CN102279009B - 光学编码器 - Google Patents

Abstract

提供了一种能够在光接收元件中获得足够光量的小型化光学编码器。光学编码器1包括具有标尺轨道2′的标尺2、和读取头3，读取头3具有向标尺轨道2′发送光线的光源31、将从光源31发射的光线透射到标尺轨道2′的标尺侧透镜32、和接收由标尺轨道2′反射通过标尺侧透镜32的光线的光接收元件33。光源31被安排在标尺侧透镜32与光接收元件33之间。光源31的光轴Lsrc在标尺2的读取方向与标尺侧透镜32的光轴Ls重合，而在与标尺2的读取方向垂直的方向与标尺侧透镜32的光轴Ls分开预定距离D。

Description

光学编码器

技术领域

本发明涉及光学编码器，尤其涉及适合用在主照射线在与编码器的读取方向垂直的方向偏离透镜轴的光学编码器的紧致“离轴”读取头中使用的透镜设计和安排。

背景技术

在现有技术中，已知光学编码器包括具有网格状或条纹状标尺刻度线的标尺和读取头。读取头具有向标尺发射光线的光源、和接收标尺反射的光线的光接收元件，以便根据光接收元件接收的光线测量读取头相对于标尺的位置。一些示范性光学编码器公开在日本专利申请公开第2003-307440号(“专利文献1”)和第2006-284564号(“专利文献2”)中。

公开在专利文献1中的光学编码器包括标尺刻度线(标尺)和反射型光学阅读器(读取头)，该反射型光学阅读器具有发光二极管(光源)、物镜、和光接收单元(光接收元件)。另外，该反射型光学阅读器具有安排在发光二极管与物镜之间的半透明反射镜(half-mirror)，以便将从发光二极管发射和通过物镜引向标尺刻度线的光线的光路与标尺刻度线反射和通过物镜引向光接收单元的光线的光路分开。

但是，在公开在专利文献1中的光学编码器中，由于光接收单元接收通过半透明反射镜的光线，所以可能存在不能获得足够光量的问题。另外，如果增大从发光二极管发射的光量以便获得足够光量，则发光二极管的功耗将增大，而且，发光二极管的寿命将缩短。

另一方面，公开在专利文献2中的光电编码器(光学编码器)包括标尺、光源、透镜、和光接收元件。在该光电编码器中，通过透镜将从光源发射和引向标尺的光线的光路与标尺反射和引向光接收元件的光线的光路分开，并且通过按沙伊姆弗勒(Scheimpflug)关系排列标尺、透镜、和光接收元件，使光接收元件获得足够光量。

发明内容

但是，在公开在专利文献2中的光电编码器中，不能平行地排列标尺和光接收元件。因此，存在光电编码器的尺寸变大的问题。

另外，在公开在专利文献2的第五实施例中的光电编码器中，通过在标尺与光接收元件之间排列四个透镜来平行地排列标尺和光接收元件。但是，在这种光电编码器中，由于将四个透镜排列在标尺与光接收元件之间，所以同样存在光电编码器的尺寸变大的问题。

本发明提供了能够在光接收元件中获得足够光量以及标尺轨道的清楚不失真图像，以便提供高分辨率测量的小型化光学编码器。

按照本发明的光学编码器包括标尺，所述标尺包括沿着所述标尺的读取(即，测量)方向延伸的一条或多条标尺轨道。所述标尺轨道包含刻度线的图案，各种刻度线图案在技术上是已知的。标尺轨道可以包括，例如，网格状或条纹状标尺刻度线的图案，或绝对位置码等。所述光学编码器还可以包括读取头，所述读取头具有向所述标尺轨道发射光线的光源。所述读取头包括与所述标尺平行排列和接收所述标尺轨道反射的光线的光接收元件，以便根据所述光接收元件接收的光线测量所述读取头相对于所述标尺的位置，其中所述读取头具有将从所述光源发射的光线透射到所述标尺轨道和将所述标尺轨道反射的光线作为标尺轨道图像光透射到所述光接收元件的标尺侧透镜。所述光源被安排在位于所述标尺侧透镜的平面与所述光接收元件的平面之间的光源平面上，或定义位于所述标尺侧透镜的平面与所述光接收元件的平面之间的光源平面。在与所述标尺轨道的读取(即，测量)方向垂直的方向，所述光源的中心与所述标尺侧透镜的光轴分开照明离轴距离Dsrc。

在这种配置中，由于在与所述标尺轨道的读取方向垂直的方向(下文称为与所述标尺轨道垂直的方向)所述光源的光轴与所述标尺侧透镜的光轴分开预定距离，所以从所述光源发射的照明光线通过所述标尺侧透镜的第一部分透射到所述标尺轨道，并且这种光线被所述标尺轨道反射成为标尺轨道图像光，通过在与所述标尺轨道垂直的方向关于透镜轴与所述第一部分相反的所述标尺侧透镜的第二部分被所述光接收元件接收。因此，按照本发明，无需使用半透明反射镜，通过所述标尺侧透镜就可以将从所述光源发射和引向所述标尺轨道的光线的光路与被所述标尺反射和引向所述光接收元件的光线的光路分开。因此，可以在所述光接收元件中获得足够光量。

另外，所述标尺和所述光接收元件平行排列，以及单个标尺侧透镜被安排在所述标尺与所述光接收元件之间。由于所述光源被安排在所述标尺侧透镜与所述光接收元件之间，所以可以将所述光学编码器小型化。

在本发明的各种实施例中，所述光源、所述标尺侧透镜、所述标尺、和所述光接收元件被配置和安排成沿着所述标尺轨道的读取方向提供物体(标尺)侧远心光学系统。从而增大了所述读取头的焦深。于是，可以增大所述标尺与所述读取头之间的容许间隔或“间隙容限”。

在本发明的一些实施例中，优选的是所述读取头具有光阑，所述光阑位于所述标尺侧透镜的平面与所述光接收元件的平面之间的光阑平面上，或定义位于所述标尺侧透镜的平面与所述光接收元件的平面之间的光阑平面，用于向所述光接收元件透射所述标尺反射成为标尺轨道图像光和通过所述标尺侧透镜的第二部分的光线。在与所述标尺轨道的读取方向垂直的方向，所述光阑的中心与所述标尺侧透镜的光轴分开光阑离轴距离Dap1，以便为到达所述光接收元件的标尺轨道成像光定义第一透镜离轴成像路径。所述光阑和所述光源位于包括所述标尺侧透镜的光轴和读取方向二者的平面的相对侧上。

这里，如果仅仅依靠所述光源的宽度或位置配置按照本发明的光学编码器，则存在所述光学编码器的光学系统的性能可能随所述光源的位置偏离造成的影响而变。

按照本发明的上述实施例，由于所述光学编码器具有透射被所述标尺反射和通过所述标尺侧透镜的第二部分的光线的光阑，所以除了通过设计所述光源的宽度或位置之外，还可以通过设计所述光阑的宽度或位置来实现物体(标尺)侧远心光学系统。由于设计或定位所述光阑比设计或定位所述光源相对更容易，所以更容易抑制所述光学编码器的光学系统的性能的变动。

