CN109990812B - 用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，其包括旋转标尺、照明源和光检测器构造。照明源构造为在第一照明区域处将准直光输出到标尺，该光随后在第二照明区域处输出至标尺，标尺从该第二照明区域输出形成检测器条纹图案的标尺光，该检测器条纹图案包括周期性的高强度带和低强度带，其沿旋转测量方向在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向相对较窄且呈周期性。随着标尺光栅沿旋转测量方向移位，高强度带和低强度带沿检测到的条纹运动方向移动。光检测器构造被构造为检测高强度带和低强度带的位移，并且提供指示该旋转标尺位移的相应的空间相位位移信号。

Description

用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造
相关申请的交叉引用
本申请是2018年3月30日提交的名称为“CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANTOPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS”的美国专利申请序列号15/942,135的部分继续申请，该专利申请是2017年12月29日提交的名称为“CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FORPROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS”的美国专利申请序列号15/858,218的部分继续申请；该专利申请是2017年9月12日提交的名称为“CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANTOPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS”的美国专利申请序列号15/702,520的部分继续申请；该专利申请是2017年6月29日提交的名称为“CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FORPROVIDING 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被整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及精密位置或位移测量仪器，更具体地，涉及具有信号处理的编码器构造，该编码器构造能够抵抗可与标尺的被污染或有缺陷的部分相关联的误差。
背景技术
光学位置编码器确定读取头相对于包括由读取头检测的图案的标尺的位移。通常，位置编码器使用包括具有周期性图案的至少一个标尺轨道的标尺，并且，从所述标尺轨道产生的信号作为读取头沿标尺轨道的位置或位移的函数是周期性的。绝对型位置编码器可使用多个标尺轨道，以提供在沿绝对标尺的每个位置处的信号的独一组合。
光学编码器可以使用增量式或绝对式位置标尺结构。增量式位置标尺结构允许通过累积从沿标尺的起始点开始的位移增量单元而确定读取头相对于标尺的位移。这样的编码器可适用于特定的应用，特别是线路电源可用的应用。在低功耗应用(例如，电池供电的测量计等)中，更加期望使用绝对式位置标尺结构。绝对式位置标尺结构在沿标尺的每个位置处提供独一的输出信号或信号的组合，并因此允许各种节能方案。美国专利第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号公开了与绝对式位置编码器相关的各种编码器构造和/或信号处理技术，其全部内容通过引用合并于此。
一些编码器构造通过在编码器构造的照明部分中使用照明源光衍射光栅实现了一些优点。美国专利第8,941,052、9,018,578、9,029,757和9,080,899号公开了这样的编码器构造，其每一个通过引用整体合并于此。这些专利中公开的一些构造还可特征在于使用超分辨率莫尔(moiré)成像。
在各种应用中，标尺制造缺陷或污染(诸如标尺轨道上的灰尘或油污)可干扰读取头检测到的图案，从而在所得到的位置或位移测量中产生误差。通常，由于缺陷或污染导致的误差的大小可取决于以下因素，诸如缺陷或污染的尺寸、标尺上的周期性图案的波长、读取头检测器区域的尺寸、这些尺寸之间的关系，等等。已知有多种方法用于响应编码器中的异常信号。几乎所有这些方法都基于禁用编码器信号，或提供“误差信号”来警告用户，或调节光源强度抬高低信号，等等。然而，这些方法并未提供在从特定类型的标尺缺陷或污染产生异常信号的情况下仍能继续进行准确测量操作的方案。因此，这些方法具有局限的使用性。在日本专利申请JP 2003-065803(’803申请)中公开了一种确实缓解标尺污染或缺陷对测量准确度的影响的已知方案。’803申请教导了一种方法，其中，两个或更多个光检测器输出具有相同相位的周期信号，每个信号被输入到相应的信号稳定性判断器件。信号稳定性判断器件仅输出被判断为“正常”的信号，并且“正常”信号被组合作为位置测量的基础。从位置测量计算中排除“异常”的信号。然而，在’803申请中公开的判断“正常”和“异常”信号的方法具有特定的不足，其限制了’803申请的教导的实用性。
美国专利No.8,493,572(’572专利)公开了一种抗污染和缺陷的光学编码器构造，其提供了一种从未受污染的光检测器元件中选取信号的方案。然而，’572专利依赖于复杂的信号处理，这在一些应用中可能不太理想。
用于提供准确测量操作的改进方法将是期望的，其避免或缓解由一些类型的标尺缺陷或污染引起的异常信号，但不需要复杂的信号处理。
发明内容
一种用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造包括旋转标尺、照明源和光检测器构造。旋转标尺绕旋转轴线沿旋转测量方向延伸。旋转标尺包括旋转标尺光栅，该旋转标尺光栅包括沿旋转测量方向布置在旋转表面中的标尺光栅条。标尺光栅条沿旋转测量方向较窄并沿横向于旋转测量方向的旋转标尺光栅条方向是细长的，并且沿旋转测量方向以标尺节距PSF周期性地布置。照明源包括将被准直的光输出到旋转标尺上的第一照明区域的光源，该第一照明区域被构造为输入所述光并沿光路LP将结构化照明输出到旋转标尺上的第二照明区域，其中，结构化照明包括照明条纹图案，该照明条纹图案包括沿旋转测量方向较窄且沿横向于旋转测量方向取向的照明条纹方向细长的条纹。光检测器构造包括一组N个空间相位检测器，其沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向以检测器节距PD周期性地布置，其中，每个空间相位检测器被构造为提供相应的空间相位检测器信号，并且至少大部分相应的空间相位检测器沿旋转测量方向在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向相对较窄，并且所述组N个空间相位检测器沿检测到的条纹运动方向以空间相位序列布置。旋转标尺光栅被构造为在第二照明区域处输入照明条纹图案，并且输出在光检测器构造处形成条纹图案的标尺光，该条纹图案包括周期性的高强度带和低强度带，该高强度带和低强度带沿旋转测量方向在相对较长的尺寸上延伸，并沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向相对较窄且以检测到的条纹周期PDF呈周期性。旋转标尺光栅条方向相对于旋转轴线以非零的偏转角ψ取向。检测到的条纹周期PDF和检测到的条纹运动方向横向于旋转测量方向，并且至少部分地依赖于非零的偏转角ψ。随着标尺光栅绕旋转轴线旋转，高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向移动。光检测器构造被构造为检测高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向的位移，并且提供指示该旋转标尺位移的相应的空间相位位移信号。
附图说明
通过参考以下详细描述并结合附图，可以更容易地理解前述方面和许多伴随的优点。
图1是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器构造的局部分解示意图。
