專利名稱：包括無源讀頭的光學(xué)編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及精密測量儀器，且更具體地說涉及光學(xué)位移編碼器。
背景技術(shù)：
目前可購得用于感應(yīng)線性、旋轉(zhuǎn)或角度移動的各種光學(xué)編碼器。光學(xué)編碼器通常使用周期標(biāo)尺，所述周期標(biāo)尺允許通過累積沿著周期標(biāo)尺上的軌道從起始點(diǎn)開始的位移的增量單位而確定讀頭相對于標(biāo)尺的位移標(biāo)尺。在一些應(yīng)用中，編碼的標(biāo)尺軌道可補(bǔ)充或取代這樣一種周期標(biāo)尺，以在沿著標(biāo)尺的任意點(diǎn)提供絕對位置輸出。
在一些應(yīng)用中，至少光學(xué)編碼器的電子部分須遠(yuǎn)程于標(biāo)尺定位。例如，這可允許定位為緊鄰標(biāo)尺的編碼器讀頭更緊湊或更可靠。一種用于將電子設(shè)備遠(yuǎn)程于標(biāo)尺定位的方法是將光學(xué)讀頭定位為靠近標(biāo)尺，并且通過光纖在讀頭與遠(yuǎn)程電子設(shè)備或主機(jī)系統(tǒng)之間安排照明和光信號的路線。授予Tokunaga的美國專利4，733，071中公開了一種使用光纖的系統(tǒng)公開在?！?71專利中所描述的系統(tǒng)具有編碼部件標(biāo)尺和光學(xué)傳感器頭，所述光學(xué)傳感器頭包括沿著編碼部件測量軸緊密配置的光纖發(fā)光頭和兩個(gè)光纖接收頭。但是，所得編碼器的精確度相對粗糙。美國專利6，906，315和7，126，696中公開了用于以更高精確度感應(yīng)標(biāo)尺光柵的位移的兩個(gè)額外示例性光纖編碼器讀頭系統(tǒng)，所述專利全文以引用的方式并入本文中。如’ 315專利所述，讀頭的檢測器通道是具有對應(yīng)相位光柵掩模的光纖檢測器通道，且所述光纖編碼器讀頭被構(gòu)造來檢測標(biāo)尺光柵的自成像的位移。如’ 696專利所述，讀頭的檢測器通道是具有對應(yīng)的相位光柵掩模的光纖檢測器通道，且所述光纖編碼器讀頭被構(gòu)造來檢測因標(biāo)尺光柵產(chǎn)生的干涉條紋的位移。但是在諸如’ 315和’ 696專利的讀頭系統(tǒng)中，至讀頭所需的線纜可能相對昂貴、難以安排路線并且可能導(dǎo)致相對較小的感應(yīng)區(qū)域。標(biāo)尺的遠(yuǎn)程或望遠(yuǎn)成像可用于檢測標(biāo)尺的位移而無需電子線纜或光學(xué)線纜緊鄰標(biāo)尺?；蛘?，如授予Shelander的美國專利4，899，048所公開,聚焦激光光束可用于在遠(yuǎn)處檢測標(biāo)尺的位移。但是源與成像系統(tǒng)相距標(biāo)尺的距離之間的取舍、距離增大時(shí)光學(xué)和/或的受限測量分辨率以及所需光學(xué)調(diào)準(zhǔn)的難度和可靠性使得這類系統(tǒng)對于許多實(shí)際應(yīng)用而言不可行。需要一種用于從遠(yuǎn)處以高分辨率感應(yīng)光學(xué)編碼器標(biāo)尺位移并且無需緊鄰標(biāo)尺安排纜線的路線的改進(jìn)系統(tǒng)。
發(fā)明概要提供本概要以簡化形式介紹選擇的概念，其在下文詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述。本概要并非旨在確認(rèn)所主張標(biāo)的的關(guān)鍵特征，也不旨在用于協(xié)助確定所主張標(biāo)的的范圍。提供一種具有無源讀頭的光學(xué)編碼器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，無源讀頭沒有附接的線纜并且是全光學(xué)讀頭，其中通過直接視線光學(xué)傳輸將相對于標(biāo)尺的測量位置信息遠(yuǎn)程讀取到遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在一個(gè)實(shí)施方案中，無源讀頭包括標(biāo)尺照明路徑部分和測量光程部分，而遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)包括光源和感應(yīng)部分。在一個(gè)實(shí)施方案中，遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)的感應(yīng)部分可包括遠(yuǎn)程透鏡部分和光電探測器裝置。遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)遠(yuǎn)程于無源讀頭配置(例如，遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)和無源讀頭定位在單獨(dú)的外殼中)以沿著第一路徑輸出源光到無源讀頭，所述無源讀頭被配置來輸入源光并且從標(biāo)尺照明路徑部分輸出標(biāo)尺照明光到標(biāo)尺光柵。標(biāo)尺光柵被配置來接收標(biāo)尺照明光并輸出干涉光到無源讀頭，其中干涉光的空間相位取決于無源讀頭相對于標(biāo)尺光柵的測量位置。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在一個(gè)實(shí)施方案中，無源讀頭還被配置成使得測量光程部分接收來自標(biāo)尺光柵的干涉光，并且沿著第二路徑輸出包括多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的測量光到遠(yuǎn)程透鏡部分。測量光程部分包括包括輸入干涉光并且提供相應(yīng)的對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的多個(gè)相徑(例如，在一個(gè)特定的實(shí)施方案中為空間濾波器)的相位信號部分。在不同的實(shí)施方案中，相徑具有相應(yīng)的相位偏移并且被構(gòu)造成使得每個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的強(qiáng)度與輸入干涉光的空間相位和相應(yīng)的相徑的相位偏移相關(guān)。遠(yuǎn)程透鏡部分被配置來輸入測量光并且提供多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的圖像到光電探測器裝置。在一些實(shí)施方案中，遠(yuǎn)程透鏡部分可被構(gòu)造來提供所要量的圖像模糊；幫助空間均化或模糊其所輸出的光的圖案使得光電探測器裝置上成像的強(qiáng)度區(qū)域各自更均勻。這可有利地使調(diào)準(zhǔn)較不苛刻且/或更穩(wěn)健，并且/或減小或消除在一些實(shí)施方案中可能因在所檢測到的測量光中可能另外保留的干涉條紋殘余而出現(xiàn)的誤差。光電探測器裝置被構(gòu)造來感應(yīng)所成像的多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域中的每一個(gè)的強(qiáng)度并 且基于所感應(yīng)到的強(qiáng)度輸出指示測量位置的多個(gè)信號。由于相位信號(例如，條紋圖)由遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和/或成像為“肉眼可見的”強(qiáng)度區(qū)域，所以所檢測到的信號對于在從無源讀頭轉(zhuǎn)送到遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)時(shí)遇到的環(huán)境變化(例如，變動)而言是穩(wěn)健的。相比之下，長距離發(fā)射相干光條紋圖并且從條紋圖中得出位置信息的系統(tǒng)易受環(huán)境變化(例如，變動)對條紋圖的干擾的影響。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在一個(gè)實(shí)施方案中，相位信號部分可包括光阻元件以一定間距配置成周期圖案的空間濾波器，所述間距可操作用于對測量光進(jìn)行空間濾波。在一個(gè)實(shí)施方案中，光阻元件的周期圖案的至少一部分可相對于測量光的周期圖案旋轉(zhuǎn)且在一個(gè)特定實(shí)施方案中可具有相對于平行于測量軸的一個(gè)軸對稱的V形。無源讀頭可包括基板，空間濾波器固定到所述基板且標(biāo)尺照明光可透射穿過基板。在一個(gè)實(shí)施方案中，標(biāo)尺照明路徑部分可包括(例如，位于基板上的)源光柵，所述源光柵輸入源光并且輸出包括衍射級的標(biāo)尺光。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在一個(gè)實(shí)施方案中，相位信號部分可包括各包括組合光柵的相徑，所述組合光柵輸入來自標(biāo)尺光柵的干涉光的光線并且沿著平行路徑輸出干涉光的不同衍射級的光線，使得平行光線干涉以提供從每個(gè)相徑輸出的相應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在一個(gè)實(shí)施方案中，測量光程部分包括被定位來接收來自相位信號部分的光并且輸出測量光的漫射體。在一個(gè)替代實(shí)施方案中，測量光程部分包括被定位來接收來自相位信號部分的光并且輸出測量光的一層磷光體顆粒。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在一個(gè)實(shí)施方案中，第二路徑比無源讀頭與標(biāo)尺光柵之間的間隔距離更長(例如，至少長5倍)。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二路徑可包括與圍繞無源讀頭的外罩相關(guān)聯(lián)的透明材料，所述透明材料可用于在測量操作期間在機(jī)械穩(wěn)定構(gòu)造中建立遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)相對于無源讀頭的所要間隔。附圖
