專利名稱：采用纖維光學(xué)接收通道的微型二維編碼器讀頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種位移檢測光學(xué)編碼器，而更為具體地涉及一種光學(xué)編碼器，利用光纖作為接收元件以提供一超緊湊的二維位置測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
用于檢測一維(1D)線性、旋轉(zhuǎn)或角度運(yùn)動的各種移動或位置編碼器當(dāng)前是可以獲得的。這些編碼器一般基于或是光學(xué)系統(tǒng)、磁性標(biāo)度盤、電感變換器，或是電容變換器。某些編碼器被設(shè)計成用于作出相對測量。在這種相對位移或位置編碼器中，測定一般是通過檢測相對于一參照位置的標(biāo)度位置的相對變化而作出的，這就要求進(jìn)行對標(biāo)度圖形中的變化的檢測，以致可以數(shù)出此圖形的多次重復(fù)。這種類型的位置測定可以稱作是增量位移測定或增量位置檢測或測定。
背景技術(shù)：
對于光學(xué)編碼器來說，許多1D增量位置系統(tǒng)已經(jīng)研制出來。一種比大多數(shù)先前的系統(tǒng)利用較少零部件的新近系統(tǒng)被示出在Eselun的美國專利第5909283號之中。在283專利中所述的這一系統(tǒng)具有一光柵標(biāo)度盤和包括一點(diǎn)光源(讀頭中的激光二極管)的讀頭，一Ronehi光柵或全息器件，以及一光電檢測器陣列。一如所述，此點(diǎn)光源導(dǎo)致具有等于標(biāo)度盤間隔的許多干涉條紋。干涉條紋光線通過Ronchi光柵或全息器件被傳送到光電檢測器陣列。光電檢測器陣列被配置得可從被傳送的條紋光線得到四條通道的正交相移信號。說明在′283專利之中的系統(tǒng)的一項(xiàng)缺點(diǎn)是，所得出的編碼器具有的尺寸對于許多應(yīng)用來說是較大的或禁止的，而另一項(xiàng)缺點(diǎn)是，此系統(tǒng)一般只提供在一維上的測定。另外，在具有采用電子光檢測器的光學(xué)讀頭的某些現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng)中，一如′283專利中所述，檢測出來并經(jīng)過相對很長的導(dǎo)線長度被傳送的高頻測量信號的衰減將成為一種限制因素。
另一類型的相對位置光學(xué)編碼器被披露在Tokunaga的美國專利第4733071號之中。在′071專利之中說明的系統(tǒng)具有一編碼構(gòu)件標(biāo)度盤，以及一光學(xué)傳感頭，包括一光纖頂端光線發(fā)射器和兩個沿著編碼構(gòu)件測量軸線緊密配置的光纖頂端接受器。光學(xué)傳感器端頭被轉(zhuǎn)動(被偏轉(zhuǎn))以調(diào)節(jié)兩個光纖頂端接受器之間的相位差。不過，所得的編碼器的精確度是比較欠缺的，而且此系統(tǒng)一般又是僅僅提供了在一維上的測定。
某種這些類型的編碼器被設(shè)計得用于進(jìn)行二維(2D)增量位置測定。在Masreliez的美國專利第5104225號之中披露了一種2D增量位置編碼器，采用一2D光柵標(biāo)度盤并且在一2D平面上一任意位置處提供高分辨率和高精度。不過，披露在′225專利中的讀頭是相對大的、復(fù)雜和昂貴的。而且，披露在′225專利中的讀頭經(jīng)受著′283專利所述的、同樣的普通電子信號衰減的限制。
2D絕對位置測定系統(tǒng)也是為人所知的。比如，2D條形碼編碼系統(tǒng)已經(jīng)適用于某些低分辨率的絕對2D位置測量應(yīng)用。不過，這種2D條形碼系統(tǒng)的“信息存儲”結(jié)構(gòu)一般不能很好地適合于作為用于高分辨率位置確定的2D標(biāo)度盤。其次，適于這種2D條形碼系統(tǒng)的讀頭也是相對較大、復(fù)雜和昂貴的。其次，對比于許多現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng)所要求的速度使用這些裝置的電子信號處理，嚴(yán)重地限制了這些裝置能夠追蹤的高速運(yùn)動的可允許速率。
一種可以單獨(dú)或結(jié)合起來克服前述各種問題和局限的2D位置檢測裝置，是所希望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種編碼器，其克服了前述和其他的缺點(diǎn)。更為具體地，本發(fā)明致力于一種光學(xué)編碼器，可在二維上提供很高分辨率的測量并具有極小的尺寸，另外還具有一些其他預(yù)期特性。
披露了一種用于在二維上檢測一標(biāo)度盤位移的、帶有多個讀頭件的2D纖維光學(xué)編碼器讀頭。在一實(shí)施例中，標(biāo)度盤可以包括一多個反射部分的2D光柵圖形(grating patern)。每一讀頭件沿著一相應(yīng)的方向檢測標(biāo)度盤的2D光柵圖形的位移。各讀頭件包括一光源用于向標(biāo)度盤傳送光線，以及位于每一讀頭件之內(nèi)的各檢測通道用于從標(biāo)度盤接收光線。按照本發(fā)明的一個方面，編碼器讀頭件的各檢測通道是纖維光學(xué)檢測通道。
如前面所概括指出的，除了先前公開的′283專利只致力于一種單維測定系統(tǒng)這一事實(shí)之外，諸如披露在′283專利之中的電子讀頭接收器(光檢測器)，在轉(zhuǎn)換與高速標(biāo)度盤運(yùn)動相關(guān)聯(lián)的高頻檢測信號和在沒有顯著的信號損失或干擾的情況下將這些信號傳送通過長電纜時，遭受各種局限性。此外，電子光檢測器和相關(guān)電路連接促成了對于許多潛在的編碼器應(yīng)用來說太大的讀頭，特別是在一單一讀頭中采用多個讀頭件的場合下。應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明的纖維光學(xué)檢測通道克服了這些局限性。
按照本發(fā)明的另一方面，2D纖維光纖編碼器讀頭利用各讀頭件在二維中檢測2D光柵標(biāo)度盤的位移，每個讀頭件具有多條纖維光學(xué)檢測通道，后者具有相應(yīng)的相位光柵掩模。根據(jù)相關(guān)聯(lián)的讀頭件為之檢測位移的相應(yīng)方向，至少兩個讀頭件的相應(yīng)相位光柵掩模相對于彼此以及相對于2D標(biāo)度光柵具有不同的取向。除了先前所述的′071專利只是致力于一種1D測定系統(tǒng)這一事實(shí)之外，諸如披露在′071專利之中的那些光纖端部接受器，如果它們具有很大的直徑，則對于精細(xì)的相位信號辨識而言具有不充足的空間分辨，如果它們具有很小的直徑，又收集太少的光線而不能提供良好的信號。因而，它們的精確度是有限的。應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明的纖維光學(xué)檢測通道克服了這些和其他局限以提供高精確度。
按照本發(fā)明的另一方面，由各讀頭件的多條纖維光學(xué)檢測通道檢測的各2D光柵標(biāo)度映象都是自映象，也由其它諸如Talbot映象這樣的其他名稱而為人所知，它們保證了相對穩(wěn)定的調(diào)準(zhǔn)允差以及高分辨率和確度。
按照本發(fā)明的另一方面，2D纖維光學(xué)編碼器讀頭是按照基于各纖維光學(xué)檢測通道的輸入孔尺寸的設(shè)計關(guān)系而構(gòu)造的，以確保信號可靠和精確度提高。
按照本發(fā)明的另一方面，讀頭件的纖維光學(xué)檢測通道配置成均衡對，以提高精確度。
按照本發(fā)明的又一方面，每一讀頭件之內(nèi)的纖維光學(xué)檢測通道的3個均衡對以一種提高精確度的方法作信號處理。
按照本發(fā)明的另一方面，用于每一讀頭件的光源由一光纖提供，以形成一種全光學(xué)讀頭，除去了與編碼器讀頭中電子信號以及電子組件相關(guān)聯(lián)的所有局限性和成本。
按照本發(fā)明的另一方面，2D纖維光學(xué)編碼器的各種光纖是從多種類型中選定的，以使編碼器的測量精確度相對地不受纖維光學(xué)讀頭光纜的彎曲的影響。
按照本發(fā)明的另一方面，2D纖維光學(xué)編碼器讀頭的各種實(shí)施例是以特別經(jīng)濟(jì)、精確和緊湊的方式構(gòu)成的。
按照本發(fā)明的另一方面，2D纖維光學(xué)編碼器讀頭被構(gòu)造成使得它可以被插入到一標(biāo)準(zhǔn)市場上可買到的纖維光學(xué)連接器結(jié)構(gòu)中。
按照本發(fā)明的另一方面，一光線導(dǎo)向器件被設(shè)置用來用于偏轉(zhuǎn)讀頭件基本讀頭元件與標(biāo)度盤之間的讀頭光線路徑，使得讀頭相對于標(biāo)度盤的可運(yùn)作安裝取向得以改變。
按照本發(fā)明的另一方面，在一實(shí)施例中，采用了一遠(yuǎn)控連接盒器，裝有適當(dāng)?shù)碾娮庸庠春凸鈾z測器，它們連接于來往于符合本發(fā)明的一或多個纖維光學(xué)讀頭件的纖維光學(xué)元件，并把接收到的光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成一種適合進(jìn)一步進(jìn)行信號處理和讀頭位置確定的形式。
因此，本發(fā)明克服了現(xiàn)有2D光學(xué)位移檢測裝置的缺點(diǎn)并利用一系統(tǒng)提供許多新的應(yīng)用可能性，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以極高速度在兩維上進(jìn)行測量并且是超緊湊、高度精確和經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。


本發(fā)明的前述各方面和許多相伴的優(yōu)點(diǎn)，隨著參照結(jié)合附圖所作的以下詳細(xì)說明而更好地認(rèn)識，將會變得更加易于理解，其中圖1是符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭裝置第一類實(shí)施例的軸測視圖；圖2是圖1 2D纖維光學(xué)讀頭裝置的、由2D標(biāo)度圖形(scale pattern)產(chǎn)生的一個示范自映象(self simage)和相對自映象處于一示范位置上兩個正交取向的相位掩模(phase mask)的細(xì)部視圖；圖3是符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭裝置的第二類實(shí)施例的軸測視圖；圖4是圖3的2D纖維光學(xué)讀頭裝置的第二類實(shí)施例的局部分解軸測視圖；圖5示出了一方框圖，包括可結(jié)合符合本發(fā)明的2D纖維光學(xué)讀頭裝置使用的一種遠(yuǎn)控電子界面裝置；
圖6是符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭裝置的第三類實(shí)施例的局部分解軸測視圖；圖7是圖6中的2D纖維光學(xué)讀頭裝置的讀頭件之一的纖維和掩模配置的局部分解軸測視圖；圖8是一示意圖，它示出了對于大致對應(yīng)于圖1、2、3、4、6和7的2D纖維光學(xué)讀頭件裝置，當(dāng)纖維光學(xué)檢測通道的接收孔口距一光照場的中心的位于不同半徑處時，針對不同接收孔口直徑獲得的具代表性的相對信噪比；以及圖9示出了一種可結(jié)合符合本發(fā)明的各種2D纖維光學(xué)讀頭裝置使用的一種光學(xué)導(dǎo)向器。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭裝置20的第一類實(shí)施例。如圖1所示，2D纖維光學(xué)讀頭裝置20包括套圈40，此套圈具有調(diào)準(zhǔn)槽溝45和調(diào)準(zhǔn)凸緣50，并封圍兩個讀頭件60和60′。讀頭件60和60′可以按照美國專利申請第10/298312號的原理而制成，此專利申請于2002年11月15日提出，題為“采用纖維光學(xué)接收通道的高精度微型光柵編碼器讀頭”(“High Accuracy Miniature Grating Encoder Readhead Using FiberOptic Receiver Channels”)，共同轉(zhuǎn)讓并在此以其全貌納入作為參考。一如以下將較為詳細(xì)說明的那樣，每一讀頭件60和60′分別對應(yīng)于測定軸線82和83，二者參照于包括一圖形PAT、制成在基底95上的標(biāo)度盤(scale)90。應(yīng)認(rèn)識到的是，標(biāo)度盤90可以沿著測定軸線82和83的方向延伸到任何所需的尺寸。因而，在此示出于多幅圖紙中的標(biāo)度盤90，在符合本發(fā)明的多項(xiàng)示范實(shí)施例中，可以解釋為某一大得多的標(biāo)度盤的一個分段。
一如以下將較為詳細(xì)說明的那樣，每一讀頭件60和60′被連接于纖維光學(xué)通道組合290，其包括三條接收光纖130和一條光照光纖170。因此，用于讀頭件60的纖維光學(xué)通道組合290包括接收光纖130a，130b和130c，以及一光照光纖170。雖然每一讀頭件60和60′包括類似的一些部件，但對于本申請的其余部分來說，讀頭件60和任何其他讀頭件的這些部件將一般不作詳細(xì)說明，應(yīng)會理解，除了在此所述的各個相位掩模方位方面的變化之外，讀頭件60的各部件對于讀頭件60′來說是重復(fù)的，只不過帶有單一的撇號，而對于任何其他各讀頭件來說，只是帶有附加的撇號。作為這種命名法的簡例，將會理解，有關(guān)讀頭件60纖維光學(xué)通道組合290諸如上面的說明，其包括接收光纖130a，130b和130c，也表明讀頭件60′的纖維光學(xué)通道組合290′包括接收光纖130a′、130b′、130c′。
一如以下將較為詳細(xì)說明的那樣，讀頭件60還包括相位掩模(phasemask)120a、120b和120c，配置成蓋住由收光纖130a、130b和130c各端部提供的光學(xué)接收通道孔。在不同的示范實(shí)施例中，讀頭件60和60′的相位掩模120和120′方便地配置在一種共面配置之中，其確定了和/或重合于標(biāo)稱接收平面160。一如以下參照圖2較為詳細(xì)說明的那樣，相位掩模120和120′處在不同的方位上以便在不同的相應(yīng)方向上實(shí)現(xiàn)空間濾波。
回到圖1，在讀頭件60中心處，光源280大致地沿著源光軸線251發(fā)出源光250。源光250一般是單色或準(zhǔn)單色的并具有標(biāo)稱波長λ。波長λ可以是可按照本發(fā)明的原理用以產(chǎn)生可運(yùn)作的自映象(operable self-image)的任一波長。源光250一般以發(fā)散半角252發(fā)散。源光250行經(jīng)一段距離并且在光照點(diǎn)253處照射標(biāo)度盤90的2D光柵圖形(granting pattern)PAT；并大體上沿著標(biāo)度光軸線255反射成為標(biāo)度光254。在示于圖1之中的實(shí)施例中，源光軸線251和標(biāo)度光軸線255平行于Z軸并相互重合。標(biāo)度光254行經(jīng)一段距離到自映象平面265，后者重合于標(biāo)稱接收平面160。在自映象平面265上，標(biāo)度光254提供包括標(biāo)度盤90上圖形PAT的自映象的光照場256。自映象由各相應(yīng)相位掩模120進(jìn)行空間濾波以提供讀頭件60的基本相應(yīng)位置測量信號。應(yīng)理解，光照點(diǎn)253和光照場256可以比可以用作讀頭裝置外殼的典型套圈40小得多。這一特點(diǎn)可允許多個讀頭件被用在單一套圈之內(nèi)。比如，一項(xiàng)實(shí)施例之中的一種標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程通訊型尺寸的套圈具有大約2.5mm的直徑。光照場256可以做得比這一尺寸小得多，從而允許在套圈40之內(nèi)使用多個讀頭件。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，用于標(biāo)度盤90的2D光柵圖形PAT在兩個方向82和83上具有相應(yīng)的空間波長，在此也稱作間距或光柵間距。在一項(xiàng)實(shí)施例中，方向82和83上的光柵間距是一樣的，而兩個方向82和83是正交的。不過，這樣一項(xiàng)實(shí)施例只是示范性的，而不同的各相應(yīng)光柵間距和非正交的測量軸線方向光柵軸線也都在本發(fā)明的范疇之內(nèi)。
一如以下將較為詳細(xì)說明的那樣，在不同的各示范實(shí)施例中，兩個讀頭件60和60′的相位掩模120和120′具有分別對應(yīng)于兩個方向82和83的不同方位。相位掩模120和120′可以包含在單一的掩模之內(nèi)。換句話說，單一掩模內(nèi)接于讀頭件60和60′的適當(dāng)相位掩模器件。這就精確地按照本發(fā)明的原理確定了各讀頭件的掩模器件相對于彼此的定位，以致各輸出信號在信號處理時可以彼此補(bǔ)償和/或結(jié)合以便獲得精確的測量結(jié)果。這也用已知的精確方式對應(yīng)于標(biāo)度盤90的2D光柵圖形PAT的結(jié)構(gòu)確定了各讀頭件相對于彼此的方位。
