CN105008865B - 编码器设备及其读头、光学元件和制造衍射光栅的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成用于编码器设备的衍射级的光学元件，其中所述光学元件包括衍射特征(30)的阵列，所述阵列布置为使得相邻衍射特征的中心之间的间距((s1)、(s2)、(s3)、(s4))从一对相邻特征到下一对相邻特征不规则地变化。

Description

编码器设备及其读头、光学元件和制造衍射光栅的方法
技术领域
本发明涉及光学元件，并且尤其涉及例如衍射光栅等在位置测量装置中使用的光学元件。
背景技术
如通过图1示意性地说明，编码器设备2可用于确定一设备的两个可相对移动的部分之间的移动，并且通常包括刻度尺4和读头6(一个提供在该设备的一个部分上，并且另一个提供在该设备的另一个部分上)。刻度尺可以包括一系列特征8、10，读头可以读取该一系列特征以便量测其沿刻度尺的位置(例如，刻度尺的特征可以提供在紧固到设备的一部分的基底上或者甚至可以作为设备的一部分整体地形成的基底上)。编码器可以通过例如实质上“计数”其沿刻度尺的长度的位置来工作，例如，从启动和/或位于刻度尺上的经定义的参考标记。
如将理解，完成读头的位置的“计数”的方式从编码器设备到编码器设备可以是不同的。举例来说，一种方式是在读头中的探测器处产生干涉条纹。图2a是图示这其中的概念的示意性光线图。来自源(例如，在读头内)的光可以打中刻度尺，刻度尺将光衍射到多个衍射级，该衍射级于是继而打中读头中的衍射光栅。衍射光栅将光衍射到更进一步的衍射级，该更进一步的衍射级在探测器(例如，光电二极管/传感器阵列)处重组以便产生干涉条纹。随着刻度尺和读头相对于彼此移动，干涉条纹也移动。读头可以通过监测干涉条纹越过探测器的移动来记录和/或报告移动和位置。此类编码器设备描述于US5861953中。如将理解，可以提供例如嵌入在刻度尺的衍射特征内的参考标记以便提供经定义的参考位置。此类编码器设备描述于US7659992中。
如将理解，图2a是在编码器设备中遇到的实际光学情况的非常简化的图示。具体而言，该情况是仅针对来自源的一条光线示出的，而实际上刻度尺的区域均由该源照亮。因而，实际上图2a中所示的光学情况沿刻度尺的长度被重复多次(即，在由源照亮的区域上)，因此在探测器处产生长干涉图案，该图案示意性地在图2b中说明。另外，出于说明性目的仅示出了+/-1级(例如，如将理解的光将被衍射到多个级中，例如，+/-3级、+/-5级等衍射级)。另外，为了图示的简单起见，光线图示出为透过光线图(即，光示出为透过刻度尺和衍射光栅中的每一个，而实际上这些中的至少一个可以是反射的)。
替代形成干涉条纹，在US4776701中描述了另一种类型的递增刻度尺，其描述了配置刻度尺和衍射光栅以产生(例如，通过在探测器处重组衍射级)随着刻度尺和读头相对于彼此移动而发生强度变化的调制点。
以任一种方式，读头的探测器的输出被用于监测读头和刻度尺的相对位置。
因此，这样的编码器可以依靠衍射级的重组以在探测器处产生复合场。
传统地，衍射光栅配置为使得它们的衍射特征尽可能等距离的间隔开。US5814812描述了一个替代实施例，其中提议移位(shift)衍射特征使得它们之间的间距并非等距离地间隔开而是可预测地变化，并且具体而言是周期性地变化。
发明内容
本发明涉及一种改进的光学元件，该光学元件具有用于形成衍射级的衍射特征，该衍射级用于生成由探测器探测到的场。具体而言，本发明涉及一种光学元件，其中衍射特征布置为使得它们已经从别样的标称规则(regular)间隔开的布置移位。
具体而言，本发明提供一种编码器设备，用于确定设备的两个可相对移动的部分之间的移动，该编码器设备包括：探测器；以及至少一个光学元件，其包括至少一个系列的连续衍射特征，用于将来自源的电磁辐射衍射到衍射级，并且该至少一个系列的连续衍射特征有助于在探测器处产生随两个部分之间的移动而变化的信号(例如，通过该探测器处衍射级的重组)，其特征在于该至少一个光学元件中的至少一个的连续衍射特征的系列包括至少一组衍射特征，在该至少一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
本申请描述一种编码器设备，用于通过读头和刻度尺确定设备的两个可相对移动的部分之间的移动，该编码器设备包括：探测器；以及至少一个光学元件，其包括至少一个系列的连续衍射特征，用于将来自源的电磁辐射(“EMR”)衍射到衍射级，并且该至少一个系列的连续衍射特征有助于通过探测器处衍射级的重组而在探测器处产生随两个部分之间的移动而变化的信号，其特征在于该至少一个光学元件中的至少一个的连续衍射特征的系列包括至少一组衍射特征，在该至少一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
根据本发明的第一方面，提供一种编码器设备，用于确定设备的两个可相对移动的部分之间的移动，该编码器设备包括：探测器；以及至少一个光学元件，其包括至少一个系列的连续衍射特征，用于将来自源的电磁辐射衍射到衍射级，并且该至少一个系列的连续衍射特征有助于在探测器处产生随两个部分之间的移动而变化的信号，其特征在于在所述至少一个系列中的衍射特征从标称规则间距移位，每个特征以所选择的预定量移位以便基本上消除至少一个n级衍射的同时保持1级衍射和至少一个所选择的m级衍射的存在，使得所述1级衍射和所选择的m级衍射有助于在探测器处产生随两个部分之间的移动而变化的信号。
