用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置转让专利
申请号 : CN201810695534.9
文献号 : CN109211286B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : J.D.托比亚森 , N.拉曼 , 木村彰秀 , 平田州
申请人 : 株式会社三丰
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置,包括:标尺,沿着测量轴方向延伸,所述标尺包括标尺光栅,所述标尺光栅包括布置在标称平行于测量轴方向的标尺平面中的标尺光栅条,其中,所述标尺光栅条沿着测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向的标尺光栅条方向伸长,并且沿测量轴方向以标尺间距PSF周期性地布置;
照明源,包括输出光的光源和被配置为输入光并且将结构化照明沿着源光路径SOLP输出到标尺平面处的照明区域的结构化照明产生部分,其中结构化照明包括照明条纹图案,所述照明条纹图案包括沿测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向定向的照明条纹方向伸长的条纹;以及
光电检测器配置,包括N个空间相位检测器的集合,沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向周期性地以检测器间距PD布置,其中,N是至少为6的整数,并且其中,每个空间相位检测器被配置为提供各个空间相位检测器信号,并且至少大部分的各个空间相位检测器沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且沿着横向于测量轴的检测到的条纹运动方向相对较窄,并且N个空间相位检测器的集合沿着检测到的条纹运动方向在空间相位序列中布置;
其中:
所述标尺光栅被配置为在照明区域处输入照明条纹图案并且沿着标尺光路径SCLP输出在光电检测器配置处形成条纹图案的标尺光,所述条纹图案包括周期性高强度带和低强度带,所述周期性高强度带和低强度带沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且相对窄并且周期性地具有沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向的检测到的条纹周期PDF;
标尺光栅条方向相对于由源光路径SOLP和标尺光路径SCLP限定的读取头平面RHP定向在非零偏转角ψSC;
所述结构化照明产生部分包括:第一照明源衍射光栅,包括第一索引光栅条,第一索引光栅条以第一索引间距P1周期性地布置在第一索引平面中,其中第一索引光栅条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP而旋转角度ψ1的第一索引光栅条方向伸长;以及第二照明源衍射光栅,包括第二索引光栅条,第二索引光栅条以第二索引间距P2周期性地布置在与第一索引平面平行的第二索引平面中,其中第二索引光栅条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP而旋转角度ψ2的第二索引光栅条方向伸长;
所述检测到的条纹周期PDF和横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向至少部分取决于非零偏转角ψSC;
当标尺光栅沿测量轴方向位移时,高强度带和低强度带沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向移动;以及所述光电检测器配置被配置为检测沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向的高强度带和低强度带的位移,并提供指示标尺位移的各个空间相位位移信号。
2.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷光学编码器配置,其中:标尺光栅是反射光栅;
源光路径SOLP相对于与标尺平面垂直的方向以角度V定向;和偏转角ψSC满足以下关系:
