专利名称：参考点泰伯编码器的制作方法
相关申请参考本申请涉及转让给本申请受让人的、与本申请同时提交的题为“谐波抑制光电探测器阵列(HARMONIC SUPPRESSINGPHOTODETECTOR ARRAY)”[代理人案卷号No.MCE-018(111390-140)]的正在审查的序列号为No.60/316,121的美国专利申请。该申请全文在此引作参考。
背景技术：
本申请涉及一种光学编码器。具体而言，本发明涉及一种改进的参考点光学编码器。
衍射光学编码器在位移检测系统领域中是众所周知的。可从本发明受让人以及从多个其他厂家购得这种装置。美国专利No.5,559,600和5,646,730描述了已知的光学编码器的例子。
最近的发展趋势是开发缩小尺寸的基于衍射的编码器。美国专利No.5,995,229；5,671,052；5,909,283；和5,991,249披露了这种缩小尺寸的编码器的例子。通常，这种缩小了尺寸的编码器的特征在于，其使用准单色(或近单色)固态光源，二元光栅，一个或多个检测元件，和少量其他光学元件。
这种已知的缩小了尺寸的编码器的一个问题在于，尺寸减小常常对其精度造成负面影响。因此，需要一种特点在于精度有所提高的且缩小了尺寸的衍射光学编码器。
发明内容
通过一种改进的衍射光学编码器，可以实现上述这些和其他目的。该编码器可以包括用于提供参考位置测量的标记(index)探测器。该标记探测器可以使用三单元(tri-cell)结构来实现。本发明还提供对标记探测器所产生信号进行处理的算法。本发明还具有用于提高衍射光学编码器精度的其他特征。
根据下面仅以说明本发明最佳模式的方式表示和描述了数个实施例的详细说明，对于本领域技术人员而言，本发明的其他目的和优点将显而易见。可想见，本发明也可以有其他的不同的实施方式，并且能够在多个方面对其多个细节进行变型，而所有变化均不会脱离本发明。因此，实质上将附图和说明视为例证性的，而非限制或限定性的，而在权利要求中指定本发明应用的范围。
附图简述为了进一步理解本发明的性质和目的，将参照下面结合附图的详细说明，其中使用相同的附图标记表示相同或相似部分，其中
图1表示根据本发明构成的衍射光学编码器的透视图；图2A表示根据本发明构成的衍射光学编码器的侧视图；图2B表示沿图2A中所示的线2B-2B方向作出的探测头的俯视图；图2C表示沿图2A中所示的线2C-2C方向作出的标尺(scale)的视图；图2D表示沿图2A中所示的线2D-2D方向作出的编码器的端(end)视图；图3A表示根据本发明构成的衍射光学编码器中所使用的标尺的视图；图3B和3C表示图3A中所示标尺的一部分的放大视图，表示根据本发明构成的衍射光学编码器可以使用的标尺的两种不同制造方法；图4表示衍射光学编码器的侧视图，表示一些光束从标尺朝向探测头衍射；图5表示在距标尺不同距离处的干涉条纹图案；图6表示根据本发明构成的探测头的更详细的俯视图；图7表示由本发明构成的编码器的标记检测器产生的原始信号曲线，以及根据本发明所产生的与这些原始信号相应的信号曲线；图8表示根据本发明构成的标记探测器的另一实施例；图9表示根据本发明构成的衍射光学编码器的端视图，其中探测头相对标尺倾斜；图10A-10D表示根据本发明用于使光源与标尺之间的光程长度，和标尺与探测器阵列之间的光程光度相等的不同方法；图11A表示在根据本发明构成的光学编码器中，一些光束从标尺衍射至探测头；图11B表示根据本发明构成的衍射光学编码器，其包括用于防止某些高级光束到达探测器阵列的掩模。
具体实施例方式
图1表示根据本发明构成的衍射光学编码器100的透视图。如图所示，编码器100包括三个基本元件光电组件或者探测头110；标尺160和信号处理器190。
图2A表示编码器100的侧视图。图2B表示沿图2A中所示线2B-2B方向作出的探测头110的视图。图2C表示沿图2A中所示线2C-2C方向作出的标尺160的视图。图2D表示沿图2A中所示线2D-2D方向作出的编码器100的端视图。为了便于说明，在图2A-2D中没有表示出信号处理器190。
参照图1和2A-2D，探测头110包括光源112，主探测器阵列120，以及标记或参考点探测器140。如图所示，光源112和探测器120、140均安装在同一基板111上。最好在硅单片上实现主探测器阵列120和标记探测器140。标尺160包括基板161，基板161上设置有一衍射光栅162和两个衍射光学元件(DOE)166。标尺160通常与探测头110相对设置，使二者分隔开固定距离d(如图2D中所示)，从而标尺160和探测头110可以沿图2A中箭头A-A所示的方向彼此相对移动。在使用过程中，编码器100监测标尺160相对探测头110的移动(沿箭头A-A方向)，并产生代表标尺160相对探测头110的位置的信号。