如将理解，并且如上文所述，用于编码器的刻度尺/衍射光栅配置为衍射从光源/该刻度尺接收的EMR以便生成复合场，诸如探测器处的干涉条纹或已调节点。如结合图2a和2b所示出的且在下文中更详细地解释的，例如干涉条纹或调制点的复合场(RF)主要通过重组来自衍射光栅的+/-1级衍射而形成。然而，已发现当使用已知的刻度尺和衍射光栅时，较高级衍射(例如，至少+/-5级和以上，并且甚至有时+/-3级和以上)会不利地干扰复合场的生成。举例来说，如图3所示，已发现+/-5级实际上会落在探测器上从而不利地影响干涉条纹的生成。这会把不想要的谐波强加给干涉条纹。对于其它类型的编码器设备也是这种情况，诸如例如那些生成调制点而非干涉条纹的。
已经发现，当光学组件(例如探测器和读头中的衍射光栅和/或刻度尺)其之间的间距和/或大小减少时(例如，当试图减少读头的尺寸时)，较高级衍射对干涉条纹的生成的这种不良作用增加。举例来说，当读头衍射光栅与探测器之间的距离(图2和3中示出为“v”)不超过10mm、尤其不超过5mm并且例如不超过2mm，举例来说1.8mm或更小时，这尤其成问题。也已经发现，较高级衍射对干涉条纹的生成的不良作用随着刻度尺的衍射特征的标称周期的增大而增大，例如，当标称周期至少是10μm时，例如，至少20μm，尤其至少30μm，举例来说至少40μm。
具体而言，已经发现，在编码器系统的塔尔博特数目(Talbot number)降到7.25以下，更确切地说5以下，尤其是2以下(例如，1.75或更小)，并且举例来说1以下(例如，0.75或更小)时，较高级衍射对干涉条纹的生成的不良作用尤其成问题。如将理解，塔尔博特数目(T)提供编码器系统的无量纲测量/定义并且可以通过以下等式计算：
其中λ是光照的波长，u0是第一光栅与第二光栅之间的距离(例如，在图2a、2b和3中的u)，p1是第一光栅的周期(例如，图2a、2b和3中刻度尺4的周期)和p2是第二光栅的周期(例如，图2a、2b和3中衍射光栅14的周期)。
本发明人已经发现，可以设计衍射光栅和/或刻度尺以最小化较高级对复合场的不利影响。
具体而言，不是如同已知衍射光栅的情况(即，使相邻衍射特征之间的间距恒定、或甚至以规则或可预测(例如，周期性)方式变化)，本发明人已经验明，具有自由度以便将衍射特征从标称规则间距移位，从而可以选择性地(例如，不规则地)改变它们之间的间距(例如，沿刻度尺的测量方向获得的它们的中心(例如，它们的质量中心)之间的间距)，可以使得所选择的衍射级将会受到控制以便最小化并且甚至基本上消除它们，但同时基本上保持其它的衍射级。如将理解，相邻特征之间的间距将以哪种确切方式改变可以取决于许多因素，诸如，编码器设备作为整体的类型和配置以及将选择性地控制哪些级。
相应地，衍射特征可以从标称规则间距移位，每个特征以所选择的预定量移位以便基本上最小化/消除至少一个(例如，n级)衍射级(例如，奇数编号的衍射级)的同时保持1级和至少一个其它所选择的(例如，m级)衍射级(例如，奇数编号的衍射级)的存在，使得所述1级和至少一个其它所选择的(例如，m级)衍射级有助于在探测器处产生随设备的两个可相对移动部分之间的移动而变化的信号。
具体而言，已发现，通过以下方式移位衍射光栅和/或刻度尺的特征可以控制选择的衍射级的强度，即，从标称地有规律地间隔开的布置移位到其中相邻衍射特征之间的间距从一对特征到下一对特征不规则地变化的布置。已经发现，这减少了探测器处的复合场中的谐波(与具有衍射光栅的编码器设备相比，该衍射光栅具有衍射特征之间的恒定间距)，结果产生由探测器输出的优良信号。
如将理解，可以在读头自身内执行探测器的输出的分析以确定或监测位置。可选地，探测器的原始(或经过改善的)输出可以从读头输出到外部处理器装置，该外部处理器装置分析该信号以确定或监测读头和刻度尺的相对位置。
如将理解，一系列的衍射特征可以是位于光学元件的基底上/光学元件的基底中的一系列的特征，该一系列的特征一起将进入的EMR衍射到多个衍射级。举例来说，衍射特征可以是在光学元件的基底的表面上的标记。可选地，可以操控光学元件的基底的成分以形成该特征。进一步可选地，可以配置光学元件的基底的形状以形成衍射特征。
衍射特征的形状、尺寸和/或布置可以取决于特定实施方案而变化。然而，衍射特征在形状上总体上是伸长的，例如，大体上的椭圆形的或矩形的，它们的长度大体上垂直于编码器设备的测量方向延伸。衍射特征可以是振幅衍射特征或相位衍射特征的形式。也就是说，例如，光学元件可以是振幅光学元件或相位光学元件，例如，振幅刻度尺或相位刻度尺，或振幅衍射光栅或相位衍射光栅。如将理解，振幅光学元件(例如，振幅刻度尺)的衍射特征配置为使得它们控制离开光学元件朝向探测器的EMR的振幅(例如，通过衰减、散射、重新定向等)，从而产生衍射级。还将理解，相位光学元件(例如，相位刻度尺)的衍射特征配置为使得它们控制离开光学元件朝向探测器的EMR的相位(例如，借助于具有特定厚度、深度、密度、材料类型等特征以控制光的相位的光学元件)，从而产生衍射级。这点可看成为是相位衍射特征调节经过光学元件/反射离开光学元件的光的相位以产生衍射级。如所属领域的技术人员将理解，可以结合使用相位特征和振幅特征。
