专利名称：利用纤维光学接收器通道的微型成像编码器读取头的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及一种测量位移的光学编码器，尤其是，本发明涉及一种包含微型读取头的光学编码器，该读取头将标尺成像于读取头中的一组纤维光学接收器通道上，从而生成超小型成像编码系统。
背景技术：
目前可以用各种运动或位置编码器检测线性运动、旋转运动或角运动。这些编码器通常都是基于光学系统、磁标尺、感应换能器或电容换能器的。这些编码器中有的是专门设计成用来测量相对运动的。在这种检测相对位移或相对位置的编码器中，典型的测量是通过检测标尺位置相对于参照位置的改变来实现的，这就要求测量标尺图样上的变化，以便于计算出条纹的重复变化。可以将这种位置测量叫做增量位移测量或增量位置感测或测量。
对光学编码器来说，许多增量位置系统已经被开发出来。授予Eselun的美国专利No.5,909,283中公开的系统所使用的零件比以前的绝大部分系统都要少。美国专利No.5,909,283中描述的该系统包含光栅标尺和读取头，该读取头包括点光源(读取头中的激光二极管)、朗驰(Ronchi)光栅或全息元件、及光电检测器阵列。正如在发明中所描述的，点光源会产生干涉条纹，其间隔与标尺的间隔一致。干涉条纹光经过Ronchi光栅或全息元件到达光电检测器阵列。设置该光电检测器阵列，以从所传输的干涉条纹光中得到四个正交信号通道。美国专利No.5,909,283中描述的系统有一个缺点，就是其得到的编码器不是尺寸相对较大就是不能用于多种应用。而且如美国专利No.5,909,283中公开的，在某些具有使用电子光电检测器的光学读取头的现代运动控制系统中，需要检测并在相对较长长度的线上传送高频测量信号，其衰减成为一个限制因素。
授予Tokunaga的美国专利No.4,733,071公开了另外一种光学编码器。该专利No.4,733,071中描述的系统带有编码部件标尺和光学传感器头，光学传感器头包括一个光纤尖端光辐射源以及两个紧密地沿着编码部件的测量轴线排列的光纤尖端接收器。旋转(偏转)光学传感器头来调整两个光纤尖端接收器的相位差。然而，其得到的编码器精确度相对较低。
因而，我们需要一种能克服前述问题及限制的、单独的或组合的位置感测设备。

发明内容
本发明要提供一种能克服前述及其他不足之处的编码器。更具体地说，本发明要提供一种成像编码器系统，其在读取头中设置有微型读取头，将标尺成像于一组接收器光纤通道上，并能提供非常高的分辨率的测量，该成像编码器系统具有非常小的尺寸，还具有大量其他理想的特征。
用于检测标尺位移的光纤读取头装置描述如下。在一个实施例中，标尺可包括反射部分的条纹。读取头根据反射部分的条纹感测标尺在所选择方向上的位移。该读取头包括光源，用于将光传输经过光学组件到达标尺，及检测器通道，用于接收从标尺返回的经由光学组件的光。根据本发明一方面，该编码器读取头的检测器通道是纤维光学检测器通道。
如上文所概述，诸如专利No.5,909,283中公开的电子读取头接收器(光电检测器)，在转换与标尺高速运动相关的高频检测信号及通过长电缆将该信号传输的时候会有明显的信号损失或干扰。另外，用于读取头的光电检测器及其相连的电路连接对许多潜在的编码器应用来说也太大。可以理解的是，本发明的光纤检测器通道克服了这些局限。
依照本发明的另一方面，在一个实施例中，光学组件被构造为远心系统。该远心系统总体上包括放置在成像透镜焦点位置的孔径限制板。相应的，该限制孔径只允许近似平行于透镜及孔径的光轴的光束经过。这种远心系统最主要的优点是，它为读取头中可操作的标尺图像提供了与读取头和标尺之间的距离几乎无关的放大倍数。在其场深度范围内，该远心系统基本上很少有或不会有放大误差。因而这种实施例具有高精确度及高分辨率，并且安装公差要求得松。
根据本发明的另一方面，在一个实施例中，光学组件除了包括成像透镜和限制孔径外，还包括展像透镜、至少一个光学隔板和环状源透镜。展像透镜使来自读取头的源光远离成像透镜，进入环绕成像透镜的孔型环状源透镜。该环状源透镜将光线会聚至标尺上的一个区域，从该区域光通过成像透镜被成像回到读取头上。该至少一个光学隔板减少或消除不需要的光，若没有该至少一个光学隔板，多余的光会到达读取头的光纤检测器通道。
根据本发明的另一方面，在一个实施例中，光学组件包括成像透镜，但该成像透镜不包括圆锥透镜、光学隔板、孔径和环状源透镜，因而更加小型简单。然而，其小巧简单的结构的一个代价是，其纤维光学读取头装置一般都不是远心的，因而对安装差异及对准不当差异更敏感。
根据本发明的另一方面，在一个实施例中，读取头的一根或多根接收器光纤也可以用作源光纤。通常，通过分束器、偏振器或其他这种的光分离装置可以将检测过的光从源光分离出来。在另一实施例中，光纤循环器可以用于此目的。
根据本发明的另一方面，在一个实施例中，源光可以由离开紧密排列的轴对称光纤装置中心的多个源光纤生成，而不是由一条位于接收器光纤中心的单独源光纤生成。在该实施例中，紧密排列的轴对称光纤装置的中心可以设置哑光纤，以方便周围光纤的排列。在一个实施例中，接收器光纤被安装在位于读取头中心的第一套圈内。然后，源光纤总体上被安装在第一套圈外部周围，并被紧固在环绕读取头的第二套圈内。第一套圈用以支撑相位掩模板，而第二套圈用以支撑源透镜或位于每一个源光纤前面的透镜。在一个实施例中，源光纤具有一大数值孔径，以在标尺上获得良好的光分布。
根据本发明的另一方面，在多个示例性实施例中，纤维光学读取头装置包括用来接收来自标尺的光的纤维光学检测器通道。本发明的纤维光学检测器通道可以与专利No.5,909,283中描述的电子读取头接收器(光电探测器)相对比。通常，电子读取头接收器(光电探测器)在转换与标尺高速运动相关的高频检测信号及通过长电缆将该信号传输的时候会有明显的信号损耗或干扰。另外，用于读取头的光电检测器及其相连的电路连接对许多潜在的编码器应用来说也太大。可以理解的是，本发明的纤维光学检测器通道克服了这些局限。
根据本发明的另一方面，纤维光学读取头装置包括多个纤维光学检测器通道，这些纤维光学检测器通道都有各自的相位掩模板。相对于标尺光栅或条纹来说，至少两根光纤检测器通道各自的相位掩模板具有彼此不同的空间相位。美国专利No.4,733,071中描述的传统纤维光学尖端接收器相对较粗糙。一般地说，如果该纤维光学尖端接收器的直径较大，则其就不具有足够的空间分辨率来区分精细的相位信号，而如果其直径较小，则收集的光线太少，不能生成好的信号。另外，很难安装传统的纤维光学尖端接收器，而在彼此间获得合适的空间相位。因此，每一个的分辨率受到限制，其总的精确度也因此受到限制。可以理解的是本发明的纤维光学检测器通道及其各自的相位掩模板可以克服这些及其他的不足，以提供较高的分辨率及精确度。
根据本发明的另一方面，纤维光学检测器通道检测的标尺光栅图像或条纹图像，其焦深可以提供高分辨率，而对准容差要求松。
根据本发明单独的一方面，读取头的纤维光学检测器通道是以对成对方式排列的，以提高其精度。
根据本发明进一步的一方面，位于读取头内有3对称对纤维光学检测器通道，对其的方式进行信号处理，以提高精度。
根据本发明单独的一方面，光纤为读取头提供光源，以生成全光学读取头，因此没有编码器读取头中电子组件及电子信号的任何限制和成本问题。
根据本发明单独的一方面，光纤编码器的各光纤是从各种类型中挑选出来的，使编码器的测量精确度相对不受光纤电缆弯曲的影响。
根据本发明单独的一方面，光纤编码器读取头的各实施例是本着经济、精确和小巧的精神构造的。
根据本发明单独的一方面，光纤编码器读取头设计成可以插入可买到的标准光纤连接器构造中。
根据本发明单独的一方面，光线偏转元件用来使光学组件和标尺两者之间的光路发生偏转，以改变光学组件相对于标尺的可操作的安装方向。
根据本发明单独的一方面，在一个实施例中，使用遥控界面盒，该遥控界面盒包括适当的电子光源及光电探测器，并与引自和引向根据本发明的读取头的光纤连接，将接收到的光信号转换成适宜进行进一步信号处理并方便决定读取头位置的形式。
因此，本发明克服了现有技术的光学位移检测设备中的不足，本发明的系统极其小巧、精确度极高并很经济，可以用其进行以极高速度运动的测量，这些都使光学位移检测设备有可能产生新的应用。


结合附图，参照下文的详细描述，将会更容易理解本发明前述的各方面及其附带的优点。其中图1为纤维光学读取头装置的第一一般性实施例的等轴图，其包括根据本发明纤维光学读取头的第一一般性实施例；图2为大致对应于图1所示的纤维光学读取头装置的俯视图；图3为图1所示的光纤读取的第一一般性实施例的部分分解等轴图；图4为方框图，包括与根据本发明的纤维光学读取头装置相结合使用的远程电子接口单元；图5A和5B为根据本发明可用的第二一般性实施例中的光纤和掩模板装置的部分分解等轴图；图6A和6B为根据本发明可用的第二一般性实施例中的纤维光学读取头装置的端视图和侧视图；图7为根据本发明第三一般性实施例中纤维光学读取头装置的侧视图；图8为可与根据本发明的各种纤维光学读取头装置一起用的光偏转器。
具体实施例方式
图1所示为根据本发明的光纤读取头装置20的一般性实施例。如下文的详细描述中所述，光纤读取头装置20包括读取头60、光学组件61、展像透镜62及标尺90。在光学组件61内部的成像透镜76被用来将标尺90成像于读取头60上。应该理解，标尺90可以根据需要沿着测量轴82延长至任何长度。因此，可以将各图描述的标尺90理解为根据本发明的各示范性实施例中大的多的标尺的一段。
读取头60由套圈40套着。该套圈40有颈圈50及对准凹槽45。读取头60可根据美国专利申请No.10/298,312的教导形成，其名称为“High AccuracyMiniature Grating Encoder Readhead Using Fiber Optic Receiver Channel”(《利用纤维光学接收器通道的高精度微型光栅编码器读取头》)，申请日为2002年11月15日，该专利已经被共同转让并在这里全部引做参考。
如下文将要详细描述的，读取头60耦合到包括三个接收器光纤130A，130B和130C及照明光纤170的纤维光学接收器通道组290。照明光纤170提供从读取头60的光源280中发射出的光。展像透镜62放置在光源280附近，以沿着要求的光路分配发射的源光，如下参照图2所详述。在各示范性实施例中，源光可能是白光。在许多其他实施例中，源光可能是单色光或是准单色光，且其名义波长为λ。更一般地说，源光的波长λ可包括根据本发明原则的能用于生成可检测图像的任意波长。读取头60还包括相位掩模板120，其包括相位掩模板120A、120B和120C，分别设置成盖过由接收器光纤130A、130B和130C的端部构成的光学接收器通道孔径，下文会对其进行详细描述。在各示范性实施例中，读取头的相位掩模板120A、120B和120C被便利地安装成共面的结构，构成和/或者与名义接收面160重合。考虑到制造微型读取头60，应该理解，接收器光纤130A、130B和130C的尺寸和位置可以按照所包括的美国专利申请第10/298,312中的教导和/或者象参照如下各图概述的那样来确定。
