CN1253699C - 对偏移具有低灵敏度的光学位移传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了-种用于测定衍射标度光栅相对位移的光位移传感装置，该光栅可以具有小于传感装置光波长的光栅间距。该传感装置包括分光束输入部分用于沿各自光路输入两条分光束，和光路引导部件用于沿会聚光路引导两条分光束至标度光栅上的第一区而沿发散光路产生两条衍射光束。该传感装置进一步包括后向反射部件用于接收两条发散衍射光束并沿光路后向反射它们，该光路向标度光栅上的第二区会聚，从而产生两条后衍射光束，然后将这两条后衍射光束引导至共享区。可安置后向反射器以消除跨接光束并不需要偏光器。光检测器检测至少一个产生于共享区的发光特性，因而检测到标度光栅沿测量轴的位移。

Description

对偏移具有低灵敏度的光学位移传感装置

对相关申请的交叉引用

本申请是美国专利申请10/101031(申请日为2002年3月18日)的继续申请。因此，根据美国专利法第120章节的第35条的规定，其优选权日为上述申请的申请日。

发明领域

本发明涉及一种传感装置，尤其是一种光学位移传感装置，该装置利用光束干扰对衍射光栅的相对位移进行检测，其对偏移具有低灵敏度。

发明背景

本文中描述了一种光学位移传感装置或一种光学编码器，其能够克服在高精确度测量中此种类型装置的设计者们所面临的几个最重要的问题。如果一光学位移传感装置对光栅表面位移进行高精确度的测量(例如亚微米的分辨率及精确度)，则该传感装置必须能够在非常高的精确度水平上有效地消除或减弱上述测量中所出现的任何失真。现有的光学位移传感装置在所需的精确度和分辨率水平上，不能经济实用地从测量中消除或显著地降低某些失真或参数漂移所引起的不良效果。在使用这些装置中经常遇到的问题源自于测量时所用光源的波长发生改变，如所伴随的衍射角度改变、光路改变、以及具有不同长度的两条光路上所发生的波长改变，这影响了它们的相位和干涉图形。

另一个问题与非常小的光栅周期有关。为了达到高的测量分辨率，最好使用具有尽可能小的光栅周期(d)的标度光栅。根据公式d＞λ/2，通过光源的波长λ确定d的下限。然而，除非采用专门的设计，否则使用如此短的光栅周期的编码器很难达到足够的横向偏移精度，同时还需要昂贵的设备，或在安装过程中需要花费大量的时间和精力。横向偏移是指光学读数头相对于光栅，在与光栅平行的平面上所发生的旋转。

如果产生横向偏移，源于标度的所需输出光束相互之间将不再平行并产生相关的“失真”干涉条纹。与干涉光束照射的检测器区域的直径相比，如果该失真干涉条纹周期较小，那么由于光栅的旋转而对信号进行的必需的调制将会显著地减弱，这是因为某些失真干涉条纹周期将落在检测器区域内并且检测器信号将趋向于这些失真干涉条纹的恒定平均强度。当使用那些用于实际应用的光学检测器以及接近于前述的λ/2限值的光栅周期时，为了避免上述效应，在没有采用专门设计的情况下，横向偏移必须小于约0.1毫弧度。上述在校准方面的要求，对于许多使用者和应用来说是不实际的。众所周知，为了克服上述横向偏移的问题，可以在光学编码器的光路上并入后向反射器，如Dieter的美国专利5079418和Nishimura的美国专利4930895中所描述的，这些专利申请为本文的参考文献。然而，这些后向反射器的设置并没有同时考虑到光学读数头简洁而经济的设计和包装：当光栅周期大于或小于光源波长时，上述装置是否可用；以及对于不同参数漂移测量的不敏感——包括横向偏移之外的偏移。为了达到目前所需的测量分辨率和精确度，必须同时考虑上述这些设计因素并选择适当的折衷方法。

特别是在光学位移传感装置中，包括动态位置偏移的参数漂移是重要的误差来源。本文中，术语“动态偏移或漂移“是指不论何种原因，某一校准成分或参数在一个位移位置和另一个位移位置之间发生的变化，或者在某一时间间隔内，某一校准成分或参数在同一位移位置上发生的变化。那些可能会在实际应用中产生的动态位置偏移和漂移的范围是指，读数头和光栅之间的间隙变化、间距间距(pitch)(围绕一个与光栅平行但垂直于测量轴的轴旋转)、横向偏移(围绕测量轴的平行轴进行旋转)，转动(围绕与测量轴平行的轴旋转)以及光源波长发生的漂移。本文中所引用的Ishizuka的美国专利申请5146085，以及上述提及的美国专利申请4930895中均披露了对与间距(pitch)有关的误差不敏感的光学读数头结构。然而，当考虑到后向反射器以及同时考虑上面述及的其他各种设计因素时，这些结构就不具备多种功能，而且不够坚固。因此，在设计和应用具有高分辨率的编码器的过程中，与读数头和光栅之间的相对间距(pitch)偏移有关的误差灵敏度问题是最难降低的误差来源。

而且，专利申请US5146085和US4930895中的构造会引入新的问题，该问题是由于将某一光束反射至产生该光束的光源中所引起的，其可以导致光源波长的不稳定。而且，这些装置中需要偏振器，其减弱了光学检测器中可利用的光，因此可能会限制或不允许某些检测器使用上述结构，和/或对系统动力提出更高的要求，从而使这些结构在某些应用中会较为复杂，或限制这些结构在某些应用中的使用。

本发明的目的是提供光学读数头装置，它们适合于简洁、经济的设计和包装，在光栅周期大于或小于光源波长的情况下也同样适用，同时，对多种参数漂移(至少包括动态横向偏移和间距(pitch)偏移)基本上是不敏感的。某些装置还避免或限制了光检测器所用光的减弱，和/或避免了将光束反射至光源中。

发明概述

本发明提供一种光学位移传感装置或光学编码器读数头，用于确定沿测量轴某一衍射光栅标度所发生的相对位移。光栅可以是反射性的，光栅间距可以小于编码器读数头的光波长。在一个实施例中，该传感装置包括：一分裂光束输入部分，其用于输入两束分裂光束，这两束光束沿着各自的光路传播；光束导向元件，其引导上述两束分裂光束沿着各自的会聚光路至标度光栅的第一区域，从而产生两个衍射光束，这两个衍射光束沿着各自的光路分开进入两个后向反射器元件中，这两个后向反射器元件接收上述两个衍射光束并将它们后向反射成两个单独的后向反射光束沿着会聚光路至标度光栅的第二区域，从而产生两个随后的衍射光束，然后这两个随后产生的衍射光束被引向一共享区域；和光学检测器。该光学检波器检测出至少一个来自于上述共享区域的照明特性，从而检测出该光栅标度沿着测量轴所发生的相对位移。

按照本发明的一个方面，通过将两束分裂光束沿着各自的会聚光路导向至标度光栅上的第一密集区域，可减小该装置对动态间距(pitch)偏移的灵敏度。

按照本发明的另一个方面，通过将两束衍射光束沿着各自的会聚光路回射至标度光栅上的第二区域，基本上消除了该装置的动态横向偏移灵敏度，同时进一步减小了该装置对动态间距(pitch)偏移的灵敏度。

按照本发明的另一个方面，该传感器装置可以与两个不同的斜面对准，这两个斜面之间相互倾斜并且平行于测量轴。不同的倾斜结构可以防止不同光束之间产生不需要的混合，同时更有利于对该装置进行简单的设计和包装。

按照本发明的另一个方面，在一个实施例中，上述两个分离的光束沿着各自的光路会聚在一起到达标度光栅上的第一区域，相对于后向反射器所接收的光束对后向反射器进行定位，从而使回射出的两束光束沿着各自的会聚光路进行返回，直至到达一假想的平面，该平面平行并邻近于标度光栅上的第二区域，然后这两个光束在剩余的一小段距离上分开到标度光栅上的第二区域。该装置在标度光栅上具有光程长度和光点，从而进一步减少了装置对动态间距(pitch)偏移的灵敏度，同时有利于对该装置进行简单的设计和包装。

按照本发明的另一个方面，在一实施例中，上述两个分裂光束沿着各自的光路会聚至一假想平面，该平面平行并邻近于标度光栅上的第一区域，然后在剩余的一小段距离上分开到标度光栅上的第一区域，并且相对于后向反射器所接收的光束对后向反射器进行定位，从而使两回射光束沿着各自的会聚光路到达标度光栅上的第二区域。该装置在标度光栅上具有光程长度和光点，从而进一步减少了装置对动态间距(pitch)偏移的灵敏度，同时有利于对该装置进行简单的设计和包装。

按照本发明的另一个方面，分开进入两个后向反射器部件的光路各自接收一衍射光束，这两个衍射光束分别仅仅来源于两分裂光束中的一个，从而避免了在编码器读数头上安装偏振器。

按照本发明的另一个方面，两个随后产生的衍射光束的光路各自接收一随后产生的衍射光束，这两个衍射光束分别仅仅来源于两回射光束中的一个，从而避免了在编码器读数头上安装偏振器。

按照本发明的另一个方面，在各个实施例中，被引向第一区域的光束在第一对光点撞击标度光栅，第一对光点被沿着测量轴方向上的第一距离分离开来。被引向第二区域的两光束在第二对光点撞击标度光栅，第二对光点被沿着测量轴方向上的第二距离分离开来。在一个实施例中，第一距离和第二距离是相等的。在进一步的实施例中，第一对光点和第二对光点是沿着与测量轴相垂直的方向进行排列的。

按照本发明的另一个方面，传感装置可以如此构造：即，使得分裂光束在一定的角度范围内撞击第一区域，从而减弱装置对某些误差的灵敏度，这些误差至少与动态间距(pitch)改变和波长偏移有关。同时，有利于对该装置进行简单的设计和包装。

按照本发明的另一个方面，光束导向元件包括由一段透明材料制成的两个相对表面，从而能够简单、经济、结实地制造该部件，并对该元件进行精确的定位。

按照本发明的另一个方面，后向反射器元件由一段透明材料的各个角构成，从而提供一种简单、经济、结实的方式来地制造和精确定位这些后向反射器部件。

按照本发明的另一个方面，一个读数头光栅产生两个分裂光束，并且传感装置可以如此构造：即，使得该读数头以及后向反射器位于同一个装置内，从而减少该装置对某些误差的灵敏度，这些误差至少与动态间距(pitch)改变和波长偏移有关。

按照本发明的另一个方面，该传感器装置包括一个位于第一高度的输入光栅，以及一个位于第二高度的输出光栅，其中后向反射器位于输入光栅高度和输出光栅高度中间的一个高度上。

按照本发明的另一个方面，分束器产生两个分裂光束，并且传感装置可以如此构造：即，使得分束器和后向反射器位于同一个装置内，从而减少该装置对某些误差的灵敏度，这些误差至少与动态间距(pitch)改变和波长偏移有关。

按照本发明的另一个方面，在各个实施例中，偏振装置可以用于光学检测器。同时在其他实施例中，也可以采用一种简便的光阵列用于光学检测器。

因此，本发明克服了现有技术中的不足之处。本发明中的光位移传感装置结构简便、经济，并且适用于光栅周期大于和小于所使用的光波长的情况。同时，该装置对至少包括动态横向偏移和间距(pitch)偏移的各种参数漂移基本上不敏感。

附图简述

以下将结合附图对本发明进行详细描述，从而更加容易地理解上面所提及的本发明的各个方面以及优点。其中：

附图1是第一现有技术光学位移传感装置的光路侧视图。

附图2是第二现有技术光学位移传感装置的侧视图。

附图3是第三现有技术光学位移传感装置的侧视图。

附图4是按照本发明第一实施例的光学位移传感装置的三维概念图。

附图5A按照是本发明第二实施例的光学位移传感装置的三维概念图。

附图5B是附图5A中的光学位移传感装置的侧视图。

附图5C是附图5A中的光学位移传感装置的顶视图。

附图5D是附图5A中的光学位移传感装置的端视图。

附图6是一三维示意图，对用于描述本文的光路方向的几何部件和符号进行说明。

附图7是一三维示意图，使用附图6中所示的几何部件和符号表示通用的输入光线方向和从衍射光栅所产生的衍射光线的锥形分布。

附图8是一误差表，表示附图1的现有技术光学位移传感装置中与各种初始和动态偏移和漂移有关的误差。

附图9是一误差表，表示附图5A-5D以及附图12A-12D的光学位移传感装置中与各种初始和动态偏移和漂移有关的误差。

附图10A是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第一读数头光栅的操作。

附图10B是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第二读数头光栅的操作。附图10C是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第三读数头光栅的操作。

附图10D是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第四读数头光栅的操作。

附图10E是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第五读数头光栅的操作。

附图11A是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第一分束器的操作。

附图11B是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第二分束器的操作。

附图11C是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第三分束器的操作。

附图11D是一三维图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第四分束器的操作。

附图12A是按照本发明第三实施例的光学位移传感装置的三维概念图。

附图12B是附图12A中的光学位移传感装置的侧视图，包括一个用做范例的读数头的外壳部分。

附图12C是附图12A中的光学位移传感装置的顶视图。

附图12D是附图12A中的光学位移传感装置的端视图。

附图13的图形显示本发明中的光学位移传感装置在不同的入射角度下，有关动态间隙偏移和波长改变的误差灵敏度数据。

附图14的表格显示本发明中的光学位移传感装置在不同的入射角度下，有关照明点的长度数据和有关读数头大小的数据。

附图15的图形显示本发明中的光学位移传感装置在波长为635nm时，在不同的入射角度和不同的斜面角度下，有关动态间隙偏移的误差灵敏度数据。

附图16的图形显示本发明中的光学位移传感装置在波长为405nm时，在不同的入射角度和不同的斜面角度下，有关动态间隙偏移的误差灵敏度数据。

附图17的图形显示本发明中的光学位移传感装置在波长为635nm时，在不同的入射角度和不同的斜面角度下，有关波长漂移的误差灵敏度数据。

附图18的图形显示本发明中的光学位移传感装置在波长为405nm时，在不同的入射角度和不同的斜面角度下，有关波长漂移的误差灵敏度数据。

附图19是按照本发明第四实施例的光学位移传感装置的三维概念图。

附图20A是按照本发明第五实施例的光学位移传感装置的概念侧视图。

附图20B是附图20A中的光学位移传感装置的顶视图。

附图20C是附图20A中的光学位移传感装置的端视图。

附图21是具有偏振装置的光学检测器的侧视图，该偏振装置可以用于本发明的不同实施例中。

附图22A是按照本发明第六实施例的光学位移传感装置的侧视图。

附图22B是附图22A中的光学位移传感装置的顶视图。

附图22C是附图22A中的光学位移传感装置的端视图。

附图23是按照本发明第七实施例7的光学位移传感装置的侧视图。

附图24是按照本发明第八实施例的光学位移传感装置的侧视图。

附图25是一三维示意图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第一示范透明材料段。

附图26A是一三维示意图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第二示范透明材料段。

附图26B是附图26A中的透明材料段的侧视图。

附图26C是附图26A中的透明材料段的端视图。

附图27A是一三维示意图，用于说明按照本发明的各种实施例中所用的第三示范透明材料段。

附图27B是附图27A中的透明材料段的侧视图。

附图27C是附图27A中的透明材料段的端视图。

附图28是按照本发明各个实施例的光学位移传感装置的第一使用方法的流程图。

附图29A是按照本发明第九实施例的光学位移传感装置的侧视图。

附图29B是附图29A中的光学位移传感装置的顶视图。

附图29C是附图29A中的光学位移传感装置的端视图。

附图29D是按照附图29A-29C所示实施例9的标度上所形成的一个示范点图案的顶视图。

附图30A是第三透明材料段的三维示意图，其可用于按照本发明第11实施例的光学位移传感装置的各种示范例中。

附图30B是附图30A中的透明材料段的侧视图。

附图30C是附图30A中的透明材料段的顶视图。

附图30D是附图30A中的透明材料段的端视图。

附图30E是附图30A-30D中的第10实施例的侧视图。

附图30F是附图30A-30D中的第10实施例的端视图。

附图30G是在附图30A-30F中的第10实施例的标度光栅上所形成的一个公称点图案的顶视图。

附图30H为一顶视图，用于说明在附图30A-30D所示的透明材料段的各种实施例中用于阻断交叉光束的一个示范元件。

附图31为一框图，用于说明与附图30A所示第三示范透明材料段的输入光栅、输出光栅以及隅角棱镜的高度有关的第一示范实施例；

附图32为一误差表，用于说明对应于附图30A-30G和附图31的光学位移传感装置中与不同初始和动态偏移和漂移有关的误差；

附图33为一框图，用于说明与附图30A所示第三透明材料段的输入光栅、输出光栅以及隅角棱镜的高度有关的第二示范实施例；

附图34为一误差表，用于说明对应于附图30A-30G和附图33的光学位移传感装置中与不同初始和动态偏移和漂移有关的误差；

附图35A是第四示范透明材料段的三维示意图，其可用于按照本发明第11实施例的光学位移传感装置的各种范例中。

附图35B是附图35A中的透明材料段的侧视图。

附图35C是附图35A中的透明材料段的顶视图。

附图35D是附图35A中的透明材料段的端视图。

附图35E是附图35A-35D中第11实施例的侧视图。

附图35F是附图35A-35D中第11实施例的端视图。

附图35G是在附图35A-35F所示第11实施例的标度光栅上所形成的一个公称点图案的顶视图。

附图36是按照本发明各个实施例的光学位移传感装置的第二使用方法的流程图。

优选实施例的详细描述

本发明提供一种具有高分辨率的位移传感装置或光学编码器，该装置简单、结实、经济，同时该装置对至少包括动态横向偏移和间距(pitch)偏移的多种参数漂移基本上不敏感。该装置具有多种用途，可适用于大于或小于所使用光波长的光栅周期。