编码器设备的刻度尺可以是光学元件，在该光学元件中它的连续衍射特征的系列包括至少一组衍射特征，在该至少一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。刻度尺可以包括在连续衍射特征的两个系列之间的参考标记。相应地，一系列的连续衍射特征可以由参考标记描绘。如将理解，参考标记可以是与衍射特征相区别的特征。参考标记可以通过参考标记读取装备而读取。参考标记通常用于识别沿刻度尺的长度的“已知”或“参考”位置。此类参考标记读取装备可包括参考标记传感器，该参考标记传感器与上述探测器是分开的。刻度尺可以包括一个以上的参考标记。参考标记除了嵌入在刻度尺的衍射特征内之外(例如，诸如WO2005/124282中所描述的，在此情况下参考标记可以通过省略衍射特征来提供)，额外地和/或替代地，如同通常已知的，参考标记也可以邻近刻度尺的衍射特征提供。类似地，在其中光学元件是衍射光栅的情况中，在连续衍射特征的两个系列之间可能存在光学特征，例如，菲涅耳波带片、参考标记读取元件(例如，透镜)、狭缝、透明区域(clear region)或其它光学元件。
读头可以包括探测器。读头可以包括衍射光栅。衍射光栅可以与电磁辐射(例如，来自刻度尺的电磁辐射)相互作用以在探测器处产生信号(例如，通过在探测器处实现衍射级的重组)。
读头的衍射光栅可以是光学元件，在该光学元件中它的连续衍射特征的系列包括至少一组衍射特征，在该至少一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
刻度尺和衍射光栅可以均包括所述至少一个光学元件。也就是说，刻度尺和衍射光栅可以均为光学元件，其中它们的连续衍射特征的系列包括至少一组衍射特征，在该至少一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
换句话说，根据上文，刻度尺可以是上文提到的该至少一个光学元件，衍射光栅可以是上文提到的该至少一个光学元件，或者刻度尺和衍射光栅可以均是上文提到的该至少一个光学元件。
在光学元件是读头的衍射光栅的情况中，所述至少一组衍射特征中的相邻衍射特征的中心之间的间距的变化的范围可以不小于相邻衍射特征的中心之间的平均间距的l/200，举例而言不小于平均间距的l/100。
如将理解，范围的绝对值将取决于所使用的系统，但是可以例如是至少5μm(微米)，例如至少10μm(微米)，可选地至少15μm(微米)、例如17μm(微米)或更多，并且可选地不超过30μm(微米)，例如不超过20μm(微米)。
在光学元件是刻度尺的情况中，所述至少一组衍射特征中的相邻衍射特征的中心之间的间距的变化的范围可以不小于相邻衍射特征的中心之间的平均间距的l/20，例如不小于平均间距的l/10，并且可选地不超过平均间距的1/2，举例而言不超过平均间距的1/4。
所述连续衍射特征的系列中的相邻衍射特征的中心之间的平均间距可以例如不超过2mm，更优选地不超过1mm，尤其优选地不超过0.5mm，并且例如可以不小于500nm，例如，不小于lμm(微米)。
衍射特征可以布置为使得至少由光学元件产生的+/-5级和/或7级(和/或较高奇数级)衍射的强度是衰减的(与具有同等地间隔开的衍射特征、或具有甚至可预测地或周期性变化而间隔开的衍射特征的刻度尺相比)。衍射特征可以布置为使得至少由光学元件产生的+/-5级和/或7级(和/或较高奇数级)衍射的强度基本上消除。具体而言，衍射特征可以布置为使得至少由光学元件产生的+/-5级衍射的强度不超过光学元件上的入射光的强度的0.75％，例如，不超过0.5％，并且可能甚至更小，例如不超过光学元件上的入射光的强度的0.05％。例如，衍射特征可以布置为使得至少由光学元件产生的+/-7级衍射的强度不超过光学元件上的入射光的强度的0.25％，例如不超过0.1％，并且可能甚至更小，例如不超过光学元件上的入射光的强度的0.05％(并且例如0.02％，或甚至0.015％或更小)。
此外，衍射特征可以布置为使得至少由光学元件产生的+/-1级衍射的强度是光学元件上的入射光的强度的至少20％，并且可选地至少30％，例如36％或更大。
另外，衍射特征可以布置为使得至少由光学元件产生的+/-3级衍射的强度是光学元件上的入射光的强度的至少1％，可选地至少1.5％，例如1.9％或更大。然而，如将理解，不必是这种情况而且例如衍射特征可以布置为使得至少由光学元件产生的+/-3级衍射的强度不超过1％。
衍射特征可以布置为使得1级与5级强度的比(或甚至上高于5级衍射的任何奇数级衍射)至少是100：1，可选地至少是200：1，例如，至少是300：1，并且可能甚至更多，例如，至少是700：1。衍射特征可以布置为使得1级与7级(或甚至上任何较高的奇数级衍射)的强度的比至少是150：1，可选地至少是300：1，例如，至少是500：1，并且可能甚至更大，例如，至少是1500：1，或再更高例如至少是3000：1。
探测器与衍射光栅之间的距离可以例如不超过50mm，优选地不超过10mm，尤其优选地不超过5mm，例如不超过2mm，举例来说1.8mm或更小。
读头可以包括EMR源(例如，光源)。来自EMR源的EMR(例如，来自光源的光)可以首先与刻度尺相互作用以产生衍射级，之后与衍射光栅相互作用以产生进一步的衍射级。然而，如将理解，其它布置是可能的。举例来说，来自EMR源的EMR可以与衍射光栅相互作用之后再与刻度尺相互作用(并且可选地，也可以在与刻度尺相互作用之后再与相同或不同衍射光栅相互作用)。