按照本发明的又一个实施例，所述光学编码器进一步包括光接收元件侧透镜，所述光接收元件侧透镜处在位于所述光阑平面与所述光接收元件的平面之间的第二透镜平面上。所述光接收元件侧透镜被安排成接收通过所述标尺侧透镜的第二部分和所述光阑透射的标尺轨道图像光，以便将接收的标尺轨道图像光成像在所述光接收元件上。所述光接收元件侧透镜与所述标尺侧透镜类似地配置，并且这样取向，使两个透镜的形状相似表面沿着它们各自的光轴方向面朝相反方向。此外，在与所述标尺轨道的读取方向垂直的方向，所述光接收元件侧透镜在与所述标尺侧透镜的光轴相反的方向与所述光阑的中心分开光阑离轴距离Dap2。因此，所述光阑被定位成向具有与所述标尺侧透镜的第二部分相似的形状的所述光接收元件侧透镜的第一部分以及向所述光接收元件透射所述标尺轨道反射的和通过所述标尺侧透镜的第二部分的标尺轨道图像光。

在各种实施例中，所述光学编码器可以被认为使用“离轴”成像装置，因为在与所述标尺轨道的读取方向垂直的方向，光源和光阑与所述标尺侧透镜的光轴分开，使得沿着相对于所述标尺侧透镜的光轴“离轴”的光路将光线的中心射线提供给所述标尺轨道，尤其，使得从所述标尺轨道反射回来在所述光接收元件上形成标尺轨道图像的标尺轨道成像光的中心射线在与所述标尺轨道的读取方向垂直的方向(相对于所述光源在所述透镜的光轴的相反侧上)类似地沿着相对于所述标尺侧透镜的光轴“离轴”的光路。此外，在一些实施例中，所述光学编码器可以被认为使用“双离轴”成像装置，因为在沿着通过所述标尺侧透镜的上面概括的离轴光路之后，标尺轨道成像光的中心射线的路径沿着与所述标尺轨道的读取方向垂直的方向也偏离所述光接收元件侧透镜的光轴。“离轴”设计在实现紧致光学编码器方面是有利的，并且在特别有利的实施例中，可以近似于远心设计，而“双离轴”设计在减轻或消除所述光接收元件上的标尺轨道图像中的光学失真方面尤其有利，并且在特别有利的实施例中，可以近似于双远心设计。

具体地说，由于面朝相反方向的所述标尺侧透镜和所述光接收元件侧透镜二者在如上概括的光阑的光轴(可以理解为光阑沿着与所述标尺轨道垂直的方向的中心轴)的两侧分别分开Dap1和Dap2的光阑离轴距离，所以通过所述光阑的光线通过所述透镜具有相同形状但沿着和关于光路都彼此相反的部分。其结果是，“双离轴”光学编码器可以用于降低或消除各个透镜像差对所述光接收元件上的标尺轨道图像的影响(例如，沿着光路的透镜像差、彗形像差、和失真相互抵消)，因此提供精确的测量。

在一些实施例中，光阑位于所述标尺侧透镜的第一焦面与所述光接收元件透镜的第二焦面之间。在一些实施例中，所述光源的光源平面沿着所述透镜的光轴方向偏离所述光阑的光阑平面。尤其，所述光源不会在所述光阑上成像，这有助于被所述标尺轨道反射和通过所述光阑的光线具有基本均匀强度。

在各种实施例中，所述标尺侧透镜和所述光接收元件侧透镜每一个都具有配置成进一步减小或消除离轴成像装置中的光学像差的非球面。

在一些实施例中，所述读取头含有两个光源、两个标尺侧透镜、和两个光阑，在与所述标尺轨道的X读取方向垂直的YZ平面内，每个光源、每个标尺侧透镜、和每个光阑的光轴相对于光接收元件侧透镜的Z光轴方向彼此轴对称。

在这种配置中，被每一个都包含标尺轨道刻度线的两条标尺轨道反射的光束(即，标尺轨道图像光)可以被安排在最紧致空间中的单个光接收元件或几个光接收元件接收。因此，例如，所述光学编码器可以配置成将标尺轨道刻度线的一条轨道用于检测所述标尺和所述读取头的移动量，而将标尺轨道刻度线的另一条轨道用于检测所述标尺和所述读取头的原点，来自标尺轨道刻度线的这两条轨道二者的光线可以由单个光接收元件接收。其结果是，与所述光学编码器被配置成使用两个光接收元件接收光束的情况相比，可以减少或缩小部件的数量或尺寸。

但是，在一些情况下，使用单个光接收元件接收来自两条标尺轨道的光束可能不方便或不可行。例如，在一些情况下，操作间隙相对于标尺轨道的变化可能引起来自两条标尺轨道的光束之间的光学串扰或冲突图像位移。因此，在一些实施例中，所述读取头具有两组光源、标尺侧透镜、光阑、光接收元件侧透镜、和光接收元件(例如，一组为精细测量分辨率提供增量编码器信号，另一组为编码器测量范围上的绝对位置确定提供绝对编码器信号)。这两组被配备成基本相同(例如，在YZ平面内它们的光路的对应部分可以几乎彼此平行)，并且被安排成沿着与所述标尺轨道的读取方向垂直的方向彼此相邻。其结果是，在一些应用中，这个实施例在构建方面可能更可行和/或可能更抗间隙变化地工作。

在本发明的一个实施例中，所述光源可以包括发射光线的发光体、和安排在从所述发光体发射的光线的光路的最后一级中并散射从所述发光体发射的光线的散射板。在这种配置中，由于可以用所述散射板的宽度代替所述光源的宽度，所以可以更容易地设计所述光学编码器。

在本发明的一个实施例中，所述光源可以包括发射光线的发光体、和安排在从所述发光体发射的光线的光路的最后一级中的发光体透镜，并且所述标尺侧透镜和所述发光体透镜构成柯勒(Kohler)照明。在这种配置中，由于可以降低从所述光源发射和通过所述标尺侧透镜引向所述标尺的光线的不均匀性，所以可以提高测量精度。

附图说明

图1是例示沿着标尺的X读取方向看过去的按照本发明第一实施例的光学编码器的示意图；

图2是例示沿着与标尺的X读取方向垂直的Y方向看过去的图1的光学编码器的示意图；

图3是例示沿着标尺的X读取方向看过去的按照本发明第二实施例的光学编码器的示意图；

图4是例示沿着与标尺的X读取方向垂直的Y方向看过去的图3的光学编码器的示意图；

图5是例示沿着标尺的X读取方向看过去的按照本发明第三实施例的光学编码器的示意图；

图6是例示沿着与标尺的X读取方向垂直的Y方向看过去的图5的光学编码器的示意图；

图7是例示沿着标尺的X读取方向看过去的按照本发明第四实施例的光学编码器的示意图；

图8是例示沿着标尺的X读取方向看过去的按照本发明第五实施例的光学编码器的示意图；

图9是例示按照本发明第六实施例的光学编码器的光源的示意图；

图10是例示按照本发明第七实施例的光学编码器的光源的示意图；

图11是例示沿着标尺的X读取方向看过去的按照本发明进一步实施例的光学编码器的示意图；

图12是例示沿着与标尺的X读取方向垂直的Y方向看过去的图11的光学编码器的示意图；

图13是图11的光学编码器的示意性透视图；以及

图14是例示沿着标尺的X读取方向看过去的本发明另一个实施例的光学编码器的示意图。

具体实施方式

第一实施例

在下文中，将参考附图描述本发明的第一实施例。

图1是例示沿着按照本发明第一实施例的光学编码器1的示意图。在图1中，X轴表示与纸面垂直的轴，更一般地说，在其它图形中，沿着标尺2上的标尺轨道2′的读取或测量方向的轴。Y轴表示在水平方向延伸的轴，更一般地说，在其它图形中，沿着与X轴垂直的方向和几乎与标尺轨道2′的平面平行的轴。由X和Y轴定义(和包括X和Y轴)的平面或与之平行的任何平面(本文称为XY平面)与包括标尺轨道2′的平面一致或平行。Z轴表示在垂直方向延伸的轴，更一般地说，在其它图形中，沿着与XY平面垂直的方向和/或几乎与标尺轨道2′的平面垂直的轴。由X和Z轴定义(和包括X和Z轴)的平面或与之平行的任何平面被称为XZ平面，由Y和Z轴定义(和包括Y和Z轴)的平面或与之平行的任何平面被称为YZ平面。如图1所示，每个标尺轨道2′可包括多个标尺刻度线21。即，标尺刻度线21由光学编码器的读取头3沿着X轴方向读取。