附图1为第一现有技术光学位移传感装置中的光路的侧视图。为了清楚起见，在该图中各个光线之间的距离被放大。图中显示出相对位移轴和/或测量轴方向101。作为输入光线100a和100b的来源的光束传播至读数头光栅102。读数头光栅102为一透射式衍射光栅。在位置110处开始追踪光线。位置110为一波前，在该位置输入光线100a和100b具有相同的光相位。选择波前作为光线起始点的目的是，当光线穿过该系统时，两光线能够到达同一个输出检测点106。

光线100a在横向偏移点X₄处被衍射，并产生光线N₄，即选择出的衍射级。光线N₄在反射点X₅处从标度表面104上衍射，形成衍射光线N₅。衍射光线N₅通过标度表面104和读数头光栅102之间的间隔。然后，光线N₅在透射点X₆透射过读数头光栅102，并产生零级透射光线N₆，该透射光线传播至输出检测点106。类似地输入光线100b在透射点X₁透射过读数头光栅102，并产生零级透射光线N₁，然后该透射光线通过读数头光栅102和标度表面104之间的间隔。光线N₁在反射点X₂处从标度表面104上衍射，形成衍射光线N₂，即选择出的衍射级。光线N₂在横向偏移点X₃处从读数头光栅102上衍射，并产生光线N₃，即选择出的衍射级。然后，光线N₃平行或近似平行于透射光线N₆传播至输出检测点106。同时应该注意的是，偏移点X₁和X₄可以是同一个点，偏移点X₃和X₆可以是同一个点。

附图1中现有技术的目的是，说明不对装置作出改进以克服动态偏移的效果时其中存在的根本问题。所要求的本发明的一个主要目的是，提供精确的输出光束信号及相关测量，同时排除静态和动态偏移之间的各种组合。本发明所克服的动态偏移的主要来源是位移传感装置相对于靶物的运动过程中所产生的偏移，其原因是由于轴承有缺陷以及由于光栅表面存在弯曲和波纹而引起的偏移。例如，弯曲和波纹可以由测量标度和/或连接测量光标度和靶物或中间固定件的连接层上厚度不均所导致，也可以由符合固定件表面弯曲状况的测量标度引起。附图1显示标度表面104高于与读数头光栅102相平行的起始表面或理想表面，并且或者与测量轴方向101呈一角度108。角度108代表标度表面104相对于光学位移传感装置所发生的动态间距(pitch)偏移。

例如由于扭曲、热变形或在反射点X₂和X₅之间的高度上产生变化的位移而引起的角度108的动态间距(pitch)偏移，可以改变点X₁-X₆的位置，光线在X₁-X₆处与光栅相交。光线与光栅相交位置的改变导致光线N₃和N₆之间的相位差发生变化，该变化不能与其它由于光栅表面104沿着测量轴方向101发生预定位移而导致的相位差的改变区分开来，从而产生了测量误差。该误差将与随后在对标度表面104的偏移进行连续测量过程中所发生的动态偏移的强度呈正比。因此需要有一种装置能够克服由于动态偏移所产生的误差，该动态偏移是在使用附图1中所示现有技术的装置进行测量时产生的。

附图2是第二现有技术即US5146085A中所披露的光学位移传感装置的侧视图。其中，附图标记1为一光源，该光源由一个激光器二极管构成，附图标记2为一准直透镜，附图标记9表示一偏振分束器，附图标记5为一衍射光栅，其中在线性标度或旋转标度上具有间距P，附图标记61和62为平面镜，附图标记7A和7B为波片，附图标记6为非偏振分束器，附图标记71和72表示偏振元件(如起偏振片或偏振分束器)，附图标记81和82为光接收元件。光源1发出波长为λ的激光束，该激光束用准直透镜2进行对准，该平行光束进入偏振分束器9后，被分为两束光束R1和R2，R1和R2的偏振方位相互垂直。光束R1是通过偏振分束器9反射出的S-偏振光，光束R2是通过偏振分束器9透射出的P-偏振光。光束R1沿着由平面镜61所形成的光路L1传播，光束R2沿着由平面镜62所形成的光路L2传播。光束R1和R2通过波片7A和7B，然后以入射角θo＝θb＝sin^-1(λ/2P)入射至衍射光栅5上的点P1。然后经衍射光栅5的反射和衍射得到光束R1和R2。光束R1的+1次衍射光(R1+)和光束R2的-1次衍射光(R2-)各自沿着原光路L1和L2传播，并通过波片7A和7B。沿着光路L1反方向传播的+1次衍射光和沿着光路L2反方向传播的-1次衍射光各自经平面镜61和62反射至偏振分束器9，并重新被偏振分束器9叠加在一起。+1次衍射光经波片7B成为P-偏振光，-1次衍射光经波片7A成为S-偏振光，因此，这两个光束从偏振分束器9发出时相互叠加在一起，并且没有任何损失。重叠在一起的两个光束通过波片53，成为圆偏振光。

然后，非偏振分束器6将光束分成两个光量相等的光束。用偏振元件72从上述两光束中的一个光束中分离出一特定的偏振光，然后该偏振光进入光接收元件82，用偏振元件71从上述两光束中的一个光束中分离出一特定的偏振光，然后该偏振光进入光接收元件81。光接收元件81和82输出周期信号，其各自与标度的位移相一致。根据本领域技术人员所公知的方法，周期信号以“正交”(quadrature)形式输出。附图2所示装置的详细结构和操作参见专利申请US5146085。

附图2中所示的现有技术的装置基本上消除了上面附图1中的动态间距(pitch)偏移灵敏度。然而，该装置也存在有一些缺陷。该装置中没有用于减少横向偏移灵敏度的装置。当存在横向偏移时，从标度返回的输出光线之间相互不再平行，即使存在很小的横向偏移，光检测图中提供的信号也将产生大的误差。因此，该装置不是很坚固耐用，其在安装和使用过程中需要非常地小心。特别是当衍射光栅5上的间距P很小时，上述情况更加明显。此外，零次光束在点P1处反射“交叉”至相反的光路上，“交叉光束”与所希望得到的衍射光线结合在一起，而这种结合是不希望有的。交叉光束的光必须通过偏振分束器9将其从各自的光路上除去。因此，该装置必须使用偏振器，这样在某些情况下就在编码器读数头的制造和/或装配方面造成了不必要的限制，同时其也浪费了光能量。进一步地，附图2中披露的装置位于一平面内，该平面与标度垂直。这样反射光和衍射光的一部分可能会返回至光源，导致光源的不稳定性。进一步地，入射角完全由波长λ以及光栅间距P决定，在某些情况下就在编码器读数头的包装和尺寸方面造成了不必要的限制。因此需要有一种装置来克服上述缺陷。

附图3为现有技术3即专利申请US4930895中披露的光学位移传感装置的侧视图。图3中附图标记1为半导体激光器。附图标记2为一准直透镜，附图标记9为一偏振分束器，附图标记5为一光学标度，其具有一衍射光栅，间距为P，附图标记61和62为平面镜，附图标记8A和8B为波片，附图标记6为激光分束器，附图标记71和72为起偏振片，它们的偏振轴之间形成45°的夹角，附图标记81和82为光接收元件，它们能够对干涉条纹进行光电转换。附图标记11为指数分布型“粘附透镜”(stick lens)，其中有一反射膜片12共同构成了反射元件20，该反射元件基本上将进入的光反射回该光线进入该反射元件所经过的光路。从半导体激光器1发出的相干光束经准直透镜2对准进入偏振分束器9中，其被分为透射光线和反射光线，该两束光线的偏振方位相互垂直。该透射光线和反射光线各自通过波片8A和8B，成为圆偏振光，然后在点P1处倾斜进入光学标度5，从光学标度5发出的m次衍射光基本上垂直于光学标度5的衍射光栅表面。也就是说，进入光学标度5的每个光束满足θm＝sin^-1(mλ/P)，其中P为光栅周期，λ为半导体激光器1发出的光的波长，m为整数，θm为入射角，即入射光束与垂直于衍射光栅表面的直线之间的夹角。衍射光基本上垂直于衍射光栅表面衍射出去，并形成一共同光路，然后衍射光进入反射元件20，从而沿着原光路被反射回去，之后被平面镜61和62反射并透射过波片8A和8B，并再次进入偏光分束器9中，从偏光分束器9中衍射出的衍射光重叠在一起，通过波片53转化成圆偏振光，其各自的方向相反。

叠加在一起的光被分束器6分为两个光束之后，通过偏振片72和71转化成线偏振光，此后各自进入光接收元件82和81。光接收元件81和82输出周期信号，其各自与标度的位移相一致。根据本领域技术人员所公知的方法，周期信号以“正交”(quadrature)形式输出。由于接收到的光线被光学标度5两次衍射成为m次光，一次衍射是在进入反射元件20之前，一次在此之后，当光栅以一个间距增量移动时，周期信号经过了4m个周期。附图3中装置的详细结构和操作参见专利申请US4930895。

附图3中所示现有技术的装置基本上消除了上面附图1中的动态间距(pitch)偏移灵敏度。而且，该装置基本上消除了由于反射元件20所产生的横向偏移灵敏度，该反射元件为一种后向反射器。然而，该装置具有前述附图2所示装置中的其它所有缺陷。另外还有一个缺陷就是，当光栅间距P小于光波长λ时，该装置就不能使用。也就是说，在这种情况下方程θm≈sin^-1(mλ/P)无解。此外，即使该装置可以使用，零次光束在点P1处反射“交叉”至相反的光路，进入反射元件20与反射元件20反射出的衍射光束在共同的光路上混合在一起。这样，“交叉光束”与所希望得到的衍射光线混合在一起，而这种混合是不希望有的。交叉光束的光必须通过偏振分束器9将其从各自的光路上除去。因此，该装置必须要使用偏振器，这样在某些情况下就在编码器读数头的制造和/或装配方面造成了不必要的限制。同时也浪费了光能量。进一步地，附图3中披露的装置位于一平面内，该平面与标度相垂直。由此反射光和衍射光的一部分有可能会返回至光源，导致光源的不稳定性。进一步地，波长λ以及光栅间距P完全决定了入射角，这样在某些情况下在编码器读数头的包装和尺寸方面造成了不必要的限制。因此需要有一种装置来克服上述缺陷。

在下列对本发明的各个实施例进行讨论中，为了解释和阐述本发明，仅仅显示了可操作的光束和/或光路。然而，应注意的是，以下所示和所讨论的不同的光束分离元件和光栅会引起其他不同的分裂光束和/或衍射级，这些分裂光束或衍射级从本发明中不同的可操作光路构造中“丢失”。除了在这里进行讨论外，这些“丢失”的光路和/或光束通常不会被显示出来或进行讨论的，除非在某一特定实施例中，它们与光源波长受到的干扰有关，或与交叉光有关。因此，应注意的是，为了简便和清楚起见，本文中所用的术语，如“光束”或“光路”是指可操作的光束或可操作的光路，根据本发明的原理，这些光束或光路提供最终在共享区域进行检测的光，除非另外对其作出说明。其他可能出现在本发明实施例中的“丢失”光路和/或光束对于本领域的技术人员来说是显而易见的。应当这样理解，除了以下所描述和请求的可操作光路和/或光束之外，无论上述丢失光路和/或光束是否被清楚地表示出来，它们均存在于本发明的实施例中，

附图4为第一本发明实施例的光学位移传感装置的三维图。第一实施例作为普通的实施例来进行讨论，其可以包括附图4中所示的特定的示范部件。应注意的是，以下讨论中的常见部分均代表了许多结构，这些结构在元件组合和大小上，与附图4中所示的特定元件和大小不同。因此不能认为附图4在意义和内容上是对以下讨论的常见部分的限制。

附图4显示一编码器读数头装置400。该实施例为一实际应用中的装置，其基本上对各种偏移和动态偏移不敏感，同时可以以一种简便、经济的方式固定、制造和组装编码器读数头，其具有相当大的灵活性。该编码器读数头包括分裂光束输入部分410、光束导向元件420和421、后向反射器440和441、共享区域450和具有一个或多个电源和/或信号线路461的光学检测器460。该装置同时还包括一标度光栅430、在该光栅际度上的第一个区域431和第二个区域432。

在附图4所示的实施例中，分裂光束输入部分410包括光源412和分束元件415。光源412发出相干辐射并可用于各实施例中，光源412包括一个准直元件并发出准直光。在本发明的各个实施例中，光源412可以为从远处光源传输光的光学纤维，也可以是包括在编码器读数头中的发光二极管或激光二极管。在各种实施例中，使用激光二极管是由于其发出的光具有较长的相干长度。在其它实施例中，使用垂直腔表面(vertical cavity surface)激光二极管是由于其发出的光的波长具有更好的温度稳定性。分束元件415接收光源412发出的光束401，然后根据现有的光学原理产生两个沿各自光路进行传播的分裂光束401a和401b，上述两光束进入编码器读数头400的其余部分。

应当注意的是，在附图4所示的实施例中，分束元件415在概念上被阐述为一读数头光栅，其第一部分被光束401撞击。然而，在本文的这个以及其它各个实施例中，被光束401撞击的分束元件415更广泛地代表任何现有已知的或以后出现的分束元件或这些元件的组合，例如适当的经组合的“半镀银”分束器或一偏振分束器或它们的某些部分，或某一光栅或多个光栅的某些部分，或类似物，包括以下在附图10A-10E或11A-11D中讨论和显示的任一装置，这些装置根据本发明的原理能够产生分裂光束。