3.根据权利要求2所述的抗污染和缺陷光学编码器配置,其中:光源输出的光具有波长λ;
因子Ω由表达式定义:
并且
角度ψ1和角度ψ2满足表达式:
4.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷光学编码器配置,其中,第一照明源衍射光栅和第二照明源衍射光栅是相位光栅。
5.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷光学编码器配置,其中,检测到的条纹周期PDF至少为40微米。
6.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷光学编码器配置,其中:标尺光栅是反射光栅;
源光路径SOLP相对于与标尺平面垂直的方向以角度V定向;
光源输出的光具有波长λ;
因子Ω由表达式定义:
并且
角度ψ1和角度ψ2满足表达式:
说明书 :
用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置
FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS)”的美国专利申请序列第15/702,520号的部分继
续申请案;其是于2017年6月29日提交的标题为“用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编
码器配置(CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR
PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS)”的美国专利申请序列号15/637,750的部分继续申请,
它们的公开内容通过引用结合于此。
技术领域
背景技术
轨道产生的信号作为读取头沿着标尺轨道的位移或位置的函数而是周期性的。绝对式位置
编码器可以使用多个标尺轨道在沿着绝对标尺的每个位置提供独特的信号组合。
于某些应用,特别是那些线路功率可用的应用。在低功耗应用(例如,电池供电仪表等)中,
更希望使用绝对位置标尺结构。绝对位置标尺结构在沿标尺的每一个位置提供独特的输出
信号或信号组合,因此允许各种节能方案。美国专利号3,882,482;5,965,879;5,279,044;
5,886,519;5,237,391;5,442,166;4,964,727;4,414,754;4,109,389;5,773,820和5,010,
655公开了与绝对位置编码器相关的各种编码器配置和/或信号处理技术,并且因此通过引
用将其全部内容合并于此。
029,757和9,080,899公开了这样的编码器配置。这些专利中公开的一些配置也可以表征为
利用超分辨率莫尔成像。
误差大小可能取决于这样的因素,诸如缺陷或污染的大小、标尺上的周期性图案的波长、读
数头检测器区域的大小、这些尺寸之间的关系等等。已知用于响应编码器中的异常信号的
各种方法。几乎所有这些方法都基于禁用编码器信号,或提供“错误信号”以警告用户,或调
整光源强度以增强低信号等。然而,尽管由于某些类型的标尺缺陷或污染而产生的异常信
号,但这种方法不能提供继续精确测量操作的手段。因此这些方法具有有限的实用性。在日
本专利申请JP2003-065803('803申请)中公开了确实减轻标尺污染或缺陷对测量精度的影
响的一种已知方法。'803申请教导了一种方法,其中两个或多个光电检测器输出具有相同
相位的周期性信号,这些信号分别输入到各自的信号稳定性判断装置。信号稳定性判断装
置仅输出被判断为“正常”的信号,并且“正常”信号作为位置测量的基础被组合。位置测量
计算中排除了“异常”的信号。然而,在'803申请中公开的判断“正常”和“异常”信号的方法
具有某些缺点,限制了'803申请的教导的实用性。
杂的信号处理,在某些应用中可能不太理想。
发明内容
包括标尺光栅,所述标尺光栅包括布置在标称平行于测量轴方向的标尺平面中的标尺光栅
条,其中所述标尺光栅条沿着测量轴方向是窄的并且沿着横向于测量轴方向的标尺光栅条
方向伸长,并且沿测量轴方向以标尺间距PSF周期性地布置。照明源包括输出光的光源和被
配置为输入光并且将结构化照明沿着源光路径SOLP输出到标尺平面处的照明区域的结构
化照明产生部分,其中结构化照明包括照明条纹图案,所述照明条纹图案包括沿测量轴方
