CN101738217A - 绝对式光学编码器的刻度轨迹结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝对式光学编码器的刻度轨迹结构。该编码器结构包括照明部、包含绝对轨迹的绝对刻度图案和具有宽度尺寸YDETABS的检测器。绝对轨迹图案包括几何全等子轨迹，并且该全等子轨迹被布置成如果全等子轨迹之一平移宽度尺寸YDETABS，则这些子轨迹将标称重合。全等子轨迹可以间隔小于YDETABS的尺寸YCENT，并且各自可以具有尺寸YTOL，使得[YCENT+2(YTOL)]大于YDETABS。因而，检测器可以窄于绝对轨迹图案，但由于检测器边缘各自标称位于全等子轨迹上，因此检测到的信号不受图案内检测器的水平未对准的影响。尽管检测器窄于绝对轨迹，但是这些原理在构成绝对轨迹中的有利的各图案特征时提供了大的自由度。

Description

绝对式光学编码器的刻度轨迹结构

技术领域

本发明一般涉及精密测量设备，尤其涉及具有可以依赖于多个光学感测原理的多个刻度轨迹(scale track)的绝对式光学编码器。

背景技术

增量式位置编码器利用以下刻度结构：该刻度结构允许通过从沿刻度的起始点开始累积位移的增量单位来确定读取头相对于该刻度的位移。这种编码器适用于特定应用，特别是可以获得线路功率的应用。然而，在低功耗装置中使用编码器等的特定应用中，更期望使用绝对式位置编码器。该绝对式位置编码器在沿刻度的各位置处提供唯一的输出信号或信号的组合。绝对式位置编码器不要求连续累积增量位移以识别位置。因而，绝对式位置编码器允许各种功率节约方案。已知使用各种电容、感应或光学感测技术的各种绝对式位置编码器。

绝对式编码器的优点的最重要的指标之一是(范围/分辨率)、即装置的最大容许绝对测量范围与有意义的测量分辨率和/或精确度的比。将此称为“范围-分辨率比”。

一些编码器通过使用与刻度平行移动的多个二进制码轨迹实现了高的范围-分辨率比。通常由刻度的宽度来限制该技术的范围，该刻度的宽度确定可制造的二进制码轨迹的数量。此外，粗糙的二进制感测通常限制了分辨率。该技术通常对于在致密编码器中期望的窄的刻度而言不是最优的。将认识到，可以将最低有效位(least significant bit，LSB)二进制码轨迹看作为“细微波长”增量轨迹，因为该二进制码轨迹以LSB的“细微”空间分辨率重复，并且除非与提供更高有效码位的轨迹组合使用，否则仅提供增量位移信息(即，仅提供周期非绝对信号)。这是在大多数高分辨率绝对式编码器(例如，提供微米级的分辨率的编码器)中使用的细微波长轨迹的特性。因而，在许多绝对式编码器中，还可以将该细微波长轨迹(细微轨迹)称为增量轨迹。

与“全二进制”技术相比较，一些编码器通过使用提供与波长相关的模拟信号的技术、然后测量该模拟信号直至其范围的一小部分来提高细微轨迹的分辨率，以提供比细微波长更细微的分辨率，并由此扩展绝对式编码器的范围-分辨率比。将此一般称为信号插值，并且将细微波长相对于所得的测量分辨率的比称为插值比。根据所使用的技术以及用于提供管理信噪(S/N)比的精确部件和组件的支出水平，高达100、300或甚至1000以上的实际信号插值比都是可能的。然而，一般而言，大于约100的插值比可能要求所需要的精确部件和组件的极大额外费用。此外，如果要求亚微米分辨率，则细微轨迹的波长可以是约40微米以下的级别。5个额外二进制轨迹将仅带来有限用途的多达约1.3毫米的关联范围。因而，该技术一般对于结合高分辨率(例如，微米级别)的窄的刻度不是最佳的。

为了克服该限制，一些编码器放弃二进制轨迹并且在附加的刻度轨迹上使用信号插值。可以将这种轨迹称为绝对刻度轨迹(绝对轨迹)。将认识到，这种信号插值在细微波长的正负一半内必须具有分辨能力和重复性，以分辨由细微轨迹所提供的周期信号的模糊性。一些编码器使用在整个测量范围内单调(例如，线性)变化的绝对轨迹。然而，假定约40微米以下的细微轨迹波长以及约100以上的插值比，则这种绝对轨迹自己将带来有限用途的仅多达2～10毫米的关联绝对测量范围。

为了克服该限制，一些编码器使用具有比细微轨迹长得多的空间波长的至少两个附加绝对轨迹。为了方便，可以将这些波长称为绝对波长和/或中等波长和/或粗糙波长，以将它们与细微波长区分开并且/或者强调它们的功能。作为一个例子，使用已知的感测技术(例如，光学感测技术)，从具有略微不同的中等波长的两个绝对轨迹得到周期模拟信号(例如，正弦信号或类似处理输出等)。根据已知关系，两个模拟信号之间的空间相位差在与中等波长的乘积成正比并且与中等波长的差的绝对值成反比的距离上改变了360度。可以将该距离称为粗糙合成波长或粗糙波长，并且该距离大致为装置的绝对测量范围。来自中等轨迹的信号之间的相位差提供相对于粗糙分辨率的绝对位置。可以将此称为粗糙位置。粗糙位置分辨率和/或精确度必须位于中等波长其中之一的近似正负一半内，以消除由中等轨迹所提供的周期信号的模糊度，从而可靠地识别与位置相对应的中等波长的特定周期。可以对来自中等轨迹的周期信号进行插值，以提供相对于比粗糙分辨率好的中等分辨率的绝对位置。可以将此称为中等位置。中等位置分辨率和/或精确度必须位于一个细微波长的近似正负一半内，以消除由细微轨迹所提供的周期信号的模糊度，从而可靠地识别与位置相对应的细微波长的特定周期。可以对来自细微轨迹的周期信号进行插值，以向装置的绝对位置提供最终细微分辨率和/或精确度。根据前述说明，假定细微轨迹波长是约40微米以下，并且对于粗糙合成波长和中等波长两者，插值比是约100，则这种绝对轨迹结构将带来在大量应用(例如，指示器、线性量规和旋转型编码器等)中有用的多达约100毫米的关联绝对测量范围。前述技术一般是已知的，并且与各种相关编码器结构和/或信号处理有关的附加详情在各种绝对式编码器和绝对式干涉仪专利中可以容易地获得。可以将前述技术称为合成粗糙波长绝对测量技术(SCWAM(synthetic coarse wavelength absolute measurement)技术)。

美国专利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(下文中称为’655专利)公开了包括以上所概述的与绝对式编码器相关的各种编码器结构和/或信号处理技术，这些专利的内容在此通过引用全部包含于此。然而，现有技术未能教导能够提供绝对式编码器的用户所期望的范围-分辨率比、高分辨率、紧凑大小、耐用性和成本的特定组合的结构。期望能够提供这种组合的改进后的绝对式编码器的结构。

发明内容

提供该部分从而以简单形式介绍以下将在具体实施方式部分中进一步描述的概念的选择。该部分既不意图明确所要求保护的主题的关键特征，也不意图用作在确定所要求保护的主题的范围时的辅助。

本发明涉及能够提供范围-分辨率比、高分辨率、紧凑大小、耐用性及制造和组装成本的改进组合的改进后的绝对式编码器结构。

本发明的各种特征克服现有技术的缺陷。本申请的现有技术图1A～1C与先前并入的’655专利的图2～4相对应。如在’655专利中所述，结合用于确定位置的增量轨迹，使用单绝对控制轨迹(例如，提供单调变化的模拟输出的轨迹)，并且图1A～1C各自示出单控制轨迹的可能图案。图1A示出具有沿刻度延伸并且从刻度的左端向右端逐渐变细的条的图案的控制轨迹，使得光通过该图案的透射沿轨迹以模拟形式(例如，线性地)变化。图1B示出具有类似效果的、具有大小沿刻度变化的点的图案的控制轨迹。图1C示出具有类似效果的、包括具有均匀间隔但其各自的宽度作为其沿刻度的位置的函数而变化的条的另一图案的控制轨迹。如前所示，这种单模拟控制轨迹在与波长为40微米的增量轨迹组合使用时，极有可能提供约仅几毫米的测量范围。因而，这种结构不适合于实际的高分辨率绝对式编码器。’655专利启示在一些情况下，不得不重复控制轨迹图案以延长范围。然而，这仅是启示，并未实现。特别地，根据此处的前述讨论，组合40微米的细微波长，图1A～1C的图案将需要具有沿测量轴的约2毫米的长度。这提出了在’655专利中没有提到的显著的制造、检测和信号处理问题。例如，首先，为了在2毫米范围内近似图1A～1C的图案，显然要求小的特征大小(约10微米)、以及在大小上沿刻度约每20微米1％(例如，沿刻度每20微米0.1微米)的受控变化。与一般增量刻度轨迹的制造要求相比该要求更加苛刻，由此可能显著增加刻度制造成本。第二，这种特征大小可能产生不期望的衍射效应，特别在各重复的图案的端部附近(发生急剧的特征宽度或密度转变的地方)，这引起信号噪声并降低S/N比，降低了可靠的插值比。第三，如果没有仔细地控制到检测器和光源的间隙，则这种小的特征大小可能对模糊变化敏感。可以期望一定量的模糊。太多的模糊将使S/N比下降，而太少的模糊将向检测到的信号引入不期望的空间频率。这些或类似的绝对轨迹图案没有提出这些考虑中的任何考虑。由于这些和其它原因，图1A～1C的图案没有完善到足以同时提供高分辨率(例如，约微米以下)和良好的范围-分辨率比。

