CN100417918C - 采用纤维光学接收通道的微型二维编码器读头 - Google Patents

采用纤维光学接收通道的微型二维编码器读头 Download PDF

Info

Publication number
CN100417918C
CN100417918C CNB2004100421613A CN200410042161A CN100417918C CN 100417918 C CN100417918 C CN 100417918C CN B2004100421613 A CNB2004100421613 A CN B2004100421613A CN 200410042161 A CN200410042161 A CN 200410042161A CN 100417918 C CN100417918 C CN 100417918C
Authority
CN
China
Prior art keywords
read head
map
head spare
light
spare
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2004100421613A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1550763A (zh
Inventor
约瑟夫·D·托比亚森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitutoyo Corp filed Critical Mitutoyo Corp
Publication of CN1550763A publication Critical patent/CN1550763A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100417918C publication Critical patent/CN100417918C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices
    • G01D5/34723—Scale reading or illumination devices involving light-guides
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres

Abstract

本发明公开了披露一种2D纤维光学编码器读头，具有多个读头件用于检测一标度光栅的二维位移。读头件检测通道是纤维光学检测通道，具有相应的相位光栅掩模。至少两个相位光栅掩模具有不同的取向，以便便于在至少两个不同的方向上检测位移。各2D纤维光学编码器读头件设计得可测得自标度光栅上相应图形的自映象图形的位移。自映象图形为在至少两个不同的方向上检测位移创造了条件。在不同的示范性实施例中，纤维光学读头件是按照确保某种强大信噪比的不同设计关系予以制作的。因此，可以达到高水平的位移信号插值。此2D纤维光学编码器读头件以特别精确和经济的方式组装起来并可以设置在尺寸在1-2毫米量级上的一个封装之中，产生一非常小的总体读头尺寸，这取决于装入的读头件的数量。