套圈40的槽溝45和凸緣50設(shè)置用來在安裝套圈40于一適合的安裝支架中時方便地相對于標(biāo)度盤90確定讀頭調(diào)準(zhǔn)的偏轉(zhuǎn)和Z分量。應(yīng)當(dāng)理解，套圈的另外一些實(shí)施例是可能的。比如，在不同的各示范實(shí)施例中，略去圍繞單一掩模器件周邊的套圈部分或代之以隨后加上的一護(hù)圈或護(hù)筒，以致接收光纖130a、130b和130c等在把單一掩模器件裝配于套圈40之前可以容易地磨光而與套圈40的端部齊平。在不同的其他各實(shí)施例中，套圈可以具有正方形或矩形的外部輪廓，而套圈的各側(cè)邊則形成方便的表面，用于在安裝期間相對于標(biāo)度盤90來確定讀頭調(diào)準(zhǔn)的偏轉(zhuǎn)分量(yawcomponent)，而讀頭調(diào)準(zhǔn)的Z分量另外可以通過讀頭的前部表面而不是凸緣50來予以確定。一種示范性安裝支架裝置被描述在先前引入的′312申請之中。一如以下將相對圖9較為詳細(xì)說明的那樣，一導(dǎo)向器可以固定在套圈40的前端上。應(yīng)認(rèn)識到，在套圖較大的情況下，可以包括較多的讀頭件以便增大讀頭的堅(jiān)固性或精度。比如，以下將參照圖3較為詳細(xì)地說明表明三個讀頭件的另外一種可能的結(jié)構(gòu)。
關(guān)于其他一些對于2D纖維光學(xué)讀頭裝置20的注意事項(xiàng)，當(dāng)然重要的是，調(diào)準(zhǔn)兩個讀頭件60和60′相對于標(biāo)度盤90的2D光柵圖形PAT的相應(yīng)各方向的方位。在不同的各示范性實(shí)施例中，套圈40被裝配到市場上可買到的各種類型纖維光學(xué)連接器/套圈之一，或制成為其一組成部分，這些類型的連接器/套圈通常用在遠(yuǎn)程通信之中，用于光纖的中心對中心亞微型調(diào)準(zhǔn)和/或光纖精細(xì)轉(zhuǎn)動調(diào)準(zhǔn)。
關(guān)于生產(chǎn)緊湊讀頭的一些注意事項(xiàng)，應(yīng)當(dāng)理解，每一讀頭件60和60′應(yīng)當(dāng)予以確定尺寸和位置以分別主要從或優(yōu)選地僅從相應(yīng)的單一光照場256或256′接收光線。在不同的各示范性實(shí)施例中，源纖維光學(xué)170設(shè)計得或選定得當(dāng)標(biāo)度盤90的2D光柵圖形PAT與可運(yùn)作的光照場265之間的距離亦即標(biāo)稱工作間隙為1.0mm量級時，對于一高斯光照光束的半最大強(qiáng)度直徑-在此也稱作半最大直徑-來說，產(chǎn)生為光照點(diǎn)253形成大約在200至350微米范圍之內(nèi)的尺寸的發(fā)散半角252。在這些實(shí)施例中，對于高斯光照場的半最大直徑來說，光照場256的大小大約在400至700微米的范圍之內(nèi)。對于光照場256的這樣一種尺寸，在一項(xiàng)示范性實(shí)施例中，接收光纖130a、130b和130c具有大約250μm的直徑并被定位得它們的中心距光照場256的中心大約為250μm。更為一般地說，在各種其他一些示范性實(shí)施例中，接收光纖130a、130b和130c按照引入的′312申請的原理和/或一如下面參照圖8所概述的那樣予以確定尺寸和定位。在任一情況下，相位掩模120a、120b和120c被配置成在由接收光纖130a、130b和130c端部所提供的光學(xué)接收通道孔口之上。
在不同的各示范性實(shí)施例中，相鄰成對光照場256和256′的中心對中心間距至少是稍微大于可運(yùn)作的光照場直徑(operable illuminationfield diameter)。因而，比如，在高斯光照場的半最大直徑是400至700μm的各示范性實(shí)施例中，光照場256和256′的中心對中心間距至少是大約450至750μm。在這些實(shí)施例中，讀頭20的直徑可以容易地做成小到2.5mm或更小。不過，應(yīng)當(dāng)理解，在這一設(shè)計范圍內(nèi)必須留意，由于隨著讀頭件之間中心對中心間距的減小，作為各讀頭件之間的“干涉”而交疊的潛在自映象光量增大了。如果希望獲得盡可能最小的讀頭尺寸而同時又基本上消除這種交疊干涉以保持最大的讀頭信號精度，則在不同的各示范性實(shí)施例中，這種干涉可以通過以下另作概述的時間倍增和/或波長濾除方法予以消除。
在各種其他各實(shí)施例中，為了在多種操作條件下加強(qiáng)各種讀頭件60和60′的信號分離，希望把中心對中心間距的大小定得大致上二至四倍于光照場256和256′之中高斯光照分布的半最大直徑。比如，對于上面指出的高斯光照場256的400至700微米尺寸范圍來說，在不同的各示范性實(shí)施例中，相鄰各對光照場256和256′的中心對中心間距對于相對較大的光照場來說可以是大約1.4至2.8mm的量級，而對于相對較小的光照場來說是0.8至1.6mm的量級。在其中標(biāo)稱工作間隙是2.0mm量級的各示范性實(shí)施例中，高斯光照場256的大小范圍可以大約是800至1400微米，而相鄰各對光照場256、256′和256″的中心對中心間距對于相對較大的光照場來說可以是大約2.6至5.6mm的量級，而對于相對較小的光照場是1.6至3.2mm的量級。于是，在不同的各示范性實(shí)施例中，取決于設(shè)計因素的數(shù)量，一如以上所指出，讀頭20的總體直徑可以容易地做成小到大約7mm、5mm、3mm，或甚至更小。
應(yīng)當(dāng)理解，前面關(guān)于緊湊讀頭尺寸的討論假定每一讀頭件的光源是連續(xù)運(yùn)作的。不過，還應(yīng)當(dāng)理解，由于接收通道和全光學(xué)光源的極高速光調(diào)制潛能，也可以設(shè)計一種比以上概述的還要緊湊的讀頭結(jié)構(gòu)，其中各光照場重疊多個讀頭件的接收器，但每一相應(yīng)讀頭件的光源和接收器都是單獨(dú)和按時間順序運(yùn)作的，這種相鄰讀頭件之間的信號干涉得以防止。
還應(yīng)當(dāng)理解，另外，在不同的各示范性實(shí)施例中，各個讀頭件可以連同一匹配的窄帶通光學(xué)波長濾波器(matching narrow bandpass opticalwavelength filters)使用不同的光線波長，此濾波器設(shè)置用來阻擋來自其相應(yīng)的各纖維光學(xué)接收通道的交疊干涉光線的其他各波長。
在另外一些示范性實(shí)施例中，這種匹配的窄帶通光學(xué)波長濾波器可以于讀頭外面設(shè)置在一適當(dāng)?shù)睦w維光學(xué)讀頭信號處理遠(yuǎn)控電子裝置之內(nèi)，諸如在圖5之中所示者，以過濾來自相應(yīng)各個讀頭件的光學(xué)輸出信號。在另外一些示范性實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)理解，在一適當(dāng)?shù)睦w維光學(xué)讀頭信號處理遠(yuǎn)控電子裝置之內(nèi)具有適當(dāng)選擇的匹配光學(xué)波長響應(yīng)的相應(yīng)光檢測器，可以有效地增大和/或代換相應(yīng)的匹配的窄帶通光學(xué)波長濾波器。在任一情況下，相應(yīng)的窄帶通光學(xué)波長濾波器和/或具有適當(dāng)選擇的匹配光學(xué)波長響應(yīng)的相應(yīng)光檢測器，用以基本上阻止具有的波長不同于其相應(yīng)的匹配光線波長的任何光線，使之不影響源于其對應(yīng)的相應(yīng)讀頭件的光學(xué)輸出信號的相應(yīng)電子信號。
還應(yīng)當(dāng)理解，即使不同的光線波長不用在不同的讀頭件之中，這些相同的技術(shù)可以在按照本發(fā)明原理的讀頭中阻擋或消除環(huán)境光線的信號衰變效應(yīng)。
在另一示范性實(shí)施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其它方法可以用類似的方式予以使用，諸如使用對不同讀頭件進(jìn)行不同偏振的偏振光源，通過偏振保持纖維傳送得到的偏振光，并且對于每個讀頭件用一匹配偏振器過濾偏振的接收光線以濾掉來自于相鄰讀頭件的光源的不同(即正交地)偏振的光。
應(yīng)當(dāng)理解，按照本發(fā)明，光照的波長會影響一讀頭件的標(biāo)稱可運(yùn)作自映象平面(nominal operable self-image plane)，一如下面參照方程1所述。因而，在不同的各示范性實(shí)施例中，不同讀頭件的不同各光線波長是在大約50nm的總體范圍內(nèi)選定的，并且對這里所述的各種2D讀頭實(shí)施例來說，可運(yùn)作的自映象對于所有讀頭件通常形成在同一可運(yùn)用的自映象平面中。在希望有較大的精度、分辨率和/或較寬的安裝和調(diào)準(zhǔn)允差的不同的其他示范性實(shí)施例中，用于不同各讀頭件的不同光線波長是在大約25nm的總體范圍之內(nèi)選定的。
更為一般地，應(yīng)當(dāng)理解，在不同的其他各實(shí)施例中，如果顯著不同的光線波長用于不同的讀頭件，則這些波長可以按照以下在涉及方程1的討論中所概述的各設(shè)計因子和注意事項(xiàng)，來彼此相互依賴地并與2D標(biāo)度盤90的標(biāo)度光柵間距的選定相關(guān)聯(lián)地予以選定，以獲得由所有讀頭件共用的一可運(yùn)作自映象間隙。應(yīng)當(dāng)理解，對于這樣一種共用的自映象間隙，用于各讀頭件的自映象平面(在方程1中由符號ν表示)的“編號”可以是不同的。比如，一個讀頭件的第九個自映象平面可以設(shè)計得與另一讀頭件的第十個自映象平面重合。作為一項(xiàng)可用的指導(dǎo)方針，每一相應(yīng)讀頭件的一自映象平面的可運(yùn)作場深可以認(rèn)為大約是該讀頭件的各相關(guān)自映象平面之間距離的1/6的量級，或更小。另外，可運(yùn)作場深(operable depth of field)，和/或者用以為一讀頭件提供充分的自映象可視性的平面，可以用實(shí)驗(yàn)方式予以確定。
在又一些另外的示范性實(shí)施例中，每一讀頭件的標(biāo)稱可運(yùn)作自映象間隙可以是不同的。不過，在這些實(shí)施例中，每一讀頭件必須相對于其他各讀頭件沿讀頭中的Z-軸線方向單獨(dú)地予以定位，致使在總體讀頭以相應(yīng)選擇的標(biāo)稱操作距離與標(biāo)度盤間隔開時每一讀頭件將被定位在一相應(yīng)的可運(yùn)作自映象平面處。比如，在這些實(shí)施例中，每一讀頭件60、60′和60″可以采用一單獨(dú)的掩模基底被裝配在一個副套圈之中，并隨后以對應(yīng)于標(biāo)稱操作距離的適當(dāng)?shù)南鄳?yīng)Z-偏移被裝配到總體讀頭40套圈里。
對于以上所述的任何時間倍增式和/或光學(xué)濾波式實(shí)施例，以及對于其他一些采用任何目前已知的或以后研制出來的各種方法來消除交疊光干涉的實(shí)施例來說，應(yīng)當(dāng)理解，總體讀頭設(shè)計可以做成各種讀頭部件的物理尺寸所允許的緊湊程度。于是，適當(dāng)選擇的纖維尺寸，在不同的示范性實(shí)施例中，總體讀頭直徑可以容易地做成小到2.5mm、1.8mm和1.25mm，或者甚至更小。
圖2示出了從按照本發(fā)明制成的一個示范性2D標(biāo)度圖形PAT產(chǎn)生的自映象，連同相對于自映象處于一個示范性的位置上的兩個相應(yīng)讀頭件的兩個正交取向的相位掩模分段(phase mask segments)。圖2大體上對應(yīng)于示于圖1之中的2D纖維光學(xué)讀頭裝置20，一如圖2之中右下方局部重現(xiàn)的軸測視圖所示出的那樣。在圖2中，更為詳細(xì)地示出了在光照場256中一標(biāo)稱自映象平面處產(chǎn)生的自映象。在示于圖2之中的實(shí)施例中，兩個相應(yīng)讀頭件60和60′的兩個相應(yīng)相位掩模件120b和120b′分別以不同的正交方位被提供。換句話說，相位掩模件120b包括鉛直取向的光柵擋桿件(亦即空間濾波擋桿)，而相位掩模件120′b包括水平取向的空間濾波擋桿。一如以上概述和以下較為詳細(xì)說明的那樣，相位掩模件120b與讀頭件60一起用以提供沿著測定軸線82的移動測量結(jié)果，而相位掩模件120′b與讀頭件60′一起用以提供沿著測定軸線83的移動測量測量。
在產(chǎn)生自映象SI的標(biāo)度盤90上的2D標(biāo)度圖形PAT在一項(xiàng)實(shí)施例中可以由透明或非反射性背景或基底95上的許多反射正方形構(gòu)成。在另外一項(xiàng)實(shí)施例中，2D光柵圖形PAT可以由反射性背景或基底95上的許多透明或非反射正方形構(gòu)成。此類標(biāo)度盤可以通過已知的薄膜處理技術(shù)或類似技術(shù)制作而成。這種技術(shù)可以被用來制作各種商用1D光柵標(biāo)度盤。采用按照本發(fā)明的原理可用的方法制作而成的類似的2D標(biāo)度盤在本技術(shù)領(lǐng)域中也是普遍為人所知的，并作為采用通常編碼器讀頭的二維編碼器產(chǎn)品的一部分在市場上出售。
在不同的示范性實(shí)施例中，2D光柵圖形PAT包括許多正方圖形元素，它們排列成精確調(diào)準(zhǔn)正交的多行和多列的規(guī)則圖形。在不同的示范性實(shí)施例中，各行和各列沿著每一個它們的相應(yīng)方向以同一光柵間距排列。在這些實(shí)施例中，2D標(biāo)度圖形PAT看起來基本上類似于示意性顯示在圖2之中的自映象SI。不過，應(yīng)當(dāng)理解，在不同的一些其他實(shí)施例中，各圖形元素可以具有其他一些方便的形狀，諸如矩形的、或圓形的等等，而各行和列不需要以同一光柵柵距沿著它們的相應(yīng)方向的每一個予以排列。
在另外一些實(shí)施例中，假定各相位掩模件的光柵擋桿件的取向和2D光柵圖形PAT的行和列的取向以相互可運(yùn)作的組合來予以選定，比如在光柵擋桿件的取向平行于它們的相應(yīng)各行或各列的取向的情況下，2D光柵圖形PAT的行和列不必是相互正交的。不過，應(yīng)當(dāng)理解，對于這種結(jié)構(gòu)來說，從沿著各正交軸線的移動產(chǎn)生的信號是不獨(dú)立的。于是，這種實(shí)施例可能需要更加復(fù)雜的信號處理以按照本發(fā)明的原理來確定2D位置測量，并可能另外只適于有限數(shù)量的特殊應(yīng)用場合。比如，這些特殊的應(yīng)用場合可以包括那些其中移動主要是沿著兩條匹配于編碼器軸線的、非正交軸線的應(yīng)用場合。
一如以上概述和以下較為詳細(xì)說明的那樣，當(dāng)2D光柵圖形PAT與體操作照射時自映象SI產(chǎn)生在標(biāo)定自映象平面處。應(yīng)當(dāng)指出，圖2中的表述是理想的，而實(shí)際上，自映象SI可能一般說來不是如此高分辨的，雖然對于本發(fā)明的目的來說，它仍然是可行的。具體地說，應(yīng)當(dāng)理解，在不同的示范性實(shí)施例中，通過分析或?qū)嶒?yàn)選擇一可運(yùn)作的自映象平面，致使自映象平面有意地包括一稍許散焦的自映象。在這些實(shí)施例中，沿著自映象SI各行和列的光強(qiáng)分布會呈現(xiàn)大致上正弦形的變動，而不是三角形的、梯形的或其他非正弦形的變動，對于提高符合本發(fā)明的不同示范性實(shí)施例中的測量精度來說，這一點(diǎn)是所希望的。還應(yīng)當(dāng)理解，在某些可用的自映象平面處，自映象SI將是2D標(biāo)度圖形PAT的“負(fù)象”。亦即，在自映象SI的某些可用的平面處，亮區(qū)是暗的而暗區(qū)是亮的。因此，自映象圖形SI，并且甚至2D標(biāo)度圖形PAT自身，在不同實(shí)施例中可以具有相反的“極性”，本發(fā)明在其中仍將是可運(yùn)作的。因此以上所述并示出于圖2中的各種圖形和自映象代表著另外許多實(shí)施例，并且圖形和自映象的極性和關(guān)系只是用作例證，而不是限制。
一如上述，以不同方位設(shè)置的相位掩模120和120′沿著它們相應(yīng)方向?qū)ψ杂诚骃I作空間濾波，一如圖2中相位掩模件120b和120b′所示。相位掩模件120和120′具有的空間濾波擋桿分別以掩模間距Pm和P′m設(shè)置。在不同的示范性實(shí)施例中，沿著它們的相應(yīng)空間濾波方向，掩模間距Pm在標(biāo)稱上與自映象間距Psi相同，掩模間距Pm′在標(biāo)稱上與自映象間距P′si相同，以及各空間濾波擋桿具有的寬度是它們相應(yīng)掩模間距的一半。在示于圖2之中的實(shí)施例中，自映象間距在兩個方向上是相同的，亦即，P′si＝Psi。在不同的其他示范性實(shí)施例中，空間濾波擋桿可以具有另一選定的寬度或?qū)挾鹊慕M合，以致在相應(yīng)的相位掩模沿著一相應(yīng)的測定軸線相對于自映象SI移動時產(chǎn)生的信號里，空間濾波諧波(harmonics)減少了。
