使用光纤接收器通道的光栅编码器和位移测量设备的制作方法

专利名称：使用光纤接收器通道的光栅编码器和位移测量设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及位移感应光学编码器，更具体地，涉及一种使用光纤作为接收元件的光学编码器，用以提供一种极其紧凑地高精度的系统。
背景技术：
目前可获得各种用于感应线性、旋转或者角度移动的移动或者位置编码器。这些编码器总体上或者基于光学系统、磁标、电感换能器，或者基于电容换能器。
对于光学编码器，已开发了很多种系统。最近在授予Eselun的美国专利No.5,909,283中公开了一种系统，其使用较以往系统更少数量的元件。在该专利中公开的系统具有一个光栅标尺和读取头，其包括一个点光源(读取头中的激光二极管)、一个朗奇(Ronchi)光栅或全息元件、和一个光电检测器阵列。如其所述，点光源导致干涉条纹具有与标度相等的间隔。干涉条纹光通过朗奇光栅或全息元件传送至光电检测器阵列。光电检测器阵列被配置以从传送来的条纹光中分离出正交信号的四个通道。然而，所得到的编码器其尺寸仍然相对较大，对很多应用形成阻碍。
授予Tokunaga的美国专利No.4,733,071中公开了一种使用光纤作为接收器的系统。在该专利中描述的系统具有一个码部件标尺(code member scale)，和一个包含沿码部件测量轴紧密地排列的一个光纤尖端光发射器和两个光纤尖端接收器的光学传感器头。该光学传感器头被旋转(偏转)以调节两个光纤尖端接收器间的相位差。但是，所得到的编码器的精确度相对较粗略。

发明内容
根据本发明的一第一方面，提供了使用光纤接收器通道的一光栅编码器，该编码器包括一标尺，其具有沿一测量轴以一特定间距形成的一标尺光栅；一光源，用于发射光至该标尺以在标尺光栅上形成一光照点；以及一光纤读取头，包括多个光纤接收器通道，该多个光纤接收器通道具有尖端，其被配置用于接收由来自标尺光栅上的光照点的光形成在以一特定间隙间隔开的远离标尺的位置上的一自成像图像(self-image)，其中至少这些尖端被配置与光源一起相对标尺沿测量轴移动，该光纤接收器通道包括一光纤，一接收器通道孔径，其形成在光纤的一端中以便将自成像图像引入光纤，以及形成在所述接收器通道孔径处的一相位掩模，其中该相位掩模具有周期与在自成像图像中形成的一亮暗周期对应的一光栅，其中光纤接收器通道的相位掩模的这些光栅具有彼此不同的空间相位关系。
根据本发明的一第二方面，提供了一位移测量设备。该设备包括一标尺，其具有沿一测量轴以一特定间距形成的一标尺光栅；一光源光纤，具有一光发射端，用于从其发射光至所述标尺以在所述标尺光栅上形成光照点；一光纤读取头，其包括多个光纤接收器通道，该多个光纤接收器通道具有尖端，被配置用于接收由来自标尺光栅上的光照点的光形成在以一特定间隙间隔开的远离标尺的位置上的一自成像图像，其中至少这些尖端被配置可以与光源一起相对标尺沿测量轴移动，该光纤接收器通道包括一接收器光纤，一接收器通道孔径，其形成在所述光纤的一端中以便将自成像图像引入接收器光纤，以及一相位掩模，其形成在所述接收器通道孔径处，其中该相位掩模具有周期与在自成像图像中形成的一亮暗周期对应的一光栅，其中光纤接收器通道的相位掩模的这些光栅具有彼此不同的空间相位关系；以及一远程电子接口单元，其配置在光源光纤上的标尺以及光纤读取头中的接收器光纤的远端，该远程电子接口单元包括一光源，用于提供照明光给光源光纤，多个光电传感器/放大器，用于分别检测和放大被引入到接收器光纤中的光，以及一信号处理和控制单元，用于处理来自光电传感器/放大器的输出信号以计算标尺和光纤读取头之间的一相对位移。
根据本发明的一第三方面，提供了一种用于测量两个元件之间相对位移的装置，该装置包括一标尺，其具有沿一测量轴方向形成的一标尺光栅；和一读取头，用于提供所述标尺的一可操作自成像图像，该读取头包括一光源部分，包括至少一个相应光源元件；和多个光纤接收器通道，每个光纤接收器通道分别包括一各自的接收器通道空间相位掩模部分，其具有一各自的空间相位并具有以一间距配置的阻光元件，可用于空间过滤所述标尺的可操作自成像图像，并且一般被放置在用于空间过滤该标尺的可操作自成像图像的一标称空间相位掩模平面处；以及至少一个接收器通道光纤，其具有接收一相应接收器通道光信号光的一输入端；其中由所述至少一个相应接收器通道光纤接收的接收器通道光信号光，包含通过所述相应的接收器通道空间相位掩模部分，在沿测量轴方向上具有一收集光区域尺寸的相应的收集光区域上收集到的光信号光，其中该收集光区域尺寸为至少三个完全周期的对应的接收器通道空间相位掩模部分；当该读取头相对于所述标尺光栅可操作地定位时，所述多个光纤接收器通道的至少第一和第二通道空间过滤其各自位于标称空间相位掩模平面处的标尺的可操作自成像图像的一些部分，以至少提供具有至少第一和第二信号相位的第一和第二接收器通道光信号；以及该装置沿各自光纤输出所述至少第一和第二接收器通道光信号，以多个各自的光学输出信号的形式提供相对位移测量信息，所述各自的光学输出信号被产生而不使用一电子光电检测器元件。
例如Eselun的美国专利No.5,909,283中公开的电子读取头接收器(光电检测器)在转换与高速标尺运动相关的高频检测器信号，以及在较长的光缆中无明显信号损失或干扰地发射这些信号方面具有局限性。另外，对于很多潜在的编码器应用，电子光电检测器和相关电路连接使得读取头过大。应该了解的是本发明的光纤检测器通道克服了这些限制。
根据本发明的另一方面，光纤编码器读取头使用具有各自的相位光栅掩模的多个光纤检测器通道检测一标尺光栅图像的位置。例如Tokunaga的美国专利No.4,733,071中公开的光纤尖端接收器，如果它们具有较大的直径，则对于精细相位信号辨别具有不足的空间分辨率，且如果它们具有较小直径时，收集的光过少不能提供一有效的信号。这样它们的精度受到限制。应该了解的是本发明的光纤检测器通道克服了这些以及其它一些限制，以提供较高的精度。
根据本发明的另一方面，由多个光纤检测器通道检测的标尺光栅图像为一自成像图像，也被称为其它名称例如一Talbot图像，其用于相对加强的对准容限和高的分辨率。
根据本发明的另一方面，光学编码器读取头按照基于光纤检测器通道的一输入孔径尺寸的一设计关系构造，以确保可靠的信号和提高的精度。
根据本发明的另外一个方面，光纤检测器通道被配置成平衡对，以提供提高的精度。
根据本发明的又一方面，光纤检测器通道的三个平衡对以一种提供提高的精度的方式被进行信号处理。
根据本发明的另外一个方面，光源通过一光纤提供，一实现一全光学的读取头，没有与一编码器读取头中的电子组件和电子信号相关的所有限制和成本。
根据本发明的另外一个方面，光学编码器的各种光纤从不同类型中选择，使得编码器测量精度相对不受光纤读取头光缆弯曲的影响。
根据本发明的另外一个方面，光学编码器读取头的各种实施例以一种独特的经济、精确和紧凑的方式构造。
根据本发明的另外一个方面，光学编码器读取头的构造使得其可以被插入到一个标准的市面上销售的光纤连接器配置。
根据本发明的另外一个方面，提供了一光偏转元件以偏转基本读取头元件和标尺光栅之间的读取头光路，以便读取头相对于标尺的可操作的安装方向被改变。
根据本发明的另外一个方面，在一个实施例中使用一远程接口盒，其包含合适的电子光源和光电检测器，与至及自根据本发明的一个或多个光纤读取头的光纤面接，并将接收的光信号转换为一种适用于进一步信号处理和读取头位置确定的形式。
这样，本发明克服了现有技术中光学位移感测装置的缺点，以一高度紧凑、高度精确、经济且高速的配置，提供了新的应用可能。


参照下列详细描述，以及附图将更容易理解本发明，同时本发明的前述特征和许多伴随的优点将变得更加容易了解。
图1是根据本发明的一光纤接收器通道配置的一第一普通实施例的等角图；图2是可用于根据本发明的各种示例性光纤读取头中的一自成像配置的一第一普通实施例的等角图；图3是根据本发明的一光纤读取头配置的一第一普通实施例的等角图；图4是根据本发明的一光纤读取头配置的一第二普通实施例的等角图；图5是根据本发明的一光纤读取头配置的一第三实施例的部分正交和部分等角图；图6显示了根据本发明可用的一接收器通道光纤的一个示例；图7显示了根据本发明可用的一光源光纤的一个示例；图8显示了包括与根据本发明的一光纤读取头共同使用的一远程电子接口单元的一个框图；图9为显示对于近似对应图3的一光纤读取头配置，当一光纤检测器通道的接收器孔径位于距离一照明场中心不同半径处时，不同的接收器孔径直径得到的代表性的信噪比的图；图10是根据本发明的一光纤读取头配置的一第四实施例的部分正交和部分等角图；图11显示了可用于根据本发明的各种光纤读取头配置中的相位掩模元件的一个示例；图12显示了根据本发明的一光纤读取头和光缆的一第一示例性对于每个光纤接收器通道190，相位掩模230包括一个完全覆盖接收器通道孔径110的光栅，其充当一用于入射照明的空间滤光片(spatial filter)。接收器光纤130与接收器通道孔径110对齐，以致标称上接收器通道孔径110接收到的所有的照明引导至光纤130，以提供一个光学信号191。在各种示例性的实施例中，接收器通道孔径110简单为接收器光纤130的一个平端。在各种其它示例性实施例中，接收器通道孔径为接收器光纤130的成形端。在各种其它示例性实施例中，该接收器通道孔径110是一个紧凑的折射或衍射透镜，通过相位掩模120收集入射照明、会聚光，并将光引导至已对准以便有效接收光的接收器光纤130的末端。每个光纤接收器通道190的接收器通道孔径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方法以一固定的关系彼此固连。
在根据本发明的各种示例性实施例中，相位掩模120被安排在一个确定了和/或与一标称接收平面160重合的共面配置中，相位掩模120的各种示例性实施例，以及他们的具体取向和单独的相位位置将在下文进一步详细说明。参照该光纤接收器通道配置100的一个通道配置中心157可以方便地说明接收器通道孔径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，通道配置中心157位于和呈现给该光纤接收器通道配置100的任何照明域的标称中心重合处，如下文中的进一步说明。每一接收器通道孔径110A-110C的有效中心位于距通道配置中心157的位置半径为140A-140C的各自位置上，如图1中所示。这里，接收器孔径位置半径一般表示为RAL。为了本发明的目的，在接收器通道孔径110不具有明显几何中心的各种实施例中，有效中心可以取为孔径面积的质心。
可用的接收器孔径位置半径140，和孔径面积可以根据下述参照图9-12详细讨论的本发明的原理来确定。在各种示例性实施例中，接收器通道孔径110是相同的，并且他们各自的位置半径140也是相同的。一般，使用根据本发明的一光纤读取头中的完全相同的光纤接收器通道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确度。但是，更一般的情况下，在根据本发明的各种示例性实施例中，接收器通道孔径110和/或他们各自的位置半径140不需要相同。
光纤接收器通道190一般被配置为彼此固定的关系。特别是，每个光纤接收器通道190的相位掩模120的光栅在标称上是共面的，并且被以一个特定的相互间的空间相位关系固定于接收平面160上。在各种示例性实施例中，相位掩模120通过在一个掩模基底上制造而以一个特定的空间相位关系被固定，如下文所述。下文将进一步讨论示例性的装配部件和方法。
