CN100445698C - 光学式编码器 - Google Patents

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Abstract

光学式编码器的构成包含：光源；以具有第1栅格间距P1的振幅栅格构成，在空间上振幅调制来自光源的光的第1栅格；以具有第2栅格间距P2的相位栅格构成，在空间上相位调制来自第1栅格的光的第2栅格；以具有第3栅格间距P3的振幅栅格构成，在空间上振幅调制来自第2栅格的光的第3栅格；接收来自第3栅格的光的光接收元件等，检测各个栅格间的相对移动量。通过这些构成，从光源到光接收元件的OTF提高，明显改善光的利用效率。

Description

光学式编码器
技术领域
本发明涉及能够光学检测栅格间的相对移动量的光学式编码器。
背景技术
在以下的非专利文献1中，提出了在使用了3个栅格的光学式编码器中的光栅图像(三格法)的理论。如果采用该理论，则在空间上使用非相干的光源，沿着光行进方向顺序排列第1栅格、第2栅格、第3栅格，如果调整特定的条件，则能够用规定的OTF(光学传递函数：Optical Transfer Function)在第3栅格上成像包含在第1栅格中的规定的空间频率成分。在此所谓特定的条件，就是用第2栅格的形状、从第1栅格到第2栅格的距离、从第2栅格到第3栅格的距离等的参数决定的条件，用这些参数决定包含在第1栅格中的各个空间频率成分的，至第3栅格的OTF。
在此，在光栅图像(三格法)的理论中的各个3个栅格的作用如下。1)第1栅格：确定在入射面上的空间频率分布。2)第2栅格：用由透过率调制或者相位调制产生的第2栅格的形状，和从第1栅格到第2栅格的距离，从第2栅格到第3栅格的距离等，确定从第1栅格到第3栅格的每个空间频率的OTF。3)第3栅格：从已成像的强度分布中，只使所希望的成分透过，起到所谓的指示细缝的作用。
另一方面，在以下的专利文献1中，公开了应用光栅图像(三格法)的理论的光电式编码器。在该光电式编码器中，用光透过性的栅格构成第1栅格。该第1栅格用基于透过栅格元件时的光的相位差的光干涉而形成明暗图形，在第1栅格上遮挡的光减少。其结果，能够把更多量的光送入到光接收元件。
专利文献1：特开平10-2761号公报(图3)
非专利文献1：K.Hane and C.P.Grover，“Imaging withrectangular transmission gratings，”J.Opt.Soc.Am.A4 706-711，1987
记载在专利文献1中的光电式编码器作为第2栅格因为使用交替配置不透明部和透明部的栅格，所以在光栅图像(三格法)的理论中的OTF下降。另外，因为用扩散光源照射光透过性的第1栅格，利用光的相位差产生的光干涉形成明暗图形，所以在入射面上的强度分布的对比度，即，包含在强度分布中的空间频率成分的对比度降低。
发明内容
本发明要解决的问题
本发明的目的在于提供一种从光源到光接收元件的OTF提高，能够明显改善光的利用效率的光学式编码器。
解决问题的手段
根据本发明的光学式编码器具备：空间非相干的光源；第1栅格，由具有第1栅格间距的振幅栅格构成，在空间上振幅调制来自光源的光；第2栅格，由具有第2栅格间距的相位栅格构成，在空间上相位调制来自第1栅格的光；第3栅格，由具有第3栅格间距的振幅栅格构成，在空间上振幅调制来自第2栅格的光；以及光接收元件，用于接收来自第3栅格的光，所述编码器检测各个栅格间的相对移动量。
在本发明中优选的是，所述第2栅格的峰部和谷部之间的光程差实际上是λ/2，其中λ是光的波长，以及第1栅格、第2栅格和第3栅格具有相同的间距P，以及第1栅格和第2栅格之间的第1距离以及第2栅格和第3栅格之间的第2距离实际上设定为P2/(4λ)的奇数倍，其中λ是光的波长。
在本发明中理想的是，所述第2栅格的峰部和谷部之间的光程差实际上是λ/4，其中λ是光的波长，以及第1栅格、第2栅格和第3栅格具有相同的间距P，以及第1栅格和第2栅格之间的第1距离以及第2栅格和第3栅格之间的第2距离实际上设定为P2/λ的奇数倍，其中λ是光的波长。
另外在本发明中理想的是，第1栅格和第2栅格之间的第1距离不同于第2栅格和第3栅格之间的第2距离，以及第1距离和第2距离的比率与第1栅格的间距和第3栅格的间距的比率实际上一致。