向是窄的并且沿着横向于测量轴方向定向的照明条纹方向伸长的条纹。光电检测器配置包
括N个空间相位检测器的集合,沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向周期性地
以检测器间距PD布置,其中每个空间相位检测器被配置为提供各自的空间相位检测器信
号,并且至少大部分的各个空间相位检测器沿着测量轴方向在相对较长的尺寸上延伸并且
沿着横向于测量轴的检测到的条纹运动方向相对较窄,并且N个空间相位检测器的集合沿
着检测到的条纹运动方向在空间相位序列中布置。标尺光栅被配置为在照明区域处输入照
明条纹图案并且沿着标尺光路径SCLP输出在光电检测器配置处形成条纹图案的标尺光,所
述条纹图案包括周期性高强度带和低强度带,所述周期性高强度带和低强度带沿着测量轴
方向在相对较长的尺寸上延伸并且相对窄并且周期性地具有沿着横向于测量轴方向的检
测到的条纹运动方向的检测到的条纹周期PDF。标尺光栅条方向相对于由源光路径SOLP和
标尺光路径SCLP限定的读取头平面RHP定向在非零偏转角ψSC。结构化照明产生部分包括:第
一照明源衍射光栅和第二照明源衍射光栅。第一照明源衍射光栅包括第一照明源光栅条,
第一照明源光栅条以第一索引间距P1周期性地布置在第一索引平面中,其中第一索引光栅
条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP旋转角
ψ1的第一光栅条方向伸长。第二照明源衍射光栅包括第二照明源光栅条,第二照明源光栅
条以第二索引间距P2周期性地布置在与第一索引平面平行的第二索引平面中,其中第二索
引光栅条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP
旋转角ψ2的第二索引光栅条方向伸长。检测到的条纹周期PDF和横向于测量轴方向的检测
到的条纹运动方向至少部分取决于非零偏转角ψSC。当标尺光栅沿测量轴方向位移时,高强
度带和低强度带沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向移动。光电检测器配置被
配置为检测沿着横向于测量轴方向的检测到的条纹运动方向的高强度带和低强度带的位
移,并提供指示标尺位移的各个空间相位位移信号。
附图说明
向于测量轴方向周期性地布置。
于测量轴方向周期性地布置。
致沿着测量轴方向伸长并且横向于测量轴方向周期性地布置。
具体实施方式
件)。Z方向垂直于标尺光栅110的平面。
MA垂直的方向(即,Y方向)伸长,并且沿测量轴方向MA周期性布置。
配置为接收源光134并将准直的源光134'输出到第一照明光栅140。第一照明光栅140接收
源光134'并且将源光134'向第二照明光栅150衍射。第二照明光栅150接收源光134'并进一
步沿源光路径SOLP向标尺光栅110衍射源光134'。标尺光栅110沿源光路径SOLP输入源光
134',并将包括周期性标尺光图案135的标尺光沿着标尺光路径SCLP输出到光电检测器配
置160。光电检测器配置160沿着标尺光路SCLP从标尺光栅110接收周期性标尺光图案135。
周期性标尺光图案135沿着测量轴方向MA对应于标尺光栅110和光电检测器配置160之间的
相对位移,移位经过光电检测器配置160。图3详细示出了类似于光电检测器配置160的光电
检测器配置的示例。光电检测器配置160包括N个空间相位检测器的集合,其沿着横向于测
量轴方向MA的方向(即,Y方向)在空间相位序列中布置,其中N是至少为6的整数,并且空间
相位序列包括在沿着横向于测量轴的方向的序列的开始和结束处的两个外部空间相位检
测器以及位于两个外部空间相位检测器之间的空间相位检测器的内部组。在图1所示的实
施方式中,N个空间相位光电检测器的集合包括具有相同子集空间相位序列的空间相位检
测器S1、S2和S3的3个子集。
并且对应于该空间相位检测器相对于周期性标尺光图案的各个空间相位被定位的标尺光
接收器区域,并且被配置为提供各自的空间相位检测器信号。内部组中的每一个空间相位
检测器在空间相位序列中在具有与该空间相位检测器不同并且彼此不同的各自空间相位
的空间相位检测器之前和之后。
对于标尺光栅110通过轴承系统而被引导。标尺光栅110可以在各种应用中附接到移动台、