關(guān)于圖1的完整相位掩模120，一如以下將較為詳細(xì)說明的那樣，在不同的示范性實(shí)施例中，相應(yīng)的相位掩模件120a、120b和120c可以沿著測定軸線82相對于自映象SI的間距Psi以相應(yīng)的空間相位位置0°、120°和240°予以安排，以生成一組三相光學(xué)信號。相應(yīng)的相位掩模件120a′、120b′和120c′可以沿著方向83類似地予以安排。
一如圖2之中所示，隨著相位掩模件120b相對于自映象SI被水平移動(沿著測定軸線82)，相位掩模件120b的空間濾波擋桿移動跨過自映象圖形SI的各列明暗元素。應(yīng)當(dāng)理解，在沿著測定軸線82的多個不同位置處，空間濾波擋桿將阻擋由自映象圖形SI的較亮部分提供的不同光量。因而，隨著相位掩模件120b相對于自映象SI被水平移動(沿著測定軸線82)，對應(yīng)于由相位掩模件102b傳遞的光線的純粹光信號(net optical signal)經(jīng)歷對應(yīng)于自映象間距Psi的周期性變動。類似地，隨著相位掩模件120b′相對于自映象SI被鉛直移動(沿著測定軸線83)，相位掩模件120b′的空間濾波擋桿移動跨過自映象圖形SI的各行以提供類似的經(jīng)歷對應(yīng)于自映象間距P′si的周期性變動。在不同的示范性實(shí)施例中，符合本發(fā)明原理的一種讀頭裝置設(shè)計得以致這些相應(yīng)的周期性變動都幾乎是沿著相應(yīng)測定軸線82和83的位移的理想正弦函數(shù)。這種設(shè)計按照本技術(shù)領(lǐng)域中所知并在引入的′312申請中所教導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)編碼器信號處理，便于沿著兩條測定軸線82和83的每一條獨(dú)立地或組合地確定位移和位置的測量。
應(yīng)當(dāng)理解，讀頭件60的各相位掩模件，諸如相位掩模件120b，設(shè)計得以致在沿著測定軸線82的一給定位置處它們的純粹光學(xué)信號由于沿著測定軸線83的正交移動基本上是不變的。比如，在不同的示范性實(shí)施例中，沿著測定軸線83方向空間濾波擋桿之間的孔口的有效長度單獨(dú)地或組合地做成標(biāo)定上等于自映象間距P′si的整倍數(shù)。類似地，讀頭件60′的各相位掩模件，諸如相位掩模件120′b，設(shè)計得以致在沿著測定軸線83的一給定位置處它們的純粹光學(xué)信號由于沿著測定軸線82的正交移動而基本上不變。
將會理解，對比于披露在引入的′312申請之中的1D讀頭和標(biāo)度盤的實(shí)施例，對于在此披露的2D讀頭和標(biāo)度盤實(shí)施例的各檢測通道來說，沿著每一測定軸線82和83的測量結(jié)果的相對信噪比要低于沿著一般的1D標(biāo)度盤所作的類似測量。這種差別的產(chǎn)生是由于2D標(biāo)度圖形PAT產(chǎn)生一最終自映象SI，以致示于圖2之中的許多“正方形”圖形元素可以最多在標(biāo)稱上充滿空間濾波擋桿之間的孔口面積的50％。相反，對應(yīng)于一般ID標(biāo)度盤的“擋桿”圖形元素可以在標(biāo)稱上充滿各孔口的100％。因而，由示于圖2之中實(shí)施例的2D標(biāo)度圖形PAT形成的正弦形信號變動在標(biāo)稱上是由一般標(biāo)度圖形可以形成的正弦形信號變動的一半。一種相關(guān)的設(shè)計考慮是，使用反射性2D標(biāo)度盤，其中2D圖形的相對較小的元素是反射性的，比如在此披露的2D圖形PAT的微小圖形元素，輸出信號的DC分量將基本上不大于從一般ID標(biāo)度盤導(dǎo)出的輸出信號的DC分量。但是，對于使用其中2D圖形的的相對大的部分是反射性的反射式2D標(biāo)度盤的實(shí)施例來說，輸出信號的DC分量可能是相當(dāng)大的。
圖3示出了符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭裝置20a的第二類實(shí)施例。圖3的讀頭裝置類似于圖1的，除了大致上如圖3中所示的以緊湊構(gòu)造設(shè)置的3個讀頭件60，60’和60”以外。在示于圖3之中的實(shí)施例中，讀頭件60、60′是一如先前參照圖1和2所述者，而讀頭件60″在結(jié)構(gòu)和取向上等同于讀頭件60。讀頭件60″也大體上沿著測量軸線方向83調(diào)準(zhǔn)于讀頭件60。另外，讀頭裝置20和20a的相似編號的各元件在結(jié)構(gòu)和功能上是相似的。
為了增強(qiáng)對于調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)?shù)木芸剐?，特別是包括偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)在內(nèi)，讀頭件60和60″被配置成如下的“均衡對”結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解，在讀頭20a相對于標(biāo)度盤90具有偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)時，讀頭件60和60″的對稱配置形成了來自各讀頭件的相應(yīng)位置測定結(jié)果，由于相對于讀頭件60和60″的有效中心之間正中處的直線82A上一個“中心”點(diǎn)的標(biāo)稱位置的大致上相等而相反的偏移量，將在標(biāo)稱上有所不同。將會理解，在不同的示范性實(shí)施例中，直線82A平行于測定軸線82，并重合于讀頭件60和60″的有效中心。因而，如果對來自每一讀頭件60和60″的適當(dāng)信號加以平均，相等而相反的偏移量則理想地彼此補(bǔ)償，消除偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)?shù)挠绊懸蕴峁?yīng)于“中心”點(diǎn)位置的、沿著測定軸線82的可靠的對偏轉(zhuǎn)不敏感的位置測量。
其次，給定讀頭件60和60″的有效中心之間的已知間距，通過從另一個減去它們位置測量中的一個，可以確定偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)?shù)拇笮?。確定出來的偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)隨后可以與從“中心”點(diǎn)到重合于讀頭件60′的有效中心的直線83A的已知間距相結(jié)合來確定由于偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)所造成的讀頭件60′沿著直徑83A的，亦即沿著測定軸線83的有效中心的偏移量。當(dāng)沿著直線83A的偏移被從讀頭件60′的相應(yīng)位置測定結(jié)果減去時，結(jié)果就消除了偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)?shù)挠绊懚峁┩瑯訉?yīng)于“中心”點(diǎn)位置的、沿著測定軸線83的可靠的對偏轉(zhuǎn)不敏感的位置測量結(jié)果。
示于圖3之中的實(shí)施例因而圖示一種微型的對偏轉(zhuǎn)不敏感的2D纖維光學(xué)讀頭結(jié)構(gòu)，具有少至三個讀頭件。關(guān)于實(shí)際的讀頭制作和裝配，示于圖3之中的三個讀頭件的配置可以包含在一個讀頭直徑之中，此直徑大致上與如圖1中所示設(shè)置的用于兩個讀頭件的讀頭直徑相同，或者最低限定地大于它。因此，在不同的示范性實(shí)施例中，取決于類似于先前參照圖1所述的那些設(shè)計因素，讀頭20a的總體直徑可以容易地做成小至大約7mm、5mm、3mm，或者甚至更小。
應(yīng)當(dāng)理解，在不同的示范性實(shí)施例中，按照針對圖3所示實(shí)施例的關(guān)于偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)那笆稣f明所達(dá)到的純粹效果可以通過多種不同的信號組合和/或信號處理操作的順序來予以實(shí)現(xiàn)。因而，前述說明只是例證而不是限制。
還應(yīng)當(dāng)理解，在不同的示范性實(shí)施例中，讀頭20a可以包括另外的讀頭件60，其在結(jié)構(gòu)和取向上等同于讀頭件60′，大體上沿著測定軸線方向82調(diào)準(zhǔn)于讀頭件60′，并相對于“中心”點(diǎn)對稱定位。在這些實(shí)施例中，來自讀頭件60′和60的位置測定結(jié)果可以用相似于先前針對讀頭件60和60″所述的方式予以處理，作為用于提供同樣對應(yīng)于“中心”點(diǎn)位置的、沿著測定軸線83的、可靠的對偏轉(zhuǎn)不敏感的位置測量的另一種方法。因而，就根據(jù)本發(fā)明的一種對偏轉(zhuǎn)不敏感讀頭的各種示范性實(shí)施例而言，示于圖3之中的讀頭裝置20a只是例證而不是限制。
圖4是圖3讀頭裝置的局部分解視圖。一如圖4之中所示，在讀頭裝置20a中，讀頭件60對應(yīng)于三個纖維光學(xué)接收通道190a、190b和190c。纖維光學(xué)接收通道190a包括接收通道110a、相位掩模120a和接收光纖130a。接收通道孔口110a位于相位掩模120a后面。類似地，纖維光學(xué)接收通道190b包括接收通道孔口110b、相位掩模120b和接收光纖130b。類似地，纖維光學(xué)接收通道190c包括接收通道孔口110c、相位掩模120c和接收光纖130c。
對于每一纖維光學(xué)接收通道190來說，相位掩模120包括一光柵，完全覆蓋接收通道孔口110，對入射光照起著空間濾波器的作用。一如以下將較為詳細(xì)說明的那樣，相位掩模120和120″具有不同于相位掩模120′的取向。接收光纖130被調(diào)準(zhǔn)于接收通道孔口110，以致在標(biāo)稱上所有由接收通道孔口110接收的光照都順延光纖130引導(dǎo)而提供光學(xué)信號191。在不同的示范性實(shí)施例中，接收通道孔口110簡單地是接收光纖130的一平直端部。在不同的其他實(shí)施例中，接收通道孔110是接收通光纖130的一成形端部。在不同的其他示范性實(shí)施例中，接收通道孔口110是接收光纖130的一成形端部。在不同的其他示范性實(shí)施例中，接收通道孔口110是一緊湊的折射或衍射透鏡，經(jīng)由相位掩模120收集入射光照，集中光線和把光線引向接收光纖130的端部，后者經(jīng)過調(diào)準(zhǔn)以有效地接收光線。由于在引入的′312申請之中所述的種種原因，在不同的示范性實(shí)施例中，每一接收通道孔口110跨過相關(guān)聯(lián)的相位掩模120的至少一個全周期或間距，使進(jìn)入接收通道孔口110的光學(xué)信號的相位至少對接收通道孔口110的光線收集區(qū)域相對于相位掩模120的各阻光部分的定位不那么敏感。在不同的其他示范性實(shí)施例中，每一接收通道孔口110跨過相關(guān)聯(lián)的相位掩模120的至少三個全周期，使進(jìn)入接收通道孔口110的光學(xué)信號的相位對于接收通道孔口110光線收集區(qū)域的定位更加不大敏感。更為一般地，接收通過孔口110跨過的相位掩模120的周期越多，進(jìn)入接收通道孔口110的光學(xué)信號的相位對于其定位將越不敏感。接收通道孔口110、相位掩模120和每一纖維光學(xué)接收通道190的接收光纖130的端部都由粘接劑或其他適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ怨潭ǖ年P(guān)系彼此固緊。
接收通道孔口110的定位參照纖維光學(xué)接收通道裝置的通道裝置中心157可以方便地予以說明。在符合本發(fā)明的各種高精度光纖讀頭實(shí)施例中，通道裝置中心157定位得重合于提供給纖維光學(xué)接收通道裝置的任一光照場的標(biāo)稱中心。每一相應(yīng)的接收通道孔口110a-110c的有效中心位于距通道裝置中心157的一相應(yīng)的定位半徑處。接收孔口定位半徑在此總體上表示為RAL。為了本發(fā)明的目的，在其中接收通道孔口110不具有明顯的幾何中心的實(shí)施例中，有效中心可以作為孔口面積的形心。
可用的接收孔口定位半徑，以及孔口面積，可以按照以下參照圖6-8詳細(xì)說明的本發(fā)明各項(xiàng)原理來予以確定。在不同的示范性實(shí)施例中，對于每一讀頭件60，各接收通道孔口110是等同的，而它們的相應(yīng)各定位半徑也是等同的。一般，在符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭中采用等同的各纖維光學(xué)接收通道190可使結(jié)構(gòu)較為簡單、信號處理較為簡單和測定精度相對較高。不過，更為一般地，各接收通道孔口110和/或它們相應(yīng)的各定位半徑在符合本發(fā)明的各示范性實(shí)施例中不需要是等同的。
纖維光學(xué)接收通道190大體上以確定的彼此關(guān)系設(shè)置。特別是，對于每一讀頭件60來說，每一纖維光學(xué)接收通道190的相位掩模120的光柵都在標(biāo)稱上是共面的，并且在接收平面160中相對于比沖以特定的空間相位關(guān)系被固定(見圖1)。一如以下將較為詳細(xì)說明的那樣，相位掩模120和120″以與相位掩模120′不同的空間濾波取向予以固定。在不同的示范性實(shí)施例中，各相位掩模120通過把它們制作在一單一掩模基底上而彼此相對固定。
應(yīng)當(dāng)理解，雖然圖1、3和4示出了每一讀頭部60、60′和60″采用單一掩?；籽b配在單一套圈40之內(nèi)，但在符合本發(fā)明的不同的其他示范性實(shí)施例中，每一讀頭件60、60′和60″可以制作成單獨(dú)的器件，正如在引入的′312申請之中所公開的那樣。比如，每一讀頭件60、60′和60″可以采用單獨(dú)的掩?；籽b配在一子套圈之內(nèi)，而隨后按照本發(fā)明的各項(xiàng)原理裝配到一類似于套圈40的總體套圈里面。在這些實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)理解，對于每一讀頭件60、60′和60″來說，接收平面160配置得在標(biāo)稱上重合于自映象平面265，一如先前參照圖1所示。不過，并不嚴(yán)格需要將這些平面設(shè)計和裝配得對于所有各個讀頭件處于同一平面，如果每一平面各自設(shè)計和裝配得兼容于一如以下進(jìn)一步概述的最終標(biāo)稱操作間隙，而且標(biāo)準(zhǔn)操作間隙在實(shí)際安裝和運(yùn)作期間充分良好地受到控制。
在任一情況下，一如前述，每一讀頭件60配置得形成2D標(biāo)度圖形PAT光柵結(jié)構(gòu)的一自映象。自映象，也稱作Talbat映象，的基本原理是為人熟知的并在此不作詳述。一種經(jīng)典的分析被示出在Cowly，I.M.和Moodie，A.F.的論文-1957，Proc.Phys.Soc.B，70，486-之中，此論文在此引入作為參考。一如圖4之中所示，自映象裝置包括光源280和標(biāo)度盤90，由一光源間隙隔開。光源間隙的尺寸一般標(biāo)示為Zs，或者，如果光源間隙與映象間隙是相同的，在此標(biāo)示為Z。標(biāo)度盤90沿著測定軸線82和83被調(diào)準(zhǔn)并包括各標(biāo)度圖形光柵元件，后者在不同的示范性實(shí)施例中分別沿測定軸線82和83精確地按行和列對準(zhǔn)。光柵元件(grating elements)分別按照標(biāo)度光柵周期Pg和P′g沿著測定軸線82和83周期性地予以排列，Pg和P′g一般在此指的是相應(yīng)的各標(biāo)度波長、光柵周期、間距或光柵間距。2D標(biāo)度圖形PAT的各種特征先前在涉及圖2的討論中已經(jīng)作了說明。
示于圖4之中的X、Y和Z軸線可以參照標(biāo)度盤90的平面予以確定。X軸線平行于標(biāo)度盤90的平面并平行于測定軸線82，而Y軸線平行于標(biāo)度盤90的平面并平行于測定軸線83。X-Y平面平行于標(biāo)度盤90的平面，而Z軸線垂直于該平面。
光照場256具有光照場中心257和標(biāo)稱光照場半徑258。一如以上曾經(jīng)參照圖2所述的那樣，自映象是由沿著測定軸線82和83調(diào)準(zhǔn)的明暗各區(qū)域的圖形組成的映象，明暗各區(qū)域按照相應(yīng)的自映象周期在平行于測定軸線82和83的方向上是周期性的，自映象周期此文中通常指明為自映象周期或自映象間距Psi和P′si，分別對應(yīng)于標(biāo)度光柵周期Pg和P′g，一如圖4之中所示。
在自映象裝置中，自映象平面平行于標(biāo)度盤90的平面。應(yīng)當(dāng)理解，各自映象在特定的一組自映象平面處在空間上被局部化。當(dāng)光源280實(shí)際上是一點(diǎn)源時，而其配置大致上一如圖4之中所示時，可用自映象平面的自映象條件，包括“同相”映象和各“負(fù)象”在內(nèi)，是ZsZZs+Z=2vPg2λ]]>(方程1)而對于映象間距Psi相對于相應(yīng)光柵間距Pg的放大倍數(shù)是Psi=Zs+ZZsPg]]>(方程2)其中v＝0，1，2...
