專利名稱：絕對式光學(xué)編碼器的刻度軌跡結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及精密測量設(shè)備，尤其涉及具有可以依賴于多個光學(xué)感測原理的多 個刻度軌跡(scale track)的絕對式光學(xué)編碼器。
背景技術(shù)：
增量式位置編碼器利用以下刻度結(jié)構(gòu)該刻度結(jié)構(gòu)允許通過從沿刻度的起始點(diǎn)開 始累積位移的增量單位來確定讀取頭相對于該刻度的位移。這種編碼器適用于特定應(yīng)用， 特別是可以獲得線路功率的應(yīng)用。然而，在低功耗裝置中使用編碼器等的特定應(yīng)用中，更期 望使用絕對式位置編碼器。該絕對式位置編碼器在沿刻度的各位置處提供唯一的輸出信號 或信號的組合。絕對式位置編碼器不要求連續(xù)累積增量位移以識別位置。因而，絕對式位 置編碼器允許各種功率節(jié)約方案。已知使用各種電容、感應(yīng)或光學(xué)感測技術(shù)的各種絕對式 位置編碼器。 絕對式編碼器的優(yōu)點(diǎn)的最重要的指標(biāo)之一是(范圍/分辨率)、即裝置的最大容許 絕對測量范圍與有意義的測量分辨率和/或精確度的比。將此稱為"范圍_分辨率比"。
—些編碼器通過使用與刻度平行移動的多個二進(jìn)制碼軌跡實(shí)現(xiàn)了高的范圍_分 辨率比。通常由刻度的寬度來限制該技術(shù)的范圍，該刻度的寬度確定可制造的二進(jìn)制碼軌 跡的數(shù)量。此外，粗糙的二進(jìn)制感測通常限制了分辨率。該技術(shù)通常對于在致密編碼器中 期望的窄的刻度而言不是最優(yōu)的。將認(rèn)識到，可以將最低有效位(least significant bit, LSB) 二進(jìn)制碼軌跡看作為"細(xì)微波長"增量軌跡，因?yàn)樵摱M(jìn)制碼軌跡以LSB的"細(xì)微"空 間分辨率重復(fù)，并且除非與提供更高有效碼位的軌跡組合使用，否則僅提供增量位移信息 (即，僅提供周期非絕對信號)。這是在大多數(shù)高分辨率絕對式編碼器(例如，提供微米級 的分辨率的編碼器)中使用的細(xì)微波長軌跡的特性。因而，在許多絕對式編碼器中，還可以 將該細(xì)微波長軌跡(細(xì)微軌跡)稱為增量軌跡。 與"全二進(jìn)制"技術(shù)相比較，一些編碼器通過使用提供與波長相關(guān)的模擬信號的技 術(shù)、然后測量該模擬信號直至其范圍的一小部分來提高細(xì)微軌跡的分辨率，以提供比細(xì)微 波長更細(xì)微的分辨率，并由此擴(kuò)展絕對式編碼器的范圍_分辨率比。將此一般稱為信號插 值，并且將細(xì)微波長相對于所得的測量分辨率的比稱為插值比。根據(jù)所使用的技術(shù)以及用 于提供管理信噪(S/N)比的精確部件和組件的支出水平，高達(dá)100、300或甚至1000以上的 實(shí)際信號插值比都是可能的。然而，一般而言，大于約100的插值比可能要求所需要的精確 部件和組件的極大額外費(fèi)用。此外，如果要求亞微米分辨率，則細(xì)微軌跡的波長可以是約40 微米以下的級別。5個額外二進(jìn)制軌跡將僅帶來有限用途的多達(dá)約1. 3毫米的關(guān)聯(lián)范圍。 因而，該技術(shù)一般對于結(jié)合高分辨率(例如，微米級別)的窄的刻度不是最佳的。
為了克服該限制，一些編碼器放棄二進(jìn)制軌跡并且在附加的刻度軌跡上使用信號 插值?？梢詫⑦@種軌跡稱為絕對刻度軌跡(絕對軌跡)。將認(rèn)識到，這種信號插值在細(xì)微波 長的正負(fù)一半內(nèi)必須具有分辨能力和重復(fù)性，以分辨由細(xì)微軌跡所提供的周期信號的模糊 性。 一些編碼器使用在整個測量范圍內(nèi)單調(diào)(例如，線性)變化的絕對軌跡。然而，假定約40微米以下的細(xì)微軌跡波長以及約100以上的插值比，則這種絕對軌跡自己將帶來有限用 途的僅多達(dá)2 10毫米的關(guān)聯(lián)絕對測量范圍。 為了克服該限制，一些編碼器使用具有比細(xì)微軌跡長得多的空間波長的至少兩個 附加絕對軌跡。為了方便，可以將這些波長稱為絕對波長和/或中等波長和/或粗糙波長， 以將它們與細(xì)微波長區(qū)分開并且/或者強(qiáng)調(diào)它們的功能。作為一個例子，使用已知的感測 技術(shù)(例如，光學(xué)感測技術(shù))，從具有略微不同的中等波長的兩個絕對軌跡得到周期模擬信 號(例如，正弦信號或類似處理輸出等)。根據(jù)已知關(guān)系，兩個模擬信號之間的空間相位差 在與中等波長的乘積成正比并且與中等波長的差的絕對值成反比的距離上改變了 360度。 可以將該距離稱為粗糙合成波長或粗糙波長，并且該距離大致為裝置的絕對測量范圍。來 自中等軌跡的信號之間的相位差提供相對于粗糙分辨率的絕對位置?？梢詫⒋朔Q為粗糙位 置。粗糙位置分辨率和/或精確度必須位于中等波長其中之一的近似正負(fù)一半內(nèi)，以消除 由中等軌跡所提供的周期信號的模糊度，從而可靠地識別與位置相對應(yīng)的中等波長的特定 周期?？梢詫碜灾械溶壽E的周期信號進(jìn)行插值，以提供相對于比粗糙分辨率好的中等分 辨率的絕對位置?？梢詫⒋朔Q為中等位置。中等位置分辨率和/或精確度必須位于一個 細(xì)微波長的近似正負(fù)一半內(nèi)，以消除由細(xì)微軌跡所提供的周期信號的模糊度，從而可靠地 識別與位置相對應(yīng)的細(xì)微波長的特定周期?？梢詫碜约?xì)微軌跡的周期信號進(jìn)行插值，以 向裝置的絕對位置提供最終細(xì)微分辨率和/或精確度。根據(jù)前述說明，假定細(xì)微軌跡波長 是約40微米以下，并且對于粗糙合成波長和中等波長兩者，插值比是約100，則這種絕對軌 跡結(jié)構(gòu)將帶來在大量應(yīng)用(例如，指示器、線性量規(guī)和旋轉(zhuǎn)型編碼器等)中有用的多達(dá)約 100毫米的關(guān)聯(lián)絕對測量范圍。前述技術(shù)一般是已知的，并且與各種相關(guān)編碼器結(jié)構(gòu)和/ 或信號處理有關(guān)的附加詳情在各種絕對式編碼器和絕對式干涉儀專利中可以容易地獲得。 可以將前述技術(shù)稱為合成粗糙波長絕對測量技術(shù)(SCWAM(synthetic coarse wavelength absolute measurement)技術(shù))。 美國專利3， 882， 482、5， 965， 879、5， 279， 044、5， 886， 519、5， 237， 391、5， 442， 166、 4， 964， 727、4， 414， 754、4， 109， 389、5， 773， 820和5， 010， 655(下文中稱為'655專利)公開 了包括以上所概述的與絕對式編碼器相關(guān)的各種編碼器結(jié)構(gòu)和/或信號處理技術(shù)，這些專 利的內(nèi)容在此通過引用全部包含于此。然而，現(xiàn)有技術(shù)未能教導(dǎo)能夠提供絕對式編碼器的 用戶所期望的范圍-分辨率比、高分辨率、緊湊大小、耐用性和成本的特定組合的結(jié)構(gòu)。期 望能夠提供這種組合的改進(jìn)后的絕對式編碼器的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
提供該部分從而以簡單形式介紹以下將在具體實(shí)施方式
部分中進(jìn)一步描述的概 念的選擇。該部分既不意圖明確所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征，也不意圖用作在確定所要 求保護(hù)的主題的范圍時的輔助。 本發(fā)明涉及能夠提供范圍_分辨率比、高分辨率、緊湊大小、耐用性及制造和組裝 成本的改進(jìn)組合的改進(jìn)后的絕對式編碼器結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明的各種特征克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。本申請的現(xiàn)有技術(shù)圖1A 1C與先前并 入的'655專利的圖2 4相對應(yīng)。如在'655專利中所述，結(jié)合用于確定位置的增量軌跡， 使用單絕對控制軌跡(例如，提供單調(diào)變化的模擬輸出的軌跡)，并且圖1A 1C各自示出單控制軌跡的可能圖案。圖1A示出具有沿刻度延伸并且從刻度的左端向右端逐漸變細(xì)的 條的圖案的控制軌跡，使得光通過該圖案的透射沿軌跡以模擬形式(例如，線性地)變化。 圖1B示出具有類似效果的、具有大小沿刻度變化的點(diǎn)的圖案的控制軌跡。圖1C示出具有 類似效果的、包括具有均勻間隔但其各自的寬度作為其沿刻度的位置的函數(shù)而變化的條的 另一圖案的控制軌跡。如前所示，這種單模擬控制軌跡在與波長為40微米的增量軌跡組合 使用時，極有可能提供約僅幾毫米的測量范圍。因而，這種結(jié)構(gòu)不適合于實(shí)際的高分辨率絕 對式編碼器。'655專利啟示在一些情況下，不得不重復(fù)控制軌跡圖案以延長范圍。然而，這 僅是啟示，并未實(shí)現(xiàn)。特別地，根據(jù)此處的前述討論，組合40微米的細(xì)微波長，圖1A 1C 的圖案將需要具有沿測量軸的約2毫米的長度。這提出了在'655專利中沒有提到的顯著 的制造、檢測和信號處理問題。例如，首先，為了在2毫米范圍內(nèi)近似圖1A 1C的圖案，顯 然要求小的特征大小(約10微米)、以及在大小上沿刻度約每20微米1% (例如，沿刻度 每20微米0. l微米)的受控變化。與一般增量刻度軌跡的制造要求相比該要求更加苛刻， 由此可能顯著增加刻度制造成本。第二，這種特征大小可能產(chǎn)生不期望的衍射效應(yīng)，特別在 各重復(fù)的圖案的端部附近(發(fā)生急劇的特征寬度或密度轉(zhuǎn)變的地方)，這引起信號噪聲并 降低S/N比，降低了可靠的插值比。第三，如果沒有仔細(xì)地控制到檢測器和光源的間隙，則 這種小的特征大小可能對模糊變化敏感?？梢云谕欢康哪：Ｌ嗟哪：龑⑹筍/N比 下降，而太少的模糊將向檢測到的信號引入不期望的空間頻率。這些或類似的絕對軌跡圖 案沒有提出這些考慮中的任何考慮。由于這些和其它原因，圖1A 1C的圖案沒有完善到 足以同時提供高分辨率(例如，約微米以下)和良好的范圍-分辨率比。