参照图1和2，光学编码器1包括标尺2和读取头3，标尺2具有标尺轨道2′，标尺轨道2′包括可以沿着X轴方向读取的网格状或条纹状标尺刻度线21，读取头3具有向标尺轨道2′发射光线的光源31、将来自光源31的光线透射到标尺轨道2′的标尺侧透镜32、和与标尺轨道2′平行排列的光接收元件33，光接收元件33接收被标尺轨道2′反射和通过标尺侧透镜32的光线，以便根据光接收元件33接收的光线测量读取头3相对于标尺轨道2′的位置。也就是说，标尺侧透镜32将标尺轨道2′反射的光线透射到光接收元件33。

标尺2被做成具有长方形平板形状，其纵向与X轴方向一致，其横向与Y轴方向一致。图1例示了沿着X轴方向，也就是说，沿着标尺轨道2′的读取方向看过去的光学编码器1。

图2是例示沿着Y轴方向，也就是说，与标尺轨道2′的读取方向垂直的方向看过去的光学编码器1的示意图。在本描述中，与标尺轨道2′的读取方向垂直的方向(Y轴方向)可以简称为与标尺轨道2′垂直的方向。如图1和图2所示，光源31被安排在标尺侧透镜32与光接收元件33之间，并且光源31与标尺侧透镜32之间的距离被设置成标尺侧透镜32的焦距fs。

光源31的光轴Lsrc在标尺轨道2′的X读取方向与标尺侧透镜32的光轴Ls重合(参照图2)，在与标尺轨道2′垂直的Y方向与标尺侧透镜32的光轴Ls分开预定距离D(参照图1)。这里，预定距离D被设置成等于或大于光源31在与标尺轨道2′垂直的Y方向的宽度Wsrcy(数值孔径)的1/2。

由于光源31的光轴Lsrc在与标尺轨道2′垂直的Y方向与标尺侧透镜32的光轴Ls分开预定距离D，所以如图1所示，对于从光源31发射的光线，在与标尺轨道2′垂直的Y方向在光源31这一侧的光线通过在与标尺轨道2′垂直的Y方向标尺侧透镜32的光源31这一侧透射到标尺轨道2′。这个光线被标尺轨道2′反射，通过在与标尺轨道2′垂直的Y方向，与光源31这一侧相反的标尺侧透镜32的相反侧被光接收元件33接收。

在图1和图2中，被光接收元件33接收的光线的光路用实线表示，而省略光线的其它光路。在如下附图中，使用类似表示。

关于这一点，由于光源31与标尺侧透镜32之间的距离被设置成标尺侧透镜32的焦距，所以如图2所示，光学编码器1可以用于在标尺轨道2′的读取方向构成物体(标尺轨道2′)侧远心光学系统(至少近似地)，以便可以在反射光中沿着读取方向不用改变标尺轨道2′的放大率地增大焦深，这样就维护了测量精度。

具体地说，标尺侧透镜32的数值孔径可以表达成如下方程(1)：

[方程1]

NA≡Dp/(Dp-fs)-Wsrcx/2Ds    (1)

其中，Wsrcx表示光源31在标尺轨道2′的读取方向的宽度，Ds(未示出)表示标尺轨道2′的标尺刻度线21到标尺侧透镜32的距离，和Dp(未示出)表示标尺侧透镜32到光接收元件33的距离。

另外，光学编码器1的焦深DOF可以表达成如下方程(2)：

[方程2]

DOF＝λ/2NA²＝2λDs²/Wsrcx²·((Dp-fs)/Dp)²  (2)

其中，λ表示从光源31发射的光线的波长。

因此，可以通过减小光源31的宽度Wsrcx来增大焦深DOF。

在本实施例中，可以获得如下效果。

(1)在光学编码器1中，由于可以不用半透明反射镜，而是通过标尺侧透镜32分开从光源31发射和引向标尺轨道2′的光线的光路以及被标尺轨道2′反射和引向光接收元件33的光线的光路，所以可以为光接收元件33获得足够光量。

(2)将标尺轨道2′和光接收元件33安排成彼此平行，以及将单个标尺侧透镜32安排在标尺轨道2′与光接收元件33之间。另外，将光源31安排在标尺侧透镜32与光接收元件33之间。因此，可以将光学编码器1小型化。

(3)由于光学编码器1可以用于在标尺轨道2′的读取方向构成物体(标尺轨道2′)侧远心光学系统，所以可以增大焦深。因此，可以增大标尺2与读取头3之间的容许间隔。

(4)由于在与标尺轨道2′垂直的方向光源31的光轴Lsrc与标尺侧透镜32的光轴Ls之间的预定距离D被设置成大于或等于光源31在与标尺轨道2′垂直的方向的宽度Wsrcy的1/2，所以可以提高从光源31发射的光线的使用效率。具体地说，如果预定距离D小于光源31的宽度Wsrcy的1/2，光源31的一部分在与标尺轨道2′垂直的方向从标尺侧透镜32的光轴Ls伸出来，使得来自那个部分的光线未被光接收元件33接收，从而降低了从光源31发射的光线的使用效率。另一方面，将D设置成大于或等于宽度Wsrcy的1/2将提高从光源31发射的光线的使用效率。

第二实施例

在下文中，将参考附图描述本发明的第二实施例。在如下描述中，相同的标号表示与上述实施例中相同的元件，并且不重复对它们的描述。

图3是例示按照本发明第二实施例的沿着标尺轨道2′的读取方向(X方向)看过去的光学编码器1A的示意图。图4是例示沿着与标尺轨道2′垂直的Y方向看过去的光学编码器1A的示意图。

在第一实施例中，光学编码器1包括具有光源31、标尺侧透镜32、和光接收元件33的读取头3。另一方面，在本实施例中，如图3和图4所示，除了光源31、标尺侧透镜32、和光接收元件33之外，光学编码器1A的读取头3A进一步包括光阑34。

光阑34被提供以透射标尺轨道2′反射的和通过标尺侧透镜32的光线。光阑34与标尺侧透镜32之间的距离被设置成接近或等于标尺侧透镜32的焦距fs。

另外，在与标尺轨道2′的读取方向垂直的平面(即，图3的纸面)内，光阑34的光轴La和光源31的光轴Lsrc相对于标尺侧透镜32的光轴Ls彼此轴对称。具体地说，虽然光阑34的光轴La在标尺轨道2′的X读取方向与标尺侧透镜32的光轴Ls重合(参照图4)，但光阑34的光轴La在与标尺轨道2′垂直的Y方向与标尺侧透镜32的光轴Ls分开预定距离D(参照图3)。

这里，将光阑34在与标尺轨道2′垂直的Y方向的宽度Way(参照图3)设置成如下方程(3)所示的值，以便光源31在与标尺轨道2′垂直的Y方向的定位误差只允许是δ。

[方程3]