衍射光栅可以配置为与EMR(例如，光)(例如，来自刻度尺的)相互作用以在探测器处产生干涉条纹场，该干涉条纹场随刻度尺和读头之间移动的出现而变化。相应地，探测器可以配置为响应于正在改变的场而输出信号。
相邻衍射特征之间的间距可以从一对相邻特征到下一对相邻特征不规则地变化，使得由探测器输出的信号基本上不含谐波。
光学元件可以包括至少一个连续系列的衍射特征，其中相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征没有不规则地改变。可选地，所有光学元件的衍射特征布置为使得相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。相应地，相邻衍射特征的中心之间的间距可以沿光学元件的整个长度从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地改变。至少一组衍射特征(在该至少一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化)可以沿光学元件的长度重复至少一次(即，存在相同布置的衍射特征的至少两个实例)。可选地，在该连续衍射特征的系列内它可以重复至少一次。
衍射特征组中的衍射特征的宽度可以不超过相邻衍射特征的中心之间的平均间距。
在所述连续衍射特征的系列中的衍射特征的宽度可以是相同的。如将理解，衍射特征之间的间距的宽度将由于它们之间间距的变化而变化。
衍射特征组可以包括至少5个衍射特征，更优选地至少10个特征，例如，至少20个特征，例如30个特征(但是如将理解，取决于特定实施例可以是更多的)。在光学元件是刻度尺的情况下，衍射特征组可以包括更多的衍射特征，诸如至少100个特征(但是如将理解，取决于特定实施例可以是更多的，例如几千个特征)。
根据本发明的第二方面提供用于生成衍射级的光学元件(例如，用于编码器设备)，其包括：衍射特征的阵列，其布置为使得相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻特征到下一对相邻特征不规则地变化。相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻特征到下一对相邻特征可以不规则地变化，使得1级衍射与5级衍射的强度的比至少是100：1，和/或1级衍射与7级衍射的强度的比至少是150：1。
根据上文，光学元件可以是用于编码器读头的衍射光栅。光学元件可以是刻度尺。
根据本发明的第三方面提供用于包括探测器和衍射光栅的编码器设备的读头，其中该衍射光栅上的相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻特征到下一对相邻特征不规则地变化。
根据本发明的第四方面提供制造用于编码器设备的衍射光栅的方法，该方法包括：确定衍射特征的选择布置以使得相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻特征到下一对相邻特征不规则地变化，以使得衍射级的强度符合预定标准；并且根据所述选择布置在基底上形成衍射特征。衍射级的强度的预定标准的示例在上下文中结合本发明的其它方面给出(例如，1级与n级的强度的比)。
根据本发明的另一方面提供用于生成用于编码器设备的衍射级的光学元件，其包括：衍射特征的阵列，配置为使得由衍射特征的阵列形成的1级衍射与5级衍射的强度的比至少是100：1。衍射特征的阵列可以配置为使得关于每一对相邻衍射特征来选定相邻衍射特征的中心之间的间距，以使得由衍射特征的阵列形成的1级衍射与5级衍射的强度的比至少是100：1。
根据本发明的再一方面提供一种编码器设备，其包括：具有一系列特征的刻度尺；包括探测器和衍射光栅的读头，该衍射光栅包括衍射特征的阵列，该衍射特征的阵列布置为使得相邻衍射特征之间的间距从一对相邻特征到下一对相邻特征不规则地变化。
附图说明
现在将仅借助于示例参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是包括读头和刻度尺的编码器设备的示意图；
图2a和2b是用于编码器设备的示意性光线图；
图3是用于编码器设备的另一光线图，其示出+/-5级衍射；
图4是图1中所示的读头的某些组件的示意性说明；
图5是标准衍射光栅上的衍射特征的示意性说明；
图6是根据本发明的衍射光栅上的衍射特征的示意性说明；
图7是示出根据本发明的示例衍射光栅上的相邻衍射特征之间间隔的变化图表；
图8是示出由图5和6中所示的衍射光栅形成的级的强度的图表；
图9是根据本发明的具有重复特征组的刻度尺上的衍射特征的示意性说明；和
图10是适合在图1的读头中使用的一种类型的探测器的示意图。
具体实施方式
参考图1，并且如上文中简要地描述，通常由附图标记2表示的编码器设备包括刻度尺4和读头6。读头6相对于刻度尺4是可移动的(虽然也可以是反过来的，或者甚至上两个都是可移动的)。例如，刻度尺4可以安装到机器的固定部分(stationary part)并且读头6可以安装到机器的可移动部分。刻度尺4可以采用许多不同形式，包括例如如所说明的线性刻度尺或旋转刻度尺(例如，在环上提供，或者在其圆周边缘上或者在其平坦表面上)。