Zs是光源間隙；Z是映象間隙；以及λ是源光的波長。
因而，對于示于圖4之中的結(jié)構(gòu)來說，在Z＝Zs的情況下，可用的自映象平面位于2Pg2/λ的整倍數(shù)處，而映象間距Psi將是光柵間距Pg的兩倍和映象間距P′si將是光柵間距P′g的兩倍。
一般，在不同的示范性實(shí)施例中，標(biāo)度光柵周期Pg和P′g做成是相等的或大致相等的。不過，這并不是嚴(yán)格必需的，在不同的其他示范性實(shí)施例中，如果采用顯著不同的標(biāo)度光柵周期Pg和P′g，應(yīng)認(rèn)識到的是，不同的標(biāo)度光柵周期必須相互獨(dú)立地予以選擇，而讀頭20a必須大致上配置在一自映象間隙處，后者用以為標(biāo)度光柵周期Pg和P′g二者提供充分的自映象可視性，完全按照以上在涉及方程1的討論中所概述的設(shè)計因素和考慮事項(xiàng)。一如先前所述，作為一種有用的指南，一自映象平面的可運(yùn)作的場深可以設(shè)定為大約是在相關(guān)聯(lián)的各自映象平面之間距離的1/6量級。另外，可運(yùn)作的場深，以及/或者用以為標(biāo)度光柵周期Pg和P′g提供充分的自映象可視性的平面，可以用實(shí)驗(yàn)方式予以確定。應(yīng)當(dāng)理解，在不同的示范性實(shí)施例中，各個讀頭件也可以采用顯著不同的光線波長，以便提供另外的設(shè)計自由度，用于為顯著不同的標(biāo)度光柵周期實(shí)現(xiàn)基本上類似的或等同的自映象平面。
應(yīng)當(dāng)理解，還有一些通常稱作菲涅耳(Fresnel)映象的映象，位于自映象平面之間的各平面處。只要各相位掩模120的間距被調(diào)節(jié)成匹配于一選定菲涅耳映象的間距，菲涅耳映象可以按照本發(fā)明的原理被用作自映象并被包括在一如在此所用的自映象一詞之內(nèi)。菲涅耳映象的特征可以參照Krzysztof Patorski的文章予以了解和應(yīng)用“自映象現(xiàn)象及其應(yīng)用”(“TheSelf-Imaging Phenomonon and its Application”)，Progress in Optics，ed.E.Wolf，27，3-108，North Holland，Amsterdam 1989。
在符合本發(fā)明的不同的其他實(shí)施例中，2D標(biāo)度盤90是一種專門制作d反射性的相位光柵式標(biāo)度盤，使得標(biāo)度盤的第零級反射受到抑制。雖然一相位光柵的自映象不可用于編碼器，但還有其他一些給出的信號強(qiáng)于現(xiàn)有信號的可用映象，具有諸如以上分析中那樣的波幅光柵。應(yīng)當(dāng)理解，對于這些實(shí)施例，可用映象的位置偏離于以上分析中的自映象的位置。最佳可用映象平面之間的距離將與上述分析的保持相同，例外的是，在標(biāo)度盤與第一可用映象平面間的為可用映象平面之間的距離一半的間隙中將具有一定的附加偏移。比方，在一Z＝Zs的反射性結(jié)構(gòu)中，光源波長為780nm的20微米周期的相位光柵將在Z＝0.513+v*1.026mm，V＝1，2，3...，的標(biāo)稱間隙處具有一些可用映象平面(帶有依次的相反相位)，忽略可能的與掩模和標(biāo)度基底厚度的偏離。為最佳運(yùn)作而調(diào)節(jié)間隙所需的偏離可以容易地通過在各操作間隙處觀察纖維光學(xué)接收通道信號用實(shí)驗(yàn)方式予以確定。另外，可以利用適當(dāng)?shù)姆治龌蚰M來確定附加的偏離。
在符合本發(fā)明的各示范性實(shí)施例中，一種特別簡單和有效的光源280的實(shí)施例是單一光纖的末端，其傳播由一遠(yuǎn)程激光二極管或其他適當(dāng)光源所提供的相干光線，如由光照光纖170所例示的那樣。在不同的其他示范性實(shí)施例中，光源280是以精確的間距配置的兩個或更多的這種光源。在不同的其他示范性實(shí)施例中，光源280是配置在傳播來自遠(yuǎn)程LD或LED或其他適當(dāng)光源的一或多條光纖的端部處的、一個光源光柵孔口的周期陣列。光源光柵孔口具有規(guī)定的寬度和規(guī)定的周期。在另外其他示范性實(shí)施例中，光源280是由一微型固態(tài)激光器件、這種器件的陣列、或者包含在2D纖維光學(xué)讀頭之內(nèi)的和一微型LED器件和一光源光柵而形成的。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)理解，讀頭結(jié)構(gòu)可能變得更加復(fù)雜和昂貴，并喪失了全光學(xué)讀頭的某些好處。不過，甚至在這種情況下，結(jié)合在根據(jù)本發(fā)明的全光學(xué)接收通道裝置中讀頭的某些好處會保留下來，并可以取得其他一些好處。
一如圖4之中所示，光源280發(fā)出源光250，大體上沿著源光軸線251。源光250行經(jīng)等于光源間隙的距離Z，并在光照點(diǎn)253照射標(biāo)度盤90上的2D標(biāo)度圖形PAT。光照點(diǎn)253大體上沿著標(biāo)度光軸線255將光反射作為標(biāo)度光254。在示于圖4的實(shí)施例中，源光軸線251和標(biāo)度光軸線255平行于Z軸線并相互重合。標(biāo)度光254行經(jīng)等于至自映象平面265的映象間隙的距離Z(見圖1)。在自映象平面265中，標(biāo)度光254形成光照場256，包括由在相應(yīng)自映象間距Psi和P′si處的明暗區(qū)域組成的自映象266，一如前述。
接收平面160，參照圖1先已說明，配置得在標(biāo)稱上重合于自映象平面265。應(yīng)當(dāng)理解，自映象實(shí)際存在于鄰近前述“完善”的自映象平面的“聚焦不足的”平面中。在一些示范性實(shí)施例中，接收器被有意地配置得在標(biāo)稱上重合于這些“聚焦不足的”自映象平面，并且適當(dāng)?shù)鼗蝾A(yù)期的映象仍然按照本發(fā)明的原理予以檢測。比如，這些“聚焦不足的”自映象平面可以有意地予以選擇用來抑制自映象中不需要的高階空間諧波分量。通道配置中心157也在標(biāo)稱上調(diào)準(zhǔn)于光照場中心257。應(yīng)當(dāng)理解，在2D纖維光學(xué)讀頭裝置的這一實(shí)施例中，光源280也在標(biāo)稱上對準(zhǔn)于光照場中心257。在各示范性實(shí)施例中，利用一組帶有調(diào)準(zhǔn)部分305的調(diào)準(zhǔn)孔眼304，可以容易地實(shí)現(xiàn)所有部件的調(diào)整，調(diào)準(zhǔn)部分一般位于相位掩模120a-120c附近并與之調(diào)準(zhǔn)，而且具有所需數(shù)量的接收光纖孔眼，以及如果可行，具有一些光源光纖孔眼。調(diào)準(zhǔn)孔眼組304可以設(shè)置在一嵌入套圈40a的板上，或者另外利用直接設(shè)置在套圈40a上的各孔眼形成。在任一情況下，各各光纖端部都插進(jìn)和固定在各適當(dāng)?shù)目籽壑幸孕纬伤璧恼{(diào)準(zhǔn)。在不同的示范性實(shí)施例中，接收光纖130a、130b和130c在裝配攜帶著各掩模120的器件之前被磨光而齊平于包括調(diào)準(zhǔn)孔眼組304的器件的端部。在這些實(shí)施例中，如果調(diào)準(zhǔn)孔眼組304直接設(shè)置在套圈40a上，圍繞帶有相位掩模120的器件的套圈部分可以省去或用隨后加上的一保護(hù)環(huán)管代替。圖4示出了帶有調(diào)準(zhǔn)部分305的調(diào)準(zhǔn)孔眼組304。這組調(diào)準(zhǔn)孔眼304設(shè)置得接近各相位掩模120，不在圖示的“分解開的”位置上。如果在各實(shí)施例中可行的話，調(diào)準(zhǔn)部分305具有接收光纖孔眼306和一光源光纖孔眼307。
在標(biāo)稱上調(diào)準(zhǔn)的接收平面160和自映象平面265中，對于每一相應(yīng)的纖維光學(xué)接收通道190，相應(yīng)的相位掩模對入射的自映象光照作空間濾波。在示于圖4之中的示范性實(shí)施例中，相應(yīng)的相位掩模120a、120b和120c各自具有與相應(yīng)映象間距Psi相同的一掩模間距Pm，而且它們就自映象266而言被配置在0度、120度和240度的相應(yīng)空間相位位置處。因而，纖維光學(xué)接收通道190a、190b和190c接收除了空間相位差之外以類似方式經(jīng)過空間濾波的光照。將會理解，隨著標(biāo)度盤90沿著一相應(yīng)的測定軸線移動一增量Pg或P′g，自映象相對于相位掩模120移動一增量Psi或P′si。因而，對應(yīng)于光學(xué)接收通道190a、190b和190c的光學(xué)信號191a、191b和191c隨著標(biāo)度盤90沿著相應(yīng)的測定軸線82移動而大致上顯示等同的正弦形強(qiáng)度變化，但帶有120度的相對相位錯移。一如圖4之中所示，讀頭件60的相位掩模120的取向類似于讀頭件60″的相位掩模120″。相反，讀頭件60′的相位掩模120′的取向則垂直于讀頭件60和60″的相位掩模120和120″。因而，隨著讀頭沿著測定軸線82移動，讀頭部60和60″結(jié)合相位掩模120和120″提供相應(yīng)的位移測量信號，而隨著讀頭沿著測定軸線83移動，讀頭件60′結(jié)合相位掩模120′提供相應(yīng)的位移測量信號。一如上面所指出，對應(yīng)于每一相位掩模120a、120b和120c的光學(xué)接收通道190a、190b和190c，隨著2D標(biāo)度盤90沿著相應(yīng)的測定軸線82移動，大致上顯示等同的正弦形強(qiáng)度變化。根據(jù)此種“三相位”位移信號，一些為人熟知的方法可被用于確定標(biāo)度盤90相對于各相位掩模120a、120b和120c的位移。一種示范性方法示出在先前引入的′312申請之中。特別是，在本發(fā)明的一項(xiàng)示范性實(shí)施例中，讀頭件60的三個光學(xué)信號191a、191b和191c可以由′312申請中所述的示范性方法予以處理來確定兩個導(dǎo)出的正交信號值(quadraturesignal value)Q1和Q2。更為一般的是，出自每一讀頭件60、60′和60″的三個光學(xué)信號之中的每一個可以類似地予以處理以產(chǎn)生相應(yīng)的導(dǎo)出的正交信號數(shù)值Q1i和Q2i，這里i是一對應(yīng)于被分析的特定讀頭件的下標(biāo)。在以下的討論中，比如，i＝1用于讀頭件60，i＝2用于讀頭件60′，而i＝3用于讀頭件60″。在每一情況下，兩個導(dǎo)出的正交信號數(shù)值Q1i和Q2i可利用模(modulo)為2π的一個二變元反正切函數(shù)(two-argument arctangent function)進(jìn)行處理來確定2D標(biāo)度圖形PAT的相應(yīng)波長或周期內(nèi)的一當(dāng)前相位位置φi。
φi＝a tan2(Q1i，Q2i) (方程3)方程3中表明的二變元“atan2”函數(shù)是可達(dá)到的并在許多公開可用的數(shù)學(xué)程序中有所說明。函數(shù)結(jié)果是Q1/Q2的反正切，為弧度。不過，采用兩個變元使得可以確定所得角度的象限，以致結(jié)果在-Pi與+Pi之間，而不是在-Pi/2與+Pi/2之間。沿著每一相應(yīng)的測定軸線，2D標(biāo)度盤90和相應(yīng)的(各)讀頭件可以被用來通過將相應(yīng)的波長乘以當(dāng)前相應(yīng)的相位位置φ1來提供2D標(biāo)度盤90的一個相應(yīng)波長或周期內(nèi)的位置測定結(jié)果。在位移期間，累積波長的數(shù)目可以通過已知方法予以數(shù)定用來提供在一個長范圍的位移和/或位置測量結(jié)果。在一項(xiàng)示范性實(shí)施例中，2D標(biāo)度盤90的各相應(yīng)波長等于8.00微米。在不同的其他示范性實(shí)施例中，2D標(biāo)度盤90的每一相應(yīng)波長都在大約4至大約40微米的范圍之內(nèi)予以選擇。在不同的示范性實(shí)施例中，相應(yīng)的波長是不相等的。
因而，示于圖4之中的示范性2D纖維光學(xué)讀頭裝置20a提供了一種二維位移測量系統(tǒng)，可用在多種符合本發(fā)明的2D纖維光學(xué)讀頭之中。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員還會理解，示于圖4之中的反射式2D纖維光學(xué)讀頭裝置具有一透射式2D纖維光學(xué)讀頭裝置的配對物。在這樣的情況下，光源280沿著Z軸線被定位于透射式標(biāo)度盤相反一側(cè)的同一距離處，在光源280與此標(biāo)度盤之間的一類似的光源間隙處。
示范性的絕對位置式纖維光學(xué)讀頭裝置20a提供了一種三相位測量系統(tǒng)。不過，將會理解，相位掩模120的另外一些實(shí)施例，連同光學(xué)接收通道190的相應(yīng)另外一些配置，一如引入的′312申請之中所述，可用在普通的纖維光學(xué)讀頭裝置20a之中。
圖5表明一方框圖，包括一普通的遠(yuǎn)程電子界面單元405，可結(jié)合符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭，一般地由2D纖維光學(xué)讀頭400表示，一起使用。遠(yuǎn)距電子界面單元405包括信號處理和控制單元493；光源477，此光源可以包括一可選擇的透鏡；以及一特定于實(shí)施例的多個光傳感器/放大器492A至492n、492A′至492n′和492A″至492n″。光源/透鏡477可以包括其他一些光學(xué)器件，諸如光學(xué)隔離器或類似物。光源/透鏡477和光傳感器/放大器492A至492n分別經(jīng)由光源光纖470和接收器光纖430A至430n聯(lián)接于2D纖維光學(xué)讀頭400的讀頭件60。類似地，光源/透鏡477和光傳感器/放大器492A′至492n′分別經(jīng)由光源光纖470′和接收器光纖430A′至430n′聯(lián)接于2D纖維光學(xué)讀頭400的讀頭件60′，以及光源/透鏡477和光傳感器/放大器492A″至492n″分別經(jīng)由光源光纖470″和接收器光纖430A″至430n″聯(lián)接于2D纖維光學(xué)讀頭400的讀頭件60″。雖然光源/透鏡477圖示為單一單元，但在不同的實(shí)施例中，可設(shè)置多個單獨(dú)的光源/透鏡。特別是，在此披露不同實(shí)施例中，其中不同讀頭件使用不同的相應(yīng)光照波長，為每一不同的波長設(shè)置一單獨(dú)的光源/透鏡。在不同的其他示范性實(shí)施例中，光源/透鏡477可以包括一或多個單個的光源部件或一光源陣列，每個光源光纖一個，或者包括單一光源，此光源或是直接地或是在最初被輸進(jìn)饋入“分立的”光纖的單一光纖之后被分配到多條光纖里去。在不同的各示范性實(shí)施例中，至少是向“自映象”讀頭件提供光線的光源光纖470是單一模式光纖，它們提供改善了的光照分配穩(wěn)定性，盡管存在著讀頭電纜的潛在彎曲和移動。
各光纖可以通行在一條讀頭電纜(未畫出)之內(nèi)，后者聚攏和保護(hù)2D纖維光學(xué)讀頭400與遠(yuǎn)程電子界面單元405之間的各光纖?？梢圆捎脝我蛔x頭電纜或多條讀頭電纜。在符合本發(fā)明的不同的示范性實(shí)施例中，讀頭電纜可以是幾米長或更長。接收光纖430A至430n分別傳送光學(xué)信號491A至491n。光學(xué)信號491A至491n是如上述和下面說明的相位信號。類似地，接收光纖430A′至430n′分別傳送光學(xué)信號491A′至491n′，以及接收光纖430A″至430n″分別傳送光學(xué)信號491A″至491n″。