在使用时，光源112发射扩展或发散光锥102。光源112最好为准单色光(或者近单色光)源，并且可以使用垂直腔表面发射激光器(VCSEL)来实现。如图1中所示，最好将探测头110和标尺160设置成，当光锥102到达标尺160时，光锥102足够宽以便入射在一部分光栅162及其中一个DOE 166上。光锥102中的一部分光通过标尺160传播，并被标尺160衍射，并且这部分光最好不返回探测头110。而且，光锥102中的一些光被反射，并且向回衍射至探测头110。探测头110和标尺160最好设计成使(1)从光栅162朝向探测头110向回衍射的光，主要入射在探测器阵列120上，并且(2)从DOE 166向回朝向探测头110衍射的光主要入射在标记探测器140上。正如下面更为详细的讨论中所述，入射在探测器阵列120上的光，使编码器100提供探测头110相对标尺160位置的相对测量，而入射在标记探测器140上的光，使编码器100提供探测头110相对标尺160位置的标记点测量或者参考点测量。
图3A，3B和3C更详细地表示出标尺160。具体而言，图3B和3C表示图3A中所示区域310的放大视图。标尺160最好形成在玻璃状基板161上。光栅162可以由反光条164与透光条163交替构成，如图3B中所示。最好通过用高反射材料涂覆基板161的一些区域来形成反光条164。在本实施例中，通过不涂覆基板161而简单地形成透光条163。或者，可以使用光吸收条取代透光条。如图3C中所示，在另一实施例中，条可以都是反射性的，并且可以将交替的条设置成不同深度。图3B中所示类型的光栅162称作“振幅光栅”。图3C中所示类型的光栅162称作“相位光栅”。
无论是如图3B还是如图3C所示构成光栅162，每一条最好是细矩形，其短边平行于标尺的位移方向(即，平行于图1中所示的箭头A-A)。条纹中心到中心的距离(或者如图3B和3C中所示，条纹左边缘到左边缘的间隔)定义为光栅162的周期P。最好，条纹是等间距的，并且每一条纹的短边尺寸基本上等于光栅162周期P的一半。根据所需的系统性能，周期P一般在5至40微米之间，优选数值为20微米。理想情况下，在标尺两侧的暴露玻璃区域上，将标尺进行抗反射涂覆。
回到图1，光栅162将来自光锥102的光衍射成朝向探测头110引导的多个光锥。图4表示出与图2A中所示具有相同取向的编码器100的视图，图4表示光栅162将一些光锥103朝向探测头衍射。衍射光锥103彼此发生光学干涉，在标尺160与探测头110之间的空间中产生复杂的条纹状图案。
图5示意地表示距离光栅162不同距离处，由衍射光锥103之间的干涉所形成的干涉条纹的强度。如图所示，在距光栅162的距离为d2和d4处，光锥103之间干涉产生的光学条纹图案是一种具有相对较高对比度的周期性图案。相反，在距光栅162的距离d1和d3处，光学条纹图案具有相对较低对比度。可以将距光栅162距离为d2和d4的平面称作自成像平面，或“泰伯(或talbot)成像平面”。在这些talbot成像平面处，发射的衍射光锥具有与其在光栅处相同的相对相位，必然形成光栅162的自身的图像。正如美国专利No.5,991,249中泛泛提到的，这些高对比度成像平面有规律地出现，并且可以根据下面的公式(1)计算光栅与任一成像平面之间的距离。
z0z1(z0+z1)=NP2λ--(1)]]>在公式(1)中，z0等于光源112与光栅162之间的距离，z1等于光栅162与talbot自成像平面之间的距离，N为整数，P为光栅周期，λ为光源112所发射的光波长。
如图5中所示，第一talbot平面(距标尺距离为d2处)与第二talbot平面(距标尺距离为d4处)相位相差180度。通常，相邻talbot平面彼此有180度的异相。相邻talbot平面之间这种180度相位偏移的原因，在于在偶数平面(即N等于偶数的talbot平面)，所有各级衍射光具有其在光栅处的相同相对相位，而在奇数平面(即N等于奇数的talbot平面)处，0级衍射光180度异相，所有其他各级具有与其在光栅处相同的相对相位。
应当注意，图5中所示的图案第0级光束对图案有贡献时产生的条纹图案的特性曲线(例如当0级，正1级，负1级，以及具有其他更高级的衍射光束之间相互作用形成条纹图案时)。如果消除0级光束，则条纹图案看起来将与图5中所示的明显不同。具体而言，在具有1/2波长延迟的相位光栅情形中，较低对比度平面为Talbot成像平面，较高对比度平面处于Talbot成像平面之间。在较高对比度区域中，条纹图案不像振幅光栅的情形那样显示原始光栅的图像。实际上，相位光栅的条纹图案通常是谐波成份的复杂组合，其中主要为周期通常为图5中talbot平面中所示周期一半的成分。与振幅光栅的情况相同，来自相位光栅的条纹图案的周期以与距标尺的距离成正比例地增加。通常，难以预知相位光栅条纹图案将表现出最小谐波失真和/或噪声的平面。
因此，可以认为消除0级光束会导致编码器所监测的周期信号降质。不过，由于至少下述原因，设计其中消除了0级光束的编码器依然是有利的一个实际的原因是，在本发明的编码器设计中，通过传播快速滤除更高衍射级，并且所产生的条纹图案常常接近于纯正弦曲线形。
尽管相位光栅具有上述优点，不过本发明的优选光栅为振幅光栅。振幅光栅(如图3B中所示)比相位光栅(如图3C中所示)具有更广的商业来源。由于振幅光栅价格更为低廉，并且通常易于获得标尺，从而，设计使用振幅光栅的编码器是有利的。不过，使用振幅光栅即意味着存在0级光束。现在将讨论存在0级光束的编码器的设计。