在所描述的实施例中，刻度尺4是振幅刻度尺(因为它控制离开刻度尺朝向读头的光的振幅)并且包括基底，该基底具有周期性特征10，该周期性特征10在别样的相对反射性的基底上呈为暗的/相对非反射性的线10的形式，使得在周期性特征10之间刻度尺是相对反射性的8。当然，刻度尺的周期性特征可以以其它方式制得，诸如，例如通过在别样的相对非反射性的基底上形成相对反射性的线，或甚至通过在基底上形成相对反射性的线和非反射性的线两者。如也将理解，周期性标记10可以以其它方式提供，例如，刻度尺的特征或标记可以以刻面或线的形式提供，该刻面或线反射光朝向和离开读头。进一步，刻度尺4可以是相位刻度尺，其中刻度尺中的峰值和凹点(pits)调节离开刻度尺朝向读头的光的相位。在所描述的实施例中，刻度尺的基底是金属，虽然如将理解可以使用诸如举例而言玻璃等的其它材料。周期性标记10形成便于沿X轴(“测量尺度”)的测量的增量型刻度尺。如将理解，参考标记可以邻近构成增量型刻度尺的周期性标记来提供或嵌入该周期性标记内来提供。此类参考标记的细节是众所周知的并且举例来说描述于US7659992中，其内容通过该参考文件并入到本说明书中。
如图4中示出，读头6包括电磁辐射(“EMR”)源(具体来说是光源12，例如，发光二极管(“LED”))、衍射光栅14和探测器16。如将理解，取决于特定实施方案，读头中可能存在其它组件。举例来说，可能存在透镜，例如，以准直自源的EMR/光。如果读头6将与包括参考标记的刻度尺一起使用，那么读头6还可以包括用于探测参考标记的组件，诸如透镜和另一探测器。同样，此类设置描述于US7659992中。
参考图2a、2b和4，来自光源12的光从读头6经过读头的外壳11中的窗口18朝向刻度尺4发射。在当前实施例中，光具有在850nm的区域中的波长，但是当然这可以取决于特定的实施方案而改变并且不需要必须是可见光，而取而代之例如可以是具有从300nm到2000nm的任何波长的EMR。如将理解，选择用于光源的合适的波长可以取决于许多因素，包括在EMR波长下工作的合适的光栅和探测器的可用性。光被刻度尺4衍射及反射，返回经过窗口18朝向衍射光栅14，其中光在探测器16处形成复合场40之前在衍射光栅14中再次衍射(参见图2b)(在这种情况下是干涉条纹，但可以例如是调制点)。如将理解，其它变化是可能的，并且例如可能不需要单独的窗口18，而取而代之读头可以配置为在读头的最外表面上提供衍射光栅14，且该衍射光栅是光经由其进入读头的组件。
探测器16探测复合场(例如，干涉条纹)以产生信号，该信号由读头通过接口20和电缆22输出到外部装置。具体而言，读头6和刻度尺4的相对移动引起在探测器16处的复合场的改变(例如，干涉条纹相对于探测器16的移动或调制点的强度的改变)，可以处理其输出以提供允许位移的递增测量的递增向上/向下计数。如图2b中示出，通过重组来自衍射光栅14和刻度尺4的光的衍射级来产生复合场40。
举例来说，探测器16可以包括多个光电二极管。具体而言，如将理解，在探测器16处产生干涉条纹17的实施例中，探测器16可以是电光栅的形式，即光传感器阵列，该光传感器阵列可以例如包括交叉/交错光敏传感器的两个或两个以上组，每个组探测在探测器16处的干涉条纹17的不同相位。图10示出一示例，其中示出探测器16的一部分，并且其中使四组光电二极管A、B、C和D的光电二极管互相交叉(interdigitated)，并且综合(combine)来自一组中的每个光电二极管的输出以提供单个输出A'、B'、C'和D'。如所说明，在任一个时刻，任一个组中的所有光电二极管都探测干涉条纹的相同相位的强度(如果条纹周期和传感器周期相同)。由于光学器件的滤光作用该布置具有优势，读头6很大程度上不受刻度尺的反射性的线8或非反射性的线10中的任一者的存在或不存在的影响。因此，污染和/或任何参考标记的存在并不显著影响探测器16所探测到的干涉条纹。这种类型的刻度尺和读头的更多细节描述于US5861953中，其全部内容通过此参考并入到本说明书中。如将理解，电光栅/光传感器阵列可以采用其它形式，诸如仅包括相互交叉的三组光电二极管，并且可以使用不同的布局。
图5是已知衍射光栅114的示意性平面图。如将理解，衍射光栅114包括周期性布置的连续衍射特征130的系列150，使得当光经过(pass through)衍射光栅114(或反射离开衍射光栅)时，光被衍射/拆分成多个级。如图5所示，衍射特征130是周期性布置的，也就是说它们以周期“p”出现，使得相同类型的特征的相邻对的中心之间的距离沿衍射光栅的长度是恒定的(即，总是“s”)。
如将理解，未按比例示出衍射光栅114并且衍射光栅114仅是示意性的以辅助本发明的说明。在描述的实施例中，衍射光栅是相位光栅。这意味着衍射特征130操控(换句话说调节)经过/反射离开衍射光栅的光的相位以便形成衍射级。这可以例如通过光栅的深度在衍射特征处的不同而实现(例如，由暗条130示出的特征处的衍射光栅基底的深度可以比由光条132示出的特征处的更浅)。相应地，图5中的暗条130和光条132仅表示不同程度影响经过它的光的相位的区域，例如，暗条130和光条132表示衍射光栅114的基底的不同深度。可以较好的是并且例如可以是优选的是衍射特征130的不透光率/反射率与衍射光栅114的其它区域132相同。如将理解，其它类型的衍射光栅包括振幅光栅，其中特征操控/调节经过/反射离开衍射光栅的光的振幅以便形成衍射级。