光源/透鏡477接收能量并可接收出自信號處理和控制單元493的增益控制信號。一如上述，光源/透鏡477經(jīng)由光源光纖470、470′和470”把光線傳送到2D纖維光學(xué)讀頭400和標(biāo)度盤90的標(biāo)度光柵圖形上。2D纖維光學(xué)讀頭400的纖維光學(xué)檢測通路，諸如上述的纖維光學(xué)接收通路190a至190c等，接收出自標(biāo)度盤90的標(biāo)度光柵圖形的光線并提供信號491A至491n，后者分別被輸入到光傳感器/放大器492A至492n。光傳感器/放大器492A至492n向信號處理和控制單元493提供放大的電子輸出信號491Ax至491nx。類似地，光傳感器/放大器492A′至492n′向信號處理和控制單元493提供放大的電子輸出信號491Ax′至491nx′，以及光傳感器/放大器492A″和492n″向信號處理和控制單元493提供放大的電子輸出信號491Ax″至491nx″。在不同的示范性實(shí)施例中，信號處理和控制單元493然后按照以上概述的方程和教導(dǎo)來確定位置。
將會理解，在以下進(jìn)一步說明的不同的示范性實(shí)施例中，符合本發(fā)明的一種纖維光學(xué)讀頭可以提供許多攜帶予以總和的光學(xué)信號的纖維光學(xué)接收通路。對于這些實(shí)施例來說，攜帶予以總和的光學(xué)信號的光纖可以接合于同一光傳感器/放大器492以便形成預(yù)期的信號總和，或者接合于不同的光傳感器/放大器492，它們在另外的信息處理期間使其信號以電子方式被總合。將會理解，在以下進(jìn)一步說明的不同的其他各示范性實(shí)施例中，一種符合本發(fā)明的光纖讀頭可以設(shè)置另外一個或多個讀頭件，包含另外的許多光纖接收通道。對于這些實(shí)施例來看，攜帶相應(yīng)光學(xué)信號的另外的光纖可通過類似的另外一些連接裝置接合到光源/透鏡477和類似的光傳感器/放大器492以提供所需用于信號處理的信號。因而，示于圖5之中的結(jié)構(gòu)只是例證性的而不是限制性的。
圖6和7示出了符合本發(fā)明的2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b的第三個示范性實(shí)施例。2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b的運(yùn)作基本上類似于以上參照圖4所述類別的2D纖維光學(xué)讀頭裝置20a，并包括類似的部件。由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)作方面的類似性，以下將僅只對2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b的需要額外解釋的方面進(jìn)行描述。
一如圖6和7中所示，2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b包括讀頭件560、560′和560″。一如圖7之中看得最為清楚，讀頭件560包括第一組三個纖維光學(xué)接收通路590A-590C，類似于前述纖維光學(xué)接收通路190那樣運(yùn)作。應(yīng)當(dāng)理解，2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b提供了符合本發(fā)明的一種“均衡對”式2D纖維光學(xué)讀頭件的第一范例。為了提供符合本發(fā)明的一種均衡對式2D纖維光學(xué)讀頭件，每一讀頭件560、560″包括第二組三個相應(yīng)的均衡纖維光學(xué)接收通道590Ax-590Cx，它們?nèi)鐖D所示分別成各“均衡對”地配置在光照場中心257的與相應(yīng)纖維光學(xué)接收通道590A-590C相對的一側(cè)上。標(biāo)出在圖7之中各光纖接收孔口510上的成對數(shù)字1-1、2-2和3-3指明了各均衡對。
一如圖6之中所示，讀頭外殼500包括圓柱形套圈540，帶有調(diào)準(zhǔn)槽溝545。套圈的內(nèi)徑包含三個孔眼541，以輕微干涉配合地套裝在三個相應(yīng)讀頭件560中每一個的緊密組合的周邊接收光纖530和中心光源光纖570。在一種示范性組裝方法中，帶有制備好的平整端部的光纖從后端被調(diào)準(zhǔn)并插進(jìn)套圈540，而且插進(jìn)直至稍微突出在安裝表面542之外為止。然后，承載在相位掩模器件561上的各相應(yīng)相位掩模組520、520′和520″在一顯微鏡下被調(diào)準(zhǔn)對齊于光纖端部，被推靠于各光纖端部以使它們共面于安裝表面542并緊緊粘于安裝表面542。光纖然后被粘合于套圈并被彼此粘合。另外，安裝表面542做得齊平于套圈540的端部，并且?guī)в兄苽浜玫钠秸瞬康墓饫w從后端部被調(diào)準(zhǔn)并插進(jìn)套圈540，而且插進(jìn)直至稍微突出在安裝表面542之外為止。然后，圍繞光纖的端部涂放粘接劑以提供支承并固定各光纖于套圈540。然后光纖和粘接劑經(jīng)過精磨和/或磨光而返回齊平或幾近齊平于安裝表面542。然后，承載在相位掩模器件561上的各相應(yīng)組相位掩模520、520′和520″在一顯微鏡下被調(diào)準(zhǔn)對齊于光纖端部，被推靠于光纖端部并緊緊粘合于安裝表面542。
在一示范性實(shí)施例中，相位掩模組520制作在相位掩模器件561的“內(nèi)部”上，最接近光纖端部。光源580由光源光纖570端部形成。在一示范性實(shí)施例中，光源光纖570是單模光纖，用作點(diǎn)光源以便以635nm的波長發(fā)射光線，并且是由3M公司制作的零件編號為FS-SN-3224的光纖，具有的外徑DSF＝250微米。接收光纖530全部是相同的市場上有售的多模光纖，其是一種硅光纖，具有200/220/250微米的心線/敷層/緩沖層直徑DRA/DRC/DRF。因而，2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b之中的所有光源和接收光纖具有同樣的250微米外徑并因此按照本發(fā)明可以以一種良好的緊密組合組件的結(jié)構(gòu)予以設(shè)置，提供了既高度精確而又經(jīng)濟(jì)的精細(xì)調(diào)準(zhǔn)和組裝。在此示范性實(shí)施例中，良好的緊密組合組件結(jié)構(gòu)是一種六角形的緊密組合組件結(jié)構(gòu)。
每一各接收光纖530和光源光纖570具有一敷層和芯線。敷層由外部圓圈表示，而芯線由內(nèi)部圓圈表示。可以看出，在示于圖7之中的實(shí)施例中，光源光纖570就其敷層的外徑而言具有相對較小的芯線。相反，如光纖530A所表示的接收光纖相對于其敷層的外徑具有較大的芯線。
應(yīng)認(rèn)識到，與用于示出在圖4之中的2D纖維光學(xué)讀頭裝置20a讀頭件之中的三光纖接收結(jié)構(gòu)相比，此實(shí)施例20b的讀頭件的均衡6光纖接收結(jié)構(gòu)提供了兩倍的接收光線，并因此提供了兩倍的潛在信號強(qiáng)度。其次，接收孔口510的均衡對式配置排除了由于讀頭未調(diào)準(zhǔn)所造成的某些誤差而增大了測量精度，一如引入的′312申請之中所述。
應(yīng)當(dāng)理解，一種諸如2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b這樣的組件提供了高分辨率全光學(xué)編碼器讀頭，其中每一讀頭件560具有1.0mm或更小的直徑。還應(yīng)當(dāng)理解，此裝置提供了低成本精確“自我組裝”。另外應(yīng)當(dāng)理解，光源光纖570之所以“設(shè)計得尺寸過大”，就是在于這些組裝目的。2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b還按照將在以下參照圖8予以說明的設(shè)計原理提供了相對較高的S/N比值。
比如，在一特定的示范性實(shí)施例中，對于上述由3M公司制作、零件編號為FS-SN-3224的示范性光纖的平整端部來說，已經(jīng)確定的是，“半最大”光束半徑的發(fā)散半角大致上是4.5度。因此，在2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b的一項(xiàng)示范性實(shí)施例中，對于帶有反射式標(biāo)度盤和大約1.6mm的自映象間隙的標(biāo)度盤90來說，光照場256的半徑RW大致上等于tan(4.5)*2*1.6mm＝253微米。對于上述的示范性光纖特征和尺寸以及2D纖維光學(xué)讀頭裝置20b的一一種緊密組合實(shí)施例來說，接收孔口510的定位半徑RAL大致上等于250微米。因而，RW大致上等于RAL并離開0.83*RAL的值不遠(yuǎn)，這將在以下參照圖8較為詳細(xì)地予以說明。其次，接收孔口510的接收孔口直徑DRA是DRA＝200微米，這大致上是4/5*RAL。按照將參照圖8予以概述的信息，采用這種設(shè)計關(guān)系，每一光纖接收通道應(yīng)當(dāng)提供一個趨近于可獲得的最大值的相對S/N比值。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)明人已經(jīng)采用一種具有8微米光柵間距的1D標(biāo)度盤、在1納米分辨率下、與這一類型可比的讀頭裝置展示了穩(wěn)定的位置讀數(shù)。
應(yīng)當(dāng)理解，這一示范性實(shí)施例只是例證性的，而不是限制性的。更為一般的是，可以對光源光纖進(jìn)行制備或選擇以形成“半最大”光束半徑的大約2到10度或更大的范圍的發(fā)散半角，而且相應(yīng)讀頭的設(shè)計可以按照本發(fā)明的原理和在引入的′312申請之中所述的那樣加以選擇。
應(yīng)當(dāng)理解，結(jié)合前述示范性實(shí)施例所闡述的尺寸可以提供一種纖維光學(xué)讀頭裝置，其中每一光照場256之中的基本上所有的光照能量位于一圓周范圍之內(nèi)，此圓周具有的半徑(大約2.55*RW)顯著地小于至少一個可運(yùn)作的自映象間隙的尺寸。還應(yīng)當(dāng)理解，前述示范性實(shí)施例所描述的尺寸可以提供一種纖維光學(xué)讀頭裝置，其中每一接收光纖孔口510與相應(yīng)的光照場256中心(此中心重合于標(biāo)度光軸線256)間隔開一個定位半徑RAL，后者顯著地小于至少一個可運(yùn)作的自映象間隙(operable self-imaging gap)的尺寸。這些設(shè)計關(guān)系著重于符合本發(fā)明的一種高分辨率自映象讀頭件可實(shí)現(xiàn)的緊湊尺寸，其得符合本發(fā)明的一種高分辨率絕對纖維光學(xué)讀頭裝置的寬度和高度或直徑可能趨近于運(yùn)作間隙尺寸的幾倍或更小。這些緊湊的尺寸允許符合本發(fā)明的讀頭裝置運(yùn)作和移行在一運(yùn)作空間之中，此空間只是具有可比的性能特點(diǎn)和堅(jiān)固性的先前已知讀頭所需的運(yùn)作和移行空間的一部分。這些先前已知的讀頭一般具有的寬度和高度尺寸是它們運(yùn)作間隙尺寸的許多倍，這就限制了它們的在許多應(yīng)用場合下的潛在實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和方便性。
一如圖7之中所示，對于每一讀頭件560，相位掩模器件561包括一組相位掩模520，包括相位掩模520A-520C和520Ax-520Cx。每一相位掩模520A-520C和520Ax-520Cx包括光柵擋桿521，在此也稱作空間濾波擋桿，它們對于讀頭源光是不透明的。光柵擋桿521排列在對于讀頭源光為透明的基底565的表面562上。鉻、銅及其氧化物是可以用于對光柵擋桿521進(jìn)行構(gòu)圖的通常材料。玻璃和石英是可以用于基底565的通常基底材料。每一相位掩模520A-520C和520Ax-520Cx的有效掩模面積是包含光柵擋桿521的面積。這一有效掩模面積應(yīng)當(dāng)具有足夠的大小以覆蓋相應(yīng)接收孔口510的暢通孔口區(qū)域(clear aperture area)并帶有額外的允差以適應(yīng)總裝體定位的變化。以前說明過，示出在掩模器件561中心處的是調(diào)準(zhǔn)環(huán)圈563，此環(huán)具有暢通的孔口564用于來自光纖570的源光。暢通孔口的大小，比如，比在DSA＝4微米的量級的單模心線直徑大幾倍。在一項(xiàng)示范性實(shí)施例中，相位掩模器件561是由鈉鈣玻璃制成的，具有0.25mm的厚度以及匹配于套圈540相應(yīng)內(nèi)徑的直徑(見圖4)。
掩模光柵檔桿521沿著X軸線方向(對于讀頭件560和560″)或Y軸線方向(對于讀頭件560′)按照匹配于可運(yùn)作的自映象平面上的光柵映象的周期的周期而周期性地予以配置，一如前述。如圖所示的示范性相位掩模器件561在每組相位掩模520中具有6個相位掩模與一均衡式結(jié)構(gòu)中的6條纖維光學(xué)接收通道一起使用，在此結(jié)構(gòu)中，沿直徑相對的各纖維光學(xué)接收孔口在相對于標(biāo)度盤移動讀頭時接收光信息調(diào)制的同樣相位。各相位掩模具有0度(52A和520Ax)、120度(520B和520Bx)和240度(520C和520Cx)的空間相位。各相位掩模520之間的邊界，對于構(gòu)造有可用于自映象編碼器的光柵檔桿521的相位掩模器件來說，在顯微鏡下是容易看到的。這些都可以用于相對于接收光纖來調(diào)準(zhǔn)相位掩模器件561。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用顯微鏡和XYZ微米載物臺以相對于各接收光纖定位相位掩模器件561，可以容易地實(shí)現(xiàn)在小于20微米和甚至小于10微米的允差以內(nèi)的調(diào)準(zhǔn)。
以下的討論涉及下面參照圖8所述的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)理解，符合本發(fā)明的光纖讀頭可以是超微型讀頭。應(yīng)當(dāng)理解，與不采用自映象的和/或未設(shè)計用來提供高分辨率和高精度位置測定信號的相對比較粗制的光纖編碼器讀頭相比，這種光纖編碼器讀頭的尺寸和潛在信噪比都是至關(guān)重要的。各種設(shè)計約束條件，諸如所需的或經(jīng)濟(jì)的光纖尺寸、在特定自映象間隙處直接從光纖光源獲得的實(shí)際光照場尺寸和實(shí)際的組裝定位約束，全部都是重要的設(shè)計考慮事項(xiàng)。特別是，應(yīng)當(dāng)理解，按照本發(fā)明可用的許多光纖所形成的小接收孔口直徑可以大大地小于現(xiàn)有讀頭中使用的大多數(shù)或全部電子檢測器，以及這樣一種小的接收孔口直徑嚴(yán)重約制了可供利用的信號能量和最終的信噪比。
由于所有這些原因，重要的是要遵守與按照這些嚴(yán)酷設(shè)計約束條件來提供適當(dāng)信噪比相關(guān)的某些設(shè)計關(guān)系。這些設(shè)計關(guān)系不僅表明與最佳性能相關(guān)的設(shè)計條件，而且還表明一個范圍，其中由于總裝技術(shù)、部件成本或其他原因而作出設(shè)計方案的協(xié)調(diào)，同時依然保持微米級或甚至亞微米級分辨率和精度。一如下面較為詳細(xì)地說明那樣，光纖編碼器讀頭的某些設(shè)計因素可以用來在符合本發(fā)明的各種示范性光纖編碼器讀頭實(shí)施例中提供合乎要求的信噪比。