在1989年9月的Hewlett Packard Journal, Vol. 31， No. 9中說明了能夠提供 適用于絕對軌跡的模擬型信號的另一現(xiàn)有技術(shù)軌跡圖案。本申請的圖2與HP Journal的 圖7A相對應(yīng)。如圖2所示，正弦軌跡圖案200由布置在角度編碼盤上的第一圖案邊界TP1 和第二鏡像軌跡邊界TP2所限制。通過或繞過正弦軌跡圖案200照亮一系列的光電二極 管IL1 IL4。通過圖案200到達(dá)在圖案200的空間波長上均勻間隔開的各個光電二極管 IL1 IL4的照明量生成不同的光電流，可對該光電流進(jìn)行比較，使得能夠例如根據(jù)已知的 "正交信號"處理方法，絕對確定在圖案的一個波長內(nèi)相對于二極管陣列的位置。圖2示出 了該圖案軌跡的缺點(diǎn)。線201和202外部的各個光電二極管IL1 IL4的區(qū)域基本是浪 費(fèi)區(qū)域。然而，在圖2的結(jié)構(gòu)中，必須提供該區(qū)域以允許由于制造和組裝偏差等導(dǎo)致的未對 準(zhǔn)。通常，由于光電二極管IC具有非常高的單位面積成本并且由于其它原因，相對于期望 的正弦信號振幅盡可能地減小光電二極管IC的大小將是優(yōu)選的。然而，如果沒有提供該區(qū) 域并且光電二極管的末端位于軌跡圖案200內(nèi)，則檢測器上照明區(qū)域的變化將不是位置的 正弦函數(shù)(例如，函數(shù)的峰值可能被截切)，因此輸出信號將不會展現(xiàn)出期望或預(yù)期的相對 于位置的正弦變化，這破環(huán)了有意義的信號插值?？梢詫⑵谕恼逸敵?作為位置的函 數(shù))的這種和其它失真稱為丟失正弦信號保真度(fidelity)，或簡稱為丟失正弦保真度。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，一般而言，由于期望的信號處理優(yōu)勢，正弦輸出信號用于編碼器中的 信號插值。然而，正弦信號保真度可能因以下內(nèi)容而減小光學(xué)噪聲(例如，雜散光、不均勻 光或不想要的衍射效應(yīng))、電子噪聲、不精確的圖案或?qū)?zhǔn)或相對運(yùn)動(例如，沿Y軸的運(yùn)動 或未對準(zhǔn))以及空間諧波信號成分(例如，通過線性檢測器的方波圖案產(chǎn)生作為位置的函 數(shù)的包括顯著的空間諧波含量的梯形照明區(qū)域變化)。幾個有利的信號插值方法(例如，已
8知的正交信號插值方法)假定理想正弦信號，并且正弦保真度的丟失直接影響它們的插值 精確度和所得的插值比。因而，為了 (例如，通過使用非常少的絕對軌跡)以盡可能小的大 小可靠地提供具有可能的最佳范圍_分辨率比的絕對式編碼器，在全部預(yù)期的未對準(zhǔn)和操 作變化下維持可能的最佳正弦保真度是必要的。在其它優(yōu)勢中，與在現(xiàn)有技術(shù)中所述的技 術(shù)相比較，特別是針對在實(shí)際和經(jīng)濟(jì)裝置中可能預(yù)期的各種未對準(zhǔn)和操作變化下提供魯棒 和精確的操作，以下概述的創(chuàng)造性結(jié)構(gòu)在正弦保真度方面提供極大提高。本創(chuàng)造性結(jié)構(gòu)可 以提供具有良好的范圍_分辨率比的特別經(jīng)濟(jì)且緊湊的裝置。 在根據(jù)本發(fā)明的各個實(shí)施例中，用于絕對式位置感測裝置的編碼器結(jié)構(gòu)包括照 明部；刻度元件，其包括包含細(xì)微軌跡圖案和至少第一絕對軌跡圖案的絕對刻度圖案；以 及檢測器電子裝置。各個軌跡圖案用于接收來自照明部的光，并沿各自的光路將各自的空 間調(diào)制光圖案輸出至檢測器電子裝置的各對應(yīng)檢測器部(例如，細(xì)微軌跡檢測器部和至少 第一絕對軌跡檢測器)?？梢愿鶕?jù)已知技術(shù)配置細(xì)微軌跡圖案及其相應(yīng)的檢測器部。在各 個實(shí)施例中，絕對軌跡檢測器部可以配置有沿與測量軸方向垂直的Y方向具有Y方向邊緣 間尺寸YDETABS1的各個光檢測器區(qū)域，并且這些光檢測器區(qū)域可用于對所接收到的空間 調(diào)制光圖案進(jìn)行空間濾波，并輸出多個分別具有各自的空間相位的位置指示信號。根據(jù)本 發(fā)明的一個方面，絕對軌跡圖案包括沿測量軸方向延伸的幾何全等子軌跡部，并且?guī)缀稳?等子軌跡部被布置成如果幾何全等子軌跡部之一沿Y方向平移尺寸YDETABS1，則幾何全等 子軌跡部將標(biāo)稱重合。此外，幾何全等子軌跡部可以進(jìn)一步被配置成幾何全等子軌跡部沿 Y方向間隔尺寸YCENT，并且YCENT小于YDETABS1，并且?guī)缀稳茸榆壽E部各自具有Y方向 尺寸YTOL，使得尺寸量[YCENT+2 (YT0L)]大于YDETABS。因而，用于感測絕對軌跡的檢測器 部可能在Y方向上窄于絕對軌跡圖案，但由于光檢測器的端部各自標(biāo)稱位于幾何全等子軌 跡部上(以感測幾何全等光圖案)，因此所檢測到的信號不受沿Y方向的檢測器部的未對準(zhǔn) 的影響。將認(rèn)識到，較窄的檢測器部更加經(jīng)濟(jì)，并且還可以方便緊湊的裝置。
盡管檢測器窄于絕對軌跡，但以上概述的原理在配置絕對軌跡的各圖案部方面提 供了前所未有的自由度。在各個實(shí)施例中，絕對軌跡圖案包括圖案化信號變化部，該圖案化 信號變化部被配置成圖案化信號變化部的面積與x的具有空間波長的周期函數(shù)相對應(yīng)地 變化，其中，x表示沿測量軸方向的x坐標(biāo)位置。在各個實(shí)施例中，有利地，周期函數(shù)可以是 準(zhǔn)正弦函數(shù)(例如，三角波函數(shù)或梯形波函數(shù)等)，或者甚至更有利地，周期函數(shù)可以是標(biāo) 稱理想正弦函數(shù)。 在各個實(shí)施例中，如上概述配置成的多個絕對軌跡可與相應(yīng)的檢測器部一起用于 絕對刻度圖案中，并且可以組合使用所得的信號以提供期望的絕對測量范圍。在一些這種 實(shí)施例中，絕對刻度圖案可以具有小于3. 0毫米的寬度并且仍用于在經(jīng)濟(jì)的編碼器結(jié)構(gòu)中 提供優(yōu)良的范圍-分辨率比。


隨著通過參考以下結(jié)合附圖所進(jìn)行的詳細(xì)說明，本發(fā)明的前述方面和許多隨之而
來的優(yōu)勢變得較好理解，將更容易認(rèn)識到這些方面和優(yōu)勢，在附圖中 圖1A 1C是用于提供絕對刻度軌跡的現(xiàn)有技術(shù)控制軌跡刻度圖案的圖； 圖2是提供作為位置的函數(shù)的正弦檢測器信號的現(xiàn)有技術(shù)刻度圖案和檢測器結(jié)構(gòu)的圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的絕對式光學(xué)編碼器結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施例的分解圖； 圖4是在圖3的絕對式光學(xué)編碼器結(jié)構(gòu)中可使用的檢測器和絕對刻度圖案結(jié)構(gòu)中
的各種幾何關(guān)系的圖； 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的特定設(shè)計(jì)原理的第一實(shí)施例的絕對刻度軌跡圖案的圖； 圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二和第三實(shí)施例的絕對刻度軌跡圖案的圖；以及 圖7是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的絕對刻度軌跡圖案的圖。
具體實(shí)施例方式
圖3是示意性示出包括根據(jù)本發(fā)明的各種特征的絕對式光學(xué)編碼器結(jié)構(gòu)100的一個實(shí)施例的分解圖。如圖3所示，編碼器結(jié)構(gòu)100包括刻度元件110 ;檢測器電子裝置120，其通過電力和信號連接與信號生成和處理電路190連接；以及照明系統(tǒng)或照明部160，其包括用于發(fā)射可見波長的光或不可見波長的光的光源130、透鏡140和可選的源柵(sourcegrating) 150。光源130也可以通過電力和信號連接(未示出)連接至信號生成和處理電路190?？潭仍?10包括包含后面參考圖4將更詳細(xì)地說明的增量軌跡圖案TINC、第一絕對軌跡圖案TABS1和第二絕對軌跡圖案TABS2這三個刻度軌跡圖案的絕對刻度圖案115。由于軌跡圖案TABS1和TABS2提供可用于確定在通過結(jié)構(gòu)所確定的絕對測量范圍中的絕對位置的信號(例如，信號的組合)，因此將軌跡圖案TABS1和TABS2稱為絕對刻度軌跡圖案。根據(jù)這里所使用的慣例，圖3還示出正交X、 Y和Z方向。X和Y方向平行于絕對刻度圖案115的平面，其中X方向平行于預(yù)期的測量軸方向MA(例如，垂直于可能包括在增量軌跡圖案TINC中的細(xì)長光柵圖案元件)。Z方向是相對于絕對刻度圖案115的平面的法向。
檢測器電子裝置120包括包含布置成分別接收來自3個刻度軌跡圖案TINC、TABS1和TABS2的光的3個檢測器軌跡DETINC、 DETABS1和DETABS2的檢測器結(jié)構(gòu)125。檢測器電子裝置120可以包括信號處理電路126(例如，信號偏移和/或增益調(diào)整、信號放大和合成電路等)。在一個實(shí)施例中，可以將檢測器電子裝置120作為單個CM0SIC而制造。
在工作時，在足以照亮三個刻度軌跡圖案的光束區(qū)域中，可以由透鏡140對從光源130發(fā)射出的光134的部分或全部進(jìn)行準(zhǔn)直。圖3示意性示出光134的三個光路134A、134B和134C。光路134A是包括照亮刻度軌跡圖案TINC的光的代表中央路徑。當(dāng)照亮刻度軌跡圖案TINC時，刻度軌跡圖案TINC將空間調(diào)制光圖案(例如，在一些實(shí)施例中，來自衍射級的干涉條紋光)輸出至檢測器電子裝置120的檢測器軌跡DETINC。光路134B和134C是包括分別照亮刻度軌跡圖案TABS2和TABS1的光的代表路徑。當(dāng)照亮刻度軌跡圖案TABS2和TABS1時，刻度軌跡圖案TABS2和TABS1將空間調(diào)制光圖案(例如，與它們的圖案相對應(yīng)的圖案光)分別輸出至檢測器電子裝置120的檢測器軌跡DETABS2和DETABS1。在各實(shí)施例中，如以下參考圖4 7將更詳細(xì)地說明的，可以配置編碼器結(jié)構(gòu)100，使得軌跡圖案TABS2和TABS1產(chǎn)生分別投射至檢測器軌跡DETABS2和DETABS1上的陰影圖像(例如，模糊或不模糊的陰影圖像)。將認(rèn)識到，全部的空間調(diào)制光圖案隨著刻度110的移動而移動。在各個檢測器軌跡DETINC、DETABS1和DETABS2中，布置各光電檢測區(qū)域以對各自所接收到的空間調(diào)制光圖案進(jìn)行空間濾波，從而提供期望的位置指示信號(例如，正交信號，或具有有益于信號插值的空間相位關(guān)系的其它周期信號)。以下參考圖4更詳細(xì)地說明了檢測器軌跡DETINC、DETABS1和DETABS2的一個實(shí)施例。在一些實(shí)施例中，除單獨(dú)的光檢測器區(qū)域以外，具有各自的孔徑的空間濾波器掩?？梢哉诒蜗鄬^大的光檢測器，以提供與所示出的各光檢測器區(qū)域類似的光接收區(qū)域，從而提供根據(jù)已知技術(shù)的類似的整體信號效果。