进一步地，应注意的是，在各个实施例中，根据已知的光学微型化技术和组装技术，分裂光束的输入部分410可以将光源、准直、光束分离以及偏振功能结合在一个单独、完整的光学元件或装置中，这样，光源412、分裂光束元件415很难或不可能作为单独的元件区分开来。

光束导向元件420和421对分裂光束401a和401b进行导向，使它们沿着各自的光路进行传播，从而分裂光束401a和401b在光栅标度上的第一区域431附近会聚。在附图4所示的实施例以及本文所示的其他实施例中，光束导向元件420和421各自为平面反射镜，它们各自将分裂光束401a和401b从每个平面反射镜的第一部分反射出来。然而，一般来说，每个被分裂光束401a和401b撞击的光束导向元件420和421可以是任何现有已知的或以后出现的光束导向元件或这些元件的组合，例如适当的经组合的反射镜和/或某一光栅或多个光栅或类似物的某些部分，这些装置通过一次或多次的反射或横向偏移引导光束401a和401b沿着各自的光路在第一区域431附近会聚。

第一区域431是位于标度光栅430的标称平面上的一个标称区域，该区域沿着测量轴方向101具有一定的长度，该长度内有光点，这些光点是光束401a和401b撞击经校准过的标度光栅430的地方。总的来说，由于第一区域沿着测量轴方向101的长度减小了，因此在将与间距(pitch)偏移和动态间距(pitch)偏移有关的误差降至最小的能力方面，本发明中的编码器读数器有所改善。因此，第一区域沿着测量轴方向101的长度，通常在减少与间距(pitch)偏移和动态间距(pitch)偏移有关的误差和使本发明某个特定实施例达到其他设计上的目标之间提供了一个适当的平衡。为了在不同的衍射和反射光束以及编码器读数头的不同元件之间提供一定的间隙，例如以下在附图22A-22C中所讨论的，在实施例中第一区域沿着测量轴方向101的长度将比较长。在其他的实施例中，第一区域沿着测量轴方向101的长度等于或小于沿着测量轴方向101的标称光点长度的4倍。以下将参照附图14对标称光点长度进行讨论。应注意的是，对静态和动态间距(pitch)偏移的灵敏度主要与第一区域中不同光点之间的距离有关。因此，由于设计上的选择或不同的偏移，只要光束401a和401b根据本发明的原理在第一区域431处撞击经校准的标度光栅430，则光束401a和401b可以实际上在撞击标度光栅430之前以及在第一区域附近会聚之后相互分离一小段距离。

分裂光束401a和401b进入第一区域431，产生各自的衍射光束402a和402b，这些衍射光束是沿着各自光路进行衍射的衍射级，它们在第一区域431附近相互分离。后向反射器440和441各自接收沿着光路传播的衍射光束402a和402b。应当注意的是，如果光束401a和401b实际上在撞击标度光栅430之前以及在第一区域附近会聚之后相互分离了一小段距离，只要衍射光束402a和402b根据本发明的原理沿着各自光路在第一区域431附近相互分离，并被后向反射器440和441接收，则衍射光束402a和402b实际上就可以在补偿性地在离开标度光栅430之后以及在第一区域附近分离之前的一小段距离上发生会聚。

后向反射器440和441接收沿着各自光路传播的衍射光束402a和402b，然后将它们各自反射成光束402ar和402br。根据本发明的原理，光束402ar和402br的光路平行于衍射光束402a和402b的光路。因此，根据本发明的原理，实施例中的编码器读数头400基本上对与横向偏移和动态横向偏移有关的误差不敏感。附图4中所示的后向反射器440和441为立方隅角逆向反射器。然而，也可以使用“猫眼”型后向反射器以及其他任何已知的或将来出现的后向反射器，只要该后向反射器能够根据本发明的原理进行操作即可。

在各个实施例中，根据后向反射器440和441各自相对于衍射光束402a和402b的位置，光束402ar和402br的光路可以发生抵消，也就是说，光束402at和402br的光路以与附图4中所示的测量轴方向101的相反方向从衍射光束402a和402b中分离出来，或者沿着测量轴方向101从衍射光束402a和402b中分离出来，或者上述两者的结合。上述光路的抵消将防止本发明实施例中光线再次进入光源而导致光源的不稳定，同时有利于本发明的其它实施例消除“交叉光束”。因此，上面附图1和2中所讨论的现有技术中存在的问题可以由本发明实施例中的编码器读数头400加以解决。也可以在本发明的其它实施例中，相对于各自的衍射光束402a和402b放置后向反射器440和441，从而使光束分离和抵消。应注意的是，本发明的上述实施例中不需要包括偏振器，从而避免了在某些情况下对编码器的制造和/或组装造成不必要的限制。然而，更需要注意的是，在上述实施例中也可以选择使用偏振器，以与例如某一特定实施例中的特定光学检测器460相互配合使用。

不管在何种情况下，光束402ar和402br沿着与衍射光束402a和402b的光路相平行的光路被回射，从而在第二区域432附近会聚，其方式类似于光束401a和401b在第一区域431附近会聚。

第二区域432，类似于第一区域431，是位于标度光栅430的标称平面上的一个标称区域，该区域沿着测量轴方向101具有一定的长度，在该长度内有光点，这些光点是光束402ar和402br经校准的标度光栅430的地方。与第二区域432有关的在设计方面的考虑，以及本发明的编码器读数器在将与间距(pitch)偏移和动态间距(pitch)偏移有关的误差降至最小的能力方面，与上述有关第一区域431的讨论相同。第二区域432沿着测量轴方向101的长度的确定类似于第一区域431沿着测量轴方向101的长度的确定。如上述所讨论的，在各个实施例中，根据后向反射器440和441相对于各自衍射光束402a和402b的位置，光束402ar和402br的光路可以被抵消，也就是说，光束402ar和402br的光路以与附图4中所示测量轴方向101的相反方向从衍射光束402a和402b中分离出来。在这种情况下，第二区域432的大小类似于第一区域431，以与附图4中所示测量轴方向101的相反方向从第一区域431中抵消，相应于光束402ar和402br的光路的抵消。一般地说，在实施例中，第二区域432从第一区域431中抵消的方向，与光束402ar和402br的光路相对于衍射光束402a和402b发生抵消的方向相同。而且，在本发明的装置中，光束402ar和402br的光路可以部分或全部地与衍射光束402a和402b的光路相重叠，在上述情况下，类似地，第二区域432可以部分或全部地与第一区域431相重叠。

回射光束402ar和402br进入第二区域432，其后各自产生衍射光束403a和403b，这些衍射光束是沿着各自的光路进行衍射的衍射级，它们在第二区域432附近相互分离，其类似于光束402a和402b在第一区域431附近相互分离。光束导向元件420和421对随后的衍射光束403a和403b进行导向，随后的衍射光束403a和403b在分裂光束元件415附近会聚。

应注意的是，在附图4所示的实施例以及本文的其他实施例中，光束导向元件420和421为平面反射镜，衍射光束403a和403b分别撞击它们的第二部分，而分裂光束401a和401b分别撞击它们的一部分。然后如上所述，在本发明的实施例中，光束402ar和402br的光路可以部分或全部地与衍射光束402a和402b的光路相重叠，在这种情况下，随后的衍射光束403a和403b也可以部分或全部地各自与分裂光束401a和401b的光路相重叠。在上述情况下，类似地，上述每个平而反射镜的第二部分和第一部分可以部分或全部地重叠。一般地说，被随后的衍射光束403a和403b撞击的光束导向元件420和421可以是任何现在已知的或以后发展出来的光束导向元件或这些元件的组合，例如适当的经组合的反射镜和/或一个或多个光栅或类似物的某些部分，这些装置能够通过一次或多次的反射或横向偏移对随后的衍射光束403a和403b进行导向，使它们在分裂光束元件415附近会聚。

分裂光束元件415接收随后的衍射光束403a和403b，并根据已知的光学原理反射或横向偏移至少其中一个光束，在共享区域450内对随后的衍射光束403a和403b进行校准或近似校准(如附图4中所示)。经校准或近似校准过的随后衍射光束403a和403b进入经过适当选择的光学检测器460中。

在附图4所示的实施例以及本文中的其他实施例中，分裂光束元件415为一读数头光栅组件，随后的衍射光束403a和403b撞击同一读数头光栅组件的第二部分，该光栅元件还有第一部分，光束401撞击该第一部分。而且，在附图4中，随后的衍射光束403a和403b在共享区域450被部分地校准。实施例中读数头光栅组件的结构和操作如附图4中所示，将在以下附图10B和10C中详细讨论。然而，在该实施例以及本文所述的其他实施例中，被随后的衍射光束403a和403b撞击的分裂光束元件415可以是任何现在已知的或以后发展出来的分裂光束元件或这些元件的组合，例如适当的经组合的“半镀银”分束器或偏振分束器或它们的某些部分，或一个或多个光栅或类似物的某些部分，包括以下任一在附图10A-10E或11A-11D中所示并讨论的装置，这些装置能够根据本发明的原理产生分裂光束。

在共享区域450内对随后的衍射光束403a和403b进行校准或近似校准，以及适当选择出的光学检测器460的操作，对于本领域的技术人员来说是显而易见的。对各种光束校准以及检测技术的描述同时包括在上面对附图1和2的讨论，也可以参见专利申请US5146085和US4930895，以及下面的相关讨论中。应注意的是，在共享区域450中进行校准或部分校准的光束将会在该共享区域内出现照明方面的特性，其相应于编码器读数头和标度光栅430之间的相对位移，发生周期性的变化。由于在共享区域450中的每个经校准或部分校准的光束被标度光栅430衍射过两次，一次在进入反射元件440或441之前，一次在此之后，当光栅标度430移动一个间距增量时，在共享区域450内的照明特性将经过4个周期。

在本发明的各个实施例中，随后的衍射光束403a和403b将会由于分裂光束元件415而损失部分光。上述损失的光用附图4中的附图标记499表示，为损失光。然而，除了本文中所讨论的可能对光源421的稳定性产生的干扰外，上述损失的光对于本发明的影响不是很显著。如上所述，一般来说，损失光在本文中不作讨论，除非损失光在某特定装置中与对光源的干扰有关，或与交叉光有关。

在附图4所示的实施例以及本文的其他实施例中，与光束401a、401b、403a和403b有关的光路在各自的第一方向上倾斜于与测量轴方向101相平行的平面，并与标度光栅430的标称平面相垂直。与402a、402b、402ar和402br有关的光路在相反方向上倾斜于与测量轴方向101相平行的平面，并与标度光栅430的标称平面相垂直。然而，应注意的是，在本发明的其它实施例中，这些倾斜角度可以大于或小于本文中各个实施例中的倾斜角度，防止光束之间产生不必要的混合或交叉，同时也有利于本装置的设计和包装。

附图5A是本发明实施例2中光学位移传感装置的三维示意图。附图5B、5C、5D分别为附图5A中光学位移传感装置的侧视图、顶视图和端视图。在附图5A-5D中，除非另外作出说明，明显对应的元件和/或具有类似附图标记的元件的安装和操作如上文所述(参见附图4)。参照附图4所作的一般讨论适用于附图5A-5D，除非另外作出说明。而且，在附图5A-5D中，明显与前述普通或特殊元件相对应的某些元件的附图标记被省略了，其原因是它们的安装和操作已经解释清楚，不需要再参照附图5A-5D做进一步的描述。相反地，如果对某些元件有相关描述，或如果附图5A-5D进一步对某些元件做出解释，则将在附图5A-5D中对这些元件进行重复标记或增加某些元件的附图标记。

附图5A-5D中所示的实施例为一实际应用的装置，其基本上对各种偏移和动态偏移不敏感，同时可以一种简便、经济的方式固定、制造和组装编码器读数头，具有相当大的灵活性。附图5A着重强调分裂光束输入部分410，其包括激光二极管光源412A、分束器415X、光栅间距为P的标度光栅430、共享区域450、具有一个或多个电源和信号线路461的光检测器组件460A(象征性地表示)。在本文的实施例中，光栅间距定为0.4um。然而，在其他的实施例中，间距P可以在小于0.4um直至几微米的范围内。

激光二极管光源412A接上电源、发出相干辐射，并且在实施例中包括一个完整的准直元件并发出准直光。在各个实施例中，选择发出波长大约为635nm的光的激光二极管光源412A，而在其他实施例中，选择发出波长大约为405nm的光的激光二极管光源412A，但是可以使用任何适宜的波长。在各个实施例中，选择垂直腔表面(vertical cavity surface)激光二极管作为激光二极管光源412A。分束器组件415X接收从激光二极管光源412A发出的光束401，并根据已知的光学原理产生两个分裂光束401a和401b。

应注意的是，在附图5A-5D所示的实施例以及本文其它实施例中，作为示例的分束器415X为以下所讨论的分束器之一，参见附图11C或11D，其具有第一部分，光束401撞击该部分。该分束器也可以是任何现有已知的或以后出现的偏振分束器，其提供类似的功能。然而，在其它不同的实施例中，被光束401撞击的分束器可以是任何现有已知的或以后出现的分束元件或元件的组合，如适当的经组合的“半镀银”分束器或偏振分束器或它们的某些部分或类似物，包括以下在附图11A-11D中所示和讨论的任一结构，根据本发明的原理，这些结构能够产生分裂光束，同时可以与某一特定实施例中的特定检测器联合使用。

分束器415X向编码器500的其余部分输入两个分裂光束401a和401b(如前所述)。附图5B-5D进一步阐述了前面所述光束401、401a、401b、402a、402b、402ar、402br、403a、403b的光路。

最好如附图5B所示，随后的衍射光束403a和403b在分束器415X附近汇聚。分束器415X接收随后的衍射光束403a和403b，将它们各自反射并透射至共享区域450。分束器415X可以进一步使在共享区域内经过校准的反射和透射光束相互之间为正交偏振。然后进入光学检测组件460A。

应注意的是，在附图5A-5D所示的实施例中，以及本文其它的实施例中，随后的衍射光束403a和403b撞击同一个分束器415X的第二部分，该分束器的第一部分被光束401撞击。然而，在其他不同的实施例中，被随后的衍射光束403a和403b撞击的分束器/组合部件可以是任何现有已知的或以后出现的光束分离/组合元件或这些元件的组合，如适当的经组合的“半镀银”分束器或偏振分束器或它们的某些部分或类似物，包括以下在附图11A-11D中所示和讨论的任一构造，它们可以与某一特定实施例中的特定检测器联合使用。

然后，校直的相互垂直的偏光光束进入光学检测装置460A，该装置在如图5A-5D所示的实施例中并如同下文参照图21所述的光检测器460P那样进行设置和操作。接着，光检测装置460A通过一个或多个电源和信号连线461输出一个或多个信号，该信号可以用于确定标度光栅430相对于编码器读数头的位移。更一般的，光学检测装置460A可以是任何已知的或新近研究的光检测器，该检测器提供信号，该信号可用于在进入光检测器的相互垂直的偏光光束之间确定相对相位。各种可选的检测器方案对本领域的技术人员来说是显而易见的。检测器方案的结构说明也可包括在上述对图1和2的讨论中，并包括在引用的美国专利′895、′085、′833中。