在不同的示范性實(shí)施例中，符合本發(fā)明的一種可用的光源是纖維光學(xué)光源，不帶單獨(dú)的透鏡或準(zhǔn)直器。在不同的示范性實(shí)施例中，這樣一種纖維光學(xué)光源從其端部輸出一發(fā)散的源光光束，此發(fā)散的光束一般具有在4.5至10度范圍之內(nèi)的發(fā)散半角。有理由在這樣一種源光光束中假設(shè)一種高斯強(qiáng)度分布。高斯光束分布性質(zhì)充分說明在關(guān)于光纖應(yīng)用的文本中。出于某些原因，這種高斯強(qiáng)度分布在符合本發(fā)明的2D纖維光學(xué)讀頭裝置中是一重要的考慮事項(xiàng)。應(yīng)當(dāng)理解，在這樣一種光束中的照度，亦即每單位橫截面積的有用光通量沿著光束軸線不平均地集中，因而，位置遠(yuǎn)離光束軸線的接收孔口由于高斯分布而經(jīng)受“額外的”信號損失(相比于“均勻光束假定”來說)。此外，應(yīng)當(dāng)理解，正如在均勻光束中那樣，由于“發(fā)散損失”，每當(dāng)光束的一光點(diǎn)范圍或光照場的半徑增大時，平均的光束照度將由于各純粹幾何因素而減小。另外，應(yīng)當(dāng)理解，在一種具有高斯光束的“調(diào)準(zhǔn)的”反射式結(jié)構(gòu)中，諸如圖4之中所示者，光照場265中的最大照度是在光照場257中心上和在圍繞中心的周圍處，不過，與光源的機(jī)械干涉280和各種其他組裝考慮事項(xiàng)可能阻礙把接收孔口110安放在最大照度的那一區(qū)域中。
以下的方程，即方程4，上述各因素在變量D內(nèi)加以考慮。此外，此方程包括其他各重要因素以提供在符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭裝置中信噪比對各種設(shè)計因素依賴情況的有用分析S≈PCg1g2DRdGd(方程4)下表定義了用于方程4之中的符號，并且還包括在可應(yīng)用的情況下用以確定顯示在圖8上各種結(jié)果的典型數(shù)值。
表1

0.05mV的數(shù)值可以取作諸如示于圖5之中的一種適當(dāng)?shù)?D纖維光學(xué)讀頭信號處理遠(yuǎn)控電子裝置之中的典型電子系統(tǒng)噪聲。
圖8是一簡圖，示出當(dāng)一纖維光學(xué)檢測通道的接收孔口設(shè)置在距光照場中心的不同接收孔口定位半徑RAL處，大致上對應(yīng)于以上參照圖3所述的那類2D纖維光學(xué)讀頭裝置時，相應(yīng)于各種接收口直徑DRA所獲得的具代表性的相對信噪比。表示在圖8中水平軸線上的光照場半徑RW，類似于諸如上述光照場256等的光照場半徑。對于高斯光束分布來說，光束或最終光照場的邊沿不是明確限定的。在此情況下，RW被定義局部光束強(qiáng)度是光照場中心處局部強(qiáng)度的一半的光照場中的半徑。按照這一定義，在半徑RW之外具有相當(dāng)大的照度，但是99％的光束總能量落入大約2.55RW的半徑以內(nèi)。接收孔口定位半徑RAL，示于圖8之中鉛直軸線上，以及示于圖8中不同部位處的接收孔口直徑DRA，先前都已經(jīng)參照圖6和7予以定義。
應(yīng)當(dāng)理解，圖8的結(jié)果取決于不同尺寸之間的比值，而不是特定的尺寸本身。因此，用于示出在圖8之中各軸線的長度單位是任意的。當(dāng)比值的一項(xiàng)要素由于多種原因而被選定和被約制于一特定尺寸時，比值變得在設(shè)計中有意義。然后補(bǔ)充因素的特定尺寸可以相應(yīng)地予以選擇。直線888包含針對不同的接收孔口直徑數(shù)值DRA的參照標(biāo)記和相應(yīng)標(biāo)志。為了保持圖8的普遍性，接收孔口直徑數(shù)值DRA作為其相應(yīng)的接收孔口定位半徑RAL的某一部分而被給出。
應(yīng)當(dāng)理解，由于示于圖8之中的S/N比值是相對S/N比值，所以圖8可以用來反映單一的“理想”檢測通道，或者光學(xué)組合式“均衡的一對”檢測通道等的相對的S/N比值特性。亦即，雖然不同的一組估算設(shè)計值和/或假設(shè)，諸如較低的激光功率、較高的噪聲數(shù)值或者光學(xué)組合式2或多個接收通道信號，都將影響估算的S/N比值的定量數(shù)值，每一組假設(shè)將以大致上同樣的方式影響每一設(shè)想的信號。因而，顯示在遍及圖8不同各部位處的定性或相對S/N比值對作出合理的相對設(shè)計選擇和協(xié)調(diào)保持有效的設(shè)計指導(dǎo)，即使在改變了上述的各種設(shè)計數(shù)值的時候。應(yīng)當(dāng)理解，從符合本發(fā)明的一種讀頭得到的實(shí)際位置確定結(jié)果也可以由于大量的其他因素，諸如各種相位信號之間的均衡、相位信號的空間諧波、污染、調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)?shù)榷涣踊?。其次，在一種符合本發(fā)明原理的具有多個讀頭件的讀頭中，按照一如上述的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計選擇，單一光源/透鏡477可以用于2或更多的讀頭件。這在各讀頭件之間對可供使用的激光功率進(jìn)行劃分(如表1之中所示)，降低了信噪比。然而，顯示在圖8之中的相對S/N比值提供了非常有用的設(shè)計指導(dǎo)，尤其對于在各種合理和類似設(shè)計中確定各種設(shè)計協(xié)調(diào)的相對潛在性能。應(yīng)當(dāng)理解，本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖x頭實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證對應(yīng)于圖8之中某一特定部位的定量S/N比值，而后采用圖8的相對S/N比值來估算該結(jié)果以大致上估算關(guān)聯(lián)于圖8之中其他“設(shè)計區(qū)域”的定量結(jié)果。比如，發(fā)明人已經(jīng)采用一種標(biāo)度盤以1納米的分辨率在實(shí)驗(yàn)上演示了穩(wěn)定的位置讀數(shù)，此標(biāo)度盤具有8微米光柵間距，帶有接收孔口的均衡對配置，其中接收孔口直徑DRA大致上等于接收孔定位半徑RAL。這表明，在圖8的這一“設(shè)計區(qū)域”內(nèi)，一種按照本發(fā)明原理設(shè)計的讀頭可以產(chǎn)生定量上很高的信噪比。其次，重要的是，基于這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖8，可以評估符合本發(fā)明的、各種其他類似讀頭設(shè)計的近似相對定量性能，在此，設(shè)計因素對應(yīng)于圖8之中的其他各設(shè)計區(qū)域。
在圖8中，針對RW和RAL數(shù)值的各種組合，各種相對S/N比值結(jié)果沿著不同的相對S/N比值的“等值曲線”被顯示出來。在每一相對S/N比值等值曲線(isocurve)上有一對應(yīng)于RAL最大值的“頂峰”，可用以獲得該相對S/N等值曲線的相對S/N比值。對應(yīng)于接收孔口定位半徑RAL“最大值”的示于圖8之中的每一相對S/N等值曲線頂峰，出現(xiàn)在對于該RAL特定數(shù)值來說為最佳的光照場半徑RW處。直線888通過所有這種相對S/N等值曲線的峰頂。應(yīng)當(dāng)理解，任一特定的接收孔口定位半徑RAL(圖8之中的一水平直線)相交于直線888上的一相應(yīng)點(diǎn)。對應(yīng)于直線888上該相同點(diǎn)的照明場半徑RW(圖8中一鉛直直線)的任何偏離將對該特定接收孔口定位半徑RAL產(chǎn)生較低的相對S/N比值和較差的性能。
應(yīng)當(dāng)理解，為了基于符合本發(fā)明的2D纖維光學(xué)讀頭所提供的正弦形信號形成高分辨率和精度，不僅希望數(shù)出所累積的標(biāo)度間距單元或波長的數(shù)量，而且希望在“初始”與“最近”波長之內(nèi)插值以達(dá)到盡可能高的程度。一般，對于在引入的′312申請中和在此所披露的纖維光學(xué)自映象讀頭來說，提供了高質(zhì)量正弦形信號，而插值水平約略對應(yīng)于S/N比值。亦即，在S/N比值為1000的情況下，大致上峰頂對峰頂正弦形信號的1/1000th可能被辨別出來?？紤]到發(fā)明人已經(jīng)采用具有8微分光柵間距的1D標(biāo)度盤在1納米分辨率下以實(shí)驗(yàn)方式演示了穩(wěn)定的位置讀數(shù)，即使考慮到來自于一2D標(biāo)度盤的可預(yù)料到的附加的信號強(qiáng)度減少和出現(xiàn)在實(shí)際所用的自映象讀頭的正弦形信號之中的已知誤差源，上述的實(shí)驗(yàn)性能也對應(yīng)于正弦形信號變化，后者與理想的正弦形變化偏離這些正弦形信號的峰頂對峰頂變化的至多1/64的比例。對于在此披露的各種讀頭，應(yīng)當(dāng)理解，這種性能允許涉及部件選擇、成本降低或加工性等的各種設(shè)計協(xié)調(diào)安排，根據(jù)圖8，它們可能降低S/N比值，仍然導(dǎo)致希望的絕對測量讀頭。在這些實(shí)施例中，正弦形信號變化可能從理想的正弦形變化偏離這些正弦形信號的峰頂至峰頂變化的高達(dá)1/32甚至高達(dá)1/16的比例，并仍然產(chǎn)生一種符合本發(fā)明原理的可用的微型2D纖維光學(xué)讀頭。
基于前述的假設(shè)和設(shè)計數(shù)值的示于圖8之中的相對S/N比值的結(jié)果，表明無論接收孔直徑DRA如何，對于某一給定的接收孔口定位半徑RAL，最佳的“半最大”光照場半徑RW大約等于0.83*RAL。圖8還表明，把“半最大”光照場半徑RW減小到大約0.5*RAL，或者把“半最大”光照場半徑RW增大到大約1.7*RAL，可產(chǎn)生大約是在0.83*RAL處所提供的相對S/N比值的一半的相對S/N比值，這在符合本發(fā)明的不同示范性實(shí)施例中是S/N比值的顯著且不希望有的減小。因而，在符合本發(fā)明的不同示范性實(shí)施例中，“半最大”光照場半徑RW至少等于0.5*RAL和至多等于1.7*RAL。另外，由于如前所指出，99％的總光束能量落入大約2.55RW的半徑之內(nèi)，所以這一相同的設(shè)計關(guān)系也可以表達(dá)如下在符合本發(fā)明的不同示范性實(shí)施例中，99％的光束總能量落入在可運(yùn)作的自映象平面和/或相位掩模平面處的一個總光照場半徑之內(nèi)，在此，總光照場半徑至少等于0.5*RAL*2.55，亦即大約1.28*RAL并且至多等于1.7*RAL*2.55，亦即大約4.34*RAL。不過，應(yīng)當(dāng)理解，在不同的其他示范性實(shí)施例中，符合本發(fā)明的一種自映象2D纖維光學(xué)讀頭，即使在接收光照場半徑RW小于0.5*RAL或大于1.7*RAL時，也保持各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。比如，采用符合本發(fā)明的一種自映象2D纖維光學(xué)讀頭，有可能組裝方法特別良好和尺寸較小，一如下面進(jìn)一步所述。
示于圖8之中的結(jié)果還表明接收孔口直徑DRA與接收孔口定位半徑RAL的關(guān)系對相對S/N比值的影響。應(yīng)當(dāng)理解，按照在此所用的假設(shè)和定義，接收孔口定位半徑RAL一般將不小于DRA的一半。其次，對于采用直徑與各接收光纖直徑相同的光源光纖的一種緊密組合組裝結(jié)構(gòu)來說，如圖6和7之中所示者，接收孔口定位半徑RAL大約等于DRA。一如沿著直線888所示，大于320的相對S/N比值出現(xiàn)在接收孔口直徑DRA趨近大約等于接收孔口定位半徑RAL的數(shù)值的位置處。一如前述，以實(shí)驗(yàn)方式，發(fā)明人已經(jīng)采用一1D標(biāo)度盤在1納米的分辨率下演示了穩(wěn)定的位置讀數(shù)，此標(biāo)度盤具有8微米光柵間距，帶有接收孔口直徑DRA大約等于接收孔口定位半徑RAL的讀頭裝置。因而，即使假定，與1D標(biāo)度盤相比，由于2D標(biāo)度盤造成在信號強(qiáng)度方面的預(yù)期減小，仍然可以推斷，在采用結(jié)合有2D標(biāo)度盤的這樣一種讀頭裝置時，可以獲得達(dá)到2納米量級的分辨率。
一如沿著直線888所示，當(dāng)接收孔口直徑DRA對接收孔口定位半徑RAL的比值減小到大約1/3時，按照用于確定示于圖8之中的各種結(jié)果的設(shè)定，形成了稍微大于50的相對S/N比值，亦即，相對S/N比值至少比接收孔口直徑DRA趨近大約等于接收孔口定位半徑RAL的數(shù)值時差6倍。應(yīng)當(dāng)理解，對于具有相對較低信噪比的結(jié)構(gòu)來說，精確插值水平降低了。在符合本發(fā)明的不同示范性實(shí)施例中，不希望設(shè)定較低水平的潛在性能。因而，在符合本發(fā)明的不同示范性實(shí)施例中，接收孔口直徑DRA應(yīng)當(dāng)大于或等于該接收孔口的定位半徑RAL的1/3。
一如沿著直線888所示，當(dāng)接收孔口直徑DRA對接收孔口定位半徑RAL的比值進(jìn)一步下降到大約1/5時，相對S/N比值以大約為2的附加因數(shù)下降。也就是，當(dāng)比值DRA/RAL從1/3降至1/5時，根據(jù)本發(fā)明的一2D纖維光學(xué)讀頭中的潛在性能以大約為2的因數(shù)下降。不過，減低DRA/RAL到這一水平可以提供有用的設(shè)計靈活性和/或更加經(jīng)濟(jì)的部件或總裝體，同時仍然給出亞微米級性能，連同給出采用符合本發(fā)明的一種自映象2D纖維光學(xué)讀頭所能提供的微型尺寸和其他優(yōu)點(diǎn)。因此，在符合本發(fā)明的不同的示范性實(shí)施例中，接收孔口直徑DRA應(yīng)當(dāng)大于或等于該接收孔口的定位半徑RAL的1/5。
隨著比值DRA/RAL從1/5進(jìn)一步下降到1/8，相對S/N比值以大約為2至3的另一因數(shù)下降。不過，減低DRA/RAL比到這一水平可以提供更加有用和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計和組裝靈活性，同時仍然給出微米級功能，連同給出采用符合本發(fā)明的一種自映象2D纖維光學(xué)讀頭所能提供的微型尺寸和各種其他優(yōu)點(diǎn)。因此，在符合本發(fā)明的不同的示范性實(shí)施例中，接收孔口直徑DRA應(yīng)當(dāng)大于或等于該接收孔口的定位半徑RAL的1/8。
當(dāng)接收孔口直徑DRA下降到小于該接收孔口的定位半徑RAL的1/8時，符合本發(fā)明的一種自映象2D纖維光學(xué)讀頭的性能潛力在某些情況下，對比于其他一些市場上有售的大得多的編碼器讀頭并不突出，但其尺寸與這些編碼器讀頭相比依然是顯著的。另外，它的大小、和/或分辯率及精度、和/或操作的耐久性相比于使用其它物理或光學(xué)原理的現(xiàn)有光纖解碼器來說依然是顯著的。另外，正如上面和下面所述，采用符合本發(fā)明的一種自映象2D纖維光學(xué)讀頭可實(shí)現(xiàn)特別有利的組裝方法。因而，在不同示范性實(shí)施例中，符合本發(fā)明的一種自映象2D纖維光學(xué)讀頭，即使當(dāng)接收孔口直徑DRA下降到小于該接收孔口的定位半徑RAL的1/8時，仍能獲得多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明人還已經(jīng)確定，在符合本發(fā)明的不同示范性實(shí)施例中，比較理想的自映象只存在于比較接近由一身為點(diǎn)光源的光源生成的光照場的中心處。在這種情況下，隨著接收孔口的定位半徑RAL的增大，按照本發(fā)明所能提供的自映象在距光照場中心不斷增大的半徑處表現(xiàn)出在可見性和空間掩模方面的不斷增大的非理想變化。確實(shí)，關(guān)于自映象的最廣為人知的許多參考文獻(xiàn)都作出把它們的有效性限制于自映象光照場中心的設(shè)定。因而，不否認(rèn)關(guān)于符合本發(fā)明的自映象2D纖維光學(xué)讀頭中的相對S/N比值的前述討論的有效性，在不同的示范性實(shí)施例中，接收孔口的定位半徑RAL也做得其他設(shè)計、組裝和成本協(xié)調(diào)所允許的那樣小。
