基于增量码道脏污免疫的光电二极管阵列排布方法及编码器系统与流程

(一)本发明涉及的是一种高精度编码器增量码道脏污免疫光电二极管排布方法及编码器系统，可广泛用于高精度机床控制加工、半导体加工与检测等领域。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、随着现代精密工业尤其是半导体工业的发展，不论是在芯片加工与检测以及精密数控加工等领域都对加工精度提出了更高的要求，高精度加工的需求对应高精度的定位与检测要求。光学编码器作为一种使用光场作为输入输出信号进行精密测量的位移传感装置，以其具有的超高检测精度、紧凑的系统结构以及较长的使用寿命已经在半导体等精密加工与检测领域得到了极大的应用，同时也促进了光学编码器系统在检测精度与准确性上的不断提升。

2、光学编码器是一种通过由码盘反射回具有周期性的光场进行移动距离测量的一种位移传感器，其主要构成为led光源，码盘与光电二极管探测阵列。光束经码盘中的增量码道反射后形成具有一定周期性的光场，光斑周期为w。根据光电二极管阵列输出的两路相位差为90°的信号asin和acos，可通过反正切计算出当前位置对应的相位(如图2):

3、

4、进而计算出当前位置相对于上一时刻位置的移动距离(如图2):

5、

6、在常见的光学编码器系统中，码道由增量码道和绝对码道组成，通过绝对码道获取当前的绝对位置，通过增量码道获取位移的增量信息。其优势在于通过对增量码道的信号进行反正切计算可进一步得到更准确的位置信息，但同时由于实际使用环境中不可避免地会引入例如:码道脏污、电路噪声等干扰，导致输出信号中携带了较多的杂波干扰。因此根据式(1)中反正切计算出的结果与实际结果就会有一定的偏差，进而影响系统的定位精度。

7、为了解决以上问题，本发明公开了一种高精度编码器增量码道脏污免疫光电二极管排布方法及编码器系统，可用于高精度机床控制加工、半导体加工与检测等领域。

8、如图3所示，本发明中在一个光斑周期内排布n个光电二极管分别采集n个相位的信号(n＞4且n为偶数)，n个相位均匀地分布在0～360°区间内。将这n个相位的信号根据式(3)和(4)计算后转换为两路相位差为90°的正余弦信号输出(其中acos、asin指输出信号的幅值，ci指在当前相位i处光电二极管的光电响应)，当码道有脏污或者由其他噪声影响了原始光斑信号时由于输出信号acos、asin中考虑了多个不同相位(或者不同位置)光斑信号的综合贡献，因此能够将这种噪声的影响降低，进而保证了输出结果的精度。

9、

技术实现思路

0、(三)技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种基于光学编码器增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法及编码器系统；其特征是：编码器系统由led光源(1)、码盘(2)、光电二极管阵列(3)、增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法(4)组成，其中：所述系统中的码盘(2)由增量码道(21)和绝对码道(22)组成；所述系统中的光电二极管阵列(3)由增量码道光电二极管阵列(31)和绝对码道光电二极管阵列(32)组成。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、如图3所示，本发明中在一个光斑周期内排布n个光电二极管分别采集n个相位的信号(n＞4且n为偶数)，n个相位均匀地分布在0～360°区间内。将这n个相位的信号根据式(3)和(4)计算后转换为两路相位差为90°的正余弦信号输出(其中acos、asin指输出信号的幅值，ci指在当前相位i处光电二极管的光电响应，当码道有脏污或者由其他噪声影响了原始光斑信号时由于输出信号acos、asin中考虑了多个不同相位(或者不同位置)光斑信号的综合贡献，因此能够将这种噪声的影响降低，进而保证了输出结果的精度。

4、所述系统中的led光源(1)用于产生稳定且高强度的初始光束；其特征在于led光源(1)表面可以带有或者不带透镜，但应该保证具有足够的出射光束角度，使光束照射到码盘(2)上时能够同时覆盖增量码道(21)和绝对码道(22)；led光源(1)的位置与角度应该根据实际光学编码器系统的结构调整，使led光源(1)发出的光束经码盘(2)反射后能够分别被增量码道光电二极管阵列(31)和绝对码道光电二极管阵列(32)接收到；led光源(1)应具有较窄的光谱范围，其光谱宽度应<60nm；led光源(1)应具有较小的发光尺寸，使照射到码盘(2)后反射的光场应具有清晰的周期性特征。

5、所述系统中的码盘(2)用于对由led光源(1)发出的光束进行调制，其基底材料可以是金属或者透明介质的一种；当码盘(2)围绕其圆心转动时，光电二极管阵列(3)中的增量码道光电二极管阵列(31)和绝对码道光电二极管阵列(32)会分别探测到由增量码道(21)与绝对码道(22)反射的光斑信号并输出对应的位移增量信息与绝对位置信息；其特征在于码盘(2)包含增量码道(21)和绝对码道(22)两条码道或者仅包含增量码道(21)；码盘(2)中的绝对码道(22)是通过在基底材料上镀有一定宽度的刻线实现对反射光场的调制，刻线的位置依据特定的序列排布；码盘(2)中的增量码道(21)是通过在基底材料上镀有一定周期的反射涂层或者刻线来实现对反射光场的调制。

6、所述系统中的光电二极管阵列(3)由增量码道光电二极管阵列(31)和绝对码道光电二极管阵列(32)组成，是包含信号放大单元、滤波器、模数转换单元、信号处理器、温度传感器的光电二极管阵列，能够将光信号转换为电信号输出；其特征在于光电二极管阵列(3)的增量码道探测单元(31)是根据增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法(4)来设计的，并且其光电二极管的宽度及排布周期应根据实际经码盘(2)中增量码道(31)调制后的光场周期来确定；光电二极管阵列(3)的绝对码道探测单元(32)中光电二极管的宽度w1应根据码盘(2)中被绝对码道(22)调制后的光斑宽度w2来确定，且应有w1≤w2/2。