如下文所详述，读取头60被结合到光学组件61。通过展像透镜62分配的源光经过光学组件61并从位于光学组件61端部、靠近标尺90的位置上的环形源透镜78发射出去。当源光照射到标尺90时，标尺90的各个特征将源光有选择地反射回去，从而由被照射的标尺产生反射的标尺光。标尺光经过光学组件61的成像透镜76及其他部分，从而被读取头60接收到，这在下文会参照图2做更详细的解释。在操作中，标尺90沿光轴63与光学组件61有大致固定的工作距离或工作间距。标尺90所在的面近似垂直于光轴63，标尺90在该面内沿着相对运动的轴线，如测量轴方向82，相对于光学组件61运动。为保持光学组件61和标尺90之间合适的相对位置，操作距离和相对运动一般都是受限的，如通过安装在框架中的传统的导槽或轴承(未示出)。
如图1所示，设置成像透镜76，使得透镜76的光轴63大致对准被反射源光照射的标尺90的区域。在图1所示的示范性实施例中，光学组件进一步包括针孔孔径板72，其沿光轴63距离成像透镜76的距离等于成像透镜76的焦距f(见图2)。另外，读取头60的接收面160沿光轴63距离孔径板72的距离等于象距di(见图2)。这种间距产生了远心光学结构，使得产生在接收面160内的标尺90图像的放大倍数与成像透镜76到标尺90的物距do基本无关。
如下文参照图2的详细描述，光学组件61进一步包括光学组件外壳65、光学隔板70及环形源透镜78。操作读取头60和光学组件61在读取头的接收面160上生成聚焦的或近似聚焦的标尺90的图像。如下文的详细描述，在各种示范性实施例中，标尺90包括形成在基片95上的、光栅间距为Pg的标尺光栅图样。
图2是光纤读取头装置的顶视图，其与图1给出的光纤读取头装置20的一般性实施例相对应但稍有不同。如下文的详细描述，光纤读取头装置20使读取头60上的源光纤170发出的光经过光学组件61，以生成照射标尺90的会聚的源光252的环孔。展像透镜62被用于将源光纤170发出的光从光轴63和成像透镜76转向至环绕成像透镜76的孔型环状源透镜78。在一个实施例中，孔型环状源透镜78发出的光从光学组件61作为会聚的环孔源光252的形式发出，其在标尺90的表面上具有大致环型的强度分布。在一个可替换的实施例中，散射层，如粗糙表面或散射材料层也可包含在环状源透镜78中。这种散射层在经过环状源透镜78的光束的许多部分产生局部散射，以更均匀地照射在标尺90的表面。无论怎样，环状透镜78将光汇集到标尺90的一个或几个区域内，这部分光将由成像透镜76成像回读取头60的纤维光学检测器通道的一个或几个区域，以在读取头60的接收面160上对于给定的源光能量提供最好的实际照明强度。
应该理解的是，根据本发明的纤维光学接收器通道的极小的接收器孔径面积(例如，接收器光纤的纤心直径)，可比现有技术中使用的绝大部分或所有读取头的电子检测器小得多，这种小接收器孔径直径严格地限制根据本发明可用的信号能量及所得到的信噪比。还应该理解，如所包括的美国专利申请10/298,312中所讨论的，一般来说，本发明的正弦输出信号度可以精确地进行插值，而提供根据有效的信噪比比光栅图样更高的测量分辨率。应该理解，传统光纤编码器读取头相对粗糙，不是设计用来提供高分辨率及高精度的位置测量信号的，与其相比，本发明各实施例中的超微型光纤编码器读取头装置的一个目标是提供微米级甚至亚微米级的分辨率及精确度。因此，在本发明各实施例中要求相对较高分辨率及精确度的地方，为了实现相对较高的光学信号强度，并得到相对较高的信噪比、分辨率及精确度，将光集中到标尺90上将通过成像透镜76成像回光学纤维检测器通道的一个或几个区域，这是有益的。
下面将更具体地描述光在读取头60及标尺90之间的传播。在读取头60的中心，源光纤170发出源光纤光250。紧邻近源光纤170的输出端，源光纤光250通常以是由源光纤170上有效数值孔径决定的发散发散半角。在各示范性实施例中，发散半角在大约2-10度的数量级上。应该理解的是，虽然图2显示的源光纤170的端部与透明基片265是稍稍分离的，但是在各示范性实施例中，源光纤170的端部是抵靠在透明基片265上的。
发散的源光纤光250穿过带有相位掩模板120的透明基片265，到达展像透镜62。应该理解的是，这里展像透镜62的轴尺寸是被夸大了的，以强调其在这里的各个描述中的通用展像透镜类型。根据已知的光学设计实践设计展像透镜62，以将发散的源光纤光250偏转并集中成为发散的展像光251的环状图案，这种环状图案随着光在光学隔板71和81之间向位于光学组件61端部的环状源透镜78传播而发散。在其他的示范性实施例中，功能类似的衍射光学元件被用来代替展像透镜62。如图2所示，发散的展像光251穿过位于中央的圆柱状的光学隔板81和光学隔板元件70的周围光学隔板71之间的环形开口。在图2的示范性实施例中用粗虚线表示发散的展像光251的路径的名义界限。发散的展像光251接着穿过孔径板72的透明部分73。然后，发散的展像光251就到达环状源透镜78。根据已知光学设计实践设计该环状源透镜78，使得发散的展像光251偏转以形成源光252的会聚环孔，这样，源光252的会聚环孔将该源光集中在标尺90的一个或几个区域内，该区域会由成像透镜76成像回读取头60的光纤检测器通道的一个或几个区域，如上文所描述的。标尺90上将由成像透镜76成像回读取头60的光纤检测器通道的区域，被包含在成像区域64内，该区域总体上环绕并包括光纤读取头装置20的光轴63。在图2的示范性实施例中，源光252的会聚环孔的名义界限也用粗虚线表示出来。源光252的会聚环孔照在标尺光栅图样上而产生标尺光253。
光纤读取头装置20包括一个示范性远心光学装置。各种远心光学装置的操作一般为本领域的普通技术人员所熟知，这里就不详加解释了。通过将限制孔径75沿着光轴63放置距离成像镜头76的有效位置为成像镜头76的名义焦距f的位置，可以提供纤维光学读取头装置20的远心结构。在成像透镜76的后焦点处的位置，理想的针孔孔径如同空间滤光器一样，阻挡所有照射到成像透镜76上的名义上不平行于光轴63的光线。因为实际的限制孔径75比理想的针孔要大一些，因此实际上在光线进入成像透镜76时也允许其与光轴63的平行有几度的偏差。这种装置仍能够用于提供所期望的远心装置的益处，下文将概述之。可以理解的是，因为只有与光轴近似平行的光线才能由远心装置成像，所以，一般来说，在适当设计的远心装置的视场中，不管物体在沿光轴63方向上的位置，其看上去大小一致。即一般地说，对处在其场深度内的物体来说，远心装置基本上或完全没有放大变化或放大误差。在本发明的诸多示范性实施例中，该性质都很有用，因为它意味着不管采用何种安装及/或对准是否完美，由光纤读取头装置20检测的标尺图像会倾向于具有期望的放大倍数、尺寸及条纹。远心装置的一种折中就是，附加元件及必需的间距可能需要更长一些和/或大一些的读取头。
由于上文描述的示范性实施例的远心光学装置，只有与成像透镜76的光轴63近似平行的标尺光253才对读取头60检测到的图像有帮助。因此，应该理解的是，通过限制孔径75的、最外径向的、名义的平行光限定了成像区域64的范围。在图2所示的示范性实施例中，用细虚线表示对应于成像区域64的径向平行光的范围，并对应于既平行于光轴63又在成像透镜76的入射光瞳内的标尺光253的最外径向的光线。图2中一条内平行光线253A也用细虚线表示，下文将对其进行进一步描述。
如图2所示，近似平行于光轴63的标尺光253的光线进入成像透镜76后即变为会聚标尺光254。在各示范性实施例中，成像透镜76可以是双凸透镜，其焦距为f。会聚标尺光254被成像透镜76聚焦，并经过孔径板72遮挡部分74上的限制孔径75。因为限制孔径75与成像透镜76的有效面的距离是成像透镜76的焦距f，所以读取头60上标尺90图像的放大倍数与成像透镜76到标尺90的物距do基本上没有关系，这在上文已经简单描述过了，下文还将进一步详细描述。会聚标尺光254从限制孔径75出来后变成发散标尺光255。发散标尺光255在读取头60的接收面160上形成标尺90的光栅图样图像，该图像是可用于聚焦的或可近似地聚焦的。下文将对图像聚焦的各种相关情况进行详细描述。
图2中细虚线除了表示标尺光253的名义界限外，还表示标尺光253的另一个成像光线253A，以清楚说明标尺90的环形区域(其宽度大致对应于成像区域64内的尺寸64A)如何被成像在读取头60对应于读取头60的纤维光学检测器通道位置的环形区域上。因此，纤维光学读取头装置20在读取头60的纤维光学检测器通道上产生标尺90的标尺光栅图样图像。读取头60的纤维光学检测器通道检测标尺光栅图样图像，如下文将详细描述的，其相应的光学输出信号经光纤130A、130B和130C输出。
应该理解的是，在图2中，为了更好地表示纤维光学读取头装置20的操作，读取头60中的光纤130A-130C的端部被表示为与透明基片265稍稍分离，从而更好地描述光至光纤的传输。但是，在各示范性实施例中，光纤130A-130C的端部抵靠或者基本抵靠在透明基片265上。相位掩模板120(在图2未标记出)通常位于透明基片265上的光纤130A-130C端部的前面。在各示范性实施例中，相位掩模板120被加工在透明基片265距离光纤130最近的表面上，该表面也是接收面160。在各示范性实施例中，读取头60的光纤130A-130C及光纤170的端部全都尽可能紧密地抵靠在透明基片265的表面上。
在图2所示的示范性实施例中，考虑到标尺90在读取头60上的图像放大倍数，透过限制孔径75的光255沿光轴63传输距离dt，到达读取头60的接收面160上。对这种电子装置来说，标尺90图像特征的放大倍数M就主要取决于焦距f和距离dt两者之间的关系，可近似地用等式1表示如下M≈dt/f (等式1)其中f为成像透镜76的焦距；dt为限制孔径75至读取头60的接收面160的距离。
应该理解的是，在根据本发明的各实施例中，设置接收面60的位置，以接收标尺90的标尺图样特征的聚焦或者近似聚焦的图像。应该理解的是，在选择针孔孔径75的孔径大小时要权衡光学组件61的场深与读取头60上的图像强度之间的关系。场深即当物距do由于读取头间距对准不当或类似情况而变化时，标尺90图像的变模糊的数量。在具体应用中可以通过分析或实验来设定权衡这二者合适关系的孔径的大小。一般地说，在各示范性实施例中，针孔孔径75或类似元件可以是圆形、方形、矩形或其他任何需要的形状，并可选择一个或更多的尺寸来提供所需的权衡。另外，应当理解的是，在替换实施例中，如果通过适宜的安装和精密轴承等可以完全控制好物距do，那么，不再需要远心装置，限制孔径75和孔径板72也可以省略。
更一般地说，在限制孔径75相对较大和/或限制孔径75和孔径板72省略了的各替换实施例中，放大倍数会随物距do变化。在这种情况下，标尺90被照射部分在读取头60的接收面160上的图像的近似放大倍数M由等式2表示如下
M≈di/do(等式2)其中do为标尺90到成像透镜76的有效面的物距；di为从读取头60的接收面160上的图像到成像透镜76的有效面的象距。
应该理解的是，不管限制孔径的大小，可以确定和/或实验检验根据本发明原理的读取头装置的有效放大倍数。
在根据本发明原理的各示范性实施例中，有效放大倍数决定了相位掩模板120的间距与标尺90的标尺光栅图样间距的比值。这是因为相位掩模板120通常用作标尺90的光栅图样的图像的空间滤波器，如同所包括的美国专利申请No.10/298,312所述的那样，其接收到的标尺光栅图样图像是自像，而不是由成像透镜系统生成的图像。一般来说，放大倍数为1时，标尺90的标尺光栅图样间距等于相位掩模板120的间距。对于在图2中的实施例，当dt＝2f时，放大倍数近似为2，相位掩模板120的间距为标尺光栅图样间距的2倍。