在一些中等分辨率實(shí)施例(例如，具有約40微米以上的細(xì)微軌跡波長)中，可以配置編碼器結(jié)構(gòu)IOO，使得軌跡圖案TINC產(chǎn)生投射至檢測器軌跡DETINC上的陰影圖像。在相對較高分辨率的實(shí)施例中，軌跡圖案TINC通常被配置為產(chǎn)生衍射光。在例如具有約8微米以下的細(xì)微軌跡波長的一些實(shí)施例中，可以根據(jù)已知方法配置編碼器結(jié)構(gòu)ioo，使得衍射級(例如，+/1第一級)產(chǎn)生到達(dá)檢測器軌跡DETINC的干涉條紋。在這種實(shí)施例中，通常省略源柵150。在例如具有約8 40微米的細(xì)微軌跡波長的其它實(shí)施例中，可以根據(jù)已知方法配置編碼器結(jié)構(gòu)100，使得幾個衍射級相互作用，以在檢測器軌跡DETINC的平面處產(chǎn)生自身圖像(例如，Talbot圖像或Fresnel圖像)。在自成像結(jié)構(gòu)中，光源130可以是LED，在這種情況下源柵150通常不是可選的。在這種情況下，代表光路134A周圍的光通過源柵150的光柵結(jié)構(gòu)，以在光柵開口處提供以與軌跡圖案TINC的間距或波長近似一致的間距而布置的部分相干照明源的陣列，從而根據(jù)已知的自成像照明原理來照亮刻度軌跡圖案TINC。圖3示出源柵150的實(shí)施例，該源柵150允許代表光路134B和134C通過源柵150的透明基板，使得對來自檢測器軌跡DETABS1和DETABS2的信號的質(zhì)量有益的強(qiáng)度和準(zhǔn)直度不被源柵150的光柵結(jié)構(gòu)所破壞。在其它實(shí)施例中，代表光路134B和134C還可以通過源柵150上的光柵結(jié)構(gòu)，但這并不是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。 如本領(lǐng)域中已知的，以上概述的各個細(xì)微軌跡技術(shù)通常對照明系統(tǒng)160、刻度軌跡圖案TINC和檢測器軌跡DETINC之間的間隔分別施加限制。在各實(shí)施例中，根據(jù)已知技術(shù)，刻度元件110位于編碼器外殼或量規(guī)外殼或讀取頭組件(未示出)內(nèi)與照明系統(tǒng)160和檢測器電子裝置120相距通常穩(wěn)定的距離的位置處。根據(jù)本發(fā)明的絕對軌跡圖案的一個優(yōu)勢是，在照明系統(tǒng)160、絕對刻度圖案115和檢測器結(jié)構(gòu)125之間的各個間隔的情況下所得到的檢測器信號中的空間諧波含量基本無變化，由此單個絕對軌跡圖案設(shè)計(jì)可以適用于各種細(xì)微軌跡技術(shù)和調(diào)整，而無需施加附加的設(shè)計(jì)限制。因而，在一些實(shí)施例中，盡管用于根據(jù)軌跡圖案TINC形成空間調(diào)制光的技術(shù)(例如，干涉或自成像)不同于用于根據(jù)軌跡圖案TABS1和TABS2形成空間調(diào)制光的技術(shù)(例如，陰影投射)，但這允許單個照明系統(tǒng)160和/或單個光源130和/或單個透鏡140和/或包括各個檢測器軌跡(DETINC、DETABS1和DETABS2)的單個檢測器電子裝置IC用于全部的三個軌跡。以下更詳細(xì)地說明了絕對軌跡圖案(例如，TABS1和TABS2)及其關(guān)聯(lián)的檢測器軌跡(例如，DETABS1和DETABS2)的各種實(shí)施例。 在各個應(yīng)用中，根據(jù)已知技術(shù)，將檢測器電子裝置120和照明系統(tǒng)160以相對于彼此的固定關(guān)系安裝在例如讀取頭或量規(guī)外殼(未示出)中，并且通過承載系統(tǒng)相對于刻度110沿測量軸引導(dǎo)檢測器電子裝置120和照明系統(tǒng)160。在各個應(yīng)用中，可將刻度附接至移動臺或量規(guī)主軸等。圖3所示的結(jié)構(gòu)是透射結(jié)構(gòu)?？潭葓D案115包括通過透射將空間調(diào)制光圖案輸出至檢測器軌跡的(例如，使用已知的薄膜圖案化技術(shù)等在透明基板上制造的)遮光部分和透光部分。將認(rèn)識到，根據(jù)已知技術(shù)，可以將類似的組件布置在反射的實(shí)施例中，其中，將照明系統(tǒng)160和檢測器電子裝置布置在刻度110的同一側(cè)，并且若有必要，可以將照明系統(tǒng)160和檢測器電子裝置布置成進(jìn)行有角度的照明和反射。在反射的實(shí)施例中，
11刻度圖案可以包括可根據(jù)已知技術(shù)制造的、通過反射將空間調(diào)制光圖案輸出至檢測器軌跡的高反射率部和低反射率部(或引導(dǎo)光遠(yuǎn)離檢測器軌跡的部分)。在透射或反射的刻度圖案中，可以將刻度圖案中提供由絕對檢測器軌跡(例如，DETABS1和DETABS2)所檢測到的光的部分稱為刻度圖案的信號產(chǎn)生部，并且將理解，刻度圖案的其它部分通常向檢測器軌跡提供盡可能少的光，并且可將其稱為信號衰減部。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在各個實(shí)施例中，可以根據(jù)這里的教導(dǎo)對刻度圖案的信號產(chǎn)生部或信號衰減部進(jìn)行圖案化。換言之，作為彼此的"反方"的刻度圖案兩者都可以產(chǎn)生可使用的信號，其中，針對給定的反射或透射布置，所得的信號變化還近似為彼此的"反方"。因而，利用"信號變化部"進(jìn)行以下概述的刻度圖案的說明，并且將理解，在各個實(shí)施例中，信號變化部可以包括刻度圖案的信號產(chǎn)生部或信號衰減部。 將認(rèn)識到，圖3中沿Y軸方向的刻度軌跡的序列僅是示例，并不是限制性的。例如，在其它實(shí)施例中，假定根據(jù)以上概述的教導(dǎo)，檢測器軌跡(和源柵150，如果包括在內(nèi)的話)沿適當(dāng)?shù)南鄳?yīng)光路布置，則絕對軌跡圖案TABS1和TABS2可以彼此相鄰布置，而細(xì)微軌跡圖案TINC位于二者的一側(cè)。 圖4是圖3的絕對式光學(xué)位置編碼器結(jié)構(gòu)100中可使用的檢測器和絕對刻度圖案結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施例中的各種幾何或?qū)?zhǔn)關(guān)系的圖400。如圖4所示，適合與前面概述的已知SCWAM技術(shù)一起使用的絕對刻度圖案115'的代表分區(qū)包括細(xì)微軌跡圖案TINC、第一絕對或中等刻度軌跡圖案TABS1和第二絕對或中等刻度軌跡圖案TABS2。簡言之，中等軌跡圖案TABS1和TABS2包括透射(或反射)被以與其幾何形狀大致相對應(yīng)的圖案進(jìn)行了空間調(diào)制的光圖案的信號變化部SP。如以下參考圖5和6更詳細(xì)地說明的，基于作為"x"的正弦函數(shù)、即作為沿X方向和/或刻度圖案115'的測量軸MA的位置的函數(shù)而變化的Y方向"橫截面"尺寸，形成各信號變化部SP。 各軌跡圖案TINC、 TABS1和TABS2的空間調(diào)制光圖案標(biāo)稱對準(zhǔn)，以(例如，基于例如參考圖3所述的整體編碼器結(jié)構(gòu))分別以相應(yīng)的檢測器軌跡DETINC、DETABS1和DETABS2為中心。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，絕對檢測器軌跡DETABS1和DETABS2的檢測器被配置為在小于相應(yīng)的Y方向刻度軌跡圖案尺寸YTABS1和YTABS2的、各個Y方向檢測器邊緣間尺寸YDETABS1和YDETABS2上分別感測空間調(diào)制光。如以下參考圖5更詳細(xì)地說明的，這提供了在中心或標(biāo)稱對準(zhǔn)中心子軌跡的兩側(cè)沿測量軸MA延伸的未對準(zhǔn)公差帶或子軌跡TOL。為了參考并且為了解釋，圖4示意性示出分別與絕對軌跡圖案TABS1和TABS2的中心子軌跡對準(zhǔn)地示出的代表檢測器窗區(qū)域DWABS1和DWABS2。檢測器窗區(qū)域DWABS1和DWABS2分別與檢測器軌跡DETABS1和DETABS2的各檢測器元件的檢測區(qū)域相對應(yīng)，并且在與標(biāo)稱工作對準(zhǔn)相對應(yīng)的位置中示出。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，圖4中以圖形示出的檢測器和絕對刻度圖案結(jié)構(gòu)克服了先前參考現(xiàn)有技術(shù)圖2所述的浪費(fèi)檢測器面積的問題。 在圖4所示的實(shí)施例中，各檢測器軌跡DETINC、DETABS1和DETABS2包括按已知的四邊形檢測器布局布置的各檢測器元件的陣列。簡言之，在各個陣列中，四個相鄰的檢測器元件均勻間隔，以提供檢測所接收到的空間調(diào)制光圖案的4個空間相位(即，0、90、1S0和270度)的空間濾波。如圖4所示，可以設(shè)置多組的4個這種相鄰的檢測器元件，并且可以使檢測相同空間相位的檢測器相互連接，以求取信號成分(signal contribution)的和。因而，在各空間調(diào)制光圖案在相應(yīng)的檢測器軌跡上移動時，作為位置的函數(shù)而提供正弦正交信號。根據(jù)已知技術(shù)，可以對正交信號進(jìn)行處理以判斷局域波長內(nèi)各軌跡的空間相位位 置?？梢愿鶕?jù)前面概述的已知SCWAM技術(shù)對所確定的空間相位位置進(jìn)行處理，以確定絕對 位置。 在一些實(shí)施例中，刻度圖案115'的整體寬度可以是約3.0毫米以下，尺寸YTINC、 YTABS1和YTABS2各自可以是約1. 0毫米以下，并且尺寸YDETINC、 YDETABS1和YDETABS2 各自可以分別小于相應(yīng)的尺寸YTINC、 YTABS1和YTABS2。在一個特定示例實(shí)施例中，尺寸 YTINC、 YTABS1和YTABS2各自可以是0. 8毫米，尺寸YDETINC、 YDETABS1和YDETABS2各自 可以是0. 508毫米，并且各子軌跡TOL可以沿Y方向延伸超過尺寸YDETINC、 YDETABS1和 YDETABS2約0. 146毫米的量，以允許未對準(zhǔn)并防止模糊的空間調(diào)制光滲入相鄰軌跡的檢測 器。絕對軌跡圖案TABS2的波長L2可以是L2 = 720微米，并且絕對軌跡圖案TABS1的波 長L1可以是L1 = 700微米。細(xì)微軌跡圖案TINC的波長可以是20微米。使用SCWAM技 術(shù)，這提供了約25. 2mm的絕對范圍，并允許使用合理的插值比。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在該示例實(shí)施 例中，刻度圖案115'的總的Y方向尺寸是約2. 4毫米，并且跨越檢測器電子裝置120上所 包括的全部檢測器軌跡的總的Y方向尺寸是約2. l毫米。