在1989年9月的Hewlett Packard Journal，Vol.31，No.9中说明了能够提供适用于绝对轨迹的模拟型信号的另一现有技术轨迹图案。本申请的图2与HP Journal的图7A相对应。如图2所示，正弦轨迹图案200由布置在角度编码盘上的第一图案边界TP1和第二镜像轨迹边界TP2所限制。通过或绕过正弦轨迹图案200照亮一系列的光电二极管IL1～IL4。通过图案200到达在图案200的空间波长上均匀间隔开的各个光电二极管IL1～IL4的照明量生成不同的光电流，可对该光电流进行比较，使得能够例如根据已知的“正交信号”处理方法，绝对确定在图案的一个波长内相对于二极管阵列的位置。图2示出了该图案轨迹的缺点。线201和202外部的各个光电二极管IL1～IL4的区域基本是浪费区域。然而，在图2的结构中，必须提供该区域以允许由于制造和组装偏差等导致的未对准。通常，由于光电二极管IC具有非常高的单位面积成本并且由于其它原因，相对于期望的正弦信号振幅尽可能地减小光电二极管IC的大小将是优选的。然而，如果没有提供该区域并且光电二极管的末端位于轨迹图案200内，则检测器上照明区域的变化将不是位置的正弦函数(例如，函数的峰值可能被截切)，因此输出信号将不会展现出期望或预期的相对于位置的正弦变化，这破环了有意义的信号插值。可以将期望的正弦输出(作为位置的函数)的这种和其它失真称为丢失正弦信号保真度(fidelity)，或简称为丢失正弦保真度。

应当认识到，一般而言，由于期望的信号处理优势，正弦输出信号用于编码器中的信号插值。然而，正弦信号保真度可能因以下内容而减小：光学噪声(例如，杂散光、不均匀光或不想要的衍射效应)、电子噪声、不精确的图案或对准或相对运动(例如，沿Y轴的运动或未对准)以及空间谐波信号成分(例如，通过线性检测器的方波图案产生作为位置的函数的包括显著的空间谐波含量的梯形照明区域变化)。几个有利的信号插值方法(例如，已知的正交信号插值方法)假定理想正弦信号，并且正弦保真度的丢失直接影响它们的插值精确度和所得的插值比。因而，为了(例如，通过使用非常少的绝对轨迹)以尽可能小的大小可靠地提供具有可能的最佳范围-分辨率比的绝对式编码器，在全部预期的未对准和操作变化下维持可能的最佳正弦保真度是必要的。在其它优势中，与在现有技术中所述的技术相比较，特别是针对在实际和经济装置中可能预期的各种未对准和操作变化下提供鲁棒和精确的操作，以下概述的创造性结构在正弦保真度方面提供极大提高。本创造性结构可以提供具有良好的范围-分辨率比的特别经济且紧凑的装置。

在根据本发明的各个实施例中，用于绝对式位置感测装置的编码器结构包括：照明部；刻度元件，其包括包含细微轨迹图案和至少第一绝对轨迹图案的绝对刻度图案；以及检测器电子装置。各个轨迹图案用于接收来自照明部的光，并沿各自的光路将各自的空间调制光图案输出至检测器电子装置的各对应检测器部(例如，细微轨迹检测器部和至少第一绝对轨迹检测器)。可以根据已知技术配置细微轨迹图案及其相应的检测器部。在各个实施例中，绝对轨迹检测器部可以配置有沿与测量轴方向垂直的Y方向具有Y方向边缘间尺寸YDETABS1的各个光检测器区域，并且这些光检测器区域可用于对所接收到的空间调制光图案进行空间滤波，并输出多个分别具有各自的空间相位的位置指示信号。根据本发明的一个方面，绝对轨迹图案包括沿测量轴方向延伸的几何全等子轨迹部，并且几何全等子轨迹部被布置成如果几何全等子轨迹部之一沿Y方向平移尺寸YDETABS1，则几何全等子轨迹部将标称重合。此外，几何全等子轨迹部可以进一步被配置成几何全等子轨迹部沿Y方向间隔尺寸YCENT，并且YCENT小于YDETABS1，并且几何全等子轨迹部各自具有Y方向尺寸YTOL，使得尺寸量[YCENT+2(YTOL)]大于YDETABS。因而，用于感测绝对轨迹的检测器部可能在Y方向上窄于绝对轨迹图案，但由于光检测器的端部各自标称位于几何全等子轨迹部上(以感测几何全等光图案)，因此所检测到的信号不受沿Y方向的检测器部的未对准的影响。将认识到，较窄的检测器部更加经济，并且还可以方便紧凑的装置。

尽管检测器窄于绝对轨迹，但以上概述的原理在配置绝对轨迹的各图案部方面提供了前所未有的自由度。在各个实施例中，绝对轨迹图案包括图案化信号变化部，该图案化信号变化部被配置成图案化信号变化部的面积与x的具有空间波长的周期函数相对应地变化，其中，x表示沿测量轴方向的x坐标位置。在各个实施例中，有利地，周期函数可以是准正弦函数(例如，三角波函数或梯形波函数等)，或者甚至更有利地，周期函数可以是标称理想正弦函数。

在各个实施例中，如上概述配置成的多个绝对轨迹可与相应的检测器部一起用于绝对刻度图案中，并且可以组合使用所得的信号以提供期望的绝对测量范围。在一些这种实施例中，绝对刻度图案可以具有小于3.0毫米的宽度并且仍用于在经济的编码器结构中提供优良的范围-分辨率比。

附图说明

随着通过参考以下结合附图所进行的详细说明，本发明的前述方面和许多随之而来的优势变得较好理解，将更容易认识到这些方面和优势，在附图中：

图1A～1C是用于提供绝对刻度轨迹的现有技术控制轨迹刻度图案的图；

图2是提供作为位置的函数的正弦检测器信号的现有技术刻度图案和检测器结构的图；

图3是根据本发明的绝对式光学编码器结构的一个实施例的分解图；

图4是在图3的绝对式光学编码器结构中可使用的检测器和绝对刻度图案结构中的各种几何关系的图；

图5是示出根据本发明的特定设计原理的第一实施例的绝对刻度轨迹图案的图；

图6是根据本发明的第二和第三实施例的绝对刻度轨迹图案的图；以及

图7是根据本发明的第四实施例的绝对刻度轨迹图案的图。

具体实施方式

图3是示意性示出包括根据本发明的各种特征的绝对式光学编码器结构100的一个实施例的分解图。如图3所示，编码器结构100包括：刻度元件110；检测器电子装置120，其通过电力和信号连接与信号生成和处理电路190连接；以及照明***或照明部160，其包括用于发射可见波长的光或不可见波长的光的光源130、透镜140和可选的源栅(source grating)150。光源130也可以通过电力和信号连接(未示出)连接至信号生成和处理电路190。刻度元件110包括包含后面参考图4将更详细地说明的增量轨迹图案TINC、第一绝对轨迹图案TABS1和第二绝对轨迹图案TABS2这三个刻度轨迹图案的绝对刻度图案115。由于轨迹图案TABS1和TABS2提供可用于确定在通过结构所确定的绝对测量范围中的绝对位置的信号(例如，信号的组合)，因此将轨迹图案TABS1和TABS2称为绝对刻度轨迹图案。根据这里所使用的惯例，图3还示出正交X、Y和Z方向。X和Y方向平行于绝对刻度图案115的平面，其中X方向平行于预期的测量轴方向MA(例如，垂直于可能包括在增量轨迹图案TINC中的细长光栅图案元件)。Z方向是相对于绝对刻度图案115的平面的法向。

检测器电子装置120包括包含布置成分别接收来自3个刻度轨迹图案TINC、TABS1和TABS2的光的3个检测器轨迹DETINC、DETABS1和DETABS2的检测器结构125。检测器电子装置120可以包括信号处理电路126(例如，信号偏移和/或增益调整、信号放大和合成电路等)。在一个实施例中，可以将检测器电子装置120作为单个CMOSIC而制造。