图2是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器构造的局部示意图。
图3是抗污染和缺陷的光学编码器构造的光检测器构造的局部示意图。
图4A是抗污染和缺陷的光学编码器构造的光检测器构造的部分的示意图。
图4B是抗污染和缺陷的光学编码器构造的光检测器构造的部分的示意图。
图5是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器构造的另一实施方式的局部示意图，其中，检测器条纹图案在光学编码器移位期间横向于测量轴线方向移动。
图6A是表示形成靠近光检测器构造的检测器条纹图案的标尺光分量的第一视图的示意图，其包括大致沿测量轴线方向细长并且横向于测量轴线方向周期性布置的空间相位检测器。
图6B是表示形成靠近光检测器构造的检测器条纹图案的标尺光分量的第二视图的示意图，其包括大致沿测量轴线方向细长并且横向于测量轴线方向周期性布置的空间相位检测器。
图7是类似于图5和图6所示的光学编码器的抗污染和缺陷的光学编码器构造的特性曲线图，其包括检测到的条纹周期相对于照明条纹偏转角。
图8是可用于抗污染和缺陷的光学编码器(其类似于图5和图6所示的光学编码器)的一个示例性光检测器构造的示意图，其中光检测器构造包括空间相位检测器，所述空间相位检测器大致沿测量轴线方向细长且横向于测量轴线方向周期性地布置。
图9A是抗污染和缺陷的光学编码器的另一示例性光检测器构造的一部分的详细示意图，其类似于图8所示的光检测器构造。
图9B是抗污染和缺陷的光学编码器的另一示例性光检测器构造的一部分的详细示意图，其类似于图8所示的光检测器构造。
图10是抗污染和缺陷的光学编码器构造的另一实施方式的局部示意图。
图11A是第一照明源衍射光栅的示意图。
图11B是第二照明源衍射光栅的示意图。
图12是抗污染和缺陷的光学编码器构造的另一实施方式的局部示意图。
图13A是表示形成靠近光检测器构造的检测器条纹图案的标尺光分量的第一视图的示意图。
图13B是表示形成靠近光检测器构造的检测器条纹图案的标尺光分量的第二视图的示意图。
图13C是表示形成靠近光检测器构造的检测器条纹图案的标尺光分量的第三视图的示意图。
图13D是表示形成靠近光检测器构造的检测器条纹图案的标尺光分量的第四视图的示意图。
图14是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造的第一实施方式的局部示意图。
图15是图14的旋转标尺光栅的部分的示意图，示出了另外的细节。
图16是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造的第二实施方式的局部示意图。
具体实施方式
图1是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器构造100的局部分解示意图。编码器构造100包括标尺光栅110、照明部分120和光检测器构造160。
图1显示根据在此使用的惯例的正交的X、Y和Z方向。X和Y方向平行于标尺光栅110的平面，X方向平行于测量轴线方向MA(例如，垂直于标尺光栅110的细长图案元件)。Z方向垂直于标尺光栅110的平面。
在图1所示的实施方式中，标尺光栅110是透射式光栅。标尺光栅110沿测量轴线方向MA延伸，并且包括周期性图案，该周期性图案包括沿测量轴线方向MA较窄且沿与测量轴线方向MA垂直的垂线(即，Y方向)细长的条，所述条沿测量轴线方向MA周期性地布置。
照明部分120包括照明源130、第一照明光栅140和第二照明光栅150。照明源130包括光源131和准直透镜132。光源131构造为输出源光134至准直透镜132。准直透镜132构造为接收源光134，并且输出准直源光134’至第一照明光栅140。第一照明光栅140接收源光134’，并且朝向第二照明光栅150衍射源光134’。第二照明光栅150接收源光134’，并且沿源光路SOLP朝向标尺光栅110进一步衍射源光134’。标尺光栅110沿源光路SOLP输入源光134’，并且沿标尺光路SCLP输出包括周期性标尺光图案135的标尺光至光检测器构造160。光检测器构造160接收沿标尺光路SCLP来自标尺光栅110的周期性标尺光图案135。对应于标尺光栅110和光检测器构造160之间沿测量轴线方向MA的相对位移，周期性标尺光图案135移位经过光检测器构造160。类似于光检测器构造160的光检测器构造的例子在图3中详细示出。光检测器构造160包括一组N个空间相位检测器，其沿横向于测量轴线方向MA的方向(即，Y方向)以空间相位序列布置，其中，N是至少为6的整数，并且，该空间相位序列包括沿横向于测量轴线的方向位于序列的起始处和终止处的两个外部空间相位检测器，以及位于所述两个外部空间相位检测器之间的内部空间相位检测器组。在图1所示的实施方式中，该组N个空间相位光检测器包括三个空间相位检测器子组S1、S2和S3，其具有相同的子组空间相位序列。
至少大部分的相应空间相位检测器沿测量轴线方向MA相对细长且沿垂直于测量轴线方向MA的方向(即，Y方向)相对较窄，并且包括标尺光接收区域，所述标尺光接收区域沿测量轴线方向MA在空间上呈周期性，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相应空间相位而定位，并被构造为提供相应的空间相位检测器信号。在空间相位序列中，内部组中的每个空间相位检测器之前和之后都有具有与该空间相位检测器不同且彼此不同的相应空间相位的空间相位检测器。
在各应用中，根据已知技术，光检测器构造160和照明部分120可以相对于彼此以固定关系安装，例如，在读取头或测量计壳体(未示出)中安装，并且，由支承系统沿测量轴线方向MA相对于标尺光栅110引导。在各应用中，标尺光栅110可以附接至移动平台，或测量计主轴，等等。
应理解，抗污染和缺陷的光学编码器构造100仅仅是根据在此披露的原理的抗污染和缺陷的光学编码器构造的一个示例。在替代实施方式中，可以使用诸如远心成像系统、限制孔等的各种光学部件。在替代实施方式中，照明部分可以仅仅包括单个的照明光栅。
图2是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器构造200的局部分解示意图。光学编码器构造200类似于编码器构造100。除非通过上下文或描述另外指出，否则图2中的类似的附图标记2XX和图1中的1XX可以指代类似的元件。图2所示的编码器构造200是反射式构造。标尺210是反射式标尺光栅。
图3是抗污染和缺陷的光学编码器构造300的光检测器构造360的局部示意图。抗污染和缺陷的光学编码器构造300可以类似于抗污染和缺陷的光学编码器构造100或抗污染和缺陷的光学编码器构造200。光检测器构造360包括一组N个空间相位检测器，其沿横向于测量轴线方向MA的方向以空间相位序列布置，其中，N是至少为6的整数，并且，该空间相位序列包括沿横向于测量轴线的方向位于该序列的起始处和终止处的两个外部空间相位检测器，以及位于所述两个外部空间相位检测器之间的内部空间相位检测器组。至少大部分的相应空间相位检测器沿测量轴线方向MA相对细长且沿垂直于测量轴线方向MA的方向相对较窄，并且包括标尺光接收区域，所述标尺光接收区域沿测量轴线方向MA在空间上呈周期性，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相应空间相位而定位，并且被构造为提供相应的空间相位检测器信号。在空间相位序列中，内部组中的每个空间相位检测器之前和之后都有具有与该空间相位检测器不同并且彼此不同的相应空间相位的空间相位检测器。
在一些实施方式中，该组N个空间相位光检测器可以包括至少M个空间相位检测器子组，其中，M是至少为2的整数，并且其中，M个子组中的每一个包括提供包括在该组N个空间相位光检测器中的每个相应空间相位的空间相位检测器。在一些实施方式中，M可以至少是3。在一些实施方式中，M可以至少是6。在一些实施方式中，M个空间相位检测器子组中的每一个可以包括提供布置在同一子组空间相位序列中的相同的相应空间相位的空间相位检测器。图3显示具有M个空间相位检测器子组的实施方式，其标记为S1至SM。子组S1包括空间相位检测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D。子组S2包括空间相位检测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D。子组SM包括空间相位检测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD。图3中的每个空间相位检测器示出为具有K个标尺光接收区域。作为标尺光接收区域的示例，空间相位检测器SPDMD标记有标尺光接收区域SLRAM1和SLRAMK。在一些实施方式中，K可以是偶数值。