在與大小和成本兩者有關(guān)的多個 應(yīng)用(例如，線性量規(guī)等)中，這種緊湊尺寸特別有優(yōu)勢。當(dāng)然，以上例子中概述的結(jié)構(gòu)和 尺寸僅是示例，并不是限制性的。例如，可以增加各Y方向尺寸，以提供較大的信號和/或 較寬的公差子軌跡，并且/或者提供額外空間以防止模糊光在軌跡之間滲透，或者可以設(shè) 置附加絕對軌跡，以增加絕對測量范圍(例如，在附加絕對軌跡具有較長的波長的情況下 使用SCWAM技術(shù))。此外，在圖4所示的實(shí)施例中，由于各檢測器元件的末端垂直于Y方向 并且檢測器元件末端沿Y方向彼此對齊，因此各檢測器元件的Y方向邊緣間尺寸與相應(yīng)的 檢測器軌跡的整體Y方向尺寸相同。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，更普遍地，在一些實(shí)施例中，絕對軌 跡圖案可以與具有不垂直于Y方向的平行末端(例如，"傾斜"末端)的檢測器元件協(xié)同工 作，在這種情況下，這種檢測器元件在沿X方向的各個點(diǎn)處可以仍具有恒定Y方向邊緣間尺 寸(例如，YDETABS1)。在這種實(shí)施例中，由于從傾斜平行末端所得的"平行四邊形"形狀， 檢測器元件的整體Y方向尺寸將大于Y方向邊緣間尺寸，相應(yīng)的檢測器軌跡的整體Y方向 尺寸也將如此。另外，并未嚴(yán)格要求給定檢測器軌跡內(nèi)的檢測器元件沿X方向完全相互對 齊。原則上，它們的位置可能沿Y方向相對于彼此稍微彎曲，從而進(jìn)一步增加整體Y方向檢 測器軌跡尺寸。這種實(shí)施例可以要求相對較寬的絕對軌跡圖案(或者相反，檢測器元件的 相對減小了的Y方向邊緣間尺寸)，以提供與整體軌跡尺寸和給定未對準(zhǔn)公差相兼容的軌 跡圖案。然而，利用根據(jù)這里所公開的教導(dǎo)的軌跡結(jié)構(gòu)，仍將獲得以上概述的和以下所述的 各種其它益處。 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的特定設(shè)計(jì)原理的一個典型實(shí)施例的絕對軌跡圖案TABS 的圖500?？梢圆捎媒^對軌跡圖案TABS來替換這里所公開的絕對軌跡圖案中的任意絕對 軌跡圖案。如圖5所示，絕對軌跡圖案TABS的代表分區(qū)(一個波長Ltrack)包括中央 子軌跡STR-CENT，其具有Y方向尺寸YCENT ;以及未對準(zhǔn)公差子軌跡STR-T0L1、 STR-T0L2、 STR-T0L1'和STR-T0L2'，其分別具有Y方向尺寸Y-T0L1、 Y-T0L2、 Y-T0L1和Y-T0L2。子 軌跡STR-T0L1和STR-T0L2 —起構(gòu)成整體公差子軌跡STR-TOL，并且子軌跡STR-T0L1'和 STR-T0L2'—起構(gòu)成整體公差子軌跡STR-TOL'。將理解，各個子軌跡沿測量軸MA的方向繼 續(xù)。
為了解釋，圖5還示出與將用于感測由軌跡圖案TABS所提供的空間調(diào)制光的各檢 測器元件的檢測區(qū)域相對應(yīng)的標(biāo)稱對準(zhǔn)的代表檢測器窗區(qū)域DWABS。如所示，絕對軌跡圖案 TABS被配置為允許在同時保持正弦信號保真度的情況下使用如下檢測器(例如，絕對檢測 器軌跡中的檢測器)該檢測器的Y方向邊緣間尺寸YDETABS(和整體Y方向尺寸)小于絕 對軌跡圖案TABS的Y方向尺寸YTABS。在編碼器應(yīng)用中，YT0L2是檢測器窗區(qū)域DWABS (和 /或相應(yīng)的檢測器軌跡)和絕對軌跡圖案TABS之間沿第一 Y方向容許的未對準(zhǔn)公差的量， 并且YT0L1是沿相反Y方向容許的未對準(zhǔn)公差的量。將中央子軌跡STR-CENT的Y方向尺 寸YCENT設(shè)置成即使檢測器窗區(qū)域DWABS未對準(zhǔn)至公差子軌跡STR-T0L2或STR-T0L1'的 界限，來自圖案部SP-CENT的幾乎全部光也總是落入檢測器窗區(qū)域DWABS上。因而，與未對 準(zhǔn)無關(guān)，來自SP-CENT的所得的信號成分與具有正弦保真度的圖案部SP-CENT的正弦形狀 相對應(yīng)。 如圖5所示，如果檢測器窗區(qū)域DWABS沿Y方向未對準(zhǔn)從而以落入公差子軌跡 STR-T0L2內(nèi)，則來自圖案部SP-TOLl的近似全部光繼續(xù)落入未對準(zhǔn)的檢測器窗區(qū)域DWABS 上，使得來自子軌跡STR-T0L1的所得的信號成分與具有正弦保真度的圖案部SP-TOLl的正 弦形狀相對應(yīng)。相反，來自子軌跡STR-T0L2'中的圖案部SP-T0L2'的光的一部分是將未落 入未對準(zhǔn)的檢測器窗區(qū)域DWABS上的"丟失光"。然而，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，配置絕對軌 跡圖案TABS,使得在子軌跡STR-T0L2中總是利用從圖案部SP-T0L2獲得的相似量的光來補(bǔ) 償來自圖案部SP-T0L2'的丟失光。因而，與未對準(zhǔn)無關(guān)，來自圖案部SP-T0L2和SP-T0L2' 的所得的合成信號成分與具有正弦保真度的圖案部SP-T0L2和SP-T0L2'的正弦形狀相對 應(yīng)。如果在圖案部SP-T0L2和SP-T0L2'中的一個沿Y方向朝SP-T0L2和SP-T0L2'中的另 一個平移距離YDETABS(檢測器窗區(qū)域DWABS的尺寸)時，圖案部SP-T0L2和SP-T0L2'幾 何全等并且重合，則實(shí)現(xiàn)了以上效果。類似地，如果在圖案部SP-T0L1和SP-T0L1'中的一 個沿Y方向朝圖案部SP-T0L1和SP-T0L1'中的另一個平移距離YDETABS(檢測器窗區(qū)域 DWABS的尺寸)時，圖案部SP-T0L1和SP-T0L1'幾何全等并且重合，則將類似地補(bǔ)償相反Y 方向上的未對準(zhǔn)。在以下進(jìn)一步所述的實(shí)施例中，利用圖案特征不太容易區(qū)分開構(gòu)成子軌 跡STR-T0L1、STR-T0L2、STR-T0L1'和STR-T0L2'。因此，根據(jù)前述說明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，當(dāng)整體 公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL'中的一個沿Y方向平移距離YDETABS時，整體公差子軌跡 STR-TOL和STR-TOL'也幾何全等并且重合。這是描述根據(jù)本發(fā)明可使用的公差子軌跡結(jié)構(gòu) 的期望特性的可選的更一般的方式?；谇笆稣f明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在圖5的結(jié)構(gòu)中，YDETABS 總是橫跨與變化尺寸YSPCENT(x) 、 YSPT0L1 (x)和YSPT0L2 (x)相對應(yīng)地成形的3個正弦圖 案部的等同距離?；谝陨细攀龅脑恚cY方向未對準(zhǔn)無關(guān)，根據(jù)具有Y方向邊緣間尺寸 YDETABS的檢測器窗區(qū)域DWABS的總計(jì)信號成分(即，總信號)將具有良好的正弦保真度。
如圖5所示，與最大Y方向尺寸ACENT和最小Y方向尺寸預(yù)INCENT相對應(yīng)地形成 信號變化圖案部SP-CENT。 Ltrack是絕對軌跡圖案TABS的波長。可以將限定信號變化圖 案部SP-CENT的形狀的可變尺寸YSPCENT(x)定義為如下。
，csvr( jc) = yMAravr+
, *2 T 、
(等式i) 類似地，可以將分別限定信號變化圖案部SP-T0L2和SP-T0L1的形狀的可變尺寸
14YSPT0L2(x)和YSPTOLl(x)定義為如下。
<formula>formula see original document page 15</formula> <formula>formula see original document page 15</formula>
(x-xm/)(等式3)
(等式2) 在各實(shí)施例中，可以將尺寸預(yù)INCENT、預(yù)IN1和預(yù)IN2有利地選擇為足夠大以使不 期望的衍射效應(yīng)最小化(例如，約40微米)。在各個實(shí)施例中，可以有利地選擇尺寸YMIN1' 和YMIN2'，使其近似等于與信號變化圖案部的邊緣相關(guān)聯(lián)的邊緣模糊的量或大于該邊緣 模糊的量(例如，在一些實(shí)施例中，約50微米)。然而，在各其它實(shí)施例中，尺寸YMIN1'和 YMIN2'可以小于該量，并且仍可以獲得充分的正弦信號保真度。在一些實(shí)施例中，YT0L1 = YT0L2和/或YMIN1 = YMIN2和/或YMIN1' = YMIN2'。然而，這些相等關(guān)系通常不是必需 的。 圖6包括第二典型實(shí)施例的絕對軌跡圖案TABS'和第三典型實(shí)施例的絕對軌跡圖 案TABS"的圖600和650，其中，盡管絕對軌跡圖案TABS'和TABS"的外觀大不相同，但都 遵循先前參考圖5概述的特定設(shè)計(jì)原理。為了易于比較，圖600和650共用特定尺寸線和 /或子軌跡邊界線。以下將僅強(qiáng)調(diào)與圖5的結(jié)構(gòu)相比較圖600和650的結(jié)構(gòu)中的大不相同 之處。對圖5和6中具有類似設(shè)計(jì)考慮和/或類似功能的特征進(jìn)行類似的標(biāo)記或編號(例 如，利用相同的附圖標(biāo)記或編號，或者利用所添加的一個或多個主要符號)，并且可以根據(jù) 類推進(jìn)行理解?？梢圆捎媒^對軌跡圖案TABS'和TABS"來替換這里所公開的絕對軌跡圖案 中的任意絕對軌跡圖案。 如圖600所示，絕對軌跡圖案TABS'的代表分區(qū)( 一個波長)包括中央子軌 跡STR-CENT ，其具有Y方向尺寸YCENT ;以及未對準(zhǔn)公差子軌跡STR-TOL1 、 STR-T0L2 、 STR-T0L1'和STR-T0L2'，其分別具有Y方向尺寸YT0L1、 YT0L2、 YT0L1和YT0L2。將理解， 各個子軌跡沿測量軸MA的方向持續(xù)。標(biāo)稱對準(zhǔn)的代表檢測器窗區(qū)域DWABS與將用于感測 由軌跡圖案TABS'所提供的空間調(diào)制光的各檢測器元件的檢測區(qū)域相對應(yīng)。絕對軌跡圖案 TABS'被配置為允許在同時保持正弦信號保真度的情況下使用如下的檢測器該檢測器的 Y方向邊緣間尺寸YDETABS(和整體Y方向尺寸)小于絕對軌跡圖案TABS'的Y方向尺寸 YTABS。 與圖5所示的軌跡圖案相對比，軌跡圖案TABS'包括沿兩個方向重復(fù)的一種類型 或形狀的圖案化信號變化部SP-UNIV(還稱為信號變化元件)。軌跡圖案TABS'具有沿X方 向的波長Ltrack。如以下將更詳細(xì)地說明的，圖案化的信號變化元件SP-UNIV沿由相對于 X方向的圖案角度9所限定的第一方向重復(fù)，并且還沿如所示出的Y方向重復(fù)?？梢岳斫猓?中央子軌跡STR-CENT具有Y方向尺寸YCENT，使得即使檢測器窗區(qū)域DWABS未對準(zhǔn)至公差 子軌跡STR-T0L2或STR-T0L1'的界限，來自位于子軌跡STR-CENT內(nèi)的圖案化的信號變化 元件SP-UNIV的部分的近似全部光總是落入檢測器窗區(qū)域DWABS上。如以下將更詳細(xì)地說 明的，與圖5所示的絕對軌跡圖案結(jié)構(gòu)相反，來自子軌跡STR-CENT的信號成分不需要單獨(dú) 與限于子軌跡STR-CENT的正弦形狀相對應(yīng)，因?yàn)閷D案化的信號變化元件SP-UNIV成形和 布置，使得來自檢測器窗區(qū)域DWABS的總合計(jì)信號將具有良好的正弦保真度。