图2显示了可在根据本发明的各种示例性光纤读取头中使用的一个自成像(self-imaging)配置200的第一个普通实施例。自成像，也被称为塔耳波特成像的基本原理，为公知技术在此不再详述。在Cowley，J.M.和Moodie，A.F.的论文(1957，proc.Phys.Soc.B，70，486)中给出了一个经典的分析。自成像配置200包括以光源间隙284分隔开的一个光源280和一个标尺光栅(scale ating)80。这里该光源间隙的大小一般表示为zs，或者，如果该光源间隙284和一个图像间隙285相等的话，在这里表示为z。标尺光栅80沿一测量轴82被校准，并且包括垂直于测量轴82延伸的光栅元件或光栅条，表示为照明光点253中的垂直线。该光栅元件或光栅条沿测量轴82以一光栅周期81周期性排列，光栅周期81这里一般表示为光栅周期或者光栅间距Pg。
图2中所示的X、Y和Z轴可以参照标尺光栅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。
在普通的自成像配置200中，光源280发射一总体上沿一源光轴251的源光250。该源光一般为单色或准单色并具有一标称波长λ。源光250一般以一发散半角252发散。源光250经过等于光源间隙284的距离以一照明光点253照射在标尺光栅80上，并被反射为总体上沿一标尺光轴255的标尺光254。在图2中所示的实施例中，源光轴251和标尺光轴255平行于Z轴并互相重合。标尺光254经过等于成像间隙285的一个距离到达一自成像平面265。成像间隙的大小这里一般表示为z。在自成像平面265上，标尺光254提供一个包括一自成像266的照明场256。照明场256具有一个照明场中心257和一个标称照明场半径258。自成像266是一个由亮条纹和暗条纹组成的图像，其中每一条纹垂直于测量轴82延伸。该亮条纹和暗条纹在平行于测量轴82的方向上按照一自成像周期83呈周期分布，自成像周期83这里一般表示为自成像周期或者自图像间距Psi。
在该自成像配置200中，自成像平面265平行于标尺光栅80的平面。应该了解的是自成像局限于在一特定组自成像平面的空间上。当光源280实际上为一点光源，且该配置大概如图2所示时，对于可用的自成像平面的自成像条件，既包括“同相”图像又包括“反像”为zszzs+z=2vPg2λ]]>(方程1)对于图像间距Psi相对于光栅间距Pg的放大率Psi=zs+zzsPg]]>(方程2)其中ν＝0，1，2，…zs为光源间隙；z为图像间隙；以及λ为源光的波长。
这样，对于图2中的结构，在z＝zs的条件下，可用自成像平面位于2Pg2/λ的整数倍处且间距Psi为光栅间距Pg的两倍。
应该了解的是，还有通常被称为菲涅耳图像的图像位于自成像平面之间的平面上。只要调整相位掩模120的间距以与一选定菲涅耳图像的间距相匹配，根据本发明的原理菲涅耳图像就可以被用作为自成像，并被包括在这里所使用的术语自成像之中。参考KrzysztofPatorski的文章The Self-Imaging Phenomenon and Its Applications，Progress in Optics，ed.E.Wolf，27，3-108，North Holland，Amsterdam1989可以理解并应用菲涅耳图像的特征。
在根据本发明的各种其它实施例中，标尺光栅80是一个反射相位光栅类型标标尺，其特殊构造使得自该标尺的0级反射被抑制。虽然一相位光栅的自成像不能用于一个编码器，但除了以例如上述分析中的振幅光栅获得图像外，可获得其它可用的提供更强信号的图像。应该了解对于这样的实施例，可用图像的位置偏离上述分析中的自成像的位置。如上面分析的，最佳可用图像平面之间的距离将保持相等，除了在标尺和第一个可用图像平面之间的间隙中存在一个特定的为可用图像平面间距离的一半的额外偏移之外。例如，在一反射配置中的一个周期为20微米、光源波长为780纳米的相位光栅，在z＝zs的情况下，忽略可能的距离掩模的偏移和标尺基底的厚度，将具有标称间隙为z＝0.513+ν*1.026(ν＝1，2，3…)毫米的可用图像平面(具有依次相反相位)。为了最佳操作而调整间隙所需的偏移量可以通过观察在不同操作间隙下的光纤接收器通道信号容易地根据实验确定。或者，可以使用适当的分析或者模拟来确定额外的偏移。
在根据本发明的各种示例性实施例中，光源280的一个特别简单和有效的实施例为一单独光纤的末端，其发送由一远程激光二极管和其它合适光源提供的相干光。在各种其它示例性实施例中，光源280为两个或者更多以精确间隔排列的光源，如下文参照图17的详细说明。在各种另外的其它示例性实施例中，光源280为一个源光栅孔径的周期性阵列(periodic array)，排列在一个或多个发送来自远程LD或LED或其它合适光源的光的光纤末端。该源光栅孔径具有一个规定的宽度和一规定的周期，如下文参照图18的详细说明。在各种另外的其它示例性实施例中，通过一个微型固态激光元件或者包含在光纤读取头中的一个微型LED元件及一个源光栅，来提供光源280。在这些情况下，应该了解的是读取头结构可能变得更加复杂和昂贵，同时将失去全光学光头的一些优势。但是，即使在这些情况下，结合根据本发明的全光学接收器通道配置的一读取头的至少部分优势将保留下来。
图3显示了根据本发明的第一普通实施例的一光纤读取头配置300。该光纤读取头配置300包括如前文分别参照图1和图2的光纤接收器通道配置100的第一普通实施例和自成像配置200的第一普通实施例。如图3中所示，光源280发射大体上沿着源光轴251的源光250。源光250经过了等于光源间隙284的一个距离z，在一照明光点253处，照射标尺光栅80，标尺光栅80形成在如虚线轮廓所示的一标尺光栅81上。照明光点253将光反射为大体上沿标尺光轴255的标尺光254。在图3中所示的实施例中，源光轴251和标尺光轴255平行于Z轴并相互重合。标尺光254经过等于成像间隙285的一个距离z到达一自成像平面265。在自成像平面265上，标尺光254提供一包括由亮条纹和暗条纹以上述自图像间距Psi组成的自成像266的照明场256。
前文中参照图1说明的接收器平面160，被配置与自成像平面265标称重合。应该了解的是自成像实际上存在于，与前述“完美”自成像平面相邻的“欠聚焦(less focused)”平面中。在一些示例性实施例中，接收器被故意安排与这种“欠聚焦”自成像平面标称重合，而根据本发明的原理仍能检测到一充分的或者所希望的图像。例如，这种“欠聚焦”自成像平面可被故意选择，用以抑制自成像266中不需要的高阶空间谐波成分。通道配置中心157也标称对准照明场中心257。应该了解在光纤读取头配置300的实施例中，光源280也标称地与照明场中心257相对准。通过使用一大体上接近并对准相位掩模放置、并具有所需数量的接收器光纤孔和有源光纤孔(如果适用的话)地对准板，在各种示例性实施例中所有元件的对准可以容易地实现。不同的光纤末端被插入并固定在合适的孔中以提供所需的对准。图3显示了一个示例性对准盘305的一个“分解视图”。箭头308表示该对准盘305将被放置靠近相位掩模120，而不是在图示的“分解”位置。对准盘305具有接收器光纤孔306和(如果在不同实施例中适用的话)一有源光纤孔307。在标称对准的接收器平面160和自成像平面265中，对于每一相应光纤接收器通道190，各自的相位掩模120在空间上过滤进入的自成像照明。在图3中所示的示例性实施例中，各个相位掩模120A、120B和120C每个都具有一个与图像间距Psi相同的掩模间距Pm，且它们分别被安排在相对于自成像266的0度、120度和240度的空间相位位置处。这样，光纤接收器通道190A、190B和190C接收除了空间相位差之外以类似方式经空间过滤的照明。应该了解的是，当标尺光栅80沿着测量轴移动一增量Pg时，自成像相对相位掩模120移动一增量Psi。这样，当标尺光栅80沿测量轴移动时，对于光纤接收器通道190A、190B和190C的光学信号191A、191B和191C显示出大致相同的正弦强度变化，除了120度的相对相位移动之外。公知的方法可以用于基于这些“三相”位移信号确定标尺光栅80相对相位掩模120A、120B和120C的位移。
这样，图3中所示的示例性光纤读取头配置300提供了一种位移测量系统，可用于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配置300具有一个可传送光纤读取头配置的对应物(counterpart)。在这种情况下，光源280zai一可发送的标尺光栅的相反一侧，以相同距离沿Z轴放置，光源280和标尺光栅之间有一类似间隙284’。
示例性光纤读取头配置300提供了一个三相测量系统。然而，应该了解相位掩模120的其它可替换实施例，以及对应的光学接收器通道190的其它可替换配置可用在该普通光纤读取头配置300中。相位掩模120的各种示例性实施例，包括提供具有一正交相位关系或者更高阶相位关系的光学信号的实施例，将在下文中进一步详细说明。
图4显示根据本发明的一第二普通实施例的光纤读取头配置400，除了如下述说明中所提示的之外，该光纤读取头配置400的操作方式与光纤读取头配置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中明显类似元件相同。该光纤读取头配置400包括如前文参照图1所述的光纤接收器配置100的第一普通实施例和自成像配置的一第二普通实施例。
如图4所示，光源280发射大体上沿着源光轴251的源光250，其中源光轴251在Y-Z平面中与Z轴成一角度，如图所示。在这一段的讨论中该角度表示为-β。源光250经过了一距离zs，以在照明光点253处照射标尺光栅80。照明光点253将光反射为大体上沿标尺光轴255A的标尺光254，其中标尺光轴255A在Y-Z平面中与Z轴成一角度+β，如图所示。应该了解的是对于在平行于Y-Z平面的方向上的光线成分，标尺光栅起到了一个平面反射镜的作用。标尺光254经过一个距离z到达一自成像平面265A，自成像平面265A是一个垂直于标尺光轴255A以致满足方程1和方程2的条件的平面。这样，在自成像平面265A上，标尺光254提供一包括由亮条纹和暗条纹、并以上述自图像间距Psi组成的自成像266的照明场256。
和光纤读取头配置300类似，接收器平面160被配置与自成像平面265A标称重合而通道配置中心157也标称对准照明场中心257。这样，和在光纤读取头配置300中一样，光纤接收器通道190A、190B和190C接收除了空间相位差之外以类似方式经空间过滤的照明，并和在光纤读取头配置300中一样产生相应的光学信号191A、191B和191C。
这样图4中所示的光纤读取头配置400提供了一个可替换的“成角度”配置，其中光源280与通道配置中心157和照明场中心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配置400具有一个可传送光纤读取头配置的对应物。在这种情况下，光源280被放置于沿标尺光轴255A的延长线，穿过标尺光栅80的X-Y平面的对称位置。可以了解在这种情况下，标尺光栅80为一可传输的标尺光栅。
这些可替换的配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的可替换实施例以及光学接收器通道190的对应可替换配置可用在该第二普通光纤读取头配置400中。各种相位掩模120的示例性实施例，包括提供具有一正交相位移关系或者更高阶相位关系的光学信号的实施例，将在下文中进一步详细说明。
图5显示根据本发明的一第三普通实施例的光纤读取头配置500，该光纤读取头500的配置与上述参照图3的光纤读取头配置300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配置500需要另外解释的某些特征。
如图5所示，光纤读取头配置500包括三个光纤接收器通道590A、590B和590C，它们的操作与前述光纤接收器通道190A、190B和190C类似。例如光纤接收器通道590A包括一个接收器通道孔径510A、一个相位掩模520A，和一个接收器光纤530A。另外还包括一透明材料的相位掩模元件561、一个与前述普通对准盘305本质上类似的对准盘305’，和一个通过一有源光纤570的末端提供的光源580。有源光纤570携载在靠近一远程激光源的光纤的一远端输入的激光，例如，如下文参照图8所述的。该激光作为一源光从有源光纤570的读取头端发射，以提供根据本发明适于自成像的一光源580。在各种示例性实施例中，有源光纤570的读取头末端是平的并垂直于光纤轴，且与相位掩模元件561对接。下面将详细说明一示例性的有源光纤570。
