专利名称：使用光纤接收器通道的绝对位置小型光栅编码器读头的制作方法
技术领域：
总的来说，本发明涉及一种位移检测光编码器，具体地说，涉及绝对位置光编码器，它使用光纤作为接收器元件，用于提供极其紧凑的高精度绝对位置系统(absolute position system)。
背景技术：
当前可以获得用于检测线性、旋转或角运动的各种运动或位置编码器。这些编码器一般基于光系统、磁标尺(magnetic scale)、电感传感器或电容传感器。这些编码器的某些被涉及用于进行相对而不是绝对的测量。在这样的相对位置编码器中，一般通过检测标尺相对于基准位置的相对位置变化来进行测量，则需要连续检测标尺模式(scale pattern)的改变，以便可以计数所述模式的重复。所述相对测量要求在每次测量之前建立新的基准或零位置，这使得这样的器件较为不方便使用。
一般，相对测量器件的标尺可以相对于彼此可以位移的速率受限于可以达到的信号处理速度。一方面，如果标尺位移太快，则会发生误计数。另一方面，提高所允许的标尺位移速度需要使用高频信号和复杂的信号处理电路，这实质性地提高了测量器件的成本。
对于光编码器，已经开发了多种相对位置系统。在颁发给Eselun的美国专利第5,909,283号中公开了使用比最近的系统更少的元件的一种新系统。′283专利所述的系统具有包括点源(在读头中的激光二极管)的光栅标尺和读头、Ronchi光栅或全息元件、光检测器阵列。如其所述，点源产生具有等于标尺间隔的间隔的干涉条纹。干涉条纹光通过Ronchi光栅或全息元件被发送到光检测器阵列。所述光检测器阵列被布置成从被发送的条纹光得到四个通道的正交信号。除了是相对位置系统之外，′283专利所述的系统的另一个缺陷是所得到的编码器是尺寸相对较大或限制很多应用。
在颁发给Tokunaga的美国专利第4,733,071号中公开了另一种类型的相对位置光编码器。′071专利所述的系统具有代码组成标尺(code memberscale)；光传感头，包括一个光纤尖发光器和两个光纤尖接收器，它们沿着代码组成测量轴紧密地排列。光传感器头被旋转(偏转)以调整在所述光纤尖接收器之间的相差。但是，所得到的编码器的精度较粗。

发明内容
本发明涉及提供一种编码器，它克服了前述和其他缺点。更具体而言，本发明涉及一种绝对位置光编码器，它具有极小尺寸，并且提供很高的精度，并且具有多种其他所期望的特性。
公开一种光纤编码器读头，它具有多个读头部分，用于检测具有多个标尺光栅轨道的标尺的绝对位移。每个读头部分对应于所述标尺的各自标尺光栅轨道。读头部分包括光源，用于向所述标尺的多个标尺光栅轨道和检测器通道发光，所述检测器通道在用于从所述标尺的各自对应的标尺光栅轨道接收光的每个读头部分之内。按照本发明的一个方面，编码器的检测器通道是光纤检测器通道。
前面公开的′283专利仅仅涉及一种相对而不是绝对位置系统，除此之外，诸如′283专利中所公开的那样的电子读头接收器的局限在于转换与高速标尺运动相关联的高频检测器信号，并且通过长电缆发送那些信号而不带来大的信号损失或干扰。另外，电子光检测器和相关联的电路连接对于对许多可能的编码器应用来说太大的读头有益，尤其是当在单个读头中使用多个读头部分(multiple readhead portions)的情况下。可以理解，本发明的光纤检测器通道克服了这些局限。
按照本发明的另一个方面，绝对位置光纤编码器读头使用各自对应的读头部分来检测一个标尺的多个标尺光栅轨道的位置，每个对应的读头部分具有多个光纤检测器通道，它们具有各自的相位光栅掩模。先前讨论的′071专利仅仅涉及一种相对而不是绝对位置系统，除此之外，对诸如′071专利中公开的那些的光纤尖接收器如果它们具有大直径则具有不足的用于精细相位信号识别的空间分辨率，而如果它们具有小直径则聚集太少的光来提供良好信号。因此，它们的精度受限。可以明白，本发明的光纤检测器通道克服了这些和其他局限以提供高精度。
按照本发明的另一个方面，由读头部分的多个光纤检测器通道检测的标尺光栅轨道图像是自成像，它们也被称为诸如Talbot图像之类的其他名称，它们提供了较为健壮的调整公差和高分辨率。
按照本发明的另一个方面，按照基于光纤检测器通道的输入孔径尺寸的设计关系来构造绝对位置光纤编码器读头，以便保证较强的信号和增强的精度。
按照本发明的一个独立方面，以平衡对来排列读头部分的光纤检测器通道，以便提供增强的精度。
按照本发明的另一个方面，以提供增强的精度的方式来信号处理在每个读头部分内的光纤检测器通道的3个平衡对。
按照本发明的一个独立方面，用于每个读头部分的光源被光纤提供，用于提供全光读头，它没有与在编码器读头中的电子组件和电子信号相关联的所有局限和成本。
按照本发明的一个独立方面，从各种类型来选择绝对位置光纤编码器的各种光纤，以便编码器测量精度相对来说不受到弯曲光纤读头电缆的影响。
按照本发明的一个独立方面，以特别经济、准确和紧凑的方式来构造绝对位置光纤编码器读头的各个实施例。
按照本发明的一个独立方面，绝对位置光纤编码器读头被构造成使得它可以被插入标准的商用光纤连接器配置中。
按照本发明的一个独立方面，构造了一种光纤读头来提供附加的多个光纤接收器通道，用于承载从一个或多个二进制代码轨道得到的二进制光信号。所述承载二进制光信号的光纤接收器通道在读头中与用于根据光栅轨道自成像来确定高分辨率位移的多个光纤检测器通道组合，以便提供高分辨率的绝对测量范围。
按照本发明的一个独立方面，提供了一种光偏转元件，用于偏转在读头部分的基本读头元件和所述标尺的各个标尺轨道之间的读头光路径，以便改变读头对应于标尺的可操作安装方向。
按照本发明的一个独立方面，在一个实施例中，使用远程接口盒，它包括适当的电光源和光检测器，它们与进出按照本发明的一个或多个光纤读头部分的光纤连接，所述远程接口盒将所接收的光信号转换为适合于进一步的信号处理和读头位置确定的形式。
因此，本发明克服了现有技术的光位移检测器件的缺点，并且提供了具有绝对位置、特别紧凑、高精度、经济和高速配置的新应用可能性。


通过下面参照附图详细说明，本发明的上述方面和许多伴随的优点将会变得更容易理解，因为它们变得更好明白，其中图1是按照本发明的、绝对位置光纤读头配置的第一一般实施例的等尺度视图；图2是按照本发明的、绝对位置光纤读头配置的第二一般实施例的等尺度视图；图3是图2的绝对位置光纤读头配置的第二一般实施例的部分放大的等尺度视图；图4示出了包括按照本发明的与绝对位置光纤读头配置相结合使用的远程电子接口单元的方框图；图5是按照本发明的、绝对位置光纤读头配置的第三一般实施例的部分放大的等尺度视图；图6是图5的绝对位置光纤读头配置的读头部分之一的光纤和掩模配置的部分放大的等尺度视图；图7是按照本发明的绝对位置光纤读头配置的第四一般实施例的等尺度视图；图8是示出用于大致对应于图1、2、3、5、6和7的绝对位置光纤读头部分配置的代表性的信号噪声比的图，所述代表性的信号噪声比是当光纤检测器通道的接收器孔径位于距离照明场的中心不同半径的时候对于各种接收器直径产生的；图9是包括二进制代码轨道位置的、按照本发明的绝对位置光纤读头部分配置的第五一般实施例的示意端视图；图10示出了与按照本发明的各种绝对位置光纤读头部分配置相结合使用的光偏转器。
具体实施例方式
图1示出了按照本发明的绝对位置光纤读头配置20的第一一般实施例。如图1所示，绝对位置光纤读头配置20包括套圈40，它具有对准槽45和对准轴环50，并且它包括三个读头部分60、60′和60″。可以按照美国专利申请第10/298,312号的教导来形成读头部分60、60′和60″，美国专利申请第10/298,312号的题目为“使用光纤接收器通道的高精度小型光栅编码器读头”，2002年11月15日提交，它共同转让并且在此通过引用而整体并入。如下更详细所述，每个读头部分60、60′和60″分别对应于标尺轨道80、80′、80″，标尺轨道80、80′、80″被包括在标尺90上，所述标尺90形成在基底95上。在一个实施例中，作为绝对位置系统的一部分，三个标尺轨道80、80′、80″可以被制造为具有各自的光栅间距或长度λ1、λ2和λ3，并且可以用于确定细、中等和粗分辨率测量，如在美国专利第5,886,519中可以找到的绝对位置系统相关联的教导中详细所述，该专利共同转让并且在此通过引用而整体并入。
如下面更详细所述，每个读头部分60、60′和60″连接到光纤通道组290，光纤通道组290包括三个接收器光纤130和一个照明光纤170。因此，用于读头部分60的光纤通道组290包括接收器光纤130a、130b和130c以及照明光纤170。虽然每个读头部分60、60′和60″包括类似的部件，但对于本申请的剩余部分，一般不详细说明读头部分60、60′和60″的部件，因为可以明白，除了在此描述的各自相位掩模尺寸的变化之外，用于读头部分60的部件被重复用于读头部分60′(除了具有单撇表示)，也重复用于读头部分60″(除了具有双撇表示)。作为这种命名方法的一个简单示例，可以明白，诸如用于读头部分60的光纤通道组290——包括接收器光纤130a、130b和130c——的上述说明的说明也指示用于读头部分60′和60″的光纤通道组290′和290″分别包括接收机光纤130a′、130b′、130c′和接收机光纤130a″、130b″、130c″。
如下更详细所述，读头部分60也包括在由接收机光纤130a、130b和130c的终端提供的光接收器通道孔径上排列的相位掩模120a、120b和120c。在各个示范实施例中，读头部分60、60′和60″的相位掩模被方便地排列在共平面配置中，所述共平面配置限定标称的接收平面160，并且/或者与标称接收平面160重合。在读头部分60的中心，光源280一般沿着源光轴251发出源光(source light)250。源光250一般是单色或准单色的，并且具有标称波长λ。波长λ可以是可用于按照本发明的原理产生可操作的自成像的任何波长。源光250一般以发散半角252发散。源光250穿过一段距离，在照明点253照明标尺轨道80的光栅结构，并且一般沿着标尺光轴255被反射为标尺光254。在图1所示的实施例中，源光轴251和标尺光轴255与Z轴平行并且相互重合。标尺光254向自成像平面265前进一个距离，所述自成像平面265与标称接收平面160重合。在自成像平面265中，标尺光254提供照明场256，其中包括标尺轨道80的自成像。所述自成像被各个相位掩模120空间地过滤，以提供读头部分60的基本的相应位置的测量信号。可以明白，照明点253和照明场256可以比典型的套圈40小得多，所述典型的套圈40可以用作读头装置的外壳。这个特征允许在单个套圈中使用多个读头部分。例如，在一个实施例中的标准电信尺寸的套圈具有大约2.5毫米的直径。照明场256可以使得照明场256比这个尺寸小得多，因此允许在套圈40中使用多个读头部分。
在一个实施例中，用于标尺轨道80、80′和80″的每个的光栅图形具有在同一尺寸级上的空间波长，在此也称为间距或光栅间距。一般，在使用这样的标尺轨道的一个实施例中，可以将最细的波长标尺轨道用于中间的标尺轨道，所述中间的标尺轨道在这个实施例中是标尺轨道80′。但是，可以明白，在波长是同一尺寸级别的一个实施例中，不同的级也可以用于甚至有点对准不良的情况。标尺轨道80、80′和80″被精确地定位，最后被定位在单个基底95上，以便精确地固定彼此波长不同的标尺轨道。
如下面更详细所述，在各种示范实施例中，可以在单个掩模中包括读头部分60、60′和60″的相位掩模120。换句话说，单个掩模包括用于读头部分60、60′和60″的适当相位掩模元件。这以精确的已知方式来固定了读头部分60、60′和60″彼此相对的定位，以便在信号处理中能够校正和彼此比较输出信号以获得绝对的测量，并且绝对编码器系统彼此具有类似的校准常数。
套圈40的槽45和轴环50被提供来在适当的安装夹具中安装套圈40期间相对于标尺90方便地固定读头定位的偏转和Z分量。应当明白，套圈40的替代实施例是可能的。例如，在各个示范实施例中，包围单个掩模元件的周边的套圈的部分被省略，或者被替代为以后增加的保护性环形管，以便在向套圈40装配单个掩模元件之前容易地将接收器光纤130a、130b和130c与套圈40的末端齐平。在各种其它实施例中，所述套圈可以具有方形或矩形外部轮廓，并且套圈的侧面因此提供方便的表面来用于在安装期间固定相对于标尺90的读头定位的偏转分量，并且可以从读头的前表面而不是轴环50来设置读头定位的Z分量。在前面并入的′312申请中描述了一种示范的安装夹具配置。如将参照图10详细所述，可以在套圈40的前端固定一个偏转器。可以明白，对于较大的套圈，可以包括更多的读头部分和对应的标尺轨道，以便提高可以测量的绝对距离或增强读头的健壮性或精度。下面将参照图7和9更详细地描述用于说明不同数量的读头部分和附加的标尺轨道的各种可能配置。