Way≤Wsrcy-2δ            (3)

在这种设置中，即使在与标尺轨道2′垂直的Y方向出现光源31的定位误差，如果定位误差小于等于δ，也可以使用光阑34限制从光源34发射的光线。因此，可以抑制由光源31的位置偏差引起的光学编码器1A的光学系统的性能的变动。

由于光阑34与标尺侧透镜32之间的距离被设置成接近或等于标尺侧透镜32的焦距fs，所以如图4所示，光学编码器1A可以用于在标尺轨道2′的X读取方向构成物体(标尺轨道2′)侧远心光学系统。因此，可以增大焦深。

具体地说，标尺侧透镜32的数值孔径可以表达成如下方程(4)：

[方程4]

NA≡Dp/(Dp-fs)-Wax/2Ds    (4)

其中，Wax表示光阑34在标尺轨道2′的X读取方向的宽度，Ds(未示出)表示标尺轨道2′的标尺刻度线21到标尺侧透镜32的距离，和Dp(未示出)表示标尺侧透镜32到光接收元件33的距离。

另外，光学编码器1A的焦深DOF可以表达成如下方程(5)：

[方程5]

DOF＝λ/2NA²＝2λDs²/Wax²·((Dp-fs)/Dp)²   (5)

其中，λ表示从光源31发射的光线的波长。

因此，可以通过减小光阑34的宽度Wax来增大焦深DOF。

按照本实施例，除了上述第一实施例的功能和效果之外，还可以获得如下功能和效果。

(5)由于光学编码器1A具有透射标尺轨道2′反射的和通过标尺侧透镜32的光线的光阑34，所以与通过设计光源31的宽度或位置来提供光学系统类似，也可以通过设计光阑34的宽度或位置来提供光学系统。

(6)由于设计或定位光阑34比设计或定位光源31相对更容易，所以更容易抑制光学编码器1A的光学系统的性能的变动。

第三实施例

图5是例示按照本发明第三实施例的沿着标尺轨道2′的X读取方向看过去的光学编码器1B的示意图。图6是例示沿着与标尺轨道2′垂直的Y方向看过去的光学编码器1B的示意图。

在第二实施例中，光学编码器1A包括具有光源31、标尺侧透镜32、光接收元件33、和光阑34的读取头3A。另一方面，在本实施例中，如图5和6所示，光学编码器1B包括除了光源31、标尺侧透镜32、光接收元件33、和光阑34之外，还具有光接收元件侧透镜35的读取头3B。

光接收元件侧透镜35被安排在光阑34与光接收元件33之间。光阑34与光接收元件侧透镜35之间的距离也被设置成接近或等于光接收元件侧透镜35的焦距fp。

另外，光接收元件侧透镜35的光轴Lp与标尺侧透镜32的光轴Ls重合。

按照本实施例，除了上述第二实施例的功能和效果之外，还可以获得如下功能和效果。

(7)由于光学编码器1B可以用于在标尺轨道2′的X读取方向构成双向远心光学系统，所以可以增大焦深。于是，也可以增大光接收元件33与光接收元件侧透镜35之间的容许间隔。

第四实施例

图7是例示沿着标尺轨道2′的X读取方向看过去的按照本发明第四实施例的光学编码器的1C示意图。

在第三实施例中，光学编码器1B包括读取头3B，以及读取头3B的光接收元件侧透镜35的光轴Lp与标尺侧透镜32的光轴Ls重合。另一方面，按照本实施例，如图7所示，光学编码器1C包括读取头3C，读取头3C的光接收元件侧透镜35的光轴Lp在标尺轨道2′的X读取方向与标尺侧透镜32的光轴Ls重合，而Lp在与标尺轨道2′垂直的Y方向与标尺侧透镜32的光轴Ls分开预定距离D的两倍。

按照本实施例，除了上述第三实施例的功能和效果之外，还可以获得如下功能和效果。

(8)在与标尺轨道2′垂直的Y方向，标尺侧透镜32和光接收元件侧透镜35的光轴Ls和Lp二者在两侧与光阑34的光轴La分开预定距离D。因此，通过光阑34的光线透过标尺侧透镜32和光接收元件侧透镜35具有相同形状但沿着和关于它们各自的光轴相反取向的部分。其结果是，光学编码器1C可以用于降低或消除各个透镜中的透镜像差的影响(例如，各个透镜像差可以相互抵消)，并进行精确测量。

第五实施例

图8是例示沿着标尺轨道2′的X读取方向看过去的按照本发明第五实施例的光学编码器的1D示意图。

在图7的第四实施例中，光学编码器1C包括读取头3C，读取头3C具有单个光源31、单个标尺侧透镜32、和单个光阑34。另一方面，按照本实施例，如图8所示，光学编码器1D包括读取头3D，读取头3D具有两个光源31、两个标尺侧透镜32、和两个光阑34。另外，两个光阑34在单个构件上形成。

在图7的第四实施例中，光学编码器1C包括具有网格状或条纹状标尺刻度线21的标尺轨道2′。另一方面，按照本实施例，标尺2D包括第一标尺轨道2′和第二标尺轨道2″，每一条标尺轨道包括在两条标尺轨道之间可能不同(例如，为了提供精细分辨率增量标尺轨道和绝对码标尺轨道)的一组标尺刻度线21。

而且，按照本发明，在与标尺刻度线21的两条轨道的X读取方向垂直的平面(图8的纸面)内，光源31、标尺侧透镜32、和光阑34的光轴Lsrc、Ls、和La相对于光接收元件侧透镜的光轴Lp彼此轴对称。

按照本实施例，除了上述第四实施例的功能和效果之外，还可以获得如下功能和效果。

(9)在光学编码器1D中，由于被标尺刻度线21的两条轨道反射的光束可以被单个光接收元件33或光接收元件的最紧致装置接收，与光学编码器被配置成使用两个分开光接收元件接收光束的情况相比，可以减少部件的数量和/或尺寸。

第六实施例

图9是例示按照本发明第六实施例的光学编码器1E的光源31E的示意图。

在上述实施例中，光学编码器1～1D的每一个包括光源31。另一方面，按照本实施例，如图9所示，光学编码器1E包括光源31E，并且光源31E包括发射光线的发光体311、和安排在来自发光体311的发射的光线的光路的最后一级中和散射从发光体311发射的光线的散射板312。

尽管在图中未示出，但散射板312在标尺侧透镜32这一侧(在图9的下侧)的平面与标尺侧透镜32之间的距离被设置成标尺侧透镜32的焦距fs。

按照本实施例，除了上述功能和效果之外，还可以获得如下功能和效果。

(10)由于可以用散射板312的宽度代替光源31E的宽度，所以可以更容易地设计光学编码器1E。

第七实施例

图10是例示按照本发明第七实施例的光学编码器1F的光源31F的示意图。

在第一至第五实施例中，光学编码器1～1D包括光源31。另一方面，按照本实施例，如图10所示，光学编码器1F包括光源31F，并且光源31F包括发射光线的发光体311、和安排在从发光体311发射的光线的光路的最后一级中的发光体透镜313，以便标尺侧透镜32和发光体透镜313构成柯勒照明。

