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专利名称：使用光纤接收器信道的干涉测量微型光栅编码器读取头的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及位移感应光学编码器，更具体地说，涉及一种利用光纤作为接收元件的光学编码器，从而提供一种超小型的高精度系统。
背景技术：
目前可获得各种用于传感线性、旋转或角度移动的移动或位置编码器。这些编码器大体上基于光学系统、磁标尺、电感传感器，或者电容传感器中的一种。
对于光学编码器，已经开发许多种系统。最近的一种系统是在Eselun的美国专利No.5,909,283中公开的，其是小型的并且使用比以往系统更少的部件。在′283专利中描述的系统具有一种光栅标尺和读取头，其中包括点光源(读取头中的激光二极管)、Ronchi光栅或全息元件和光电检测器阵列。如其所述，点光源导致干涉条纹具有与标尺的间隔相等的间隔。干涉条纹光通过Ronchi光栅或全息元件传输到光电检测器阵列。光电检测器阵列被设置成从传输来的条纹光中获得四个信道的正交信号。但是，所得到的编码器的尺寸仍然相当大，或在许多应用上受到限制。
在Tokunaga的美国专利No.4,733,071中公开了一种利用光纤作为接收器的非常小型的系统。在′071专利所描述的系统中具有编码部件标尺(codemember scale)和包括沿编码部件的测量轴紧密排列的光纤尖端光发射器和两光纤尖端接收器的光学传感器头。旋转(偏转)所述光纤传感器头来调整两光纤尖端接收器之间的相位差。但是，所得到的编码器的精度相对较粗。在McMahon的美国专利No.4,291,976公开了利用光纤作为接收器的另一种光学编码器。在′976专利中描述的系统包括具有相对可移动编码信道图形相反布置的条纹端的光纤，容许进行与条纹宽度可比，而不是与光纤直径相比的运动的检测。但是，所得到的编码器的精度和分辨率与干涉测量型的编码器相比以及与对多种应用的需要相比，仍然相对较粗。
在各种应用中，为了获得高分辨率和高精度，使用所谓的干涉测量型光学编码器是理想的。但是，已知的干涉测量型光学编码器对于许多应用来说不够小型化，或者它们所用的电子检测器限制了可能的输出频率和移动速度，或者两个问题都存在。

发明内容
本发明目的在于提供一种克服前述和其它缺点的编码器。更具体地说，本发明的目的是提供尺寸极其小而有非常高精度的干涉测量光学编码器，此外该编码器还具有许多其它所需要的特征。
本发明公开一种用于感应标尺光栅位移的高分辨率干涉测量光纤编码器读取头。该干涉测量型光纤编码器具有一些优于以往已知编码器的优点。例如，与已知粗糙的光纤编码器和传统的自成像编码器相比，为了方便地提供较高测量分辨率，这种干涉测量型编码器可用相对较小的刻度间隔操作。而且，这种干涉测量型编码器可在相对于标尺的较大操作间隙范围内可靠地操作，允许更简单地安装和更可靠地操作。所述读取头包括将光传输到标尺光栅的光源和从标尺光栅接收光的检测器信道。根据本发明的一个方面，编码器读取头的检测器信道是光纤检测器信道。诸如在′283专利中公开的电子读取头接收器(光电检测器)在转换与高速标尺移动有关的高频检测器信号方面以及没有明显信号损失和没有干涉地在长光缆上传输这些信号的方面受到限制。此外，对于许多可能的编码器应用来说，用于读取头的电子光电检测器和有关的电路连接太大。可以理解本发明的光纤检测器信道克服了这些局限性。
根据本发明的另一方面，光纤编码器读取头使用若干个具有各自相位光栅掩模的光纤检测器信道对由标尺光栅产生的干涉条纹的位置进行检测。诸如′071专利公开的那些光纤末端接收器，如果它们具有大的直径，则不具有足够的空间分辨率来进行精确地相位信号识别，如果它们具有小的直径，就会聚集太少的光线而不能提供好的信号。因此，限制了它们的精度。可以理解本发明的光纤检测器信道克服了这些和其它局限性，从而提供了高精度。
根据本发明的另一方面，所述光纤编码器读取头使用一种干涉测量装置。在一个实施例中，当光纤读取头设计成拒绝或避免光栅标尺的第三衍射级和更高衍射级时，标尺光栅被设计成抑制光栅的0级和所有偶数级衍射。标尺光栅和光纤读取头的组合产生高分辨率干涉测量型编码器，其通过仅仅或至少主要地传感由+/-第一级衍射产生的干涉条纹来检测位移。
根据本发明的另一方面，提供一种具有空前超小型尺寸的光纤干涉测量型编码器。
根据本发明的另一方面，依照一源光的发散角、至少一标尺光衍射角和一个界定光纤检测器信道输入孔隙的半径的设计关系来构成光纤编码器读取头，以保证可靠的操作和精度。
根据本发明的另一方面，光纤编码器读取头依照一源光的发散角、至少一标尺光衍射角和一个界定光纤检测器信道输入孔径的半径的设计关系相对标尺可操作地定位，以保证可靠的操作和精度。
根据本发明的一个独立方面，光纤检测器信道排列成平衡对，以提供更高的精度。
根据本发明另一方面，以三对平衡光纤检测器信道的方式来处理信号，可以提供更高精度。
根据本发明的一个独立方面，由光纤提供光源，以提供全光学读取头，消除了有关于编码器读取头内的电子部件和电子信号的所有限制和成本。
根据本发明的一个独立方面，所述光纤编码器的各种光纤选自各种类型，使得编码器测量精度相对不受到读取头光缆光纤弯曲的影响。
根据本发明的一个独立方面，光纤编码器读取头的各种实施例以特别经济、准确和紧凑的方式来构成。
根据本发明的一个独立方面，光纤编码器读取头的构成，使之可以插入市场上可买到的标准光纤连接器结构。
根据本发明的一个独立方面，提供一个光折射元件，以折射基本读取头元件和标尺光栅之间的读取头光路，使得读取头相对标尺的可操作安装方向可被改变。
根据本发明的独立方面，在一个实施例中利用远程接口盒，其中包含适当的电子光源和光电检测器，其连接所述光纤到根据本发明的一个或多个光纤读取头上并从该读取头连接所述光纤上，并将接收到的光学信号转换成适合于进一步信号处理的和读取头位置识别的形式。
因此，本发明克服现有技术的光纤位移传感装置的缺点，并提供具有超小型、高精度、经济和高速结构的新的应用可能。


参照下列详细描述，并结合附图，前述的本发明的多个方面和其所附带的多个权利要求将会更加容易理解并同样更加明了。
图1是根据本发明的一种光纤接收器信道设置的第一普通性实施例的立体图；图2是根据本发明的各种示例性光纤读取头的干涉测量装置的第一普通性实施例的立体图；图3是根据本发明的光纤读取头装置的第一普通性实施例的立体图；图4是根据本发明的光纤读取头装置的第二普通性实施例的立体图；图5示出根据本发明的标尺光栅的第一示例性实施例的光栅结构的立体图；图6是沿垂直根据本发明示例性光纤读取头的接收平面的方向的示意图，说明了当根据本发明的原理使读取头相对标尺可操作地定位时，相对光纤读取头的特征、由照亮的标尺产生的各种光束的示例性结构；图7是沿垂直测量轴并平行于根据本发明示例性光纤读取头的接收平面方向看到的、近似对应图6的示例性结构的示意图，示出当根据本发明的原理使读取头相对标尺可操作地定位时，相对光纤读取头特征、由照亮的标尺产生的各种光束；图8是表示对于各种光源发散角来说，最小操作间隙和半径之间典型的关系图，该半径围绕根据本发明光纤读取头装置的光纤检测器信道的接收器孔隙；图9是根据本发明光纤读取头装置的第三实施例的部分正交、部分立体图；图10示出可依照本发明使用的示例性接收器信道光纤；图11示出可依照本发明使用的示例性光源光纤；图12示出包括可与根据本发明的光纤读取头结合使用的远程电子接口单元的框图；图13是根据本发明光纤读取头装置的第四实施例的部分正交、部分立体图；
图14示出可在依照本发明的各种光纤读取头中使用的示例性相位掩模元件；图15示出根据本发明的光纤读取头和光缆的第一示例性实施例；图16是一示意图，示出与根据本发明各种示例性实施例相关的偏移失准直的补偿；图17示出根据本发明光纤读取头装置的第五个示例性实施例；图18示出根据本发明光纤读取头装置的第六个示例性实施例；图19示出根据本发明光纤读取头装置的第七个示例性实施例；图20A示出在相对标尺光栅的第一方向上可与根据本发明各种光纤读取头结合使用的光学折射器；图20B示出在相对示例性标尺光栅的第二方向上可与根据本发明各种光纤读取头结合使用的光学折射器；图21示出可与根据本发明各种光纤读取头结合使用的安装托架和光学折射器，其设置在相对旋转标尺光栅的第一方向上。
具体实施例方式
图1示出根据本发明的光纤接收器信道装置100的第一普通性实施例。如图1所示，该光纤接收器信道装置100包括三个光纤接收器信道190A、190B和190C。光纤接收器通道190A包括接收器信道孔隙110A、相位掩模120A和接收器光纤130A。类似地，光纤接收器信道190B包括接收器信道孔隙110B、相位掩模120B和接收器光纤130B。类似地，光纤接收器信道190C包括接收器信道孔隙110C、相位掩模120C和接收器光纤130C。
对于每个光纤接收器信道190，相位掩模120包括完全覆盖接收器信道孔隙110的光栅，其用作一射入光照的空间滤光片。接收器光纤130与接收器信道孔隙110对齐，以便将接收器信道孔隙110名义上所接收到的所有照明引导至光纤130，以提供光学信号191。在各种示例性的实施例中，接收器信道孔隙110简单地为接收器光纤130的平端处。在各种其它示例性的实施例中，接收器信道110为接收器光纤130的成形端。在各种其它示例性的实施例中，接收器信道孔隙110是小型的折射或衍射透镜，其聚集通过相位掩模120的入射光照，会聚所述光，并将所述光引导到为了有效接收光已对准的接收器光纤130的末端。每个光纤接收器信道190的接收器信道孔隙110、相位掩模120和接收器光纤130的末端通过粘合剂或者其它合适的方式以固定的关系彼此固定。
在根据本发明的各种示例性实施例中，相位掩模120以共面结构进行设置，该结构限定和/或重合于名义接收器平面160。将在下文对相位掩模120的各种示例性实施例以及它们的具体取向和单独的相位位置进一步详细说明。参照该光纤接收器信道装置100的信道装置中心157可以方便地说明接收器信道孔隙110的位置。在根据本发明的各种高精度光纤读取头的实施例中，信道装置中心157位于与体现该光纤接收器信道装置100的任何干涉照明区(interference illumination field)的名义中心相重合的位置，如下文的进一步说明。每一个接收器信道孔隙110A-110C位于距信道装置中心157接收器孔隙界限半径140A-140C内，如图1所示。这里，接收器孔隙界限半径通常表示为RCR。
可用的接收器孔隙界限半径140可以根据如在下文中参照图6、7和8详细论述的本发明的原理来确定。在各种示例性实施例中，接收器信道孔隙110是相同的，并且它们各自的界限半径140也是相同的。通常，根据本发明在光纤读取头中使用相同的光纤接收器信道190可以实现更简单的结构、更简单的信号处理和相对更高的测量精度。但是，更普遍的情况是，在根据本发明的各种示例性实施例中，接收器信道孔隙110和/或它们各自的界限半径140不需要相同。
光纤接收器信道190一般被配置为彼此固定的关系。特别是，每个光纤接收器信道190的相位掩模120的光栅名义上是共面的，并且相对于接收面160上的另一个相位掩模以特定的空间相位关系被固定。在各种示例性实施例中，通过将所述相位掩模120制作在一个掩模衬底上而使它们固定成一种特定的空间相位关系，如下文所述。下文将进一步论述示例性的装配部件和方法。
图2示出根据本发明可用于各种示例性光纤读取头的干涉测量装置200的第一普通性实施例。干涉测量编码器的基本原理已经众所周知，在此不详细描述。干涉测量装置200包括由光源间隙284分开的光源280和标尺光栅(scale grating)80。光源间隙的尺寸通常表示为zs，或者在光源间隙284和接收器间隙285大约相同时，表示为z或Z。标尺光栅80沿测量轴82对齐，并且在图2所示的示例性实施例中是一个相位光栅，其包括垂直于测量轴82延伸的光栅元件，由在照明光点253中的垂直线所表示。光栅元件根据光栅周期84沿测量轴82周期性地排列，此处一般表示为光栅周期或光栅间隔Pg。在下文中参照图5更详细地论述标尺光栅80。
图2中所示的X，Y和Z坐标轴参照标尺光栅80的平面被确定。X轴平行于标尺光栅80的平面并平行于测量轴82。X-Y平面平行于标尺光栅80的平面，而Z轴垂直于该平面。
在普通干涉测量装置200中，光源280大体上沿光源轴251发射源光250。源光一般是单色光或准单色光并且名义波长为λ。源光250一般以半发散角252发散。半发散角的正弦通常称为光源的数值孔径NA，与一些组合的参考相对照，这里所称的半发散角一般认为包括了最高例如90％，或接近全部例如99％的光源能量。源光250经过与光源间隙284相等的距离，在照明光点253上照亮标尺光栅80。标尺光栅80的表面起伏结构抑制0级反射，并且标尺光栅80的占宽比抑制偶数级衍射级，正如下文中参照图5更详细说明的那样。为了增加测量分辨率，+3和-3衍射级和更高的奇数级衍射级一般会降低准确地差值(interpolate)根据本发明光纤读取头的测量信号的能力，且根据本发明的各种示例性实施例，光纤读取头被配置成避免检测由+3和-3衍射级和更高奇数级衍射级产生的光。因为在根据本发明的各种实施例中只检测从+1和-1衍射级产生的光和干涉，因此在图2中仅示出这些衍射级的光。在图2中没有示出0级、偶数级、第三级和更高的奇数衍射级的光，不过在下文中参照图6和图7会更详细地论述。
如图2所示，被衍射和反射+1和-1衍射级作为标尺光的254A和254B，一般沿着标尺光轴255A和255B的方向。应该了解的是标尺光轴255A和255B与源光250的中心射线的衍射对应。因此，中心标尺光轴255A和255B沿第一级衍射角前行，例如，如图2所示，当源光250的中心射线近似垂直地入射到标尺光栅80的平面上时，由±arcsine(λ/Pg)来限定角度。各+1和-1衍射级标尺光254A和254B分别继续绕标尺光轴255A和255B发散形成照明区254A′和254B′，用虚线圆表示，图2中示出与接收器间隙285重合的平面上的照明区的近似横截面。标尺光254A和254B的照明区254A′和254B′相交从而形成包括干涉条纹266的干涉区256′。
在与接收器间隙285重合的平面上，所述干涉区256′具有一个以对应于照明区254A′和254B′的虚线圆相交来表示的横截面。这样便于将干涉区256′的横截面描述为在相应于接收器间隙285的平面上限定的干涉照明区256，这个平面还与上面略述以及在下文中将更详细论述的任何配置的接收器平面160重合。在图2所示的实施例中，干涉照明区256具有与源光280和源光轴251重合的照明场中心257。
在干涉区256′中的干涉条纹266包括亮和暗的干涉条纹区，每个垂直于测量轴82沿Z轴和Y轴延伸。亮和暗干涉条纹区根据干涉条纹83沿平行于测量轴82的方向是周期性的，这里一般表示为干涉条纹的周期或干涉条纹的间距Pif。因此，由于干涉条纹区沿垂直于标尺光栅80平面的方向延伸，对于一个潜在接收器间隙285范围存在可操作干涉照明区256并且相应的接收器平面160处于干涉区256′。因此，接收器间隙285和接收器平面160的相应位置一般可以根据本发明的原理、在不明显影响各光纤读取头实施例的操作或精度的合理容许范围内变化。
根据本发明的各种示例性实施例，一个该光源280的特别简单和有效的实施例是单光纤的末端，该光纤可以通过远程激光二极管或其它光源发射所提供的相干光或准相干光，可操作地提供上述的干涉条纹。在各种示例性的实施例中，这种光纤光源是单模光纤，不需要分离的透镜或准直器，就可以从其末端输出发散源光束，对于单模光纤，发散光束一般具有在4.5-12度的范围内的半发散角。在各种其它示例性实施例中，光源280是源光栅孔隙的周期性排列(periodic array)，其布置在一个或多个发送来自远程LED或其它合适光源的光的光纤末端。在其它示例性实施例中，光源280由在光纤读取头中的微型固态激光元件、固态激光阵列或源光栅和微型LED元件提供。在这种情况下，应该了解的是，读取头结构变得更加复杂和昂贵，失去了全光学读取头的部分优点。但是，既使在这种情况下，结合根据本发明的全光学接收器信道装置至少会保留读取头的部分优点。
图3示出根据本发明第一普通性实施例的光纤读取头装置300。该光纤读取头装置300包括如前面分别参照图1和图2所述的光纤接收器通道装置100的第一普通性实施例和干涉测量装置200的第一普通性实施例。如图3中所示，光源280大体上沿源光轴251发射源光250。源光250经过等于光源间隙284的一个距离z，在照明光点253处照亮标尺光栅80，标尺光栅80被承载于虚线轮廓所示的标尺81上。如上所述参照图2，照明光点253反射正和负的第一级衍射光分别作为大致沿标尺光轴255A的标尺光254A和大致沿标尺光轴255B的标尺光254B。正和负的第一级标尺光254A和254B经过等于接收器间隙285的距离z，在光纤接收器信道装置100的接收器平面160上相交形成前面所描述的干涉照明区256。
在前文中参照图1描述的接收器平面160中，所述信道装置中心157名义上与照明区中心257对准。应该了解的是，在光纤读取头装置300的这个实施例中，光源280同样名义上与照明区中心257对准。在各个实施例中通过使用一个大致布置在接近并对准相位掩模的对准盘来可靠地实现所有元件的对准，并且该盘具有所需数量的接收光纤孔，以及如果可行的话，还有源光纤孔。不同的光纤末端被插入和固定在合适的孔中，以提供所需的对准。图3中示出包括一个示例性对准盘305的“分解图”。箭头308表示对准盘305要被定位在接近相位掩模120的位置，而不是在图示的“分解”位置。如果在各种实施例中可行的话，所述对准盘305具有接收光纤孔306及源光纤孔307。在接收器平面160上，对于各个光纤接收器信道190，各个相位掩模120在空间上过滤干涉照明区256的入射干涉条纹。在图3示出的示例性实施例中，各个相位掩模120A、120B和120C各具有与干涉条纹间距Pif相同的掩模间距Pm，它们分别设置为根据干涉条纹间距Pif的0度、120度和240度的空间相位位置处。因此，除了空间相位差之外，光纤光纤接收器信道190A、190B和190C接收相似地空间过滤照度。这样，随着标尺光栅80沿测量轴移动，对应光纤接收器信道190A、190B和190C的光信号191A、191B和191C表现出大致相同的正弦曲线强度变化，只是有120度的相对相位偏差。公知的方法可采用基于这种“三相”位移信号来确定标尺光栅80相对相位掩模120A、120B和120C的位移。应该了解的是，因为在产生干涉条纹的各+1和-1衍射级光被标尺光栅衍射一次，当光栅移动1个间距增量周期时，在干涉照明区256中的相应条纹移动2个周期。即，对于图3所示的实施例，当标尺光栅80沿测量轴移动增量Pg时，在干涉照明区256中的干涉条纹266相对相位掩模120移动2 ×(Pif)的增量。
这样，图3中所示的示例性光纤读取头装置300提供了一种位移测量系统，可使用根据本发明的各种光纤读取头。本领域的技术人员还应了解的是，图3中所示的反射光纤读取头装置300具有可透射光纤读取头装置的改型(counterpart)。在这种情况下，光源280沿Z轴放置在可透射标尺光栅的相反一侧，位于光源280和标尺光栅之间任一可操作间隙284′处。在这种情况下，为了抑制0级传输光，将透射相位光栅用作标尺，沿测量轴交替的标尺光栅部分之间其具有1/2光波长的奇整数倍的光程长度差。
示例性光纤读取头装置300提供了一个三相测量系统。然而，应该了解相位掩模120的可选实施例可与相应的光学接收器信道190的可选装置一起用在该普通光纤读取头装置300中。相位掩模120的各种示例性实施例，包括提供具有正交相位关系或者更高级相位关系的光学信号的实施例，在下文中将进一步详细描述。
图4示出根据本发明的第二普通性实施例的光纤读取头装置400，除了如下述说明中所提示的之外，该光纤读取头装置400的操作方式与光纤读取头装置300的方式相同。图4中未加附图标记的元件将被理解为与图3中明显类似的元件相同。该光纤读取头装置400包括如前文参照图1所述的光纤接收器装置100的第一普通性实施例和干涉测量装置的第二普通性实施例。
如图4所示，光源280大体上沿源光轴251A发射源光250，其中源光轴251处在Y-Z平面中以一角度低于X-Z平面，如图所示。在这里的论述中在X-Z平面下的角度表示为-β。源光250传播距离zs，以在照明光点253处照亮标尺光栅80。照明光点253分别衍射正和负的第一级光作为大体上沿标尺光轴255AA的标尺光254AA和大体上沿标尺光轴255BB的标尺光254BB。标尺光轴255AA和255BB位于X-Z平面之上的角度为+β。应该了解的是，对于在平行于Y-Z平面方向的光线成份，标尺光栅起了平面镜的作用。正和负的第一级标尺光254AA和254BB经过距离z到达接收器平面160，在此处它们相交形成上文所述的干涉测量照明区256。
与光纤读取头装置300类似，在接收器平面160上，信道装置中心157名义上与照明区中心257对准。这样，如在光纤读取头装置300中，光纤接收器通道190A、190B和190C接收除了空间相位不同之外类似地被空间过滤的照明，并在光纤读取头装置400中产生相应的光学信号191A、191B和191C。
因此，图4中所示的光纤读取头装置400提供了一个可替换的“成角度”的装置，其中光源280与通道装置中心157和照明区中心257分离。本领域的技术人员还应了解的是，图4中所示的反射光纤读取头装置400具有可透射光纤读取头装置的对应物。在这种情况下，与图4相比较，光源280被放置于标尺光栅80的X-Y平面相反面、沿着等分标尺光轴255AA和255BB之间角度的直线的延长线。可以了解在这种情况下，标尺光栅80是可透射标尺光栅。在这种情况下，可透射相位光栅用于标尺，为了抑制0级传输光，沿测量轴交替的标尺光栅部分之间其具有1/2光波长的奇整数倍的光程长度差。
这些可替换装置可用于根据本发明的各种光纤读取头。应该了解的是相位掩模120的可替换实施例可与相应的光学接收器通道190的替换装置一起用在第二普通光纤读取头装置400中。相位掩模120的各种示例性实施例，其包括提供具有正交相位移关系或者更高级相位关系的光学信号的实施例，在下文中将进一步详细说明。
图5示出标尺光栅的第一示例性实施例，图6和图7是根据本发明可操作地定位光纤读取头的对应示例性结构的示意图。如下文更详细地描述，图5中的标尺光栅被设计成抑制标尺光栅产生的0级和所有偶数级衍射，而图6和图7中的光纤读取头被设计和可操作地定位成避免或拒绝根据本发明的原理提供的光学测量信号中的第三级和更高级衍射光的影响。图5中的标尺光栅和图6和图7中的光纤读取头结构的组合产生高分辨率干涉测量型编码器，其主要或仅仅检测由正和负的第一级衍射产生的干涉光。这种高分辨率干涉测量型编码器具有超过各种以前公知的编码器的优点，诸如粗略型光纤编码器和传统的自成像编码器，其通常不能在适于干涉测量型编码器的精确标尺那样精确的标尺间距下进行操作(例如，在一个示例中，用于自成像编码器的标尺间距大约需要8μm，包括4μm反射部分和4μm间隔部分或者更大的反射部分和间隔部分，否则对于实际使用，所述操作间隙允许范围太小)。由于检测的干涉条纹沿垂直于标尺光栅平面的方向延伸，干涉测量型编码器不仅以更小的标尺间距工作来提供高分辨率，而且具有更大的操作间隙允许范围。在具有2μm标尺间距的示例性实施例中，由于使用正和负的第一级衍射和200X的插值，相对标尺间距双倍的信号间距，干涉测量型编码器可达到的分辨率近似5nm的位置分辨率。这种高分标率干涉测量型编码器具有超过各种以前公知干涉测量型编码器的优点，其中具有光学输出信号的优点，并具有紧凑尺寸和高分辨率的空前结合。
图5示出标尺光栅80的第一示例性实施例，其设计成为抑制0级和所有偶数衍射级。标尺光栅80是在衬底81上形成的反射相位光栅，并沿测量光轴82对准。标尺光栅80包括沿Y轴方向延伸、垂直于测量轴82的光栅元件E，其被凹槽元件G分开。光栅元件E按照光栅间距Pg、沿测量轴82方向周期性地排列。各个光栅元件E沿测量轴82方向的宽度为WE，而各个凹槽元件G的宽度为WG。光栅元件E沿Z轴方向的高度为HE。
如上文所述，图5中的标尺光栅80设计成抑制0级反射光和所有偶数衍射级。实现这种标尺光栅的方法是本领域的公知技术。例如，在一个示例性实施例中，标尺光栅80可以作为反射相位光栅来形成，用例如铬的反射涂层、涂覆在矩形光栅元件E和凹槽元件G，并具有高度为HE，其引起破坏0级反射光的干涉，例如高度为源光的1/4波长。50％的占宽比，即，WE近似等于WG，能提供0级反射光的最佳抑制，并且还抑制其余的偶数衍射级。这些因素参照下面的方程1和方程2来说明。在经过距离HE往返于凹槽元件G后，波长为λ的反射光相位变化为 (方程1)为了破坏在从矩形光栅元件E和凹槽元件G反射的光之间干涉，选择高度HE，使得＝kπ ....(其中，k是一个奇整数) (方程2)用光栅抑制和/或消除0级反射光的其它方式是本领域的公知技术，诸如利用在第一衍射级具有强光(blaze)的衍射标尺元件或使用正弦曲线光栅。正弦曲线光栅除了正和负的第一级之外，能够抑制所有衍射级，实现上文阐明的设计目标，但是在有些实施中比诸如图5所示的矩形光栅制造起来更昂贵。在下文中将详细地描述，当使用诸如图5所示的矩形标尺光栅80时，各种特征可以与根据本发明的光纤读取头结合，以拒绝剩下的更高级衍射级，而不拒绝所需的正和负的第一级。
图6是沿垂直于根据本发明的示例性光纤读取头的接收器平面方向的示意图，图示了当读取头相对根据本发明原理的标尺可操作地定位时，对应于光纤读取头的特征从所照亮的标尺产生的各种光束的一个示例性结构。而且，图7是沿垂直于测量轴并平行于根据本发明示例性光纤读取头接收面的方向、大致对应于图6所示的示例性结构的示意图，示出当读取头相对根据本发明原理的标尺可操作地定位时，对应于光纤读取头的特征从所照亮的标尺产生的各种光束。图6和图7中的一些元件与上述图2和图3中描述的那些元件相似，下文中仅对于图6和图7中相似元件的某些方面描述。应该了解的是，出于清楚地表示根据本发明示例性光纤读取头操作的不同方面的目的，图6和图7所示的某些特征的相关尺寸是不同的。但是，参照图6和图7的这些特征的共用编号和说明应被理解为提到的可比特征。
图6和图7示出根据本发明典型的干涉测量光纤读取头装置1000的普遍性可操作结构。如图6所示，典型的的读取头1000也形成6个光纤接收器信道结构，在下文中参照图13将更详细地描述。如最好在图7中示出，典型的光纤读取头装置1000包括大体上沿源光轴251发射源光的小型光源，源光发散用虚线252和253表示。源光名义波长为λ。源光经过与光源间隙284相等的距离，于照明光点253处照亮标尺光栅80。参照如上文中图5的描述，标尺光栅80的结构抑制标尺光栅80的0级反射并且标尺光栅80的占宽比(例如，50％)提供最佳0级反射抑制，并抑制偶数级衍射级。+3和-3衍射级和更高奇数级衍射级通常减损根据本发明光纤读取头的准确操作，在下文中将更详细地描述，根据本发明光纤读取头的各种示例性实施例被配置成避免检测+3和-3衍射级和更高衍射级的光。
+1和-1衍射级被衍射和反射作为通常沿标尺光轴255A和255B的标尺光254A和254B。应该了解的是，标尺光轴255A和255B对应于源光中心射线的衍射。因此，中心标尺光轴255A和255B依照第一级衍射角±arcsine(λ/Pg)。各个+1和-1衍射级标尺光254A和254B分别继续围绕标尺光轴255A和255B发散，以形成照明区254A′和254B′。标尺光254A和254B的照明区254A′和254B′相交形成干涉区256′。
从图6中可以最清楚地看出，在与接收器间隙285重合的平面上，干涉区256′具有用相应于照明区254A′和254B′圆的相交所示的横截面。将照明区256′的横截面描述为在相应于接收器间隙285的平面限定干涉照明区256非常方便，而该平面也与上述任一装置接收器平面重合。
图6和图7还示意性地示出第三衍射级的光。+3和-3衍射级被衍射和反射，通常沿标尺光轴355A和355B产生标尺光354A和354B。应该了解的是，标尺光轴355A和355B对应源光250的中心射线衍射。各+3和-3衍射级标尺光354A和354B分别继续围绕标尺光轴355A和355B发散，以形成照明区354A′和354B′。
如上所述，在各种示例性实施例中，根据本发明的光纤读取头被配制成避免检测+3和-3衍射级和更高奇数衍射级。应该了解的是，为了基于用本发明的干涉测量光纤读取头提供的正弦曲线来提供高分辨率和高精度，不仅需要计算标尺波长的数值或累积的标尺光栅间距单元，以便以可与标尺间距相比的分辨率来形成累积的位移或位置，同样需要在“初始的”和“最近的”波长内插值到尽可能的高度，以提供最精确的可达到的测量分辨率水平。通常，根据一方面的考虑，插值水平基本上对应于S/N比(信噪比)，即，S/N为1，有可能峰值到峰值的正弦信号的插值没有意义。此外，大多数用于在编码器中内插原始测量信号的信号处理技术假定在标尺和读取头之间的相对位移是理想的或近似理想的正弦函数。这样由于非理想、非正弦信号就会产生插值误差。应该了解的是，如果+/-第三衍射级的光到达根据本发明的光纤读取头的接收器孔隙，其会对非理想、非正弦的信号产生贡献。
因此，如图6和图7所示，在各种示例性的实施例中，典型的读取头1000被设计和可操作地定位成这样，它避免+3和-3衍射级的照明区354A′和354B′，而它还被设计和可操作地定位在+1和-1衍射级的照明区254A′和254B′横截面内，即在干涉区256′中，以接收和检测如图7、尤其是图6所示的+1和-1衍射级的干涉光。
如图6所示，尺寸X1和X-1分别被限定在沿垂直于干涉条纹的方向的读取头1000的中心与照明区254A′和254B′横截面的左边缘和右边缘的之间。而且，尺寸X3和X-3分别被限定为典型的读取头1000的中心与相应于+3和-3衍射级的照明区354A′和354B′的最近边缘之间距离。应该了解的是，典型的读取头1000是放射状对称的，因此，接收孔隙界限半径RCR与图6所示的各光学接收孔隙是相同的。因此，为了达到接收由+1和-1衍射级产生的干涉光，同时避免+3和-3衍射级的光的设计要求，如果典型的光纤读取头1000被设计和可操作地定位为使光纤接收信道的孔隙定位到可接近距离X1但确定地小于距离X3的光纤接收孔隙界限半径RCR内就足够了。但是，更普遍地，根据本发明的光纤读取头的接收孔隙装置不需要放射状地对称，并且各种接收孔隙的接收孔隙界限半径RCR可以不同。因此，更普遍地，为了满足在上文所述的接收由+1和-1衍射级产生的干涉光，同时避免+3和-3衍射级的光的设计要求，如果各个接收孔隙界限半径RCR落入对应于接收器间隙285的平面上的干涉照明区256内就足够了，并且+3和-3衍射级的光不与任何单个光纤接收孔隙重叠。
例如在图6和图7中示出用于设计合适的光纤读取头几何结构和定位的一种方法，其打算只检测+1和-1衍射级的光，并且可以用下面简化的模型来表示。该模型设计成寻找合适的读取头几何结构和定位，以实现m＞2的滤掉，其中m是衍射级，由于使用占宽比为50％的标尺或用其它公知的方法，m＝2的衍射受到抑制。这个模型主要考虑落入由光源半发散角限定固定角度的光线，该光线被对准在通过近似位于读取头装置中心的光源中心延伸和沿测量轴方向82延伸并且垂直于标尺光栅平面的平面中。该模型首先具有读取头，其具有界限读取头光纤接收信道的接收孔隙的半径RCR。例如，接收孔隙可以假定为具有直径d的光纤接收器纤芯。光源的发散用发散角θi表示，读取头假定可操作地定位在距标尺的操作间隙Z的位置，并且光源的中心线垂直于标尺的名义平面。对于从标尺反射/衍射的光，第一级衍射光(m＝1)的中央光线的衍射角表示为θm＝1或θ1。
第一关系限定为x＝Ztan(θi)(方程3)沿测量轴方向限定坐标轴“x”，光源中央光线的位置在0位置。参照图7，0的右边限定为正。当角度相对标尺表面的法线沿顺时针方向时，角度限定为正。
现在考虑结构，其中最右的发散光射线到达图7中的点291、在位置x处，并且衍射。如果我们保证来自位置x的m＝-1衍射光射线292照射读取头检测器的右边，那么来自另一源光射线的另一m＝-1光射线在照明光点253中α＜x的另一位置必须在此后照射读取头，为检测器提供100％的覆盖。类似地，如果我们保证来自位置-x的m＝+1衍射光射线293照射读取头检测器的左边，那么来自另一源光射线的另一m＝+1光射线在照明光点253中α＞-x的另一位置必须此后照射读取头，用干涉条纹提供100％的检测器覆盖。换句话说，参照图6，我们需要第一衍射级交迭的条件是整个覆盖读取头上半径为RCR的圆，其可以用下面的设计标准表达式来表示x1＜-RCR和x-1＜RCR(方程4)排除来自读取头检测区域的m＝+/-3衍射级，类似的分析提供相似设计的标准表达式。参照图6，我们需要x-3＜-RCR和x3＞RCR(方程5)
x1、x-1、x3和x-3的值为根据在不同的发散角θi和操作间隙Z下产生的x的最极端值求得的值。因为这个系统的对称性，我们仅需要四个不等式中的两个。我们因此选择(x-1)＝Z(tanθi+tanθ1)＞RCR和(x-3)＝Z(tanθi+tanθ-3)＜-RCR(方程6)我们利用衍射方程式，sinθm＝Cm＝mλ/Pgθ+sinθi，m＝1，3 (方程7)通过替换和简化，我们得到x-1=Z(tanθi+C11-C12)>RCR]]>(方程8)和x-3=Z(tanθi+C-31-C-32)>RCR]]>(方程9)通常，所需的读取头的设计和相关的操作间隙Z可以从这些方程式迭代确定。另外，假设给定的波长为λ，这些方程式可以用于对一个RCR的特殊值来制定三维设置的限制，所述RCR具有对应于发散角θ1、操作间隙Z和光栅间距Pg变量的坐标轴。
一些示例参数值可以用于解释这些方程式的运算。在一个示例性实施例中，读取头可以使用波长λ为635nm，并且读取头有效区域半径等于RCR的375μm。然后，我们求出对于间距、间隙和发散角范围的值x-1和x-3。这样产生的结果表示通过适当选择发散角θi和操作间隙Z，可以使用的间距Pg小至2微米或更小。小的读取头有效区半径、更大的操作间隙和发散角有可能产生最小的间距。在一个示例性实施例中，通过使用4μm间距和50％光栅占宽比的标尺、波长为635nm、读取头有效区半径等于375微米的RCR、半发散角大约为9-9.5度、名义操作间隙大约为2.5-3.0mm的读取头结构来满足前述的设计限制。
应该了解的是，在各种示例性实施例中，例如通过选择特殊的源光纤来控制发散角，源光纤具有特殊的载光纤芯的几何结构和光纤末端结构。在各种其它示例性实施例中，在承载接收器相位掩模的掩模元件中钻一个孔可以提供光纤末端透镜等所要求的额外空间。还应该了解的是，放在接收光纤上的掩模元件可以具有相应于源光纤位置的中心区域，通过蚀刻或其它的机械加工或改变其折射率以形成一个透镜，增加来自源光纤的光的发散角。其它的方法，对本领域的普通技术人员来说是显而易见的，例如，分离衍射光学元件透镜可能连接在掩模元件的外表面的中心。当掩模元件对准并连接到套管上时，具有在掩模元件上安装或结合一个透镜而不是改变光纤末端的优点包括减轻对组装光纤末端的抛光并使透镜和光纤有效地对准。
如图7所示的读取头结构的操作间隙和操作间隙容许范围也很重要。因为这是干涉测量型编码器，干涉条纹沿Z轴通过有效范围垂直地延伸。但是，应该了解的是，在各种结构中操作间隙太小会让第三级光到达读取头接收器孔隙，操作间隙太大会减少旋转失准容许范围，由于在有些实施例中发散源光和/或在其它实施例中将干涉照明区256的尺寸减小到读取头不能操作或不准确的程度，可获得的光学信号强度非常低。但是，根据上述方程式和一些示例结构，在各种示例性实施例中很容易达到间隙容许范围近似或大于1mm。
应该了解的是，减小照明波长使得标尺光栅间距更�。庋∮�635nm的波长的设计使得标尺的间距明显地小于2μm。例如，一个示例性实施例包括市场上可买到的UV激光二极管具有λ＝375nm，标尺光栅间距Pg＝1.2μm，和80微米直径的石英或具有RCR＝120μm的其它UV传输材料光纤。因此，根据上面列出的设计参数和方程式8的设计标准，半发散角大约为9.8度的读取头装置有可能操作间隙大约为3mm。应该了解的是，在各种示例性实施例中通过模拟或试验可以进一步优化发散角和间隙。
如前文概括的，应该了解的是，既使半发散角不是由所需源光纤的NA(数值孔径)本身提供的，它也是在本发明的范围内的，包括GRIN(自聚焦)透镜、成形的光纤末端等，以便在小型的读取头装置中为所述源光发射器提供所需的NA。但是，还应该了解的是，减小标尺间距会增加读取头偏移失准直的给定数量的灵敏度。因此，对于非常小的标尺光栅间距应该考虑相关设计和安装的权衡。在下文中参照图16将更详细地论述偏移失准直误差。
还应该重点了解的是，在各种示例性实施例中，选择各种读取头设计参数，如Pg＜3×λ也在本发明的范围内。应该了解的是，在这个示例性实施例中，第三级衍射是渐逝的，不考虑读取头设计和安装布置的其它方面，第三级衍射光不能直接射向读取头。一个这种示例性实施例包括从市场上可买到的照明波长为λ＝405nm的激光二极管，标尺光栅间距Pg＝0.96μm，和80微米直径的光纤，以提供RCR＝120μm。读取头还可以设计成提供大约为15度的光源半发散角。这种读取头的设计可以有近似或大于1mm的操作间隙。在这个实施例中，除了+/-衍射级之外，所有衍射级被抑制或消散，因此，增加+/-第一级产生的光学信号功率并放松其它设计考虑。
关于干涉区256′中的干涉条纹，应该了解的是，由于照亮标尺光栅80的源光的发散，干涉条纹实际上不是在距标尺光栅80的整个距离上具有恒定间隔的理想平行平面。但是，在根据本发明的各种示例性实施例中光源间隙284和接收器间隙285近似相等，其提供一个结构，该结构提供一个相对恒定和一致的干涉条纹间距Pif，其在接收器间隙285处的接收相位掩模的平面上的干涉照明区256内名义上等于标尺光栅的间距Pg，不考虑光源间隙284和接收器间隙285的特定共用尺寸，并且不考虑特定的用于读取头设计和安装配置的可操作半发散角。因此，在根据本发明的各种示例性实施例中，使用这种结构，所述相位掩模间距设定为等于标尺光栅间距Pg。
还应该了解的是，由于照亮标尺光栅80的源光的发散，在接收器间隙285处的接收相位掩模的平面上的干涉照明区256中的干涉条纹在靠近干涉照明区256的中心为近似理想的，但是，在离开干涉照明区256的中心半径增加的位置上变形也增加。因此，应该了解的是，在根据本发明的各种示例性实施例中提供的非常紧凑的读取头还具有整个位于干涉照明区256的相对理想中心区的优点以提供良好的测量信号和相应的精度，尽管所述应用简单而经济地提供发散的源光。在根据本发明的各种示例性实施例中，出于这个原因，读取头尺寸、尤其是各种接收孔隙的位置和相应的相位掩模做得与实际设计限制所允许的一样紧凑。应该了解的是，与其它方向相比，在干涉照明区256中的干涉条纹沿平行于Y轴并通过照明区256中心的方向，在相对较大的半径处仍然接近理想状态。因此，在各种示例性实施例中，其中有些接收信道孔隙与其它接收信道孔隙相比，位于离照明区256中心相对较大半径处，将“较大位置半径”孔隙布置在或靠近一个沿平行于Y轴并通过照明区256中心方向的线上更有利。
应该了解的是，对于根据本发明原理的各个实施例，通常，随着操作间隙的增加，干涉照明区256的尺寸相应增加，在干涉照明区256中的检测光的强度相应降低。因此，在有些示例性实施例中，指定操作间隙一般基于在获得的所需信号水平、实际安装和紧凑性之间进行权衡来确定。操作间隙容许范围一般确定在一个保持信号水平在适于维持所需最小分别率和精度的范围内的水平。此外，一般间隙越大，读取头对动态失准直间距的误差越灵敏。因此，对于某些要求降低失准直间距灵敏度的各种示例性实施例来说，将使用相对较小的操作间隙。
当所述应用所需光纤的方向让读取头从垂直于标尺的方向转90度时，在某些其它示例性实施例中，相对较大的操作间隙容许转向棱镜插入读取头的名义上的操作间隙，并且还具有从读取头到标尺的操作间隙。这种应用和实施例在下文中将照图20A、20B和20C进一步论述。
下面的论述是有关参照图8描述的结果。应该了解的是，根据本发明的光纤读取头可以是超微型读取头。应该了解与不使用一个干涉测量装置和/或不是设计成具有高分别率和高精度位置测量信号的相对粗的光纤编码器读取头相比，对这种光纤编码器读取头来说尺寸和潜在信噪比都是关键。诸如所需或经济的光纤尺寸，以特定的操作间隙直接从光纤光源获得的实际干涉照明区尺寸，和实际组装定位限制的设计限制都是重要的设计考虑。
出于所有这些理由，根据各种设计限制，观察涉及到在保持小型化读取头尺寸、所需的标尺光栅间距和紧凑地安装排列的同时提供准确信号的某些设计关系是有利的。这样的设计关系不仅表示有关最佳性能的设计条件，还表示一个对于组装技术、元件成本或其它理由所作的设计折中的范围，同时还要保持微米水平或亚微米水平的分辨率和精度。在下文中将更详细地论述，在根据本发明的各种示例性光纤编码器读取头实施例中，对于光纤编码器读取头的一些设计因素可以用于提供所需的正弦信号，同时还保持紧凑安装排列和其它所需的特征。
图8表示在各种源光发散角下，各种最小操作间隙和包围根据本发明各种光纤读取头装置的光纤检测信道的接收孔隙的半径之间关系的曲线图600。图8中所示的关系一般对应于上述参照方程式3-9论述的简化模型，选择的示例性设计值为波长λ＝635nm和标尺光栅间距Pg＝4微米。为了便于参照，相应于这些设计值的利特罗(Littrow)角＝λ(2×Pg)大约为4.55度。如图8所示，水平轴表示上述的读取头设计参数RCR的不同值，即，包围读取头接收孔隙的半径。垂直轴表示操作间隙Z的不同值。各个关系线611、621和631表示根据方程式8的设计标准和上文中表示的示例性设计值允许用于不同RCR值的最小操作间隙Z，这保证不同的接收器孔隙落入第一级光干涉照明区256内。关系线611、621和631分别对应光源半发散角6.8度＝1.5×利特罗(Littrow)角，9.1度＝2×利特罗(Littrow)角，和11.4度＝2.5×利特罗(Littrow)角。各关系线613、623和633表示根据方程式9的设计标准和上文中表示的示例性设计值允许有不同RCR值的最小操作间隙Z，其保证+/-第三衍射级射向远离各种接收器孔隙的区域。关系线613、623和633分别对应光源半发散角6.8度＝1.5×利特罗(Littrow)角，9.1度＝2×利特罗(Littrow)角，和11.4度＝2.5×利特罗(Littrow)角。
应该了解的是，如果光源半发散角不超过利特罗(Littrow)角，那么+/-第一衍射级将会使干涉照明区256不足够大和/或不存在。因此，在根据本发明的各种实施例中，需要光源的半发散角超过利特罗(Littrow)角。在各种其它实施例中，为了获得相对更紧凑的操作间隙，需要光源半发散角超过1.5×Littrow角。如图8所示的关系线611、621和631，当光源半发散角从1.5×Littrow角增加到2×Littrow角，一般让操作间隙减小大约一半，当光源半发散角增加到2.5×Littrow角，操作间隙还会减小。因此，在其它示例性实施例中，为了获得更加紧凑的操作间隙，需要光源半发散角超过2×Littrow角，甚至在其它更小型化的示例性实施例中，为2.5×Littrow角。但是，应该了解的是，当单模光纤的末端用作光源时，与这种光纤一起经济地或实际地获得的NA或相应的半发散角可能是实际限制与利特罗(Littrow)的角度决定因素结合的因素，该因素为可用于根据本发明原理设计的特别经济的读取头的标尺波长和/或标尺光栅间距。当然，如上文中概述，使用GRIN透镜、成形光纤末端，安装在或结合于相位掩模元件中的透镜，以便提供所需的NA同样也在本发明的范围内。因此，在各种其它设计中相对小的额外费用，就能够克服这种光纤NA的限制。
还应该了解的是，如图8中所示的关系线611、621、631、613、623和633的倾斜，对于上述表示的示例性设计值，无关于光源半发散角，根据本发明原理的接收孔隙装置越紧凑，可允许的操作间隙越小。考虑关系线621和623的情况，两者对应光源半发散角近似9.1度，对于上述表示的示例性设计值用关系线621表示的控制最小允许间隙在RCR＝1.0mm处略超过6mm。在根据本发明的各种示例性实施例中，需要提供大约小于或等于6mm的操作间隙，因此，在根据本发明的各种示例性实施例中，接收孔隙全都位于直径为2×RCR＝2.0mm内。如图8的各关系线611-633所示，当接收孔隙界限半径RCR减小大约四分之一时，一般可允许操作间隙也减小大约四分之一，当接收孔隙界限半径RCR进一步减小，可允许操作间隙也进一步减小。因此，在其它示例性实施例中，甚至为了获得更紧凑的读取头和操作间隙，接收孔隙全都位于直径为2×RCR＝1.5mm内，甚至在其它更紧凑的示例性实施例中，接收孔隙全都在1.0mm，0.75mm中，或更小的直径内。
如上文中所提及，应该了解的是，根据本发明原理的各种实施例，通常随着操作间隙的增加，干涉照明区256的尺寸增加，并且干涉照明区256的检测光强度相应降低，其通常减少可获得信号的强度。因此，在根据本发明的各种示例性实施例中，需要相对紧凑的操作间隙。因此，在根据本发明的各种示例性实施例中，操作间隙被布置成小于10倍接收孔隙界限半径RCR和/或小于5倍界定读取头所有接收孔隙的直径。例如，相应于图8中的线630和关系线621相交的点622的读取头结构，其对应近似RCR＝.375mm，配置的操作间隙大约小于3.75mm。但是，应该了解的是，在各种其它的示例性实施例中，可以使用相对不同读取头尺寸较大的操作间隙，仍然会提供若干根据本发明的干涉光纤读取头的优点。
应该了解的是，出于阐明某些设计关系和解释本发明的各种示例性实施例的目的，图8所示的曲线图600是基于一组示例性的设计值，简单地提供一示例性曲线图。因此，应该了解的是，在曲线图600中所示的设计值的特定示例性组和得到的关系线仅仅是示例性的，并不局限于此。
图9显示根据本发明的第三普通性实施例的光纤读取头装置500，该光纤读取头装置500与上述参照图3的普通光纤读取头装置300配置类似，且以与其类似的方式进行操作。由于在配置和操作上的这些相似点，下文只说明光纤读取头装置500需要另外解释的某些特征。
如图9所示，光纤读取头装置500包括三个光纤接收器信道590A-590C，它们的操作与前述光纤接收器信道190A、190B和190C类似。例如，光纤接收器信道590A包括一个接收器信道孔隙510A、相位掩模520A和接收器光纤530A。另外还包括透明材料的相位掩模元件561、与前述普通对准盘305基本上类似的对准盘305′，和通过源光纤570的末端提供的光源580。例如，如下文参照图12所述的，源光纤570携载在靠近远程激光源的光纤远端所输入的激光。该激光作为源光从源光纤570的读取头端发射，以提供适于根据本发明的干涉测量型装置的光源580。在各种示例性实施例中，源光纤570的读取头末端是平的并垂直于光纤轴，并且靠着相位掩模元件561被对接。下面将详细说明示例性的源光纤570。
相位掩模元件561可以根据任何现在公知的或最新研究的薄膜技术、材料和工艺构成，例如目前用于制造很多市场上可买到的编码器读取头等的技术、材料和工艺。对于图9中所示的示例性实施例，相位掩模元件561是如图所示的携带有相位掩模520A-520C的三角形元件。该相位掩模元件561是透明的且在光源580附近没有不透光掩模元件。这样，源光通过该相位掩模元件561发送。根据前述的本发明原理，相位掩模520A-520C在相位掩模元件561的表面上共面布置，且该表面限定名义上与干涉照明区256(未示出)对准的接收器平面160。发明人发现，在根据本发明的一些读取头实施例中，当这种相位掩模元件处在位于最接近接收器光纤的末端的表面上时，例如在该示例性实施例中的接收器光纤530A-530C的末端，可得到更好的性能。
在一个示例性实施例中，用4微米的间距制造每个示例性相位掩模520A-520C，以匹配具有4微米标尺光栅间距的示例性标尺光栅80(未示出)所提供的干涉条纹间距Pif，并且用光源580的635毫微米激光以名义操作间隙大约为2.5+/-0.5mm照亮标尺光栅80。在这种情况下，来自光纤光源280的典型半发散角约为9度，以包容大约90+％级的光束光能，接收器孔隙界限半径RCR设计值大约是0.375mm，用标号540表示。
配置相位掩模520A-520C以便提供三相测量系统。因此取相位掩模520A中的光栅条521A的边缘作为参考，相位掩模520B中光栅条的对应边缘将在沿着X轴的第一方向上被空间地相移+120度的空间相移，或者1/3×4微米，模数为4微米。相位掩模520C中光栅条的对应边缘将在沿着X轴的相反方向上被空间地相移相同的量，1/3×4微米，模数为4微米。在一个示例性实施例中，相位掩模520的空间占宽比为50/50。在各种其它示例性实施例中，相位掩模520的占宽比(甚至名义间距)可以根据任何公知或最新研究的方法进行调整，以抑制在接收到的干涉条纹中的剩余的空间谐波，和/或用以校正干涉条纹象差等。
相位掩模520的光栅条521应该完全覆盖各个接收器信道孔隙510。在图9所示的示例性实施例中，这包括使大部分光栅条521具有等于下面的接收器光纤530的外径的长度，加上足以包含任何组件公差变化的额外长度。同样，应该为掩模光栅(mask grating)提供足够的周期，以覆盖与光栅条长度正交的方向上的接收器面积，再加上任何由于考虑公差所需要的额外量。但是，应该了解的是接收器光纤530有效接收器孔隙510一般小于其外径，因此这是保守的准则而不是限制性的设计标准。下面将详细说明示例性的接收器光纤530。
应该了解的是，为了降低误差及在根据本发明的各种示例性光纤读取头中从接收器到接收器的更稳定的性能，各种光纤接收器信道间的信号振幅名义上是平衡的，并且由相位掩模边界的边缘效应导致的相位误差被最小化。还应该了解当相位掩模的间距相对于光纤接收器孔隙的尺寸为较粗糙时，相位掩模的条之间每个信道的有效开放孔隙(open aperture)面积可能明显依赖于相位掩模相对于孔隙中心或轮廓的偏离。由于该相位掩模偏离对于不同的光纤接收器信道可能是不同的，因此这可以使各种相位信号的振幅失衡并可能引起相应的相位测量误差。这样，在根据本发明的各种示例性实施例中，各自的光纤接收器孔隙直径为其相应相位掩模光栅间距的至少3倍。在各种其它实施例中该直径是相应相位掩模光栅间距的至少5倍，在各种另外的实施例中该直径是其相应相位掩模光栅间距的至少8倍，以致于偏移相关的在光纤接收器孔隙中通过相位掩模光栅条形成的边缘量化效应可被有效控制。应该了解的是，以前仅为相对粗略的精度和分辨率所设计的光纤编码器没有充分地考虑到该因素。
在光纤读取头装置500的一个示例性实施例中，源光纤570具有50微米的外径，且与信道装置中心157同心，如上文参照图1和图3所述。每个接收器光纤530的外径是250微米，它们都位于距信道装置中心157相同的半径处，以提供具有相同的接收器孔隙界限半径540，一般表示为RCR，为375微米。所有的光纤靠着相位掩模元件561连同对准盘305′一起被对接，所得到的组件通过合适的光学等级的粘合剂等粘合在一起。应该注意所有孔隙都不含使光显著衰减的材料。在各种实施例中，所有元件放置的位置公差在10-50微米的数量级上。发明人已经确定对于前述示例性的设计值，当对于装配、对准和由该装置提供的光学信号的信号处理给予合理和实用水准的留心时，光纤读取头装置500可以提供大大低于十分之一微米的分辨率，以及亚微米级的精确度。
这样，该光纤读取装置500提供了一种可在根据本发明的各种光纤读取头中使用的三相光学读取头。应该了解的是光纤读取头装置500的所有关键元件包含在约750微米的总的直径之内。因此，当除去对准盘305′和相位掩模元件560这些非实质的外围部分时，该光纤读取头装置500提供高分辨率、高精度的光纤读数装置，其在一个亚毫米总读取头直径内提供基于干涉测量的测量信号。
图10示出在根据本发明的各种其它实施例中可以用作接收器光纤530的一个示例性接收器信道光纤。如图10所示，接收器光纤530具有直径为DRA532的中心纤芯区域531，该纤芯区域531与环绕的直径为DRA534的包层533一起，充当照射到其上的光的一个或多个波导。因此纤芯区域531提供接收器信道孔隙510。另外的“缓冲”层535(其可能实际由多个更薄的层构成，其与本论述无关)提供外部接收器的直径，为DRF536。缓冲层535在各种示例性实施例中是可任选。在各种其它实施例中，根据本发明的某些原理，为保护的目的缓冲层围绕着包层533，和/或以更加方便和经济的几何包装、分隔和装配为目的，来定制尺寸以提供最佳外部接收器直径DRF。
在一个示例性实施例中，接收器光纤530是市场上可买到的多模光纤，具有纤芯层/包层/缓冲层直径DRA/DRC/DRF为200/220/250微米的石英光纤。甚至更薄的包层也可以在市场上买到，它取决于纤芯层直径532，可低至仅5微米或更小厚度。应该理解的是具有大接收器孔隙直径、提供纤芯层直径532与外径536的最大比率的接收器光纤，在各种示例性实施例中，如下文进一步的详细说明，可以提供最强的信号和最高的精度。薄的包层533有助于实现接收器530的光学隔离。在根据本发明的其它各种实施例中，使用塑料接收器光纤。
在其它示例性实施例中，使用了市场上可买到的多芯光纤。这种光纤在光纤读取头的光缆内的接收器光纤中提供更小的弯曲半径方面具有优势。这些光纤具有在通光孔隙(clear aperture)区域510内配置包层材料的多个纤芯。还可以用多芯光纤，其中每个单独的纤芯足够大，以被用作根据本发明的光纤接收器信道，并且固有的多芯光纤间隔形成了在根据本发明的各种光纤编码器读取头中的接收器几何形状。在其它示例性实施例中，并不使用这种光纤，因为与前面论述的单个接收器光纤相比，这种光纤尺寸更大、成本更高，和/或光缆弯曲半径受到限制。应该了解的是经济型的单模光纤一般具有较小的纤芯直径，在根据本发明的各种示例性实施例中，其可以实现小的尺寸但是也限制了能达到的信号强度。这样，在根据本发明的各种其它示例性实施例中，若干多模光纤的末端被一起用来形成每个接收器孔隙，例如前述的接收器孔隙110和/或510等。
图11示出可用作光源光纤570以提供图9中所示的光源580及根据本发明的其它实施例中的示例性光源光纤。如图11所示，源光纤570具有位于中心的纤芯571，直径为DSA572，其被直径为DSC574的包层573所包围，包层573又被缓冲层575包围，缓冲层575具有光纤外径DSF576。在各种示例性实施例中所有或者部分缓冲层被省略或被去掉，为了以所需的光纤间隔构造读取头的目的而提供灵活的光纤尺寸，并且可达到所需总的读取头直径。在各种示例性实施例中根据本发明的某些原理，这种灵活的光纤尺寸用于提供经济性几何包装、间隔和装配。在各种其它示例性实施例中，缓冲层575可以存在，并灵活地增大尺寸，以达到类似的经济的几何包装、间隔和装配便利的目的。在各种示例性实施例中，包层和/或缓冲层被规定在所需的尺寸并以足够的精度制造，以实现指定期望的经济的几何包装、间隔和装配便利。
应该了解的是发明人已经确定，为在使用激光二极管光源的各种示例性实施例中提供最稳定的信号和最高的精度，源光纤应该作为一个真正的单模光纤在光源的工作波长下进行工作，以便保持根据本发明的光纤读取头的照明区中恒定的光分布和光量。来自这种源光纤的照明区不受根据本发明的光纤编码器的光缆的弯曲的影响。这是位置编码器的多数实际应用中非常重要的因素。应该了解的是以前仅为相对粗略的精度和分辨率设计的光纤编码器并未充分考虑到该因素。
在各种示例性实施例中，对于635纳米的工作波长，合适的单模光纤的纤芯直径在DSA＝4微米的数量级上。在这个实施例中，源光纤为可有效充当点光源的单模光纤。在各种示例性实施例中，该单模光纤在发射端还具有例如小于50微米的外径，以有利于小的读取头直径。在各种示例性实施例中，单模光纤在发射端具有例如大于50微米的外径，以利于所需要的读取头组件间隔。在一个特殊示例性实施例中，用作635nm工作波长的点光源的单模光纤是由3M公司制造的编号为FS-SN-3224的产品。这种单模光纤具有DSF＝250微米的外径，因此提供可以很方便地将其用于经济型紧密包装组件装置的光纤，诸如这些将在下文进一步描述，以匹配被用在这些实施例中接收器光纤的市场上可买到的200/220/250多模光纤的直径。在各种其它实施例中，使用3M公司制造的编号为FS-SC-3314的产品。市场上可买到这种型号的光纤具有DSC＝80微米和DSF＝200微米，这附加提供了两个可能用于根据本发明的源光纤的光纤外径。应该了解的是单模光纤和多模光纤都可以定制很宽泛的各种外径，以适合根据本发明的各种示例性实施例。
应该了解的是，在根据本发明的各种光纤读取头中单模源光纤的另外一个优点是它们相对小的数值孔径。固有具备的照明半发散角的相应范围，无需特殊的光源光纤末端处理或透镜，对根据本发明的各种示例性干涉测量型光纤读取头是方便的和适当的。如前所述，在各种示例性实施例中过大的发散角会导致不希望出现的发散损失，即，在根据本发明的接收器照明平面上光的浪费和强度的降低。而且，通过图8中的关系线633和关系线623比较表明，例如，随着在根据本发明的有些示例性实施例中半发散角的相对增加，为避免检测+/-第三级衍射光，要求减小理想操作间隙。在有些应用中，需要有非常紧凑的编码器读取头安装装置，因此，不希望有相对增加的操作间隙存在。因此，在各种示例性实施例中，根据本发明的光源具有小于12度的半发散角。在各种其它的示例性实施例中，根据本发明的光源具有小于10度的半发散角。还是在其它的示例性实施例中，根据本发明的光源具有小于8度的半发散角。
图12示出包括可用于连接根据本发明的光纤读取头(一般用光纤读取头800表示)的通用远程电子接口单元805的框图。该远程电子接口单元805包括信号处理和控制单元893、可以包括一个光学透镜的光源877、和由特定实施的多个光电传感器/放大器892A至892n。光源/透镜877可以包括其它例如光隔离器等的光学元件。光源/透镜877和光电传感器/放大器892A至892n分别通过光源光纤870和接收器光纤830A-830n耦合至光纤读取头800。光纤870和830A-830n被导入读取头光缆895内，读取头光缆895在光纤读取头800和远程电子接口单元805之间集中并保护光纤。在根据本发明的各种示例性实施例中，该读取头光缆可为几米长或更长。接收器光纤830A-830n分别传载光学信号891A-891n。光学信号891A-891n为如上述的和下文所述提供的相位信号。
光源/透镜877从信号处理和控制单元893接收能量并可以接收增益控制信号。如上所述，光源/透镜877通过源光纤870将光传送至光纤读取头800的标尺光栅。光纤检测器信道，例如上述的光纤接收器信道190A-190C等，从光纤读取头800的标尺光栅上接收光，并提供信号891A-891n，这些信号分别输入至光电传感器/放大器892A-892n。光电传感器/放大器892A-892n将放大的电子输出信号891A’-891n’提供给信号处理和控制单元893。应该理解在下文进一步描述的各种示例性实施例中，根据本发明的光纤读取头可以提供携载被求和的多个光学信号的多个光纤接收器信道。对于这个实施例，携带求和的多个光学信号的光纤可以接口至同一光电传感器/放大器892，以提供所需的信号总和或接口至不同的光电传感器/放大器892，将它们的信号在另外的信号处理过程中电子求和。
图13示出根据本发明光纤读取头装置1000的第四实施例。光纤读取头装置1000的操作与上文参照图3说明的普通光纤读取头装置300基本上类似，并且包括上文参照图9所描述的类似的元件。由于结构和操作上的这些相似点，下文只描述光纤读取头装置1000需要另外解释的某些方面。
如图13所示，光纤读取头装置1000包括第一组三个光纤接收器信道1090A-1090C，它们的操作与前述光纤接收器信道190类似。应该了解的是该光纤读取头装置1000提供了根据本发明的“平衡对(balanced pair)”光纤读取头的第一示例。为了提供根据本发明的平衡对光纤读取头，光纤读取头装置1000包括第二组三个各自平衡的光纤接收器信道1090A′-1090C′，它们分别排列在照明区中心257与对应光纤接收器信道1090A-1090C相反侧的“平衡对”中，如图所示。光纤接收器孔隙1010上显示的配对编号1-1、2-2和3-3示出这些平衡对。
图13中还显示了一个读取头壳600，包括圆柱形套管601，如图中局部以虚线轮廓剖开部分所示。该套管的内径以微小的静配合与紧密包装的光纤1030和1070配合在一起。在一个示例性的装配方法中，光纤从后端插入并对准进入套管601，直到其稍微伸出安装表面602之外。然后，光纤与所述套管彼此结合。再将光纤研磨并相对安装表面602抛光整平。接着，在显微镜下将相位掩模元件1061对准光纤末端并紧密结合到安装平面602。在一个示例性实施例中，在相位掩模元件1061的“内侧”、最接近光纤末端制作相位掩模1020。下文将参照图14详细描述六角形的相位掩模元件1061。
在源光纤1070的末端具有光源1080。在一个示例性实施例中，源光纤1070是一个单模光纤，用作发射源波长为635nm光的点光源。该光纤是3M公司制造的产品编号为FS-SN-3224的光纤，其具有DSF＝250微米的外径。接收器光纤1030与市场上可买到的多模光纤完全相同，为具有纤芯/包层/缓冲层直径DRA/DRC/DRF等于200/220/250微米的石英光纤。这样，光纤读取头装置1000中的所有的源光纤和接收器光纤具有相同的250微米的外径，因此可以排列成根据本发明的具有优势的紧密的安装配置，既可以实现高精度，又可以实现经济的精确对准和装配。在该示例性实施例中，有利的紧密安装的配置是六角形的紧密安装配置。
应该了解的是，与图9所示的光纤读取头装置500中使用的3光纤接收器装置相比，该实施例的平衡6-光纤接收器装置可以实现两倍的接收光，以及两倍的潜在信号强度。发明人利用这种类型的可比较读取头装置使用具有4微米光栅间距的标尺光栅、已经试验性地证实了1纳米的分辨率的稳定位置读数。此外，接收器孔隙1010的这种平衡对装置杜绝了由于读取头未准直而产生的某些误差，进一步提高了测量的精度。下文将参照图16详细论述减少与偏转相关的误差。
应该了解的是例如光纤读取头装置1000的组件提供直径为1毫米和更小的高分辨率全光学编码器读取头。还应了解的是该装置提供了低成本精确的“自装配(self-assembly)”。还应了解的是出于这种装配目的，源光纤1070被有意地单独“超大尺寸设置(oversized)”。
图14示出可用于光纤读取头装置1000和根据本发明的各种其它读取头装置中的示例性相位掩模元件1061。该相位掩模元件1061包括相位掩模1020A-1020C和1020A′-1020C′。每个相位掩模1020包括对读取头源光不透明的光栅条1021。光栅条1021在名义厚度t和名义宽度w的对读取头源光透明的衬底1065的表面1062上排列。铬、铜和其氧化物是常见的可用于构图光栅条1021的材料。玻璃和石英是可用于衬底1065的常见衬底材料。该衬底1065在有效掩模区域外面可以具有边缘界限1066，以避免在处理过程中损坏光栅条。该边缘界限1066围绕掩模区域的宽度是变化的，以便该衬底可以具有六角形(如图中所示)、圆形、矩形，或正方形，以便有效地划片和/或切割。每个相位掩模1020A-1020C和1020A′-1020C′的有效掩模区域是包含光栅条1021的区域。该有效掩模区域应该足够大，以便覆盖相应的由于装配定位中具有的变化的额外公差的接收器孔隙1010的通光孔隙区域。如上所述，图中示出掩模元件1064的中心是对准环1063，其具有用于来自光纤1070的源光的通光孔隙。通光孔隙的大小例如是前文参照图11描述的DSA＝4微米数量级的单模纤芯直径的几倍。在一个示例性实施例中，相位掩模元件1061由钠钙玻璃(soda lime glass)制成，厚度为0.25毫米、宽度为2.0毫米，其以坚实的边缘从参照图13所描述的光纤装置上外伸，连接在具有约2.0毫米外径的套管601。
掩模光栅条1021按周期沿X轴方向周期性排列，其中该周期与前述干涉条纹的周期匹配。如所示的该示例性相位掩模元件1061，具有6个相位掩模1020用于与平衡结构中的6个光纤接收器信道一起使用，其中径向相反的光纤接收器信道孔隙接收用读取头相对标尺光栅的X方向移动的光信号调制的相同相位。相位掩模1020具有0度(1020A和1020A′)、120度(1020B和1020B′)，和240度(1020C和1020C′)的相位。对应的光纤接收器信道中的产生信号的信号处理将在下文中进一步论述。对于可用于干涉测量编码器所用光栅条1021构造的相位掩模元件，各个相位掩模1020之间的边界在显微镜下很容易看得见。这些可用于相对接收器光纤对准相位掩模元件1061。发明人已经发现通过使用显微镜和XYZ测微计镜台来相对接收器光纤定位相位掩模元件1061，很容易实现小于20微米的公差范围内的对准。
图15示出根据本发明的光纤读取头和光缆1200的第一示例性实施例。该光纤读取头和光缆1200的操作实质上类似于上文参照图3描述的普通光纤读取头装置300的操作，并包括参照图13描述的光纤读取头装置1000。由于结构和操作上的这些相似点，下文只描述光纤读取头壳600′和光缆695的某些方面。
如图15所示，该光纤读取头和光缆1200结合成“平衡对”光纤读取头装置1000。读取头壳600′包括套管601，其具有根据前述的紧密包装装配方法的适当尺寸的内径603。在该实施例中的安装表面602可以被小的延伸环所围绕，以使得相位掩模元件1061相对于端表面602′是凹陷的，这样可以保护相位掩模元件1061的表面不受损坏。该端表面602′也可以包括倒角604，以便读取头壳600′更容易插入安装孔中。读取头壳600′还包括一个安装止挡606用于在例如安装孔内正确的深度止挡读取头壳600′，以帮助形成所需的接收器间隙。安装止挡606和套管601可以是单独的零件或者是组件。套管601包括一个对准槽605，其可以在各种应用中辅助安装对准。对准槽605相对相位掩模1020的光栅条的方向相对精确地对准。光纤1030和1070从套管601和/或安装止挡606的后面伸进读取头光缆695，如图中的剖面图所示，其为在各种示例性实施例中是一般市场上的光纤束护套。如箭头696所示，光缆695的护套被插入并连接至读取头壳600′的后端扩大了的直径处，并通过粘合剂等固定就位，以为各种光纤提供保护和减轻变形。如前所述，光缆695在各种应用中可以延伸数十米或更多而不会有明显的信号损失。
这样，光纤读取头和光缆1200提供了可用于工业环境的微型光纤读取头。应该了解的是可以容易地使读取头壳套管601和/或安装止挡606的外径小至1-2mm。这样，在一个示例性实施例中，读取头壳600′，或者光缆695的远端，或者两者一起被装配进工业标准PM-FC连接器，以用于进一步的安装、装配、对准和连接。
图16是说明关于本发明的各种示例性实施例的偏转失准直的考虑因素的图形。如图16所示，六个光纤接收器信道，示意性地用六个对应相位掩模1320A-C和1320A′-C′表示，排列为环绕名义上的照明区中心1357的图形，类似于前面论述的各种示例性实施例。在该示例中，照明区中心1357同样被假设是旋转偏转失准直的旋转中心1357，在下面将详细描述。每个光纤接收器信道被定位在距离线1301的接收器孔位置半径RAL及相应位置角度Ψi处。其中线1301与测量方向1382正交延伸并穿过旋转中心1357。对于该几何外形，旋转偏转失准直θ将使每个相位掩模1320i产生沿运动方向1382的相应偏移Δxi。对于具有一个相应角度Ψi和接收器孔隙位置半径RAL的光纤接收器信道，该偏移Δxi为Δxi＝RALθcosΨi(方程10)对于给定的偏转失准直θ，相对旋转中心1357沿对应于测量方向1382的方向定位的相位掩模1320，例如相位掩模1320A和1320A′，将具有很小或者没有偏移(ΔxA＝ΔxD≈0)，而相对旋转中心1357沿平形于线1301的方向定位的相位掩模1320i，例如相位掩模1320B、1320C、1320B′和1320C′，将具有相对大的偏移Δxi。在相位掩模位置中的每个偏移Δxi将导致该相位掩模1320i的空间相位位置误差，以及对应光纤接收器信道的信号中的对应相位误差。对于在照明区中心/旋转中心1357的相反侧上的“平衡对”相位掩模1320i和1320i′，如相位掩模1320C和1320C′上的箭头1320和1320′的方向所示，其偏移Δxi和对应的信号相位误差两者振幅相同但方向相反。这样当平衡对光纤接收器信道或者是在光学上或者是在电学上被求和时，如上文参照图12所述的，由旋转偏转失准直θ引起的信号相位误差将抵消。类似地，当平衡对光纤接收器信道求和时，由旋转滚动和间距失准直引起的某些其它信号误差也将抵消。另外光学上求和的平衡对光纤接收器信道提供了增加信号电平而不增加电子噪声的进一步的优点。
在图16的示意图中所说明的平衡对光纤读取头装置的一个示例性实施例中，对应于相位掩模1320A和1320A′的光纤接收器信道信号可能都具有一个零度的名义相位并且可以被光学求和以获得光电检测器信号UR。类似地，对应于相位掩模1320B和1320B′的光纤接收器信道信号可能都具有120度的名义相位，并且可以被光学求和以产生光电检测器信号US，而对应于相位掩模1320C和1320C′的光纤接收器信道信号可能都具有一个240度的名义相位，并且可以被光学求和以产生光电检测器信号UT。于是通过使用下列方程可以处理这些信号以生成正交信号Q1和Q2Q1=UT-Us-(1-2cosα)(UR-US)cosα-1]]>(方程11)Q2=UT-Us+(1+2cosα)(UR-Us)sinα]]>(方程12)其中α＝120度。应该了解的是在各种实施例中，α的值在信号处理期间可以被稍微调整，作为一个校准或者补偿因子以对由制造不精确等引起的各种相位误差进行补偿。也可以使用类似的可替换的方程。这些可替换的方程允许为三个信道做出不同相位选择，只要保持两个信道之间相位差(即，信道对A/A′与信道对C/C′相比较为240度)是不同组信道的相位差(即，信道对A/A′与信道对B/B′相比较为120度)的两倍的关系。因此，尽管对于可替换的一组相位是0度、100度和200度的相位掩模1320A-C和1320A′-C′来说，从正交信号中去除三次谐波的优势被削弱了，如下文所述，但该可替换相位组仍然可用。
于是所测量的读取头位置X可以使用以2π为模数的两自变量反正切函数从前述正交信号中确定X＝(Pg/2π)×atan(Q1，Q2)(方程13)其中Pg是标尺光栅的光栅间距，例如，和根据本发明的光纤读取头一起使用的前述标尺光栅80等。方程13中所示的两个自变量的“atan”函数在很多可公开获得的数学程序中被描述并且是可获得的。该函数的结果是Q1/Q2的反正切值，以弧度为单位。然而，使用两个自变量允许确定所得角度的象限，以使其结果在-π至+π之间，而不是-π/2至+π/2之间。更一般地说，应该了解可以使用许多不同的方程将相位信号转变为位置测量值，如下文进一步论述的。
在各种其它光纤读取头实施例中提供一组具有四个不同相位的光纤接收器信道信号，其中每个信号与另一个信号的相位差为恒定相位量α，可以应用Carre技术。例如，参见Gary Cloud的“Optical Methods of EngineeringAnalysis”，Cambridge University Press，1998，第488-489页，该文献及所有相关技术在此结合为本申请的参考文献。Carre技术通常用于多波长干涉测量学中，但是也可以应用于根据本发明的各种示例性实施例中所提供的相位信号。
应该了解的是，很难在实际中达到完美的正弦相位信号，且距离绝对正弦输出的偏差包含了基本波长或者根据本发明的光纤读取头一起使用的标尺光栅的光栅间距的空间谐波。特别地，在各种干涉测量编码器系统中的主要的误差成分通常为三次空间谐波的形式。因此，在根据本发明的各种示例性实施例中，使用了具有三相结构的编码器读取头。应该了解的是在这样的实施例中，为了确定位置测量值，通过执行对应于方程11和12的信号处理，各种单个光纤接收器信道信号中的三次空间谐波误差成分可以作为位置测量误差的来源而大部分被消除。同时，50％的占宽比可被用于各种相位掩模。
在各种其它示例性实施例中，可以使用具有两相位或四相位结构的光纤编码器读取头。但是，在这样的实施例中，在各种应用中可能需要为各种相位掩模使用33％的占宽比，以便在各种单个光纤接收器信道信号中将三次空间谐波误差含量减少至可接收的水平。但是，在这样的应用中，具有信号电平的下降稍微超过当对各种相位掩模使用50％的占宽比时的信号电平的缺点。
一般地，很多可替换的相位组合可以被用在根据本发明的各种可替换的相位掩模实施例中。下文的表2列出了可与图16概略示出的示例性光纤读取头相位掩模装置一起使用的各种相位组合的几个示例。平衡对结构可以用于表2所列出的各种示例性实施例中，也可以不用于各种其它示例性实施例中。在各种其它示例性实施例中，一些相位掩模的定位不被积极的采用，但是在相应的光纤读取头实施例中，可以在所述相位掩模的定位中包含若干光纤以便使其为了装配的目的充当起无源间隔物的作用。一般地，表2中列出的结构可表明更多可替换的结构。例如，为不使用平衡对的设置提供用于确定相应的位置测量值的适当的信号处理，那么其可以具有空间相位值，该值为排列成任何可能的相位掩模定位组合的多种相位设置。类似地，为平衡对配置提供保持对称地分布在所配置旋转中心的相反侧的平衡对，那么其可以具有排列成任何可能的相位掩模位置组合的平衡对。用“x”标记的相位掩模位置可以包括如上所述的虚设光纤(dummy fiber)，或者可以重复其它相位掩模位置之一的空间相位，或者甚至可以包括不同的空间相位值，适当的信号处理用来确定相应的位置测量值。

表2表2中所示的五相位和六相位配置的位置确定计算，以及可用在根据本发明各种示例性实施例中的更多相位的位置确定计算，对于本领域的技术人员来说是熟知的并可以容易地推导至任意数量的相位。在根据本发明的光纤读取头的各种示例性实施例中，使用了五相位配置，该配置在涉及高至九次的较高空间谐波的信号误差成分可以被补偿和/或被去除这方面具有优势。在根据本发明的光纤读取头的各种其它示例性实施例中，使用了三相或六相配置，其在涉及较高空间谐波的信号误差成分可以被补偿和/或被去除这方面具有类似的优势。然而，这样的三相或六相光纤读取头装置一般不能补偿和/或去除涉及五次和七次空间谐波的误差成分。
图17显示了根据本发明的第五实施例的光纤读取头装置1400。六边形相位掩模元件1461安装在读取头壳套管601的安装表面602上，其中套管601具有内径603，为6个光纤接收器1430提供一良好的准直，该6个光纤接收器1430围绕一个源光纤1470紧密安装配置，如前文参照图13所示的光纤读取头装置1000的描述。应该了解的是，在该实施例中两个“接收器”光纤1430x为虚设光纤，只用作装配的目的--用于通过提供紧密包装几何外形定位其余的有效光纤。排列其余四个相位掩模1420A、1420A′、1420B和1420B′以及各自的接收器孔隙和光纤，以提供传统的分别具有相对空间相位270、90、0和180度的正交相位信号，如图所示。这些信号被分析以使用与表2中给出的用于这四个空间相位的方程类似的方程、或者通过其它任何公知的正交信号处理方法来进行位置确定。光纤读取头装置1400不具有在减少旋转失准直误差方面平衡对光纤接收器信道装置的益处，因为该光纤读取头装置1400的相反侧上的光纤接收器信道将它们的信号相减而不是相加。该实施例的另外一个方面是增加了不同相位掩模1420之间和围绕它们的不透明的边缘。这些不透明的边缘有助于防止散射光泄漏进入包层材料而无意中到达图11所示的光电检测器。此外，这些边缘也许有助于防止相邻相位掩模的边缘附近的空间过滤光泄漏进入相邻的光纤信号信道并引起相关的信号误差。
图18示出根据本发明第六实施例的光纤读取头装置1500，其构造与参照图17描述的光纤读取头装置1400类似。光纤读取头装置1500包括正方形相位掩模元件1561，其安装在读取头壳套管601的安装平面602上。相位掩模元件1561包括相位掩模1520A、1520A′、1520B和1520B′，各个接收器光纤1530A、1530A′、1530B和1530B′以及源光纤1570，其全部排列在读取头壳套管601内，以提供传统的分别具有相对空间相位270、90、0和180度的正交相位信号，如图所示。光纤读取头装置1500是类似于图17所示的四相位实施例。在这种情况下，通过使用和接收器光纤1530A、1530A′、1530B和1530B′光纤不同直径的源光纤1570，实现了使用更少元件的更有效的配置。从而实现了正方形的“紧密包装”配置用于装配接收器光纤，并且相对于图17中显示的配置，减小了接收器孔隙界限半径RAL。在使用该配置的各种示例性紧密包装实施例中，源光纤直径DSF相对于接收器光纤直径DRF表示为DSF＝0.4142DRF。
通常，各种广泛的可替换的紧密包装光纤读取头装置可以被确定用于被n个具有光纤外径DRF的接收器光纤围绕的源光纤。对于这种紧密包装光纤读取配置，源光纤外径DSF根据下式确定 (方程14)具有n个接收器光纤围绕一个源光纤组装的这种紧密包装光纤读取头装置可以提供任何实际数量的光纤接收器信道，以便每个信道的接收器孔隙定位在距离装置中心的同样的接收器孔隙位置半径处。这种配置趋向于向各种光纤接收器信道提供固有的平衡信号，这在根据本发明的各种示例性实施例中是所期望的特征。在各种示例性实施例中，n可以增大，以便一些光纤接收器信道可以额外地提供相同的相位信号。在各种示例性实施例中，这种额外的信号可以被光学相加，以增加信号强度或降低各种失准直或装配公差的影响，或者可以提供其它有利性能。然而，应该了解的是当n增加时，特别是当n变得大于大约6时，中心源光纤的适当外径增加，并且接收器孔隙界限半径RAL也增加，潜在地降低了读取头的紧密度和它的最小操作间隙。因此，在这样的情况下，前文参照图8所论述的各种设计关系也应该被考虑。
在另一个实施例(未示出)中，通过使用具有正方形孔的读取头壳套管来接纳各种光纤，可以在装置中使用光纤的正方形包装，其中在这一装置中，一个源光纤被八个接收器光纤围绕且所有的光纤具有相同的外径。例如，电火花机械加工可以用来加工穿过读取头壳套管的边长为s的正方形孔。直径为s/3的九个光纤可以插入穿过3×3的孔，中心光纤是被8个接收器光纤围绕的源光纤。空间相位的可能的一种配置是四相平衡对光纤接收器配置，位于中心的源光纤的相反侧上具有相似的空间相位。例如0度和180度空间相位接收器信道可以分别沿着正方形的两个对角定位，而90度和270度的空间相位接收器信道可以分别沿着与其余四个光纤接收器位置相关的两个正交方向定位。这样的四相平衡对光纤接收器配置提供了前述所涉及的各种旋转失准直的误差的补偿和/或去除，以及对于通过相减而组合的相位信号的DC偏移抵消(见表2)。当确定0度和180度相位信号之间的差以提供DC偏移校正时，这些光纤接收器信道位于离光源相等距离处是有好处的，如上文的描述所提供的那样。类似地，因为确定90度和270度相位信号之间的差异以提供DC偏移校正时，这些光纤接收器信道位于离光源相等距离处是有好处的，如上文的描述所提供的那样。
应该了解的是，作为代替增加围绕单光源的接收器光纤的数量的方法，在各种示例性实施例中每个前述光纤读取头装置可以提供在根据本发明读取头中复制或组合的一个物理布局。作为一个说明性的例子，图18所示的基本装置可以通过在沿Y方向的相邻位置复制所显示的整个光纤配置而被“扩展”，即垂直于测量轴82的方向，以在标尺光栅80的宽度方向提供围绕两个各自光源排列的两组四个接收器光纤。这样该装置可以用紧密包装的方式配置在矩形的套管套中，或者在两个“重叠”圆形孔中或类似物中。此外，单个的扩展相位掩模元件可以用于围绕各自光源排列的两组四个接收器光纤。在这种扩展相位掩模元件中，单个接收器信道相位掩模的相位可以类似于光纤配置被复制，或者可以替换地，单个接收器信道相位掩模的相位可以在扩展相位掩模元件中被“重新排列”或者选择，从而提供可替换的平衡对接收器信道配置、可替换的相位信号等。应该了解的是，这种扩展和/或复制光纤配置提供高信号强度，并且在根据本发明的各种示例性实施例中提供了额外的设计选择和优势。
图19示出根据本发明的第七实施例的光纤读取头装置1600，其操作与上文参照图9描述的三相光纤读取头装置500类似。由于结构和操作上的这些相似点，下文只描述光纤读取头装置1600需要另外解释的那些方面。
如图19所示，光纤读取头装置1600包括三个光纤接收器信道1690A-1690C，它们的操作与前述光纤接收器信道190类似。例如光纤接收器信道1690A包括接收器信道孔隙1610A、相位掩模1620A和接收器光纤1630A(未示出)。其它光纤接收器信道1690B和1690C包括类似附图标记的类似元件。另外还包括透明材料的相位掩模元件1661、上部V形槽对准元件704和下部V形槽对准元件705，以及通过源光纤1670的末端提供的光源1680。
相位掩模元件1661的构造与前文所论述的相位掩模元件561相似，除了三相配置相位掩模1620A、1620B和1620C分别位于接收器信道孔隙1610A、1610B和1610C的位置上以外，其中接收器信道孔隙1610A、1610B和1610C分别被上部V形槽对准元件704的V形槽709，以及下部V形槽对准元件705的V形槽707和708所限定。在各种示例性实施例中，相位掩模1620A、1620B和1620C分别具有对应的空间相位0度、120度和240度。
图19中还示出包括矩形套管701的读取头壳700。当上部V形槽对准元件704和下部V形槽对准元件705在他们的接触面706贴合并正确地对准并插入通过矩形套管701的矩形孔时，矩形套管701与上部V形槽对准元件704和下部V形槽对准元件705紧贴地配合。在一个示例性实施例中，V形槽对准元件704和705为可购得类型的硅制V形槽对准元件并且用于电信行业中的光纤对准。制造V形槽707-709，使得当上部V形槽对准元件704和下部V形槽对准元件705正确对准并被限制在矩形套管701之中时，定位在上部和下部V形槽对准元件704和705中的不同操作光纤1670和1630A-C被约束成紧密包装配置。关于这种紧密包装配置的益处已在前文中说明。在该装配中包括虚设光纤1630X，其作为将其它操作光纤1670和1630A-C约束在其正确位置的方便和经济的方法。
在一个示例性装配方法中，在上部和下部V形槽对准元件704和705中插入并对准光纤，然后将上部和下部V形槽的对准元件704和705轻轻压合在接触面706上，并穿过矩形套管701进入矩形孔的后面。不同的操作光纤1670和1630A-C可以从V形槽对准元件704和705的前面稍微伸出。然后将各种光纤和V形槽对准元件704和705彼此结合到套管701。然后将各种光纤研磨并相对V形槽对准元件704和705的前表面抛光整平。接着，在显微镜下将相位掩模元件1661对准光纤末端，并与V形槽对准元件704和705的前表面和/或套管701紧密结合。在一个示例性实施例中，在相位掩模元件1661最接近光纤末端的“内侧”制作相位掩模1020。尽管事实上光纤读取头装置1600不完全是关于半径对称的，包括相对由源光纤1670提供的光源定位接收器信道孔隙1610A、1610B和1610C的读取头的整体设计和尺寸和定位，一般仍采用前述参照图6、7和8的各种示例性实施例中的技术和设计原理。应该了解的是，诸如光纤读取头装置1600的组件提供高分辨率的整个光学编码器读取头，具有小于或等于2-3毫米数量级的整个宽度和高度尺寸。还应该了解的是所述装置提供低成本精确“自装配”。还应该了解的是仅仅出于这些装配的目的，源光纤1670故意地“超大尺寸设置”并包括虚设光纤。
图20A示出可以和根据本发明的各种光纤读取头一起使用的、在相对于标尺光栅80的第一方向上的光折射器1900。如图20A所示，类似于前文参照图13所述的光纤读取头装置1000的示例性光纤读取头1000′，总体上沿着光束路径1901将发散的源光传播到光折射器1900，在光折射器1900处光被折射沿着光束路径1902穿过区域1903中的操作间隙朝向标尺光栅80。类似地，来自标尺光栅80的标尺光反射、发散并衍射大体上沿着光束路径1902回到光折射器1900，并大体上沿着指定光束路径1901中心朝读取头1000′折射。该标尺光栅80相对于光纤读取头1000′沿着测量轴方向82移动。返回的标尺光在干涉照明区中于接收器平面上形成干涉条纹，其一般在示例性光纤读取头1000′的光纤接收器信道装置的中心，如前文参照根据本发明的各种其它示例性实施例所述。应该了解的是，示例性光纤读取头1000′的相位掩模的光栅条的定向使得它们平行于干涉照明区中的干涉条纹线。也应该了解相对于90度的名义上的折射，折射器1900更精确地折射光束路径1901，以转变为光束路径1902，并且使光束路径1902更精确地垂直于标尺光栅80的平面，所得到的位置测量系统就将更精确和实用。
在各种示例性实施例中，折射器1900是一个直角反射棱镜、平面反射镜或其它合适的光学元件，其相对于根据本发明光纤读取头以固定关系可靠地安装在分离元件上。为了在区域1903中相对于标尺光栅80保持紧凑和实用的操作间隙，折射器1900最好尽可能接近读取头1000′安装。在各种示例性实施例中，折射器1900被正确地对准并直接连接至读取头1000′。在各种其它示例性实施例中，折射器1900还可以充当衬底，以提供根据本发明的相位掩模元件，其具有根据本发明的相位掩模，这些相位掩模直接形成在朝向读取头1000′定位的折射器1900的表面上。
在图20A所示的实施例中，光纤读取头1000′以其长轴横断于标尺光栅80的测量轴82方向定向。读取头1000′或标尺光栅80中的一个可以固定就位，而另一个元件可以移动。应该了解的是，因为根据本发明的光纤读取头和编码器的超微型尺寸，在许多应用中以这种方式使用例如该示例性折射器1900的折射器是实用的。应该了解的是在许多应用中例如该示例性折射器1900的折射器还通过允许光纤读取头相对于标尺光栅80和测量轴方向82灵活地定向，使得读取头的最大和最窄的尺寸定向在所需的方向上，增强了根据本发明光纤读取头和编码器的实用性。还应该了解的是使用例如该示例性折射器1900的折射器对于将光纤和/或读取头1000′光缆的路线定向于所需的方向是有益的。
图20B示出在相对于两个可替换的示例标尺光栅80和80′的第二方向上使用的光折射器1900。在下述的第二方向上，光折射器1900的操作、设计考虑因素、益处和各种可替换的实施例大体上与前文参照图20A所述的相同。但是，对于该第二方向，光纤读取头1000′定向为其长轴大体上对准平行于标尺光栅80的测量轴82的方向。应该了解的是，在第二方向中，示例性光纤读取头1000′的相位掩模的光栅条被再次定向，使得它们平行于干涉条纹中的光栅线。因此，相对图20A所示的第一方向，读取头1000′绕其长轴旋转了90度，即，绕路径1901的轴旋转了90度。该第二方向通过在各种应用中允许将光纤读取头1000′的，和/或其光纤和/或光缆的最大和最窄尺寸灵活定向于另一个所需方向，进一步增强了光纤读取头1000′的实用性。
图20B还示出可替换的标尺光栅80′，其可和根据本发明的各种光纤读取头一起使用。该标尺光栅80′与标尺光栅80类似，且其测量轴82被类似对准。但是，标尺光栅80′形成了与圆柱形标尺元件81′表面一致的“圆柱”标尺。应该了解的是，圆柱形标尺光栅80′的曲率可能稍微影响由标尺光栅80′产生的干涉条纹的精度，因此一定程度上降低了测量的精度。然而，应该进一步了解的是，在各种示例性实施例中，圆柱形标尺光栅80′上的照明光点非常�。也母缮嫣跷贫孕矶嗍导实挠τ美此狄廊皇亲愎坏�。特别是在各种示例性实施例中，具有例如4微米的较小光栅间距和约等于或大于25毫米柱面直径的圆柱形标尺光栅80′，当其与本发明光纤读取头一起使用时能够提供可与类似的平面标尺光栅进行比较的测量性能。圆柱形标尺光栅80′可以与光折射器1900一起使用，或更普遍地，可以作为用于和这里示出或描述的光纤读取头的任何其它实施例一起使用的任何平面标尺光栅80的替代物。
图21示出可以和根据本发明各种光纤读取头一起使用的、并排列在相对环形标尺光栅80″的第一方向上的安装托架2000和光折射器1900′。图21示出包括类似于前文参照图15所描述的光纤读取头600′的示例性光纤读取头600″的配置。除了在相对于对准槽605旋转90度角的位置增加了一个额外的对准槽605′之外，该示例性光纤读取头600′包括读取头壳601′，其与图15所示的读取头壳601相同。示例性读取头600′的超微型尺寸可实现非常高效的安装方案，其中读取头600′可以很经济地安装，并且最小化相对于环形标尺光栅80″充分地对准所需要的时间和努力。
如图21所示，安装托架2000包括紧固孔2005、内腔(bore)2001，和对准脊2002。内腔2001的大小用于提供对于读取头壳601′的直径的滑动配合。对准脊2002在内腔2001的长度上延伸，并与对准槽605或605′中的任意一个进行对准且尺寸相配。内腔2001和/或对准脊2002可以在制造安装托架2000的挤压加工的过程中形成。另外，内腔2001和/或对准脊2002可被钻孔和/或扩孔，而所述对准脊可以通过沿着内腔2001在合适位置的槽中增加合适尺寸的销钉或者钻凿空(drill blank)来提供。
在各种示例性实施例中，光折射器1900′与前述的光折射器1900类似或者相同。在各种示例性实施例中，光折射器1900′可以正确对准并直接附加在安装托架2000上，如图21近似示出。
与如图20A所示的前述装置类似，示例性光纤读取头600″的相位掩模的光栅条应该这样定向，使得它们是名义上平行于回转标尺光栅80″产生的干涉条纹中的光栅线。这样，对于图21中所示的该第一方向，对准槽605与对准脊2002对准，而示例性光纤读取头600″插入到内腔2001中，以提供所需的安装对准。在各种示例性实施例中，插入读取头600″直到其紧挨着光折射器1900′。在各种其它示例性实施例中，选择安装托架2000的长度和安装止挡606′的位置，以便插入读取头600″直到安装止挡606′紧挨着安装托架2000的后表面，并且在读取头600″的相位掩模元件和光折射器1900′之间形成最小间隙。在各种示例性实施例中，读取头600′一旦被插入，其可以通过粘合剂或者机械紧固的方法相对安装托架2000永久或暂时地刚性固定。
在相对于标尺光栅80″的第二方向(未示出)，光纤读取头600″定向为其长轴大体上对准平行于环形标尺光栅80″的测量轴82的方向，并且安装托架2000相应地绕着与图21中垂直的轴旋转，使得内腔2001大体上平行于环形标尺光栅80″的测量轴82的方向。与图20B所示的前述装置类似，示例性光纤读取头600″的相位掩模的光栅条应该这样定向，使得它们名义上平行于由环形标尺光栅80″产生的干涉条纹中的光栅线。因此，对于该第二方向，另外一个对准槽605′与对准脊2002对准，而示例性光纤读取头600″插入到内腔2001中，以提供所需的安装准直。这样，相对于与在图21中所示的环形标尺光栅80″相对的第一方向，光纤读取头600″绕其长轴、即路径1901的轴旋转了90度。
诸如示例性安装托架2000的安装托架，和微型光纤读取头600′一起使用，提供了非常有效和通用的安装方案，其中读取头600′可以很经济地安装在至少两个不同的方向上，并且相对于环形标尺光栅80″进行足够的对准所需要的时间和努力被最小化。应该了解的是安装托架2000并不限于和环形标尺光栅结构一起使用。它同样可以和这里说明或描述的其它任何标尺光栅配置一起使用。
应该了解的是环形标尺光栅80″的曲率可能稍微影响由环形标尺光栅80″产生的干涉条纹的精度，因此，一定程度上降低测量的精度。然而，应该进一步了解的是，在各种示例性实施例中，在环形标尺光栅80″上的照明光点非常�。也母缮嫣跷贫孕矶嗍导实挠τ美此狄廊皇亲愎坏�。特别是在各种示例性实施例中，具有例如8微米的较小光栅间距和约25毫米或更大直径的环形标尺光栅80″，能够提供可与本发明光纤读取头一起使用的类似的直标尺光栅相比的测量性能。环形标尺光栅80″可以与光折射器1900′一起使用，或更一般地，可以作为和这里显示或描述的光纤读取头的任何其它实施例一起使用的任何直标尺光栅80的替代物。
