CN110967047A - 提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造 - Google Patents

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Abstract

光学编码器构造包括圆柱形或平面旋转标尺、照明源、结构化照明生成布置(SIGA)和包括光电探测器的探测器布置，该标尺包括偏航光栅条。结构化照明生成布置配置为将源光输入到旋转标尺上的将光衍射到光束偏转器构造的第一照明区域，光束偏转器构造以在接近标尺上第二照明区域处提供特定条纹图案的形式来传送衍射光。标尺过滤并输出光以形成强度带的探测器条纹图案，图案沿旋转测量方向较长，并沿横向于旋转测量方向的探测到的条纹运动方向(DFMD)相对较窄且是周期性的。光电探测器配置为探测作为旋转标尺位移的函数的强度带的位置并提供对应的位移或位置信号。

Description

提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造
相关申请的交叉引用
本申请是2018年9月28日提交的题为“提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造”、序列号为16/146，617的美国专利申请的部分继续申请；是2018年3月30日提交的题为“提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造”、序列号为15/942，135的美国专利申请的部分继续申请；是2017年12月29日提交的题为“提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造”、序列号为15/858，218的美国专利申请的部分继续申请；是2017年9月12日提交的题为“提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造”、序列号为15/702，520的美国专利申请的部分继续申请；是2017年6月29日提交的题为“提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造”、序列号为15/637，750的美国专利申请的部分继续申请，其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，涉及一种带有信号处理的编码器构造(configuration)，该编码器构造能够抵抗可能与标尺的受污染或有缺陷部分相关联的误差。
背景技术
光学位置编码器确定读头相对于标尺的位移，标尺包括由读头探测的图案。典型地，位置编码器采用包括至少一个标尺轨道的标尺，标尺轨道具有周期性图案，并且从标尺轨道产生的信号作为读头沿标尺轨道的位移或位置的函数是周期性的。绝对型位置编码器可以使用多个标尺轨道来提供沿绝对标尺的每个位置处的信号的唯一组合。
光学编码器可以利用增量位置标尺结构或绝对位置标尺结构。增量位置标尺结构允许通过从沿标尺的初始点开始累积位移的增量单位来确定读头相对于标尺的位移。这种编码器适用于某些应用，尤其是线路电源可用的应用。在低功耗应用中(例如，电池供电的仪表等)，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个位置提供唯一输出信号或信号的组合，因此允许各种节能方案。编号为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的美国专利公开了与绝对位置编码器相关的各种编码器构造和/或信号处理技术，并且这些专利通过引用被整体并入本文。
一些编码器构造通过在编码器构造的照明部分中利用照明源光衍射光栅来实现某些优点。编号为8,941,052、9,018,578、9,029,757和9,080,899的美国专利公开了这种编码器构造，这些专利中的每一个都通过引用被整体并入本文。这些专利中公开的一些构造可以被描述为利用超分辨率摩尔(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)可能会干扰由读头探测到的图案，从而在结果位置或位移测量中产生误差。一般来说，由于缺陷或污染而引起的误差的大小可能取决于以下因素，诸如缺陷或污染的大小、标尺上周期性图案的波长、读头探测器区域的大小、这些大小之间的关系等。已知各种各样的方法来响应编码器中的异常信号。几乎所有这些方法都是基于禁用编码器信号、或者提供“错误信号”来警告用户、或者调整光源强度来增强低信号等。然而，这些方法没有提供尽管由于某种类型的标尺缺陷或污染产生异常信号却还可以继续进行精确测量操作的手段。因此，这些方法的效用有限。日本专利申请JP 2003-065803(’803申请)中公开了一种减轻标尺污染或缺陷对测量精度的影响的已知方法。’803申请教导了一种方法，其中两个或更多个光电探测器输出具有相同相位的周期性信号，每个信号被输入到各自的信号稳定性判断布置(arrangement)。该信号稳定性判断布置仅输出被判断为“正常”的信号，“正常”信号被组合为位置测量的基础。位置测量计算中排除“异常”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，这些缺点限制了’803申请的教导的效用。
编号为8,493,572号的美国专利(’572专利)公开了一种耐污染和耐缺陷光学编码器构造，它提供了一种从不受污染的光电探测器元件中选择信号的方法。然而，’572专利依赖于复杂的信号处理，这在某些应用中可能不太理想。
期望一种用于提供精确测量操作的改进方法，该方法在无需复杂信号处理的情况下，避免或减轻由某些类型的标尺缺陷或污染引起的异常信号。
发明内容
一种用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，包括至少第一测量通道，该第一测量通道包括旋转标尺、照明源、结构化照明生成布置和探测器布置。在一些实施方式中，旋转光学编码器构造可以被配置为使用圆柱型标尺的旋转标尺。在一些实施方式中，旋转光学编码器构造可以被配置为使用平面(例如，圆形)型标尺的旋转标尺。
在任一情况下，旋转标尺围绕垂直于旋转平面的旋转轴沿旋转测量方向延伸，旋转标尺包括旋转标尺光栅，旋转标尺光栅包括布置在沿旋转测量方向延伸的旋转表面上的标尺光栅条。标尺光栅条沿旋转测量方向是窄的，并且沿横向于旋转测量方向的旋转标尺光栅条方向是拉长的，并且沿旋转测量方向以标称标尺间距PSF周期性地布置。照明源包括向结构化照明生成布置输出源光的光源，结构化照明生成布置包括旋转标尺上的第一照明区域、包括至少第一和第二偏转器元件的光束偏转器构造以及旋转标尺上的第二照明区域，其中，结构化照明生成布置被配置为将源光输入到第一照明区域，第一照明区域衍射源光并将源光作为结构化照明光输出到光束偏转器构造，光束偏转器构造被配置为使得结构化照明光的衍射光束彼此交叉，并传送所得的结构化照明光以在旋转标尺上的第二照明区域重叠，并在接近第二照明区域处形成照明条纹(fringe)图案并入射在探测器上，照明条纹图案包括条纹，该条纹沿旋转测量方向是窄的并且沿照明条纹方向是拉长的，该照明条纹方向定向为横向于旋转测量方向。
应当注意，本文使用的术语“结构化照明光”可以指干涉以在沿它们的光路径的某处形成干涉条纹或结构化照明的光束或光线。在沿它们的光路的一些位置处，这种光束或光线可以是分开的且不干涉的和/或不主动提供“结构化照明”。然而，即使在这样的位置，这种光束或光线仍然可以被称为“结构照明光”，因为这是在本文公开的构造的操作期间它们的重要目的或功能。
应当注意，本文使用的关于衍射光束或衍射光级的术语“交叉”是指这种光束的如下任何光路径构造，其在第一和第二照明区域导致光栅衍射，引起从来自第二照明区域的标尺光中输出的探测器条纹图案的增强或附加的空间相位变化，如下面进一步描述的。将术语“交叉”用于这种光路径构造，是因为各种光束偏转器构造通过偏转衍射光的两个分开光束来满足在旋转标尺相对两侧上的第一和第二照明区域的这一要求，使得在对这两个光束施加引起它们在第二照明区域再次会聚并重叠的附加偏转之前会聚并相互“交叉”(例如，接近于旋转轴和/或它们的光路径中间)。
探测器布置包括光电探测器构造，该光电探测器构造包括一组N个空间相位探测器，该N个空间相位探测器沿横向于旋转测量方向的探测到的条纹运动方向以探测器间距PD周期性地布置，其中，每个空间相位探测器被配置为提供相应空间相位探测器信号，并且相应空间相位探测器中的至少大部分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探测到的条纹运动方向相对较窄，并且该组N个空间相位探测器沿探测到的条纹运动方向以空间相位序列布置。在耐污染和耐缺陷的旋转光学编码器的各种实施方式中，前述元件可以如下配置：
旋转标尺可以被配置为旋转标尺光栅条方向被定向为与垂直于测量轴方向并且沿旋转表面的方向成非零偏航角ψ。结构化照明生成布置被配置为使得接近旋转标尺上的第二照明区域的照明条纹图案的照明条纹方向被定向为标称条纹方向偏航角，该标称条纹方向偏航角相对于接近旋转标尺上的第二照明区域的标尺光栅条方向旋转了非零偏航差角YDA。旋转标尺光栅被配置为在第二照明区域输入照明条纹图案，并且输出标尺光，该标尺光在光电探测器配置处形成包括探测器条纹图案的周期性标尺光图案，探测器条纹图案包括周期性的高强度带和低强度带，所述周期性的高强度带和低强度带沿平行于旋转测量方向的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探测到的条纹运动方向相对较窄且是周期性的，具有探测到的条纹周期PDF。探测到的条纹周期PDF和探测到的条纹运动方向可以横向于旋转测量方向，并且至少部分地取决于非零偏航角ψ。当标尺光栅围绕旋转轴旋转时，高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向的探测到的条纹运动方向移动。光电探测器构造被配置为探测高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向的探测到的条纹运动方向的位移，并提供指示旋转标尺位移的相应空间相位位移信号。
在以上概述的各种实施方式中，非零偏航差角YDA名义上(norminally)是-2ψ。在各种实施方式中，N个空间相位探测器中的每一个包括偶数个标尺光接收器区域。在各种实施方式中，探测到的条纹周期PDF可以为至少40微米。在各种实施方式中，光束偏转器构造可以包括透明光学块，并且光束偏转器构造的偏转器元件包括透明光学块的表面，或者形成在透明光学块的表面上或附着到透明光学块的表面的元件。
如前所述，在一些实施方式中，旋转光学编码器构造是“圆柱形旋转编码器”，被配置为使用圆柱型标尺旋转标尺。圆柱型标尺旋转标尺包括标称圆柱形旋转表面，标尺光栅条布置在该旋转表面上。在这种实施方式中，第一和第二照明区域可以位于接近圆柱形旋转标尺的直径的相对端处，并且照明源被配置为沿着与第一和第二照明区域相交的线将源光输出到第一照明区域。
在一些这种圆柱形旋转编码器实施方式中，光束偏转器构造被布置在由圆柱形旋转表面沿旋转轴方向的投影所限定的体积中。
在一些这种圆柱形旋转编码器实施方式中，光束偏转器构造被配置为接收从第一照明区域输出的衍射源光的相应发散光束，并且沿在接近旋转轴处交叉的会聚光束路径偏转这些相应光束，使得它们沿发散光束路径继续，并且接收这些相应光束并偏转它们，使得它们沿会聚光束路径继续，以在接近第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案。在一些这种实施方式中，光束偏转器构造包括第一和第二平行的平面镜或光栅，该第一和第二平行的平面镜或光栅位于旋转轴的相对两并且具有相应表面平面，所述表面平面平行于与第一和第二照明区域相交的圆柱形旋转标尺的直径延伸，并且各自被定向为接收从第一照明区域输出的衍射源光的相应光束，并且该第一和第二平行的平面镜或光栅还被配置为接收从第一照明区域输出的衍射源光的相应光束，并且沿在接近旋转轴处交叉的会聚光束路径偏转这些相应光束并使这些相应光束沿发散光束路径继续，并且接收这些相应光束并偏转它们使得它们沿会聚光束路径继续，以在接近第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案。在其他这种实施方式中，照明源和光束偏转器构造中的至少一个被配置为使得衍射源光的相应光束在接近它们的接近旋转轴的交叉处聚焦，并且光束偏转器构造和探测器布置中的至少一个被配置为使得形成包括探测器条纹图案的周期性标尺光图案的所输出的反射的标尺光在光电探测器构造处被标称准直。
在一些这种圆柱形旋转编码器实施方式中，耐污染和耐缺陷光学编码器配置还包括符合第一测量通道的所主张权利的配置的至少一个第二测量通道，其中，第一和第二测量通道的相应空间相位位移信号的组合或从其导出的测量减轻或补偿了潜在的未对齐误差，否则该潜在的未对齐误差可能出现在第一和第二测量通道的单独的空间相位位移信号中或从其导出的测量中。在一些这种实施方式中，第一测量通道包括沿旋转标尺上的第一标尺轨道以偏航角ψ布置的标尺光栅条，第二测量通道包括沿旋转标尺上的第二标尺轨道以偏航角-ψ布置的标尺光栅条，该第二标尺轨道沿旋转轴方向与第一标尺轨道分隔开，并且第一和第二测量通道共享单个光束偏转器构造。
如前所述，在一些实施方式中，旋转光学编码器构造是被配置为使用平面(例如，圆形)型旋转标尺的“平面旋转编码器”。