按照本实施例，除了上述功能和效果之外，还可以获得如下功能和效果。

(11)由于可以降低从光源31F发射和通过标尺侧透镜32引向标尺轨道2′的光线的不均匀性，所以可以进行精度测量。

实施例的变体

本发明不局限于上述实施例，而是可以包括在本发明的范围之内的各种变体和变种。

例如，虽然在上述每个实施例中，预定距离D被设置成等于或大于光源31、31E或31F在与标尺轨道2′垂直的Y方向的宽度Wsrcy的1/2，但也可以设置成其它值。

而且，尽管上述实施例的一些方面具有远心特征，光源或光阑，或二者距离透镜接近或等于焦距，但应该懂得，将这样的远心特征应用于离轴照明和/或成像配置是不常见的。尤其应该懂得，离轴成像相对而言是非常规的，并且“理想”的同轴近似可能比在一些实施例中所预计的更不可行。最希望的是与读取头到标尺轨道2′的合理间隙变化无关，沿着标尺轨道2′的读取方向提供不变放大率和清楚成像。相反，如下更详细所述，由于Y方向不是测量方向和光接收元件可能积分沿着Y方向的光图像信号，所以受与标尺轨道2′垂直的Y方向限制的放大率变化和图像模糊的合理水平并不重要。

在下面概括的实施例中，这个事实用于尤其沿着标尺轨道的读取方向提高离轴图像远心性(例如，与合理物体或图像距离变化无关的放大率一致性)和图像清晰度。尤其，如下所概括，在一些实施例中，当使用非球面透镜形状时，尤其当在与传统远心装置有所不同的离轴成像装置中，将这样的透镜与将光源和/或光阑放置在相对于非球面透镜不同于焦距的其它距离上结合在一起使用时，导致沿读取方向最有利的离轴照明和成像。

进一步实施例

图11、图12、和图13例示了按照本发明的光学编码器1G的进一步实施例。图11例示了沿着标尺轨道2′的X读取方向看过去的光学编码器1G，图12例示了沿着与标尺轨道2′垂直的Y方向看过去的同一个光学编码器1G，以及图13是光学编码器1G的示意性透视图。

光学编码器1G包括标尺2和读取头3，标尺2包括一条或多条标尺轨道2′，每条标尺轨道2′包括多条标尺刻度线21。标尺2和读取头3分开标尺-读取头间隙G。读取头3包括光源31、标尺侧透镜32、光阑34、光接收元件侧透镜35、和光接收元件33。光源31被安排在像标尺侧透镜32的主平面那样的标尺侧透镜32的平面32′与像光接收元件33与标尺2最接近的平面那样的光接收元件33的平面33P之间。光源31可以安排在光源平面31′上，或定义光源平面31′。例如，光源平面31′可以是包括光源31的相对紧致发光点源的平面。或者，如果光源31包括发射来自光源的发散射线的透镜，光源平面31′可以近似与那些射线被追溯到或收敛成它们最收缩截面的地点一致。在工作时，一般说来，标尺侧透镜32向标尺轨道2′透射从光源31发射通过其第一离轴部分32a的光线，并且透射经标尺轨道2′反射成为标尺轨道图像光36通过其第二离轴部分32b的光线。标尺轨道图像光36通过标尺侧透镜32的第二部分32b传播到光接收元件33。尤其，对于显示在图11-13中的实施例，如下更详细所述，标尺侧透镜32通过光阑34、和光接收元件侧透镜35的离轴部分35a向光接收元件33透射标尺轨道图像光36。

光源31的有效中心(例如，如实际对起作用标尺轨道图像光有贡献的发射射线所定义)可以定义它的光轴Lsrc，光轴Lsrc在与标尺轨道2′的X读取方向垂直的方向(Y)与标尺侧透镜32的光轴Ls分开照明离轴距离Dsrc。

光阑34位于处在标尺侧透镜32的平面32′与光接收元件33的平面33P之间，尤其，对于显示在图11-13中的实施例，标尺侧透镜32的平面32′与光接收元件侧透镜35的平面35′之间的光阑平面34′(例如，光阑34与标尺2最接近的表面)上，或定义处在标尺侧透镜32的平面32′与光接收元件33的平面33P之间，尤其，对于显示在图11-13中的实施例，标尺侧透镜32的平面32′与光接收元件侧透镜35的平面35′之间的光阑平面34′(例如，光阑34与标尺2最接近的表面)。光阑34可以定义成其光轴La的中心在Y方向上与标尺侧透镜32的光轴Ls分开光阑离轴距离Dap1，以便为到达光接收元件33的标尺轨道成像光36定义第一透镜离轴成像路径38(在图11中用它的中心射线表示)。换句话说，光阑34被安排成接收通过标尺侧透镜32包括第一透镜离轴成像路径38的离轴部分32b(参见图13中的32b部分)的标尺轨道图像光36。

光阑34的尺寸可以做成以及光阑34可以安排成通过标尺侧透镜32定义所希望第一透镜离轴成像路径38的地点，并且选择沿着那条路径准直或几乎准直的成像光射线，从而在标尺轨道2′的读取方向保证了所希望水平的物体(标尺)侧远心性。换句话说，将光阑34的尺寸做成这样，使它有助于将到达光接收元件33的成像光射线约束成在标尺侧透镜32的物体侧和光接收元件侧透镜35的成像侧基本上彼此平行(“准直”)，以便在光接收元件33上形成的标尺轨道图像与间隙G的预计变化无关地呈现近似不变放大率。光阑34的尺寸也可以选择成决定为成像标尺轨道2′提供所希望景深的光学系统的数值孔径。

在如图11所示的一些实施例中，可以将光吸收器41提供在接收从光接收元件33根据标尺轨道图像光36形成标尺轨道图像的部分反射的光线42的地点上。在例示的实施例中，吸收器41提供在限定光阑34的结构上，并且由吸收光接收元件33反射的光线42的材料构成和形成，使光线42不会重新反射到形成标尺轨道图像的光接收元件33。因此，吸收器41有助于降低要不然可能由重新反射到光接收元件33的光线42引起的噪声，因此有助于防止在光接收元件33上形成的标尺轨道图像的对比度降低。

在显示在图11中的实施例中，相对于标尺侧透镜32的光轴Ls近似或完全轴对称地放置光源31的光轴Lsrc和光阑34的光轴La。更一般地说，使光阑34和光源31位于包括标尺侧透镜32的光轴Ls的XZ平面的相对侧上，以便光源光被有效地反射成通过光阑34的标尺轨道图像光。在一些实施例中，可以按照光阑34相对于标尺侧透镜光轴Ls的光阑离轴距离Dap1定义光源31相对于标尺侧透镜光轴Ls的照明离轴距离Dsrc。例如，可以将Dsrc定义成大于0.8*Dap1但小于1.2*Dap1，以便近似优化沿着第一透镜离轴成像路径38反射的标尺轨道成像光的光量。在一些实施例中，当Dsrc与Dap1相同时可能是有利的，使得围绕标尺侧透镜32的光轴Ls轴对称地放置光源31和光阑34，以便使沿着第一透镜离轴成像路径38反射的标尺轨道成像光的光量最大化。