在工作时，在足以照亮三个刻度轨迹图案的光束区域中，可以由透镜140对从光源130发射出的光134的部分或全部进行准直。图3示意性示出光134的三个光路134A、134B和134C。光路134A是包括照亮刻度轨迹图案TINC的光的代表中央路径。当照亮刻度轨迹图案TINC时，刻度轨迹图案TINC将空间调制光图案(例如，在一些实施例中，来自衍射级的干涉条纹光)输出至检测器电子装置120的检测器轨迹DETINC。光路134B和134C是包括分别照亮刻度轨迹图案TABS2和TABS1的光的代表路径。当照亮刻度轨迹图案TABS2和TABS1时，刻度轨迹图案TABS2和TABS1将空间调制光图案(例如，与它们的图案相对应的图案光)分别输出至检测器电子装置120的检测器轨迹DETABS2和DETABS1。在各实施例中，如以下参考图4～7将更详细地说明的，可以配置编码器结构100，使得轨迹图案TABS2和TABS1产生分别投射至检测器轨迹DETABS2和DETABS1上的阴影图像(例如，模糊或不模糊的阴影图像)。将认识到，全部的空间调制光图案随着刻度110的移动而移动。在各个检测器轨迹DETINC、DETABS1和DETABS2中，布置各光电检测区域以对各自所接收到的空间调制光图案进行空间滤波，从而提供期望的位置指示信号(例如，正交信号，或具有有益于信号插值的空间相位关系的其它周期信号)。以下参考图4更详细地说明了检测器轨迹DETINC、DETABS1和DETABS2的一个实施例。在一些实施例中，除单独的光检测器区域以外，具有各自的孔径的空间滤波器掩模可以遮蔽相对较大的光检测器，以提供与所示出的各光检测器区域类似的光接收区域，从而提供根据已知技术的类似的整体信号效果。

在一些中等分辨率实施例(例如，具有约40微米以上的细微轨迹波长)中，可以配置编码器结构100，使得轨迹图案TINC产生投射至检测器轨迹DETINC上的阴影图像。在相对较高分辨率的实施例中，轨迹图案TINC通常被配置为产生衍射光。在例如具有约8微米以下的细微轨迹波长的一些实施例中，可以根据已知方法配置编码器结构100，使得衍射级(例如，+/1第一级)产生到达检测器轨迹DETINC的干涉条纹。在这种实施例中，通常省略源栅150。在例如具有约8～40微米的细微轨迹波长的其它实施例中，可以根据已知方法配置编码器结构100，使得几个衍射级相互作用，以在检测器轨迹DETINC的平面处产生自身图像(例如，Talbot图像或Fresnel图像)。在自成像结构中，光源130可以是LED，在这种情况下源栅150通常不是可选的。在这种情况下，代表光路134A周围的光通过源栅150的光栅结构，以在光栅开口处提供以与轨迹图案TINC的间距或波长近似一致的间距而布置的部分相干照明源的阵列，从而根据已知的自成像照明原理来照亮刻度轨迹图案TINC。图3示出源栅150的实施例，该源栅150允许代表光路134B和134C通过源栅150的透明基板，使得对来自检测器轨迹DETABS1和DETABS2的信号的质量有益的强度和准直度不被源栅150的光栅结构所破坏。在其它实施例中，代表光路134B和134C还可以通过源栅150上的光栅结构，但这并不是最优结构。

如本领域中已知的，以上概述的各个细微轨迹技术通常对照明***160、刻度轨迹图案TINC和检测器轨迹DETINC之间的间隔分别施加限制。在各实施例中，根据已知技术，刻度元件110位于编码器外壳或量规外壳或读取头组件(未示出)内与照明***160和检测器电子装置120相距通常稳定的距离的位置处。根据本发明的绝对轨迹图案的一个优势是，在照明***160、绝对刻度图案115和检测器结构125之间的各个间隔的情况下所得到的检测器信号中的空间谐波含量基本无变化，由此单个绝对轨迹图案设计可以适用于各种细微轨迹技术和调整，而无需施加附加的设计限制。因而，在一些实施例中，尽管用于根据轨迹图案TINC形成空间调制光的技术(例如，干涉或自成像)不同于用于根据轨迹图案TABS1和TABS2形成空间调制光的技术(例如，阴影投射)，但这允许单个照明***160和/或单个光源130和/或单个透镜140和/或包括各个检测器轨迹(DETINC、DETABS1和DETABS2)的单个检测器电子装置IC用于全部的三个轨迹。以下更详细地说明了绝对轨迹图案(例如，TABS1和TABS2)及其关联的检测器轨迹(例如，DETABS1和DETABS2)的各种实施例。

在各个应用中，根据已知技术，将检测器电子装置120和照明***160以相对于彼此的固定关系安装在例如读取头或量规外壳(未示出)中，并且通过承载***相对于刻度110沿测量轴引导检测器电子装置120和照明***160。在各个应用中，可将刻度附接至移动台或量规主轴等。图3所示的结构是透射结构。刻度图案115包括通过透射将空间调制光图案输出至检测器轨迹的(例如，使用已知的薄膜图案化技术等在透明基板上制造的)遮光部分和透光部分。将认识到，根据已知技术，可以将类似的组件布置在反射的实施例中，其中，将照明***160和检测器电子装置布置在刻度110的同一侧，并且若有必要，可以将照明***160和检测器电子装置布置成进行有角度的照明和反射。在反射的实施例中，刻度图案可以包括可根据已知技术制造的、通过反射将空间调制光图案输出至检测器轨迹的高反射率部和低反射率部(或引导光远离检测器轨迹的部分)。在透射或反射的刻度图案中，可以将刻度图案中提供由绝对检测器轨迹(例如，DETABS1和DETABS2)所检测到的光的部分称为刻度图案的信号产生部，并且将理解，刻度图案的其它部分通常向检测器轨迹提供尽可能少的光，并且可将其称为信号衰减部。应当认识到，在各个实施例中，可以根据这里的教导对刻度图案的信号产生部或信号衰减部进行图案化。换言之，作为彼此的“反方”的刻度图案两者都可以产生可使用的信号，其中，针对给定的反射或透射布置，所得的信号变化还近似为彼此的“反方”。因而，利用“信号变化部”进行以下概述的刻度图案的说明，并且将理解，在各个实施例中，信号变化部可以包括刻度图案的信号产生部或信号衰减部。

将认识到，图3中沿Y轴方向的刻度轨迹的序列仅是示例，并不是限制性的。例如，在其它实施例中，假定根据以上概述的教导，检测器轨迹(和源栅150，如果包括在内的话)沿适当的相应光路布置，则绝对轨迹图案TABS1和TABS2可以彼此相邻布置，而细微轨迹图案TINC位于二者的一侧。

图4是图3的绝对式光学位置编码器结构100中可使用的检测器和绝对刻度图案结构的一个实施例中的各种几何或对准关系的图400。如图4所示，适合与前面概述的已知SCWAM技术一起使用的绝对刻度图案115’的代表分区包括细微轨迹图案TINC、第一绝对或中等刻度轨迹图案TABS1和第二绝对或中等刻度轨迹图案TABS2。简言之，中等轨迹图案TABS1和TABS2包括透射(或反射)被以与其几何形状大致相对应的图案进行了空间调制的光图案的信号变化部SP。如以下参考图5和6更详细地说明的，基于作为“x”的正弦函数、即作为沿X方向和/或刻度图案115’的测量轴MA的位置的函数而变化的Y方向“横截面”尺寸，形成各信号变化部SP。

各轨迹图案TINC、TABS1和TABS2的空间调制光图案标称对准，以(例如，基于例如参考图3所述的整体编码器结构)分别以相应的检测器轨迹DETINC、DETABS1和DETABS2为中心。根据本发明的一个方面，绝对检测器轨迹DETABS1和DETABS2的检测器被配置为在小于相应的Y方向刻度轨迹图案尺寸YTABS1和YTABS2的、各个Y方向检测器边缘间尺寸YDETABS1和YDETABS2上分别感测空间调制光。如以下参考图5更详细地说明的，这提供了在中心或标称对准中心子轨迹的两侧沿测量轴MA延伸的未对准公差带或子轨迹TOL。为了参考并且为了解释，图4示意性示出分别与绝对轨迹图案TABS1和TABS2的中心子轨迹对准地示出的代表检测器窗区域DWABS1和DWABS2。检测器窗区域DWABS1和DWABS2分别与检测器轨迹DETABS1和DETABS2的各检测器元件的检测区域相对应，并且在与标称工作对准相对应的位置中示出。应当认识到，图4中以图形示出的检测器和绝对刻度图案结构克服了先前参考现有技术图2所述的浪费检测器面积的问题。

