JP2004053605A

JP2004053605A - 光ファイバ受信器チャネルを使用した回折格子エンコーダ及び変位測定装置

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Publication number: JP2004053605A
Application number: JP2003197021A
Authority: JP
Inventors: Joseph D Tobiason; ジョセフ　デー　トビアソン
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2023-07-15
Also published as: US6906315B2; EP1382941A1; EP1382941B1; US20040011948A1; JP4493944B2; CN1248040C; CN1495501A

Abstract

【課題】非常に高い精度を与える、極めて小さいサイズの光エンコーダを提供する。
【解決手段】回折格子エンコーダは、スケール格子８０が形成されたスケール８１と、スケール格子８０上に光を照射する光源２８０と、先端部が光源２８０と共にスケール８１に対して測定軸８２方向に相対移動可能に配置された光ファイバ読み取りヘッド３００とを備える。光ファイバ読み取りヘッド３００は、スケール格子８０上からの光によって所定位置に形成される自己像２６５を受光する複数の光ファイバ受信器チャネル１９０Ａ〜Ｃを有する。光ファイバ受信器チャネル１９０は、光ファイバ１３０と、この光ファイバ１３０の一端に形成された受信器チャネル開口１１０と、受信器チャネル開口１１０に形成された位相マスク１２０とを有する。位相マスク１２０は、自己像に形成される明暗周期に対応した周期の格子を有し、複数の光ファイバ受信器チャネル１９０間ではそれら格子が異なる空間位相関係を有する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的に変位検出光エンコーダに関し、特に受信器要素として光ファイバを使用して超小型で高精度のシステムを提供する光エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
線形、回転または角度の移動を検知するための各種の移動または位置エンコーダが現在利用可能である。これらのエンコーダは、一般に光システム、磁気スケール、誘導変換器、あるいは容量変換器のいずれかに基づいている。
【０００３】
光エンコーダとして、多数のシステムが開発されている。最前のシステムに比べて少ない部品を使用する近年の１つのシステムが、エスラン（Ｅｓｅｌｕｎ）に与えられた米国特許第５，９０９，２８３号に開示されている。この２８３特許に記載されたシステムは、回折格子スケールおよび読み取りヘッドと、ロンキー格子またはホログラフ要素と、光検出器アレイとを有する。読み取りヘッドは、点光源（読み取りヘッド内のレーザダイオード）を含む。開示されているように、点光源は、スケールの間隔に等しい間隔を有した干渉縞を生じさせる。この干渉縞の光は、ロンキー格子またはホログラフ要素を通して光検出器アレイに伝達される。この光検出器アレイは、伝達された干渉縞光から４チャネルの矩象信号を求めるように配置されている。しかしながら、結果として得られたエンコーダは依然として、比較的大型であるか、多数の応用には使用不能なサイズである。
【０００４】
受信器として光ファイバを使用する１つのシステムが、トクナガ（Ｔｏｋｕｎａｇａ）に与えられた米国特許第４，７３３，０７１号に開示されている。この０７１特許に記載されたシステムは、コード部材スケールと、光センサヘッドとを有している。この光センサヘッドは、１つの光ファイバ先端発光部と、コード部材測定軸に沿って近接して配置された２つの光ファイバ先端受光部とを備える。光センサヘッドは、２つの光ファイバ先端受光部間の位相差を調整するために回転（揺動）される。しかしながら、結果として得られたエンコーダの精度は、比較的粗い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述した欠点および他の欠点を克服するエンコーダを提供するものである。より具体的には、本発明は、多くの他の望ましい特徴を有することに加えて、非常に高い精度を与える、極めて小さいサイズの光エンコーダを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバ受信器チャネルを使用した回折格子エンコーダは、測定軸に沿って所定のピッチでスケール格子が形成されたスケールと、前記スケール格子上に照明スポットを形成するように前記スケールに対して光を照射する光源と、前記スケール格子上の照明スポットからの光によって前記スケールから所定ギャップ離れた位置に形成される自己像を先端部で受光する複数の光ファイバ受信器チャネルから構成され、少なくともそれらの先端部が前記光源と共に前記スケールに対して前記測定軸方向に相対移動可能に配置された光ファイバ読み取りヘッドとを備え、前記光ファイバ受信器チャネルが、光ファイバと、この光ファイバの一端に形成されて前記自己像を前記光ファイバに導入する