关于产生窄标尺的方面，应当明白，标尺轨道80、80′和80″应当分别被定尺寸和定位以接收主要来自或最好仅仅来自单个对应照明点253、253′或253″的光。在各种示范实施例中，源光纤170被配置或选择来提供发散半角252，它提供了用于照明点253的尺寸，当在标尺轨道80、80′和80″和可操作照明场265之间的距离即标称操作间隙在1.0毫米级上时，所述尺寸对于高斯照明光束的半最大强度直径(half-maximum-intensity diameter)大致在200-350微米的范围内，所述高斯照明光束的半最大强度直径在此也被称为半最大直径。一般，标尺轨道80以至少等于照明点的半最大强度直径的轨道宽度来定尺寸，并且使得相邻标尺轨道的中心到中心间距对于在1.0毫米级的操作间隙像大约0.3毫米那么小。在各种示范实施例中，标尺90的标尺轨道的宽度对于在2.0毫米级的操作间隙像大约0.6毫米那么小。
但是，应当明白，相邻标尺轨道的中心到中心间距一般依赖于沿着垂直于测量轴的方向的各种读头部分60、60′和60″之间的中心到中心偏移。在各种示范实施例中，这个偏移可以与在标称接收平面160的半最大强度半径大致相同，所述在标称接收平面160的半最大强度半径与在各种示范实施例中的照明点的半最大强度直径大致相同。但是，在各种其他示范实施例中，所述偏移是在标称接收平面160的半最大强度半径的至少2-4倍，如下所述。在各种示范实施例中，使得标尺轨道与它们的读头确定的中心到中心间距所允许的一样宽，则简化了按照本发明的绝对位置光纤读头配置的安装和定位。
关于产生紧凑读头方面，应当明白，在各种示范实施例中，每个读头部分60、60′和60″被分别定尺寸和定位来接收主要来自或最好仅仅来自单个对应照明场256、256′或256″的光。在标称操作间隙在1.0毫米级并且照明点253的尺寸对于高斯照明光束的半最大半径大约在200-350微米的范围内的各种示范实施例中，照明场256的尺寸对于高斯照明场的半最大直径大约在400-700微米的范围内。对于照明场256这样的尺寸，在一个示范实施例中，接收器光纤130a、130b和130c具有大约250微米的直径，并且被定位在其中心距离照明场256的中心大约250微米。更一般而言，在各种其他示范实施例中，按照所并入的′312申请和/或参照下面图8所示的那样来定尺寸和定位接收器光纤130a、130b和130c。在任何情况下，相位掩模120a、120b和120c被布置在由接收器光纤130a、130b和130c的终端提供的光接收器通道孔径上。
如上所述，在各种示范实施例中，照明场256、256′和256″的相邻对的中心到中心间距至少在一定程度上比可操作照明场直径大。因此，例如，在其中高斯照明场的半最大直径是400-700微米的各种示范实施例中，照明场256、256′和256″的中心到中心间距是至少大约450-750微米。在这样的实施例中，可以容易地使得读头20的直径像2.5微米那么小或更小。但是，应当明白，必须注意这个设计范围，因为当在读头部分之间的中心到中心间距被降低时，作为在读头部分之间的“干扰”的可能自成像光交叉(potentialself-image light crossover)的量增加。如果期望实现最小的可能的读头尺寸同时又实质地消除这样的交叉干扰以保持最大读头信号精度，则在各种示范实施例中，可以通过下面进一步所述的时间复用方法来消除这样的干扰。
在各种其他实施例中，对于在各种操作条件下的各种读头部分60、60′和60″的增强信号分离，期望将所述中心到中心间距定尺寸为在照明场256、256′和256″中的高斯照明分布的标称半最大直径(nominal half-maximumdiameter)的大约2-4倍。例如，对于对高斯照明场256的上述指示的400-700微米尺寸范围，在各种示范实施例中，照明场256、256′和256″的相邻对的中心到中心间距可以对于较大的照明场在大约1.4到2.8毫米级上，而对于较小照明场在0.8到1.6毫米级上。在其中标称操作间隙在2.0毫米级的各种示范实施例中，高斯照明场256的尺寸范围可以是大约800-1400微米，并且照明场256、256′和256″的相邻对的中心到中心间距可以对于较大的照明场在大约2.6-5.6毫米级上，而对于较小照明场在1.6到3.2毫米级上。因此，在各种示范实施例中，依赖于多个设计因素，如上所述，可以容易地使得读头20的整体直径像大约7毫米、5毫米、3毫米那么小或更小。
关于生产更紧凑读头的其他考虑，当前重要的是相对于对应的标尺轨道定位读头部分的X和Y位置，它们被定位得越好，则在标尺轨道尺寸上的容限可以越小。在一个实施例中，套圈40可以以可重复到10微米那么小或更小的方式来运动地被定位。这样的套圈通常在电信中用于中心到中心的亚微米定位。
应当明白，紧凑读头和标尺尺寸的上述讨论假定每个读头部分的光源连续地工作。但是，还应当明白，由于全光光源和接收器通道的极其高速光调制可能性，也可能设计比所给出的更为紧凑的读头配置，其中各种照明场重叠多读头部分的接收器，但是每个相应的读头部分的源和接收器被独立地和在时间上连续地操作，以便防止在相邻读头部分之间的信号干扰。也应当明白，在各种示范实施例中，独立的读头部分还可以使用显著不同的波长的光以及一个匹配的窄带通光波长滤光器，所述滤光器被定位来阻止其他波长的交叉干扰光通过它们对应的光纤接收器通道。在其他示范实施例中，这样的匹配窄带通光波长滤光器可以被定位在诸如图4所示的适当的光纤读头信号处理远程电子器件的读头之外，以便过滤来自对应的独立读头部分的光输出信号。在其他示范实施例中，应当明白，已经在适当的光纤读头信号处理远程电子器件中适当地选择匹配的光波长响应的相应光检测器可以有效地增加和/或替换在各种示范实施例中的相应匹配窄带通光波长滤光器。在任何情况下，相应的窄带通光波长滤光器和/或具有适当地选择了匹配光波长响应的相应光检测器用于实质地阻止与它们的相应匹配波长的光具有不同波长的任何光对从它们的对应的相应读头部分的光输出信号产生的相应电子信号有影响。也应当明白，即使在不同的读头部分中未使用不同波长的光，按照本发明的原理，这些相同的技术也可以用于阻止或减少读头中的环境光的信号降级效应。
在这样的时间复用和/或滤光实施例中，应当明白，可以使得整体读头设计得像各种读头部件的物理尺寸所允许的那样紧凑。
因此，利用适当选择的滤光器尺寸，在各种示范实施例中，可以容易地使得整体读头直径为2.5毫米、1.8毫米、1.25毫米那么小或更小。
图2示出了按照本发明的绝对位置光纤读头配置20a的第二一般实施例。图2的读头配置类似于图1，除了以图2的实施例中的更紧凑的配置来排列读头部分60、60′和60″。更具体而言，在图2的实施例中，以三角形式来排列读头部分60、60′和60″，这与图1的实施例的线性形式相反。图2的实施例因此图解了可以被布置在更小套圈40a内的读头配置，于是提供了更紧凑的读头。另外，读头配置20和20a的类似编号元件类似地被构造和类似地起作用。
图3是图2的读头配置的部分放大图。如图3所示，在读头配置20a中，读头部分60对应于三个光纤接收器通道190a、190b和190c。光纤接收器通道190a包括接收器通道孔径110a、相位掩模120a和接收器光纤130a。接收器通道孔径110a被定位在相位掩模120a之后。类似地，光纤接收器通道190b包括接收器通道孔径110b、相位掩模120b和接收器光纤130b。类似地，光纤接收器通道190c包括接收器通道孔径110c、相位掩模120c和接收器光纤130c。
对于每个光纤接收器通道190，相位掩模120包括光栅，它完整地覆盖接收器信道孔径110，作为输入的照明的空间滤光器。接收器光纤130与接收器通道孔径110对齐，以便由接收器通道孔径110接收的标称的所有照明光被光纤130以通道接收以提供光信号191。在各种示范实施例中，接收器通道孔径110仅仅是接收器光纤130的平端(flat end)。在各种其他示范实施例中，接收器通道孔径110是接收器光纤130的有形端(shaped end)。在各种其他示范实施例中，接收器通道孔径110是紧凑的折射或衍射透镜，它通过相位掩模120来收集输入的照明光，将光聚焦并且将光引导到接收器光纤130的末端，所述接收器光纤130被定位来有效地接收光。由于在所并入的′312申请中所述的原因，在各种示范实施例中，每个接收器通道孔径110跨越相关联的相位掩模120的至少一个全周期或间距，使得通过接收器通道孔径110的光信号的相位对接收器通道孔径110的光收集区域相对于相位掩模120的光阻挡元件的定位至少在一定程度上不敏感。在各种其他示范实施例中，每个接收器通道孔径110跨越相关联的相位掩模120的至少三个全周期，使得通过接收器通道孔径110的光信号的相位对接收器通道孔径110的光收集区域的定位更为不敏感。更一般而言，由接收器通道孔径110跨越的相位掩模120的周期越多，则通过接收器通道孔径110的光信号的相位对其定位越不敏感。接收器通道孔径110、相位掩模120和每个光纤接收器通道190的接收器光纤130的末端通过粘合剂或其他适当的方法彼此以固定关系紧固。
参照光纤接收器通道配置的通道配置中心157来方便地说明接收器通道孔径110的定位。在按照本发明的各种高精度光纤读头实施例中，通道配置中心157被定位为与被提供到光纤接收器通道配置的任何照明场的标称中心重合。每个相应的接收器通道孔径110a-110c的有效中心被定位在距离通道配置中心157的相应的位置半径处。所述接收器通道位置半径在此被一般地指示为RAL。对于本发明来说，在接收器通道孔径110没有明显的几何中心的各种实施例中，可以将有效中心(effective center)作为孔径区域的形心。
可以如下面参照图5、6和8详细讨论的那样来按照本发明的原理确定有益的接收器孔径位置半径和孔径区域。在各种示范实施例中，对于每个读头部分60，接收器通道孔径110是相同的，并且它们的相应位置半径是相同的。一般，使用在按照本发明的光纤读头中的相同的光纤接收器通道190允许更为简单的结构、更为简单的信号处理和较高的测量精度。但是，更一般而言，在按照本发明的在各种示范实施例中，接收器通道孔径110和/或它们相应的位置半径不必相同。
光纤接收器通道190以彼此固定的关系排列。具体地说，对于每个读头部分60，每个光纤接收器通道190的相位掩模120的光栅是标称地共面的，并且以彼此特定的空间相位关系固定在接收平面160中(见图1)。在各种示范实施例中，相位掩模120通过将它们制造在单个掩模基底上而以特定的空间相位关系固定。
应当明白，虽然图1-3示出了使用单个掩模基底在单个套圈40上组装的每个读头部分60、60′和60″，但是在按照本发明的各种其他示范实施例中，每个读头部分60、60′和60″可以被制造为独立的元件，与所并入的′312申请公开的情形很像。例如，可以使用独立的掩模基底来在子套圈中组装每个读头部分60、60′和60″，并且随后将它组装到类似于按照本发明的原理的套圈40的整体套圈中。在这样的实施例中，应当明白，对于每个读头部分60、60′和60″，接收器平面160布置为与前面参照图1所述的自成像平面265标称地重合。但这不是十分必要的，如果每个平面被独立地设计和组装为与下面进一步所述的最终的标称操作间隙兼容，则这些平面被设计和组装为对于所有的独立读头部分为相同的平面，并且在实际安装和操作期间足够满意地控制那个操作间隙。
在任何情况下，如上所述，每个读头部分60被布置为提供对应的标尺轨道80的光栅结构的自成像(self-image)。也称为Talbot图像的自成像的基本原理是公知的，在此不详细说明。在Cowlsy，J.M.和Moodie，A.F.，1957，Proc.Phys.Soc.B，70，486的文章中提供了一个经典分析，所述文章在此通过引用被并入。如图3所示，所述自成像配置包括由源间隙分隔的光源280和标尺轨道80。在此，源间隙的尺寸一般指示为zS，或者如果源间隙和图像间隙相同，则指示为z。标尺轨道80沿着测量轴82对齐，并且包括垂直于测量轴82延伸的光栅元件或条，如在照明点253中的垂直线所示。光栅元件或条被按照光栅周期沿着测量轴82周期地排列，在此所述光栅周期一般指示为波长、光栅周期、间距或光栅间距Pg。应当明白，标尺轨道80′和80″也分别具有对应的光栅周期Pg′和Pg″(未示出)。
可以相对于标尺轨道80的平面来定义图3所示的X、Y和Z轴。X轴平行于标尺80的平面和测量轴82。X-Y平面平行于标尺轨道80的平面，并且Z轴垂直于那个平面。
照明场256具有照明场中心257和标称照明场半径258。自成像是由亮暗条组成的图像，每个条垂直于测量轴82而延伸。所述亮暗条在按照自成像周期的平行于测量轴82的方向上是周期性的，在此所述自成像周期被一般地指示为自成像周期或自成像间距Psi。
在自成像配置中，自成像平面与标尺轨道80的平面平行。应当明白，自成像在特定组的自成像平面的空间中被定位。当光源280是有效的点源并且所述配置大致如图3所示时，用于包括“同相”图像和“反转”图像的、可用自成像平面的自成像条件是zSzzS+z=2vPg2λ]]>(等式1)并且对于相对于光栅间距Pg的图像间距Psi的放大的自成像条件是Psi=zS+zzSPg]]>(等式2)其中v＝0，1，2，...