如圖6所示，如果檢測器窗區(qū)域DWABS未對準(zhǔn)從而落入公差子軌跡STR-T0L2內(nèi)，則來自位于子軌跡STR-T0L1內(nèi)的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分的近似全部光繼 續(xù)落入未對準(zhǔn)的檢測器窗區(qū)域DWABS上。相反，來自位于子軌跡STR-T0L2'內(nèi)的圖案化的 信號變化元件SP-UNIV的部分的光的一部分是不會落入未對準(zhǔn)的檢測器窗區(qū)域DWABS上 的"丟失光"。然而，圖案化的信號變化元件SP-UNIV的大小和重復(fù)布置使得，來自位于子 軌跡STR-T0L2'內(nèi)的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分的丟失光總是被從位于子軌 跡STR-T0L2內(nèi)的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分所獲得的相似量的光所補(bǔ)償。艮卩， 圖案化的信號變化元件SP-UNIV具有以下將詳細(xì)說明的大小和重復(fù)布置，使得來自子軌 跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分的所得的合成信號 成分不受檢測器窗區(qū)域DWABS的Y方向未對準(zhǔn)的影響。要實(shí)現(xiàn)此的一個條件是，當(dāng)子軌跡 STR-T0L2和STR-T0L2'中的一個中的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分沿Y方向朝子 軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的另一個平移距離YDETABS (檢測器窗區(qū)域DWABS的Y方向 尺寸)時，子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分幾何 全等并且重合。 以類似的方式，如果當(dāng)子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中的一個中的圖案化的信號 變化元件SP-UNIV的部分沿Y方向朝子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中的另一個平移距離 YDETABS(檢測器窗區(qū)域DWABS的尺寸)時，子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中的圖案化的 信號變化元件SP-UNIV的部分幾何全等并且重合，則將類似地補(bǔ)償相反Y方向上的未對準(zhǔn)。 即，圖案化后的信號變化元件SP-UNIV具有大小和重復(fù)布置，使得來自子軌跡STR-T0L1和 STR-T0L1'中的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分的所得的合成信號成分不受檢測器 窗區(qū)域DWABS的Y方向未對準(zhǔn)的影響。 根據(jù)前述說明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，當(dāng)整體公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL'中的一個沿 Y方向平移距離YDETABS時，整體公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL'也幾何全等并且重合。 如前所示，這是描述根據(jù)本發(fā)明可使用的公差子軌跡結(jié)構(gòu)的期望特性的可選的更一般的方 式?；谇懊嬲f明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在圖600的結(jié)構(gòu)中，作為相應(yīng)的檢測器元件的Y方向邊緣間 尺寸的檢測器窗區(qū)域DWABS的邊緣間尺寸YDETABS橫跨3個單位的圖案化的信號變化元 件SP-UNIV的等同距離。因而，基于以上概述的原理，與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自檢測器窗 區(qū)域DWABS的總計(jì)的信號成分(即，總信號)將具有良好的正弦保真度。更一般地，基于以 上說明將認(rèn)識到，在與圖600的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)中，如果檢測器窗區(qū)域DWABS的邊緣間尺寸 YDETABS總是跨越整數(shù)個單位的正弦圖案的等同距離，則與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自檢測器 窗區(qū)域DWABS的總計(jì)的信號成分(即，總信號)將具有良好的正弦保真度。
可以如下說明圖案化的信號變化元件SP-UNIV的大小和重復(fù)布置。如圖6所示， 圖案化的信號變化元件SP-UNIV基于最大Y方向尺寸為A并且最小Y方向尺寸為預(yù)IN的 圖案形狀。Ltrack是絕對軌跡圖案TABS'的波長。可以如下定義對各個圖案化的信號變化 元件SP-UNIV的形狀進(jìn)行部分限定的可變Y方向尺寸YSPUNIV(x)。
<formula>formula see original document page 16</formula> 在各個圖案化的信號變化元件SP-UNIV內(nèi)，可以如下定義進(jìn)一步限定各個圖案化 的信號變化元件SP-UNIV的形狀的可變Y方向尺寸YSPUNIV (x)的中心的位置YOff set (x)。
YOf f set (x) = yref+xtan 9 (等式5)
與零圖案角度e相比較，盡管存在對準(zhǔn)的動態(tài)變化，適當(dāng)選擇的非零圖案角度e
可以趨于保持正弦保真度。在一些實(shí)施例中，至少10度、20度、30度或更大的圖案角度可
以是有利的。然而，在一些實(shí)施例中，可以使用零圖案角度，并且仍可以獲得充分的正弦保真度。 選擇Y方向尺寸A和預(yù)IN'以及YDETABS以滿足如下條件。
N*(A+YMIN' ) = YDETABS (等式6) 其中，N是整數(shù)(例如，在圖600中N二 3)。如果在一些實(shí)施例中允許預(yù)IN'近 似為O，則最大Y方向尺寸A最大可以是(YDETABS1/N)。根據(jù)以上概述的原理，在任何情況 下，與YMIN'的值無關(guān)，可以沿Y方向以標(biāo)稱[YDETABS1/N]的步長重復(fù)圖案化的信號變化 元件SP-UNIV，以保持正弦保真度。當(dāng)然，可以在第一絕對軌跡圖案的Y方向界限處對圖案 中的各個信號變化元件SP-UNIV進(jìn)行截切，但將理解，可以基本如這里所概述地理解在軌 跡圖案界限處被截切的任何圖案化的信號變化元件的下部形狀。 盡管照明不均勻，但較大的整數(shù)N趨于保持正弦保真度。然而，較小的整數(shù)N將提 供較大的圖案元件，與較小的圖案元件相比較，這可以在空間調(diào)制光中提供較好的整體對 比度。在使用窄的軌跡(例如，約1 2毫米)的一些實(shí)施例中，當(dāng)N是3 7時，可以提 供這些因素之間的有利平衡。然而，在各個實(shí)施例中，N落入該范圍外可以是有利的(例如， 對于較寬的軌跡、或較少的期望模糊等)。 等式6提供了重復(fù)布置，使得當(dāng)子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中的一個中的圖 案化的信號變化元件SP-UNIV的部分沿Y方向朝子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中的另一 個平移距離YDETABS (檢測器窗區(qū)域DWABS的尺寸)時，子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中 的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分幾何全等并且重合。該重復(fù)布置還確保了在子軌 跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的一個中的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分沿Y方向 朝子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的另一個平移距離YDETABS (檢測器窗區(qū)域DWABS的尺 寸)時，子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的部分幾何全 等并且重合。根據(jù)以上說明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，當(dāng)整體公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL'中的一個 沿Y方向平移距離YDETABS時，整體公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL'也幾何全等并且重 合。如前所示，這是描述根據(jù)本發(fā)明可使用的公差子軌跡結(jié)構(gòu)的期望特性的可選的更一般 的方式。這里所概述的重復(fù)布置確保了與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自具有Y方向邊緣間尺寸 YDETABS的檢測器窗區(qū)域DWABS的總計(jì)的信號成分(即，總信號)將具有良好的正弦保真 度。 在各個實(shí)施例中，尺寸預(yù)IN可以是信號變化元件中的最窄特征，并且可以有利地 選擇尺寸預(yù)IN，使其足夠大以使不期望的衍射效應(yīng)最小化(例如，至少約30或40微米)。 然而，在各其它實(shí)施例中，尺寸YMIN可以小于該量，并且仍可以獲得充分的正弦信號保真 度。在各個實(shí)施例中，可以將尺寸YMIN'有利地選擇為近似等于與圖案化的信號變化元件 SP-UNIV的邊緣相關(guān)聯(lián)的邊緣模糊的量或大于該邊緣模糊的量(例如，在一些實(shí)施例中，約 50微米)。然而，在各其它實(shí)施例中，尺寸YMIN'可以小于該量，并且仍可以獲得充分的正 弦信號保真度。在一些實(shí)施例中，YT0L1 = YT0L2。然而，在通常情況下該相等關(guān)系不是必 需的。 基于前述說明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在任意位置x處，落入檢測器窗區(qū)域DWABS內(nèi)的圖案