在图3所示的实施方式中，空间相位序列由包括下标索引A、B、C和D的空间相位检测器(例如，空间相位检测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D)指示。具有下标索引A和D的空间相位检测器是在空间相位序列的每个实例的起始处和终止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。
空间相位检测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D输出相应的空间相位检测器信号A1、B1、C1和D1。空间相位检测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D输出相应的空间相位检测器信号A2、B2、C2和D2。空间相位检测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD输出相应的空间相位检测器信号AM、BM、CM和DM。
根据在此披露的原理构造的抗污染和缺陷的光学编码器提供了一种简单的设计，其可以容忍如100微米那么大的污染物(例如，引线结合污染)和如300微米那么大的标尺缺陷。标尺上的污染物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，其可以在信号处理(例如，正交处理)中被消去。空间相位检测器沿测量轴线方向MA相对细长，并且沿垂直于测量轴线方向MA的方向相对较窄，这提供了对于污染和缺陷的更佳的抵抗能力。通过降低沿测量轴线方向MA的空间相位检测器的结构的频率，可以更缓慢地改变信号水平。进一步，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差性(tolerance)。由该组N个空间相位检测器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。
在诸如如图3所示的实施方式这样的一些实施方式中，N至少为8，并且空间相位检测器的每个子组可包括四个空间相位检测器，其具有相隔90度的相应空间相位。在替代实施方式中，空间相位检测器的每个子组可包括三个空间相位检测器，其具有相隔120度的相应空间相位。
在图3所示的实施方式中，光检测器构造360包括连接部，其构造为组合与同一相应空间相位相对应的空间相位检测器信号，并且将每个这样的组合作为相应的空间相位位置信号输出。光检测器构造360被构造为输出四个空间相位位置信号，其对应以90度隔开的空间相位。将具有相同字母标记(例如，A1、A2和AM)的空间相位信号组合(例如，求和)以提供空间相位信号ΣA、ΣB、ΣC和ΣD。在替代实施方式中，光检测器构造可构造为输出三个空间相位位置信号，其对应以120度隔开的空间相位。在任一情况中，空间相位位置信号可以进一步用于确定位移信号，例如，通过正交或三相信号处理。
在一些实施方式中，每个相应的空间相位检测器可以沿测量轴线方向MA相对细长且沿垂直于测量轴线方向MA的方向相对较窄，并且可以包括标尺光接收区域，该标尺光接收区域沿测量轴线方向MA在空间上呈周期性，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相应空间相位而定位，并且可以被构造为提供相应的空间相位检测器信号。
在一些实施方式中，N个空间相位检测器中的每个空间相位检测器的标尺光接收区域沿Y方向的尺寸YSLRA可以是至多250微米。在一些实施方式中，YSLRA可以是至少5微米。
在一些实施方式中，N个空间相位检测器中的每一相邻对空间相位检测器的标尺光接收区域之间沿Y方向的间隔距离YSEP可以是至多25微米。
在一些实施方式中，N个空间相位检测器中的每个空间相位检测器的标尺光接收区域的尺寸YSLRA可以沿Y方向是相同的。在一些实施方式中，N个空间相位检测器中的每一相邻对空间相位检测器的标尺光接收区域之间的间隔距离YSEP沿Y方向可以是相同的。
应理解，尽管较大的N值提供对污染的更优的鲁棒性，但作为代价，较大的N值在每个单个的空间相位检测器内可提供较小的信号水平。
图4A是抗污染和缺陷的光学编码器构造400A的光检测器构造460A的一部分的示意图。简洁起见，图4A仅显示了具有两个空间相位检测器SPD1A和SPD1B的一个空间相位检测器子组S1。应理解，根据在此披露的原理，光检测器构造460A包括至少六个空间相位检测器，但简洁起见仅示出了两个。在图4A所示的实施方式中，N个空间相位检测器中的每个(例如，空间相位检测器SPD1A和SPD1B)包括被空间相位掩模(例如，相位掩模PM1A和PM1B)覆盖的光检测器(例如，由虚线指示的光检测器PD1A和PD1B)，该相位掩模阻挡光检测器接收周期性的标尺光图案，除了通过包括在该空间相位掩模中的开口。在该情况下，标尺光接收区域包括通过相应空间相位掩模(例如，空间相位掩模PM1A和PM1B)中的开口暴露的光检测器(例如，光检测器PD1A和PD1B)的区域。在图4A所示的实施方式中，相位掩模PM1B的标尺光接收区域(即，开口)相对于相位掩模PM1A的标尺光接收区域沿测量轴线方向MA偏移90度。应理解，虽然空间相位掩模PM1A和PM1B在图4A中示意性示出为分开的部分，但是在一些实施方式中，它们可以在相同的过程中利用相同的材料方便地构造，以消除任何潜在的定位误差。
图4B是抗污染和缺陷的光学编码器构造400B的光检测器构造460B的一部分的示意图。简洁起见，图4B仅显示了具有两个空间相位检测器SPD1A’和SPD1B’的一个空间相位检测器子组S1’。应理解，根据在此披露的原理，光检测器构造460B包括至少六个空间相位检测器，但简洁起见仅示出了两个。在图4B所示的实施方式中，N个空间相位检测器中的每个(例如，空间相位检测器SPD1A’和SPD1B’)包括接收周期性标尺光图案的电互连的光检测器区域的周期性阵列。在该情况下，标尺光接收区域包括光检测器的周期性阵列的光检测器区域。在图4B所示的实施方式中，空间相位检测器SPD1B’的光检测器区域相对于空间相位检测器SPD1A’的光检测器区域沿测量轴线方向MA偏移90度。
图5是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器构造500的另一实施方式的局部示意图。在编码器构造500中，检测到的周期性标尺光图案535包括检测器条纹图案535，其包括的带被取向为沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且在光学编码器移位期间，沿检测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴线方向移动。
编码器构造500包括标尺510、照明源520和光检测器构造560。标尺510沿测量轴线方向MA延伸，并且包括标尺光栅，该标尺光栅包括布置在名义上平行于测量轴线方向MA的标尺平面SP中的光栅条GB，其中，光栅条GB沿测量轴线方向MA是窄的且沿横向于测量轴线方向MA的光栅条方向GBD是细长的，并且沿测量轴线方向MA以标尺节距PSF周期性地布置。照明源520包括输出光534’的光源530，以及结构化照明产生部分533，其构造为输入光534’并将结构化照明534”输出至标尺平面SP处的照明区域IR，其中，结构化照明534”包括照明条纹图案IFP，其包括沿测量轴线方向MA较窄且沿照明条纹方向IFD细长的条纹，该照明条纹方向以相对于光栅条方向GBD非零的照明条纹偏转角ψ横向于测量轴线方向MA取向。光源530包括点源531和准直透镜532。点源531输出光534至准直透镜，该准直透镜随后使光534准直以提供光534’。在各实施方式中，通过将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中的一个)绕Z轴旋转到相对于Y轴的期望角度，可以实现非零的照明条纹偏转角ψ。在一些实施例中，通过使光栅条方向GBD绕Z轴旋转到相对于Y轴的期望角度，也可以获得或增大非零的照明条纹偏转角ψ。