在根据本发明构成的编码器中，探测头110和标尺160最好设置成，使探测器阵列120处于其中一个talbot成像平面中(即，标尺与探测器阵列探测平面之间的距离等于根据上述公式(1)计算出的z1)。正如由图2A和2D中显而易见的，在根据本发明构成的编码器中，光源112的上发光表面最好大体上与探测器阵列120的上表面或探测表面共面。从而，在根据本发明构成的编码器中，距离z0基本等于距离z1。在z0等于距离z1的情形中，上述公式(1)简化为下述公式(2)。
z0=2NP2λ--(2)]]>从而，为了保证探测器阵列120处于一个talbot成像平面中，在根据本发明构成的编码器中，最好可以调节探测头110与标尺160之间的距离d(如图2D中所示)，使标尺160与探测器阵列120之间的间隔基本等于用某些整数值N由公式(2)计算出的z0。不过，由于几乎不可能保证标尺160与探测器阵列120之间的实际距离精确地等于z0，最好选择该距离以使探测器阵列120的探测表面处于靠近一个talbot平面的区域。现在将讨论该区域的所需尺寸。
如图5中所示，标尺与第一talbot平面之间的距离为d2。此外，标尺与第n个talbot平面之间的距离为nd2(即，d2的n倍)。如果希望将探测器阵列设置在第n个talbot平面处，则标尺与探测器阵列之间的距离最好等于nd2加或减0.5d2。从而例如，如果希望将探测器阵列设置在第三talbot平面处，则应当将探测器阵列放置在从距标尺2.5d2到距标尺3.5d2的区域内。继续使用该例，如果标尺与探测器阵列之间的间隔等于3.0d2，则探测器阵列将正好处于第三talbot平面中。如果该距离稍大于或者稍小于3.0d2，则干涉条纹图案的对比度将稍小于最佳值，并且编码器的精度也相应地稍有减小。当探测器阵列从所需位置3.0d2进一步移动时，干涉条纹图案的对比度将持续减�。敝猎诰嗬�2.5d2或3.5d2处对比度达到最小数值(即在这些位置处对比度将为最小值，因为talbot平面由以最小对比度为特征的均匀间隔的平面分隔开)。由于talbot平面被最小对比度的均匀间隔的平面分隔开，则nd2加或减0.5d2表示探测器阵列将要放置的范围的最大尺寸。如果探测器阵列处于距标尺nd2加或减0.2d2的位置，则编码器的性能将增强，并且如果探测器阵列设置在距标尺nd2加或减0.1d2的位置，则编码器的性能将进一步增强。更普遍地是，探测器阵列120最好处于由两个平面所限定的区域内，其中第一平面与标尺间隔nd2加上xd2，第二平面与标尺间隔nd2减去xd2，其中x小于或等于0.5。x的优选值为0.2，x的更优选值为0.1。
如上所述，如果消除0级光束，则无论探测器阵列与标尺之间的间隔如何，高对比度干涉条纹图案均可以入射到探测器阵列上。因此，通过使用具有基本消除了0级光束的相位光栅(如图3C中所示)的标尺，可有利于减轻上面所讨论的对探测器阵列与标尺之间间隔的限制。在本实施例中，上部条(upper stripe)与下部(lower stripe)条之间的距离(或者下部条的深度)最好大体等于光源112所产生光的四分之一波长的N倍，其中N为奇数。使用这种相位光栅的另一个优点在于，其将光学干涉条纹图案的周期减小了两倍，从而可将编码器的分辨率增大两倍。或者，如果希望制造使用存在0级光束的相位光栅的编码器，则上部条与下部条之间的距离最好基本等于光源112所产生光的四分之一波长的(N+x)倍，其中N为奇数，并且x为小于0.5的小数。
如图5中所示，干涉条纹是周期性的，并且以周期T为特征。由于用扩展光锥照射光栅162，条纹的周期T通常是距光栅距离的函数，如下面的公式(3)中所示。
T=(z0+z1)*Pz0=(2z0+e)*Pz0=KP--(3)]]>在公式(3)中，z0为光源112与标尺160之间的光程长度，z1为标尺与探测器阵列120之间的光程长度，P为光栅周期，e为光源112与探测器阵列120之间的偏离(即z0与z1之差)，K为比例因子。
如从公式(3)可以看出，在光源与光栅之间的距离(z0)等于探测器阵列与光栅之间的距离(z1)(即e为零)的特殊情况下，比例因子K为2，从而干涉条纹的周期T一般等于恒定数值，该恒定数值为光栅周期P的两倍(即T＝2P)。因为，如上所述，在根据本发明构成的编码器中，光源112的上发光面优选为基本与探测器阵列120共面，光源与光栅之间的距离(z0)基本等于光栅与探测器阵列之间的距离(z1)。因此，在编码器100中，入射在探测器阵列120上的干涉条纹的周期T常常基本等于常数2P。
在使用时，标尺160沿图2A中所示箭头A-A的方向相对探测头110移动，引起入射在探测器阵列120上的干涉条纹图案沿箭头A-A的方向横跨探测器阵列120而移动。所入射的干涉条纹图案横跨探测器阵列上移动，相当于改变入射干涉条纹图案与探测器阵列之间的相角。探测器阵列120和相关的信号处理器190监测该相角，从而监测探测头110相对标尺160的位置。
