[发明专利]具有用于谐波抑制的倾斜光探测器元件的光学编码器

说明书

技术领域

本发明涉及光位置编码器领域，并且更具体地，涉及采用用于抑 制出现在编码器内的周期性光学干涉图案中的不期望的谐波分量的技术 的光位置编码器。

背景技术

一种通常类型的光位置编码器采用：相干光源；相对于光源可活 动的衍射光栅；和探测器，用于采样由衍射光栅衍射的来自光源的光产 生的干涉条纹的图案。当光栅随着其位置正进行测量的物体运动时，干 涉条纹的图案具有成比例量的明显运动。该探测器在足够数目的位置处 采样图案，以产生干涉条纹的空间相位的估计，其可容易地转换成物体 的位置的估计。

在一种普通结构中，光学编码器采用所谓的“四槽(four- bin)”采样和处理方法。假设：条纹图案沿运动方向的分量实质为正 弦，其至少对于第一级近似是精确的。该探测器包括一组或更多组四个 分离单元，并且每个组的元件彼此以90度偏置布置。对分离180度的 两个元件的输出进行组合以得出表示条纹图案的相位角的“正弦”值。 类似地，对其它两个元件的输出进行组合以得出表示相位角的“余弦” 值。然后，该位置估计得出作为与正弦和余弦值的比率的反正切成比例 的值。存在能够采用的多种变体，包括采用诸如三槽或六槽采样的其它 采样结构的变体。

在衍射光学编码器中，该条纹图案优选地为尽可能的正弦形状， 以避免当这种假设无效时必定出现的位置估计中的误差。可能存在许多 噪声源或其它信号分量，从理想正弦特征失真条纹图案。一种特别的问 题在于谐波失真，即出现其频率为条纹图案的基频整数倍的周期分量。 编码器中的光栅与/或其它光学部件的特征可引入能够导致位置估计误 差的不期望的谐波失真。例如，采用所谓Talbot效应的编码器可具有 许多衍射级，其在探测器处干涉以产生具有多谐波分量的复杂条纹图 案。

在许多情况中，在干涉条纹图案中出现的任何谐波失真在接收探 测器输出的信号处理器中进行滤波。虽然这种方式可能适合用于一些应 用，而在其它应用中则是困难的或不可能的。在其它困难中，这种滤波 可能需要不期望的大量处理资源，这能够导致增加的成本和其它缺点。

已知采用特殊设计的探测器，所述探测器趋向于对干涉条纹图案 的特定谐波分量更小的敏感性。例如，Thorburn等人的美国专利申请 公开2003/0047673A1示出了一种谐波抑制光学探测器，其中：选择各 个光学探测器元件的形状、尺寸和位置，使得减小了诸如三阶谐波之类 的特定谐波的级。特别地，Thorburn等人公开的应用教授了用于第三 阶谐波的探测器，其中：矩形探测器元件的宽度等于第三阶谐波的空间 周期的T/3。结果，该探测器元件对干涉图案的这种特定分量不敏感， 并且与基本分量的幅度相比，探测器输出信号中的这种分量的幅度极 低。该探测器元件设置为使得能够执行四槽处理。

美国专利6,018,881示出了一种磁性位置测量系统，采用通过对 第三阶谐波进行滤波的抑磁(MR)探测器的倾斜结构。该滤波减小了由 MR元件的高非线性响应导致的失真，其主要由于所谓的“饱和区域” 中的操作。

发明内容

虽然采用诸如在Thorburn等人发布的申请中所示的谐波抑制光测 器阵列的编码器能够实现对不期望谐波分量的良好抑制，它们可能不适 合所有应用。在许多情况中，最关注的谐振分量是第三阶分量，因为其 幅度可能实质比诸如5th、7^th等的更高阶奇数谐波更大。然而，对具有 宽度T/3的探测器元件的需要一定程度上与四槽采样方法不一致。在条 形图案的一个周期内不可能并排布置四个探测器元件，并且每个具有 T/3的宽度。在Thorburn等人发布的申请中，采用交替布置，其中： 通常涉及采用适合的相位偏置，分布自关于条形图案的多个周期的一组 的探测器元件。在已知的交替方案中，每组的元件沿垂直于标尺的运动 方向的方向分离，以便：例如仅两个宽度T/3的元件并排布置。虽然在 四槽采样范围内，这些布置用于提供采用相对宽的探测器元件，它们可 具有阻碍其用于任何特殊的编码器中的其它缺点。

在当前公开中，示出了独立于其宽度表现出谐波抑制的光学探测 器。该公开的光学探测器采用相对于干涉条纹的倾斜方位，用于空间积 分不期望的谐波分量，并且从而抑制其对探测器输出的贡献。结果，探 测器能够采用更灵活的方式布置，以便容易采用四槽采样方案。