CN114729824A

CN114729824A - 位置测量装置

Info

Publication number: CN114729824A
Application number: CN202080079430.0A
Authority: CN
Inventors: 贾森·肯普顿·斯拉克; J·A·克拉夫
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-07-08
Also published as: EP4058756B1; WO2021094456A1; US12072216B2; EP4058756A1; US20220397430A1; GB201916641D0; JP2023502079A; ES2972318T3; LT4058756T; KR20220097912A

Abstract

一种编码器设备包括反射标尺和读取头。读取头包括至少一个发光元件、至少一个传感器和至少一个光学装置，它们与标尺一起形成光学系统，其中，光学装置将反射标尺的被照亮区域的图像形成到传感器上。系统的从发光元件到传感器的光路在其朝向标尺及从标尺反射后的途中穿过光学装置，并且包括在发光元件与光学装置之间的未经反射的光路以及在光学装置与传感器之间的未经反射的光路。

Description

位置测量装置

本发明涉及一种位置测量装置，也称为位置测量编码器、位置编码器、编码器设备或就称为“编码器”。特别地，本发明涉及一种所谓的绝对位置测量装置/编码器设备。

用于测量两个可移动物体之间的相对位置的编码器设备/位置测量装置是众所周知的。典型地，在一个物体上设置一系列标尺标记，并且在另一个物体上设置用于读取标尺标记的读取头。标尺标记可以与物体一体形成，或者可以设置在可以固定到物体的标尺上。

编码器设备通常被分类作为增量式编码器设备或绝对式编码器设备。在增量式编码器设备中，标尺具有可以被读取头检测到的多个周期性标记，以提供增量式递增/递减计数。例如，在欧洲专利申请号0207121中描述了这种标尺。参考标记可以紧邻周期性标记设置或嵌入周期性标记中，以限定参考点。例如，公开的国际专利申请WO 2005/124282中披露了这种标尺。绝对位置编码器设备典型地通过读取头检测独特的标记系列(例如代码)并将这些代码转换成绝对位置来测量相对位移。国际专利申请号PCT/GB2002/001629中披露了这种标尺，并且WO 2010/116144中详细描述了这种编码器。

绝对式编码器设备与增量式编码器设备的不同之处在于，绝对式编码器设备可以在启动时确定读取头相对于标尺的绝对位置，而不需要读取头在标尺中的相对运动。相比之下，在增量式编码器设备中，读取头必须行进到参考标记以便确定零位置。

编码器设备也可以基于它们检测标尺上的特征的主要手段来进行分类，例如光学式、磁式、电感式、电容式。

本发明涉及一种改进的光学编码器设备。

根据本发明的第一方面，提供了一种编码器设备，该编码器设备包括反射标尺和读取头，该读取头包括至少一个发光元件、至少一个传感器和至少一个光学装置，该它们与该标尺一起形成光学系统，其中，该光学装置将该反射标尺的被照亮区域的图像形成到该传感器上，并且其中，该系统的从该发光元件到该传感器的光路在其朝向该标尺及从该标尺反射后的途中穿过该光学装置。

发光元件与光学装置之间的光路可以是直达的/未经反射的。光学装置与传感器之间的光路可以是直达的/未经反射的。换言之，该设备(例如读取头)可以包括在发光元件与光学装置之间的未经反射的光路以及在光学装置与传感器之间的未经反射的光路。

优选地，发光元件与标尺之间的光的光路是直达的/未经反射的，并且标尺与传感器之间的光的光路也是直达的/未经反射的。

对于其中读取头包括壳/壳体和窗口的实施例，(来自发光元件的)光通过该窗口离开并且(由标尺反射的)光通过该窗口进入读取头(换句话说，离开和进入壳/壳体)，优选地，读取头内(或壳/壳体内)的整个光路是直达的/未经反射的。

本发明实现了用于光学绝对位置测量装置的特别紧凑的读取头。例如，将读取头配置为使得从发光元件发出的光在向外路径和返回路径上穿过相同的光学装置可以减少所需的光学部件的数量。而且，确保发光元件与光学装置之间的直达的/未经反射的光路以及光学装置与传感器之间的直达的/未经反射的光路意味着不需要反射式光学部件(比如反射镜和/或分束器)，(例如，读取头可以在其光路中没有反射式光学部件)。相应地，可以进一步减少读取头中的光学部件的数量，并且可以改进读取头的紧凑性并降低复杂性。

发光元件可以安装到读取头，使得在垂直于传感器平面的维度上，发光元件安置在/位于传感器与光学装置之间。例如，发光元件可以位于传感器与光学装置之间(由传感器和光学装置的外边缘/外侧划定)的空间(或“容积”)中。