最好将探测器阵列120构造成一种光电探测器阵列，以便于测量探测器阵列与入射在探测器阵列上的干涉条纹图案之间的相角。上面引作参考的正在审查中的，序列号为No.60/316,121，题为“谐波抑制光电探测器阵列(HARMONIC SUPPRESSING PHOTODETECTORARRAY)”[代理人案卷号为No.MCE-018(111390-140)]的美国专利申请，公开了可以用作探测器阵列120的多种探测器阵列。不过，任何可以能测量阵列与入射干涉条纹图案之间相角的探测器阵列都可用作阵列120。探测器阵列120产生的输出信号施加给信号处理器190。信号处理器190最好产生代表阵列120与入射在阵列120上的干涉条纹图案之间相角的输出信号。
图6表示与图2B中所示类似的探测头110的俯视图，不过图6示出附加细节。如图所示，探测器阵列120包括多个矩形光电探测器，其中的每一个光电探测器具有沿线L-L方向(即沿光电探测器长度方向)延伸的长轴，和沿线W-W方向(即沿光电探测器宽度方向)延伸的短轴。探测器阵列120最好设计成使用4-bin算法，从而阵列中的光电探测器最好与四个焊片121有电连接。处理电路190(未示出)与焊片121有电连接，以允许监测阵列120。光源112最好与两个焊片113有电连接，并由施加给两个焊片113的电信号控制。图6中还示出VCSEL 112的小孔114，VCSEL发射的所有光都能通过小孔114。
如图6中所示，最好由三单元结构构成标记探测器140，其包括一中央光电探测器142和设置在该中央光电探测器142两侧的两个端部光电探测器144。中央光电探测器142与焊片143有电连接。每个端部光电探测器144都电连接到焊片145上。处理电路190(图6中未示出)与焊片143、145电连接，以允许监测标记探测器140。中央探测器142最好对准光源112，使从小孔114平行于线L-L延伸出的直线可平分该中央探测器142。
参照图1，由光源112发射的发散光锥102照亮DOE 166。显然，当标尺160与探测头110沿图2A中所示箭头A-A方向彼此相对移动时，DOE 166将移入和移出光锥102。当光源102照亮DOE 166时，DOE 166将光锥102的光朝向标记探测器140衍射。最好使用变形波带片透镜构成DOE 166。当被光源102照射时，DOE 166最好产生光源112的“线成像(line image)”。即，DOE 166最好将“光线”向回朝向标记探测器140衍射。DOE 166所产生的并入射在探测头110上的线成像，最好基本平行于图6中所示的线L-L。
为了清楚起见，图1中的标尺160中仅表示出一个DOE 166。不过，如图2C和3A中所示，标尺160可以包括设置在光栅162两侧的两个DOE 166。到达标尺160的光锥102最好足够大，以便照射光栅162的一部分以及仅仅一个DOE 166。不过，如果标尺160上包括两个DOE 166，则在形成编码器100时，可以不考虑取向而将标尺160与探测头110组装在一起。也就是说，如果标尺160包括两个DOE 166，则无论标尺160是否头朝上或者头朝下安装，光锥102都将照射到一个DOE 166上。当然也可以只使用一个DOE 166构成标尺160。此外，标尺160也可以包括两个非对称设置的DOE 166(例如，一个DOE可以设置在标尺中心附近，另一个DOE可以设置在标尺端部附近)。
在使用中，当标尺160与探测头110彼此相对移动时(沿图2A中所示直线A-A的方向)，DOE 166产生的线成像将扫过标记探测器140。标尺160沿线A-A方向相对探测头110移动距离D，则使DOE166产生的线成像横跨探测头110移动的距离等于KD，其中K为从公式3得出的比例因子。从而，对于e为零的情形(即如公式(3)中所示，z0等于z1)，当标尺160相对探测头110移动时，DOE 166产生的线成像以两倍于标尺移动速度的速度横跨探测头110而移动。只有当DOE 166正好处于光源112照射下时(即当如图1中所示构造编码器时)，DOE 166所产生的线成像将处于标记探测器140的中央光电探测器142的中心。处理电路190产生代表入射在标记探测器140上的光的输出信号。该输出信号可以称作标记信号。优选地，每次DOE 166产生的线成像扫过标记探测器140时，标记信号为一个脉冲。显然，该脉冲为测量标尺160与探测头110的相对取向提供了标记点或参考点测量。由于入射在阵列120上的干涉条纹图案是周期性信号，因而对探测器阵列120所产生的标尺160与探测头110之间距离或位移的测量，是相对测量值。不过，当光源112，DOE 160和标记探测器140均处于特定取向时，DOE 160产生的线成像将只入射在标记探测器140上，这就是标记信号提供参考测量值的原因。
处理电路190可以使用多种算法产生标记信号。最好，处理电路190使用对标记探测器140所产生的输出信号的改变不敏感的算法，这种改变可能是由光源强度变化，杂散光，以及探测头110与标尺160未对准引起的。优选地，该标记信号的特征在于，当由DOE 166衍射的线成像扫过标记探测器140时产生一脉冲，并且该脉冲的宽度最好基本等于光栅162的周期P。这种脉冲宽度使脉冲可以唯一识别，或者与光栅162所产生的一个干涉条纹图案相一致。在一个优选实施例中，中央光电探测器142的宽度(沿图6中所示直线W-W方向测量的)基本等于光栅162周期P的两倍。在本实施例中，只要DOE 166所产生的线成像的中心入射在中央光电探测器142上，标记信号就优选为高，并且在所有其他时刻优选为低。