各种这种平面旋转编码器可以使用透射或反射平面旋转编码器实施方式，其中，平面圆型的旋转标尺包括平面旋转表面，标尺光栅条以恒定的角度间距APSF布置在该平面旋转表面上。在反射平面旋转编码器实施方式中，第一测量通道的照明源、光束偏转器布置以及探测器布置都布置在旋转标尺的同一侧。第一和第二照明区域位于接近旋转标尺的直径的相对端处，并且照明源被配置为沿着与第一和第二照明区域相交的平面并且以相对于该平面中的平面旋转表面的入射角，将源光输出到第一照明区域。光束偏转器构造被配置为接收从第一照明区域反射和输出的衍射源光的相应光束，并且沿在接近旋转轴处交叉的会聚光束路径偏转这些相应光束，并且在接近它们的接近旋转轴的交叉处反射这些相应光束，使得它们沿发散光束路径继续，并且接收这些相应光束并偏转它们，使得它们沿会聚光束路径继续，以在接近第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案，并且第二照明区域被配置为输入照明条纹图案，并以相对于平面旋转表面的入射角输出反射的标尺光，以在光电探测器构造处形成包括探测器条纹图案的周期性标尺光图案。
在一些这种反射平面旋转编码器实施方式中，照明源和光束偏转器构造中的至少一个被配置为使得衍射源光的相应光束在接近它们的接近旋转轴的交叉处聚焦；并且光束偏转器构造和探测器布置中的至少一个被配置为使得所输出的形成包括探测器条纹图案的周期性标尺光图案的反射的标尺光在光电探测器配置处被标称准直。
在一些这种反射平面旋转编码器实施方式中，第一和第二照明区域位于接近穿过旋转标尺的旋转轴的直径的相对端处，并且照明源被配置为沿标称照明平面将源光输出到第一照明区域，该标称照明平面标称垂直于平面旋转表面并且标称平行于该直径，并且该标称照明平面从该直径偏离标称照明平面偏移。第一和第二照明区域各自从直径偏移标称照明平面偏移，并且标称照明平面偏移被配置为使标称照明平面与第二照明区域中的标尺光栅条的标称或平均排布(alignment)平行对齐，标尺光栅条相对于垂直于测量轴方向并沿旋转表面的方向成非零偏航角ψ，这导致标称条纹方向偏航角定向为相对于第二照明区域中的标称照明平面旋转了非零偏航差角YDA。在一些这种实施方式中，非零偏航差角YDA被配置为是非零偏航角ψ的两倍。
在一些这种反射平面旋转编码器实施方式中，光束偏转器构造包括第一和第二对透射光栅和交叉区域反射器。第一对透射光栅被布置在标称平行于旋转平面的平面上，并且该对的相应光栅被定位为接收从第一照明区域反射和输出的衍射源光的相应光束，并且该对的相应光栅各自包括光栅条，该光栅条被配置为沿在接近旋转轴处交叉的会聚光束路径偏转它们的相应光束；交叉区域反射器位于接近会聚光束路径在接近旋转轴处交叉的位置处，并且被配置为反射那些相应光束，以使那些相应光束从交叉区域反射器沿发散光束路径继续。第二对透射光栅被布置在标称平行于旋转平面的平面表面上，并且该对中的相应光栅被定位为接收沿发散光束路径的相应光束，并且该对中的相应光栅均包括光栅条，该光栅条被配置为沿会聚光束路径偏转这些相应光束，以在接近第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案。在一些这种实施方式中，在所述第一对透射光栅中，该对中的相应光栅各自被配置为接收它们的相应光束中的准直光，并且包括弯曲光栅条，所述弯曲光栅条被配置为沿在接近旋转轴处交叉的会聚光束路径偏转它们的相应光束，并且在接近旋转轴处聚焦那些相应光束。在第二对透射光栅中，该对中的相应光栅均被配置为接收它们的相应光束中的发散光，并且包括弯曲光栅条，所述弯曲光栅条被配置为准直和偏转它们的相应光束中的光，以沿会聚光束路径提供准直光束，从而在接近第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案。在一些这种实施方式中，交叉区域反射器包括曲面。
附图说明
当结合附图时，通过参考以下详细描述，前述方面和许多伴随的优点将变得更容易理解。
图1是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造的部分示意分解图。
图2是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造的部分示意图。
图3是耐污染和耐缺陷光学编码器构造的光电探测器构造的部分示意图。
图4A是耐污染和耐缺陷光学编码器构造的光电探测器构造的一部分的示意图。
图4B是耐污染和耐缺陷光学编码器构造的光电探测器构造的一部分的示意图。
图5是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造的附加实施方式的部分示意图，其中探测器条纹图案在光学编码器位移期间横向于测量轴方向移动。
图6A是表示标尺光分量的第一视图的示意图，所述标尺光分量在接近包括空间相位探测器的光电探测器构造处形成探测器条纹图案，所述空间相位探测器大致沿测量轴方向拉长并横向于测量轴方向周期性地布置。
图6B是表示标尺光分量的第二视图的示意图，所述标尺光分量在接近包括空间相位探测器的光电探测器构造处形成探测器条纹图案，所述空间相位探测器大致沿测量轴方向拉长并横向于测量轴方向周期性地布置。
图7是与图5和图6中呈现的光学编码器类似的耐污染和耐缺陷光学编码器的特性线，包括探测到的条纹周期与照明条纹偏航(yaw)角的关系。
图8是可用于与图5和图6中呈现的光学编码器类似的耐污染和耐缺陷光学编码器中的一个示例性光电探测器构造的示意图，其中光电探测器构造包括空间相位探测器，所述空间相位探测器大致沿测量轴方向拉长并横向于测量轴方向周期性地布置。
图9A是耐污染和耐缺陷光学编码器的另一示例性光电探测器构造的一部分的详细示意图，该光电探测器构造与图8所示的光电探测器构造类似。
图9B是耐污染和耐缺陷光学编码器的另一示例性光电探测器构造的一部分的详细示意图，该光电探测器构造与图8所示的光电探测器构造类似。
图10是耐污染和耐缺陷光学编码器构造的附加实施方式的部分示意图。
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是耐污染和耐缺陷光学编码器构造的附加实施方式的部分示意图。
图13A是表示标尺光分量的第一视图的示意图，所述标尺光分量在接近光电探测器构造处形成探测器条纹图案。
图13B是表示标尺光分量的第二视图的示意图，所述标尺光分量在接近光电探测器构造处形成探测器条纹图案。
图13C是表示标尺光分量的第三视图的示意图，所述标尺光分量在接近光电探测器构造处形成探测器条纹图案。
图13D是表示标尺光分量的第四视图的示意图，所述标尺光分量在接近光电探测器构造处形成探测器条纹图案。
图14是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造的第一实施方式的部分示意性等轴视图，该旋转光学编码器构造使用圆柱型旋转标尺。
图14A是图14的旋转标尺光栅的一部分的示意图，示出了在该耐污染和耐缺陷的旋转光学编码器构造的旋转标尺上的照明区域中的附加细节。
图15是沿旋转轴方向观察的部分示意图，表示耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造的某些方面，在一些实施方式中，该旋转光学编码器构造可以与图14中示出的旋转光学编码器构造的第一实施方式类似或相同，包括某些替代元件的表示。
图16是沿旋转轴方向观察的部分示意图，表示用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造的第二实施方式的某些方面，该旋转光学编码器构造使用圆柱型旋转标尺，包括某些替代元件的表示。
图17是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造的第三实施方式的部分示意性等轴视图，该旋转光学编码器构造使用平面型旋转标尺。
图17A是图17的旋转标尺光栅的部分的图，示出了该旋转标尺上的第一和第二照明区域IR1和IR2中的附加细节。
图18是示意性地表示可用于图17中示出的旋转光学编码器构造中的光束偏转构造的一种实施方式中的光栅图案的图。
具体实施方式
图1是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造100的部分示意分解图。编码器构造100包括标尺光栅110、照明部分120和光电探测器构造160。
根据本文使用的惯例，图1示出了正交的X、Y和Z方向。X和Y方向平行于标尺光栅110的平面，其中X方向平行于测量轴方向MA(例如，垂直于标尺光栅110的拉长的图案元件)。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是透射光栅。标尺光栅110沿测量轴方向MA延伸，并且包括周期性图案，该周期性图案包括条，这些条沿测量轴方向MA是窄的并且沿垂直于测量轴方向MA(即，Y方向)是拉长的，并且这些条沿测量轴方向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被配置为向准直透镜132输出源光134。准直透镜132被配置为接收源光134，并将被准直的源光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将源光134′向标尺光栅110衍射。标尺光栅110沿源光路径SOLP输入源光134′，并且沿标尺光路径SCLP向光电探测器构造160输出包括周期性标尺光图案135的标尺光。光电探测器构造160沿标尺光路径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位移通过光电探测器构造160，与标尺光栅110和光电探测器构造160之间的沿测量轴方向MA的相对位移相对应。图3详细示出了与光电探测器构造160类似的光电探测器构造的示例。光电探测器构造160包括一组N个空间相位探测器，其沿横向于测量轴方向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，并且空间相位序列包括位于沿横向于测量轴的方向的序列的开始和结尾处的两个外部空间相位探测器，以及位于两个外部空间相位探测器之间的空间相位探测器的内部组。在图1示出的实施方式中，该组N个空间相位光电探测器包括3个空间相位探测器子集S1、S2和S3，它们具有相同的子集空间相位序列。
相应空间相位探测器中的至少大部分沿测量轴方向MA相对拉长，并且沿垂直于测量轴方向MA的方向(即，Y方向)相对窄，并且包括标尺光接收器区域，并且被配置为提供相应空间相位探测器信号，其中所述标尺光接收器区域沿测量轴方向MA在空间上是周期性的，并且关于周期性标尺光图案与该空间相位探测器的相应空间相位对应地定位。在空间相位序列中，内部组中的每个空间相位探测器的前面和后面是空间相位探测器，这些前面和后面的空间相位探测器具有与该空间相位探测器不同的各自空间相位并且各自的空间相位之间相互不同。
根据已知技术，在各种应用中，光电探测器构造160和照明部分120可以相对于彼此以固定关系安装，例如安装在读头或标尺外壳(未示出)中，并且通过轴承系统沿测量轴方向MA相对于标尺光栅110导引。在各种应用中，标尺光栅110可以附接到移动台(movingstage)或标尺轴(gauge spindle)等。
应当理解，耐污染和耐缺陷光学编码器构造100仅仅是根据本文公开的原理的耐污染和耐缺陷光学编码器构造的一个示例。在替代实施方式中，可以利用各种光学部件，诸如远心成像系统、限制孔径等。在替代实施方式中，照明部分可以仅包括单个照明光栅。
图2是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造200的部分示意图。光学编码器构造200与编码器构造100类似。除非上下文或描述另有指示，否则图2中的相似的参考标号2XX和图1中的1XX可以指相似的元件。图2中示出的编码器构造200是反射构造。标尺210是反射标尺光栅。
图3是耐污染和耐缺陷光学编码器结构300的光电探测器结构360的部分示意图。耐污染和耐缺陷光学编码器构造300可以与耐污染和耐缺陷光学编码器构造100或耐污染和耐缺陷光学编码器构造200类似。光电探测器构造360包括沿横向于测量轴方向MA的方向以空间相位序列排列的一组N个空间相位探测器，其中，N是至少为6的整数，并且空间相位序列包括位于沿横向于测量轴的方向的序列的开始和结尾处的两个外部空间相位探测器和位于两个外部空间相位探测器之间的空间相位探测器的内部组。至少大部分的相应空间相位探测器沿测量轴方向MA相对拉长，并且沿垂直于测量轴方向MA的方向相对窄，并且包括标尺光接收器区域，并且被配置为提供各自的空间相位探测器信号，其中所述标尺光接收器区域沿测量轴方向MA在空间上是周期性地的，并且关于周期性标尺光图案与该空间相位探测器的相应空间相位对应地定位。在空间相位序列中，内部组中的每个空间相位探测器的前面和后面是空间相位探测器，这些前面和后面的空间相位探测器具有与该空间相位探测器不同的各自空间相位并且各自的空间相位之间相互不同。
在一些实施方式中，该组N个空间相位光电探测器可以包括至少M个空间相位探测器子集，其中M是至少为2的整数，并且其中M个子集中的每一个子集包括提供该组N个空间相位光电探测器中包括的各个空间相位中的每个空间相位的空间相位探测器。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，M个空间相位探测器子集中的每一个子集可以包括提供以相同子集空间相位序列布置的相同各个空间相位的空间相位探测器。图3示出了具有M个空间相位探测器子集的实施方式，表示为S1到SM。S1子集包括空间相位探测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D。S2子集包括空间相位探测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D。子集SM包括空间相位探测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD。图3中的每个空间相位探测器显示为具有K个标尺光接收器区域。作为标尺光接收器区域的一个示例，空间相位探测器SPDMD用标尺光接收器区域SLRAM1和SLRAMK标记。在一些实施方式中，K可以是偶数。