发光元件可以基本上位于光学装置的焦平面处，使得由此发射的光被光学装置准直。例如，优选地，发光元件距光学装置的焦平面不超过500μm(微米)，更优选地距光学装置的焦平面不超过250μm(微米)，尤其优选地距光学装置的焦平面不超过100μm(微米)。

可选地，由标尺反射并由光学装置成像到传感器上的光朝向光学装置与传感器之间的特定距离处的点会聚。进一步地，发光元件可以大致位于光学装置与传感器之间的所述特定距离处。

可选地，i)在垂直于传感器的平面的方向上发光元件的发射表面(或发射点)的中心与传感器的感测平面之间的距离与ii)在垂直于传感器的平面的方向上发光元件的发射表面(或发射点)的中心与光学装置之间的距离的比率不小于35:65，例如不小于40:60，可选地不小于50:50，优选地不小于60:40，以及例如不小于65:35。

发光元件可以定位成使其偏离光学装置的光轴。例如，发光元件可以从光学装置的光轴偏移(例如从光源的发射区的中心测量)不超过1mm，例如不超过750μm，例如不超过500μm。可选地，偏移与透镜的焦距的比率不大于1:2.5，例如不大于0.5:2.5。

可选地，光路在其撞击在标尺上和/或从标尺反射时的方向不垂直于标尺。例如，垂直于标尺(在被照亮区域)延伸的线与光路在其撞击在标尺上(和/或从标尺反射)时的方向之间的角度不小于1°(度)，例如不小于2°，例如不小于5°，并且可选地不大于20°，例如不大于15°。换言之，可选地，在碰撞标尺的光的入射方向与从标尺反射的光的反射方向之间存在角度(即，大于0°)，例如角度为至少2°，以及例如至少4°，可选地至少10°，并且例如不超过40°，例如不超过30°。

相应地，可选地，光路在其撞击在标尺上和/或从标尺反射时的形状是V形的。可选地，系统的从发光元件到传感器的光路大致是菱形/斜方形。

在朝向标尺及从标尺反射后的途中通过光学装置的光路可以侧向偏移。相应地，例如，对于通过光学系统的任何给定射线，它朝向标尺离开光学装置的点和它已从标尺反射后重新进入光学装置的点是不同的/侧向偏移的。如将理解的，在朝向标尺及从标尺反射后的途中的光路(例如光束)可以重叠(例如，部分重叠，并且可选地基本上但不完全重叠)。

可选地，发光元件和传感器均面向光学装置和标尺。发光元件和传感器二者可以面向相同的方向。换言之，发光元件和传感器可以安装在读取头中，使得传感器平面基本上平行于发光元件的发射表面。

可选地，传感器、和标尺的由光学装置形成的图像位于发光元件的后方(例如正后方)。可选地，发光元件定位成使得来自发光元件的被标尺反射的射线会聚到某个点，从而在返回路径上绕过发光元件，以及随后发散并且在传感器上(在光源后方)形成标尺的所述图像。

如将理解的，当来自标尺上任何给定点的光线基本上会聚到图像平面(传感器所在的位置)处独特的公共点时，形成标尺的图像。(该点是“独特的”，因为对于标尺上的不同给定点，来自该点的射线将基本上会聚到不同的公共点)。该图像可以是经过空间滤波的图像。

可以设置多个发光元件。在这种情况下，优选地将该多个发光元件设置在一起以用作单一光源。可选地，读取头仅包括一个发光元件。

可选地，发光元件包括“未封盖的”、“未封装的”或“无透镜的”半导体二极管，例如裸片半导体二极管。发光元件可以包括例如发光二极管(LED)或激光器(例如垂直腔面发射激光器(VCSEL))。

该至少一个传感器可以包括多个传感器元件(例如光电二极管)。例如，读取头可以包括传感器元件阵列。该阵列可以是一维或二维的。

本文提及的“光”是指从紫外到红外范围的任何位置的电磁辐射(EMR)。例如，光可以是紫外光、可见光、红外光、或它们的组合。

光学装置可以包括透镜，例如单透镜。可选地，光学装置包括衍射光学元件，比如菲涅耳波带片。可选地，光学装置包括全息光学元件，例如透镜的全息图。

标尺可以包括一系列特征，传感器可以检测该一系列特征以确定标尺和读取头的相对运动/位置。这样的特征可以周期性地或非周期性地布置。如将理解的，可以存在将特征限定在标尺上的许多合适方式。例如，可以通过具有特定电磁辐射(EMR)特性(例如特定光学特性)的标记、例如通过标尺的部分的特定光学透射率或反射率来限定特征。相应地，特征可以例如由标尺的具有最小反射率或透射率值的部分来限定。可选地，特征可以例如由标尺的具有最大反射率或透射率值的部分来限定。可选地，特征可以例如通过其(例如朝向和背离读取头)反射光的方式(例如方向)来限定。这些特征可以采用可以被传感器检测到的线、点或其他构型的形式。一维标尺的优选构型可以包括在垂直于测量维度的维度上跨越轨道的整个宽度延伸的线。

