[发明专利]一种用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器

说明书

一种光学编码器配置包括标尺、照明源和光电检测器配置。照明源被配置为向标尺输出结构化照明。标尺沿着测量轴方向延伸并且被配置为输出标尺光，该标尺光形成检测器条纹图案，该检测条纹图案包括沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸的周期性高强度带和低强度带、并且沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向是相对窄的而且是周期性的。当标尺光栅沿着测量轴方向移位时，高强度带和低强度带沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向移动。光电检测器配置被配置为检测沿检测到的条纹运动方向的高强度带和低强度带的位移，并提供指示标尺位移的相应空间相位位移信号。

相关申请的交叉引用

本申请是于2017年6月29日提交的标题为“用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置(CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATIONFOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS)”的美国专利申请序列号15/637,750的部分继续申请，它们的公开内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明总体上涉及精确位置或位移测量仪器，并且更具体地涉及一种具有信号处理的编码器配置，该信号处理能够抵抗可以与标尺的污染或缺陷部分相关联的错误。

背景技术

光学位置编码器确定读数头相对于标尺的位移，该标尺包括由读数头检测到的图案。典型地，位置编码器采用包括至少一个具有周期性图案的标尺轨道的标尺，并且从标尺轨道产生的信号作为读取头沿着标尺轨道的位移或位置的函数而是周期性的。绝对式位置编码器可以使用多个标尺轨道在沿着绝对标尺的每个位置提供独特的信号组合。

光学编码器可以利用增量或绝对位置标尺结构。增量位置标尺结构允许读数头相对于标尺的位移通过沿着标尺从初始点开始累积位移的增量单位来确定。这种编码器适用于某些应用，特别是那些线路功率可用的应用。在低功耗应用(例如，电池供电仪表等)中，更希望使用绝对位置标尺结构。绝对位置标尺结构在沿标尺的每一个位置提供独特的输出信号或信号组合，因此允许各种节能方案。美国专利号3,882,482；5,965,879；5,279,044；5,886,519； 5,237,391；5,442,166；4,964,727；4,414,754；4,109,389；5,773,820和5,010,655 公开了与绝对位置编码器相关的各种编码器配置和/或信号处理技术，并且因此通过引用将其全部内容合并于此。

一些编码器配置通过在编码器配置的照明部分中利用照明源光衍射光栅而实现某些优点。其中的每一个通过引用整体并入本文的美国专利号 8,941,052；9,018,578；9,029,757和9,080,899公开了这样的编码器配置。这些专利中公开的一些配置也可以表征为利用超分辨率莫尔成像。

在各种应用中，制造缺陷或污染(如标尺轨道上的灰尘或油)的标尺可能会干扰读数头检测到的图案，而在结果位置或位移测量中造成误差。一般来说，由缺陷或污染引起的误差大小可能取决于这样的因素，诸如缺陷或污染的大小、标尺上的周期性图案的波长、读数头检测器区域的大小、这些尺寸之间的关系等等。已知用于响应编码器中的异常信号的各种方法。几乎所有这些方法都基于禁用编码器信号，或提供“错误信号”以警告用户，或调整光源强度以增强低信号等。然而，尽管由于某些类型的标尺缺陷或污染而产生的异常信号，但这种方法不能提供继续精确测量操作的手段。因此这些方法具有有限的实用性。在日本专利申请JP2003-065803('803申请)中公开了确实减轻标尺污染或缺陷对测量精度的影响的一种已知方法。'803申请教导了一种方法，其中两个或多个光电检测器输出具有相同相位的周期性信号，这些信号分别输入到各自的信号稳定性判断装置。信号稳定性判断装置仅输出被判断为“正常”的信号，并且“正常”信号作为位置测量的基础被组合。位置测量计算中排除了“异常”的信号。然而，在'803申请中公开的判断“正常”和“异常”信号的方法具有某些缺点，限制了'803申请的教导的实用性。