在各示范性实施例中，标尺光栅的典型间距范围可以是从小于4微米到大于40微米。在一个实施例中，容许的标尺光栅间距的下限是由成像系统的限制横向分辨率决定的，其可以由本领域技术人员容易地计算出来。但是，应该理解的是，成像系统的横向分辨率越小，容许的焦深越小，容许的间隙允差越小。对非相干照射来说，横向分辨率的衍射界限可用等式3表示如下～1.22λ/2NA (等式3)其中λ为波长；NA为光学系统的数值孔径。
应该理解的是，非相干照射的截止频率为2NA/λ，而相干照射的截止频率应该为1.33NA/λ，而且，横向分辨率因此取决于相干程度。一般来说，任何可操作的可见光波长或不可见光波长，及非相干光或相干光都可以用于本发明，只要该波长与最后接收根据本发明原理产生的光学信号的光电检测器相兼容。
一般来说，标尺90的标尺光栅图样可位于标尺90基片的前部或后部。在图2的实施例中，标尺光栅图样位于基片95的前部。在标尺光栅图样位于透明基片的后部的实施例中，基片可以由例如玻璃或石英等材料构成。在一个实施例中，标尺90的标尺光栅图样由光栅线和间隔构成。在一个实施例中，光栅线对源光进行漫射以产生上文讨论的近似平行于光轴63的光线。因此，光栅线在读取头60接收到的图像中产生亮条纹。与之对比，间隔被设计来吸收或透射入射的源光，以阻止入射的源光被反射回读取头60。因此，间距产生暗条纹，在读取头60接收到的条纹图像中与漫反射源光的光线产生的亮条纹形成强烈对比。在各示范性实施例中，标尺光栅图样包括基本上面或平坦的线及间隔。在其他各实施例中，为了增强亮条纹和暗条纹在读取头60接收到的标尺光栅图样的图像中的对比度，标尺光栅图样包括闪耀光栅元件，该闪耀光栅元件设计时考虑了源光的入射角度。在任何情况下，当纤维光学读取头装置20相对标尺90运动时，标尺光栅图样的图像相对相位掩模板120运动。相位掩模板120空间地过滤标尺光栅图样的运动图像，并且相应的，如所包括的美国专利申请No.10/298,312所述，光学接收器光纤接收到周期变化的光信号，作为相对运动的函数。周期性光信号的每一周期都表示相当于标尺光栅间距Pg的相对运动的数量。
应该理解的是，如果想要高水平的信号插值，当使用根据本发明的纤维光学读取头时，为了获得高分辨率的位移测量，当周期性光信号沿正弦曲线变化时，可以更易于得到这种高水平的信号插值。在这种情况下，基于各种光信号的一个或多个比值会作为读取头和标尺之间相对位移的已知函数连续变化，这种比值测量位移信号以比标尺90的标尺光栅模式的基本间距精细得多的分辨率生成高水平的插值。因此，根据本发明的各示范性实施例都使用限制孔径，该限制孔径的直径可以限制光纤读取头的光分辨率，下文将对其进行详细描述。在各示范性实施例中，该限制孔径完全可以生成充分正弦形式的光信号，不需要再使用其他测量方法。在根据本发明的其他各示范性实施例中，相位掩模板120和/或标尺90的标尺光栅图样包括各种占空因数、掩模板和/或光栅元件的宽度及类似特征，用来空间过滤接收到的标尺图样的图像从而生成更呈正弦曲线的光信号，这种技术是本领域的普通技术人员所熟知的方式，例如授予Holzapfel的美国专利No.5,576,537中所公开，此处也对其所有相关教导，该文献被在此引做参考。在另外的其他示例实施例中，为获得相对正弦形式的光信号，根据本发明的原理的纤维光学读取头和标尺被有意地沿着光轴63分开安装，以使接收面160上生成的标尺图像有意地变得有点模糊或散焦。其分开间距可通过实验决定，例如通过检验光信号中可操作地安装的读取头和标尺的信号，并系统地沿光轴63改变分开间距直到获得最接近正弦的信号。在本发明的再其他示范性实施例中，为获得相对正弦曲线的光信号，上述的所有方法可以联合使用。也就是说，合适的限制孔径大小及各种占空因数、掩模板和/或光栅元件的宽度等与稍微散焦的分开间距一起使用来生成相对呈正弦曲线的信号。
使用此处描述的读取头装置照明构造，或标尺图样成像区域的充分外部照明，本发明的纤维光学读取头装置的信噪比可以相当高，例如至少高达32、40、64、128，甚至256。而且，当使用一个或多个上述方法时，应该理解的是，在根据本发明的各示范性实施例中，纤维光学读取头装置可生成正弦信号，该正弦信号与理想的正弦函数相必变化小至正弦函数峰-峰变化的1/16、1/32甚至1/64或更小。因此，总体上来说，本发明的各种纤维光学读取头装置可生成精确的插值位移测量，其分辨率高达至少标尺光栅的间距Pg的1/16、1/32甚至1/64或更小。
提到图2所示示范性实施例中的光学隔板系统，光学隔板包括位于中心的圆柱状光学隔板81、环绕光学隔板71及可以固定在透明基片265上的附加环状光学隔板91。这一组光学隔板用来阻挡那些可能透过环状源透镜78进入读出头装置20的周围的和/或杂散的反射光到达读取头60的纤维光学检测器通道。例如，如图2所示，我们可以看到，一般情况下，光学隔板71阻挡透过位于图2上部的环状源透镜78的全部或绝大部分的光线，以免其传输至光纤130B附近的读取头60的检测区域内。类似地，一般情况下圆柱状光学隔板81及光学隔板91阻挡透过位于图2上部的环状源透镜78的全部或绝大部分的光线，以免其传输至光纤130A附近的读取头60的检测区域内。应该理解的是，由于每个挡板都是环状构造，因此读取头60的每个检测区域都受到了阻挡杂散光线的保护，如上文所述。
图2所示的读取头装置20包括许多可以用于简化根据本发明原理的本读出头装置和其他读出头装置的构造和装配的特征。例如，如上文提到的，除了在透明基片265上制造相位掩模板120以外，还可以在透明基片265上制造环状光学隔板91，例如通过已知薄膜或厚膜应用以及图案形成技术来制造。可替换的，其他形式的涂层或单独的材料可构成环状光学隔板91，可以将结合到透明基片265的表面。展像透镜62可以通过适宜的光学级胶粘剂结合到透明基片265的表面，类似地如图2所示。可替换的，在各其他示范性实施例中，功能类似的衍射光学元件可代替展像透镜62结合或直接加工在透明基片265上。
透明基片265一般被描述为读取头60的一部分，在各示范性实施例中，该透明基片被结合至读取头60，所包括的申请No.10/298312中对此有描述，下文也将参照图3进一步描述之。如图2所示，在各示范性实施例中，光学组件外壳65的内直径以紧公差装配在读取头60的外直径上，该外壳65通过使得透明基片265靠在定位脊66上而沿着光轴63相对于读取头60的适当定位。定位脊66加工在光学组件外壳65中适宜的轴向位置上。
光学组件外壳65还包括定位脊67。该定位脊67加工在适宜的轴向位置上，用来将光学隔板元件70及光学隔板71定位在适宜的位置上。另外，光学隔板元件70有适宜的轴向尺寸，用来相对于读取头60及成像透镜76两者来定位孔径板72及限制孔径75。在各示范性实施例中，孔径挡板72靠在和/或结合至光学隔板元件70，大致如图2所示。遮挡部分74和限制孔径75可以加工在孔径板72上，例如通过薄膜图案形成技术来实现。可替换的，其他类型的涂层或单独的材料可构成遮挡部分74及限制孔径75，可以将其结合到孔径板72的表面。圆柱状光学隔板81也可以结合到孔径板72的表面，大致如图2中所示。
光学组件外壳65还包括定位凸缘68，该定位凸缘68加工在适宜的轴向位置上，用来将环形源透镜78和成像透镜76定位在适宜位置。在图2所示的特定实施例中，环状源透镜78被靠在定位凸缘68上并被粘住。环状座架部件69的外直径滑动配合在环状源透镜78的内直径，环状座架部件69的内直径及凸缘对准并支撑成像透镜76，大致如图2中所示。在一个示范性装配方法中，在将环状座架部件69粘结到环状源透镜78之前，环状座架部件69和成像透镜76粘在一起并沿着光轴63相对于读取头60和限制孔径75精确地定位在轴向位置上。在其他各实施例中，环状源透镜78和成像透镜76被加工为单一的折射元件、衍射元件(或者两个元件)，或者直接粘在一起，这样就可以省略环状座架部件69。当然各种具有类似于前述示范性实施例中的功能性特征的其他装配方法及零部件，对于本领域的普通技术人员而言都是显而易见的。因此，上文所述的示范性实施例都只是示例性的而不是限制性的。
在读取头装置20的第一具体实施例中，各种元件和尺寸大致如下。成像透镜76为最小通光孔径为1.0mm的双凸透镜。透镜的有效面到位于名义位置的标尺图样面的名义工作物距do约为5.3mm。成像透镜76的焦距f约为3.5mm，这也是成像透镜76的有效面到限制孔径75的距离。限制孔径的75的直径约为400微米。相位掩模板120加工在最靠近光纤130的透明基片265的表面上，该表面也即接收面160。接收面160到限制孔径75的距离dt名义为7.0mm。因此，根据等式1，标尺90在接收面160上的标尺图样图像的放大倍数近似为2.0，并可由实验更精确地确定。接收器光纤130每一个的外直径都近似为200微米，并且每一个都位于接收器孔径的定位半径RAL的距离处，即距离光轴63和源光纤170的中心大约200微米处。源光纤170的外直径大约为215微米。因此，接收器光纤130与源光纤170紧密地堆在一起。
可以根据已知的光学设计原理来设计展像透镜，使其对于发散展像光251径向最外侧的光线具有大约12度的发散半角，对于发散展像光251径向最内侧的光线具有约为6度的发散半角，这种情况与环状源透镜78约4.5mm的外直径和约2.2mm的内直径相应。因此，光学组件外壳65的内直径为4.5mm的量级。可以根据已知的光学设计原理设计环状源透镜78，使发散展像光251发生偏转，从而使得源光252的会聚环孔以约20度的名义半角会聚。
本具体实施例包括许多光学隔板，设置其尺寸及位置，使其大概与上文简述的光学隔板71、81和91的功能相似。然而，应该理解的是，图2并没按照上文为本具体示范性实施例描述的尺寸作为其比例尺进行绘图。对于该具体示范性实施例，难以阻挡所有进入环状源透镜78的光线到达光检测器通道。因此，光学输出信号可能会因为这些杂散光而减弱。不过，读取头装置20的本具体实施例仍会根据本发明的原理产生可用的光学输出信号及其他有益的特征。根据上文的描述，在各示范性实施例中，读取头装置20的总直径可以很容易达到小至约7mm、5mm甚或更小。
在读取头装置20的第二具体实施例中，各种元件和尺寸大致如下。成像透镜76为最小通光孔径约为0.9mm的折射透镜或衍射光学元件透镜。从透镜的有效面到位于名义位置的标尺图样面的名义工作物距do约为1.9mm。成像透镜76的焦距f约为1.5mm，这也是成像透镜76的有效面到限制孔径75的距离。限制孔径75的直径约为150微米。相位掩模板120加工在最靠近光纤130的透明基片265的表面上，该表面也是接收面160。接收面160到限制孔径75的距离dt名义上为5.8mm。因此，根据等式1，标尺90在接收面160上的标尺图样图像的放大倍数约为3.8，并可通过实验更为精确地确定。在各示范性实施例中，每一接收器光纤130都具有从250到500微米中选择的相同的外径，并且都位于接收器孔径的定位半径RAL的距离处，即距离光轴63和源光纤170的中心大约250到500微米范围内。源光纤170的外径大约在100到500微米范围内。