簡述結(jié)合附圖參考以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的上述方面和許多相關(guān)優(yōu)點(diǎn)將變得更容易明白且同樣變得更好了解，其中圖I是包括無源讀頭和遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)的光學(xué)編碼器構(gòu)造的一般示例性實(shí)施方案的不意圖；圖2是光學(xué)編碼器構(gòu)造的示例性實(shí)施方案的示意圖，其中無源讀頭包括測量光部分的第一實(shí)施方案，且分光鏡用于引導(dǎo)輸入光程和輸出光程使得其沿著X軸分隔開；
圖3是光學(xué)編碼器構(gòu)造的示例性實(shí)施方案的示意圖，其中無源讀頭包括測量光部分的第二實(shí)施方案且輸入光程和輸出光程沿著Y軸分隔開；圖4是包括可用于無源讀頭的相位信號部分的傾斜光阻元件的基板的示例性實(shí)施方案的示意圖；圖5是光學(xué)編碼器構(gòu)造的示例性實(shí)施方案的示意圖，其中無源讀頭包括測量光部分的第三實(shí)施方案且輸入光程和輸出光程沿著Y軸分隔開；圖6是偏轉(zhuǎn)器元件鄰近無源讀頭的光學(xué)編碼器構(gòu)造的示例性實(shí)施方案的示意圖，其中輸入光程和輸出光程大致平行于測量軸方向；和圖7是可用于圖6的遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I是包括無源讀頭110、遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180和標(biāo)尺光柵80的光學(xué)編碼器構(gòu)造100的一般示例性實(shí)施方案的示意圖。如下文將更詳細(xì)描述，無源讀頭110無需附接的纜線并且是全光學(xué)讀頭，其中相對于標(biāo)尺光柵80的測量位置信息是通過直接視線光學(xué)傳輸遠(yuǎn)程讀取到遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180的。如圖I所示，無源讀頭110定位為緊鄰標(biāo)尺光柵80，所述標(biāo)尺光柵80包括沿著測量軸方向X延伸的周期光柵圖案85。無源讀頭110和標(biāo)尺光柵80可沿著測量軸方向X相對于彼此移動。在一個(gè)實(shí)施方案中，如圖I示意所示，光學(xué)編碼器構(gòu)造100可結(jié)合包括圍繞無源讀頭110的透明窗TW的外罩ENCL (例如，真空腔室)使用。與需要線纜附接(圖I中線纜IOW所示)以與主機(jī)系統(tǒng)交換電力和/或控制信號的現(xiàn)有技術(shù)編碼器讀頭(圖I中方塊10所示)相比，無源讀頭110可在無線纜附接的情況下使用。因此，對于包括無源讀頭110的光學(xué)編碼器構(gòu)造100，外罩ENCL無需提供消除這類應(yīng)用的復(fù)雜性和費(fèi)用的接線通孔。但是，應(yīng)當(dāng)了解不需要外罩ENCL。相反，其是一個(gè)光學(xué)編碼器構(gòu)造100特別有用的應(yīng)用環(huán)境?？蔀檫h(yuǎn)程配套系統(tǒng)180提供外殼HSR，使得無源讀頭110和遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180包含在單獨(dú)的外殼中。遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180和無源讀頭110在測量操作期間相對于彼此安裝為機(jī)械穩(wěn)定的構(gòu)造。即，如下文所述，其被安裝到機(jī)框元件或類似物使得其相對于彼此固定，以可靠地交換源光30和測量光50。遠(yuǎn)距于無源讀頭110定位(例如，單獨(dú)外殼中)的遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180包括光源181和感應(yīng)部分182。遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180可通過電線180W方便地連接到主機(jī)系統(tǒng)或類似物?；蛘撸淇砂ㄗ越o型和/或無線的電力和信號處理構(gòu)造，使得其可與主機(jī)系統(tǒng)無線地運(yùn)行或提供獨(dú)立的位置顯示或類似情況。在運(yùn)行時(shí)，光源181 (例如，激光二極管)沿著第一路徑輸出源光30到無源讀頭110。標(biāo)尺光柵80接收來自無源讀頭110的光并且將位置相關(guān)干涉光返回到無源讀頭110。無源讀頭110光學(xué)處理干涉光并且沿著第二路徑從無源讀頭110輸出測量光50到遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180的感應(yīng)部分182。在包括外罩ENCL的應(yīng)用中，可提供源光30和測量光50穿過的透明窗TW。如下文更詳細(xì)描述，遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180被構(gòu)造來光學(xué)感應(yīng)來自無源讀頭110的測量光50中的成像區(qū)域的強(qiáng)度，并且根據(jù)所感應(yīng)到的強(qiáng)度輸出指示測量位置的多個(gè)信號。應(yīng)當(dāng)明白光學(xué)編碼器構(gòu)造100具有好過現(xiàn)有技術(shù)讀頭10的某些優(yōu)勢，尤其在讀頭10的所需線纜IOW方面(例如，包括電線、光纖或兩者的線纜)。更具體地，在某些實(shí)現(xiàn)中，至讀頭10所需的線纜IOW可能相對昂貴(例如，高于讀頭成本的50%)、難以安排路線(例如，尤其是穿過電部件相對昂貴的真空外罩)、可能存在疲勞和壽命問題并且可能限制(例如，尤其是纜線中的)數(shù)據(jù)速率。相比之下，在光學(xué)編碼器構(gòu)造100中，無源讀頭110沒有附接的線纜(例如，任意電線180W與遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180定位在一起)并且是全光學(xué)系統(tǒng)，其中信息通過直接視線光學(xué)傳輸遠(yuǎn)程讀取到遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180，這也可允許無源讀頭110比現(xiàn)有技術(shù)讀頭10更緊湊。下文參考圖2更詳細(xì)地描述光學(xué)編碼器構(gòu)造100的額外優(yōu)點(diǎn)和更具體 的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)明白如圖I示意所示，本發(fā)明允許以高分辨率、遠(yuǎn)程地和/或穿過外罩方便和經(jīng)濟(jì)地監(jiān)測標(biāo)尺的運(yùn)動。與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，測量分辨率不會因遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)與標(biāo)尺之間的距離而明顯降低(例如，可提供I微米、O. I微米、O. 01微米和更好數(shù)量級的測量分辨率)。額外的好處是無源讀頭可能相對緊湊。(例如，與使用干涉儀相比)監(jiān)測標(biāo)尺的這樣一種系統(tǒng)的額外好處在于標(biāo)尺可能是實(shí)惠的且提供已知的精確度，并且可供相對不熟練的用戶安裝和使用。圖2是示出了光學(xué)編碼器構(gòu)造200的示例性實(shí)施方案的(沿著Y軸方向的)側(cè)視圖，所述光學(xué)編碼器200使用包括測量光部分150(或150’)的第一實(shí)施方案的無源讀頭，其可被視作示出圖I的光學(xué)編碼器構(gòu)造100的一個(gè)示例性實(shí)施方案。在光學(xué)編碼器構(gòu)造200中，輸入光程和輸出光程沿著X軸分隔開，且遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180包括分光鏡183以引導(dǎo)輸入光程和輸出光程。圖2所示的特定實(shí)施方案只是示例性的并且不是限制性的。在下文描述中，參考圖2描述兩個(gè)單獨(dú)的測量光程。第二測量光程元件用質(zhì)數(shù)編號。應(yīng)當(dāng)明白實(shí)際上可能只需要一個(gè)測量光程用于操作且因此在某些實(shí)施方案中可免去第二測量光程。但是，通過在某些實(shí)施方案中具有冗余的光程，可通過用適當(dāng)?shù)男盘柼幚斫M合來自兩個(gè)路徑的信號而改進(jìn)信號強(qiáng)度以及抑制某些共模誤差。