图7表示，当线成像700在阵列上沿箭头702所示的从左到右方向移动时，标记探测器140所产生的输出信号的大体形状。曲线A表示，当线成像700移过光电探测器时，左端光电探测器144产生的输出信号的形状。曲线B表示，当线成像700移过光电探测器时，中央光电探测器142所产生的输出信号的形状。最后，曲线C表示，当线成像700移过光电探测器时，右端光电探测器144所产生的输出信号的形状。由原始输出信号A、B和C产生标记信号的一种优选方法，是处理电路190根据下面的公式(4)产生两个信号S1和S2。
S1＝-A+2B-C(4)S2＝A-2B+C图7还表示出由图7中所示的原始信号A、B和C根据公式(4)产生的信号S1和S2。从公式(4)显然可以看出，由于入射在标记探测器140的所有三个光电探测器上的任何光都会被消除，或者对S1和S2均无贡献，因而信号S1和S2两者都与杂散光无关。
如图所示，当线成像700的中心入射在中央光电探测器142上时，信号S1通常包含一个正峰值。此外，由于线成像中的固有的衍射效应，信号S1包含若干旁瓣或振铃效应(ringing)。同样，当线成像700的中心入射在中央光电探测器142上时，信号S2通常包含一个负峰值，和由线成像中的衍射效应产生的若干旁瓣。下面的公式(5)表示由信号S1和S2产生标记信号的一种优选方法。
在公式(5)中，O为恒定偏移，其最好大于S1和S2中的预期旁瓣峰值，并且还最好小于预期的最小的S1的最大值。
图7还表示根据公式(5)产生的标记信号。如图所示，该标记信号具有所希望的性质，即只要DOE 166产生的线成像的中心入射在中央光电探测器142上，该标记信号就等于1或者为一个高值，而在所有其他时刻等于零或低值。这种标记信号的特征在于，只要DOE166产生的线成像扫过标记探测器140，该标记信号就为一个脉冲信号。
虽然使用公式(5)是产生标记信号的优选方法，不过可以想见也可以使用其他方法。例如，当信号S1大于某一选定的恒定数值时，可以简单地将标记信号设置成一个高值。
端部光电探测器144的宽度最好等于中央光电探测器142的宽度。这就保证杂散光对信号S1和S2没有贡献。不过，可以想见，在其他实施例中，端部光电探测器144的宽度可以与中央光电探测器142的宽度不同。使用宽度与中央光电探测器142不同的端部光电探测器144的优点在于，这种结构通过求平均将线成像中的衍射效应消除，因而可以减小信号S1和S2的旁瓣。并且，调节探测器宽度和/或间距，使得端部光电探测器信号中的振铃效应可以抵消来自中央光电探测器的信号中的振铃效应。如果使用这种方法，则最好改变公式(4)中原始信号的权重，使信号S1和S2对于杂散光依然不敏感。在其他实施方式中，可以仅由中央探测器142构成标记探测器140，除去端部探测器144。不过，由于这种方法所产生的标记信号对噪声和未对准过于敏感，因而不是优选的方法。
图8表示标记探测器140的另一实施例。在该实施例中，探测器140包括两个双元(bi-cell)探测器140A和140B。双元探测器140A包括中央探测器142和左端探测器144。双元探测器140B包括中央探测器142和右端探测器144。两个双元探测器最好设置成，使得沿图6中所示直线L-L方向从光源112延伸的直线可平分两个双元探测器140A和140B的中央探测器142。可以想见，使用双元探测器140A、140B，根据上面的公式(4)易于产生信号S1和S2。例如，可以简单地通过将两个中央探测器142产生的输出信号加在一起，并从和中减去两个端部探测器144产生的输出信号就可产生信号S1。
图9表示根据本发明构成的衍射光学编码器100优选实施例的端视图。图9表示沿图2A中所示直线2D-2D方向看去的编码器100的视图。图2D与图9的主要区别在于，在图9中探测头110相对光栅160倾斜(而非基本平行)。具体而言，探测头110围绕一个基本平行于标尺160运动方向(即平行于图2A中所示的直线A-A)的轴倾斜。编码器100的优选实施例包括如图9中所示的倾斜。如图9中所示使探测头110相对光栅160倾斜可带来至少两个优点。第一，减小了从标尺160向回反射到光源112中的光量。第二，增大并使到达探测器阵列120与标记探测器140的光量平衡。
通常，不希望从标尺反射的光进入光源112。首先，即使最好的VCSEL光源也会受到再次进入激光介质的反射光的不利影响。第二，由于激光的发射表面稍稍带有反射性，到达该表面的任何光都将反射回标尺160。这使反射和/或衍射的杂散光加倍，如果不适当加以控制的话，可能会在被检测信号中产生额外分量。在本发明中，有意选择在光电子平面与标尺之间倾斜，以使这些额外光束远离探测器。如图9中所示，探测头110相对标尺倾斜，可以有效地(1)防止标尺反射的光重新进入光源112，或者明显减少这种光的光量，和(2)保证由光源反射出的光不能到达探测器，或者明显减少这种光的光量。
在探测头110与标尺160之间引入倾斜的第二个作用，在于增大和平衡到达探测器的光。最好将探测头110倾斜，以使镜面反射光锥的峰值强度处于探测器阵列120与标记探测器140的中间位置附近。这可以使入射在两个探测器区域120、140上的光量最大化，同时使两个区域上的光强降落最小化。