Description

采用纤维光学接收通道的微型二维编码器读头
技术领域
本发明一般地涉及一种位移检测光学编码器，而更为具体地涉及一种光学编码器，利用光纤作为接收元件以提供一超紧凑的二维位置测量系统。
背景技术
用于检测一维(1D)线性、旋转或角度运动的各种移动或位置编码器当前是可以获得的。这些编码器一般基于或是光学系统、磁性标度盘、电感变换器，或是电容变换器。某些编码器被设计成用于作出相对测量。在这种相对位移或位置编码器中，测定一般是通过检测相对于一参照位置的标度位置的相对变化而作出的，这就要求进行对标度图形中的变化的检测，以致可以数出此图形的多次重复。这种类型的位置测定可以称作是增量位移测定或增量位置检测或测定。
背景技术
对于光学编码器来说，许多1D增量位置系统已经研制出来。一种比大多数先前的系统利用较少零部件的新近系统被示出在Eselun的美国专利第5909283号之中。在283专利中所述的这一系统具有一光栅标度盘和包括一点光源(读头中的激光二极管)的读头，一Ronehi光栅或全息器件，以及一光电检测器阵列。一如所述，此点光源导致具有等于标度盘间隔的许多干涉条纹。干涉条纹光线通过Ronchi光栅或全息器件被传送到光电检测器阵列。光电检测器阵列被配置得可从被传送的条纹光线得到四条通道的正交相移信号。说明在′283专利之中的系统的一项缺点是，所得出的编码器具有的尺寸对于许多应用来说是较大的或禁止的，而另一项缺点是，此系统一般只提供在一维上的测定。另外，在具有采用电子光检测器的光学读头的某些现代运动控制系统中，一如′283专利中所述，检测出来并经过相对很长的导线长度被传送的高频测量信号的衰减将成为一种限制因素。
另一类型的相对位置光学编码器被披露在Tokunaga的美国专利第4733071号之中。在′071专利之中说明的系统具有一编码构件标度盘，以及一光学传感头，包括一光纤顶端光线发射器和两个沿着编码构件测量轴线紧密配置的光纤顶端接受器。光学传感器端头被转动(被偏转)以调节两个光纤顶端接受器之间的相位差。不过，所得的编码器的精确度是比较欠缺的，而且此系统一般又是仅仅提供了在一维上的测定。
某种这些类型的编码器被设计得用于进行二维(2D)增量位置测定。在Masreliez的美国专利第5104225号之中披露了一种2D增量位置编码器，采用一2D光栅标度盘并且在一2D平面上一任意位置处提供高分辨率和高精度。不过，披露在′225专利中的读头是相对大的、复杂和昂贵的。而且，披露在′225专利中的读头经受着′283专利所述的、同样的普通电子信号衰减的限制。
2D绝对位置测定系统也是为人所知的。比如，2D条形码编码系统已经适用于某些低分辨率的绝对2D位置测量应用。不过，这种2D条形码系统的“信息存储”结构一般不能很好地适合于作为用于高分辨率位置确定的2D标度盘。其次，适于这种2D条形码系统的读头也是相对较大、复杂和昂贵的。其次，对比于许多现代运动控制系统所要求的速度使用这些装置的电子信号处理，严重地限制了这些装置能够追踪的高速运动的可允许速率。
一种可以单独或结合起来克服前述各种问题和局限的2D位置检测装置，是所希望的。
发明内容
本发明旨在提供一种编码器，其克服了前述和其他的缺点。更为具体地，本发明致力于一种光学编码器，可在二维上提供很高分辨率的测量并具有极小的尺寸，另外还具有一些其他预期特性。
披露了一种用于在二维上检测一标度盘位移的、带有多个读头件的2D纤维光学编码器读头。在一实施例中，标度盘可以包括一多个反射部分的2D光栅图形(grating patern)。每一读头件沿着一相应的方向检测标度盘的2D光栅图形的位移。各读头件包括一光源用于向标度盘传送光线，以及位于每一读头件之内的各检测通道用于从标度盘接收光线。按照本发明的一个方面，编码器读头件的各检测通道是纤维光学检测通道。
如前面所概括指出的，除了先前公开的′283专利只致力于一种单维测定系统这一事实之外，诸如披露在′283专利之中的电子读头接收器(光检测器)，在转换与高速标度盘运动相关联的高频检测信号和在没有显著的信号损失或干扰的情况下将这些信号传送通过长电缆时，遭受各种局限性。此外，电子光检测器和相关电路连接促成了对于许多潜在的编码器应用来说太大的读头，特别是在一单一读头中采用多个读头件的场合下。应该认识到，本发明的纤维光学检测通道克服了这些局限性。
按照本发明的另一方面，2D纤维光纤编码器读头利用各读头件在二维中检测2D光栅标度盘的位移，每个读头件具有多条纤维光学检测通道，后者具有相应的相位光栅掩模。根据相关联的读头件为之检测位移的相应方向，至少两个读头件的相应相位光栅掩模相对于彼此以及相对于2D标度光栅具有不同的取向。除了先前所述的′071专利只是致力于一种1D测定系统这一事实之外，诸如披露在′071专利之中的那些光纤端部接受器，如果它们具有很大的直径，则对于精细的相位信号辨识而言具有不充足的空间分辨，如果它们具有很小的直径，又收集太少的光线而不能提供良好的信号。因而，它们的精确度是有限的。应该认识到，本发明的纤维光学检测通道克服了这些和其他局限以提供高精确度。
按照本发明的另一方面，由各读头件的多条纤维光学检测通道检测的各2D光栅标度映象都是自映象，也由其它诸如Talbot映象这样的其他名称而为人所知，它们保证了相对稳定的调准允差以及高分辨率和确度。
按照本发明的另一方面，2D纤维光学编码器读头是按照基于各纤维光学检测通道的输入孔尺寸的设计关系而构造的，以确保信号可靠和精确度提高。
按照本发明的另一方面，读头件的纤维光学检测通道配置成均衡对，以提高精确度。
按照本发明的又一方面，每一读头件之内的纤维光学检测通道的3个均衡对以一种提高精确度的方法作信号处理。
按照本发明的另一方面，用于每一读头件的光源由一光纤提供，以形成一种全光学读头，除去了与编码器读头中电子信号以及电子组件相关联的所有局限性和成本。
按照本发明的另一方面，2D纤维光学编码器的各种光纤是从多种类型中选定的，以使编码器的测量精确度相对地不受纤维光学读头光缆的弯曲的影响。
按照本发明的另一方面，2D纤维光学编码器读头的各种实施例是以特别经济、精确和紧凑的方式构成的。
按照本发明的另一方面，2D纤维光学编码器读头被构造成使得它可以被插入到一标准市场上可买到的纤维光学连接器结构中。
按照本发明的另一方面，一光线导向器件被设置用来用于偏转读头件基本读头元件与标度盘之间的读头光线路径，使得读头相对于标度盘的可运作安装取向得以改变。
按照本发明的另一方面，在一实施例中，采用了一远控连接盒器，装有适当的电子光源和光检测器，它们连接于来往于符合本发明的一或多个纤维光学读头件的纤维光学元件，并把接收到的光学信号转换成一种适合进一步进行信号处理和读头位置确定的形式。
因此，本发明克服了现有2D光学位移检测装置的缺点并利用一系统提供许多新的应用可能性，该系统能够实现以极高速度在两维上进行测量并且是超紧凑、高度精确和经济的系统。
附图说明
本发明的前述各方面和许多相伴的优点，随着参照结合附图所作的以下详细说明而更好地认识，将会变得更加易于理解，其中：
图1是符合本发明的一种2D纤维光学读头装置第一类实施例的轴测视图；
图2是图1 2D纤维光学读头装置的、由2D标度图形(scale pattern)产生的一个示范自映象(self simage)和相对自映象处于一示范位置上两个正交取向的相位掩模(phase mask)的细部视图；
图3是符合本发明的一种2D纤维光学读头装置的第二类实施例的轴测视图；
图4是图3的2D纤维光学读头装置的第二类实施例的局部分解轴测视图；
图5示出了一方框图，包括可结合符合本发明的2D纤维光学读头装置使用的一种远控电子界面装置；
图6是符合本发明的一种2D纤维光学读头装置的第三类实施例的局部分解轴测视图；
图7是图6中的2D纤维光学读头装置的读头件之一的纤维和掩模配置的局部分解轴测视图；
图8是一示意图，它示出了对于大致对应于图1、2、3、4、6和7的2D纤维光学读头件装置，当纤维光学检测通道的接收孔口距一光照场的中心的位于不同半径处时，针对不同接收孔口直径获得的具代表性的相对信噪比；以及
图9示出了一种可结合符合本发明的各种2D纤维光学读头装置使用的一种光学导向器。
具体实施方式
图1示出了符合本发明的一种2D纤维光学读头装置20的第一类实施例。如图1所示，2D纤维光学读头装置20包括套圈40，此套圈具有调准槽沟45和调准凸缘50，并封围两个读头件60和60′。读头件60和60′可以按照美国专利申请第10/298312号的原理而制成，此专利申请于2002年11月15日提出，题为“采用纤维光学接收通道的高精度微型光栅编码器读头”(“High Accuracy Miniature Grating Encoder Readhead Using FiberOptic Receiver Channels”)，共同转让并在此以其全貌纳入作为参考。一如以下将较为详细说明的那样，每一读头件60和60′分别对应于测定轴线82和83，二者参照于包括一图形PAT、制成在基底95上的标度盘(scale)90。应认识到的是，标度盘90可以沿着测定轴线82和83的方向延伸到任何所需的尺寸。因而，在此示出于多幅图纸中的标度盘90，在符合本发明的多项示范实施例中，可以解释为某一大得多的标度盘的一个分段。
一如以下将较为详细说明的那样，每一读头件60和60′被连接于纤维光学通道组合290，其包括三条接收光纤130和一条光照光纤170。因此，用于读头件60的纤维光学通道组合290包括接收光纤130a，130b和130c，以及一光照光纤170。虽然每一读头件60和60′包括类似的一些部件，但对于本申请的其余部分来说，读头件60和任何其他读头件的这些部件将一般不作详细说明，应会理解，除了在此所述的各个相位掩模方位方面的变化之外，读头件60的各部件对于读头件60′来说是重复的，只不过带有单一的撇号，而对于任何其他各读头件来说，只是带有附加的撇号。作为这种命名法的简例，将会理解，有关读头件60纤维光学通道组合290诸如上面的说明，其包括接收光纤130a，130b和130c，也表明读头件60′的纤维光学通道组合290′包括接收光纤130a′、130b′、130c′。
一如以下将较为详细说明的那样，读头件60还包括相位掩模(phasemask)120a、120b和120c，配置成盖住由收光纤130a、130b和130c各端部提供的光学接收通道孔。在不同的示范实施例中，读头件60和60′的相位掩模120和120′方便地配置在一种共面配置之中，其确定了和/或重合于标称接收平面160。一如以下参照图2较为详细说明的那样，相位掩模120和120′处在不同的方位上以便在不同的相应方向上实现空间滤波。
回到图1，在读头件60中心处，光源280大致地沿着源光轴线251发出源光250。源光250一般是单色或准单色的并具有标称波长λ。波长λ可以是可按照本发明的原理用以产生可运作的自映象(operable self-image)的任一波长。源光250一般以发散半角252发散。源光250行经一段距离并且在光照点253处照射标度盘90的2D光栅图形(granting pattern)PAT；并大体上沿着标度光轴线255反射成为标度光254。在示于图1之中的实施例中，源光轴线251和标度光轴线255平行于Z轴并相互重合。标度光254行经一段距离到自映象平面265，后者重合于标称接收平面160。在自映象平面265上，标度光254提供包括标度盘90上图形PAT的自映象的光照场256。自映象由各相应相位掩模120进行空间滤波以提供读头件60的基本相应位置测量信号。应理解，光照点253和光照场256可以比可以用作读头装置外壳的典型套圈40小得多。这一特点可允许多个读头件被用在单一套圈之内。比如，一项实施例之中的一种标准远程通讯型尺寸的套圈具有大约2.5mm的直径。光照场256可以做得比这一尺寸小得多，从而允许在套圈40之内使用多个读头件。
在一项实施例中，用于标度盘90的2D光栅图形PAT在两个方向82和83上具有相应的空间波长，在此也称作间距或光栅间距。在一项实施例中，方向82和83上的光栅间距是一样的，而两个方向82和83是正交的。不过，这样一项实施例只是示范性的，而不同的各相应光栅间距和非正交的测量轴线方向光栅轴线也都在本发明的范畴之内。
一如以下将较为详细说明的那样，在不同的各示范实施例中，两个读头件60和60′的相位掩模120和120′具有分别对应于两个方向82和83的不同方位。相位掩模120和120′可以包含在单一的掩模之内。换句话说，单一掩模内按于读头件60和60′的适当相位掩模器件。这就精确地按照本发明的原理确定了各读头件的掩模器件相对于彼此的定位，以致各输出信号在信号处理时可以彼此补偿和/或结合以便获得精确的测量结果。这也用已知的精确方式对应于标度盘90的2D光栅图形PAT的结构确定了各读头件相对于彼此的方位。
套圈40的槽沟45和凸缘50设置用来在安装套圈40于一适合的安装支架中时方便地相对于标度盘90确定读头调准的偏转和Z分量。应当理解，套圈的另外一些实施例是可能的。比如，在不同的各示范实施例中，略去围绕单一掩模器件周边的套圈部分或代之以随后加上的一护圈或护筒，以致接收光纤130a、130b和130c等在把单一掩模器件装配于套圈40之前可以容易地磨光而与套圈40的端部齐平。在不同的其他各实施例中，套圈可以具有正方形或矩形的外部轮廓，而套圈的各侧边则形成方便的表面，用于在安装期间相对于标度盘90来确定读头调准的偏转分量(yawcomponent)，而读头调准的Z分量另外可以通过读头的前部表面而不是凸缘50来予以确定。一种示范性安装支架装置被描述在先前引入的′312申请之中。一如以下将相对图9较为详细说明的那样，一导向器可以固定在套圈40的前端上。应认识到，在套圈较大的情况下，可以包括较多的读头件以便增大读头的坚固性或精度。比如，以下将参照图3较为详细地说明表明三个读头件的另外一种可能的结构。
关于其他一些对于2D纤维光学读头装置20的注意事项，当然重要的是，调准两个读头件60和60′相对于标度盘90的2D光栅图形PAT的相应各方向的方位。在不同的各示范性实施例中，套圈40被装配到市场上可买到的各种类型纤维光学连接器/套圈之一，或制成为其一组成部分，这些类型的连接器/套圈通常用在远程通信之中，用于光纤的中心对中心亚微型调准和/或光纤精细转动调准。
关于生产紧凑读头的一些注意事项，应当理解，每一读头件60和60′应当予以确定尺寸和位置以分别主要从或优选地仅从相应的单一光照场256或256′接收光线。在不同的各示范性实施例中，源纤维光学170设计得或选定得当标度盘90的2D光栅图形PAT与可运作的光照场265之间的距离亦即标称工作间隙为1.0mm量级时，对于一高斯光照光束的半最大强度直径-在此也称作半最大直径-来说，产生为光照点253形成大约在200至350微米范围之内的尺寸的发散半角252。在这些实施例中，对于高斯光照场的半最大直径来说，光照场256的大小大约在400至700微米的范围之内。对于光照场256的这样一种尺寸，在一项示范性实施例中，接收光纤130a、130b和130c具有大约250μm的直径并被定位得它们的中心距光照场256的中心大约为250μm。更为一般地说，在各种其他一些示范性实施例中，接收光纤130a、130b和130c按照引入的′312申请的原理和/或一如下面参照图8所概述的那样予以确定尺寸和定位。在任一情况下，相位掩模120a、120b和120c被配置成在由接收光纤130a、130b和130c端部所提供的光学接收通道孔口之上。
在不同的各示范性实施例中，相邻成对光照场256和256′的中心对中心间距至少是稍微大于可运作的光照场直径(operable illuminationfield diameter)。因而，比如，在高斯光照场的半最大直径是400至700μm的各示范性实施例中，光照场256和256′的中心对中心间距至少是大约450至750μm。在这些实施例中，读头20的直径可以容易地做成小到2.5mm或更小。不过，应当理解，在这一设计范围内必须留意，由于随着读头件之间中心对中心间距的减小，作为各读头件之间的“干涉”而交叠的潜在自映象光量增大了。如果希望获得尽可能最小的读头尺寸而同时又基本上消除这种交叠干涉以保持最大的读头信号精度，则在不同的各示范性实施例中，这种干涉可以通过以下另作概述的时间倍增和/或波长滤除方法予以消除。
在各种其他各实施例中，为了在多种操作条件下加强各种读头件60和60′的信号分离，希望把中心对中心间距的大小定得大致上二至四倍于光照场256和256′之中高斯光照分布的半最大直径。比如，对于上面指出的高斯光照场256的400至700微米尺寸范围来说，在不同的各示范性实施例中，相邻各对光照场256和256′的中心对中心间距对于相对较大的光照场来说可以是大约1.4至2.8mm的量级，而对于相对较小的光照场来说是0.8至1.6mm的量级。在其中标称工作间隙是2.0mm量级的各示范性实施例中，高斯光照场256的大小范围可以大约是800至1400微米，而相邻各对光照场256、256′和256″的中心对中心间距对于相对较大的光照场来说可以是大约2.6至5.6mm的量级，而对于相对较小的光照场是1.6至3.2mm的量级。于是，在不同的各示范性实施例中，取决于设计因素的数量，一如以上所指出，读头20的总体直径可以容易地做成小到大约7mm、5mm、3mm，或甚至更小。