如圖2所示，無源讀頭110包括標(biāo)尺照明路徑部分120和測量光程部分150和150’，而遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180包括光源181 (例如，激光二極管)、感應(yīng)部分182和分光鏡183。感應(yīng)部分182包括遠(yuǎn)程透鏡部分184和光電探測器裝置188。所述遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180被配置來輸出源光30，通過分光鏡183沿著第一路徑將源光30從光源181校準(zhǔn)到無源讀頭110。光源181中的光學(xué)器件可使用已知原理提供所要照明光束橫截面大小和形狀。無源讀頭110被配置來輸入源光30并且從標(biāo)尺照明路徑部分120輸出標(biāo)尺照明光35到標(biāo)尺光柵80。對此在圖2的下部分中更詳細(xì)示出無源讀頭110的某些元件。更具體地，雖然圖2的上部分示出了光學(xué)編碼器構(gòu)造100的側(cè)視圖(即，沿著Y軸方向的視圖)，但是圖2的下部分沿著上部分中所界定的截面AA (即，沿著Z軸方向)示出了無源讀頭110的基板190上的某些元件的視圖。如圖2的下部分所示，在標(biāo)尺照明路徑部分120中，源光30到達(dá)照明分束器123，諸如位于基板190上的源光柵，其具有提供標(biāo)尺光35的多個(gè)衍射級(例如，35-0 O級、35-P+1級、35-M-1級)光束到標(biāo)尺光柵80的照明光柵間距IGP。或者，可使用功能類似的折射元件取代源光柵。標(biāo)尺光柵80被配置來接收標(biāo)尺照明光35并且輸出干涉光40和40’到無源讀頭110，其中干涉光的空間相位取決于無源讀頭110相對于標(biāo)尺光柵80的測量位置。在圖2所示的特定實(shí)施方案中，標(biāo)尺照明光35的多個(gè)光束(例如，35-0 O級、35-P+1級、35-M-1級)由標(biāo)尺光柵80衍射以提供干涉(以例如，在本特定實(shí)施方案中形成條紋41和41’ )的干涉光40和40’的多個(gè)光束(例如，來自衍射35-0光束的40-0、來自衍射35-P光束的40-P、來自衍射35-0光束的40’ -O和來自衍射35-M光束的40’ -M)。更具體地，在無源讀頭110上干涉光40-0和40-P導(dǎo)致干涉條紋41而干涉光40’ -O和40’ -M導(dǎo)致干涉條紋41’。應(yīng)當(dāng)明白選擇照明光柵間距IGP (或如果其為折射元件，那么是其表面之間的角度)以按相對于彼此的所要角度提供光束，使得當(dāng)其從標(biāo)尺光柵80 (其具有標(biāo)尺間距SP)衍射時(shí)，其將干涉以提供具有所要條紋間距的條紋。
如下文更詳細(xì)描述，測量光程部分150和150’接收條紋并且包括對條紋進(jìn)行空間濾波的相位信號部分160和160’(例如，空間濾波器)以提供輸出光。應(yīng)當(dāng)明白在不同實(shí)施方案中，相位信號部分160和160’可實(shí)施為各種形式。在圖2的下部分所示的特定示例性實(shí)現(xiàn)中，相位信號部分160和160’包括多個(gè)相徑161-X和161’ -X(例如，161-A至161-D以及161’ -A至161’ -D,其各具有相應(yīng)的周期空間濾波器165-0至165-270和165’ -O至165’ -270)，所述相徑輸入干涉光40和40’并且輸出經(jīng)過空間濾波的光以形成測量光50和50’中相應(yīng)的對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’-X (例如，514至51-0和51’4至51’-0)。在一個(gè)實(shí)施方案中，相徑161-X和161’ -X具有相應(yīng)的相位偏移并且被構(gòu)造來提供相應(yīng)的強(qiáng)度區(qū)域，其具有與輸入干涉光40和40’的空間相位和相應(yīng)相徑的相位偏移相關(guān)的強(qiáng)度?？臻g濾波器165-X和165’ -X固定到基板190 (標(biāo)尺照明光35透射穿過所述基板190)，并且具有配置為具有相位濾波器間距PFP的周期圖案的光阻元件，所述相位濾波器間距PFP可操作用于對干涉光40和40’進(jìn)行空間濾波以提供測量光50和50’中的所感應(yīng)到的強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X。在不同的實(shí)施方案中，相位濾波器間距PFP可與條紋間距相同。在一個(gè)實(shí)施方案中，如下文參考圖4更詳細(xì)描述，空間濾波器區(qū)段的光阻元件的周期圖案的至少一部分可相對于測量光的周期圖案旋轉(zhuǎn)。在圖2的下部分所示的特定示例性實(shí)現(xiàn)中，相位信號部分160-X和160’ -X (例如，空間濾波器區(qū)段 165-0、165-90、165-180、165-270 和 165’-O、165’-90、165’-180、165’-270)被組織為正交構(gòu)造，并且分別對應(yīng)于特定相徑161-X和161’-X (例如，相徑161-A、161-B、161-C、161-D 和 161，-A、161，-B、161，-C、161，-D)。具有其對應(yīng)周期空間濾波器165-X和165’ -X的相徑161-X和161，-X因此輸入來自標(biāo)尺光柵80的干涉光40和40’，并且輸出根據(jù)不同濾波器的相位偏移(例如，如其下標(biāo)所示，根據(jù)O度、90度、180度和270度的空間相位偏移)進(jìn)行空間濾波的光。特別地，從每個(gè)空間濾波器區(qū)段165-X和165’ -X空間濾波的輸出光提供經(jīng)空間濾波的光圖案，所述光圖案具有取決于區(qū)段相對于干涉光40和40’的空間相位的相位偏移的平均強(qiáng)度，所述相位偏移接著取決于標(biāo)尺光柵80的位置。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)每個(gè)經(jīng)空間濾波的光圖案通過測量光散射元件170或170’(例如，漫射體和/或磷光體顆粒層或類似物)輸出或成像，以提供可從不同角度成像并且可具有對應(yīng)于輸入平均強(qiáng)度的相對均勻強(qiáng)度分布的相應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X或51’ -X時(shí)，調(diào)準(zhǔn)和成像放大要求可以更容易地滿足。如本文所述，不同強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’-X提供可被感應(yīng)和處理以提供差分正交信號的輸出測量光50和50’。為說明的目的，從光電探測器裝置188在感應(yīng)部分182中運(yùn)行的角度看，圖2示出了用疊加在每個(gè)空間濾波器區(qū)段165-X和165’ -X和相徑161-X和161’ -X上且用于圖示其操作調(diào)準(zhǔn)的虛線輪廓示意表示的代表性強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X和光電探測器區(qū)域188-X(例如188-A至188-D)和188’ -X。即遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180相對于無源讀頭110調(diào)準(zhǔn)，使得對應(yīng)光電探測器區(qū)域188-X和188’ -X從相應(yīng)的對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X輸入測量光。對應(yīng)光電探測器區(qū)域188-X和188’ -X因此接收與標(biāo)尺光柵80的位置和確定其所接收的測量光的相位信號部分160-X和160’ -X (例如，空間濾波器區(qū)段165-X和165’ -X)的空間相位相關(guān)的強(qiáng)度信號。如上所述，遠(yuǎn)程透鏡部分184被配置來輸入測量光50和50’并且提供多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的圖像到光電探測器裝置188。在一個(gè)實(shí)施方案中，遠(yuǎn)程透鏡部分184使大致在相位信號部分160和160’的輸出端上的平面成像到光電探測器裝置188上(例如，緊鄰測量光散射元件170或170’)。如上所示，光電探測器裝置188包括多個(gè)光電探測器188-X或·188’ -X，并且被構(gòu)造來感應(yīng)所成像的多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X或51’ -X中每一個(gè)的強(qiáng)度以及根據(jù)所感應(yīng)的強(qiáng)度輸出指示測量位置的多個(gè)信號60。在一些實(shí)施方案中，遠(yuǎn)程透鏡部分184可被構(gòu)造來提供所要量的圖像模糊，以幫助空間均化或模糊其所輸出的光的圖案，使得光電探測器裝置188成像的強(qiáng)度區(qū)域各自更均勻。這可有利地使調(diào)準(zhǔn)較不苛刻且/或更穩(wěn)健和/或減小或消除一些實(shí)施方案中可能因在所檢測到的測量光中可能另外保留的干涉條紋殘余而出現(xiàn)的誤差。