或测量轴或类似物。
心成像系统、限制孔等。在替代实施方式中,照明部分可以仅包括单个照明光栅。
标记2XX和图1中的1XX可指代相似的元件。图2中所示的编码器配置200是反射配置。标尺
210是反射式标尺光栅。
和缺陷光学编码器配置200。光电检测器配置360包括N个空间相位检测器的集合,其沿着横
向于测量轴方向MA的方向在空间相位序列中布置,其中N是至少为6的整数,并且空间相位
序列包括在沿着横向于测量轴的方向的序列的开始和结束处的两个外部空间相位检测器
以及位于两个外部空间相位检测器之间的空间相位检测器的内部组。至少大部分的各个空
间相位检测器沿着测量轴方向MA相对伸长并且沿着与测量轴方向MA垂直的方向相对较窄,
并且包括沿着测量轴方向MA在空间上周期性的并且对应于该空间相位检测器相对于周期
性标尺光图案的各个空间相位被定位的标尺光接收器区域,并且被配置为提供各自的空间
相位检测器信号。内部组中的每一个空间相位检测器在空间相位序列中在具有与该空间相
位检测器不同并且彼此不同的各自空间相位的空间相位检测器之前和之后。
空间相位检测器提供包括在N个空间相位光电检测器的集合中的各个空间相位的每一个。
在一些实施方式中,M可以至少为3。在一些实施方式中,M可以至少为6。在一些实施方式中,
空间相位检测器的M个子集中的每一个可以包括空间相位检测器,空间相位检测器提供布
置在相同的子集空间相位序列中的相同的各个空间相位。图3示出了具有由S1至SM表示的空
间相位检测器的M个子集的实施。子集S1包括空间相位检测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D。子
集S2包括空间相位检测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D。子集SM包括空间相位检测器SPDMA、
SPDMB、SPDMC和SPDMD。示出了图3中的每一个空间相位检测器具有K个标尺光接收器区域。作
为标尺光接收器区域的一个例子,空间相位检测器SPDMD标有标尺光接收器区域SLRAM1和
SLRAMK。在一些实施方式中,K可能是偶数值。
位检测器是在空间相位序列的每一个实例的开始和结束处的两个外部空间相位检测器。具
有下标索引B和C的空间相位检测器是内部组。
和D2。空间相位检测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD输出各自的空间相位检测器信号AM、BM、CM和
DM。
污染或缺陷通常会在相邻空间相位检测器上产生共模误差分量,这可能在信号处理(例如
正交处理)中被抵消。沿着测量轴方向MA相对伸长并且沿着垂直于测量轴方向MA的方向相
对较窄的空间相位检测器提供对污染和缺陷的更好的抵抗性。通过沿着测量轴方向MA降低
空间相位检测器的结构的频率,信号电平可能变化得更慢。此外,这样的编码器不需要复杂
的信号处理来提供对污染和缺陷的容忍。由N个空间相位检测器的集合提供的信号可以根
据本领域技术人员已知的标准技术进行处理。
式中,空间相位检测器的每一个子集可以包括具有相隔120度的各个空间相位的三个空间
相位检测器。
号的连接。光电检测器配置360被配置为输出与相隔90度的空间相位对应的四个空间相位
位置信号。具有相同字母标记(例如,A1、A2和AM)的空间相位信号被组合(例如被相加)以提
供空间相位信号ΣA、ΣB、ΣC和ΣD。在替代实施方式中,光电检测器配置可以被配置为输
出与相隔120度的空间相位对应的三个空间相位位置信号。在任何一种情况下,可以进一步
利用空间相位位置信号来确定位移信号,例如通过正交或三相信号处理。
间上周期性的并且对应于该空间相位检测器相对于周期性标尺光图案的各个空间相位被
定位的标尺光接收器区域,并且可被配置为提供各自的空间相位检测器信号。
标尺光接收器区域之间的分隔距离YSEP沿着Y方向可以是相同的。
S1的一个子集。应该理解的是,根据本文公开的原理,光电检测器配置460A包括至少六个空
间相位检测器,但为了简单起见仅示出了两个。在图4A所示的实施方式中,N个空间相位检
测器(例如,空间相位检测器SPD1A和SPD1B)中的每一个包括由空间相位掩模(例如,相位掩
模PM1A和PM1B)覆盖的光电检测器(例如,由虚线指示的光电检测器PD1A和PD1B),空间相位掩