另外在本发明中理想的是，所述第2栅格的峰部和谷部之间的光程差实际上是λ/2，其中λ是光的波长。
另外在本发明中理想的是，所述第2栅格的峰部和谷部之间的光程差实际上是λ/4，其中λ是光的波长。
另外在本发明中理想的是，第2栅格具有占空比实际上是50％的凹凸形状。
另外在本发明中理想的是，第2栅格用光程差以正弦波形状变化的相位栅格构成。
在本发明中理想的是，第1栅格、第2栅格以及第3栅格具有回转型的比例尺(scale)。
另外在本发明中理想的是，第1栅格透过率的空间分布按照正弦波形变化。
另外在本发明中理想的是，多个光接收元件以第3栅格间距离散性配置，把第3栅格以及光接收元件彼此形成为一体。
根据本发明，采用包括相位栅格的第2栅格能够提高在光栅图像(三格法)的理论中的OTF，能够明显改善光的利用效率。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的构成图。
图2是表示第1栅格图案的一例的平面图。
图3是表示第2栅格图案的一例的局部剖面图。
图4是表示第2栅格的光路长度是λ/2，Z1＝Z2时的OTF和栅格间距离的关系的一例的曲线图。
图5A以及图5B表示作为第2栅格使用相位栅格的例子，图5A是表示光接收元件的输出信号一例的曲线图，图5B是表示该输出信号的失真成分的曲线图。
图6A以及图6B表示作为第2栅格使用了振幅栅格的比较例子，图6A是表示光接收元件的输出信号一例的曲线图，图6B是表示该输出信号的失真成分的曲线图。
图7A以及图7B表示按照本发明的实施方式2改变了光学距离Z1，Z2的例子，图7A是表示光接收元件的输出信号一例的曲线图，图7B是表示该输出信号的失真成分的曲线图。
图8是表示本发明的实施方式3的第1栅格的栅格图案的另一例子的局部平面图。
图9A以及图9B表示使用了图8所示的第1栅格的例子，图9A是表示光接收元件17的输出信号一例的曲线图，图9B是表示该输出信号的失真成分的曲线图。
图10是表示第2栅格的光程差是λ/4，Z1＝Z2时的OTF的计算结果的曲线图。
图11是表示在N＝2的条件下，改变第2栅格的光程差(相位差θ)时的OTF的计算结果的曲线图。
图12是表示本发明的实施方式7的构成图。
图13是表示固定距离Z1，在0～2T的范围中改变距离Z2时，在N＝2，光程差λ/2的条件中的OTF的计算结果的曲线图。
图14是表示在成像条件下的距离Z1、Z2和间距P1、P3的关系的曲线图。
图15是表示本发明的实施方式8的构成图。
图16是表示本发明的实施方式9的构成图。
图17是表示本发明的实施方式10的构成图。
图18是表示本发明的实施方式11的构成图。
具体实施方式
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1的构成图。光学式编码器沿着光行进方向，包含作为构成要素的光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17。
光源11用LED等在空间上以非相干的光源构成，向中心波长λ的空间上发射非相干的光。
第1栅格12在透明的衬底13上通过金属薄膜等的图案加工形成，构成具有栅格间距P1的振幅栅格，在空间上振幅调制来自光源的光。如图2的平面图所示，理想的是，每隔栅格间距P1的一半(＝(P1)/2)交替配置透过部21和非透过部22，形成占空比50％的振幅栅格。
第2栅格14是通过对透明衬底15的表面实施周期性的凹凸加工形成，构成具有栅格间距P2的相位栅格，在空间上相位调制来自第1栅格12的光。如图3的剖面图所示，理想的是，每隔栅格间距P2的一半(＝(P2)/2)交替配置峰部和谷部，形成占空比50％的相位栅格。另外，理想的是，设光的波长为λ，以谷部作为基准的峰部的高度设定为λ/2(相位差π)。由此，因为把通过谷部的光和通过峰部的光的相位差维持在π，所以能够把光栅图像(三格法)的理论中的OTF设定为最大。
第3栅格16构成具有栅格间距P3的振幅栅格，在空间上振幅调制来自第2栅格14的光。和图2所示的第1栅格12一样，理想的是，每个栅格间距P3的一半(＝(P3)/2)交替配置透过部和非透过部，形成占空比50％的振幅栅格。
光接收元件17用光电二极管等形成，把通过了第3栅格16的光变换为电信号。在此，把第3栅格16设置在接收元件17的光接收面上形成一体。