光检测器构造560包括一组N个空间相位检测器，其沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD以检测器节距PD(图6A和图6B所示)周期性地布置，其中，每个空间相位检测器被构造为提供相应的空间相位检测器信号，并且至少大部分相应的空间相位检测器沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴线的检测到的条纹运动方向DFMD相对较窄，并且所述组N个空间相位检测器沿检测到的条纹运动方向DFMD以空间相位序列布置，如下面参考图8、9A和9B更详细地描述的。
标尺510被构造为在照明区域IR处输入照明条纹图案，并且沿标尺光路SCLP输出标尺光分量，以在光检测器构造560处形成检测器条纹图案535。检测器条纹图案535包括周期性高强度带和低强度带，其沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD相对窄且以检测到的条纹周期PDF呈周期性，如下面参考图6更详细描述的。作为描述它们的取向的方式，带沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，但是在各实施方式中，这并不意味着它们需要沿测量轴线方向对准。在各示例性实施方式中，带可以相对于测量轴线方向以中等或小角度对准，如下面参考图6所解释的。
横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD和检测到的条纹周期PDF至少部分地依赖于非零的照明条纹偏转角ψ，如下文参考图7概述的。随着标尺510沿测量轴线方向MA移位，高强度带和低强度带沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD移动。光检测器构造560被构造为检测高强度带和低强度带沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示该标尺位移的相应的空间相位位移信号。
在图5所示的实施方式中，结构化照明产生部分533包括第一照明源光衍射光栅540，以及第二照明源光衍射光栅550。在一些实施方式中，第一照明源光衍射光栅540和第二照明源光衍射光栅550可以是相位光栅。相位光栅通过降低光损失而提供更佳的功率效率。
根据参考图5至图9B描述的原理构造的抗污染和缺陷的光学编码器将提供一种简单的设计，其可以容忍如100微米那么大的污染物(例如，引线结合污染)和如300微米那么大的标尺缺陷。与检测条纹周期尺寸类似或比它更大的标尺上的污染物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，其可以在信号处理(例如，正交处理)中被消去。即，污染物沿测量轴线方向移动的效果将倾向于跨过相邻的空间相位检测器被分担，并且随着标尺或读取头构造沿测量轴线方向移位，其将沿测量轴线方向在那些相邻的空间相位检测器上移动。因为污染效果是跨过相邻空间相位检测器的共模效果，并且因为空间相位检测器在沿测量轴线方向的尺寸上相对细长，其可显著超过污染效果的尺寸，污染对位移信号准确度的影响可以基本上缓解。另一优势在于，在任何残留的非共模误差的情况下，随着光检测器构造560相对于标尺510移位，对应于缺陷的检测器条纹图案535的部分将从一个空间相位检测器非常缓慢地移动到另一个空间相位检测器，这可以允许空间相位位移信号的更有效补偿。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差性。由该组N个空间相位检测器提供的空间相位位移信号可以根据本领域技术人员已知的标准技术进行处理。
图6A是示意性地表示形成与检测器条纹图案535相似或相同的检测器条纹图案635的标尺光分量SL1和SL2的第一视图的图，该检测器条纹图案635示出为靠近类似于图5中的光检测器构造560的光检测器构造660。检测器条纹图案635可以由与参考图5概述的光学编码器构造500类似的光学编码器提供。图6A显示形成检测器条纹图案635的标尺光在由之前参考
图5所示的标尺光路SCLP和测量轴线方向MA限定的平面中的横截面。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(其由表示高强度带的虚线表示)，其每个包括平行光线，其中，第一标尺光分量SL1的平行光线沿相对于标尺光路SCLP具有相反角度取向的方向。根据已知的原理，第一标尺光分量SL1和第二标尺光分量SL2重叠，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可以由来自结构化照明产生部分的不同衍射级形成。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。
图6B是示意性地表示形成条纹图案635的标尺光分量SL1和SL2的第二视图的图。图6A显示检测器条纹图案635在由之前参考图5所示的Y方向和测量轴线方向MA限定的平面中的横截面，其靠近光检测器构造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和由虚线轮廓指示的亮或高强度干涉带635L，其沿检测到的条纹运动方向DFMD以检测到的条纹周期PDF呈周期性，如图6B所示。检测到的条纹运动方向大体横向于干涉带635D和635L的方向，相对于Y方向具有等于非零照明条纹偏转角ψ的轻微旋转。
图7是与图5和图6中表示的光学编码器构造500类似的抗污染和缺陷的光学编码器的特性曲线图700，其包括检测到的条纹周期PDF相对于照明条纹偏转角ψ。曲线图700示出了用于抗污染和缺陷的光学编码器的数据，该光学编码器包括结构化照明产生部分，其包括具有光栅节距P1的第一照明源光衍射光栅，具有节距P2的第二照明源光衍射光栅，以及具有标尺节距PSF的标尺，其满足表达式：
Figure BDA0001926702950000121
检测到的条纹周期PDF则通过以下表达式和照明条纹偏转角ψ相关：
Figure BDA0001926702950000131
通常期望将抗污染和缺陷的光学编码器构造为使得，检测到的条纹周期PDF是大的(例如，大于7微米，或者在一些实施方式中，大于40微米)，这需要较小值的照明条纹偏转角ψ(例如，小于7度)。较大的检测到的条纹周期PDF提供了对来自标尺、光检测器构造和照明源之间的失准的测量误差的更好的容差度。由标尺相对于照明源和/或光检测器构造的俯仰(pitch)和滚转(roll)引起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将对由标尺波动引起的测量误差提供更好的鲁棒性。
图8是可用于抗污染和缺陷的光学编码器(其类似于图5和图6中表示的光学编码器构造500)的一个示例性光检测器构造860的示意图800，其中，光检测器构造包括空间相位检测器，其沿测量轴线方向大体或大致是细长的，并且横向于测量轴线方向周期性地布置。除非通过上下文或描述另外指出，否则类似的图8中的附图标记8XX和图5中的附图标记5XX可以指示类似的元件。
光检测器构造860包括沿检测到的条纹运动方向DFMD以空间相位序列布置的一组N个空间相位检测器，其中，N是至少为6的整数，并且空间相位序列包括沿横向于测量轴线方向MA的方向在序列的起始处和终止处的两个外部空间相位检测器，以及位于所述两个外部空间相位检测器之间的内部空间相位检测器组。在空间相位序列中，内部组中的每个空间相位检测器之前和之后都有具有与该空间相位检测器不同并且彼此不同的相应空间相位的空间相位检测器。每个空间相位检测器包括标尺光接收区域，所述标尺光接收区域沿检测到的条纹运动方向DFMD在空间上呈周期性，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相应空间相位而定位。在空间相位序列中，内部组中的每个空间相位检测器之前和之后都有具有与该空间相位检测器不同并且彼此不同的相应空间相位的空间相位检测器。
