专利名称：高分辨率光学编码器系统、装置和方法
技术领域：
这里描述的本发明的各种实施例涉及运动编码器领域，以及与其相关联的内插电 路、组件、装置、系统和方法。
背景技术：
内插电路常被用在增量和绝对数字运动编码系统中，其中内插电路被构造为产生 具有数字脉冲，这些数字脉冲具有比输入到电路的基础正弦模拟信号更高的频率。因为由 这种内插电路提供的输出最终确定编码系统的精确性，所以随着电路的内插因子的增加， 内插电路的精确性变得更加关键。不幸的是，由于大部分内插电路的架构(通常依靠大量 的比较器)，由内插电路所提供的输出趋向于具有噪声并且含有由于比较器中的过多开关 而产生的不期望的噪声尖峰。因此，用在运动编码器中的内插电路中的比较器通常采用大 量的滞后来提供对于噪声尖峰的免疫。然而，特别是在高内插因子时，滞后本身可能变为内 插电路不精确的来源。参照图1，示出了现有技术的光学编码器系统10，其包括发光元件20 (通常是 LED)、设有孔31a-31f的码盘或码带30以及包括光电二极管41a(A)和41b(A\)的光探测 器40。在光学编码器10中，由光发射器20发射的经准直的光束22将光投射到码盘30上。 随着码盘或码带30沿着第一方向111或第二方向112旋转，经准直的光束22由设置在孔 31a-31f之间的遮蔽性的或光学不透明的部分打断(注意，码盘或码带30基本在由经准直 的光束22在光束22从光发射器20朝向光探测器40传播时近似地限定的平面中旋转)。 随着码盘或码带30在平面中沿着方向111或112旋转，经准直的光束22的部分50a和50b 经过孔31c和31d投射，并且扫描过光探测器40和光电二极管41b(A\)和41a(A)。随着码 盘30沿着方向111或112移动，由光束部分50a和50b投射到光探测器40的第一竖直部 分70上的光图案变化，并且由光电二极管41a和41b提供的输出信号相应地变化。一般采 用这些输出信号来产生一对准三角信号(例如如图2中所示)，该信号之后被用来确定码盘 30的位置、速度和方向中的任何一者或多者。现在参照图2，示出了 “三角”信号A和A\，使用对于光学编码器领域的技术人员 来说公知的电路和方法将它们相互比较并产生脉冲信号109。通常，也设置另一组光探测器 B和B\，其中光探测器B和B\相对于光探测器A和A\定位为异相90度，并且被用来产生 另一个脉冲(在图2中未示出)。产生彼此异相90度的光探测器A和々\以及的脉 冲。如图2所示，为了随后的内插处理，伪三角信号A和A\最好在其最大与最小部分之间 是直线的或直的，但是它们在顶部或底部附近展现出弯曲的部分。这些弯曲的部分是由于 不期望的电容效应，并且相当大地使得随后的内插尝试变得复杂。在图1中示出的这种类型的编码器中，主要根据终端用户的具体需要而确定和设 置装置10的空间分辨率。更具体地，通常根据给定消费者或终端用户的特定需要而确定相 邻的光探测器A和々\(分别为41a和41b)之间的距离或间隔。实现这种需求尤其在装置 10需要不常见的或者新的空间分辨率时需要对于晶片制作付出时间和努力。
在现有技术中采用的、对由装置10提供的空间分辨率进行改变或调整的一种技 术是采用设置在光发射器20与光探测器40之间的一个或多个标线(reticle)。图3示出 了一个这种布置，其中标线带60具有设置在其中的标线61和62。标线61和62被构造为 与照射到其上的光束发生干涉，并且对它们进行调整以使得投射到光探测器40上的光的 图案改变。对标线61和62被具体地构造为提供编码器10所期望的空间分辨率的程度、量 和类型。图4示出了由具有不同尺寸的两组不同的标线提供的输出信号的一个示例。使用 大的标线61-65(即，大的实线矩形)来产生在图4左侧的大的半正弦输出信号，而使用小 的标线(即，设置在大的矩形61到65内的小的虚线矩形)来产生图4右侧的小的半正弦 信号。将会看到，相比于使用更大的标线产生的那些输出信号，更小的标线提供具有更高空 间分辨率的输出信号。