应当理解，前面关于紧凑读头尺寸的讨论假定每一读头件的光源是连续运作的。不过，还应当理解，由于接收通道和全光学光源的极高速光调制潜能，也可以设计一种比以上概述的还要紧凑的读头结构，其中各光照场重叠多个读头件的接收器，但每一相应读头件的光源和接收器都是单独和按时间顺序运作的，这种相邻读头件之间的信号干涉得以防止。
还应当理解，另外，在不同的各示范性实施例中，各个读头件可以连同一匹配的窄带通光学波长滤波器(matching narrow bandpass opticalwavelength filters)使用不同的光线波长，此滤波器设置用来阻挡来自其相应的各纤维光学接收通道的交叠干涉光线的其他各波长。
在另外一些示范性实施例中，这种匹配的窄带通光学波长滤波器可以于读头外面设置在一适当的纤维光学读头信号处理远控电子装置之内，诸如在图5之中所示者，以过滤来自相应各个读头件的光学输出信号。在另外一些示范性实施例中，应当理解，在一适当的纤维光学读头信号处理远控电子装置之内具有适当选择的匹配光学波长响应的相应光检测器，可以有效地增大和/或代换相应的匹配的窄带通光学波长滤波器。在任一情况下，相应的窄带通光学波长滤波器和/或具有适当选择的匹配光学波长响应的相应光检测器，用以基本上阻止具有的波长不同于其相应的匹配光线波长的任何光线，使之不影响源于其对应的相应读头件的光学输出信号的相应电子信号。
还应当理解，即使不同的光线波长不用在不同的读头件之中，这些相同的技术可以在按照本发明原理的读头中阻挡或消除环境光线的信号衰变效应。
在另一示范性实施例中，本领域技术人员所知的其它方法可以用类似的方式予以使用，诸如使用对不同读头件进行不同偏振的偏振光源，通过偏振保持纤维传送得到的偏振光，并且对于每个读头件用一匹配偏振器过滤偏振的接收光线以滤掉来自于相邻读头件的光源的不同(即正交地)偏振的光。
应当理解，按照本发明，光照的波长会影响一读头件的标称可运作自映象平面(nominal operable self-image plane)，一如下面参照方程1所述。因而，在不同的各示范性实施例中，不同读头件的不同各光线波长是在大约50nm的总体范围内选定的，并且对这里所述的各种2D读头实施例来说，可运作的自映象对于所有读头件通常形成在同一可运用的自映象平面中。在希望有较大的精度、分辨率和/或较宽的安装和调准允差的不同的其他示范性实施例中，用于不同各读头件的不同光线波长是在大约25nm的总体范围之内选定的。
更为一般地，应当理解，在不同的其他各实施例中，如果显著不同的光线波长用于不同的读头件，则这些波长可以按照以下在涉及方程1的讨论中所概述的各设计因子和注意事项，来彼此相互依赖地并与2D标度盘90的标度光栅间距的选定相关联地予以选定，以获得由所有读头件共用的一可运作自映象间隙。应当理解，对于这样一种共用的自映象间隙，用于各读头件的自映象平面(在方程1中由符号v表示)的“编号”可以是不同的。比如，一个读头件的第九个自映象平面可以设计得与另一读头件的第十个自映象平面重合。作为一项可用的指导方针，每一相应读头件的一自映象平面的可运作场深可以认为大约是该读头件的各相关自映象平面之间距离的1/6的量级，或更小。另外，可运作场深(operable depth of field)，和/或者用以为一读头件提供充分的自映象可视性的平面，可以用实验方式予以确定。
在又一些另外的示范性实施例中，每一读头件的标称可运作自映象间隙可以是不同的。不过，在这些实施例中，每一读头件必须相对于其他各读头件沿读头中的Z-轴线方向单独地予以定位，致使在总体读头以相应选择的标称操作距离与标度盘间隔开时每一读头件将被定位在一相应的可运作自映象平面处。比如，在这些实施例中，每一读头件60、60′和60″可以采用一单独的掩模基底被装配在一个副套圈之中，并随后以对应于标称操作距离的适当的相应Z-偏移被装配到总体读头40套圈里。
对于以上所述的任何时间倍增式和/或光学滤波式实施例，以及对于其他一些采用任何目前已知的或以后研制出来的各种方法来消除交叠光干涉的实施例来说，应当理解，总体读头设计可以做成各种读头部件的物理尺寸所允许的紧凑程度。于是，适当选择的纤维尺寸，在不同的示范性实施例中，总体读头直径可以容易地做成小到2.5mm、1.8mm和1.25mm，或者甚至更小。
图2示出了从按照本发明制成的一个示范性2D标度图形PAT产生的自映象，连同相对于自映象处于一个示范性的位置上的两个相应读头件的两个正交取向的相位掩模分段(phase mask segments)。图2大体上对应于示于图1之中的2D纤维光学读头装置20，一如图2之中右下方局部重现的轴测视图所示出的那样。在图2中，更为详细地示出了在光照场256中一标称自映象平面处产生的自映象。在示于图2之中的实施例中，两个相应读头件60和60′的两个相应相位掩模件120b和120b′分别以不同的正交方位被提供。换句话说，相位掩模件120b包括铅直取向的光栅挡杆件(亦即空间滤波挡杆)，而相位掩模件120′b包括水平取向的空间滤波挡杆。一如以上概述和以下较为详细说明的那样，相位掩模件120b与读头件60一起用以提供沿着测定轴线82的移动测量结果，而相位掩模件120′b与读头件60′一起用以提供沿着测定轴线83的移动测量测量。
在产生自映象SI的标度盘90上的2D标度图形PAT在一项实施例中可以由透明或非反射性背景或基底95上的许多反射正方形构成。在另外一项实施例中，2D光栅图形PAT可以由反射性背景或基底95上的许多透明或非反射正方形构成。此类标度盘可以通过已知的薄膜处理技术或类似技术制作而成。这种技术可以被用来制作各种商用1D光栅标度盘。采用按照本发明的原理可用的方法制作而成的类似的2D标度盘在本技术领域中也是普遍为人所知的，并作为采用通常编码器读头的二维编码器产品的一部分在市场上出售。
在不同的示范性实施例中，2D光栅图形PAT包括许多正方图形元素，它们排列成精确调准正交的多行和多列的规则图形。在不同的示范性实施例中，各行和各列沿着每一个它们的相应方向以同一光栅间距排列。在这些实施例中，2D标度图形PAT看起来基本上类似于示意性显示在图2之中的自映象SI。不过，应当理解，在不同的一些其他实施例中，各图形元素可以具有其他一些方便的形状，诸如矩形的、或圆形的等等，而各行和列不需要以同一光栅栅距沿着它们的相应方向的每一个予以排列。
在另外一些实施例中，假定各相位掩模件的光栅挡杆件的取向和2D光栅图形PAT的行和列的取向以相互可运作的组合来予以选定，比如在光栅挡杆件的取向平行于它们的相应各行或各列的取向的情况下，2D光栅图形PAT的行和列不必是相互正交的。不过，应当理解，对于这种结构来说，从沿着各正交轴线的移动产生的信号是不独立的。于是，这种实施例可能需要更加复杂的信号处理以按照本发明的原理来确定2D位置测量，并可能另外只适于有限数量的特殊应用场合。比如，这些特殊的应用场合可以包括那些其中移动主要是沿着两条匹配于编码器轴线的、非正交轴线的应用场合。
一如以上概述和以下较为详细说明的那样，当2D光栅图形PAT与体操作照射时自映象SI产生在标定自映象平面处。应当指出，图2中的表述是理想的，而实际上，自映象SI可能一般说来不是如此高分辨的，虽然对于本发明的目的来说，它仍然是可行的。具体地说，应当理解，在不同的示范性实施例中，通过分析或实验选择一可运作的自映象平面，致使自映象平面有意地包括一稍许散焦的自映象。在这些实施例中，沿着自映象SI各行和列的光强分布会呈现大致上正弦形的变动，而不是三角形的、梯形的或其他非正弦形的变动，对于提高符合本发明的不同示范性实施例中的测量精度来说，这一点是所希望的。还应当理解，在某些可用的自映象平面处，自映象SI将是2D标度图形PAT的“负象”。亦即，在自映象SI的某些可用的平面处，亮区是暗的而暗区是亮的。因此，自映象图形SI，并且甚至2D标度图形PAT自身，在不同实施例中可以具有相反的“极性”，本发明在其中仍将是可运作的。因此以上所述并示出于图2中的各种图形和自映象代表着另外许多实施例，并且图形和自映象的极性和关系只是用作例证，而不是限制。
一如上述，以不同方位设置的相位掩模120和120′沿着它们相应方向对自映象SI作空间滤波，一如图2中相位掩模件120b和120b′所示。相位掩模件120和120′具有的空间滤波挡杆分别以掩模间距Pm和P′m设置。在不同的示范性实施例中，沿着它们的相应空间滤波方向，掩模间距Pm在标称上与自映象间距Psi相同，掩模间距Pm′在标称上与自映象间距P′si相同，以及各空间滤波挡杆具有的宽度是它们相应掩模间距的一半。在示于图2之中的实施例中，自映象间距在两个方向上是相同的，亦即，P′si＝Psi。在不同的其他示范性实施例中，空间滤波挡杆可以具有另一选定的宽度或宽度的组合，以致在相应的相位掩模沿着一相应的测定轴线相对于自映象SI移动时产生的信号里，空间滤波谐波(harmonics)减少了。
关于图1的完整相位掩模120，一如以下将较为详细说明的那样，在不同的示范性实施例中，相应的相位掩模件120a、120b和120c可以沿着测定轴线82相对于自映象SI的间距Psi以相应的空间相位位置0°、120°和240°予以安排，以生成一组三相光学信号。相应的相位掩模件120a′、120b′和120c′可以沿着方向83类似地予以安排。
一如图2之中所示，随着相位掩模件120b相对于自映象SI被水平移动(沿着测定轴线82)，相位掩模件120b的空间滤波挡杆移动跨过自映象图形SI的各列明暗元素。应当理解，在沿着测定轴线82的多个不同位置处，空间滤波挡杆将阻挡由自映象图形SI的较亮部分提供的不同光量。因而，随着相位掩模件120b相对于自映象SI被水平移动(沿着测定轴线82)，对应于由相位掩模件102b传递的光线的纯粹光信号(net optical signal)经历对应于自映象间距Psi的周期性变动。类似地，随着相位掩模件120b′相对于自映象SI被铅直移动(沿着测定轴线83)，相位掩模件120b′的空间滤波挡杆移动跨过自映象图形SI的各行以提供类似的经历对应于自映象间距P′si的周期性变动。在不同的示范性实施例中，符合本发明原理的一种读头装置设计得以致这些相应的周期性变动都几乎是沿着相应测定轴线82和83的位移的理想正弦函数。这种设计按照本技术领域中所知并在引入的′312申请中所教导的标准编码器信号处理，便于沿着两条测定轴线82和83的每一条独立地或组合地确定位移和位置的测量。
应当理解，读头件60的各相位掩模件，诸如相位掩模件120b，设计得以致在沿着测定轴线82的一给定位置处它们的纯粹光学信号由于沿着测定轴线83的正交移动基本上是不变的。比如，在不同的示范性实施例中，沿着测定轴线83方向空间滤波挡杆之间的孔口的有效长度单独地或组合地做成标定上等于自映象间距P′si的整倍数。类似地，读头件60′的各相位掩模件，诸如相位掩模件120′b，设计得以致在沿着测定轴线83的一给定位置处它们的纯粹光学信号由于沿着测定轴线82的正交移动而基本上不变。
将会理解，对比于披露在引入的′312申请之中的1D读头和标度盘的实施例，对于在此披露的2D读头和标度盘实施例的各检测通道来说，沿着每一测定轴线82和83的测量结果的相对信噪比要低于沿着一般的1D标度盘所作的类似测量。这种差别的产生是由于：2D标度图形PAT产生一最终自映象SI，以致示于图2之中的许多“正方形”图形元素可以最多在标称上充满空间滤波挡杆之间的孔口面积的50％。相反，对应于一般ID标度盘的“挡杆”图形无素可以在标称上充满各孔口的100％。因而，由示于图2之中实施例的2D标度图形PAT形成的正弦形信号变动在标称上是由一般标度图形可以形成的正弦形信号变动的一半。一种相关的设计考虑是，使用反射性2D标度盘，其中2D图形的相对较小的元素是反射性的，比如在此披露的2D图形PAT的微小图形元素，输出信号的DC分量将基本上不大于从一般ID标度盘导出的输出信号的DC分量。但是，对于使用其中2D图形的的相对大的部分是反射性的反射式2D标度盘的实施例来说，输出信号的DC分量可能是相当大的。
图3示出了符合本发明的一种2D纤维光学读头装置20a的第二类实施例。图3的读头装置类似于图1的，除了大致上如图3中所示的以紧凑构造设置的3个读头件60，60’和60”以外。在示于图3之中的实施例中，读头件60、60′是一如先前参照图1和2所述者，而读头件60″在结构和取向上等同于读头件60。读头件60″也大体上沿着测量轴线方向83调准于读头件60。另外，读头装置20和20a的相似编号的各元件在结构和功能上是相似的。
为了增强对于调准不当的拒抗性，特别是包括偏转调准不当在内，读头件60和60″被配置成如下的“均衡对”结构。应当理解，在读头20a相对于标度盘90具有偏转调准不当时，读头件60和60″的对称配置形成了：来自各读头件的相应位置测定结果，由于相对于读头件60和60″的有效中心之间正中处的直线82A上一个“中心”点的标称位置的大致上相等而相反的偏移量，将在标称上有所不同。将会理解，在不同的示范性实施例中，直线82A平行于测定轴线82，并重合于读头件60和60″的有效中心。因而，如果对来自每一读头件60和60″的适当信号加以平均，相等而相反的偏移量则理想地彼此补偿，消除偏转调准不当的影响以提供对应于“中心”点位置的、沿着测定轴线82的可靠的对偏转不敏感的位置测量。
其次，给定读头件60和60″的有效中心之间的已知间距，通过从另一个减去它们位置测量中的一个，可以确定偏转调准不当的大小。确定出来的偏转调准不当随后可以与从“中心”点到重合于读头件60′的有效中心的直线83A的已知间距相结合来确定由于偏转调准不当所造成的读头件60′沿着直径83A的，亦即沿着测定轴线83的有效中心的偏移量。当沿着直线83A的偏移被从读头件60′的相应位置测定结果减去时，结果就消除了偏转调准不当的影响而提供同样对应于“中心”点位置的、沿着测定轴线83的可靠的对偏转不敏感的位置测量结果。
示于图3之中的实施例因而图示一种微型的对偏转不敏感的2D纤维光学读头结构，具有少至三个读头件。关于实际的读头制作和装配，示于图3之中的三个读头件的配置可以包含在一个读头直径之中，此直径大致上与如图1中所示设置的用于两个读头件的读头直径相同，或者最低限定地大于它。因此，在不同的示范性实施例中，取决于类似于先前参照图1所述的那些设计因素，读头20a的总体直径可以容易地做成小至大约7mm、5mm、3mm，或者甚至更小。
应当理解，在不同的示范性实施例中，按照针对图3所示实施例的关于偏转补偿的前述说明所达到的纯粹效果可以通过多种不同的信号组合和/或信号处理操作的顺序来予以实现。因而，前述说明只是例证而不是限制。
还应当理解，在不同的示范性实施例中，读头20a可以包括另外的读头件60′″，其在结构和取向上等同于读头件60′，大体上沿着测定轴线方向82调准于读头件60′，并相对于“中心”点对称定位。在这些实施例中，来自读头件60′和60′″的位置测定结果可以用相似于先前针对读头件60和60″所述的方式予以处理，作为用于提供同样对应于“中心”点位置的、沿着测定轴线83的、可靠的对偏转不敏感的位置测量的另一种方法。因而，就根据本发明的一种对偏转不敏感读头的各种示范性实施例而言，示于图3之中的读头装置20a只是例证而不是限制。
图4是图3读头装置的局部分解视图。一如图4之中所示，在读头装置20a中，读头件60对应于三个纤维光学接收通道190a、190b和190c。纤维光学接收通道190a包括接收通道110a、相位掩模120a和接收光纤130a。接收通道孔口110a位于相位掩模120a后面。类似地，纤维光学接收通道190b包括接收通道孔口110b、相位掩模120b和接收光纤130b。类似地，纤维光学接收通道190c包括接收通道孔口110c、相位掩模120c和接收光纤130c。