如上所述，将编码器100设计成使光源112与标尺160之间的光程长度基本上等于标尺160与探测器阵列120之间的光程长度，是有益的。这样做可以保证入射在探测器阵列120上的干涉条纹图案的周期与探测头110和标尺160之间的距离无关。当光源112为沿垂直于探测头110平面的方向发射光的VCSEL时(如图1中所示)，可以通过使探测器阵列120的顶面与光源112的发射面共面而使光程长度相等。不过，由于光源和光电探测器均表现为具有特定厚度，实际上难以使这些表面共面。
图10A表示一种使这些表面共面的技术。如图10A中所示，在探测头110的基板111中蚀刻出沟槽900。探测器阵列120的光电探测器或者光源112其中任何一个可以设置在沟槽900内，如方框910所示。可以想见，使用这种沟槽可以补偿探测器阵列120与光源112的厚度差。可以通过切削基板111或者通过使用光刻技术，形成诸如沟槽900的沟槽。
图10B表示另一种使这些表面共面的技术。如图10B中所示，在探测头112的基板111的上表面上设置垫片912。如方框910所示，可以将探测器阵列120的光电探测器或者光源112设置在这样的垫片上。例如，可以通过材料沉积或者通过将预先形成的垫片粘帖到基板111的顶面上，从而形成所需厚度的垫片如垫片112。
图10C和10D说明了如何使用边缘发射(edge emitting)激光二极管取代VCSEL来形成光源112，并且说明了用于使光源112与标尺160之间的光程长度，和标尺160与探测器阵列120之间的光程长度相等的其他方法。在图10C中，使用以基本平行于探测头110上表面方向发射光的边缘发射激光二极管作为光源112。在本实施例中，探测头110还包括设置在光源112光路中的反射镜920。反射镜920将光源112发射的光锥向上朝向标尺(未示出)反射。在图10D中，也使用边缘发射激光二极管构成光源112。在该实施例中，光源设置在探测头110的基板111中所形成的沟槽900中。使沟槽900的一个边缘930具有反射性，从而边缘930将光源112发射的光锥向上朝向标尺(未示出)反射。可以想见，可以使用反射棱镜或者如美国专利No.6,188,062中所述的蚀刻折叠式反射镜作为反射镜920或反射边缘930。图10C和10D中所示结构均影响光源112与标尺之间的光程长度。可以想见，可使用这种结构使光源112与标尺之间的光程长度，和标尺与探测器阵列120之间的光程长度相等。
或者，为了避免如图10A-10D中所提出的，使用沟槽和垫片来使光源112与标尺160之间的光程(z0)，和标尺160与探测器阵列120之间的光程(z1)相等所带来的成本，可以放弃具有相等光程长度，并且干涉条纹周期与标尺和探测器阵列之间的距离无关的想法。在这种情形中，入射在探测器阵列120上的干涉条纹的周期T，与光栅周期P成正比，并由上面的公式(3)给出。当设计这种编码器时，需要校准标尺与探测器阵列之间的比例因子，并从而优化编码器。
在z0等于z1，并且不存在其他未对准的理想情况下，编码器比例因子基本上等于2(即，因为入射在探测器阵列上的干涉条纹周期T基本等于光栅周期P的两倍)。不过，实际上，与根据本发明构成的光学编码器有关的实际比例因子倾向于接近2，但并非确切等于2。比例因子通常不确切等于2的一个主要原因，是难以足够精确地测量部件，并且足够精密地制造出垫片/沟槽以使z0严格等于z1。此外，其他因素如未对准，也会干扰比例因子，使之偏离理想数值2。最后，光学编码器的最佳比例因子为1，其可产生最高精度性能，与干涉条纹或探测器周期的实际大小没有直接关系。
假设这种判断标准(最佳精度)，现在将讨论确定根据本发明构成的光学编码器的比例因子，然后根据测得的比例因子校准编码器的优选方法。优选地，制造校准探测头和校准标尺。校准标尺具有与光栅162类似的校准光栅，不过其特征并非具有基本均匀的周期(如光栅162优选具有均匀周期)，校准光栅包括几个不同部分，每个部分的特征为具有唯一的周期。一个部分制成具有设计周期P(例如P等于20微米)。其他部分的特征在于周期稍稍偏离P。优选地，校准光栅的各个部分以大约0.5％的P为递增步长覆盖P左近的周期范围。也就是说，各个部分的周期大约为P，0.995P，1.005P，0.990P等。本发明者观察到，+/-3％的周期范围一般包括最佳周期。当然，如本领域技术人员显然可以想到，如果在该范围的端点处可以观察到最佳性能，则应当制造新的具有更宽范围的校准光栅。各个校准部分可以在同一基板上空间分布，并且间隔得足够大，以便于识别和选择。为了易于使用和调节，各部分的轴都应当平行。校准探测头包括校准探测器阵列，其最好设计成(例如使用上面指出序列号为No.60/316,121，题为“谐波抑制光电探测器阵列(HARMONIC SUPPRESSINGPHOTODETECTOR ARRAY)”[代理人案卷号为No.MCE-018(111390-140)]的美国专利申请中所述的一种方法)用以测量入射在阵列上的干涉条纹图案的相角，该干涉条纹图案的周期T基本上等于设计值2P。然后使用校准探测头和校准标尺形成校准编码器(例如，如图2A-2D中所示)。