标线尺寸可以根据编码器10的空间分辨率要求而变化，编码器10 优选地被构造为具有相同尺寸的光电探测器。只要标线尺寸小于所采用的光电二极管，随 后就能通过改变标线尺寸来确定编码器10的空间分辨率。在光学编码器中使用标线的一 个缺点是需要额外的高精确度光学组件，并且所产生的编码器的成本相应地增加。继续参照图4，将会看到，大的和小的“正弦”信号有一些扭曲并且不是真正的正弦 信号，并且因此难以在处理电路(诸如，集成电路(“IC”)或数字信号处理(“DSP”)IC) 中被用作内插的基础。将会看到，用在一些模拟增量光学编码器中的传统方法依靠设置在光探测器上以 起到光调制滤波片的作用的额外的标线或掩模，来产生近似的正弦输出信号。标线或掩模 的形状和结构必须通常对于顾客进行优化，以产生接近正弦的波形。标线设计特别是在低 的线密度(line count)下可能变得非常复杂。标线或掩模的精确的对准和定位也是必要 的，这通常将其自身表明为制造和组装中的主要缺点。在现有技术中通常采用的、用于从光学编码器系统提供更高分辨率的经内插的输 出信号的另一种技术是系统地减小输入信号的幅度。之后通过XOR操作将减小的幅度信号 与基准信号相比较，以产生经内插的比特。例如，见授权给Snyder的、题为“ Interpolation Methods and Circuits forlncreasing the Resolution of Optical Encoders，，的美国专 利No. 6，355，927。这种方法的一个缺点是必须使得比较器的数目对于要被内插的每个额外 的比特翻倍。例如，在2x内插(21)时，需要最少8个比较器，并且所需要的比较器的数目 超出所期望的每2n内插的双倍。这么多的比较器的使用增加了设计和IC成本。所需要的是这样一种用于运动编码系统的内插电路，其中可以在不需要使用额外 的光学组件、标线带或标线的状态下调整或操纵编码器的空间分辨率，并且可以快速和精 确地影响定制的空间分辨率而不需要过度地增加成本。所需要的是这样一种用于运动编码 系统的内插电路，其具有改善的对于噪声的免疫性，能够提供高的内插因子，能够提供非常 精确的内插输出信号并且不会过度增加电路复杂性、设计和/或成本。

发明内容
在一些实施例中，提供了一种光学编码器，其包括光发射器，其构造为从其发出 光束；码带或码盘，其构造为沿着移动轴线移动并且包括沿着轴线设置的多个交替的光学 不透明和光学透射部分，光学不透明和光学透射部分中的每一者都具有宽度g/2，光学透射部分彼此间隔距离g/2 ；以及光探测器，其包括光探测元件的组，每个光探测元件包括基 本平行于移动轴线设置的一对互补光探测器，每对光探测器中的每个光探测器都具有宽度 d/2或d/4，每个光探测元件具有宽度d或3d/4，光探测元件被基本平行于移动轴线地设置； 其中，光束照射到码带或码盘上，光束的部分投射通过光学透射部分，以随着码带或码盘沿 着移动轴线移动而扫描过光探测元件的组，g不等于d，在g大于d时，比率g/d等于3M/ (3M-1)，在g小于d时，比率g/d等于3M/ (3M+1)，并且M是整数。在其他实施例中，提供了一种利用光学编码器产生正弦信号的方法，包括从光 发射器发出光束；沿着移动轴线移动码带或码盘，码带或码盘包括沿着轴线设置的多个光 学透射部分，每个光学透射部分具有宽度g/2，光学透射部分彼此间隔距离g/2 ；以及使得 光束的、经过光学透射部分而投射的部分随着码带或码盘沿着移动轴线移动而扫描过光 探测元件的组；利用光探测元件的组来检测光束的这些部分，每个光探测元件包括基本平 行于移动轴线设置的一对互补光探测器，每对光探测器中的每个光探测器都具有宽度d/2 或d/4，每个光探测元件具有宽度d或3d/4，光探测元件被设置为基本平行于移动轴线；其 中，g不等于d，在g大于d时，比率g/d等于3M/ (3M-1)，在g小于d时，比率g/d等于3M/ (3M+1)，并且M是整数。在阅读并理解说明书及其附图之后，这里公开的实施例对于本领域技术人员将会