模除了通过包括在空间相位掩模中的开口之外,阻挡光电检测器接收周期性标尺光图案。
在这种情况下,标尺光接收器区域包括通过各个空间相位掩模(例如,空间相位掩模PM1A和
PM1B)中的开口暴露的光电检测器(例如,光电检测器PD1A和PD1B)的区域。在图4A所示的实施
方式中,相位掩模PM1B的标尺光接收器区域(即,开口)沿着测量轴方向MA相对于相位掩模
PM1A的标尺光接收器区域偏移90度。应该理解的是,虽然空间相位掩模PM1A和PM1B在图4A中
被示意性地示出为分离的部分,但是在一些实施方式中,它们可以在相同的处理中用相同
的材料方便地构造以消除任何潜在的定位误差。
的一个子集。应该理解的是,根据本文所公开的原理,光电检测器配置460B包括至少六个空
间相位检测器,但为了简单仅示出了两个。在图4B所示的实施方式中,N个空间相位检测器
(例如,空间相位检测器SPD1A'和SPD1B')中的每一个包括接收周期性标尺光图案的电互连
光电检测器区域的周期性阵列。在这种情况下,标尺光接收器区域包括光电检测器的周期
性阵列的光电检测器区域。在图4B所示的实施方式中,空间相位检测器SPD1B'的光电检测器
区域沿着测量轴方向MA相对于空间相位检测器SPD1A'的光电检测器区域偏移90度。
检测器条纹图案535包括定向为沿着测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸的带,并且在
光学编码器位移期间沿着检测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴方向移动。
平面SP中的光栅条GB,其中光栅条GB沿着测量轴方向MA是窄的并且沿着横向于测量轴方向
MA的光栅条方向GBD伸长,并且沿着测量轴方向MA以标尺间距PSF周期性地布置。照明源520
包括输出光534'的光源530和被配置为输入光534'并且将结构化照明534”输出到标尺平面
SP处的照明区域IR的结构化照明产生部分533,其中结构化照明534”包括照明条纹图案
IFP,IFP包括沿测量轴方向MA是窄的并且沿着照明条纹方向IFD伸长的条纹,该照明条纹方
向IFD以相对于光栅条方向GBD的非零照明条纹偏转角ψ横向于测量轴方向MA。光源530包括
点光源531和准直透镜532。点光源531将光534输出到准直透镜,准直透镜然后校准光534以
提供光534'。通过使结构化照明产生部分533的一个或多个元件(例如,光栅元件540和/或
550之一)围绕Z轴旋转到相对于Z轴的期望角度,可以在各种实施方式中实现非零照明条纹
偏转角ψ。在一些实施例中,通过将光栅条方向GBD围绕Z轴旋转到相对于Y轴的期望角度,也
可以实现或增强非零照明条纹偏转角ψ。
每个空间相位检测器被配置为提供各自的空间相位检测器信号,并且至少大部分的各个空
间相位检测器沿着测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸并且沿着横向于测量轴的检测
到的条纹运动方向DFMD相对较窄,并且N个空间相位检测器的集合沿着检测到的条纹运动
方向DFMD在空间相位序列中布置,如下面参考图8、9A和9B更详细地描述。
括周期性的高强度带和低强度带,其沿着测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸并且相对
窄并且周期性地具有沿着横向于测量轴方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD的检测到的
条纹周期PDF,如下面参照图6进行的详细描述。作为描述它们的定向的方式,带沿着测量轴
方向MA在相对较长的尺寸上延伸,但是在各种实施方式中,这并不意味着它们需要沿着测
量轴方向对齐。在各种示例性实施方式中,带可以相对于测量轴方向以适中或小的角度对
齐,如以下参考图6所解释的。
移时,高强度带和低强度带沿着横向于测量轴方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD移动。
光电检测器配置560被配置为检测沿着横向于测量轴方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD
的高强度带和低强度带的位移,并提供指示标尺位移的各个空间相位位移信号。
