero_Phase-计算并应用校正使得P_Counttarget = 0 (目标位置)。输入绝对编码器模式。 索引算法
目的在于求出用于正方向(CCW)或反方向(CW)编码器旋转的索引基准点。 输入=Qtmget和TV 输出ktarget
变量P_C0unt-index，Q-index, K 和 Dir。 步骤1 确定iw
kest = Κ/2 (针对偶数K)或(Κ+1) /2 (针对奇数K) 公式3
我们将如下识别出以索引脉冲的上升沿开始的正交状态(这形成了模4图案)
Q]_ Q2 ？ Q3' Q4 ‘ Qs ‘ ‘Q9' QlO ‘ Qll ‘ Ql2
Q1, Q2, Q3, Q0, Q1, Q2, Q3, Q0，Q1, Q2, Q3, Q0，.......(同余)
其中 Q indrai 二 Ql 步骤2 Μ^ Qkest
从下式可以求出kest下的正交状态(Qkest) Qkest = Q{kest mod 4} 公式 4
注意模运算。
0mod
1mod
2mod
3mod
4mod
5mod
6mod
4
=0 =1 =2 =3 =0 =1 =2
确定Qkest (接上面)
如果 kestmod 4 = 1 (例如 kest = 5 或 9 或 13. · ·)，则 Qkest U 也参见图 12A、 3AU3B 和 13C)。
各Q由方向指定，而第二元素(参见澄清注释)由索引上升沿处理。生成的表格
被称为偏移表格。向下移动表格为正(增加计数)，向上为负。这与旋转方向无关。
示例1 使用图13A。
对于反方向，Ql = LH 表格1 (示例偏移表格) Q3 = HL[距Qtl最接近的HL] Q0 = LL
Q1 = LH(索引开始)总是处于“余数=1”状态。 Q2 = HH
Q3 = HLQtl = LL [距 Q3 最接近的 LL]K = 10或11取决于是以红色间隔还是蓝色间隔为结尾。我们将对每种情况进行检查。如果K = 10 贝IJ kest = 10/2 = 5。5 mod 4 = 1因此 Q5 = LH = Q115如果K = 11 贝IJkest = (11+1)/2 = 6。6 mod 4 = 2因此Q6 = HH = Q2或沿正向方向从Q1开始的下一个状态。Dir选择表格(实际序列)。我们总是以相同的方式在所选的表格中向前或向后 移动，而不管运动是正向还是反向。注意由于我们没有基准P_Coimt，所以其无法直接用来推导格雷码。偏移表的澄清沣释黑体表示χ mod 4的结果。如果结果在边界上(Qtl或Q3)则该表格必须扩展一个 状态(斜体，向后(如果OQci)/向前(如果@Q3)_这里示出了两种可能)。总是对最接近的 邻居进行搜索。假定索引出现在任意状态处(Q1 = Qc)。如果kest mod 4_ > Q0(Qb)，并且目标状 态为Qa，则带扩展的偏移表格)Q3 = Qa[距Q0最接近的Qa][如果需要的话]Q0 = Qb---------“Q1 = Qc(索引开始)总是处于“余数=1”状态。Q2 = QdQ3=QAQ0 = Qb[距Q3最接近的Qb][如果需要的话]Offset = -I0步骤3确定偏移校ιΗ如果TV = 0，则需要来自两个方向的Qkest。没有Qtoget的等同物来测试。使用原 始数据进行目标判定。应当检查来自每次通过的各K。|κ+-κ_| <=2如果TV= 1，则已经
定义了 ^target °当Qtarget = Qkest 时，ktarget = kest。否则我们需要(向上或向下)校正一个状态计数。如果存在多于一个状态差，则 出现了故障。ktarget = kest+Offset。其中 Offset = +1 或 _1。公式 5。确定偏移校ιΗ (接上面)示例2:使用图13A。在偏移表格(表格1)中Qtarget = LH = Ql表格1(重复)Q0 = LL