变得清楚。


通过说明书、附图和权利要求，本发明的各种实施例的不同方面将会变得清楚，其 中图1示出了现有技术的光学编码器10 ；图2示出了典型的输出信号A、A\和根据这种输出信号产生的脉冲；图3示出了现有技术的另一个光学编码器10.；图4示出了可以如何通过使用标线来调整光学编码器的空间分辨率；图5示出了包括新颖的前端模拟电路的光学编码器10的部分的实施例；图6示出了构造为生产三角输出信号的光探测器40和码盘或码带30的一个实施 例；图7示出了内插电路120的一个实施例；图8示出了作为内插电路120的输入而提供的正弦信号x(t)和y(t)以及作为其 输出而提供的输出A(t)和B(t)的一个实施例；图9示出了从范围在3到11之间的M的值的三角输入波形产生各种输出信号；图10示出了三角输入信号f(t)、脉冲信号g(t)、通过将f (t)与g(t)卷积而获得 的各个三角信号x(t)以及通过将各个三角信号求和而得到的正弦输出信号X(t)的时域表 示形式；图11示出了对应于图10的时域信号f(t)、g(t)和x(t)的频域信号F(w)、G(w) 禾口 X(w)；图12示出了构造为产生梯形输出信号的光探测器40和码盘或码带30的一个实 施例；
图13示出了从范围在3到11之间的M的值的梯形输入波形产生各种输出信号；图14示出了梯形输入信号f(t)、脉冲信号g(t)、通过将f(t)与g(t)卷积而获得 的各个梯形信号X(t)以及通过将各个梯形信号求和而得到的正弦输出信号x(t)的时域表 示形式；图15示出了对应于图14的时域信号f(t)、g(t)和x(t)的频域信号F(w)、G(w) 禾口 X(w)ο附图不一定按比例。相同的附图标记在附图中表示相似的部分或步骤，除非额外 说明。
具体实施例方式本专利申请通过引用结合Mei Yee Ng等人2009年2月29日递交的、题为 “Interpolation Accuracy Improvement in Motion Encoder Systems, Devices and Methods”的美国专利申请No. 12/393，162以及Kheng Hin Toh等人2009年7月31日递交 的题为 ‘‘ Interpolation Accuracy Improvement inMotion Encoder System, Devices and Methods"的美国专利申请No. 12/533，841，以上每一者分别将其全文结合在这里。现在参照图5，示出了光学编码器10的一部分的一个实施例，其包括构造为从其 发射光束22的光发射器。图5示出了入射到准直透镜24上的光束22，准直透镜24对光束 22进行准直以形成经准直的光束26，经准直的光束26之后入射到码带或码盘22上，其中 码带或码盘22被构造为沿着与移动方向111和112相一致的轴线移动。注意，准直透镜24 是可选的，并且因此根据一些实施例是不需要的。如所示，码带或码盘30包括多个光学透 射部分31a到31f，其与设置在光学透射部分31a到31f之间的光学不透明部分31a到32e 相互交替。光学透射部分31a到31f (在一个实施例中是孔或狭缝)以及插入光学透射部 分31a到31f之间的光学不透明部分31a到32e沿着所述轴线在方向111和/或112上移 动。在一个实施例中，光学不透明和光学透射部分31a-31f和32a-32e都具有等于g/2的 宽度，并且光学透射部分31a-31f因此彼此间隔相同的距离g/2。在另一个实施例中，光学 不透明部分32a_32e是反射性的。注意，各种实施例包括透射性或反射性光学编码器。现在参照图5和图6，将会看到光探测器40包括一组光探测元件41、42、43和44， 其中，每个光探测元件包括并排设置并且基本平行于移动的轴线的一对互补的光探测器
PpP1-........PM+、PM-。在由差分放大器91、92、93和94提供三角输出信号的一个实施例
中，如图6所示，每对中的每个光探测器P1+、P1-........PM+、PM_具有宽度d/2，并且每个光