在一些实施方式中，该组N个空间相位光检测器可以包括至少M个空间相位检测器子组，其中，M是至少为2的整数，并且其中，M个子组中的每一个包括提供包括在该组N个空间相位光检测器中的每个相应空间相位的空间相位检测器。在一些实施方式中，M可以至少是4。在一些实施方式中，M可以至少是6。在一些实施方式中，M个空间相位检测器子组中的每一个可以包括提供布置在同一子组空间相位序列中的相同的相应空间相位的空间相位检测器。图8显示具有M个空间相位检测器子组的实施方式，其标记为S1至SM。子组S1包括空间相位检测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D。子组S2包括空间相位检测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D。子组SM包括空间相位检测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD。
在图8所示的实施方式中，空间相位序列由包括下标索引A、B、C和D的空间相位检测器(例如，空间相位检测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D)指示。具有下标索引A和D的空间相位检测器是在空间相位序列的每个实例的起始处和终止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。
空间相位检测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D输出相应的空间相位检测器信号A1、B1、C1和D1。空间相位检测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D输出相应的空间相位检测器信号A2、B2、C2和D2。空间相位检测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD输出相应的空间相位检测器信号AM、BM、CM和DM。
在一些实施方式中，诸如如图8所示的实施方式，N至少为8，并且空间相位检测器的每个子组可包括四个空间相位检测器，其具有相隔90度的相应空间相位。在替代实施方式中，空间相位检测器的每个子组可包括三个空间相位检测器，其具有相隔120度的相应空间相位。
在图8所示的实施方式中，光检测器构造860包括连接部，其构造为组合与同一相应空间相位相对应的空间相位检测器信号，并且将每个这样的组合作为相应的空间相位位置信号输出。光检测器构造860被构造为输出四个空间相位位置信号，其对应以90度隔开的空间相位。将具有相同字母标记(例如，A1、A2和AM)的空间相位信号组合(例如，求和)，以提供空间相位信号ΣA、ΣB、ΣC和ΣD。在替代实施方式中，光检测器构造可构造为输出三个空间相位位置信号，其对应以120度隔开的空间相位。在任一情况中，空间相位位置信号可以进一步用于确定位移信号，例如，通过正交或三相信号处理。
在一些实施方式中，N个空间相位检测器中的每一相邻对空间相位检测器的标尺光接收区域之间沿检测到的条纹运动方向DFMD的间隔距离YSEP可以是至多25微米。在一些实施方式中，N个空间相位检测器中的每一相邻对空间相位检测器的标尺光接收区域之间的间隔距离YSEP沿检测到的条纹运动方向DFMD是相同的。
图8另外示出了相对于测量轴线方向MA的检测器轴线DA。检测器轴线是平行于空间相位检测器的具体伸长方向的方向。通常，期望检测器轴线DA正交于(或近似正交于)检测到的条纹运动方向DFMD，但是受到可获得良好位移信号的条件影响并不需要如此精确。因此，在一些实施方式中，检测器轴线可以相对于测量轴线方向MA旋转角α，特别地，如果检测到的条纹运动方向DFMD不垂直于测量轴线方向MA的话。由于期望使用小的照明条纹偏转角ψ(如关于图7所述)，角α可以相当小，并且在具有非常小的照明条纹偏转角ψ值的一些情况下，甚至可以不需要相对于测量轴线方向MA旋转检测器轴线D。
图9A是抗污染和缺陷的光学编码器900A的另一示例性光检测器构造960A的一部分的详细示意图，其类似于图8所示的光检测器构造。简洁起见，图9A仅显示了具有两个空间相位检测器SPD1A和SPD1B的一个空间相位检测器子组S1。应理解，根据在此披露的原理，光检测器构造960A可以包括更多的空间相位检测器，但简洁起见仅示出了两个。在图9A所示的实施方式中，N个空间相位检测器中的每个(例如，空间相位检测器SPD1A和SPD1B)包括被空间相位掩模(例如，相位掩模PM1A和PM1B)覆盖的光检测器(例如，由虚线指示的光检测器PD1A和PD1B)，该相位掩模阻挡光检测器接收周期性的标尺光图案，除了通过包括在该空间相位掩模中的开口。在该情况下，标尺光接收区域包括通过相应空间相位掩模(例如，空间相位掩模PM1A和PM1B)中的开口暴露的光检测器(例如，光检测器PD1A和PD1B)的区域。在图9A所示的实施方式中，相位掩模PM1B的标尺光接收区域(即，开口)相对于相位掩模PM1A的标尺光接收区域沿检测到的条纹运动方向DFMD偏移90度。应理解，虽然空间相位掩模PM1A和PM1B在图9A中示意性示出为分开的部分，但是在一些实施方式中，它们可以在相同的过程中利用相同的材料方便地构造，以消除任何潜在的定位误差。
图9B是抗污染和缺陷的光学编码器900B的另一示例性光检测器构造960B的一部分的详细示意图，其类似于图8所示的光检测器构造860。简洁起见，图9B仅显示了具有两个空间相位检测器SPD1A’和SPD1B’的一个空间相位检测器子组S1’。应理解，根据在此披露的原理，光检测器构造960B可以包括更多的空间相位检测器，但简洁起见仅示出了两个。在图9B所示的实施方式中，N个空间相位检测器中的每个(例如，空间相位检测器SPD1A’和SPD1B’)包括接收周期性标尺光图案的电互连的光检测器区域的周期性阵列。在该情况下，标尺光接收区域包括光检测器的周期性阵列的光检测器区域。在图9B所示的实施方式中，空间相位检测器SPD1B’的光检测器区域以90度的空间相位偏移相对于空间相位检测器SPD1A’的光检测器区域沿检测到的条纹运动方向DFMD偏移。
在与光检测器构造960A或960B类似的光检测器的一些实施方式中，有利的是，N个空间相位检测器中的每一个包括偶数个标尺光接收区域。标尺光的零阶分量可导致标尺光内交替条纹之间的强度变化。因此，具有偶数个标尺光接收区域将使这种变化平均。
图10是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器构造1000的另一实施方式的局部示意图。在编码器构造1000中，检测到的周期性标尺光图案1035包括检测器条纹图案1035，其包括的带被取向为沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且在光学编码器移位期间，沿检测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴线方向移动。
光学编码器构造1000包括标尺1010、照明源1020和光检测器构造1060。标尺1010沿测量轴线方向MA延伸，并且包括标尺光栅，该标尺光栅包括布置在名义上平行于测量轴线方向MA的标尺平面SP中的光栅条GB。标尺光栅条GB沿测量轴线方向MA是窄的且沿横向于测量轴线方向MA的标尺光栅条方向SGBD是细长的，并且沿测量轴线方向MA以标尺节距PSF周期性地布置。照明源1020包括输出光1034’的光源1030，以及结构化照明产生部分1033，其构造为输入光1034’并沿源光路SOLP将结构化照明1034”输出至标尺平面SP处的照明区域IR，其中，结构化照明1034”包括照明条纹图案IFP，其包括沿测量轴线方向MA较窄且沿横向于测量轴线方向MA取向的照明条纹方向IFD细长的条纹。光源1030包括点源1031和准直透镜1032。点源1031输出光1034至准直透镜，该准直透镜随后使光1034准直以提供光1034’。
光检测器构造1060包括一组N个空间相位检测器，其沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD以检测器节距PD(如图6A和图6B详细所示)周期性地布置，其中，每个空间相位检测器被构造为提供相应的空间相位检测器信号，并且至少大部分相应的空间相位检测器沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴线的检测到的条纹运动方向DFMD相对较窄，并且所述组N个空间相位检测器沿检测到的条纹运动方向DFMD以空间相位序列布置，如上文参考图8、9A和9B更详细地描述的。