zS是源间隙；z是图像间隙；λ是源光的波长。
因此，对于图3所示的配置，在z＝zS的时候，可用自成像平面定位在2Pg2/λ的整数倍处，并且图像间距Psi将是光栅间距Pg的两倍。
应当明白，也存在位于在自成像平面之间的平面的、通称为Fresnel图像的图像。只要相位掩模120的间距被调整为匹配所选择的Fresnel图像的间距，则Fresnel图像可以被用作按照本发明的原理的自成像，并且被包括在此使用的术语“自成像”的范围内。可以参照下文来理解和应用Fresnel图像的特征Krzysztof Patorski，“自成像现象及其应用”，《在光学中的进步》，E.Wolf编辑，第27卷3-108页，北荷兰，阿姆斯特丹，1989。
在按照本发明的各种其他实施例中，标尺轨道80是反射相位光栅类型的标度，它被特别地构造成抑制来自标尺的第0级(order)反射。当相位光栅的自成像不可用于编码器时，可以使用如下的其他可用的图像它们提供比使用诸如上述分析中那样的幅度光栅可获得的更强的信号。应当明白，对于这样的实施例，可用图像的位置偏离在上述分析中的自成像的位置。除了在标尺和第一可用图像平面之间的间隙中会存在一定的附加偏移之外，在最佳可用图像平面之间的距离将保持为与上述分析的相同。例如，在忽略来自掩模和标尺基底厚度的可能偏移的情况下，具有z＝zS的反射配置下的源波长780纳米的20微米周期的相位光栅将在z＝0.513+v*1.026毫米的标称间隙处具有可用图像平面(具有连续相反的相位)，其中v＝1，2，3，...。可以通过观察在各种操作间隙的光纤接收器通道信号而容易地用实验方法来确定调整所述间隙以获得最佳操作所需要的偏移。或者，可以使用适当的分析或模拟来确定所述附加偏移。
在按照本发明的各种示范实施例中，光源280的特别简单和有效的实施例是单个光纤的末端，它发出由远程激光二极管或其他适当的光源提供的相干光，照明光纤170就是示例。在各种其他示范实施例中，光源280是以精确的间距排列的两个或多个源。在另外的其他示范实施例中，光源280是在发出来自远程LD或LED或其他适当的光源的光的一个或多个光纤的末端排列的源光栅孔径的周期阵列。源光栅孔径具有指定的宽度和指定的周期(period)。在另外的其他示范实施例中，通过小型固态激光器单元、这样的单元的阵列或在光纤读头中包括的源光栅和小型LED单元来提供光源280。在这样的情况下，应当明白，读头结构可能变得更复杂和昂贵，并且丢失全光读头的一些优点。但是，即使在这样的情况下，并入按照本发明的全光接收器通道配置的读头的至少一些优点将保持，并且可能获得其他的优点。
如图3所示，光源280一般沿着源光轴251来发出源光250，源光250穿过等于源间隙的距离z，并且在照明点253照明标尺轨道80。照明点(spot)253一般沿着标尺光轴255来反射作为标尺光254的光。在图3所示的实施例中，源光轴251和标尺光轴255与Z轴平行并且相互重合。标尺光254穿过等于图像间隙的距离z以到达自成像平面265(见图1)。在自成像平面265中，标尺光254提供包括自成像266的照明场256，所述自成像266由光和自成像间距Psi处的黑条组成，如上所述。
前面参照图1所述的接收器平面160被排列来与自成像平面265标称地重合。应当明白，自成像实际上存在于与前述的“完美”自成像平面相邻的“聚焦不良”平面中。在一些示范实施例中，有意将接收器排列为与这样的“聚焦不良”自成像平面标称重合，并且仍然按照本发明的原理检测适当的或期望的图像。例如，有意选择这样的“聚焦不良”自成像平面来抑制在自成像266中的不需要的较高级的空间谐波含量。通道布置中心157也与照明场中心257标称地排成直线。应当明白，在光纤读头配置的这个实施例中，源280也与照明场中心257标称地排成直线。如果适用的话，通过使用带有定位部分305的定位孔组304，在各种示范实施例中容易地实现所有部件的定位，其中定位部分305一般靠近120a-120c和与相位掩模120a-120c对齐、而且具有所需要数量的接收器光纤孔以及源光纤孔。定位孔组304可以被提供在被插入套圈40a的板中，或者通过在套圈40a中直接提供的孔来被提供。在任何一种情况下，各种光纤末端被插入和固定在适当的孔中以提供所需要的定位。在各种示范实施例中，在组装承载相位掩模120的元件之前，接收器光纤130a、130b和130c与包括定位孔组304的元件的末端齐平。在这样的实施例中，如果在套圈40a中直接提供定位孔组304，则围绕承载相位掩模120的元件的套圈部分可以被省略或替换为以后增加的保护环形管。图3示出了定位孔组304与定位部分305。定位孔组304要被定位在靠近相位掩模120，而不是在图解的“放大”部分中。如果在各种实施例中适用的话，定位部分305具有接收器光纤孔306和源光纤孔307。
在标称对齐的接收器平面160和自成像平面265中，对于每个相应的光纤接收器通道190，相应的相位掩模120空间地过滤输入的自成像照明。在图3所示的示意实施例中，相应的相位掩模120a、120b和120c每个具有与自成像间距Psi相同的掩模间距Pm，并且它们排列在相对于自成像266的0度、120度和240度的相应空间相位位置。因此，光纤接收器通道190a、190b和190c接收除了空间相差之外类似地被空间地过滤的照明光。可以明白，当标尺轨道80沿着测量轴移动一个增量Pg时，自成像相对于相位掩模120移动一个增量Psi。因此，当标尺轨道80沿着测量轴移动时，对应于光接收器通道190a、190b和190c的光信号191a、191b和191c示出大致相同的正弦强度变化，但是具有120度的相对相移。可用公知方法根据这样的“三相位”位移信号来确定标尺轨道80相对于相位掩模120a、120b和120c的位移。在前面并入的′312申请中描述了一个示范方法。具体地说，在本发明的一个示范实施例中，可以通过′312申请中所述的示范方法来处理读头部分60的三个光信号191a、191b和191c，以便确定两个导出的正交信号值Q1和Q2。更一般地，来自每个读头部分60、60′和60″的三个光信号的每个都可以类似地被处理以获得相应的导出的正交信号值Q1i和Q2i，其中i是对应于被分析的特定标尺轨道的下标。在下面的说明中，例如，对于标尺轨道80′，i＝1，对于标尺轨道80′，i＝2，对于标尺轨道80″，i＝3。在每种情况下，可以处理两个导出的正交信号值Q1i和Q2i，以使用作为模2π的两自变量的反正切函数来确定在相应的标尺轨道80、80′和80″的波长或周期内的当前相位位置φiφi＝atan2(Q1i，Q2i) (等式3)可以以多个可公开获得的数学程序来获得和描述在等式3中所示的两自变量“atan2”函数。函数结果是弧度形式的Q1/Q2的反正切。但是，使用两个自变量允许确定所产生的角的象限，以便结果在-π和+π之间而不是在-π/2和+π/2之间。
在一个示范实施例中，按照本发明的原理可用的波长的可操作组合如下标度轨道80′具有等于8.000微米的波长λ1，标尺轨道80具有等于8.020微米的波长λ2，标尺轨道80″具有等于8.40微米的波长λ3。对于反射标尺配置，所有这些波长提供了在对于照明波长635纳米的大约2.00和2.03毫米之间的标称操作间隙的可操作自成像。可以使用标尺轨道80′和读头部分60′来通过将波长λ1乘以当前相位位置φ1而提供在一个波长或周期内的精细波长测量。对于下面进一步所述的粗分辨率测量，既可以把当前相位位置φ1和/或精细波长测量描述为较为精细的分辨率位置测量，也可以描述为较为精细分辨率增量位置测量。类似地，对于下述的粗分辨率测量，对于标尺轨道80和波长λ2或者标尺轨道80″和波长λ3，类似的当前相位位置φn和/或对应的精细波长测量也可以被描述为更细的分辨率位置测量或更细的分辨率增量位置测量。
波长λ1、λ2和λ3彼此类似。因此，在这些波长对之间的空间相位差通过在比独立波长λ1、λ2或λ3的任何一个大得多的空间长度上的全360度周期。因此，来自具有不同波长的两个读头部分——诸如读头部分60、60′和60″中的两个——的位置输出信息可以组合起来用于长范围的测量。
所述组合的位置信息提供了在“中间波长”或“粗波长”上的、基于空间“相位关系”计算的绝对位置信息。这个“中间”或“粗”波长对应于360度的相对空间相移，并且是从标尺轨道的空间波长导出的。这个“中间”或“粗”波长比通过任何读头部分单独实现的绝对测量的范围大得多。因为“中间”或“粗”波长是基于空间相位关系计算的，因此这样的波长可以被描述为“关系”波长。
由于两个变换器的空间波长变得越来越相似，因此从来自两个变换器的信号得到的相差通过在越来越长的“相位关系”波长上的全360度周期。这对应于较大的绝对测量范围。
在读头部分和标尺轨道的波长之间的可允许实用关系和器件这样的总绝对测量范围，依赖于三个波长/读头部分的每个的测量精度。独立读头部分的高测量精度指示可以将位置精确地确定为作为标尺波长的小部分的分辨率。
“内插比率”描述了可以获得子波长分辨率或精度的程度。即，它是波长与位置分辨率的所选择增量的比率。这个术语可以被应用到独立的标尺轨道和对应的读头部分的波长，或应用到上述和下述的有效“中间”或“粗”波长。
在图3所示的读头配置20a中，对于许多应用期望用于相对相位计算的保守“误差容限”。即，在最坏的情况的条件下，“中间”或“粗”相对相位计算必须识别与绝对测量系统的“下一个更细”测量模式的特定独立波长对应的相对移动的变换器元件的位置。否则，将在整体绝对位置计算中建立与所述“下一个更细”测量模式的至少一个波长对应的误差。“波长比率”指的是较粗有效波长对“下一个更细”有效波长的比率，例如粗/中间或中间/精细。
对于图3所示的读头配置20a，通过使用与用于独立读头部分的可靠内插比率相比较为低的波长比率来获得保守的误差容限。在本发明的绝对位置读头的下面的示范实施例中使用的波长比率，仅仅为大约对于中间/精细的21/1和对于粗/中间的19/1。这些波长比率提供了足够或保守的安全容限比标称精度和/或32/1、64/1、128/1或更多级上的内插比率，所述32/1、64/1、128/1或更多级是在各种示范实施例中对于独立的读头部分60、60′和60″可以获得的。在所并入的′312申请中和参照图8在下面描述了与使用光纤读头元件来可靠地实现支持这样的内插比的S/N比率相关联的相关设计考虑。可以根据系统设计容差和可允许的成本来提高波长比率。但是，必须根据提高引起不正确绝对测量读数的测量误差的风险来小心地考虑在波长比率中的这样的提高。
在波长λ1和λ3之间的相差提供了大约3.308毫米的有效粗波长λC，它也是这个示范实施例的、总的绝对测量范围。应当明白，甚至这个较短的绝对测量范围也与纳米级精细位置分辨率相结合也在许多应用中有用，所述纳米级精细位置分辨率是可以使用按照本发明的原理的各种示范读头和标尺实施例来获得的。
在λ1波长和λ3波长之间的相差提供了大约0.168毫米的有效中间波长λM。因此，粗/中间比率是λC/λM＝3.308/0.168或大约19。中间/精细比率是λM/λ10.168/0.008或大约21，结果，总的粗/精细比率是大约400。下面的量化说明总结了与在按照本发明的光纤绝对位置变换器中的精细、中间和粗操作模式相对应的设计计算。