可以根据已知的光学设计原理来设计展像透镜，使其对于发散展像光251径向最外侧的光线具有大约9.7度的发散半角，对于发散展像光251径向最内侧的光线具有约为4.7度的发散半角，这种情况与环状源透镜78约2.5mm的外直径和约1.2mm的内直径相应。因此，光学组件外壳65的内直径为2.5mm的量级。可以根据已知的光学设计原理设计环状源透镜78，使发散展像光251发生偏转，从而使得源光252的会聚环孔以约43度的名义半角会聚。
本具体实施例还包括许多光学隔板，设置其尺寸及位置，使其大概与上文简述的光学隔板71、81和91的功能相似。对本具体示范性实施例来说，若选择较小些尺寸的接收器光纤，相对于光轴63的接收器孔径的定位半径RAL选择相对大一些的数值，那么，就可以设置各种光学隔板，使其阻挡大部分或所有进入环状源透镜78的光线到达光检测器通道。因此，读取头装置20的本具体实施例会根据本发明的原理产生高质量的光学输出信号及其他有益的特征。根据上文的描述，在各示范性实施例中，读取头装置20的总直径可以很容易达到小至约5mm、3mm甚或更小。
图3是图1中读取头60的局部分解图，进一步描述了相位掩模板120是怎样空间过滤上述标尺栅图样的移动图像的，还进一步解释了读取头60的一个示范性组合装置。如图3所示，读取头60包括三个纤维光学接收器通道190A、190B和190C，如所包括的美国专利申请第10/298312中大致描述和如下所述的。纤维光学接收器通道190A包括接收器通道孔径110A、相位掩模板120A和接收器光纤130A。接收器通道孔径110A设置在相位掩模板120A的后面。类似地，纤维光学接收器通道190B包括接收器通道孔径110B、相位掩模板120B和接收器光纤130B。类似地，纤维光学接收器通道190C包括接收器通道孔径110C、相位掩模板120C和接收器光纤130C。
对每一个纤维光学接收器通道190来说，相位掩模板120包括光栅，该光栅完全覆盖接收器通道孔径110，作为输入照明的空间滤波器。接收器光纤130与接收器通道孔径110对齐，这样名义上，接收器通道孔径110接收的全部照明都沿着光纤130引导来产生光信号191。在各示范性实施例中，接收器通道孔径110仅仅是接收器光纤130的扁平端部。在另外各示范性实施例中，接收器通道孔径110是接收器光纤130的成型端部。在另外各示范性实施例中，接收器通道孔径110是紧凑的折射或衍射透镜，该折射或衍射透镜汇集透过相位掩模板120的输入照明，集中光线并将光导向被对准以有效接收光的接收器光纤130的端部。
应该理解的是，在根据本发明的各种示范性纤维光学读取头装置中，为了减少误差并提高从接收器到接收器的更一致性能，各种纤维光学接收器通道之间的信号幅度在名义上是对称的，应该将由接收器孔径和/或相位掩模板边界的边缘效应导致的相位误差减到最小。应该理解的是，当相位掩模板的间距相对于光纤接收器孔径的大小显得较粗糙时，在相位掩模板条之间每一个通道的开口孔径的有效面积主要取决于相位掩模板相对于孔径中心或外围的偏移量。因为不同纤维光学接收器通道的相位掩模板的偏离量不同，所以，这可能使得各种相位信号的幅度不对称，还有可能使得相关的相位测量出现误差。
因此，因为此处描述的原因，以及在所包括的美国专利申请第10/298,312中给出的更为详尽的原因，在本发明的各种示范性实施例中，每一个接收器通道孔径110都跨过与相关联的相位掩模板120的一整个周期或间距，使得传输至接收器通道孔径110的光学信号的相位，至少对接收器通道孔径110的光收集区域相对于相位掩模板120的光阻挡元件的位置不太敏感。在其它各示范性实施例中，每一个接收器通道孔径110至少跨过与相关联的相位掩模板120的三个完整周期，使得传输至接收器通道孔径110的光信号的相位对接收器通道孔径110的光收集区域的位置更不敏感。更具体地说，接收器通道孔径110跨相位掩模板的周期越多，传输至接收器通道孔径110的光信号的相位对它的位置越不敏感，因为与偏离量相关的边缘量子化效应(通过相位掩模板栅格条形成在光纤接收器孔径中)，将是全部孔径面积的较小一部分。应该理解的是，前面的纤维光学编码器仅是针对相对粗糙的精度和分辨率设计的，没有充分地考虑到该因素。在其他各示范性实施例中，每一个接收器通道110都至少跨与之相关联的相位掩模板120的六个完整周期，使得传输至接收器通道孔径110中的光信号的相位对接收器通道孔径110的光收集区域的位置更不敏感。任何情况下，在各示范性实施例中，接收器通道孔径110、相位掩模板120和每一个纤维光学接收器通道190的接收器光纤130的端部通过胶粘剂或者其他合适的方法彼此之间相互固定。
接收器通道孔径110的位置参考纤维光学接收器通道装置的通道装置中心157来方便地描述。在根据本发明的各高精度光纤读取头的实施例中，通道装置中心157的位置与照射场266的名义照射场中心257重合。该照射场266是与提供给纤维光学接收器通道装置的标尺图样图像相关联的任何一个照射场。每一个相应接收器通道孔径110A-110C的有效中心都位于距离通道装置中心157和光学轴63的相应定位半径处。接收器孔径的定位半径在此总体上表示为RAL。为本发明的目的，在接收器通道孔径110没有明显几何中心的各实施例中，其有效中心可以是孔径区域的质心。
在各示例性实施例中，各接收器通道孔径110A-110C是相同的，它们相应的定位半径也相同。一般来说，在本发明的纤维光学读取头中，使用相同的纤维光学接收器通道190能获得更简单的结构、更简单的信号处理和相对更高的测量精度。然而，更一般地说，在根据本发明的各种实施例中，接收器通道孔径110和/或它们相应的定位半径不必相同。
纤维光学接收器通道190大致以彼此相互固定的方式进行设置。特别是对读取头60来说，每一个纤维光学接收器通道190的相位掩模板120的光栅在名义上位于同一个面上，并且以具体的空间相位关系固定在在接收面160上。在各示范性实施例中，通过将相位掩模板120加工在单个遮挡基片265上而使相位掩模板120相互之间固定。
在根据本发明的各实施例中，特别简单有效的光源280的实施例是单个光纤的端部，该光纤端部传输由远处的激光二极管LED或其他适当的光源，例如照明光纤170，发出的相干光或者非相关光。在其它示例性实施例中，光源280两个或者多个这样的光源。在另外的示例性实施例中，光源280是由位于光纤读取头内的微型固体激光器元件或LED形成的。在这样的一些情况中，应该理解的是，读取头的结构变得更复杂，成本更高，并且牺牲了全光学的读取头的一些益处。然而，即使在这些情况下，根据本发明，还能够保留使用全光学接收器通道装置的读取头的至少一些益处，并且还能获得另外的一些益处。
应该理解的是，在纤维光学读取头60的这个实施例中，光源280也与照明区域中心257和通道装置中心157在名义上是对准的。在各示范性实施例中，使用包括接收器光纤孔306和源光纤孔307的对准孔组很容易完成所有元件的对准，该对准孔组总体上与相位掩模板120靠近并对准。位于套圈40前端的板上设置有对准孔组，也可以直接在套圈40上形成的孔来设置对准孔组。在任何一种情况下，各光纤端部插入并固定在合适的孔中，来实现所要求的对准。在各示范性实施例中，在安装支撑相位掩模板120的元件之前，接收器光纤130A、130B和130C与包括对准孔组304的元件端部非常齐平。
图3中所示的是对准孔组，包括金属套圈40上的接收器光纤孔306，和源光纤孔307，在不同实施例中如果有的话。对准孔组的位置与相位掩模板120相接近，而不是附图中所示的“分解后”的位置。在名义对准的接收面160中，对每一个相应的纤维光学接收器通道190来说，相应的相位掩模板120空间过滤与标尺90的标尺栅图样图像相对应的输入照明。在图3中所示的示范性实施例中，相应相位掩模板120A、120B和120C中的每一个都具有掩模板间距Pm。掩模板间距Pm与标尺90的标尺栅图样的周期图像的图像间距Pi相等，它们被安排就周期图像来说相应的0度、120度和240度的空间相位位置。因此，纤维光学接收器通道190A、190B和190C接收到的照明除了在空间相位上的不同外，是被类似地空间过滤了的。应该理解的是，当标尺90沿着测量轴82移动了一个标尺栅图样的增量Pg时，图像相对于相位掩模板120移动一个增量Pi。因此在各示范性实施例中，当标尺90沿着测量轴82移动时，对应于光接收器通道190A、190B和190C的光信号191A、191B和191C的变化基本上相同，但有120度的相对相移。
应该注意的是，图3所表示的图像为示意性的。在实践中，标尺栅图样图像具有暗区域，该暗区域的宽度与图样图像的亮区域大致相同，并且图像会有稍微的模糊，这或者是由于读取头装置20的光学系统相对标尺栅图样的间距来说的有限分辨率，或者是由于读取头装置20的一个或多个元件或者标尺的位置造成标尺栅图样图像轻微散焦，或者是如上文所述通过不同标尺或掩模板元件进行空间滤光。在任何一种情况下，散焦的或者模糊的标尺图样图像对本发明的目的来说是可以操作的，甚至在许多的示范性实施例中都是理想的。在这样的一些实施例中，沿着标尺栅图样图像的各个栅条的光强的分布将呈现为近似的正弦变化，而不是方形、三角形、梯形或其它非正弦的变化，这在根据本发明的各示范性实施例中，对提高测量精度来说是所希望的。因此，如上面所提到的，当标尺90沿着相应的测量轴82移动时，与每一个相位掩模板120A、120B和120C相对应的光接收器通道190A、190B和190C，表现出基本相同的正弦强度变化。
根据这种“三相”位移信号来确定标尺90相对于掩模板120A、120B和120C的位移，可以采用公知的方法。一个示范性方法已经公开在之前所包括的美国专利申请10/298,312中。具体地说，在本发明的一个示范性实施例中，读取头60的三个光信号191A、191B和191C可由美国专利申请10/298,312申请中所描述的方法来处理，从而确定两个导出的正交信号值Q1和Q2。在一般情况下，可以用模数为2的二元反正切函数对两个导出的正交信号值Q1和Q2进行处理，确定在标尺光栅图样的一个波长或周期Pg中的当前相位。该二元反正切函数为φ＝atan2(Q1，Q2) (等式4)等式4中所示二元函数“atan2”在很多可公开得到的数学程序中找到并进行描述。函数的结果是以弧度为单位的Q1/Q2的反正切函数值。然而，使用二元函数能够确定得到的角度的象限，结果是在-pi和+pi之间，而不是在-pi/2和+pi/2之间。通过将相应的波长或间距Pg乘以当前的相应相位φ，能够利用标尺90和读取头装置20，在沿着标尺90的测量轴82的方向上，在一个相应波长或周期中，进行位置测量。在移动期间，可以通过已知的方法对所累积波长的数量进行计数，而能够在长范围内测量位移和/或位置。在一个示范性实施例中，标尺90的波长或间距Pg近似等于20微米。在其它一些示范性实施例中，标尺90的波长在约4至约40微米的范围中选择。应该理解的是，在根据本发明的各示范性实施例中，要注意确保间距Pg与纤维光学读取头装置的成像系统的分辨率是兼容的。特别的，一个重要的考虑是，光学系统的分辨率必须至少部分地能分辨出标尺图样的特性。在高精度插值是特别的目的一些实施例中，另外一个重要的考虑是，光学系统的分辨率应该使标尺图样模糊到一定程度，如上文所述，使得对标尺图像空间滤光而生成的信号作为标尺位移的函数至少近似地为正弦函数。然而，在获得高插值精度不是特定目的的实施例中，后一个考虑就不太重要了。