在图4所示的实施例中，各检测器轨迹DETINC、DETABS1和DETABS2包括按已知的四边形检测器布局布置的各检测器元件的阵列。简言之，在各个阵列中，四个相邻的检测器元件均匀间隔，以提供检测所接收到的空间调制光图案的4个空间相位(即，0、90、180和270度)的空间滤波。如图4所示，可以设置多组的4个这种相邻的检测器元件，并且可以使检测相同空间相位的检测器相互连接，以求取信号成分(signal contribution)的和。因而，在各空间调制光图案在相应的检测器轨迹上移动时，作为位置的函数而提供正弦正交信号。根据已知技术，可以对正交信号进行处理以判断局域波长内各轨迹的空间相位位置。可以根据前面概述的已知SCWAM技术对所确定的空间相位位置进行处理，以确定绝对位置。

在一些实施例中，刻度图案115’的整体宽度可以是约3.0毫米以下，尺寸YTINC、YTABS1和YTABS2各自可以是约1.0毫米以下，并且尺寸YDETINC、YDETABS1和YDETABS2各自可以分别小于相应的尺寸YTINC、YTABS1和YTABS2。在一个特定示例实施例中，尺寸YTINC、YTABS1和YTABS2各自可以是0.8毫米，尺寸YDETINC、YDETABS1和YDETABS2各自可以是0.508毫米，并且各子轨迹TOL可以沿Y方向延伸超过尺寸YDETINC、YDETABS1和YDETABS2约0.146毫米的量，以允许未对准并防止模糊的空间调制光渗入相邻轨迹的检测器。绝对轨迹图案TABS2的波长L2可以是L2＝720微米，并且绝对轨迹图案TABS1的波长L1可以是L1＝700微米。细微轨迹图案TINC的波长可以是20微米。使用SCWAM技术，这提供了约25.2mm的绝对范围，并允许使用合理的插值比。应当认识到，在该示例实施例中，刻度图案115’的总的Y方向尺寸是约2.4毫米，并且跨越检测器电子装置120上所包括的全部检测器轨迹的总的Y方向尺寸是约2.1毫米。在与大小和成本两者有关的多个应用(例如，线性量规等)中，这种紧凑尺寸特别有优势。当然，以上例子中概述的结构和尺寸仅是示例，并不是限制性的。例如，可以增加各Y方向尺寸，以提供较大的信号和/或较宽的公差子轨迹，并且/或者提供额外空间以防止模糊光在轨迹之间渗透，或者可以设置附加绝对轨迹，以增加绝对测量范围(例如，在附加绝对轨迹具有较长的波长的情况下使用SCWAM技术)。此外，在图4所示的实施例中，由于各检测器元件的末端垂直于Y方向并且检测器元件末端沿Y方向彼此对齐，因此各检测器元件的Y方向边缘间尺寸与相应的检测器轨迹的整体Y方向尺寸相同。然而，应当认识到，更普遍地，在一些实施例中，绝对轨迹图案可以与具有不垂直于Y方向的平行末端(例如，“倾斜”末端)的检测器元件协同工作，在这种情况下，这种检测器元件在沿X方向的各个点处可以仍具有恒定Y方向边缘间尺寸(例如，YDETABS1)。在这种实施例中，由于从倾斜平行末端所得的“平行四边形”形状，检测器元件的整体Y方向尺寸将大于Y方向边缘间尺寸，相应的检测器轨迹的整体Y方向尺寸也将如此。另外，并未严格要求给定检测器轨迹内的检测器元件沿X方向完全相互对齐。原则上，它们的位置可能沿Y方向相对于彼此稍微弯曲，从而进一步增加整体Y方向检测器轨迹尺寸。这种实施例可以要求相对较宽的绝对轨迹图案(或者相反，检测器元件的相对减小了的Y方向边缘间尺寸)，以提供与整体轨迹尺寸和给定未对准公差相兼容的轨迹图案。然而，利用根据这里所公开的教导的轨迹结构，仍将获得以上概述的和以下所述的各种其它益处。

图5是示出根据本发明的特定设计原理的一个典型实施例的绝对轨迹图案TABS的图500。可以采用绝对轨迹图案TABS来替换这里所公开的绝对轨迹图案中的任意绝对轨迹图案。如图5所示，绝对轨迹图案TABS的代表分区(一个波长Ltrack)包括：中央子轨迹STR-CENT，其具有Y方向尺寸YCENT；以及未对准公差子轨迹STR-TOL1、STR-TOL2、STR-TOL1’和STR-TOL2’，其分别具有Y方向尺寸Y-TOL1、Y-TOL2、Y-TOL1和Y-TOL2。子轨迹STR-TOL1和STR-TOL2一起构成整体公差子轨迹STR-TOL，并且子轨迹STR-TOL1’和STR-TOL2’一起构成整体公差子轨迹STR-TOL’。将理解，各个子轨迹沿测量轴MA的方向继续。

为了解释，图5还示出与将用于感测由轨迹图案TABS所提供的空间调制光的各检测器元件的检测区域相对应的标称对准的代表检测器窗区域DWABS。如所示，绝对轨迹图案TABS被配置为允许在同时保持正弦信号保真度的情况下使用如下检测器(例如，绝对检测器轨迹中的检测器)：该检测器的Y方向边缘间尺寸YDETABS(和整体Y方向尺寸)小于绝对轨迹图案TABS的Y方向尺寸YTABS。在编码器应用中，YTOL2是检测器窗区域DWABS(和/或相应的检测器轨迹)和绝对轨迹图案TABS之间沿第一Y方向容许的未对准公差的量，并且YTOL1是沿相反Y方向容许的未对准公差的量。将中央子轨迹STR-CENT的Y方向尺寸YCENT设置成即使检测器窗区域DWABS未对准至公差子轨迹STR-TOL2或STR-TOL1’的界限，来自图案部SP-CENT的几乎全部光也总是落入检测器窗区域DWABS上。因而，与未对准无关，来自SP-CENT的所得的信号成分与具有正弦保真度的图案部SP-CENT的正弦形状相对应。

如图5所示，如果检测器窗区域DWABS沿Y方向未对准从而以落入公差子轨迹STR-TOL2内，则来自图案部SP-TOL1的近似全部光继续落入未对准的检测器窗区域DWABS上，使得来自子轨迹STR-TOL1的所得的信号成分与具有正弦保真度的图案部SP-TOL1的正弦形状相对应。相反，来自子轨迹STR-TOL2’中的图案部SP-TOL2’的光的一部分是将未落入未对准的检测器窗区域DWABS上的“丢失光”。然而，根据本发明的一个方面，配置绝对轨迹图案TABS，使得在子轨迹STR-TOL2中总是利用从图案部SP-TOL2获得的相似量的光来补偿来自图案部SP-TOL2’的丢失光。因而，与未对准无关，来自图案部SP-TOL2和SP-TOL2’的所得的合成信号成分与具有正弦保真度的图案部SP-TOL2和SP-TOL2’的正弦形状相对应。如果在图案部SP-TOL2和SP-TOL2’中的一个沿Y方向朝SP-TOL2和SP-TOL2’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的尺寸)时，图案部SP-TOL2和SP-TOL2’几何全等并且重合，则实现了以上效果。类似地，如果在图案部SP-TOL1和SP-TOL1’中的一个沿Y方向朝图案部SP-TOL1和SP-TOL1’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的尺寸)时，图案部SP-TOL1和SP-TOL1’几何全等并且重合，则将类似地补偿相反Y方向上的未对准。在以下进一步所述的实施例中，利用图案特征不太容易区分开构成子轨迹STR-TOL1、STR-TOL2、STR-TOL1’和STR-TOL2’。因此，根据前述说明应当认识到，当整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’中的一个沿Y方向平移距离YDETABS时，整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’也几何全等并且重合。这是描述根据本发明可使用的公差子轨迹结构的期望特性的可选的更一般的方式。基于前述说明应当认识到，在图5的结构中，YDETABS总是横跨与变化尺寸YSPCENT(x)、YSPTOL1(x)和YSPTOL2(x)相对应地成形的3个正弦图案部的等同距离。基于以上概述的原理，与Y方向未对准无关，根据具有Y方向边缘间尺寸YDETABS的检测器窗区域DWABS的总计信号成分(即，总信号)将具有良好的正弦保真度。

如图5所示，与最大Y方向尺寸ACENT和最小Y方向尺寸YMINCENT相对应地形成信号变化图案部SP-CENT。Ltrack是绝对轨迹图案TABS的波长。可以将限定信号变化图案部SP-CENT的形状的可变尺寸YSPCENT(x)定义为如下。