相位掩模元件561可以根据任何现有公知的或最新研究的薄膜技术、材料和处理而构成，例如那些目前用于制造很多市面上销售的编码器读取头等的技术、材料和处理。对于图5中所示的示例性实施例，相位掩模元件561是一个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被发送。根据前述的本发明原理，相位掩模520A-520C在相位掩模元件561的一个平面上共面排列，且该平面确定了与自成像平面265(未示出)标称对准的接收平面160。发明人发现，在根据本发明的一些读取头实施例中，当这样的相位掩模元件处在与接收器光纤的末端，例如在该示例性实施例中接收器光纤530A-530C的末端最近的平面上时，可得到更好的性能。
在一个示例性实施例中，以一16微米的间距制造每个示例性相位掩模520A-520C，以匹配具有8微米的标尺光栅间距的示例性标尺光栅80(未示出)所提供的自图像间距Psi。在一个示例性实施例中当相位掩模520被放置在远离标尺时，标尺光栅80被635纳米波长的激光照射用于一标称自成像间隙z＝1.61毫米的光源580，其中根据实验对该光源进行调整以补偿由于相位掩模元件561的基底材料的折射率导致的间隙变化。在这种情况下，对于一个典型的从光纤光源280开始的约7度以包括大约光束光学能量的90％的发散半角，包括大约光束光学能量的90％的照明场载直径0.8毫米的数量级上。
相位掩模520A-520C被配置以提供一种三相测量系统。这样取相位掩模520A中的一光栅条521A的边缘作为参考，相位掩模520B中的光栅条的对应边缘将在沿着X轴的一第一方向上，被空间上相位移动+120度的空间相移，或者1/3*16微米，模16微米。相位掩模520C中的光栅条的对应边缘将在沿着X轴的相反方向上，被空间上相位移动相同的量，1/3*16微米，模16微米。在一个示例性实施例中，相位掩模520的空间负载循环为50/50。在各种其它示例性实施例中，相位掩模520的负载循环(甚至标称间距)可以根据任何公知的或最新开发的方法进行调整，以抑制在接收到的自成像中的特定空间谐波，和/或用以校正自成像象差等。
相位掩模520的光栅条521应该完全覆盖每一各自接收器通道孔径510。在图5中所示的示例性实施例中，这包括构成一长度等于下垫的接收器光纤530的外径，加上足以包含任何组件容限变化的额外长度的光栅条521的大部分。同样，应该提供掩模光栅(maskgrating)的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容限所需要的额外的量。但是，应该了解的是一接收器光纤530有效接收器孔径510一般小于其外径，因此这是一个保守的准则而不是一个限制性的设计标准。下面将详细说明一个示例性的接收器光纤530。
应该了解的是，为了在根据本发明的各种示例性光纤读取头中降低从接收器到接收器的误差并实现更稳定的性能，各种光纤接收器通道间的信号幅值是标称平衡的，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径的尺寸为较粗糙时，相位掩模的板之间每个通道的有效开放孔径(open apeture)面积可能明显依赖于相对于孔径中心或轮廓的相位掩模偏移。由于该相位掩模偏移对于不同的光纤接收器通道可能是不同的，因此这可以使各种相位信号的幅值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，一光纤接收器孔径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其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，以致与偏移相关的在光纤接收器孔径中通过相位掩模光栅条形成的边缘量化效应可被充分控制。应该了解的是以前的仅为相对粗略的精度和分辨率设计的光纤编码器没有足够地考虑到该因素。
在光纤读取头配置500的一个示例性实施例中，有源光纤570具有50微米的外径，且与通道配置中心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，它们都被放置于距离通道配置中心157相同的250微米的接收器孔径位置半径540处，接收器孔径位置半径540一般表示为RAL。所有的光纤与相位掩模元件561连同对准盘305’一道对接，所得到的组件通过一个合适的光学等级的粘合剂等结合在一起。应该注意所有孔径都不含使光明显衰减的材料。在各种实施例中，所有的元件放置的位置容差在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、对准和由该配置提供的光学信号的信号处理给予合理和实际的维护级别时，光纤读取头配置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，该光纤读取头配置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配置500的所有关键元件包含在一个约750微米的总的直径范围之内。因此，当对准盘305’的非实质的外围部分和相位掩模元件560被去除时，该光纤读取头配置500提供一个高分辨率、高精度的光纤读取头配置，其可以基于测量信号在亚微米总读取头直径内实现自成像。
图6显示了可以用作接收器光纤530和在根据本发明的各种其它实施例中可用的接收器通道光纤的一个示例。如图6所示，接收器光纤530具有一个直径为DRA532的中心纤芯区域531，该纤芯区域531与环绕的直径为DRC534的包层533一起，充当照射到其上的光的一个或多个波导。纤芯区域531因此提供接收器通道孔径510。一个另外的“缓冲”层535(其可能实际由多个更薄的层构成，浙与本讨论无关)提供一个直径为DRF536的外部接收器。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，缓冲层围绕着包层533用于保护的目的，并且/或者可以定制尺寸以提供最佳外接收器直径DRF，可以更加方便和经济的几何包装、分隔和装配。
在一个示例性实施例中，接收器光纤530是市面上销售的多模光纤，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，取决于纤芯层直径532可低至仅5微米或更小厚度的包层，也可以在市面上购得。应该理解的是具有提供纤芯层直径532与外径536的最大比率的大接收器孔径直径的接收器光纤，在各种示例性实施例中可以提供最强的信号和最高的精确度，如下文进一步的详细说明。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，使用了塑料接收器光纤。
在其它示例性实施例中，使用了市面上的多芯光纤。这种光纤在一光纤读取头的光缆内的接收器光纤中实现更紧的弯曲半径方面具有优势。这些光纤具有在通光孔径(clear aperture)区域510内散布的带有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通道，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，因为相比前面讨论的单个接收器光纤，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，这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径，例如前述的接收器孔径110和/或510等。
图7显示了可用作光源光纤570以提供图5中所示的光源580及根据本发明的其它实施例中可用的光源光纤的一个示例。如图7所示，光源光纤570具有一个位于中心的纤芯571，直径为DSA572，其被一直径为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，这样可实现灵活的光纤尺寸以便达到以所需的光纤间隔构造读取头的目的，并且可达到一所需总的读取头直径。这种灵活的光纤尺寸被用来实现根据本发明的某些原理，在各种示例性实施例中经济的几何包装、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。在各种其它示例性实施例中，包层和/或缓冲层被规定为一需要的尺寸并以足够的精度制造，以实现标称上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判断，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，有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一光纤读取头的照明场中恒定的光分布和光量。来自这样的有源光纤的照明场不受根据本发明的一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一个因素。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，一个合适的单模光纤的纤芯直径在DSA＝4微米的数量级上。在这些实施例中，光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另外在发射端还具有例如小于50微米的外径，以有助于实现较小的读取头直径。在各种示例性实施例中该单模光纤在发射端具有例如大于50微米的外径，以有助于实现所需要的读取头装配间隔。在一个特殊示例性实施例中，用作为一635纳米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。该单模光纤具有DSF＝250微米的外径，这样提供了一个可以很方便地用于经济型紧密包装装配的配置，例如象下文进一步说明的，以匹配被用在这些实施例中接收器光纤的市面上的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。市面上这种型号的光纤具有DSC＝80微米和DSF＝200微米，这为根据本发明的光学有源光纤提供了另外两个可能的光纤外径。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，适合根据本发明的各种示例性实施例。
应该了解的是根据本发明的各种光纤读取头中的单模有源光纤的另外一个优点是它们较小的数值孔径和相应的相对小的照明发散角度范围，这是它们本身所固有的，而无须特殊的光源光纤末端处理或者透镜。如下文参照图9所讨论的，大的发散角度可能导致不希望出现的在根据本发明的接收器照明平面处的发散损失。因此，在各种示例性实施例中，根据本发明的一光源提供一小于0.25的数值孔径。在各种其它示例性实施例中，根据本发明的一光源提供一小于10度的发散半角。在各种其它示例性实施例中，根据本发明的一光源提供一小于6度的发散半角。