如前所述，在此处所示的各实施例中，与光束401a、401b、403a、403b相关的示范光束路径以各自的第一方向从校直平面倾斜，该平面与检测轴方向101平行并垂直于标度光栅430的公称平面，并且与光束402a、402b、402ar、402br相关的示范性光束路径以各自相反方向从校直平面倾斜，该平面平行于测量轴方向101并垂直于标度光栅的公称平面。为便于说明，附图5D显示了示范垂直面475，该面与测量轴方向101校直平行并与标度光栅430的公称平面垂直，该图也显示了以各自第一方向偏离于垂直面475倾斜的示范倾斜面474，和在475与474之间的的倾斜角473。倾斜角473此处也称为角“delta”或“δ”。应该了解，倾斜角可以比在图5D中的示范实施例所示的更大或更小，并仍然防止各光束不必要的混合或跨接，而同时促进该装置紧凑的设计和组装。

对应于任何光束分离部件(如分光器415X)的光束分离部分的高度，在图5D中也显示了在标度光栅430的公称平面之上的公称光束分离高度尺寸471。对应于在标度光栅430公称平面之上的任何后向反射器440或441的任何反射面的最大高度，图5D也显示了公称后向反射器高度尺寸472。在根据本发明的实施例中，其中光束分离部件是分光器，例如分光器415X或如图11A-11D中所示的任何分光器或类似物，已发现，当后向反射器高度尺寸472变小时，涉及间距(pitch)偏移和动态间距偏移等等的误差相对趋于减小。在根据本发明的实施例中，其中光束分离部件是读数头光栅，如图10A-10E中所示的读数头光栅或类似物，也已发现，在这样的实施例中，当光束分离高度尺寸471变小和/或当后向反射器高度尺寸472达到与光束分离高度尺寸471相等时，涉及间距偏移和动态间距偏移等等的误差相对趋于减小。

应当了解，平面474、475，角473，和高度471、472一般确定为在各个其他实施例中说明性的相似编号或确定为显然类似的平面、角和高度。这样，它们的位置和值不受限于图5D所示的示范实施例。更一般的，应了解包括在前述对图5A-5D的讨论中的任何新的一般性讨论表示多种构造，这些构造在它们的部件连接和尺寸方面不同于图5A-5D中所示的特定部件和尺寸。这样，图5A-5D不应作为关于上述一般部分的意义和含义的限定解释。

图6是三维示意图，阐明在此处用于描述光路方向的常规几何分量和符号。图6显示了一组相互垂直的X、Y、Z轴。X轴校直平行于测量轴方向101。Z轴校直垂直于公称校直标度光栅的光栅表面，Y轴在公称校直标度光栅的光栅表面中校直与X和Z轴相互垂直。用三个角来表示单位向量601的正交分量，如图6所示每一分量从各自主轴处测定。在单位向量601与x轴之间形成的角为α，在单位向量601与y轴之间形成的角为β，在单位向量601与z轴之间形成的角为γ。这样，如图6所示，单位向量601的x轴、y轴、z轴各自的分量分别为cosα、cosβ、cosγ。同样的术语用于描述根据本发明各示范性实施例中各光束路径的方向和关系。

图7是三维示意图，用图6的术语显示了一般入射光线方向和从类似于此处所述的标度光栅430的光栅处发出的衍射光线的圆锥形分布。在图7中，输入光线701以输入角(α、β、γ)撞击在光栅702上，并且每一条不同的衍射出射光束具有各自的一组输出角(α₁、β₁、γ₁)结果。如图7中用箭头所示的各种衍射输出光束一起限定了圆锥体703。入射在光栅702上的光束的输入角和第n个衍射级的输出角之间的关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\α}}_1=\cos \mathrm{\α}+n\frac{\mathrm{\λ}}{d}----\left(1\right)\\ \cos {\mathrm{\β}}_1=\cos \mathrm{\β}----\left(2\right)\\ \cos {\mathrm{\λ}}_1=\±\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\α}}_1-{\cos }^2{\mathrm{\β}}_1}----\left(3\right)\end{array}\right.$

其中n是衍射级，λ是光的波长，d是光栅间距。光栅间距在这里也称为P。本领域技术人员已了解，对根据本发明原理的编码器读数头构造的任何实施例，其中包括倾斜角473不为零(如图5D最佳所示)的构造，这些等式可用于确定编码器读数头部件的可操作设置。

图8显示了误差表801，该表以条目列出了相应于图1的已有技术光学位移传感装置构造的与各动态偏移和漂移相关的误差量。在列顶部所列出的单个动态偏移和漂移发生在与不同于公称值(此处也称为起始“静态”偏移或漂移)的单个起始偏移或漂移的各种组合中，这些公称值在下面列于该行的左端。“间隙”指编码器读数头与标度光栅之间沿垂直于公称标度光栅表面的方向的分隔。根据本发明原理的编码器读数头构造中在已确定的公称设计平面中的标度光栅表面具有零间隙偏移。

对表801中的所有条目，公称波长λ为0.635μm，公称角α为38度，公称角β是80度，并且标度的光栅周期为0.4μm。而且，该结果是相对于近似如图1所示的编码器读数头构造，其中对应于图1所示的部件102的部件是读数头光栅，该光栅位于相对于标度光栅表面10mm光束分离高度尺寸的位置，并具有0.8μm的光栅间距。在表中的每一条目对应于位移测定误差，当列于条目行左侧的单个起始设置偏移结合列于条目列顶部的单个动态偏移时，以纳米出现该误差。每一各动态偏移代表准线变化，该变化产生于进行参照位置测定的时间和进行位移测定的时间之间。因而，每一条目是该测定误差，该误差包括在由编码器读数头信号所显示的表观位移中，由于动态偏移或漂移，在参照位置和位移位置之间。

作为说明示例，在表801中，假设30分钟设置间距偏移，即，与2秒动态转动或横向偏移有关的误差为0.0nm。对同样的设置间距偏移，0.00025μm的动态波长漂移产生1.0nm量的误差，并且0.01mm的动态间隙变化产生87.3nm的误差。应该了解，该87.3nm误差是相对于沿测量轴的标度光栅的编码器读数头的“显而易见”的几何学变换结果，因而不论它们的设计是什么，该误差是对于编码器读数头构造宽范的变化将出现的误差。更重要的，为便于与根据本发明的各编码器读数头实施例比较，表801的重要方面是，对所有起始准线条件，在该已有技术构造中仅2秒的弧形动态间距产生97.0nm位移测定误差。如前面讨论的，动态间距偏移是在多个实际的编码器应用中最普遍和/或难以消除情况的一个，因而这样对编码器读数头设计特别有意义。如前面讨论的，通过图2、3所示的已有技术构造，动态间距误差基本减小，但那些构造具有前述的其他局限。

图9显示了误差表901，该表作为条目对于根据本发明的光位移传感装置构造列出了与各动态偏移和漂移有关的误差量，其中该构造对应于如图5A-5D所示的基本构造，更接近于下面参照图12A-12D所述的基本构造，其具有位于10mm光束分离高度尺寸471的分光器415X，和位于5mm后向反射器高度尺寸472的后向反射器440、441。对表901中的所有条目，公称波长λ为0.635μm，公称角α为38度，公称角β为80度，标度的光栅期间为0.4μm。表901中有意义的方面是根据本发明下面的编码器读头实施例实际上消除了动态间距误差。应该更进一步了解，下面根据本发明的编码器读数头实施例获得了这种性能，而同时克服了图2、3所示的已有技术构造前面所述的多种局限。已确定根据本发明的各种其他编码器读数头实施例，包括但不限于那些对应于图4、5A-5D，12A-12D、19、20A-20C、22A-22C、23、24，和它们所述的变化，也基本可减小动态间距误差，而可如图2、3所示的已有技术构造前面所述的至少一种局限。

表901中所示的最重要的误差是对于动态波长偏差和动态间隙变化。与动态间隙变化相关的误差在表901与表801中具有同样的量，这在前面已经讨论过。可在各个示范性实施例中通过使用更稳定的光源和/或提高温度控制来克服与动态波长偏差有关的误差。然而，也已确定，根据本发明原理的各编码器读数头构造也影响与动态波长偏差相关的误差量，因而在下面进一步参照图13-18进行讨论。

图10A-10E是三维图，说明分别从第一至第五读数头光栅构造的操作，可用在根据本发明的各示范性编码器读数头实施例的光束分离部分中。每一附图显示了在读数头光栅表面上假想的间隙。这些间隙不是物理部件，而是仅例证来说明光束在图中的路径。

图10A显示了具有一种构造的读数头光栅部件415A，其中输入光束401撞击具有第一光栅间距的第一部分416，从而通过传送零级光束和传送第一或更高级衍射光束产生了分波束401a和401b。图10A-10E所示的光束401、401a、401b、403a、403b的路径一般已在前面参照图4、5A-5D显示和阐述。后衍射(later-diffracted)光束403a、403b撞击在具有第一光栅间距的第二部分417上，该部分将光束403b作为零级光束传送，并将光束403a作为第一或更高级衍射光束传送，以使光束403a和403b进入共享区域(shared zone)450(如图所示)。在各示范性实施例中，第一读数头光栅间距于用与该实施例的标度光栅的间距相同。读数头光栅部件415A可用于编码器读数头实施例中，这些实施例避免了前面所述的“跨接光束”，也就是在其中由分光束401a和401b产生的光在到达共享区域450之前不共享共同的路径。然而，在共享区域由此产生的发光特征不会通过本身显示相关位移的方向，这样就限制了应用。这个问题可以通过以下参照图10D或10E所述的方式用偏离编码器读数头光束来校正，而将偏光器插入光束路径而远离读数头光栅部件，并使用偏光传感检测器，如下面参照图21所述的光检测器。

图10B显示了具有一种构造的读数头光栅部件415B，除了第二部分417具有不同于第一部分416的第一光栅间距的第二光栅间距，该部件与读数头光栅部件415A同样操作。这样，光束403a作为第一或更高级衍射光束衍射，该衍射光束稍微与共享区域450中与传送光束403b的准线偏转，该光束在共享区域450中产生干涉图形，在概念上通过干涉图形451体现。在空间上将干涉图形451相应转化为标度光栅位移。干涉特性图形451的转化可通过各种本领域已知的和/或现在商业可得到的光学检测器阵列技术定量检测，这种技术包括使用直接产生正交信号的正交阵列，或使用允许干涉特性图形转化以更高分辨率成像并数字分析的阵列。

图10C显示了具有一种构造的读数头光栅部件415C，该构造产生与读数头光栅部件415B相同的结果。在读数头光栅部件415C中，第一部分416和第二部分417具有同样的光栅间距，但加入了光楔部件491。这样，光束403b作为零级光束传送，该光束在共享区域450中与衍射级光束403a稍微偏离准线，该光束在共享区域450中产生了干涉图形，在概念上由干涉图形451表示。

读数头光栅部件415B或415C具有任何编码器读数头实施例中所采用的构造，这些实施例避免了前面所述的“跨接光束”，也就是，在到达共享区域450之前由分光束401a和401b产生的光不共享同一路径。

图10D显示了具有一种构造的读数头光栅部件415D，除了另外在共享区域校直的光束相互垂直偏振外，该构造产生与读数头光栅部件415A相同的结果。在读数头光栅部件415D中，第一部分416和第二部分417具有同样的光栅间距，但设置第一偏光器492和第二偏光器493以确保在进入共享区域450前光束403a和403b相互垂直偏振。读数头光栅部件415A可用在任何编码器读数头实施例中，这些实施例避免上述“跨接光束”，也就是在各自到达偏光器493和492之前，由分光束401a和401b产生的光不共享同一路径。在共享区域450中的发光特性可使用偏光传感检测器测定，如下面参照图21所述的光检测器。

图10E显示了具有一种构造的读数头光栅部件415E，除了另外分光束401a和401b相互垂直偏光外，该构造产生与读数头光栅部件415A相同的结果。在读数头光栅部件415E中，第一部分416和第二部分417具有同样的光栅间距。设置第一偏光器494和第二偏光器495以确保在任何产生的光束跨接或共享同一光束路径前，光束401a和401b相互垂直偏振。而且，在编码器读数头中任何光束“跨接”或分享同一光束路径后，也设置第一偏光器494和第二偏光器495来过滤光束403a和403b，因而使它们分别在与光束401a和401b相同的方向上相互垂直偏振。由于分光束401a和401b起始偏振，通过这种最终过滤光束403a和403b可去除任何跨接光束和/或共享同一光束路径的光束。这样读数头光栅部件415E的这种构造可用于根据本发明的任何编码器读数头实施例中，包括如前所述不包括光束偏移，和/或如前所述不包括明显的倾斜角的构造。在共享区域450中的发光特性可使用偏光传感检测器测定，如下面参照图21所述的光检测器。

图11A-11D是三维图形，说明了分别从第一至第四分光器构造的操作，这些构造可用在根据本发明的各示范性编码器读数头实施例中的光束分离部分中。每一附图显示了在分光器表面上假想的间隙。这些间隙不是物理部件，而是仅例证来说明光束在图中的路径。如图11A-11D所示的分光器构造通过与图10A和10C-10E中所示的相应读数头光栅构造类比进行描述。然而，在所有图11A-11D中，在第一位置416和第二位置417处，光束401b和403a分别在垂直设置的部分反射的分光器界面418上反射，而不是在如图10A和10C-10E所示的水平光栅表面上进行衍射。每一分光器构造在共享区域450中具有与表示类似读数头光栅构造相同的结果，并可类似地与根据本发明相似的编码器读数头实施例一起使用。它们的操作对于本领域技术人员是显而易见的。

图11A显示了分光器部件415F，其具有与图10A中所示的读数头光栅部件415A构造类似的构造。图11B显示了具有加入到构造中的光楔部件的分光器部件415G，类似于如图10C所示的读数头光栅部件415C的构造。图11C显示了分光器部件415H，其设置有第一偏光器492和第二偏光器493，以确保在进入共享区域450之前光束403a和403b相互垂直偏振，其构造类似于图10D中所示的读数头光栅部件415D的构造。图11D显示了分光器部件415J，其具有设置在一种构造(该构造类似于图10D中所示的读数头光栅部件415E的构造)中的第一偏光器494和第二偏光器495，以确保在任何产生的光束“跨接”或分享同一光束路径前，光束401a和401b相互垂直偏振，并且确保在编码器读数头中的任何光束“跨接”或分享同一光束路径后，第一偏光器494和第二偏光器495过滤光束403a和403b，因而它们分别在与光束401a和401b相同的方向上互相垂直偏振。

应当了解，对于如图10A-10E和11A-11D所示的所有读数头光栅构造，每一部件的可操作部分是由光束击中的部分。这样，在各示范性实施例中，这些部分可以或多或少地分离，作为一个整体装置或作为分离部件或类似物设置，只要根据本发明原理，它们相对关于可操作编码器读数头光束路径定位即可。

图12A是根据本发明的第三个示范性实施例的光位移传感装置的三维方案视图。图12B、12C、12D分别是图12A所示的光位移传感装置的侧视图、顶视图和端视图。除了后向反射器440和441的位置之外，在图12A-12D中所示的实施例类似于图5A-5D所示的实施例。除非有另外的表示，参照图5A-5D的一般性论述适用于对图12A-12D的相应方式中。这样，由于它们的设置和操作已清楚，在图12A-12D中，省略了明显对应于前述的一般或特定部件的几个部件的附图标记。相反的，如果有相关的描述或如果图12A-12D对这些部件进行了进一步的说明，在图12A-12D中，部件的附图标记一般重复或加入。