在任何情况中，图3中所示的示范性纤维光学读取头60能应用在各种根据本发明的纤维光学读取头装置中，来构成增量位移测量系统。用在示范性纤维光学读取头装置20中的示范性纤维光学读取头60构成了一个三相位测量系统。然而，应该理解的是，在一般性的纤维光学读取头装置20中也可以使用相位掩模板120的其他实施例，并结合光学接收器通道190相应的其他结构，如在所包括的美国专利申请10/298,312中所描述的，来构成一个具有不同相位数的测量系统。
图4中所示为包括一个一般性远程电子接口单元405的方框图，该电子接口单元能够与根据本发明的纤维光学读取头装置结合使用。根据本发明的纤维光学读取头装置总体上表示为纤维光学读取头装置400。远程电子接口单元405包括信号处理和控制单元493、可以包括光学透镜的光源477、以及具体实施例形式的多个光电探测器/放大器492A至492n。光源/透镜477可以包括其它光学元件例如光学隔离器等。光源/透镜477和光电探测器/放大器492A至492n分别通过光源光纤470A-470M和接收器光纤430A至430n与纤维光学读取头装置400的读取头耦合连接。
在一个实施例中，可以使用单个源光纤470A。然而，虽然将光源/透镜477表示单一的单元，但是，在替换实施例中，可以使用多个单独的光源。例如，光源/透镜477可以由一个或多个单个的光源组件构成，或者由光源阵列构成，每光源光纤一个光源，或者由单个光源构成，直接分配到多个光纤中，或者在一开始被输入到一个注入到“分裂”光纤的单个光纤中之后再分配到多个光纤中。在各实施例中，确定向读取头供光的光源光纤470的类型时，要考虑到与结合远程电子接口单元405使用的纤维光学读取头装置400相关的具体实施例。这样的考虑在本说明书的其它地方讨论。
光纤430和470可以布线在读取头电缆中(图中没有示出)，该电缆汇集并保护位于纤维光学读取头装置400和远程电子接口单元405之间的光纤。可以使用单个读取头电缆或多个读取头电缆。在根据本发明的各示范性实施例中，读取头电缆可以是几米长或者更长。接收器光纤430A至430n分别传递光信号491A至491n。光信号491A至491n为相位信号，上文已经有所描述，下文将进一步描述。
光源/透镜477可以从信号处理及控制单元493接收能量以及接收增益控制信号。如上面所描述的，光源/透镜477通过源光纤470A至470n将光传递到纤维光学读取头装置400，并照射在标尺90的标尺栅图样上。纤维光学读取头装置400的光纤检测器通道，例如上文所描述的纤维光学接收器通道190A至190C等，接收来自标尺90的标尺栅图样的光，并提供分别被输入至光电探测器/放大器492A至492n的信号491A至491n。光电探测器/放大器492A至492n向信号处理与控制单元493提供放大了的电输出信号491Ax至491nx。在各示范性实施例中，信号处理与控制单元493然后根据例如上面的等式及教导确定出位置。
应该理解的是，在下面将进一步描述的各示范性实施例中，根据本发明的纤维光学读取头提供多个纤维光学接收器通道来传输加在一起的光信号。对这样的实施例来说，传输加在一起的光信号的光纤能够接口于同一个光电探测器/放大器492，以得到期望的信号总和；或者接口与不同的光电探测器/放大器492，在附加的信号处理过程中能够信号进行电子求和。对于这样的实施例，为了提供附加信号进行信号处理，传输附加光学信号的附加光纤可通过相似的附加连接接口于光源/透镜477及相似的光电探测器/放大器492。因此，图4中所示的结构仅仅是解释性的而非限制性的。
图5A和图5B所示为根据本发明的纤维光学读取头60A的第二实施例。该纤维光学读取头60A适用于根据本发明的各种纤维光学读取头装置中。纤维光学读取头60A的操作与上面所描述的一般性纤维光学读取头60基本上相似，并包括有相似的部件。由于这些相类似的结构和操作，下面介绍纤维光学读取头60A仅仅在几个需要另外解释的方面。
如图5A和图5B中所示，纤维光学读取头60A包括第一组的三个纤维光学接收器通道590A-590C，该第一组的操作与前面所描述的纤维光学接收器通道190类似。应该理解，根据本发明的纤维光学读取头60A构成了“对称对”纤维光学读取头的第一实例。为了提供根据本发明的对称对纤维光学读取头，纤维光学读取头60A还进一步包括第二组的三个相应的对称对的纤维光学接收器通道590Ax-590Cx，它们以“对称对”的形式相应地设置在从相应纤维光学接收器通道590A-590C的照明区域中心257的相反一侧。在光纤接收器孔径510上所示的1-1对、2-2对和3-3对标示对称对。
如图5A中所示，读取头外壳500包括一个圆柱形套圈540。套圈的内径包括孔541，孔541以稍微过盈的配合装配在紧密堆在一起的读取头60A的一组接收器光纤530及中心源光纤570。在一个示范性的装配方法中，具有预制成扁平端部的光纤对齐，并从后端插入到套圈540中，然后继续插入直到它们微微伸出安装面542。接着，装在相位掩模板元件561上的相位掩模板组520在显微镜下与光纤的端部对准，并被按压在光纤的端部，与安装面542共面并紧紧地粘结在安装面上。接着光纤粘结到套圈540并彼此相互粘结。可替换的，安装面542做成与套圈540的端部和具有预制扁平端的光纤平齐，然后从后面插入到套圈中，直到光纤稍稍凸出安装面。接着把胶粘剂涂敷在光纤端部周围来提供支撑并将光纤固定到套圈540中。光纤和粘合剂经细磨和/或抛光后回到与安装面542齐平或者近似齐平。接着，在显微镜下使装在相位掩模板元件561上的相位掩模板组520与光纤端部对准，按压在光纤端部，并紧密粘结到安装面542。
在一个示范性实施例中，相位掩模板组520加工在相位掩模板元件561的“内部”，最靠近光纤的端部。光源580是由源光纤570的中心区域来形成的并在源光纤570的端部进行发射。在一个示范性实施例中，源光纤570是一个纤芯区域用作点光源来提供光的单模式光纤，该光纤是3M公司制造，光纤部件编号为FS-SN-3224，该光纤的外径DSF为250微米。接收器光纤530同样是商用的多模式光纤，该石英纤维的纤芯径DRA为200微米，敷层直径DRC为220微米，缓冲层直径DRF为250微米。这样，纤维光学读取头60A中所有的源光纤和接收器光纤具有相同的外直径250微米，因此可以根据本发明以有益的紧密包装结构进行构造，能够同时提供高精度及经济的对准与装配。在该示范性实施例中，有益的紧密包装组件结构为六边形的紧密包装结构，每一个光纤的中心与相邻光纤的中心的距离为DRA＝DSF＝孔径位置半径RAL。
每一个接收器光纤530和源光纤570都具有包覆层和纤芯。包覆层的外径由其外圆表示，纤芯的外径由内圆表示。可以看出，在图5B所示的实施例中，源光纤570的纤芯相对于其包覆层的外径要小一些。相反，接收器光纤530A-530C和530Ax-530Ax，相对于它们包覆层的外径而言，具有较大的纤芯，该纤芯在该示范性实施例中用作接收器孔径510A-510C和510Ax-510Cx。
应该理解的是，与图1-3中所示的纤维光学读取头60中所使用的三光纤接收器装置相比较，本实施例中对称的六光纤接收器装置60A所接收到的光为两倍，因此与纤维光学读取头60相比较，其光信号的强度为其两倍。而且，接收器孔径510的对称布局可以提供对称的光学信号，这些信号可以被物理地组合，和/或对其进行各种信号处理操作，以减少由于读取头未能对准而导致的误差，从而进一步增大检测精度，如美国专利申请第10/298,312所述。
应该理解的是，当纤维光学读取头60A被包括到高分辨率全纤维光学读取头装置中时，举个例子来说，例如纤维光学读取头装置20，那么，纤维光学读取头装置20可具有大致1.0mm或者更小的直径。进一步应该理解的是，纤维光学读取头60A提供了低成本高精度“自组装”。也应该理解的是，源光纤570为了这些装配目的而有意地单独做得“尺寸过大”。
88如图5A中所示，相位掩模板元件561包括相位掩模板组520，相位掩模板组520包括相位掩模板520A-520C和520Ax-520Cx。相位掩模板520A-520C和520Ax-520Cx中的每一个都包括光栅条部件521，该光栅条521是不透明的或其他加工成阻挡所接收到的光的器件。光栅条521排列在基片565的表面562上，该基片565能够将光透射至读取头。铬、铜和它们的氧化物是用来制作光栅条521的常用材料。玻璃和石英通常用来作为基片565的材料。每一个相位掩模板520A-520C和520Ax-520Cx的有效遮挡区域是包含光栅条521的区域。该有效的遮挡区域应当有足够的尺寸以完全盖住与之相对的接收器孔径510A-510C和510Ax-510Cx的整个孔径区域，并具有额外的公差以适应装配定位的变化。在掩模板元件561的中心所示的是对准环563，对准环563对于来自光纤570的源光具有通光孔径564，这一点上文已经作了说明。通光孔径的尺寸，例如，大于单模式纤芯直径的几倍。在一个实施例中，该通光孔径是DSA＝4微米的量级。在一示范性实施例中，相位掩模板元件561是由碳酸盐玻璃制成，其厚度为0.25mm，其直径与相应的金属套筒540的内径相匹配。
如同上文所描述的，掩模板光栅条521根据与操作图像面上的光栅图像的周期相匹配的周期沿X轴方向周期性地设置。此处所给出的示范性相位掩模板元件561在每一个相位掩模板组520中具有六个相位掩模板，同对称结构的六个纤维光学接收器通道一起使用，这里，沿直径相对着的纤维光学接收器孔径接收读取头相对于标尺沿X轴方向运动调制的光信号的相同相位。相位掩模板具有0度的空间相位(520A和520Ax)、120度的空间相位(520B和520Bx)及240度的空间相位(520C和520Cx)。各个相位掩模板520之间的边界对相位掩模板构成的栅图样来说容易在显微镜下观察。这样可以相对于接收器光纤对准相位掩模板元件561。本发明人发现，使用显微镜和XYZ微米级工作台相对于接收器光纤定位相位掩模板元件，很容易使得对准公差小于20微米甚至小于10微米。
图6A和6B为根据本发明纤维光学读取头装置20A的第二个一般性实施例的端视图和侧视图。该纤维光学读取头20A和上文所描述的一般性纤维光学读取头装置20、光纤读取头60A具有多个共同的元件。由于在结构和操作上的类似，下文中对纤维光学读取头装置20A中与前面所描述的类似元件功能相类似的某些方面就不再给出的详细说明。
在图6A和6B所示的示范性实施例中，纤维光学读取头组件20A包括第一套圈740，该第一套圈套在接收器光纤730的外面并几乎同心地设置在圆筒状组件外壳765中。承载相位掩模板720的透明基片765结合到套圈740的一端。源光纤770大致环绕着套圈740的外面并位于组件外壳765中的通孔里。源透镜778设置在各源光纤770端部的前方，位于组件外壳765中或者组件外壳765上。在各示范性实施例中，源光纤可以使用微型电子光源元件代替，例如LED光源等，设置成与组件外壳765的端部相邻。在任何情况下，应该理解的是，纤维光学读取头装置的结构不再需要前面所描述的纤维光学读取头装置20中展像镜和多个光学隔板所提供的功能，因此，纤维光学读取头装置20A不必包括这样的一些元件。