在图3中示出的实施方式中，由空间相位探测器指示空间相位序列，包括下标索引A、B、C和D(例如，空间相位探测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D)。下标索引为A和D的空间相位探测器是位于空间相位序列的每个实例的开始和结尾处的两个外部空间相位探测器。下标索引为B和C的空间相位探测器是内部组。
空间相位探测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D输出各自的空间相位探测器信号A1、B1、C1和D1。空间相位探测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D输出各自的空间相位探测器信号A2、B2、C2和D2。空间相位探测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD输出各自的空间相位探测器信号AM、BM、CM和DM。
根据本文公开的原理构造的耐污染和耐缺陷光学编码器提供了简单的设计，其可以耐受高达100微米的污染(例如，引线键合污染)和高达300微米的标尺缺陷。标尺上的污染或缺陷通常会在相邻的空间相位探测器上产生共模误差分量，该分量可以在信号处理(例如，正交处理)中被抵消。沿测量轴方向MA相对拉长并且沿垂直于测量轴方向MA的方向相对窄的空间相位探测器提供了更好的抗污染性和抗缺陷性。通过沿测量轴方向MA降低空间相位探测器的结构的频率，信号电平可以更慢地变化。此外，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耐受性。由该组N个空间相位探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。
在一些实施方式中，诸如图3中示出的实施方式，N至少为8，并且每个空间相位探测器子集可以包括四个空间相位探测器，其各自的空间相位分隔90度。在替代实施方式中，每个空间相位探测器子集可以包括三个空间相位探测器，其各自的空间相位分隔120度。
在图3中示出的实施方式中，光电探测器构造360包括连接，该连接被配置为组合与相同的各个空间相位对应的空间相位探测器信号并输出每个这种组合作为各个空间相位位置信号。光电探测器构造360被配置为输出与分隔90度的空间相位对应的四个空间相位位置信号。具有相同字母标注(例如A1、A2和AM)的空间相位信号被组合(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，光电探测器构造可以被配置为输出与分隔120度的空间相位对应的三个空间相位位置信号。在任一情况下，空间相位位置信号可以进一步用于确定位移信号，例如，通过求积(quadrature)或三相信号处理。
在一些实施方式中，相应空间相位探测器中的每一个可以沿测量轴方向MA相对拉长，并且沿垂直于测量轴方向MA的方向相对较窄，并且可以包括标尺光接收器区域，并且可以被配置为提供相应空间相位探测器信号，其中所述标尺光接收器区域沿测量轴方向MA在空间上是周期性的，并且关于周期性标尺光图案与空间相位探测器的相应空间相位对应地定位。
在一些实施方式中，沿Y方向的N个空间相位探测器中的每一个的标尺光接收器区域的尺寸YSLRA可以至多为250微米。在一些实施方式中，YSLRA可以至少为5微米。
在一些实施方式中，N个空间相位探测器的每个相邻对的标尺光接收器区域之间沿Y方向的分隔距离YSEP可以至多为25微米。
在一些实施方式中，N个空间相位探测器中的每一个的标尺光接收器区域的尺寸YSLRA沿Y方向可以相同。在一些实施方式中，N个空间相位探测器的每个相邻对的标尺光接收器区域之间沿Y方向的分隔距离YSEP可以相同。
应当理解，虽然较大的N值对污染提供了更强的鲁棒性，但是存在一个折衷，即较大的N值可能会在每个单独的空间相位探测器内提供较小的信号电平。
图4A是耐污染和耐缺陷光学编码器构造400A的光电探测器构造460A的一部分的示意图。为简单起见，图4A仅示出一个空间相位探测器子集S1，其具有两个空间相位探测器SPD1A和SPD1B。应当理解，根据本文公开的原理，光电探测器构造460A包括至少六个空间相位探测器，但是为了简单起见，仅示出了两个。在图4A中示出的实施方式中，N个空间相位探测器(例如，空间相位探测器SPD1A和SPD1B)中的每一个包括被空间相位掩模(例如，相位掩模PM1A和PM1B)覆盖的光电探测器(例如，由虚线指示的光电探测器PD1A和PD1B)，该空间相位掩模阻止光电探测器接收除通过空间相位掩模中包括的开口之外的周期性标尺光图案。在这种情况下，标尺光接收器区域包括光电探测器(例如，光电探测器PD1A和PD1B)的通过相应空间相位掩模(例如，空间相位掩模PM1A和PM1B)中的开口暴露的区域。在图4A中示出的实施方式中，相位掩模PM1B的标尺光接收器区域(即开口)相对于相位掩模PM1A的标尺光接收器区域沿测量轴方向MA偏移90度。应当理解，虽然在图4A中空间相位掩模PM1A和PM1B被示意性地示出为分离的部分，但是在一些实施方式中，它们可以在相同的过程中方便地用相同的材料构造，以消除任何潜在的定位误差。
图4B是耐污染和耐缺陷光学编码器构造400B的光电探测器构造460B的一部分的示意图。为简单起见，图4B仅示出一个空间相位探测器子集S1′，其具有两个空间相位探测器SPD1A′和SPD1B′。应当理解，根据本文公开的原理，光电探测器构造460B包括至少六个空间相位探测器，但是为了简单起见，仅示出了两个。在图4B中示出的实施方式中，N个空间相位探测器(例如，空间相位探测器SPD1A′和SPD1B′)中的每一个包括接收周期性标尺光图案的电互连的光电探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探测器的周期性阵列的光电探测器区域。在图4B中示出的实施方式中，空间相位探测器SPD1B′的光电探测器区域相对于空间相位探测器SPD1A′的光电探测器区域沿测量轴方向MA偏移90度。
图5是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造500的附加实施方式的部分示意图。在编码器构造500中，被探测的周期性标尺光图案535包括探测器条纹图案535，该探测器条纹图案535包括被定向为沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸的带(band)，并且所述带在光学编码器位移期间沿探测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴方向移动。
编码器构造500包括标尺510、照明源520和光电探测器构造560。标尺510沿测量轴方向MA延伸，并且包括标尺光栅，该标尺光栅包括布置在标称(norminally)平行于测量轴方向MA的标尺平面SP中的光栅条GB，其中光栅条GB沿测量轴方向MA是窄的，并且沿横向于测量轴方向MA的光栅条方向GBD拉长，并且沿测量轴方向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的结构化照明生成部分533，其中结构化照明534″包括照明条纹图案IFP，该照明条纹图案IFP包括沿测量轴方向MA较窄并且沿照明条纹方向IFD拉长的条纹，照明条纹方向IFD定向为横向于测量轴方向MA，相对于光栅条方向GBD成非零照明条纹偏航角ψ。光源530包括点光源531和准直透镜532。点光源531向准直透镜输出光534，然后准直透镜将光534准直以提供光534′。，可以通过将结构化照明生成部分533的一个或多个元件(例如，光栅元件540和/或550中的一个)围绕Z轴旋转到相对于Y轴的希望角度以各种实施方式来实现非零照明条纹偏航角ψ。在一些实施例中，也可以通过将光栅条方向GBD围绕Z轴旋转到相对于Y轴的希望角度来实现或增大非零照明条纹偏航角ψ。
光电探测器构造560包括一组N个空间相位探测器，该N个空间相位探测器沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD以探测器间距PD(如图6A和图6B所示)周期性布置，其中每个空间相位探测器被配置为提供相应空间相位探测器信号，并且各个空间相位探测器中的至少大部分沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴的探测到的条纹运动方向DFMD相对较窄，并且该组N个空间相位探测器沿探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、图9A和图9B更详细地描述的。
标尺510被配置为在照明区域IR输入照明条纹图案，并且沿标尺光路径SCLP输出标尺光分量，以在光电探测器构造560处形成探测器条纹图案535。探测器条纹图案535包括周期性的高强度和低强度带，这些带沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD相对较窄且是周期性的，具有探测到的条纹周期PDF，如下面参考图6更详细地描述的。作为描述它们的定向的一种方式，这些带沿测量轴方向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测量轴方向对齐。在各种示例性实施方式中，这些带可以相对于测量轴方向以中等或小角度对齐，如下面参考图6解释的。
探测到的条纹周期PDF和横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD至少部分取决于非零照明条纹偏航角ψ，如下面参考图7展示的。当标尺510沿测量轴方向MA位移时，高强度带和低强度带沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD移动。光电探测器构造560被配置为探测高强度带和低强度带沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示标尺位移的相应空间相位位移信号。
在图5中示出的实施方式中，结构化照明生成部分533包括第一照明源光衍射光栅540和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。相位光栅通过减少光损耗提供更好的功率效率。
根据关于图5至图9B描述的原理构造的耐污染和耐缺陷光学编码器将提供简单的设计，该设计可以耐受高达100微米的污染(例如，引线接合污染)和高达300微米的尺度缺陷。标尺上的尺寸类似或大于探测条纹周期的污染或缺陷通常会在相邻的空间相位探测器上产生共模误差分量，该分量可以在信号处理(例如，求积处理)中被抵消。也就是说，沿测量轴方向移动的污染的影响将倾向于被跨相邻的空间相位探测器共享，并且将随着标尺或读头构造沿测量轴方向位移而在那些相邻的空间相位探测器上沿测量轴方向移动。因为污染影响是跨相邻空间相位探测器的共模效应，并且因为空间相位探测器在沿测量轴方向上相对拉长可能显著超过污染影响的尺寸的尺寸，所以污染对位移信号精度的影响可以被显著减轻。另一个优点是，在任何残余非共模误差的情况下，随着光电探测器构造560相对于标尺510位移，探测器条纹图案535与缺陷对应的部分将非常缓慢地从一个空间相位探测器移动到另一个空间相位探测器，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耐受性。由该组N个空间相位探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是示意性地表示标尺光分量SL1和SL2的第一视图的图，标尺光分量SL1和SL2形成示出在接近探测器构造660处的与探测器条纹图案535类似或相同的探测器条纹图案635，探测器构造660与图5中的探测器构造560类似。探测器条纹图案635可以由类似于参考图5概述的光学编码器构造500的光学编码器提供。图6A示出了标尺光的横截面，该标尺光在由测量轴方向MA和标尺光路径SCLP限定的平面中形成探测器条纹图案635，如先前参考图5所示。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(由代表高强度带的虚线表示)，它们各自包括平行光线，其中第一标尺光分量SL1的平行光线沿着相对于标尺光路径SCLP成相反角度定向的方向。根据已知原理，第一标尺光分量SL1和第二标尺光分量SL2重叠以形成探测器条纹图案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生成部分的不同衍射级形成。探测器条纹图案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6B示出了接近光电探测器构造660处的探测器条纹图案635在由测量轴方向MA和Y方向(如先前参考图5所示)限定的平面中的横截面。探测器条纹图案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，它们沿探测到的条纹运动方向DFMD是周期性的，具有探测到的条纹周期PDF，如图6B所示。探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方向具有微小旋转，该微小旋转等于非零照明条纹偏航角ψ。
图7是与图5和图6中呈现的光学编码器构造500类似的耐污染和耐缺陷光学编码器的特性线700，包括检测到的条纹周期PDF与照明条纹偏航角ψ的关系。曲线图700示出了包括结构化照明生成部分和标尺间距为PSF的标尺的耐污染和耐缺陷光学编码器的数据，结构化照明生成部分具有光栅间距为P1的第一照明源光衍射光栅、间距为P2的第二照明源光衍射光栅，它们满足以下表达式：