明源光衍射光栅550可以是相位光栅。相位光栅通过减少光损耗提供更好的功率效率。
相似或大于检测条纹周期的标尺上的污染或缺陷通常会在相邻的空间相位检测器上产生
共模误差分量,这可能在信号处理(例如,正交处理)中被抵消。也就是说,沿着测量轴方向
移动的污染的效果将倾向于跨相邻的空间相位检测器共享,并且随着标尺或读取头配置沿
测量轴方向位移,将在那些相邻空间相位检测器上沿测量轴方向移动。由于污染效应是跨
相邻空间相位检测器的共模效应,并且因为空间相位检测器在沿着测量轴方向的尺寸上相
对伸长,可能显著超过污染效应的大小,所以污染对位移信号精度的影响可以基本上被减
轻。另一个优点是,在任何残余非共模误差的情况下,随着光电检测器配置560相对于标尺
510位移,与缺陷对应的检测器条纹图案535的部分将非常缓慢地从一个空间相位检测器移
动到另一个空间相位检测器,这允许更有效地补偿空间相位位移信号。这种编码器不需要
复杂的信号处理来提供对污染和缺陷的容忍。由N个空间相位检测器的集合提供的空间相
位位移信号可根据本领域技术人员已知的标准技术进行处理。
器配置660,光电检测器配置660类似于图5中的光电检测器配置560。检测器条纹图案635可
以由类似于参照图5概述的光学编码器配置500的光学编码器提供。图6A示出了在由测量轴
方向MA和如前面针对图5显示的标尺光路径SCLP定义的平面中形成检测器条纹图案635的
标尺光的横截面。如图6A所示,标尺光分量包括第一标尺光分量SL1和第二标尺光分量SL2
(由表示高强度带的虚线指示),其各自包括平行光线,其中第一标尺光分量SL1的平行光线
沿着具有相对于标尺光路径SCLP的相反角定向的方向。根据已知原理,第一标尺光分量SL1
和第二标尺光分量SL2重叠以形成检测器条纹图案635。第一标尺光分量SL1和第二标尺光
分量SL2可以从结构化照明产生部分以不同衍射级形成。检测器条纹图案635包括由粗线指
示的暗或低强度干涉带635D以及由虚线轮廓指示的亮或高强度干涉带635L。
案635的横截面,检测器条纹图案635接近光电检测器配置660。检测器条纹图案635包括由
粗线指示的暗或低强度干涉带635D以及由虚线轮廓指示的亮或高强度干涉带635L,其是如
图6B所示,沿检测到的条纹运动方向DFMD具有检测到的条纹周期PDF的周期性的。检测到的
条纹运动方向通常横向于干涉带635D和635L的方向,相对于Y方向稍微旋转等于非零照明
条纹偏转角ψ。
于抗污染和缺陷光学编码器的数据,该光学编码器包括满足以下表达式的具有光栅间距P1
的第一照明源光衍射光栅、具有间距P2的第二照明源光衍射光栅以及具有标尺间距PSF的标
尺的结构化照明产生部分:
度)的小值。较大的检测的条纹周期PDF对于来自标尺、光电检测器配置和照明源之间的未
对准的测量误差提供更好的容忍。标尺相对于照明源和/或光电检测器配置的俯仰和滚动
产生的误差与检测到的条纹周期PDF成反比。因此,较大的检测到的条纹周期PDF将对于由
标尺波动引起的测量误差提供更好的鲁棒性。
致沿着测量轴方向伸长并周期性地横向于测量轴方向布置的空间相位检测器。除非上下文
或描述另外指示,否则图8中的相似附图标记8XX和图5中的5XX可能指代相似的元件。
量轴方向MA横交的方向的序列的开始和结束处的两个外部空间相位检测器以及位于两个
外部空间相位检测器之间的空间相位检测器的内部组。内部组中的每一个空间相位检测器
在空间相位序列中在具有与该空间相位检测器不同并且彼此不同的各自空间相位的空间
相位检测器之前和之后。每个空间相位检测器包括沿检测到的条纹运动方向DFMD在空间上
周期性的并且对应于该空间相位检测器相对于周期性标尺光图案的各个空间相位被定位
的标尺光接收器区域。内部组中的每一个空间相位检测器在空间相位序列中在具有与该空
间相位检测器不同并且彼此不同的各自空间相位的空间相位检测器之前和之后。
空间相位检测器提供包括在N个空间相位光电检测器的集合中的各个空间相位的每一个。
在一些实施方式中,M可以至少为4。在一些实施方式中,M可以至少为6。在一些实施方式中,
空间相位检测器的M个子集中的每一个可以包括空间相位检测器,空间相位检测器提供布
置在相同的子集空间相位序列中的相同的各个空间相位。图8示出了具有由S1至SM表示的空