應(yīng)當(dāng)明白測量光散射元件170可主要用于散射或以其它方式散射測量光50和50’，使得其可由感應(yīng)部分182沿著多個(gè)可能的成像路徑成像(例如，僅相對于可能需要精確調(diào)準(zhǔn)的特定光線路徑)。即在沒有散射元件170的情況下，在某些實(shí)施方案中，穿過相位信號部分160和160’的光線可沿著其原始“筆直”路徑繼續(xù)并且可能缺少感應(yīng)部分182或使其調(diào)準(zhǔn)更困難，尤其在其相距數(shù)十或數(shù)百毫米的情況下。在某些實(shí)施方案中，測量光散射元件170可包括在窄的但是足夠的角度范圍內(nèi)使測量光漫射的結(jié)構(gòu)化漫射體。漫射體170可用于在不涉及精確調(diào)準(zhǔn)無源讀頭110的情況下，通過在遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)上使條紋從不同角度更明顯而解決諸如環(huán)境變化(例如，變動)的問題。在替代實(shí)施方案中，透鏡裝置可用于取代測量光散射元件170的漫射體，其中感應(yīng)部分182能夠從多個(gè)角度觀看透鏡裝置并且仍接收測量光。但是，取決于調(diào)準(zhǔn)穩(wěn)定性和遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180的距離，在一些實(shí)施方案中可以省略測量光散射元件170。在一些實(shí)施方案中，光散射元件170還可幫助空間均化或模糊其所輸入光中的圖案使得所成像的強(qiáng)度區(qū)域更均勻。如上所述，測量光程部分150 (和/或150’)可接收來自標(biāo)尺光柵80的干涉光40(和/或40’)并且沿著第二 (和/或第三)路徑輸出測量光50 (和/或50’)到遠(yuǎn)程透鏡部分184。應(yīng)當(dāng)明白，由于遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180遠(yuǎn)程地定位，所以第二(和/或第三)路徑可具有長度D2，所述長度D2明顯比無源讀頭110與標(biāo)尺光柵80之間的間隔距離D1，以及/或無源讀頭110外殼本身的最大尺寸更長(例如，至少長5倍，在一些情況下長100倍或1000倍)。因此，當(dāng)前技術(shù)自給型光學(xué)編碼器讀頭的光程和設(shè)計(jì)特征并不足以提供本文針對無源讀頭110與遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180之間的路徑所預(yù)期的長度D2。應(yīng)當(dāng)明白，盡管有無源讀頭110與遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180之間的路徑的長度D2，光學(xué)編碼器構(gòu)造200仍可具有與自給的干涉儀型光學(xué)編碼器讀頭相當(dāng)?shù)臏y量位置分辨率(例如，數(shù)微米和低至插置Inm至IOnm的數(shù)量級)。這是因?yàn)樯衔乃_的無源讀頭110是干涉儀型讀頭，其將從空間濾波器區(qū)段165-X和165’-X輸出的精細(xì)結(jié)構(gòu)光圖案轉(zhuǎn)換為在相對較大的強(qiáng)度區(qū)域(例如，具有數(shù)百微米或幾毫米數(shù)量級的尺寸的區(qū)域)內(nèi)均勻分布和輸出的相應(yīng)平均強(qiáng)度，所述強(qiáng)度區(qū)域可在相對較大距離D2上可靠成像。因此，本發(fā)明克服可能另外與通過望遠(yuǎn)鏡或類似物簡單觀察標(biāo)尺位移相關(guān)的分辨率限制。此外，由于相位信號(例如，條紋圖)通過遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和/或成像為“肉眼可見的”強(qiáng)度區(qū)域，所以所檢測到的信號對于在從無源讀頭110轉(zhuǎn)送到遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)180時(shí)遇到的環(huán)境變化(例如，變動)而言是穩(wěn)健的。相比之下，長距離發(fā)射相干光條紋圖并且從條紋圖中得出位置信息的系統(tǒng)易受環(huán)境變化(例如，變動)對條紋圖的干擾的影響。應(yīng)當(dāng)明白在一個(gè)替代實(shí)施方案中，圖2所示的分光鏡183和感應(yīng)部分182的構(gòu)造可圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)90度，其中進(jìn)行適當(dāng)微小調(diào)整以完成上述操作原理。圖3是示出了使用包括測量光部分350(或350’)的第二實(shí)施方案的無源讀頭310的光學(xué)編碼器構(gòu)造300的示例性實(shí)施方案的(沿著X軸方向)側(cè)視圖的示意圖，其可被視作 示出了圖I的光學(xué)編碼器構(gòu)造100的一個(gè)示例性實(shí)施方案。與光學(xué)編碼器構(gòu)造200相比，在光學(xué)編碼器構(gòu)造300中，輸入光程和輸出光程沿著Y軸分隔開。無源讀頭310包括光束偏轉(zhuǎn)器322使得輸入光程和輸出光程沿著Y軸分隔開。圖3所示的特定實(shí)施方案只是示例性的并且不是限制性的。在不同的示例性實(shí)施方案中，光學(xué)編碼器構(gòu)造300包括類似于上文參考圖2所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造200的不同元件和操作原理。總的來說，圖3中編號3XX的元件提供與圖2中編號2XX (即具有相同數(shù)字下標(biāo))的相似元件類似且許多元件和操作方面可通過類推理解并且不在下文中詳細(xì)描述。 與圖2的光學(xué)編碼器構(gòu)造200的一個(gè)主要差異在于光學(xué)編碼器構(gòu)造300包括光束引導(dǎo)元件322 (例如，偏轉(zhuǎn)器或棱鏡或類似物)。放置并且操作光束引導(dǎo)元件322使得緊鄰標(biāo)尺光柵的光程因其為圖2的光學(xué)編碼器構(gòu)造200而不平行于X-Y平面。更具體地，如圖3的左側(cè)上沿著X軸方向的視圖所示，源光30行進(jìn)到光束引導(dǎo)元件322，所述光束引導(dǎo)元件322將其沿著傾斜路徑引導(dǎo)到標(biāo)尺光柵80，所述標(biāo)尺光柵80將其沿著傾斜路徑反射，導(dǎo)致測量光50和50’沿著Y軸方向與源光30分隔開。如圖3所示，類似于圖2的相應(yīng)元件，無源讀頭310包括標(biāo)尺照明路徑部分320和測量光程部分350和350’，而遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)380包括光源381和感應(yīng)部分382。應(yīng)當(dāng)明白在光學(xué)編碼器構(gòu)造300中無需分光鏡(例如，圖2的分光鏡183)，因?yàn)楣馐龑?dǎo)元件322用于沿著Y軸將源光30與測量光50和50’分隔開。感應(yīng)部分382包括遠(yuǎn)程透鏡部分384和光電探測器裝置388。遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)380被配置來輸出源光30，沿著第一路徑將所述源光30從光源381校準(zhǔn)到無源讀頭310。光源381中的光學(xué)器件可使用已知原理提供所要照明光束橫截面大小和形狀。無源讀頭310被配置來通過光束引導(dǎo)元件322輸入源光30并且沿著Y_Z平面按入射角輸出標(biāo)尺照明光35到標(biāo)尺光柵80。對此在圖3的下部分中更詳細(xì)示出無源讀頭310的某些元件。更具體地，雖然圖3的右上方部分示出了光學(xué)編碼器構(gòu)造300的側(cè)視圖(SP，沿著Y軸方向的視圖)，但是圖3的右下部分沿著如右上方部分中所界定的截面AA (B卩，沿著Z軸方向)示出了無源讀頭310的基板390上的某些元件的視圖。此外，圖3的左上方部分示出了光學(xué)編碼器構(gòu)造300的端視圖(即，沿著X軸方向的視圖)，而圖3的左下部分沿著如左上方部分中所界定的截面BB (B卩，沿著Z軸方向)示出了無源讀頭310的基板390上的某些元件的視圖。如圖3的右上方部分所示，在標(biāo)尺照明路徑部分320中，源光30到達(dá)照明分束器123，諸如定位在基板390上的源光柵，其具有提供標(biāo)尺光35的多個(gè)衍射級(例如，35-0 O級、35-P+1級、35-M-1級)光束到標(biāo)尺光柵80的照明光柵間距IGP?；蛘?，可使用功能類似的折射元件取代源光柵。標(biāo)尺光柵80被配置來接收標(biāo)尺照明光35并且在X-Y平面中按一個(gè)角度反射輸出干涉光40和40’到無源讀頭310，其中干涉光的空間相位取決于無源讀頭310相對于標(biāo)尺光柵80的測量位置。在圖3所示的特定實(shí)施方案中，標(biāo)尺照明光35的多個(gè)光束(例如，35-0O級、35-P+1級、35-M-1級)由標(biāo)尺光柵80衍射以提供干涉(以例如，在本特定實(shí)施方案中形成條紋41和41’)的干涉光40和40’的多個(gè)光束(例如，來自衍射35-0光束的40-0、來自衍射35-P光束的40-P、來自衍射35-0光束的40’ -O和來自衍射35-M光束的40’ -M)。