图8显示了一个框图，包括一个通用的远程电子接口单元805，其可用于和根据本发明的一光纤读取头(一般由一光纤读取头800表示)结合使用。该远程电子接口单元805包括一个信号处理和控制单元893、一个可以包括一个光学透镜的光源877、和由实施例确定的多个光电传感器/放大器892A至892n。光源/透镜877可以包括其它的光学元件例如光隔离器等。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至830n耦合至光纤读取头800。光纤870和830A至830n被导入一读取头光缆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者更长。接收器光纤830A至830n分别携带光学信号891A至891n。光学信号891A至891n为如上述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通过有源光纤870将光发送至光纤读取头800的标尺光栅。光纤检测器通道，例如上述的光纤接收器通道190A-190C等，从光纤读取头800的标尺光栅接收光并提供信号891A至891n，这些信号分别输入至光电传感器/放大器892A至892n。光电传感器/放大器892A至892n将放大的电子输出信号891A’至891n’提供给信号处理和控制单元893。应该理解在下文进一步说明的各种示例性实施例中，根据本发明的一个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通道。对于这样的实施例，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以便提供所需的信号求合，或者接口至不同的光电传感器/放大器892，这些不同的光电传感器/放大器892可以将它们的信号在另外的信号处理过程中电子求和。这样图8中所示的结构只是说明性的而非限制性的。
下面的讨论是关于在下文中参照图9说明的结果。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，与不使用自成像和/或并非设计用于提供高分辨率和高精度位置测量信号的相对粗略的光纤编码器读取头形成对比的是，这种光纤编码器读取头的尺寸和其固有的信噪比都是很关键的。设计上的约束，例如一个所需要的或者经济的光纤尺寸、从光纤源以具体的自成像间隙直接获得的实际的照明场尺寸，以及实际的装配位置约束都是设计要考虑的非常重要的因素。特别是，应该了解，由根据本发明的很多可用光纤提供的较小的接收孔径直径，可以远小于在现有技术的读取头中使用的多数或者所有电子检测器，而且这样一个小的接收孔径直径严格地限制了可用的信号能量和得到的信噪比。
由于所有这些原因，观察有关根据这些严格设计限制来提供一足够的信噪比的某些设计关系是非常重要的。这样的设计关系不仅指明了关于优化性能的设计条件，而且表明了为装配技术、元件成本或者其它原因而着想，但同时仍能保持微米级甚至亚微米级的分辨率和精度，所做出的设计权衡的一个范围。如下文更详细的说明，光纤编码器读取头的某些设计因素，可被用于在根据本发明的各种示例性光纤编码器读取头中提供理想的信噪比。
在各种示例性实施例中，根据本发明可用的光源为一没有分离透镜或准直仪的光纤光源。在各种示例性实施例中，这样一个光纤光源从其末端输出一个发散的源光束，该发散光束一般具有一个在5-10度范围内的发散半角。在这样的一个源光束中假设一高斯(Gaussian)强度分布是合理的。高斯光束分布的特性在关于光纤的应用的文本中有详细说明。由于多种原因，该高斯强度分布在根据本发明的一光纤读取头配置中是一个重要的考虑因素。应该了解的是在这样一个光束中的光照度，即，每单位横截面积上可用的光通量，沿着该光束轴不均衡地集中。这样，远离该光束轴放置的一个接收器孔径由于高斯分布遭遇“额外”信号损失(与一“均匀光束假设”相比)。另外，应该了解的是，如同在均匀光束中，只要光点尺寸或者光束的照明场半径由于“发散损失”而增大，平均光束光照度就将因为纯粹的几何外形因素而降低。同样，应该了解的是在一个“对准的”反射装置中，例如图2和图3所示，使用一高斯光束时，照明场265中的最高光照度在照明场中心257上并围绕它。然而，光源280的机械干扰和各种其它装配考虑因素可能将阻碍在最高光照度的区域上放置接收器孔径110。
下列方程，方程3，将上文讨论的因素考虑为变量D。另外，该方程包括其它重要的因素以提供在根据本发明的一光纤读取头配置中，信噪比在各种设计因素上的相关性的有用的分析S≈PCg1g2DRdGd(方程3)下表定义了方程3中使用的符号，并且还包括用于确定可应用的图9中显示的结果的典型的值。
假设一个0.05mV的值用于在合适的光纤读取头信号处理远程电子元件中典型的电子系统噪声，例如参照图8所描述的。这是用于图9中所示的信噪比结果的噪声值。

表1图9是一个显示当一光纤检测器通道的接收器孔径位于距离一照明场的中心不同的接收器孔径位置半径RAL近似对应上文中参照图3说明的普通光纤读取头配置300时，由不同接收器孔径直径DRA所得到的有代表性的信噪比。图9中水平轴所表示的照明场半径RW，与图2中所示的照明场半径258相对照。对于一个高斯光束轮廓，光束或者所得到的照明场的边缘未被很好地确定。在这种情况下，RW被定义为照明场中局部光束强度为照明场中心局部强度二分之一处的半径。根据本发明，在半径RW之外有足够的光照度，但是总的光束能量的99％落在约2.55RW的半径之内。图9中垂直轴所表示的接收器孔径位置半径RAL，和图9中各位置处显示的接收器孔径直径DRA已在前文中分别参照图1和图6定义过了。接收器孔径位置半径RAL的一个例子是图1中所示的接收器孔径位置半径140，以及参照图5描述的接收器孔径位置半径540。接收器孔径直径DRA的一个例子是参照图6描述的接收器孔径直径532。这些例子仅用于说明而并非是限制性的。
应该了解的是图9的结果依赖于不同尺寸之间的比率，而不是具体尺寸本身。因此，用于图9中所示的坐标轴的长度单位是任意的。当比率的一个成分因各种原因被选定或被限制为一具体尺寸时，比率在设计中就变得有意义了。然后可以相应地选择余下因素的具体尺寸。线999包括不同接收器孔径直径值DRA的参考标记和对应标记。为了保持图9的通用性，接收器孔径直径值DRA以与它们对应的接收器孔径位置半径RAL的比例的形式给出。
应该了解的是图9的结果是对于一个单一的“理想”检测器通道而言。然而，由一个根据本发明的读取头而得到的实际的位置确定结果也因大量的其它因素，例如各种相位信号间的平衡、相位信号中的空间谐波、沾染、失准直等而退化。尽管如此，图9中所示的信噪比提供了非常有用的设计准则，特别是对于确定各种合理且相近的设计中的不同设计权衡的可能的性能。
在图9中不同的信噪比结果沿不同的信噪比“等曲线(isocurve)”，对于RW和RAL的各种组合而显示出来。在每一个信噪比等曲线上有一个“峰值”，对应于可用于获得该信噪比等曲线的信噪比的RAL的最大值。图9中所示的每个信噪比等曲线峰值对应于接收器孔径位置半径RAL的“最大值”，该峰值发生在对该RAL特定值是最优的照明场半径RW处。线999穿过所有这些信噪比等曲线峰值。应该了解的是任何特定的接收器孔径位置半径RAL(图9中的一条水平线)与线999上的一个对应点相交。对应于线999上该相同点的任何照明场半径RW的偏差(图9中的一条垂直线)，对该特定接收器孔径位置半径RAL将产生一个较低的信噪比，以及较差的性能。
应该了解的是，为了基于根据本发明的一光纤读取头所提供的正弦信号提供高分辨率和高精度，不仅期望对波长或者标尺光栅间距单元累计的次数进行计数，而且期望在“初始”和“最近”波长中进行内插至尽可能高的程度。一般说来，内插级别大致对应于信噪比，即，对于信噪比为1，不可能存在有意义的峰值间正弦信号的内插。对于信噪比为1000，大约千分之一的峰值间正弦信号有可能被鉴别出来。
图9中所示的基于前述的假设和设计值的信噪比结果，表明不管接收器孔径直径值DRA，对于一个给定的接收器孔径位置半径RAL，最佳的“半顶点(half-maximum)”照明场半径RW大约等于0.83*RAL。图9还表明减小该“半顶点”照明场半径RW至约0.5*RAL，或者增大该“半顶点”照明场半径RW至约1.7*RAL，可以产生一个约为在0.83*RAL所能提供的信噪比一半大小的信噪比，这是在根据本发明的各种示例性实施例中，信噪比的显著的且是不希望出现的降低。这样，在根据本发明的各种示例性实施例中，该“半顶点”照明场半径RW至少等于0.5*RAL且最大等于1.7*RAL。然而，应该了解的是在各种其它示例性实施例中，根据本发明的一自成像光纤读取头即使当照明场半径RW小于0.5*RAL或大于1.7*RAL时，仍保留了各种优势。例如根据本发明的一自成像光纤读取头可以具有有利的装配方法和较小尺寸，如下文进一步说明的。
图9中的结果还表明了接收器孔径直径值DRA关于接收器孔径位置半径RAL的信噪比效应。沿着线999向左递减可以看出，当接收器孔径直径值DRA接近接收器孔径位置半径RAL的值(一个相对较大的接收器孔径)时，信噪比可以接近1000。如图中沿着线999所示，当接收器孔径直径值DRA与接收器孔径位置半径RAL的比率大于约1/3时，根据用以确定图9中结果的假设，可以实现一个稍大于100的信噪比。对于一个10微米除以百分之一的信噪比的标尺光栅间距来说，当除去上文所讨论的各种其它实际考虑因素时，可能的分辨率和精度在0.1微米的量级。在根据本发明的各种示例性实施例中，不希望调整较差水平的潜在性能。这样，在根据本发明的各种示例性实施例中，一接收器孔径直径值DRA应该大于或等于接收器孔径位置半径RAL的1/3。
如沿线999所示，当接收器孔径直径值DRA与接收器孔径位置半径RAL的比率进一步降低至约1/5时，信噪比降低了一个大约为2的因子。即，当比率DRA/RAL从1/3降低至1/5时，根据本发明的一光纤读取头的可能性能降低了一个大约为2的因子。然而，放宽比率DRA/RAL至这样的级别可能实现有用的设计灵活性和/或更经济的元件或组件，同时仍可以实现亚微米级的性能以及微小的尺寸，和根据本发明的自成像光纤读取头可能具有的各种其它优点。因此，在根据本发明的各种其它示例性实施例中，接收器孔径直径值DRA将大于或等于接收器孔径的位置半径RAL的1/5。
当比率DRA/RAL进一步从1/5降低至1/8时，信噪比降低了一个进一步的大约为2到3的因子。然而，放宽比率DRA/RAL至这样的级别可能实现更有用和更经济的设计及装配灵活性，同时仍可以实现微米级的性能以及微小的尺寸，和根据本发明的自成像光纤读取头可能具有的各种其它优点。因此，在根据本发明的各种其它示例性实施例中，接收器孔径直径值DRA将大于或等于接收器孔径的位置半径RAL的1/8。
当接收器孔径直径值DRA进一步降低至小于接收器孔径的位置半径RAL的1/8时，与其它大得多的市面上的这种编码器读取头相比，根据本发明的一自成像光纤读取头可能的性能就不再是很出色的了，但它的尺寸和这些编码器读取头相比仍然是很突出的。此外，其尺寸，和/或分辨率及精度，和/或操作的坚固性，与使用其它物理或光学原理的现有技术的光纤编码器相比，仍然是突出的。另外，特殊的具有优势的装配方法可以用于根据本发明的一自成像光纤读取头，如下文进一步的说明。这样，再各种示例性实施例中，根据本发明的一自成像光纤读取头保留了各种优点，即使当接收器孔径直径值DRA降低至小于接收器孔径的位置半径RAL的1/8的时候。
发明人还已经确定相对理想的自成像只在相对接近由一光源产生的照明场的中心时才出现，其中该光源在根据本发明的各种示例性实施例中是点光源。在这种情况下，当一接收器孔径的位置半径RAL增大时，根据本发明的可用的自成像在距离照明场中心增加的半径处愈加显示出可见度和空间相位上的非理想变化。的确，关于自成像的最广泛的公知参考文献做出了限制其在一自成像照明场中心的有效性的假设。这样，不需否定前述关于根据本发明的一自成像光纤读取头中的信噪比的讨论的有效性，在各种示例性实施例中，接收器孔径的位置半径RAL也与其它的设计、装配和成本权衡所允许的情况一样小。
图10显示了根据本发明的一第四实施例的光纤读取头配置1000。光纤读取头配置1000的操作与上文参照图3说明的普通光纤读取头配置300实质上类似，并且包括上文参照图5所描述的类似的元件。由于结构和操作上的这些相似点，下文只说明光纤读取头配置1000需要另外解释的某些方面。