17化的信號變化元件SP-UNIV的Y方向尺寸YPIECEi (x)(例如，圖600中所示的示例部分 YPIECE1 (x) —YPIECE4(x))的總和滿足如下條件。
<formula>formula see original document page 18</formula> 等式7提供了作為x的正弦函數(shù)而變化的(合成信號變化元件的)總計(jì)Y方向尺 寸。因而，根據(jù)前述原理，與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自ABS軌跡圖案TABS'的信號變化圖案 元件的部分的所得的合成或合計(jì)信號成分提供了良好的正弦保真度。 圖650示出絕對刻度圖案TABS",除在子軌跡STR-CENT中消除了一個完整的圖案 化的信號變化元件SP-UNIV的等同結(jié)構(gòu)以外，絕對刻度圖案TABS"與圖600所示的刻度軌 跡圖案TABS'相同。基于前述說明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在圖650中，在任意位置x處，落入檢測器 窗區(qū)域DWABS內(nèi)的圖案化的信號變化元件SP-UNIV的Y方向尺寸YPIECEi' (x)(例如，圖 650中所示的示例部分YPIECEI' (x)和YPIECE2' (x))的總和滿足如下條件。 其中，在圖650中，(N-l) =2。等式8提供了作為x的正弦函數(shù)而變化的總計(jì)Y 方向尺寸。換言之，將認(rèn)識到，盡管存在明顯的不連續(xù)性，配置圖案化的信號變化元件，使得 當(dāng)在檢測器窗區(qū)域DWABS等的信號合計(jì)窗中合計(jì)面積時，合計(jì)后的面積作為x的正弦函數(shù) 而變化。因而，根據(jù)前述原理，與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自ABS軌跡圖案TABS"的圖案化的 信號變化元件的部分的所得的合成信號成分提供了良好的正弦保真度。盡管圖案結(jié)構(gòu)未提 供可能的最佳S/N比，但該例子示出可以根據(jù)前述原理確定根據(jù)本發(fā)明的各種絕對軌跡圖 案。因而，這里所公開的絕對軌跡圖案僅是示例，并不是限制性的。 圖7包括第四典型實(shí)施例的絕對軌跡圖案TABS"'的圖700，其中，盡管外觀大不相 同，但絕對軌跡圖案TABS'"也遵循前面參考圖5和6所概述的特定設(shè)計(jì)原理。以下將僅強(qiáng) 調(diào)與圖5和6的結(jié)構(gòu)相比較、圖700的結(jié)構(gòu)中的主要不同之處。類似地對圖7、5和6中具 有類似設(shè)計(jì)考慮和/或類似功能的特征進(jìn)行標(biāo)記或編號(例如，利用相同的附圖標(biāo)記或編 號，或者利用所添加的一個或多個主要符號)，并且可以根據(jù)類推進(jìn)行理解?？梢圆捎媒^對 軌跡圖案TABS'"來替換這里所公開的絕對軌跡圖案中的任意絕對軌跡圖案。
如圖700所示，絕對軌跡圖案TABS'"的代表分區(qū)(一個波長)包括中央子 軌跡STR-CENT，其具有Y方向尺寸YCENT ;以及未對準(zhǔn)公差子軌跡STR-TOL1 、 STR-T0L2、 STR-T0L1'和STR-T0L2'，其分別具有Y方向尺寸YT0L1、YT0L2、YT0L1和YT0L2。將理解各 個子軌跡沿測量軸MA的方向持續(xù)。標(biāo)稱對準(zhǔn)的代表檢測器窗區(qū)域DWABS與將用于感測由 軌跡圖案TABS'"所提供的空間調(diào)制光的各檢測器元件的檢測區(qū)域相對應(yīng)。絕對軌跡圖案 TABS'"被配置為允許在同時保持正弦信號保真度的情況下使用如下的檢測器該檢測器的 Y方向邊緣間尺寸YDETABS(和整體Y方向尺寸)小于絕對軌跡圖案TABS'"的Y方向尺寸 YTABS。 與圖5和6所示的通?；谶B續(xù)正弦函數(shù)所生成的軌跡圖案相對比，如以下將更 詳細(xì)地說明的，軌跡圖案TABS'"包括基于沿X方向具有波長Ltrack的離散正弦函數(shù)所生 成的圖案化的信號變化元件SP-GRID(Xi)(例如，圖7所示的SP-GRID(x9))。如由圖7中的 虛線網(wǎng)格線GL所示，可以以基于限定均勻大小的網(wǎng)格單位或單元的二維間隔網(wǎng)格的間隔來重復(fù)信號變化元件SP-GRID(Xi)。如圖7所示并且如以下將更詳細(xì)地說明的，網(wǎng)格可以沿 圖案角度9對齊，并且具有沿Y方向的尺寸YGRID和沿X方向的尺寸XGRID。沿Y方向，可 以沿中心線CL以中心間間隔YCtoC = YGRID重復(fù)信號變化元件SP-GRID(x》。如以下將更 詳細(xì)地說明的，該信號變化元件SP-GRID(Xi)的(例如，根據(jù)網(wǎng)格間隔的)形狀、方位、大小 和重復(fù)布置使得與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自檢測器窗區(qū)域DWABS的整體合計(jì)信號將具有充 分的正弦保真度。 可以理解中央子軌跡STR-CENT具有Y方向尺寸YCENT，使得即使檢測器窗區(qū)域 DWABS未對準(zhǔn)至公差子軌跡STR-T0L2或STR-T0L1'的界限，來自位于子軌跡STR-CENT內(nèi) 的信號變化元件SP-GRID(Xi)的部分的近似全部光總是落入檢測器窗區(qū)域DWABS上。如圖 7所示，如果檢測器窗區(qū)域DWABS未對準(zhǔn)從而落入公差子軌跡STR-T0L2上，則來自位于子 軌跡STR-T0L1內(nèi)的信號變化元件SP-GRID(Xi)的部分的近似全部光繼續(xù)落入未對準(zhǔn)的檢 測器窗區(qū)域DWABS上。相反，來自位于子軌跡STR-T0L2'內(nèi)的信號變化元件SP-GRID (x》 的部分的光的一部分是將不落入未對準(zhǔn)的檢測器窗區(qū)域DWABS上的"丟失光"。然而，信 號變化元件SP-GRID(Xi)的大小和重復(fù)布置使得，來自位于子軌跡STR-T0L2'內(nèi)的信號變 化元件SP-GRIDOq)的部分的丟失光總是被從位于子軌跡STR-T0L2內(nèi)的信號變化元件 SP-GRID(Xi)的部分所獲得的相似量的光所補(bǔ)償。即，信號變化元件SP-GRID(Xi)具有以下 將詳細(xì)說明的大小和重復(fù)布置，使得來自子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的信號變化元 件SP-GRIDOq)的部分的所得的合成信號成分不受檢測器窗區(qū)域DWABS的Y方向未對準(zhǔn)的 影響。要實(shí)現(xiàn)此的一個條件是，當(dāng)子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的一個中的信號變化 元件SP-GRID(x》的部分沿Y方向朝子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的另一個平移距離 YDETABS(檢測器窗區(qū)域DWABS的Y方向尺寸)時，子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的信號 變化元件SP-GRID(Xi)的部分幾何全等并且重合。 以類似的方式，如果當(dāng)子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中的一個中的信號變化元 件SP-GRIDOq)的部分沿Y方向朝子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中的另一個平移距離 YDETABS(檢測器窗區(qū)域DWABS的尺寸)時，子軌跡STR-T0L1和STR-T0L1'中的信號變化 元件SP-GRIDOq)的部分幾何全等并且重合，則將類似地補(bǔ)償相反Y方向上的未對準(zhǔn)。艮卩， 信號變化元件SP-GRID GO具有以下將更詳細(xì)地說明的大小和重復(fù)布置，使得來自子軌跡 STR-T0L1和STR-T0L1'內(nèi)的信號變化元件SP-GRID(x》的部分的所得的合成信號成分不受 Y方向未對準(zhǔn)的影響。根據(jù)前述說明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，當(dāng)整體公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL' 中的一個沿Y方向平移距離YDETABS時，整體公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL'也幾何全等 并且重合?；谇笆稣f明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在圖700的結(jié)構(gòu)中，檢測器窗區(qū)域DWABS的邊緣間尺 寸YDETABS橫跨作為軌跡圖案TABS'"沿Y方向重復(fù)的尺寸的沿Y方向的4個網(wǎng)格單位(例 如，扭YGRID)的等同距離。因而，基于以上概述的原理，與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自檢測器窗 區(qū)域DWABS的總計(jì)的信號成分(g卩，總信號)將不受Y方向不對準(zhǔn)的影響。此外，可以如以 下所述確定信號變化元件SP-GRID GO的大小和重復(fù)布置，使得與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自 這樣的檢測器窗區(qū)域DWABS的總計(jì)的信號成分(即，總信號)將具有良好的正弦保真度。
可以如下說明信號變化元件SP-GRID(Xi)的大小和重復(fù)布置。信號變化元件 SP-GRID(Xi)可以具有最大面積Amax和/或相應(yīng)的最大尺寸(例如，大致由具有接近最大 面積Amax的代表信號變化元件710所示)、以及如由代表最小區(qū)域信號變化元件715所示