具体地说，对于相关联的读头部分的每个的三个相应的标尺轨道波长λ1、λ2和λ3，以及空间相位位置φ1、φ2和φ3，假定波长λ1是精细模式波长λF。假定波长λ2是与λF相比较具有最大差的波长，并且假定λ3是最类似于λF的波长。中间模式波长λM被确定为λM=λ1*λ2λ2-λ1]]>(等式4)因此，对于上面给出的示范实施例，中间模式波长λM是0.168毫米。粗模式波长λC被确定为λC=λ1*λ3λ3-λ1]]>(等式5)因此，对于上述给出的实施例，粗模式波长λC是3.208毫米。如上所述，上述的波长比、由此引起的相关联的绝对测量范围具有保守的误差容限。在各种示范实施例中，使用按照本发明的原理的正确设计的光纤读头，波长比率的一个或每个可以被提高大约2或3倍，以便与前述的讨论相比较提高绝对测量范围。
用于粗波长λC的相位位置是φ1-φ3。中间波长λM的相位位置是φ2-φ3，或者中间波长λM的相位位置是φ2-φ1。用于精细波长λF的相位位置是φ1，如等式3所定义。
在各种示范实施例中，读头相对于标尺的粗位置PC可以被确定为PC＝λC*(φ3-φ1)/2π(等式6)其中φ1和φ3是按照等式3确定的空间相位，λC是粗波长。在读头相对于标尺的局部中间波长λM内的中间位置PM可以被确定为PM＝λM*(φ2-φ1)/2π (等式7)其中φ1和φ2是按照等式3确定的空间相位，λM是中间波长。
在读头相对于标尺的局部精细波长λ1内的精细模式位置PF可以被确定为PF＝φ1*(λ1/2π) (等式8)精细、中间和粗模式位置测量可以被组合来确定读头相对于标尺的准确和总的绝对位置。按照在此给出的方法，有理由假定粗模式位置测量与精细和中间模式位置测量相比较具有更粗的分辨率，并且更不准确。因此，相对于精细或中间模式位置测量，可以将粗模式位置测量描述为相对较粗的分辨率位置测量。应当明白，按照在此给出的原理，粗模式位置测量在给定的粗波长内是绝对的。类似地，有理由假定中间模式位置测量与精细模式位置测量相比较具有更粗的分辨率并且更不准确。因此，相对于精细模式位置测量，中间模式位置测量也可以被描述为相对较粗的分辨率位置测量。应当明白，按照在此给出的原理，中间模式位置测量在给定的中间波长内是绝对的。
粗位置值PC是绝对位置的第一估计值。然后分析所述粗位置值PC以确定粗值PC对应于多个中间波长的哪个(“第n个”中间波长)。一般，(PC/λM)将等于(nλM)+RM，其中RM是中间余数。
中间位置值PM是在局部中间波长内的位置。原理上，中间位置值PM应当等于RM。但是，中间模式计算涉及更短的波长。因此，假定它比粗波长计算更准确。因此，绝对位置的改进估计值被确定为PM+(n*λM)。应当明白，按照这个程序，粗位置值PC的确定仅仅需要精确以比中间波长的大约+/-一半更好，以便避免在绝对位置测量中的误差。
然后分析PM+(n*λM)以确定值“PM+(n*λM)”对应于多个精细波长中的哪个(“第N个”精细波长)。一般，PM+(n*λM)将等于(N*λF)+RF，其中RF是精细余数。精细位置值PF是在局部精细波长内的位置。原理上，这个精细位置值PF应当等于RF。但是，精细模式测量和计算是从单个读头部分和标尺轨道得出的，这与在多个读头部分和标尺轨道之间的关系不同，并且精细模式测量和计算是基于较短的波长。因此，假定它比中间波长测量和计算更精确。因此，绝对位置的改善的最后估计被确定为(N*λF)+PF，以便确定相对于所述读头的标尺轨道。这对应于例如绝对位置读头20或20a相对于标尺90的绝对位置。应当明白，按照这个程序，粗位置值PC的确定仅仅需要精确以比比中间波长的大约+/-一半更好，以便避免在绝对位置测量中的误差。
在各种其他示范实施例中，为了提高绝对范围，可以提高内插电路的精度和标尺轨道80、80′和80″的制造精度。这允许使用较高的比率(粗/中间，中间/精细)和较高的内插级。但是，任意提高标尺轨道和电路的精度一般受到严重的经济限制。或者，在各种其他示范实施例中，确定较长波长的可操作组合，以便由此扩展绝对范围。与上述的波长的前面的示范组合相比较，这可以将绝对范围提高在大约2-3倍范围内。
因此，图3所示的示范绝对位置光纤读头配置20a提供了在按照本发明的多种光纤读头中可用的位移测量系统，本领域内的任何技术人员都可以明白，图3所示的反射光纤读头配置具有对应的透射光纤读头配置。在这样的情况下，光源280位于在光源280和标尺的标尺轨道之间的类似源间隙的、沿着Z轴在透射标尺的相对侧的相同距离处。
示范绝对位置光纤读头配置20a提供了三相测量系统。但是，可以明白，相位掩模120的替代实施例以及光接收器通道190的对应替代配置可用于在所并入的′312申请中描述的一般光纤读头配置。
图4示出了包括可与按照本发明的光纤读头相结合使用的一般远程电子接口单元405的方框图，所述按照本发明的光纤读头被一般地表示为绝对位置光纤读头400。远程电子接口单元405包括信号处理和控制单元493、可以包括选用的透镜的光源477以及与实施例相关的多个光传感器/放大器492A-492n、492A′-492n′、492A″-492n″。光源/透镜477可以包括其他光学器件，诸如光隔离器等。光源/透镜477和光传感器/放大器492A-492n分别通过光源光纤470和接收器光纤430A-430n连接到光纤读头400的读头部分60。类似地，光源/透镜477和光传感器/放大器492A′-492n′分别通过光源光纤470′和接收器光纤430A′-430n′连接到光纤读头400的读头部分60′，并且光源/透镜477和光传感器/放大器492A″-492n″分别通过光源光纤470″和接收器光纤430A″-430n″连接到光纤读头400的读头部分60″。虽然光源/透镜477被图解为单个单元，但是在各种实施例中，提供了多个独立的光源/透镜。具体地说，在在此所公开的、不同的读头部分使用不同的相应照明波长的各种实施例中，对于每个不同的波长提供一个独立的光源/透镜。在各种其他示范实施例中，光源/透镜477可以包括一个或多个独立光源部件或光源阵列，每个光源光纤一个，或者光源/透镜477包括单个光源，它直接或者在被初始地输入到馈入多个“裂散”光纤的单个光纤后分布到多个光纤。在各种示范实施例中，至少向多个“自成像”读头部分提供光的多个光源光纤470是单模式的光纤。这在虽然可能有读头电缆的弯曲和移动的情况下提供了改善的照明分布稳定性。
光纤可以在收集和保护在光纤读头400和远程电子接口单元405之间的光纤的读头电缆(未示出)内进行布线。可以使用单读头电缆或多读头电缆。在按照本发明的各种示范实施例中，读头电缆可以是几米或更长。接收器光纤430A-430n分别承载光信号491A-491n。光信号491A-491n是上述和下述提供的相位信号。类似地，接收器光纤430A′-430n′分别承载光信号491A′-491n′，并且接收器光纤430A″-430n″分别承载光信号491A″-491n″。
光源/透镜477接收电源，并且可以从信号处理和控制单元493接收增益控制信号。如上所述，光源/透镜477通过源光纤470、470′和470″向光纤读头400以及向标尺90的标尺光栅轨道上发光。光纤读头400的光纤检测器通道——诸如上述的光纤接收器通道190a-190c等——从标尺90的标尺光栅轨道接收光，并且提供信号491A-491n，它们被分别输入到光传感器/放大器492A-492n。光传感器/放大器492A-492n向信号处理和控制单元493提供放大的电子输出信号491Ax-491nx。类似地，光传感器/放大器492A′-492n′向信号处理和控制单元493提供放大的电子输出信号491Ax′-491nx′，并且，光传感器/放大器492A″-492n″向信号处理和控制单元493提供放大的电子输出信号491Ax″-491nx″。在各种示范实施例中，信号处理和控制单元493然后按照上面给出的等式和教导来确定绝对位置。
可以明白，在下面进一步给出的各种示范实施例中，按照本发明的光纤读头可以提供承载被相加的光信号的多个光纤接收器通道。对于这样的实施例，承载被相加的光信号的光纤可以连接到同一光传感器/放大器492，以便提供期望的信号相加，或连接到不同的光传感器/放大器492，所述不同的光传感器/放大器492在附加的信号处理期间将它们的信号电子意义上相加。可以明白，在下述的各种其他示范实施例中，按照本发明的光纤读头可以提供附加的多个光纤接收器通道，用于承载从一个或多个二进制代码轨道得到的二进制光信号。对于这样的实施例，承载二进制光信号的相加的光纤可以连接到与类似的光源/透镜477和类似的光传感器/放大器492的附加类似连接，以便提供期望的二进制信号来用于信号处理。因此，图4所示的配置意欲仅仅是说明性的而不是限定性的。
图5和6示出了按照本发明的光纤读头配置20b的第三示范实施例。光纤读头配置20b与上述参照图3所述的一般光纤读头配置20a实质类似地操作，并且包括类似的部件。由于在配置和操作中的这些类似性，下面仅仅说明需要另外解释的光纤读头配置20b的某些方面。
如图5和6所示，光纤读头配置20b包括读头部分560、560′和560″。如图6所示，读头部分560包括第一组三个光纤接收器通道590A-590C，它们与前述的光纤接收器通道190类似地操作。应当明白，光纤读头配置20b提供了按照本发明的“平衡对(balanced pairs)”光纤读头的第一示例。为了提供按照本发明的平衡对光纤读头，光纤读头配置20b包括第二组三个相应的平衡光纤接收器通道590Ax-590Cx，它们被分别布置在如图所示的相应的光纤接收器通道590A-590C的照明场中心257的相对侧上的“平衡对”中。在光纤接收器孔径510上所示的标号1-1、2-2、3-3的对表示平衡对。
如图5所示，读头外壳500包括具有对准槽545的圆柱形套圈540。所述套圈的内直径包括三个孔541，它们带有一些紧配合地适配在紧密包装的外围光接收器光纤530以及三个相应的读头部分560的每个的中央光源光纤570上。在一种示范的组装方法中，具有准备好的平端的光纤被从后端对齐和插入到套圈540中，并且被插入直到它们略为突出到安装表面542之外。然后，在相位掩模元件561上承载的相应相位掩模组520、520′和520″在显微镜下被对齐到光纤末端，相对于光纤末端被推动以使得它们与安装表面542共面，并且与安装表面542紧紧结合。光纤然后被结合到套圈并彼此结合。或者，使得安装表面542与套圈540的末端齐平，并且具有准备好的平端的光纤被从后端对齐和插入到套圈540中，并且被插入直到它们略为突出到安装表面542之外。然后，在光纤的末端周围布置粘合剂以提供支持和将套圈540固定到套圈540。然后，光纤和粘合剂被良好接地和/或向后抛光(polishedback)与安装表面542齐平(flush)或几乎齐平。然后，在相位掩模元件561上承载的相应相位掩模组520、520′和520″在显微镜下被对齐到光纤末端，相对于光纤末端推动，并且与安装表面542紧紧结合。
在一个示范实施例中，在相位掩模元件561的“内部”最靠近光纤末端的位置制造相位掩模组520。光源580源光纤570的末端提供。在一个示范实施例中，源光纤570是用作发出635纳米的源波长光的点光源的单模式光纤，并且是由3M公司制造的光纤零件号FS-SN-3224，它具有DSF＝250微米的外径。接收器光纤530同样是商业可以获得的多模式光纤，它是具有200/220/250微米核心/包层/缓冲层直径DRA/DRC/DRF的二氧化硅光纤。因此，在光纤读头配置20b中的所有源和接收器光纤具有相同的250微米外径，因此可以被布置在按照本发明的有益紧密包装的组件配置中，它允许高度准确和经济的精度定位和组装。在这个示范实施例中，有益的紧密包装组件配置是六角形的紧密包装的组件配置。