$\mathrm{YSPCENT}\left(x\right)=\mathrm{YMINCENT}+[(\mathrm{ACENT}-\mathrm{YMINCENT})*\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{Ltrack}}(x-\mathrm{xref})\right)]$ (等式1)

类似地，可以将分别限定信号变化图案部SP-TOL2和SP-TOL1的形状的可变尺寸YSPTOL2(x)和YSPTOL1(x)定义为如下。

$\mathrm{YSPTOL}2\left(x\right)=\mathrm{YMIN}2+[(A2-\mathrm{YMIN}2)*\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{Ltrack}}(x-\mathrm{xref})\right)]$ (等式2)

$\mathrm{YSPTOL}1\left(x\right)=\mathrm{YMIN}1+[(A1-\mathrm{YMIN}1)*\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{Ltrack}}(x-\mathrm{xref})\right)]$ (等式3)

在各实施例中，可以将尺寸YMINCENT、YMIN1和YMIN2有利地选择为足够大以使不期望的衍射效应最小化(例如，约40微米)。在各个实施例中，可以有利地选择尺寸YMIN1’和YMIN2’，使其近似等于与信号变化图案部的边缘相关联的边缘模糊的量或大于该边缘模糊的量(例如，在一些实施例中，约50微米)。然而，在各其它实施例中，尺寸YMIN1’和YMIN2’可以小于该量，并且仍可以获得充分的正弦信号保真度。在一些实施例中，YTOL1＝YTOL2和/或YMIN1＝YMIN2和/或YMIN1’＝YMIN2’。然而，这些相等关系通常不是必需的。

图6包括第二典型实施例的绝对轨迹图案TABS’和第三典型实施例的绝对轨迹图案TABS”的图600和650，其中，尽管绝对轨迹图案TABS’和TABS”的外观大不相同，但都遵循先前参考图5概述的特定设计原理。为了易于比较，图600和650共用特定尺寸线和/或子轨迹边界线。以下将仅强调与图5的结构相比较图600和650的结构中的大不相同之处。对图5和6中具有类似设计考虑和/或类似功能的特征进行类似的标记或编号(例如，利用相同的附图标记或编号，或者利用所添加的一个或多个主要符号)，并且可以根据类推进行理解。可以采用绝对轨迹图案TABS’和TABS”来替换这里所公开的绝对轨迹图案中的任意绝对轨迹图案。

如图600所示，绝对轨迹图案TABS’的代表分区(一个波长)包括：中央子轨迹STR-CENT，其具有Y方向尺寸YCENT；以及未对准公差子轨迹STR-TOL1、STR-TOL2、STR-TOL1’和STR-TOL2’，其分别具有Y方向尺寸YTOL1、YTOL2、YTOL1和YTOL2。将理解，各个子轨迹沿测量轴MA的方向持续。标称对准的代表检测器窗区域DWABS与将用于感测由轨迹图案TABS’所提供的空间调制光的各检测器元件的检测区域相对应。绝对轨迹图案TABS’被配置为允许在同时保持正弦信号保真度的情况下使用如下的检测器：该检测器的Y方向边缘间尺寸YDETABS(和整体Y方向尺寸)小于绝对轨迹图案TABS’的Y方向尺寸YTABS。

与图5所示的轨迹图案相对比，轨迹图案TABS’包括沿两个方向重复的一种类型或形状的图案化信号变化部SP-UNIV(还称为信号变化元件)。轨迹图案TABS’具有沿X方向的波长Ltrack。如以下将更详细地说明的，图案化的信号变化元件SP-UNIV沿由相对于X方向的图案角度θ所限定的第一方向重复，并且还沿如所示出的Y方向重复。可以理解，中央子轨迹STR-CENT具有Y方向尺寸YCENT，使得即使检测器窗区域DWABS未对准至公差子轨迹STR-TOL2或STR-TOL1’的界限，来自位于子轨迹STR-CENT内的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分的近似全部光总是落入检测器窗区域DWABS上。如以下将更详细地说明的，与图5所示的绝对轨迹图案结构相反，来自子轨迹STR-CENT的信号成分不需要单独与限于子轨迹STR-CENT的正弦形状相对应，因为对图案化的信号变化元件SP-UNIV成形和布置，使得来自检测器窗区域DWABS的总合计信号将具有良好的正弦保真度。

如图6所示，如果检测器窗区域DWABS未对准从而落入公差子轨迹STR-TOL2内，则来自位于子轨迹STR-TOL1内的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分的近似全部光继续落入未对准的检测器窗区域DWABS上。相反，来自位于子轨迹STR-TOL2’内的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分的光的一部分是不会落入未对准的检测器窗区域DWABS上的“丢失光”。然而，图案化的信号变化元件SP-UNIV的大小和重复布置使得，来自位于子轨迹STR-TOL2’内的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分的丢失光总是被从位于子轨迹STR-TOL2内的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分所获得的相似量的光所补偿。即，图案化的信号变化元件SP-UNIV具有以下将详细说明的大小和重复布置，使得来自子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分的所得的合成信号成分不受检测器窗区域DWABS的Y方向未对准的影响。要实现此的一个条件是，当子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的一个中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分沿Y方向朝子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的Y方向尺寸)时，子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分几何全等并且重合。

以类似的方式，如果当子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的一个中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分沿Y方向朝子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的尺寸)时，子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分几何全等并且重合，则将类似地补偿相反Y方向上的未对准。即，图案化后的信号变化元件SP-UNIV具有大小和重复布置，使得来自子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分的所得的合成信号成分不受检测器窗区域DWABS的Y方向未对准的影响。

根据前述说明应当认识到，当整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’中的一个沿Y方向平移距离YDETABS时，整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’也几何全等并且重合。如前所示，这是描述根据本发明可使用的公差子轨迹结构的期望特性的可选的更一般的方式。基于前面说明应当认识到，在图600的结构中，作为相应的检测器元件的Y方向边缘间尺寸的检测器窗区域DWABS的边缘间尺寸YDETABS横跨3个单位的图案化的信号变化元件SP-UNIV的等同距离。因而，基于以上概述的原理，与Y方向未对准无关，来自检测器窗区域DWABS的总计的信号成分(即，总信号)将具有良好的正弦保真度。更一般地，基于以上说明将认识到，在与图600的结构类似的结构中，如果检测器窗区域DWABS的边缘间尺寸YDETABS总是跨越整数个单位的正弦图案的等同距离，则与Y方向未对准无关，来自检测器窗区域DWABS的总计的信号成分(即，总信号)将具有良好的正弦保真度。

可以如下说明图案化的信号变化元件SP-UNIV的大小和重复布置。如图6所示，图案化的信号变化元件SP-UNIV基于最大Y方向尺寸为A并且最小Y方向尺寸为YMIN的图案形状。Ltrack是绝对轨迹图案TABS’的波长。可以如下定义对各个图案化的信号变化元件SP-UNIV的形状进行部分限定的可变Y方向尺寸YSPUNIV(x)。

$\mathrm{YSPUNIV}\left(x\right)=\mathrm{YMIN}+[(A-\mathrm{YMIN})*\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{Ltrack}}(x-\mathrm{xref})\right)]$ (等式4)

在各个图案化的信号变化元件SP-UNIV内，可以如下定义进一步限定各个图案化的信号变化元件SP-UNIV的形状的可变Y方向尺寸YSPUNIV(x)的中心的位置YOffset(x)。

YOffset(x)＝yref+xtanθ        (等式5)

与零图案角度θ相比较，尽管存在对准的动态变化，适当选择的非零图案角度θ可以趋于保持正弦保真度。在一些实施例中，至少10度、20度、30度或更大的图案角度可以是有利的。然而，在一些实施例中，可以使用零图案角度，并且仍可以获得充分的正弦保真度。

选择Y方向尺寸A和YMIN’以及YDETABS以满足如下条件。

N*(A+YMIN′)＝YDETABS            (等式6)

其中，N是整数(例如，在图600中N＝3)。如果在一些实施例中允许YMIN’近似为0，则最大Y方向尺寸A最大可以是(YDETABS1/N)。根据以上概述的原理，在任何情况下，与YMIN’的值无关，可以沿Y方向以标称[YDETABS1/N]的步长重复图案化的信号变化元件SP-UNIV，以保持正弦保真度。当然，可以在第一绝对轨迹图案的Y方向界限处对图案中的各个信号变化元件SP-UNIV进行截切，但将理解，可以基本如这里所概述地理解在轨迹图案界限处被截切的任何图案化的信号变化元件的下部形状。

尽管照明不均匀，但较大的整数N趋于保持正弦保真度。然而，较小的整数N将提供较大的图案元件，与较小的图案元件相比较，这可以在空间调制光中提供较好的整体对比度。在使用窄的轨迹(例如，约1～2毫米)的一些实施例中，当N是3～7时，可以提供这些因素之间的有利平衡。然而，在各个实施例中，N落入该范围外可以是有利的(例如，对于较宽的轨迹、或较少的期望模糊等)。