第1栅格12固定在机架等上，另外第3栅格固定在光接收元件等上，另一方面，支撑第2栅格14沿着和光行进方向交叉的x方向可以移动。
把从第1栅格12到第2栅格14的光学距离设置为Z1，把从第2栅格14到第3栅格16的光学距离设置为Z2。作为一例，在P1和P2和P3相等，并且Z1＝Z2中，在满足包含在第1栅格12中的空间频率成分成像在第3栅格上的条件的情况下，如果第2栅格14只移动栅格间距P2的半周期(＝(P2)/2)，则第3栅格16上的光强度分布移动一周期量。因而，用光接收元件17对来自第3栅格16的透过光进行光电变换，通过计数该信号强度的变化，能够检测第2栅格14的相对移动量。
接着，说明把基于光栅图像(三格法)的理论的，包含在第1栅格12中的空间频率成分成像在第3栅格16上的条件的设计法。在图1的构成例子中，成像在第3栅格16上的像的频率特性及其对比度能够通过求OTF(光学传递函数：Optical Transfer Function)知道。已知OTF能够用脉冲应答h的平方的傅立叶变换表现，用下式(1)表示。
[式1]
F(σ3)＝∫|h(x1，x3)|2exp(-2πiσ3x3)dx3    (1)
在此，σ3(＝1/P3)表示成像在第3栅格16上的空间频率数，x1，x3表示在图1中的第1栅格12和第3栅格16的x坐标。
如果在第2栅格14的形状是在光程差λ/2(相位差π)以及真空比50％的凹凸形状，并且Z1＝Z2的情况下计算该OTF，则得到图4所示的结果。
在图4中，纵轴是用DC成分标准化相对输出的结果(OTC)，横轴是用以波长λ和第2栅格14的间距P2确定的塔尔波特位置T(＝(P2)2/λ)对距离Z(＝Z1＝Z2)进行标准化的结果。图4中的N与用下式(2)定义的成像条件的参数N对应。
[式2]
( 1 + Z 2 Z 1 ) × σ 3 × P 2 = N - - - ( 2 )
只在该N变为整数时，把包含在第1栅格12中的空间频率用规定的OTF成像在第3栅格16上。例如，当N＝2的情况下，在Z1和Z2的距离是T/4的奇数倍时，用约0.6的OTF在第3栅格16上进行像的成像。该OTF对于作为第2栅格14使用了振幅栅格的情况，相当于记载在非专利文献1中的OTF值的2倍。
因而，设计时的P1、P2、P3以及Z1、Z2和λ等的参数选定如满足与上述式(2)的参数N对应的成像条件和图4的OTF那样，可以是所有的组合。
作为一例，具体说明P1＝P2＝P3，Z1＝Z2的N＝2的情况。图5表示假设光源11的波长λ＝850nm，第1栅格12的栅格间距P1＝64.7μm，第2栅格14的栅格间距P2＝64.7μm，第3栅格16的栅格间距P3＝64.7μm，Z1＝Z2＝1230μm时(N＝2)，光接收元件17的输出信号。纵轴表示信号强度(任意单位)，横轴表示第2栅格14的位置(任意单位)。在此，Z1＝Z2＝1230μm是成为T/4的距离，根据图4，是在N＝2的条件下OTF变为最大的位置。而且，图5B是表示成为相位检测时的误差主要原因的该输出信号的失真成分的曲线图。
作为比较例子，虽然第1栅格12和第3栅格16、光学距离Z1、Z2，以及波长λ是同样的条件，但图6A表示在作为第2栅格使用振幅栅格的情况下的，光接收元件17的输出信号。纵轴表示信号强度(任意单位)，横轴表示第2栅格14的位置(任意单位)。在此，该振幅栅格的栅格间距是P2(＝64.7μm)，每隔(P2)/2交替配置(占空比：50％)透过部和非透过部。而且，图6B是表示该输出信号的失真成分的曲线。
如果比较图5A和图6A，则可以看到两者输出信号的间距都是第2栅格14的间距P2的一半的32.35μm，而对于信号的对比度，与图6A是17％相比，在图5A中表示38％这一良好的波形。而且，能够根据接收元件的输出结果计算的第3栅格16上的强度分布的对比度，因为第3栅格16的占空比是50％，所以，在图5A的情况下，变为约60％，和图4所示的OTF的计算结果大致一致。
通过这样采用相位栅格作为第2栅格，与振幅栅格相比OTF改善二倍，能够提高来自光接收元件的输出信号的对比度。另外，在相位栅格中，与用占空比50％使透过部和非透过部重复的振幅栅格相比，因为透过光量变为2倍，所以还可以提高来自光源的射出光量的利用效率。