在一些实施例中，可以针对标尺侧透镜32的操作近似地以相互共轭关系排列光源31和光阑34的平面。在本发明的一些实施例中，如图11-13所示，光源31被安排成光源平面31′与光阑平面34′不一致。这种配置在防止光源31的核心中的内部结构(例如，接线点)和/或强度变化成像在光阑平面34′上这方面可能是有利的。这使标尺轨道2′反射的和通过光阑34的标尺轨道图像光在光阑34上具有基本均匀强度，这在光阑上提供了对标尺轨道图像光的更希望的空间滤波和在光接收元件33上提供了更希望的标尺轨道图像，这是通过光学编码器1G实现精确测量的重要特征之一。在最一般情况下，光源平面31′离标尺侧透镜32比光阑平面34′远可以提供这种效果。但是，光源平面31′与标尺侧透镜32较接近(例如，如图11-13所示，比光阑平面34′更接近)，这可能是有利的，因为标尺轨道2′上的光强一般较高。例如，当光源平面31′相对于标尺侧透镜32的平面32′位于距离LSP上，和光阑平面34′相对于标尺侧透镜32的平面32′位于距离AP1上时，可以用AP1来定义LSP，在一些实施例中，当LSP小于1.2*AP1时可能是有利的。在其它实施例中，当LSP小于AP1以便提供更高光强时，甚至可能更有利。当LSP还大于0.7*AP1时，可能还要有利，这可以使光源31和光阑34处在提供近似远心照明和/或成像的距离AP1和LSP上，从而提供前面概括的好处。

例如，在一些实施例中，可以用标尺侧透镜32的焦距来定义距离AP1(即，光阑平面34′相对于标尺侧透镜32的平面32′的地点)，以便提供所希望程度的物体侧成像远心性。如图11和图12所示，标尺侧透镜32具有定义第一焦面39的焦距，第一焦面39位于沿着Z方向距标尺侧透镜32的平面32′的焦距fs处。在一些实施例中，当AP1大于0.8*fs但小于1.2*fs时可能是有利的。在使用非球面透镜和离轴成像的各种实施例中，已经发现，当AP1大于fs而不是0.8*fs(例如，在一些特定实施例中，可以将AP1设计成至少1.03*fs)时，甚至可能更有利。

类似地，如图11和图12所示，光接收元件侧透镜35具有定义第二焦面40的焦距，第二焦面40位于沿着Z方向距光接收元件侧透镜35的平面35′的焦距fp处。光阑平面34′位于距平面35′的距离AP2处。在一些实施例中，当用焦距fp来定义距离AP2(即，光阑平面34′相对于光接收元件侧透镜35的平面35′的地点)，以便提供所希望程度的图像侧成像远心性时，可能还要有利。例如，在一些实施例中，将AP2设计成大于0.8*fp但小于1.2*fp。在使用非球面透镜和离轴成像的各种实施例中，已经发现，当AP2大于fp而不是0.8*fp(例如，在一些特定实施例中，可以将AP2设计成至少1.03*fp)时，甚至可能更有利。在一些实施例中，可以实现上面概括的所希望关系的至少一种，另外，光阑平面34′可以位于两个透镜的第一焦面39与第二焦面40之间(例如，在光阑34的物体侧和图像侧提供对称光路)。

如前面所概括，为了使标尺刻度线21的成像放大率对标尺轨道2′与标尺侧透镜32之间的间隙G不敏感，近似物体(标尺)侧远心是所希望的。类似地，为了使标尺刻度线21的成像放大率对光接收元件33与光接收元件侧透镜35之间的间隙不敏感，近似图像侧远心是所希望的。但是，虽然最希望在标尺刻度线21的X读取方向达到远心，但在Y方向未必达到远心。换句话说，因为在Y方向沿着单条标尺刻度线21反射的成像光将被光接收元件33中沿着Y方向的单个检测器接收(积分)，所以可以没有影响地在Y方向移动图像，并且未必达到远心，或更一般地说，未必沿着Y方向减轻或消除失真。

因此，主要需要沿着X读取方向减轻或消除光学失真。于是，如图12和图13所示，沿着X读取方向将光源31、标尺侧透镜32、光阑34、和光接收元件侧透镜35的光轴对准在相同平面地点上。换一种说法，在XZ平面中，沿着与Y轴垂直的方向，相对于标尺侧透镜32的光轴Ls对称地放置标尺侧透镜32的第二部分32b。这往往使沿着X读取方向的图像失真最小，因为沿着这个方向，使用这些透镜相对于包括每个透镜的光轴的平面对称的部分进行成像，并且这些透镜一般提供使用与它们的光轴接近的对称成像射线的更好成像。另一方面，沿着Y方向未将光源31、标尺侧透镜32、光阑34、和光接收元件侧透镜35的光轴对准在相同地点上。换一种说法，如图13所示，在XY平面中，沿着与Z轴垂直的方向，关于标尺侧透镜32的光轴Ls未对称地放置标尺轨道2′反射的标尺轨道图像光36通过的标尺侧透镜32的第二部分32b。通过标尺侧透镜32和光接收元件侧透镜35的相关“离轴”和“双离轴”Y方向成像路径对于减轻Y方向的失真并不理想，但希望实现光学编码器1G的总体紧致性。而且，标尺侧透镜32的第一和/或第二部分32a、32b不包括标尺侧透镜32的光轴Ls，以便减轻或消除标尺侧透镜32的分别通过第一和第二部分32a和32b的照明光和成像光的串扰。

由于主要需要沿着X读取方向减轻或消除光学失真，所以在一些实施例中，优选的是沿着Y方向的光阑宽度Way大于沿着X方向的光阑宽度Wax。一般来说，对于较大的光吞吐量(在光接收元件33中产生较大信号)，希望光阑较大，但这也可能缩短了景深和/或使光学像差更大。但是，在本发明的各种实施例中，由于无需使沿着Y方向的光学像差最小，所以可以使沿着Y方向的光阑宽度Way较大，以便透射更多的光线，而使沿着X方向的光阑宽度Wax较小，以便增大景深以及将沿着X读取方向的远心性增大到所希望程度。

光学编码器1G可以具有“离轴”配置的特征，因为光源31通过离轴部分32a透射光线，和/或通过沿着Y方向与标尺侧透镜32的光轴Ls分开的离轴透镜部分32b透射标尺轨道图像光(参见图11和13)。此外，光学编码器1G可以具有“双离轴”配置的特征，因为进一步通过沿着Y方向与光接收元件侧透镜35的光轴Lp分开的离轴透镜部分35a透射标尺轨道图像光。如前面所概括，“离轴”配置在使光学编码器1G的尺寸小型化方面有利。“双离轴”配置在减轻另外可以与孤立“离轴”配置相联系的光学失真方面有利。

在显示在图11-13中的具体双离轴配置中，为了使它的优点最大化，标尺侧透镜32和光接收元件侧透镜35类似地配置和取向成它们的形状相似表面沿着它们各自的光轴Ls、Lp面朝相反方向。例如，在图11的例示性实施例中，透镜32和35二者被配置成具有一般凸出的第一非球面S1(S1′)和第二非球面S2(S2′)，并且透镜32和35被安排成它们各自的一般凸出第一非球面S1(S1′)面对面。并且，光接收元件侧透镜35的光轴Ls在Y方向与标尺侧透镜32的光轴Ls分开距离DL1L2(图11)，使得被标尺轨道2′反射并通过标尺侧透镜32的第二部分32b和光阑34的标尺轨道图像光36通过光接收元件侧透镜35的第一部分35a(图13)，光接收元件侧透镜35的第一部分35a具有与部分32b近似或完全相似的形状，但该形状关于光轴Ls、Lp的方向有效地旋转了180°。换一种说法，光阑34以及透镜32和35被安排成光阑以上面所概括的方式定义第二透镜离轴成像路径38′，该第二透镜离轴成像路径38′通过补充标尺侧透镜32的部分32b的光接收元件侧透镜35的所希望部分35a。这种配置表面上消除了像彗形像差和失真那样的像差，该像差否则可能由通过各个透镜32和35的离轴成像和大场角引入。换一种说法，通过上面概括的光接收元件侧透镜35的第一部分35a的安排，可以表面上消除由通过标尺侧透镜32的第二部分32b的离轴成像、和大场角引起的这些像差。倘若透镜的不完美性对于这两个透镜来说是相同的，这种配置也可以补偿透镜的不完美性(例如，表面形状的变化)。于是，对于许多实际和/或稍不完美的透镜，显示在图11-13中的双离轴实施例优于显示在图5中的实施例。