以与编码器构造500类似的方式，标尺1010被构造为在照明区域IR处输入照明条纹图案，并且沿标尺光路SCLP输出标尺光分量，以在光检测器构造1060处形成检测器条纹图案1035。检测器条纹图案1035包括周期性高强度带和低强度带，其沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD相对窄且以检测到的条纹周期PDF呈周期性，如上文参考图6更详细描述的。
标尺光栅条方向SGBD相对于由源光路SOLP和标尺光路SCLP限定的读取头平面RHP以非零偏转角ψSC取向。
结构化照明产生部分1033包括第一照明源衍射光栅1040和第二照明源衍射光栅1050，它们在图11A和图11B中更详细地示出。在一些实施方式中，第一照明源衍射光栅1040和第二照明源衍射光栅1050可以是相位光栅。
横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD和检测到的条纹周期PDF至少部分地依赖于非零偏转角ψSC，如上文参考图7概述的。随着标尺1010沿测量轴线方向MA移位，高强度带和低强度带沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD移动。光检测器构造1060被构造为检测高强度带和低强度带沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示该标尺位移的相应的空间相位位移信号。
图11A是第一照明源衍射光栅1040的示意图。图11B是第二照明源衍射光栅1050的示意图。在各实施方式中，期望将光学编码器构造1000构造为最小化由标尺1010、照明源1020和光检测器构造1060之间的间隙变化引起的位移信号中的误差。
如图11A所示，第一照明源衍射光栅1040包括在第一指数(index)平面中以第一指数节距P1周期性布置的第一指数光栅条，其中，第一指数光栅条沿测量轴线方向较窄并沿第一光栅条方向是细长的，所述第一光栅条方向横向于测量轴线方向并相对于读取头平面RHP旋转角ψ1。如图11B所示，第二照明源衍射光栅1050包括在平行于第一指数平面的第二指数平面中以第二指数节距P2周期性布置的第二照明源光栅条，其中，第二指数光栅条沿测量轴线方向较窄并沿第二指数光栅条方向是细长的，所述第二指数光栅条方向横向于测量轴线方向并相对于读取头平面RHP旋转角ψ2。
在诸如光学编码器构造500的各光学编码器中，动态间隙误差可由标尺波动引起，该标尺波动改变照明部分520和标尺510之间沿源光路SOLP的距离。沿标尺光路SCLP的光路长度的变化引起导致检测器条纹图案1035的干涉光束的相对相位的变化。在各应用中，可以选择ψ1和ψ2，使得它们提供幅度相等且符号相反的动态间隙误差(gap error)。导致检测器条纹图案1035的干涉光束的两个干涉光线的相位可以由Φ+和Φ-表示。光源1030输出的光具有波长λ。动态间隙误差DGE通过以下表达式与沿正交于测量轴线方向MA和标尺光栅条方向SGBD的方向(即，Z方向)的间隙变化Δg有关：
Figure BDA0001926702950000181
更具体地，微分项由以下表达式给出：
Figure BDA0001926702950000182
其中，因子Ω由以下表达式定义：
Figure BDA0001926702950000183
在等式4中，第一项
Figure BDA0001926702950000184
是来自第一照明源衍射光栅1040和第二照明源衍射光栅1050中的每一个的偏转的误差分量。第二项
Figure BDA0001926702950000185
是来自偏转角ψSC的误差分量。通过特意引入具有角ψ1和角ψ2的误差分量，可以补偿来自第二项的误差分量。
在一些实施方式中，标尺1010包括标尺光栅，其是反射式光栅。如图10所示，源光路SOLP可以相对于与标尺平面正交的方向以角V取向。为了提供期望的检测到的条纹周期PDF，偏转角ψSC可以满足以下表达式：
Figure BDA0001926702950000186
为了抵消如等式3所示的动态间隙误差DGE，角ψ1和角ψ2可满足以下表达式：
Figure BDA0001926702950000187
在以与光学编码器构造500(PSF值为2微米，P1值为2微米，P2值为1微米，V值为30度，λ值为660纳米，并且PDF值为120微米)类似的方式构造的光学编码器的典型示例中，ψSC则可以具有为0.48度的值。这可以给出每微米间隙变化Δg有4.8纳米的位置测量误差的动态间隙误差。在以与光学编码器构造1000(其具有上述的相同参数)类似的方式构造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，并且ψ2可以是0.0度。偏转角y1可以导致每微米间隙变化Δg有-9.4纳米的位置测量误差的动态间隙误差分量，并且偏转角ψ2可以导致每微米间隙变化Δg有9.4纳米的位置测量误差的动态间隙误差分量。两个动态间隙误差平衡以提供净零动态间隙误差。
图12是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的光学编码器构造1200的另一实施方式的局部示意图。在编码器构造1200中，检测到的周期性标尺光图案1235包括检测器条纹图案，其包括的带被取向为沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且在光学编码器移位期间，沿检测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴线方向MA移动。标尺光图案1235可以由类似于参考图10概述的光学编码器构造1000的光学编码器提供。
光学编码器构造1200包括标尺1210、照明源1220和光检测器构造1260。标尺1210沿测量轴线方向MA延伸，并且包括标尺光栅，该标尺光栅包括布置在名义上平行于测量轴线方向MA的标尺平面SP中的光栅条GB。标尺光栅条GB沿测量轴线方向MA是窄的且沿横向于测量轴线方向MA的标尺光栅条方向SGBD是细长的，并且沿测量轴线方向MA以标尺节距PSF周期性地布置。照明源1220包括输出光1234’的光源1230，以及结构化照明产生部分1233，其构造为输入光1234’并沿源光路SOLP将结构化照明1234”输出至标尺平面SP处的照明区域IR，其中，结构化照明1234”包括照明条纹图案IFP，其包括沿测量轴线方向MA较窄且沿横向于测量轴线方向MA取向的照明条纹方向IFD细长的条纹。光源1230包括点源1231和准直透镜1232。点源1231输出光1234至准直透镜，该准直透镜随后使光1234准直以提供光1234’。
光检测器构造1260包括一组N个空间相位检测器，其沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD以检测器节距PD(类似图8中详细示出的光检测器构造860)周期性地布置，其中，每个空间相位检测器被构造为提供相应的空间相位检测器信号，并且至少大部分相应的空间相位检测器沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD相对较窄，并且所述组N个空间相位检测器沿检测到的条纹运动方向DFMD以空间相位序列布置，如上文参考图8、9A和9B更详细地描述的。
以与编码器构造500类似的方式，标尺1210被构造为在照明区域IR处输入照明条纹图案，并且沿标尺光路SCLP输出标尺光分量以在光检测器构造1260处形成标尺光图案1235。标尺光图案1235包括周期性高强度带和低强度带，其沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD相对窄且以检测到的条纹周期PDF呈周期性，如上文参考图6A和图6B更详细描述的。
标尺光栅条方向SGBD相对于由源光路SOLP和标尺光路SCLP限定的读取头平面RHP以非零偏转角ψSC取向。