对于每一纤维光学接收通道190来说，相位掩模120包括一光栅，完全覆盖接收通道孔口110，对入射光照起看空间滤波器的作用。一如以下将较为详细说明的那样，相位掩模120和120″具有不同于相位掩模120′的取向。接收光纤130被调准于接收通道孔口110，以致在标称上所有由接收通道孔口110接收的光照都顺延光纤130引导而提供光学信号191。在不同的示范性实施例中，接收通道孔口110简单地是接收光纤130的一平直端部。在不同的其他实施例中，接收通道孔110是接收通光纤130的一成形端部。在不同的其他示范性实施例中，接收通道孔口110是接收光纤130的一成形端部。在不同的其他示范性实施例中，接收通道孔口110是一紧凑的折射或衍射透镜，经由相位掩模120收集入射光照，集中光线和把光线引向接收光纤130的端部，后者经过调准以有效地接收光线。由于在引入的′312申请之中所述的种种原因，在不同的示范性实施例中，每一接收通道孔口110跨过相关联的相位掩模120的至少一个全周期或间距，使进入接收通道孔口110的光学信号的相位至少对接收通道孔口110的光线收集区域相对于相位掩模120的各阻光部分的定位不那么敏感。在不同的其他示范性实施例中，每一接收通道孔口110跨过相关联的相位掩模120的至少三个全周期，使进入接收通道孔口110的光学信号的相位对于接收通道孔口110光线收集区域的定位更加不大敏感。更为一般地，接收通过孔口110跨过的相位掩模120的周期越多，进入接收通道孔口110的光学信号的相位对于其定位将越不敏感。接收通道孔口110、相位掩模120和每一纤维光学接收通道190的接收光纤130的端部都由粘接剂或其他适当的方法以固定的关系彼此固紧。
接收通道孔口110的定位参照纤维光学接收通道装置的通道装置中心157可以方便地予以说明。在符合本发明的各种高精度光纤读头实施例中，通道装置中心157定位得重合于提供给纤维光学接收通道装置的任一光照场的标称中心。每一相应的接收通道孔口110a-110c的有效中心位于距通道装置中心157的一相应的定位半径处。接收孔口定位半径在此总体上表示为RAL。为了本发明的目的，在其中接收通道孔口110不具有明显的几何中心的实施例中，有效中心可以作为孔口面积的形心。
可用的接收孔口定位半径，以及孔口面积，可以按照以下参照图6-8详细说明的本发明各项原理来予以确定。在不同的示范性实施例中，对于每一读头件60，各接收通道孔口110是等同的，而它们的相应各定位半径也是等同的。一般，在符合本发明的一种2D纤维光学读头中采用等同的各纤维光学接收通道190可使结构较为简单、信号处理较为简单和测定精度相对较高。不过，更为一般地，各接收通道孔口110和/或它们相应的各定位半径在符合本发明的各示范性实施例中不需要是等同的。
纤维光学接收通道190大体上以确定的彼此关系设置。特别是，对于每一读头件60来说，每一纤维光学接收通道190的相位掩模120的光栅都在标称上是共面的，并且在接收平面160中相对于比冲以特定的空间相位关系被固定(见图1)。一如以下将较为详细说明的那样，相位掩模120和120″以与相位掩模120′不同的空间滤波取向予以固定。在不同的示范性实施例中，各相位掩模120通过把它们制作在一单一掩模基底上而彼此相对固定。
应当理解，虽然图1、3和4示出了每一读头部60、60′和60″采用单一掩模基底装配在单一套圈40之内，但在符合本发明的不同的其他示范性实施例中，每一读头件60、60′和60″可以制作成单独的器件，正如在引入的′312申请之中所公开的那样。比如，每一读头件60、60′和60″可以采用单独的掩模基底装配在一子套圈之内，而随后按照本发明的各项原理装配到一类似于套圈40的总体套圈里面。在这些实施例中，应当理解，对于每一读头件60、60′和60″来说，接收平面160配置得在标称上重合于自映象平面265，一如先前参照图1所示。不过，并不严格需要将这些平面设计和装配得对于所有各个读头件处于同一平面，如果每一平面各自设计和装配得兼容于一如以下进一步概述的最终标称操作间隙，而且标准操作间隙在实际安装和运作期间充分良好地受到控制。
在任一情况下，一如前述，每一读头件60配置得形成2D标度图形PT光栅结构的一自映象。自映象，也称作Talbat映象，的基本原理是为人熟知的并在此不作详述。一种经典的分析被示出在Cowly，I.M.和Moodie，A.F.的论文-1957，Proc.Phys.Soc.B，70，486-之中，此论文在此引入作为参考。一如图4之中所示，自映象装置包括光源280和标度盘90，由一光源间隙隔开。光源间隙的尺寸一般标示为Zs，或者，如果光源间隙与映象间隙是相同的，在此标示为Z。标度盘90沿着测定轴线82和83被调准并包括各标度图形光栅元件，后者在不同的示范性实施例中分别沿测定轴线82和83精确地按行和列对准。光栅元件(grating elements)分别按照标度光栅周期Pg和P′g沿着测定轴线82和83周期性地予以排列，Pg和P′g一般在此指的是相应的各标度波长、光栅周期、间距或光栅间距。2D标度图形PAT的各种特征先前在涉及图2的讨论中已经作了说明。
示于图4之中的X、Y和Z轴线可以参照标度盘90的平面予以确定。X轴线平行于标度盘90的平面并平行于测定轴线82，而Y轴线平行于标度盘90的平面并平行于测定轴线83。X-Y平面平行于标度盘90的平面，而Z轴线垂直于该平面。
光照场256具有光照场中心257和标称光照场半径258。一如以上曾经参照图2所述的那样，自映象是由沿着测定轴线82和83调准的明暗各区域的图形组成的映象，明暗各区域按照相应的自映象周期在平行于测定轴线82和83的方向上是周期性的，自映象周期此文中通常指明为自映象周期或自映象间距Psi和P′si，分别对应于标度光栅周期Pg和P′g，一如图4之中所示。
在自映象装置中，自映象平面平行于标度盘90的平面。应当理解，各自映象在特定的一组自映象平面处在空间上被局部化。当光源280实际上是一点源时，而其配置大致上一如图4之中所示时，可用自映象平面的自映象条件，包括“同相”映象和各“负象”在内，是：
Figure C20041004216100261
而对于映象间距Psi相对于相应光栅间距Pg的放大倍数是：
Figure C20041004216100262
其中：
v＝0，1，2…
Zs是光源间隙；
Z是映象间隙；以及
λ是源光的波长。
因而，对于示于图4之中的结构来说，在Z＝Zs的情况下，可用的自映象平面位于2Pg2/λ的整倍数处，而映象间距Psi将是光栅间距Pg的两倍和映象间距P′si将是光栅间距P′g的两倍。
一般，在不同的示范性实施例中，标度光栅周期Pg和P′g做成是相等的或大致相等的。不过，这并不是严格必需的，在不同的其他示范性实施例中，如果采用显著不同的标度光栅周期Pg和P′g，应认识到的是，不同的标度光栅周期必须相互独立地予以选择，而读头20a必须大致上配置在一自映象间隙处，后者用以为标度光栅周期Pg和P′g二者提供充分的自映象可视性，完全按照以上在涉及方程1的讨论中所概述的设计因素和考虑事项。一如先前所述，作为一种有用的指南，一自映象平面的可运作的场深可以设定为大约是在相关联的各自映象平面之间距离的1/6量级。另外，可运作的场深，以及/或者用以为标度光栅周期Pg和P′g提供充分的自映象可视性的平面，可以用实验方式予以确定。应当理解，在不同的示范性实施例中，各个读头件也可以采用显著不同的光线波长，以便提供另外的设计自由度，用于为显著不同的标度光栅周期实现基本上类似的或等同的自映象平面。
应当理解，还有一些通常称作菲涅耳(Fresnel)映象的映象，位于自映象平面之间的各平面处。只要各相位掩模120的间距被调节成匹配于一选定菲涅耳映象的间距，菲涅耳映象可以按照本发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词之内。菲涅耳映象的特征可以参照Krzysztof Patorski的文章予以了解和应用“自映象现象及其应用”(“TheSelf-Imaging Phenomonon and its Application”)，Progressin Optics，ed.E.Wolf，27，3-108，North Holland，Amsterdam 1989。
在符合本发明的不同的其他实施例中，2D标度盘90是一种专门制作d反射性的相位光栅式标度盘，使得标度盘的第零级反射受到抑制。虽然一相位光栅的自映象不可用于编码器，但还有其他一些给出的信号强于现有信号的可用映象，具有诸如以上分析中那样的波幅光栅。应当理解，对于这些实施例，可用映象的位置偏离于以上分析中的自映象的位置。最佳可用映象平面之间的距离将与上述分析的保持相同，例外的是，在标度盘与第一可用映象平面间的为可用映象平面之间的距离一半的间隙中将具有一定的附加偏移。比方，在一Z＝Zs的反射性结构中，光源波长为780nm的20微米周期的相位光栅将在Z＝0.513+v*1.026mm，V＝1，2，3...，的标称间隙处具有一些可用映象平面(带有依次的相反相位)，忽略可能的与掩模和标度基底厚度的偏离。为最佳运作而调节间隙所需的偏离可以容易地通过在各操作间隙处观察纤维光学接收通道信号用实验方式予以确定。另外，可以利用适当的分析或模拟来确定附加的偏离。
在符合本发明的各示范性实施例中，一种特别简单和有效的光源280的实施例是单一光纤的末端，其传播由一远程激光二极管或其他适当光源所提供的相干光线，如由光照光纤170所例示的那样。在不同的其他示范性实施例中，光源280是以精确的间距配置的两个或更多的这种光源。在不同的其他示范性实施例中，光源280是配置在传播来自远程LD或LED或其他适当光源的一或多条光纤的端部处的、一个光源光栅孔口的周期阵列。光源光栅孔口具有规定的宽度和规定的周期。在另外其他示范性实施例中，光源280是由一微型固态激光器件、这种器件的阵列、或者包含在2D纤维光学读头之内的和一微型LED器件和一光源光栅而形成的。在这种情况下，应当理解，读头结构可能变得更加复杂和昂贵，并丧失了全光学读头的某些好处。不过，甚至在这种情况下，结合在根据本发明的全光学接收通道装置中读头的某些好处会保留下来，并可以取得其他一些好处。
一如图4之中所示，光源280发出源光250，大体上沿着源光轴线251。源光250行经等于光源间隙的距离Z，并在光照点253照射标度盘90上的2D标度图形PAT。光照点253大体上沿着标度光轴线255将光反射作为标度光254。在示于图4的实施例中，源光轴线251和标度光轴线255平行于Z轴线并相互重合。标度光254行经等于至自映象平面265的映象间隙的距离Z(见图1)。在自映象平面265中，标度光254形成光照场256，包括由在相应自映象间距Psi和P′si处的明暗区域组成的自映象266，一如前述。
接收平面160，参照图1先已说明，配置得在标称上重合于自映象平面265。应当理解，自映象实际存在于邻近前述“完善”的自映象平面的“聚焦不足的”平面中。在一些示范性实施例中，接收器被有意地配置得在标称上重合于这些“聚焦不足的”自映象平面，并且适当地或预期的映象仍然按照本发明的原理予以检测。比如，这些“聚焦不足的”自映象平面可以有意地予以选择用来抑制自映象中不需要的高阶空间谐波分量。通道配置中心157也在标称上调准于光照场中心257。应当理解，在2D纤维光学读头装置的这一实施例中，光源280也在标称上对准于光照场中心257。在各示范性实施例中，利用一组带有调准部分305的调准孔眼304，可以容易地实现所有部件的调整，调准部分一般位于相位掩模120a-120c附近并与之调准，而且具有所需数量的接收光纤孔眼，以及如果可行，具有一些光源光纤孔眼。调准孔眼组304可以设置在一嵌入套圈40a的板上，或者另外利用直接设置在套圈40a上的各孔眼形成。在任一情况下，各各光纤端部都插进和固定在各适当的孔眼之中以形成所需的调准。在不同的示范性实施例中，接收光纤130a、130b和130c在装配携带着各掩模120的器件之前被磨光而齐平于包括调准孔眼组304的器件的端部。在这些实施例中，如果调准孔眼组304直接设置在套圈40a上，围绕带有相位掩模120的器件的套圈部分可以省去或用随后加上的一保护环管代替。图4示出了带有调准部分305的调准孔眼组304。这组调准孔眼304设置得接近各相位掩模120，不在图示的“分解开的”位置上。如果在各实施例中可行的话，调准部分305具有接收光纤孔眼306和一光源光纤孔眼307。
在标称上调准的接收平面160和自映象平面265中，对于每一相应的纤维光学接收通道190，相应的相位掩模对入射的自映象光照作空间滤波。在示于图4之中的示范性实施例中，相应的相位掩模120a、120b和120c各自具有与相应映象间距Psi相同的一掩模间距Pm，而且它们就自映象266而言被配置在0度、120度和240度的相应空间相位位置处。因而，纤维光学接收通道190a、190b和190c接收除了空间相位差之外以类似方式经过空间滤波的光照。将会理解，随着标度盘90沿着一相应的测定轴线移动一增量Pg或P′g，自映象相对于相位掩模120移动一增量Psi或P′si。因而，对应于光学接收通道190a、190b和190c的光学信号191a、191b和191c随着标度盘90沿着相应的测定轴线82移动而大致上显示等同的正弦形强度变化，但带有120度的相对相位错移。一如图4之中所示，读头件60的相位掩模120的取向类似于读头件60″的相位掩模120″。相反，读头件60′的相位掩模120′的取向则垂直于读头件60和60″的相位掩模120和120″。因而，随着读头沿着测定轴线82移动，读头部60和60″结合相位掩模120和120″提供相应的位移测量信号，而随着读头沿着测定轴线83移动，读头件60′结合相位掩模120′提供相应的位移测量信号。一如上面所指出，对应于每一相位掩模120a、120b和120c的光学接收通道190a、190b和190c，随着2D标度盘90沿着相应的测定轴线82移动，大致上显示等同的正弦形强度变化。根据此种“三相位”位移信号，一些为人熟知的方法可被用于确定标度盘90相对于各相位掩模120a、120b和120c的位移。一种示范性方法示出在先前引入的′312申请之中。特别是，在本发明的一项示范性实施例中，读头件60的三个光学信号191a、191b和191c可以由′312申请中所述的示范性方法予以处理来确定两个导出的正交信号值(quadraturesignal value)Q1和Q2。更为一般的是，出自每一读头件60、60′和60″的三个光学信号之中的每一个可以类似地予以处理以产生相应的导出的正交信号数值Q1i和Q2i，这里i是一对应于被分析的特定读头件的下标。在以下的讨论中，比如，i＝1用于读头件60，i＝2用于读头件60′，而i＝3用于读头件60″。在每一情况下，两个导出的正交信号数值Q1i和Q2i可利用模(modulo)为2π的一个二变元反正切函数(two-argument arctangent function)进行处理来确定2D标度图形PAT的相应波长或周期内的一当前相位位置φi。
φi＝atan2(Q1i，Q2i)  (方程3)
方程3中表明的二变元“atan2”函数是可达到的并在许多公开可用的数学程序中有所说明。函数结果是Q1/Q2的反正切，为弧度。不过，采用两个变元使得可以确定所得角度的象限，以致结果在-Pi与+Pi之间，而不是在-Pi/2与+Pi/2之间。沿着每一相应的测定轴线，2D标度盘90和相应的(各)读头件可以被用来通过将相应的波长乘以当前相应的相位位置φ1来提供2D标度盘90的一个相应波长或周期内的位置测定结果。在位移期间，累积波长的数目可以通过已知方法予以数定用来提供在一个长范围的位移和/或位置测量结果。在一项示范性实施例中，2D标度盘90的各相应波长等于8.00微米。在不同的其他示范性实施例中，2D标度盘90的每一相应波长都在大约4至大约40微米的范围之内予以选择。在不同的示范性实施例中，相应的波长是不相等的。
因而，示于图4之中的示范性2D纤维光学读头装置20a提供了一种二维位移测量系统，可用在多种符合本发明的2D纤维光学读头之中。本技术领域的技术人员还会理解，示于图4之中的反射式2D纤维光学读头装置具有一透射式2D纤维光学读头装置的配对物。在这样的情况下，光源280沿着Z轴线被定位于透射式标度盘相反一侧的同一距离处，在光源280与此标度盘之间的一类似的光源间隙处。
示范性的绝对位置式纤维光学读头装置20a提供了一种三相位测量系统。不过，将会理解，相位掩模120的另外一些实施例，连同光学接收通道190的相应另外一些配置，一如引入的′312申请之中所述，可用在普通的纤维光学读头装置20a之中。