受信器チャネル開口と、この受信器チャネル開口に形成された位相マスクとを有し、前記位相マスクは、前記自己像に形成される明暗周期に対応する周期の格子を有し、複数の光ファイバ受信器チャネルの位相マスクの格子は互いに異なる空間位相関係を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第１の変位測定装置は、測定軸に沿って所定のピッチでスケール格子が形成されたスケールと、前記スケール格子上に照明スポットを形成するように光出射端から前記スケールに対して光を照射する光源用光ファイバと、前記スケール格子上の照明スポットからの光によって前記スケールから所定ギャップ離れた位置に形成される自己像を先端部で受光する複数の光ファイバ受信器チャネルから構成され、少なくともそれらの先端部が前記光源と共に前記スケールに対して前記測定軸方向に相対移動可能に配置された光ファイバ読み取りヘッドであって、前記光ファイバ受信器チャネルが、受信器用光ファイバと、この光ファイバの一端に形成されて前記自己像を前記受信用光ファイバに導入する受信器チャネル開口と、この受信器チャネル開口に形成された位相マスクとを有し、前記位相マスクが、前記自己像に形成される明暗周期に対応する周期の格子を有し、複数の光ファイバ受信器チャネルの位相マスクの格子は互いに異なる空間位相関係を有する、光ファイバ読み取りヘッドと、前記光源用光ファイバ及び前記光ファイバ読み取りヘッドの複数の受信器用光ファイバの前記スケールとは反対側の端部に設けられた遠隔電子インターフェース部であって、前記光源用光ファイバに照明光を供給する光源、前記各受信器用光ファイバに導入された光をそれぞれ検出及び増幅する複数の光検出器／アンプ、及びこれら光検出器／アンプの出力信号を処理して前記スケールと光ファイバ読み取りヘッドとの相対変位を算出する信号処理及び制御部を有する遠隔電子インターフェース部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る第２の変位測定装置は、２つの部材間の相対変位を測定する装置であって、測定軸方向に沿って形成されたスケール格子を備えたスケールと、前記スケールの操作可能な自己像を提供するために操作可能な読取ヘッドであって、少なくとも一つの光源要素からなる光源部、及び、複数の光ファイバ受信器チャネルを備えた読取ヘッドと、を備え、前記各光ファイバ受信器チャネルは、空間位相を有し、スケールの操作可能な自己像を空間フィルタリングする操作可能なピッチで配列された光遮蔽要素を有する受信器チャネル空間位相マスク部と、受信器チャネル光学信号光を受信する入力端を備えた少なくとも一つの受信器チャネル光ファイバと、を備え、前記少なくとも１つの受信器チャネル光ファイバによって受信される前記各受信器チャネル光学信号光は、測定軸方向に沿った少なくとも３つの完全周期の集光領域長さを有する集光領域上の、各受信器チャネル空間位相マスク部を介して集光された光学信号光からなり、前記読取ヘッドがスケール格子に対して相対的に操作可能に位置決めされたとき、複数の光ファイバ受信器チャネルの少なくとも第１及び第２のチャネルは、少なくとも第１及び第２の各信号位相を有する第１及び第２の各受信器チャネル光学信号を提供するため、名目空間位相マスク平面でスケールの操作可能な自己像の各部分を空間フィルタリングし、前記装置は、前記少なくとも第１及び第２の各受信器チャネル光学信号を各光ファイバを通して出力し、これにより各チャネルの変位情報を、電子的光学検出要素の利用なしに生成された複数の各チャネルの光出力信号の形態で提供することを特徴とする。
【０００９】
即ち、２８３特許に開示されているような電子式読み取りヘッド受信器（光検出器）は、高速スケール運動に関連した高周波検出器信号を変換すること、並びにそれらの信号を長いケーブルを通して有意な信号損失または干渉なしに送信することに制限を受ける。加えて、電子式光検出器およびそれに関連した回路の接続は、多くの潜在的エンコーダ応用にとっては大きすぎる読み取りヘッドの一因となる。以下で理解されるように、本発明の光ファイバ受信器チャネルを使用した回折格子エンコーダは、これらの制限を克服する。
【００１０】
本発明のもう１つの形態によると、光ファイバエンコーダ読み取りヘッドは、それぞれの位相格子マスクを有した複数の光ファイバ検出器チャネルを使用して、スケール格子像の位置を検出する。０７１特許に開示されたような光ファイバ先端レセプタは、それらの直径が大きい場合には、微小な位相信号の弁別に不十分な空間的分解能となる。一方、それらの直径が小さい場合には、少ない光しか集められないので、良好な信号を与えることができない。このように、それらの精度は制限されてしまう。以下で理解されるように、本発明の光ファイバ検出器チャネルは、これらの制限および他の制限を克服して高い精度を提供する。
【００１１】
発明のもう１つの形態によると、複数の光ファイバ検出器チャネルによって検出されたスケール格子像は、タルボット像のような他の名称によっても知られている自己像であって、比較的確固とした整合公差と高分解能とを与える。
発明のもう１つの形態によると、光ファイバエンコーダ読み取りヘッドは、光ファイバ検出器チャネルの入力開口サイズに基づく設計関係によって構築されて、信頼性の高い信号と改良された精度とを与える。