接收器光纤530和源光纤570的每个具有包层和核心。所述包层外部圆圈表示，所述核心由内部圆圈表示。可以看出，在图6所示的实施例中，源光纤570相对于其包层的外径具有较小的核心。相反，由光纤530A表示的接收器光纤相对于它们的包层的外径具有较大的核心。
可以明白，与在图3中所示的光纤读头配置20a中使用的3光纤接收器配置相比较，这个实施例20b的平衡6光纤接收器配置提供所接收的光的两倍，因此提供可能的信号强度的两倍。而且，接收器孔径510的平衡对配置抵制由于读头定位不良而导致的某些误差以进一步提高测量精度，如在被并入的′312申请中所述。
应当明白，诸如光纤读头配置20b的组件提供高分辨率全光编码器读头，其中每个读头部分560具有1.0毫米或更少的直径。还应当明白，所述配置提供了低成本的精密“自组装”。也应当明白，源光纤570有意“过大”仅仅是为了组装的目的。光纤读头配置20b也提供了按照设计原则的高级S/N比率，这将在下面参照图8来讨论。
例如，在一个特定的示范实施例中，对于如上所述由3M公司制造的示范光纤零件号FS-SN-3224的平端，已经确定“半最大”光束半径的发散半角是大约4.5度。因此，在光纤读头配置20b的一个示范实施例中，对于据发射标尺和大约1.6毫米的自成像间隙的标尺光栅轨道80，照明场256的半径RW大致等于tan(4.5)*2*1.6毫米＝253微米。对于上述的示范光纤特征和尺寸以及光纤读头配置20b的紧密包装的实施例，接收器孔径510的位置半径RAL大约等于250微米。因此，RW大致等于RAL，并且与值0.83*RAL相近，这将在下面参照图8详细讨论。而且，接收器孔径510的接收器孔径直径DRA是DRA＝200微米，它是大约4/5*RAL。按照将参照图8所给出的信息，使用这样的设计关系，每个光纤接收器通道应当提供接近最大可获得值的相对S/N比率。在实验上，发明人已经示范了具有使用具有8微米光栅间距的、在1纳米分辨率的这种类型的可比较读头配置的稳定位置读数。可以明白，这个示范实施例仅仅是说明性的，而不是限定性的。更一般而言，可以准备和选择源光纤以提供来自大约2-10度或更多的范围的“半最大”光束直径的发散半角，并且可以按照本发明的原理和如在所并入的′312申请中所公开的那样来选择对应的读头的设计。
应当明白，对于上述示范实施例所述的尺寸，可以提供这样一种光纤读头配置，其中在每个照明场256中的基本上所有的能量位于具有显著小于至少一个可操作自成像间隙的大小的半径(大约2.55*RW)的圆圈内。也应当明白，对于上述示范实施例所述的尺寸，可以提供这样一种光纤读头配置，其中每个接收器光纤孔径510与对应的照明场256的中心(所述中心与标尺光轴256重合)相分离一位置直径RAL，所述位置直径RAL显著小于至少一个可操作自成像间隙的尺寸。这样的设计关系着重于可以对按照本发明的高分辨率自成像读头部分实现的紧凑尺寸，这使得按照本发明的高分辨率绝对光纤读头配置的宽度和高度或直径接近所述操作间隙尺寸的几倍或更小。这样的紧凑尺寸使得按照本发明的读头配置可以在一个操作体积中工作和移动，所述操作体积是先前已知的、具有类似性能特征和健壮性的读头所需要的操作和移动体积的一部分。这样的先前已知的读头通常具有作为它们的操作间隙尺寸的许多倍的宽度和高度尺寸，这限制了它们在许多应用中的潜在实用性、经济性和方便性。
如图6所示，对于每个读头部分560，相位掩模元件561包括相位掩模组520，它包括相位掩模520A-520C和520Ax-520Cx。每个相位掩模520A-520C和520Ax-520Cx包括对于读头源光不透明的光栅条521。光栅条521被排列在对读头源光透明的基底565的表面562上。其铬、铜和氧化物是可以用于为光栅条521形成图案的普通材料。玻璃和石英是可以用于基底565的普通基底材料。相位掩模520A-520C和520Ax-520Cx的每个的有效掩模区域是包括光栅条521的区域。这个有效掩模区域应当具有足够的大小以覆盖对应的接收器孔径510的通光孔径区域，并且具有用于在组装定位中的变换的额外容差。在掩模元件561的中心所示的是对准环563，它具有用于来自光纤570的源光的通光孔径564，如上所述。通光孔径的大小例如比在DSA＝4微米级的单模式核心直径大几倍。在一个示范实施例中，相位掩模元件561由钠钙玻璃构成，具有0.25毫米的厚度和与套圈540的对应内径匹配的直径(见图5)。
掩模光栅条521按照与在可操作自成像平面中的光栅图像的周期匹配的周期，沿着X轴方向周期地排列。如图所示的示范相位掩模561在每个相位掩模组520中具有6个相位掩模，用于在一种平衡配置中的6个光纤接收器通道，在所述平衡配置中，完全相反的光纤接收器孔径接收与在读头相对于标尺的x方向移动相同的光信号调制相位。相位掩模具有0度(520A和520Ax)、120度(520B和520Bx)和240度(520C和520Cx)的空间相位。对于使用在自成像编码器中可用的光栅条521构造的相位掩模元件，在显微镜下可以容易地看到在各个相位掩模520之间的边界。这些可以用于将相位掩模561相对于接收器光纤对齐。本发明人已经发现，可以使用显微镜和用于相对于接收器光纤定位相位掩模561的XYZ测微计级来容易地实现在小于20微米和甚至小于10微米的容差内的定位。
图7示出了绝对位置光纤读头配置20c的第四一般实施例。读头配置20c包括分别对应于5个标尺光栅轨道780、780′、780″、780和780″″的5个读头部分760、760′、760″、760和760″″。读头部分760的每个都实质上类似地操作，并且包括与图1-3的读头部分60和标尺光栅轨道80的部件类似的部件。由于在部件和操作中的类似性，下面仅仅说明需要附加说明的光纤读头配置20c的某些方面。
如图7所示，前三个读头部分760、760′、760″具有与图1的读头部分60、60′、60″类似的配置，其类似性在于它们以线性配置排列。由于套圈740的圆形特征，可以获得附加的空间用于布置附加的读头部分760和760″″。套圈740也包括对准槽745和轴环750。读头部分760的每个具有对应的标尺光栅轨道780和接收器通道790。
在一个实施例中，可以以不同的波长来形成标尺光栅轨道780，并且较粗的分辨率被布置在离中心更远的位置。例如，在要利用标尺光栅轨道的5个波长的一个实施例中，可以布置它们使得(类似于上述实施例)标尺轨道780′具有等于8.000微米的波长λ1，标尺轨道780具有等于8.020微米的波长λ2，标尺轨道780″具有等于8.40微米的波长λ3。标尺轨道780可以被布置成具有等于12.600微米的波长λ4，标尺轨道780″″可以被布置成具有等于12.620微米的波长λ5，以便与如上所述那样由波长λ1和λ3提供的相比较超过粗波长两倍。当然，应当明白，当使用显著不同的标尺轨道光栅间距时，必须相互依赖地选择波长，并且大致在自成像间隙处布置读头20c，所述自成像间隙可操作来提供用于两个标尺轨道光栅间距的足够的自成像清晰度，这都是根据在上面与等式1相关联的讨论中给出的设计因素和考虑。作为一种有益的指南，可以假定自成像的平面的可操作场深(field depth)大致在相关联的自成像平面之间的距离的1/6级上。或者，可以以实验确定场的可操作深度和/或可操作来提供用于全部标尺轨道间距的足够的自成像清晰度。应当明白，在各种示范实施例中，独立的读头部分也可以使用显著不同的光波长以便提供附加的设计自由度，以实现用于显著不同的标尺轨道间距的实质上类似或相同的自成像平面。
对于针对定位不良——其中特别包括偏转定位不良——而不是扩展的绝对范围的增强的健壮性，可以以平衡对来布置标尺轨道间距780和对应的读头部分760。例如，在仅仅利用三个波长的一个实施例中，可以布置它们使得(类似于上述实施例)标尺轨道780′具有等于8.000微米的波长λ1，标尺轨道780和780″具有等于8.020微米的波长λ2，标尺轨道780和780″″具有等于8.40微米的波长λ3。应当明白，当读头20c具有相对于标尺790的偏转定位不良时，读头部分760和760″的对称排列提供这样的信号，它们按照由于偏转定位不良导致的大致相同和相反的空间相移而不同的信号。因此，如果将来自读头部分760和760″的每个的适当信号相加，则相同或相反的空间相移理想上彼此补偿，使得偏转定位不良对绝对位置确定的效应无效。读头部分760和760″″的对称排列提供了类似的益处。因此，可以利用这样的平衡对配置来帮助使得当相对于标尺790安装读头20c时可能发生的偏转定位不良无效。
下面的讨论涉及参照下面的图8所述的结果。应当明白，按照本发明的光纤读头可以是超小型的读头。应当明白，与不使用自成像和/或未被设计来提供高分辨率、高精度位置测量信号和高内插比率的较粗光纤编码器读头相反，期望最小化尺寸和最大化在许多示范实施例中这种光纤编码器读头的固有信号噪声比。设计限制——诸如期望或经济的光纤尺寸、从在特定自成像间隙的光纤源直接获得的实际照明场尺寸以及实际组装定位限制——全是重要的设计考虑。具体地说，应当明白，由按照本发明可用的许多光纤提供的小接收孔径直径可以比在现有技术读头中使用的多数或全部电子检测器小得多，并且这样的小接收孔径直径严重地限制可获得的信号能量和产生的信号噪声比。
因为所有这些原因，因此重要的是考虑与根据这些严重的设计限制来提供足够的信号噪声比相关联的某些设计关系。这样的设计关系不仅指示与最佳性能相关联的设计条件，而且也指示其中可以为了装配技术、部件成本或其他原因而进行设计权衡，同时仍然保留允许微米级或甚至亚微米级分辨率和精度的设计特征的范围。如下更详细地描述，可以将光纤编码器读头的设计因素用作指南来在按照本发明的各种示范光纤编码器读头实施例中提供获得期望的信号噪声比的读头设计。
在各种示范实施例中，按照本发明可用的光源是没有独立的透镜或准直仪的光纤光源。在各种示范实施例中，这样的光纤光源从其末端输出发散的源光束，所述发散光束通常具有在4.5-10度的范围内的发散半角。在这样的源光束中假定高斯强度分布是合理的。在关于光纤的应用的文章中良好地描述了高斯光束分布的属性。由于多种原因，这个高斯强度概况在按照本发明的光纤读头偏转中的重要考虑因素。应当明白，在这样的光束中的照度、即每单位横截面积的有效通量沿着光束轴不成比例地集中。因此，远离光束轴定位的接收器孔径由于高斯分布而受到“额外的”信号损失(与“均匀光束的假设”相比较)。另外，应当明白，就像在均匀光束中那样，每当由于“分散损失”而导致光束的点尺寸或照明场的半径被提高时，由于纯几何因素而导致平均光束照度降低。而且，应当明白，在诸如图3所示的“被定位”的反射配置中，对于高斯光束，在照明场265中的最高照度是在和围绕照明场中心257。但是，对于光源280的机械干扰和各种其他组装考虑可能阻止将接收器孔径110定位在最高照度的那个区域中。
下面的等式(等式9)指示按照本发明的原理的读头的示范设计考虑，并且在变量D中考虑上述的因素。另外，所述等式包括其他的重要因素以提供信号噪声比对在按照本发明的光纤读头配置中各种设计因素的依赖性的有益分析S≈PCg1g2DRdGd(等式9)下面的表定义了在等式9中使用的符号，并且也包括用于确定图8所示的结果的典型值——如果适用的话。

可以在诸如图4所示的适当光纤读头信号处理远程电子器件中将0.5mV的值作为典型的电子系统噪音值。