如果校准编码器的编码器比例因子确切等于2(没有其他干扰作用)，则当使用具有周期P的校准光栅部分的校准探测器阵列时，校准编码器将提供最精确的结果。不过，一般，当校准探测器使用某些其他校准光栅部分时，实际上将产生最为精确的结果。最好使用每个校准光栅部分来检测校准编码器，以判断哪一个校准光栅部分可提供最精确的结果。典型地，由编码器输出与位移精度传感器(displacement truth sensor)之间的均方根(rms)差来判断每次测量的精度，其中位移精度传感器对光栅运动进行同步测量。激光干涉仪可以成功地用作精度传感器(truth sensor)。
由于校准编码器设计成使用周期为P的光栅，不过最为精确的结果通常由具有周期为FP的校准光栅部分获得，从而可以假设在制造可供使用的编码器时，应当使用所测得的校准因子F。尤其是，可供使用的编码器应当或者使用周期为FP的光栅，或者应当将探测器阵列周期T变成T/F。
此时，通过用标尺160代替校准标尺，用探测头110代替校准探测头，根据本发明可以制造大量编码器。根据本发明用于制造编码器的一种方法，使用(1)具有以周期FP为特征的光栅162的标尺，和(2)具有探测器阵列120的探测头，其中该探测器阵列120用于测量周期T基本等于2P的入射干涉条纹图案的相角。这种方法的问题，是所产生的光栅162周期FP不可能为标准长度单位(即微米或毫米)的整数倍。因此，例如，这种光栅的光栅周期可以为20.2微米，而非典型的20微米。从而，根据本发明用于构成编码器的最佳方法，是使用(1)周期为P的光栅162，和(2)具有探测器阵列120的探测头，其中该探测器阵列120用于测量周期基本上等于2P除以比例因子F的入射干涉条纹图案的相角。优选后一种方法，因为其允许根据本发明构成的任何一种探测头可与工业标准标尺一起互换使用。
如果编码器中包含标记探测器140，可以想见，还希望根据校准比例因子调节标记探测器元件的宽度。例如，使标记探测器140的中央光电探测器的宽度基本等于光栅162的周期P除以比例因子F，这样更为有利的。
图11A和11B表示根据本发明构成的编码器可包含的其他特征。图11A和11B均表示从与图2A的相同的视角看去的衍射光学编码器100的侧视图。图11A表示从探测头110向上朝向标尺160延伸的发散光锥102。图11A还表示被标尺160的光栅162向下朝向探测器阵列120衍射的三个光束。具体而言，图11A表示0级光束，用附图标记1000表示其左边界和右边界；负1级光束，用附图标记1001表示其左边界和右边界；以及负3级光束，用附图标记1003表示其左边界和右边界。如图所示，0级、负1级和负3级光束均入射在探测器阵列120上。可知其他光束(例如正1和3级，以及正和负5级光束)也入射在探测器阵列120上，不过为了便于说明，在图10A中没有表示出这些光束。图11A中所示编码器的问题在于，大量衍射光束都入射在探测器阵列120上，并且这些光束的存在会降低所产生的入射在探测器阵列120上的干涉条纹图案的质量。
图11B中所示的编码器100与图11A中所示相似，不过，图11B的编码器还包括掩模1010。如图所示，掩模1010靠近标尺160设置，处于探测头110与标尺160之间。掩模1010还限定了中央小孔1012。掩模1010防止光锥102中的大多数光到达标尺160。即，仅有穿过小孔1012的光到达标尺160。最好由吸收材料制造掩模1010，使入射在掩模1010上的光被简单地吸收，不向回朝向探测头110反射。掩模1010有利于限制被标尺160向回朝向探测头110衍射的光束的角度范围。在图11B所示的编码器中，0级和负1级光束入射在探测器阵列120上，不过负3级光束没有入射到探测器阵列120上。可知如果3级光束没有入射到探测器阵列120上，则所有更高级光束也将没有入射在探测器阵列上(即与所示的负3级光束相比，更高阶光束将处于探测器阵列120的更左或更右处)。从而通过去除不希望的更高级光束，掩模1010有利于提高入射在探测器阵列120上的干涉条纹图案的质量。在使用时，掩模1010和探测头110最好彼此保持相对固定，而标尺160相对探测头110移动(在图11B所示结构中向左和向右)。
如上述序列号为No.60/316,121，题为“谐波抑制光电探测器阵列(HARMONIC SUPPRESSING PHOTODETECTOR ARRAY)”[代理人案卷号No.MCE-018(111390-140)]的美国专利申请中所述，优选的探测器阵列对于第3级谐波不灵敏。并且，使用占空系数为50-50的光栅，防止所有偶数级光束到达探测器阵列120。因此，小孔1012不必很小以保证第3或第4级光束不到达探测器阵列。最好，小孔1012为矩形，并且小孔的宽度小到刚好足以防止第5级衍射光束到达探测器阵列120。最好选择小孔1012的高度，使光锥102的光能够同时照射光栅162和DOE 166。