測量光程部分350和350’接收干涉光40和40’的條紋，并且包括對條紋進(jìn)行空間濾波的相位信號部分360和360’(例如，空間濾波器)以根據(jù)上述原理提供經(jīng)空間濾波的光。應(yīng)當(dāng)明白在不同實(shí)施方案中，相位信號部分360和360’可實(shí)施為不同形式。在圖3的下部分所示的特定示例性實(shí)現(xiàn)中，相位信號部分360和360’包括多個(gè)相徑361-X和361’ -X(各具有相應(yīng)的周期信號空間濾波器365-0至365-270和365’ -O至365’ -270)，所述多個(gè)相徑361-X和361’ -X輸入干涉光40和40’并且輸出經(jīng)空間濾波的光以形成測量光50和50’中的相應(yīng)的對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X和5Γ-Χ。強(qiáng)度區(qū)域具有與輸入干涉光40和40’的空間相位和相應(yīng)相徑的相位偏移相關(guān)的平均強(qiáng)度。如上所述，在一個(gè)實(shí)施方案中，空間濾波器365-X和365’ -X固定到基板390并且具有配置成相位濾波器間距PFP的光阻元件，所述相位濾波器間距PFP可操作用于對干涉光40和40’進(jìn)行空間濾波以提供測量光50和50’中的所感應(yīng)到的強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X。特別地，從每個(gè)空間濾波器區(qū)段365-X和365’ -X空間濾波的輸出光提供經(jīng)空間濾波的光圖案，所述光圖案具有取決于所述區(qū)段相對于干涉光40和40’的空間相位的相位偏移的平均強(qiáng)度，所述相位偏移接著取決于標(biāo)尺光柵80的位置。在一些實(shí)施方案中，每個(gè)經(jīng)空間濾波的光圖案通過測量光散射元件370或370’輸出或成像以提供相應(yīng)的強(qiáng)度區(qū)域51-X或51’-X，所述強(qiáng)度區(qū)域51-X或51’-X可從不同角度成像并且可具有對應(yīng)于輸入平均強(qiáng)度的相對均勻強(qiáng)度分布。如本文所述，不同強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X提供可被感應(yīng)和處理以提供位置指示信號的輸出測量光50和50’。為說明的目的，從光電探測器裝置388在感應(yīng)部分382中運(yùn)行的角度看，圖3示出了用疊加在每個(gè)空間濾波器區(qū)段365-X和365’ -X和相徑361-X和361’ -X上用于圖示其操作調(diào)準(zhǔn)的虛線輪廓示意表示的代表性強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X和光電探測器區(qū)域388-X和388’ -X。即遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)380相對于無源讀頭310調(diào)準(zhǔn)使得對應(yīng)光電探測器區(qū)域388-X和388’ -X從相應(yīng)的對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X輸入測量光。對應(yīng)光電探測器區(qū)域388-X和388’ -X因此接收與標(biāo)尺光柵80的位置和確定其所接收的測量光的相位信號部分360-X和360’ -X (例如，空間濾波器區(qū)段365-X和365’ -X)的空間相位相關(guān)的強(qiáng)度信號。如上所述，遠(yuǎn)程透鏡部分384被配置來輸入測量光50和50’并且提供多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的圖像到光電探測器裝置388。在一個(gè)實(shí)施方案中，遠(yuǎn)程透鏡部分384使大致在相位信號部分360和360’的輸出端上的平面成像到光電探測器裝置388上(例如，緊鄰測量光散射元件370或370’)。如上所示，光電探測器裝置388包括多個(gè)光電探測器388-X或388’ -X并且被構(gòu)造來感應(yīng)所成像的多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X或51’ -X中每個(gè)的強(qiáng)度以及根據(jù)所感應(yīng)的強(qiáng)度輸出指示測量位置的多個(gè)信號60。在一些實(shí)施方案中，遠(yuǎn)程透鏡部分384可被構(gòu)造來提供所要量的圖像模糊；幫助空間均化或模糊其所輸出的光的圖案使得光電探測器裝置388上成像強(qiáng)度區(qū)域各自更均勻。如上文所示，測量光散射元件370可用于散射或另外散射測量光50和50’使得其可由感應(yīng)部分382沿著多個(gè)可能的成像路徑成像。即在沒有散射元件370的情況下，在某些實(shí)施方案中，穿過相位信號部分360和360’的光線可沿著其原始“筆直”路徑繼續(xù)并且可能缺少感應(yīng)部分382或使其調(diào)準(zhǔn)更困難，尤其在其相距數(shù)十或數(shù)百毫米的情況下。在一個(gè)替代實(shí)施方案中，透鏡裝置可用于取代測量光散射元件370的漫射體，其中感應(yīng)部分382能夠從多個(gè)角度觀看透鏡裝置并且仍接收測量光。如上所示，測量光程部分350 (和/或350’)可接收來自標(biāo)尺光柵80的干涉光40 (和/或40’)并且沿著第二 (和/或第三)路徑輸出測量光50 (和/或50’)到遠(yuǎn)程透鏡部分384。應(yīng)當(dāng)明白，由于遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)380遠(yuǎn)程地定位，所以第二(和/或第三)路徑可具有長度D2，所述長度D2明顯比無源讀頭310與標(biāo)尺光柵80之間的間隔距離Dl和/或無源讀頭310本身外殼內(nèi)的任意光程長度更長(例如，至少長5倍)。圖4是可用于無源讀頭的相位信號部分中的基板490的示例性實(shí)施方案的示意圖(例如，其可用于取代圖3所示的基板390)。在不同的示例性實(shí)施方案中，基板490上的元件包括類似于上文參考圖3所述的基板390上的元件的不同元件和操作原理?？偟膩碚f，除非下文另有描述，圖4中編號4XX的元件功能類似于圖3中編號3XX的相似元件(即，具有相同數(shù)字下標(biāo))。特別地說，相位信號部分460和460’可包括提供空間濾波器465-0至465-270和465’ -O至465’ -270的傾斜光阻元件，所述空間濾波器以功能與“非傾斜”光阻元件相當(dāng)?shù)姆绞竭\(yùn)行，如圖3的相位信號部分360和360’所示，所述“非傾斜”光阻元件通過離散相位偏移變化。為說明的目的，從光電探測器裝置488在感應(yīng)部分(未示出)中運(yùn)行的角度看，圖4示出了用疊加在每個(gè)空間濾波器區(qū)段465-X和465’ -X以及相徑461-X和461’ -X上用于圖示其操作調(diào)準(zhǔn)的虛線輪廓示意表示的代表性強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X和光電探測器區(qū)域488-X和488’ -X。即遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)相對于無源讀頭調(diào)準(zhǔn)使得對應(yīng)光電探測器區(qū)域488-X和488’ -X從相應(yīng)的對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X和51’ -X輸入測量光。對應(yīng)光電探測器區(qū)域488-X和488’ -X因此接收與標(biāo)尺光柵80的位置和確定其所接收的測量光的相位信號部分460-X和460’ -X (例如，空間濾波器區(qū)段465-X和465’ -X)的空間相位相關(guān)的強(qiáng)度信號。相位信號部分460和460’中所不的傾斜兀件相對于圖3中相位信號部分360和360’上所示的“非傾斜”元件的優(yōu)點(diǎn)在于傾斜元件不易受沿著Y軸方向的輕微未調(diào)準(zhǔn)影響。即檢測間距S與傾斜角組合確定不同相徑461-X和461’ -X的相對相位偏移，不涉及光電探測器區(qū)域488-X和488’ -X相對于每個(gè)空間濾波器區(qū)段465-X和465’ -X的整體調(diào)準(zhǔn)。相比之下，圖3的相位信號部分360和360’沿著Y軸方向的未調(diào)準(zhǔn)可能導(dǎo)致其信號落在其預(yù)期的光電探測器區(qū)域外，在鄰近的光電探測器區(qū)域中導(dǎo)致錯(cuò)誤信號或使預(yù)期的光電探測器區(qū)域中的信號減弱，或兩者。應(yīng)當(dāng)明白空間濾波器465-0至465-270和465’ -O至465’ -270中的傾斜光阻元件圖示了空間濾波器區(qū)段的光阻元件主要相對于測量光的周期圖案旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造。在一個(gè)更具體的實(shí)現(xiàn)中，光阻元件的周期圖案的至少一部分可具有包括相反傾斜度的區(qū)段的(如本領(lǐng)域中已知的)V形，所述相反傾斜度的區(qū)段因此相對于平行于測量軸的軸對稱，且因此可通過如圖4所示的相同傾斜度區(qū)段類推理解。