图6是根据本发明的衍射光栅14的示意性平面图。同样，衍射光栅14包括连续衍射特征30的系列50，其布置和配置为使得当光经过衍射光栅14时，光被衍射/拆分成多个级。然而，衍射特征30已经有意地且选择性地从它们的标称周期性“p”的位置移位以使得相邻的衍射特征30之间的间距“sn”从一对衍射特征到下一对衍射特征变化。举例来说，第一对由暗线表示的衍射特征30之间的距离是s1，而下一对之间的距离是s2。在根据本发明的实施例中，此类相邻对衍射特征30之间的间距sn沿刻度尺的长度不规则地变化。也就是说，间距sn的变化不是周期性地或根据任何可辨别模式的分类而改变。
在所描述的实例中，衍射光栅14的衍射特征30的宽度“w”(即，在平行于该衍射特征系列的延展尺度上获得的它们的尺寸)对于所有衍射特征30是恒定的。然而，并不需要必须是这种情况且它们的宽度可以变化。
在上文结合图6所描述的实施例中，暗条30被选择/描述作为衍射特征。然而，如将理解，如果由光条32表示的衍射光栅14的一部分被选择/描述作为衍射特征，那么本发明也是同等地适用。这是因为可以视为光条32的中心之间的间距也是不规则地从一对到下一对变化。根据上述段落，这还说明衍射特征的宽度可以变化。
在上文结合图6描述的实施例中，连续衍射特征的系列50包括仅一组衍射特征，在该一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。也就是说该组的长度与系列50的长度相同，也即与衍射光栅14的长度相同。然而，不需要必须是这种情况并且举例来说连续衍射特征的系列50可能包括衍射特征的一个或多个重复组，在该衍射特征的一个或多个重复组内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。这在下文中结合图9的实施例进行更详细地描述。
图7是示出图6中所示的衍射光栅14的衍射特征30的相邻对之间的间距变化的图表(其具有近似43μm的平均特征间距)。可以看出，间距的变化不是恒定的、不是恒定地增加或减小的，并且不是根据某些周期性函数而变化。实际上，变化是不具有可辨别模式的非规则的。如下文所解释，这是因为每个特征从其标称周期性位置的位置位移是独立地选定的而非根据某些预定函数，以使得它们按需要操控衍射级(例如，为了最小化+/-5级的强度)。在图7中还示出相邻衍射特征之间的间距的变化范围“R”，在这种情况下它是17μm(微米)(在所示出的示例中最大的间距是51μm(微米)而最小间距是34μm(微米))。
下表给出了有关根据本发明的相位衍射光栅的另一实施例的一个示例。在这种情况下，该表表示每个特征从46.67μm(微米)的标称特征间距的位移(并且因此23.34μm(微米)的宽度)，这将适合用于具有40μm(微米)的振幅刻度尺的编码器。
在上述实施例中，衍射特征的相邻对之间的间距变化，因为衍射光栅已是根据一过程生成的，在该过程中衍射特征已经有意地/有目的地从它们的标称周期性/规则位置中以选择量移位以从而控制通过衍射光栅产生的衍射级。可以通过其来确定每个特征从其标称周期性/规则位置的位移的过程可以例如涉及迭代算法，诸如例如二元直接搜寻法(Direct Binary Search)。此类过程可以涉及建模编码器系统的行为并且迭代地历经多个构型(configuration)以便经由最小化过程达成最佳解决方案。
如将理解，衍射光栅14上的衍射特征30的具体布置将取决于许多因素，包括要使用该衍射光栅的编码器的类型、和/或什么衍射级将受到控制和/或衍射级将如何受到控制。举例来说，在一些情况下可能希望衰减+/-3级衍射而在其它情况下可能希望加强+/-5级衍射。因此，针对这些不同情境而所需要提供的衍射特征的具体布置将是不同的。
如将理解，位移的程度在图6中是严重夸大的以辅助本发明的说明。例如，衍射特征的标称周期性间距“p”可以是20μm(微米)，并且衍射特征从其标称周期性位置的位移可以多达+/-p/2，例如，在给定的示例中是+/-10μm(微米)。用于编码器读头的典型衍射光栅可能是2mm或3mm长，并且因此典型数目的衍射特征可以大约是100-150。在特定优选的实施例中，尤其当读头设计为尽可能小时，衍射光栅可以是甚至更小的，并且例如在1mm与2mm长之间，例如，介于1.4mm与1.5mm长之间。在这种情况下，衍射特征的数目可以甚至更小，例如，介于25与35之间的某处，例如，30。
如上文所述，已发现在相邻衍射特征之间提供间距的此类不规则变化意味着可以选择此类衍射特征的放置以便控制由衍射光栅形成的衍射级。相应地，例如，如上文所述可以优选最小化+/-5级衍射的强度以便改进在探测器16处产生的复合场的品质，例如，以便移除由探测器16产生的信号中的谐波。已发现根据本发明的衍射光栅可用于实现这点。例如，图8示出了条形图，该条形图图示产生自标准衍射光栅的不同级的强度(以入射光的百分比的形式)，其中衍射特征的相邻对之间的间距沿刻度尺的长度是恒定的，并且也图示了产生自根据本发明的衍射光栅的不同级的强度。可以看出，与标准光栅相比，+/-5级和以上的级的强度已经显著降低。在所描述的实施例中，衍射光栅14设计为使得仍然存在相当显著的+/-3级以及+/-1级，因为已发现在一些情况下+/-3级可以积极地促进在探测器16处的干涉条纹的形成。然而，如将理解，不需要必须是这种情况并且例如衍射光栅14可以设计为使得+/-3级也基本上消除。