在根据本发明构成的编码器的一个优选实施例中，探测头110与标尺160之间的距离d基本等于4.7mm，并使用VCSEL作为光源112，其光锥角等于大约17度，VCSEL发射的光波长基本等于850nm，探测头110与标尺160之间的倾斜角基本上等于8度，光栅162的周期P基本上等于20微米，并且探测器阵列120用于监测周期基本等于40微米的入射干涉条纹图案。在另一优选实施例中，限定矩形小孔1012的掩模1010的特征为，宽度基本上等于0.4毫米，高度基本上等于1.2毫米，该掩模1010设置在探测器头110与标尺160之间，并且掩模1010与标尺160分隔的距离基本上等于250微米。
已经披露了几种用于构造改进的衍射光学编码器的方法。可以想见，根据本发明通过采用一种或多种这些方法可以构造编码器。例如，根据本发明可以构造包括标记探测器而不包括掩模的编码器(例如如图11A和11B中所示)。同样，根据本发明可以构造包括掩模而不包括标记探测器的编码器。此外，根据本发明还可以构造同时包括掩模和标记探测器的编码器。
由于在不脱离此处所包含的本发明范围的条件下可以对上述装置进行某些变型，意味着上面描述中所包含的或者附图中所示的所有内容将理解为说明性而非限制性的。
权利要求
1.一种光学编码器，包括A、标尺，该标尺包括光栅和光学元件；B、探测头，该探测头包括均设置在基板上的光源、探测器阵列和标记探测器，标尺与探测头相对设置，并且设置成可相对探测头移动，标尺与最靠近该标尺的talbot成像平面之间的距离等于d，探测头处于被第一平面和第二平面限定的区域内，第一平面与标尺之间分隔开的距离基本等于n倍d加上d倍x，第二平面与标尺之间分隔开的距离基本等于n倍d减去d倍x，n为整数，x小于或等于0.5，光源发射发散光束，发散光束射向标尺，光栅将发散光束的光朝向探测器阵列衍射，光学元件将发散光束的光朝向标记探测器衍射，探测器阵列对探测头相对标尺的位置进行测量，标记探测器提供探测头与标尺位置的参考测量。
2.如权利要求1所述的编码器，其中基板设有沟槽，光源与探测器阵列中至少一个设置在沟槽中。
3.如权利要求1所述的编码器，还包括设置在基板上的垫片，光源与探测器阵列其中至少之一设置在垫片上。
4.如权利要求1所述的编码器，其中所述标记探测器包括一个中央光电探测器，左光电探测器和右光电探测器。
5.如权利要求1所述的编码器，其中x小于或等于0.2。
6.如权利要求1所述的编码器，其中x小于或等于0.1。
7.一种光学编码器，包括A一个标尺，该标尺包括光栅和光学元件；B探测头，该探测头包括均设置在基板上的光源和探测器阵列，标尺与探测头相对设置，并且标尺设置成可相对探测头移动，标尺与最靠近该标尺的talbot成像平面之间的距离等于d，探测头处于被第一平面和第二平面限定的区域内，第一平面与标尺之间分隔开的距离基本等于n倍d加上d倍x，第二平面与标尺之间分隔开的距离基本等于n倍d减去d倍x，n为整数，x小于或等于0.5，光源发射发散光束，发散光束朝向标尺射出，光栅将发散光束的光朝向探测器阵列衍射；C设置在标尺与探测头之间的掩模，该掩模设定有小孔，该掩模相对探测头基本保持固定，设计该小孔的大小并且设置成大体上可防止光栅衍射的第5级光束到达探测器阵列。
8.一种光学编码器，包括A标尺，该标尺包括光栅和光学元件；B探测头，该探测头包括均设置在基板上的光源、探测器阵列和标记探测器，标尺与探测头相对设置，并且标尺设置成可相对探测头移动，光源发射发散光束，发散光束朝向标尺射出，光栅将发散光束的光朝向探测器阵列衍射，光学元件将发散光束的光朝向标记探测器衍射，探测器阵列对探测头相对标尺的位置进行测量，标记探测器提供探测头相对标尺位置的参考测量，该标记探测器包括三个光电探测器。
9.如权利要求8所述的编码器，其中标记探测器的三个光电探测器为左光电探测器，右光电探测器和中央光电探测器，三个光电探测器中的每一个都产生输出信号。
10.如权利要求9所述的编码器，还包括用于产生第一信号的处理电路，第一信号代表中央光电探测器产生的输出信号的两倍减去左和右光电探测器产生的输出信号的和得到的差值。
11.如权利要求10所述的编码器，其中所述处理电路还产生第二信号，该第二信号代表第一信号的负一倍。
12.如权利要求11所述的编码器，其中所述处理电路还产生标记信号，当第一信号大于第二信号加上偏离值时，该标记信号等于第一值，否则该第一信号等于第二值。
13.如权利要求9所述的编码器，其中该中央光电探测器包括多于一个的光电探测器。
全文摘要
本申请披露了一种光学编码器，包括标尺和探测头。该标尺包括一光学元件。该探测头包括均设置在基板上的光源、探测器阵列和标记探测器。标尺设置成与探测头相对，并且设置成可相对探测头移动。选择标尺与探测头之间的距离，使探测器阵列靠近talbot成像平面。光源发射朝向标尺引导的发散光束。光栅将发散光束的光朝向探测器阵列衍射。光学元件将发散光束的光朝向标记探测器衍射。探测器阵列对探测头相对标尺的位置进行测量。标记探测器提供探测头相对标尺的位置的参考测量。
文档编号G01D5/12GK1582387SQ02821930
公开日2005年2月16日 申请日期2002年8月12日 优先权日2001年8月30日
发明者威廉·G·索伯恩, 诺曼·J·托比, 梅尔文·J·J·特尔, 道格拉斯·A·克林拜尔, 拉尔夫·A·凯利埃尔 申请人:微电系统公司
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