在不同實(shí)施方案中，由光電探測器區(qū)域188-X和188’1、388-乂和388’-乂或488-父和488’ -X表示的光電探測器裝置中的光電探測器區(qū)域包括多個(gè)2D陣列的可尋址像素，其中促進(jìn)特定相位信號的像素地址可選擇作為校準(zhǔn)/調(diào)準(zhǔn)程序的部分。應(yīng)當(dāng)了解這樣一種構(gòu)造允許檢測器的機(jī)械調(diào)準(zhǔn)的更大靈活性(例如，在一些實(shí)施方案中因此可以近似)，因?yàn)椤皺z測器調(diào)準(zhǔn)”可在軟件中通過界定促進(jìn)特定相位信號的像素而實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)明白在一些實(shí)施方案中，測量光程部分可包括被定位來接收來自標(biāo)尺光柵的干涉光的放大裝置，其中干涉光包括具有第一較精細(xì)間距(例如，歸因于微小光柵間距，諸如I微米)的干涉條紋并且輸出包括具有第二較粗糙間距的干涉條紋的干涉光到測量光程部分的其余元件。例如，測量光程部分的其余元件在(例如，如上所述的)一些實(shí)施方案中可包括空間濾波器且較粗糙條紋(例如，諸如4、8或20微米或更大)可允許更經(jīng)濟(jì)和/ 或穩(wěn)健的空間濾波裝置。當(dāng)然，如果需要輸入較粗糙條紋(例如，40微米或100微米或更大)且輸出較精細(xì)條紋(例如，40微米或更小)，放大裝置可被構(gòu)造來提供分?jǐn)?shù)放大倍數(shù)(縮倍)。已知用于提供這類放大裝置的各種技術(shù)，例如根據(jù)美國專利3，796，498,5, 009, 506和美國專利申請公開2009/0279100A1 (其全文以引用的方式并入本文中)中所公開的教導(dǎo)的傳統(tǒng)和/或焦闌放大透鏡裝置和/或光柵系統(tǒng)。圖5是示出了使用包括測量光部分550的第三實(shí)施方案的無源讀頭510的光學(xué)編碼器構(gòu)造500的示例性實(shí)施方案的(沿著Y軸方向的)側(cè)視圖的示意圖，其可被視作示出了圖I的光學(xué)編碼器構(gòu)造100的一個(gè)示例性實(shí)施方案。光學(xué)編碼器500可視作相似于光學(xué)編碼器構(gòu)造300且可通過類推理解，主要與下述測量光部分550的第三實(shí)施例相關(guān)的區(qū)別除夕卜?？偟膩碚f，圖5中編號5XX的元件提供與圖3中編號3XX (即具有相同數(shù)字下標(biāo))的相似元件類似且許多元件和操作方面可通過類推理解并且不在下文中詳細(xì)描述。無源讀頭510包括光束偏轉(zhuǎn)器522使得輸入光程和輸出光程類似于圖3的編碼器構(gòu)造300沿著Y軸分隔開，且沿著X軸方向的端視圖(未示出)可相似于圖3的左部分所示。更具體地，源光30行進(jìn)到光束引導(dǎo)元件522，所述光束引導(dǎo)元件522將其沿著Y-Z平面中的傾斜路徑引導(dǎo)到標(biāo)尺光柵80，所述標(biāo)尺光柵80將其沿著Y-Z平面中的傾斜路徑反射，導(dǎo)致測量光50和50’沿著Y軸方向與源光30分隔開。如圖5所示，類似于圖3的相應(yīng)元件，無源讀頭510包括標(biāo)尺照明路徑部分520和測量光程部分550，而遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)580包括光源581和感應(yīng)部分582。光源581可類似于上述光源381運(yùn)行。感應(yīng)部分582包括遠(yuǎn)程透鏡部分584和光電探測器裝置588。無源讀頭510被配置來通過光束引導(dǎo)元件522輸入源光30并且沿著Y_Z平面按入射角輸出標(biāo)尺照明光35到標(biāo)尺光柵80。對此在圖5的下部分中更詳細(xì)示出無源讀頭510的某些元件。更具體地，雖然圖5的右上方部分示出了光學(xué)編碼器構(gòu)造500的側(cè)視圖(SP，沿著Y軸方向的視圖)，但是圖5的右下部分沿著如右上方部分中所界定的截面DD (B卩，沿著Z軸方向)示出了無源讀頭510的基板590上的某些元件的視圖。如圖5的右上方部分所示，在標(biāo)尺照明路徑部分520中，源光30到達(dá)照明分束器523，諸如定位在基板590上的源光柵，其具有提供標(biāo)尺光35的多個(gè)衍射級(例如，35-0 O級、35-Ρ+1級、35-Μ-1級)光束到標(biāo)尺光柵80的照明光柵間距IGP。或者，可使用功能類似的折射元件取代源光柵。標(biāo)尺光柵80被配置來接收標(biāo)尺照明光35并且在X-Y平面中按一個(gè)角度反射或輸出干涉光40到無源讀頭510，其中干涉光的空間相位取決于無源讀頭510相對于標(biāo)尺光柵80的測量位置。在圖5所示的特定實(shí)施方案中，標(biāo)尺照明光35的多個(gè)光束(例如，35-0 O級、35-M-1級)由標(biāo)尺光柵80衍射以提供輸入到測量光部分550的干涉光40的多個(gè)光束(例如，來自衍射35-0光束的40-0和來自衍射35-M光束的40-M)。測量光部分550的第三實(shí)施方案分別不同于上述第一實(shí)施方案150和第二實(shí)施方案350運(yùn)行。雖然干涉光40可包括緊鄰標(biāo)尺光柵80的干擾條紋，但是這些不直接使用。實(shí)際上，干涉光40的衍射光線40-0和40-M輸入到測量光程部分550的相位信號部分560中所包括的組合光柵560CG。選擇組合光柵560CG的光柵間距PCG使得其輸出平行于來自輸入衍射光線40-M的“未衍射”輸出分量的輸入衍射光線40-0的進(jìn)一步衍射分量，以形成測量光分量50-A。這些平行分量干涉測量光分量50-A。由于其平行，所以測量光分量50-A不含大的條紋結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，其提供所要的強(qiáng)度區(qū)域而無需額外的空間濾波，且強(qiáng)度區(qū)域的 強(qiáng)度取決于其平行輸出分量的相對空間相位，所述相對空間相位接著取決于隨標(biāo)尺光柵80的測量位置而變化的干涉光的空間相位。類似地，組合光柵560CG輸出平行于來自輸入衍射光線40_0的“未衍射”輸出分量的輸入衍射光線40-M的進(jìn)一步衍射分量以形成測量光分量50-B。這些平行分量干涉測量光分量50-B。由于其平行，所以測量光分量50-B不含大的條紋結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，其提供所要的強(qiáng)度區(qū)域而無需額外的空間濾波，且強(qiáng)度區(qū)域的強(qiáng)度取決于其平行輸出分量的相對空間相位，所述相對空間相位接著取決于隨標(biāo)尺光柵80的測量位置而變化的干涉光的空間相位。偏轉(zhuǎn)器元件DEFL可將測量光分量50-B偏轉(zhuǎn)以朝向遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)580輸出。在這樣一種情況下，在一些實(shí)施方案中，測量光散射元件570可以是選用的或可以省略，前提是(例如，如下文所述)測量光分量50-A和50-B可維持與光電探測器裝置588的相應(yīng)元件調(diào)準(zhǔn)?；蛘撸谝恍?shí)施方案中，當(dāng)包括測量光散射元件570時(shí)，偏轉(zhuǎn)器DEFL可以是選用的或可以省略，因?yàn)楦鶕?jù)上述原理測量光散射元件570本身允許由測量光分量50-B提供的強(qiáng)度區(qū)域通過感應(yīng)部分582從不同角度成像。應(yīng)當(dāng)明白相位信號部分560可包括多個(gè)相徑561-X (每個(gè)具有相應(yīng)的組合光柵560CG-0至560CG-270)，所述相徑561-X輸入干涉光40并且輸出測量光50中的相應(yīng)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X。強(qiáng)度區(qū)域具有與輸入干涉光40的空間相位和相應(yīng)相徑的相位偏移相關(guān)的平均強(qiáng)度。每個(gè)相徑的相位偏移取決于無源讀頭510中的不同光柵間距和/或不同組合光柵560CG-0至560CG-270的空間相位偏移(相對放置)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過基于分析或?qū)嶒?yàn)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所要的相位偏移。例如，與設(shè)計(jì)分析相關(guān)的教導(dǎo)可見美國專利4，776，701，其全文以引用的方式并入本文中。在一個(gè)實(shí)施方案中，如上所述，組合光柵560CG-0至560CG-270固定到基板590并且具有配置成可按所要衍射角度運(yùn)行的組合光柵間距PCG的光阻元件。如本文所述，不同強(qiáng)度區(qū)域51-X提供可被感應(yīng)和處理以提供位置指示信號的輸出測量光50。為說明的目的，從光電探測器裝置588在感應(yīng)部分582中運(yùn)行的角度看，圖5示出了用疊加在每個(gè)相徑561-X中每個(gè)組合光柵560CG-X上用于圖示其操作調(diào)準(zhǔn)的虛線輪廓示意表示的代表性強(qiáng)度區(qū)域51-X和光電探測器區(qū)域588-X。即遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)580相對于無源讀頭510調(diào)準(zhǔn)使得對應(yīng)光電探測器區(qū)域588-X從相應(yīng)的對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X輸入測量光。對應(yīng)光電探測器區(qū)域588-X因此接收與標(biāo)尺光柵80的位置并且確定其所接收的測量光的相位信號部分560-X (例如,組合光柵560CG-X)的空間相位相關(guān)的強(qiáng)度信號。如上所述，遠(yuǎn)程透鏡部分584被配置來輸入測量光50并且提供多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的圖像到光電探測器裝置588。在一個(gè)實(shí)施方案中，遠(yuǎn)程透鏡部分584使大致在相位信號部分560的輸出端上的平面成像到光電探測器裝置588上(例如，緊鄰測量光散射元件570的輸出表面)。如上所示，光電探測器裝置588包括多個(gè)光電探測器588-X并且被構(gòu)造來感應(yīng)所成像的多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域51-X中每個(gè)的強(qiáng)度以及基于所感應(yīng)的強(qiáng)度輸出指示測量位置的多個(gè)信號60。在一些實(shí)施方案中，遠(yuǎn)程透鏡部分584可被構(gòu)造來提供所要量的圖像模糊，以幫助空間均化或模糊其所輸出的光中的圖案使得光電探測器裝置588上成像強(qiáng)度區(qū)域各自更均勻。 圖6是偏轉(zhuǎn)器元件635鄰近無源讀頭610的光學(xué)編碼器構(gòu)造600的示例性實(shí)施方案的不意圖，其中輸入光程和輸出光程大致平行于測量軸方向。在一個(gè)實(shí)施方案中，偏轉(zhuǎn)器兀件635包括在無源讀頭610的外殼中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，偏轉(zhuǎn)器兀件635簡單地調(diào)準(zhǔn)和安裝成相對于無源讀頭610的固定關(guān)系。應(yīng)當(dāng)明白圖6所示的特定實(shí)施方案僅旨在作為示例性的且非限制性的。在不同的示例性實(shí)施方案中，光學(xué)編碼器構(gòu)造600包括類似于上文參考圖2所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造200的不同元件和操作原理?？偟膩碚f，圖6中編號6XX的元件提供類似于圖2中編號2XX的相似元件(即，具有相同數(shù)字下標(biāo))的功能；因此，在下文描述中僅強(qiáng)調(diào)明顯的差異。在一個(gè)特定的示例性實(shí)現(xiàn)中，遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)680、偏轉(zhuǎn)器元件635和無源讀頭610固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，而?biāo)尺光柵80在測量操作期間沿著X軸方向移動。這樣一種光學(xué)編碼器構(gòu)造可類似于上文參考圖2所述運(yùn)行。在另一個(gè)特定的示例性實(shí)現(xiàn)中，標(biāo)尺光柵80和遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)680固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫鵁o源讀頭610和偏轉(zhuǎn)器元件625在測量操作期間移動。在這樣一種實(shí)現(xiàn)中，如下文進(jìn)一步參考圖7所述，光學(xué)編碼器構(gòu)造600可根據(jù)上述原理運(yùn)行，除了遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)683的成像元件684必須根據(jù)用于聚焦和放大的已知技術(shù)來構(gòu)造和主動控制，以使緊鄰測量光部分650和650’(例如，緊鄰測量光散射元件670或670’的輸出表面)的測量光50適當(dāng)成像并且配合和/或調(diào)準(zhǔn)上述光電探測器上的強(qiáng)度區(qū)域，而不涉及相距測量光部分650和650’的變化距離。在一個(gè)實(shí)施方案中，為促進(jìn)這樣一種實(shí)現(xiàn)中的穩(wěn)健操作，光電探測器裝置688中的光電探測器區(qū)域的間隔和/或大小和/或相位信號部分460和460’中的相徑的間隔和大小可相對于上述實(shí)施方案增大，使得調(diào)準(zhǔn)和聚焦要求不那么苛刻。但是，這在一些實(shí)施方案中并不是必需的。應(yīng)當(dāng)明白上述實(shí)施方案僅是示例性的且非限制性的。例如，圖6公開使用類似于圖2所示的無源讀頭裝置的實(shí)施方案?；蛘?，使用類似于圖3所示的無源讀頭裝置的實(shí)施方案可行。在這樣一種情況下，遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)可相對于圖6所示圍繞X軸旋轉(zhuǎn)90度，而遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)680中所示的分光鏡因輸入路徑和輸出路徑沿著Y軸方向彼此偏移而可省略。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本文所包括的教導(dǎo)可明白提供大致平行于測量軸方向的輸入光程和輸出光程的其它實(shí)施方案。圖7是包括適用于取代圖6的遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)680中的感應(yīng)部分682的動態(tài)跟蹤系統(tǒng)的感應(yīng)部分782的示例性實(shí)施方案的示意圖?？偟膩碚f，圖7中編號7XX的元件提供類似于圖6中的編號6XX和/或圖3中編號3XX的相似元件(即，具有相同數(shù)字下標(biāo))的功能，因此，在下文描述中僅強(qiáng)調(diào)明顯差別。如圖7所示，感應(yīng)部分782與測量光(路徑或光線)50A至50D (其可對應(yīng)于上述單獨(dú)的強(qiáng)度區(qū)域751A至751D)調(diào)準(zhǔn)。感應(yīng)部分782包括可包括縮放和/或自動聚焦透鏡裝置和啟動器以及根根據(jù)已知原理構(gòu)造的控制部分784’(例如，如果需要，市售裝置)的遠(yuǎn)程自動聚焦透鏡部分784、分光鏡785、光電探測器裝置788、自動聚焦光圈786和一組自動聚焦檢測器789A至789D。在一個(gè)實(shí)施方案中，檢測器789A至789D可包括正交檢測器或PSD等。在運(yùn)行期間，對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域751A至751D沿著對應(yīng)路徑輸出測量光750A至750D到感應(yīng)部分782的遠(yuǎn)程自動聚焦透鏡部分784。遠(yuǎn)程自動聚焦透鏡部分784被配置來輸入測量光750A至750D并且通過自動聚焦光圈786提供對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域751A至751D的圖像到檢測器 789A 至 789D。
檢測器789A至789D被構(gòu)造來感應(yīng)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域751A至751D的每個(gè)圖像的強(qiáng)度和/或位置并且輸出指示聚焦程度(例如，其在檢測器上的相應(yīng)點(diǎn)位置和點(diǎn)大小)的信號CS。自動聚焦透鏡部分784的控制部分784’輸入信號CS并且控制支配透鏡構(gòu)造以使對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域750A至750D的影像聚焦在檢測器789A至789D上的啟動器。同時(shí)，分光鏡785引導(dǎo)測量光750A至750D的一部分以在光電探測器裝置788上提供對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域750A至750D的聚焦圖像，光電探測器裝置788如上所述提供指示測量位置的信號。在一個(gè)替代實(shí)施方案中，單獨(dú)的自動聚焦信號區(qū)域可設(shè)置在無源讀頭的輸出端上，其中(例如，來自由遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)的光源照明的無源讀頭上的特殊標(biāo)的產(chǎn)生的反射的)信號總是強(qiáng)烈的。在另一個(gè)替代的實(shí)施方案中，來自光電探測器裝置788的信號可由聚焦信號產(chǎn)生電路或程序處理以提供可由自動聚焦透鏡部分784的控制部分784’使用的控制信號。例如，如果光電探測器裝置788包括2D像素陣列，那么當(dāng)強(qiáng)度區(qū)域751A至751D的圖像展現(xiàn)有關(guān)有限數(shù)量的像素的最高強(qiáng)度時(shí)，可確定聚焦。應(yīng)當(dāng)了解聚焦系統(tǒng)的上述實(shí)施方案只是例示性的且非限制性的?？