编码器设备可以是增量式编码器设备。相应地，标尺可以包括增量式标尺。增量式编码器设备可以包括用于限定一个或多个参考位置的一个或多个参考标记。可选地，编码器设备是绝对式编码器设备。如将理解的，与增量式编码器相比，绝对式编码器设备可以确定读取头相对于标尺的绝对位置，而不需要读取头和标尺的相对运动。绝对式编码器包括绝对式标尺，该绝对式标尺包括用于限定沿其长度的一系列独特位置的特征。该一系列独特绝对位置可以由多个轨道、例如多个相邻的轨道中的特征来限定。可选地，该一系列独特绝对位置可以由仅包含在单个轨道中的特征来限定。例如，绝对位置信息可以根据沿标尺的测量长度采取的特征的组合来确定。相应地，编码器设备可以被配置为从传感器获得的图像中提取绝对位置信息。这种提取可以由读取头或在读取头外部的装置执行。

可选地，读取头被配置为通过获得标尺的至少一个离散快照(即快照图像)来读取标尺。这可以代替地是例如连续测量和计数相位。相应地，可以通过读取头拍摄标尺的离散快照来获得标尺的图像。快照可以在某一时刻拍摄，或者通过快速相继地拍摄标尺的连续区段的较小读数来建立。标尺的快照读数可以提供若干优点。例如，标尺读取器相对于标尺的最大操作速度可以更大，因为它不受连续相位测量和计数系统的固有频率限度的限制。进一步地，在拍摄快照的光学系统中，发光元件只需开启短量时间，这允许相对于连续系统增加光强度，而不会增加平均功耗或限制光源的使用寿命。这种增加的光强度可意味着传感器可以捕获更多的光子，因此减少系统的本底噪声，产生较少的位置噪声。

传感器可以安装到印刷电路板(PCB)。发光元件可以与传感器电连接到相同的PCB。发光元件可以通过支撑构件物理地安装(到读取头(例如到PCB))，该支撑构件使发光元件远离板固持，以便在发光元件与传感器之间提供间隙(例如，在垂直于传感器的平面的方向上)。支撑构件可以被配置为将发光元件固持在传感器与光学装置之间的空间(容积)中。例如，在垂直于传感器的平面的方向上测量的在发光元件与传感器之间的距离可以是至少1mm，例如至少1.5mm，例如至少2mm。更具体地，在垂直于传感器的感测平面的方向上在发光元件的发射表面(或发射点)的中心与传感器的感测平面的距离可以是至少1mm，例如至少1.5mm，优选地至少2mm，例如大约2.5mm。所述距离可以在2mm和3mm之间，例如大约2.5mm。

根据本发明的另一方面，提供了一种读取头，该读取头用于读取反射标尺以确定它们的相对位置，该读取头包括发光元件、传感器和光学装置，用于照亮位于该读取头邻近的反射标尺的区域并且用于将该反射标尺的该区域的图像形成到该传感器上，并且其中，来自该发光元件的光在其朝向该标尺及从该标尺反射后的途中穿过该光学装置，其中，该发光元件与该光学装置之间的光的路径是直达的/未经反射的，并且该光学装置与该传感器之间的光的路径是直达的/未经反射的。以上结合本发明的第一方面所描述的特征同样适用于本发明的这个方面。

根据本发明的另一方面，提供了一种读取头，该读取头用于读取反射标尺以确定它们的相对位置，该读取头包括至少一个发光元件、至少一个传感器和至少一个光学装置(例如，透镜)。发光元件可以安装到读取头，使得发光元件位于传感器与光学装置之间(例如，在垂直于传感器的平面的维度上)。例如，发光元件可以位于传感器与光学装置之间(例如，由传感器和光学装置的外边缘/外侧划定)的空间(或“容积”)中。这种配置提供了非常紧凑的读取头。光学装置可以被配置为将反射标尺的被照亮区域的图像形成到传感器上。可选地，系统的从发光元件到传感器的光路可以在其朝向标尺及从标尺反射后的途中穿过光学装置。可选地，系统的光路可以包括在发光元件与光学装置之间的未经反射的光路。可选地，系统的光路可以包括在光学装置与传感器之间的未经反射的光路。以上结合本发明的其他方面所描述的特征同样适用于本发明的这个方面。