横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD和检测到的条纹周期PDF至少部分地依赖于非零偏转角ψSC，如上文参考图7概述的。随着标尺1210沿测量轴线方向MA移位，高强度带和低强度带沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD移动。光检测器构造1260被构造为检测高强度带和低强度带沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示该标尺位移的相应的空间相位位移信号。
读取头平面RHP的法线RHPN相对于测量轴线方向MA以非零的俯仰角φ取向。
图13A是表示标尺光分量的第一视图的示意图，该标尺光分量形成靠近光检测器构造(其类似于图12中的光检测器构造1260)的标尺光图案1235。更具体地，图13A显示在Y方向和测量轴线方向MA限定的平面中的标尺光图案1235的部分SIG的横截面，其靠近光检测器构造1260。标尺光图案1235的部分SIG是由标尺光分量SL1和SL2重叠而形成的一组条纹，这可参考图6B理解。标尺光图案1235的部分SIG包括由粗线指示的暗或低强度干涉带1235SIGD和由虚线轮廓指示的亮或高强度干涉带1235SIGL。部分SIG类似于检测器条纹图案635，其提供标尺光图案1235的导致空间相位位移信号的部分，所述空间相位位移信号指示标尺位移。更具体地，光检测器构造1260被构造为检测干涉带1235SIGD和1235SIGL沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示该标尺位移的相应的空间相位位移信号。
在各实施方式中，检测器条纹图案635可以另外地包括零阶光，其引起高强度干涉带635L的强度变化。更具体地，零阶标尺光与标尺光分量SL1和SL2之间的干涉导致低强度干涉带和高强度干涉带(平行于低强度干涉带635D和高强度干涉带635L)的条纹。这导致检测器条纹图案635中的条纹，其具有交替条纹的变化图案，这导致空间相位位移信号中的短程误差。抗污染和缺陷的光学编码器构造1200被构造为抑制这些误差，如下所述。更具体地，零阶标尺光与对应于图6B所示的标尺光分量SL1和SL2的光之间的干涉导致暗和亮强度带的条纹，该暗和亮强度带平行于与标尺光分量SL1和SL2相对应的光且在光学编码器移位期间沿检测到的条纹运动方向DFMD移动。
应理解，图13A-D示出了与光检测器构造1260对准的参考系中的标尺光图案1235的一部分。通常，诸如光检测器构造1260的光检测器构造应该被取向为使得，空间相位检测器与沿横向于测量轴线方向MA的检测到的条纹运动方向DFMD的低和高强度干涉带1235SIGD和1235SIGL限定的条纹图案对准，但不与Y方向精确地对准。
图13B是表示标尺光分量的第二视图的示意图，该标尺光分量形成靠近光检测器构造(其类似于图12中的光检测器构造1260)的标尺光图案1235。更具体地，图13B示出在Y方向和测量轴线方向MA限定的平面中的标尺光图案1235的部分PZ的横截面，其靠近光检测器构造1260。标尺光图案1235的部分PZ是由零阶标尺光分量和标尺光分量SL1重叠而形成的一组条纹。标尺光图案1235的部分PZ包括由粗线指示的暗或低强度干涉带1235PZD和由虚线轮廓指示的亮或高强度干涉带1235PZL。
由于非零俯仰角φ，干涉带1235PZD和1235PZL被取向为使得，它们不沿检测到的运动条纹方向DMFD对准，且因此，它们不与干涉带1235SIGD和干涉带1235SIGL对准。
图13C是表示标尺光分量的第三视图的示意图，该标尺光分量形成靠近光检测器构造(其类似于图12中的光检测器构造1260)的标尺光图案1235。更具体地，图13C示出在Y方向和测量轴线方向MA限定的平面中的标尺光图案1235的部分MZ的横截面，其靠近光检测器构造1260。标尺光图案1235的部分MZ是由零阶标尺光分量和标尺光分量SL2重叠而形成的一组条纹。标尺光图案1235的部分MZ包括由粗线指示的暗或低强度干涉带1235MZD和由虚线轮廓指示的亮或高强度干涉带1235MZL。
由于非零俯仰角φ，干涉带1235MZD和1235MZL被取向为使得，它们不沿检测到的运动条纹方向DMFD对准，且因此，它们不与干涉带1235SIGD和干涉带1235SIGL对准。
图13D是表示标尺光分量的第四视图的示意图，该标尺光分量形成靠近光检测器构造(其类似于图12中的光检测器构造1260)的标尺光图案1235。更具体地，图13D示出了标尺光1235的每个部分PZ、MZ和SIG的横截面。如果俯仰角为零，部分PZ和MZ的干涉带将不会相对于检测到的条纹运动方向DFMD以不同的角取向，而是将与干涉带1235SIGD和1235SIGL平行，这将导致在部分SIG的交替干涉带高干涉带1235SIGL之间的强度变化，这将引起空间相位位移信号中的短程误差。然而，如图13D所示，在非零俯仰角φ的情况下，部分PZ和MZ的低强度干涉带1235PZD和1235MZD在低强度区域LO中重叠，并且高强度干涉带1235PZL和1235MZL在高强度区域HI中重叠。区域LO和HI沿横向于检测到的条纹运动方向DFMD的方向对准。区域LO和HI中的1235的强度沿横向于检测到的条纹运动方向DFMD的方向平均，这抑制了沿检测到的条纹运动方向DFMD在标尺光1235内的交替条纹之间的强度变化。这一平均减小了由零阶标尺光与标尺光1235的部分SIG干涉引起的空间相位位移信号中的短程误差。
在抗污染和缺陷的光学编码器1200的一些实施方式中，φ可以大于0.3度且小于2.0度。
在抗污染和缺陷的光学编码器1200的一些实施方式中，N个空间相位检测器中的每一个可包括偶数个标尺光接收区域。
在抗污染和缺陷的光学编码器1200的一些实施方式中，结构化照明产生部分1233可包括第一照明源衍射光栅(例如，第一照明源衍射光栅1040)和第二照明源衍射光栅(例如，第二照明源衍射光栅1050)。第一照明源衍射光栅可以包括在第一指数平面中以第一指数节距P1周期性布置的第一照明源光栅条，其中，第一指数光栅条沿测量轴线方向较窄并沿第一光栅条方向是细长的，所述第一光栅条方向横向于测量轴线方向并相对于读取头平面RHP旋转角ψ1。第二照明源衍射光栅可以包括在平行于第一指数平面的第二指数平面中以第二指数节距P2周期性布置的第二照明源光栅条，其中，第二指数光栅条沿测量轴线方向较窄并沿第二指数光栅条方向是细长的，所述第二指数光栅条方向横向于测量轴线方向并相对于读取头平面RHP旋转角ψ2。在一些实施方式中(例如，如先前关于图10所述)，标尺1210可以包括作为反射式光栅的标尺光栅，源光路SOLP可以相对于与标尺平面SP正交的方向以角V取向，且偏转角ψSC可以满足等式(6)。在一些实施方式中，光源1230输出的光可具有波长λ，因子Ω可由等式(5)定义，且角ψ1和角ψ2可满足等式(7)。在一些实施方式中，第一照明源光衍射光栅和第二照明源光衍射光栅可以是相位光栅。在一些实施方式中，检测到的条纹周期PDF可以为至少40微米。
图14是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造1400的第一实施方式的局部示意图。编码器构造1400包括旋转标尺1410、照明源1420和光检测器构造1460。图15是图14的旋转标尺1410的一部分的示意图，示出了另外的细节。在图14所示的实施方式中，旋转标尺1410是透射式光栅。
在编码器构造1400中，检测到的周期性标尺光图案1435包括检测器条纹图案1435，其包括的带被取向为沿测量轴线方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且在光学编码器移位期间，沿检测到的条纹运动方向DFMD横向于旋转测量方向移动。
旋转标尺1410绕旋转轴线RA沿旋转测量方向θ延伸。旋转标尺1410包括旋转标尺光栅，该旋转标尺光栅包括沿旋转测量方向θ布置在旋转表面中的标尺光栅条GB，其中，标尺光栅条GB沿旋转测量方向θ窄并沿横向于旋转测量方向θ的旋转标尺光栅条方向RSGBD是细长的，并且沿旋转测量方向θ以标尺节距PSF周期性地布置。照明源1420包括将被准直的光1434输出到旋转标尺1410上的第一照明区域IR1的光源，该第一照明区域被构造为输入光1434并沿光路LP将结构化照明1434’输出到旋转标尺1410上的第二照明区域IR2，其中，结构化照明1434’包括照明条纹图案IFP，该照明条纹图案IFP包括沿旋转测量方向θ较窄且沿横向于旋转测量方向θ取向的照明条纹方向IFD细长的条纹。