Q1 = LH(索引开始)总是处于“余数=1”状态。Q2 = HH-----------------“Q3 = HL其中K = 11，kest = 6 并且 Qkest = HH = Q2使用公式5。Offset = ktarget-kest = -1 (从估计到目标向上移动偏移表格)因此，ktarget = 6-1 =5上述的结构和方法具有许多显著优点。例如，光学对准变得非常简单。不需要编 码器光栅尺上的精确光栅或者安置读取头。另外，与传统装置相比，间隙宽度(即，索引标 记的宽度)大。因此，间隙位置的容差可以大于传统编码器。由此，总体来说，与传统编码 器相比，上述结构和方法会得到一种制造和实现起来更便宜并且更容易的编码器。另外，对于多个读取头，存在改进的设计裕量。对于极高精度编码器来说，两个和 四个读取头是常见的。传统索引方法，选通或非选通必须同时应用于所有读取头。在给定 读取头可能从不会精确地彼此处于180度(2读取头)或90度(4读取头)这样的事实的 情况下，在索引脉冲内读取头位置之间会存在差别。由于对于每个读取头来说中心是偏的， 所以选择最佳状态更困难。相反，在上述结构的一个实施例中，编码器使用宽索引(320微 米弧长，64个正交状态)，所以这一问题会考虑较少。针对温度漂移以及老化的差异也被减 到最小。而且，在传统编码器中，如果索引脉冲包含5个或更多的正交状态，则可以选择冗 余状态。这必须进行测试和校正(通常通过硬件，例如通过电缆交换)。借助这种冗余状 态，上述结构和工艺不受设计影响。另外，上述技术和结构可以用于多模(即，非高斯)激光二极管以及单模(即，高 斯)激光二极管。该设备对束分布不敏感。发光二极管(LED)还可以用作可行的光源来 替代VCSEL。光源方面的这种灵活性有助于使得成本最小化。作为简单的光栅图案，多模 VCSEL和LED会比单模二极管花费更少并且更可靠。还要注意，通过向编码器光栅尺的背面涂覆光学黑体(即，吸光成分)可以减小来 自编码器盘的不想要的反射。在可替选实施例中，也可以把光学黑体成分涂覆到编码器光 栅尺的正面。另外，上述的低反射的和高反射的层也可以减小不想要的反射。例如，上述的方法和结构使用位于正交信号光栅相反侧上的两个互补(即布尔逻 辑解释)的反射轨道。由于索引方法依赖于激光束的每一侧上的两个反射路径，所以它们 必须与它们各自的光电检测器(2)在一条线上并且分别接收足够用于信号跨接的能量。如果每个索引信号的暗电平相同，则只要各个信号都大于噪声电平的峰峰值加上 滞后，就能保证索引间隔处的跨接。在有些情况于，索引信号对的标记通道信号48( S卩，由反射的外侧索引标记导 致的信号)可能会有DC偏移。换言之，标记信号48与空间信号46( S卩，非反射的内侧 索引标记)的最低电平不匹配。因为检测到紧接在反射112之前的该DC偏移中的下降 (dip)110(参见图15和图16)，所以怀疑来自编码器光栅尺的后面的反射是原因所在。下 降110是由于来自编码器光栅尺的后面的反射造成的，随着标记反射体变得可见，该反射减小。当采用光学黑体或纯黑涂料喷涂光栅尺的后侧(参见关于编码器盘的正面的图 17、图18，以及关于涂黑的背面的图19)时，偏移消失。由于上述结构使用的宽照射和处理 区域，所以与传统装置相比，该装置更易受到不想要的反射的影响。把其中使用编码器盘的 组件内的所有表面变黑进一步改善了李萨如信号的性能(李萨如的输入是两个通道的正 交信号)。注意，这种技术也尝试用于传统装置并且也改善了李萨如失真(改善了圆形质 量)。这指出了这样的事实反射是李萨如失真(诸如椭圆形、噪声圆形和不规则圆形(例 如，马铃薯形))的主要来源。因此，看起来所有设计都得益于减小的反射。涂覆于后面(或正面、光栅或索引反 射体的外侧)的吸光材料、或低反射的和高反射的层可以改善读取头性能。例如，可以提高 关于索引信号的信噪比，并且由于减小的镜面反射，所以可以得到更好的正交信号。