图8的条形图用从根据本发明的衍射光栅中实际上测量的值以及从标准衍射光栅中实际上测量的值来标记。标准衍射光栅是“标准的”，在于它与根据本发明的衍射光栅相同(即，相同材料、相同特征尺寸、相同类型(例如，皆为相位光栅)、相同标称特征周期等)，除了衍射特征是有规律地间隔的而不是相邻衍射特征之间的间距从一对到下一对不规则地变化(如同本发明的衍射光栅)。级和入射光的强度是通过将衍射光栅放置到固持夹具中测量的。激光(在这种情况下是850nm(纳米))布置为在光栅上是入射的，该光栅在一段距离以外产生一组衍射级。使用连接到旋转平台的功率计测量衍射级。当平台移动时，从功率计中获得测量结果并且将测量结果记录到计算机。该平台每0.003度进行一次测量。这在给定角度范围上产生一大组功率测量结果。为了帮助减少测量结果中的噪音，可以使用数据的局部的平均。例如，获得0.03度上的10个点的平均。进一步，通过重复以上(但是其中激光布置为通过光栅的不具有衍射特征的空白区域传递光)由功率计测量入射光的强度。如将理解，可以使用其它设置来测量强度。举例来说，光栅/夹具可以代替于功率计来移动/和功率计一起移动。可选地，可以使用多个功率计(例如，每个衍射级一个功率计以避免必须提供移动)。可选地，多个衍射级可以同时落在单个CCD上(例如，以使得它们可以同时被测量)。
可以看出，在这种情况下，根据本发明的衍射光栅提供高于800：1的1级与5级的强度的测量比，并且提供高于3000：1的1级与7级的强度的测量比。
在上述实施例中，衍射光栅的衍射特征已经布置为使得它们的间距不规则地变化以便改进由探测器输出的信号。然而，不需要必须是这种情况，并且其它光学元件，举例来说，例如，刻度尺的衍射特征10(或8)可以替代地或另外地配置以使得它们的间距不规则地变化从而控制由衍射光栅形成的衍射级，以便改进在探测器16处产生的复合场的品质，例如，以便移除由探测器16产生的信号中的谐波。同样，这可以通过使用如上文所述的迭代过程实现以便确定特征的间距。
相应地，图6中所示的布置可以是刻度尺4而不是衍射光栅14。然而，刻度尺4通常长过衍射光栅许多(也就是说即使它们可以小至几毫米长，它们也可以大至许多米长，甚至几十米长)并且因此需要确定更多数目的特征的位置。例如，如图9中所示出，此负担可以通过如下减轻：使用上述迭代过程确定一组衍射特征沿光学元件(例如，刻度尺4)的摆放长度(a set length)的位置，并且随后沿光学元件(例如，刻度尺4)的长度多次使用该过程的结果。具体而言，如图9所示，刻度尺4包括连续衍射特征的系列100，其如图所示由参考标记102、103描绘。在连续衍射特征的系列100内存在一组衍射特征104，其中相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。如图所示，该相同的组104在连续衍射特征的系列100内重复多于两次。如图所示，相同的组104还用于连续衍射特征的不同系列(第二参考标记103之后示出的)。如将理解，不需要必须是这种情况并且可以使用不同的衍射特征组，在该不同的衍射特征组中的每一个组中相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。此外，虽然相同的组104在连续特征的系列100中使用三次，但是也可以使用不同的组。举例来说，衍射特征的组104可以在连续衍射特征的系列100中使用两次，并且这两个相同的组可以被不同的衍射特征组分隔开。
在上述实施例中，编码器设备包括读头中的衍射光栅，但是不需要必须是这种情况。实际上，可能的根本不需要衍射光栅。在这种情况下根据本发明的唯一光学元件是刻度尺。此类编码器例如描述于US2003/0010906中。
进一步，在上述实施例中来自源的光在与读头中的衍射光栅相互作用之前与刻度尺相互作用，但是如将理解不需要必须是这种情况。举例来说，编码器设备可以配置为使得来自源的光在它与刻度尺相互作用之前与衍射光栅(例如，在读头中的)相互作用(并且可选地也在与刻度尺相互作用之后与另一或相同的衍射光栅(例如，在读头中的)相互作用)。
在上述实施例中，衍射光栅的所有衍射特征和/或刻度尺的所有衍射特征布置为使得它们的相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。不需要必须是这种情况。举例来说，仅它们中的某些需要以此方式布置，而其它的以非不规则的间距布置，例如，恒定地间隔开。

Claims (27)

1.一种编码器设备，用于确定设备的可相对移动的两个部分之间的移动，所述编码器设备包括：
探测器；以及
至少一个光学元件，其包括连续衍射特征的至少一个系列，用于将来自源的电磁辐射衍射到衍射级并且该衍射级有助于在探测器处产生随所述两个部分之间的移动而变化的干涉条纹，
其特征在于，所述至少一个系列中的衍射特征从标称规则间距移位，从而在相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征选择性地不规则地变化，以便减少所述探测器处的所述干涉条纹中的谐波。
2.根据权利要求1所述的编码器设备，其中，每个衍射特征以所选择的预定量移位以便基本上消除至少一个n级衍射且同时保持1级衍射和至少一个所选择的m级衍射的存在，这使得所述1级衍射和所选择的m级衍射有助于在所述探测器处产生所述干涉条纹。