如图10所示，光纤读取头配置1000包括一第一组三个光纤接收器通道1090A-1090C，它们的操作与前述光纤接收器通道190类似。应该了解的是该光纤读取头配置1000提供了根据本发明的“平衡对(balanced pair)”光纤读取头的一第一示例。为了提供根据本发明的一平衡对光纤读取头，光纤读取头配置1000包括一第二组三个各自平衡的光纤接收器通道1090A’-1090C’，它们分别被安排在照明场中心257与对应光纤接收器通道1090A-1090C相对侧的“平衡对”中，如图所示。光纤接收器孔径1010上显示的配对编号1-1、2-2和3-3表示出这些平衡对。
图10中还显示了一个读取头壳套600，包括一圆柱形套管601，如图中局部以虚线轮廓剖开部分所示。该套管的内径以一轻微的干涉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，光纤被插入并从后端对准进入套管601，并插入直到其稍微伸出一安装表面602之外。然后，将光纤结合至套管并彼此结合。再将光纤接地并抛光整平出安装表面602。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至安装平面602。在一个示例性实施例中，相位掩模1020制造于相位掩模元件1061的“内侧”，最接近光纤末端。下文将参照图11详细说明六角形的相位掩模元件1061。
在一有源光纤1070的末端具有一光源1080。在一个示例性实施例中，有源光纤1070是一个单模光纤，被用作为一点光源以发射源波长为635纳米的光，该光纤是3M公司制造的产品编号为FS-SN-3224的光纤，其具有一DSF＝250微米的外径。接收器光纤1030与市面上的多模光纤完全相同，为一具有纤芯/包层/缓冲层直径DRA/DRC/DRF等于200/220/250微米的石英光纤。这样，光纤读取头配置1000中的所有的有源光纤和接收器光纤具有相同的250微米的外径并因此可以排列成根据本发明的一种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，有利的紧密的安装配置是一个六角形的紧密包装配置。
应该了解的是，与图5所示的光纤读取头配置500中使用的3光纤接收器配置相比，该实施例的平衡6光纤接收器配置可以实现两倍的接收光，以及相应的两倍的可能信号强度。此外，接收器孔径1010的这种平衡对配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13详细讨论降低与偏转相关的误差。
应该了解的是例如光纤读取头配置1000的一个组件提供了一个直径为1毫米和更小的高分辨率全光学编码器读取头。还应了解的是该配置提供了低成本精确的“自装配(self-assembly)”。还应了解的是有源光纤1070被单独故意“设置超大尺寸(oversized)”以实现这些装配的目的。根据参照图9讨论的设计原理，光纤读取头配置1000还提供了一个高级别的信噪比。
例如，对于上述3M公司制造的FS-SN-3224示例光纤的一平的末端，已经确定“半顶点”光束半径的发散半角为约4.5度。这样，在光纤读取头配置1000的一个示例性实施例中，对于一个可反射的标尺光栅80及一个约1.6毫米的自成像间隙，RW约等于tan(4.5)*2*1.6毫米＝253微米。对于上述的示例性光纤特性和尺寸以及光纤读取头配置1000的紧密包装实施例，RAL约等于250微米。这样，RW约等于RAL且并未远离上文参照图9讨论的0.83*RAL的值。此外，DRA＝200微米，约为4/5*RAL。根据图9中所示的信息，使用这样的设计关系，每个光纤接收器通道应该提供一个明显大于640的信噪比。考虑到光纤读取头配置1000为每个电子检测器提供两个平衡的光纤接收器通道，这个值可以近似加倍，得到一个大于约1280的值。用实验方法，发明人已经示范了用一个该类型的壳比较的读取头配置，使用具有8微米光栅间距的标尺光栅，在1纳米的分辨率下的稳定的位置读取。
图11显示了可用于光纤读取头配置1000和根据本发明的各种其它读取头配置中的相位掩模元件1061的一个示例。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包括对一读取头源光不透明的光栅条1021。光栅条1021在标厚度t和标称宽度w的对读取头源光透明的基板1065的表面1062上排成阵列。铬、铜和其氧化物是常见的可用于构成光栅条1021的材料。玻璃和石英是可用于基板1065的常见材料。该基板1065在有效掩模区域外面可具有边缘界限1066以避免处理过程中毁坏光栅条。该边缘界限1066围绕掩模区域可以具有变化的宽度，以便基板可以具有六角形(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’的有效掩模区域为包含光栅条1021的区域。该有效掩模区域应该足够大，以便覆盖对应接收器孔径1010的通光孔径区域，具有用于装配定位中的变化的额外的公差。图中掩模元件1061的中心是一个对准环1063，其具有一个用于来自光纤1070的源光的通光孔径，如上所述。通光孔径的大小例如是前文参照图7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由钠钙玻璃制成，厚度为0.25毫米且宽度为2.0毫米，其以一个坚实的边缘外伸在参照图10所描述的光纤配置，附着至具有约2.0毫米外径的一套管601。
掩模光栅条1021按一周期沿X轴方向周期性排列，其中该周期与前述可操作的自成像平面中的光栅成像的周期匹配。该示例的相位掩模元件1061如图中所示具有6个相位掩模1020用于和一平衡配置中的6个光纤接收器通道使用，其中径向相对的光纤接收器通道孔径，接收用读取头相对标尺光栅的X方向移动调制的光信号的相同相。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。对应的光纤接收器通道中的产生信号的信号处理将在下文进一步讨论。对于一个可用于一自成像编码器的用光栅条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一显微镜和一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微米的容限范围内的对准。
图12显示了根据本发明的一光纤读取头和光缆1200的一个第一示例性实施例。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配置300的操作，并包括参照图10描述的光纤读取头配置1000。由于结构和操作上的这些相似点，下文只说明光纤读取头壳套600’和光缆695需要另外解释的某些方面。
如图12所示，该光纤读取头和光缆1200包括了“平衡对”光纤读取头配置1000。读取头壳套600’包括一套管601，具有根据前述的紧密包装装配方法适当确定尺寸的内径603。在该实施例中的安装表面602可以被一小延伸环围绕，以便相位掩模元件1061相对于一端表面602’是凹陷的，这样保护相位掩模元件1061的表面不受破坏。该端表面602’也可以包括一个切角604以便读取头壳套600’更容易插入安装孔。读取头壳套600’还包括一个安装止挡606用于在例如一安装孔内的正确的深度将读取头壳套600’止住，以帮助建立一个所需的自成像间隙。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，其在各种应用中可以辅助安装对准。对准槽605参照相位掩模1020的光栅条的方向被相对精确地对准。光纤1030和1070从套管601和/或安装止挡606的后面延伸进入一读取头光缆695，如图中的剖面图所示，在各种示例性实施例中其可以是一个标准的市面上的光纤束护套。如箭头696所示，光缆695的护套被插入并结合至读取头壳套600的后端一个扩大了的直径处，并通过粘合剂等固定就位以为各种光纤提供保护和应变消除。如前所述，光缆695在各种应用中可以延伸数十米和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一个微型的光纤读取头。应该了解的是可以容易地使读取头壳套套管601和/或安装止挡606的外径小至1-2毫米。这样，在一个示例性实施例中，读取头壳套600’或者光缆695的一个远端，或者两者被装配为工业标准PM-FC连接器用于进一步的安装、装配、对准和连接。
图13是显示关于本发明的各种示例性实施例的一偏转失准直考虑因素的图形。如图13所示，六个光纤接收器通道，示意性地以六个对应相位掩模1320A-C和1320A’-C’表示，排列为环绕一标称照明场中心1357的型式，类似于前面讨论的各种示例性实施例。在该示例中，照明场中心1357同样被假设是一旋转偏转失准直的一旋转中心1357，下文将详细说明。每个光纤接收器通道被定位在距离线1301的接收器孔径位置半径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，一旋转偏转失准直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和接收器孔径位置半径RAL的光纤接收器通道，该偏移ΔXi为Δxi＝RALθcos Ψi(方程4)
对于一给定的偏转失准直θ，相对旋转中心1357沿一对应于测量方向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沿一平行于线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。在一个相位掩模位置中的每个偏移Δxi将导致该相位掩模1320i的一个空间相位位置误差，以及对应光纤接收器通道的信号中的一对应相位误差。对于在照明场中心/旋转中心1357的相对侧上的“平衡对”相位掩模1320i和1320i’，如相位掩模1320C和1320C’上的箭头1302和1302’的方向所示，其偏移Δxi和对应的信号相位误差两者幅值相同但方向相反。这样当平衡对光纤接收器通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8所讨论的，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通道求和时，由旋转的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通道提供了增加信号电平但不增加电子噪声的进一步的优点。
在图13的示意图中显示的平衡对光纤读取头配置的一个示例性实施例中，对应于相位掩模1320A和1320A’的光纤接收器通道信号可能都具有一个零度的标称相位并且可以被光学求和以产生一个光电检测器信号UR。类似的，对应于相位掩模1320B和1320B’的光纤接收器通道信号可能都具有一个120度的标称相位并且可以被光学求和以产生一个光电检测器信号US，而对应于相位掩模1320C和1320C’的光纤接收器通道信号可能都具有一个240度的标称相位并且可以被光学求和以产生一个光电检测器信号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5)
Q2=UT-US+(1+2cosα)(UR-US)sinα]]>(方程6)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提供补偿。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通道做出不同的相位选择，只要保持两个通道之间相位差(即，通道对A/A’与通道对C/C’相比较的240度)是不同组通道的相位差(即，通道对A/A’与通道对B/B’相比较的120度)的两倍的关系。因此，可用于相位掩模1320A-C和1320A’-C’的可替换的一组相位是0度、100度和200度，虽然对于该可替换相位组来说，从正交信号中去除三次谐波的优势被削弱了，如下文所述。