在此，表示了把光学距离Z1、Z2设定为T/4＝1230μm的例子，但在3个栅格间距P1、P2、P3相等的情况下OTF变为最大的条件根据图4的结果，是光学距离Z1、Z2设定为T/4的奇数倍的情况。因而，在上述例子中，即使在把光学距离Z1、Z2设定为T/4的奇数倍的情况下也可以得到同样的结果。另外，即使在把Z1和Z2设定在T/4的奇数倍以外的情况下，也可以得到射出光量的利用效率提高，和如图4所示那样对比度提高的效果。
实施方式2
本实施方式具有和实施方式1同样的构成，光学式编码器沿着光行进方向用光源11；第1栅格12；第2栅格14；第3栅格16；光接收元件17等构成，而光学距离Z1，Z2和实施方式1相比不同。
即，在实施方式1中，在N＝2的条件下把光学距离Z1，Z2分别设定在1230μm或者其奇数倍，而在本实施方式中，在N＝2的条件下，把光学距离Z1、Z2分别设定为1050μm。
图7A是表示在本实施方式中的光接收元件17的输出信号的曲线图，图7B是该输出信号的失真成分的曲线图。横轴都表示第2栅格14的位置(任意单位)。图7A的纵轴表示信号强度(任意单位)。图7B的纵轴表示失真成分，这是用峰-峰(peak-to-peak)值标准化输出信号和理想的正弦波形的偏移量。
如果看图7，则虽然能够多少看出由测定时的光的强度分布变化引起的偏移的变化，但与使用了图5B以及图6B所示的相位栅格以及振幅栅格的情况下的失真成分相比，知道能够降低3次的高次谐波成分。
另外，有关信号的对比度，图7A表示36％这样良好的波形，知道能够实现和图5A大致同程度的对比度。
在此，说明能够减低3次的高次谐波成分的理由。在上述的例子中，作为第1栅格12，使用具有栅格间距P1、占空比＝50％的矩形波形状的透过率分布的振幅栅格。如果使用傅立叶级数把该透过率分布分解为空间频率，则如栅格间距P1的基本频率成分、频率是3倍的3次频率成分、频率是5倍的5次频率成分...那样，成为基本频率成分和奇数次的高次谐波成分的合成。
在光栅图像(三格法)的理论中，因为在每个空间频率成分中存在OTF，所以根据成像条件包含在第1栅格中的高次谐波成分也成像在第3栅格上。
在实施方式1和实施方式2中的不同点在于：通过改变栅格间的光学距离，使高次谐波成分的OTF变化。即，在实施方式1中，虽然高次谐波成分的OTF不是0，但对于调整成基本频率成分的OTF变为最大这一点，在实施方式2中，虽然基本频率成分的OTF下降了一些，但使高次谐波成分的OTF无限接近0，抑制了信号失真成分。
通过这样使用光栅图像(三格法)的理论适宜地调节光学距离Z1、Z2，作为第1栅格12即使在使用具有图2所示那样的矩形波形状的透过率分布的振幅栅格的情况下，也能够明显降低包含在输出波形中的失真成分。
在此，表示把Z1和Z2设定为1050μm的例子，而即使在此外的条件下，也可以抑制不需要的频率成分，得到同样的效果。
实施方式3
本实施方式具有和实施方式1一样的构成，光学式编码器沿着光行进方向用光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17等构成，而第1栅格12的透过率分布与实施方式1相比不同。
即，在实施方式1以及实施方式2中，作为第1栅格使用具有栅格间距P1、占空比＝50％的矩形波形状的透过率分布的振幅栅格，而在本实施方式中，使用以栅格间距P1并具有正弦波形状的透过率分布的振幅栅格。
图8是表示第1栅格12的另一例子的局部平面图。第1栅格12是排列具有作为基本空间频率的栅格间距P1的正弦波形的空间形状的多个栅格构成。栅格的非透过部32用相互相反的2个正弦波之间规定，透过部31的开口宽度沿着x方向以正弦波形变化。如果向这样的第1栅格12入射规定面积的光束，则以正弦波形状进行空间振幅调制，生成具有正弦波形的光强度分布的光。
第2栅格14和上述实施方式1一样，是每隔栅格间距P2的一半(＝(P2)/2)交替配置峰部和谷部的，占空比50％的相位栅格，在空间上相位调制来自第1栅格12的光。
第3栅格16和上述的实施方式一样，是每隔栅格间距P3的一半(＝(P3)/2)交替透过部和非透过部的，占空比50％的振幅栅格，在空间上相位调制来自第2栅格14的光。
作为一例，图9A表示设置成λ＝850nm、第1栅格12的栅格间距P1＝64.7μm，第2栅格14的栅格间距P2＝64.7μm，第3栅格16的栅格间距P3＝64.7μm，并且设置成Z1＝Z2＝1230μm时(N＝2中的OTF变为最大的位置)，光接收元件17的输出信号。纵轴表示信号强度(任意单位)，横轴表示第2栅格14的位置(任意单位)。而且，图9B是表示该输出信号的失真成分的曲线。