墒褂没谝阎夹g(shù)的不同動態(tài)自動聚焦和/或縮放方法。雖然已說明并且描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本公開可顯而易知所說明和描述的特征配置和操作順序的許多變化。因此，應(yīng)當(dāng)明白可在其中進(jìn)行許多改變而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)編碼器構(gòu)造，其包括 標(biāo)尺光柵，其包括沿著測量軸方向延伸的周期光柵圖案； 無源讀頭，其定位為緊鄰所述標(biāo)尺光柵，其中所述標(biāo)尺光柵和所述無源讀頭之一可沿著所述測量軸方向相對于另一個(gè)移動到多個(gè)測量位置，所述無源讀頭包括標(biāo)尺照明路徑部分和測量光程部分；和 遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)，其包括光源和感應(yīng)部分，所述感應(yīng)部分包括遠(yuǎn)程透鏡部分和光電探測器裝置，其中 所述遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)遠(yuǎn)程從所述無源讀頭配置以沿著第一路徑輸出源光到所述無源讀頭，所述無源讀頭被配置來輸入所述源光并且從所述標(biāo)尺照明路徑部分輸出標(biāo)尺照明光到所述標(biāo)尺光柵； 所述標(biāo)尺光柵被配置來接收所述標(biāo)尺照明光并且輸出干涉光到所述無源讀頭，所述干涉光的空間相位取決于所述測量位置； 所述無源讀頭被配置成使得所述測量光程部分接收來自所述標(biāo)尺光柵的所述干涉光，并且沿著第二路徑輸出包括多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的測量光到所述遠(yuǎn)程透鏡部分，其中所述測量光程部分包括包括輸入所述干涉光并且提供相應(yīng)的對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的多個(gè)相徑的相位信號部分，其中所述相徑具有相應(yīng)的相位偏移并且被構(gòu)造成使得每個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的強(qiáng)度與所述輸入干涉光的所述空間相位和所述相應(yīng)的相徑的所述相位偏移相關(guān)； 所述遠(yuǎn)程透鏡部分被配置來輸入所述測量光并且提供所述多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的影像到所述光電探測器裝置；且 所述光電探測器裝置被構(gòu)造來感應(yīng)所述成像的多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域中每個(gè)的強(qiáng)度并且根據(jù)所感應(yīng)到的強(qiáng)度輸出指示所述測量位置的多個(gè)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述相位信號部分包括光阻元件以一定間距配置成周期圖案的空間濾波器，所述間距可操作用于對所述測量光進(jìn)行空間濾波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述光阻元件的所述周期圖案的至少一部分相對于所述測量光的所述周期圖案旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述光阻元件具有相對于平行于所述測量軸的軸對稱的V形。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述無源讀頭包括基板且所述空間濾波器固定到所述基板且所述標(biāo)尺照明光透射穿過所述基板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述標(biāo)尺照明路徑部分包括輸入所述源光并且輸出包括衍射級的標(biāo)尺光的源光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述源光柵在所述基板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述相位信號部分包括具有光柵元件以一定間距配置為周期圖案的至少一個(gè)組合光柵，所述間距可操作用于輸入來自所述標(biāo)尺光柵的所述干涉光的光線并且沿著平行路徑輸出所述干涉光的各種不同衍射級的所述光線，使得所述平行光線干涉以提供從每個(gè)相徑輸出的相應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述無源讀頭包括基板且所述光柵元件固定到所述基板且所述標(biāo)尺照明光透射穿過所述基板。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述測量光程部分包括被定位來接收來自所述相位信號部分的光并且輸出所述測量光的測量光散射元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述測量光散射元件包括漫射體和磷光體顆粒層中的至少一個(gè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述第二路徑比所述無源讀頭與所述標(biāo)尺光柵之間的間隔距離和所述無源讀頭的最大尺寸中至少一個(gè)更長。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述第二路徑比所述無源讀頭與所述標(biāo)尺光柵之間的間隔距離和所述無源讀頭的所述最大尺寸中至少一個(gè)長至少五倍。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述第二路徑包括與圍繞所述無源讀頭的外罩相關(guān)聯(lián)的透明材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述無源讀頭包括被構(gòu)造來接收來自所述標(biāo)尺光柵的所述干涉光的放大裝置，其中所述干涉光包括具有第一間距的干涉條紋，并且所述放大裝置還用于輸出包括具有第二間距的干涉條紋的干涉光到所述測量光程·部分的兀件。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述無源讀頭包括偏轉(zhuǎn)器元件，所述偏轉(zhuǎn)器元件接收所述源光并且將其按相對于所述標(biāo)尺光柵的入射角橫向于所述測量軸方向引導(dǎo)。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述無源讀頭和遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)定位在單獨(dú)的外殼中。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述無源讀頭包括偏轉(zhuǎn)器元件，所述偏轉(zhuǎn)器元件沿著所述測量軸方向接收所述源光并且將其朝向所述標(biāo)尺光柵引導(dǎo)，并且沿著橫向于所述測量軸方向的方向接收所述測量光且將其沿著所述測量軸方向朝向所述遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)弓I導(dǎo)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光學(xué)編碼器構(gòu)造，其中所述遠(yuǎn)程透鏡部分包括自動聚焦裝置，其中在測量操作期間，所述讀頭相對于所述遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)和所述標(biāo)尺移動，且所述自動聚焦裝置被構(gòu)造來向所述光電探測器裝置提供所述多個(gè)對應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域的自動聚焦影像。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有無源讀頭的光學(xué)編碼器系統(tǒng)。所述無源讀頭沒有附接的線纜，并且是全光學(xué)讀頭，其中通過直接視線光學(xué)傳輸遠(yuǎn)程將相對于標(biāo)尺的測量位置信息讀取到遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)。所述遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)包括光源和感應(yīng)部分。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述感應(yīng)部分可包括遠(yuǎn)程透鏡部分和光電探測器裝置。所述遠(yuǎn)程配套系統(tǒng)被構(gòu)造來光學(xué)感應(yīng)來自所述無源讀頭的成像區(qū)域的強(qiáng)度，并且根據(jù)所感應(yīng)到的強(qiáng)度輸出指示所述測量位置的多個(gè)信號。
文檔編號G01B11/02GK102853855SQ20121022758
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者J.D.托比亞森 申請人:株式會社三豐