探测元件41、42、43和44具有宽度d。光探测元件41、42、43和44并排设置并且基本平行 于与码带或码盘30的移动方向111和112相一致的移动轴线。如图5进一步所示，光束26 的一部分投射通过光透射部分31a-31f，以随着码带或码盘30沿着移动轴线移动而扫描过 这组光探测器元件41、42、43和44。在优选实施例中，相邻光探测器元件之间的相移T等于 2 π /3M。根据图5和图6中示出实施例，距离g不等于距离d，在g大于d时，g/d的比率等 于3M/ (3M-1)，在g小于d时，g/d的比率等于3M/ (3M+1)，并且M是整数。在一些实施例中， M的范围在1到25之间。在优选的实施例中M大于7，将要在下文中对其进行更多描述。光 探测器电路40中的光探测器元件的尺寸以及码盘或码带30的尺寸示出在图6中，其中，码盘或码带的光栅间距等于g，光探测器元件宽度等于d，并且正弦通道与余弦通道之间的间 隔等于d/4，以产生π/2的相移。现在参照图5，由光探测器电路40中的每对互补光探测器中的光探测器41 (Ρ1+， P1J、42(Ρ2+，P2J、43(P(m_1)+，PmJ和44(PM+，PmJ提供的输出信号被提供给放大电路80中 的相应的那对第一和第二放大器81、82、83和84。由用于每对互补光探测器81、82、83和 84的第一和第二放大器产生的各个输出被提供给相应的各个差分放大器91、92、93和94。 差分放大器91、92、93和94将互补的每对光探测器的差分信号结合。此外，每个差分放大 器91、92、93和94都提供具有三角形状的输出信号。之后，通过求和放大器100取得全部 的各个元件的平均输出而产生如下所示的输出余弦信号x(t)χ (t) = [f1+f2+f3+· . . +fn+fj /M(公式 1)输出信号x(t)的特征在于其非常高的保真度、精确度以及低的总谐波失真 (“THD”)，并且因此可以被用来产生高分辨率的内插输出信号。因此，在一个实施例中使用 旋转或线性的增量编码器10的原始信号来形成三角波形，接着使用空间平均技术将这些 三角波形结合，来产生高精确度的、几乎纯正弦的输出信号，该正弦输出信号具有良好限定 的波形形态、相位、幅度和频率。注意，图5仅示出了编码器10的余弦部分。通常，编码器10含有构造为提供相对 于彼此异相90度的余弦和正弦输出信号的正弦和余弦光探测电路部分。见图6，光探测器 电路40的正弦和余弦部分都被示出了。继续参照图5和图6，如上所述，通过光探测器元件41、42、43、44和与其相关联的 电路来调制入射到码盘或码带30的增量式窗口和条图案上的光，以提供成形为三角形的 输出信号。为了产生移动平均滤波器的效果，通过有意地使得光探测器元件41、42、43和44 的光栅节距和宽度的尺寸错配，来产生三角波形的多个移相副本。如果不采用信号在时间 上的移动平均值，也可以对于信号在光探测器元件41、42、43和44上进行空间平均，其中每 个信号相对于通过相邻的光探测器元件产生的信号具有恒定的相移T。注意，在图5和图6中示出的孔或光学透射部分31a_31f的数目、光学不透明部分 32a-32e的数目以及光探测器元件41、42、43和44的数目仅为示意性的。根据具体应用以 及手边的具体设计和成本限制，可以采用任何合适的数目或布置的这种光学编码器组件。图7示出了根据一个实施例的框图，其中，在内插电路120中对由图5的前端模拟 电路110产生的输出信号x(t)和y(t)进一步进行处理以提供输出A(t)和B(t)。输入信 号x(t)和y(t)中的每个被提供给模拟-数字转换器(ADC) 122或124。对应于高精确度的 x(t)和y(t)正弦信号的数字值之后被作为输入提供给数字逻辑/软件处理电路126，数字 逻辑/软件处理电路126对提供给其的输入正弦信号进行内插，以提供如图8通过示例的 方式所示的经内插的数字输出信号A(t)和B(t)。