纤维光学读取头组件20A还包括第二套圈741，该第二套圈741用来套住孔径板772和成像透镜776，近似同心地设置在组件外壳765中，并靠在透明基片765上。套圈741包括与前面的纤维光学读取头装置20相类似的远心光学结构。如图6A所示，成像透镜776设置在套圈741中距相位掩模板720和接收面760为图像距离di的位置上。通过将孔径板772的限制孔径775沿着光轴763设定中距离成像透镜776的有效位置为成像透镜775的名义焦距为f的位置上，可以构成该远心结构。在操作中，纤维光学读取头组件20A和标尺光栅90设置成使得在成像透镜776的有效位置和标尺90两者之间沿着光轴763存在物距do。这些距离与参照图2上文描述的那些距离具有类似的名称，等式1和2所讨论的放大率也同样适用于纤维光学读取头组件20A。
如图6A和6B中所示，纤维光学读取头装置20A与读取头装置20相比，一个主要的不同在于标尺的照明不同，纤维光学读取头装置20A的照明是由设置在装置周围附近上的多个源光纤770来提供的。最好如图6B中所示，六个源光纤770A-770C和770Ax-770Cx用来为纤维光学读取头装置提供照明光。中心光纤731，在前面的实施例中是源光纤，而此处作为哑光纤使用，其主要目的是为读取头760的六个外部接收器光纤770提供合适的组装空间。在各示范性实施例中，源光纤770为单模光纤并且要比接收器光纤730细一些，这使得纤维光学读取头装置20A的光纤束相对变得更紧凑、更柔韧些。在各个示范性实施例中，对于选定类型的源光纤770，源光纤770的NA选择为与该类型光纤实际可用的NA一样大，以提高标尺上的光线分布。
类似于实施例纤维光学读取头60A的实施例，纤维光学读取头装置20A的读取头760包括对称对结构的三对纤维光学接收器通道790。纤维光学读取头装置20A包括第一组的三个接收器光纤730A-730C及第二组的三个接收器光纤730Ax至730Cx，这些光纤分别以“对称对”的方式安置在期望的照明场中心的两侧。这样在图6A和6B中所示的示范性实施例中，包括接收器光纤730、相位掩模板720和接收器孔径710(由接收器光纤730的接收端部的纤芯区域来提供)的三对接收纤维光学接收器通道790，可以象前面参照图5A和5B所描述的纤维光学读取头60A那样来进行加工、组装和操作。应该理解的是，如图6A中所描述，接收器光纤730的端部被表示成稍稍离开透明基片765的表面，以便更好地说明将光传输至光纤。然而，在各示范性实施例中，接收器光纤730的端部靠在或几乎靠在透明基片765上。
如图6A中所示，源光纤770发出源光纤光750，该源光纤光750由纤维光学读取头装置20A的远处的光源来提供。紧邻源光纤770的输出端，该源光纤光750总体上是发散的，发散半角由源光纤770的有效数值孔径来确定。在各示范性实施例中，发散半角在大约2-10度的数量级。每一个相应的源光纤光750透过光源透镜778。可以根据已知的光学设计惯例来设计和定位光源透镜778，以偏转每一个相应的源光纤光750，使得光源透镜778发出会聚的辐条式源光752，这些源光相互汇聚以产生相应的照明区域，在标尺90的表面，这些照明区域重叠并总体上照明近似环形或者圆形的区域。在任何情况下，光源透镜778总体上将光集中在标尺90上一个或者几个区域上，所述区域将经过成像透镜776成像回纤维光学接收器通道790的相位掩模板720的一个或几个区域，这样就对于给定的功率在接收板760上提供了最实际的照明强度。标尺90上将经过成像透镜776成像回光纤检测器通道790的区域，包括在成像区域764中，该成像区域764总体上环绕并包含纤维光学读取头装置20A的光轴763。会聚的辐条式源光752的名义界限在图2中所示的示范性实施例中以粗虚线表示。聚的辐条式源光752照明标尺90的标尺栅图样而产生标尺光753。
在一个可选的实施例中，诸如纹理表面或散射材料层等散射层可以包括在环形光源透镜778上。这样的散射层致使光束透过环形光源透镜的各部分上形成局部散射，从而在标尺90的表面上提供更为均一的照明。
如上文所述，纤维光学读取头20A包括的远心光学装置，是通过将限制孔径沿着光轴763定位在距离成像透镜776的有效位置为成像透镜776的名义焦距f的位置上来构成的。在位于成像透镜776的后焦点上的该位置处，限制孔径用作空间滤波器，当光线进入成像透镜776时遮挡所有基本上不平行于光轴763的光线。成像区域764中既与光轴763平行又位于成像透镜776的有效入瞳内的径向最外端的光线，在图6A中所示的示范性实施例中用细虚线表示。因此，反射后的标尺光753中所表示出来的平行于光轴763传播的那一部分，透过成像透镜776，以会聚的标尺光754的形式聚焦而形成图像。会聚的标尺光754穿过孔径板772上的限制孔经775，然后以发散的标尺光755的形式出射。限制孔经775设置在距成像透镜776的有效面为成像透镜776的名义焦距f的位置上，使接收板760上的标尺90的图像的放大率基本上与物距do无关，如上面的概述。发散的标尺光775经可操作的聚焦或者近似地聚焦，在读取头装置20A的接收板760上形成标尺90的标尺栅图样图像。各种对图像焦距的考虑在上文中都已经讨论过了。
读取头装置20A的各相位掩模板720与上文所描述的纤维光学读取头60A中的各相位掩模板相似，用来接收和空间滤光发散的标尺光775在接收板760上的所产生的图像，以产生相应的光学信号光。相应的光学输出信号沿着接收器光纤730A-730C和730Ax-730Cx输出。
在各示范性实施例中，光源透镜778可以由诸如图1中所示的环形光源透镜78的单个环形元件构成。在其他一些示范性实施例中，相应的紧凑光源透镜778可以放置在每一个源光纤770的前面。在另外一些实施例中，可将源光纤组770构造成在不使用光源透镜778的情况下来为成像区域764提供足够的照明，在这样的实施例中光源透镜778可省略。
图7中所示为根据本发明的第三个实施例的纤维光学读取头装置20B。纤维光学读取头装置20B具有多个与前面所描述的纤维光学读取头装置20A共同的元件，相同的元件具有相同的附图标记。由于其结构和操作相似，下文中仅仅对纤维光学读取头装置20B中需要另外解释的某些部分进行详细的描述。
在图7中所示的示范性实施例中，纤维光学读取头装置20B包括第一套圈740、接收器光纤730和用来承载相位掩模板的透明基片765，所有的结构和操作与前面所描述的纤维光学读取头组件20A相同。因此在图7中所示的示范性实施例中，包括接收器光纤730、相位掩模板720和接收器孔径710(由接收器光纤730的接收端的纤芯区域来提供)的三对纤维光学接收器通道790，可以象前面所描述的纤维光学读取头装置20A一样进行加工、组装和操作。第一套圈740和其所容纳和/或所附着的元件被近似同心地设置在套圈状组件外壳865中。该组件外壳865还沿着光轴863相对于纤维光学接收器通道790的接收面860以预定间距来保持成像透镜876，这将在下文详细描述。
如图7中所示，纤维光学读取头装置20B与读取头装置20和20A相比较，一个主要的不同点是标尺的照明，该纤维光学读取头装置20B的标尺照明是由前面所描述的接收器光纤730作为第二个功能来提供的。没有要求单独的源光纤。
在图7中所示的示范性实施例中，在一个远程的电子接口单元中，例如说一个与前面所描述的远程电子接口单元405相似的单元，每一个接收器光纤730都接口于相应的分束器870。另外，如图7中示意性所示，每一个相应的分束器870都接口于远程光源，远程光源经分束器870形成源光SL，而进入到相应的接收器光纤730中。此外，每一个相应的分束器870都接口于相应的远程光电探测器/放大器，远程光电探测器/放大器接收经分束器所偏转后作为接收光RL并由各接收器光纤730传输的光信号891，如图7中示意性所示。应该理解的是，分束器870可以如下操作使得从远程光源来的光大约有50％能通过分束器870而进入到各接收器光纤730中，光信号891的光大约有50％能够通过分束器870而进入到相应光电探测器/放大器。
在其他一些实施例中，在远程电子接口单元中，各接收器光纤730、远程光源和各光电探测器/放大器接口于相应光学循环器或者多端口光学循环器(电子通讯业领域的常用技术)的相应端口，而不是与图7中所示的传统的分束器870。授予Chang的美国专利No.6014244中公开了一种适合用于这些实施例的示范性多端口光学循环器，该文献在这里全部引做参考。
纤维光学读取头装置20B与读取头装置20和20A相比较，另一个不同点是，纤维光学读取头装置20B不包括远心光学装置或相关的孔径元件。如图7所示，接收器光纤730发出源光SL作为光纤源光850。紧邻接收器光纤730的端部，光纤源光850总体上是发散的，发散半角由接收器光纤730的有效数值孔径来确定，而足够在标尺光栅90上形成一个令人满意的照明区域。光纤源光850通过成像透镜876并从纤维光学读取头装置20B中射出作为源光852，总体上照在标尺表面上近似圆形的区域。标尺90上将通过成像透镜876成像回光纤检测器通道790的区域，包括在成像区域864中，该成像区域864总体上环绕并包括纤维光学读取头装置20B的光轴863。标尺90的标尺栅图样的照明区域产生反射的标尺光853。反射的标尺光853穿过成像透镜876生成标尺像光855，标尺像光855在读取头装置20B的接收面860上形成可操作聚焦或者可以近似聚焦的标尺90的标尺栅图样图像。关于成像焦距的各种应用考虑在上文中已经给出了描述。
读取头装置20B的相应相位掩模板720与上面纤维光学读取头装置20A的各相位掩模板720相类似，接收并空间过滤标尺图像光855在接收面860上产生的图像，提供相应的光学信号光891。对应的各光学输出信号沿着各接收器光纤730输出。
在图7中所示的示范性实施例中，所示的成像透镜是一个具有名义焦距f的双凸透镜。成像透镜876的有效位置沿光轴863设置在距相位掩模板720和接收板860距离为di的位置上。在操作中，纤维光学读取头装置20B和标尺光栅90安置成在成像透镜876和标尺90两者之间沿着光轴76存在物距do。在图7所示的示范性实施例中，di＝do＝2f。这些距离与上文中参照附图2所描述的尺寸具有相同的名称，等式2的放大率的描述可以用于纤维光学读取头组件20B的非远心装置。因此，对图7中所示的实施例来说放大率为1。
应该理解的是，纤维光学读取头装置20B不需要在上文所描述的其他纤维光学读取头装置中使用的多个元件。更具体的，纤维光学读取头装置20B使一组接收器光纤730还用作源光纤，因此不再使用单个的源光纤。另外在纤维光学读取头装置20B中也没有使用前面所描述的双凸透镜、光学隔板、孔径板和光源透镜。纤维光学读取头装置20B没有前面所描述的纤维光学读取头装置复杂，因此能够得到更为紧凑的结构。然而，折衷之一是，纤维光学读取头装置20B不是一个远心装置。因此，随着安装和定位误差引起纤维光学读取头装置20B和标尺光栅90两者之间的操作间距偏离名义设计值，标尺光栅图像的放大率将发生变化。这又在一定程度上影响了纤维光学读取头装置20B的精度。然而，纤维光学读取头装置20B还依旧能够提供根据本发明原理的纤维光学读取头装置的一些前述的有益效果，特别是在限制安装或定位的误差的应用场合中。特别地，纤维光学读取头装置20B可以具有特别小的外经。由于使用非常细的光纤，在各个示范性实施例中实际使用的最小的透镜直径是决定纤维光学读取头装置20B具有最小尺寸的首要因素。因此，在各实施例中纤维光学读取头装置20B的外径容易作成小于3毫米，2毫米或甚至1毫米。