图5表明一方框图，包括一普通的远程电子界面单元405，可结合符合本发明的一种2D纤维光学读头，一般地由2D纤维光学读头400表示，一起使用。远距电子界面单元405包括信号处理和控制单元493；光源477，此光源可以包括一可选择的透镜；以及一特定于实施例的多个光传感器/放大器492A至492n、492A′至492n′和492A″至492n″。光源/透镜477可以包括其他一些光学器件，诸如光学隔离器或类似物。光源/透镜477和光传感器/放大器492A至492n分别经由光源光纤470和接收器光纤430A至430n联接于2D纤维光学读头400的读头件60。类似地，光源/透镜477和光传感器/放大器492A′至492n′分别经由光源光纤470′和接收器光纤430A′至430n′联接于2D纤维光学读头400的读头件60′，以及光源/透镜477和光传感器/放大器492A″至492n″分别经由光源光纤470″和接收器光纤430A″至430n″联接于2D纤维光学读头400的读头件60″。虽然光源/透镜477图示为单一单元，但在不同的实施例中，可设置多个单独的光源/透镜。特别是，在此披露不同实施例中，其中不同读头件使用不同的相应光照波长，为每一不同的波长设置一单独的光源/透镜。在不同的其他示范性实施例中，光源/透镜477可以包括一或多个单个的光源部件或一光源阵列，每个光源光纤一个，或者包括单一光源，此光源或是直接地或是在最初被输进馈入“分立的”光纤的单一光纤之后被分配到多条光纤里去。在不同的各示范性实施例中，至少是向“自映象”读头件提供光线的光源光纤470是单一模式光纤，它们提供改善了的光照分配稳定性，尽管存在着读头电缆的潜在弯曲和移动。
各光纤可以通行在一条读头电缆(未画出)之内，后者聚拢和保护2D纤维光学读头400与远程电子界面单元405之间的各光纤。可以采用单一读头电缆或多条读头电缆。在符合本发明的不同的示范性实施例中，读头电缆可以是几米长或更长。接收光纤430A至430n分别传送光学信号491A至491n。光学信号491A至491n是如上述和下面说明的相位信号。类似地，接收光纤430A′至430n′分别传送光学信号491A′至491n′，以及接收光纤430A″至430n″分别传送光学信号491A″至491n″。
光源/透镜477接收能量并可接收出自信号处理和控制单元493的增益控制信号。一如上述，光源/透镜477经由光源光纤470、470′和470”把光线传送到2D纤维光学读头400和标度盘90的标度光栅图形上。2D纤维光学读头400的纤维光学检测通路，诸如上述的纤维光学接收通路190a至190c等，接收出自标度盘90的标度光栅图形的光线并提供信号491A至491n，后者分别被输入到光传感器/放大器492A至492n。光传感器/放大器492A至492n向信号处理和控制单元493提供放大的电子输出信号491Ax至491nx。类似地，光传感器/放大器492A′至492n′向信号处理和控制单元493提供放大的电子输出信号491Ax′至491nx′，以及光传感器/放大器492A″和492n″向信号处理和控制单元493提供放大的电子输出信号491Ax″至491nx″。在不同的示范性实施例中，信号处理和控制单元493然后按照以上概述的方程和教导来确定位置。
将会理解，在以下进一步说明的不同的示范性实施例中，符合本发明的一种纤维光学读头可以提供许多携带予以总和的光学信号的纤维光学接收通路。对于这些实施例来说，携带予以总和的光学信号的光纤可以接合于同一光传感器/放大器492以便形成预期的信号总和，或者接合于不同的光传感器/放大器492，它们在另外的信息处理期间使其信号以电子方式被总合。将会理解，在以下进一步说明的不同的其他各示范性实施例中，一种符合本发明的光纤读头可以设置另外一个或多个读头件，包含另外的许多光纤接收通道。对于这些实施例来看，携带相应光学信号的另外的光纤可通过类似的另外一些连接装置接合到光源/透镜477和类似的光传感器/放大器492以提供所需用于信号处理的信号。因而，示于图5之中的结构只是例证性的而不是限制性的。
图6和7示出了符合本发明的2D纤维光学读头装置20b的第三个示范性实施例。2D纤维光学读头装置20b的运作基本上类似于以上参照图4所述类别的2D纤维光学读头装置20a，并包括类似的部件。由于结构和运作方面的类似性，以下将仅只对2D纤维光学读头装置20b的需要额外解释的方面进行描述。
一如图6和7中所示，2D纤维光学读头装置20b包括读头件560、560′和560″。一如图7之中看得最为清楚，读头件560包括第一组三个纤维光学接收通路590A-590C，类似于前述纤维光学接收通路190那样运作。应当理解，2D纤维光学读头装置20b提供了符合本发明的一种“均衡对”式2D纤维光学读头件的第一范例。为了提供符合本发明的一种均衡对式2D纤维光学读头件，每一读头件560、560″包括第二组三个相应的均衡纤维光学接收通道590Ax-590Cx，它们如图所示分别成各“均衡对”地配置在光照场中心257的与相应纤维光学接收通道590A-590C相对的一侧上。标出在图7之中各光纤接收孔口510上的成对数字1-1、2-2和3-3指明了各均衡对。
一如图6之中所示，读头外壳500包括圆柱形套圈540，带有调准槽沟545。套圈的内径包含三个孔眼541，以轻微干涉配合地套装在三个相应读头件560中每一个的紧密组合的周边接收光纤530和中心光源光纤570。在一种示范性组装方法中，带有制备好的平整端部的光纤从后端被调准并插进套圈540，而且插进直至稍微突出在安装表面542之外为止。然后，承载在相位掩模器件561上的各相应相位掩模组520、520′和520″在一显微镜下被调准对齐于光纤端部，被推靠于各光纤端部以使它们共面于安装表面542并紧紧粘于安装表面542。光纤然后被粘合于套圈并被彼此粘合。另外，安装表面542做得齐平于套圈540的端部，并且带有制备好的平整端部的光纤从后端部被调准并插进套圈540，而且插进直至稍微突出在安装表面542之外为止。然后，围绕光纤的端部涂放粘接剂以提供支承并固定各光纤于套圈540。然后光纤和粘接剂经过精磨和/或磨光而返回齐平或几近齐平于安装表面542。然后，承载在相位掩模器件561上的各相应组相位掩模520、520′和520 ″在一显微镜下被调准对齐于光纤端部，被推靠于光纤端部并紧紧粘合于安装表面542。
在一示范性实施例中，相位掩模组520制作在相位掩模器件561的“内部”上，最接近光纤端部。光源580由光源光纤570端部形成。在一示范性实施例中，光源光纤570是单模光纤，用作点光源以便以635nm的波长发射光线，并且是由3M公司制作的零件编号为FS-SN-3224的光纤，具有的外径DSF＝250微米。接收光纤530全部是相同的市场上有售的多模光纤，其是一种硅光纤，具有200/220/250微米的心线/敷层/缓冲层直径DRA/DRC/DRF。因而，2D纤维光学读头装置20b之中的所有光源和接收光纤具有同样的250微米外径并因此按照本发明可以以一种良好的紧密组合组件的结构予以设置，提供了既高度精确而又经济的精细调准和组装。在此示范性实施例中，良好的紧密组合组件结构是一种六角形的紧密组合组件结构。
每一各接收光纤530和光源光纤570具有一敷层和芯线。敷层由外部圆圈表示，而芯线由内部圆圈表示。可以看出，在示于图7之中的实施例中，光源光纤570就其敷层的外径而言具有相对较小的芯线。相反，如光纤530A所表示的接收光纤相对于其敷层的外径具有较大的芯线。
应认识到，与用于示出在图4之中的2D纤维光学读头装置20a读头件之中的三光纤接收结构相比，此实施例20b的读头件的均衡6光纤接收结构提供了两倍的接收光线，并因此提供了两倍的潜在信号强度。其次，接收孔口510的均衡对式配置排除了由于读头未调准所造成的某些误差而增大了测量精度，一如引入的′312申请之中所述。
应当理解，一种诸如2D纤维光学读头装置20b这样的组件提供了高分辨率全光学编码器读头，其中每一读头件560具有1.0mm或更小的直径。还应当理解，此装置提供了低成本精确“自我组装”。另外应当理解，光源光纤570之所以“设计得尺寸过大”，就是在于这些组装目的。2D纤维光学读头装置20b还按照将在以下参照图8予以说明的设计原理提供了相对较高的S/N比值。
比如，在一特定的示范性实施例中，对于上述由3M公司制作、零件编号为FS-SN-3224的示范性光纤的平整端部来说，已经确定的是，“半最大”光束半径的发散半角大致上是4.5度。因此，在2D纤维光学读头装置20b的一项示范性实施例中，对于带有反射式标度盘和大约1.6mm的自映象间隙的标度盘90来说，光照场256的半径RW大致上等于tan(4.5)*2*1.6mm＝253微米。对于上述的示范性光纤特征和尺寸以及2D纤维光学读头装置20b的一一种紧密组合实施例来说，接收孔口510的定位半径RAL大致上等于250微米。因而，RW大致上等于RAL并离开0.83*RAL的值不远，这将在以下参照图8较为详细地予以说明。其次，接收孔口510的接收孔口直径DRA是DRA＝200微米，这大致上是4/5*RAL。按照将参照图8予以概述的信息，采用这种设计关系，每一光纤接收通道应当提供一个趋近于可获得的最大值的相对S/N比值。通过实验，发明人已经采用一种具有8微米光栅间距的1D标度盘、在1纳米分辨率下、与这一类型可比的读头装置展示了稳定的位置读数。
应当理解，这一示范性实施例只是例证性的，而不是限制性的。更为一般的是，可以对光源光纤进行制备或选择以形成“半最大”光束半径的大约2到10度或更大的范围的发散半角，而且相应读头的设计可以按照本发明的原理和在引入的′312申请之中所述的那样加以选择。
应当理解，结合前述示范性实施例所阐述的尺寸可以提供一种纤维光学读头装置，其中每一光照场256之中的基本上所有的光照能量位于一圆周范围之内，此圆周具有的半径(大约2.55*RW)显著地小于至少一个可运作的自映象间隙的尺寸。还应当理解，前述示范性实施例所描述的尺寸可以提供一种纤维光学读头装置，其中每一接收光纤孔口510与相应的光照场256中心(此中心重合于标度光轴线256)间隔开一个定位半径RAL，后者显著地小于至少一个可运作的自映象间隙(operable self-imaging gap)的尺寸。这些设计关系着重于符合本发明的一种高分辨率自映象读头件可实现的紧凑尺寸，其得符合本发明的一种高分辨率绝对纤维光学读头装置的宽度和高度或直径可能趋近于运作间隙尺寸的几倍或更小。这些紧凑的尺寸允许符合本发明的读头装置运作和移行在一运作空间之中，此空间只是具有可比的性能特点和坚固性的先前已知读头所需的运作和移行空间的一部分。这些先前已知的读头一般具有的宽度和高度尺寸是它们运作间隙尺寸的许多倍，这就限制了它们的在许多应用场合下的潜在实用性、经济性和方便性。
一如图7之中所示，对于每一读头件560，相位掩模器件561包括一组相位掩模520，包括相位掩模520A-520C和520Ax-520Cx。每一相位掩模520A-520C和520Ax-520Cx包括光栅挡杆521，在此也称作空间滤波挡杆，它们对于读头源光是不透明的。光栅挡杆521排列在对于读头源光为透明的基底565的表面562上。铬、铜及其氧化物是可以用于对光栅挡杆521进行构图的通常材料。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的有效掩模面积是包含光栅挡杆521的面积。这一有效掩模面积应当具有足够的大小以覆盖相应接收孔口510的畅通孔口区域(clear aperture area)并带有额外的允差以适应总装体定位的变化。以前说明过，示出在掩模器件561中心处的是调准环圈563，此环具有畅通的孔口564用于来自光纤570的源光。畅通孔口的大小，比如，比在DSA＝4微米的量级的单模心线直径大几倍。在一项示范性实施例中，相位掩模器件561是由钠钙玻璃制成的，具有0.25mm的厚度以及匹配于套圈540相应内径的直径(见图4)。
掩模光栅档杆521沿着X轴线方向(对于读头件560和560″)或Y轴线方向(对于读头件560′)按照匹配于可运作的自映象平面上的光栅映象的周期的周期而周期性地予以配置，一如前述。如图所示的示范性相位掩模器件561在每组相位掩模520中具有6个相位掩模与一均衡式结构中的6条纤维光学接收通道一起使用，在此结构中，沿直径相对的各纤维光学接收孔口在相对于标度盘移动读头时接收光信息调制的同样相位。各相位掩模具有0度(52A和520Ax)、120度(520B和520Bx)和240度(520C和520Cx)的空间相位。各相位掩模520之间的边界，对于构造有可用于自映象编码器的光栅档杆521的相位掩模器件来说，在显微镜下是容易看到的。这些都可以用于相对于接收光纤来调准相位掩模器件561。发明人已经发现，采用显微镜和XYZ微米载物台以相对于各接收光纤定位相位掩模器件561，可以容易地实现在小于20微米和甚至小于10微米的允差以内的调准。
以下的讨论涉及下面参照图8所述的结果。应当理解，符合本发明的光纤读头可以是超微型读头。应当理解，与不采用自映象的和/或未设计用来提供高分辨率和高精度位置测定信号的相对比较粗制的光纤编码器读头相比，这种光纤编码器读头的尺寸和潜在信噪比都是至关重要的。各种设计约束条件，诸如所需的或经济的光纤尺寸、在特定自映象间隙处直接从光纤光源获得的实际光照场尺寸和实际的组装定位约束，全部都是重要的设计考虑事项。特别是，应当理解，按照本发明可用的许多光纤所形成的小接收孔口直径可以大大地小于现有读头中使用的大多数或全部电子检测器，以及这样一种小的接收孔口直径严重约制了可供利用的信号能量和最终的信噪比。
由于所有这些原因，重要的是要遵守与按照这些严酷设计约束条件来提供适当信噪比相关的某些设计关系。这些设计关系不仅表明与最佳性能相关的设计条件，而且还表明一个范围，其中由于总装技术、部件成本或其他原因而作出设计方案的协调，同时依然保持微米级或甚至亚微米级分辨率和精度。一如下面较为详细地说明那样，光纤编码器读头的某些设计因素可以用来在符合本发明的各种示范性光纤编码器读头实施例中提供合乎要求的信噪比。
在不同的示范性实施例中，符合本发明的一种可用的光源是纤维光学光源，不带单独的透镜或准直器。在不同的示范性实施例中，这样一种纤维光学光源从其端部输出一发散的源光光束，此发散的光束一般具有在4.5至10度范围之内的发散半角。有理由在这样一种源光光束中假设一种高斯强度分布。高斯光束分布性质充分说明在关于光纤应用的文本中。出于某些原因，这种高斯强度分布在符合本发明的2D纤维光学读头装置中是一重要的考虑事项。应当理解，在这样一种光束中的照度，亦即每单位横截面积的有用光通量沿着光束轴线不平均地集中，因而，位置远离光束轴线的接收孔口由于高斯分布而经受“额外的”信号损失(相比于“均匀光束假定”来说)。此外，应当理解，正如在均匀光束中那样，由于“发散损失”，每当光束的一光点范围或光照场的半径增大时，平均的光束照度将由于各纯粹几何因素而减小。另外，应当理解，在一种具有高斯光束的“调准的”反射式结构中，诸如图4之中所示者，光照场265中的最大照度是在光照场257中心上和在围绕中心的周围处，不过，与光源的机械干涉280和各种其他组装考虑事项可能阻碍把接收孔口110安放在最大照度的那一区域中。
以下的方程，即方程4，上述各因素在变量D内加以考虑。此外，此方程包括其他各重要因素以提供在符合本发明的一种2D纤维光学读头装置中信噪比对各种设计因素依赖情况的有用分析：
S ≈PCg1g2DRdGd  (方程4)
下表定义了用于方程4之中的符号，并且还包括在可应用的情况下用以确定显示在图8上各种结果的典型数值。
表1
  符号   说明   数值
  S   信号功率   因变量，结果
  P   激光功率(见图4)   20mw
  C   光纤联接界面损失   0.9
  g<sub>1</sub>   标度效率(反射损失)   0.25
  g<sub>2</sub>   相位掩模损失(滤波)   0.8
  D   发散损失：几何效应，包括高斯光束效应在内   因变量：一如上述
  R<sub>d</sub>×G<sub>d</sub>   光检测器和前置放大器：反应度×增益(见图4)   16V/mW
0.05mV的数值可以取作诸如示于图5之中的一种适当的2D纤维光学读头信号处理远控电子装置之中的典型电子系统噪声。
图8是一简图，示出当一纤维光学检测通道的接收孔口设置在距光照场中心的不同接收孔口定位半径RAL处，大致上对应于以上参照图3所述的那类2D纤维光学读头装置时，相应于各种接收口直径DRA所获得的具代表性的相对信噪比。表示在图8中水平轴线上的光照场半径RW，类似于诸如上述光照场256等的光照场半径。对于高斯光束分布来说，光束或最终光照场的边沿不是明确限定的。在此情况下，RW被定义局部光束强度是光照场中心处局部强度的一半的光照场中的半径。按照这一定义，在半径RW之外具有相当大的照度，但是99％的光束总能量落入大约2.55RW的半径以内。接收孔口定位半径RAL，示于图8之中铅直轴线上，以及示于图8中不同部位处的接收孔口直径DRA，先前都已经参照图6和7予以定义。
应当理解，图8的结果取决于不同尺寸之间的比值，而不是特定的尺寸本身。因此，用于示出在图8之中各轴线的长度单位是任意的。当比值的一项要素由于多种原因而被选定和被约制于一特定尺寸时，比值变得在设计中有意义。然后补充因素的特定尺寸可以相应地予以选择。直线888包含针对不同的接收孔口直径数值DRA的参照标记和相应标志。为了保持图8的普遍性，接收孔口直径数值DRA作为其相应的接收孔口定位半径RAL的某一部分而被给出。