如图11所示，光阑34的光轴La沿着两个透镜32、35的光轴Ls、Lp之间的距离DL1L2放置。一般说来，DL1L2＝Dap1+Dap2。在一个有利实施例中，距离Dap1和距离Dap2表面上是相等的，使得部分32b和35a可以在形状上近似相同。

尽管已经针对光学编码器1G的双离轴配置描述了上面所概括的各种设计关系，但应该懂得，更一般地说，如果需要，上文的教导和设计关系可以适用于和应用于本文所公开的各种其它编码器实施例(例如，本文公开的其它“离轴”和“双离轴”配置)。

下表1示出了可以用在光学编码器1G的示范性实施例中的一组示范性设计尺寸。例如，当标尺轨道2′具有1-2mm(毫米)的Y方向高度时，这些尺寸是适用的。标尺轨道2′可以包括增量标尺刻度线21(例如，网格)或绝对标尺刻度线21。如果使用球面透镜，可以得到可接受结果地成像X方向间距(例如，网格间距)小至近似140或100微米的标尺刻度线21。对于适当设计的非球面透镜，如下面更详细所述，可以得到可接受结果地成像X方向间距(例如，网格间距)小至近似20微米(或更大)的标尺刻度线21。在一些实施例中，从光源31发射的光线的波长可以具有600-900nm(纳米)的数量级。该组设计尺寸可以提供沿着Z方向具有21nm数量级的紧致读取头尺寸，以及可以提供具有近似+/-200微米数量级的所希望间隙容限。

[表1]

特性	值
		FOVX(受接收单元33限制)	3.0mm
FOVY(受接收单元33限制)	0.8mm
		透镜直径	近似6.5mm
透镜厚度“T”	4.0mm
		透镜-光阑距离	近似3.5mm
光阑尺寸(X，Y)	(0.27mm，0.54mm)

Dap1	0.875mm
		DL1L2	1.75mm
标尺到读取头间隙“G”，接收单元到透镜间隙	近似2.6mm
		放大率	-1X
焦距fs，fp	近似4.5mm
		后焦距	近似3.2mm
AP1，AP2	近似4.75mm

有关“FOVX”和“FOVY”的值(成像到光接收元件33上、标尺轨道2′分别沿着X方向和Y方向的视场)可以通过光接收元件的尺寸来限制，而不是通过标尺轨道2′或其它光学元件来限制，以便提供所希望的组件和对准容限。对于紧致读取头设计，可能希望相对短的焦距。在一个实施例中，对于这样的短焦距，以及在0.75到1.25范围内放大率，可能希望相对厚的透镜设计，以便提供不失真成像。例如，表1示出了对于4.5mm的焦距，发现4.0mm的透镜厚度T可以提供可接受的性能。在一些实施例中，在0.7到1.1范围内的透镜厚度T与焦距之比可以提供可接受的性能。

虽然本发明的上述“双离轴”设计在减轻由“离轴”设计和大场角引起的光学失真和彗形像差方面是有利的，但其它光学像差可能还存在。已经发现，当标尺侧透镜32和光接收元件侧透镜35具有适当设计的非球面S1(S1′)时，至少沿着X读取方向，可以基本消除其余的光学像差。显示在图11-12中的非球面S1(和类似表面S1′)和S2(和类似表面S2′)近似代表一组示范性表面。已经发现，在一些示范性实施例中，当表面S1是在透镜的光轴附近凸出、并且沿着径向具有从透镜的光轴开始作为半径“r”的函数单调增大的斜率的第一非球面，和表面S2是在透镜的光轴附近凸出、并且沿着径向具有在包括透镜的光轴的第一半径范围RR1(参见图12)上作为半径“r”的函数增大、而在围绕第一半径范围RR1的第二半径范围RR2上作为半径“r”的函数减小的斜率的第二非球面时，导致所希望性能。当标尺侧透镜32和光接收元件侧透镜35被配置成光接收元件33上的标尺轨道图像的放大率M大于0.75但小于1.25时，已经发现，在一些示范性实施例中，当接近透镜的光轴的第二非球面S2的半径R2与接近透镜的光轴的第一非球面S1的半径R1之比，即，R2/R1大于1.1但小于1.7时，导致所希望性能。此外，如前面所概括，在一些示范性实施例中，当沿着透镜的光轴第一非球面S1与第二非球面S2之间的透镜厚度“T”与透镜(fs，fp)的焦距F之比，即，T/F大于0.7但小于1.1时，导致所希望性能。对于这样的实施例落在这些准则的一条或多条所指的设计范围内的各组非球面可以由本领域的普通技术人员根据分析和/或实验来确定。

应该懂得，这些准则只是示范性的，而非限制性的。例如，尽管当具有上面所概括的特征的标尺侧透镜32的第一非球面S1被安排成更远离标尺2，而具有上面所概括的特征的标尺侧透镜32的第二非球面S2被安排成更接近标尺2(例如，如图12所示)时，导致极好性能，并且在一些实施例中，这样的配置是优选的，但已经发现，如果将表面S1和S2的表面形状颠倒过来(例如，如沿着它们的光轴的方向将透镜32和35颠倒过来所观察到的那样)，则在一些应用中，仍然可以获得合理性能。

标尺侧透镜32和光接收元件侧透镜35可以由塑料制成，塑料相对较便宜，轻质，和易于处理(例如，注模)，但对像温度变化和湿度那样的环境条件相对较敏感。可替代地，这些透镜可以由光学玻璃形成，光学玻璃对环境条件较不敏感。

图14是综合本发明的方方面面的光学编码器的进一步实施例1H，它包括具有读取标尺轨道2′的第一装置1H-I、和读取标尺轨道2″的第二装置1H-A的读取头。在一个实施例中，第一标尺轨道2′包含可以成像到增量光接收元件33上的增量标尺刻度线，和第二标尺轨道2″包含可以成像到绝对光接收元件33′上的绝对标尺刻度线。换一种说法，该读取头具有两组光源、标尺侧透镜、光阑、光接收元件侧透镜、和光接收元件(例如，一组为精细测量分辨率提供增量编码器信号，而另一组为编码器测量范围上的绝对位置确定提供绝对编码器信号)。这两组可以配置在基本相同的装置中(例如，在YZ平面内它们的光路的对应部分可以几乎彼此平行)，并且可以安排成沿着与标尺轨道的读取方向垂直的方向彼此相邻。如图所示，装置1H-I和装置1H-A的每一个都是上面针对显示在图11-13中的光学编码器1G概括的双离轴配置。第一和第二轨道2′和2″沿着与X读取方向垂直的Y方向彼此偏离。增量光接收元件33和绝对光接收元件33′沿着Y方向同样彼此偏离。按照本实施例，实现了增量编码器1H-I和绝对编码器1H-A的紧致组合。在显示在图8中的双标尺轨道实施例的一些应用中，使用单个光接收元件接收来自两条标尺轨道的光束可能不方便或不可行。例如，在一些情况下，在那个实施例中操作间隙相对于标尺轨道的变化可能引起来自两条标尺轨道的光束之间的光学串扰或冲突图像位移。在这样的应用中，由于与其平行光路相联系的好处，图14的双标尺轨道实施例1H在构建方面可能更可行和/或可能更抗间隙变化地工作。