间相位检测器的M个子集的实施。子集S1包括空间相位检测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D。子
集S2包括空间相位检测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D。子集SM包括空间相位检测器SPDMA、
SPDMB、SPDMC和SPDMD。
位检测器是在空间相位序列的每一个实例的开始和结束处的两个外部空间相位检测器。具
有下标索引B和C的空间相位检测器是内部组。
和D2。空间相位检测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD输出各自的空间相位检测器信号AM、BM、CM和
DM。
中,空间相位检测器的每一个子集可以包括具有相隔120度的各个空间相位的三个空间相
位检测器。
号的连接。光电检测器配置860被配置为输出与相隔90度的空间相位对应的四个空间相位
位置信号。具有相同字母标记(例如,A1、A2和AM)的空间相位信号被组合(例如被相加)以提
供空间相位信号ΣA、ΣB、ΣC和ΣD。在替代实施方式中,光电检测器配置可以被配置为输
出与相隔120度的空间相位对应的三个空间相位位置信号。在任何一种情况下,可以进一步
利用空间相位位置信号来确定位移信号,例如通过正交或三相信号处理。
中,N个空间相位检测器中的每个相邻对的标尺光接收器区域之间的间隔距离YSEP沿着检
测到的条纹运动方向DFMD是相同的。
正交(或接近正交),尽管并不要求它恰好如此,但要受到可获得良好位移信号的条件的限
制。因此,在一些实施方式中,检测器轴可相对于测量轴方向MA旋转角度α,特别是如果检测
到的条纹运动方向DFMD不垂直于测量轴方向MA时。由于期望使用小的照明条纹偏转角ψ(如
关于图7所描述的),所以角度α可以相当小,并且在某些情况下,照明条纹偏转角ψ的值可以
非常小,甚至不必使检测器轴D相对于测量轴方向MA旋转。
空间相位检测器SPD1A和SPD1B的空间相位检测器S1的一个子集。应该理解的是,根据本文公
开的原理,光电检测器配置960A包括更多个空间相位检测器,但为了简单起见仅示出了两
个。在图9A所示的实施方式中,N个空间相位检测器(例如,空间相位检测器SPD1A和SPD1B)中
的每一个包括由空间相位掩模(例如,相位掩模PM1A和PM1B)覆盖的光电检测器(例如,由虚
线指示的光电检测器PD1A和PD1B),空间相位掩模除了通过包括在空间相位掩模中的开口之
外,阻挡光电检测器接收周期性标尺光图案。在这种情况下,标尺光接收器区域包括通过各
个空间相位掩模(例如,空间相位掩模PM1A和PM1B)中的开口暴露的光电检测器(例如,光电
检测器PD1A和PD1B)的区域。在图9A所示的实施方式中,相位掩模PM1B的标尺光接收器区域
(即,开口)沿着检测到的条纹运动方向DFMD相对于相位掩模PM1A的标尺光接收器区域偏移
90度。应该理解的是,虽然空间相位掩模PM1A和PM1B在图9A中被示意性地示出为分离的部
分,但是在一些实施方式中,它们可以在相同的处理中用相同的材料方便地构造以消除任
何潜在的定位误差。
有两个空间相位检测器SPD1A'和SPD1B'的空间相位检测器S1'的一个子集。应该理解的是,根
据本文所公开的原理,光电检测器配置960B可包括更多个空间相位检测器,但为了简单仅
示出了两个。在图9B所示的实施方式中,N个空间相位检测器(例如,空间相位检测器SPD1A'
和SPD1B')中的每一个包括接收周期性标尺光图案的电互连光电检测器区域的周期性阵列。
在这种情况下,标尺光接收器区域包括光电检测器的周期性阵列的光电检测器区域。在图
9B所示的实施方式中,空间相位检测器SPD1B'的光电检测器区域沿着检测到的条纹运动方
向DFMD相对于空间相位检测器SPD1A'的光电检测器区域偏移空间相移的90度。
导致标尺灯内交替条纹之间的亮度变化。因此,具有偶数个标尺光接收器区域将平均出这
种变化。
案1035,检测器条纹图案1035包括定向为沿着测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸的
带,并且在光学编码器位移期间沿着检测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴方向移动。