输出信号A(t)和B(t)通常具有输入信 号x(t)和y(t)的整数倍的频率，但是也可以产生非整数倍的输出。输出信号A(t)和B(t) 可以被构造为采取任何合适的波形形态，诸如方形波、脉冲等。数据处理电路126使用本领 域技术人员公知的数据处理技术硬件和软件来对信号x(t)和y(t)进行内插，并且因此不 需要在这里对其进行描述。已经发现最优的平均窗口等于2 π /3，其产生具有最低的总谐波失真(或THD)的 正弦输出信号X(t)或y(t)。即，在信号周期的恰好1/3上完成平均，其中信号间的相移是T = 2 π /3Μ。因此通过以下公式来确定g与d之间的有意的错配的最优的量(相移/ 信号周期)=(2 π /3Μ) /2 π = (g_d) /g(公式 2)因此，比率g/d = 3M/(3M-1)。M优选的大于7，以使得可以采用足够多的光探测 器，以提供产生精确的正弦输出信号所需要的平滑程度。随着M增加，所得到的正弦输出信 号具有更低的总谐波失真(“THD”)。参照以下的表1，可以看到随着M接近无限，THD接近 0.86%。注意，在表1中示出的M的值仅为奇数，这是为了对称的目的而简化数学分析。然 而，实践中M可以采取任何的值。表1 :M和相关的THD的值
权利要求
1.一种光学编码器，包括(a)光发射器，其构造为从其发出光束；(b)码带或码盘，其构造为沿着移动轴线移动并且包括沿着所述轴线设置的多个交替 的光学不透明和光学透射部分，所述光学不透明和所述光学透射部分中的每一者都具有宽 度g/2，所述光学透射部分彼此间隔距离g/2 ；以及(c)光探测器，其包括光探测元件的组，每个光探测元件包括基本平行于所述移动轴线 设置的一对互补光探测器，每对所述光探测器中的每个光探测器都具有宽度d/2或d/4，每 个光探测元件具有宽度d或3d/4，所述光探测元件被基本平行于所述移动轴线地设置；其中，所述光束照射到所述码带或码盘上，所述光束的部分经过所述光学透射部分投 射，以随着所述码带或码盘沿着所述移动轴线移动而扫描过所述光探测元件的组，g不等于 d，在g大于d时，比率g/d等于3M/ (3M-1)，在g小于d时，比率g/d等于3M/ (3M+1)，并且 M是整数。
2.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述光学透射部分是孔。
3.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述光学不透明部分是反射性的。
4.根据权利要求1所述的光学编码器，还包括设置在所述光发射器与所述码带或码盘 之间的准直透镜。
5.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，由每对所述互补光探测器中的光探测器 提供的输出信号被提供给第一和第二放大器。
6.根据权利要求5所述的光学编码器，其中，每对所述互补光探测器的所述第一和第 二放大器的输出被提供给相应的差分放大器。
7.根据权利要求6所述的光学编码器，其中，每对所述互补光探测器中的每个光探测 器都具有宽度d/2，每个所述光探测元件具有宽度d，并且每个所述差分放大器提供具有三 角形状的输出信号。
8.根据权利要求6所述的光学编码器，其中，每对所述互补光探测器中的每个光探测 器都具有宽度d/4，每个所述光探测元件具有宽度3d/4，并且每个所述差分放大器提供具 有梯形形状的输出信号。
9.根据权利要求7或8所述的光学编码器，其中，在求和放大器中对来自所述差分放大 器的输出进行求和，以产生余弦输出信号x(t)或正弦输出信号y(t)。
10.根据权利要求9所述的光学编码器，其中，所述输出信号x(t)或y(t)被提供给内 插电路。
11.根据权利要求10所述的光学编码器，其中，所述内插电路被构造为从其产生至少 一个数字式内插输出信号。
12.根据权利要求11所述的光学编码器，其中，所述至少一个数字式内插输出信号具 有相应的频率，该频率为所述输出信号x(t)或y(t)的频率的整数倍。