如果看这些曲线，则信号的对比度是27％，与作为第1栅格12使用矩形开口的情况相比降低了一些，但不发生3次的高次谐波成分等的失真成分。
在此，说明在第1栅格12的透过率在基本空间频率下以正弦波形状变化时不发生失真成分的理由。如果采用光栅图像(三格法)的理论，则第3栅格上的空间频率成分的对比度用由第1栅格的各空间频率成分，和由第2栅格和光学距离Z1、Z2等产生的OTF确定。换句话说，作为确定在入射面上的空间频率分布的第1栅格，当配置不包含高次成分的栅格，即，在基本空间频率下透过率以正弦波形状变化的栅格的情况下，因光学距离Z1、Z2的误差等引起高次谐波成分的OTF无论怎样变化，在第3栅格上都必然只成像基本空间频率。
因而，作为第1栅格通过使用具有正弦波形状的透过率分布的振幅栅格，在原理上，因为高次谐波成分不会发生，所以即使在Z1和Z2的栅格间距离中发生变动，信号对比度也只微小变化，可以得到基本空间频率以外的高次谐波成分，即没有失真成分的输出信号。
而且，在本实施方式中，如图8所示，作为第1栅格12表示了排列3个正弦波形状的栅格的例子，而构成透过部31的栅格数可以是1个也可以是2个，或者4个以上也可以。
实施方式4
本实施方式具有和实施方式1一样的构成，光学编码器沿着光行进方向用光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17等构成，但第2栅格14的凹凸高度和实施方式1相比不同。
即，在实施方式1中，把第2栅格14的峰部和谷部的光程差设定为λ/2(相位差π)。在本实施方式中，第2格子14的峰部和谷部的光程差设置为λ/4(相位差π/2)。另外，峰部和谷部在每隔栅格间距P2的一半(＝(P2)/2)交替配置，形成占空比50％的相位栅格这一点上一样。
图10表示第2栅格14的光程差是λ/4，Z1＝Z2时的OTF的计算结果。在图10中，纵轴是用DC成分标准化相对输出的结果(OTF)，横轴是用以波长λ和第2栅格14的间距P2确定的塔尔波特位置T(＝(P2)2/λ)对距离Z(＝Z1＝Z2)进行标准化的结果。为了把包含在第1栅格12上的空间频率用规定的OTF成像在第3栅格16上，只要是满足图10的OTF的计算结果和上述的N的成像条件的组合，任何方法都行，可以进行各栅格的间距和距离Z等所有的组合。
作为一例如果叙述N＝1的情况，则根据成像条件的式子，P3变为P2的2倍，并且如果Z1和Z2的距离是T的奇数倍，则用约0.6的OTF在第3栅格上进行像的成像。此时的P1和P3相等。在此得到的约0.6的OTF变为和图4所示的OTF最大值相同的值。
实施方式5
本实施方式具有和实施方式1相同的构成，光学式编码器沿着光行进方向用光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17等构成，而第2栅格14的凹凸高度与实施方式1以及实施方式4相比不同。
即，在实施方式1中，把第2栅格14的峰部和谷部的光程差设定为λ/2(相位差π)，在本实施方式4中，把第2栅格14的峰部和谷部的光程差设定为λ/4(相位差π/2)，而在本实施方式中，把第2栅格14的峰部和谷部的光程差设定为λ/2(相位差π)、λ/4(相位差π/2)以外的光程差。而且，峰部和谷部在每隔栅格间距P2的一半(＝(P2)/2)交替配置，形成占空比50％的相位栅格这一点上相同。
图11表示在N＝2的条件下，改变第2栅格14的光程差(相位差θ)时的OTF的计算结果。在图11中，纵轴是用DC成分对相对输出进行标准化的结果(OTF)，横轴是用以波长λ和第2栅格14的间距P2确定的塔尔波特位置对距离Z(＝Z1＝Z2)进行标准化的结果。
当光程差是3λ/8(θ＝3π/4)的情况下，如图11所示，虽然与光程差λ/2(θ＝π)相比有一些劣化，但比同样是N＝2的振幅栅格的情况下的OTF(约0.3)优越。因而，根据N的成像条件和OTF的计算结果，通过间距和距离，以及第2栅格14的光程差的组合，与振幅栅格相比，光量能够以2倍提高对比度。
实施方式6