等式6提供了重复布置，使得当子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的一个中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分沿Y方向朝子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的尺寸)时，子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分几何全等并且重合。该重复布置还确保了在子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的一个中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分沿Y方向朝子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的尺寸)时，子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的图案化的信号变化元件SP-UNIV的部分几何全等并且重合。根据以上说明应当认识到，当整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’中的一个沿Y方向平移距离YDETABS时，整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’也几何全等并且重合。如前所示，这是描述根据本发明可使用的公差子轨迹结构的期望特性的可选的更一般的方式。这里所概述的重复布置确保了与Y方向未对准无关，来自具有Y方向边缘间尺寸YDETABS的检测器窗区域DWABS的总计的信号成分(即，总信号)将具有良好的正弦保真度。

在各个实施例中，尺寸YMIN可以是信号变化元件中的最窄特征，并且可以有利地选择尺寸YMIN，使其足够大以使不期望的衍射效应最小化(例如，至少约30或40微米)。然而，在各其它实施例中，尺寸YMIN可以小于该量，并且仍可以获得充分的正弦信号保真度。在各个实施例中，可以将尺寸YMIN’有利地选择为近似等于与图案化的信号变化元件SP-UNIV的边缘相关联的边缘模糊的量或大于该边缘模糊的量(例如，在一些实施例中，约50微米)。然而，在各其它实施例中，尺寸YMIN’可以小于该量，并且仍可以获得充分的正弦信号保真度。在一些实施例中，YTOL1＝YTOL2。然而，在通常情况下该相等关系不是必需的。

基于前述说明应当认识到，在任意位置x处，落入检测器窗区域DWABS内的图案化的信号变化元件SP-UNIV的Y方向尺寸YPIECEi(x)(例如，图600中所示的示例部分YPIECE1(x)--YPIECE4(x))的总和满足如下条件。

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{YPIECEi}\left(x\right)=N*[\mathrm{YMIN}+[(A-\mathrm{YMIN})*\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{Ltrack}}(x-\mathrm{xref})\right)]]$ (等式7)

等式7提供了作为x的正弦函数而变化的(合成信号变化元件的)总计Y方向尺寸。因而，根据前述原理，与Y方向未对准无关，来自ABS轨迹图案TABS’的信号变化图案元件的部分的所得的合成或合计信号成分提供了良好的正弦保真度。

图650示出绝对刻度图案TABS”，除在子轨迹STR-CENT中消除了一个完整的图案化的信号变化元件SP-UNIV的等同结构以外，绝对刻度图案TABS”与图600所示的刻度轨迹图案TABS’相同。基于前述说明应当认识到，在图650中，在任意位置x处，落入检测器窗区域DWABS内的图案化的信号变化元件SP-UNIV的Y方向尺寸YPIECEi’(x)(例如，图650中所示的示例部分YPIECE1’(x)和YPIECE2’(x))的总和满足如下条件。

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{YPIECE}{i}^{\′}\left(x\right)=(N-1)*[\mathrm{YMIN}+[(A-\mathrm{YMIN})*\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{Ltrack}}(x-\mathrm{xref})\right)]]$ (等式8)

其中，在图650中，(N-1)＝2。等式8提供了作为x的正弦函数而变化的总计Y方向尺寸。换言之，将认识到，尽管存在明显的不连续性，配置图案化的信号变化元件，使得当在检测器窗区域DWABS等的信号合计窗中合计面积时，合计后的面积作为x的正弦函数而变化。因而，根据前述原理，与Y方向未对准无关，来自ABS轨迹图案TABS”的图案化的信号变化元件的部分的所得的合成信号成分提供了良好的正弦保真度。尽管图案结构未提供可能的最佳S/N比，但该例子示出可以根据前述原理确定根据本发明的各种绝对轨迹图案。因而，这里所公开的绝对轨迹图案仅是示例，并不是限制性的。

图7包括第四典型实施例的绝对轨迹图案TABS”’的图700，其中，尽管外观大不相同，但绝对轨迹图案TABS”’也遵循前面参考图5和6所概述的特定设计原理。以下将仅强调与图5和6的结构相比较、图700的结构中的主要不同之处。类似地对图7、5和6中具有类似设计考虑和/或类似功能的特征进行标记或编号(例如，利用相同的附图标记或编号，或者利用所添加的一个或多个主要符号)，并且可以根据类推进行理解。可以采用绝对轨迹图案TABS”’来替换这里所公开的绝对轨迹图案中的任意绝对轨迹图案。

如图700所示，绝对轨迹图案TABS”’的代表分区(一个波长)包括：中央子轨迹STR-CENT，其具有Y方向尺寸YCENT；以及未对准公差子轨迹STR-TOL1、STR-TOL2、STR-TOL1’和STR-TOL2’，其分别具有Y方向尺寸YTOL1、YTOL2、YTOL1和YTOL2。将理解各个子轨迹沿测量轴MA的方向持续。标称对准的代表检测器窗区域DWABS与将用于感测由轨迹图案TABS”’所提供的空间调制光的各检测器元件的检测区域相对应。绝对轨迹图案TABS”’被配置为允许在同时保持正弦信号保真度的情况下使用如下的检测器：该检测器的Y方向边缘间尺寸YDETABS(和整体Y方向尺寸)小于绝对轨迹图案TABS”’的Y方向尺寸YTABS。

与图5和6所示的通常基于连续正弦函数所生成的轨迹图案相对比，如以下将更详细地说明的，轨迹图案TABS”’包括基于沿X方向具有波长Ltrack的离散正弦函数所生成的图案化的信号变化元件SP-GRID(x_i)(例如，图7所示的SP-GRID(x₉))。如由图7中的虚线网格线GL所示，可以以基于限定均匀大小的网格单位或单元的二维间隔网格的间隔来重复信号变化元件SP-GRID(x_i)。如图7所示并且如以下将更详细地说明的，网格可以沿图案角度θ对齐，并且具有沿Y方向的尺寸YGRID和沿X方向的尺寸XGRID。沿Y方向，可以沿中心线CL以中心间间隔YCtoC＝YGRID重复信号变化元件SP-GRID(x_i)。如以下将更详细地说明的，该信号变化元件SP-GRID(x_i)的(例如，根据网格间隔的)形状、方位、大小和重复布置使得与Y方向未对准无关，来自检测器窗区域DWABS的整体合计信号将具有充分的正弦保真度。

可以理解中央子轨迹STR-CENT具有Y方向尺寸YCENT，使得即使检测器窗区域DWABS未对准至公差子轨迹STR-TOL2或STR-TOL1’的界限，来自位于子轨迹STR-CENT内的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分的近似全部光总是落入检测器窗区域DWABS上。如图7所示，如果检测器窗区域DWABS未对准从而落入公差子轨迹STR-TOL2上，则来自位于子轨迹STR-TOL1内的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分的近似全部光继续落入未对准的检测器窗区域DWABS上。相反，来自位于子轨迹STR-TOL2’内的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分的光的一部分是将不落入未对准的检测器窗区域DWABS上的“丢失光”。然而，信号变化元件SP-GRID(x_i)的大小和重复布置使得，来自位于子轨迹STR-TOL2’内的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分的丢失光总是被从位于子轨迹STR-TOL2内的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分所获得的相似量的光所补偿。即，信号变化元件SP-GRID(x_i)具有以下将详细说明的大小和重复布置，使得来自子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分的所得的合成信号成分不受检测器窗区域DWABS的Y方向未对准的影响。要实现此的一个条件是，当子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的一个中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分沿Y方向朝子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的Y方向尺寸)时，子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分几何全等并且重合。

以类似的方式，如果当子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的一个中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分沿Y方向朝子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的尺寸)时，子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分几何全等并且重合，则将类似地补偿相反Y方向上的未对准。即，信号变化元件SP-GRID(x_i)具有以下将更详细地说明的大小和重复布置，使得来自子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’内的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分的所得的合成信号成分不受Y方向未对准的影响。根据前述说明应当认识到，当整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’中的一个沿Y方向平移距离YDETABS时，整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’也几何全等并且重合。基于前述说明应当认识到，在图700的结构中，检测器窗区域DWABS的边缘间尺寸YDETABS横跨作为轨迹图案TABS”’沿Y方向重复的尺寸的沿Y方向的4个网格单位(例如，4*YGRID)的等同距离。因而，基于以上概述的原理，与Y方向未对准无关，来自检测器窗区域DWABS的总计的信号成分(即，总信号)将不受Y方向不对准的影响。此外，可以如以下所述确定信号变化元件SP-GRID(x_i)的大小和重复布置，使得与Y方向未对准无关，来自这样的检测器窗区域DWABS的总计的信号成分(即，总信号)将具有良好的正弦保真度。