Claims (22)

1.一种光学编码器，包含标尺和读取头，所述标尺具有沿着读取方向延伸和包含标尺刻度线的标尺轨道，所述读取头包括向所述标尺轨道发射光线的光源、和安排成接收所述标尺轨道反射的光线的光接收元件，以便根据所述光接收元件接收的光线测量所述读取头相对于所述标尺的位置，

其中：

所述读取头包含将从所述光源发射的光线透射到所述标尺轨道和将所述标尺轨道反射的光线作为标尺轨道图像光透射到所述光接收元件的第一透镜；

所述光源被安排在位于所述第一透镜的平面与所述光接收元件的平面之间的光源平面上；

在与所述标尺轨道的读取方向垂直的方向，所述光源的中心与所述第一透镜的光轴分开照明离轴距离Dsrc；以及

所述光学编码器包含光阑，所述光阑位于所述第一透镜的平面与所述光接收元件的平面之间的光阑平面上，其中在与读取方向垂直的方向，所述光阑的中心与所述第一透镜的光轴分开光阑离轴距离Dap1，并且所述光阑定义到达所述光接收元件的标尺轨道成像光的第一透镜离轴成像路径，所述光阑被配置成通过包括所述第一透镜离轴成像路径的所述第一透镜的部分而接收标尺轨道图像光，其中所述光阑和所述光源位于包括所述第一透镜的光轴和读取方向的平面的相对侧上。

2.如权利要求1所述的光学编码器，其中，0.8*Dap1<Dsrc<1.2*Dap1。

3.如权利要求2所述的光学编码器，其中，所述光阑平面沿着所述第一透镜的光轴的方向，位于距所述第一透镜的平面的距离AP1处，和所述光源平面沿着所述第一透镜的光轴的方向，位于距所述第一透镜的平面的距离LSP处，并且LSP<1.2*AP1。

4.如权利要求3所述的光学编码器，其中，0.7*AP1<LSP<AP1。

5.如权利要求1所述的光学编码器，其中，所述第一透镜具有定义第一焦面的第一焦距，所述第一焦面沿着所述第一透镜的光轴的方向，位于距所述第一透镜的平面的距离fs处，所述光阑平面沿着所述第一透镜的光轴的方向，位于距所述第一透镜的平面的距离AP1处，并且1.2*fs>AP1>0.8*fs。

6.如权利要求5所述的光学编码器，其中，AP1>1.03*fs。

7.如权利要求1所述的光学编码器，进一步包含第二透镜，所述第二透镜处在位于所述光阑平面与所述光接收元件的平面之间的第二透镜平面上，所述第二透镜被安排成接收通过所述光阑透射的标尺轨道图像光，并且将接收的标尺轨道图像光成像在所述光接收元件上，其中所述第二透镜与所述第一透镜类似地配置，并且这样取向，使所述第一和第二透镜的形状相似表面沿着它们各自的光轴方向面朝相反方向，并在与读取方向垂直的方向，所述光阑的中心与所述第二透镜的光轴分开光阑离轴距离Dap2，并且所述光阑定义到达所述光接收元件的标尺轨道成像光的第二透镜离轴成像路径，所述光阑通过包括所述第二透镜离轴成像路径的所述第二透镜的部分而透射所述标尺轨道图像光。

8.如权利要求7所述的光学编码器，其中，所述第一透镜的光轴和所述第二透镜的光轴沿着与读取方向垂直的方式分开距离DL1L2，和所述光阑的中心沿着所述第一和第二透镜的光轴之间的距离DL1L2放置。

9.如权利要求8所述的光学编码器，其中，所述距离Dap2和Dap1表面上是相等的。

10.如权利要求8所述的光学编码器，其中，0.8*Dap1<Dsrc<1.2*Dap1。

11.如权利要求8所述的光学编码器，其中，所述第一透镜具有定义第一焦面的第一焦距，所述第一焦面沿着所述第一透镜的光轴的方向，位于距所述第一透镜的平面的距离fs处，所述第二透镜具有定义第二焦面的第二焦距，所述第二焦面沿着所述第二透镜的光轴的方向，位于距所述第二透镜的平面的距离fp处，所述光阑平面沿着所述第一透镜的光轴的方向，位于距所述第一透镜的平面的距离AP1处，和沿着所述第二透镜的光轴的方向，位于距所述第二透镜的平面的距离AP2处，并且1.2*fs>AP1>0.8*fs。

12.如权利要求11所述的光学编码器，其中，所述光阑平面离所述第一透镜的平面比所述第一焦面远。

13.如权利要求11所述的光学编码器，其中，所述光阑平面位于所述第一和第二焦面之间。

14.如权利要求11所述的光学编码器，其中，1.2*fp>AP2>0.8*fp。

15.如权利要求11所述的光学编码器，其中，所述光源平面沿着所述第一透镜的光轴的方向，位于距所述第一透镜的平面的距离LSP处，并且LSP<1.2*AP1。

16.如权利要求15所述的光学编码器，其中，0.7*AP1<LSP<AP1。

17.如权利要求11所述的光学编码器，其中，AP1>1.03*fs。

18.如权利要求8所述的光学编码器，其中，所述第一透镜和所述第二透镜每一个都包含非球面透镜，其中所述第一透镜和所述第二透镜的第一非球面是在其透镜的光轴附近凸出、并且沿着径向具有从其透镜的光轴开始作为半径的函数单调增大的斜率的曲面，和所述第一透镜和所述第二透镜的第二非球面是在其透镜的光轴附近凸出、并且沿着径向具有在包括其透镜的光轴的第一半径范围上作为半径的函数增大、而在围绕第一半径范围的第二半径范围上作为半径的函数减小的斜率的曲面。

19.如权利要求18所述的光学编码器，其中，所述第一透镜的第一非球面被安排成离所述标尺轨道较远，而所述第一透镜的第二非球面被安排成离所述标尺轨道较近。

20.如权利要求18所述的光学编码器，其中，所述第一和第二透镜被配置成使得所述光接收元件上的标尺轨道图像的放大率M是0.75<M<1.25，接近其光轴的所述第二非球面的半径R2与接近其光轴的所述第一非球面的半径R1之比是1.1<[R2/R1]<1.7，以及沿着它们的光轴所述第一和第二非球面之间的透镜厚度T与它们的透镜的焦距F之比是0.7<[T/F]<1.1。

21.如权利要求8所述的光学编码器，其中，所述标尺进一步包括第一标尺轨道和第二标尺轨道，所述第一标尺轨道和所述第二标尺轨道分别，沿着读取方向延伸并包含标尺刻度线，所述第二标尺轨道沿着与读取方向垂直的方向偏离所述第一标尺轨道，以及所述读取头包含：

按照权利要求8所述的所述光源、所述第一透镜、所述光阑、所述第二透镜、和所述光接收元件的第一装置；以及

配置成与所述第一装置类似地工作的第二装置，所述第二装置包含第二光源、与所述第一透镜类似的第三透镜、第二光阑、与所述第二透镜类似的第四透镜、和第二光接收元件，其中所述第二装置沿着与读取方向垂直的方向偏离所述第一装置，以便将第二标尺轨道成像在所述第二光接收元件上。

22.如权利要求1所述的光学编码器，进一步包含光吸收器，所述光吸收器被放置成接收从所述光接收元件形成标尺轨道图像的部分反射的光线，并且被配置成吸收从所述光接收元件的所述部分反射的接收光。