图12A-12D中所示的实施例是实际构造，该构造基本对各种偏移和动态偏移不敏感，而在编码器读数头中以紧凑、经济的方式对制造、安置和组装各光学部件显示了重要的适应性。图12A强调在分光束401a、401b与假想的线1201之间形成的角α，其中401a、401b于第一区431撞击在标度光栅430上，假想的线1201与测量轴方向101平行延伸，穿过光束401a、401b各自的撞击点。图12A中所示的角α对应于参照图6限定的角α。这样，角α位于平面474中，可在图12D中最佳观察。与动态偏移或偏差有关的各误差以下关于角α的各种设计值作进一步论述。

图12A-12D也强调对于后向反射器440和441的构造和/或高度，其对于光束402a、402ar、402b、402br分别产生相对短的光路长度。如前所述，已发现，在根据本发明光束分离部件是分光器的实施例中，如任何如图11A-11D所示的分光器，当后向反射器高度尺寸472减小时，在这样实施例中与间距偏移和动态间距偏移等等相关的误差趋于减小。而且，更短的光路长度趋于减小编码器读数头对光源波长中动态变化的敏感度。它一般也使编码器读数头更紧凑。对于这种示范性构造，光束分离高度尺寸471和后向反射器高度尺寸472最好可在图12B、12D中观察。

图12B也显示了示范性读数头部件外壳1225部分，和在读数头部件外壳1225的底部和标度光栅430的表面之间的间隙尺寸1220。读数头部件外壳部分1225在图12A、12C、12D中未示出，因而光路可以观察得更清楚。应了解，为缩短相关的光路，限定光束引导部件420、421和后向反射器440、441可安置得与标度有多近的因素，是在读数头部件外壳1225范围内所需的操作间隙尺寸1220，和实际壁厚及安装设置。在各种示范性实施例中，为得到短的光路长度和紧凑的编码器读数头，光束引导部件420、421和后向反射器440、441的底边可操作地位于最接近读数头部件外壳1225底部的位置，适当地考虑由光路间隔考虑和所需的操作间隔尺寸1220所强加的任何设计限制。考虑到较小的间隙尺寸缩短各光路以减小误差并且较大的间隙尺寸使设置简化，在多个示范性实施例中，所需的间隙尺寸1220可以例如大约为1-2mm。

如图12A-12D中所示，光束路径402a、402ar、402b、402br分别以垂直分隔角分量1221(可在图12B中最佳观察)和以倾斜角473“δ”(可在图12D中最佳观察)，从光束401a、403a、401b、403b偏移。应当了解，垂直分隔角分量1221和倾斜角473可以选择地结合以减小相关编码器读头的高度和/或宽度，如在图6D中所示的假想尺寸框所强调的。可以观察到，如果倾斜角473减小，为保持在光束引导部件420、421和后向反射器440之间的光束间隔，尺寸框630的高度441必须对增加的编码器读数头高度相应地增加。同样的，如果垂直分隔角分量1221减小，为保持光束间隔，尺寸框630的宽度必须对应于增加的编码器读头宽度而增加。应当了解，平面474和475、角1221和473、高度471和472确定为在各种其他实施例中一般说明类似的平面、角和高度。因而它们的位置和值不受图12A-12D所示的示范性实施例限制，但选择其位置和值以获得在特定应用中所需的总编码器读数头尺寸。而且，图12A-12D表示根据本发明的多个其他实施例，这些实施例在部件连接和尺寸方面不同于所示的特定部件和尺寸。这样图12A-12D不应理解为关于上面所述教导的限定。

图13-18显示了对于确定角α所需的设计尺寸有用的信息，参照图6、7、12A已在前面论述，并显示了对于确定倾斜角“δ”所需的有用信息，参照图5D、12D已在前面论述。

图13是曲线图，显示了根据本发明的光位移检测装置中在不同入射光束角α下对于动态间隙偏移和波长变化的误差灵敏度数据，其中标度光栅间距为0.4μm，光源具有公称波长635nm，分光器在标度光栅表面以上10mm高度处，后向反射器位于这样的位置：使从标度到后向反射器转角的路径长度为10mm，角α位于入射平面中，该入射平面垂直于标度光栅槽和标度(即，角δ为0°)，静态间距偏移设置为0.5°。曲线1301表示当光源波长动态变化为0.25nm时，在角α为各种值时的动态误差结果。曲线1302表示当存在动态间隙变化为10μm时，在角α为各种值时的动态误差结果。参照图9如前所述，在根据本发明的各示范性实施例中，这些结果趋于最大残余动态误差，因而，对选择更进一步减小这些动态误差的设计值更有用。

具有波长和标度光栅间距的一定组合，当α范围为约50°-10°时，相关的编码器读数头是可操作的。然而，如曲线1301、1302所示，对于读数头参数的一定组合，当α大于约40°时，与动力波长变化和间隙变化相关联的误差快速增加。因而，在根据本发明的多个示范性实施例中，编码器读数头部件设计成α小于或等于40度。

图14显示了用于选择角α设计值的另一设计方案。图14假定：在角α为各种值时，具有公称直径为1.0mm、波长为635nm的光束从距标度光栅表面以上5.0mm处被引导到具有0.4μm光栅间距的标度光栅上。如图14中所示表的第二列显示了将第一列所示的角α与后向反射器上的最大光束横截面尺寸进行比较所得到的数据。图14所示表的第三列显示了将第一列所示的角α与作为在标度光栅表面以上5.0mm高度的光束引导部件的反射镜之间的距离进行比较的数据。所产生的最大光束横截面尺寸从角α为10°时的4.6mm变化至角α为40°时的0.9mm。在光束引导平面镜之间产生的距离为从角α为10°时的56.7mm到角α为40°时的11.9mm。

根据本发明的各种示范性实施例中的一种设计方案是，后向反射器上的点变长并溢出后向反射器部件的狭缝，因此浪费了光线和/或落入后向反射器的不稳定边。另一个设计方案是，光束引导平面镜之间的距离可以确定编码器读数头的总长度。4.6mm的光束横截面需要相对更大的后向反射器部件，导致相对更大的编码器读数头。平面镜之间的距离为56.7mm时同样导致相对更大的编码器读数头。因而，如附图13所示，即使更小的角度α一般减小对各种动态误差的敏感度，但是在各示范性实施例中，也使角α大于或等于20度，以便可以使编码器读数头的总尺寸更小。

图15是曲线图，除非另有所示，该图显示了在不同入射光束角α和不同倾斜角(δ)，以上参照图13所述的编码器参数的动态间隙偏移的误差灵敏度数据。动态间隙变化为10μm。分别对应于δ＝0°、δ＝15°、δ＝45°的倾斜角，曲线1501-1503几乎不可区分。然而，通过曲线1501、1502可以最佳显示，对于读数头参数的给定组合，当α大于约40°时，与动态间隙变化相关的误差增加得更快。因而，在根据本发明的各示范性实施例中，将编码器读数头部件设置成使α小于或等于40°。

除了光源波长公称值为405nm而不是635nm外，图16是与图15所示的曲线图相同的曲线图。分别对应于倾斜角δ＝0°、δ＝15°、δ＝45°，曲线1601-1603，不可区分。与图15所示的结果相比，由于间隙变化，对于给定的读数头参数组合，减小的光源波长减少了动态误差。而且，与动态间隙变化相关的误差增长得相对较慢直至对于角α为60°的操作范围。因而，在根据本发明的各示范性实施例中，编码器读数头的部件如此设置以使α小于或等于60°。然而，由于当角α小于或等于45°并且波长和光栅间距一定时，将与动态间隙变化相关联的误差限定为低于大约50nm的值，因此在根据本发明的各示范性实施例中，编码器读数头的部件设置成使α小于或等于45°。

图17是曲线图，除非另有表示，该曲线图显示了前面参照图13所述的编码器参数，在不同入射光束角和不同倾斜平面角，动态波长偏差的误差灵敏度数据。曲线1701-1703分别对应于倾斜角δ＝0°、δ＝15°、δ＝45°。光源波长动态变化为0.25nm。该动态光源波长变化产生了比那些由于如前参照图15、16所述的间隙变化导致的误差更大的动态误差。这样，如果编码器读数头的光源显示了这种不稳定性，为了得到高精确性，选择减小该灵敏度的角α特别重要。对曲线1701和1702，与动态波长变化相关联的误差增长得相对较慢，直至角α为40°的操作范围。因而，在根据本发明的各示范性实施例中，编码器读数头部件设置成使α小于或等于40°。然而，对于对应角δ＝45°的曲线1703，误差相对于角α增长更快。因而，在根据本发明的各其他示范性实施例中，将编码器读数头部件设置成使α小于或等于30°。

除光源波长公称值为405nm而不是635nm以外，图18是与图17所示的曲线图相同的曲线图。分别对应于倾斜角δ＝0°、δ＝15°、δ＝45°，曲线1801-1803几乎不能区分。与图17中所示的结果相比，对于给定的读数头参数组合，减小的波长减小了由于波长变化而引起的动态误差。而且，与动态波长变化相关联的误差增长得相对较慢，直至角α为60°的操作范围。因而，在根据本发明的各示范性实施例中，编码器读数头部件设置成使α小于或等于60°。然而由于当角α小于或等于45度并且波长和光栅间距已设定时，与动态波长变化相关联的的误差限制在大约100nm以下，因此在根据本发明的各示范性实施例中，将编码器读数头的部件设置成使α小于或等于45°。

图19是在本发明范围内，根据本发明的第四个示范性实施例中的光位移传感装置的三维方案图。除图5D中所示的倾斜角473在图19的构造中选为0之外，图19中所示的构造类似于图5A-5D所示的构造。因为倾斜角为0，图19所示的实施例是一种实际的构造，该构造为制造相对窄的编码器读数头提供了可能性。然而，当倾斜角为0时，由第一区431的光束401a、401b、402a、402b和第二区432的光束402ar、402br、403a、403b产生的零级反射光束如前所述变成跨接光束。这样对于图19所示的构造，分离光束输入部分410的光束分离部件415应结合偏光部件以分离或过滤出跨接光束，该偏光部件为如图10E所示的读数头光栅，或如图11D所示的分光器等等。而且，光检测装置460应进一步包括偏光部件，如下面参照图21描述的光检测器460P等等。更一般的，光检测器装置460可以是任何已知或新近研制的光检测器，该光检测器提供可以用于检测进入光检测器的垂直偏振光束之间的相对相。各种其他的检测器方案对于本领域的技术人员来说是显而易见的。检测器方案的结构说明也包括在上述对图1、2的讨论中和所引用的美国专利′895、′085、′833中。

图20A是在本发明范围内根据第五示范性实施例的光位移传感装置的方案侧视图。图20B是图20A所示的光位移传感装置的顶视图，图20C是图20A所示的光位移传感装置的端视图。除了编码器读数头部件设置成使每一个撞击在或从标度光栅430衍射的光束部分(如图20B所最佳显示的编号光束部分)形成关于假设线的同一角外，图20A-20C所示的构造类似于图12A-12D所示的构造，其中该假设线沿与测量轴方向101平行的方向延伸，并通过各自撞击或衍射的点。这样的构造可以依照前面所述的公式1-3设计。

在这样的构造中，使用适当的倾斜角，可将光束引导部件420、421和后向反射器440、441置于约同一高度的位置(最佳显示于图20C)，从而在各个示范性实施例中产生了具有相对小总高度的读数头。然而，因为每一束撞击或从标度光栅430上衍射的光束形成相对于假设线的同一角，其中该假设线平行于测量轴方向101，因此从光束402ar、402br、403a、403b产生的零级反射光束如前所述变成跨接光束。这样，对于图20A-20C所示的构造，分光束输入部分410的光束分离部件415应结合偏光部件以分离或滤出跨接光束，该偏光部件为图10E所示的读数头光栅，或图11D所示的分光器，等等。而且，光检测装置460应包括偏光部件，如下面参照图21所述的光检测器460P或以上参照图19所述的类似装置。

图21是包括偏光器构造的光检测器460P的示意侧视图。这样，光检测器460P在根据本发明的包括跨接光束的各示范性实施例中是有用的。更一般的，光检测器460P在各示范性实施例中是有用的，其中光束403a和1403b在共享区450由于任何原因垂直偏振。在操作中，垂直偏振光束403a和403b从光束分离部件415发射到共享区450中，沿校直光路到达光检测器460P。分光器4606将垂直的偏振光束403a和403b分离成两个分离方向的光束。第一分离方向光束通过四分之一波片4653和偏光器4671到达光电检测器4681。第二分离方向光束通过偏光器4672到达光电检测器4682。偏光器4671和4672每一个在所到达的相互偏振的光束之间以45°角定向，并进一步设置以通过彼此垂直偏振的光。四分之一波片4653延迟输出光束的一条四分之一波或90°。因此，检测器4681检测到相对于检测器4682检测的信号偏移90°相的信号，在一个或更多信号线461上提供已知的正交信号格式。在本发明的该实施例中，光检测器460P作为一个整体单元显示。然而，可以使用其他的检测器构造来获得与图21所示的构造相同的目的，这是本领域技术人员显而易见的。

图22A是在本发明范围内根据第六示范性实施例的光位移传感装置的方案侧视图。图22B是图22A所示的光位移传感装置的顶视图，图22C是图22A所示的光位移传感装置的端视图。图22A-22C所示的构造类似于图20A-20C所示的构造。编码器读数头的部件如此设置以使每一个撞击在或从标度光栅430衍射的光束部分形成关于假设线的相同的角，其中该假设线平行于测量轴方向101并通过各自的撞击或衍射点。然而，与如图20A-20C所示的构造相对照，光束在第一区431和第二区432中各自的撞击点沿测量轴方向分离(在图22B中最佳显示)。结果，由图22A中所示的线2201和2202表示的零级反射路径落在光束引导部件420、421和后向反射器440、441的有效间隙的外侧，消除了潜在的跨接光束。这样，如22A-22C所示的构造不需要包括在光束路径或光检测器中的偏光器。然而，类似于图20A-20C所示的构造，在这样的一种构造中，光束引导部件420、421和后向反射器440、441可以安置在大约相同的高度上，这样在各示范性实施例中产生具有相对小总高度的读数头。

图23是在本发明范围内根据第七示范性实施例的光位移传感装置的方案侧视图。在图23所示的构造中，光读数头部件如此安置以使光束路径402a、402ar、402b、402br比光束路径401a、403a、401b、403b离标度光栅更近。该构造可与消除跨接光束的倾斜角一起使用，这样可以不必在构造中使用偏光器。或者，对于不消除跨接光束的倾斜角来说，分光束部分410的光束分离部件415，如前所述，可以包括偏光器来分离出跨接光束。

图24是在本发明范围内根据第八示范性实施例的光位移传感装置的方案侧视图。在图24所示的构造中，标度光栅430是透射光栅，并且后向反射器440、441安置为接收透射衍射级。如果该构造如此设置以使透射的零级光束落在光束引导部件420、421和后向反射器440、441的外侧(如线2401-2402所表示的)，则跨接光束将从构造中消除，这样尽管使用了倾斜角也不需要在构造中有偏光器。或者，对于没有消除跨接光束的构造，分光束部分410的光束分离部件415也包括如前所述的偏光器，来分离出跨接光束。

图25是三维图，显示了可用于根据本发明多个示范性实施例的第一示范性透明块构造。在图25中忽略了对各光束路径的折射作用，但对这样的作用作调整是本领域技术人员公知的。图25显示了透明块2500，包括第一块部分2510和第二块部分2515，这些部分在界面处连接，该界面包括半面涂银镜或类似物，以便于提供光束分离部件415。第一块部分2510包括端面2502和相互垂直的后向反射器面2504和2506，它们都进行了涂覆以便于反射。第二块部分包括端面2503和相互垂直的后向反射器面2505和2507，它们都进行了涂覆以便于反射。透明块2500可用于提供前面参照图19所述的光束路径构造和编码器读数头操作特性。这样，透明块2500也必须提供等同于图11D等图中所示的分光器的偏光作用，以便于如前参照图19所示分离出跨接光束。在各示范性实施例中，这可通过在端面部分2502和2503结合相互垂直的偏光器而获得其中光束401a、403a、401b、403b在端面处反射。