图8是示出代表性的相对信号噪声比的图，所述代表性的相对信号噪声比是当光纤检测器通道位于距离照明场的中心各种接收器孔径位置半径RAL处时，对于各种接收器孔径直径DRA产生的，这大致对应于上述参照图3所述的一般光纤读头配置。在图8的水平轴上所示的照明场半径RW是与诸如上述的照明场256的照明场的半径可比较的。对于高斯光束外形，未良好地定义光束边缘或产生的照明场。在这种情况下，RW被定义为局部光束强度是在照明场中心的局部强度的一半的照明场中的半径。按照这个定义，在半径RW之外存在大照度，但是99％的总光束能量落在大约2.55RW的半径内。在图8中的各种位置所示的接收器孔径位置半径DRA已经在前参照图5和6定义。
应当明白，图8的结果依赖于在各种尺寸之间的比率，而不是特定的尺寸本身。因此，用于图8所示的轴的长度单位是任意的。当由于各种原因而导致比率的一个单元被选择或约束到特定的尺寸时，所述比率在设计上变得有意义。然而，由此可以选择互补因子的特定尺寸。线888包括用于各种接收器孔径直径DRA的参考号和相应的标号。为了保留图8的一般性，接收器孔径直径值DRA被作为它们对应的接收器孔径位置半径RAL的一部分。
应当明白，因为图8所示的S/N比率是相对S/N比率，因此图8可以反映对于单个“理想”检测器通道或对于光学地组合的检测器通道“平衡对”等的相对S/N比率行为。即，当不同组的估计设计值和/或假设——诸如较低激光功率、较高噪音值或光组合的2个或多个接收器通道信号——将影响被估计的S/N比率的量化值的时候，每组假设将以大致相同的方式来影响每个假定的信号。因此，在图8中的各个位置所示的量化或相对S/N比率保持为用于进行合理的相对设计选择和权衡的有效设计指南，即使当改变上述的设计值时也是如此。也应当明白，来自按照本发明的读头的实际位置确定结果也可能被大量的其他因素降级，所述大量的其他因素诸如在各种相位信号之间的平衡、在相位信号中的空间谐波、污染(contamination)、定位不良等。而且，在具有按照本发明的多个读头部分的读头中，按照实际和经济的设计选择，如上所述，单光源/透镜477可以用于2个或多个读头部分。这将在各个读头部分之间的可获得激光功率(例如，如表1所示)细分，降低了信号噪声比。尽管如此，图8所示的相对S/N比率提供了很有益的设计指南，特别用于确定在各种合理和类似设计中的各种设计权衡的相对性能潜力。应当明白，本领域的普通技术人员之一可以进行适当的读头实验以验证对应于在图8中的特定位置的量化S/N比率，然后使用图8的相对S/N比率来定标那个结果以大致地估计与图8中的其他“设计区域”相关联的量化结果。例如，本发明人已经以实验方法示范了使用具有8微米光栅间距的标尺的、以1纳米的分辨率的稳定位置读数(reading)，并且所述标尺具有接收器孔径的平衡对配置，其中接收器孔径直径DRA大致等于接收器孔径位置半径RAL。这在图8的这种“设计区域”中表示按照本发明的原理设计的读头可以产生量上很高的信号噪声比。而且，重要的是，根据这样的实验结果和图8，可以估计按照本发明的各种其他类似读头设计的近似相对量化性能，其中设计因素对应于在图8中的其他设计区域。
在图8中，对于RW和RAL的值的组合，沿着各个相对S/N比率的“异构曲线(isocurve)”示出了相对S/N比率结果。在每个相对S/N异构曲线上，有对应于RAL的最大值的“峰值”，可用于获得那个相对S/N异构曲线的相对S/N比率。与接收器孔径位置半径RAL的“最大值”对应的、图8所示的每个相对S/N异构曲线峰值发生在对于RAL的那个特定值最佳的照明场半径RW。线888通过所有这样的相对S/N异构曲线峰值。应当明白，任何特定的接收器孔径位置半径RAL(图8中的水平线)与在线888上的对应点相交。对应于在线888上的相同点的照明场半径RW(在图8中的垂直线)的任何偏离将产生对于那个特定接收器孔径位置半径RAL的较低的相对S/N比率和较差的性能。
应当明白，为了根据由按照本发明的光纤读头提供的正弦信号来提供高分辨率和精度，不仅期望计数波长或所累计的标尺间距单元的数量，也期望尽可能高程度地在“初始”和“最近的”波长中插入。例如，一般，越高的可容许的内插对应于在粗、中间和精细模式波长之间的越大的比率，如上所述。这是相对于给定的精细模式分辨率和精度扩展绝对测量范围所期望的。一般，对于在所并入的′312申请中和在此所公开的光纤自成像读头，提供高质量正弦信号，并且内插级大致对应于S/N比率。即，对于例如S/N比1000，可能区别峰-峰值正弦信号的大致1/1000量级。考虑到发明人已经以实验方法来示范了使用具有8微米光栅间距的标尺的、以1纳米的分辨率的稳定位置读数，甚至考虑到在实际应用的自成像读头的正弦信号中要产生的误差的已知来源，上述的实验性能对应于正弦信号变化，它们从理想的正弦变化改变那些正弦信号的峰-峰值变化的至多1/64的比率。应当明白，对于在此公开的读头，这样的性能使得与部件选择、成本降低或制造能力等——它们按照图8可能降低S/N比率——相关联的设计权衡仍然可以产生期望的绝对测量读头。在这样的实施例中，正弦信号变化可以从理想的正弦变化改变那些正弦信号的峰-峰值变化的高达1/32的比率或甚至高达1/16，并且仍然产生按照本发明的原理的有用的小型绝对光纤读头。
基于前述的假定和设计值的图8所示的相对S/N比率结果指示，不管接收器孔径直径DRA，对于给定的接收器孔径位置半径RAL，最佳的“半最大”照明场半径RW大约等于0.83*RAL。图8还指示将“半最大”照明场半径RW降低到大约0.5*RAL或将“半最大”照明场半径RW提高到大约1.7*RAL产生大致为在0.83*RAL提供的S/N比率的一半的S/N比率，这是在按照本发明的各种示范实施例中对于S/N比的较大和不合需要的降低。因此，在按照本发明的各种示范实施例中，“半最大”照明场半径RW至少等于0.5*RAL而且至多等于1.7*RAL。或者，因为总光束能量的99％落入如上所述的大约2.55RW的半径内，这个同一设计关系也可以被表达如下在按照本发明的各种示范实施例中，99％的总光束能量落入在可操作自成像平面和/或相位掩模平面的总照明场半径内，其中总的照明场半径至少等于0.5*RAL*2.55即大约1.28*RAL，并且至多等于1.7*RAL*2.55即大约4.34*RAL。但是，应当明白，在各种其他示范实施例中，按照本发明的自成像光纤读头保留各种优点，即使当接收器照明场半径RW小于0.5*RAL或大于1.7*RAL时也是如此。例如，特别有益的组装方法和小尺寸对于按照本发明的自成像光纤读头是可能的，如下进一步所述。
图8所示的结果也指示了与接收器孔径位置半径RAL相关联的接收器孔径直径DRA的相对S/M比率效果。应当明白，按照在此使用的假设和定义，接收器孔径位置半径RAL一般不小于一半(one-half)DRA。而且，对于使用与接收器光纤相同直径的源光纤的、紧密包装的组装配置，诸如图5和6所示，接收器孔径位置半径RAL大约等于DRA。如沿着线888所示，指示大于640的相对S/N比率，其中接收器孔径直径DRA约等于接收器孔径位置半径RAL的值。如上所述，通过实验方法，本发明人已经示范了使用具有8微米光栅间距的标尺的、1纳米的分辨率的稳定位置读数，并且所述标尺具有一个读头配置，其中接收器孔径直径DRA大致等于接收器孔径位置半径RAL。
如沿着线888所示，当接收器孔径直径DRA与接收器孔径位置半径RAL的比率被降低到大约1/3时，按照所使用的假设来提供比100略大的相对S/N比率，以确定图8所示的结果，即相对S/N比率比当接收器孔径直径DRA大约等于接收器孔径位置半径RAL的值时至少差6倍。在按照本发明的各种示范实施例中，不期望满足于低水平可能信号和产生的性能。因此，在按照本发明的各种示范实施例中，接收器孔径直径DRA应当大于或等于接收器孔径的位置半径RAL的1/3。
如沿着线888所示，当接收器孔径直径DRA与接收器孔径位置半径RAL的比率进一步下降到大约1/5时，相对S/N比率下降大于2的附加因子。即，当所述比率DRA/RAL从1/3下降到1/5时，在按照本发明的光纤读头中的可能性能下降大约2倍(factor)。但是，将DRA/RAL比率下降到这个级可能允许有益的设计灵活性和/或更经济的部件和组装，同时仍然允许使用按照本发明的自成像光纤读头来获得亚微米级性能以及小型尺寸和各种其他优点。因此，在按照本发明的各种其他示范实施例中，接收器孔径直径DRA应当大于或等于那个接收器孔径的位置半径RAL的1/5。
当比率DRA/RAL从1/5进一步下降到1/8时，S/N比率下降大约另一个2-3倍。但是，将DRA/RAL比率下降到这个级可能允许更有益和经济的设计和组装灵活性，同时仍然允许使用按照本发明的自成像光纤读头来获得亚微米级性能以及小型尺寸和各种其他优点。因此，在按照本发明的各种其他示范实施例中，接收器孔径直径DRA应当大于或等于那个接收器孔径的位置半径RAL的1/8。
当接收器孔径直径DRA下降到小于那个接收器孔径的位置半径RAL的1/8时，按照本发明的自成像光纤读头的性能潜力在一些情况下与其他更大的商用编码器读头相比较不显著，但是其尺寸与这样的编码器读头相比较保持显著。而且，其尺寸和/或分辨率以及精度和/或操作的健壮性与使用其他物理或光纤原理的现有技术光纤编码器相比较保持显著。而且，对于按照本发明的自成像光纤读头来说，特别有益的组装方法是可能的，如下所述。因此，在各种示范实施例中，按照本发明的自成像光纤读头保留各种优点，即使当接收器孔径直径DRA下降到小于那个接收器孔径的位置半径RAL的1/8时也是如此。
本发明人也已经确定，在按照本发明的各种示范实施例中，较理想的自成像仅仅存在于较靠近照明场的中心处，所述照明场是从作为点源的光源产生的。在这样的情况下，当提高接收器孔径的位置半径RAL时，按照本发明可用的自成像在距离照明场的中心的半径越大时，显示清晰度和空间相位越方面不理想的改变。实际上，关于自成像的最广泛公知的参考文件做出限制它们对于照明场的中心的有效性的假设。因此，在不使得关于在按照本发明的自成像光纤读头中的S/N比率的前述讨论的有效性无效的情况下，在各种示范实施例中，也使得接收器孔径的位置半径RAL与其他设计、组装和成本权衡所允许的一样小。
应当明白，对于具有较低的信号噪声比的配置，降低精确的内插级。因此，按照与上面的等式3-8相关联的讨论，提供如上所述的精细、中间和粗波长的标尺光栅轨道的波长必须被调整来提供可靠的绝对测量误差容限。一般，这意味着必须使得各个波长彼此更相对不同，导致减小的绝对测量范围，但这仍然在多个读头应用中有用。
图9是按照本发明的绝对位置光纤读头配置的第五一般实施例的示意端视图，所述按照本发明的绝对位置光纤读头配置包括二进制代码轨道配置，所述二进制代码轨道配置包括11个独立二进制检测器部分。如图9所示，以适配在与套圈540类似的套圈内的圆形/圆柱形空间951来布置读头配置20d。读头配置20d的布局包括三个读头部分560、560′、560″，它们与参照图5和6所述的类似编号的读头部分类似地被构造和起作用，除了在图9中所示的示范实施例中，它们被定位在不同的相对位置。应当明白，读头部分560、560′、560″的各种元件，诸如相位掩模已经在前面说明并且在图9中未示出，因此更清楚地描述读头配置20d的某些其他元件。读头部分560″的位置被光纤530″/570″的轮廓表示。按照前述的操作原理，读头部分560″提供以标尺轨道80″为中心的照明点253″，并且光从标尺轨道80″反射以提供照明场256″。读头部分560′和560表示类似而且操作也类似。应当明白，图9所示的读头部分560、560′和560″的示意布局仅仅是可操作和紧凑地相对于对应的标尺轨道定位那些读头部分的许多可能配置之一。许多替代的配置是可能的。