Figure BDA0002220817580000171
探测到的条纹周期PDF继而通过以下表达式与照明条纹偏航角ψ关联：
Figure BDA0002220817580000172
通常希望耐污染和耐缺陷光学编码器被构造为使得探测到的条纹周期PDF较大(例如，大于7微米，或者在一些实施方式中，大于40微米)，这就需要照明条纹偏航角ψ的较小值(例如，小于7度)。更大的探测到的条纹周期PDF对标尺、光电探测器构造和照明源之间的未对齐而产生的测量误差提供更大的耐受性。由标尺相对于照明源和/或光电探测器构造的间距和翻滚(roll)引起的误差与探测到的条纹周期PDF成反比。因此，探测到的条纹周期PDF越大，对由标尺波动引起的测量误差的鲁棒性越好。
图8是可用于与图5和图6中呈现的光学编码器构造500类似的耐污染和耐缺陷光学编码器中的一个示例性光电探测器构造860的示意图800，其中光电探测器构造包括空间相位探测器，该空间相位探测器大致沿测量轴方向拉长并横向于测量轴方向周期性地布置。除非上下文或描述中另有指示，否则图8中的相似标号8XX和图5中的5XX可以指相似的元件。
光电探测器构造860包括一组N个空间相位探测器，该N个空间相位探测器沿探测到的条纹运动方向DFMD以空间相位序列布置，其中N是至少为6的整数，并且空间相位序列包括位于沿横向于测量轴方向MA的方向的序列的开始和结尾处的两个外部空间相位探测器，以及位于两个外部空间相位探测器之间的空间相位探测器的内部组。在空间相位序列中，内部组中的每个空间相位探测器的前面和后面是空间相位探测器，这些前面和后面的空间相位探测器具有与该空间相位探测器不同的各自空间相位并且各自的空间相位之间相互不同。每个空间相位探测器包括标尺光接收器区域，该标尺光接收器区域沿探测到的条纹运动方向DFMD在空间上是周期性的，并且关于周期性标尺光图案与空间相位探测器的相应空间相位对应地定位。在空间相位序列中，内部组中的每个空间相位探测器的前面和后面是空间相位探测器，这些前面和后面的空间相位探测器具有与该空间相位探测器不同的各自空间相位并且各自的空间相位之间相互不同。
在一些实施方式中，该组N个空间相位光电探测器可以包括至少M个空间相位探测器子集，其中M是至少为2的整数，并且其中M个子集中的每一个子集包括提供该组N个空间相位光电探测器中包括的相应空间相位中的每一个空间相位的空间相位探测器。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，M个空间相位探测器子集中的每一个子集可以包括提供以相同子集空间相位序列布置的相同各个空间相位的空间相位探测器。图8示出了具有M个空间相位探测器子集的实施方式，表示为S1到SM。S1子集包括空间相位探测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D。S2子集包括空间相位探测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D。子集SM包括空间相位探测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD。
在图8中示出的实施方式中，空间相位序列由空间相位探测器表示，空间相位探测器包括下标索引A、B、C和D(例如，空间相位探测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D)。下标索引为A和D的空间相位探测器是位于空间相位序列的每个实例的开始和结尾处的两个外部空间相位探测器。下标为B和C的空间相位探测器是内部组。
空间相位探测器SPD1A、SPD1B、SPD1C和SPD1D输出各自的空间相位探测器信号A1、B1、C1和D1。空间相位探测器SPD2A、SPD2B、SPD2C和SPD2D输出各自的空间相位探测器信号A2、B2、C2和D2。空间相位探测器SPDMA、SPDMB、SPDMC和SPDMD输出各自的空间相位探测器信号AM、BM、CM和DM。
在一些实施方式中，诸如在图8中示出的实施方式，N至少为8，并且每个空间相位探测器子集可以包括四个空间相位探测器，其各自的空间相位分隔90度。在替代实施方式中，每个空间相位探测器子集可以包括三个空间相位探测器，其各自的空间相位分隔120度。
在图8中示出的实施方式中，光电探测器构造860包括连接，所述连接被配置为组合与相同的各个空间相位对应的空间相位探测器信号并输出每个这种组合作为相应空间相位位置信号。光电探测器构造860被配置为输出与分隔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，求和)以提供空间相位信号ΣA、ΣB、ΣC和ΣD。在替代实施方式中，光电探测器构造可以被配置为输出与分隔120度的空间相位对应的三个空间相位位置信号。在任一情况下，空间相位位置信号可以进一步用于确定位移信号，例如，通过求积或三相信号处理。
在一些实施方式中，N个空间相位探测器的每个相邻对的标尺光接收器区域之间沿探测到的条纹运动方向DFMD的分隔距离YSEP可以至多为25微米。在一些实施方式中，N个空间相位探测器的每个相邻对的标尺光接收器区域之间沿探测到的条纹运动方向DFMD的分隔距离YSEP相同。
图8另外示出了相对于测量轴方向MA的探测器轴DA。探测器轴是平行于空间相位探测器的特定拉长方向的方向。总地来说，希望探测器轴DA与探测到的条纹运动方向DFMD正交(或接近正交)，但是并不要求精确地这样做，而是以能够获得良好的位移信号为限制条件。因此，在一些实施方式中，探测器轴可以相对于测量轴方向MA旋转角度α，特别是在探测到的条纹运动方向DFMD并非垂直于测量轴方向MA的时候。由于希望使用较小的照明条纹偏航角ψ(如参考图7所述)，角度α可能相当小，并且在某些情况下，照明条纹偏航角ψ的值非常小，所以甚至可能不需要相对于测量轴方向MA旋转探测器轴DA。
图9A是耐污染和耐缺陷光学编码器900A的另一示例性光电探测器构造960A的一部分的详细示意图，该光电探测器构造960A与图8中示出示的光电探测器构造类似。为简单起见，图9A仅示出一个空间相位探测器子集S1，其具有两个空间相位探测器SPD1A和SPD1B。应当理解，根据本文公开的原理，光电探测器构造960A可以包括更多的空间相位探测器，但是为了简单起见，仅示出了两个。在图9A中示出的实施方式中，N个空间相位探测器中的每一个(例如，空间相位探测器SPD1A和SPD1B)包括被空间相位掩模(例如，相位掩模PM1A和PM1B)覆盖的光电探测器(例如，由虚线指示的光电探测器PD1A和PD1B)，该空间相位掩模阻止光电探测器接收除通过空间相位掩模中包括的开口之外的周期性标尺光图案。在这种情况下，标尺光接收器区域包括光电探测器(例如，光电探测器PD1A和PD1B)的通过相应空间相位掩模(例如，空间相位掩模PM1A和PM1B)中的开口暴露的区域。在图9A中示出的实施方式中，相位掩模PM1B的标尺光接收器区域(即开口)沿测量轴方向MA相对于相位掩模PM1A的标尺光接收器区域偏移90度。应当理解，虽然在图9A中空间相位掩模PM1A和PM1B被示意性地示出为分离的部分，但是在一些实施方式中，它们可以在相同的过程中方便地用相同的材料构造，以消除任何潜在的定位误差。
图9B是耐污染和耐缺陷光学编码器900B的另一示例性光电探测器构造960B的一部分的详细示意图，该光电探测器构造960B与图8中示出的光电探测器构造860类似。为简单起见，图9B仅示出一个空间相位探测器子集S1′，其具有两个空间相位探测器SPD1A′和SPD1B′。应当理解，根据本文公开的原理，光电探测器构造960B可以包括更多的空间相位探测器，但是为了简单起见，仅示出了两个。在图9B中示出的实施方式中，N个空间相位探测器(例如，空间相位探测器SPD1A′和SPD1B′)中的每一个包括接收周期性标尺光图案的电互连的光电探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探测器的周期性阵列的光电探测器区域。在图9B中示出的实施方式中，空间相位探测器SPD1B′的光电探测器区域沿探测到的条纹运动方向DFMD相对于空间相位探测器SPD1A′的光电探测器区域偏移90度的空间相移。
在与光电探测器构造960A或960B类似的光电探测器的一些实施方式中，对于N个空间相位探测器中的每一个来说，包括偶数个标尺光接收器区域是有利的。标尺光的零级分量可能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器区域将平均掉这种变化。
图10是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造1000的附加实施方式的部分示意图。在编码器构造1000中，被探测的周期性标尺光图案1035包括探测器条纹图案1035，该探测器条纹图案1035包括被定向为沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸的带，并且所述带在光学编码器位移期间沿探测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴方向移动。
光学编码器构造1000包括标尺1010、照明源1020和光电探测器构造1060。标尺1010沿测量轴方向MA延伸，并且包括标尺光栅，该标尺光栅包括布置在标称平行于测量轴方向MA的标尺平面SP中的光栅条GB。光栅条GB沿测量轴方向MA是窄的，并且沿横向于测量轴方向MA的光栅条方向SGBD拉长，并且沿测量轴方向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′并将结构化照明1034″沿源光路径SOLP输出到标尺平面SP处的照明区域IR的结构化照明生成部分1033，其中结构化照明1034″包括照明条纹图案IFP，该照明条纹图案IFP包括沿测量轴方向MA较窄并且沿照明条纹方向IFD拉长的条纹，照明条纹方向定向为横向于测量轴方向MA。光源1030包括点光源1031和准直透镜1032。点光源1031向准直透镜输出光1034，然后准直透镜将光1034准直以提供光1034′。
光电探测器构造1060包括一组N个空间相位探测器，该N个空间相位探测器沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD以探测器间距PD(如图6A和图6B所示)周期性布置，其中每个空间相位探测器被配置为提供相应空间相位探测器信号，并且相应空间相位探测器中的至少大部分沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴的探测到的条纹运动方向DFMD相对较窄，并且该组N个空间相位探测器沿探测到的条纹运动方向DFMD以空间相位序列布置，如先前参考图8、图9A和图9B更详细地描述的。
以与编码器构造500类似的方式，标尺1010被配置为在照明区域IR输入照明条纹图案，并且沿标尺光路径SCLP输出标尺光分量，以在光电探测器构造1060处形成探测器条纹图案1035。探测器条纹图案1035包括周期性的高强度和低强度带，这些带沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD相对较窄且是周期性的，具有探测到的条纹周期PDF，如先前参考图6更详细描述的。
标尺光栅条方向SGBD被定向为与由源光路径SOLP和标尺光路径SCLP限定的读头平面RHP成非零偏航角ψSC。
结构化照明生成部分1033包括第一照明源衍射光栅1040和第二照明源衍射光栅1050，这在图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。
探测到的条纹周期PDF和横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD至少部分取决于非零偏航角ψSC，如先前参考图7概述的。当标尺1010沿测量轴方向MA位移时，高强度带和低强度带沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD移动。光电探测器构造1060被配置为探测高强度带和低强度带沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示标尺位移的相应空间相位位移信号。
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。在各种实施方式中，希望将光学编码器构造1000配置为最小化由标尺1010、照明源1020和光电探测器构造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包括在第一折射率平面中以第一折射率间距P1周期性地布置的第一折射率光栅条，其中第一折射率光栅条沿测量轴方向是窄的，并且沿第一折射率光栅条方向是拉长的，该第一折射率光栅条方向横向于测量轴方向并且相对于读头平面RHP旋转了角度ψ1。如图11B所示，第二照明源衍射光栅1050包括在平行于第一折射率平面的第二折射率平面中以第二折射率间距P2周期性地布置的第二折射率光栅条，其中第二折射率光栅条沿测量轴方向是窄的，并且沿第二折射率光栅条方向是拉长的，该第二折射率光栅条方向横向于测量轴方向并且相对于读头平面RHP旋转了角度ψ2。
在诸如光学编码器构造500的各种光学编码器中，动态间隙误差可能由标尺波度(scale waviness)引起，标尺波度改变了照明部分520和标尺510之间沿源光路径SOLP的距离。沿标尺光路径SCLP的光学路径长度的变化导致对探测器条纹图案1035有贡献的干涉光束的相对相位的变化。在各种应用中，可以选择角度ψ1和ψ2，使得它们给出大小相等符号相反的动态间隙误差。对探测器条纹图案1035有贡献的干涉光束的两条干涉光线的相位可以表达为Φ+和Φ-。光源1030输出的光具有波长λ。动态间隙误差DGE相对于沿垂直于测量轴方向MA和标尺光栅条方向SGBD的方向(即Z方向)的间隙变化Δg的关系为以下表达式：