本实施方式具有和实施方式1一样的构成，光学式编码器沿着光行进方向由光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17等构成，而作为第2栅格14使用凹凸形状的占空比(相对栅格间距P2的谷部的比率)是50％以外的值，例如具有40％或30％等的占空比的相位栅格。另外，第2栅格14的峰部和谷部的光程差也设定在λ/2(相位差π)、λ/4(相位差π/2)或者这些值以外的光程差。
这种情况下，也是根据N的成像条件和OTF，通过间距和距离，以及第二栅格的占空比和光程差的组合，与振幅栅格相比，光量能够以2倍提高对比度。
实施方式7
图12是表示本发明的实施方式7的构成图。本实施方式具有和实施方式1一样的构成，光学式编码器沿着光行进方向由光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17等构成，而从第1栅格12到第2栅格14的距离Z1以及从第2栅格14到第3栅格16的距离Z2与实施方式1相比不同。
图3表示在把距离Z1固定在0.8×T/4、0.9×T/4、T/4、1.4×T/4、2.3×T/4、3.0×T/4之一上，使距离Z2在0～2T的范围中变化的情况下，在光程差λ/2的条件中的OTF的计算结果。在此，T是用波长λ和第2栅格14的间距P2确定的塔尔波特位置(＝(P2)2/λ)。
在此，在光栅图像(三格法)的理论中，与Z1和Z2的比率相应地，在满足下式(3)的关系的同时，放大或者缩小第1栅格。
[式3]
Z2σ3＝Z1σ1    (3)
例如，当Z1＝0.9×T/4的情况下，如图14所示，与Z1和Z2的比率相应地空间频率σ3(＝1/P3)和σ1(＝1/P1)变化。即，第1栅格12的间距P1和第3栅格16的间距P3根据Z1和Z2的比率变化。
作为一例，在λ＝850nm，P2＝64.7μm，Z1＝1.1mm的情况下，在Z2＝2.2mm中，OTF根据图13约为0.6，此时的P3和P1的间距根据图14为P3＝97.2μm，P1＝48.6μm。即，48.6μm的第1栅格12的像扩大为2倍，成像在第3栅格16上。
如果采用这样的构成，因为第3栅格上的像扩大，所以在对比度和光量提高的同时，具有第3栅格的校准变得容易的优点。
而且，上述的例子是在光程差λ/2中的一例，而只要能够满足OTF和N的成像条件，以及根据Z1和Z2的比率等求得的空间频率的各条件，无论使用怎样的组合，都可以构成扩大或者缩小的系统。另外，即使在把光程差例如如λ/4那样设置在λ/2以外的情况下，只要能够满足OTF和N的成像条件，以及根据Z1和Z2的比率等求得的空间频率的各条件，无论使用怎样的组合，都能够构成放大或者缩小的系统。
实施方式8
图15是表示本发明的实施方式8的构成图。本实施方式具有和实施方式1一样的构成，光学式编码器沿着光行进方向，由光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17等构成，而作为第2栅格14使用光程差以正弦波形变化的相位栅格。
这种情况也和上述一样，根据OTF的计算结果和成像条件，通过组合间距和距离Z等的设计参数，可以在第3栅格16上成像第1栅格12的像。
例如，在N＝1，第2栅格14的峰的顶点部和谷的底部的光程差是λ/4(相位差π/2)时，在Z1＝Z2＝T的位置上，OTF约变为0.6，与振幅栅格相比能够改善对比度，另外光量也变为2倍。
另外，在图15中，表示了作为第2栅格14以光程差按照正弦波形变化的相位栅格的例子，而例如，只要是三角波形状和阶梯形的波形等，具有周期性相位分布的相位栅格即可，与振幅栅格相比能够把光量扩大为二倍，另外也可以期待对比度的改善效果。
实施方式9
图16是表示本发明的实施方式9的构成图。在上述的各实施方式中，为了容易理解，示例了把栅格做成线性形状的线性编码器的情况，而本发明也可以适用到把具有规定的角度间距的栅格配置成放射形的回转式编码器。
本实施方式的光学式编码器沿着光行进方向，由光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17构成。支撑第2栅格14在中心轴C的周围可以角位移。
光源11用LED等构成，向中心波长λ的空间上发射非相干的光。光源11的光轴Q和中心轴C平行，位置确定在从中心轴C到半径Ra的位置上。