可以如下说明信号变化元件SP-GRID(x_i)的大小和重复布置。信号变化元件SP-GRID(x_i)可以具有最大面积Amax和/或相应的最大尺寸(例如，大致由具有接近最大面积Amax的代表信号变化元件710所示)、以及如由代表最小区域信号变化元件715所示的最小面积Amin和/或相应的最小尺寸。通常，可将任意方便的形状用于图案化的信号生成元件。可以与网格尺寸YGRID和XGRID相关地选择最大面积和/或最大信号变化元件尺寸，以满足期望的信号变化元件间隔和/或图案生成和/或刻度制造约束。此外，通常，可以选择最小面积和/或最小信号变化元件尺寸，以满足类似的约束，并且还提供大到足以抑制可能破环正弦保真度的不期望衍射效应(例如，在各实施例中，至少30、40或50微米)的信号变化元件的最窄特征的信号变化元件尺寸(例如，沿垂直于最窄特征的边界的方向的宽度或直径尺寸)。

更一般地，在以上概述的最大和最小面积或尺寸界限内，如以下所述，各信号变化元件SP-GRID(x_i)可以具有根据(x_i)的离散正弦函数所确定的面积ASP(x_i)。Ltrack是绝对轨迹图案TABS”’的波长。可以如下定义限定各图案化的信号变化元件SP-GRID(x_i)的大小的可变面积ASP(x_i)。

$\mathrm{ASP}\left(\mathrm{xi}\right)=A\min +[(A\max -A\min )*\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{Ltrack}}(x-\mathrm{xref})\right)]$ (等式9)

在各个实施例中，可以与网格单元的中心相对应地，确定各图案化的信号变化元件SP-GRID(x_i)的中心或布置各图案化的信号变化元件SP-GRID(x_i)，其中网格单元的中心限定在确定图案化的信号变化元件的面积ASP(x_i)时使用的离散x值(x_i)。当然，可以在绝对轨迹图案的Y方向界限处对图案中的各信号变化元件SP-GRID(x_i)进行截切，但将理解，可以如这里概述地理解在轨迹图案界限处被截切的任何图案化的信号变化元件的下部形状或面积。

与零图案角度θ相比较，尽管存在对准的动态变化，适当选择的非零图案角度θ可以趋于保持正弦保真度。在一些实施例中，至少10度、20度、30度或更大的图案角度可以是有利的。然而，在一些实施例中，特别是如果对该各信号变化元件进行成形和/或定向使得边缘的主要部分不沿Y方向对齐(例如，信号变化元件可以是“旋转”的正方形或矩形、圆形、六边形或其组合等)，则可以使用零图案角度并且仍可以获得充分的正弦保真度。

在各个实施例中，可以选择Y方向尺寸YGRID和YDETABS以满足如下条件。

N*(YGRID)＝YDETABS            (等式10)

其中，N是整数(例如，在图700中N＝4)。在各个实施例中，则可以选择图案角度θ和X方向尺寸XGRID以满足如下关系。

XGRID＝tanθ*(N*YGRID)        (等式11)

或者，更一般地，在其它实施例中，可以选择图案角度θ和X方向尺寸XGRID以满足如下关系。

M*XGRID＝tanθ*(N*YGRID)        (等式12)

其中，M是整数。

基于以上说明应当认识到，等式10和11提供的重复布置使得当子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的一个中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分沿Y方向朝子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的尺寸)时，子轨迹STR-TOL1和STR-TOL1’中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分几何全等并且重合。该重复布置还确保了当子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的一个中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分沿Y方向朝子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的另一个平移距离YDETABS(检测器窗区域DWABS的尺寸)时，子轨迹STR-TOL2和STR-TOL2’中的信号变化元件SP-GRID(x_i)的部分几何全等并且重合。根据以上说明应当认识到，当整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’中的一个沿Y方向平移距离YDETABS时，整体公差子轨迹STR-TOL和STR-TOL’也几何全等并且重合。如前所示，这是描述根据本发明可使用的公差子轨迹结构的期望特性的可选的更一般的方式。因此，与Y方向未对准无关，来自检测器窗区域DWABS的总计的信号成分(即，总信号)将不受Y方向未对准的影响。此外，将认识到，在根据等式9的离散正弦函数所选择的信号变化元件面积的情况下，绝对轨迹图案TABS”’的信号变化区域可以沿测量轴分布，从而在检测器窗区域DWABS沿测量轴移动时，以充分的正弦保真度提供检测器窗区域DWABS中的近似正弦信号变化(例如，基于窗平均的信号变化区域密度)。在一个实施例中，与图7所示的绝对轨迹类似的绝对轨迹可以与YDETBS＝1.0毫米、YGRID＝XGRID＝0.250毫米、图案角度θ＝14度、N＝4、Amin＝0.0025平方毫米和Ltrack＝0.8mm近似相对应。然而，该实施例仅是示例，并不是限制性的。

尽管照明不均匀，但较大的整数N可以趋于保持正弦保真度，并且可以趋于缓和所提供的正弦信号变化。然而，较小的整数N将提供较大的信号变化元件，与较小的信号变化元件相比较，这可以在空间调制光中提供较好的整体对比度。在使用窄的轨迹(例如，约1～2毫米)的一些实施例中，当N是3～7时可以提供这些因素之间的有利平衡。然而，在各个实施例中，使N落入该范围外可以是有利的(例如，对于较宽的轨迹、较多或较少的期望模糊等)。

将认识到，在各个实施例中，根据本发明所形成的编码器尽管具有比提供所检测到的信号的刻度轨迹的宽度窄的检测器尺寸，但提供了沿测量轴方向具有良好的正弦保真度的信号和不受沿Y方向的未对准的影响的信号。在一些实施例中，可以使用包括遵循相对于检测器尺寸的整数关系的图案重复布置和/或特征大小之间的可选的整数关系的刻度图案来实现该效果。在各个实施例中，由于所检测到的信号基于分布在给定检测器窗内的多个相对类似的刻度图案元件，因此根据本发明所形成的编码器可能相对不受光不均匀的影响。在各个实施例中，根据本发明所形成的编码器包括避免小的、衍射产生特征的绝对刻度轨迹图案。在各个实施例中，编码器可以包括与用于编码器中的自成像或干涉型刻度轨迹的相同准直、部分相干光源直接相容的绝对测量轨迹，使得可以经济地提供具有高分辨率的绝对测量装置。在各个实施例中，编码器可以包括被配置为提供基本正弦信号变化区域变化的绝对测量轨迹，使得不管(例如，由于检测器间隙变化等导致的)检测器上的测量轨迹图案的模糊量如何，在所得的测量信号中的空间谐波含量中不存在极大变化。

尽管以上概述的实施例特别强调了面积和/或形状基于正弦周期函数的有利结构，然而在其它实施例中，在仍足够用于各种应用的正弦保真度的情况下，面积和/或形状可以基于准正弦函数，并且仍可得到有利的结构。特别地，与方波相比，适当的准正弦函数可以具有极少的高频空间谐波含量，以提供充分的正弦保真度水平和信号稳定性而无需精确的间隙控制等。在各个实施例中，适当的准正弦函数可以包括三角波函数或梯形波函数等。在各个实施例中，可以(例如，通过略微不准直的照明或其它已知技术)简单地使从准正弦图案输出的空间调制光图案略微模糊，以将所得的正弦保真度提高至用于各种应用的充分水平。

尽管已经例示和说明了本发明的优选实施例，但基于该公开，对于本领域的技术人员而言在所例示和说明的特征的布置和操作序列中的各个变形将是显而易见的。因而，将认识到，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种变化。

Claims (28)

1.一种编码器结构，其用于绝对式位置感测装置中，所述绝对式位置感测装置能够用于测量两个元件之间沿测量轴方向的相对位置，所述编码器结构包括：

照明部；

刻度元件，其包括绝对刻度图案，所述绝对刻度图案包括细微轨迹图案和至少第一绝对轨迹图案，所述细微轨迹图案和所述第一绝对轨迹图案用于接收来自所述照明部的光并沿各自的光路输出各自的空间调制光图案，并且所述细微轨迹图案和所述第一绝对轨迹图案均沿所述测量轴方向延伸；以及

检测器电子装置，其包括细微轨迹检测器部和至少第一绝对轨迹检测器部，所述细微轨迹检测器部和所述第一绝对轨迹检测器部以相对于所述照明部的固定关系布置，并用于分别接收来自所述细微轨迹图案和所述第一绝对轨迹图案的空间调制光图案，其中：

