光学编码器通过评估光栅尺上的精细周期结构，以非接触方式测量运动。由此产生的光强变化会被转换为电信号。因此，它们非常适用于精密运动系统，因为测量本身不会在定位设置中引入摩擦、磨损或机械负载。
在 METIRIO® Encoder 中，集成光源照射带有精细周期光栅的反射式光栅尺。当光栅尺相对于读数头移动时，反射光图案会随系统运动一起移动。该图案的运动由读数头内部的光传感器检测，并转换为模拟正弦和余弦信号。这些信号包含确定相对于参考的当前位移、运动方向以及运动速度所需的信息。
从光图案到位置信息
三个物理效应是这一过程的核心：莫尔效应、Talbot 成像和 Lau 效应。这些效应共同使 METIRIO® 能够在不依赖传统成像光学系统的情况下运行。这对于小型化编码器系统是一个重要优势，因为传统透镜会增加所需安装空间，并增加对准复杂性。通过直接利用光栅和结构化光图案的光学行为，编码器能够保持紧凑，同时仍可提供精确的位置反馈。
运动过程中亮度分布的变化作为信号载体。一个设计良好的光电二极管阵列将其转换为正弦和余弦信号，随后用于计算一个光栅栅距内的位置，并确定行进方向。
METIRIO 读数头与编码器
METIRIO® Readhead
METIRIO® D1
METIRIO® 2D
光学编码器的物理原理
莫尔效应：使小位移可见
产生移动强度图案的最简单方法，是让两个周期图案相对于彼此移动。即使原始结构极其精细，它们的重叠也可以产生大得多的可见图案。当其中一个原始结构仅移动很小的距离时，这个较大的图案就会发生显著变化。对于测量系统而言，这使莫尔效应成为一种将微小位移转换为可检测信号变化的有力方法。
在 METIRIO® Encoder 中，莫尔效应有助于将微观运动转换为可测量的光信号。它检测光栅尺移动时亮度图案如何变化。这使得能够从非常小的机械运动中得出精确的位置信息。
因此，莫尔效应最好理解为一种光学转换机制。它将精细的光栅尺位移转换为可通过电子方式评估的低频强度调制。这支持稳定的信号生成，并帮助编码器在紧凑的光学设置中实现高分辨率位置反馈。
然而，仅靠这一效应不足以构建具有纳米分辨率的光学编码器，因为可实现的信号周期与光栅周期密切相关，并且需要准直照明才能获得清晰结构。因此，还会利用额外的干涉效应。
Talbot 成像：周期结构的自成像
Talbot 成像是一种光学衍射效应，当单色、相干且准直的光照射周期光栅时会发生该效应。在光栅后方的特定距离处，原始光栅结构会作为自像重新出现。这意味着光场无需传统透镜即可再现周期结构。这些自像重复出现的距离称为 Talbot 长度。公式：
zₜ = 2d² / λ
这里，λ 是入射光的波长，d 是光栅周期。
对于光学编码器而言，Talbot 成像很有价值，因为它能够在紧凑布置中对非常精细的周期结构进行光学评估。
在 METIRIO® 的语境中，这支持紧凑的读数头架构。该光学设置利用基于光栅的衍射效应生成非常精细的结构，以形成稳定的、与位置相关的强度图案。
然而，相干准直光这一条件对于微型光学编码器而言要求过高。因此，使用额外效应至关重要。
Talbot-Lau 效应
使用紧凑光源的干涉
Talbot-Lau 效应将 Talbot 原理扩展到空间相干性较低的光源，例如紧凑型 LED。
在 Talbot-Lau 布置中，多个周期光栅通过近场衍射相互作用。如果将具有匹配周期的光栅依次放置在彼此后方，则可在特定传播距离处观察到自像。结合 Talbot 成像，即使光源本身只有有限的空间相干性，也会产生干涉图案。
这一点很重要，因为许多实际编码器系统无法依赖大型或高度相干的光源。紧凑型编码器必须在较小安装空间内生成可靠的光信号，并使用适合集成到运动系统中的组件。