此文件描述了一种编码器设备，该编码器设备包括读取头，该读取头用于读取位于读取头邻近的反射标尺，读取头包括：安装有传感器，该传感器包括用于检测从位于读取头邻近的标尺反射的光的一个或多个光电二极管；以及至少一个发光元件，其中，发光元件远离传感器的感测平面被固持，使得在垂直于传感器的感测平面的方向上测量的在发光元件与传感器之间的距离为至少1mm。此文件描述了一种编码器设备，该编码器设备包括读取头，该读取头用于读取位于该读取头邻近的反射标尺，该读取头包括：电路板，该电路板上安装有传感器，该传感器包括用于检测从位于该读取头邻近的标尺反射的光的一个或多个光电二极管；以及至少一个发光元件，其中，该发光元件通过发光元件支撑结构安装到该电路板，该发光元件支撑结构使该发光元件远离该电路板和该传感器的感测平面固持，使得在垂直于传感器的感测平面的方向上测量的在发光元件与传感器之间的距离为至少1mm。更具体地，在垂直于传感器的感测平面的方向上在发光元件的发射表面(或发射点)的中心与传感器的感测平面之间的距离可以为至少1mm。所述距离可以是至少1.5mm，可选地至少2mm，例如至少2.5mm。所述距离可以在2mm和3mm之间，例如大约2.5mm。

现在将参考以下附图仅通过举例来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的位置测量装置的示意性等距视图；

图2是图1的位置测量装置的读取头的各个光学部件和电子部件的示意图；

图3a和图3b示出了图1和图2的位置测量装置的光学布置的示意图；

图4是图1的读取头的截面视图；

图5示出了图1的读取头的电路板、光源、光源支撑结构和传感器的等距视图；

图6a和图6b示出了光源的支撑结构的等距前视图和后视图；

图6c示出了光源的支撑结构的俯视平面图；

图7a和图7b示出了用于光源的键合引线的支撑结构的等距前视图和后视图；

图8示出了根据本发明的读取头的替代性实施例；

图9a和图9b示意性地展示了根据本发明的读取头的平面视图，其中，光源直接定位在传感器上。

参照图1，示出了编码器设备2，该编码器设备包括读取头4、标尺6和控制器7。读取头4和标尺6分别安装到可相对于彼此移动的第一物体和第二物体(未示出)。相对运动的速度可以变化，但在所描述的实施例中，读取头4和标尺6具有已知的最大相对加速度。

在一些实施例中，标尺6是线性标尺。然而，将理解，标尺6可以是非线性标尺，例如旋转标尺(例如盘形或环形标尺)。此外，标尺6实现了仅在单一维度上进行测量。然而，不一定如此，以及例如，标尺可以实现在两个维度上进行测量。

在所描述的实施例中，标尺6是绝对式标尺并且包括布置成沿其长度对独特的位置数据进行编码的一系列反射线8和非反射线10。数据可以是例如伪随机序列或离散码字的形式。在其他实施例中，标尺可以是增量式标尺(具有或不具有参考标记)。

线的宽度取决于所需的位置分辨率，并且典型地在1μm至100μm的范围内，更典型地在5μm至50μm的范围内，例如在10μm至30μm的范围内。在所描述的实施例中，线的宽度约为15μm。反射线8和非反射线10一般以预定周期、以交替方式布置。然而，选择非反射线10从标尺6中缺失，以便在标尺6中对绝对位置数据进行编码。例如，非反射线的存在可以用于表示“1”位，而非反射线的不存在可以表示“0”位。

如图2所展示的，读取头4包括发光元件/光源12、光学装置18、传感器20和窗口22。在此实施例中，发光元件/光源12包括发光二极管(LED)。而且，在此实施例中，光学装置包括透镜18，但也可以使用其他光学装置。例如，可以使用衍射光学元件(比如菲涅耳波带片)和/或全息光学元件，例如透镜的全息图。在此实施例中，传感器20包括互补金属氧化物半导体(“CMOS”)传感器。如将理解的，可以使用其他图像传感器来代替CMOS传感器。例如，可以代替地使用CCD或光电二极管阵列。

读取头4还包括CPU 24、存储器装置25(例如，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或快闪存储器)和接口26。读取头4还可以包括模数转换器以将来自传感器20的图像数据数字化。可选地，模数转换可以在传感器20或CPU 24内执行。

从LED 12发出的光由光学装置18准直，然后穿过窗口22并落在标尺6上。标尺6将光反射回穿过窗口22，该光穿过透镜18，该透镜继而使用由标尺反射的光将标尺的二维图像形成到传感器20上。相应地，传感器20检测标尺6的由LED 12照亮的部分的二维图像。传感器可以包括一维或二维像素阵列。例如，传感器可以包括具有256个长形像素的一维阵列，这些长形像素的长度平行于标尺上的反射线8和非反射线10的长度延伸。代替所描述的二维成像布置，可以代替地使用一维成像布置，其中标尺的一维图像由透镜形成在传感器上。