13.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，M的范围在1到25之间。
14.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，相邻的光探测元件之间的相移(T)等于 2 31 /3M。
15.一种利用光学编码器产生正弦信号的方法，包括(a)从光发射器发出光束；(b)沿着移动轴线移动码带或码盘，所述码带或码盘包括沿着所述轴线设置的多个光 学透射部分，每个所述光学透射部分具有宽度g/2，所述光学透射部分彼此间隔距离g/2 ；(c)使得所述光束中经过所述光学透射部分而投射的部分随着所述码带或码盘沿着所 述移动轴线的移动而扫描过所述光探测元件的组；以及 (d)利用所述光探测元件的组来检测所述光束的所述部分，每个光探测元件包括基本 平行于所述移动轴线设置的一对互补光探测器，每对所述光探测器中的每个光探测器都具 有宽度d/2或d/4，每个光探测元件具有宽度d或3d/4，所述光探测元件被基本平行于所述 移动轴线地设置；其中，g不等于d，在g大于d时，比率g/d等于3M/ (3M-1)，在g小于d时，比率g/d等 于3ΜΛ3Μ+1)，并且M是整数。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括将来自每对所述互补光探测器中的光探测器 的输出信号提供给第一和第二放大器。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括将来自所述第一和第二放大器中的每一者 的输出提供给相应的差分放大器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在每对所述互补光探测器中的每个光探测器 具有宽度d/2并且每个所述光探测元件具有宽度d时，每个所述差分放大器提供具有三角 形状的输出信号。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，在每对所述互补光探测器中的每个光探测器 具有宽度d/4并且每个所述光探测元件具有宽度3d/4时，每个所述差分放大器提供具有梯 形形状的输出信号。
20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括在求和放大器中对来自所述差分放大 器的输出进行求和，以产生余弦输出信号x(t)或正弦输出信号y(t)。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述输出信号x(t)或y(t)被提供给内插电路。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述内插电路被构造为从其产生至少一个数 字式内插输出信号。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述至少一个数字式内插输出信号具有相应 的频率，该频率为所述输出信号x(t)或y(t)的频率的整数倍。
24.根据权利要求15所述的方法，其中，M的范围在1到25之间。
全文摘要
本发明提供了高分辨率光学编码器系统、装置和方法。公开了结合光学编码器使用的前端模拟电路的各种实施例。通过增量或绝对运动编码器中的前端模拟电路将高精确度的模拟输出信号提供给内插电路，内插电路能够提供具有高时间精确度的高内插因子输出信号。可以使用CMOS或BiCMOS处理来实现公开的内插电路，而不需要过度的努力。
文档编号G01D5/347GK102062614SQ20101054970
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月15日 优先权日2009年11月14日
发明者李彦伟 申请人:安华高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司