所述第一绝对轨迹检测器部包括沿与所述测量轴方向垂直的Y方向具有Y方向边缘间尺寸YDETABS1的各个光检测器区域，以及

所述第一绝对轨迹检测器部用于对所接收到的空间调制光图案进行空间滤波，并输出多个分别具有各自的空间相位的位置指示信号，

其中：

所述第一绝对轨迹图案包括沿所述测量轴方向延伸的几何全等子轨迹部，所述几何全等子轨迹部被配置成：

所述几何全等子轨迹部沿所述Y方向间隔尺寸YCENT，并且YCENT小于YDETABS1，

所述几何全等子轨迹部各自具有Y方向尺寸YTOL，使得尺寸量[YCENT+2(YTOL)]大于YDETABS1，以及

所述几何全等子轨迹部被布置成如果所述几何全等子轨迹部之一沿所述Y方向平移所述尺寸YDETABS1，则所述几何全等子轨迹部将标称重合；以及

所述第一绝对轨迹图案包括图案化信号变化部，所述图案化信号变化部被配置成所述图案化信号变化部的面积与x的具有空间波长L1的第一周期函数相对应地变化，其中，x表示沿所述测量轴方向的x坐标位置，并且所述第一周期函数不是方波。

2.根据权利要求1所述的编码器结构，其特征在于，所述图案化信号变化部被配置成所述图案化信号变化部的合计面积与x的所述第一周期函数相对应地变化，并且通过在x坐标处沿所述测量轴方向位于所述第一绝对轨迹图案上的信号合计窗上进行合计来确定所述合计面积，并且所述信号合计窗的尺寸和对准与各个光检测器区域之一的尺寸和标称工作对准相对应。

3.根据权利要求2所述的编码器结构，其特征在于，所述第一周期函数标称为正弦函数。

4.根据权利要求1所述的编码器结构，其特征在于，

所述第一周期函数是准正弦函数和正弦函数之一；以及

所述第一绝对轨迹图案包括多个图案化信号变化部，所述多个图案化信号变化部分别基于各自的具有与x的所述第一周期函数相对应地变化的Y方向尺寸的图案形状而配置，并且各个图案形状的变化Y方向尺寸的最大值小于YDETABS1。

5.根据权利要求4所述的编码器结构，其特征在于，所述第一周期函数是正弦函数。

6.根据权利要求4所述的编码器结构，其特征在于，分别基于各自的图案形状的所述多个图案化信号变化部中的部分图案化信号变化部在所述第一绝对轨迹图案的Y方向界限处被截切。

7.根据权利要求4所述的编码器结构，其特征在于，所述多个图案化信号变化部中的第一图案化信号变化部基于各自的包括具有第一最大值的变化Y方向尺寸的图案形状而配置，并且所述多个图案化信号变化部中的第二图案化信号变化部基于各自的包括具有第二最大值的变化Y方向尺寸的图案形状而配置。

8.根据权利要求4所述的编码器结构，其特征在于，所述第一绝对轨迹图案的各个图案化信号变化部基于作为相同的通用图案形状的图案形状而配置，在所述通用图案形状中，所述变化Y方向尺寸在各种情况下具有相同的最大值。

9.根据权利要求8所述的编码器结构，其特征在于，在所述第一绝对轨迹图案的各个空间波长增量内：

各个图案化信号变化部基于所述通用图案形状而配置，在所述通用图案形状中，所述变化Y方向尺寸具有最大为[YDETABS1/N]的最大值，其中，N是整数；以及

在所述第一绝对轨迹图案的Y方向界限处进行可能的截切的条件下，各个图案化信号变化部以标称为[YDETABS1/N]的步长沿所述Y方向重复。

10.根据权利要求9所述的编码器结构，其特征在于，在所述通用图案形状中，作为x的周期函数的所述变化Y方向尺寸具有作为x的函数沿所述Y方向偏移的中心位置YOffset(x)。

11.根据权利要求10所述的编码器结构，其特征在于，所述中心位置YOffset(x)作为x的线性函数沿所述Y方向偏移，使得所述中心位置YOffset(x)的集合沿相对于所述测量轴方向的图案角度θ对齐。

12.根据权利要求11所述的编码器结构，其特征在于，N最小是3且最大是7，并且θ至少是10度。

13.根据权利要求4所述的编码器结构，其特征在于，在所述第一绝对轨迹图案的Y方向界限处进行可能的截切的条件下，所述第一绝对轨迹图案的各个图案化信号变化部被配置成各个图案化信号变化部的最窄特征至少是30微米宽。

14.根据权利要求13所述的编码器结构，其特征在于，各个图案化信号变化部的最窄特征至少是40微米宽。

15.根据权利要求1所述的编码器结构，其特征在于，

所述第一周期函数是离散准正弦函数和离散正弦函数之一；以及

所述第一绝对轨迹图案包括多个离散图案化信号变化部，所述多个离散图案化信号变化部各自的面积与x的所述第一周期函数相对应地变化，并且各个离散图案化信号变化部沿所述Y方向的最大尺寸小于YDETABS1。

16.根据权利要求15所述的编码器结构，其特征在于，所述第一周期函数是离散正弦函数。

17.根据权利要求15所述的编码器结构，其特征在于，所述多个离散图案化信号变化部中的部分离散图案化信号变化部在所述第一绝对轨迹图案的Y方向界限处被截切。

18.根据权利要求15所述的编码器结构，其特征在于，所述多个离散图案化信号变化部的中心与二维间隔网格中的网格单元的中心相对应地布置，其中，全部网格单元具有一致的大小，并且在所述Y方向上，连续的网格单元边界间隔开Y方向尺寸YGRID＝YDETABS/N，其中，N是至少为3的整数。

19.根据权利要求18所述的编码器结构，其特征在于，所述二维间隔网格具有方向相对于所述测量轴方向成图案角度θ的一个网格轴，在所述测量轴方向上，连续的网格单元边界间隔开尺寸XGRID，并且YGRID、XGRID和θ满足表达式M*XGRID＝[tanθ*(N*YGRID)]，其中，M是整数。

20.根据权利要求19所述的编码器结构，其特征在于，θ至少是10度。

21.根据权利要求15所述的编码器结构，其特征在于，在所述第一绝对轨迹图案的Y方向界限处进行可能的截切的条件下，所述第一绝对轨迹图案的各个离散图案化信号变化部被配置成各个离散图案化信号变化部的最窄特征至少是30微米宽。

22.根据权利要求21所述的编码器结构，其特征在于，各个离散图案化信号变化部的最窄特征至少是40微米宽。

23.根据权利要求1所述的编码器结构，其特征在于，所述照明部包括单个光源，所述细微轨迹图案和至少第一绝对轨迹图案是共面的，并且所述细微轨迹检测器部和至少第一绝对轨迹检测器部是共面的。

24.根据权利要求23所述的编码器结构，其特征在于，所述细微轨迹图案被配置成提供作为自身图像图案和干涉图案至少之一的空间调制光图案。

25.根据权利要求24所述的编码器结构，其特征在于，所述第一绝对轨迹图案的空间波长L1最小是0.5毫米且最大是2.0毫米。

26.根据权利要求1所述的编码器结构，其特征在于，YDETABS1最大是1.0毫米。

27.根据权利要求1所述的编码器结构，其特征在于，还包括：

第二绝对轨迹图案，用于接收来自所述照明部的光，并沿自有的光路输出自有的空间调制光图案；以及

第二绝对轨迹检测器部，其以相对于所述照明部的固定关系布置，并用于接收来自所述第二绝对轨迹图案的空间调制光图案，其中：

所述第二绝对轨迹检测器部包括具有Y方向边缘间尺寸YDETABS2的各个光检测器区域，以及

所述第二绝对轨迹检测器部用于对所接收到的空间调制光图案进行空间滤波，并输出多个分别具有各自的空间相位的位置指示信号，

其中：

所述第二绝对轨迹图案包括沿所述测量轴方向延伸的几何全等子轨迹部，所述几何全等子轨迹部被配置成：

所述几何全等子轨迹部沿所述Y方向间隔尺寸YCENT2，并且YCENT2小于YDETABS2，

所述几何全等子轨迹部各自具有Y方向尺寸YTOL2，使得尺寸量[YCENT2+2(YTOL2)]大于YDETABS2，以及

所述几何全等子轨迹部被布置成如果所述几何全等子轨迹部之一沿所述Y方向平移所述尺寸YDETABS2，则所述几何全等子轨迹部将标称重合；以及

所述第二绝对轨迹图案包括图案化信号变化部，所述图案化信号变化部被配置成所述图案化信号变化部的面积与x的具有空间波长L2的第二周期函数相对应地变化，其中，x表示沿所述测量轴方向的x坐标位置，并且所述第二周期函数不是方波。

28.根据权利要求27所述的编码器结构，其特征在于，所述绝对刻度图案的整体Y方向尺寸最大是3.0毫米。

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