一个测量的读取头位置X于是可以通过使用一两个自变量的以2π为模数的反正切函数从前述正交信号中确定X＝(Pg/2π)*atan(Q1，Q2) (方程7)其中Pg是例如前述标尺光栅80等与根据本发明的光纤读取头一起使用的一标尺光栅的光栅间距。方程7中所示的两个自变量的“atan”函数在很多公开的数学程序中描述并可用。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，如下文的进一步讨论。
在提供具有四个不同相位的一组光纤接收器通道信号，其中每个信号与另外一个信号的相位差为一恒定相位量α的各种其它的光纤读取头实施例中，可以应用Carré技术。参见，例如，Gary Cloud的“Optical Methods of Engineering Analysis”，Cambridge UniversityPress，1998，第488-489页，该文献通过参考其所有相关技术在此被结合入本申请。Carré技术通常在多波长干涉量度学中使用，但是也可以应用于根据本发明的各种示例性实施例中提供的相位信号。
应该了解的是，很难在实际中达到完美的正弦相位信号，且距离一绝对正弦输出的偏差包含了基本波长的空间谐波或者和根据本发明的光纤读取头一起使用的一标尺光栅的光栅间距。特别地，在各种自成像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，使用了一个具有一三相配置的编码器读取头。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5和6的信号处理，各种单个光纤接收器通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被大部分消除。同时，50％的负载循环可被用于各种相位掩模。
在各种其它示例性实施例中，可以使用一具有两相位或四相位配置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％的负载循环，以便在各种单个光纤接收器通道信号中将三次空间谐波误差含量减少至可接收的程度。但是，在这样的应用中，和为各种相位掩模使用50％的负载循环时所能达到的信号电平相比，其具有稍微降低信号电平的劣势。
一般地，很多可替换的相位的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13概略示出的示例性光纤读取头相位掩模配置一起使用的各种相位的组合的几个示例。平衡对配置可以用在表2列出的各种示例性实施例中，也可以不用在各种其它的示例性实施例中。在各种其它示例性实施例中，可以不主动使用的相位掩模位置，但是在相应的光纤读取头实施例中，光纤可以被包括在这样的相位掩模位置处，以充当被动垫片用于装配的目的。一般地，表2中列出的配置可表明更多可替换的配置。例如，假设使用了适当的信号处理来确定相应的位置测量值，则不使用平衡对的配置可以在具有排列成(permute)相位掩模位置的任何可能组合的各种相位组中的空间相位值。类似地，倘若平衡对保持对称分布在配置旋转中心的相对侧，那么平衡对配置可以具有排列成相位掩模位置的任何可能组合的平衡对。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 fier)，或者可以复制其它相位掩模位置之一的空间相位，或者甚至可以包括一个不同的空间相位值——假如使用了适当的信号处理来确定相应的位置测量值的话。
表2中所示的五相位配置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，使用了一个五相配置，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，使用了一个三相或六相配置，其可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配置一般不能补偿和/或去除涉及五次和七次空间谐波的误差成分。

表2图14显示了根据本发明的一第五实施例的光纤读取头配置1400。一六边形相位掩模元件1461安装在一读取头壳套套管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处于围绕一个有源光纤1470的紧密的安装配置，如前文参照图10所示的光纤读取头配置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——用来通过提供一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径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一与表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。光纤读取头配置1400不具有平衡对光纤接收器通道配置在减少旋转失准直误差方面的益处，因为该光纤读取头配置1400的相对侧上的光纤接收器通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漫射光泄漏进入包层材料而无意中到达图8所示的光电检测器。同样，这些边缘可以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通道并引起相关的信号误差。
图15显示了根据本发明的一第六实施例的光纤读取头配置1500，其构造与参照图14描述的光纤读取头配置1400类似。光纤读取头配置1500包括一正方形相位掩模元件1561，安装在一读取头壳套套管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’，对应的接收器光纤1530A、1530A’、1530B和1530B’以及一有源光纤1570，其全部排列在读取头壳套套管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。光纤读取头配置1500是一个类似于图14所示的四相位实施例。在这种情况下，通过对有源光纤1570和接收器光纤1530A、1530A’、1530B和1530B’使用不同光纤直径，实现了一个使用更少元件的更有效的配置。从而实现了一个正方形的“紧密包装”配置用于装配接收器光纤，并且相对于图14中显示的配置，减小了接收器孔径位置半径RAL。这样根据前文参照图9所讨论的原理，图15中所示的配置有效地提供了一个相对提高了的信噪比。在使用该配置的各种示例性紧密包装实施例中，有源光纤直径DSF相对于接收器光纤直径DRF表示为DSF＝0.4142DRF。
一般地，广泛的各种可替换的紧密包装光纤读取头配置可以被确定用于被n个具有一光纤外径DRF的接收器光纤围绕的一个有源光纤。对于这样的紧密包装光纤读取头配置，有源光纤外径DSF根据下式确定 (方程8)n个接收器光纤围绕一个有源光纤组装的这种紧密包装光纤读取头配置可以提供任何实际数量的光纤接收器通道，以便每个通道的接收器孔径定位在距离配置中心的同样的接收器孔径位置半径RAL处。这种配置趋向于从各种光纤接收器通道提供固有平衡的信号，这在根据本发明的各种示例性实施例中是一个期望的特征。在各种示例性实施例中，n可以增大，以便一些光纤接收器通道可以多余地提供相同的相位信号。在各种示例性实施例中，这种多余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容限的影响，或者可以用来提供其它有利性能。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，中心有源光纤的合适的外径增加，并且接收器孔径位置半径RAL也增加，因此潜在地降低了编码器中的信号强度。这样，在这样的情况下，前文参照图9所讨论的各种设计关系也应该被考虑。
在一个另外的实施例(未示出)中，通过使用具有一正方形孔的读取头壳套套管来接受各种光纤，可以在一配置中使用光纤的正方形包装，其中在这一配置中，一个有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，电火花加工可以用来产生穿过一读取头壳套套管的边s的正方形孔。直径为s/3的九个光纤可以插入穿过该孔，3行每行3个，位于中心的光纤为有源光纤，其被8个接收器光纤围绕。空间相位的可能的一个配置是一四相平衡对光纤接收器配置，位于中心的有源光纤的相对侧上具有相似的空间相位。例如0度和180度空间相位接收器通道可以分别位于沿正方形的两个对角定位，而90度和270度的空间相位接收器通道可以分别位于沿着与其余四个光纤接收器位置相关的两个正交方向。这样的一个四相平衡对光纤接收器配置提供了前述涉及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度相位信号间的差异以提供DC偏移校正时，这些光纤接收器通道位于离光源相等距离处，如上文的描述所提供的，是有好处的。
应该了解的是，作为代替增加围绕一单独的光源的接收器光纤的数量的一个方法，在各种示例性实施例中每个前述光纤读取头配置可以提供一个复制或组合在根据本发明的一读取头中的物理配置。作为一个说明性的例子，图15所示的基本配置可以通过在一沿X和/或Y方向的相邻位置复制所显示的整个光纤配置而“扩展”，以提供围绕两个各自光源排列的两组四个接收器光纤。这样一个配置可以以一紧密包装方式配置在一个矩形的套管套中，或者在两个“重叠”圆形内腔中，等等。此外单个的扩展相位掩模元件可以同时用于围绕各自光源排列的两组四个接收器光纤。在这样一个扩展相位掩模元件中，单个接收器通道相位掩模的相位可以复制，类似于光纤的配置，或者可以替换地，单个接收器通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，以提供可替换的平衡对接收器通道配置、可替换的相位信号等。应该了解的是根据前文参照图9所讨论的原理，这种扩展和/或复制光纤配置提供了一个高信噪比，并且在根据本发明的各种示例性实施例中提供了额外的替换设计和优势。
图16显示了根据本发明的一第七实施例的光纤读取头配置1600，其操作与上文参照图5说明的三相光纤读取头配置500类似。由于结构和操作上的这些相似点，下文只说明光纤读取头配置1600需要另外解释的某些方面。
如图16所示，光纤读取头配置1600包括三个光纤接收器通道1690A-1690C，它们的操作与前述光纤接收器通道190类似。例如光纤接收器通道1690A包括一个接收器通道孔径1610A、一个相位掩模1620A，和一个接收器光纤1630A(未示出)。其它光纤接收器通道1690B和1690C包括类似编号的类似元件。另外还包括一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，以及通过一有源光纤1670的末端提供的一光源1680。
相位掩模元件1661的构造与前文所讨论的相位掩模元件561相似，除了三相配置相位掩模1620A、1620B和1620C分别位于接收器通道孔径1610A、1610B和1610C的位置之上以外。其中接收器通道孔径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16中还显示了一个包括一矩形套管701的读取头壳套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贴合并通过矩形套管701正确地对准并插入矩形孔时，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适贴配合。在一个示例性实施例中，V形槽对准元件704和705为用于电信行业中光纤对准的市面销售类型的硅制V形槽对准元件。制造V形槽707-709，使得上部V形槽对准元件704和下部V形槽对准元件705正确对准并被约束在矩形套管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被约束成一紧密包装配置。与这样一个紧密包装配置相关的益处已在前文中说明。在该装配中包括一虚设光纤1630X，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形槽对准元件704和705轻轻压合在接触面706，并进入矩形孔的后面穿过矩形套管701。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结合至套管701并彼此结合。然后将各种光纤接地并与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，相位掩模1020制造于相位掩模元件1661的“内侧”，最接近光纤末端。