还应当理解，对于照射系统发射的特定波长的光，可以对吸收性涂层或低反射的 和高反射的层进行优化。还要注意，图17-19的实施例示出了在编码器盘30中心的空白区域。该空白区域 允许涂覆紫外(UV)粘合剂来把该实施例的编码器安装在唱头(cartridge)中。对于两个铬层的编码器(诸如图41和图42中所见的编码器400)来说，进行校准 和测试来评估编码器的性能。结果概括在下面的表1中。表1左栏指示被测编码器的顺序 编号，表1右栏是以度测量的编码器的Sigma值。表 权利要求
1.一种光学编码器，其包括 编码器盘，其包括信号轨道，其包括在所述编码器盘上形成圆环的衍射光栅；以及索引轨道，其包括反射索引标记，其中所述索引标记的宽度大于所述衍射光栅的间距；照明系统，其被构造成把光引导至所述编码器盘；以及 检测器，其被构造成对从所述编码器盘衍射的光进行检测。
2.如权利要求2所述的光学编码器，其中所述索引轨道包括 在所述编码器盘上形成圆环的第一索引轨道；以及在所述编码器盘上形成圆环的第二索引轨道。
3.如权利要求2所述所述的光学编码器，其中所述第一索引轨道包括在索引角坐标处提供的第一索引标记；以及 所述第二索引轨道包括在所述索引角坐标处提供的第二索引标记； 其中所述第一索引轨道除了反射的所述第一索引标记之外是非反射的，而所述第二索引轨 道除了非反射的所述第二索引标记之外是反射的；或者所述第二索引轨道除了反射的所述第二索引标记之外是非反射的，而所述第一索引轨 道除了非反射的所述第一索引标记之外是反射的。
4.如权利要求1所述的光学编码器，其中所述编码器盘还包括 玻璃基板；在所述基板上提供的低反射层；以及 在所述低反射铬层上提供的高反射层；其中以使得所述低反射层的部分为可见的图案来形成所述高反射铬。
5.如权利要求4所述的光学编码器，其中所述低反射层包括低反射铬层。
6.如权利要求4所述的光学编码器，其中所述高反射层包括高反射铬层。
7.如权利要求4所述的光学编码器，其中所述低反射层在与所述玻璃基板相反的一侧 上具有约5%的反射率。
8.如权利要求4所述的光学编码器，其中所述高反射层在面向所述玻璃基板的一侧上 具有约59%的反射率，而在与所述玻璃基板相反的一侧上具有约65%的反射率。
9.如权利要求4所述的光学编码器，其中所述玻璃基板包括涂覆到所述玻璃基板表面 的吸光材料。
10.如权利要求1所述的光学编码器，其中所述照明系统包括发光二极管。
11.如权利要求1所述的光学编码器，其中所述照明系统包括 被构造成发射激光的多模垂直腔面发射激光器VCSEL。
12.如权利要求1所述的光学编码器，其中所述检测器还包括两个偏移检测器，所述偏 移检测器被构造成对从所述信号轨道衍射的光进行检测并且输出正交信号。
13.如权利要求2所述的光学编码器，其中所述检测器还包括第一索引检测器，其被构造成对从所述外索引轨道反射的光进行检测并且输出外索引信号；第二索引检测器，其被构造成对从所述内索引轨道反射的光进行检测并且输出内索引 信号；以及比较器，其被构造成根据所述外索引信号和所述内索引信号来输出索引脉冲。
14.一种用于光学编码器的编码器盘，所述编码器盘包括信号轨道，其包括在所述编码器盘上形成圆环的衍射光栅；以及索引轨道，其包括反射索引标记，其中所述索引标记的宽度大于所述衍射光栅的间距。
15.如权利要求14所述的光学编码器盘，其中所述索引区域包括 在所述编码器盘上形成圆环的第一索引轨道；以及在所述编码器盘上形成圆环的第二索引轨道。
16.如权利要求15所述的光学编码器盘，其中所述第一索引轨道包括在索引角坐标处提供的第一索引标记；以及 所述第二索引轨道包括在所述索引角坐标处提供的第二索引标记； 其中所述第一索引轨道除了反射的所述第一索引标记之外是非反射的，而所述第二索引轨 道除了非反射的所述第二索引标记之外是反射的；或者所述第二索引轨道除了反射的所述第二索引标记之外是非反射的，而所述第一索引轨 道除了非反射的所述第一索引标记之外是反射的。