Figure BDA0002220817580000231
更具体地，微分项由以下表达式给出：
Figure BDA0002220817580000232
其中因子Ω由以下表达式定义：
Figure BDA0002220817580000233
在等式4中，第一项
Figure BDA0002220817580000234
是来自第一照明源衍射光栅1040和第二照明源衍射光栅1050中的每一个的偏航的误差分量。第二项
Figure BDA0002220817580000235
是来自偏航角ψSC的误差分量。通过有意引入具有角度ψ1和角度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包括作为反射光栅的标尺光栅。如图10所示，源光路径SOLP可以定向为与垂直于标尺平面的方向成角度V。为了提供希望的探测到的条纹周期PDF，偏航角ψSC可以满足以下表达式：
Figure BDA0002220817580000236
为了抵消如等式3中示出的动态间隙误差DGE，角度ψ1和角度ψ2可以满足以下表达式：
Figure BDA0002220817580000241
在以与光学编码器构造500类似的方式构造的光学编码器的典型示例中，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，PDF值为120微米，ψSC可以具有0.48度的值。这可以给出，对于每微米间隙变化Δg，位置测量误差具有4.8纳米的动态间隙误差。在以与光学编码器构造1000类似的方式构造的光学编码器的典型示例中，具有上述相同的参数，ψSC可以是0.94度，ψ1可以是-0.46度，以及ψ2可以是0.0度。偏航角ψ1可贡献每微米间隙变化Δg位置测量误差的-9.4纳米的动态间隙误差分量，并且偏航角ψ2可贡献每微米间隙变化Δg位置测量误差的9.4纳米的动态间隙误差分量。两个动态间隙误差平衡掉，以提供净零动态间隙误差。
图12是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷光学编码器构造1200的附加实施方式的部分示意图。在编码器构造1200中，被探测的周期性标尺光图案1235包括探测器条纹图案，该探测器条纹图案包括被定向为沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸的带，并且所述带在光学编码器位移期间沿探测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴方向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和光电探测器构造1260。标尺1210沿着测量轴方向MA延伸，并且包括标尺光栅，该标尺光栅包括布置在标称平行于测量轴方向MA的标尺平面SP中的光栅条GB。标尺光栅条GB沿测量轴方向MA是窄的，并且沿横向于测量轴方向MA的标尺光栅条方向SGBD拉长，并且沿测量轴方向MA以标尺间距PSF周期性地布置。照明源1220包括输出光1234′的光源1230和被配置为输入光1234′并将结构化照明1234″沿源光路径SOLP输出到标尺平面SP处的照明区域IR的结构化照明生成部分1233，其中结构化照明1234″包括照明条纹图案IFP，该照明条纹图案IFP包括沿测量轴方向MA较窄并且沿照明条纹方向IFD拉长的条纹，照明条纹方向定向为横向于测量轴方向MA。光源1230包括点光源1231和准直透镜1232。点光源1231向准直透镜输出光1234，继而准直透镜将光1234准直以提供光1234′。
光电探测器构造1260包括一组N个空间相位探测器，该N个空间相位探测器沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD以探测器间距PD(与如图所示的光电探测器构造860类似)周期性布置，其中每个空间相位探测器被配置为提供相应空间相位探测器信号，并且相应空间相位探测器中的至少大部分沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴的探测到的条纹运动方向DFMD相对较窄，并且该组N个空间相位探测器沿探测到的条纹运动方向DFMD以空间相位序列布置，如先前参考图8、图9A和图9B更详细地描述的。
以与编码器构造500类似的方式，标尺1210被配置为在照明区域IR输入照明条纹图案，并且沿标尺光路径SCLP输出标尺光分量，以在光电探测器构造1260处形成探测器条纹图案1235。探测器条纹图案1235包括周期性的高强度和低强度带，这些带沿测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD相对较窄且是周期性的，具有探测到的条纹周期PDF，如先前参考图6A和图6B更详细地描述的。
标尺光栅条方向SGBD被定向为与由源光路径SOLP和标尺光路径SCLP限定的读头平面RHP成非零偏航角ψSC。
探测到的条纹周期PDF和横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD至少部分取决于非零偏航角ψSC，如先前参考图7概述的。当标尺1210沿测量轴方向MA位移时，高强度带和低强度带沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD移动。光电探测器构造1260被配置为探测高强度带和低强度带沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示标尺位移的相应空间相位位移信号。
读头平面RHP的法线RHPN定向为与测量轴方向MA成非零俯仰(pitch)角φ。
图13A是表示标尺光分量的第一视图的示意图，该标尺光分量在接近光电探测器构造处形成探测器条纹图案1235，该光电探测器构造与图12中的光电探测器构造1260相似。更具体地，图13A示出了在接近光电探测器构造1260处的标尺光图案1235的一部分SIG在由测量轴方向MA和Y方向限定的平面中的横截面。标尺光图案1235的该部分SIG是由标尺光分量SL1和SL2的重叠所形成的一组条纹，这可以参考图6B来理解。标尺光图案1235的该部分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。该部分SIG类似于探测器条纹图案635，其提供产生指示标尺位移的空间相位位移信号的标尺光图案1235的部分。更具体地，光电探测器构造1260被配置为探测干涉带1235SIGD和1235SIGL沿横向于测量轴方向MA的探测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示标尺位移的相应空间相位位移信号。
在各种实施方式中，探测器条纹图案635可以另外包括零级光，这将导致高强度干涉带635L的强度变化。更具体地，零级标尺光与标尺光分量SL1和SL2之间的干涉将导致与低强度干涉带635D和高强度干涉带635L平行的低强度干涉带和高强度干涉带的条纹。这将导致探测器条纹图案635中的条纹具有交替条纹的变化图案，这将导致空间相位位移信号中的短程误差。耐污染和耐缺陷光学编码器构造1200被配置为抑制这些误差，如下所述。更具体地，零级标尺光和将与图6B中示出的标尺光分量SL1和SL2对应的光之间的干涉将导致与将与标尺光分量SL1和SL2对应的光平行的暗强度带和亮强度带的条纹，并且这些条纹在光学编码器位移期间沿探测到的条纹运动方向DFMD移动。
应当理解，图13A-图13D示出了与光电探测器构造1260对齐的参考框架中的标尺光图案1235的一部分。总得来说，诸如光电探测器构造1260的光电探测器构造应该被定向为使得空间相位探测器与由低强度干涉带1235SIGD和高强度干涉带1235SIGL定义的条纹图案沿探测到的条纹运动方向DFMD对齐，探测到的条纹运动方向DFMD横向于测量轴方向MA，但是不与Y方向精确对齐。
图13B是表示标尺光分量的第二视图的示意图，所述标尺光分量在接近光电探测器构造处形成标尺光图案1235，该光电探测器构造与图12中光电探测器构造1260类似。更具体地，图13B示出了在接近光电探测器构造1260处的标尺光图案1235的一部分PZ在由测量轴方向MA和Y方向限定的平面中的横截面。标尺光图案1235的该部分PZ是由零级标尺光分量和标尺光分量SL1重叠所形成的一组条纹。标尺光图案1235的该部分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被定向为使得它们不沿探测到的运动条纹方向DMFD对齐，因此，它们不与干涉带1235SIGD和干涉带1235SIGL对齐。
图13C是表示标尺光分量的第三视图的示意图，该标尺光分量在接近光电探测器构造处形成标尺光图案1235，该光电探测器构造与图12中的光电探测器构造1260类似。更具体地，图13C示出了在接近光电探测器构造1260处的标尺光图案1235的一部分MZ在由测量轴方向MA和Y方向限定的平面中的横截面。标尺光图案1235的该部分MZ是由零级标尺光分量和标尺光分量SL2重叠所形成的一组条纹。标尺光图案1235的该部分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被定向为使得它们不沿探测到的运动条纹方向DMFD对齐，因此，它们不与干涉带1235SIGD和干涉带1235SIGL对齐。
图13D是表示标尺光分量的第四视图的示意图，该标尺光分量在接近光电探测器构造处形成标尺光图案1235，该光电探测器构造与图12中的光电探测器构造1260类似。更具体地，图13D示出了标尺光1235的PZ、MZ和SIG部分中的每一个的横截面。如果俯仰角φ为零，则PZ部分和MZ部分的干涉带相对于探测到的条纹运动方向DFMD的角度将不会不同，而是将平行于干涉带1235SIGD和1235SIGL，这将导致SIG部分的交替干涉带高干涉带1235SIGL之间的强度变化，这将导致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，PZ部分和MZ部分的低强度干涉带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沿横向于探测到的条纹运动方向DFMD的方向对齐。区域LO和HI中的1235的强度沿横向于探测到的条纹运动方向DFMD的方向平均掉，这抑制了标尺光1235内的交替条纹之间沿探测到的条纹运动方向DFMD的强度变化。这种平均减少了由于零级标尺光与标尺光1235的SIG部分干涉而引起的空间相位位移信号中的短程误差。
在耐污染和耐缺陷光学编码器1200的一些实施方式中，φ可以大于0.3度且小于2.0度。
在耐污染和耐缺陷光学编码器1200的一些实施方式中，N个空间相位探测器中的每一个可以包括偶数个标尺光接收器区域。
在耐污染和耐缺陷光学编码器1200的一些实施方式中，结构化照明生成部分1233可以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折射率平面中以第一折射率间距P1周期性地布置的第一折射率光栅条，其中第一折射率光栅条沿测量轴方向是窄的，并且沿第一折射率光栅条方向是拉长的，该第一折射率光栅条方向横向于测量轴方向并且相对于读头平面RHP旋转了角度ψ1。第二照明源衍射光栅可以包括在平行于第一折射率平面的第二折射率平面中以第二折射率间距P2周期性地布置的第二照明源光栅条，其中第二折射率光栅条沿测量轴方向是窄的，并且沿第二折射率光栅条方向是拉长的，该第二折射率光栅条方向横向于测量轴方向并且相对于读头平面RHP旋转了角度ψ2。在一些实施方式中(例如，如先前参考图10所述)，标尺1210可以包括作为反射光栅的标尺光栅，源光路径SOLP可以定向为与垂直于标尺平面SP的方向成角度V，并且偏航角ψSC可以满足等式(6)。在一些实施方式中，光源1230输出的光可以具有波长λ，因子Ω可以由等式(5)定义，角度ψ1和角度ψ2可以满足等式(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，探测到的条纹周期PDF可以至少为40微米。
图14是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造1400的第一实施方式的部分示意性等轴视图，该旋转光学编码器构造1400使用圆柱型旋转标尺1410。编码器构造1400包括旋转标尺1410、照明源1420、结构化照明生成布置SIGA和包括光电探测器构造1460的探测器布置1465。在图14中示出的实施方式中，旋转标尺1410包括透射光栅。图14A是图14的旋转标尺光栅1410的一部分的示意图，示出了旋转标尺1410上的第二照明区域IR2中的附加细节。应当理解，为了说明的目的，图14和14A中所示的各种光栅条和干涉条纹的间距和角度可能没有按比例呈现，并且应该根据相关描述来解释。
在某些方面，旋转光学编码器构造1400可以理解为基于类似于先前参考图10-图13D概述的某些条纹生成和探测构思来操作。由于使用了类似的构思，在编码器构造1400中，被探测的周期性标尺光图案1435包括探测器条纹图案1435′，该探测器条纹图案1435′包括被定向为沿旋转测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸的带(或条纹)，并且所述带(或条纹)在旋转标尺1410的位移期间沿探测到的条纹运动方向DFMD横向于旋转测量轴方向移动。因此，通过与先前的描述进行类比，可以很大程度地理解旋转光学编码器构造1400的操作，并且下面仅详细描述某些方面。