19的最小面積Amin和/或相應(yīng)的最小尺寸。通常，可將任意方便的形狀用于圖案化的信號生 成元件?？梢耘c網(wǎng)格尺寸YGRID和XGRID相關(guān)地選擇最大面積和/或最大信號變化元件尺 寸，以滿足期望的信號變化元件間隔和/或圖案生成和/或刻度制造約束。此外，通常，可 以選擇最小面積和/或最小信號變化元件尺寸，以滿足類似的約束，并且還提供大到足以 抑制可能破環(huán)正弦保真度的不期望衍射效應(yīng)(例如，在各實(shí)施例中，至少30、40或50微米) 的信號變化元件的最窄特征的信號變化元件尺寸(例如，沿垂直于最窄特征的邊界的方向 的寬度或直徑尺寸)。 更一般地，在以上概述的最大和最小面積或尺寸界限內(nèi)，如以下所述，各信號變化 元件SP-GRID0q)可以具有根據(jù)(Xi)的離散正弦函數(shù)所確定的面積ASP(Xi)。 Ltrack是絕 對軌跡圖案TABS'"的波長。可以如下定義限定各圖案化的信號變化元件SP-GRID(Xi)的 大小的可變面積ASP(Xi)。爿5P(x/)=爿min+
^ 2;r 、 (^4max-^4min)*sin -(x-xre/)
(等式9) 在各個實(shí)施例中，可以與網(wǎng)格單元的中心相對應(yīng)地，確定各圖案化的信號變化元 件SP-GRID0q)的中心或布置各圖案化的信號變化元件SP-GRID(Xi)，其中網(wǎng)格單元的中心 限定在確定圖案化的信號變化元件的面積ASP(Xi)時使用的離散x值(Xi)。當(dāng)然，可以在 絕對軌跡圖案的Y方向界限處對圖案中的各信號變化元件SP-GRID(Xi)進(jìn)行截切，但將理 解，可以如這里概述地理解在軌跡圖案界限處被截切的任何圖案化的信號變化元件的下部 形狀或面積。與零圖案角度e相比較，盡管存在對準(zhǔn)的動態(tài)變化，適當(dāng)選擇的非零圖案角度e
可以趨于保持正弦保真度。在一些實(shí)施例中，至少10度、20度、30度或更大的圖案角度可 以是有利的。然而，在一些實(shí)施例中，特別是如果對該各信號變化元件進(jìn)行成形和/或定向 使得邊緣的主要部分不沿Y方向?qū)R(例如，信號變化元件可以是"旋轉(zhuǎn)"的正方形或矩形、 圓形、六邊形或其組合等)，則可以使用零圖案角度并且仍可以獲得充分的正弦保真度。
在各個實(shí)施例中，可以選擇Y方向尺寸YGRID和YDETABS以滿足如下條件。
N* (YGRID) = YDETABS (等式10) 其中，N是整數(shù)(例如，在圖700中N = 4)。在各個實(shí)施例中，則可以選擇圖案角
度9和X方向尺寸XGRID以滿足如下關(guān)系。 XGRID = tan 9 * (N*YGRID) (等式11) 或者，更一般地，在其它實(shí)施例中，可以選擇圖案角度9和X方向尺寸XGRID以滿 足如下關(guān)系。 M*XGRID = tan 9 * (N*YGRID) (等式12) 其中，M是整數(shù)。 基于以上說明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，等式10和11提供的重復(fù)布置使得當(dāng)子軌跡STR-T0L1 和STR-T0L1'中的一個中的信號變化元件SP-GRID(Xi)的部分沿Y方向朝子軌跡STR-T0L1 和STR-T0L1'中的另一個平移距離YDETABS(檢測器窗區(qū)域DWABS的尺寸)時，子軌跡 STR-T0L1和STR-T0L1'中的信號變化元件SP-GRID(x》的部分幾何全等并且重合。該重復(fù) 布置還確保了當(dāng)子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的一個中的信號變化元件SP-GRID (Xi)的 部分沿Y方向朝子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的另一個平移距離YDETABS (檢測器窗區(qū)
20域DWABS的尺寸)時，子軌跡STR-T0L2和STR-T0L2'中的信號變化元件SP-GRID (x》的部 分幾何全等并且重合。根據(jù)以上說明應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，當(dāng)整體公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL' 中的一個沿Y方向平移距離YDETABS時，整體公差子軌跡STR-TOL和STR-TOL'也幾何全等 并且重合。如前所示，這是描述根據(jù)本發(fā)明可使用的公差子軌跡結(jié)構(gòu)的期望特性的可選的 更一般的方式。因此，與Y方向未對準(zhǔn)無關(guān)，來自檢測器窗區(qū)域DWABS的總計(jì)的信號成分 (即，總信號)將不受Y方向未對準(zhǔn)的影響。此外，將認(rèn)識到，在根據(jù)等式9的離散正弦函數(shù) 所選擇的信號變化元件面積的情況下，絕對軌跡圖案TABS'"的信號變化區(qū)域可以沿測量軸 分布，從而在檢測器窗區(qū)域DWABS沿測量軸移動時，以充分的正弦保真度提供檢測器窗區(qū) 域DWABS中的近似正弦信號變化(例如，基于窗平均的信號變化區(qū)域密度)。在一個實(shí)施例 中，與圖7所示的絕對軌跡類似的絕對軌跡可以與YDETBS = 1. 0毫米、YGRID = XGRID = 0. 250毫米、圖案角度9 = 14度、N = 4、Amin = 0. 0025平方毫米和Ltrack = 0. 8mm近似 相對應(yīng)。然而，該實(shí)施例僅是示例，并不是限制性的。 盡管照明不均勻，但較大的整數(shù)N可以趨于保持正弦保真度，并且可以趨于緩和 所提供的正弦信號變化。然而，較小的整數(shù)N將提供較大的信號變化元件，與較小的信號變 化元件相比較，這可以在空間調(diào)制光中提供較好的整體對比度。在使用窄的軌跡(例如，約 1 2毫米)的一些實(shí)施例中，當(dāng)N是3 7時可以提供這些因素之間的有利平衡。然而， 在各個實(shí)施例中，使N落入該范圍外可以是有利的(例如，對于較寬的軌跡、較多或較少的 期望模糊等)。 將認(rèn)識到，在各個實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明所形成的編碼器盡管具有比提供所檢測 到的信號的刻度軌跡的寬度窄的檢測器尺寸，但提供了沿測量軸方向具有良好的正弦保真 度的信號和不受沿Y方向的未對準(zhǔn)的影響的信號。在一些實(shí)施例中，可以使用包括遵循相 對于檢測器尺寸的整數(shù)關(guān)系的圖案重復(fù)布置和/或特征大小之間的可選的整數(shù)關(guān)系的刻 度圖案來實(shí)現(xiàn)該效果。在各個實(shí)施例中，由于所檢測到的信號基于分布在給定檢測器窗內(nèi) 的多個相對類似的刻度圖案元件，因此根據(jù)本發(fā)明所形成的編碼器可能相對不受光不均勻 的影響。在各個實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明所形成的編碼器包括避免小的、衍射產(chǎn)生特征的絕對 刻度軌跡圖案。在各個實(shí)施例中，編碼器可以包括與用于編碼器中的自成像或干涉型刻度 軌跡的相同準(zhǔn)直、部分相干光源直接相容的絕對測量軌跡，使得可以經(jīng)濟(jì)地提供具有高分 辨率的絕對測量裝置。在各個實(shí)施例中，編碼器可以包括被配置為提供基本正弦信號變化 區(qū)域變化的絕對測量軌跡，使得不管(例如，由于檢測器間隙變化等導(dǎo)致的)檢測器上的測 量軌跡圖案的模糊量如何，在所得的測量信號中的空間諧波含量中不存在極大變化。
盡管以上概述的實(shí)施例特別強(qiáng)調(diào)了面積和/或形狀基于正弦周期函數(shù)的有利結(jié) 構(gòu)，然而在其它實(shí)施例中，在仍足夠用于各種應(yīng)用的正弦保真度的情況下，面積和/或形狀 可以基于準(zhǔn)正弦函數(shù)，并且仍可得到有利的結(jié)構(gòu)。特別地，與方波相比，適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)正弦函數(shù) 可以具有極少的高頻空間諧波含量，以提供充分的正弦保真度水平和信號穩(wěn)定性而無需精 確的間隙控制等。在各個實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)正弦函數(shù)可以包括三角波函數(shù)或梯形波函數(shù) 等。在各個實(shí)施例中，可以(例如，通過略微不準(zhǔn)直的照明或其它已知技術(shù))簡單地使從準(zhǔn) 正弦圖案輸出的空間調(diào)制光圖案略微模糊，以將所得的正弦保真度提高至用于各種應(yīng)用的 充分水平。 盡管已經(jīng)例示和說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但基于該公開，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言在所例示和說明的特征的布置和操作序列中的各個變形將是顯而易見的。因而， 將認(rèn)識到，可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