透明块2500对于提供非常紧凑和空间稳定的编码器读数头装置是有用的。应该了解，透明块2500可通过将单个光学部件的各种组合连接在一起或制造在一起而制成。光学零件可以包括较少数量更复杂的单个光学部件或更多数量不太复杂的单个光学部件。单个部件可沿连接平面(未示出)的任意组合连接在一起，这些平面使光学零件的制作实用、紧凑、精确。光学零件可进一步结合支架设备，以便与各种光源、光电检测装置和/或编码器读数头支架部件连接。这样，图25所示的构造只是一种示范性构造，不意味着限定。

图26A是三维图，显示了可用在根据本发明的各示范性实施例的第二示范性透明块构造。图26B和26C分别是侧视图和端视图，说明了由图26A所示的透明块构造设置的光束路径。对各光束路径的折射作用包括在所有图中。为更好的区分各光束路径，公称光束直径只在图26A中减小了。图26A显示了光源412，包括准直透镜413，该透镜输入光束401到透明块2600中。也示出光检测器460。透明块2600包括左半块部分2510和右半块部分2515。上左半部分2612和上右半部分2617在界面处连接，将该界面制成包括半面涂银镜或类似物，以便提供光束分离部件415。左半块部分2610包括端面2602和相互垂直的后向反射器面2604和2605的左半部分，它们都进行了涂覆以便于反射，它们在一起构成后向反射器440(在图26B和26C中最佳显示)。右半块部分2615包括端面2603和相互垂直的后向反射器面2604和2605的右半部分，它们都进行了涂覆以便反射，它们在一起构成后向反射器441，在图26B和26C中最佳显示。例如，当适当选择公称后向反射器高度尺寸472时，透明块可用于例如提供如前参照图5A-5D或12A-12D所示的光束路径构造和编码器读数头操作特性。透明块2600的设置适于非零倾斜角473。这样，与图25所示的块构造相比，可以消除跨接光束，并且不需要偏光器。

在各示范性实施例中，透明块2600结合光偏转部件(未示出)，该光偏转部件提供与图11B所示的光楔部件491相同的作用。光偏转部件结合在端面2602或2603部分上，其中在这些端面上分别反射光束403a或403b，以便可以只使用光检测器方案，该光检测器方案使用阵列检测器来检测干涉条纹图形，如参照图11B所述的干涉条纹图形451。所产生的干涉图形在空间上对应转换为标度光栅的位移。干涉图形的转换可通过各种本领域已知的和/或商业上可得到光检测阵列技术定量检测。在各种可选择的实施例中，与透明块2600一起使用的光检测器460包括使用直接产生正交信号的正交阵列，并且在各种其他的实施例中，光检测器460包括使用线性或二维CCD阵列等等，以使干涉图形转换以更高的分辨率成像并进行数字分析。任何这样的阵列可例如在所需要的位置、方向、间距，通过粘接方式装配到透明块2600上，以便提供精确、稳定、经济和紧凑的编码器读数头。

在各种其他的示范性实施例中，将相互垂直的偏光器结合在端面2602和2603部分，在该端面光束403b和/或401a和401b反射，以便只使用采用偏光器的光检测方案。

透明块2600对提供非常紧凑并且空间稳定的编码器读数头装置是有用的。应该了解，透明块2600可通过将单个光学部件的各种组合连接在一起或制造在一起而制成。应该进一步了解，虽然撞击在表面2605以完成后向反射之前，光束402a和/或402b似乎分别撞击在表面2602与2604的转角和表面2603与2604的转角处，但是在各实施例中光束402a避开了该转角并连续撞击在表面2602和2604上。同样，光束402b避开了该转角并连续撞击在表面2603和2604上，以便避免由不完整的转角导致的波像差。这样，图26A-26C所示的构造只是示范性构造，不意味着限定。

图27A是三维图，显示了可用于根据本发明的各示范性实施例的第三示范性透明块构造。图27B和27C分别是侧视图和端视图，说明由图27A所示的透明块构造设置的光束路径。图27A-27C所示的透明块构造可用于设置例如前面参照图4所述的光束路径构造和编码器读数头操作特性。对各光束路径的折射作用包括在所有图中。为更好区分各光束路径，公称光束直径仅在图27A中减小。

图27A显示了光源412，包括光束引导部件414，该光源将光束401输入到透明块2700中。也示出了光检测器460。透明块2700包括左半块部分2710和右半块部分2715。左半块部分2710包括后端面2702、前端面2704、相互垂直的后向反射器表面2706和2707的左半部分，这些表面全部涂覆以便于反射。前端表面2704和相互垂直的后向反射器表面2706、2707的左半部分一起构成后向反射器440(在图27B和27C中最佳显示)。右半块部分2715包括后端表面2703、前端表面2705、相互垂直的后向反射器表面2706和2707的右半部分，这些表面全部涂覆以便于反射。前端表面2705和相互垂直的后向反射器表面2706、2707的右半部分一起构成后向反射器441(在图27B和27C中最佳显示)。透明块2700的顶端后表面包括透射读数头光栅，该光栅在各实施例中可以是任何前面参照图10A-10E所述的读数头光栅，并且该光栅可作为单独部件制造或组合到表面上，以便设置光束分离部件415。如前所述，发明人已发现在根据本发明的实施例中，其中光束分离部件是读数头光栅，如图10A-10E所示的读数头光栅等等，在这些实施例中当光束分离高度尺寸471更小，和/或后向反射器高度尺寸472与光束分离高度尺寸471接近相等时，如示范性透明块2700提供的与间距偏移和动态间距偏移等等相关联的误差趋于相对减小。

透明块2700规定非零倾斜角473。这样，类似于图26A-26C所示的透明构造，可以消除跨接光束并且不需要偏光器。在各示范性实施例中，透明块2700结合光偏转部件(未示出)，该部件提供与前面参照图10C所述的光楔部件491相同的作用。将光偏转部件结合在后端表面2702或2703部分上，光束403a或403b分别在该后端表面上反射，以便可以只使用用阵列检测器来检测干涉条纹图形的光检测方案，如前面参照图26A-26C所讨论的。或者，可使用图10B所示的读数头光栅来获得相同的效果。在这种情况下，光学检测器包括根据前述干涉条纹检测方案的阵列检测器，并且该光检测器可以在所需的位置、方向、间隔通过例如粘接方式装配成透明块2600，以提供精确、稳定、经济并且紧凑的编码器读数头。

在各种其他示范性实施例中，相互垂直的偏光器在后端表面2702和2703部分结合，光束403a、403b和/或401a、401b在该后端表面处反射，以便可以单独使用采用偏光器的光检测方案。

透明块2700可用于提供非常紧凑并且空间稳定的编码器读数头装置。应该了解，透明块2700可通过将单个光学部件的各种组合连接在一起或制造在一起而制成。应该进一步了解，虽然撞击在表面2707以完成后向反射之前，光束402a和/或402b似乎分别撞击在表面2704与2706的转角和表面2705与2706的转角处，但是在各实施例中光束402a避开了该转角并连续撞击在表面2704和2706上。同样，光束402b避开了该转角并连续撞击在表面2705和2706上，以便避免由不完整的转角导致的波像差。这样，图26A-26C所示的构造只是示范性构造，不意味着限定。

图28是根据本发明各示范性实施例的光位移传感装置使用方法的流程图。该方法开始于块S2810，输入分光束以通过光位移传感装置各自的光引导部件进行接收。然后，该方法继续到块S2820，即，利用各种光引导部件引导分光束到达标度光栅上的第一区。在优选实施例中，分光束区沿公称对称的路径引导到第一区。然后该方法继续到块S2830。

在块S2830，每一条分光束从标度光栅上的第一区衍射，沿发散路径引导两条衍射光束，并使之进入各自后向反射器。然后该方法继续到块S2840，即，将进入各自后向反射器的光束后向反射到标度光栅上的第二区。然后，该方法继续到块S2850，其中每一条后向反射到标度第二区上的光束从标度光栅上的第二区衍射并且在离开第二区后，沿发散路径引导两条衍射光束。然后，该方法继续到块S2860。

在块S2860上，在离开第二区后使用各种光引导部件，沿发散路径的两束衍射光束沿各自路径引导到共享区。在优选实施例中，沿公称对称的路径引导到达共享区的光束。然后该方法继续到块S2870，其中该方法结束于检测至少一个产生于共享区的发光特性，并基于检测结果确定标度光栅相对于光位移传感装置的相对位移。

图29A是根据本发明的第九示范性实施例的光位移传感装置的方案侧视图。图29B是图29A所示的光位移传感装置的顶视图，而图29C是图29A所示光位移传感装置的端视图。

如前所示，在根据本发明的各示范性实施例中，根据后向反射器440、441分别相对于衍射光束402a、402b的位置，光束402ar、402br的光路径可以偏移，也就是以横向于图4所示测量轴101的方向从光束402a、402b分离。在这种情况下，第二区的尺寸与第一区431相同，并一般在与图4所示的测量轴方向101横向或垂直的方向与第一区431偏离，该偏移对应于光束402ar、402br的光路径的偏移。然而，也如前所述，更一般的在各示范性实施例中第二区432公称偏离于第一区431，其偏离方向与光束402ar、402br的光路径相对于衍射光束402a、402b任意偏移的方向相同。图29A-29C说明根据该更一般情况的示范性实施例，其中光束402ar、402br的光路试图分别以各自偏移方向从衍射光束402a、402b偏移或分离，该方向一般不横向于或垂直于测量轴方向101。与根据本发明各个已描述的实施例相比，图29A-29C所示的实施例使对静态或动态间距偏移的敏感性相对最小化，而不取决于第一区431和/或第二区432点之间的距离，这在下面详细描述。

图29A-29C所示的构造类似于图20A-20C和22A-22C所示的构造，其中编码器读数头的部件设置成使每一条击中或从标度光栅430上衍射的操作光束部分关于假设线形成相同的角，该假设线沿平行于测量轴方向101延伸并通过各自撞击或衍射点。如前所述，这样的构造可以根据公式1-3设计。然而，应理解，对照于根据本发明的各另外的实施例，如图20A-20C和22A-22C所示的构造，在图29A-29C所示的构造中，光束401a和401ar在光点处撞击在公称校直标度光栅430上，该光点不沿一般横向于或垂直于测量轴方向101的方向公称校直。而且，光束401b、402br撞击在公称校直的标度光栅430上的光点也不沿一般横向于或垂直于测量轴方向101的方向公称校直。当然，如在图29B和29D中最佳显示的，在根据本发明的第九示范性实施例中，光束401b、402ar和光束401a和401br分别在各自的光点对处撞击在公称校直标度光栅430上，该每一个光点沿一般横向于或垂直于测量轴方向101的方向公称校直。在该实施例中，对静态和动态间距偏移的敏感度以如下方式最小化：近似不取决于第一区431和/或第二区432之间的距离，这点在下文中有详细描述。

在图29A-29C中，除非另有所示，设置明显对应的部件和/或具有相同附图标记的部件参照前述图5A-5D进行设置和操作。参照图5A-5D进行的一般性讨论以与图29A-29C对应的方式来应用。而且，在图29A-29C中，由于它们的设置和操作已显而易见并且不参照图29A-29C作进一步论述，因此省略了显然对应于前述一般或特定部件的几个部件的附图标记。相反，如果图29A-29C的相关描述用来进一步说明这样的部件，则图29A-29C中部件的附图标记一般重复或加入。

图29A-29C所示的实施例是实际的构造，该构造对各种偏移和动态偏移基本不敏感，而为在编码器读数头中以紧凑和经济的方式设计和装配各光学部件提供额外的适应性。如在图29A中最佳显示的，分光器部件415X接收光束401并且产生两条分光束401a、401b，引导该分光束到光束引导部件420和421中。光束引导部件420和421沿各自光路引导分光束401a、401b，因而分光束401a、401b第一次向假设平面Pc会聚，该平面平行于标度光栅平面并最接近于标度光栅430上的第一区431，然后分光束从假设平面Pc发散直至它们到达标度光栅430。如图29B中最佳显示的，分光束401a、401b在光点处撞击到标度光栅430上的第一区431中，该光点具有沿测量轴方向101的公称分隔距离d1。

应理解，在根据图29A-29C所示构造的各种示范性实施例中，对静态和动态间距失偏移的敏感度公称不取决于第一区431中光点之间的分隔距离d1，这在下文中更详细地描述。这样，在一个示范性实施例中，公称分隔距离d1和第一区431沿测量轴方向101的尺寸主要设计成在各衍射和反射光束与各编码器读数头部件之间提供间隔，这在下文中将进一步描述。然而，在各示范性实施例中将公称分隔距离d1和第一区431的尺寸进一步设计成具有提供最小可靠间隔的最小尺寸。

不论怎样，如图29A最佳显示，分光束401a和401b从第一区431衍射，分别产生了各自的衍射光束402a和402b，这些衍射光束是沿各自光束路径衍射的衍射级，它们向离第一区431最近的假设平面Pc会聚，然后从假设平面Pc发散，直至它们进入后向反射器440和441。后向反射器440和441分别接收沿它们各自光路的衍射光束402a和402b，并且作为光束402ar和402br以分别平行于衍射光束402a和402b的光路后向反射它们。

对应于光束402a和402b，在根据图29A-29C所示构造的各示范性实施例中，后向反射器440和441相对于衍射光束402a和402b安置和/或定向，因而后向反射光束402ar和402br在到达假设平面Pc之前和之后都会聚，直至它们到达标度光栅430。如图29B最佳显示的，后向反射光束402ar和402br在光点处撞击在第二区432中的标度光栅430上，其中该光点在沿测量轴101的方向上具有公称分隔距离d2。

应理解，在根据图29A-29C所示构造的各示范性实施例中，当公称分隔距离d1和d2取得相同的值时，提高了使间距偏移和动态间距偏移误差最小化的能力。这样，在各示范性实施例中，后向反射器440和441进一步相对于衍射光束402a和402b安置和/或定向，因而公称分隔距离d2与公称分隔距离d1相同。在各示范性实施例中，后向反射器440和441进一步相对于衍射光束402a和402b安置和/或定向，以使得在各衍射和反射光束与各编码器读数头部件之间保持间隔，这在下文中将进一步讨论。

无论怎样，如图29A中最佳显示的，后向反射光束402ar和402br从第二区432衍射，分别产生各自的后衍射(later-diffracted)光束403a和403b，该后衍射光束是沿各自路径衍射的各个衍射级，它们从第二区432发射到光束引导部件420和421。然后通过光束引导部件420和421引导后衍射光束403a和403b，以使后衍射光束403a和403b接近于光束分离部件415X会聚。光束分离部件415X的一部分接收后衍射光束403a和403b并且起到了根据已知的光学原理反射或偏转至少一束光的光束引导部件的作用，从而将后衍射光束403a和403b引导进入共享区450中的法线或近似法线。然后如前所述，校直或近似校直的后衍射光束403a和403b进入适当选择的光检测器460。应该理解，在各示范性实施例中，可选择的和/或分离的光束引导部件可用于引导后衍射光束403a和403b在距离可选择和/或分离光束引导部件最近处会聚，其中该引导部件根据已知的光学原理反射或偏转至少一束光，而使后衍射光束403a和403b进入共享区450的法线或近似法线。