圖9示出了光學(xué)檢測器1100，可結(jié)合符合本發(fā)明的各種2D纖維光學(xué)讀頭一起使用，處于相對于2D標(biāo)度盤1190的一種例示性取向，標(biāo)度盤1190在不同的示范性實(shí)施例中與前述標(biāo)度盤90是一樣的。如圖9之中所示，一專用的示范性光纖讀頭裝置1120，在不同的示范性實(shí)施例中與前述光纖讀頭裝置20a是一樣的，包括讀頭件1160，類似于先前參照圖4所述的光纖讀頭件60。讀頭件1160大體上沿著光束路徑1101把發(fā)散的源光傳送到光學(xué)導(dǎo)向器1100，在那里，它沿著光束路徑1102被折射并穿過運(yùn)作間隙1103而朝向標(biāo)度盤1190。同樣，自標(biāo)度盤1190反射、散射和衍射的標(biāo)度光大體上沿著光束路徑1102返回到光學(xué)導(dǎo)向器1100并朝向大體上沿著標(biāo)稱光束路徑1101對中的讀頭件1160折射回來。標(biāo)度盤1190沿著測量軸線82和83的方向相對于光纖讀頭裝置1120和導(dǎo)向器1100移動。返回的標(biāo)度光，在相對于示范性光纖讀頭裝置1120的纖維光學(xué)接收通道結(jié)構(gòu)大體上對中的光照場中、在自映象平面處，形成標(biāo)度光柵1190的自映象，一如先前參照符合本發(fā)明其他示范性實(shí)施例所述。應(yīng)當(dāng)理解，示范性光纜讀頭裝置1120的相位掩模的光柵檔桿的取向使得它們或是平行于直線82A，即平行于測量軸線82(對于讀頭件1160’來說)，或是另外平行于直線83A，即平行于測量軸線83(對于讀頭件1160和1160”)。還應(yīng)當(dāng)理解，導(dǎo)向器1100越是精確地相對于90度的標(biāo)稱折射把光束路徑1101折射成為光束路徑1102，光束路徑1102越是精確地正交于標(biāo)度盤1190的表面，最終的位置測量系統(tǒng)就將越是精確和耐用。
在不同的示范性實(shí)施例中，導(dǎo)向器1100是一反射式直角棱鏡、平面鏡，或者其他適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)部件，可靠地安裝在相對于符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭呈固定關(guān)系單獨(dú)的構(gòu)件上。為了保持對于自映象可運(yùn)作的較短路徑長度，并仍然相對于標(biāo)度光柵1190保持實(shí)用的運(yùn)作間隙，導(dǎo)向器1100最好是安裝得盡可能地靠近讀頭件1160。應(yīng)當(dāng)理解，在不同的示范性實(shí)施例中，導(dǎo)向器1100可能相對于不帶導(dǎo)向器的一種讀頭結(jié)構(gòu)需要增大的總自映象距離，這也可能相對地增大來自光源和標(biāo)度盤的光線的總發(fā)散度。因而，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)留心調(diào)整不同的讀頭設(shè)計參數(shù)以保持符合本發(fā)明原理以及’312申請中所披露的設(shè)計關(guān)系。不同的示范性實(shí)施例中，導(dǎo)向器1100被確當(dāng)?shù)卣{(diào)準(zhǔn)和直接裝接于套圈1140。在不同的其他示范性實(shí)施例中，導(dǎo)向器1100也可以用作一基底以形成符合本發(fā)明的相位掩模器件，使符合本發(fā)明的各相位掩模直接制成在朝向套圈1140設(shè)置的導(dǎo)向器1100的表面上。
在示于圖9之中的實(shí)施例中，2D光纖讀頭裝置1120取向得其長軸橫交于標(biāo)度盤1190的測定軸線82的方向。套圈1140或標(biāo)度盤1190可以被固定就位，而另一人是活動的。將會理解，在許多應(yīng)用場合下，由于符合本發(fā)明的2D纖維光學(xué)讀頭和編碼器的超微型尺寸，以這種方式使用諸如示范性導(dǎo)向器1100的導(dǎo)向器是很實(shí)用的。還應(yīng)理解，在許多應(yīng)用場合下，一種諸如示范性導(dǎo)向器1100的導(dǎo)向器還通過允許2D纖維光學(xué)讀頭相對于標(biāo)度盤1190和測定軸線82和83的方向靈活地取向而加強(qiáng)了符合本發(fā)明的一種2D纖維光學(xué)讀頭和編碼器的實(shí)用性，以致讀頭的最大的和最窄的尺寸在所需的方向上取向。還應(yīng)進(jìn)一步理解，采用一種諸如示范性導(dǎo)向器1100的導(dǎo)向器有助于將讀頭裝置1120的光纖和/或光纜的路線沿希望的方向取向。
應(yīng)當(dāng)理解，在此圖示、說明或教導(dǎo)的任何實(shí)施例可以適于提供相似于引入的’312申請之中所教示的任何圓形或圓柱形轉(zhuǎn)動位置讀頭裝置的2D測量系統(tǒng)。
一種示范性圓形轉(zhuǎn)動實(shí)施例可以通過將示于圖9之中的標(biāo)度盤1190認(rèn)為是相對平面的轉(zhuǎn)動光柵標(biāo)度盤的一個分段而予以了解，后者在其平面內(nèi)圍繞平行于Y軸線的軸線轉(zhuǎn)動。在不同示范性圓形轉(zhuǎn)動實(shí)施例中，示于圖9之中的標(biāo)度盤1190的分段因而是2D標(biāo)度徑跡(scale track)的一部分，其至少稍微地寬于沿著測量軸線82的方向(徑向)環(huán)繞2D光纖讀頭裝置1120的相位掩模部分的圓的直徑且在距轉(zhuǎn)動軸線的至少幾倍于徑跡寬度的一半徑處大體上圍繞沿著測量軸線83的方向(切向)延伸的一環(huán)形徑跡延伸。在這樣一種情況下，測量軸線83順隨著在X-Z平面上的相對平面的圓形路徑。在不同的示范性實(shí)施例中，此半徑至少是幾倍于徑跡寬度地離開轉(zhuǎn)動軸線，以避免標(biāo)度圖形沿著徑向相對于在標(biāo)度徑跡中部處的標(biāo)稱尺寸和讀頭相位掩模部分的標(biāo)稱尺寸具有過度的角度偏離。
比如，在一項(xiàng)示范性實(shí)施例中，沿著測定軸線82方向(徑向)的徑跡寬度是在2mm量級上，這為示于圖9之中的2D光纖讀頭裝置1120提供了1mm量級上的徑向測定范圍。環(huán)形徑跡的標(biāo)稱半徑大約是12.0mm，而沿著徑向和切向(分別是測定軸線82和83)二者的標(biāo)稱光柵間距都是8.00微米。因此，在1mm的徑向測定范圍上，沿著切向的標(biāo)稱標(biāo)度光柵間距將以稍大于8％的量變化，這將會使產(chǎn)生于至少讀頭件1160’，其為角測量讀頭件，的正弦信號的精度在不同徑向位置上降至某一程度。將會理解，關(guān)于讀頭件1160和1160”，它們是徑向測量讀頭件，沿著徑向的標(biāo)稱標(biāo)度光柵間距將是常量。這種圓形轉(zhuǎn)動實(shí)施例可以在不同的測量和/或定位應(yīng)用場合之中，用于同時測量角位移和徑向偏差。雖然這些實(shí)施例可能相對來說不如采用具有純粹直線和正交測量軸線的2D標(biāo)度盤的那些實(shí)施例精確，但在不同的示范性實(shí)施例中，這些圓形轉(zhuǎn)動實(shí)施例的精度對于許多有用的應(yīng)用場合來說仍然是足夠了。應(yīng)當(dāng)理解，隨著徑跡半徑對徑跡寬度比值的增大，這些圓形轉(zhuǎn)動實(shí)施例的精確性可趨近于先前所述的線性平面實(shí)施例的精確性。相反，在不同的示范實(shí)施例中，隨著徑跡半徑的增大，徑跡寬度，即徑向測定范圍，可以相應(yīng)地予以增大。
一種圓柱形轉(zhuǎn)動實(shí)施例可以通過將示于圖9之中的標(biāo)度盤1190認(rèn)為是圍繞平行于Z軸線的軸線轉(zhuǎn)動的相對圓柱形光柵標(biāo)度盤的一個分段而予以了解。在這樣一種情況下，測定軸線82順隨在X-Y平面上為圓形的相對圓柱面圓形路徑。在不同的示范性圓柱形轉(zhuǎn)動實(shí)施例中，示于圖9之中的標(biāo)度盤1190的分段因而是2D標(biāo)度徑跡的一部分，其可以在沿著測量軸線83的方向(軸向)具有任何希望的尺寸且大體上圍繞沿著測定軸線83的方向(切向)延伸的一條圓周徑跡延伸。在這樣一種情況下，測定軸線83順隨著在X-Z平面上的相對平面的圓形路徑。應(yīng)當(dāng)理解，自映象平面的場深在這些圓柱形實(shí)施例中必須予以考慮，一如上述。亦即，由2D光纖讀頭裝置1120的各檢測通道予以接收和空間濾波的、由圓柱形標(biāo)度盤的彎曲表面產(chǎn)生的自映象所有部分都必須操作上“焦點(diǎn)對準(zhǔn)(in focus)”。因而，一2D圓柱形標(biāo)度盤的半徑相對于讀頭掩模部分的各尺寸和它們的整體間隔來說必須是充分大的。在不同的示范性實(shí)施例中，光照波長是在635nm的量級上，標(biāo)度光柵間距是8.00微米，而每一讀頭件是直徑大約1.0mm并與相鄰的讀頭件隔開大約1.0mm。對于這些近似的讀件參數(shù)，可用來提供良好級別精度的自映象，在不同的示范性實(shí)施例中，是以在20mm量級上或更大的圓柱半徑獲得的。不過，應(yīng)當(dāng)理解，在不同的其他示范性實(shí)施例中，圓柱半徑可以小于20mm，而這些圓柱形轉(zhuǎn)動實(shí)施例的精度將在許多有用的應(yīng)用場合下仍然是足夠的。
雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合上述示范性實(shí)施例作了說明，可明顯的是，上述實(shí)施例和設(shè)計因素是對另外可選實(shí)施例的陳述，修改和變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此如上所述，本發(fā)明的實(shí)施例，是例證性的并不是限制性的?？梢栽诓黄x本發(fā)明的精神和范疇的前提下作出各種變動。
權(quán)利要求
1.一種2D測量裝置，用于測量兩個構(gòu)件之間的相對位置，此裝置包括一2D標(biāo)度盤，具有一沿著第一和第二測量軸線方向延伸的2D標(biāo)度光柵，2D標(biāo)度光柵包括一2D光柵圖形，按照相應(yīng)的第一和第二光柵間距沿著第一和第二標(biāo)度光柵方向是周期性的；以及一讀頭，包括至少第一和第二自映象讀頭件，各自用以提供可運(yùn)作的2D標(biāo)度光柵的自映象，每一相應(yīng)的自映象讀頭件對應(yīng)于第一和第二標(biāo)度光柵方向之一，而每一相應(yīng)的自映象讀頭件包括一光源部分，包括至少一個相應(yīng)的光源器件；以及多個纖維光學(xué)接收通道，每一相應(yīng)的纖維光學(xué)接收通道包括一相應(yīng)的接收通道空間相位掩模部分，具有一相應(yīng)的掩模部分空間相位且其各阻光元件以用以沿著相應(yīng)的標(biāo)度光柵方向?qū)?D標(biāo)度光柵的可運(yùn)作自映象作空間濾波的相應(yīng)間距配置，且基本上位于用以對2D標(biāo)度光柵的可運(yùn)作自映象作空間濾波的相應(yīng)空間相位掩模平面上；以及至少一條相應(yīng)的接收通道光纖，其具有一接收相應(yīng)的接收通道光學(xué)信號光線的輸入端；其中對于每一相應(yīng)的接收通道，由所述至少一條相應(yīng)接收通道光纖接收的相應(yīng)的接收通道光學(xué)信號光線，包括通過相應(yīng)的接收通道空間相位掩模部分收在一相應(yīng)的光線收集區(qū)域上集到的光學(xué)信號光線，所述區(qū)域沿著相應(yīng)標(biāo)度光柵方向具有的光線收集區(qū)域尺寸至少是相應(yīng)接收通道空間相位掩模部分的一個完整周期(full period)；對于每一相應(yīng)的自映象讀頭件當(dāng)所述讀頭在運(yùn)作上相對于標(biāo)度光柵定位時，相應(yīng)自映象讀頭件的多個纖維光學(xué)接收通道的至少第一和第二相應(yīng)通道，沿著相應(yīng)空間相位掩模平面處的相應(yīng)標(biāo)度光柵方向，對2D標(biāo)度光柵的可運(yùn)作的自映象的其相應(yīng)部分作空間濾波，以提供具有至少第一和第二相應(yīng)光學(xué)信號相位的至少第一和第二相應(yīng)接收通道光學(xué)信號；具有相應(yīng)光學(xué)信號相位的所述至少第一和第二相應(yīng)接收通道光學(xué)信號沿著它們相應(yīng)的光纖被輸出，以提供多個相應(yīng)光學(xué)輸出信號形式的相對位移測量信息，相應(yīng)光學(xué)輸出信號在不使用電子光檢測器件的情況下產(chǎn)生自經(jīng)過空間濾波的標(biāo)度光線；以及其中，所述至少第一和第二相應(yīng)接收通道光學(xué)信號用于以沿著相應(yīng)的標(biāo)度光柵方向確定相應(yīng)自映象讀頭件的相應(yīng)增量微子測量，而得自至少所述第一自映象讀頭件的增量位置測量對應(yīng)于所述第一標(biāo)度光柵方向，得自至少所述第二自映象讀頭件的增量位相應(yīng)測量對應(yīng)于所述第二標(biāo)度光柵方向，以及得自于所述至少第一和第二自映象讀頭件的增量位置測量可用于確定沿著所述第一和第二測量軸線方向的所述讀頭與2D標(biāo)度盤之間的相對位置。
2.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中每一相應(yīng)空間相位掩模平面包括用于總體讀頭的相同標(biāo)稱空間相位掩模平面。
3.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中對于每一相應(yīng)的自映象讀頭件，至少每一光線收集區(qū)域和每一輸入端都完全位于一相應(yīng)的圓柱形容積之內(nèi)，此容積具有一垂直于相應(yīng)空間相位掩模平面的軸線并具有至多是3毫米的圓柱半徑。
4.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中每一相應(yīng)的空間相位掩模平面包括用于總體讀頭的相同標(biāo)稱空間相位掩模平面；所述讀頭包括一透明的掩?；?；以及對于每一相應(yīng)的自映象讀頭件每一相應(yīng)接收通道空間相位掩模部分制作在一透明掩?；椎谋砻嫔?，而其各阻光元件相對于2D標(biāo)度盤的可運(yùn)作自映象的沿著相應(yīng)標(biāo)度光柵方向的標(biāo)稱自映象間距，并相對于該自映象讀頭件的其他各接收通道空間相位掩模部分的各阻光元件，以在各相應(yīng)接收通道空間相位掩模部分的各相應(yīng)掩模部分空間相位之間建立預(yù)期關(guān)系的方式沿著相應(yīng)的標(biāo)度光柵方向予以定位；以及每一相應(yīng)接收通道空間相位掩模部分完全位于該自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積之內(nèi)。
5.按照權(quán)利要求4所述的2D測量裝置，其中每一相應(yīng)接收通道光纖的輸入端標(biāo)稱上定位得抵靠透明掩模基底表面上的相應(yīng)接收通道空間相位掩模部分。