LED 12连接到CPU 24，使得LED 12可以由CPU 24按需操作。传感器20连接到CPU24，使得CPU 24可以接收跨越图像传感器20落下的光的强度的图像。传感器20也直接连接到CPU 24，使得传感器20可以由CPU 24按需操作以对跨越该传感器落下的强度拍摄快照。CPU 24连接到存储器25，以便它可以存储且检索数据以在其处理中使用。接口26连接到CPU24，使得CPU 24可以通过线40接收来自比如控制器7(如图1所示)等外部装置的需求并将结果输出到该外部装置。线40还包括电力线，读取头4通过电力线供电。

如将理解的，绝对位置数据可以通过缺失反射线8以及、或代替地通过缺失非反射线10而在标尺6中编码。此外，绝对位置数据可以嵌入标尺6中，而无需添加或去除反射线8或非反射线10。例如，可以改变线的宽度、线之间的距离或线的颜色，以便将绝对位置数据嵌入标尺6中。此外，不是标尺通过沿标尺的测量长度获取的特征的独特组合来限定绝对位置，而是标尺可以具有通过沿标尺的宽度获取的特征的独特组合来限定绝对位置的特征。例如，标尺可以包括多个“条形码”，这些条形码的长度例如基本上垂直于标尺的测量长度延伸跨越标尺。可选地，标尺可以包括多个轨道，其中至少一个、可选地至少两个和可能所有这些轨道可以包括规则间隔开的多个特征(即，轨道可以基本上包括不同基频的增量式标尺特征)，其中轨道的标尺周期彼此不同，使得跨越标尺宽度的特征的组合在沿标尺的测量长度的任何一点上都是独特的。

一系列标记组可以用于沿限定独特(即绝对)位置信息的标尺长度对一系列独特的二进制码字进行编码，同时仍具有足够的信息以便使得能够从一系列标记中提取相位信息，以能够确定精细的位置信息(例如，具有比标尺标记的周期更精细的分辨率的位置信息)。相应地，在这样的系统中，位置信息可以由粗略绝对位置(根据从图像中提取的码字确定)以及精细位置(通过查看大致周期性的标记的相位偏移确定)构成。这种所谓的增量式和绝对式混合标尺的进一步细节在国际专利申请号PCT/GB2002/001629(公开号WO 2002/084223)中进行了描述，该国际专利申请的内容通过此援引并入本说明书中。

在替代性实施例中，标尺可以包括绝对轨道和分开的增量轨道，该绝对轨道包括限定绝对位置信息的特征，该增量轨道包括规则间隔开的特征。

将参照图3a和图3b更详细地描述图1和图2的读取头4的光学系统。图3a和图3b示意性地展示了光从光源12穿过光学系统到传感器20采用的路径，该光学系统将标尺6的图像形成到传感器20上。

如图所示，光学装置18包括透镜18，该透镜具有光轴OA、焦距f和焦平面fp。如图所示，点光源12基本上位于透镜18的焦平面fp处，但略微偏离透镜18的光轴OA。例如，光源12从透镜18的光轴OA偏移大约450μm(从光源的发射区的中心测量)。特别地，偏移与透镜的焦距的比率为大约0.45:2.5。将光源12基本上定位在透镜18的焦平面处有助于确保从光源发出的光在其朝向标尺6行进时基本上被透镜18准直。相应地，由标尺6反射的光然后在发散并在光源12后方的传感器20处形成标尺6的二维图像之前由透镜18聚焦到透镜18的焦平面fp处的一点。如将理解的，光源12的图像将形成在焦平面fp处。将光源12定位在透镜18的焦平面fp处但偏离透镜18的光轴OA意味着光源12可以位于传感器20与透镜18之间的空间(或“容积”)中(由图3b中所示的阴影区域展示)，这有助于使读取头紧凑，但不会妨碍由标尺反射的光在其返回到传感器20的路径。

如图所示，光源12和传感器20二者面向透镜18(以及窗口22和标尺6)。(换言之，光源12的发射表面和传感器20的感测表面面向透镜18)。而且，在光源12与透镜18之间存在未经反射的(换言之，“直达的”)光路，并且在透镜18与传感器20之间也存在未经反射的(即“直达的”)光路。因此不需要或不使用反射式光学部件来使光转弯或转向。避免使用比如反射镜和分束器等反射式光学部件可以有助于显著减小读取头的尺寸。