如图14和/或图14A所示，旋转标尺1410围绕旋转轴RA沿(或围绕)旋转测量方向θ延伸，并且平行于与旋转轴RA垂直的旋转平面旋转。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布置在圆柱形旋转表面中或其上的标尺光栅条GB，其中标尺光栅条GB沿着旋转测量方向θ较窄，并且沿横向于旋转测量方向θ的旋转标尺光栅条方向RSGBD拉长，并且沿旋转测量方向θ以标称标尺间距PSF周期性地布置。照明源1420包括将源光1434输出到结构化照明生成布置SIGA的光源。在本文公开的各种旋转编码器构造中，结构化照明生成布置SIGA包括旋转标尺上的第一照明区域，和至少包括第一和第二偏转元件的光束偏转器构造，以及旋转标尺上的第二照明区域。在图14所示的具体实施方式中，结构化照明生成布置SIGA被配置为将源光1434输入到旋转标尺1410上的第一照明区域IR1，旋转标尺1410衍射源光并沿着光路径LP向包括第一反射镜1471和第二反射镜1472的光束偏转器构造BDC输出包括衍射光束(如图14中通过具有不同虚线样式的线条所呈现的)的结构化照明光1434′。光束偏转器构造BDC被配置为使得结构化照明光1434′的衍射光束彼此交叉，并且透射所得的结构化照明光(即衍射光束)以在旋转标尺1410上的第二照明区域IR2重叠。在第二照明区域IR2，结构化照明光1434′的衍射光束干涉并在接近第二照明区域IR2处形成照明条纹图案IFP，使得结构化照明光1434′包括在第二照明区域IR2处的照明条纹图案IFP。照明条纹图案IFP包括沿旋转测量方向较窄并且沿横向于旋转测量方向θ的照明条纹方向IFD拉长的条纹。照明条纹方向IFD和旋转标尺光栅条方向RSGBD(如图14A所示)之间的角度差被配置为提供周期性标尺光图案1435，该周期性标尺光图案1435包括探测器条纹图案1435′，该探测器条纹图案1435′包括沿旋转测量轴方向MA具有相对较长尺寸并且在旋转标尺1410位移期间沿探测到的条纹运动方向DFMD移动的条纹，如图14所示。
如图14所示，第一反射镜1471和第二反射镜1472将结构化照明光1434′的衍射光束沿光路径LP的大致方向反射到第二照明区域IR2。在图14所示的具体实施方式中，光束偏转器构造BDC的第一反射镜1471和第二反射镜1472被配置为接收从第一照明区域IR1输出的衍射源光的相应光束，并且沿着在接近旋转轴RA处交叉的会聚光束路径偏转这些相应光束，且它们沿发散光束路径继续，并且被配置为接收这些相应光束并偏转它们使它们沿会聚光束路径继续，以在接近第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案IFP。在一些实施方式中，结构化照明光1434′在第一反射镜1471和第二反射镜1472之间的自由空间中通过。在其他实施方式中，第一反射镜1471和第二反射镜1472可以位于单片光学材料的表面，其中结构化照明光1434′被单片光学材料内部的内部反射所反射。在一些实施方式中，光源1434和衍射光束是标称准直的(例如，通过将准直透镜包括在照明源1420中)。然而，在其他实施方式中，照明源1420和光束偏转器构造BDC中的至少一个被配置为使得来自第一照明区域IR1的衍射源光的相应光束在靠近旋转轴RA的交叉处附近聚焦。在这种实施方式中，可以减轻或消除由于小的部件未对齐而引起的某些误差。在一些这样的实施方式中，照明源1420中包括的透镜可以提供在接近旋转轴RA处聚焦的会聚源光1434。在一些这样的实施方式中，光束偏转器构造BDC和/或探测器构造1465中的至少一个被配置为使得来自第二照明区域IR2的形成包括探测器条纹图案1435′的周期性标尺光图案1435的标尺光在光电探测器构造1460处被标称准直。例如，在一个这样的实施方式中，探测器布置1465可以包括具有与将源光1434聚焦在旋转轴RA附近的透镜互补的特性的透镜，以在周期性标尺光图案1435中包括的光到达光电探测器1460之前对其进行准直。应当理解，在图14中示出的实施方式中，光束偏转器构造BDC包括第一和第二平行的平面镜1471和1472，它们位于旋转轴RA的相对侧，并且其相应表面平面大致平行于圆柱形旋转标尺1410的、与第一照明区域IR1和第二照明区域IR2相交的直径延伸。第一和第二反射镜1471和1472各自定向为接收从第一照明区域IR1输出的衍射源光的相应光束。应当理解，它们的表面平面被示出为围绕被示出为光路径LP的线旋转，其中根据前面概述的原理，该旋转产生照明条纹方向IFD的希望角度或方向。应当理解，在一些实施方式中，由反射镜1471和1472提供的偏转可以替代地由各种光栅布置来提供，而不是反射镜。
如先前概述的，旋转标尺1410被配置为在第二照明区域IR2输入照明条纹图案IFP，并以周期标尺光图案1435的形式输出标尺光，该周期标尺光图案1435包括在探测器布置1465的光电探测器构造1460处的探测器条纹图案1435′。探测器条纹图案1435′包括周期性的高强度和低强度带，它们沿旋转测量方向θ在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于(例如，正交于)旋转测量方向θ的探测到的条纹运动方向DFMD相对较窄且是周期性的，具有探测到的条纹周期PDF。
如图14A中详细示出的，光栅条GB的旋转标尺光栅条方向RSGBD被定向为与垂直于测量轴方向MA并且沿旋转标尺1410的旋转表面的方向成非零偏航角ψ1。总得来说，结构化照明生成布置SIGA被配置为使得旋转标尺1410上接近第二照明区域IR2处的条纹图案1435′的照明条纹方向IFD被定向在标称条纹方向偏航角ψ2，该标称条纹方向偏航角ψ2相对于旋转标尺1410上接近第二照明区域IR2处的旋转标尺光栅条方向RSGBD旋转了非零偏航差角YDA。根据图14A中示出的符号，YDA＝(ψ1-ψ2)，其中ψ2是从参考点按逆时针方向测量的，因此被认为是负数角度。
探测到的条纹周期PDF和探测到的条纹运动方向DFMD横向于旋转测量方向θ，并且至少部分地取决于非零偏航差角YDA(例如，以类似于参考图7描述的方式，取决于非零偏航角ψ1)。当旋转标尺1410围绕旋转轴RA旋转时，高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向θ的探测到的条纹运动方向DFMD移动。探测器布置1465被配置为探测高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向θ的探测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示旋转标尺位移的相应空间相位位移信号。在一个实施方式中，探测器布置1465中的光电探测器构造1460与光电探测器560类似，并且可以参考图6A和图6B来理解。光电探测器构造1460可以包括一组N个空间相位探测器，该N个空间相位探测器沿横向于旋转测量方向的探测到的条纹运动方向DFMD以探测器间距PD周期性布置(如图6A和图6B所示)。每个空间相位探测器可以被配置为提供相应空间相位探测器信号，并且相应空间相位探测器中的至少大部分可以沿旋转测量方向在相对较长的尺寸上延伸，并且可以沿横向于旋转测量方向的探测到的条纹运动方向相对较窄，并且根据先前公开的原理，该组N个空间相位探测器可以沿探测到的条纹运动方向以空间相位序列布置。在一些实施方式中，如果探测到的条纹周期PDF为至少40微米，则可以在性能和/或经济性方面存在优势。在一些实施方式中，如果N个空间相位探测器中的每一个包括偶数个标尺光接收器区域，则可以在性能和/或经济性方面存在优势。
在一些实施方式中，等式6可以适用于旋转光学编码器构造，诸如旋转光学编码器构造1400。在这种情况下，旋转标尺1410提供第一照明源光衍射光栅540和第二照明源光衍射光栅550的等同物，其中P1和P2当前等于标尺间距PSF。在一些实施方式中，如果ψ2等于-ψ1可以是有利的。由于源光1434和结构化照明光1434′中的光当前仅穿过两个光栅，所以对于光学编码器构造1400，等式6简化为将偏航角ψ1与探测到的条纹周期PDF关联的等式：
Figure BDA0002220817580000321
提供源光1434和结构化照明光1434′中的入射到旋转标尺1410上两次(即，在第一照明区域IR1和第二照明区域IR2处)的光允许更高分辨率的位移测量(即，通过提供如前所述的光束交叉结合在旋转标尺1410的相对侧的两次衍射，分辨率被“加倍”)以及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15是沿旋转轴方向观察的部分示意图，表示耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造1500的某些方面，在一些实施方式中，该旋转光学编码器构造1500可以与图14中示出的旋转光学编码器构造1400的第一实施方式类似或相同，但包括某些替代元件的表示。除非另有说明，图15和图14中类似的数字可以理解为表示类似或相似的元件。因此，这里仅描述了图15的某些不同或替代方面。图15示出了光束偏转器构造BDC的两种不同的替代实施方式。具体地，第一反射镜1471和第二反射镜1472提供光束偏转器构造BDC中的第一和第二偏转器元件的一种实施方式，并且第一和第二偏转器元件可以包括反射镜(1471和1472)或光栅，该反射镜或光栅被构造为大致如图所示地偏转衍射光束(由具有不同虚线样式的两条线示出)，如先前参考图14概述的。替代第一反射镜1471和第二反射镜1472，第一光栅1473和第二光栅1474提供光束偏转器构造BDC中的第一和第二偏转器元件的不同实施方式。在一个实施方式中，第一光栅1473可以包括第一透射光栅构造，并且第二光栅1474可以包括第二透射光栅构造，根据已知的光栅偏转原理，第一光栅1473和第二光栅1474各自大致如图所示地偏转相应衍射光束(由具有不同虚线样式的两条线示出)。在各种实施方式中，根据前面概述的原理，光栅可以提供聚焦和偏转的光束，或者准直和偏转的光束。在任何情况下，可以基于商业可用的光学设计程序和/或已知的光栅设计原理，通过设计、模拟和/或实验来确定合适的光栅。应当理解，在光栅1473(1474)中，区域1473A(1474A)和1473B(1474B)在一些实施方式中可以不相同且不连续。例如，在一些实施方式中，区域1473A(1474A)和1473B(1474B)可以展示镜像对称等(例如，相对于光路径LP)，以便为它们相应光束提供希望的偏转。
图16是沿旋转轴方向观察的部分示意图，表示用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造1600的第二实施方式的某些方面，包括某些替代元件的表示，该旋转光学编码器构造1600使用包括反射光栅而不是透射光栅的圆柱型旋转标尺1610。编码器构造1600类似于图15所示的编码器构造1500，除了由于在旋转标尺1610上使用反射光栅而容易理解的变化之外。除非另有说明，图16和图15中类似的数字(例如，16XX和15XX，具有相似的后缀)可以理解为表示类似或相似的元件。应当理解，图16中示出的实施方式允许照明源1620、光束偏转器构造BDC和探测器布置1665都位于旋转标尺1610内部的单个组件上。
应当理解，以上公开的各种编码器构造，旋转标尺是具有标称圆柱形旋转表面的圆柱形标尺，根据先前概述的原理，标尺光栅条被布置在旋转标尺上。第一照明区域IR1和第二照明区域IR2位于接近圆柱形旋转标尺1410、1610的直径的相对端处，并且照明源1420、1620被配置为沿着与第一照明区域IR1和第二照明区域IR2相交的线，将光源1434、1634输出到第一照明区域IR1，并且光束偏转器构造BDC被布置在由旋转标尺1410、1610的圆柱形旋转表面沿旋转轴RA的方向的投影所限定的体积中。
在各种编码器构造中，诸如以上公开的那些，其中旋转标尺是圆柱型标尺，所示出的旋转标尺周围的标尺光栅条GB的轨道以及用于从该轨道产生位置信号的相关光学部件一起可以被视为第一测量通道。应当理解，在这种“圆柱标尺”构造中，如果有需要，添加与第一测量通道类似或相同的第二测量通道是特别容易的。例如，标尺光栅条GB的第二轨道可以设置在旋转标尺上，沿旋转轴RA的方向与第一标尺轨道间隔开。照明源、光束偏转构造和探测器布置中的一些或全部可以被复制用于第二测量通道，或者在两个测量通道之间共享。这种构造的优点在于，第一和第二测量通道的各自空间相位位移信号的组合或者从其导出的测量值可以用于减轻或补偿潜在的未对齐误差，否则这些误差可能出现在单独的空间相位位移信号或者从单个测量通道导出的测量值中。在一个这种特别有利的实施方式中，第一测量通道包括沿旋转标尺上的第一标尺轨道以偏航角ψ1布置的标尺光栅条GB，并且第二测量通道包括沿旋转标尺上的第二标尺轨道以相反偏航角-ψ1布置的标尺光栅条BG，该第二标尺轨道沿旋转轴方向与第一标尺轨道间隔开。在一些实施方式中，第一和第二测量通道可以具有不同的标尺间距，并且根据已知的方法，它们的信号之间的空间相位差可以用于指示沿测量轴的绝对位置测量。在一些实施方式中，第一和第二测量通道可以有利地共享单个光束偏转器构造(例如，两个平行的反射镜)。在其他实施方式中，第一和第二测量通道可以具有大致正交的光路径，并且它们的信号的组合可以用于补偿某些未对齐误差(例如，在X和Y方向上的偏移或偏心误差)。