6.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中包含至少所述光線收集區(qū)域和輸入端的每一相應(yīng)圓柱形容積的圓柱半徑至多是2.0毫米。
7.按照權(quán)利要求6所述的2D測量裝置，其中包含至少所述光線收集區(qū)域和輸入端的每一相應(yīng)圓柱形容積的圓柱半徑至多是1.0毫米。
8.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中對于每一相應(yīng)自映象讀頭件對于每一相應(yīng)接收通道，沿著相應(yīng)標(biāo)度光柵方向的光線收集區(qū)域尺寸是相應(yīng)接收通道空間相位掩模部分的至少三個完整周期；每一光源器件包括一光源光纖，此光源光纖包括一單模光纖，源自一遠(yuǎn)控光源的光線從所述光源光纖一輸出端處的芯線區(qū)域被輸出；以及每一光源光纖的輸出端完全位于該自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積之內(nèi)。
9.按照權(quán)利要求8所述的2D測量裝置，其中對于每一相應(yīng)自映象讀頭件所述至少一個相應(yīng)光源器件包括一單一光源光纖；以及每一相應(yīng)接收通道光纖圍繞所述光源光纖布置成一緊密組合結(jié)構(gòu)。
10.按照權(quán)利要求9所述的2D測量裝置，其中對于每一相應(yīng)自映象讀頭件，多個纖維光學(xué)接收通道包括配置成N個可運(yùn)作對結(jié)構(gòu)的至少2N條相應(yīng)纖維光學(xué)接收通道，這里N是一等于至少是2的整數(shù)，而每個可運(yùn)作對包括配置在光源光纖對置兩側(cè)上的兩條相應(yīng)纖維光學(xué)接收通道，其中對應(yīng)于這兩條相應(yīng)纖維光學(xué)接收通道的兩個相應(yīng)的空間相位掩模部分具有(a)同一空間相位和(b)標(biāo)稱上相差180度的空間相位這兩種情況之一。
11.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中至少兩個自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積的軸線沿著第一測量軸線方向彼此偏移，而這些軸線沿著第二測量軸線方向彼此偏移小于它們的相應(yīng)圓柱半徑之和的量。
12.按照權(quán)利要求11所述的2D測量裝置，其中所述讀頭包括至少三個自映象讀頭件，而至少兩個自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積的軸線基本上不沿著第一測量軸線方向彼此偏移，以及這些軸線沿著第二測量軸線方向彼此偏移至少是它們的相應(yīng)圓柱半徑之和的量。
13.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中所有自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積配裝在一具有一平行于相應(yīng)各圓柱形容積的軸線的總的圓柱形容積之內(nèi)，所述總的圓柱形容積具有一最多是9mm的總圓柱半徑。
14.按照權(quán)利要求13所述的2D測量裝置，其中總圓柱半徑是至多5mm。
15.按照權(quán)利要求14所述的2D測量裝置，其中總圓柱半徑是至多2.5mm。
16.按照權(quán)利要求15所述的2D測量裝置，其中總圓柱半徑是至多1.25mm。
17.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中當(dāng)所述讀頭可運(yùn)作地相對于2D標(biāo)度光柵定位時對于每一相應(yīng)自映象讀頭件，一相應(yīng)的總光照范圍可以限定在相應(yīng)的空間相位掩模平面處，使得由于該相應(yīng)自映象讀頭件的光源部分造成的光能的至少95％被包含在該總光照范圍之內(nèi)，該總光照范圍具有一相應(yīng)的總光照半徑；以及每一相應(yīng)自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積的軸線與其最接近相鄰的相應(yīng)自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積的軸線間隔開來一個距離，該距離至少是它們的相應(yīng)總光照半徑之和那樣大。
18.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中對于至少兩個相應(yīng)自映象讀頭件，每一光源器件包括一光源光纖，而源自一相應(yīng)控制的遠(yuǎn)控光源的光線從所述光源光纖的一輸出端輸出；以及源自相應(yīng)控制的遠(yuǎn)控光源的光線被控制而間斷地開通和關(guān)斷，以致在兩個相應(yīng)自映象讀頭件之一正在輸出相應(yīng)光學(xué)輸出信號的時期的一最小時段內(nèi)，兩個相應(yīng)自映象讀頭件中的另一不在輸出光線。
19.按照權(quán)利要求18所述的2D測量裝置，其中所述至少兩個自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積的軸線彼此間隔開小于他們相應(yīng)圓柱半徑之和2倍的距離。
20.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中對于至少兩個相應(yīng)自映象讀頭件各相應(yīng)自映象讀頭件中的第一個的光源部分提供第一相應(yīng)的光波長；各相應(yīng)自映象讀頭件中的第二個的光源部分提供第二相應(yīng)的光波長，后者不同于第一相應(yīng)的光波長；相應(yīng)自映象讀頭件中的第一個和第二個中的每一個包括一相應(yīng)的帶通光學(xué)波長過濾器，匹配于其相關(guān)的光波長；每一相應(yīng)的帶通濾波器相對于其相應(yīng)讀頭件的相應(yīng)光線收集區(qū)域予以定位，以便基本上阻擋波長不同于其相應(yīng)的光波長的任何光線使之不能到達(dá)該相應(yīng)的光線收集區(qū)域。
21.按照權(quán)利要求20所述的2D測量裝置，其中至少兩個自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積的軸線彼此間隔開來小于它們相應(yīng)圓柱半徑之和的兩倍的距離。
22.按照權(quán)利要求3所述的2D測量裝置，其中對于至少兩個相應(yīng)自映象讀頭件的距離自映象讀頭件中的第一個的光源部分提供具有第一相應(yīng)偏振的光線；相應(yīng)自映象讀頭件的第二個的光源部分提供具有不同于第一相應(yīng)偏振的偏振的光線；相應(yīng)自映象讀頭件中的第一和第二個中的每一個包括一相應(yīng)的偏振濾波器，匹配其相應(yīng)的光偏振(polarization)；每一相應(yīng)偏振濾波器相對于其相應(yīng)讀頭件的相應(yīng)光線收集區(qū)域予以定位，以便基本上阻擋具有不同于其相應(yīng)的光偏振的偏振的任何光線使之不能到達(dá)該相應(yīng)的光線收集區(qū)域。
23.按照權(quán)利要求22所述的2D測量裝置，其中至少兩個自映象讀頭件的相應(yīng)圓柱形容積的軸線彼此間隔開小于它們的相應(yīng)圓柱半徑之和的兩倍的距離。
24.按照權(quán)利要求2所述的2D測量裝置，其中對于至少兩個相應(yīng)自映象讀頭件相應(yīng)自映象讀頭件中的第一個的光源部分提供第一相應(yīng)的光波長；相應(yīng)自映象讀頭件的第二個的光源部分提供一第二相應(yīng)的光波長，后者不同于第一相應(yīng)的光波長。
25.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中2D標(biāo)度光柵包括反射器件每一相應(yīng)的光源部分沿著一相應(yīng)源光路徑發(fā)射源光，此路徑具有一源光中心軸線，其取向得在相交點(diǎn)處沿著標(biāo)稱上正交于2D標(biāo)度光柵的平面的方向與2D標(biāo)度光柵相交；自相應(yīng)源光產(chǎn)生的標(biāo)度光沿著一相應(yīng)標(biāo)度光路徑被反射，此路徑具有一標(biāo)度光中心軸線，當(dāng)讀頭相對于2D標(biāo)度光柵標(biāo)稱上調(diào)準(zhǔn)時，標(biāo)度光中心軸線標(biāo)稱上被調(diào)準(zhǔn)于其相應(yīng)的源光中心軸線。
26.按照權(quán)利要求25所述的2D測量裝置，還包括一反射表面，其中反射表面用以使每一相應(yīng)源光中心軸線和每一相應(yīng)標(biāo)度光中心軸線在沿著讀頭與2D標(biāo)度光柵之間的軸線的某一部位處折轉(zhuǎn)大約90度；以及讀頭和反射表面相對于2D標(biāo)度盤如此設(shè)置使得相應(yīng)空間相位掩模平面和2D標(biāo)度光柵的可運(yùn)作自映象在相交點(diǎn)處標(biāo)稱上垂直于2D標(biāo)度光柵的平面。
27.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中標(biāo)度盤是一相對平面的圓形標(biāo)度盤，測量軸線方向之一順隨一平行于標(biāo)度盤平面的圓形路徑，而測量軸線的另一方向到處順隨沿著圓形路徑的半徑的某一徑向。
28.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中標(biāo)度盤是一相對圓柱形標(biāo)度盤，測量軸線方向之一順隨一沿著圓柱標(biāo)度盤圓周的圓形路徑，而測量軸線的另一方向順隨一平行于圓柱面形標(biāo)度盤的軸線的方向。
29.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中所述讀頭包括至少一個第三自映象讀頭件，此第三自映象讀頭件基本上類似于第一自映象讀頭件并類似于第一自映象讀頭件那樣取向，而第一和第三讀頭件在一直線上一中心點(diǎn)的對置兩側(cè)上大致上對稱地設(shè)置在讀頭之中，此直線標(biāo)稱上平行于類似地取向的第一和第三自映象讀頭件的相應(yīng)標(biāo)度光柵方向并通過第二自映象讀頭件的一有效中心，使得對對應(yīng)于所述對均衡的第一和第三自映象讀頭件的相應(yīng)增量位置測量結(jié)果作出平均可提供一均衡對的增量位置測量結(jié)果，它對應(yīng)于沿著相應(yīng)的第一標(biāo)度光柵方向中心點(diǎn)相對于2D標(biāo)度盤的位置，該均衡對增量位置測量結(jié)果對于讀頭的圍繞中心點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)基本上是不敏感的。
30.按照權(quán)利要求29所述的2D測量裝置，其中對應(yīng)于所述對均衡的第一和第三自映象讀頭件的相應(yīng)增量位置測量結(jié)果可用以確定讀頭的圍繞中心點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)；以及所確定的圍繞中心點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)可用以確定對至少第二自映象讀頭件的增量位置測量結(jié)果的偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)誤差影響，使得通過所確定的偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)誤差影響來補(bǔ)償至少第二自映象讀頭件的增量位置測量，可提供對應(yīng)于沿著相應(yīng)第二標(biāo)度光柵方向中心點(diǎn)相對于2D標(biāo)度盤的位置的偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)脑隽课恢脺y量結(jié)果，該偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)脑隽课恢脺y量結(jié)果對于讀頭的圍繞中心點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)基本上是不敏感的。
31.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中，當(dāng)沿著第一標(biāo)度光柵方向讀頭與標(biāo)度光柵之間存在相對位移時，至少第一自映象讀頭件的每一相應(yīng)光學(xué)輸出信號包括是相對位移函數(shù)的一種正弦形變化，而每一此種正弦形變化與一理想的正弦形變化偏離至多是每一這種正弦形變化的峰頂至峰頂變化的1/32。
32.按照權(quán)利要求31所述的2D測量裝置中，其中，每一這種正弦變化與一理想的正弦變化偏離至多是每一這種正弦變化的峰頂?shù)椒屙斪兓?/64。
33.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中對于至少兩個相應(yīng)自映象讀頭件相應(yīng)自映象讀頭件中的第一個的光源部分提供第一相應(yīng)的光波長；相應(yīng)自映象讀頭件中的第二個的光源部分提供第二相應(yīng)的光波長，其不同于第一相應(yīng)的光波長，以及相應(yīng)自映象讀頭件中的第一和第二個中的每一個將它們相應(yīng)的光學(xué)輸出信號輸出到(a)與它們的相應(yīng)光波長匹配的一相應(yīng)帶通光學(xué)波長過濾器以及(b)一具有有效地與它們相應(yīng)光波長匹配的光學(xué)波長響應(yīng)的相應(yīng)光檢測裝置中的至少一個，使得所述相應(yīng)帶通光學(xué)波長濾波器和相應(yīng)光檢測裝置二者之中的至少一個基本上阻擋具有不同于它們的相應(yīng)光波長的波長的任何光纖使之不影響自它們相應(yīng)的光學(xué)輸出信號產(chǎn)生的相應(yīng)電子信號。
34.按照權(quán)利要求1所述的2D測量裝置，其中第一標(biāo)度光柵方向與第一測量軸線方向相同，而第二標(biāo)度光柵方向與第二測量軸線方向相同。
35.按照權(quán)利要求34所述的2D測量裝置，其中相應(yīng)的第一和第二光柵間距基本上是相等的。
36.按照權(quán)利要求34所述的2D測量裝置，其中相應(yīng)的第一和第二測量軸線方向是正交的。
全文摘要
本發(fā)明公開了披露一種2D纖維光學(xué)編碼器讀頭，具有多個讀頭件用于檢測一標(biāo)度光柵的二維位移。讀頭件檢測通道是纖維光學(xué)檢測通道，具有相應(yīng)的相位光柵掩模。至少兩個相位光柵掩模具有不同的取向，以便便于在至少兩個不同的方向上檢測位移。各2D纖維光學(xué)編碼器讀頭件設(shè)計得可測得自標(biāo)度光柵上相應(yīng)圖形的自映象圖形的位移。自映象圖形為在至少兩個不同的方向上檢測位移創(chuàng)造了條件。在不同的示范性實(shí)施例中，纖維光學(xué)讀頭件是按照確保某種強(qiáng)大信噪比的不同設(shè)計關(guān)系予以制作的。因此，可以達(dá)到高水平的位移信號插值。此2D纖維光學(xué)編碼器讀頭件以特別精確和經(jīng)濟(jì)的方式組裝起來并可以設(shè)置在尺寸在1－2毫米量級上的一個封裝之中，產(chǎn)生一非常小的總體讀頭尺寸，這取決于裝入的讀頭件的數(shù)量。
文檔編號G01B11/00GK1550763SQ20041004216
公開日2004年12月1日 申請日期2004年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月7日
發(fā)明者約瑟夫·D·托比亞森, 約瑟夫 D 托比亞森 申請人:三豐株式會社