7、所述系统中的增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法(4)可用于减小由于码道脏污或者其他噪声引起的位置计算误差；其特征在于在一个光斑周期内使用n个光电二极管采集n个相位的信号(n＞4且n为偶数)，n个相位均匀地分布在0～360°区间内。将这n个相位的信号经数学计算后转换为两路相位差为90°的正余弦信号输出，当码道有脏污或者有其他噪声影响了原始光斑信号时由于输出信号中考虑了多个不同相位的综合贡献，因此能够将这种噪声的影响降到最低，进而保证了输出结果的精度。

技术特征：

1.一种基于光学编码器增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法及编码器系统；其特征是：光学编码器系统由led光源(1)、码盘(2)、光电二极管阵列(3)、增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法(4)组成，其中：所述系统中的码盘(2)由增量码道(21)和绝对码道(22)组成；所述系统中的光电二极管阵列(3)由增量码道光电二极管阵列(31)和绝对码道光电二极管阵列(32)组成；所述系统中的led光源(1)发出的光束照射到码盘(2)上且光束能够同时覆盖增量码道(21)和绝对码道(22)，经码盘(2)反射的光束中有一部分携带了增量码道(21)的信息，一部分携带了绝对码道(22)的信息；反射光中携带增量码道(21)信息的光被光电二极管阵列(3)中根据增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法(4)所设计的增量码道光电二极管阵列(31)接收，携带绝对码道(22)信息的光被光电二极管阵列(3)中的绝对码道光电二极管阵列(32)接收。

2.根据权利要求1所述的光学编码器增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法及编码器系统；其特征是：所述系统中的led光源(1)用于产生稳定且高强度的初始光束；其特征在于led光源(1)表面可以带有或者不带透镜，但应该保证具有足够的出射光束角度，使光束照射到码盘(2)上时能够同时覆盖增量码道(21)和绝对码道(22)；led光源(1)的位置与角度应该根据实际光学编码器系统的结构调整，使led光源(1)发出的光束经码盘(2)反射后能够分别被增量码道光电二极管阵列(31)和绝对码道光电二极管阵列(32)接收到；led光源(1)应具有较窄的光谱范围，其光谱宽度应<50nm；led光源(1)应具有较小的发光尺寸，使照射到码盘(2)后反射的光场应具有清晰的周期性特征。

3.根据权利要求1所述的光学编码器增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法及编码器系统；其特征是：所述系统中的码盘(2)用于对由led光源(1)发出的光束进行调制，其基底可以是金属或者透明介质的一种；当码盘(2)围绕其圆心转动时，光电二极管阵列(3)中的增量码道光电二极管阵列(31)和绝对码道光电二极管阵列(32)会分别探测到由增量码道(21)与绝对码道(22)反射的光斑信号并输出对应的位移增量信息与绝对位置信息；其特征在于码盘(2)包含增量码道(21)和绝对码道(22)两条码道或者仅包含增量码道(21)；码盘(2)中的绝对码道(22)是通过在基底材料上镀有一定宽度的刻线实现对反射光场的调制，刻线的位置依据特定的序列排布；码盘(2)中的增量码道(21)是通过在基底材料上镀有一定周期的反射涂层或者刻线来实现对反射光场的调制。

4.根据权利要求1所述的光学编码器增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法及编码器系统；其特征是：所述系统中的光电二极管阵列(3)由增量码道光电二极管阵列(31)和绝对码道光电二极管阵列(32)组成，是包含信号放大单元、滤波器、模数转换单元、信号处理器、温度传感器的光电二极管阵列，能够将光信号转换为电信号输出；其特征在于光电二极管阵列(3)的增量码道探测单元(31)是根据增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法(4)来设计的，并且其光电二极管的宽度及排布周期应根据实际经码盘(2)中增量码道(31)调制后的光场周期来确定；光电二极管阵列(3)的绝对码道探测单元(32)中光电二极管的宽度w1应根据码盘(2)中被绝对码道(22)调制后的光斑宽度w2来确定，且应有w1≤w2/2。

5.根据权利要求1所述的光学编码器增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法及编码器系统；其特征是：所述系统中的增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法(4)用于减小由于码道脏污或者其他噪声引起的计算误差；其特征在于在一个光斑周期内使用n个光电二极管采集n个相位的信号(n＞4且n为偶数)，n个相位均匀地分布在0～360°区间内。将这n个相位的信号经数学计算后转换为两路相位差为90°的正余弦信号输出，当码道有脏污或者有其他噪声影响了原始光斑信号时由于输出信号中考虑了多个不同相位的综合贡献，因此能够将这种外界偶然的影响降到最低，进而保证了输出结果的精度。

技术总结本发明提供的是一种基于光学编码器增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法及编码器系统。其特征是：编码器系统由LED光源(1)、码盘(2)、光电二极管阵列(3)、增量码道脏污免疫的光电二极管阵列排布方法(4)组成，其中：码盘(2)由增量码道(21)、绝对码道(22)组成；光电二极管阵列(3)由增量码道光电二极管阵列(31)、绝对码道光电二极管阵列(32)组成；光线从LED光源(1)发出经增量码道(21)反射后被由增量码道脏污免疫光电二极管阵列排布方法(4)设计的增量码道光电二极管阵列(31)接收，系统可在码道被污染或者带有其他噪声干扰的情况下仍能输出正确的信号。本发明可用于高精度的直线位移与角度测量，可广泛用于高精度机床控制加工、半导体加工与检测等领域。技术研发人员：王承龙,段兆晨受保护的技术使用者：传周半导体科技（上海）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2