应当理解，由于示于图8之中的S/N比值是相对S/N比值，所以图8可以用来反映单一的“理想”检测通道，或者光学组合式“均衡的一对”检测通道等的相对的S/N比值特性。亦即，虽然不同的一组估算设计值和/或假设，诸如较低的激光功率、较高的噪声数值或者光学组合式2或多个接收通道信号，都将影响估算的S/N比值的定量数值，每一组假设将以大致上同样的方式影响每一设想的信号。因而，显示在遍及图8不同各部位处的定性或相对S/N比值对作出合理的相对设计选择和协调保持有效的设计指导，即使在改变了上述的各种设计数值的时候。应当理解，从符合本发明的一种读头得到的实际位置确定结果也可以由于大量的其他因素，诸如各种相位信号之间的均衡、相位信号的空间谐波、污染、调准不当等而被劣化。其次，在一种符合本发明原理的具有多个读头件的读头中，按照一如上述的实用和经济的设计选择，单一光源/透镜477可以用于2或更多的读头件。这在各读头件之间对可供使用的激光功率进行划分(如表1之中所示)，降低了信噪比。然而，显示在图8之中的相对S/N比值提供了非常有用的设计指导，尤其对于在各种合理和类似设计中确定各种设计协调的相对潜在性能。应当理解，本技术领域中的技术人员可以进行适当的读头实验以验证对应于图8之中采一特定部位的定量S/N比值，而后采用图8的相对S/N比值来估算该结果以大致上估算关联于图8之中其他“设计区域”的定量结果。比如，发明人已经采用一种标度盘以1纳米的分辨率在实验上演示了稳定的位置读数，此标度盘具有8微米光栅间距，带有接收孔口的均衡对配置，其中接收孔口直径DRA大致上等于接收孔定位半径RAL。这表明，在图8的这一“设计区域”内，一种按照本发明原理设计的读头可以产生定量上很高的信噪比。其次，重要的是，基于这种实验结果和图8，可以评估符合本发明的、各种其他类似读头设计的近似相对定量性能，在此，设计因素对应于图8之中的其他各设计区域。
在图8中，针对RW和RAL数值的各种组合，各种相对S/N比值结果沿着不同的相对S/N比值的“等值曲线”被显示出来。在每一相对S/N比值等值曲线(isocurve)上有一对应于RAL最大值的“顶峰”，可用以获得该相对S/N等值曲线的相对S/N比值。对应于接收孔口定位半径RAL“最大值”的示于图8之中的每一相对S/N等值曲线顶峰，出现在对于该RAL特定数值来说为最佳的光照场半径RW处。直线888通过所有这种相对S/N等值曲线的峰顶。应当理解，任一特定的接收孔口定位半径RAL(图8之中的一水平直线)相交于直线888上的一相应点。对应于直线888上该相同点的照明场半径RW(图8中一铅直直线)的任何偏离将对该特定接收孔口定位半径RAL产生较低的相对S/N比值和较差的性能。
应当理解，为了基于符合本发明的2D纤维光学读头所提供的正弦形信号形成高分辨率和精度，不仅希望数出所累积的标度间距单元或波长的数量，而且希望在“初始”与“最近”波长之内插值以达到尽可能高的程度。一般，对于在引入的′312申请中和在此所披露的纤维光学自映象读头来说，提供了高质量正弦形信号，而插值水平约略对应于S/N比值。亦即，在S/N比值为1000的情况下，大致上峰顶对峰顶正弦形信号的1/1000th可能被辨别出来。考虑到发明人已经采用具有8微分光栅间距的1D标度盘在1纳米分辨率下以实验方式演示了稳定的位置读数，即使考虑到来自于一2D标度盘的可预料到的附加的信号强度减少和出现在实际所用的自映象读头的正弦形信号之中的已知误差源，上述的实验性能也对应于正弦形信号变化，后者与理想的正弦形变化偏离这些正弦形信号的峰顶对峰顶变化的至多1/64的比例。对于在此披露的各种读头，应当理解，这种性能允许涉及部件选择、成本降低或加工性等的各种设计协调安排，根据图8，它们可能降低S/N比值，仍然导致希望的绝对测量读头。在这些实施例中，正弦形信号变化可能从理想的正弦形变化偏离这些正弦形信号的峰顶至峰顶变化的高达1/32甚至高达1/16的比例，并仍然产生一种符合本发明原理的可用的微型2D纤维光学读头。
基于前述的假设和设计数值的示于图8之中的相对S/N比值的结果，表明无论接收孔直径DRA如何，对于某一给定的接收孔口定位半径RAL，最佳的“半最大”光照场半径RW大约等于0.83*RAL。图8还表明，把“半最大”光照场半径RW减小到大约0.5*RAL，或者把“半最大”光照场半径RW增大到大约1.7*RAL，可产生大约是在0.83*RAL处所提供的相对S/N比值的一半的相对S/N比值，这在符合本发明的不同示范性实施例中是S/N比值的显著且不希望有的减小。因而，在符合本发明的不同示范性实施例中，“半最大”光照场半径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％的总光束能量落入大约2.55RW的半径之内，所以这一相同的设计关系也可以表达如下：在符合本发明的不同示范性实施例中，99％的光束总能量落入在可运作的自映象平面和/或相位掩模平面处的一个总光照场半径之内，在此，总光照场半径至少等于0.5*RAL*2.55，亦即大约1.28*RAL并且至多等于1.7*RAL*2.55，亦即大约4.34*RAL。不过，应当理解，在不同的其他示范性实施例中，符合本发明的一种自映象2D纤维光学读头，即使在接收光照场半径RW小于0.5*RAL或大于1.7*RAL时，也保持各项优点。比如，采用符合本发明的一种自映象2D纤维光学读头，有可能组装方法特别良好和尺寸较小，一如下面进一步所述。
示于图8之中的结果还表明接收孔口直径DRA与接收孔口定位半径RAL的关系对相对S/N比值的影响。应当理解，按照在此所用的假设和定义，接收孔口定位半径RAL一般将不小于DRA的一半。其次，对于采用直径与各接收光纤直径相同的光源光纤的一种紧密组合组装结构来说，如图6和7之中所示者，接收孔口定位半径RAL大约等于DRA一如沿着直线888所示，大于320的相对S/N比值出现在接收孔口直径DRA趋近大约等于接收孔口定位半径RAL的数值的位置处。一如前述，以实验方式，发明人已经采用一1D标度盘在1纳米的分辨率下演示了稳定的位置读数，此标度盘具有8微米光栅间距，带有接收孔口直径DRA大约等于接收孔口定位半径RAL的读头装置。因而，即使假定，与1D标度盘相比，由于2D标度盘造成在信号强度方面的预期减小，仍然可以推断，在采用结合有2D标度盘的这样一种读头装置时，可以获得达到2纳米量级的分辨率。
一如沿着直线888所示，当接收孔口直径DRA对接收孔口定位半径RAL的比值减小到大约1/3时，按照用于确定示于图8之中的各种结果的设定，形成了稍微大于50的相对S/N比值，亦即，相对S/N比值至少比接收孔口直径DRA趋近大约等于接收孔口定位半径RAL的数值时差6倍。应当理解，对于具有相对较低信噪比的结构来说，精确插值水平降低了。在符合本发明的不同示范性实施例中，不希望设定较低水平的潜在性能。因而，在符合本发明的不同示范性实施例中，接收孔口直径DRA应当大于或等于该接收孔口的定位半径RAL的1/3。
一如沿着直线888所示，当接收孔口直径DRA对接收孔口定位半径RAL的比值进一步下降到大约1/5时，相对S/N比值以大约为2的附加因数下降。也就是，当比值DRA/RAL从1/3降至1/5时，根据本发明的一2D纤维光学读头中的潜在性能以大约为2的因数下降。不过，减低DRA/RAL到这一水平可以提供有用的设计灵活性和/或更加经济的部件或总装体，同时仍然给出亚微米级性能，连同给出采用符合本发明的一种自映象2D纤维光学读头所能提供的微型尺寸和其他优点。因此，在符合本发明的不同的示范性实施例中，接收孔口直径DRA应当大于或等于该接收孔口的定位半径RAL的1/5。
随着比值DRA/RAL从1/5进一步下降到1/8，相对S/N比值以大约为2至3的另一因数下降。不过，减低DRA/RAL比到这一水平可以提供更加有用和经济的设计和组装灵活性，同时仍然给出微米级功能，连同给出采用符合本发明的一种自映象2D纤维光学读头所能提供的微型尺寸和各种其他优点。因此，在符合本发明的不同的示范性实施例中，接收孔口直径DRA应当大于或等于该接收孔口的定位半径RAL的1/8。
当接收孔口直径DRA下降到小于该接收孔口的定位半径RAL的1/8时，符合本发明的一种自映象2D纤维光学读头的性能潜力在某些情况下，对比于其他一些市场上有售的大得多的编码器读头并不突出，但其尺寸与这些编码器读头相比依然是显著的。另外，它的大小、和/或分辩率及精度、和/或操作的耐久性相比于使用其它物理或光学原理的现有光纤解码器来说依然是显著的。另外，正如上面和下面所述，采用符合本发明的一种自映象2D纤维光学读头可实现特别有利的组装方法。因而，在不同示范性实施例中，符合本发明的一种自映象2D纤维光学读头，即使当接收孔口直径DRA下降到小于该接收孔口的定位半径RAL的1/8时，仍能获得多项优点。
发明人还已经确定，在符合本发明的不同示范性实施例中，比较理想的自映象只存在于比较接近由一身为点光源的光源生成的光照场的中心处。在这种情况下，随着接收孔口的定位半径RAL的增大，按照本发明所能提供的自映象在距光照场中心不断增大的半径处表现出在可见性和空间掩模方面的不断增大的非理想变化。确实，关于自映象的最广为人知的许多参考文献都作出把它们的有效性限制于自映象光照场中心的设定。因而，不否认关于符合本发明的自映象2D纤维光学读头中的相对S/N比值的前述讨论的有效性，在不同的示范性实施例中，接收孔口的定位半径RAL也做得其他设计、组装和成本协调所允许的那样小。
图9示出了光学检测器1100，可结合符合本发明的各种2D纤维光学读头一起使用，处于相对于2D标度盘1190的一种例示性取向，标度盘1190在不同的示范性实施例中与前述标度盘90是一样的。如图9之中所示，一专用的示范性光纤读头装置1120，在不同的示范性实施例中与前述光纤读头装置20a是一样的，包括读头件1160，类似于先前参照图4所述的光纤读头件60。读头件1160大体上沿着光束路径1101把发散的源光传送到光学导向器1100，在那里，它沿着光束路径1102被折射并穿过运作间隙1103而朝向标度盘1190。同样，自标度盘1190反射、散射和衍射的标度光大体上沿着光束路径1102返回到光学导向器1100并朝向大体上沿着标称光束路径1101对中的读头件1160折射回来。标度盘1190沿着测量轴线82和83的方向相对于光纤读头装置1120和导向器1100移动。返回的标度光，在相对于示范性光纤读头装置1120的纤维光学接收通道结构大体上对中的光照场中、在自映象平面处，形成标度光栅1190的自映象，一如先前参照符合本发明其他示范性实施例所述。应当理解，示范性光缆读头装置1120的相位掩模的光栅档杆的取向使得它们或是平行于直线82A，即平行于测量轴线82(对于读头件1160’来说)，或是另外平行于直线83A，即平行于测量轴线83(对于读头件1160和1160”)。还应当理解，导向器1100越是精确地相对于90度的标称折射把光束路径1101折射成为光束路径1102，光束路径1102越是精确地正交于标度盘1190的表面，最终的位置测量系统就将越是精确和耐用。
在不同的示范性实施例中，导向器1100是一反射式直角棱镜、平面镜，或者其他适当的光学部件，可靠地安装在相对于符合本发明的一种2D纤维光学读头呈固定关系单独的构件上。为了保持对于自映象可运作的较短路径长度，并仍然相对于标度光栅1190保持实用的运作间隙，导向器1100最好是安装得尽可能地靠近读头件1160。应当理解，在不同的示范性实施例中，导向器1100可能相对于不带导向器的一种读头结构需要增大的总自映象距离，这也可能相对地增大来自光源和标度盘的光线的总发散度。因而，在这种情况下，应当留心调整不同的读头设计参数以保持符合本发明原理以及’312申请中所披露的设计关系。不同的示范性实施例中，导向器1100被确当地调准和直接装接于套圈1140。在不同的其他示范性实施例中，导向器1100也可以用作一基底以形成符合本发明的相位掩模器件，使符合本发明的各相位掩模直接制成在朝向套圈1140设置的导向器1100的表面上。
在示于图9之中的实施例中，2D光纤读头装置1120取向得其长轴横交于标度盘1190的测定轴线82的方向。套圈1140或标度盘1190可以被固定就位，而另一人是活动的。将会理解，在许多应用场合下，由于符合本发明的2D纤维光学读头和编码器的超微型尺寸，以这种方式使用诸如示范性导向器1100的导向器是很实用的。还应理解，在许多应用场合下，一种诸如示范性导向器1100的导向器还通过允许2D纤维光学读头相对于标度盘1190和测定轴线82和83的方向灵活地取向而加强了符合本发明的一种2D纤维光学读头和编码器的实用性，以致读头的最大的和最窄的尺寸在所需的方向上取向。还应进一步理解，采用一种诸如示范性导向器1100的导向器有助于将读头装置1120的光纤和/或光缆的路线沿希望的方向取向。
应当理解，在此图示、说明或教导的任何实施例可以适于提供相似于引入的’312申请之中所教示的任何圆形或圆柱形转动位置读头装置的2D测量系统。
一种示范性圆形转动实施例可以通过将示于图9之中的标度盘1190认为是相对平面的转动光栅标度盘的一个分段而予以了解，后者在其平面内围绕平行于Y轴线的轴线转动。在不同示范性圆形转动实施例中，示于图9之中的标度盘1190的分段因而是2D标度径迹(scale track)的一部分，其至少稍微地宽于沿着测量轴线82的方向(径向)环绕2D光纤读头装置1120的相位掩模部分的圆的直径且在距转动轴线的至少几倍于径迹宽度的一半径处大体上围绕沿着测量轴线83的方向(切向)延伸的一环形径迹延伸。在这样一种情况下，测量轴线83顺随着在X-Z平面上的相对平面的圆形路径。在不同的示范性实施例中，此半径至少是几倍于径迹宽度地离开转动轴线，以避免标度图形沿着径向相对于在标度径迹中部处的标称尺寸和读头相位掩模部分的标称尺寸具有过度的角度偏离。
比如，在一项示范性实施例中，沿着测定轴线82方向(径向)的径迹宽度是在2mm量级上，这为示于图9之中的2D光纤读头装置1120提供了1mm量级上的径向测定范围。环形径迹的标称半径大约是12.0mm，而沿着径向和切向(分别是测定轴线82和83)二者的标称光栅间距都是8.00微米。因此，在1mm的径向测定范围上，沿着切向的标称标度光栅间距将以稍大于8％的量变化，这将会使产生于至少读头件1160’，其为角测量读头件，的正弦信号的精度在不同径向位置上降至某一程度。将会理解，关于读头件1160和1160”，它们是径向测量读头件，沿着径向的标称标度光栅间距将是常量。这种圆形转动实施例可以在不同的测量和/或定位应用场合之中，用于同时测量角位移和径向偏差。虽然这些实施例可能相对来说不如采用具有纯粹直线和正交测量轴线的2D标度盘的那些实施例精确，但在不同的示范性实施例中，这些圆形转动实施例的精度对于许多有用的应用场合来说仍然是足够了。应当理解，随着径迹半径对径迹宽度比值的增大，这些圆形转动实施例的精确性可趋近于先前所述的线性平面实施例的精确性。相反，在不同的示范实施例中，随着径迹半径的增大，径迹宽度，即径向测定范围，可以相应地予以增大。
一种圆柱形转动实施例可以通过将示于图9之中的标度盘1190认为是围绕平行于Z轴线的轴线转动的相对圆柱形光栅标度盘的一个分段而予以了解。在这样一种情况下，测定轴线82顺随在X-Y平面上为圆形的相对圆柱面圆形路径。在不同的示范性圆柱形转动实施例中，示于图9之中的标度盘1190的分段因而是2D标度径迹的一部分，其可以在沿着测量轴线83的方向(轴向)具有任何希望的尺寸且大体上围绕沿着测定轴线83的方向(切向)延伸的一条圆周径迹延伸。在这样一种情况下，测定轴线83顺随着在X-Z平面上的相对平面的圆形路径。应当理解，自映象平面的场深在这些圆柱形实施例中必须予以考虑，一如上述。亦即，由2D光纤读头装置1120的各检测通道予以接收和空间滤波的、由圆柱形标度盘的弯曲表面产生的自映象所有部分都必须操作上“焦点对准(in focus)”。因而，一2D圆柱形标度盘的半径相对于读头掩模部分的各尺寸和它们的整体间隔来说必须是充分大的。在不同的示范性实施例中，光照波长是在635nm的量级上，标度光栅间距是8.00微米，而每一读头件是直径大约1.0mm并与相邻的读头件隔开大约1.0mm。对于这些近似的读件参数，可用来提供良好级别精度的自映象，在不同的示范性实施例中，是以在20mm量级上或更大的圆柱半径获得的。不过，应当理解，在不同的其他示范性实施例中，圆柱半径可以小于20mm，而这些圆柱形转动实施例的精度将在许多有用的应用场合下仍然是足够的。
虽然本发明已经结合上述示范性实施例作了说明，可明显的是，上述实施例和设计因素是对另外可选实施例的陈述，修改和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。因此如上所述，本发明的实施例，是例证性的并不是限制性的。可以在不偏离本发明的精神和范畴的前提下作出各种变动。