图29A-29C所示的构造减小或消除了静态和动态间距敏感度。例如，如果标度光栅430绕穿过图29所示的点Ap的间距轴旋转，应理解对于小间距角度，光束402ar和403a的路径长度会以与光束401b和403b的路径长度近似相同的数值变化。同样的，光束402br和403b的路径长度会以与光束401a和403a的路径长度近似相同的数值变化。这样，不论静态或动态间距，后衍射光束403a和403b将以近似相同的光相位关系进入共享区450，并且减小或消除了潜在间距误差。更一般的，应理解，在各示范性实施例中，即使距离d1和d2不同，如果通过沿标度光栅430平面并垂直于测量轴的轴，校直距离d1和d2的中点，将得到相同的结果。

图29D是根据图29A-29C所示的第九示范性实施例的标度光栅上形成的示范性公称点模式的顶视图。图29D显示了产生于光束401b的光点S 1b、产生于光束402ar的光点S2ar、产生于光束401a的光点S1a和产生于光束402br的光点S2br。一般，在根据图29A-29C所示结构的各示范性实施例中希望距离d1和d2近似相同，并且希望光束点对S1b、S2ar和S1a、S2br各自沿近似横向或垂直于测量轴101的方向校直。这样的实施例减小了潜在的间距误差。特别是，发明人已确定在各示范性实施例中，其中距离d1和d2是相同的并且光束点对S1b、S2ar和S1a、S2br各自沿近似横向或垂直于测量轴101的方向校直(如图29D所示)，则有效地消除了潜在间距误差。在某些构造中，使距离d1和d2大于1mm并小于4mm是有利的。

应理解，图29A-29C所示的编码器读数头构造除了如前所述提供所需的光点位置和光束路径长度的构造外，还具有其他优点。尤其是，如图29B最佳显示的，也可能使后向反射器440和441相对于衍射光束402a和402b安置和/或定向，以便在各种“不必要的”反射和/或衍射光束和各编码器读数头部件之间保持间隔，因而消除了跨接光束。各种零级反射光束路径通过图29B中的虚线表示。可以观察到零级反射光束Z1b和Z1a落在后向反射器440和441的外侧，并且因而得到了消除。通过光束引导部件420和421接收由后向反射光束402ar和402br产生的零级反射光束路径，并将之引导到光束分离部件415X，以沿组合零级反射光束路径Z3出现。能够观察到，零级反射光束路径Z3落在检测器460的外侧，因此得到消除。应该理解，根据本发明的这样的实施例不需要包括偏光器，这样避免了在这些情况下不必要的编码器读数头制造和/或组装限制。然而，应进一步理解，可以在这样的实施例中任意包括偏光器，例如在特定实施例中对特定光检测器460所需要的相容性。

也应理解，在根据图29A-29C所示构造的各实施例中，依据相对于衍射光束402a和402b的后向反射器440和441的尺寸和/或位置和/或方向，可以不消除各种零级反射光束路径，从而导致了跨接光束。在这样的实施例中，应使用关于图20A-20D所示构造的偏光和检测部件。应理解，这样的实施例仍然存在如上所述第九示范性实施例的其他特性和优点，因而并且也存在如上所述的对静态和动态间距偏移的不敏感性。

而且，在图29A-29C的构造中，传感装置可包括透明块结构。这样，光束引导部件420和421可包括透明材料块的相对表面。同样的，后向反射器部件440和441可以包括透明材料块各自的转角区。更一般的，应理解，包括在前述图29A-29D论述中的任何一般讨论代表许多构造，这些构造可以在它们的元件组合和尺寸方面不同于图29A-29D所示的特定部件和尺寸。因而，图29A-29D不应理解为关于前述一般部分的意思和意义的限制。

图30A是可用于根据本发明的第十示范性实施例的光位移传感装置构造的各示范性实施例中第三示范性透明块构造的三维方案图。图30B是图30A所示透明块构造的方案侧视图，而图30C是顶视图，图30D是端视图。图30E是图30A所示光传感装置构造的示意性侧视图，而图30F是示意性端视图。图30G是形成于根据图30A-30F所示第十示范性实施例的标度光栅上的公称点模式顶视图。

图30A-30G所示的构造至少在两个方面类似于图29A-29D所示的构造。第一，将编码器读数头部件设置成使每一条操作光束部分关于假设线形成同样的角，其中该操作光束撞击在或衍射于标度光栅430上，该假设线平行于测量轴方向101并通过各自的撞击或衍射点。如前所述，可根据公式1-3设计该构造。第二，同理，图30A-30G所示的构造光束路径和光点构造提供了对静态和动态间距偏移的不敏感性的相同测定。

应理解，图30A-30D显示了透明块3000，该块与图27A-27C所示的透明块以同样的方式提供同样的作用。而且，在图30A-30D中，除非另有说明，明显对应的部件和/或具有相同附图标记的部件如前述参照图27A-27C进行设置和操作。除非另有说明，参照图27A-27C的一般性讨论以与图30A-30D对应的方式应用。而且，由于它们的设置和操作已经明显并且不再进一步参照图30A-30G作论述，在图30A-30G中省略了明显对应于前述一般或特定部件的几个部件的附图标记。相反，如果有相关说明，或者如果图30A-30G用来进一步说明这样的部件，则在图30A-30G中该部件的附图标记一般重复或加入。

在图30A-30G所示的构造中，光束401由输入光栅415-IN分成光束401a和401b(如图30A-30E中最佳显示的)。光束401a和401b由光束引导部件420和421接收并沿各自会聚光路引导至标度光栅430上的第一区431。在一个实施例中，光束引导部件420和421是透明块3000的反射面(如图30C最佳显示的)。与图29A-29C所示的光束401a和401b相比，根据本实施例的光束401a和401b在到达假设平面Pc之前和之后都会聚，直至它们到达标度光栅430(最佳显示于图30B-30E中)。如图30C和30G中最佳显示的，分光束401a和401b于光点处撞击在第一区431中的标度光栅430上，该光点具有沿测量轴方向101的公称分隔距离d1。

这产生了两条衍射光束402a和402b，这两条衍射光束沿各自发散光路传播直至它们进入后向反射器440和441，该后向反射器通过会合于透明块3000各自转角处的反射面设置。后向反射器440和441沿各自发散光路接收两条衍射光束402a和402b，并且作为光束402a和402b分别平行于衍射光束402a和402b的光路后向反射它们。对照于光束402a和402b，在根据图30A-30G所示构造的各示范性实施例中，后向反射器440和441，也就是透明块3000的后向反射面相对于衍射光束402a和402b安置和/或定向，以使后向反射光束402a和402b向假设平面Pc第一次会聚，其中该假设平面平行于标度光栅平面并最接近于标度光栅430上的第一区432，然后后向反射光束从假设平面Pc发散(如图30B-30E最佳显示的)。如图30C最佳显示的，后向反射光束402ar和402br于光点处撞击在第二区432中的标度光栅430上，该光点沿测量轴方向101具有公称分隔距离d2。

后向反射光束402ar和402br从第二区432衍射，产生各自的后衍射光束403a和403b。然后沿各自光路传播后衍射光束403a和403b并通过光束引导部件420和421引导到输出光栅415-out，该光栅起到光束引导部件的作用，该光束引导部件偏转至少一条光束，从而根据本发明原理将后衍射光束403a和403b引导进入共享区的法线或近似法线。应理解，在根据本发明原理具有可选择光路的各示范性实施例中，可选择的和/或分离光束引导表面，如外接式附加平面镜等等(未示出)，可安置在透明的表面部分，其中该部分提供光束引导部件420和421，从而提供另外的表面和/或尺寸引导后衍射光束403a和403b在离光束引导部件最近处会聚，其中该光束引导部件使后衍射光束403a和403b进入共享区450中的准线或近似准线。

如图30A-30G所说明的，光束分离部件415-IN和415-OUT在概念上称为读数头光栅部件，后衍射光束403a和403b的每一条都撞击在读数头光栅部件415-OUT上，而光束401撞击在读头光栅部件415-IN上。与该说明一致的各种示范性读数头光栅部件的结构和操作上面参照图10A-10E已讨论过。然而，在各种其他的实施例中，光束分离部件415-IN和415-OUT更一般的意味着表示任何已知或新近研究的光束分离部件或部件的组合，如光栅部分或多光栅等等，包括任何上文在图10A-10E或11A-11D所示的构造，该构造根据本发明原理可操作的产生分离和/或偏转光束。

图30G是在根据图30A-30F所示的第十示范性实施例的标度光栅上所形成的一个示范性公称点模式的顶视图。如图30G所说明的，光束401a在光点S1a公称撞击在标度光栅430上，产生衍射光束402a。光束401b在光点S1b公称撞击在标度光栅430上，产生衍射光束402b。光束402br在光点S2br公称撞击在标度光栅430上，产生后衍射光束403b。光束402ar在光点S2ar公称撞击在标度光栅430上，产生后衍射光束403a。

类似于图29D，在图30G中光点S1a和S1b位于第一区431之内，并且由第一距离d1分离，光点S2ar和S2br位于第二区432之内，并且由第二距离d2分离。与图29D所示的位置比较，如图30G所示，光点S1a和S1b的位置颠倒，同样光点S23a和S23b也是这样。这是由于第九和第十实施例之间的差异。然而，应理解，由于两组光点的位置颠倒，涉及图30A-30G所示的构造，与衍射光束402a和402b相关的后向反射器440和441的位置和/或方向，d1和d2的尺寸和各光点的位置，所有这些考虑与关于图29A-29D所示构造的已有考虑相同。这样，图30A-30G所示的构造以类似或同样的方式提供了对静态和动态间距偏移不敏感性的类似或相同的测定。

应理解，对图30A-30D所示透明块3000的特定实施例，未消除各种零级反射光束路径，结果产生了跨接光束。这样，在包括这样的实施例的读数头中应含有关于图20A-20D所示构造的已述偏光和检测部件或它们的等效物。然而，应该也理解，因为各种产生于光束401a、401b、402ar、402br的零级反射光束不与图30A-30D所示的各操作光束校直，因而它们可用各种适当方法进行阻止和消除，并且不需要关于图20A-20D所示构造所述的偏光和检测部件。

图30H是顶视图，说明图30A-30D所示的透明块3000的各实施例中用于阻止跨接的一个示范性部件。图30H显示了应用于透明块3000的表面上的阻止部件3010，其中该透明块与标度光栅430即底面相邻。确定阻止部件3010的范围和位置，以使所有通过标度光栅430衍射的操作光束，如前所述，导入通过透明块3000的底面，但任何零级反射光束由阻止部件3010阻止并不导入。阻止部件优选的是无反射性的，以吸收任何零级反射光束。在各示范性实施例中，阻止部件3010是具有扩散面积的黑色不透明涂层，通过任何适当的现在已知的或新近研究的方法施加于透明块3000的底面。其他阻止或另外的消除零级反射光束的方法对本领域技术人员是显而易见的。

图31是块状图，说明了对透明块构造3000、输入光栅415-IN、输出光栅415-OUT和后向反射器440和441的高度的第一示范性实施例。如图31所示，输入光栅415-IN的高度为H1，而输出光栅15-OUT的高度为H2，后向反射器440和441的顶面高度为H3。在优选实施例中，高度H3在高度H1和高度H2之间的大约中间位置。如说明性示例，在高度H1近似为7.83mm并且高度H2为近似10mm的优选实施例中，高度H3将近似为8.92mm。

图32显示了与误差表801和901类似的误差表3201，其对于根据本发明的光位移传感装置构造，作为条目列出了与各动态偏移和漂移相关的误差量，其中该构造对应于图30A-30G和图31所示的基本构造，具有设置在高度H3的后向反射器440和441的顶面，高度H3在输入光栅高度H1和输出光栅高度H2的中间位置。对表3201中的所有条目，公称波长λ为0.635μm，公称角α为38°，公称角β为65°，标度的光栅周期是0.4μm。表3201中所示结果的一个重要方面是它们显示了图30A-30G和图31中所示的基本构造实际上可以消除动态间距误差，这类似于上述的各种其他实施例。

表3201中所述的最重要的误差是对于动态波长偏差和动态间隙变化。如上所述，与动态间隙变化相关的误差在表3201和表801和901中具有相同的量。可通过在各实施例中使用更稳定的光源和/或提高温度控制来克服与动态波长偏差相关的误差。然而，也已确定，根据上述参照图13-18所述原理的各种编码器读数头构造也可用于影响与动态波长偏差相关的误差量。

图33是块状图，说明了对透明块构造3000，输入光栅415-IN，输出光栅415-OUT和后向反射器440和441的高度的第二示范性实施例。除了图33中的构造在高度H3′具有后向反射器440和441的顶面之外，图33中所说明的构造与图31中所说明的构造相同，其中该高度H3′近似等于输出光栅415-OUT的高度H2。

图34显示了与误差表3201类似的误差表3401，除了对应于图33所示的基本构造。类似于图32的表3201，图34的表3401说明根据本发明的基础的编码器读数头实施例实际上消除了动态间距角误差。如图32的表3201的情况，图34的表3401中所示的最重要的误差是对于动态波长偏差和动态间隙变化。通过比较表3401和表3201，可观察到与表3201比较在表3401中对动态波长偏差的误差稍微变差。

图35A是可用于光位移传感装置构造中的第四个示范性透明块构造的三维方案图，该光位移传感装置构造是根据本发明第十一示范性实施例作出的。图35B是图35A中所示的透明块构造的方案侧视图，而图35C是顶视图，图35D是端视图。图35E是图35A所示光传感装置构造的示意侧视图，而图35F是示意端视图。图35G是形成在根据图35A-35F所示的第十一个示范性实施例的标度光栅上的公称点模式顶视图。

图35A-35G所示的构造至少在两个方面类似于图29A-29D所示的构造。第一，将编码器读数头部件设置成使每一条操作光束部分关于假设线形成同样的角，其中该操作光束撞击或衍射于标度光栅430上，该假设线平行于测量轴方向101并通过各自的撞击或衍射点。如前所述，可根据公式1-3设计这样的构造。第二，同理，图35A-35G所示构造的光束路径和光点构造提供了对静态和动态间距偏移的不敏感性的相同测定。

应理解，图35A-35D显示了透明块3500，该块与图26A-26C所示的透明块2600以同样的方式提供同样的作用。而且，在图35A-35D中，除非另有说明，很明显对应的部件和/或具有相同附图标记的部件如前述参照图26A-26C进行设置和操作。除非另有说明，参照图26A-26C的一般性讨论应用于图35A-35D的对应方式中。而且，由于它们的设置和操作已经显然并且不再进一步参照图35A-35G作论述，在图35A-35G中省略了明显对应于前述一般或特定部件的几个部件的附图标记。

在图35A-35G所示的构造中，光束401由光束分离部件415X分成光束401a和401b(如图3A和35E中最佳显示的)。在一个实施例中，光束分离部件415X是在透明块3500的两个子块之间的界面，该界面包括半面涂银镜或类似物。更一般的，应理解，在各实施例中所说明的光束分离部件415X意味着代表任何适宜的现在已知的或最近研制的光束分离部件或部件组合，包括但不限于上述参照图11A-11D所述的那些，这些部件可以结合到透明块3500的结构和装置中。