图8中所示为在相对于标尺光栅1090的示意方向上可与根据本发明的各种纤维光学读取头结合使用的光偏转器1100。如图8所示，一般性纤维光学读取头装置1020包括读取头1060、光学组件外壳1065、光学隔板1070、孔径板1072、成像透镜1076和环形光源透镜1078，类似于前面根据附图1-3所描述的元件。纤维光学读取头装置1020大致地沿着光路1101将源光传输至光偏转器1100中，在光偏转器1100光沿着光路1102发生偏转并经工作间距1103射向标尺光栅1090。类似地，来自标尺光栅1090的反射、发射和衍射的标尺光，大致沿着光路1102返回到光偏转器1100，并被往回向着大致居中地位于名义光路1101上的读取头1060反射。标尺光栅1090相对于纤维光学读取头装置1020和偏转器1100沿着测量轴的方向82移动。返回的标尺光在照明场的实像面上呈现标尺光栅1090的图像。该照明场相对于示范性纤维光学读取头装置1020的纤维光学接收器通道结构大致居于中心，如前面根据本发明的其他各实施例所描述的。应该理解的是，示范性纤维光学读取头装置1020的相位掩模板的栅条，它们的方向是垂直于测量轴82。还应该理解的是，偏转器1100越精确地以90度的名义偏转将光路1101偏转变换为光路1102，光路1102就越精确地垂直于标尺光栅1090的表面，所得到的位置测量系统也越精确和稳定。
在各示范性实施例中，偏转器1100是直角反射棱镜或是其他合适的光学元件，以相对于根据本发明的纤维光学读取头位置固定的关系，能够可靠地安装在一个单独的元件上。为了维持一个短的成像所需路径长度并保持相对标尺光栅1090的实际工作间距，优选地，偏转器1100要安装成尽可能靠近光学组件外壳1065的端部。应该理解的是，在各示范性实施例中，相对于没有偏转器的读取头结构，偏转器1100可使总的成像距离增加。因此在这种情况下，应该注意调整读取头的各种设计参数，以维持根据本发明原理的设计关系。在各示范性实施例中，偏转器1100被适当对准并被直接附在光学组件外壳1065上。
在图8所示的纤维光学读取头装置1020中，调整其长轴方向使其与标尺光栅1090的测量轴方向82垂直。光学组件外壳1065或者标尺光栅1090的位置可以被固定，而另一个是可动的。应该理解的是，由于根据本发明的纤维光学读取头装置1020具有非常小的外形尺寸，所以在众多的应用中，按照这种方式来使用偏转器1100是很实用的。还应该理解的是，在众多的应用中，通过相对于标尺光栅1090和测量轴方向82灵活地调整光学组件外壳1065的方向，诸如示例性偏转器1100等的偏转器可以进一步提高根据本发明的纤维光学读取头装置1020的实际效用将读取头的最大及最窄尺寸位于所需要的方向上。还应该理解的是，使用示范性偏转器1100等偏转器将有利于调整光纤的布线方向和/或调整纤维光学读取头装置1020的线缆的方向，使其位于理想的方向上。
应该理解的是，本说明书中所示出的、所描述或者教导的任何实施例，都能够用于提供所包括的美国专利申请地10/298,312申请中所教导的任何圆形或圆柱形的旋转位置读取头装置。圆形旋转的实施例可以通过考虑图8中所示的标尺的片段来理解，其中标尺片段带有标尺光栅轨迹，这些标尺光栅轨迹是相对于绕平行于Y轴的轴旋转的大致为平面的旋转光栅标尺的片段。在这种情况下，测量轴82为X-Z面中的大致平面的圆形路径。圆柱形旋转的实施例可以通过考虑图8中所示的标尺片段来理解，该标尺的片段带有标尺光栅轨迹，这些标尺光栅轨迹相对于绕平行于Z轴的轴旋转的圆柱形光栅标尺的片段。在这样的实施例中，测量轴82为大致圆柱形的环形路径，在X-Y面中圆形的。
关于标尺的照明，尽管上文公开并描述的各个实施例包括自包含的标尺照明光源，但是应该理解的是，根据本发明可使用的标尺的标尺图样，在根据本发明的各个实施例中可以提供足够的外部照明，纤维光学读取头装置可以被动地从自标尺接收足够光，以产生可操作的图像而不必输出光。于是，在这样的实施例中，可以省略多个与提供源光相关联的元件，如果没有其他的目的，例如说提供组件分隔功能等，这对本领域的普通技术人员是很明显的。因此，这样的各种实施例就可以具有与前面所描述的实施例相比更小的外径。
关于在提供照明的那些实施例中各种光源元件的变化，尽管源光纤在上文的描述的各实施例中为单模光纤，但是合适的多模源光纤也可以应用于上文所描述的各实施例中。更一般的，任何合适的光纤类型在各个实施例中都适合用作源光纤，只要选择与具体源光纤相关联的具体纤芯直径和发散角，与纤维光学读取头装置相关联的具体光学结构相结合或者相兼容，以提供所要求的照明特性。
类似地，在根据本发明的实施例中，诸如LED等非相关光源可以替代诸如激光二极管等相干光源，反之亦然。更一般的，只要诸如LED等光源可以有效耦合到源(光纤)，以提供所需的照明强度，只要诸如激光二极管等光源不会产生使得标尺图样图像不能使用的斑点现象，那么，这些和其他的光源都可以用在根据本发明的各个示范性实施例中。如果需要各种光源可以在根据本发明的纤维光学读取头装置中进行试验来验证其适用性。
关于上文所描述的读取头套圈和光学组件外壳，尽管上文已经公开描述的各个示范性实施例中都作为单独的元件而包括在其中，但是，这样的实施例的优点主要是便于某些装配技术。应该理解的是，在其他各实施例中，如果上文所描述的读取头套圈和光学组件外壳的功能是由不同的多个元件给出，或者是由上文所描述的读取头套圈和光学组件外壳的功能被合并和/或难以分辨的单个元件或组件给出，那么也可以相应地使用其他的组装技术。
虽然结合上文示范性实施例已经对本发明作了描述，但是显然对于本领域的普通技术人员而言，上面所描述的实施例和设计要素也可以表示另外的可选择的实施例、修改和变化。因此，前面所列出的发明的实施例仅是说明性的而非限制性的。只要不脱离本发明的精神和范围面，可以实施多种改变。
权利要求
1.一种测量设备，用来测量两个元件之间的相对位移，该设备包括标尺，该标尺沿测量轴方向形成有标尺光栅图样；及纤维光学读取头装置，该装置可定位成生成标尺光栅图样的可操作的图像，该纤维光学读取头装置包括壳体元件；透镜；及多个纤维光学接收器通道，每一纤维光学接收器通道都包括各自的接收器通道空间相位掩模板部分，该部分具有相应的空间相位，并具有以一定间距设置的光线阻挡元件，可对标尺光栅图样的图像进行空间滤波，各接收器通道空间相位掩模板部分总体上位于用来对标尺光栅图样的可操作图像进行空间滤波的名义接收面上；及至少一个相应的接收器通道光纤，其具有输入端，可接收相应的接收器通道内的光信号；其中由所述至少一个接收器通道光纤接收的相应接收器通道光信号光，包括通过相应接收器通道的空间相位掩模板部分在相应的光线收集区域收集的光学信号光，该光线收集区域沿着测量轴的方向的尺寸，至少是接收器通道相应空间相位掩模板部分的一个完整周期；当读取头相对标尺光栅图样被可操作地定位时，多个纤维光学接收器通道组中至少第一和第二相应通道，对名义接收面上的标尺光栅图样的可操作图像的相应部分进行滤波，以生成各自具有至少第一和第二信号相位的至少第一和第二相应接收器通道光信号；及该设备沿相应光纤输出所述至少第一和第二相应接收器通道光信号，从而以多个相应光学输出信号的形式生成相对位移测量信息，所述相应光学输出信号的生成不需要电子光电探测器元件。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述纤维光学读取头装置包括透明掩模板基片，各相应接收器通道的空间相位掩模板部分加工在透明掩模板基片的表面上，阻挡光线的元件，以在相应接收器通道空间相位掩模板部分的相应空间相位之间建立起需要的关系的方式，沿测量轴方向相对于另一接收器通道的空间相位掩模板部分的阻挡光线元件定位。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，各相应接收器通道光纤的输入端名义上靠在透明掩模板基片的表面上相应的接收器通道空间相位掩模板部分上。
4.根据权利要求1所述的设备，其中纤维光学读取头装置具有光轴；每一纤维光学接收器通道都具有名义的载光区域，该带光区域对应于至少一个接收器通道光纤的总载光芯区域，各名义载光区域邻近至少一个具有相应名义质心的相应接收器通道光纤的输入端；及多个纤维光学接收器通道中的至少三个纤维光学接收器通道都有各自的名义质心，其中各名义质心与光轴分开相应的名义位置半径，至少三根纤维光学接收器通道的各名义位置半径基本相同。
5.根据权利要求4所述的设备，其中中央光纤与光轴近似同心，至少接近中心光纤的一个端部；中央光纤包括下述的一种a)从位于源光纤端部的载光芯发出相应辐射的源光纤，和b)哑光纤；和至少三个相应纤维光学接收器通道基本上靠在中央光纤，至少邻近相应接近接收器通道光纤的输入端，并邻近中央光纤的端部。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，多个光学纤维接收器通道包括至少2N个以N个工作对形式设置的相应纤维光学接收器通道，其中N为至少等于2的整数，各工作对包括设置在N工作对结构的中心相对两侧的两个相应纤维光学接收器通道，其中，与这两个纤维光学接收器通道相对应的两个空间相位掩模板部分具有下述情形中的一中a)空间相位相同，和b)空间相位在名义上相差180度。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，至少每一个光收集区域及每一个输入端完全位于一圆柱体内，该圆柱体的轴线垂直于名义接收面，圆柱半径最大为3毫米。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，至少包括每一个光收集区域及输入端的圆柱体的最大半径为2.0毫米。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，至少包括每一个光收集区域及输入端的圆柱体的最大半径为1.25毫米。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，相应光收集区域至少由以下三条中的一条部分地决定a)接近至少一个相应的接收器通道光纤输入端的总载光芯区域，b)接近接收器通道的空间相位掩模板部分及至少一个接收器通道光纤的输入端定位的微型透镜的光收集区域，以及c)相应接收器通道空间相位掩模板部分的限制孔径元件。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，外壳元件环绕纤维光学读取头装置的其他元件，该外壳元件的外尺寸在其至少一部分长度上，在平行于光纤轴的长度方向上相对长些，在垂直于光纤轴的方向上相对窄些，光纤读取头装置的构造是，外壳元件的至少一部分长度能够插入一个在垂直于中心轴线方向上的尺寸至少可以小到5.0毫米的孔中。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，外壳元件的至少一部分长度能够插入在垂直于中心轴线的方向上的尺寸至少小到2.5毫米的孔中。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，纤维光学读取头装置安装在一方位保持连接器内，该连接器在机械上是能够与至少一种商用的标准偏振保持光纤连接器互换的。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，纤维光学读取头装置具有光轴，并进一步包括限制孔径，限制孔径沿光轴位于成像透镜与多个纤维光学接收器通道之间。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，定位于光轴上的限制孔径与成像透镜的有效面之间分开的距离，至少近似等于成像透镜的焦距。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，限制孔径的限制孔径尺寸为，当读取头可操作地相对于标尺光栅图样定位时，大致位于名义接收面内的标尺光栅图样图像的模糊程度至少部分地由限制孔径尺寸决定。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，限制孔径为圆形，限制孔径尺寸为直径，最小为100微米，最大为500微米。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，限制孔径为圆形，限制孔径尺寸为直径，最小直径为150微米，最大直径为400微米。