读头配置20d的布局还包括11个二进制检测器部分65a-65k，其中每个与二进制检测器部分65k类似地构造和操作。所述二进制检测器部分65k包括可以与源光纤570相同的源光纤970、可以与接收器光纤530相同的两个接收器光纤930a和930b。或者，用于所述11个二进制检测器部分65a-65k的光的分布和收集不像用于读头部分560、560′和560″的那样关键，因此可以使用各种不同的光纤来用于源和接收器光纤970、930a和930b。在任何一种情况下，源光纤570和两个接收器光纤930a和930b可以适当地被定位在类似直径的孔中或槽中，所述孔或槽是在读头套圈中通过钻孔或EDM等来制造的。二进制检测器部分65k不包括掩模。源光纤970提供以在二进制标尺轨道85的两个二进制标尺子轨道85a和85b之间的边界为中心的照明点953，并且从二进制标尺轨道85发射光以提供照明场956。在接收器光纤930a附近，照明场956主要包括从二进制标尺子轨道85a反射的光。在接收器光纤930b附近，照明场956主要包括从二进制标尺子轨道85b反射的光。
子轨道85a和85b的每个包括相对较多反射的“亮”元件86和相对较少反射的“暗”元件，它们在接收器光纤930a和930b中提供二进制光信号。在图9所示的示范实施例中，二进制标尺子轨道85a和85b是冗余的标尺轨道，它们包括按照公知的3比特伪随机“链”代码技术等的相同代码比特序列。二进制标尺子轨道85a和85b的序列相对于彼此移位一半比特长度。对于这样的配置，当未定义在二进制检测器部分的接收器光纤之一的光信号时出现诸如在用于二进制检测器部分65k的接收器光纤930a的图9所示的情况，而当适当地定义了在二进制检测器部分的接收器光纤的另一个的光信号时出现诸如在用于二进制检测器部分65k的接收器光纤930b的图9所示的情况。
应当明白，二进制检测器部分65a-65d和二进制标尺轨道85″按照公知的伪随机“链”代码技术等来提供附加的4比特代码，对二进制检测器部分65e-65h和二进制标尺轨道85′也这样做。因此，同时地，“11比特”二进制代码部分920可以提供大约2048个唯一代码组合。沿着测量轴方向82的二进制检测器部分65a-65k的比特长度和间隔可以被选得小于如上参照等式3-8给出的、由三个读头部分560、560′和560″提供的粗波长。因此，总的二进制代码的每个步骤对应于特定的粗波长，它将绝对测量范围扩展到由总的二进制代码序列的物理长度确定的长度。一旦根据对应的总二进制代码来确定了特定波长的位置值，则通过如上所述确定在那个粗波长内的位置来改进位置值。
在一个示范实施例中，二进制检测器部分65a-65k的比特长度和间距被选择在0.8-1.0毫米的范围内，所述范围适当小于由读头部分560、560′、560″可用的前述示范读头部分提供的粗波长。在这样的情况下，对于很类似于图9所示的读头配置的读头配置，可以对大约5毫米的总读头直径提供大约2米的绝对测量范围。同时，测量分辨率可以在纳米级上，如上所述。
应当明白，为了可靠地使用这样的较粗和经济的二进制代码轨道部分来提供扩展的绝对测量范围，必须使用读头部分560、560′、560″来获得安全地至少等于或长于二进制比特长度的较粗波长，以考虑所有可能的误差源。因此，当还提供高测量分辨率时，按照本发明的原理和如在所并入的′312申请中所教导的那样，由光纤读头部分560、560′、560″提供的较短光栅间距和高精度内插允许具有大小、范围和分辨率的无前例的组合的绝对光纤读头。应当明白，图9所示的二进制代码部分920的示范布局仅仅是示范性的而不是限定性的。可操作地和紧凑地相对于对应的标尺轨道来定位可操作的二进制检测器部分是许多可能的配置之一。可以有很多替换配置。应当明白，由于全光光源和接收器通道/光纤的极高速调制潜力，也可能设计比图9所示的更紧凑的读头配置，其中各种照明场与多个读头部分的接收器重叠，但是每个相应的读头部分的源和接收器独立和在时间上依序操作，以便防止在相邻读头部分之间的信号干扰。在这样的时间复用实施例中，应当明白，可以使得像各种读头部件的物理尺寸所允许的那样紧凑地进行读头设计。
图10示出了在相对于标尺光栅轨道1180的一个示范方向中、与按照本发明的各种光纤读头相结合地使用的光偏转器1100。如图10所示，与参照图3前述的光纤读头部分60类似，一般的示范光纤读头配置1120包括读头部分1160。读头部分1160一般沿着光束路径1101向光偏转器1100发送发散的源光，在光偏转器1100中，所述光沿着光束路径1102偏转并且通过操作间隙1103到标尺光栅轨道1180。类似地，从标尺光栅轨道1180反射、发散和衍射的标尺光一般沿着光束路径1102被返回光偏转器1100，并且被偏转回一般沿着标称光束路径1101定中心的读头部分1160。标尺光栅轨道1180沿着测量轴方向82相对于光纤读头偏转1120和偏转器1100移动。被返回的标尺光在一般相对于示范光纤读头偏转1120的光纤接收器通道配置定中心的照明场中的自成像平面提供了标尺光栅轨道1180的自成像，如前面参照按照本发明的各种其他示范实施例所述。应当明白，示范光纤读头配置1120的相位掩模的光栅条定位成它们与在标尺光栅轨道1180的自成像中的光栅线平行。也应当明白，偏转器1100相对于90度的标称偏转来偏转光束路径1101，以变为光束路径1102，并且更准确地，使得光束1102垂直于标尺光栅轨道1180的表面，这产生位置测量系统更准确和健壮。
在各种示范实施例中，偏转器1100是一个反射的直角棱镜、平面镜或其他适当的光部件，它相对于按照本发明的光纤读头以固定关系被可靠地安装在独立的元件上。为了保持可操作用于自成像的短路径长度，并且仍然保持相对于标尺光栅轨道1180的实用操作间隙，偏转器1100最好被安装得尽可能靠近读头部分1160。应当明白，在各种示范实施例中，偏转器1100可以要求相对于无偏转器的读头配置的、增加的总自成像距离，这也相对提高了来自光源和标尺的光的总发散。因此，在这样的情况下，应当注意调整各种读头设计参数以保持按照本发明的原理和如′312申请中公开的设计关系。在各种示范实施例中，偏转器1100被正确地定位并且被直接附在套圈1140上。在各种其他示范实施例中，偏转器1100也可以作为基底来提供按照本发明的相位掩模元件，将按照本发明的相位掩模直接形成在偏转器1100的表面上，所述表面面向套圈1140。
在图10所示的实施例中，光纤读头配置1120被定位为其长轴垂直于标尺光栅轨道1180的测量轴82的方向。套圈1140或标尺光栅轨道1180可以在位置上固定，而另一个元件可动。可以明白，在多个应用中，因为按照本发明的光纤读头和编码器的超小尺寸，以这种方式使用诸如示范偏转器1100这样的偏转器是实用的。也可以明白，在多个应用中，诸如示范偏转器1100这样的偏转器还通过下列方式来增强按照本发明的光纤读头和编码器的效用使得光纤读头相对于标尺光栅轨道1180和测量轴方向82灵活地定位，以便读头的最大和最窄尺寸被定位在期望的方向。还应当明白，诸如示范偏转器1100这样的偏转器的使用对于在期望的方向中定位光纤和/或读头配置1120的电缆的布线是有益的。
例如，读头电缆可以与图10所示的标尺正交地被引导，或当套圈相对于偏转器围绕z轴旋转90度时，或者它可以与标尺轨道近似平行地定位，以便相位掩模的条保持与在标尺轨道自成像中的条平行。
也应该明白，在此所示、所述或教导的读头实施例的任何一个也可以被采用来提供与在所并入的′312申请中教授的任何圆形或圆柱形旋转绝对位置读头配置类似的绝对测量系统。通过考虑用于承载标尺光栅轨道的、图10所示的标尺段，可以理解圆形旋转实施例，其中所述标尺光栅轨道是围绕与y轴平行的一个轴旋转的相对平坦旋转光栅标尺段。在这样的情况下，测量轴82沿着在X-Z平面中的、相对平坦的圆形路径。通过考虑用于承载标尺光栅轨道的、图10所示的标尺段，可以理解圆柱形旋转实施例，其中所述标尺光栅轨道是围绕与z轴平行的一个轴旋转的像圆柱的旋转光栅标尺的段。在这种情况下，测量轴82沿着在X-Y平面中的圆形的像圆柱的圆形路径。
虽然已经结合上述给出的实施例说明了本发明，显然上述的实施例和设计因素指示附加的替代实施例、修改和改变，这些对本领域内的那些技术人员是显然的。因此，如上所述的本发明的实施例意欲是说明性的，而不是限定性的。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变。
权利要求
1.一种绝对测量器件，用于测量在两个元件之间的相对位置，所述器件包括标尺，至少具有沿着相应的第一和第二轨道的第一和第二标尺光栅，所述相应的第一和第二轨道沿着测量轴方向，每个标尺光栅具有相应的光栅间距；和读头，至少包括第一和第二自成像读头部分，每个可用于提供标尺光栅的相应一个的可操作自成像，每个相应的自成像读头部分包括光源部分，至少包括一个相应的光源元件；和多个光纤接收器通道，每个相应的光纤接收器通道包括相应的接收器通道空间相位掩模部分，具有相应的掩模部分空间相位，并且具有以一个间距排列的其光阻挡元件，所述间距可操作用于空间地过滤标尺光栅的相应一个的可操作自成像，并且一般地位于相应的空间相位掩模平面上，所述相应的空间相位掩模平面可操作用于空间地过滤标尺光栅的相应一个的可操作自成像；和至少一个相应的接收器通道光纤，具有一个输入端，用于接收相应的接收器通道光信号光；其中对于每个相应的接收器通道，由至少一个相应的接收器通道光纤接收的相应的接收器通道光信号光包括通过在相应的集光区域上的、相应的接收器通道空间相位掩模部分收集的光，所述相应的集光区域具有沿着测量轴方向的集光区域尺寸，所述集光区域尺寸是所述相应的接收器通道空间相位掩模部分的至少一个全周期；对于每个相应的自成像读头部分当读头可操作地相对于标尺光栅定位时，那个相应的自成像读头部分的多个光纤接收器通道的至少第一和第二相应通道过滤在相应的空间相位掩模平面上的标尺光栅的相应一个的可操作自成像的它们的相应部分，以提供具有至少第一和第二相应光信号相位的至少第一和第二相应接收器通道光信号；具有相应的光信号相位的所述至少第一和第二相应通道光信号沿着它们相应的光纤输出，以提供多个相应光输出信号的形式的相对位移测量信息，相应的光输出信号是不使用电子光检测器元件而从空间地过滤的标尺光产生的；和其中所述至少第一和第二相应接收器通道光信号可用于确定对于那个相应的自成像读头部分和标尺光栅的相应一个的、相应的较精细分辨率的增量位置测量；在所述较精细分辨率的增量位置测量的至少第一对之间的至少一个第一关系具有在比与所述较精细分辨率的增量位置测量的至少第一对对应的、相应光栅间距中的任何一个大的相应第一关系波长上的、沿着测量轴方向的每个位置上的唯一值，以便可以根据沿着测量轴方向的每个位置上的所述唯一值在第一关系波长上确定至少一个第一较粗分辨率绝对位置测量；和至少所述第一较粗分辨率绝对位置测量可与至少一个较精细分辨率增量位置测量组合，以提供在第一关系波长的至少第一部分上的较精细分辨率绝对位置测量。