一種編碼器結(jié)構(gòu)，其用于絕對式位置感測裝置中，所述絕對式位置感測裝置能夠用于測量兩個元件之間沿測量軸方向的相對位置，所述編碼器結(jié)構(gòu)包括照明部；刻度元件，其包括絕對刻度圖案，所述絕對刻度圖案包括細(xì)微軌跡圖案和至少第一絕對軌跡圖案，所述細(xì)微軌跡圖案和所述第一絕對軌跡圖案用于接收來自所述照明部的光并沿各自的光路輸出各自的空間調(diào)制光圖案，并且所述細(xì)微軌跡圖案和所述第一絕對軌跡圖案均沿所述測量軸方向延伸；以及檢測器電子裝置，其包括細(xì)微軌跡檢測器部和至少第一絕對軌跡檢測器部，所述細(xì)微軌跡檢測器部和所述第一絕對軌跡檢測器部以相對于所述照明部的固定關(guān)系布置，并用于分別接收來自所述細(xì)微軌跡圖案和所述第一絕對軌跡圖案的空間調(diào)制光圖案，其中所述第一絕對軌跡檢測器部包括沿與所述測量軸方向垂直的Y方向具有Y方向邊緣間尺寸YDETABS1的各個光檢測器區(qū)域，以及所述第一絕對軌跡檢測器部用于對所接收到的空間調(diào)制光圖案進(jìn)行空間濾波，并輸出多個分別具有各自的空間相位的位置指示信號，其中所述第一絕對軌跡圖案包括沿所述測量軸方向延伸的幾何全等子軌跡部，所述幾何全等子軌跡部被配置成所述幾何全等子軌跡部沿所述Y方向間隔尺寸YCENT，并且YCENT小于YDETABS1，所述幾何全等子軌跡部各自具有Y方向尺寸YTOL，使得尺寸量[YCENT+2(YTOL)]大于YDETABS1，以及所述幾何全等子軌跡部被布置成如果所述幾何全等子軌跡部之一沿所述Y方向平移所述尺寸YDETABS1，則所述幾何全等子軌跡部將標(biāo)稱重合；以及所述第一絕對軌跡圖案包括圖案化信號變化部，所述圖案化信號變化部被配置成所述圖案化信號變化部的面積與x的具有空間波長L1的第一周期函數(shù)相對應(yīng)地變化，其中，x表示沿所述測量軸方向的x坐標(biāo)位置，并且所述第一周期函數(shù)不是方波。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圖案化信號變化部被配置成所述圖案化信號變化部的合計(jì)面積與x的所述第一周期函數(shù)相對應(yīng)地變化，并且通過在x坐標(biāo)處沿所述測量軸方向位于所述第一絕對軌跡圖案上的信號合計(jì)窗上進(jìn)行合計(jì)來確定所述合計(jì)面積，并且所述信號合計(jì)窗的尺寸和對準(zhǔn)與各個光檢測器區(qū)域之一的尺寸和標(biāo)稱工作對準(zhǔn)相對應(yīng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一周期函數(shù)標(biāo)稱為正弦函數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一周期函數(shù)是準(zhǔn)正弦函數(shù)和正弦函數(shù)之一 ；以及所述第一絕對軌跡圖案包括多個圖案化信號變化部，所述多個圖案化信號變化部分別基于各自的具有與x的所述第一周期函數(shù)相對應(yīng)地變化的Y方向尺寸的圖案形狀而配置，并且各個圖案形狀的變化Y方向尺寸的最大值小于YDETABSl。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一周期函數(shù)是正弦函數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，分別基于各自的圖案形狀的所述多個圖案化信號變化部中的部分圖案化信號變化部在所述第一絕對軌跡圖案的Y方向界 限處被截切。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個圖案化信號變化部中的 第一圖案化信號變化部基于各自的包括具有第一最大值的變化Y方向尺寸的圖案形狀而 配置，并且所述多個圖案化信號變化部中的第二圖案化信號變化部基于各自的包括具有第 二最大值的變化Y方向尺寸的圖案形狀而配置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一絕對軌跡圖案的各個圖 案化信號變化部基于作為相同的通用圖案形狀的圖案形狀而配置，在所述通用圖案形狀 中，所述變化Y方向尺寸在各種情況下具有相同的最大值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述第一絕對軌跡圖案的各個 空間波長增量內(nèi)各個圖案化信號變化部基于所述通用圖案形狀而配置，在所述通用圖案形狀中，所述 變化Y方向尺寸具有最大為[YDETABS1/N]的最大值，其中，N是整數(shù)；以及在所述第一絕對軌跡圖案的Y方向界限處進(jìn)行可能的截切的條件下，各個圖案化信號 變化部以標(biāo)稱為[YDETABS1/N]的步長沿所述Y方向重復(fù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述通用圖案形狀中，作為 x的周期函數(shù)的所述變化Y方向尺寸具有作為x的函數(shù)沿所述Y方向偏移的中心位置 Y0ffset(x)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中心位置Y0ffset(x)作為 x的線性函數(shù)沿所述Y方向偏移，使得所述中心位置Y0ffset (x)的集合沿相對于所述測量 軸方向的圖案角度e對齊。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，N最小是3且最大是7，并且e 至少是10度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述第一絕對軌跡圖案的Y方 向界限處進(jìn)行可能的截切的條件下，所述第一絕對軌跡圖案的各個圖案化信號變化部被配 置成各個圖案化信號變化部的最窄特征至少是30微米寬。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個圖案化信號變化部的最窄 特征至少是40微米寬。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述第一周期函數(shù)是離散準(zhǔn)正弦函數(shù)和離散正弦函數(shù)之一 ；以及所述第一絕對軌跡圖案包括多個離散圖案化信號變化部，所述多個離散圖案化信號變 化部各自的面積與x的所述第一周期函數(shù)相對應(yīng)地變化，并且各個離散圖案化信號變化部 沿所述Y方向的最大尺寸小于YDETABS1。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一周期函數(shù)是離散正弦 函數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個離散圖案化信號變化 部中的部分離散圖案化信號變化部在所述第一絕對軌跡圖案的Y方向界限處被截切。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個離散圖案化信號變化 部的中心與二維間隔網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元的中心相對應(yīng)地布置，其中，全部網(wǎng)格單元具有一致的大小，并且在所述Y方向上，連續(xù)的網(wǎng)格單元邊界間隔開Y方向尺寸YGRID = YDETABS/N，其中，N是至少為3的整數(shù)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述二維間隔網(wǎng)格具有方向相對于所述測量軸方向成圖案角度e的一個網(wǎng)格軸，在所述測量軸方向上，連續(xù)的網(wǎng)格單元邊界間隔開尺寸XGRID，并且YGRID、 XGRID和9滿足表達(dá)式M*XGRID =[tan 9 * (N*YGRID)]，其中，M是整數(shù)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，e至少是IO度。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述第一絕對軌跡圖案的Y方向界限處進(jìn)行可能的截切的條件下，所述第一絕對軌跡圖案的各個離散圖案化信號變化部被配置成各個離散圖案化信號變化部的最窄特征至少是30微米寬。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個離散圖案化信號變化部的最窄特征至少是40微米寬。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述照明部包括單個光源，所述細(xì)微軌跡圖案和至少第一絕對軌跡圖案是共面的，并且所述細(xì)微軌跡檢測器部和至少第一絕對軌跡檢測器部是共面的。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述細(xì)微軌跡圖案被配置成提供作為自身圖像圖案和干涉圖案至少之一的空間調(diào)制光圖案。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一絕對軌跡圖案的空間波長Ll最小是0. 5毫米且最大是2. 0毫米。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，YDETABS1最大是1. 0毫米。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括第二絕對軌跡圖案，用于接收來自所述照明部的光，并沿自有的光路輸出自有的空間調(diào)制光圖案；以及第二絕對軌跡檢測器部，其以相對于所述照明部的固定關(guān)系布置，并用于接收來自所述第二絕對軌跡圖案的空間調(diào)制光圖案，其中所述第二絕對軌跡檢測器部包括具有Y方向邊緣間尺寸YDETABS2的各個光檢測器區(qū)域，以及所述第二絕對軌跡檢測器部用于對所接收到的空間調(diào)制光圖案進(jìn)行空間濾波，并輸出多個分別具有各自的空間相位的位置指示信號，其中所述第二絕對軌跡圖案包括沿所述測量軸方向延伸的幾何全等子軌跡部，所述幾何全等子軌跡部被配置成所述幾何全等子軌跡部沿所述Y方向間隔尺寸YCENT2，并且YCENT2小于YDETABS2，所述幾何全等子軌跡部各自具有Y方向尺寸YT0L2，使得尺寸量[YCENT2+2 (YT0L2)]大于YDETABS2，以及所述幾何全等子軌跡部被布置成如果所述幾何全等子軌跡部之一沿所述Y方向平移所述尺寸YDETABS2，則所述幾何全等子軌跡部將標(biāo)稱重合；以及所述第二絕對軌跡圖案包括圖案化信號變化部，所述圖案化信號變化部被配置成所述圖案化信號變化部的面積與x的具有空間波長L2的第二周期函數(shù)相對應(yīng)地變化，其中，x表示沿所述測量軸方向的x坐標(biāo)位置，并且所述第二周期函數(shù)不是方波。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的編碼器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕對刻度圖案的整體Y方向 尺寸最大是3.0毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種絕對式光學(xué)編碼器的刻度軌跡結(jié)構(gòu)。該編碼器結(jié)構(gòu)包括照明部、包含絕對軌跡的絕對刻度圖案和具有寬度尺寸YDETABS的檢測器。絕對軌跡圖案包括幾何全等子軌跡，并且該全等子軌跡被布置成如果全等子軌跡之一平移寬度尺寸YDETABS，則這些子軌跡將標(biāo)稱重合。全等子軌跡可以間隔小于YDETABS的尺寸YCENT，并且各自可以具有尺寸YTOL，使得[YCENT+2(YTOL)]大于YDETABS。因而，檢測器可以窄于絕對軌跡圖案，但由于檢測器邊緣各自標(biāo)稱位于全等子軌跡上，因此檢測到的信號不受圖案內(nèi)檢測器的水平未對準(zhǔn)的影響。盡管檢測器窄于絕對軌跡，但是這些原理在構(gòu)成絕對軌跡中的有利的各圖案特征時提供了大的自由度。
文檔編號G01D5/26GK101738217SQ20091022309
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者卓賽弗·D·托比阿森, 米歇爾·M·米爾維馳 申請人:株式會社三豐