第1栅格12在透明衬底13上用金属薄膜等的图案形成法形成，在光轴Q交叉的位置上构成具有栅格间距P1的振幅栅格型的回转型的比例尺，在空间上振幅调制来自光源的光。和图2一样理想的是，每隔栅格间距P1的一半(＝(P1)/2)交替配置透过部21和非透过部22，形成占空比50％的扇形的振幅栅格。
第2栅格14是在形成于可以围绕中心轴C旋转的圆形板上的透明衬底15的表面上通过实施周期性的凹凸加工形成，在光轴Q交叉的位置上构成具有栅格间距P2的相位栅格型的旋转型的比例尺，在空间上相位调制来自第1栅格12的光。如图3的断面图所示理想的是，每隔栅格间距P2的一半(＝(P2)/2)交替配置峰部和谷部，形成占空比50％的扇形的相位栅格。另外，以谷部为基础的峰部的高度把光的波长设置为λ设定为λ/2。由此，因为把通过谷部的光和通过峰部的光的相位差维持在π，所以能够把光栅图像(三格法)的理论中的OTF设定为最大。
第3栅格16构成在光轴Q交叉的位置上具有栅格间距P3的振幅栅格型的回旋型比例尺，在空间上振幅调制来自第2栅格14的光。和图2所示的第1栅格12一样理想的是，每隔栅格间距P3的一半(＝(P3)/2)交替配置透过部和非透过部，形成占空比50％的扇形的振幅栅格。
光接收元件17用光电二极管形成，把通过第3栅格16的光变换为电信号。在此，把第3栅格16与光接收元件17的光接收面设置为一体。
第1栅格12固定在机架等上，另外第3栅格16固定在光接收元件等上。另一方面，支撑第2栅格14在和光轴Q正交的圆周方向上可以角位移。
在此，把从第1栅格12到第2栅格14的光学距离设置为Z1，把从第2栅格14到第3栅格16的光学距离设置为Z2，代替在上述的直线变位中的栅格间距，通过使用在和光轴Q正交的位置上的栅格间距，能够计算在回旋式编码器中的OTF，能够适用上述那样的光栅图像(三格法)的理论。
作为一例，在Z1＝Z2，把包含在第1栅格中的空间频率成分成像在第3栅格16上的条件是N＝2的情况下，如果第2栅格14只角位移栅格间距P2的半周期(＝(P2)/2)，则第3栅格16上的光强度分布移动一周期量。因而，用光接收元件17光电变换来自第3栅格16的透过光，通过计数其信号强度的变化，能够检测第2栅格14的相对角位移量。
而且，上述例子是光程差λ/2中的一例，而如果能够满足OTF和N的成像条件，则无论什么样的组合，都能够构成回旋编码器。另外，即使在把光程差例如如λ/4那样设置成λ/2以外的值的情况下，如果能够满足OTF和N的成像条件，则无论怎样的组合，都能够构成回旋编码器。
实施方式10
图17是表示本发明的实施方式10的构成图。在上述的各实施方式中，为了容易理解，表示使用透过型的相位栅格作为第2栅格14的例子，而本发明即使在使用了反射型的相位栅格作为第2栅格的情况下也能够适用。
本实施方式的光学式编码器沿着光行进方向，由光源11、第1栅格12、第2栅格14、第3栅格16、光接收元件17等构成，把各栅格12、14、16的缝隙方向设定在纸面垂直方向，把第2栅格14的移动方向设定在与纸面平行的上下方向。来自光源11的光斜着通过第1栅格12，在第2栅格14上斜着反射，并斜着通过第3栅格16，达到光接收元件17。Z1、Z2用沿着光行进方向的距离定义。
此时，如果把第2栅格14的步差设定为透过型相位栅格的一半，则上述的光栅图像(三格法)的理论也同样可以适用。例如，在透过型的第2栅格14中的峰部和谷部的光程差是λ/2(相位差π)的情况下，反射型的第2栅格14中的峰部和谷部的光程差变为λ/4(相位差π/2)。作为其他的例子，当透过型的第2栅格14中的峰部和谷部的光程差是λ/4(相位差π/2)的情况下，在反射型的第2栅格14中的峰部和谷部的光程差变为λ/8(相位差π/4)。
在这样使用反射型的相位栅格作为第2栅格14的情况下，因为可以把光源11以及第1栅格12，和第3栅格16以及光接收元件17相对第2栅格14配置在同一侧，所以能够谋求整个构成的紧凑化。
实施方式11
图18是表示本发明的实施方式11的构成图。本实施方式和前面的实施方式一样，作为第2栅格14使用反射型的相位栅格，而把各栅格12、14、16的缝隙设定成与纸面平行的上下方向，把第2栅格14的移动方向设定在纸面垂直方向上。来自光源11的光斜着透过第1栅格12，在第2栅格14上斜着反射，斜着透过第3栅格16，达到光接收元件17。Z1、Z2用沿着光行进方向的距离定义。