此外，在所描述的特定实施例中，相同的光学装置/透镜18既用于对来自光源12的光准直又用于将标尺6的图像形成到传感器上。相应地，所描述的读取头4的光学布置仅使用一个光学装置/透镜18，并且因此特别紧凑且廉价。在所描述的实施例中，透镜18是单透镜，但可以是不同类型的透镜(例如双透镜、复合透镜或梯度折射率(GRIN)透镜)。如将理解的，光学装置不一定是透镜，而可以是另一种类型的光学装置，比如菲涅耳波带片或全息光学元件(HOE)，例如透镜的全息图。

如图3a所展示的，光源在传感器20与透镜18之间更靠近透镜。这种配置与传统的编码器设计不同，在传统编码器设计中，光源通常与传感器大致共面而与传感器安装到同一板。如图3a所示，在此实施例中，读取头被配置为使得i)在垂直于传感器的平面的方向上发光元件的发射表面(或发射点)的中心与传感器的感测平面之间的距离(D1)与ii)在垂直于传感器的平面的方向上发光元件的发射表面的中心(或发射点)与光学装置之间的距离(D2)的比率为大约70:30。在绝对意义上，在垂直于传感器的感测平面的方向上发光元件的发射表面(或发射点)的中心与传感器的感测平面之间的距离为大约2.5mm，例如2.6mm。

如图3b中的粗黑线示意性展示的，由于光源12、透镜18和传感器20的配置，从光源到传感器的光路大致是菱形/斜方形，而透镜18与标尺6之间的光路大致是V形。在所描述的实施例中，垂直于标尺延伸的线(图3b中的虚线)与光路在撞击到标尺上时的方向之间的角度θ为大约10°。

如图所示，传感器20可以倾斜，使其感测表面/平面不垂直于透镜的光轴。这种倾斜可以帮助补偿形成在传感器上的图像中的任何梯形失真，该梯形失真可能由于图像由透镜18的离轴部分形成而形成。在所示实施例中，传感器20倾斜，使得平行于它们的感测表面(例如其感测平面)延伸的平面与垂直于光轴延伸的平面之间的角度α为约3°。然而，并不一定必须如此，并且传感器可以配置为使得其感测表面可以垂直于透镜的光轴延伸(即，使得角度α小于1°)。如下文更详细描述的，传感器20的这种倾斜可以通过以倾斜角度安装PCB32(传感器安装到其上)来实现。相应地，安装到传感器20或PCB 12的任何其他部件(包括例如光源12)也可以为了机械便利而倾斜；但是不一定需要如此。如将理解的，补偿梯形失真的其他方式是可用的，比如通过将传感器元件适当地成形，例如对传感器元件本身进行“梯形失真校正”。

现在参照图4和图5，现在将描述可以如何构造读取头以实现上述光学布局的示例实施例。

如图4所示，读取头4包括本体30，透镜18、窗口22和印刷电路板(PCB)32(例如通过胶接、机械和/或摩擦手段)安装到本体。传感器20、LED 12和其他电子部件(比如上述CPU24、存储器25和接口26，图4或图5中未示出)机械地和电气地安装到PCB 32。

如所展示的，尽管LED 12安装到PCB 32，但LED 12“在板外”安装到电路板，即它安装到PCB 32，但它是通过凸起的支撑结构34进行安装，该支撑结构使LED 12远离PCB 32固持。特别地，支撑结构34延伸超出传感器20，以使LED 12比传感器20更远离PCB 32固持。

相应地，如图所示，传感器20安装得相对靠近PCB 32，而LED 12安装得相对远离PCB 32。如图4所展示的，LED 12比PCB 32明显更靠近透镜18，而传感器20比透镜18明显更靠近PCB 32。相应地，如图所示，发光元件和传感器在垂直于传感器/电路板的平面延伸的维度上是分开的。特别地，在垂直于传感器/电路板的平面延伸的维度上，在发光元件与传感器之间存在(自由)空间。在此示例中，i)在平行于成像构件的光轴OA的方向上LED 12发射表面(或发射点)与传感器20的感测平面之间的距离与ii)在平行于成像构件的光轴OA的方向上LED 12的发射表面(或发射点)与透镜18之间的距离之间的比率为大约70:30。

在所描述的实施例中，上述支撑结构34还在LED 12与PCB 32之间形成/提供电连接。相应地，在所描述的实施例中，用于使LED 12远离PCB 32固持的支撑结构34是LED 12与PCB 32之间的阴极34。相应地，阴极34包括从PCB 32升起的用于LED 12的刚性导电支撑结构。如图4和图5所示，支撑结构/阴极34包括开口/窗口35，由标尺6反射的光可以穿过该开口/窗口以便到达传感器20。