Claims (36)

1. 一种2D测量装置，用于测量两个构件之间的相对位置，此装置包括：
一2D标度盘，具有一沿着第一和第二测量轴线方向延伸的2D标度光栅，2D标度光栅包括一2D光栅图形，按照相应的第一和第二光栅间距沿着第一和第二标度光栅方向是周期性的；以及
一读头，包括至少第一和第二自映象读头件，各自用以提供可运作的2D标度光栅的自映象，每一相应的自映象读头件对应于第一和第二标度光栅方向之一，而每一相应的自映象读头件包括：
一光源部分，包括至少一个相应的光源器件；以及
多个纤维光学接收通道，每一相应的纤维光学接收通道包括：
一相应的接收通道空间相位掩模部分，具有一相应的掩模部分空间相位且其各阻光元件以用以沿着相应的标度光栅方向对2D标度光栅的可运作自映象作空间滤波的相应间距配置，且基本上位于用以对2D标度光栅的可运作自映象作空间滤波的相应空间相位掩模平面上；以及
至少一条相应的接收通道光纤，其具有一接收相应的接收通道光学信号光线的输入端；
其中：
对于每一相应的接收通道，由所述至少一条相应接收通道光纤接收的相应的接收通道光学信号光线，包括通过相应的接收通道空间相位掩模部分收在一相应的光线收集区域上集到的光学信号光线，所述区域沿着相应标度光栅方向具有的光线收集区域尺寸至少是相应接收通道空间相位掩模部分的一个完整周期；
对于每一相应的自映象读头件：
当所述读头在运作上相对于标度光栅定位时，相应自映象读头件的多个纤维光学接收通道的至少第一和第二相应通道，沿着相应空间相位掩模平面处的相应标度光栅方向，对2D标度光栅的可运作的自映象的其相应部分作空间滤波，以提供具有至少第一和第二相应光学信号相位的至少第一和第二相应接收通道光学信号；
具有相应光学信号相位的所述至少第一和第二相应接收通道光学信号沿着它们相应的光纤被输出，以提供多个相应光学输出信号形式的相对位移测量信息，相应光学输出信号在不使用电子光检测器件的情况下产生自经过空间滤波的标度光线；以及
其中，所述至少第一和第二相应接收通道光学信号用于以沿着相应的标度光栅方向确定相应自映象读头件的相应增量位置测量，而得自至少所述第一自映象读头件的增量位置测量对应于所述第一标度光栅方向，得自至少所述第二自映象读头件的增量位置测量对应于所述第二标度光栅方向，以及得自于所述至少第一和第二自映象读头件的增量位置测量可用于确定沿着所述第一和第二测量轴线方向的所述读头与2D标度盘之间的相对位置。
2. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中每一相应空间相位掩模平面包括用于总体读头的相同标称空间相位掩模平面。
3. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中对于每一相应的自映象读头件，至少每一光线收集区域和每一输入端都完全位于一相应的圆柱形容积之内，此容积具有一垂直于相应空间相位掩模平面的轴线并具有至多是3毫米的圆柱半径。
4. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中：每一相应的空间相位掩模平面包括用于总体读头的相同标称空间相位掩模平面；
所述读头包括一透明的掩模基底；以及
对于每一相应的自映象读头件：
每一相应接收通道空间相位掩模部分制作在一透明掩模基底的表面上，而其各阻光元件相对于2D标度盘的可运作自映象的沿着相应标度光栅方向的标称自映象间距，并相对于该自映象读头件的其他各接收通道空间相位掩模部分的各阻光元件，以在各相应接收通道空间相位掩模部分的各相应掩模部分空间相位之间建立预期关系的方式沿着相应的标度光栅方向予以定位；以及
每一相应接收通道空间相位掩模部分完全位于该自映象读头件的相应圆柱形容积之内。
5. 按照权利要求4所述的2D测量装置，其中每一相应接收通道光纤的输入端标称上定位得抵靠透明掩模基底表面上的相应接收通道空间相位掩模部分。
6. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中包含至少所述光线收集区域和输入端的每一相应圆柱形容积的圆柱半径至多是2.0毫米。
7. 按照权利要求6所述的2D测量装置，其中包含至少所述光线收集区域和输入端的每一相应圆柱形容积的圆柱半径至多是1.0毫米。
8. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中对于每一相应自映象读头件：
对于每一相应接收通道，沿着相应标度光栅方向的光线收集区域尺寸是相应接收通道空间相位掩模部分的至少三个完整周期；
每一光源器件包括一光源光纤，此光源光纤包括一单模光纤，源自一远控光源的光线从所述光源光纤一输出端处的芯线区域被输出；以及
每一光源光纤的输出端完全位于该自映象读头件的相应圆柱形容积之内。
9. 按照权利要求8所述的2D测量装置，其中对于每一相应自映象读头件：
所述至少一个相应光源器件包括一单一光源光纤；以及
每一相应接收通道光纤围绕所述光源光纤布置成一紧密组合结构。
10. 按照权利要求9所述的2D测量装置，其中对于每一相应自映象读头件，多个纤维光学接收通道包括配置成N个可运作对结构的至少2N条相应纤维光学接收通道，这里N是一等于至少是2的整数，而每个可运作对包括配置在光源光纤对置两侧上的两条相应纤维光学接收通道，其中对应于这两条相应纤维光学接收通道的两个相应的空间相位掩模部分具有(a)同一空间相位和(b)标称上相差180度的空间相位这两种情况之一。
11. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中至少两个自映象读头件的相应圆柱形容积的轴线沿着第一测量轴线方向彼此偏移，而这些轴线沿着第二测量轴线方向彼此偏移小于它们的相应圆柱半径之和的量。
12. 按照权利要求11所述的2D测量装置，其中所述读头包括至少三个自映象读头件，而至少两个自映象读头件的相应圆柱形容积的轴线基本上不沿着第一测量轴线方向彼此偏移，以及这些轴线沿着第二测量轴线方向彼此偏移至少是它们的相应圆柱半径之和的量。
13. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中所有自映象读头件的相应圆柱形容积配装在一具有一平行于相应各圆柱形容积的轴线的总的圆柱形容积之内，所述总的圆柱形容积具有一最多是9mm的总圆柱半径。
14. 按照权利要求13所述的2D测量装置，其中总圆柱半径是至多5mm。
15.按照权利要求14所述的2D测量装置，其中总圆柱半径是至多2.5mm。
16. 按照权利要求15所述的2D测量装置，其中总圆柱半径是至多1.25mm。
17. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中当所述读头可运作地相对于2D标度光栅定位时：
对于每一相应自映象读头件，一相应的总光照范围可以限定在相应的空间相位掩模平面处，使得由于该相应自映象读头件的光源部分造成的光能的至少95％被包含在该总光照范围之内，该总光照范围具有一相应的总光照半径；以及
每一相应自映象读头件的相应圆柱形容积的轴线与其最接近相邻的相应自映象读头件的相应圆柱形容积的轴线间隔开来一个距离，该距离至少是它们的相应总光照半径之和那样大。
18. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中：
对于至少两个相应自映象读头件，每一光源器件包括一光源光纤，而源自一相应控制的远控光源的光线从所述光源光纤的一输出端输出；以及
源自相应控制的远控光源的光线被控制而间断地开通和关断，以致在两个相应自映象读头件之一正在输出相应光学输出信号的时期的一最小时段内，两个相应自映象读头件中的另一不在输出光线。
19. 按照权利要求18所述的2D测量装置，其中所述至少两个自映象读头件的相应圆柱形容积的轴线彼此间隔开小于他们相应圆柱半径之和2倍的距离。
20. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中对于至少两个相应自映象读头件：
各相应自映象读头件中的第一个的光源部分提供第一相应的光波长；
各相应自映象读头件中的第二个的光源部分提供第二相应的光波长，后者不同于第一相应的光波长；
相应自映象读头件中的第一个和第二个中的每一个包括一相应的带通光学波长过滤器，匹配于其相关的光波长；
每一相应的带通滤波器相对于其相应读头件的相应光线收集区域予以定位，以便基本上阻挡波长不同于其相应的光波长的任何光线使之不能到达该相应的光线收集区域。
21. 按照权利要求20所述的2D测量装置，其中至少两个自映象读头件的相应圆柱形容积的轴线彼此间隔开来小于它们相应圆柱半径之和的两倍的距离。
22. 按照权利要求3所述的2D测量装置，其中对于至少两个相应自映象读头件：
相应自映象读头件中的第一个的光源部分提供具有第一相应偏振的光线；
相应自映象读头件的第二个的光源部分提供具有不同于第一相应偏振的偏振的光线；
相应自映象读头件中的第一和第二个中的每一个包括一相应的偏振滤波器，匹配其相应的光偏振；
每一相应偏振滤波器相对于其相应读头件的相应光线收集区域予以定位，以便基本上阻挡具有不同于其相应的光偏振的偏振的任何光线使之不能到达该相应的光线收集区域。
23. 按照权利要求22所述的2D测量装置，其中至少两个自映象读头件的相应圆柱形容积的轴线彼此间隔开小于它们的相应圆柱半径之和的两倍的距离。
24. 按照权利要求2所述的2D测量装置，其中对于至少两个相应自映象读头件：
相应自映象读头件中的第一个的光源部分提供第一相应的光波长；
相应自映象读头件的第二个的光源部分提供一第二相应的光波长，后者不同于第一相应的光波长。
25. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中：
2D标度光栅包括反射器件：
每一相应的光源部分沿着一相应源光路径发射源光，此路径具有一源光中心轴线，其取向得在相交点处沿着标称上正交于2D标度光栅的平面的方向与2D标度光栅相交；
自相应源光产生的标度光沿着一相应标度光路径被反射，此路径具有一标度光中心轴线，当读头相对于2D标度光栅标称上调准时，标度光中心轴线标称上被调准于其相应的源光中心轴线。
26. 按照权利要求25所述的2D测量装置，还包括一反射表面，其中：
反射表面用以使每一相应源光中心轴线和每一相应标度光中心轴线在沿着读头与2D标度光栅之间的轴线的某一部位处折转大约90度；以及
读头和反射表面相对于2D标度盘如此设置使得相应空间相位掩模平面和2D标度光栅的可运作自映象在相交点处标称上垂直于2D标度光栅的平面。
27. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中标度盘是一相对平面的圆形标度盘，测量轴线方向之一顺随一平行于标度盘平面的圆形路径，而测量轴线的另一方向到处顺随沿着圆形路径的半径的某一径向。
28. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中标度盘是一相对圆柱形标度盘，测量轴线方向之一顺随一沿着圆柱标度盘圆周的圆形路径，而测量轴线的另一方向顺随一平行于圆柱面形标度盘的轴线的方向。
29. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中：
所述读头包括至少一个第三自映象读头件，此第三自映象读头件基本上类似于第一自映象读头件并类似于第一自映象读头件那样取向，而第一和第三读头件在一直线上一中心点的对置两侧上大致上对称地设置在读头之中，此直线标称上平行于类似地取向的第一和第三自映象读头件的相应标度光栅方向并通过第二自映象读头件的一有效中心，
使得对对应于所述对均衡的第一和第三自映象读头件的相应增量位置测量结果作出平均可提供一均衡对的增量位置测量结果，它对应于沿着相应的第一标度光栅方向中心点相对于2D标度盘的位置，该均衡对增量位置测量结果对于读头的围绕中心点的偏转调准不当基本上是不敏感的。
30. 按照权利要求29所述的2D测量装置，其中：
对应于所述对均衡的第一和第三自映象读头件的相应增量位置测量结果可用以确定读头的围绕中心点的偏转调准不当；以及
所确定的围绕中心点的偏转调准不当可用以确定对至少第二自映象读头件的增量位置测量结果的偏转调准不当误差影响，使得通过所确定的偏转调准不当误差影响来补偿至少第二自映象读头件的增量位置测量，可提供对应于沿着相应第二标度光栅方向中心点相对于2D标度盘的位置的偏转补偿的增量位置测量结果，该偏转补偿的增量位置测量结果对于读头的围绕中心点的偏转调准不当基本上是不敏感的。
31. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中，当沿着第一标度光栅方向读头与标度光栅之间存在相对位移时，至少第一自映象读头件的每一相应光学输出信号包括是相对位移函数的一种正弦形变化，而每一此种正弦形变化与一理想的正弦形变化偏离至多是每一这种正弦形变化的峰顶至峰顶变化的1/32。
32. 按照权利要求31所述的2D测量装置中，其中，每一这种正弦变化与一理想的正弦变化偏离至多是每一这种正弦变化的峰顶到峰顶变化的1/64。
33. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中：
对于至少两个相应自映象读头件：
相应自映象读头件中的第一个的光源部分提供第一相应的光波长；
相应自映象读头件中的第二个的光源部分提供第二相应的光波长，其不同于第一相应的光波长，
以及相应自映象读头件中的第一和第二个中的每一个将它们相应的光学输出信号输出到(a)与它们的相应光波长匹配的一相应带通光学波长过滤器以及(b)一具有有效地与它们相应光波长匹配的光学波长响应的相应光检测装置中的至少一个，使得所述相应带通光学波长滤波器和相应光检测装置二者之中的至少一个基本上阻挡具有不同于它们的相应光波长的波长的任何光纤使之不影响自它们相应的光学输出信号产生的相应电子信号。
34. 按照权利要求1所述的2D测量装置，其中第一标度光栅方向与第一测量轴线方向相同，而第二标度光栅方向与第二测量轴线方向相同。
35. 按照权利要求34所述的2D测量装置，其中相应的第一和第二光栅间距基本上是相等的。
36. 按照权利要求34所述的2D测量装置，其中相应的第一和第二测量轴线方向是正交的。
CNB2004100421613A 2003-05-07 2004-05-08 采用纤维光学接收通道的微型二维编码器读头 Expired - Fee Related CN100417918C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/434,508 US7091475B2 (en) 2003-05-07 2003-05-07 Miniature 2-dimensional encoder readhead using fiber optic receiver channels
US10/434,508 2003-05-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1550763A CN1550763A (zh) 2004-12-01
CN100417918C true CN100417918C (zh) 2008-09-10