关于图20A、20B和21和它们相关的描述，应该了解的是光纤读取头1000′和600″、折射器1900和1900′，以及安装托架2000的结构以简单的形式图示并说明，以易于对它们基本效用和操作的清楚说明和解释。然而，应该了解的是各种动态装配、接口和装配特征(未示出)可以并入任何一个和多个光纤读取头1000′和600″、折射器1900和1900′，以及安装托架2000中，以根据公知的动态装配、接口和装配原理有助于进行正确的对准、连接和安装。
本发明已结合上文概述的示例性实施例进行了描述，很明显上述这些实施例和设计因素可以表明更多的可替换实施例、修改和变型，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。例如，尽管前面的描述强调使+/-第三衍射级光远离接收器信道孔隙的结构，以便在各个示例中提供最理想的正弦输出信号和最高相对精度，本领域的普通技术人员应该理解第三衍射级的光强比根据本发明的原理检测产生的干涉光的第一级衍射级的光强弱得多。因此，应该了解对于某些应用的各种实施例，可以根据诸如+/-第三级衍射光被允许到达接收器信道孔隙的设计折中，设计和/或可操作地定位本发明的干涉测量光纤读取头。在各种这样的提供三相位光学信号输出的实施例中，显而易见前面概述的各种信号处理方法可显著地减少任何与+/-第三级衍射光有关的第三谐波误差。在各种其它实施例中，可以相对限制这种设计的潜在精度，这种实施例依然具有根据本发明原理的诸如最小化读取头尺寸和完全输出光学信号的优点。因此，上述发明的实施例仅仅用于说明而不是进行限定。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变。
权利要求
1.一种用于测量两部件之间相对位移的装置，该装置包括具有沿测量轴方向形成的标尺光栅图形的标尺；和光纤读取头装置，可相对标尺光栅图形定位以提供由该标尺光栅图形衍射的光所产生的可操作干涉照明区，该光纤读取头装置包括多个光纤接收器信道，每个光纤接收器信道包括相应的接收器信道空间相位掩模部分，具有相应的空间相位并且其各挡光元件以用以空间过滤可操作的干涉照明区的光的间距布置，所述相应接收器信道空间相位掩模部分通常位于用以空间过滤可操作的干涉照明区的光的名义接收器平面上；和至少一个相应的接收器信道光纤，具有接收相应的接收器信道光学信号光的输入端；其中由该至少一个相应接收器信道光纤接收的相应接收器信道光学信号光包括通过相应的接收器信道空间相位掩模部分在相应光收集区域上收集的光学信号光，该光收集区域沿测量轴方向具有的光收集区域尺寸至少是相应接收器信道空间相位掩模部分的一个全周期；当所述读取头相对标尺光栅图形操作定位时，多个光纤接收器信道中的至少第一和第二相应信道在名义接收器平面处空间过滤可操作干涉照明区的光的相应部分，以提供具有至少第一和第二相应信号相位的第一和第二相应接收器信道光学信号；和所述装置沿相应光纤方向输出所述至少第一和第二相应接收器信道光学信号，从而以多个相应光学输出信号的形式提供相对位移测量信息，所述相应光学输出信号在不利用电子光电检测元件的情况下产生。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述光纤读取头装置包括一透明掩模衬底，而每个相应接收器信道空间相位掩模部分配设在该透明掩模衬底的表面上，每个相应接收器信道空间相位掩模部分的挡光元件沿测量轴方向相对于其它接收器信道空间相位掩模部分的挡光元件以在相应接收器信道空间相位掩模部分的相应空间相位之间建立预期关系的方式定位。
3.如权利要求2所述的装置，其中各相应接收器信道光纤的输入端名义上相对于透明掩模衬底表面上的相对应的相应接收器信道空间相位掩模部分定位。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述光纤读取头装置具有一光轴；各光纤接收器信道具有对应于所述至少一个相应接收器信道光纤的集聚载光芯区的相应名义载光区，与所述至少一个相应接收器信道光纤的输入端相接近的所述相应名义载光区具有相应的名义面心；以及所述多个光纤接收器信道的至少三个相应光纤接收器信道各自具有相应的名义面心，所述名义面心以一名义相应位置半径与所述光轴分开，对于所述至少三个相应光纤接收器信道中的每一个，所述名义相应位置半径基本相同。
5.如权利要求4所述的装置，其中一中心光纤至少接近其端部基本与光轴同心地定位，并且该中心光纤包括单模源光纤，其从所述源光纤的末端处的载光芯区发射具有可操作波长的辐射；和所述至少三个相应光纤接收器信道至少在接近所述相应接收器信道光纤的输入端和在接近所述中心光纤的末端基本上相对于中心光纤定位。
6.如权利要求1所述的装置，其中多个光纤接收器信道包括以N个可操作对结构设置的至少2N个相应光纤接收器信道，其中N是至少等于2的整数，各可操作对包括两个相应光纤接收器信道，设置在N个可操作对结构的中心的相对侧，其中对应于这样两个相应光纤接收器信道的两个相应空间相位掩模部分具有下述之一a)相同空间相位和b)名义上相差180度的空间相位。
7.如权利要求1所述的装置，其中至少各集光区和各输入端完全设置于一圆柱体积内，该圆柱体积的轴线垂直于所述名义接收器平面并且具有至多为3mm的圆柱半径。
8.如权利要求7所述的装置，其中该读取头装置具有包含至少各集光区和输入端的圆柱半径，其最大为2.0mm。
9.如权利要求8所述的装置，其中包含至少各集光区和输入端的该圆柱半径最大为1.25mm。
10.如权利要求7所述的装置，其中相应集光区至少部分地由下述各项中的至少一个来确定，a)接近所述对应的至少一个相应接收器信道光纤的输入端的集聚载光芯区，b)接近相应接收器信道空间相位掩模部分并且接近所述至少一个相应接收器信道光纤的输入端设置的微型透镜的光接收区，和c)所述相应接收器信道空间相位掩模部分的受限孔隙特征。
11.如权利要求7所述的装置，其中光纤读取头装置设计成，对于相对于标尺光栅图形的至少一可操作位置，产生于标尺光栅图形的+/-第三衍射级产生的任何光都落在名义接收器平面处的所述圆柱半径之外。
12.如权利要求11所述的装置，其中相对于标尺光栅图形的所述至少一种可操作位置对应于最大为5mm的操作间隙。
13.如权利要求11所述的装置，其中相对于标尺光栅图形的所述至少一种可操作位置对应于最大为2.5mm的操作间隙。
14.如权利要求11所述的装置，其中光纤读取头装置设计成，由+/-第三衍射级潜在产生的任何光为渐逝的。
15.如权利要求1所述的装置，其中一壳元件罩围光纤读取头装置的其它元件，所述壳元件在平行于所述光纤的轴的长度方向具有相对长的外部尺寸，并且在其长度的至少一部分上在垂直于所述光纤的轴的各方向具有相对窄的外部尺寸，并且所述光纤读取头装置构作成，所述壳元件长度的至少一部分可以被插入一个垂直其中心轴的尺寸至少小到5.0mm的孔中。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述壳元件长度的至少一部分可以插入一个垂直其中心轴的尺寸至少小到2.5mm的孔中。
17.如权利要求16所述的装置，其中将所述光纤读取头装置装入一方向保持连接器中，该方向保持连接器可与至少市场上可买到的标准偏振保持光纤连接器机械互换。
18.如权利要求1所述的装置，其中当沿所述测量轴方向在所述光纤读取头装置和标尺光栅图形之间存在相对位移时，各相应光学输出信号包括相对位移的正弦函数，并且每个这种正弦函数以每个这种正弦函数的至多1/16峰值对峰值偏差偏离一理想的正弦函数。
19.如权利要求18所述的装置，每个这种正弦函数以每个这种正弦函数的至多1/32峰值对峰值偏差偏离一理想的正弦函数。
20.如权利要求1所述的装置，其中所述光纤读取头装置位于所述标尺光栅图形的第一侧，该标尺光栅图形包括传输在标尺光栅图形的第二侧产生的透射光的透明元件，且所述可操作干涉照明区由透射光产生。
21.如权利要求1所述的装置，其中所述光纤读取头装置完全位于标尺光栅图形的第一侧，该标尺光栅图形至少部分是反射性的以反射在标尺光栅图形第一侧产生的衍射光，且所述可操作干涉照明区由所反射的衍射光产生。
22.如权利要求1所述的装置，其中所述光纤读取头装置包括至少一个光源，每一相应光源包括下述之一，a)电子固态光源元件，该固态光源元件的至少一部分产生光，和b)源光纤的输出端，该源光纤可与产生光的远程光源连接。
23.如权利要求1所述的装置，其中各相应集光区沿测量轴方向具有的集光区尺寸，至少是相应接收器信道空间相位掩模部分的三个全周期。
24.如权利要求23所述的装置，其中各相应集光区沿测量轴方向具有集光区尺寸，至少是相应接收器信道空间相位掩模部分的六个全周期。
25.如权利要求1所述的装置，还包括反射表面，其中该光纤读取头装置具有光轴，该反射表面沿光轴设置在名义接收器平面和标尺光栅图形之间的一个位置上，使得该反射表面以大约90度有效地偏转光轴；和所述光纤读取头装置和反射表面相对标尺光栅图形设置成，使得名义接收器平面名义上垂直于标尺光栅图形的平面。
26.如权利要求1所述的装置，其中标尺包括下述之一，a)基本为平面的元件，其中标尺光栅图形沿着顺随平面元件上的一直线的测量轴方向形成，b)基本平面的盘状元件，其中标尺光栅图形沿着顺随所述盘状元件的一环形路径的测量轴方向形成，c)基本圆柱形元件，其中标尺光栅图形沿着顺随围绕圆柱元件的一环形路径的测量轴方向形成，和d)基本线性的带状元件，其中标尺光栅图形沿着顺随带状元件的相对较长轴的测量轴方向形成。
27.如权利要求1所述的装置，其中所述光纤读取头装置呈透射结构，使得可操作干涉照明区由透射光产生。
28.一种操作用于测量两部件之间的相对位移的装置的方法，该装置包括标尺，该标尺具有沿测量轴方向形成的标尺光栅图形；和光纤读取头装置，可相对标尺光栅图形定位，以提供由该标尺光栅图形衍射的光产生的可操作干涉照明区，该光纤读取头装置包括透明掩模衬底；和多个光纤接收器信道，每个相应光纤接收器信道包括相应的接收器信道空间相位掩模部分，具有相应的空间相位并且其各挡光元件以用以空间过滤可操作的干涉照明区的光的间距布置，所述相应接收器信道空间相位掩模部分通常位于用以空间过滤可操作的干涉照明区的光的名义接收器平面上；和至少一个相应接收器信道光纤，具有接收相应的接收器信道光学信号光的输入端；其中每个相应接收器信道空间相位掩模部分配设在该透明掩模衬底的表面上，每个相应接收器信道空间相位掩模部分的挡光元件沿测量轴方向相对于其它接收器信道空间相位掩模部分的挡光元件以在相应接收器信道空间相位掩模部分的相应空间相位之间建立预期关系的方式定位；由该至少一个相应接收器信道光纤接收的相应接收器信道光学信号光包括由标尺光栅图形产生的并通过相应的接收器信道空间相位掩模部分在相应光收集区域上收集的光，该光收集区域沿测量轴方向具有的光收集区域尺寸至少是相应接收器信道空间相位掩模部分的三个全周期；和至少各集光区和各输入端完全设置于一圆柱体积内，该圆柱体积的轴线垂直于所述名义接收器平面并且具有至多为5mm圆柱半径；该方法包括相对标尺光栅图形操作定位所述光纤读取头装置；用多个光纤接收器信道中的至少第一和第二相应信道、在所述名义接收器平面处接收可操作的干涉照明区的光，并空间过滤可操作干涉照明区的光的相应部分，以提供具有至少第一和第二相应信号相位的至少第一和第二相应接收器信道光学信号；和沿相应光纤输出至少第一和第二相应接收器信道光学信号，以便以多个相应光学输出信号的形式提供相对位移测量信息，相应光学输出信号在不利用电子光电检测元件的情况下由被空间过滤的标尺光产生。
29.如权利要求28所述的方法，其中相对标尺光栅图形操作定位光纤读取头装置包括相对标尺光栅图形定位光纤读取头装置，使得产生于标尺光栅图形的+/-第三衍射级产生的任何光都落在各相应集光区之外。
30.如权利要求29所述的方法，其中操作定位的光纤读取头装置整个位于标尺光栅图形的第一侧，所述标尺光栅图形反射在标尺光栅图形第一侧产生的衍射光，并且在名义接受器平面处接收可操作干涉照明区的光包括接收在标尺光栅图形的第一侧产生的反射衍射光。
31.如权利要求30所述的方法，光纤读取头装置还包括至少一个相应光源，该方法还包括从光纤读取头装置发射光以照射标尺光栅图形，使得在标尺光栅图形第一侧产生的反射衍射光包括原本发自光纤读取头装置的光。
全文摘要
本发明公开了一种用于传感标尺光栅位移的干涉测量光纤编码器读取头。该读取头的检测信道是具有各自的相位光栅掩模的光纤检测信道。该光纤编码器读取头被设置成检测由标尺光栅产生的干涉条纹的位移。在各种示例性实施例中，根据保证紧凑安装和相对理想的正弦信号作为位移函数的各种设计关系来构成并可操作地定位该光纤读取头。因此，可以实现高水平的位移信号的插值，可进行亚微米的位移测量。该光纤编码器读取头可用特别精确和经济的方法组装，且可被设置在1－2毫米数量级尺寸的包装内。
文档编号G01D5/26GK1702435SQ20041010374
公开日2005年11月30日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年9月30日
发明者约瑟夫·D·托比亚森 申请人:三丰株式会社