无论怎样，从光束分离部件415X发出的光束401a和401b由光束引导部件420和421接收并沿各自会聚光路引导到标度光栅430上的第一区431。在一个实施例中，光束引导部件420和421是透明块3500的反射面(如图35C最佳显示的)。类似于图29A-29C所示的光束401a和401b，根据本实施例的光束401a和401b第一次会聚于假设平面Pc，该平面平行于标度光栅表面并离标度光栅430上的第一区431最近，然后光束从假设平面Pc发散，直至它们到达标度光栅430。如图35C中最佳显示的，分光束401a和401b于光点处撞击在第一区431中的标度光栅430上，该光点具有沿测量轴方向101的公称分隔距离d1。对照于图29A-29C所示的构造，在本实施例中，由于光束401a、401b、402a、402b相对于本实施例中的后向反射器440和441的相对位置和方向，第一区431相对于第二区432朝向图35C和35G的底面。

分光束401a和401b衍射于第一区431，分别产生各自衍射光束402a和402b，它们是沿接近于第一区431的假设平面Pc会聚的光路衍射的各自的衍射级，然后从假设平面Pc发散，直至它们进入后向反射器440和441，该后向反射器通过反射面设置，该反射面在透明块3500的各自转角处会合。后向反射器440和441分别沿它们各自的光路接收衍射光束402a和402b，并分别作为光束402ar和402br平行于衍射光束402a和402b的光路后向反射它们。

与光束402a和402b相对照，在根据图35A-35G中所示构造的各示范性实施例中，作为透明块3500后向反射表面的后向反射器440和441相对于衍射光束402a和402b安置和/或定向，以使后向反射光束402ar和402br在到达假设平面Pc之前和之后都会聚，直至它们到达标度光栅430(如图35B和35E最佳显示的)。如图35C中最佳显示的，后向反射光束402ar和402br于光点处撞击在第二区432中的标度光栅430上，该光点沿测量轴方向101具有公称分隔距离d2。

后向反射光束402ar和402br从第二区432衍射，产生各自的后衍射光束403a和403b。然后沿各自光路传播后衍射光束403a和403b并通过光束引导部件420和421引导到光束分离部件415X的部分，该部分起到光束引导部件的作用，该光束引导部件偏转至少一条光束，从而根据本发明原理将后衍射光束403a和403b引导到共享区的法线或近似法线。

图35G是在根据图35A-35F所示的第十一个示范性实施例的标度光栅430上所形成的一个示范性公称点模式的顶视图。如图30G所说明的，光束401a在光点S1a公称撞击在标度光栅430上，产生衍射光束402a。光束401b在光点S1b公称撞击在标度光栅430上，产生衍射光束402b。光束402br在光点S2br公称撞击在标度光栅430上，产生后衍射光束403b。光束402ar在光点S2ar公称撞击在标度光栅430上，产生后衍射光束403a。

类似于图29D，在图35G中光点S1a和S1b位于第一区431之内，并且由第一距离d1分离，光点S2ar和S2br位于第二区432之内，并且由第二距离d2分离。与图29D中所示的位置比较，如图35G所示，第一区431和第二区432的位置颠倒，这是由于第十和第十一实施例之间的差异。然而，从前述讨论应理解，涉及图35A-35G所示的构造，与衍射光束402a和402b相关的后向反射器440和441的位置和/或方向，d1和d2的尺寸，和各光点的位置，所有这些考虑与关于图29A-29D所示构造的已有考虑相同。这样，图35A-35G所示的构造以类似或同样的方式提供了对静态和动态间距偏移不敏感性的类似或相同的测定。

应进一步理解，对图35A-35D所示透明块3000的特定实施例，未消除各种零级反射光束路径，结果产生了跨接光束。这样，在包括这样的实施例的读数头中应含有关于图26A-26D所示构造的已述偏光和检测部件或它们的等效物。然而，应该也理解，因为各种产生于光束401a、401b、402ar、402br的零级反射光束不与图35A-35D所示的各操作光束校直，因而在各实施例中它们可用如关于图30H的已有描述的各种适当方法进行阻止和消除，并且不需要关于图26A-26C所示构造所述的偏光和检测部件。代替的，在这样的实施例中可以使用非偏光检测方案和各种相关的部件，如前面关于图26A-26C所述的光楔部件491等等。

应理解，图36显示了根据本发明各种前面所论述的示范性实施例的光位移传感装置的使用方法流程图。流程图36的某些部件类似于流程图28的部件。如图36中所示，该方法开始于块S3610，即输入分光束以通过光位移传感装置各自的光引导部件进行接收。然后，该方法继续到块S3620，其中用各种光引导部件沿各自会聚光路引导分光束至标度光栅上的第一区。在优选实施例中，分光束沿公称对称会聚的路径引导到第一区。在各实施例中，分光束各自的会聚光路会聚直至到达标度光栅上的第一区。在各种其他的实施例中，分光束各自的会聚光路会聚直至到达平行于并接近于标度光栅上的第一区的假设平面，然后以小的残余距离发散到标度光栅上的第一区。然后该方法继续到块S3630。

在块S3630，每一条分光束从标度光栅上的第一区衍射，沿发散路径引导两条衍射光束，这两束衍射光束发散进入两个各自的后向反射器。然后该方法继续到块S3640。

在块S3640，进入各自后向反射器的两束衍射光束作为两束后向反射光束沿各自会聚光路后向反射至标度光栅上的第二区。在各实施例中，如果在块S3620，分光束各自的会聚光路会聚直至到达标度光栅上的第一区，那么在块S3640，两束后向反射光束沿各自会聚光路向后汇聚，直至到达平行并接近于标度光栅第二区的假设平面，从而以小的残余距离发散到标度光栅上的第二区。在各种其他的实施例中，如果在块S3620分光束各自的会聚光路会聚直至到达平行并接近于标度光栅第一区的假设平面，然后以小的残余距离发散到标度光栅上的第一区，那么在块S3640两束后向反射光束沿各自会聚光路向后汇聚，直至到达标度光栅上的第二区。然后，该方法继续到块S3650。

在块S3650每一条后向反射到标度光栅第二区上的光束从标度光栅第二区衍射，产生两条后衍射光束，沿各自光路引导该后衍射光束，其中该光路发散而用各自的光引导部件接收它们。然后该方法继续到块S3660。

在块S3660，各自光引导部件沿各自路径引导两束后衍射光束至共享区。在优选实施例中，沿公称对称的路径引导到共享区的光束，直至通过光引导部件接收它们，该光引导部件至少偏转一束光以使光束近似进入共享区的准线。然后该方法继续到块S2870，其中该方法结束于检测至少一个产生于共享区的发光特性，并且基于检测结果确定标度光栅相对于光位移传感装置的相对位移。

虽然本发明结合上述特定实施例进行了论述，但是应理解，这些特定的实施例提供了许多可供选择的方法、组合、修饰和变化。作为一个示例，虽然根据本发明的各实施例在此处作为线性传感器显示，但是该设计可通过本领域普通技术人员用于或适于圆柱形或圆形旋转应用。作为个别的示例，如果该波长是可与根据本发明原理的标度光栅和光检测器进行操作的，本发明可应用在可见光谱之外的光波长上。因此，如上所阐明的，本发明的优选实施例是为了说明并不是限定。可以不超出本发明宗旨和范围进行各种变化。

虽然已说明和论述了本发明的优选实施例，但是应理解其中所作的各种变化未超出本发明的宗旨和范围。

Claims (44)

1.一种用于测定标度沿测量的轴相对位移的装置，该标度具有沿测量轴形成的光栅，该装置包括：

分光束输入部分；

两个或更多的光束引导部件；

两个或更多的后向反射部件；和

光学检测器；

其中：

安置分光束输入部分，以沿各自光路输入两束分光束；

安置两个或更多光束引导部件，以沿它们各自的光路接收两束分光束，并沿各自的会聚光路引导两条分光束至标度光栅上的第一区，两条分光束从第一区沿各自光路产生两条衍射光束，该衍射光束发散进入两个或更多的后向反射器部件；

安置两个或更多的后向反射部件，以接收来自第一区的两束衍射光束，并沿各自会聚光路将两束后向反射光束后向反射至标度光栅上的第二区；以及

两束后向反射光束沿各自光路从第二区产生两条后衍射光束，该光路发散而被各自的光束引导部件接收并引导进入共享区；以及

光检测器检测至少一个产生于共享区的发光特性，该检测到的至少一个发光特性可用于确定标度的相对位移。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于光检测器可用于输出至少一个输出信号，该信号代表至少一个可用于确定标度相对位移的所检测的发光特性。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于各自光路的每一条接收产生于仅仅一条分光束的衍射光束，其中该光路发散而进入两个或更多的后向反射部件。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于从第二区发出的各自光路的每一条接收产生于仅仅一条后向反射光束的后衍射光束，其中该光路发散而被两个或更多的光束引导部件接收。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于标度光栅具有间距，标度光栅的间距小于通过分光束输入部分输入的光波长。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于两条分光束从第一区产生两条衍射光束，每一条于第一区点撞击在公称地位的标度光栅上，该点由沿测量轴方向的第一公称距离分隔，并且两条后向反射光束沿各自光路从第二区产生两条后衍射光束，每一条于第二区点撞击在公称安置的标度光栅上，该点由沿测量轴方向的第二公称距离分隔。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于第一公称距离和第二公称距离都为零。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于从第一区发出的两条衍射光束中的第一条来自第一区点，该点以第一方向沿测量轴最远，该光束作为后向反射光束后向反射，该后向反射光束撞击在第二区点上，该点以相反的方向沿测量轴最远。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于第一公称距离的中点和第二公称距离的中点位于与相对于彼此测量轴方向近似垂直的位置。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于各自光路的每一条接收产生于仅仅一条分光束的衍射光束，其中该光路发散而进入两个或更多的后向反射部件中。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于第一公称距离和第二公称距离中至少有一个大于1mm并小于4mm。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于第一公称距离和第二公称距离是相等。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于第一区和第二区沿垂直于测量轴的方向彼此分离。

14.如权利要求1所述的装置，其特征在于两束分光束公称撞击在标度光栅上的第一区上，以使每一条光束相对于平行于测量轴并通过它们各自的撞击点的线，形成各自小于或等于60°并大于或等于10°的相同的角。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于各自的角小于或等于40°并大于或等于20°。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于各自的角小于或等于30°并大于或等于20°。

17.如权利要求14所述的装置，其特征在于标度光栅具有间距，标度光栅的间距小于由分光束输入部分输入的光波长。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于标度光栅的间距小于光波长的0.8倍，并且各自的角小于或等于45°并大于或等于20°。

19.如权利要求1所述的装置，其特征在于向第一区会聚的光路中的至少一部分以偏离校直平面的第一方向倾斜，该平面平行于测量轴并垂直于标度光栅的公称定位平面，而且来自第一区的各自光路中的至少一部分以偏离校直平面的相反方向倾斜，其中各自光路分散进入两个或更多的后向反射部件，该校直平面平行于测量轴并垂直于标度光栅的公称定位平面。

20.如权利要求1所述的装置，其特征在于测量轴包括环形轨道，并且标度光栅沿该环形轨道的至少一部分形成，该标度旋转操作，并且该装置可用于测定标度的偏移。

21.如权利要求1所述的装置，其特征在于两个或更多的光束引导部件包括用于每一条各自分光束路径的至少一个平面镜表面。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于每一个各自平面镜表面中的第一部分用于引导各自的分光束，每一个各自平面镜表面中的第二部分用于引导各自的后衍射光束。

23.如权利要求21所述的装置，其特征在于两个或更多的光束引导部件包括透明材料块的两个相对表面。

24.如权利要求1所述的装置，其特征在于两个或更多的后向反射部件包括透明材料块的各自转角区。

25.如权利要求1所述的装置，其特征在于分光束输入部分包括光源和分光器及输入光栅之一。

26.如权利要求25所述的装置，其特征在于进一步包括输出光栅，该光栅至少部分引导至少一束后衍射光束进入共享区，其中分光束输入部分包括输入光栅。

27.如权利要求26所述的装置，其特征在于对于所有两个或更多的后向反射器部件，离标度光栅公称定位平面最远的反射部分安置在输入光栅和输出光栅高度之间接近一半的高度处。

28.如权利要求1的装置，其特征在于光检测器包括光阵列并且由共享区产生的至少一个发光特性产生于共享区中的衍射条纹图形。

29.一种用于沿测量轴测定标度的相对位移的方法，该标度具有沿测量轴形成的光栅，该方法包括：

将一条光束从光源传输到光束分离部件上，以产生两条分光束；

沿各自会聚光路将两束分光束引导到标度光栅上的第一区；

沿各自光路衍射两条分光束，以产生两条衍射光束，该光束发散进入各自的后向反射器；

沿各自会聚光路将作为两条后向反射光束的两条衍射光束后向反射到标度光栅上的第二区；

沿各自光路从第二区衍射两条后向反射光束，以产生两条后衍射光束，该光束发散而被各自的光束引导部件所接收；

引导两束后衍射光束进入共享区；以及

检测产生于共享区的至少一个发光特性，该检测到的至少一个发光特性可用于确定标度的相对位移。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于进一步包括从光检测器中输出至少一个输出信号，该信号代表至少一个检测得到的发光特性，基于该至少一个输出信号确定标度的相对位移。

31.如权利要求29所述的方法，其特征在于发散进入两个或更多后的向反射部件的各自光路的每一条接收仅产生于一条分光束的衍射光束。

32.如权利要求29所述的方法，其特征在于来自第二区的、发散而由两个或更多光束引导部件接收的各自光路，其每一条接收仅产生于一条后向反射光束的后衍射光束。

33.如权利要求29所述的方法，其特征在于从第一区产生两条衍射光束的两条分光束于第一区点引导撞击在公称定位标度光栅上，该点由沿测量轴方向的第一公称距离分离，并且沿各自光路从第二区产生两条后衍射光束的两条后向反射光束于第二区点后向反射撞击在公称定位标度光栅上，该第二区点由沿测量轴方向的第二公称距离分隔。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于第一公称距离和第二公称距离都是零。

35.如权利要求33所述的方法，其特征在于两条从第一区发出的衍射光束中的第一条来自第一区点，该点以第一方向沿测量轴最远，并且该衍射光束作为后向反射光束后向反射，该后向反射光束撞击在第二区点，该第二区点以相反的方向沿测量轴最远。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于第一公称距离的中点和第二公称距离的中点位于彼此与测量轴方向近似垂直的位置。

37.如权利要求35所述的方法，其特征在于分散进入两个或更多后向反射部件的各自光路的每一条接收仅产生于一条分光束的衍射光束。

38.如权利要求35所述的方法，其特征在于第一公称距离和第二公称距离中至少有一个大于1mm并小于4mm。

39.如权利要求35所述的方法，其特征在于第一公称距离和第二公称距离是相等的。

40.如权利要求29所述的方法，其特征在于两条分光束公称撞击在标度光栅上的第一区，以使每一条光束相对于沿平行于测量轴并通过各自撞击点延伸的线形成各自的相同的角，该角小于或等于60°并大于或等于10°。

41.如权利要求40所述的方法，其特征在于各自的角小于或等于40°并且大于或等于20°。

42.如权利要求40所述的方法，其特征在于各自的角小于或等于30°并且大于或等于20°。

43.如权利要求40所述的方法，其特征在于标度光栅具有间距，标度光栅的间距小于从光源传输的光波长的0.8倍，各自的角小于或等于45°并大于或等于20°。

44.如权利要求29所述的方法，其特征在于向第一区会聚的各自光路中至少有一部分以第一方向偏离于校直平面倾斜，该平面平行于测量轴并垂直于标度光栅的公称定位平面，来自第一区的发散进入两个或更多后向反射部件的各自光路中至少有一部分偏离于校直平面以相反的方向倾斜，该平面平行于测量轴并垂直于标度光栅的公称定位平面。

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