即使在这样的构成中也同样适用上述光栅图像(三格法)的理论。另外，因为把光源11以及第1栅格12，和第3栅格16以及光接收元件17相对第2栅格配置在同一侧，所以可以谋求整体构成的紧凑化。
在上述的各实施方式中，表示对第1栅格12以及第3栅格16进行固定，第2栅格14移动的例子，当然也可以构成对第2栅格14固定，第1栅格12以及第3栅格16移动。另外，即使设置成对于第1栅格12使第2栅格14以及第3栅格16相对地移动的结构，和相对第3栅格16使第1栅格12和第2栅格14相对移动的结构，也可以得到信号。
另外，在各实施方式中，表示作为第1栅格使用了透过率按照矩形波形状回转正弦波形状变化的例子，而如在后方的成像面上得到所希望的强度分布(空间频率分布)那样，可以适宜地设定第1栅格12的透过率分布。
另外，在各实施方式中，表示把第3栅格16的占空比设定在50％的例子，而也可以在50％以外，如能够得到所希望的输出那样，可以适宜设定第3栅格16的透过率分布。
另外，在各实施方式中，表示用遮光缝隙构成第3栅格16的例子，而也可以用栅格间距P3离散地配置与第3栅格16的开口形状对应的多个光接收元件，计算来自这些光接收元件的输出，由此第3栅格16以及光接收元件17可以形成一体，有助于组装作业的简化、零件数量的消减。
另外，在各实施方式中，通过在栅格12、14、16的光通过面上实施反射防止涂层，能够降低光量损失。这种情况下，在相位差等的光学设计中，考虑涂层膜厚度。
另外，在各实施方式中，表示直接使来自光源11的光入射到第1栅格12的例子，当然也可以设置成在光源11和第1栅格12之间插入具有规定的扩散角的扩散板，使扩散光入射到第1栅格12这种构成。这种情况下，通过调整扩散板的扩散角度，降低从光接收元件17的光接收区域泄漏到外部的光量，能够提高光利用效率。
如果采用本发明，则从光源到光接收元件的OTF提高，因为能够明显改善光的利用效率，所以可以以高性能实现紧凑的光学式编码器。

Claims (7)

1、一种光学式编码器，包括：
空间非相干的光源；
第1栅格，由具有第1栅格间距的振幅栅格构成，在空间上振幅调制来自光源的光；
第2栅格，由具有第2栅格间距的相位栅格构成，在空间上相位调制来自第1栅格的光；
第3栅格，由具有第3栅格间距的振幅栅格构成，在空间上振幅调制来自第2栅格的光；以及
光接收元件，接收来自第3栅格的光，
其中，所述第2栅格的峰部和谷部之间的光程差实际上是λ/2，其中λ是光的波长，以及
其中，第1栅格、第2栅格和第3栅格具有相同的间距P，以及
其中，第1栅格和第2栅格之间的第1距离以及第2栅格和第3栅格之间的第2距离实际上设定为P2/(4λ)的奇数倍，其中λ是光的波长，以及
其中，所述编码器检测各个栅格间的相对移动量。
2、一种光学式编码器，包括：
空间非相干的光源；
第1栅格，由具有第1栅格间距的振幅栅格构成，在空间上振幅调制来自光源的光；
第2栅格，由具有第2栅格间距的相位栅格构成，在空间上相位调制来自第1栅格的光；
第3栅格，由具有第3栅格间距的振幅栅格构成，在空间上振幅调制来自第2栅格的光；以及
光接收元件，接收来自第3栅格的光，
其中，所述第2栅格的峰部和谷部之间的光程差实际上是λ/4，其中λ是光的波长，以及
其中，第2栅格具有间距P，第1栅格和第3栅格具有相同的间距2P，以及
其中，第1栅格和第2栅格之间的第1距离以及第2栅格和第3栅格之间的第2距离实际上设定为P2/λ的奇数倍，其中λ是光的波长，以及
其中，所述编码器检测各个栅格间的相对移动量。
3、如权利要求1-2中任意一项所述的光学式编码器，其特征在于：第2栅格具有占空比实际上是50％的凹凸形状。
4、如权利要求1-2中任意一项所述的光学式编码器，其特征在于：第2栅格由光程差按照正弦波形状变化的相位栅格构成。
5、如权利要求1-2中任意一项所述的光学式编码器，其特征在于：第1栅格、第2栅格以及第3栅格具有回旋式的比例尺。
6、如权利要求1-2中任意一项所述的光学式编码器，其特征在于：第1栅格透过率的空间分布按照正弦波形状变化。
7、如权利要求1-2中任意一项所述的光学式编码器，其特征在于：多个光接收元件以第3栅格间距被离散地配置，第3栅格以及光接收元件彼此形成为一体。
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