在此实施例中，阳极36还包括刚性导电结构，该刚性导电结构从PCB 32升起并且通过键合引线38引线键合到LED 12，如图4和图5所示。换言之，读取头包括从PCB 32延伸的凸起的键合引线支撑结构，并且其中，键合引线38在键合引线支撑结构与发光元件12之间延伸。尽管由于阳极的形状和尺寸在此实施例中不是必需的，但在其他实施例中，阳极36也可以具有开口/窗口，从LED 12发出的光可以朝向透镜18/标尺6而穿过该开口/窗口，并且由标尺6反射的光可以穿过该开口/窗口以便到达传感器20。

如将理解的，可以省略阳极36的刚性结构，并且LED 12可以通过在LED 12与PCB32之间延伸的键合引线来引线键合。然而，可有益的是尽可能地减少键合引线的长度，因为键合引线可能是脆弱的，并且键合引线越长，它越可能断裂。

在此特定实施例中，LED的支撑结构/阴极34和键合引线支撑结构/阳极36各自包括片材部分，每个片材部分都被折叠以提供三维框架、并且焊接到PCB 32。在所描述的特定实施例中，阴极34是黄铜，阳极是镀覆有镍金的黄铜。如图6和图7所示，折叠线37已经被化学蚀刻到片材中以帮助折叠。一旦折叠，支撑结构34、36中的每一个包括顶表面31和焊接到PCB 32的多个侧支撑件(或“支腿”)33。如将理解的，支撑结构/阴极34可以以其他方式形成，例如它可以被机加工/切割成形和/或冲压/压制成形。裸片LED 12通过导电环氧树脂直接安装在支撑结构/阴极34上，并且引线键合在LED 12与阳极36的顶表面31之间延伸。

如图6c所展示的，LED的支撑结构34的顶表面31在传感器20上延伸/部分覆盖传感器(传感器的轮廓在图6c中由双点划线示意性地展示)。换言之，穿过并垂直于传感器20(和PCB 32)的平面延伸的线也穿过LED的支撑结构34的顶表面31。这种构型使得LED 12能够非常靠近传感器20放置，并且如果需要，能够放置在传感器20上。

通过对读取头4的本体30内的透镜18进行航位推算来组装读取头4，并且本体30被压接以将透镜18固持就位(但是可以使用将透镜18固定到本体的其他方式，比如通过环氧树脂和/或通过将透镜18推入固持透镜的挠曲件)。然后将包括已经安装在其上的LED 12的PCB 32例如通过胶接和/或比如压接等机械手段安装到本体30。如果需要，可以使用对准过程来使PCB(因此以及其上的传感器和LED)相对于透镜对准。这样的对准过程可以包括使用相机查看PCB/其上部件的位置并且基于相机的输出进行调整，和/或连接PCB/其上部件并使用传感器的输出进行调整。一旦组装好，盖46例如通过胶接、压接和/或熔焊而固定到本体30。

在上述实施例中，键合引线支撑结构34也形成阴极，但是如将理解的，不一定需要如此，并且支撑结构34可以例如代替地形成阳极。

在所描述的实施例中，LED 12通过电极34机械地安装到PCB 32，但是如将理解的，不一定需要如此。例如，LED 12可以通过一个或多个非导电构件直接机械地安装到PCB 32，并且通过单独的构件(例如一根或多根引线(例如，通过引线键合))电连接到PCB 32。此外，LED 12不一定需要直接安装到PCB 32。例如，LED 12可以直接机械地安装到本体30，并且通过一根或多根引线(例如，通过引线键合)电连接到PCB 32。在另一个实施例中，LED 12可以电连接到不同的PCB(即与传感器所连接到的PCB 32不同)。

图8展示了根据本发明的另一个实施例的读取头4'。图8的读取头4'共享与图1至图7的实施例相同的许多零件，并且相同的零件共享相同的附图标记。在图8的实施例中，LED 12通过透明支撑结构50(例如玻璃块50)通过传感器20安装到电路板。特别地，玻璃块50通过粘合剂环氧树脂固定到传感器20。LED 12然后安置在导电垫52上，该导电垫已经沉积在玻璃块50的面向透镜18并且远离传感器20的一侧上。LED 12通过阳极36'和阴极34'电连接到电路板32，在此实施例中，阳极和阴极各自包括从PCB 32延伸的凸起的键合引线支撑结构、以及在键合引线支撑结构与LED 12/导电垫52之间延伸的键合引线。如将理解的，在此实施例的变体中，LED 12可以以其他方式连接到电路板，例如通过沉积在玻璃块50的表面/侧面上并沿玻璃块的表面/侧面铺设的阳极和阴极，或者甚至通过穿过玻璃块50铺设的阳极和阴极。