然而，这种配置仍然受限，因为必须满足关于光栅周期和位置的严格条件。此外，所生成的图像可能需要光学透镜聚焦到光传感器上。
广义光栅成像
广义光栅成像将这些原理推广。两个光栅，包括具有不同周期的光栅，可以被布置成使周期性伪像在第二个光栅之后的有限距离处产生。
该配置保持无透镜，支持发散或扩展照明，并在光栅周期、间距和系统几何结构的选择方面提供更大的自由度。因此，该原理特别适用于紧凑型光学编码器。
分析光栅 / 编码器读出
第三个分析光栅可用于采样由广义光栅成像产生的伪像。伪像与分析光栅之间的重叠根据莫尔原理产生放大的强度调制，该调制可由光电二极管或传感器阵列捕获。
此外，分析光栅的设计可以控制波形、相位关系以及高次谐波影响。
典型设置：G₀ → G₁ → G₂ → 探测器
G₀ 通过将扩展的非相干光源划分为许多小的部分光源来实现 Lau 效应。G₁ 通过衍射生成伪自像图案。G₂ 作为分析光栅，将精细的 Talbot 条纹图案转换为探测器平面上可检测的莫尔强度图案。
在 METIRIO® 中，这一背景有助于解释如何在非常小的读数头中实现精确的光学反馈。编码器利用周期结构和反射光的行为生成对位移图案敏感的信号，而不需要笨重的成像光学系统或大型相干激光源，因此仍然适用于真实运动系统集成。
从亮度到正弦和余弦信号
当 METIRIO® 读数头相对于反射式光栅尺移动时，光强图案会在光传感器上发生偏移。传感器布置将这种移动的亮度分布转换为两个模拟信号：一个正弦信号和一个余弦信号。这两个信号相位相差 90 度。这就是所谓的正交信号。
正交信号在位置测量中非常有用，因为它们包含的信息比单个周期信号更多。单个正弦信号可以显示发生了运动，但无法唯一识别运动方向。通过同时评估正弦和余弦，系统可以确定运动是向前还是向后，并在完整周期内保持相同的灵敏度。
有关信号正交的更多信息，请参见此处：使用迈克尔逊干涉仪进行位移测量
METIRIO® 光栅尺使用 20 µm 的光栅栅距。因此，正弦和余弦信号的一个完整周期对应于光栅尺上的一个 20 µm 周期。
公式：x = (φ / 2π) · 20 µm | 这里，φ 是两个信号在李萨如表示中的相位角。
这一信号原理是高分辨率闭环反馈的基础。通过这种方式，运动控制器可以评估每个周期内的相位。这实现了精细位置插值，并支持精确运动控制，尤其适用于需要平滑定位、重复精度和高动态性能的应用。
李萨如图形：位置、方向和速度
当光学编码器的正弦和余弦信号彼此相对绘制时，它们会形成李萨如图形。在理想情况下，该图形呈现为圆形。水平轴表示余弦信号，垂直轴表示正弦信号。一个光栅栅距内的当前位置对应于该圆上信号点的角位置。
当光栅尺移动时，信号点沿圆形路径移动。围绕李萨如圆的一次完整旋转对应于一个完整的光栅栅距。对于具有 20 µm 光栅栅距的 METIRIO® 光栅尺，这意味着一次完整的圆周运动表示光栅尺与读数头之间 20 µm 的相对位移。
信号点旋转的方向表示运动方向。如果光栅尺向相反方向移动，旋转方向会反转。旋转速度对应于运动速度。缓慢移动的光栅尺会产生缓慢旋转的信号点，而更快的运动会产生更快的旋转。
因此，李萨如表示是一种理解正交信号评估的紧凑方式。它在一个视觉模型中将机械位移、方向检测和速度信息连接起来。在实际编码器评估中，李萨如图形的质量还可以提供关于信号平衡、相位精度和对准质量的洞察。
这种方法也用于我们的 ENCODER Evaluation MODULE。
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