编码器构造1400还可以或者包括第一反射镜1471和第二反射镜1472，以反射结构化照明1434’，或者包括第一光栅1473和第二光栅1474，以将结构化照明1434’引导至第二照明区域IR2。在一些实施方式中，结构化照明1434’然后名义上聚焦在旋转轴线RA附近。在一些实施方式中，结构化照明1434’在第一镜1471和第二镜1472之间的自由空间中通过。在其他实施方式中，第一镜1471和第二镜1472可以是单体式光学材料，其中，结构化照明1434’通过单体式光学材料内的内部反射部被反射。
光检测器构造1460类似于光检测器560，并且可以参考图6A和图6B来理解。光检测器1460包括一组N个空间相位检测器，其沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向DFMD以检测器节距PD(如图6A和图6B所示)周期性地布置。
旋转标尺1410被构造为在第二照明区域IR2处输入照明条纹图案IFP，并且输出在光检测器构造1460处形成条纹图案的标尺光，该条纹图案包括周期性的高强度带和低强度带，所述高强度带和低强度带沿旋转测量方向θ在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于旋转测量方向θ的检测到的条纹运动方向DFMD相对较窄且以检测到的条纹周期PDF呈周期性。
旋转标尺光栅条方向RGBD相对于旋转轴线RA以非零偏转角ψ取向。以与关于图7所述类似的方式，检测到的条纹周期PDF和检测到的条纹运动方向DFMD横向于旋转测量方向θ，并且至少部分地依赖于非零偏转角ψSC。随着旋转标尺1410绕旋转轴线RA旋转，高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向θ的检测到的条纹运动方向DFMD移动。光检测器构造1460被构造为检测高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向θ的检测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示该旋转标尺位移的相应的空间相位位移信号。
在一些实施方案中，等式6可适应于旋转光学编码器构造，例如旋转光学编码器构造1400。在这种情况下，标尺1410提供第一和第二照明源光衍射光栅540和550的等效物，其中，P1和P2在此等于标尺节距PSF。标尺光栅条GB相对于在相应的第一照明区域IR1和第二照明区域IR2处的光1434和结构化照明1434’以相反的角取向。换言之，ψ1等于-ψ2。由于光1434和结构化照明1434’在此仅通过两个光栅，对于光学编码器构造1400，等式5简化以提供使偏转角ψ与检测到的条纹节距PDF相关的等式：
Figure BDA0001926702950000241
提供两次入射在旋转标尺1410上的照明1434和1434’(即，在第一照明区域IR1和第二照明区域IR2处)允许更高分辨率的位移测量，并允许校正垂直于穿过第一照明区域IR1和第二照明区域IR2的线的旋转偏移。
图16是用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造1600的第一实施方式的局部示意图。旋转光学编码器构造1600类似于编码器构造1400。除非通过上下文或描述另外指出，否则类似的图14中的附图标记14XX和图16中的附图标记16XX可以指示类似的元件。如图16所示，旋转光学编码器构造1600包括旋转标尺1610，其包括反射式光栅。
尽管已经示出和描述了本公开的优选实施方式，但是所示出和描述的特征布置和操作顺序的多种变形基于这一公开对于本领域技术人员将是明显的。各种替代形式可以被用于实施在此披露的原理。另外，上述的各个实施方式可以组合以提供进一步的实施方式。在本说明书中参考的全部的美国专利和美国专利申请以其整体通过引用并入本文。如果必须使用各专利和申请的构思，可以改变实施方式的方面以提供进一步的实施方式。
根据以上详细描述，可以对实施方式进行这些和其他改变。通常，在随附的权利要求书中，所使用的术语不应被理解为将权利要求限制至说明书或权利要求书中公开的特定实施方式，而应理解为包括与这些权利要求被赋予的权利等同的全部范围的所有可行实施方式。

Claims (9)

1.一种用于提供位移信号的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，包括：
旋转标尺，其绕旋转轴线沿旋转测量方向延伸，该旋转标尺包括旋转标尺光栅，该旋转标尺光栅包括沿旋转测量方向布置在旋转表面中的标尺光栅条，其中，标尺光栅条沿旋转测量方向较窄并沿横向于旋转测量方向的旋转标尺光栅条方向是细长的，并且沿旋转测量方向以标尺节距PSF周期性地布置；
照明源，其包括将被准直的光输出到旋转标尺上的第一照明区域的光源，该第一照明区域被构造为输入所述光并沿光路LP将结构化照明输出到旋转标尺上的第二照明区域，其中，结构化照明包括照明条纹图案，该照明条纹图案包括沿旋转测量方向较窄且沿横向于旋转测量方向取向的照明条纹方向细长的条纹；以及
光检测器构造，其包括一组N个空间相位检测器，其沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向以检测器节距PD周期性地布置，其中，每个空间相位检测器被构造为提供相应的空间相位检测器信号，并且至少大部分相应的空间相位检测器沿旋转测量方向在相对较长的尺寸上延伸，并沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向相对较窄，并且所述组N个空间相位检测器沿检测到的条纹运动方向以空间相位序列布置，其中N是至少为6的整数；
其中：
该旋转标尺光栅被构造为在第二照明区域处输入照明条纹图案，并且输出在光检测器构造处形成条纹图案的标尺光，该标尺光的条纹图案包括周期性的高强度带和低强度带，该高强度带和低强度带沿旋转测量方向在相对较长的尺寸上延伸，并沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向相对较窄且以检测到的条纹周期PDF呈周期性；
旋转标尺光栅条方向相对于旋转轴线以非零的偏转角ψ取向；
检测到的条纹周期PDF和横向于旋转测量方向检测到的条纹运动方向至少部分地依赖于非零的偏转角ψ；
随着旋转标尺光栅绕旋转轴线旋转，高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向移动；并且
光检测器构造被构造为检测高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向的检测到的条纹运动方向的位移，并且提供指示该旋转标尺位移的相应的空间相位位移信号。
2.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，其中，所述N个空间相位检测器的每一个包括偶数个标尺光接收区域。
3.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，其中，检测到的条纹周期PDF至少为40微米。
4.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，其中，旋转标尺光栅是透射式光栅。
5.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，其中，旋转标尺光栅是反射式光栅。
6.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，其中，偏转角ψ满足以下关系：
Figure FDA0002840481930000021
7.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，还包括第一镜和第二镜，用于将结构化照明引导至第二照明区域。
8.根据权利要求7所述的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，其中，第一镜和第二镜是单体式光学材料的表面。
9.根据权利要求1所述的抗污染和缺陷的旋转光学编码器构造，还包括第一光栅和第二光栅，用于将结构化照明引导至第二照明区域。
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