17.如权利要求14所述的光学编码器盘，还包括 玻璃基板；在所述基板上提供的低反射层；以及 在所述低反射层上提供的高反射层；其中以使得所述低反射层的部分为可见的图案来形成所述高反射层。
18.如权利要求17所述的光学编码器盘，其中所述低反射层包括低反射铬层。
19.如权利要求17所述的光学编码器盘，其中所述高反射层包括高反射铬层。
20.如权利要求17所述的光学编码器盘，其中所述低反射层在与所述玻璃基板相反的 一侧上具有约5%的反射率。
21.如权利要求17所述的光学编码器盘，其中所述高反射层在面向所述玻璃基板的一 侧上具有约59%的反射率，而在与所述玻璃基板相反的一侧上具有约65%的反射率。
22.如权利要求17所述的光学编码器，其中所述玻璃基板包括涂覆到所述玻璃基板表 面的吸光材料。
23.一种用于光学编码器的索引方法，所述索引方法包括 提供编码器盘，所述编码器盘包括信号轨道，其包括在所述编码器盘上形成圆环的衍射光栅；以及 索引轨道，其在所述编码器盘上形成圆环，所述索引轨道包括在索引角坐标处提供的 索引标记；提供被构造成把光引导至所述编码器盘的照明系统；提供被构造成对从所述编码器盘衍射的光进行检测的检测器，所述检测器包括 两个偏移检测器，其被构造成对从所述信号轨道衍射的光进行检测并且输出正交信 号；以及索引检测器，其被构造成对从所述索引轨道反射的光进行检测并且输出索引脉冲； 计算从所述索引脉冲的上升沿到索引间隔的中间的正交状态的估计状态计数kest ； 计算Qkest,其中Qkest是在kest下的正交状态并且对应于所述索引脉冲的大致中心处的 正交状态；以及 确定偏移校正。
24.如权利要求23的索引方法，其中计算估计状态计数kest包括 在K为偶数的情况下把kest计算成K/2 ；或者在K为奇数的情况下把kest计算成((K+1) /2)； 其中K为从所述索引脉冲的开始到结束的正交计数。
25.如权利要求24的索引方法，其中Qkest等于Qtestm。d 4)，其中Qkest为kest下的正交状态并且Q (kest mod 4)为(kest mod 4)下的正交状态。
26.—种动态调节光学编码器中的增益和偏移的方法，所述方法包括 提供包括衍射光栅的编码器盘；用光照射所述编码器盘；提供被构造成对从所述衍射光栅衍射的光进行检测并且输出第一精细计数通道的检 测器；计算用于所述第一精细计数通道的第一目标增益和第一目标偏移；以及 基于所述第一目标增益和所述第一目标偏移来对从所述第一精细计数通道采样的数 据进行校正。
27.如权利要求26所述的方法，其中计算目标增益和偏移包括 确定来自所述第一精细计数通道的数据集合中的最小值和最大值；基于所述最小值和来自所述第一精细计数通道的多个先前数据集合的最小值来计算 移动平均最小量；基于所述最大值和来自所述第一精细计数通道的所述多个先前数据集合的最大值来 计算移动平均最大量；根据公式G。al = (ave_maxA-ave_minA)/2计算所述第一目标增益，其中G。al为所述第一 目标增益，ave_maxA为所述移动平均最大量，而aVe_minA为所述移动平均最小量；以及根据公式OFFSETeal = (ave_maxA+ave_minA)/2计算所述第一目标偏移，其中OFFSETcal 为所述第一目标偏移。
28.如权利要求26所述的方法，其中对从所述第一精细计数通道采样的数据进行校正 包括根据公式Ga = (maxA-minA) /2计算数据采样的增益Ga，其中maxA为所述数据采样中的 最大量，而minA为所述数据采样中的最小量；根据公式OFFSETa = (maxA+minA)/2计算所述数据采样的偏移OFFSETa ； 根据公式GFa = Gcal/GA计算增益校正因子GFa，其中G。al为所述第一目标增益； 根据公式AOFFa = 0FFSET。al_0FFSETA计算偏移校正因子Δ OFFa，其中OFFSETeal为所 述第一目标偏移；以及根据公式CFCA = (GFA*FCA) + Δ OFFa来校正精细计数，其中FCa为来自所述第一精细计 数通道的未处理的精细计数数据，而CFCa为校正后的精细计数数据。