图17是用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造1700的第三实施方式的部分示意性等轴视图，该旋转光学编码器构造1700使用平面型旋转标尺1710。编码器构造1700包括旋转标尺1710、照明源1720、结构化照明生成布置SIGA和包括光电探测器构造1760的探测器布置1765。在图17所示的实施方式中，旋转标尺1710包括反射光栅。图17A是图17的旋转标尺(光栅)1710的部分的图，示出了旋转标尺1710上的第一照明区域IR1和第二照明区域IR2中的附加细节。应当理解，为了说明的目的，图17和17A中示出的各种光栅条和干涉条纹的间距和角度可能没有按比例呈现，并且应该根据相关描述来解释。
在某些方面，旋转光学编码器构造1700可以被理解为基于类似于先前参考图10-图14A概述的某些条纹生成和探测构思来操作。由于使用了类似的构思，所以在编码器构造1700中，被探测的周期性标尺光图案1735包括探测器条纹图案1735′，该探测器条纹图案1735′包括被定向为沿旋转测量轴方向MA在相对较长的尺寸上延伸的带(或条纹)，并且所述带(或条纹)在旋转标尺1710的位移期间沿探测到的条纹运动方向DFMD横向于旋转测量轴方向移动。因此，尽管使用平面型旋转标尺1710代替图14中示出的圆柱形旋转标尺，但是通过与先前的描述(特别是关于图14和14A的描述)进行类比，可以很大程度上理解旋转光学编码器构造1700的操作，并且下面仅详细描述某些方面。
如图17和/或图17A所示，平面旋转标尺1710可以是圆形的，并且围绕旋转轴RA沿着(或围绕)旋转测量方向θ延伸，并且平行于与旋转轴RA垂直的旋转平面旋转。旋转标尺1710包括旋转标尺光栅，该旋转标尺光栅包括反射标尺光栅条GB，所述反射标尺光栅条GB沿旋转测量方向θ被布置在平面旋转表面中或平面旋转表面上，其中标尺光栅条GB沿旋转测量方向θ较窄，并且沿横向于旋转测量方向θ的旋转标尺光栅条方向RSGBD拉长，并且沿旋转测量方向θ以标称角度间距APSF周期性地布置。照明源1720、结构化照明生成布置SIGA的光束偏转器构造BDC以及包括光电探测器构造1760的探测器布置1765都被布置在旋转标尺1710的同一侧。应当理解，通过将角度间距APSF(以弧度为单位)乘以从旋转轴RA到照明区域IR1和/或IR2的中心的标称或平均半径，标称角度间距APSF可以被转换为功能上与以上参考图14和图14A概述的标尺间距PSF相当的“线性间距”。
照明源1720包括向结构化照明生成布置SIGA输出源光1734的光源。结构化照明生成布置SIGA包括旋转标尺上的第一照明区域IR1、包括第一偏转器元件1773和第二偏转器元件1774的光束偏转器构造BDC、以及旋转标尺1710上的第二照明区域IR2。在图17中示出的实施方式中，第一照明区域IR1和第二照明区域IR2位于接近旋转标尺1710的直径的相对端处(尽管没有与该直径完全对齐)。照明源1720被配置为沿着与第一和第二照明区域相交的平面NIP并且以相对于该平面中的平面旋转表面的入射角，将源光1734输出到第一照明区域IR1。结构化照明生成布置SIGA被配置为将光源1734输入到旋转标尺1710上的第一照明区域IR1，该旋转标尺1710反射并衍射光源1734，并且将包括衍射光束(如图17中具有不同虚线样式的两条线所呈现的)的结构化照明光1734′沿光路径输出到包括第一偏转器元件1773和第二偏转器元件1774的光束偏转器构造BDC以及交叉区域反射器1780。光束偏转器构造BDC被配置为使得结构化照明光1734′的衍射光束彼此交叉，并且透射所得的结构化照明光(即衍射光束)，以在旋转标尺1710上的第二照明区域IR2处重叠。在图17中示出的实施方式中，光束偏转器构造BDC的第一偏转器元件1773被配置为接收从第一照明区域IR1衍射和输出的源光的相应光束，并且沿着在接近旋转轴RA的交叉区域反射器1780处交叉的会聚光束路径偏转这些相应光束。交叉区域反射器1780在相应光束接近旋转轴RA的交叉处附近反射它们，使得它们继续沿发散光束路径到达光束偏转器构造BDC的第二偏转器元件1774。第二偏转器元件1774接收这些相应光束并偏转它们，使得它们沿会聚光束路径继续，以在接近第二照明区域IR2处重叠并形成照明条纹图案IFP。
第二照明区域IR2被配置为以相对于旋转标尺1710的平面旋转表面的入射角输入照明条纹图案IFP并输出反射的标尺光，以在探测器布置1765的光电探测器构造1760处形成包括探测器条纹图案1735′的周期性标尺光图案1735。特别地，在第二照明区域IR2，结构化照明光1734′的衍射光束干涉并在接近第二照明区域IR2处形成照明条纹图案IFP，使得结构化照明光1734′包括第二照明区域IR2处的照明条纹图案IFP。照明条纹图案IFP包括沿旋转测量方向θ较窄并且沿横向于旋转测量方向θ的照明条纹方向IFD拉长的条纹。照明条纹方向IFD和旋转标尺光栅条方向RSGBD(如图17A所示)之间的角度差被配置为提供包括探测器条纹图案1735′的周期性标尺光图案1735，该探测器条纹图案1735′包括沿旋转测量轴方向MA具有相对较长尺寸并且在旋转标尺1710的位移期间沿探测到的条纹运动方向DFMD移动的条纹，如图17所示。
在图17中示出的特定实施方式中，第一偏转器元件1773和第二偏转器元件1774分别包括第一对透射光栅1773A和1773B以及第二对透射光栅1774A和1774B，这将在下面更详细地描述。第一对透射光栅1773A和1773B被布置在标称平行于旋转平面的平面(例如，光学块1770的平面)上，并且该对的相应光栅被定位为接收从第一照明区域IR1反射和输出的衍射源光1734′(也称为结构化照明光1734′)的相应光束。应当理解，该对光栅中的相应光栅都各自包括光栅条，所述光栅条被配置为(例如，如下面更详细描述的)沿在接近旋转轴RA处交叉的会聚光束路径偏转它们各自的光束，如以上概述的。交叉区域反射器1780位于在接近旋转轴RA处交叉的会聚光束路径附近，并且被配置为反射那些相应光束，以使这些光束从交叉区域反射器1780沿发散光束路径继续。第二对透射光栅1774A和1774B也被布置在标称平行于旋转平面的平面上(例如，与第一对透射光栅1773A和1773B共面)，并且该对的相应光栅被定位为从交叉区域反射器1780沿发散光束路径接收相应光束。该对光栅各自包括光栅条，所述光栅条被配置为(例如，如下面更详细描述的)沿会聚光束路径偏转那些相应光束，以在接近第二照明区域IR2处重叠并形成照明条纹图案IFP，照明条纹图案IFP继而如上所述地操作。
在一些实施方式中，交叉区域反射器1780可以是平面镜。在其他实施方式中，交叉区域反射器1780包括曲面(例如，在一些实施方式中，该曲面的曲率半径是其沿旋转轴RA与包括光栅条GB的旋转标尺1710的平面的分隔距离的量级)。在一些实施方式中，源光1734和衍射光束是标称准直的(例如，通过在照明源1720中包括准直透镜)。然而，在其他实施方式中，照明源1720和光束偏转器构造BDC中的至少一个被配置为使得来自第一照明区域IR1的衍射源光的相应光束在它们的接近旋转轴RA的交叉处附近聚焦，并且最理想地在交叉区域反射器1780处聚焦。在这种“光束聚焦”实施方式中，可以减轻或消除由小的部件未对齐引起的某些误差。
在图17中示出的构造的这种“光束聚焦”实施方式中，在第一对透射光栅1773A和1773B中，该对的相应光栅各自都可以被配置为在其相应光束中接收准直光，并且包括弯曲光栅条，所述弯曲光栅条被配置为沿着在接近旋转轴处交叉的会聚光束路径偏转它们的相应光束，并且将那些相应光束在接近旋转轴处聚焦，并且最理想地在交叉区域反射器1780处聚焦。在第二对透射光栅1774A和1774B中，该对中的相应光栅各自都可以被配置为接收它们各自光束中的发散光，并且包括弯曲光栅条，所述弯曲光栅条被配置为准直和偏转它们各自光束中的光，以沿着会聚光束路径提供准直光束，从而在接近第二照明区域IR2处重叠并形成照明条纹图案IFP。下面参照图18示出并描述了这种光栅对的一种实施方式。在不同的这种“光束聚焦”实施方式中，照明源1720中包括的透镜可以提供在接近旋转轴RA处聚焦的会聚源光1734。在一些这种实施方式中，光束偏转器构造BDC和/或探测器布置1765中的至少一个被配置为使得来自第二照明区域IR2的形成包括探测器条纹图案1735′的周期性标尺光图案1735的标尺光在光电探测器构造1760处被标称准直。例如，在一个这种实施方式中，探测器布置1765可以包括具有与将源光1734聚焦在接近旋转轴RA处的透镜互补的特性的透镜，以在周期性标尺光图案1735中包括的光到达光电探测器1760之前对其进行准直。
如前所述，旋转标尺1710被配置为在第二照明区域IR2处输入照明条纹图案IFP，并以周期标尺光图案1735的形式输出标尺光，该周期标尺光图案1735包括在探测器布置1765的光电探测器构造1760处的探测器条纹图案1735′。该探测器条纹图案1735′包括周期性的高强度和低强度带，它们沿旋转测量方向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的探测到的条纹运动方向DFMD相对较窄且是周期性的，具有探测到的条纹周期PDF。
如图17A中详细示出的，光栅条GB的旋转标尺光栅条方向RSGBD定向为与垂直于测量轴方向MA并沿旋转标尺1710的旋转表面的方向成非零偏航角ψ1。在图17A中，在每个光栅条GB的位置处由径向线RadLine表示垂直于测量轴方向MA的方向，径向线RadLine被定义为从旋转轴RA径向延伸。一般来说，结构化照明生成布置SIGA被配置为使得旋转标尺1710上接近第二照明区域IR2的条纹图案1735′的照明条纹方向IFD被定向为标称条纹方向偏航角，该标称条纹方向偏航角相对于旋转标尺1710上接近第二照明区域IR2的标称或平均旋转标尺光栅条方向RSGBD旋转了非零偏航差角YDA。在图17和图17A中示出的具体实施方式中，第一照明区域IR1和第二照明区域IR2位于接近通过旋转标尺的旋转轴RA的直径的相对端处，并且照明源1720被配置为沿标称照明平面NIP将源光1734输出到第一照明区域IR1，该标称照明平面NIP标称垂直于平面旋转表面并且标称平行于该直径，并且该标称照明平面NIP从该直径偏移标称照明平面偏移IPOff。第一照明区域IR1和第二照明区域IR2各自从该直径偏移标称照明平面偏移IPOff。标称照明平面偏移IPOff被配置为将标称照明平面NIP与第一照明区域IR1中的标尺光栅条GB的标称或平均排布平行对齐。标尺光栅条GB在旋转标尺1710上各处，包括在第二照明区域IR2中，与垂直于测量轴方向MA的方向成非零偏航角ψ1。前述设计原理使得照明条纹方向IFD相对于第二照明区域IR2中的标称或平均旋转标尺光栅条方向RSGBD旋转了非零偏航差角YDA。根据图17A所示的符号，YDA＝(ψ1-ψ2)，其中ψ2从参考点按逆时针方向测量，因此被认为是负数角度。在一些这样的实施方式中，有利地，非零偏航差角YDA被配置为是非零偏航角ψ1的两倍。
在任何情况下，探测到的条纹周期PDF和探测到的条纹运动方向DFMD是横向于旋转测量方向θ的，并且至少部分地取决于非零偏航差角YDA(例如，与参考图7描述的方式类似，取决于非零偏航角ψ1)。当旋转标尺1710围绕旋转轴RA旋转时，高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向θ的探测到的条纹运动方向DFMD移动。探测器布置1765被配置为探测高强度带和低强度带沿横向于旋转测量方向θ的探测到的条纹运动方向DFMD的位移，并且提供指示旋转标尺位移的相应空间相位位移信号。在一个实施方式中，探测器布置1765中的光电探测器构造1760类似于光电探测器560，并且可以参考图6A和图6B来理解。光电探测器构造1760可以包括一组N个空间相位探测器，该N个空间相位探测器沿横向于旋转测量方向的探测条纹运动方向DFMD以探测器间距PD(如图6A和图6B所示)周期性布置。每个空间相位探测器可以被配置为提供相应空间相位探测器信号，并且相应空间相位探测器中的至少大部分可以沿旋转测量方向在相对较长的尺寸上延伸，并且可以沿横向于旋转测量方向的探测器条纹运动方向相对较窄，并且根据先前公开的原理，该组N个空间相位探测器可以沿探测器条纹运动方向以空间相位序列布置。在一些实施方式中，如果探测到的条纹周期PDF为至少40微米，则可以在性能和/或经济性方面存在优势。在一些实施方式中，如果N个空间相位探测器中的每一个包括偶数个标尺光接收器区域，可以在性能和/或经济方面存在优势。
在一些实施方式中，等式6可以适用于旋转光学编码器构造，诸如旋转光学编码器构造1700。在这种情况下，旋转标尺1710提供第一照明源光衍射光栅540和第二照明源光衍射光栅550的等同物，其中P1和P2当前等于标尺间距PSF，PSF可以被认为是角度间距APSF(弧度)乘以从旋转轴RA到照明区域IR1和/或IR2的中心的标称或平均半径，如前所述。由于类似于光学编码器构造1400，源光1734和结构化照明光1734′中的光当前仅穿过两个光栅，所以对于光学编码器构造1700，等式6简化为先前解释过的等式8，将偏航角ψ1与探测到的条纹周期PDF相关联。
提供源光1734和结构化照明光1734′中的入射到旋转标尺1710上两次(即，在第一照明区域IR1和第二照明区域IR2)的光允许更高分辨率的位移测量以及校正旋转编码器构造1700中的各种潜在的未对齐。
图18是示意性地或定性地表示可用作第一对透射光栅1773A和1773B和第二对透射光栅1774A和1774B的光栅图案的图，如先前参考图17所述。在图18中示出的具体实施方式中，在第一对透射光栅1773A和1773B中，该对中的相应光栅都被配置为接收其相应光束中的准直光，并且相应光栅包括弯曲光栅条，所述弯曲光栅条被配置为沿着在接近旋转轴RA处交叉的会聚光束路径偏转其相应光束，并且将那些相应光束聚焦在接近旋转轴RA处，如图17所示。在第二对透射光栅1774A和1774B中，该对的相应光栅都被配置为接收它们的相应光束中的发散光，并且包括弯曲光栅条，所述弯曲光栅条被配置为准直和偏转它们的相应光束中的光，以沿会聚光束路径提供准直光束，从而在接近第二照明区域IR2处重叠并形成照明条纹图案IFP，如图17中所示。然而，更一般地，在各种实施方式中，根据先前概述的原理，替代光栅可以被配置为始终提供准直和偏转的光束。在任何情况下，可以基于商业可用的光学设计程序和/或已知的光栅设计原理，通过设计、模拟和/或实验来确定合适的光栅。