2.按照权利要求1的绝对测量器件，其中，每个相应的空间相位掩模平面包括用于整个读头的、同一标称空间相位掩模平面。
3.按照权利要求1的绝对测量器件，其中，对于每个相应的自成像读头部分，至少每个集光区域和每个输入端被完全定位在相应的圆柱形容积内，所述相应的圆柱形容积具有垂直于所述相应的空间相位掩模平面的轴，并且具有至多3毫米的圆柱半径。
4.按照权利要求3的绝对测量器件，其中每个相应的空间相位掩模平面包括用于整个读头的同一标称空间相位掩模平面；所述读头包括透明的掩模基底；和对于每个相应的自成像读头部分每个相应接收器通道空间相位掩模部分被制造在透明掩模基底的表面上，并且以建立在相应的接收器通道空间相位掩模部分的相应掩模部分空间相位之间的期望关系的方式，相对于相应标尺光栅的可操作自成像的标称自成像间距以及相对于那个自成像读头部分的其他接收器通道空间相位掩模部分的光阻挡元件，沿着测量轴定位其光阻挡器件；和每个相应的接收器通道空间相位掩模部分整体位于那个自成像读头部分的相应圆柱容积内。
5.按照权利要求4的绝对测量器件，其中，每个相应的接收器通道光纤的输入端相对于在所述透明掩模基底的表面上的对应的相应接收器通道空间相位来标称地定位。
6.按照权利要求3的绝对测量器件，其中，包括至少所述集光区域和输入端的每个相应圆柱容积的圆柱半径至多2.0毫米。
7.按照权利要求6的绝对测量器件，其中，包括至少所述集光区域和输入端的每个相应圆柱容积的圆柱半径至多1.0毫米。
8.按照权利要求3的绝对测量器件，其中，对于每个相应的自成像读头部分对于每个相应的接收器通道，沿着测量轴方向的集光区域尺寸至少是相应的接收器通道空间相位掩模部分的三个全周期；每个光源元件包括一个源光纤，它包括单模光纤，从远程光源产生的光从所述源光纤的输出端的核心区域输出；和每个源光纤的所述输出端整体位于那个自成像读头部分的相应圆柱容积内。
9.按照权利要求8的绝对测量器件，其中，对于每个相应的自成像读头部分所述至少一个相应的光源元件包括单个源光纤；和每个相应的接收器通道光纤被布置在围绕所述源光纤的紧密包装的配置中。
10.按照权利要求9的绝对测量器件，其中，对于每个相应的自成像读头部分，所述多个光纤接收器通道包括在N个可操作对的配置中布置的至少2N个相应的光纤接收器通道，其中N是等于至少2的整数，并且每个可操作对包括在所述源光纤的相对侧上布置的两个相应的光纤接收器通道，其中与那两个相应的光纤接收器通道对应的两个相应的空间相位掩模部分具有下列之一(a)相同的空间相位，(b)标称地相差180度的空间相位。
11.按照权利要求3的绝对测量器件，其中，至少两个自成像读头部分的相应圆柱容积的轴沿着测量轴方向彼此偏移，并且那些轴沿着垂直于测量轴方向的方向彼此偏移小于它们的相应圆柱半径的和。
12.按照权利要求11的绝对测量器件，其中，所述读头包括至少三个自成像读头部分，并且至少两个自成像读头部分的相应圆柱容积的轴不沿着所述测量周方向彼此偏移，而那些轴沿着垂直于测量轴方向的方向彼此偏移至少它们的相应圆柱半径的和。
13.按照权利要求3的绝对测量器件，其中，所有自成像读头部分的相应圆柱容积适合在具有与相应圆柱容积平行的轴的整体圆柱容积内，所述整体圆柱容积具有至多9毫米的整体圆柱半径。
14.按照权利要求13的绝对测量器件，其中，整体圆柱半径至多5毫米。
15.按照权利要求14的绝对测量器件，其中，整体圆柱半径至多2.5毫米。
16.按照权利要求15的绝对测量器件，其中，整体圆柱半径至多1.25毫米。
17.按照权利要求3的绝对测量器件，其中，当读头相对于标尺光栅可操作地定位时对于每个相应的自成像读头部分，可以在相应的空间相位掩模平面定义相应的总照明圆周，以便那个相应的自成像读头部分的光源部分的光功率的至少95％被包括在那个总照明圆周中，那个总照明圆周具有对应的相应总照明半径；和每个相应的自成像读头部分的相应圆柱容积的轴与其最近的相邻相应自成像读头部分的相应圆柱容积的轴分离至少与它们的相应总照明半径的和一样大的距离。
18.按照权利要求3的绝对测量器件，其中对于至少两个相应的自成像读头部分，每个光源元件包括源光纤，并且从相应可控制的远程光源产生的光从源光纤的输出端输出；和从所述相应可控制的远程光源产生的光被控制成间歇地通断，以便对于当两个相应的自成像读头部分之一正在输出相应的光输出信号时的时段的至少一部分，所述两个相应的自成像读头部分之另一个不输出光。
19.按照权利要求18的绝对测量器件，其中，所述至少两个自成像读头部分的所述相应圆柱容积的轴彼此分离小于它们的相应圆柱半径的和的2倍。
20.按照权利要求13的绝对测量器件，其中，对于至少两个相应的自成像读头部分第一个所述相应的自成像读头部分的光源部分提供第一相应波长的光；第二个所述相应的自成像读头部分的光源部分提供与第一相应波长光不同的第二相应波长的光；所述第一和第二个相应自成像读头部分的每个都包括匹配其相应的光波长的相应带通光波长滤光器；每个相应的带通滤光器相对于其相应的读头部分的相应集光区域被定位，以便实质地阻挡具有与其相应的光波长不同的波长的任何光以避免其到达那个相应的集光区域。
21.按照权利要求20的绝对测量器件，其中，所述至少两个自成像读头部分的相应圆柱容积的轴彼此相距小于它们的相应圆柱半径的和的2倍。
22.按照权利要求2的绝对测量器件，其中，对于至少两个相应的自成像读头部分第一个相应自成像读头部分的光源部分提供第一相应波长的光；第二个相应自成像读头部分的光源部分提供与第一相应波长的光不同的第二相应波长的光。
23.按照权利要求1的绝对测量器件，其中每个相应的标尺光栅包括反射元件；每个相应的光源部分沿着相应的源光路径发出源光，所述相应的源光路径具有源光中心轴，所述源光中心轴被定位为与相应的标尺光栅相交，所述相应的标尺光栅沿着标称地垂直于在相交点的相应标尺光栅的平面的方向；从相应的源光产生的相应的标尺光沿着相应的标尺光路径被反射，所述相应的标尺光路径具有标尺光中心轴，当所述读头相对于标尺光栅标称对齐时，所述中心轴与其相应的源光中心轴标称对齐。
24.按照权利要求23的绝对测量器件，还包括反射表面，其中所述反射表面被布置成沿着读头和标尺光栅之间的轴的一个位置处将每个相应的源光中心轴和每个相应的标尺光中心轴偏转大约90度；和所述读头和反射表面相对于所述标尺布置，以便相应的空间掩模平面和所述标尺光栅的可操作自成像标称地垂直于所述标尺光栅的平面。
25.按照权利要求1的绝对测量器件，其中，所述标尺是相对平坦的圆形标尺，并且测量轴方向沿着与标尺的平面平行的圆形路径。
26.按照权利要求1的绝对测量器件，其中，所述标尺是像圆柱的标尺，并且测量轴方向沿着一个圆形路径，所述圆形路径沿着所述圆柱标尺的周边。
27.按照权利要求1的绝对测量器件，其中所述标尺包括沿着相应的第三轨道形成的至少第三标尺光栅，所述相应的第三轨道沿着所述测量轴方向，所述第三标尺光栅具有与所述第一标尺光栅的光栅间距相同的相应的光栅间距，并且所述第一和第三标尺光栅基本对称地定位在所述第二标尺光栅的相对侧上的标尺上；和所述读头包括至少第三自成像读头部分，所述第三自成像读头部分与所述第一自成像读头部分实质类似，并且所述第一和第三自成像读头部分大致对称地位于在平行于标称测量轴方向延伸并且通过所述第二自成像读头部分的有效中心的线的相对侧上的读头中，以便平均与平衡的第一和第三自成像读头部分的对对应的相应较精细分辨率的增量位置测量提供平衡对较精细分辨率增量位置测量，它以与所述第二自成像读头部分的所述相应较精细分辨率的增量位置测量大致类似的程度受读头的偏转定位不良影响。
28.按照权利要求9的绝对测量器件，其中，当在沿着所述测量轴方向的所述读头和标尺光栅之间存在相对位移时，每个相对的光输出信号包括作为相对位移的函数的正弦变化，并且每个这样的正弦变化从理想的正弦变化改变每个这样的正弦变化的峰-峰值的变化的至多1/32。
29.按照权利要求28的绝对测量器件，其中，每个这样的正弦变化从理想的正弦变化改变每个这样的正弦变化的峰-峰值的变化的至多1/64。
30.按照权利要求1的绝对测量器件，其中所述标尺包括沿着相应的第三轨道形成的至少第三标尺光栅，所述相应的第三轨道沿着所述测量轴方向；所述读头包括至少第三自成像读头部分；在所述较精细分辨率的增量位置测量的第二对之间的第二关系具有在比多个第一关系波长长的相应第二关系波长上的、沿着测量轴方向的每个位置上的唯一值，以便可以根据沿着测量轴方向的每个位置上的所述唯一值在第二关系波长上确定第二较粗分辨率绝对位置测量；和所述第二较粗分辨率绝对位置测量可与所述第一较精细分辨率增量位置测量和至少一个较精细分辨率增量位置测量组合，以提供在第二关系波长的至少一部分上的较精细分辨率绝对位置测量，所述第二关系波长比多个第一关系波长长。
31.按照权利要求30的绝对测量器件，其中所述标尺还包括至少一个二进制代码轨道，它包括沿着所述测量轴方向延伸的唯一二进制代码字的序列；所述读头还包括二进制代码部分，它包括用于确定在二进制代码轨道的可操作定位的相邻部分上包括的唯一二进制代码字的多个二进制检测器部分，每个唯一二进制代码字指示在二进制代码轨道的长度的至少一部分上以代码轨道分辨率的、所述读头相对于所述标尺的绝对位置；所述二进制代码轨道和所述二进制代码部分被配置成使得所述代码轨道分辨率足够唯一地识别第二关系波长的每个周期；和一个被确定的唯一二进制代码字与对应的第二较粗分辨率绝对位置测量、所述第一较粗分辨率绝对位置测量、至少一个较精细分辨率增量位置测量可组合，以提供在所述二进制代码轨道长度的至少一部分上的较精细分辨率绝对位置测量，所述二进制代码轨道长度长于多个第二关系波长。
32.按照权利要求1的绝对测量器件，其中对于至少两个相应的自成像读头部分第一个所述相应的自成像读头部分的光源部分提供第一相应波长的光；第二个所述相应的自成像读头部分的光源部分提供与第一相应波长的光不同的第二相应波长的光，并且，所述第一和第二个相应自成像读头部分的每个都向下列的至少之一输出它们相应的光输出信号(a)与它们的相应波长的光匹配的相应带通光波长滤光器，(b)具有有效地匹配它们相应波长的光的光波长响应的相应光检测器，以便所述相应的带通光波长滤光器和所述相应的光检测器中的至少一个实质地阻挡具有与它们的相应波长的光不同的波长的任何光以避免影响从它们的相应光输出信号产生的相应电信号。
全文摘要
本发明公开了一种绝对位置光纤编码器读头，它具有多个读头部分，用于检测标尺的相应标尺光栅轨道的位移。所述读头部分的检测器通道是具有相应的相位光栅掩模的光纤检测器通道。所述光纤编码器读头部分被配置来检测所述标尺的相应标尺光栅轨道的自成像的位移。在各种示范实施例中，按照提供较高信号噪声比的各种设计关系来构造所述光纤读头部分。因此，可以实现高级的位移信号内插，以允许亚微米位移测量。可以以特别准确和经济的方式来组装所述光纤编码器读头部分，并且可以在1－2毫米级的尺寸来以组件(package)提供所述光纤编码器读头部分，导致依赖于被并入的读头部分的数量的整体绝对读头尺寸很小。可以在所述读头中提供承载从标尺代码轨道得到的二进制光信号的光纤接收器通道，以提供扩展的绝对测量范围。
文档编号G01D5/347GK1550753SQ20041004216
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月8日 优先权日2003年5月2日
发明者约瑟夫·D·托比亚森, 金·W·阿瑟顿, ぐ⑸ , 约瑟夫 D 托比亚森 申请人:三丰株式会社