方向MA的标尺平面SP中的光栅条GB。光栅条GB沿着测量轴方向MA是窄的并且沿着横向于测
量轴方向MA的标尺光栅条方向SGBD伸长,并且沿着测量轴方向MA以标尺间距PSF周期性地布
置。照明源1020包括输出光1034'的光源1030和被配置为输入光1034'并且将结构化照明
1034”沿着源光路径SOLP输出到标尺平面SP处的照明区域IR的结构化照明产生部分1033,
其中结构化照明1034”包括照明条纹图案IFP,IFP包括沿测量轴方向MA是窄的并且沿着横
向于测量轴方向MA定向的照明条纹方向IFD伸长的条纹。光源1030包括点光源1031和准直
透镜1032。点光源1031将光1034输出到准直透镜,准直透镜然后校准光1034以提供光
1034'。
中每个空间相位检测器被配置为提供各自的空间相位检测器信号,并且至少大部分的各个
空间相位检测器沿着测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸并且沿着横向于测量轴的检
测到的条纹运动方向DFMD相对较窄,并且N个空间相位检测器的集合沿着检测到的条纹运
动方向DFMD在空间相位序列中布置,如下面参考图8、9A和9B更详细地描述。
条纹图案1035。检测器条纹图案1035包括周期性高强度带和低强度带,其沿着测量轴方向
MA在相对较长的尺寸上延伸并且相对窄并且周期性地具有沿着横向于测量轴方向MA的检
测到的条纹运动方向DFMD的检测到的条纹周期PDF,如下面参照图6进行的详细描述。
第二照明源光衍射光栅1050可以是相位光栅。
高强度带和低强度带沿着横向于测量轴方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD移动。光电检
测器配置1060被配置为检测沿着横向于测量轴方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD的高
强度带和低强度带的位移,并提供指示标尺位移的各个空间相位位移信号。
1020和光电检测器配置1060之间的间隙变化引起的位移信号的误差。
窄的并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP旋转角ψ1的第一光栅条方向伸
长。如图11B所示,第二照明源衍射光栅1050包括第二照明源光栅条,第二照明源光栅条以
第二索引间距P2周期性地布置在与第一索引平面平行的第二索引平面中,其中第二索引光
栅条沿着测量轴方向是窄的,并且沿着横向于测量轴方向并且相对于读取头平面RHP旋转
角ψ2的第二索引光栅条方向伸长。
SCLP的光路径长度的变化引起对检测器条纹图案1035有贡献的干涉光束的相对相位的变
化。在各种应用中,可以选择ψ1和ψ2,使得它们给出在幅度上相等而符号相反的动态间隙误
差。有助于检测器条纹图案1035的干涉光束中的两束干涉光束的相位可由Φ+和Φ-表示。光
源1030输出的光具有波长λ。动态间隙误差DGE涉及沿垂直于测量轴方向MA的方向和标尺光
栅条方向SGBD(即,Z方向)上的间隙变化Δg,由下式表示:
是来自偏转角ψSC的误差分量。通过故意引入角度ψ1和角度ψ2的误差
分量,可以补偿第二项中的误差分量。
期PDF,偏转角ψSC可以满足以下表达式:
可具有0.48度的值。这可能给出每间隙变化Δg微米的4.8纳米位置测量误差的动态间隙误
差。在以与具有上述相同参数的光学编码器配置1000类似的方式配置的光学编码器的典型
示例中,ψSC可以是0.94度,ψ1可以是-0.46度,ψ2可以是0.0度。偏转角ψ1可能贡献每间隙变化
Δg微米的-9.4纳米位置测量误差的动态间隙误差,而偏转角ψ2可能贡献每间隙变化Δg微
米的9.4纳米位置测量误差的动态间隙误差。两个动态间隙误差平衡以提供净零动态间隙
误差。
各种替代形式来实现这里公开的原理。另外,上述各种实现可以被组合以提供进一步的实
现。本说明书中提及的所有美国专利和美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。如果
必要的话,可以修改实施方式的各个方面以使用各种专利和应用的概念来提供进一步的实
现。
方式,而是应该被解释为包括所有可能的实施方式以及这种权利要求所授权的等同物的全
部范围。