3.根据权利要求1或2所述的编码器设备，其中，所述编码器设备包括读头，所述读头包括所述探测器和衍射光栅。
4.根据权利要求3所述的编码器设备，其中，所述编码器设备包括刻度尺并且所述衍射光栅配置为与来自所述刻度尺的电磁辐射相互作用以实现在所述探测器处的衍射级的重组。
5.根据权利要求3所述的编码器设备，其中，所述读头的衍射光栅包括所述至少一个光学元件。
6.根据权利要求1所述的编码器设备，其中，所述编码器设备包括刻度尺，所述刻度尺包括所述至少一个光学元件。
7.根据权利要求6所述的编码器设备，其中，所述刻度尺包括在连续衍射特征的两个系列之间的参考标记。
8.根据权利要求1所述的编码器设备，其中，在衍射特征的所述至少一个系列中，相邻衍射特征的中心之间的间距的变化的范围不小于所述至少一个光学元件的衍射特征的平均周期的l/200。
9.根据权利要求1所述的编码器设备，其中，所述衍射特征布置为使得1级与5级的强度的比至少是100：1，和/或1级与7级的强度的比至少是150：1。
10.根据权利要求1所述的编码器设备，其中，相邻衍射特征之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化，以使得由所述探测器输出的信号基本上不含谐波。
11.根据权利要求1所述的编码器设备，其中，所述衍射特征的系列沿所述光学元件的长度至少重复一次。
12.根据权利要求11所述的编码器设备，其中，所述衍射特征的系列在连续衍射特征的所述系列内至少重复一次。
13.根据权利要求1所述的编码器设备，其中，所述衍射特征的系列包括至少5个衍射特征。
14.根据权利要求1所述的编码器设备，其中，所述相邻衍射特征的中心之间的间距沿所述光学元件的整个长度，从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
15.一种光学元件，用于生成衍射级，该光学元件包括连续衍射特征的至少一个系列，用于将来自源的电磁辐射衍射到衍射级，其特征在于，所述至少一个系列中的衍射特征从标称规则间距移位到从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征选择性地不规则地变化的间距，每个特征移位所选择的预定量以便基本上消除至少一个n级衍射且同时保持1级衍射和至少一个所选择的m级衍射的存在。
16.根据权利要求15所述的光学元件，其中，所述衍射特征的系列中的相邻衍射特征的中心之间的间距的变化的范围不小于所述光学元件的衍射特征的平均周期的l/200。
17.根据权利要求15所述的光学元件，其中，所述光学元件是用于编码器读头的衍射光栅。
18.根据权利要求15所述的光学元件，其中，所述衍射特征布置为使得由所述光学元件生成的1级与5级的强度的比至少是100：1，和/或由所述光学元件生成的1级与7级的强度的比至少是150：1。
19.根据权利要求15所述的光学元件，其中，所述相邻衍射特征的中心之间的间距沿所述光学元件的整个长度，从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
20.根据权利要求15所述的光学元件，其中，所述衍射特征的系列包括至少5个衍射特征。
21.一种用于包括探测器和衍射光栅的编码器设备的读头，所述衍射光栅包括连续衍射特征的至少一个系列，用于将来自源的电磁辐射衍射到衍射级，且该连续衍射特征的至少一个系列有助于在探测器处产生干涉条纹，其特征在于，所述至少一个系列中的衍射特征从标称规则间距移位，从而在相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征选择性地不规则地变化，以便减少所述探测器处的所述干涉条纹中的谐波。
22.根据权利要求21所述的读头，其中，每个衍射特征以所选择的预定量移位以便基本上消除至少一个n级衍射且同时保持1级衍射和至少一个所选择的m级衍射的存在，以使得所述1级衍射和所选择的m级衍射能够有助于在所述探测器处产生所述干涉条纹。
23.根据权利要求21所述的读头，其中，所述相邻衍射特征的中心之间的间距的变化的范围不小于所述衍射光栅的特征的平均周期的l/200。
24.根据权利要求21所述的读头，其中，所述衍射特征布置为使得由所述衍射光栅生成的1级与5级的强度的比至少是100：1，和/或由所述衍射光栅生成的1级与7级的强度的比至少是150：1。
25.根据权利要求21所述的读头，其中，所述相邻衍射特征的中心之间的间距沿所述衍射光栅的整个长度，从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
26.根据权利要求21所述的读头，其中，所述衍射光栅包括至少5个衍射特征的系列。
27.一种制造用于编码器设备的衍射光栅的方法，其包括：确定衍射特征的选择布置以使得相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化，以使得基本上消除至少一个n级衍射同时且保持1级衍射和至少一个所选择的m级衍射的存在，以达到使得所述1级衍射和所选择的m级衍射可以有助于在编码器设备的探测器处产生干涉信号；和根据所述选择布置在基底上形成衍射特征。
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