如上所述，发光元件的支撑结构34和/或发光元件12可以直接固持在传感器20上，使得垂直于电路板/传感器的平面延伸的线穿过发光元件的支撑结构34和传感器20二者和/或穿过发光元件12和传感器20二者。如将理解的，并且如图9中示意性地展示的，传感器20可以包括至少一个光敏元件21(例如光敏元件阵列)以及构成传感器20的其他子部件和封装。换言之，传感器20可以是包括至少一个光敏元件21(例如光敏元件阵列)的芯片或部件。例如，如图9a所展示的，发光元件12可以以其不直接安置在光敏元件21上的方式直接位于传感器芯片20上。替代性地，如图9b所展示的，发光元件12可以直接位于传感器芯片20上，其方式为发光元件12直接安置在光敏元件21上，例如使得垂直于电路板/传感器平面(即平行于Y轴)延伸的线穿过发光元件12和光敏元件21二者。

在所示的实施例中，LED 12由支撑结构34安装“在板外”。虽然这可以是有益的(例如，以便将LED 12放置在透镜18的焦平面处，以实现准直，同时使传感器20能够捕获标尺的图像)，但不一定需要如此。例如，LED 12可以安装在PCB 32上，使得它与传感器20基本上共面(换言之，处于与传感器20基本上相同的高度)。

在所示的实施例中，撞击在标尺上的光是经准直的，但不一定需要如此。此外，即使撞击在标尺上的光是经准直的，由标尺反射的光也不一定需要是经准直的。例如，如果标尺是弯曲的，例如如果标尺是环形标尺，则由标尺反射的光将不是经准直的。

Claims

1.一种编码器设备，所述编码器设备包括反射标尺和读取头，所述读取头包括至少一个发光元件、至少一个传感器和至少一个光学装置，所述至少一个发光元件、所述至少一个传感器和所述至少一个光学装置与所述标尺一起形成光学系统，其中，所述光学装置将所述反射标尺的被照亮区域的图像形成到所述传感器上，并且其中，所述系统的从所述发光元件到所述传感器的光路在其朝向所述标尺及从所述标尺反射后的途中穿过所述光学装置、并且包括在所述发光元件与所述光学装置之间的未经反射的光路以及在所述光学装置与所述传感器之间的未经反射的光路。

2.如权利要求1所述的编码器设备，其中，所述发光元件安装到所述读取头，使得在垂直于所述传感器的平面的维度上，所述发光元件处于所述传感器与所述光学装置之间。

3.如权利要求1或2所述的编码器设备，其中，所述发光元件位于所述传感器与所述光学装置之间的空间中。

4.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述发光元件基本上位于所述光学装置的焦平面处，使得由此发出的光被所述光学装置准直。

5.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，由所述标尺反射并由所述光学装置成像到所述传感器上的光，朝向位于所述光学装置与所述传感器之间的特定距离处的点会聚，并且其中，所述发光元件大致位于所述光学装置与所述传感器之间的所述特定距离处。

6.如权利要求2或3所述的编码器设备，其中，如下两项的比率不小于35:65：i)在垂直于所述传感器的平面的方向上，所述发光元件的发射表面的中心与所述传感器的感测平面之间的距离；和ii)在垂直于所述传感器的所述平面的所述方向上，所述发光元件的发射表面的所述中心与所述光学装置之间的距离的。

7.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述发光元件定位成使其偏离所述光学装置的光轴。

8.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述光路的方向在其撞击在所述标尺上和/或从所述标尺反射时，不垂直于所述标尺。

9.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述系统的从所述发光元件到所述传感器的光路大致是菱形。

10.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述发光元件和所述传感器均面向所述光学装置和所述标尺。

11.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述传感器、和所述标尺的由所述光学装置形成的图像位于所述发光元件的后方。

12.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述光学装置包括透镜。

13.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述标尺包括绝对式标尺，所述绝对式标尺包括用于限定沿其长度的一系列独特位置的特征，并且其中，所述设备被配置为从所述传感器获得的图像中提取绝对位置信息。

14.如任一前述权利要求所述的编码器设备，其中，所述传感器安装到印刷电路板(PCB)，并且其中，所述发光元件与所述传感器电连接到相同的PCB、但通过支撑构件物理地安装到所述读取头，所述支撑构件使所述发光元件远离所述PCB被固持，以便在所述发光元件与所述传感器之间提供间隙。

15.一种读取头，所述读取头用于读取反射标尺以确定所述读取头和所述反射标尺的相对位置，所述读取头包括发光元件、传感器和光学装置，用于照亮位于所述读取头邻近的反射标尺的区域并且用于将所述反射标尺的所述区域的图像形成到所述传感器上，并且其中，来自所述发光元件的光在其朝向所述标尺及从所述标尺反射后的途中穿过所述光学装置，其中，所述发光元件与所述光学装置之间的光的路径是未经反射的，并且所述光学装置与所述传感器之间的光的路径是未经反射的。