虽然已经图示和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，对本领域技术人员来说，对特征和操作序列图示和描述的布置中的许多变化将是显而易见的。可以使用各种替代形式来实施本文公开的原理。此外，可以组合上述各种实施方式来提供其他实施方式。本说明书中涉及的所有美国专利和美国专利申请通过整体引用并入本文。如果需要，可以修改实施方式的各方面，以采用各种专利和申请的构思来提供其他的实施方式。
根据以上详细描述，可以对实施方式进行这些和其他改变。总的来说，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而是应被解释为包括所有可能的实施方式以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围。

Claims (19)

1.一种用于提供位移信号的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，至少包括第一测量通道，所述第一测量通道包括：
旋转标尺，其围绕垂直于旋转平面的旋转轴沿旋转测量方向延伸，所述旋转标尺包括旋转标尺光栅，所述旋转标尺光栅包括布置在沿所述旋转测量方向延伸的旋转表面上的标尺光栅条，其中，所述标尺光栅条沿所述旋转测量方向是窄的，并且沿横向于所述旋转测量方向的旋转标尺光栅条方向是拉长的，并且沿所述旋转测量方向被以标称标尺间距PSF周期性地布置；
照明源，包括向结构化照明生成布置输出源光的光源，所述结构化照明生成布置包括所述旋转标尺上的第一照明区域、包括至少第一和第二偏转器元件的光束偏转器构造、以及所述旋转标尺上的第二照明区域，其中，所述结构化照明生成布置被配置为将所述源光输入到所述第一照明区域，所述第一照明区域衍射所述源光并将所述源光作为结构化照明光输出到所述光束偏转器构造，所述光束偏转器构造被配置为使得所述结构化照明光的衍射光束彼此交叉，并将所得的结构化照明光传送到所述旋转标尺上的第二照明区域，并在接近所述第二照明区域处形成照明条纹图案，所述照明条纹图案包括条纹，所述条纹沿所述旋转测量方向是窄的并且沿照明条纹方向是拉长的，所述照明条纹方向定向为横向于所述旋转测量方向；以及
探测器布置，包括光电探测器构造，所述光电探测器构造包括一组N个空间相位探测器，所述N个空间相位探测器沿横向于所述旋转测量方向的探测到的条纹运动方向被以探测器间距PD周期性地布置，其中，每个空间相位探测器被配置为提供相应空间相位探测器信号，并且相应空间相位探测器中的至少大部分沿所述旋转测量方向在相对较长的尺寸上延伸并且沿横向于所述旋转测量方向的探测到的条纹运动方向相对较窄，并且该组N个空间相位探测器沿所述探测到的条纹运动方向被以空间相位序列布置；
其中：
所述旋转标尺光栅条方向被定向为在所述旋转表面上相对于与所述测量轴方向垂直并且沿所述旋转表面的方向成非零偏航角ψ；
所述结构化照明生成布置被配置为使得接近所述旋转标尺上的第二照明区域的照明条纹图案的照明条纹方向被定向于标称条纹方向偏航角，所述标称条纹方向偏航角在接近所述旋转标尺上的第二照明区域处相对于标尺光栅条方向旋转非零偏航差角YDA；
所述旋转标尺光栅被配置为在所述第二照明区域输入所述照明条纹图案，并且输出标尺光，所述标尺光在所述光电探测器构造处形成包括探测器条纹图案的周期性标尺光图案，所述探测器条纹图案包括周期性的高强度带和低强度带，所述周期性的高强度带和低强度带沿平行于所述旋转测量方向的方向在相对较长的尺寸上延伸，并且沿横向于所述旋转测量方向的探测到的条纹运动方向相对较窄且是周期性的，具有探测到的条纹周期PDF；
所述探测到的条纹周期PDF和所述探测到的条纹运动方向横向于所述旋转测量方向，并且至少部分地取决于所述非零偏航角ψ；
当所述标尺光栅围绕所述旋转轴旋转时，所述高强度带和低强度带沿横向于所述旋转测量方向的探测到的条纹运动方向移动；并且
所述光电探测器构造被配置为探测所述高强度带和低强度带沿横向于所述旋转测量方向的探测到的条纹运动方向的位移，并提供指示所述旋转标尺位移的相应空间相位位移信号。
2.根据权利要求1所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中，所述非零偏航差角YDA标称为-2ψ。
3.根据权利要求1所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中，所述N个空间相位探测器中的每一个包括偶数个标尺光接收器区域。
4.根据权利要求1所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中，所述探测到的条纹周期PDF为至少40微米。
5.根据权利要求1所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中，所述偏航角ψ满足以下关系：
Figure FDA0002220817570000021
6.根据权利要求1所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述旋转标尺是圆柱型旋转标尺，所述圆柱型旋转标尺具有标称圆柱形旋转表面，所述标尺光栅条布置在所述旋转表面上；以及
所述第一和第二照明区域位于接近所述圆柱型旋转标尺的直径的相对端处，并且所述照明源被配置为沿着与所述第一和第二照明区域相交的线将所述源光输出到所述第一照明区域，并且所述光束偏转器构造布置在由所述圆柱形旋转表面沿旋转轴的方向的投影所限定的体积中。
7.根据权利要求6所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述光束偏转器构造被配置为接收从所述第一照明区域输出的衍射源光的相应光束，并且沿接近所述旋转轴交叉的会聚光束路径偏转这些相应光束，使得它们沿发散光束路径继续，并且被配置为接收这些相应光束并偏转它们，使得它们沿会聚光束路径继续，以在接近所述第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案。
8.根据权利要求7所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述照明源和所述光束偏转器构造中的至少一个被配置为使得所述衍射源光的相应光束在接近它们的接近旋转轴的交叉处聚焦；并且
所述光束偏转器构造和所述探测器布置中的至少一个被配置为使得形成包括所述探测器条纹图案的周期性标尺光图案的所输出的反射的标尺光在所述光电探测器构造处被标称准直。
9.根据权利要求7所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述光束偏转器构造包括第一和第二平行的平面镜或光栅，所述第一和第二平行的平面镜或光栅位于所述旋转轴的相对侧并且具有各自表面平面，所述表面平面平行于与所述第一和第二照明区域相交的圆柱形旋转标尺的直径延伸，并且各自被定向为接收从所述第一照明区域输出的衍射源光的相应光束；以及
所述第一和第二平行的平面镜或光栅还被配置为接收从所述第一照明区域输出的衍射源光的相应光束，并且沿接近所述旋转轴交叉的会聚光束路径偏转这些相应光束使得它们沿发散光束路径继续，并且接收这些相应光束并偏转它们，使得它们沿会聚光束路径继续，以在接近所述第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案。
10.根据权利要求7所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，还至少包括符合所述第一测量通道的所述构造的第二测量通道，其中，所述第一和第二测量通道的相应空间相位位移信号的组合或从其导出的测量减轻或补偿潜在的未对齐误差，所述潜在的未对齐误差否则可能会出现在所述第一和第二测量通道的独自的空间相位位移信号或从其导出的测量中。
11.根据权利要求10所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述第一测量通道包括沿所述旋转标尺上的第一标尺轨道以偏航角ψ布置的标尺光栅条；
所述第二测量通道包括沿所述旋转标尺上的第二标尺轨道以偏航角-ψ布置的标尺光栅条，所述第二标尺轨道沿所述旋转轴方向与所述第一标尺轨道分离；以及
所述第一和第二测量通道共享单个光束偏转器构造。
12.根据权利要求1所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述旋转标尺是具有平面旋转表面的平面圆型旋转标尺，在所述平面旋转表面上以恒定的角度间距APSF布置反射标尺光栅条；
所述第一测量通道的照明源、光束偏转器构造以及探测器布置都布置在所述旋转标尺的同一侧；
所述第一和第二照明区域位于接近所述旋转标尺的直径的相对端处，并且所述照明源被配置为沿着与所述第一和第二照明区域相交的平面并且以相对于该平面中的平面旋转表面的入射角，将所述源光输出到所述第一照明区域；
所述光束偏转器构造被配置为接收从所述第一照明区域反射和输出的衍射源光的相应光束，并且沿接近所述旋转轴交叉的会聚光束路径偏转这些相应光束，并且在接近这些相应光束的接近所述旋转轴的交叉处反射这些相应光束，使得它们沿发散光束路径继续，并且接收这些相应光束并偏转它们，使得它们沿会聚光束路径继续，以在接近所述第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案；以及
所述第二照明区域被配置为以相对于所述平面旋转表面的入射角输入所述照明条纹图案并输出反射的标尺光，以在所述光电探测器构造处形成包括所述探测器条纹图案的周期性标尺光图案。
13.根据权利要求12所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述照明源和光束偏转器构造中的至少一个被配置为使得所述衍射源光的相应光束在接近它们的接近旋转轴的交叉处聚焦；以及
所述光束偏转器构造和探测器布置中的至少一个被配置为使得形成包括所述探测器条纹图案的周期性标尺光图案的所输出的反射的标尺光在所述光电探测器构造处被标称准直。
14.根据权利要求12所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述光束偏转器构造包括第一和第二对透射光栅和交叉区域反射器；
所述第一对透射光栅被布置在标称平行于所述旋转平面的平面表面上，并且该对的相应光栅被定位为接收从所述第一照明区域反射和输出的衍射源光的相应光束，并且该对的相应光栅各自包括光栅条，所述光栅条被配置为沿接近所述旋转轴交叉的会聚光束路径偏转它们的相应光束；
所述交叉区域反射器被定位为接近所述会聚光束路径在接近所述旋转轴处的交叉处，并且被配置为反射那些相应光束，以使那些相应光束从交叉区域反射器沿发散光束路径继续；以及
所述第二对透射光栅被布置在标称平行于所述旋转平面的平面表面上，并且该对的相应光栅被定位为接收沿所述发散光束路径的相应光束，并且该对的相应光栅各自包括光栅条，所述光栅条被配置为沿会聚光束路径偏转那些相应光束，以在接近第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案。
15.根据权利要求14所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
在所述第一对透射光栅中，该对的相应光栅各自被配置为接收它们的相应光束中的准直光，并且包括弯曲光栅条，所述弯曲光栅条被配置为沿接近所述旋转轴交叉的会聚光束路径偏转它们的相应光束，并且在接近所述旋转轴处聚焦那些相应光束；以及
在所述第二对透射光栅中，该对的相应光栅各自被配置为接收它们的相应光束中的发散光，并且包括弯曲光栅条，所述弯曲光栅条被配置为准直和偏转它们的相应光束中的光，以沿会聚光束路径提供准直光束，从而在接近所述第二照明区域处重叠并形成照明条纹图案。
16.根据权利要求14所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中所述交叉区域反射器包括曲面。
17.根据权利要求12所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中：
所述第一和第二照明区域位于接近穿过所述旋转标尺的旋转轴的直径的相对端处，并且所述照明源被配置为沿标称照明平面将所述源光输出到所述第一照明区域，所述标称照明平面标称垂直于所述平面旋转表面并且标称平行于所述直径，并且所述标称照明平面从所述直径偏离标称照明平面偏移；
所述第一和第二照明区域各自从所述直径偏移所述标称照明平面偏移；以及
所述标称照明平面偏移被配置为使所述标称照明平面与所述第二照明区域中的标尺光栅条的标称或平均排布平行对齐，所述标尺光栅条相对于与所述测量轴方向垂直并沿所述旋转表面的方向具有非零偏航角，这导致所述标称条纹方向偏航角相对于所述第二照明区域中的标称照明平面旋转非零偏航差角YDA。
18.根据权利要求17所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中所述非零偏航差角YDA被配置为是非零偏航角ψ的两倍。
19.根据权利要求1所述的耐污染和耐缺陷旋转光学编码器构造，其中所述光束偏转器构造包括透明光学块，并且所述光束偏转器构造的偏转器元件包括所述透明光学块的表面，或者形成在所述透明光学块的表面上或附着到所述透明光学块的表面的元件。
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