19.根据权利要求16所述的设备，其中，当纤维光学读取头装置与标尺光栅图样在测量轴方向上有相对位移时，各相应光输出信号包括相对位移的正弦函数，各正弦函数与理想正弦函数的差异最大为峰-峰值的1/16。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，各正弦函数与理想正弦函数的差异最大为峰-峰值的1/32。
21.根据权利要求1所述的设备，其中，纤维光学读取头装置位于标尺光栅图样的第一侧，标尺光栅包括透明元件，该透明元件透射发生在其第二侧上的传输光，所述可操作图像由入射到成像透镜的传输光生成。
22.根据权利要求1所述的设备，其中，纤维光学读取头装置大致位于标尺光栅图样的第一侧，标尺光栅包括反射元件，该反射元件能够至少部分地进行反射，对发生在标尺光栅图样第一侧上的反射光进行反射，所述可操作图像由入射到成像透镜的反射光生成。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，纤维光学读取头装置包括至少一个相应光源，纤维光学读取头装置发出光以照射标尺光栅图样，发生在标尺光栅图样第一侧的反射光中至少一部分包括从光纤读取头装置发出的反射光。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，至少一个相应光源包括至少一个相应接收器通道光纤端部，纤维光学读取头装置通过成像透镜发出光，该光通过至少一个光学器件被输入到至少一个相应接收器通道光纤的远端，该光学器件能够操作用来将光输入到远端，还能够操作用来接收相应远端的光输出信号，并将相应光输出信号沿光路输出到远程光电探测器。
25.根据权利要求24所述的设备，其中，能够操作用来将光输入到远端并还能够操作用来接收相应远端的光输出信号的所述至少一个光学器件，包括分束器和循环器中的一种。
26.根据权利要求23所述的设备，其中，光由纤维光学读取头装置在基本上环绕成像透镜的环状区域中的多个位置发出。
27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述多个位置大致设置成相对于纤维光学读取头装置的光轴轴对称。
28.根据权利要求26所述的设备，其中，纤维光学读取头装置包括至少一个偏光元件，该至少一个偏光元件位于所述大致环绕成像透镜的环状区域内，各偏光元件能够将纤维光学读取头装置发出的朝向纤维光学读取头装置的光轴偏转。
29.根据权利要求26所述的设备，其中，纤维光学读取头装置包括能够对从纤维光学读取头装置中发出的光至少部分地进行散射的元件。
30.根据权利要求26所述的设备，其中，所述多个位置相应于多个相应光源，各相应光源包括下面中的一种a)固态电子光源元件，固态光源的至少一部分可以产生光，和b)源光纤的输出端，该源光纤能够与远方的生成光的光源相连接。
31.根据权利要求26所述的设备，其中，纤维光学读取头装置具有光轴，并进一步包括沿着光轴位于成像透镜与多个纤维光学接收器通道之间的限制孔径，该限制孔径与成像透镜的有效面之间相隔的距离，至少近似等于成像透镜的焦距。
32.根据权利要求31所述的设备，其中，纤维光学读取头装置发出的光，绕着所述大致环绕成像透镜的环状区域空间连续地分布。
33.根据权利要求32所述的设备，其中，纤维光学读取头装置包括沿光轴定位的光学元件，该光学元件能够操作用来输入光束并输出发散的环孔状的光，该光学元件包括下面中的一种a)展像透镜，和b)衍射光学元件；环状偏光元件，位于所述环绕成像透镜的环状区域中，该环状偏光元件能够将纤维光学读取头装置发出的朝向光轴偏转；以及所述至少一个相应光源包括源光纤的输出端，该源光纤能够与远方的生成光的光源相连接，源光纤输出端沿着光轴定位并接近所述名义接收面，其中源光纤输出端输出的光被所述光学元件接收，该光学元件输出发散的环孔形光，该发散的环孔形光由遵循着大致环绕限制孔径及成像透镜的路径，该发散的环孔形光入射到环状偏光元件，从纤维光学读取头装置发出的光，围绕着所述大致环绕成像透镜的环状区域空间连续地分布。
34.根据权利要求33所述的设备，其中，纤维光学读取头装置包括第一光学隔板，在限制孔径及名义接收面之间大致环绕发散的环孔光和发散的标尺图像光。
35.根据权利要求34所述的设备，其中，纤维光学读取头装置包括第二光学隔板，在限制孔径及名义接收面之间大致位于发散的环孔光中并大致发散的标尺图像光。
36.根据权利要求1所述的设备，其中，各光收集区域在测量轴方向的尺寸至少为相应器通道空间相位掩模板部分的三个完整周期。
37.根据权利要求36所述的设备，其中，各光收集区域在测量轴方向的尺寸至少为相应器通道空间相位掩模板部分的六个完整周期。
38.根据权利要求1所述的设备，还包括反射表面，其中纤维光学读取头装置具有光轴，反射表面沿光轴位于成像透镜和标尺光栅图样之间，使得该反射表面能够有效地将光轴偏转近似90度；和纤维光学读取头装置和反射表面相对标尺光栅图样设置，使得名义接收面和标尺光栅图样的可操作图像名义上垂直于标尺光栅图样所在的面。
39.根据权利要求1所述的设备，其中，标尺包括如下的一种a)大致为平面的元件，其中标尺图样光栅沿着测量轴方向形成，该测量轴遵循着该平面元件上的一条直线，b)大致为平面的盘状元件，其中标尺图样光栅沿着测量轴方向形成，该测量轴遵循着该平面元件上的一条圆形路径，c)大致为柱状的元件，其中标尺图样光栅沿着测量轴方向形成，该测量轴遵循着环绕柱状元件的圆形路径，以及d)大致为线状的带状元件，其中标尺图样光栅沿着测量轴方向形成，该测量轴遵循着带状元件的相对较长的轴。
40.根据权利要求1所述的设备，其中，纤维光学读取头装置为透射型结构，所述可操作图像由透射光生成。
41.一种测量两个元件之间相对位移的设备的操作方法，该设备包括纤维光学读取头装置，能定位成用来提供标尺光栅图样的可操作图像，纤维光学读取头装置包括壳体元件；成像透镜；透明掩模板基片；及多个纤维光学接收器通道，每一纤维光学接收器通道都包括各自的接收器通道空间相位掩模板部分，该部分具有相应的空间相位，并具有以一定间距设置的光线阻挡元件，可对标尺光栅图样的光学图像进行空间滤波，各接收器通道空间相位掩模板部分大致位于用来对标尺光栅图样的可操作图像进行空间滤波的名义接收面上；及至少一个相应的接收器通道光纤，其具有输入端，可接收相应的接收器通道内的光信号，其中各相应接收器通道空间相位掩模板部分加工在透明掩模板基片的表面，其光阻挡元件相对于另一接收器通道空间相位掩模板部分的光阻挡元件沿测量轴方向定位，能够在相应接收器通道空间相位掩模板部分的相应空间相位之间建立需要的关系；由至少一个接收器通道的光纤接收的相应接收器通道光信号光包括，由标尺光栅图样生成并由相应光收集区域经上经相应接收器通道空间相位掩模板部分收集的光，该从具有接收尺寸的接收光区域沿着测量轴的方向接收到的光，该相应光收集区域在测量轴方向的尺寸至少为相应器通道空间相位掩模板部分的三个完整周期；以及至少每一个光收集区域及每一个输入端完全位于一个圆柱容积内，该圆柱的轴垂直于名义接收面，最大圆柱半径为5毫米；该方法包括可操作地相对标尺光栅图样定位纤维光学读取头装置；通过成像透镜输入由标尺光栅图样生成的光，以在名义接收面上生成标尺光栅图样的可操作图像；用多个纤维光学接收器通道中至少第一和第二光纤相应通道来接收在名义接收面上形成的标尺光栅图样的可操作图像，然后对标尺光栅图样的可操作图像的相应部分进行空间滤波，以生成各自具有至少第一和第二信号相位的至少第一和第二接收器通道光信号；及沿相应光纤将至少第一和第二接收器通道光信号输出，以多个光输出信号的形式生成相对位移测量信息，从空间过滤过的标尺光中生成相应的光输出信号，不需要使用电子光电探测器元件。
42.根据权利要求41所述的方法，纤维光学读取头装置进一步包括限制孔径，沿光轴位于成像透镜与多个纤维光学接收器通道之间，该限制孔径与成像透镜的有效面之间的间隔开的距离至少近似等于成像透镜的焦距，其中，为提供标尺光栅图样的可操作图像而经成像透镜由标尺光栅图样产生的输入光，包括为在名义接收面上生成标尺光栅图样的可操作图像而经成像透镜和限制孔径由标尺光栅图样产生的输入光。
43.根据权利要求41所述的方法，其中，相对标尺光栅图样可操作地定位纤维光学读取头装置，包括相对于标尺光栅图样可操作地定位纤维光学读取头装置，使得大致位于名义接收面上的标尺光栅图样的可操作图像出现模糊，其模糊程度为当纤维光学读取头装置与标尺光栅图样在测量轴方向上有相对位移时，各光输出信号包括相对位移的正弦函数，各所述正弦函数与理想正弦函数的差异最大为峰-峰值的1/16。
44.根据权利要求41所述的方法，其中，被可操作地定位的纤维光学读取头装置完全位于标尺光栅图样的第一侧，标尺光栅图样包括反射元件，这些反射元件能够至少部分地进行反射，这些反射元件对发生在第一侧上的反射光进行反射，输入经成像透镜由标尺光栅图样产生的光，包括输入在标尺光栅的第一侧发生的反射光。
45.根据权利要求44所述的方法，纤维光学读取头装置进一步包括至少一个相应光源，该方法进一步包括纤维光学读取头装置发出光以照射标尺光栅图样，使发生在标尺光栅图样第一侧的反射光中至少一部分包括从光纤读取头装置发出的反射光。
全文摘要
本发明公开了一种用来将标尺成像到一组纤维光学接收器通道中的纤维光学读取头装置。该读取头装置包括成像透镜，在远心结构中还可以包括位于成像透镜焦点处的孔径。可以使用展像透镜将源光从成像透镜引导至环绕成像透镜的圆形的环状源透镜中。源透镜将标尺上的源光集中到标尺上会被成像透镜成像回读取头的区域。在一个实施例中，可以将多根源光纤沿纤维光学读取头装置的周边设置。在另一个实施例中，接收器光纤也可作为源光纤。在各示范性实施例中，可以获得高水平的位移信号插值以提供高分辨率的测量。光纤编码器读取头能够以特别精确和经济的方式进行装配，并可以具有超微型的整体读取头尺寸。
文档编号G01D5/26GK1629607SQ20041010384
公开日2005年6月22日 申请日期2004年8月27日 优先权日2003年8月27日
发明者约瑟夫·D·托比亚森, 迈克尔·内厄姆, 金·W·阿瑟顿 申请人:三丰株式会社