29.如权利要求26所述的方法，其中所述检测器被构造成输出第二精细计数通道，并 且所述方法还包括计算用于所述第二精细计数通道的第二目标增益和第二目标偏移；以及基于所述第二目标增益和第二目标偏移对从所述第二精细计数通道采样的数据进行 校正。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述检测器被构造成输出粗略计数，并且所述方 法还包括基于对从所述第一精细计数通道采样的数据和从所述第二精细计数通道采样的 数据的校正来对所述粗略计数施加校正。
31.如权利要求30所述的方法，其中对所述粗略计数施加校正包括把量化算子Q(X)定义为对于χ <0，Q(x) =0，并且对于 χ ≥0, Q(χ) = 1 ；根据公式{A，，B，} = {Q (CFCa- Δ OFFa) , Q (CFCB, - Δ OFFb) }计算经过补偿的状态对{�。� B，}；其中CFCa为从所述第一精细计数通道采样的经过校正的数据，CFCb为从所述第二精 细计数通道采样的经过校正的数据，AOFFa*用于所述第一精细通道的偏移校正值，面 AOFFb为用于所述第二精细计数通道的偏移校正值；把所述粗略计数与所述经过补偿的状态对进行比较；调整所述粗略计数来与所述经过补偿的状态对相匹配。
32.如权利要求26所述的方法，其中提供了多个检测器，所述多个检测器中的每一个 都被构造成检测从所述衍射光栅衍射的光并且输出第一精细计数通道。
33.如权利要求27所述的方法，其中确定来自所述第一精细计数通道的数据集合的最 小和最大值包括确定所述数据集合中的三个最高值和三个最低值；如果三个最高值中的任一个与三个最高值的中值的差大于预定数量，或者如果三个最 低值中的任一个与三个最低值的中值的差大于预定数量，则丢弃所述最小和最大值。
34.如权利要求27所述的方法，其中确定来自所述第一精细计数通道的数据集合的最 小和最大值包括如果所述最小量与所述移动平均最小量的差多于预定数量，或者如果所述最大量与所 述移动平均最大量的差多于预定数量，则丢弃所述最小量和最大量。
35.如权利要求2所述的光学编码器，其中所述第一索引轨道被提供在沿径向方向的 所述信号轨道外侧，并且所述第二索弓I轨道被提供在沿径向方向的所述信号轨道内侧。
36.如权利要求15所述的编码器盘，其中所述第一索引轨道被提供在沿径向方向的所 述信号轨道外侧，并且所述第二索弓I轨道被提供在沿径向方向的所述信号轨道内侧。
全文摘要
一种光学编码器可以包括编码器盘、照明系统以及对从编码器盘衍射的光进行检测的检测器。编码器盘可以包括带有衍射光栅的信号轨道和带有反射索引标记的索引轨道，其中索引标记的宽度大于衍射光栅的间距。一种索引方法可以包括提供编码器盘，提供照明系统来把光导向编码器盘，提供被构造成对从编码器盘衍射的光进行检测的检测器，计算从索引脉冲的上升沿到索引间隔的中间的正交状态的估计计数，以及计算索引脉冲的大致中心处的正交状态。一种动态参数校正方法可以包括计算目标增益和偏移以及根据目标增益和偏移来对数值进行校正。
文档编号G01D5/36GK102007378SQ200980113401
公开日2011年4月6日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者弗雷德里克·约克 申请人:法罗技术股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