应该了解的是，例如该光纤读取头配置1600的一个组件提供了一高精度全光学编码器读取头，其具有2至3毫米或更小范围内的总宽度和总高度。还应该了解，该配置提供了低成本精密的“自装配”。还应该了解的是，故意将有源光纤1670“设置超大尺寸”并包括了一虚设光纤，只是为了实现装配的目的。根据参照图9所讨论的设计原理，光纤读取头配置1600还提供了高级别的信噪比。
图17显示了根据本发明的一第八实施例的光纤读取头配置1700，其包括多个精密间隔的单模光纤源1780以增加并提供更均匀的照度。光纤源1780必须被定位以从构造上增加自成像中的强度，如下文的进一步说明。光纤读取头配置1700包括一“平衡对”光纤接收器配置，其包含总体上按照前述平衡对光纤接收器通道原理排列和操作的三个平衡对。另外，光纤读取头配置1700的构造与上文参照图16的三相光纤读取头配置1600相似。由于结构和操作上的这些相似点，下文只说明光纤读取头配置1700需要另外解释的某些方面。
如图17所示，光纤读取头配置1700包括对应于六个排列在一相位掩模元件1761上的相位掩模1720A-1720C和1720A’-1720C’的六个光纤接收器通道。相位掩模1720A和1720A’被表示为对称排列在一照明场中心1757的相对侧的一第一组平衡对光纤接收器通道，相位掩模1720B和1720B’被表示为第二组平衡对光纤接收器通道，相位掩模1720C和1720C’被表示为第三组平衡对光纤接收器通道。在各种示例性实施例中，相位掩模1720A-A’、1720B-B’和1720C-1720C’分别具有对应的空间相位0度、120度和240度。
光纤读取头配置1700中还包括元件700’、701’、704’和705’，它们与图16所示的类似编号的元件相似。光纤读取头配置1700的制造和装配方式与前文参照图16所示的光纤读取头配置1600类似。
图17所示的具体实施例包括四个单模光纤源1780以提供相对于根据本发明的提供一个单一光源的前面实施例，增强的以及更均匀的照度。可用于光纤源1780的单模光光纤源在前文参照图7已进行了说明。在各种示例性实施例中，每个光纤源1780输出由相同远程光源产生的源光，其中该远程光源为一相干光源例如一激光二极管光源等。
如前所述，单模光纤源1780彼此精确地间隔开。特别地，不同光纤源1780沿图17所示的“x”方向精确地间隔开，以便当根据本发明原理，其可操作地相对于一标尺光栅定位时，所有的光纤源1780产生构造上增加可操作的自成像平面内的强度的一自成像。图17所示的“x”方向对应于和该光纤读取头配置1700一起使用的一标尺光栅的测量轴方向。不同光纤源1780的合适的间隔可以通过分析和/或实验，以及不同的光纤直径和相应选择的V形槽尺寸来确定。应该了解理想的间隔开的光纤源1780将导致来自一可操作定位标尺光栅的各自的自成像，以便这些各自的自成像全部相互“同相”。
在各种示例性实施例中，相位掩模元件1761包括用于每个光纤源1780的一光源位置掩模部分。图17中最右侧的光纤源1780之上显示了一个示例性光源位置掩模部分1763。该光源位置掩模部分1763包括一个实质上大于一通光中心孔径1764的不透明的环或区域，近似于图中所示。每个中心孔径1764比每个相应单模光纤源1780的纤芯直径DSA略小，其可以在4微米左右的数量级上，如前文参照图7所描述的。因此，当制造在相位掩模元件1761上时，中心孔径1764的间隔可靠且经济地确定出在这样的实施例中光纤源1780的有效间隔。
应该了解的是，例如该光纤读取头配置1700的一个组件提供了一高分辨率全光学编码器读取头，其具有2至3毫米或更小数量级上的总宽度和总高度。还应该了解，该配置提供了低成本精密的“自装配”。光纤读取头配置1700还提供了高级别的信噪比。应该了解的是，包括在光纤读取头配置1700中的每个光纤接收器孔径接收由多个光纤源1780产生的光。每一单个光纤接收器孔径相对于每一单个光源的设计关系可以根据前文参照图9所讨论的设计原理进行分析。这样，基于多个光纤源1780由每个光纤接收器通道所提供的信噪比，将是根据前文参照图9讨论的设计原理所表明的几倍。
图18显示了根据本发明的一第九实施例的光纤读取头配置1800，其使用一源光栅、中心光栅1881来提供一分布光源1880。另外，光纤读取头配置1800的构造与上文参照图17的光纤读取头配置1700相似。由于结构和操作上的这些相似点，下文只说明光纤读取头配置1800需要另外解释的某些方面。
来自图18所示的分布光源1880的源光与图17所示的光纤源1780所提供光的不同之处在于，为光纤读取头配置1800提供的源光由一LED或者其它具有较低空间相干性的光源所提供，如下文的进一步说明。应该了解，与在前述各种示例性实施例中使用的光源光纤相反的是，图示中在中心光栅1881之下的有源光纤1870具有一个相对较大的“多模”纤芯直径DSA，其适用于有效地耦合至一个或多个远程LED光源或者其它合适的低相干性光源。相应地，有源光纤1870可以为具有一相对较大的纤芯直径DSA的多模光纤。或者，有源光纤1870可以为多模光纤，其纤芯区的集合将源光引导在直径DSA的各自纤芯区域内，以便在长的光纤长度上维持适当水平的空间非相干。在各种示例性实施例中，有源光纤1870具有对应于它们的纤芯直径DRA的一个通光孔径，使得中心光栅1881的两个或更多光栅条可以定位在每个有源光纤1870的通光孔径区域内。
中心光栅1881将有源光纤1870提供的源光分为多个线光源。这些线光源，即中心光栅1881的通光区域被制作得足够窄，以使每个线光源将空间相干光投射在标尺光栅上。对于有源光纤1870为多芯有源光纤的那些实施例，这些多重纤芯可以具有与中心光栅1881间距相似的间隔和单个尺寸。在这些实施例中，每个线光源不是充当一连续线光源，而是将作为沿该线排列的多个点光源进行操作，每个源点从纤芯集合的一单个纤芯发出。
任何情况下，对于该光纤读取头配置1800，这样选择和配置中心光栅1881和为光源1880提供源光的远程光源，使得来自每一单个线光源的源光是空间相干的并且来自分开的线光源的源光彼此不相干。此外，应该了解的是选择中心光栅1881的间距使得所提供的线光源将导致来自一可操作定位的标尺光栅的各自的自成像，以使这些各自的自成像全部相互“同相”。对于被使用带有振幅标尺光栅的光纤读取头配置1800的实施例，中心光栅1881和相位掩模1720的间距应该等于该振幅标尺光栅的光栅间距的两倍。对于被使用带有相位标尺光栅的光纤读取头配置1800的实施例，中心光栅1881和相位掩模1720的间距应该等于该相位标尺光栅的光栅间距。
图19A显示了可以和根据本发明的各种光纤读取头一道使用的、在相对于一标尺光栅80的一第一方向上的一光偏转器1900。如图19所示，一个类似于前文参照图10所述的光纤读取头配置1000的示例性光纤读取头1000’，发射总体上沿着光束路径1901的一发散源光至光偏转器1900，在光偏转器1900处光沿着一光束路径1902穿过一区域1903中的一操作间隙，向一标尺光栅80偏转。类似地，从标尺光栅80反射、发散以及衍射的标尺光大体上沿着光束路径1902回到光偏转器1900，并沿着标称光束路径1901朝向大体上位于中心的读取头1000’偏转。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。返回的标尺光在一照明场中的一自成像平面上提供了标尺光栅80的一自成像，其中该照明场一般相对于该示例性光纤读取头1000’的光纤接收器通道配置位于中心，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标尺光栅80的自成像中的光栅线。也应该了解相对于一90度的标称反射，偏转器1900反射光束路径1901更精确以变为光束路径1902，以及使光束路径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耐用。
在各种示例性实施例中，偏转器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一光纤读取头以一固定关系可靠地安装在一分离元件上。为了保持对自成像可操作的一短的路径长度，以及保持相对于标尺光栅80在区域1903中的一实用的操作间隙，偏转器1900最好尽可能接近读取头1000’安装。在各种示例性实施例中，偏转器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，偏转器1900还可以充当基板以提供根据本发明的一相位掩模元件，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’定位的偏转器1900的表面上。
在图19A所示的实施例中，光纤读取头1000’被定向，其长轴横切标尺光栅80的测量轴82的方向。读取头1000’或者标尺光栅80之一可以固定就位，而另一个元件可以移动。应该了解的是由于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偏转器1900的一偏转器是实用的。应该了解的是在许多应用中例如该示例性偏转器1900的一偏转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，从而将读取头的最大和最窄的尺寸定向在所需的方向上，增强了根据本发明的一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偏转器1900的一偏转器对于将光纤和/或读取头1000’的光缆的路线定向于所需的方向是有益的。
图19B显示了在相对于两个可替换的示例标尺光栅80和80’的一第二方向上使用的光偏转器1900。在下述的第二方向上，光偏转器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19A所述相同。但是，对于该第二方向，光纤读取头1000’被定向，其长轴大体上被对准平行标尺光栅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，使得它们平行于标尺光栅80的自成像中的光栅线。这样，相对于图19A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’的最大和最窄尺寸、和/或其光纤和/或光缆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19B还显示了一个可替换的标尺光栅80’，其可与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’形成了符合一圆柱形标尺元件81’表面的“圆柱”标尺光栅。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’产生的自成像的精度，并且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，圆柱形标尺光栅80’上的照明光点是非常小的，而且产生的自成像对许多实际的应用来说依然是足够的。特别地，在各种示例性实施例中，具有一例如8微米的较小光栅间距和约25毫米或更大的柱面直径的一圆柱形标尺光栅80’，能够提供比得上一类似平面标尺光栅在和根据本发明的一光纤读取头一起使用时的测量性能。圆柱形标尺光栅80’可以与光偏转器1900一道使用，或更一般地，可以作为一用于可以和这里显示和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20显示了可以和根据本发明的各种光纤读取头一道使用的、并排列在相对一环形标尺光栅80”的一第一方向上的一安装托架2000以及一光偏转器1900’。图20显示了包括一类似于前文参照图12所描述的光纤读取头600’的示例性光纤读取头600”的配置。该示例性光纤读取头600”包括一读取头壳套601’，与图12所示的读取头壳套601相同，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。示例性读取头600”的超微型尺寸可实现一非常高效的安装方案，其中读取头600”可以很经济地安装，并且相对于环形标尺光栅80”足够的对准所需要的时间和努力被最小化。
如图20所示，安装托架2000包括一紧固件孔2005、一内腔(bore)2001，和一对准脊2002。内腔2001的大小用于提供对于读取头壳套601’的外径的一适贴配合。对准脊2002延伸了内腔2001的长度并对准以及确定大小以配合对准槽605或605’中的任意一个。内腔2001和/或对准脊2002可以在用于制造安装托架2000的挤压加工的过程中形成。或者内腔2001和/或对准脊2002可被钻孔和/或扩孔，而对准脊可以通过在沿着内腔2001在一合适位置的槽中增加一合适尺寸的销钉或者钻孔坯料来提供。
在各种示例性实施例中，光偏转器1900’与前述的光偏转器1900类似或者相同。在各种示例性实施例中，光偏转器1900’可以正确对准并直接附加在安装托架2000上，如图20近似示出。
和图19A所示的前述配置类似，示例性光纤读取头600”的相位掩模的光栅条应这样定向，使得它们标称平行于环形标尺光栅80”的自成像中的光栅线。这样，对于图20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”被插入到内腔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”直到其紧挨着光偏转器1900’。在各种其它示例性实施例中，选择安装托架2000的长度和一安装止挡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的一后表面且在读取头600”的相应掩模元件和光偏转器1900’之间提供一最小间隙。在各种示例性实施例中，一旦插入，读取头600”可以通过一粘合剂或者机械紧固方法相对安装托架2000永久或暂时地刚性地固定。
在相对于标尺光栅80”的一第二方向(未示出)中，光纤读取头600”被定向，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，且安装托架2000相应地绕一在图20中是垂直的轴旋转，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。和图19B所示的前述配置类似，示例性光纤读取头600”的相位掩模的光栅条应这样定向，使得它们标称平行于环形标尺光栅80”的自成像中的光栅线。这样，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”被插入到内腔2001中以提供所需的安装对准。这样，相对于图20中所示的相对于环形标尺光栅80”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。
如示例性安装托架2000的一安装托架，和微型光纤读取头600”一道使用，提供了一个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配置一起使用。它同样可以和这里显示或描述的其它任何标尺光栅配置一道使用。
应该了解是环形标尺光栅80”的曲率可能稍微影响由环形标尺光栅80”产生的自成像的精度，并且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，环形标尺光栅80”上的照明光点是非常小的，而且产生的自成像对许多实际的应用来说依然是足够的。特别地，在各种示例性实施例中，具有一例如8微米的较小光栅间距和约25毫米或更大直径的一环形标尺光栅80”，能够提供比得上一类似直的标尺光栅在与根据本发明的一光纤读取头一起使用时的测量性能。环形标尺光栅80”可以与光偏转器1900一道使用，或更一般地，可以作为和这里显示和描述的光纤读取头的任何其它实施例一起使用的任何直的标尺光栅80的替代物。
关于图19A、19B和20，以及他们相关的说明，应该了解的是光纤读取头1000”和600”、偏转器1900和1900’，以及安装托架2000的结构以一简单的形式图示并说明，以帮助对它们基本效用和操作的清楚说明和解释。然而，应该了解各种运动安装、面接和装配特征(未示出)可以并入光纤读取头1000’和600”、偏转器1900和1900’，以及安装托架2000的任何一个和多个之中，以帮助根据公知的运动安装、面接和装配原理进行正确的对准、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说明，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应该是很明显的。相应地，上述发明的实施例用于说明而非限定。在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变。
权利要求
1.一种使用光纤接收器通道的光栅编码器，包括一标尺，其具有沿一测量轴以一特定间距形成的一标尺光栅；一光源，用于发射光至所述标尺以在所述标尺光栅上形成一光照点；以及一光纤读取头，包括多个光纤接收器通道，该多个光纤接收器通道具有尖端，其用于接收由来自标尺光栅上的光照点的光形成在以一特定间隙间隔开的远离标尺的位置上的一自成像图像，其中至少这些尖端被配置可以与光源一起相对所述标尺沿所述测量轴移动，所述光纤接收器通道包括一光纤；一接收器通道孔径，形成在所述光纤的一端中以便将自成像图像引入所述光纤；以及一相位掩模，形成在所述接收器通道孔径处，其中该相位掩模具有周期与在自成像图像中形成的一亮暗周期对应的一光栅，其中所述光纤接收器通道的相位掩模的这些光栅具有相对彼此不同的空间相位关系。
2.根据权利要求1的光栅编码器，其中所述光源包括一与所述光纤接收器通道的光纤捆束在一起的光源光纤，所述光源光纤具有一配置在包含所述光纤接收器通道的光接收端的一平面中配置的光发射端，并且其中所述标尺包含一反射标尺。
3.根据权利要求2的光栅编码器，其中所述光纤接收器通道配置在所述光源光纤的周围并围绕所述光源光纤。
4.根据权利要求3的光栅编码器，其中六个这样的光纤接收器通道以一种紧密包装结构配置并围绕所述光源光纤。
5.根据权利要求4的光栅编码器，其中围绕所述光源光纤对称配置的所述光纤接收器通道具有相同空间相位的一对相位掩模，并且其中光纤接收器通道的三对相位掩模彼此间具有120°的一空间相差。
6.根据权利要求4的光栅编码器，其中围绕所述光源光纤对称配置的一对光纤接收器通道包含虚设光纤，并且其中其它四个光纤接收器通道包括彼此间具有90°的一空间相差且形成一正交相位关系的相位掩模。
7.根据权利要求3的光栅编码器，其中四个这样的光纤接收器通道以一种紧密包装结构配置并围绕所述光源光纤，并且其中该四个光纤接收器通道包括彼此间具有90°的一空间相差且形成一正交相位关系的相位掩模。
8.根据权利要求2的光栅编码器，其中从所述光源光纤的中心到每个接收器通道孔径的一距离RAL被设置为低于每个接收器通道孔径的一直径DRA的8倍的一个值。
9.根据权利要求2的光栅编码器，进一步包括配置在所述标尺和所述光纤接收器通道的光接收端以及所述光源光纤的光发射端之间的一偏转器，其中该偏转器用于将光纤接收器通道处的光接收和来自光源光纤的光发射的方向，与射入以及反射出所述标尺的方向相匹配。
10.一种位移测量设备，包括一标尺，其具有沿一测量轴以一特定间距形成的一标尺光栅；一光源光纤，具有一光发射端，用于从其发射光至所述标尺以在所述标尺光栅上形成光照点；一光纤读取头，其包括多个光纤接收器通道，该多个光纤接收器通道具有尖端，其用于接收由来自标尺光栅上的光照点的光形成在以一特定间隙间隔开的远离标尺的位置上的一自成像图像，其中至少这些尖端被配置以与光源一起相对所述标尺沿所述测量轴移动，该光纤接收器通道包括一接收器光纤；一接收器通道孔径，形成在所述光纤的一端中以便将自成像图像引入接收器光纤；以及一相位掩模，形成在所述接收器通道孔径处，其中该相位掩模具有周期与在自成像图像中形成的一亮暗周期对应的一光栅，其中所述光纤接收器通道的相位掩模的这些光栅具有相对彼此不同的空间相位关系；以及一远程电子接口单元，其配置在光源光纤上的标尺以及光纤读取头中的接收器光纤的远端，该远程电子接口单元包括一光源，用于提供照明光给光源光纤；多个光电传感器/放大器，用于分别检测和放大被引入到接收器光纤中的光，以及一信号处理和控制单元，用于处理来自光电传感器/放大器的输出信号以计算标尺和光纤读取头之间的一相对位移。
11.一种用于测量两个元件之间相对位移的装置，该装置包括一标尺，其具有沿一测量轴方向形成的一标尺光栅；和一读取头，用于提供所述标尺的一可操作自成像图像，该读取头包括一光源部分，包括至少一个相应光源元件；多个光纤接收器通道，每个光纤接收器通道分别包括一各自的接收器通道空间相位掩模部分，其具有一各自的空间相位并具有以一间距配置的阻光元件，可用于空间过滤所述标尺的可操作自成像图像，并且一般被放置在用于空间过滤该标尺的可操作自成像图像的一标称空间相位掩模平面处；以及至少一个接收器通道光纤，其具有接收一相应接收器通道光信号光的一输入端；其中由所述至少一个相应接收器通道光纤接收的接收器通道光信号光，包含通过所述相应的接收器通道空间相位掩模部分，在沿测量轴方向上具有一收集光区域尺寸的相应的收集光区域上收集到的光信号光，其中该收集光区域尺寸为至少三个完全周期的各自接收器通道空间相位掩模部分；当该读取头相对于所述标尺光栅可操作地定位时，所述多个光纤接收器通道的至少第一和第二通道空间过滤其各自位于标称空间相位掩模平面处的标尺的可操作自成像图像的一些部分，以至少提供分别具有至少第一和第二信号相位的第一和第二接收器通道光信号；以及该装置沿各自光纤输出所述至少第一和第二接收器通道光信号，以多个各自的光学输出信号的形式提供相对位移测量信息，所述各自的光学输出信号被产生而不使用一电子光电检测器元件。
全文摘要
提供了一种高精度的微型光学编码器。一光栅编码器包括其上形成有一标尺光栅(80)的一标尺(81)；一光源(280)用于发射光至标尺光栅(80)；一光纤读取头，具有一尖端，被配置可与光源(280)一起相对于标尺(81)沿一测量轴(82)移动。光纤读取头(300)包括多个用于接收由来自标尺光栅(80)的光形成在一特定位置的一自成像图像(265)的光纤接收器通道(190A－C)，光纤接收器通道(190)包括一光纤(191)、一形成在该光纤的一端中的接收器通道孔径(110)，以及形成在接收器通道孔径(110)处的一相位掩模(120)。相位掩模(120)具有一光栅，该光栅的周期对应于在自成像图像中形成的一亮暗周期。光纤接收器通道(190A－C)的这些光栅具有相对彼此不同的空间相位关系。
文档编号G01D5/347GK1495501SQ0317843
公开日2004年5月12日 申请日期2003年7月16日 优先权日2002年7月16日
发明者约瑟夫·D·托比亚松, 约瑟夫 D 托比亚松 申请人:三丰株式会社