Family

ID=32990555

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2004100421613A Expired - Fee Related CN100417918C (zh) 2003-05-07 2004-05-08 采用纤维光学接收通道的微型二维编码器读头

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7091475B2 (zh)
EP (1) EP1475613B1 (zh)
JP (1) JP4493984B2 (zh)
CN (1) CN100417918C (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109313013A (zh) * 2016-06-07 2019-02-05 三菱重工业株式会社 光学传感器

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6547139B1 (en) * 1998-07-10 2003-04-15 Welch Allyn Data Collection, Inc. Method and apparatus for extending operating range of bar code scanner
FR2864631B1 (fr) * 2003-12-31 2006-04-14 Mauna Kea Technologies Procede et systeme de super-resolution d'images confocales acquises a travers un guide d'image, et dispositif utilise pour la mise en oeuvre d'un tel procede
US7211782B2 (en) * 2004-04-09 2007-05-01 Mitutoyo Corporation Precision measuring gauges with optical fiber output channels
JP4312192B2 (ja) * 2005-11-02 2009-08-12 ミネベア株式会社 光学式変位センサおよび外力検出装置
US7502122B2 (en) * 2006-07-31 2009-03-10 Mitutoyo Corporation Fiber-optic miniature encoder for fine pitch scales
DE102007024349A1 (de) * 2007-05-24 2008-11-27 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmesseinrichtung
US20090027692A1 (en) * 2007-07-24 2009-01-29 Mitutoyo Corporation Reference signal generating configuration for an interferometric miniature grating encoder readhead using fiber optic receiver channels
US7965393B2 (en) * 2007-07-24 2011-06-21 Mitutoyo Corporation Reference signal generating configuration for an interferometric miniature grating encoder readhead using fiber optic receiver channels
US7973941B2 (en) * 2007-07-24 2011-07-05 Mitutoyo Corporation Reference signal generating configuration for an interferometric miniature grating encoder readhead using fiber optic receiver channels
US7557340B2 (en) * 2007-10-07 2009-07-07 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Shaft-mounted detector for optical encoder having an aperture through the detector for receiving a rotary shaft of a motor
JP5113000B2 (ja) * 2008-09-19 2013-01-09 株式会社ミツトヨ 光電式エンコーダ
EP2213988B1 (fr) * 2009-01-30 2012-06-20 Delphi Technologies, Inc. Système pour la mesure d'un corps en mouvement à capteur optique de position
EP2386832B1 (en) * 2010-05-10 2017-04-12 Mitutoyo Corporation Photoelectric encoder
CN102095379B (zh) * 2010-08-27 2012-11-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 绝对式光栅尺
JP6069653B2 (ja) * 2011-01-27 2017-02-01 株式会社ミツトヨ 光電式エンコーダ及びそのアライメント調整方法
JP2014219428A (ja) * 2011-09-01 2014-11-20 コニカミノルタ株式会社 マルチコアファイバの結合構造
US20140353477A1 (en) * 2013-05-29 2014-12-04 The Cleveland Electric Laboratories Company Optical encoder
DE102013220190B4 (de) 2013-10-07 2021-08-12 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Messteilung und lichtelektrische Positionsmesseinrichtung mit dieser Messteilung
CN104697454B (zh) * 2015-03-23 2017-06-23 苏州江奥光电科技有限公司 一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置
EP3311206A2 (en) * 2015-06-18 2018-04-25 Corning Incorporated Optical coupling systems for optically coupling laser diodes to optical fibers
WO2017121453A1 (de) * 2016-01-14 2017-07-20 Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg System, umfassend ein erstes teil und ein zweites teil
CN110411391B (zh) * 2019-07-05 2022-03-01 中国石油天然气股份有限公司 管道轴向位移检测装置和方法
JP7303053B2 (ja) * 2019-07-17 2023-07-04 ファナック株式会社 調整補助具及びレーザ溶接装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5808730A (en) * 1997-04-08 1998-09-15 Ceramoptec Industries Inc. Fiber optic displacement sensor
US5909283A (en) * 1997-10-07 1999-06-01 Eselun; Steven Albert Linear encoder using diverging light beam diffraction

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4162399A (en) * 1977-09-16 1979-07-24 Bei Electronics, Inc. Optical encoder with fiber optics
JPS59173713A (ja) 1983-03-23 1984-10-01 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 光反射型変位測定装置
JPS6085317A (ja) * 1983-10-17 1985-05-14 Mitsubishi Electric Corp エンコ−ダ
JPS6089712A (ja) 1983-10-21 1985-05-20 Alps Electric Co Ltd 光学式エンコ−ダ
JP2562479B2 (ja) 1988-04-25 1996-12-11 株式会社 ミツトヨ 反射式ｘｙエンコーダ
US5104225A (en) 1991-01-25 1992-04-14 Mitutoyo Corporation Position detector and method of measuring position
US5324934A (en) * 1991-05-01 1994-06-28 Megamation Incorporated Fiberoptic encoder for linear motors and the like
EP0577088B2 (en) * 1992-06-30 2010-10-20 Canon Kabushiki Kaisha Displacement information detection apparatus
JPH074993A (ja) * 1993-03-23 1995-01-10 Ricoh Co Ltd エンコーダ装置
DE19626490A1 (de) * 1996-06-24 1998-01-15 Ism Ingenieurbuero Fuer Spezia Drehgeber mit Faseranschluß
US6906315B2 (en) 2002-07-16 2005-06-14 Mitutoyo Corporation High accuracy miniature grating encoder readhead using fiber optic receiver channels

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5808730A (en) * 1997-04-08 1998-09-15 Ceramoptec Industries Inc. Fiber optic displacement sensor
US5909283A (en) * 1997-10-07 1999-06-01 Eselun; Steven Albert Linear encoder using diverging light beam diffraction

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109313013A (zh) * 2016-06-07 2019-02-05 三菱重工业株式会社 光学传感器
US10760897B2 (en) 2016-06-07 2020-09-01 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Optical sensor

Also Published As

Publication number Publication date
CN1550763A (zh) 2004-12-01
EP1475613A3 (en) 2012-01-04
US7091475B2 (en) 2006-08-15
US20040222365A1 (en) 2004-11-11
EP1475613A2 (en) 2004-11-10
JP4493984B2 (ja) 2010-06-30
EP1475613B1 (en) 2016-05-18
JP2004333470A (ja) 2004-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100417918C (zh) 采用纤维光学接收通道的微型二维编码器读头
JP4493944B2 (ja) 光ファイバ受信器チャネルを使用した回折格子エンコーダ及び変位測定装置
CN1702435B (zh) 使用光纤接收器信道的干涉测量微型光栅编码器读取头
US7053362B2 (en) Absolute position miniature grating encoder readhead using fiber optic receiver channels
GB2194044A (en) Optical type displacement detecting device
EP1887324B1 (en) Fiber-optic miniature encoder for fine pitch scales
US6905258B2 (en) Miniature imaging encoder readhead using fiber optic receiver channels
JPS63502778A (ja) 物理量を遠隔検出するためのオプトエレクトロニック検出装置
JPS63153408A (ja) 相対変位測定装置
CN101387525A (zh) 用于干涉测量微型光栅编码读取头的参考信号产生结构
US5678319A (en) Index grating having partial fields that are geometrically offset in the measuring direction
JPS62121314A (ja) 光電位置測定装置
US3244895A (en) Shaft encoders
EP3136058B1 (en) Multi-track absolute encoder
CN204807051U (zh) 基于二维psd的卫星转角测量仪
US5497226A (en) Quadrature diffractive encoder
US5184014A (en) Opto-electronic scale reading apparatus
JPH0421072Y2 (zh)
CN114485745A (zh) 一种小型高可靠性蓝光反射式编码器
JPH0333614A (ja) ３トラック式エンコーダ
JPS62163924A (ja) エンコ−ダ−

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20080910

Termination date: 20210508

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee