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用于利用光纤光学接收器通道的干涉测量微型光栅编码器 读取头的参考信号产生构造
    【技术领域】
     本 发 明 总 体 涉 及 位 移 感 测 光 学 编 码 器 (displacementsensing optical encoders)， 更特别地， 提供用于利用光纤作为接收器元件 (receiver element) 的微型光纤 光学编码器 (miniature fiber optic encoder) 的参考信号。背景技术
     利用光纤光学接收器通道的各种微型光纤光栅编码器是已知的， 包括美国专利 6,906,315、 7,053,362 和 7,126,696( 下文中， 称为 “ ‘315、 ’ 362 和’ 696 专利” )， 这些文献 中的全部内容均通过引用的方式包含于此。 这些微型编码器提供令人满意的可能包括特别 小的尺寸、 很高的精确度、 抗电噪声性和很高速的运行的特征组合。
     很多运动控制和 / 或位置测量系统等包括用于输入能识别在光栅标度 (grating scale) 内的特定周期的参考信号的构造。通常与相对于光栅标度固定的特征相对应的参 考信号提供消除位置不确定的参考点， 否则在增量型位移测量系统中可能发生该位置不确 定， 该增量型位移测量系统计数信号周期作为远程测量的基础。 然而， 容易地且经济地组合例如包括在上述参考文献中的微型光纤光栅编码器并 提供类似的所需特性的参考信号产生构造却不为人所知。 这样的参考信号产生构造将是人 们所需要的。
     发明内容 提供该概述以简要的形式介绍选择的构思， 这些构思在下面的具体实施方式中将 进一步进行说明。该概述不是想要确定要求保护的主题的关键特征， 也不是想要用来辅助 确定要求保护的主题的范围。
     简言之， 本发明致力于提供一种用于测量位移的微型光纤光学读取头和标度配 置， 该微型光纤光学读取头和标度配置还包括可用于提供参考位置指示的微型光纤光学参 考信号产生构造。 在各个实施例中， 该标度包括标度轨迹， 该标度轨迹包括提供第一水平零 阶反射 ( 例如相位光栅 ) 的第一类型轨迹部分和提供第二水平零阶反射 ( 例如镜， mirror) 的参考标记。各个光纤光学参考信号接收器通道包括各自开口 (aperture)， 该开口根据它 们与参考标记的接近度和 / 或与所述参考标记的重叠度， 接收可检测的不同量的零阶反射 光， 并且光学参考标记信号之间的关系是参考位置的指示。根据本发明的参考标记具有沿 着测量轴线方向的长度或边界间隔尺寸， 该长度或边界间隔尺寸基于读取头内的某些光纤 光学参考信号接收器通道开口的尺寸 ( 例如， 大小和间隔 ) 来确定， 这在形成的各个参考标 记信号之间建立期望的关系。
     在一些构造中， 提供参考位置指示的光纤光学读取头和标度轨迹与提供周期性增 量测量信号的光纤光学读取头和标度轨迹分开。在一些构造中， 积分光纤光学读取头和积 分标度轨迹二者都提供参考位置指示和周期性增量测量信号。
     在一些构造中， 包括各自开口的各个光纤光学参考信号接收器通道被用于产生较 高分辨率参考标记副信号， 并且前面所提到的光学参考标记信号被用作较低分辨率参考标 记主信号。特别地， 几何设计规则 ( 例如， 对于大小和间隔 ) 被用于构造用于副信号接收器 通道开口的空间过滤掩膜， 从而使得它们提 供与在主信号接收器通道的接收区域之外接 收到的干涉条纹对应的两个空间周期性副信号。参考标记副信号的空间频率和 / 或变化率 可以是高于参考标记主信号的有效空间频率和 / 或变化率的若干倍。在一些实施例中， 参 考标记主信号以 100 微米的量级在距离上从高值向低值转变。在一些实施例中， 副参考标 记信号的空间频率是 2-4 微米的量级， 并且它们彼此异相 180 度。参考标记副信号的 “副” 交叉点可以被识别 (identify) 为空间地邻近参考标记主信号的 “主” 交叉点 ( 该点为主参 考标记位置 )。 在一些实施例中， 主交叉点可以被用于以 0.2 微米量级的分辨率和可重复性 识别主参考标记位置。由于参考标记副信号的较高空间频率和 / 或较高的信号变化率， 副 交叉点可以用于以 20 纳米量级的分辨率和可重复性识别副参考位置 ( 提高 10×)。
     重要的是， 根据本发明的光纤光学参考信号产生构造提供与已知的提供增量测量 的微型光纤光学光栅编码器 ( 例如在’ 696 专利中公开的微型光纤光学光栅编码器 ) 的光 纤光学参考信号产生构造相似的期望特征。重要地， 例如， 根据本发明的光纤光学参考信 号产生构造能以与’ 696 专利中公开的干涉测量型光纤光学编码器相似或相同的操作间隙 (operating gap) 使用。 另外， 根据本发明的光纤光学参考信号产生构造提供了相似的特别 小的尺寸、 很高的精确度、 抗电噪声性和很高速的运行的特征。因此， 根据本发明的微型光 纤光学参考信号产生构造可与期望的高精确度微型光纤光学增量测量编码器容易地且经 济地组合。
     因此， 本发明克服了现有技术的光学位移感测装置的缺点， 并提供了超小巧、 高精 确度、 经济和高速性构造的新应用可能性。附图说明
     通过参照下面结合附图的详细说明， 本发明的上述方面和许多其它优点将更容易 认识和更好地理解， 其中 ：
     图 1 是包括根据本发明的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 的第一实施例的等距视图 (isometricview) ；
     图 2 是包括根据本发明的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 的第二实施例的等距视图 ；
     图 3 是包括根据本发明的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 的第三实施例的等距视图 ；
     图 4 是包括根据本发明的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 的第四实施例的等距视图 ；
     图 5 是示出根据本发明的光栅和参考标记构造的一个示例性实施例的等距视图 ；
     图 6A 和 6B 是示意性示出根据本发明的参考信号产生构造的第一实施例的各个方 面的等距视图 ；
     图 7 是示意性示出根据本发明的参考信号产生构造的第二实施例的部分的等距 视图 ；图 8 是示出根据图 6A、 6B 和图 7 的参考信号产生构造所产生的参考信号的图 ；
     图 9 是示意性示出包括根据本发明的参考信号产生构造的第三实施例的根据本 发明的第一积分参考信号和增量信号产生构造的操作的各个方面的等距视图 ；
     图 10 是示出包括附加细节的图 9 所示的积分参考信号和增量信号产生构造的部 分的等距视图 ；
     图 11 是示出包括根据本发明的参考信号产生构造的第四实施例的根据本发明的 第二积分参考信号和增量信号产生构造的 部分的等距视图 ；
     图 12 是示意性示出根据图 10 和图 11 的积分参考信号和增量信号产生构造所产 生的参考信号的图 ；
     图 13 是示出根据本发明的参考信号产生构造的第五实施例的部分的等距视图 ；
     图 14 是示出根据图 13 的参考信号产生构造所生成的参考信号的图 ；
     图 15 是示出根据本发明的参考信号产生构造的第六实施例的部分的等距视图 ；
     图 16 是示出根据本发明的参考信号产生构造的第七实施例的部分的等距视图 ；
     图 17A 和图 17B 是示出可用于替换图 16 所示的开口掩膜构造的部分的可选开口 掩膜构造的图示 ；
     图 18 是示出根据本发明的参考信号产生构造的第八实施例的部分的等距视图 ；
     图 19 是示出可能与根据本发明的主参考信号和副参考信号相关的各种信号关系 的图 ； 以及
     图 20A 和图 20B 是示出可用于替换图 5 所示的参考标记构造的可选参考标记构 造。 具体实施方式
     图 1 是包括根据本发明的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 (miniature fiber optic readhead and scalearrangement)1000 的第一实施例的等距视 图。 如图 1 所示， 微型光纤光学读取头和标度配置 1000 包括标度构件 (scalemember)81、 增 量读取头 100 和参考标记读取头 200， 该标度构件 81 包括标度光栅 80。应理解的是， 读取 头 100 和 200 将通常被 相对于彼此刚性地安装， 或形成为单一单元， 从而使读取头 100 和 200 的移位同步。
     正交 XYZ 坐标系可以以使得 y 轴平行于标度光栅 80 的条 (bar)、 z 轴垂直于标度 光栅 80 表面以及 x 轴垂直于 y-z 平面的方式被定义。测量轴 82 平行于 x 轴。在操作中， 标度构件 81 沿着测量轴 82 移位， 从而使读取头 100 沿着包括标度光栅 80 的增量测量标度 轨迹 (incremental measuring scale track)86 移位， 并且使读取头 200 沿着参考标度轨 迹 (reference scale track)88 移位。在图 1 中， 增量测量标度轨迹 86 和参考标度轨迹 88 之间的大致边界以虚线 10 表示。在图 1 中示出的实施例中， 参考标度轨道 88 一般包括标 度光栅 80。但是， 重要地， 参考标度轨迹 88 还包括一个或多个参考标记区域 251， 下文将对 其更详细地说明。
     增量读取头 100 可以是包括套箍 (ferrule)101 的现有技术微型光纤光学读取头， 该套箍 101 容纳并定位多根光纤 130 的端部， 该多根光纤被包括在光纤光缆 195 中。在各 个实施例中， 增量读取头 100 可以包括在所引用的参考文献中描述的任意一种类型的增量读取头。在图 1 所示的实施例中， 增量读取头 100 包括在所引用的’ 696 专利中详细说明的 干涉测量型读取头。简言之， 在操作中， 读取头 100 从多根光纤 130 中的位于中央的光纤 130 输出发散的相干光源 (diverging coherent source) 光 150， 该发散的相干光源光 150 照射位于照射点 153 处的标度光栅 80， 在该照射点 153 处， 相干光源光 150 被反射和衍射 以提供标度光 155。在各个实施例中， 标度光栅 80 是被构造成抑制零阶反射 (zero-order reflection) 的相位光栅 (phase grating)。因此， 标度光 155 包括反射到读取头 100 的主 要 +/- 第一阶衍射光。该 +/- 第一阶衍射光形成与相位掩膜元件 161 的接收器面 160 临近 的干涉条纹区域。相位掩膜元件 161 在接收器面 160 设置多个空间滤 波器， 该多个空间滤 波器在外光纤 130 端部上具有不同的空间相位， 以便提供如’ 696 专利中所述的多个光纤光 学增量测量信号接收器通道。由于空间滤波， 当使标度光栅 80 相对于读取头 100 移位时， 光纤光学增量测量信号接收器通道可以输出具有不同空间相位的周期性光学信号 ( 例如 正交信号， quadraturesignal)。
     参考标记读取头 200 可以包括套箍 201， 该套箍 201 容纳并定位多根光纤 230 的端 部， 该多根光纤 230 被包括在光纤光缆 295 中。 在各个实施例中， 如下文更详细的描述， 参考 标记读取头 200 可以包括根据本发明的各种参考信号产生构造。简言之， 在操作中， 读取头 200 从多根光纤 230 的位于中央的光纤 230 输出发散光源光 250， 该发散光源光 250 照射位 于照射点 253 处的标度光栅 80 和 / 或参考标记区域 251。在各个实施例中， 该发散光源光 250 有利地是单色 (monochromatic) 且空间相干的， 在一些实施例中可是暂时相干的。 一般 地， 标度光栅 80 提供反射和衍射标度光， 该反射和衍射标度光以与上文参考读取头 100 概 述的相同方式产生干涉条纹区域。然而， 在各个实施例中， 参考标记读取头 200 不包括相位 掩膜元件。结果， 提供多个光纤光学参考标记信号接收器通道的外光纤 230 的端部仅从干 涉条纹区域接收大致恒定的 “平均” 量的光， 而与位移无关。
     如前所示， 在各个实施例中， 标度光栅 80 是被构造成抑制零阶反射的相位光栅。 因此， 参考标记可以通过在参考标记区域 251 中使用至少一个镜状 (mirror-like) 参考标 记部分来中断标度光栅 80 的结构和 / 或操作而形成。 在这种情况下， 如图 1 所示， 当参考标 记区域 251 位于照射点 253 时， 镜状参考标记部分产生零阶反射， 该零阶反射提供发散标度 光 254。结果， 当读取头 200 在参考标记区域 251 上方移位时， “平均” 条纹光的量和被 作 为参考信号接收和传送 ( 通过用作光纤光学参考标记信号接收器通道的外光纤 230 的任一 端部 ) 的零阶反射光的量将被调制为照射点 253 和参考标记区域 251 中的参考标记部分的 重叠量的函数。 多个光纤光学参考标记信号接收器通道被分别用于接收和传送这种调制的 光学参考信号， 从而能够精确地确定参考位置， 下文将更详细地描述。
     位于参考标记区域 251 中的参考标记部分可以具有沿着 Y 轴方向的宽度 WY， 并 且提供沿着测量轴 82 的方向分隔开的边界配置， 下文将进行更详细地说明。只要能够 足够允许对于读取头 200 在参考标记标度轨迹 88 的宽度内的所期对齐误差 (alignment tolerance)， 宽度 WY 一般对于参考标记区域 251 或这里说明的任意其它参考标记区域不是 关键性的。在各个实施例中， 包括在参考标记区域 251 中的参考标记部分的边界的沿着测 量轴 82 的方向的适当间隔对于提供可靠且稳健 (robust) 的参考信号可能是重要的， 并且 该适当间隔一般根据设置在读取头 200 内的光纤和 / 或光纤光学参考标记信号接收器通道 开口构造的特定尺寸而定， 下文将进行更详细地说明。图 2 是包括根据本发明的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 2000 的第二实施例的等距视图。微型光纤光学读取头和标度配置 2000 的操作在一些方面 与图 1 的微型光纤光学读取头和标度配置 1000 相似， 除了下文中特别地指出之外， 相似编 号的部件在形式和操作上可以相似或相同。如图 2 所示， 微型光纤光学读取头和标度配置 2000 包括标度构件 81、 增量读取头 100 和参考标记读取头 200， 该标度构件 81 包括标度光 栅 80。微型光纤光学读取头和标度配置 2000 与微型光纤光学读取头和标度配置 1000 之 间的主要差别在于， 参考标度轨迹 88’ 的结构不同于参考标度轨迹 88 的结构。特别地， 参 考标度轨迹 88’ 的至少包围参考标记区域 251’ 的那部分包括当被发散光源光照射时提供 大量零阶反射的轨迹部分 ( 例如， 镜状轨迹部分 )。参考标记区域 251’ 位于该轨迹部分之 内。在这样的实施例中， 参考标记区域 251’ 包括至少一个参考标记部分， 该至少一个参考 标记部分提供了比周围的轨迹部分 ( 例如， 被设计成抑制零阶反射的光栅部分 ) 显著少的 零阶反射量。在一些实施例中， 被包括在参考标记区域 251’ 内的光栅参考标记部分可以在 结构上与沿着增量标度轨迹 86 延伸的标度光栅 80 相同。在一个实施例中， 镜状轨迹部分 可以在参考标度轨迹 88’ 的几乎整个长度上延伸。
     简言之， 在操作中， 读取头 100 被相对于读取头 200 固定 ( 例如， 通过把每个读取 头均安装于同一个安装支架 )， 标度构件 81 沿着测量轴 82 移位， 从而使读取头 100 沿着增 量测量标度轨迹 86 移位， 以及使读取头 200 沿着参考标度轨迹 88’ 移位。一般地， 当照射 点 253 沿着参考标度轨迹 88’ 位于临近但不包括参考标记区域 251’ 的位置时 ( 例如， 位 于相当于由虚线 15 指示的位置 )， 参考标度轨迹 88’ 的镜状部分产生强烈的零阶反射。结 果， 提供多个光纤光学参考标记信号接收器通道的外光纤 230 的端部在整个位移范围从该 零阶反射接收大体恒定且 “大” 量的光。
     参考标记可以通过中断位于参考标记区域 251’ 中的镜状轨迹部分的结构和 / 或 操作而形成。例如， 被构造成抑制零阶反射的光栅型参考标记可以位于参考标记区域 251’ 中。在这种情况下， 当参考标记区域 251’ 位于照射点 253 中时， 光栅部分参考标记抑制零 阶反射， 并且产生如图 2 中参考标记区域 251’ 上方所示出的发散标度光 255 中由发散虚线 表示的 +/- 第一阶反射。结果， 当读取头 200 在参考标记区域 251’ 上方移位时， 零阶反射 光的量被显著地减小。特别地， 零阶反射被抑制， 相当部分的反射光 被离开读取头 200 地 偏转， 作为 +/- 第一和第三阶衍射光。结果， 作为参考信号的被用作光纤光学参考标记信号 接收器通道的外光纤 230 端部中的任意一个特定端部所接收和传送的光将被调制为照射 点 253 和参考标记区域 251’ 中的参考标记部分的重叠量的函数。多个光纤光学参考标记 信号接收器通道被分别用于接收和传送这样的调制的光学参考信号， 从而能够精确地确定 参考位置， 如下文进行的更详细地说明。
     如前所示， 被包括在参考标记区域 251’ 中的参考标记部分的边界的沿着测量轴 82 的方向的适当间隔对于提供可靠且稳健的参考信号是至关重要的， 该适当间隔一般根据 设置在读取头 200 中的光纤和 / 或光纤光学参考标记信号接收器通道开口的结构的特定尺 寸而定， 如下文进行的更详细地说明。
     图 3 是包括根据本发明的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 3000 的第三实施例的等距视图。微型光纤光学读取头和标度配置 3000 的操作在一些方面 与图 1 的微型光纤光学读取头和标度配置 1000 相似， 并且， 除了下文特别指明之外， 相似编号的部件在形式和操作上可以相似或相同。如图 3 所示， 微型光纤光学读取头和标度配置 3000 包括标度构件 81 以及积分增量和参考标记读取头 300， 该积分增量和参考标记读取头 300 也被简称为积分读取头 300， 该标度构件 81 具有单一标度轨迹， 该单一标度轨迹包括标 度光栅 80 和参考标记区域 351。标度光栅 80 可以是被构造成抑制零阶反射的相位光栅。 参考标记区域 351 可以包括至少一个镜状参考标记部分， 如前面参照图 1 的参考标记区域 251 所概述的一样。积分读取头 300 包括套箍 101， 该套箍 101 容纳并定位多根光纤 330 的 端部， 该多根光纤 330 被包括在光纤光缆 395 中。在各个实施例中， 积分读取头 300 可以包 括下面参照图 10、 图 11 和图 12 等所述的任意一种类型的积 分读取头构造。
     简言之， 在操作中， 积分读取头 300 从多根光纤 330 的位于中央位置的光纤 330 输 出发散光源光 350， 该发散光源光 350 照射位于照射点 353 处的标度光栅 80。在各个实施 例中， 发散光源光 350 有利地是单色并且空间相干的， 并且在一些实施例中可以是暂时相 干的。发散光源光 350 一般被反射和衍射以提供标度光 355。标度光 355 包括反射到读取 头 300 的 +/- 第一阶衍射光， 以形成与相位掩膜元件 361 的接收器面 360 临近的干涉条纹区 域， 相位掩膜元件 361 使用在某些外光纤 330 的端部上具有不同空间相位的相位掩膜部分 来空间地过滤干涉条纹， 从而根据前述原理提供多个光纤光学增量测量信号接收器通道。 由于空间滤波， 当使标度光栅 80 相对于读取头 300 移位时， 积分读取头 300 的某些光纤光 学接收器通道提供可以输出具有不同空间相位的周期性光学信号 ( 例如正交信号 ) 的增量 测量信号接收器通道。 在图 3 所示的实施例中， 积分读取头 300 的相位掩膜元件 361 还包括在某些外光 纤 330 的端部上不提供空间滤波的区域， 以提供用于提供从参考标记区域 351 中的镜状参 考标记部分发出的参考信号的多个光纤光学参考标记信号接收器通道。在各个实施例中， 当参考标记区域 351 位于照射点 353 中时， 镜状参考标记部分产生提供分散标度光 354 的 零阶反射， 如图 3 所示。结果， 当使读取头 300 在参考标记区域 351 上方移位时， “平均” 条 纹光的量和被某些外光纤 330 的端部作为参考信号接收和传送的零阶反射光的量将被调 制为照射点 353 和参考标记区域 351 的重叠量的函数， 其中， 该某些外光纤 330 的端部不具 有空间滤波并且提供多个光纤光学参考标记信号接收器通道。 多个的光纤光学参考标记信 号接收器通道被分别用于接收和传送这种调制的光学参考信号， 从而能够精确地确定参考 位置， 如下文进行的更 详细说明。
     应该理解的是， 当积分读取头 300 的照射点 353 与参考标记区域 351 重叠时， 期望 的是， 与输出参考标记光学信号同时地， 积分读取头 300 持续输出用于增量位移测量的且 具有不同空间相位的周期性光学信号 ( 例如增量测量正交信号 )。 因此， 在各个示例性实施 例中， 有利的是， 在满足其它参考标记设计的考虑下， 使被包括在参考标记区域 351 内的镜 状参考标记部分的面积尽可能得小， 如下文进行的更详细的说明。
     图 4 是包括根据本发明的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 3000’ 的第四实施例的等距视图。微型光纤光学读取头和标度配置 3000’ 的操作在很多方 面与图 3 的微型光纤光学读取头和标度配置 3000 相似， 除了下文特别指明之外， 相似编号 的部件在形式和操作上可以相似或相同。一般地， 下文仅说明微型光纤光学读取头和标度 配置 3000’ 与 3000 的操作之间的明显差别。
     如图 4 所示， 微型光纤光学读取头和标度配置 3000’ 包括积分读取头 300 和标度
     构件 81， 该标度构件 81 具有单一标度轨迹， 该单一标度轨迹包括标度光栅 80、 参考标记区 域 451 和位于端部区域 89 的参考标记边界区域 451’ 。参考标记边界区域 451’ 可以包括作 为光栅部分的轨迹部分 ( 例如， 在各个实施例中与标度光栅 80 相同 )， 以提供参考标记区 域 451 的第一边界。标度光栅 80 可以是被构造成抑制零阶反射的相位光栅， 并且提供参考 标记区域 451 的第二边界。应该理解的是， 参考标记区域 451 和标度光栅 80 之间的边界可 近似地对应于由读取头和标度配置 3000’ 提供的增量位移测量范围的端部。在区域 451 和 451’ 之外， 端部区域 89 一般地可以包括镜状区域。
     参考标记区域 451 可包括镜状参考标记部分， 并且因为该参 考标记区域 451 沿着 测量轴方向以标度光栅 80 和参考标记边界区域 451’ 的光栅部分为界， 因此， 该参考标记区 域 451 在结构和操作方面与前面参考读取头和标度配置 3000 说明的参考标记区域 351 基 本相似。读取头和标度配置 3000’ 超过读取头和标度配置 3000 的一个优点在于， 参考标记 区域 451 不位于正常增量位移测量范围内， 而在该范围内， 可能在一定程度上干扰正常增 量位移测量的精确度。
     在一个实施例中， 以参考标记区域 451 的镜部分和端部 89 的镜区域为界的参考标 记边界区域 451’ 在结构方面可以与前面关于读取头和标度配置 2000 所述的参考标记区域 251’ 基本相似或相同。在该实施例中， 参考标记边界区域 451’ 可以用于提供第二参考标 记信号。特别地， 积分读取头 300 一般地从镜状端部区域 89 和参考标记区域 451 中的参考 标记部分接收大量零阶反射光。但是， 当照射点 353 与参考标记边界区域 451 中的光栅部 分重叠时， 零阶反射被抑制， 根据前述原理， 大部分的反射光离开积分读取头 300 被衍射为 +/- 第一和第三阶衍射光。 结果， 被作为参考信号由不具有空间滤波的某些外光纤 330 的端 部接收和传送的光的量将被调制为照射点 353 和参考标记边界区域 451’ 的重叠量的函数。 当位于参考标记边界区域 451’ 中的光栅部分具有根据下文进一步说明的原理而确定的操 作长度 LETOE 时， 如果想要的话， 则能够精确地确定副参考标记位置。
     在各个实施例中， 来自参考标记区域 451 的信号可以用于沿着标度构件 81 确定参 考标记位置， 以及可以用于信号通知读取头和标度配置 3000’ 的增量位移测量范围的端部。 在一些实施例中， 来自参考标记边界区域 451’ 的信号可以用于触发程序或电路， 用作读取 头和标度配置 3000’ 的相对位移的 “限位开关” ， 和 / 或当提供相对移位的适当方向时， 准备 用于检测由参考标记区 域 451 指示的参考标记的位置的电路。
     图 5 是示出根据本发明的光栅和参考标记构造 500 的一个典型实施例的等距视 图。与图 1-4 中示出的部件编号相似的部件可以相似或相同。光栅和参考标记构造 500 包 括标度光栅 80 和位于标度构件 81 上的镜部分参考标记 50-M。镜部分参考标记 50-M 作为 通用示例而示出。如图 5 所示， 标度光栅 80 包括沿着 Y 轴方向延伸的光栅元件 E， 该光栅元 件 E 被凹槽元件 G 分隔开。光栅元件 E 按照光栅节距 Pg 沿着测量轴 82 被周期性地布置。 每个光栅元件 E 沿着测量轴 82 的方向的宽度为 WE， 而每个凹槽元件 G 的宽度为 WG。另外， 光栅元件 E 沿着 Z 轴方向的凹槽高度为 HE。图 5 中示出的标度光栅 80 的特定实施例被设 计为抑制零阶反射光和所有偶数级衍射。用于实现此的方法在所引用的’ 696 专利中说明， 或者是本领域所已知的。简言之， 在一个典型实施例中， 标度光栅 80 可以形成为反射相位 光栅， 该反射相位光栅在矩形光栅元件 E 和凹槽元件 G 两者都具有反射性铬涂层， 并且该反 射相位光栅具有在光栅元件之间的凹槽高度 HE， 该凹槽高度 HE 可以致使零阶反射光相消干涉 (destructive interference)， 该凹槽高度 HE 例如为光栅和参考标记构造 500 所用的光 源光的波长的 1/4。50％的占空比， 也就是说， WE 几乎等于 WG， 有助于最好地抑制第 0 阶反 射光， 并且还印制其它的偶数阶衍射光。
     镜部分参考标记 50-M 沿着 X 轴方向的长度为 LETOE， 该镜部分参考标记 50-M 可 以位于标度光栅 80 内。当然， 标度光栅 80 应当在镜部分参考标记 50-M 的每一侧保持同相 (in phase)。在各个示例性实施例中， 镜部分参考标记 50-M 的尺寸和位置被构造成使得镜 部分参考标记 50-M 的边界与光栅元件 E 的相似边界同相。在一些实施例中， 长度 LETOE 可 与标度光栅 80 的 (N+1/2) 周期一致， 其中 N 是整数。在一些实施例中， N 可以在标度光栅 80 的 10 到 30 个周期的范围内选择。然而， 该范围仅仅是示例性的， 而不是限制性的。关于 选择令人满意的长度 LETOE 的考虑在下文将更详细地说明。应该理解的是， 镜部分参考标 记 50-M 被图示为形成为与光栅元件 E 的平面对应， 但是可替换地， 可以形成为与光栅元件 G 的平面对应。应该理解的是， 在各个实施例中， 镜部分参考标记 50-M 可使用用于制造标 度光栅 80 的相同步骤的子集步骤 (subset) 来制造。因此， 图 5 中所示的镜部分参考标记 50-M 的实施例提供了设置能够被用于包括相位型标度光栅 80 和干涉测量型微型光纤光学 读取头的微型光纤光学读取头和标度配置的参考标记的特别经济的方式。如图 5 所示， 光 栅和参考标记构造 500 特别地适合于图 1 中所示的读取头和标度配置 1000 的标度轨迹 88， 在这种情况下镜部分参考标记 50-M 将位于参考标记区域 251， 以及该光栅和参考标记构造 500 特别地适合于图 3 和 4 中所示的读取头和标度配置 3000 与 3000’ ， 在这种情况下， 镜部 分参考标记 50-M 将分别位于参考标记区域 351 和 451。
     应该理解的是， 图 5 所示出的和上面说明的光栅和镜特征的角色可以颠倒， 以提 供长度为 LETOE 的光栅部分参考标记， 该光栅部分参考标记被嵌入沿着 X 轴方向延伸的镜 标度轨迹部分， 和 / 或被嵌入镜区域， 例如被包括在图 4 中所示的端部区域 89 中的镜区域。 应该理解的是， 这种光栅部分参考标记和相关的镜标度轨迹部分或镜区域， 可以利用与在 标度构件 81 上沿着增量测量标度轨迹制造增量测量标度光栅的步骤相同的步骤来制造， 从而提供了设置能够在包括相位型增量测量标度光栅和干涉测量型微型光纤光学读取头 的微型光纤光学读取头和标度配置中使用的光栅型参考标记部分的特别经济的方式。包 括光栅型参考标记部分的这种结构将特别适合于在图 2 中所示的读 取头和标度配置 2000 的标度轨迹 88’ 中使用， 在这种情况下， 光栅型参考标记部分将位于参考标记区域 251’ 中， 以及包括光栅型参考标记部分的这种结构特别适合于在图 4 中所示的读取头和标度配置 3000’ 中使用， 在这种情况下， 光栅型参考标记部分将位于参考标记区域 451’ 中。
     图 6A 和 6B 是示意性示出根据本发明的参考信号产生构造 6000 的第一实施例的 关于图示的尺寸关系的多个方面的等距视图。如图 6A 所示， 参考信号产生构造 6000 包括 可操作地相对于通用参考标记 (generic reference mark)50A 定位的参考标记读取头光 纤配置 600， 通用参考标记 50A 可以包括镜参考标记部分或光栅参考标记部分 ( 例如在标 度构件 81 上， 未示出 )， 如前所述， 这根据哪个适合于特定的读取头和标度配置而定。参考 标记 50A 具有沿着 X 轴或测量轴方向的尺寸 LETOE、 沿着 Y 轴方向的尺寸 WY 和 X 轴方向的 中心线 RMC。简言之， 在操作中， 参考标记读取头光纤配置 600 从中央光纤输出发散光源光 650， 该发散光源光 650 照射参考标记 50A， 如所示出的示例性的光源光线 650-1、 650-2 和 650-3。在各个实施例中， 光源光 650 有利地是单色和空间相干的， 并且在一些实施例中可以是暂时相干的。如果参考标记 50A 是由光栅轨迹部分和 / 或标度轨迹所包围的镜参考 标记部分， 则该参考标记会使零阶光强烈地反射回到参考标记读取头光纤配置 600， 如由分 别与光源光线 650-1， 650-2 和 650-3 对应的示例性标度光线 654-1、 654-2 和 654-3 所示。 在这种情况下， 对应于镜参考标记部分的参考标记信号作用区域 (reference mark signal effect region)50A-SE 将是 “信号增大” 的区域， 信号增大到使信号重叠由参考标记读取头 光纤配置 600 所提供的任何光纤光学参考标记信号接收器通道的开口的程度。
     如图 6A 中所示， 反射的零阶标度光产生临近由光纤配置 600 的端部所提供的光学 信号接收器开口的参考标记信号作用区域 50A-SE。由于反射的标度光的发散， 参考标记信 号作用区域 50A-SE 具有是参考标记 50A 的尺寸的两倍的 “放大” 尺寸。一般地， 由于使用 发散的光源光， 这里所述的所有参考标记信号作用区域将具有是它们所对应的参考标记的 尺寸的两倍的尺寸。参考标记信号作用区域 50A-SE 具有 X 轴方向的中心线 RMC-SE。应该 理解的是， 尽管参考标记 50A 和参考标记信号作用区域 50A-SE 之间的尺寸有差异， 但是它 们的中心线 RMC 和 RMC-SE 沿着测量轴 82 可以被对齐 (aligned)， 并且可以以相同速率移 位。
     先前说明的操作假定参考标记 50A 是镜参考标记部分 ( 例如， 如图 1 和图 3 所示 )。 如果参考标记 50A 是由镜区域或轨迹部分所包围的光栅参考标记部分 ( 例如， 如图 2 所 示 )， 则示例性光源光线 650-1、 650-2 和 650-3 和相对应的反射的示例性标度光线 654-1、 654-2 和 654-3 可以被解释为通常由周围的镜区域或轨迹部分 ( 例如标度轨迹 88’ 的镜部 分 ) 提供的零阶光线， 但是该零阶光线被光栅部分参考标记 50A 的零阶反射抑制和更高阶 衍射特性所干扰。在这种情况中， 对应的参考标记信号作用区域 50A-SE 将是 “信号减小” 的区域， 信号减小到使信号重叠由参考标记读取头光纤配置 600 所提供的任何光纤光学参 考标记信号接收器通道的开口的程度。应该理解的是， 光栅部分参考标记不限于与标度光 栅 80 对齐且与标度光栅 80 相同地分隔开的光栅条。更一般地， 可以使用能够使大量光源 光离开参考标记读取头光纤配置 600 地衍射和 / 或显著地抑制零阶反射的任何光栅部分参 考标记 ( 例如二维光栅 (two-dimensional gratings) 等 )。
     图 6B 示出图 6A 所示的参考信号产生构造 6000 的部分 6000’ ， 该部分 6000’ 包 括参考标记读取头光纤配置 600 和参考标记信号作用区域 50A-SE。如图 6B 中所示， 参考 标记读取头光纤配置 600 可以包括接收光纤 690R1、 690R1’ 、 690R2 和 690R2’ ， 该接收光 纤 690R1、 690R1’ 、 690R2 和 690R2’具有提供参考标记信号接收器通道开口的端部， 该参 考标记信号接收器通道开口接收和提供如所示的光学参考标记信号 REF1、 REF1’ 、 REF2 和 REF2’ 。如果需要的话， 其它两个光纤 690X 和 690X’ 可以是可选的伪 (dummy) 光纤， 使用伪 光纤以有助于密堆积 (close-packing) 的组装技术。可替换地， 在一些实施例中， 伪光纤可 以提供被用于接收可能对于监控光学信号功率变化、 污染影响或其它异常有用的光学信号 的接收器开口， 或者可以提供其它的光源。 在一些实施例中， 接收光纤 690R1、 690R1’ 、 690R2 和 690R2’ 可以是多模光纤， 该多模光纤的外直径为 DRF， 并且光承载芯区 (light carrying core area) 的直径为 DRA， 该直径为 DRA 的光承载芯区可以与参考标记信号接收器通道开 口一致和 / 或提供参考标记信号接收器通道开口。中央光源光纤 670 提供一般发射发散光 源光的光源 680， 在一些实施例中光源 680 可由光源光纤 670 的单模芯的端部来提供。
     在各个实施例中， 可能有利的是， 将读取头光纤配置构造成使位于光纤光学读取头内的所有光纤位于直径至多为 1.5 毫米或 1.0 毫米以下的筒状容积内。在参考标记读取 头光纤配置 600 的一个示例性实施例中， 光承载芯的直径 DRA 可以为大约 200 微米， 该值也 可以是参考标记信号接收器通道开口的直径， 外直径 DRF 可以是大约 250 微米， 中央光纤 670 的直径可以与外直径 DRF 相同， 并且中央光纤 670 具有直径大约 4-10 微米的单模芯。 因此， 在该实施例中， 参考标记读取头光纤配置 600 可以具有 750 微米量级的总直径。 然而， 应该理解的是， 在其它实施例 中， 可以使用更大或更小的光纤和 / 或其它的光纤间隔。
     在图 6B 中， 虚线 AR1L、 AR1R 和 CAR1 分别示出沿着 x 轴方向对应于信号 REF1 和 REF1’ 的参考标记信号接收器通道开口的左边界位置、 右边界位置和中心位置。虚线 AR2L、 AR2R 和 CAR2 分别示出沿着 X 轴方向对应于信号 REF2 和 REF2’ 的参考标记信号接收器通 道开口的左边界位置、 右边界位置和中心位置。尺寸 LCAR1CAR2 表示对应于信号 REF1 和 REF1’ 的参考标记信号接收器通道开口的有效中心和对应于信号 REF2 和 REF2’ 的参考标 记信号接收器通道开口的中心之间的沿着 X 轴的距离。尺寸 AR12SEP 表示在边界 AR1R 和 AR2L 之间的间距。更一般地， 如这里所使用的以及参照图 10 和图 11 所示的， 尺寸 AR12SEP 表示包括在光纤配置中的两个参考标记信号接收器通道开口的内边界之间的沿着测量轴 方向的距离， 也就是沿着测量轴方向彼此最接近的边界之间的沿着测量轴方向的距离。尺 寸 AR12SPAN 表示横跨在边界 AR1L 和 AR2R 之间的总距离。更一般的是， 如这里所使用的和 参照图 10 和 11 所示的， 尺寸 AR12SPAN 表示包括在光纤配置中的两个参考标记信号接收器 通道开口的外边界之间的沿着测量轴方向横跨的距离， 也就是沿着测量轴方向彼此距离最 远的边界之间的沿着测量轴方向的距离。 对于参考信号产生构造 6000， 最一般的原则是参考标记读取头光纤配置 600 和参 考标记 50A 应该被构造成满足下列关系 ：
     AR12SEP ＜ (2*LETOE) ＜ AR12SPAN ( 公式 1)
     其中， 公式 (1) 中的符号 “*”表示 “×” ( 乘号 )， 下文中的含义一样， 不再重复 说明。从而， 所形成的参考标记信号可用于在接近参考标记 50A 的信号交叉区域 (signal crossingregion) 内以期望的精度和 / 或可重复性限定参考位置， 如下文进行更详细的说 明。在各个实施例中， 构造可进一步满足下列 关系 ：
     (2*LETOE) ＞ [AR12SEP+(0.25*(AR12SPAN-AR12SEP))]
     (2*LETOE) ＜ [AR12SEP+(0.75*(AR12SPAN-AR12SEP))]
     ( 公式 2 和 3)
     满足上述关系的构造可以是有利的 ( 例如， 提供参考标记信号之间的更为稳健和 / 或可靠的关系 )。在各个其它实施例中， 构造可进一步满足下列关系 ：
     (2*LETOE) ＞ [AR12SEP+(0.4*(AR12SPAN-AR12SEP))]
     (2*LETOE) ＜ [AR12SEP+(0.6*(AR12SPAN-AR12SEP))]
     ( 公式 4 和 5)
     满足上述关系的构造可以是更有利的。在一些实施例中， 如果尺寸 2*LETOE 近似 等于 [AR12SEP+(0.5*(AR12SPAN-AR12SEP))]， 或近似等于与信号 REF1 和 REF2 对应的参考 标记信号接收器通道开口之间的有效中心到中心的距离 LCAR1CAR2 以提供大致如下面参 照图 8 和 12 所述的参考标记信号， 则可能是最有利的。
     图 7 是根据本发明的参考信号产生构造的第二实施例的部分 7000’ 的等距视图。
     该部分 7000’ 的设计和操作在很多方面与图 6B 的部分 6000’ 相似， 除了下文特别指明之外， 附图标记为 6XX 和 7XX 序列的 ( 例如， 元件 690R2 和 790R2) 相似编号的元件可以在形式和 操作上相似或相同。一般地， 该部分 7000’ 的设计和操作可以基于前面对部分 6000’ 和参 考信号产生构造 6000 的说明而理解。因此， 下文仅对部分 6000’ 和 7000’ 的操作之间的显 著差异进行说明。
     参考标记读取头光纤配置 700 和 600 之间的主要差异在于， 光纤配置 700 在 XY 平面内具有不同的旋转定位 (rotationalorientation)， 允许沿着 X 轴方向彼此相邻的光 纤的端部提供能 够接收和提供光学信号 REF1、 REF1’ 、 REF2 和 REF2’ ( 分别对应于光纤 790R1、 790R1’ 、 790R2 和 790R2’ ) 的参考标记信号接收器通道开口。可以一般地参照上面 列出的公式 1-5 根据尺寸考虑和信号考虑来构造对应于部分 7000’ 的参考信号产生构造。 在一些实施例中， 如果尺寸 2*LETOE 近似等于 [AR12SEP+(0.5*(AR12SPAN-AR12SEP))]， 或 近似等于与信号 REF1 和 REF2 对应的参考标记信号接收器通道开口之间的有效中心到中 心的距离 LCAR1CAR2， 以提供近似于如参照图 8 在下文中说明的参考标记信号， 则是最有利 的。应该注意的是， 由于对于光纤配置 700 的尺寸 LCAR1CAR2 小于对于光纤配置 600 的尺 寸 LCAR1CAR2， 因此， 参考标记信号作用区域 50B-SE 的尺寸 2*LETOE 和相对应的参考标记 ( 这里称为参考标记 50B， 未示出 ) 的相对应尺寸 LETOE 被选择成小于对应于部分 7000’ 的 参考信号产生构造的相对应的尺寸。
     如图 6A、 图 6B 和图 7 所示， 参考信号产生构造 6000 或对应于部分 7000’ 的参考 信号产生构造适用于图 1 所示读取头和标度配置 1000 的读取头 200 和标度轨迹 88， 在这 种情况下， 镜部分参考标记将位于参考标记区域 251 中。两结构中的任意一个也适用于图 2 中所示读取头和标度配置 2000 的读取头 200 和标度轨迹 88’ ， 在这种情况下， 光栅部分参 考标记将位于参考标记区域 251’ 中。
     图 8 是示出两个示意性信号图表 60 和 70 的图， 该两个示意性信号图表 60 和 70 分别对应于图 6A 和图 6B 的参考信号产生构造 6000 以及与图 7 所示的部分 7000’ 对应的 参考信号产生构造。对应于图 6A 和图 6B 的参考信号产生构造 6000 的信号图表 60 以作为 在参考标记信号作用区域 50A-SE( 或参考标记 50A) 和参考标记读取头光纤配置 600 之间 的沿着测量轴 82 的相对位置的函 数的形式示出了两个参考信号、 组合信号 (REF1+REF1’ ) 和组合信号 (REF2+REF2’ )。特别地， 点 61 对应于参考标记 50A 的中心线 RMC 与朝着 AR1L 的左侧移位 LETOE 的长度的位置相一致的位置， 如图 6B 所示。因此， 参考标记信号作用区 域 50A-SE 不会与任何参考标记信号接收器通道开口重叠， 并且在点 61 没有显著的信号产 生。随着参考标记 50A 向右侧移位， 参考标记信号作用区域 50A-SE 与 REF1 和 REF1’ 参考 标记信号接收器通道开口重叠增大， 直到在移位距离等于参考标记信号接收器通道开口直 径 ( 例如光承载芯直径 DRA) 之后， 在点 62 达到最大。随着参考标记 50A 继续向右侧移位， 没有观察到信号的进一步变化， 直到到达点 63 和 63’ 才观察到信号变化， 点 63 和 63’ 标记 了信号交叉区域的左侧极限， 在该信号交叉区域， (REF1+REF1’ ) 信号和 (REF2+REF2’ )信 号会聚到共同值或从共同值发散。在信号交叉区域， 当参考标记 50A 的中心线 RMC 向位置 (AR1L+LETOE) 的右侧移位时， 随着参考标记信号作用区域 50A-SE 与 REF1 和 REF1’ 参考标 记信号接收器通道开口之间的重叠减小， 信号 (REF1+REF1’ ) 开始减小。因为参考标记信号 接收器通道开口具有相似的尺寸， 并且参考标记 50A 的长度 LETOE 被选择成使得参考标记信号作用区域 50A-SE 的尺寸 2*LETOE 近似等于图 6B 中示出的尺寸 LCAR1CAR2， 因此， 随着 参考标记信号作用区域 50A-SE 与 REF2 和 REF2’ 参考标记信号接收器通道开口之间的重叠 增大， 信号 (REF2+REF2’ ) 开始同时地在点 63’ 增大。在点 64， 参考标记 50A 的中心线 RMC 对称地位于 REF1/REF1’ 参考标记信号接收器通道开口和 REF2/REF2’ 参考标记信号接收器 通道开口之间 ( 在图 6B 中示出的位置 )， 因此信号 (REF1+REF1’ ) 和 (REF2+REF2’ ) 名义上 相等。通过与前面的说明类比， 可以理解， 信号 (REF1+REF1’ ) 和 (REF2+REF2’ ) 在剩余的 点 65、 65’ 、 66 和 67 的特性。与点 63 和 63’ 类似， 点 65 和 65’ 标记了信号交叉区域的右侧 极限。
     与包括并且对应于图 7 中示出的部分 7000’ 的参考信号产生构造相对应的信号 图表 70 与上述信号图表 60 类似。也就是， 点 71 与点 61 类似， 等等。因此， 通过与上述说 明类比， 结合对图 7 的说明， 可以理解信号 (REF1+REF1’ ) 和 (REF2+REF2’ ) 在点 71-77 的 特性。特别地， 在信号交叉区域， 在参考标记 50B 的中心线 RMC 向位置 (AR1L+LETOE) 的右 侧移位时， 随着参考标记信号作用区域 50B-SE 与 REF1 和 REF1’ 参考标记信号接收器通道 开口之间的重叠减小， 信号 (REF1+REF1’ ) 在点 73 开始减小。因为参考标记信号接收器通 道开口具有相似的尺寸， 并且参考标记 50B 的长度 LETOE 被选择成使得参考标记信号作用 区域 50B-SE 的尺寸 2*LETOE 近似等于图 7 中示出的尺寸 LCAR1CAR2， 所以随着参考标记信 号作用区域 50B-SE 与 REF2 和 REF2’ 参考标记信号接收器通道开口之间的重叠增加， 信号 (REF2+REF2’ ) 开始同时地在点 73’ 增加。在点 74， 参考标记 50B 的中心线 RMC 对称地位于 REF1/REF1’ 参考标记信号接收器通道开口和 REF2/REF2’ 参考标记信号接收器通道开口之 间 ( 在图 7 中示出的位置 )， 因此， 信号 (REF1+REF1’ ) 和 (REF2+REF2’ ) 名义上相等。应该 理解的是， 因为参考标记长度 LETOE 在对应信号图表 70 的参考信号产生构造中较短， 并且 在 REF1/REF1’ 参考标记信号接收器通道开口和 REF2/REF2’ 参考标记信号接收器通道开口 之间的中心到中心的间隔也较小， 因此信号图表 70 的信号 (REF1+REF1’ ) 和 (REF2+REF2’ ) 的特征沿着测量轴被分隔得比信号图表 60 中的更靠近。
     在各个示例性实施例中， 为了以稳健的方式沿着测量轴 82 提供参考位置， 参考位 置检测电路可以将独立的信号 (REF1+REF1’ ) 和 (REF2+REF2’ ) 交叉且相等所在的位置识 别为参考位置。 基于上述说明， 应该理解的是， 在使用光栅部分或镜部分作为参考标记的各 个实施例中， 根据上文关于公式 1-5 所列出的尺寸考虑和信号考虑而选择的边缘到边缘的 长度 LETOE 一般能够提供如下的参考信号产生构造 ： 该参考信号产生构造能够提供足以在 靠近参考标记的信号交叉区域内限定参考位置 ( 例如两个各自的参考信号具有相等值的 位置 ) 的参考标记信号。满足公式 2 和 3、 或 4 和 5 的关系可以提供在信号交叉区域中参 考标记信号之间的特别可靠和 / 或稳健的关系。对应于信号图表 60 和 70 的参考信号产生 构造均满足这些关系， 从而确保稳健的信号交叉区域， 该信号交叉区域包括在其最大值和 最小值之间近似中间的信号值处名义上交叉的信号， 如图 8 所示。应该理解的是， 图 8 所示 的信号极性可以一般地对应于由光栅区域所包围的镜部分参考标记所产生的信号的极性。 对于由镜区域包围的光栅部分参考标记而言， 所有的信号将一般地被反相 (invert)。实际 上， 所有的信号将一般包括共模 DC 偏置 (common mode DC offset)， 图 8 中未示出。在任 何情况下， 根据上文参照公式 1-5 所列出的尺寸考虑和信号考虑而设计的如上文已披露的 和下文进一步要披露的参考信号产生构造， 能提供多个各自的参考标记信号， 该参考标记信号在靠近参考标记的信号交叉区域内在小于期望的空间周期性增量测量信号的一半周 期 (one-half period) 内限定可重复的参考位置， 从而参考标记能够可靠地指示增量测量 信号的特定周期或循环以及沿标度的相关特定波长。例如， 容易地实现小于 4 或 2 微米内 的可重复性， 特别是当满足公式 2 和 3， 或 4 和 5 的关系时， 可以实现亚微米 (submicron) 的 可重复性。
     图 9 和 10 是示意性示出包括根据本发明的参考信号产生构 造的第三实施例的根 据本发明的积分参考信号和增量信号产生构造 8000( 也被称为积分信号产生构造 8000) 的 操作的各个方面的等距视图。图 9 所示的视图未示出作为积分信号产生构造 8000 的必要 元件的相位掩膜元件 861， 以便更清晰地示出其操作的其它方面。下文将参照图 10 对相位 掩膜元件 861 进行说明。
     图 9 示出积分信号产生构造 8000 的某些元件， 该积分信号产生构造 8000 包括相 对于由标度光栅 80 所包围的通用镜部分参考标记 50C 可操作地定位 ( 例如位于未示出的 标度构件 81 上 ) 的积分读取头光纤配置 800( 少了如图 10 所示的相位掩膜元件 861)。如 图所示， 参考标记 50C 具有中心线 RMC 和沿着 X 轴方向的尺寸 LETOE。简言之， 在操作中， 积 分读取头光纤配置 800 从由中央光纤所提供的光源 880 输出发散光源光 850， 发散光源光 850 在照射点 853 照射参考标记 50C 和周围的标度光栅 80。在各个实施例中， 光源光 850 有利地是单色和空间相干的， 在一些实施例中可以是暂时相干的。标度光栅 80 提供反射地 衍射的 +/- 第一阶标度光 855A 和 855B， 在图 9 中用它的中心光线来表示。该 +/- 第一阶标 度光 855A 和 855B 分别照射区域 855A’ 和 855B’ ， 区域 855A’ 和 855B’ 在干涉区域 856 重叠 以形成靠近积分读取头光纤配置 800 的接收器面 860 的干涉条纹 866。 根据前述原理， 该干 涉条纹在接收光学正交信号 A、 -A、 B 和 -B 的光纤端部由相位掩膜元件 861( 图 10 中示出 ) 来进行空间滤波， 下文参照图 10 进行更详细说明。
     根据上文参照图 6A 所述的原理， 与上文所述的正交信号产生操作同时地， 当镜部 分参考标记 50C 落入照射点 853 内时， 镜部分参考标记 50C 反射发散相干光源光 850， 以提 供参考标记信号作用区域 50C-SE， 该参考标记信号作用区域 50C-SE 的尺寸是镜部分参考 标记 50C 的尺寸的两倍， 并且具有与中心线 RMC 对 齐的中心线 RMC-SE。下面参照图 10， 说 明关于积分参考信号的操作和增量信号产生构造 8000 的其它细节。
     图 10 示出图 9 中所示的积分信号产生构造 8000 的部分 8000’ ， 该部分 8000’ 包 括积分读取头光纤配置 800、 参考标记信号作用区域 50C-SE 和相位掩膜元件 861。为了更 清晰地图示相位掩膜元件 861， 图 10 未示出在干涉区域 856 内的干涉条纹 866， 但是如前所 述， 应该理解的是这种条纹在操作期间是存在的。 如图 10 所示， 积分读取头光纤配置 800 可 以包括提供光源 880 的中央光源光纤 870 以及提供接收器通道的接收器光纤 890A、 890A’ 、 890B、 890B’ 、 890R1 和 890R2， 在一些实施例中该光源 880 可以由光源光纤 870 的单模芯的 端部来提供， 该接收器通道分别接收如所示的光学信号 A、 -A、 B、 -B、 REF1 和 REF2。 积分读取 头光纤配置 800 还包括相位掩膜元件 861， 该相位掩膜元件 861 包括相位掩膜 820A、 820B、 820A’ 、 820B’ 、 阻断掩膜 820BR1 和 820BR2、 以及开放 (open) 开口掩膜 820R1 和 820R2。虚 线 AR1L、 AR1R 和 CAR1 分别示出与信号 REF1 对应的参考标记信号接收器通道开口的左边界 位置、 右边界位置和有效中心位置， 虚线 AR2L、 AR2R 和 CAR2 分别示出与信号 REF2 对应的参 考标记信号接收器通道开口的左边界位置、 右边界位置和有效中心位置。尺寸 LCAR1CAR2表示与信号 REF1 和 REF2 对应的参考标记信号接收器通道开口的有效中心之间的沿着 x 轴 的距离。尺寸 AR12SPAN 表示横跨边界 AR1L 和 AR2R 之间的总距离。如上文参照图 6B 所概 述的， 一般地， 这里的尺寸 AR12SEP 表示被包括在光纤配置中的两个参考标记信号接收器 通道开口的内边界之间的沿着测量轴方向的距离， 也就是它们沿着测量轴方向彼此最接近 的边界之间的沿测量轴方向的距离。对于部分 8000’ ， 尺寸 AR12SEP 位于边界 AR1R 和 AR2L 之间并且为零， 因 此在图 10 中没有标记出， 以避免混乱。基于上述说明， 应该理解的是， 在 可以使用光栅部分或镜部分作为参考标记的积分信号产生构造 8000 的各个实施例中， 根 据上文关于公式 1-5 所列出的尺寸考虑和信号考虑选择边缘到边缘的长度 LETOE， 特别是 当满足公式 2 和 3， 或 4 和 5 的关系时， 一般能够提供稳健的参考信号产生构造。
     应该理解的是， 虽然前述参考标记信号接收器通道开口的光接收区由位于它们各 自的参考标记信号接收器通道光纤端部的光承载芯区单独限定， 但是在积分读取头光纤配 置 800 中， 参考标记信号接收器通道开口 890R1 和 890R2 的光接收区部分地由位于它们各 自的接收器通道光纤端部的光承载芯区的边界限定， 并且部分地由它们各自的阻断 / 开放 开口掩膜 820BR1/820R1 和 820BR2/820R2 限定。 当然， 在各个其它实施例中， 如果需要的话， 类似的开口掩膜能完全地划界和限定参考标记信号接收器通道开口的光接收区。 各自的阻 挡 / 开放开口掩膜 820BR1/820R1 和 820BR2/820R2 不包括沿着测量轴方向在空间上呈周期 性的结构， 从而由参考标记信号接收器通道开口 890R1 和 890R2 接收的任何干涉条纹光将 不产生干扰所需参考标记信号的显著的空间周期性信号成分。
     简言之， 操作中， 相位掩膜 820A、 820B、 820A’ 和 820B’ 位于接收面 860 处， 并且对 干涉区域 856 中的干涉条纹进行空间过滤， 以分别提供正交型周期性增量测量信号 A、 A’ 、 B 和 B’ 。在一个实施例中， 相位掩膜 820A、 820B、 820A’ 和 820B’ 分别具有 0、 90、 180 和 270 度的相对空间相位。应该理解的是， 测量信号 A、 A’ 、 B 和 B’ 的相对位置仅是示例性的， 而不 是限定性的。一般地， 相位掩膜可以被构造成提供用于测量信号 A、 A’ 、 B 和 B’ 的任何想要 的配置。与相位掩膜元件 861 相关的各种操作和设 计原理以及可选的空间相位配置在所 引用的参考文献中进行了说明。
     阻断掩膜 820BR1 和 820BR2 以及开放开口掩膜 820R1 和 820R2 位于接收面 860 处， 以对光纤 890R1 和 890R2 的端部进行掩膜， 并且提供参考信号 REF1 和 REF2。应该理解的 是， 如果缺少阻断掩膜 820BR1 和 820BR2， 沿着测量轴 82 的方向配置的接收光纤 890R1 和 890R2 的端部将以相同信号对参考标记信号作用区域 50C-SE 的不同位置进行响应。 相比之 下， 掩膜 820BR1、 820BR2、 820R1 和 820R2 的配置提供了沿着测量轴 82 的方向偏置的参考标 记信号接收器通道开口， 以提供呈现所需信号交叉区域的参考信号 REF1 和 REF2， 如下文参 照图 12 进一步的说明。
     如前所述， 关于信号 A、 A’ 、 B 和 B’ ， 由标度光栅 80 产生的条纹在积分信号产生构 造 8000 的操作期间持续存在， 以持续产生如上所述的那些正交信号。一般地， 当镜部分参 考标记 50C 存在于照射点 853 中时， 减损了衍射 +/- 第一阶标度光 855A 和 855B 的量， 该条 纹可以被减弱。另外， 当参考标记信号作用区域 50C-SE 与相位掩膜 820A、 820B、 820A’ 和 820B’ 的位置重叠时， 相位掩膜 820A、 820B、 820A’ 和 820B’ 将允许包括在参考标记信号作用 区域 50C-SE 中的部分零阶反射光进入。结果， 正交信号 A、 A’ 、 B 和 B’ 的幅度和偏置将一般 受参考标记 50C 的影响， 这可能降低所形成的增量位移测量精度。因此， 在一些实施例中，可以对正交信号 A、 A’ 、 B 和 B’ 进行信号处理 ( 例如自适应幅度 “增益控制” 和 / 或 DC 偏置 补偿和 / 或相位补偿等 )， 以至少部分地抵消这种效果， 和 / 或可以对参考标记 50C 的长度 LETOE 和 / 或面积进行限制， 以限制其破坏性效果。
     关于参考信号 REF1 和 REF2， 如前所示， 由标度光栅 80 产生的条纹在积分信号产 生构造 8000 的操作期间持续地存在。然 而， 开放开口掩膜 820R1 和 820R2 在接收器光纤 890R1 和 890R2 端部不提供空间滤波， 来自多个条纹的光仅向参考信号 REF1 和 REF2 提供相 对恒定的平均量的光， 与位移无关。相比之下， 当参考标记信号作用区域 50C-SE 与开放开 口掩膜 820R1 和 820R2 的位置重叠时， 其零阶反射光显著地增大作为重叠量的函数的参考 信号 REF1 和 REF2。
     在各个实施倒中， 可以有利的是， 将读取头光纤配置构造成使得位于光纤光学读 取头内的所有光纤都位于直径至多为 1.5 毫米或 1.0 毫米以下的筒状容积内。在一个特定 实施例中， 光纤 890 的光承载芯区的直径 DRA 近似为 200 微米、 光纤 890 的外直径 DRF 近似 为 250 微米， 以及中央光纤 870 外直径可以与 DRF 相同并且单模芯直径或模场直径近似为 4-10 微米。 因此， 在这种实施例中， 参考标记读取头光纤配置 800 可以具有 750 微米量级的 总直径。然而， 应该理解的是， 在其它实施例中， 可以使用更大或更小的光纤和 / 或其它光 纤间隔。
     标度光栅 80 可以具有近似 4 微米的光栅节距 Pg， 条纹 866 可以具有相似的节距。 由参考标记信号接收器光纤端部和阻断 / 开放开口掩膜 820BR1/820R1 和 820BR2/820R2 限 定的参考标记信号接收器通道开口沿着测量轴 82 的方向可以具有 100 微米量级的尺寸。 在 一个实施例中， 参考标记 50C 可以具有有利地为近似 38 微米长度的 LETOE， 这提供了在充足 的参考标记信号强度和对增量测量信号的最小干扰之间的期望的折衷。然而， 应该理解的 是， 上文关于 LETOE 所述的尺寸关系仅仅是示例性的， 而不是限制性的。在不同应用中， 其 它的设计考虑可能偏好更小或更大的 LETOE 尺寸。
     图 11 是示出包括根据本发明的参考信号产生构造的第四实施例的根据本发明的 第二积分信号产生构造的部分 9000’ 的等 距视图。部分 9000’ 的设计和操作在很多方面与 图 10 的部分 8000’ 中的相似， 除了下文特别指明之外， 在附图编号为 8XX 和 9XX 序列 ( 例如 元件 820R2 和 920R2) 中的相似编号的元件可以在形式和操作上相似或相同。一般地， 基于 前面对部分 8000’ 和积分信号产生构造 8000 的说明， 可以理解部分 9000’ 的设计和操作。 因此， 下文仅对部分 8000’ 和 9000’ 操作之间的显著差异进行说明。
     图 11 示出了包括积分读取头光纤配置 900、 参考标记信号作用区域 50D-SE 和相位 掩膜元件 961 的部分 9000’ 。部分 8000’ 和 9000’ 之间的主要差异在于， 光纤配置 800 和 900 在 XY 平面内具有不同的旋转定位。在光纤配置 900 中， 沿着 x 轴方向被分离开的接收 器光纤 990R1 和 990R2 提供参考信号 REF1 和 REF2。另外， 参考标记信号作用区域 50D-SE 包括两个信号作用子区域 50D1-SE 和 50D2-SE， 该两个信号作用子区域 50D1-SE 和 50D2-SE 具有独立尺寸 2LSEG 并且提供内 “边缘到边缘” 的尺寸 2*LETOE。应该理解的是， 相对应 的镜部分参考标记由此被指定为 50D( 未示出 )， 该镜部分参考标记包括被指定为 50D1 和 50D2 的两个镜子部分或参考标记部分， 该两个镜子部分或参考标记部分具有独立的尺寸 LSEG 并且提供了内 “边缘到边缘” 尺寸 LETOE， 根据上文所述原理， 该镜部分参考标记提供 了两个分离开的信号作用子区域或参考标记部分 50D1-SE 和 50D2-SE。 尽管在如图 11 所示的特定实施例中， 尺寸 2*LETOE 对应于两个信号作用子区域 50D1-SE 和 50D2-SE 的内部边 界之间的距离， 但是应该理解的是， 在可选的实施例中， 子区域 50D1-SE 和 50D2-SE 之间的 关系可以被设置为， 使得它们外边界 ( 而不是它们的内边界 ) 之间的距离对应于相同的尺 寸 2*LETOE。在任意一种情况下， 应该理解的是， 通过将参考标记构造成包括分 离开的两 个参考标记子部分， 与整体长度相似的单个参考标记相比， 参考标记的总面积有利地被限 制， 从而有利地限制了对周期性增量测量信号的破坏效果。 在一些实施例中， 为了在充足的 参考标记信号强度和对增量测量信号的最小干扰之间提供期望的折衷， 两个参考标记部分 中的每一个参考标记部分沿着测量轴方向的尺寸可以至少为 0.25*(AR12SPAN-AR12SEP)、 至多为 0.75*(AR12SPAN-AR12SEP)。在其它的不同实施例中， 两个参考标记部分中的每 一个参考标记部分沿着测量轴方向的尺寸可以至少为 0.4*(AR12SPAN-AR12SEP)、 至多为 0.6*(AR12SPAN-AR12SEP)。
     在这些实施例的任意一个中， 根据上文关于公式 1-5 所述的尺寸考虑和信号考虑 来选择边缘到边缘的长度 LETOE， 一般地能够提供稳健的参考信号产生构造， 特别是当满足 公式 2 和 3 或者 4 和 5 的关系时。由对应于部分 9000’ 的积分信号产生构造所提供的参考 信号 REF1 和 REF2 在信号交叉区域中呈现出期望的信号关系， 如下文参照图 12 进一步说明 的。 如图 9、 图 10 和图 11 所示， 参考信号产生构造 8000 或对应于部分 9000’ 的参考信 号产生构造适用于如图 3 和 4 所示的读取头和标度配置 3000 和 3000’ 中的读取头 300。
     图 12 是示出两个示意性的信号图表 810 和 910 的曲线图， 信号图表 810 和 910 分 别对应于图 9 和 10 所示的积分信号产生构造 8000 和与图 11 所示的部分 9000’ 对应的积 分信号产生构造。信号图表 810 和 910 的竖直或水平的缩放比例不相同， 实际上， 所有的信 号一般都包括共模 DC 偏置， 在图 12 中未示出该共模 DC 偏置。
     对应于图 9 和 10 的参考信号产生构造 8000 的信号图表 810 示出两个参考信号， 即作为参考标记信号作用区域 50C-SE( 或参 考标记 50C) 和参考标记读取头光纤配置 800 之间的沿着测量轴 82 的相对位置的函数的信号 REF1 和信号 REF2。特别地， 点 811 对应于 如图 10 所示的参考标记 50C 的中心线 RMC-SE 与向位置 AR1L 的左侧移位参考标记 50C 的长 度 LETOE 的位置相一致的位置。 因此， 参考标记信号作用区域 50C-SE 与 REF1 参考标记信号 接收器通道开口不重叠， 在点 811 没有产生显著的信号。随着参考标记 50C 向右侧移位， 参 考标记信号作用区域 50C-SE 与 REF1 参考标记信号接收器通道开口重叠增大， 直到在点 812 处达到最大， 该点 812 即中心线 RMC-SE 到如图 10 所示的位置 AR1R 的左侧距离为 LETOE 的 位置。在该信号交叉区域， 在参考标记 50C 从点 812 继续向右侧移位时， 随着参考标记信号 作用区域 50C-SE 和 REF1 参考标记信号接收器通道开口之间的重叠减少， 信号 REF1 开始减 少。随着参考标记信号作用区域 50C-SE 和 REF2 参考标记信号接收器通道开口之间的重叠 增加， 信号 REF2 开始在点 812’ 同时地增加。在点 813， 参考标记 50C 的中心线 RMC-SE 沿着 REF1 参考标记信号接收器通道开口和 REF2 参考标记信号接收器通道开口对称地定位 ( 在 如图 10 所示的位置 )， 因此信号 REF1 和 REF2 名义上相等的。因为参考标记信号接收器通 道开口具有相似的尺寸且参考标记 50C 的长度 LETOE 被选择成， 使得参考标记信号作用区 信号 REF1 和 REF2 在近 域 50C-SE 的尺寸 2*LETOE 近似等于如图 10 所示的尺寸 LCAR1CAR2， 似位于信号交叉区域中的最大和最小值中间的值处交叉， 这为可能由于各种各样的原因而
     产生的独立信号变化留下稳健的富裕。信号 REF1 和 REF2 在剩余点 814、 814’ 和 815 处的 特性可以从前面的说明类比而理解。
     信号图表 910 对应于包括图 11 所示的部分 9000’ 且与该部分 9000’ 对应的参考信 号产生结构。信号图表 910 示出两个参考信 号， 即作为参考标记信号作用子区域 50D2-SE 的中心线 RMC-SE-50D2 和光纤配置 900 之间的沿着测量轴 82 的相对位置的函数的信号 REF1 和信号 REF2。应该理解的是， 中心线 RMC-SE-50D2 与相对应的参考标记子部分的中心 线重合， 由此该相对应的参考标记子部分被指定为两部分参考标记 50D 的子部分 50D2， 该 两部分参考标记 50D 还包括被指定为 50D1 的子部分。点 911 对应于中心线 RMC-SE-50D2 与向如图 11 所示的位置 AR2L 的左侧移位长度为 LSEG 的位置相一致的位置。因此， 参考 标记信号作用区域 50D2-SE 与 REF2 参考标记信号接收器通道开口不重叠， 在点 811 没有 产生显著的信号。随着参考标记 50D 向右侧移位， 参考标记信号作用区域 50D2-SE 与 REF2 参考标记信号接收器通道开口重叠增大， 直到在点 912 达到最大值， 在该点 912， 中心线 RMC-SE-50D2 到如图 11 所示的位置 AR2R 的左侧的距离为 LSEG。 在该信号交叉区域， 在参考 标记 50D 从点 912 继续向右侧移位时， 随着参考标记信号作用区域 50D2-SE 和 REF2 参考标 记信号接收器通道开口之间的重叠减少， 信号 REF2 开始降低， 并且同时随着参考标记信号 作用区域 50D1-SE 和 REF1 参考标记信号接收器通道开口之间的重叠增加， 信号 REF1 开始 在点 912’ 增大。在点 913， 参考标记 50D 在 REF1 和 REF2 参考标记信号接收器通道开口之 间对称地定位 ( 在如图 11 所示的位置 )， 因此， 信号 REF1 和 REF2 是名义上相等的。因为参 考标记信号接收器通道开口具有相似的尺寸， 并且参考标记 50D 的长度 LETOE 被选择成使 参考标记信号作用区域 50D-SE 的尺寸 2*LETOE 近似等于如图 11 中所示的尺寸 LCAR1CAR2， 信号 REF1 和 REF2 在近似位于信号交叉区域中的最大和最小值中间的值处交叉， 这为可能 由于各种各样的原因而产生的独立信号变化留下稳健的富裕。信号 REF1 和 REF2 在剩余点 914、 914’ 和 915 的行为可以从前面的说明类比来理解。
     点 916-918 图示了随着参考标记 50D 继续向右侧移位由子区域 50D1-SE 与 REF2 接 收器重叠而提供的副 REF2 信号。然而， 应该理解的是， 对应这些点的 REF1 参考标记信号接 收器通道开口没有提供互补的 “交叉信号” 。 对于向图示信号区域的左侧移位而出现的类似 REF1 信号未示出。由于在信号交叉区域中在 REF1 和 REF2 信号相等的位置确立参考位置， 因此如同类似的副 REF1 信号一样， 除根据移位方向， 副 REF1 信号和对应于点 916-918 的副 REF2 信号作为正在接近参考位置的指示器的潜在应用， 或作为参考位置已被检测到和参考 位置正在后退的确认的潜在应用之外， 副 REF1 信号是不相关的。
     高分辨率参考标记信号产生构造
     上文所述的参考标记信号产生构造一般提供具有第一水平分辨率和可重复性的 单一参考标记信号。在各个实施例中， 第一水平分辨率和可重复性可以是 0.2 微米的量级。 下文中， 术语 “参考标记主信号” (reference mark primary signal) 可以用来表示上文所 述的参考标记信号。
     在一些应用中， 可能期望的是， 提供与上文所述的参考标记主信号相比能提供改 进水平的参考标记位置的分辨率和可重复性的参考标记信号。下文中， 术语 “参考标记副 信号” (reference mark secondary signal) 可以用来表示提供改进水平的分辨率和可重 复性的参考标记信号。下文所述的参考信号产生构造提供这种参考标记副信号。简言之，下文参照图 13-18 所述的实施例一般地是根据公式 1( 和 / 或公式 2、 3、 4 或 5) 而设计的， 并且利用上文参照图 1-12 所述的原理来产生参考标记主信号， 与下文所述的产生参考标 记副信号的其它特征组合。 参考标记副信号是指比参考标记主信号具有更高分辨率和可重 复性的参考标记位置 ( 例如， 分辨率和 / 或可重复性近似好 10 倍， 可以是 20 纳米的量级 )。 然而， 参考标记副信号是周期性的。 因此， 从参考标记主信号所得出的主参考标记位置或主 信号交叉点被用来消除与该周期性有关的任何潜在的副参考标记位置的不确定性， 如下文 所详细说明的。
     在只产生参考标记主信号的前面的实施例中， 参考标记可以包括位于包括光栅的 标度轨迹上的镜状参考标记部分 ( 例如， 见图 1 的参考标度轨迹 88) 或者包括位于镜状参 考标度轨迹上的光栅型参考标记部分 ( 例如， 见图 2 的参考标度轨迹 88’ )。然而， 在下文 所述的还产生参考标记副信号的实施例中， 由于下文所述的原因， 参考标记不能包括由镜 状轨迹部分包围的光栅型参考标记部分。
     应该理解的是， 在下文的说明中， 图中采用了上文所述的图中的一定元件与对应 或相似的元件相关的的附图编号习惯， 从而它们通过类比可以被理解， 而不需要多加说明。 根据这个编号习惯， 具有相似后缀和 / 或形式的附图编号可以类似， 并且可以具有相似的 设计和操作原理 ( 例如， 1680 与 880 类似， 50G-SE 与 50C-SE 类似等 )。这与在图 1-12 中频 繁使用的编号习惯相似。 然而， 另外， 对于在下文所述的图中的与产生参考标记主信号相关 的元件， 还可以将 “P” 插入后缀。因此， 例如， 基于相似的数字后缀 “20BR2” 作为带有表示 “主” 的 “P” 的变型， 编号为 1620BPR2 的元件可以与编号为 820BR2 的元件类似。类似地， 编 号为 1390PR1 的元件可以与编号为 790R1 的元件类似等等。另外， 对于在下文所述的图中 的与产生参考标记副信号相关的元件， 对于类似的元件可以将 “S” 插入后缀。例如， 除了被 用于提供参考标记副信号的事实之外， 基于相似的数字后缀 “90R1” 作为带有表示 “副” 的 “S” 的变型， 编号为 1590SR1 的接收 器光纤可以与编号为 890R1 的接收器光纤类似。
     图 13 是示意性示出根据本发明的参考信号产生构造 13000 的第五实施例的一部 分的操作的各个方面的等距视图。 根据前面参照图 7 所述的原理， 参考信号产生构造 13000 产生参考标记主信号， 并且， 除了在下文中特别指明之外， 图 13 和图 7 中的以类似数字编号 的元件可以在形式和操作上相似或相同。图 13 示出了参考信号产生构造的 13000 的各个 元件， 参考信号产生构造 13000 包括参考标记读取头光纤配置 1300、 参考标记主信号作用 区 50E-SE 和掩膜元件 1361。如图 13 所示， 参考标记读取头光纤配置 1300 可以包括接收光 纤 1390PR1、 1390PR1’ 、 1390PR2 和 1390PR2’ 以及接收光纤 1390SR1 和 1390SR2， 该接收光纤 1390PR1、 1390PR1’ 、 1390PR2 和 1390PR2’ 接收和提供参考标记主信号 PREF1、 PREF1’ 、 PREF2 和 PREF2’ ， 该接收光纤 1390SR1 和 1390SR2 接收和提供参考标记副信号 SREF1 和 SREF2， 如 下文进一步说明的。
     参考标记主信号作用区域 50E-SE 可以与图 7 所示的参考标记信号作用区域 50B-SE 类似或相同。另外， 接收光纤 1390PR1、 1390PR1’ 、 1390PR2 和 1390PR2’ 可以与图 7 所示的 790PR1、 790PR1’ 、 790PR2 和 790PR2’ 类似或相同。因此， 根据前面说明的原理， 可以 理解这些元件的操作和所产生的信号。
     现 在 将 对 包 括 承 载 参 考 标 记 副 信 号 SREF1 和 SREF2 的 接 收 光 纤 1390SR1 和 1390SR2 的参考标记副信号接收器通道的操作进行说明。如前面所述 ( 例如， 参照图 9)， 当镜状参考标记部分被光栅轨迹部分包围时， 光栅轨迹部分可以提供反射地衍射的 +/- 第一 阶标度光， 该 +/- 第一阶标度光将照射重叠而在靠近掩膜元件 1361 的接收器面的干涉区域 中形成干涉条纹的区域。通过与前面的图类比， 图 13 示出了这样的干涉区域 1356-SSE， 该 干涉区域也被称为参考标记副信号作用区域 1356-SSE。应该理解的是， 根据前面所述的原 理， 干涉条纹被参考标记主信号作用区域 50E-SE 附近的零阶反射光局部地破坏或支配， 从 而提供参考标记主信号 PREF1、 PREF1’ 、 PREF2 和 PREF2’ 。
     位于掩膜元件 1361 的接收面的空间过滤掩膜 1320SR1 和 1320SR2 对由接收光纤 1390SR1 和 1390SR2 的端部所提供的接收器通道开口进行掩膜， 并且对参考标记副信号作 用区域 1356-SSE 中的干涉条纹进行空间过滤， 以分别提供空间上的周期性信号 SREF1 和 SREF2。在各个实施例中， 空间过滤掩膜 1320SR1 和 1320SR2 具有以与干涉条纹的节距相同 的节距布置的光阻断元件 (light-blocking element)， 并且以 180 度的名义空间相位差相 对彼此被布置， 以提供信号 SREF1 和 SREF2， 如下文参照图 14 更详细的说明的。 应该理解的 是， 图 13 和后面的图中所示的光阻断元件的节距不必成比例地显示， 并且可以为了图示的 目的而被放大。
     为了提供可靠的参考标记主信号 ( 例如， PREF1、 PREF1’ ， PREF2 和 PREF2’ )， 与前 面参照图 6-11 所述的相似的设计考虑可以被应用 ( 例如， 对 APR12SEP 和 APR12SPAN 进行与 AR12SEP 和 AR12SPAN 相似的处理等等 )。为了提供可靠的参考标记副信号 ( 例如， SREF1、 SREF2)， 参考标记主信号作用区域 ( 例如， 区域 50E-SE) 和参考标记副信号接收器通道开口 ( 例如， 由接收光纤 1390SR1 和 1390SR2 的端部所提供的 ) 的尺寸和 / 或位置之间需要其它 的设计关系。为了帮助说明这些关系， 除了与前面参照图 6-11 所述的类似的尺寸之外， 图 13 还示出了虚线 ASR1L 和 ASR1R、 以及 ASR2L 和 ASR2R， 该虚线 ASR1L 和 ASR1R 以及 ASR2L 和 ASR2R 标识了由接收光纤 1390SR1 和 1390SR2 所提供的示例性参考标记副信号接收器通 道开口的 x 轴方向的左边界和右边界。
     分隔距离 ASR12SEP 示出为 ASR1R 和 ASR2L 之间的距离。在根据本发明的各个实 施例中， 有益的是将参考标记产生构造 ( 例如， 参考信号产生构造 13000) 配置成 ：
     ASR12SEP ≥ 2*LETOE ( 公式 6)
     该关系对应于如下构造 ： 参考标记主信号作用区域 50E-SE 可以位于由接收光纤 1390SR1 和 1390SR2 所提供的接收器通道开口之间， 从而它们从干涉条纹光中得出想要的 信号， 而没有受主信号作用区域 50E-SE 的零阶反射光显著地影响。此时， 参考标记主信号 作用区域 50E-SE 可以相对于由接收光纤 1390PR1、 1390PR1’ 、 1390PR2 和 1390PR2’ 所提供的 接收器通道开口位于中心， 从而在期望的主信号交叉区域产生期望的参考标记主信号 ( 例 如， PREF1、 PREF1’ 、 PREF2 和 PREF2’ )， 这一切与图 13 所示出的近似， 如下文参照图 14 进行 的更详细的说明。 为了更好地确保这种期望的信号， 如图 13 所示可以设置间隙尺寸 PSCLR。 PSCLR 是当参考标记主信号作用区域 50E-SE 沿着测量轴 82 名义地位于那些边界的中心时 从参考标记主信号作用区域 50E-SE 的边缘到参考标记信号副接收器通道开口的边界之间 的间隙。从而， 在各个实施例中 ：
     ASR12SEP ＝ (2*LETOE)+(2*PSCLR) ( 公式 7)
     在各个实施例中， 期望的是 PSCLR 大于零， 或者更期望的是至少为 10 微米， 在一些 实施例中至少为 25 微米， 在其它实施例中至少为 50 微米。图 14 是包括示意性示出参考标记主信号的信号图表 70’ 和示意性示出参考标记 副信号的信号图表 60’ 的图， 参考标记主信号和参考标记副信号均为根据本发明所产生。 在各个实施例中， 信号幅度、 空间周期等可以与图 14 所示的信号幅度和空间周期 不同， 图 14 仅仅是示例性的而非限制性的。为了进行说明， 将对应于图 13 的参考信号产生构造 13000 来对信号进行说明。特别地， 图 14 示出了组合参考标记主信号 (PREF1+PREF1’ )和 (PREF2 和 PREF2’ ) 的信号图表 70’ 。信号图表 70’ 与图 8 的信号图表 70 类似， 具有适于对 应于图 13 的说明的类似的尺寸名称。因此， 根据前述原理， 可以理解信号图表 70’ ， 差别仅 在于， 由信号交叉点 74’ 所指示的主参考位置仅仅被认为是参考位置的主指示器 (primary indicator) 或第一指示器。如从信号交叉点 74’ 延伸至信号图表 60’ 的虚线所示， 信号交 叉点 74’ 和 / 或主参考位置对于信号图表 60’ 所示的参考标记副信号 SREF1 和 SREF2 具有 明确固定的空间关系。
     如信号图表 60’ 所示， 并且如前所说明的， 当根据本发明的参考标记读取头光纤配 置沿着测量轴 82 相对于标度上的参考标记移动时， 参考标记副信号 SREF1 和 SREF2 以与条 纹节距对应的周期呈现空间周期性， 并且由于空间过滤掩膜 1320SR1 和 1320SR2 的布置， 参 考标记副信号 SREF1 和 SREF2 彼此异相 180 度。信号图表 60’ 还示出当参考标记主信号作 用区域 50E-SE 越过对应于参考标记副信号的接收器通道开口时， 它一般可以贡献 DC 信号 分量 ( 例如， DC 信号分量 SREF1DC 或 SREF2DC)， 该 DC 信号分量增加到对应于该接收器通道 开口的空间周期性信号分量。然而， 如图 14 所示和前面所述的， 当满足根据公式 6 和 / 或 7 的关系并且参考标记主信号位于主信号交叉区域中时， 参考标记副信号 SREF1 和 SREF2 不 需要包括显著的 DC 信号分量， 这对于可靠地确定高分辨率的副参考位置有利。
     如图 14 示意性地示出， 一般地， 参考标记副信号 SREF1 和 SREF2 的特定副信号交 叉区域比主信号交叉区域显著窄。应该理解的是， 为了图示清楚， 图 14 的信号关系是示意 性示出的。 实际上， 在各个实施例中， 副信号交叉区域可以比主信号交叉区域窄 10 倍的量 级。因此， 在实际中， 副信号 SREF1 和 SREF2 的特定信号交叉点 64’ 的位置和相对应的副参 考位置可以以比主信号交叉点 74’ 和 / 或主参考位置更高 ( 例如， 大约高 10 倍 ) 的空间分 辨率和 / 或精度来确定。
     应该理解的是， 特定信号交叉点 64’ 一般可能不能从发生在其附近的其它周期性 信号交叉点中分辨出。然而， 主信号交叉点 74’ 对信号图表 60’ 所示的参考标记副信号 SREF1 和 SREF2 具有明确固定的空间关系， 并且主信号交叉点 74’ 具有比副信号 SREF1 和 SREF2 的 +/- 二分之一周期更好的分辨率和精度。因此， 主信号交叉点 74’ 可以用于可靠地 指示或识别特定副信号交叉点 64’ 。因此， 根据本发明， 基于特定副信号交叉点 64’ ， 可以可 重复地且可靠地确定高分辨率的副参考位置。 用于确定高分辨率的副参考位置的一个示例 性信号处理方法在下文中参照图 19 进行了说明。
     图 15 是示意性示出根据本发明的参考信号产生构造的 15000 的第六实施例的 部分的操作的各个方面的等距视图。根据前面参照图 13 所述的原理， 参考信号产生构造 15000 产生参考标记信号， 并且可以与上述说明类比而被理解。因此， 下文仅对显著的差异 进行说明。除了在下文中特别指明之外， 在图 15 和图 13 中具有类似附图编号的元件可以 在形式和操作上相似或相同。与图 13 所示的参考信号产生构造 13000 相比， 参考信号产 生构造 15000 的主要差异在于， 参考标记主信号作用区域 50F-SE 的尺寸 2*LETOE 比图 13所示的主信号作用区域 50E-SE 的尺寸 2*LETOE 显著地窄， 并且与参考标记主信号 PREF1、 PREF1’ 、 PREF2 和 PREF2’ 有关的接收器通道开口由掩膜元件 1561 限定。特别地， 掩膜元件 1561 包括阻断掩膜部分 1520BPR1、1520BPR1’ 、 1520BPR2 和 1520BPR2’ 以及开放开口掩膜 部分 1520PR1、 1520PR1’ 、 1520PR2 和 1520PR2’ ， 这些掩膜部分分别位于接收光纤 1590PR1、 1590PR1’ 、 1590PR2 和 1590PR2’ 上。 该配置提供了圆形 ( 在不同的实施例中或者其它形状 ) 接收器通道开口， 根据前面所述的原理， 该圆形接收器通道开口具有被设计成对参考标记 主信号作用区域 50F-SE 的期望尺寸 2*LETOE 进行补充的尺寸和位置。与参考信号产生构 造 13000 相比， 参考信号产生构造 15000 可以提供更大的间隙尺寸 PSCLR， 由于前面所述的 原因， 这是有好处的。在一些实施例中， 开放开口掩膜部分 1520PR1、 1520PR1’ 、 1520PR2 和 1520PR2’ 可以被构造成沿着测量轴 82 具有较小尺寸， 以在较窄的主信号交叉区域中提供 陡峭的参考标记主信号变化。在一些实施例中， 这可以提高主信号交叉点 74’ 的分辨率和 / 或精度， 这可以有助于可靠地识别特定副信号交叉区域和 / 或信号交叉点。当参考标记 副信号的空间周期小 ( 例如， 4 微米的量级 ) 时这可能特别有用。另外， 基于前面参照图 13 以及说明书的其它地方所述的类似设计和操作， 可以理解参考信号产生构造 15000 的设计 和操作。 图 16 是示意性示出根据本发明的参考信号产生构造 16000 的第七实施例的部 分的操作的各个方面的等距视图。可以看出的是， 与图 13 和图 15 所示的实施例相比， 图 16 所示的光纤配置 1600 在 XY 平面内具有不同的旋转定位。这使得参考标记主信号作用 区域 50F-SE 位于四根光纤而不是两根光纤的端部， 以提供参考标记副信号接收器通道开 口， 该参考标记副信号接收器通道开口接收和提供四个副信号 SREF1、 SREF1’ 、 SREF2 和 SREF2’ ( 分别对应于光纤 1690SR1、 1690SR1’ 、 1690SR2 和 1690SR2’ )。另外， 对应于副信号 SREF1、 SREF1’ 、 SREF2 和 SREF2’ 的每个接收器通道的设计原理和操作与前面参照图 13 所 述的接收器通道类似。具有与图 16 和图 13 中所示的编号类似编号的元件可以具有相似的 设计原理和操作， 并且除了在下文中特别指明之外， 可以通过类比而被理解。在图 16 所示 的实施例中， 空间过滤掩膜 1620SR1 和 1620SR1’ 被配置成相对于位于参考标记副信号作 用区域 1356-SSE 中的干涉条纹具有相同的空间相位。因此， 副信号 SREF1 和 SREF1’ 具有 相同的空间相位， 并且可以在信号处理期间被组合 ( 或叠加 )。空间过滤掩膜 1620SR2 和 1620SR2’ 也被配置成具有相同的空间相位， 并且与空间过滤掩膜 1620SR1 和 1620SR1’ 异 相 180 度。因此， 副信号 SREF2 和 SREF2’ 具有相同的空间相位， 并且可以在信号处理期间 类似地被组合。组合的副信号与信号图表 60’ 中所示的独立副信号类似， 并且可以相似地 进行处理。
     参考信号产生构造 16000 利用与前面参照图 10 所述的用于产生类似信号 REF1 和 REF2 的光纤和掩膜配置相似或相同的光纤和掩膜配置来产生参考标记主信号 PREF1 和 PREF2。图 16 和图 10 中具有类似编号的元件可以具有相似或相同的设计原理和操作。因 此， 根据前面所述的原理， 可以理解用于产生参考标记主信号 PREF1 和 PREF2 的元件的设计 和操作。独立的主信号 PREF1 和 PREF2 与图 14 中的信号图表 70’ 中的组合的主信号类似， 并且可以相似地进行处理。
     图 17A 和 17B 分别是 17000A 和 17000B 的图示， 示出了可以替换图 16 所示的掩膜 元件 1661 的开口掩膜构造的部分使用的可选开口掩膜构造。特别地， 图 17A 和图 17B 示出
     对于与产生参考标记主信号 PREF1 和 PREF2 有关的掩膜元件的那些部分的可选开口掩膜构 造， 也可以被称为主开口构造。 图 17A、 图 17B 中的具有与图 16 中的编号类似的编号的元件 可以具有相似的设计原 理和操作， 并且除非下文特别指明之外， 可以通过类比而被理解。 应该理解的是， 未在图 17A 和图 17B 中清楚地示出的掩膜元件部分可以与图 16 中对于掩膜 元件 1661 示出的部分相似或相同。
     与图 16 所示的阻断掩膜 1620BPR1、 开放开口掩膜 1620PR1、 阻断掩膜 1620BPR2 和 开放开口掩膜 1620PR2 的构造相比， 图 17A 中的主要差别在于， 阻断掩膜 1620BPR1’ 、 开放开 口掩膜 1620PR1’ 、 阻断掩膜 1620BPR2’ 和开放开口掩膜 1620PR2’ 提供了相对于测量轴方 向横向延伸的左开口边缘和右开口边缘， 这些横向开口边缘包括锯齿部， 该锯齿部相对于 Y 轴呈角度， 从而每个横向开口边缘跨越 (span) 从相邻开口边界 ( 例如， 由虚线 APR2R 所指 示的边界 ) 沿着测量轴 82 的方向朝着开口的相对边缘延伸的主开口边缘过渡尺寸 PAET。 仅对于开放开口掩膜 1620PR2’ 的右边缘示出了代表性的尺寸 PAET， 然而， 应该理解的是， 对于图 17A 中的每个左开口边缘和 / 或右开口边缘存在类似的尺寸 PAET。尺寸 PAET 不必 对于每个开口边缘相同， 尽管在各个实施例中， 它们可以是相同的。 通过使各开口边缘呈角 度地跨越它们各自的尺寸 PAET， 经过开放开口掩膜 1620PR1’ 和 / 或 1620PR2’ 的任何干涉 条纹被空间地过滤， 从而它们的对参考标记主信号有贡献的破坏性周期光学信号的幅度至 少部分地被抑制， 特别是在前面参照图 14 所述的主信号交叉区域附近。在各个实施例中， 如果每个尺寸 PAET 至少是掩膜元件的接收面处的一个条纹节距 FP， 则可以是有利的。 在一 些实施例中， 每个尺寸 PAET 可以至少是 FP 的三倍或更多。在一些实施例中， 尽管不是必须 的， 如果每个尺寸 PAET 名义地等于掩膜元件的接收面处的条纹节距 FP 的整数倍， 则可以是 有利的。应该理解的是， 图 17A 和 17B 所示的条纹节距 FP 不必是成比例示 出的， 并且为了 图示的目的可以被放大。
     根据图 17A 中所示构造的区别方面， 在一些实施例中， 尽管不是必须的， 如果至少 对于沿着开口边缘的沿 Y 轴方向的长度的大部分， 主开口宽度尺寸 PAW 名义地等于掩膜元 件的接收面处的条纹节距 FP 的整数倍， 则可以是有利的。在这种情况下， 对于越过开放开 口掩膜 1620PR1’ 或 1620PR2’ 的任何条纹的破坏性光信号的贡献将趋于更恒定， 特别是在 主信号交叉区域附近， 这比来自条纹的可变信号贡献对参考标记主信号交叉位置的破坏性 小。主开口宽度尺寸 PAW 可以沿着 Y 轴方向变化， 或者可以是恒定的。在任何情况下， 可以 在沿着 Y 轴的每个位置定义沿着测量轴 82 的方向的开放开口尺寸。这种设计特征可以与 如图 17A 所示的非零主开口边缘过度尺寸 PAET 组合使用， 或者与沿着 Y 轴方向对齐的直开 口边缘进行组合也可以是有利的。
     图 17B 示出了可以通过与对前面图 17A 所说明的进行类比而能理解的构造。特 别地， 阻断掩膜 1620BPR1” 、 开放开口掩膜 1620PR1” 、 阻断掩膜 1620BPR2” 和开放开口掩膜 1620PR2” 提供了相对于测量轴方向横向延伸的左开口边缘和右开口边缘， 并且这些横向 开口边缘相对于 Y 轴成角度， 从而每个横向开口边缘跨越从相邻开口边界 ( 例如， 由虚线 APR2R 所指示的边界 ) 沿着测量轴 82 的方向朝着开口的相对边缘延伸的主开口边缘过渡尺 寸 PAET。与图 17A 的构造相比， 主要的差别在于， 图 17B 中所示的开口具有 “旋转矩形” 的 特征， 而不是具有锯齿边缘。无论如何， 图 17B 所示的开口具有可以满足上面参照图 17A 所 述的设计原理的类似的尺寸 PAET 和 PAW。基于图 17A 和 17B 的前述示例， 应该理解的是， 开口边缘可选地可以在主开口边缘过渡尺寸 PAET 上具有弯曲的 ( 而不是直线或成角度的 )、 或者以某些其它方式蜿蜒的段 (segment)， 并且这种设计也可以满足前面参照图 17A 所述 的设计原理。因此， 应该理解的是， 前述示例仅仅是示例性的而不是限制性的。还应该理解 的是， 根据参照图 17A 和图 17B 所述的原理而设计的开口可以通用地适用于本发明的各种 其它实施例中 ( 例如， 替换图 10 或图 11 所示的参考信号开口等等 )。
     图 18 是示出根据本发明的参考信号产生构造 18000 的第八实施例的部分的等距 视图。大体基于与图 11 相关的参考标记信号产生示教， 参考信号产生构造 18000 的设计和 操作可以认为是组合了与上面参照图 16 所述的类似的四通道参考标记副信号产生构造的 两通道参考标记主信号产生构造。 因此， 基于前面的说明， 大体可以理解参考信号产生构造 18000 的设计和操作。 除了特别指明之外， 编号为 18XX 序列的元件在设计原理、 操作和在一 些情况下的形式与编号为 16XX 序列的元件类似或相类似。因此， 下面仅对参考信号产生构 造 18000 和 16000 之间的显著差异进行说明。
     参考信号产生构造 18000 包括积分读取头光纤配置 1800、 参考标记信号作用区域 50H-SE 和相位掩膜元件 1861。应该理解的是， 参考标记信号作用区域 50H-SE 包括两部分 50H1-SE 和 50H2-SE。一般地， 参考标记信号作用区域 50H-SE 与图 11 所示的两部分参考标 记信号作用区域 50D-SE 类似， 并且可以类似地被理解。下面将对与参考标记信号作用区域 50H-SE 有关的其它设计考虑进行说明。与图 16 所示的实施例相比， 可以看出的是， 图 18 所示的光纤配置 1800 在 XY 平面具有不同的旋转定位， 具有由沿着 X 轴方向彼此距离最远 的两根光纤 1890PR1 和 1890PR2 提供的参考标记主信号 PREF 1 和 PREF2 以及由沿着 X 轴 方向彼此最靠近的四根光纤 1890SR1、 1890SR1’ 、 1890SR2 和 1890SR2’ 提供的四个参考标 记副信号 SREF1、 SREF1’ 、 SREF2 和 SREF2’ 。另外， 对应于副信号 SREF1、 SREF1’ 、 SREF2 和 SREF2’ 的每个接收器通道的设计原理和操作与前面参照图 16 所述的类似。特别地， 空间过 滤掩膜 1820SR1 和 1820SR1’ 被布置成相对于参考标记副信号作用区域 1856-SSE 中的干涉 条纹具有相同的空间相位。从而， 副信号 SREF1 和 SREF1’ 具有相同的空间相位， 并且可以 在信号处理期间被组合 ( 例如， 叠加 )。空间过滤掩膜 1820SR2 和 1820SR2’ 也被配置成具 有相同的空间相位， 与空间过滤掩膜 1820SR1 和 1820SR1’ 异相 180 度。因此， 副信号 SREF2 和 SREF2’ 具有相同的空间相位， 并且可以在信号处理期间类似地被组合。组合的副信号与 信号图表 60’ 中所示的独立的副信号类似， 并且可以相似地进行处理。
     参考信号产生构造 18000 利用包括阻断掩膜 1820BPR1、 开放开口掩膜 1820PR1、 阻 断掩膜 1820BPR2 和开放开口掩膜 1820PR2 的开口掩膜构造来产生参考标记主信号 PREF1 和 PREF2， 这些掩膜是根据前面参照图 17A 所述的设计原理构造而成。 开口掩膜构造与信号 作用子区域 50H1-SE 和 50H2-SE 协同工作， 该信号作用子区域 50H1-SE 和 50H2-SE 具有独 立的尺寸 2LSEG 和内 “边缘到边缘” 尺寸 2*LETOE。应该理解的是， 信号作用子区域由相对 应的镜部分参考标记 ( 未示出 ) 来提供， 该镜部分参考标记由此被指定为 50H， 该镜部分参 考标记包括具有独立尺寸 LSEG 并且提供内 “边缘到边缘” 尺寸 LETOE 的被指定为 50H1 和 50H2 的两个镜子部分或参考标记部分。尽管在图 18 所示出的特定实施例中， 尺寸 2*LETOE 对应于两个信号作用子区域 50H1-SE 和 50H2-SE 的内边界之间的距离， 但是应该理解的是， 在可选的实施例中， 子区域 50H1-SE 和 50H2-SE 之间的关系可以被设置成， 使它们的外边界 ( 而不是内边界 ) 之间的距离 对应于相同的尺寸 2*LETOE。在两种情况中的任意一种情况下， 应该理解的是， 通过根据上文关于公式 1-5 所述的尺寸考虑和信号考虑来选择边缘到 边缘的长度 LETOE， 能够提供稳健的参考标志主信号产生构造， 特别是当满足公式 2 和 3 或 者 4 和 5 的关系时。如前面参照图 14 以及参照图 12 所述的， 由积分信号产生构造 18000 所提供的参考标记主信号 PREF1 和 PREF2 在信号交叉区域中呈现期望的参考标记主信号关 系。
     与参考信号产生构造 16000 相比， 在参考信号产生构造 18000 中， 参考标记副信 号接收器通道开口沿着 X 轴方向位于参考标记主信号接收器通道开口之间。在这种情况 下， 为了提供可靠的参考标记副信号 ( 例如， SREF1、 SREF1’ 、 SREF2 和 SREF2’ )， 参考标记主 信号作用子区域 50H1-SE 和 50H2-SE 以及参考标记副信号接收器通道开口 ( 例如， 由光纤 1890SR1、 1890SR1’ 、 1890SR2 和 1890SR2’ 结合空间过滤掩膜 1820SR1、 1820SR1’ 、 1820SR2 和 1820SR2’ 所提供的 ) 的尺寸和 / 或位置之间需要其它的设计关系。特别地， 公式 6 和 7 不 适用于这种情况。在这种情况下， 取而代之， 有利地是将参考信号产生构造 ( 如信号产生构 造 18000) 配置成 ：
     ASR12SPAN ≤ 2*LETOE ( 公式 8)
     这种关系对应于如下构造 ： 参考标记主信号作用子区域 50H1-SE 和 50H2-SE 可 以位于参考标记副信号接收器通道开口之外， 从而它们从干涉条纹光中得出期望的信号， 而不会受主信号作用子区域 50H1-SE 和 50H2-SE 的零阶反射光的显著影响。此时， 参考标 记主信号作用子区域 50H1-SE 和 50H2-SE 的边缘可以相对于由开放开口掩膜 1820PR1 和 1820PR2 提供的接收器通道开口位于中心 ( 如图 18 所示 )， 从而根据前面所述的原理在期 望的主信号交叉区域产生期望的参考标记主信号 ( 例如， PREF1 和 PREF2’ )。 为了更好地确 保这种期望的信号， 如图 18 所示， 可以设置间隙尺寸 PSCLR。 通过与前面的说明类比， PSCLR 是当参考标记主信号作用区域 ( 例如， 区域 50H-SE) 名义地相对于沿着测量轴 82 的那些边 界位于中心时从参考标记主信号作用区域 ( 或者子区域 ) 的边缘到相邻的参考标记副信号 接收器通道开口的边界的间隙。从而， 在与图 18 所示的实施例类似的各个实施例中 ：
     ASR12SPAN ＝ (2*LETOE)-(2*PSCLR) ( 公式 9)
     在与图 18 所示的实施例相似的各个实施例中， 期望的是 PSCLR 大于零， 或者更期 望的是至少为 10 微米， 在一些实施例中至少为 25 微米， 在其它实施例中至少为 50 微米。
     图 19 是示意性示出与根据本发明的主参考信号和副参考信号有关的各种信号关 系， 以及相关的一种信号处理方法的某些方面的图。特别地， 图 19 的最下部和最上部分别 再现了信号图表 60’ 和 70’ 的信号图表部分 1430 和 1440， 并且可以基于前面的说明而理 解。如下面更详细说明的图 19 还示出了得出的信号图表 1940 和 1930， 以及示意性地表示 的逻辑信号 1945 和 1935。
     信号图表 1940 示出信号处理后的差值信号 PDIFF， 该差值信号是从图表 1440 的信 号得出的， 并且等于组合的参考标记主信号 (PREF1+PREF1’ ) 和 (PREF2+PREF2’ ) 之间的差 值。信号图表 1940 还示出 PDIFF 的上阈值 PUTR 和 PDIFF 的下阈值 PLTR， 该 PDIFF 的上阈 值 PUTR 和 PDIFF 的下阈值 PLTR 限定了与主信号差值 PDIFF 相比的上参考信号水平和下参 考信号水平。在一个示例性信号处理方法中， PUTR 和 PLTR 相对于 PDIFF 零信号水平 1921 彼此相等地间隔开， 该 PDIFF 零信号水平 1921 对应于信号交叉点 74’ ， 该信号交叉点 74’ 被取为主参考位置。在一个示例性信号处理方法中， 当 PDIFF 的值位于 PLTR 和 PUTR 之间时， 主参考位置指示器信号 1945 将被切换为高状态 1945’ ， 这指示根据本发明的读取头在 与 PLTR 和 PUTR 之间的范围大致对应的第一不确定范围和 / 或第一分辨率水平内位于靠近 根据本发明的参考标记的主参考位置的位置。
     信号图表 1930 示出了信号处理后的差值信号 SDIFF， 该差值信号 SDIFF 是从图表 1430 的信号得出的， 并且等于参考标记副信号 SREF1 和 SREF2 之间的差值。信号图表 1930 还示出 SDIFF 的上阈值 SUTR 和 SDIFF 的下阈值 SLTR， 该 SDIFF 的上阈值 SUTR 和 SDIFF 的 下阈值 SLTR 限定了与副信号差值 SDIFF 相比的上参考信号水平和下参考信号水平。在 一个示例性信号处理方法中， SUTR 和 SLTR 相对于 SDIFF 零信号水平 1920 彼此相等地间 隔开， 该 SDIFF 零信号水平 1920 对应于信号交叉点 64， 该信号交叉点 64 被取为副参考位 置。在一个示例性信号处理方法中， 当 SDIFF 的值位于 SLTR 和 SUTR 之间时， 副参考位置 指示器信号 1935 将被切换为高状态 1935’ 。应该理解的是， 根据本发明的读取头和参考标 记标度可以被构造成能够以足够的分辨率和可重复性提供主参考位置指示器信号高状态 1945’ ， 从而可以明确地对应于主参考位置指示器信号的高状态 1935’ 的单一情况 (single instance)1936。高状态 1935’ 的这种单一情况可以指示， 根据本发明的读取头在与 PLTR 和 PUTR 之间的范围大致对应的第二不确定范围和 / 或第二分辨率水平内位于靠近根据本 发明的参考标记的副参考位置的位置。根据前面说明的原理， 该第二不确定范围和 / 或第 二分辨率水平可以显著地好于第一不确定范围和 / 或第一分辨率水平。在各种实施例中， 可以利用已知的技术基于信号 1945 和 1935 的状态的逻辑操作来建立对于高状态 1935’ 的 单一情况 1936 的识别。在一个实施例中， 对应关系 correspondence) 可以简单地通过两信 号同时地处于它们的高状 态来指示， 如图 19 所示。然而， 在其它实施例中， 对应关系可以 基于更复杂的处理 ( 例如， 包括基于信号 1945 和 1935 的上升边和下降边之间的关系的处 理等 ) 来建立。因此， 图 19 所示的方法和信号仅仅是示例性的， 而不是限制性的。
     在一个实施例中， 仅基于信号 1945， 可以以 0.2 微米的量级的分辨率和精度确定 主参考位置。如上所述， 基于利用信号 1935 与信号 1945 结合， 则可以以 20 纳米量级的分 辨率和精度来确定副参考位置。
     图 20A 和图 20B 分别示出图示 20000A 和 20000B， 图示 20000A 和 20000B 分别包 括可选参考标记 50-M’ 和 50-M” 。在各个实施例中， 参考标记构造 50-M’ 和 50-M” 可替换 图 5 所示的参考标记 50-M 来使用， 并且可以通过类比大体被理解。然而， 与参考标记 50-M 相比， 相对于测量轴方向横向延伸的参考标记 50-M’ 和 50-M” 的横向边缘包括相对于 Y 轴 方向成角度的部分， 使得横向边缘不是直的。换种说法， 即， 每个参考标记 50-M’ 和 50-M” 的横向边缘被构造成， 使得横向边缘的不同的各个部分沿着测量轴方向具有各个位置， 该 各个位置作为沿着相对于测量轴方向横向的方向的位置的函数而变化。特别地， 沿着测量 轴方向的各个位置， 沿着测量轴方向跨越对应的参考标记边缘过渡区域 RMET， 该各个位置 作为沿着相对于测量轴方向横向的方向的位置的函数而变化。在各个实施例中， 如果沿着 测量轴方向的各个位置沿着测量轴的横向方向反复地来回 (backand forth) 改变， 则可以 是有利的。 在操作中， 这种边缘构造可以有助于抑制边缘衍射效果， 否则对于直边缘可能出 现该边缘衍射效果。这种边缘衍射效果可能向参考标记主信号和 / 或参考标记副信号增加 不想要的不规则性。当使用这种边缘构造时， 方便的是， 将尺寸 LETOE 定义为从第一参考标 记边缘过渡区域 RMET 的中间到可操作地对应的第二参考标记边缘过渡区域 RMET 的中间的距离 ( 例如， 近似如图 20A 和图 20B 示出的尺寸 LETOE’ 和 LETOE” )。利用这样定义的尺 寸 LETOE， 参考标记则可以被设计成满足上面参照公式 1-9 所述的想要条件。 在各个实施例 中， 如果在这种第一和第二参考标记边缘过渡区域中的横向边缘被构造成是第一参考标记 部分横向边缘的相对于沿着与测量轴方向垂直的方向的对称轴的镜像， 从而所形成的在信 号交叉区域内交叉的参考标记主信号也可以趋于具有相对稳健的镜像对称性。
     尽管已经结合如上所述的示例性实施例对本发明进行了说明， 然而， 显然的是上 述的实施例和设计因素是其它可选的实施例、 修改和变化的指示， 这些对于本领域普通技 术人员来说是显而易见的。作为第一个例子， 尽管上述说明叙述了包括镜型参考标记部分 的实施例， 该镜型参考标记部分包括平面镜， 更一般地 “显著的零阶反射” 参考标记部分可 用于代替镜参考标记部分。这种 “显著的零阶反射” 部分可以包括如下这样的任何表面配 置： 该表面配置提供大量的零阶反射光， 和 / 或干扰大量的 +/- 第一阶反射光， 从而使对应 的参考标记信号水平能够从相邻的 “零阶反射抑制” 部分 ( 例如， 增量测量标度光栅的部分 或光栅轨迹部分 ) 所形成的信号水平区分开。例如， 在各个实施例中， “显著的零阶反射” 部 分可以包括具有 80-20 占空比 ( 例如， 类似于图 5 所示的相位光栅， 但是具有 WE ＝ 0.8*Pg 和 WG ＝ 0.2*Pg) 或 70-30 占空比等相位光栅。在各个其它的实施例中， 零阶反射部分可以 包括 50-50 占空比相位光栅， 但具有不抑制零阶反射的光栅条高度 ( 例如， 类似于图 5 所示 的相位光栅， 但是具有 HE ＝ 0.5* 照射波长或 HE ＝ 0.1* 照射波长等等 )。在其它的实施例 中， 零阶反射部分的一个或多个光栅元件可以被制造成具有与 标度的其它部分不同的反 射率。
     作为第二个例子， 应该理解的是， 在例如图 6A、 图 6B 和图 7 所示的实施例中， 独立 参考信号 REF1 和 REF1’ 是冗余的， 并且独立参考信号 REF2 和 REF2’ 是冗余的。尽管关于信 号强度和 / 或对齐灵敏度 (alignment sensitivity) 的某些优点可以从这种冗余中得到， 一般地， 在这里公开的使用冗余信号的任何实施例中 ( 包括使用冗余参考标记主信号或冗 余参考标记副信号 )， 冗余信号可以被去除， 并且相关的光纤配置可由比这里所图示得更少 的光纤和 / 或参考标记信号接收器通道组成。
     作为第三个例子， 尽管本发明的各个实施例使用直标度轨迹来进行了图示， 但是 相同或相似的实施例可以使用曲线或圆形标度轨迹。 因此， 在各个实施例中， 术语标度轨道 和测量轴方向例如可以解释为是指圆形或曲线轨迹或测量轴， 并且相关的图示可以解释为 示出这种圆形或曲线轨迹或测量轴的切线部分。
     另外， 诸如用于开口的成角度的横向边缘和 / 或参考标记的各种特征已经在同时 提供参考标记主信号和参考标记副信号的构造的上下文中进行了说明。然而， 当用于只提 供参考标记主信号的构造中时， 这些特征也可以提供好处 ( 例如， 参照图 6A-12 所述的各种 构造 )。因此， 如上所述的本发明实施例的本意是说明性的， 而不是限定性的。在没有背离 本发明的精神和范围的情况下可以进行多种改变。
     本发明的实施例所要求保护的排他性产权或特权如随附的权利要求所限定。
     相关申请的交叉参考
     本申请是 2007 年 3 月 24 日提交的专利申请号为 11/782,608 的专利申请的部分 继续申请， 该申请的内容通过引用的方式清楚地包含在此。