【００１２】
発明の異なる形態によると、光ファイバ検出器チャネルは、バランスされた対として配設されて、改良された精度を与える。
発明の更に異なる形態によると、光ファイバ検出器チャネルのバランスされた３つの対は、改良された精度を与えるように信号処理される。
【００１３】
発明の異なる形態によると、光ファイバによって光源が提供され、エンコーダ読み取りヘッド内の電子的アセンブリおよび電子信号に関連した全ての制限及びコストから自由な、全光学式の読み取りヘッドを与える。
【００１４】
発明の異なる形態によると、光ファイバエンコーダの種々の光ファイバは、エンコーダの測定精度が光ファイバ読み取りヘッドケーブルの曲げによって比較的影響されないように、種々のタイプから選択される。
【００１５】
発明の異なる形態によると、光ファイバエンコーダ読み取りヘッドの種々の実施形態は、特に経済的、高精度且つ小型な態様で構築される。
発明の異なる形態によると、光ファイバエンコーダ読み取りヘッドは、標準的な市販の光ファイバコネクタ構造に挿入されうるように構築される。
【００１６】
発明の異なる形態によると、基本的な読み取りヘッドの要素とスケール格子との間の読み取りヘッドの光学経路を偏向するための光偏向要素が設けられ、スケールに対する読み取りヘッドの操作可能な取付方位が変化される。
【００１７】
発明の異なる形態によると、一実施形態では、適切な電子的光源と光検出器とを含んだ遠隔インターフェース箱が利用される。前記光検出器は、この発明による１以上の光ファイバ読み取りヘッドとの間の光ファイバとのインターフェースとなり、また受信した光信号を更なる信号処理および読み取りヘッド位置判定に適した形態に変換する。
【００１８】
かくして、この発明は、従来の光学式変位検知装置の欠点を克服し、超小型で高精度且つ経済的で高速な構成を有する新規な応用可能性を提供する。
【００１９】
この発明の前述した形態および付随する利点の多くは、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な説明を参照することによって、より良く理解されるに従い、より容易に認められる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明による光ファイバ受信器チャネル構造１００の第１の包括的実施形態を示す。図１に示すように、光ファイバ受信器チャネル構造１００は、３つの光ファイバ受信器チャネル１９０Ａ，１９０Ｂおよび１９０Ｃを有する。光ファイバ受信器チャネル１９０Ａは、受信器チャネル開口１１０Ａと、位相マスク１２０Ａと、受信器光ファイバ１３０Ａとを有する。同様に、光ファイバ受信器チャネル１９０Ｂは、受信器チャネル開口１１０Ｂと、位相マスク１２０Ｂと、受信器光ファイバ１３０Ｂとを有する。同様に、光ファイバ受信器チャネル１９０Ｃは、受信器チャネル開口１１０Ｃと、位相マスク１２０Ｃと、受信器光ファイバ１３０Ｃとを有する。
【００２１】
各光ファイバ受信器チャネル１９０において、位相マスク１２０は、受信器チャネル開口１１０を完全にカバーして、入射照明に対し空間フィルタとして作用する回折格子を有する。受信器光ファイバ１３０は、受信器チャネル開口１１０によって受信された照明光が、公称的には全て光ファイバ１３０に導かれ、光信号１９１を与えるように、受信器チャネル開口１１０と整合される。種々の例示的実施形態では、受信器チャネル開口１１０は、単に受信器光ファイバ１３０の平坦な端部である。種々の他の例示的実施形態では、受信器チャネル開口１１０は、受信器光ファイバ１３０の形作られた端部である。種々の他の例示的実施形態では、受信器チャネル開口１１０は、小型の屈折または回折レンズである。これは、入射照明光を位相マスク１２０を通して集め、それを集光し、さらにその光を効率よく受信するように整合された受信器光ファイバ１３０の端部にその光を向けるものである。各光ファイバ受信器チャネル１９０の受信器チャネル開口１１０と、位相マスク１２０と、受信器光ファイバ１３０は、接着剤や他の好適な方法によって、互いに固定された関係に締結されている。
【００２２】
この発明による種々の例示的実施形態では、位相マスク１２０は、名目上の受信平面１６０を規定、および／または、それと一致する、同一平面内に配設されている。位相マスク１２０の種々の例示的実施形態は、それらの特定の方位と個別の位相位置と同様に、以後、詳細に説明する。受信器チャネル開口１１０の位置は、便宜上、光ファイバ受信器チャネル構造１００のチャネル配置中心１５７を基準にして説明する。この発明による種々の高精度光ファイバ読み取りヘッドの実施形態では、チャネル配置中心１５７は、以下で説明するように、光ファイバ受信器チャネル構造１００について述べられるどのような照明範囲の名目中心とも一致するように位置決めされている。各受信器チャネル開口１１０Ａ〜１１０Ｃの実効中心は、図１に示すように、チャネル配置中心１５７からのそれぞれの位置半径１４０Ａ〜１４０Ｃに配置されている。ここで、受信器開口の位置半径は、包括的にＲ_ＡＬとして示されている。この発明の目的のために、受信器チャネル開口１１０が明瞭な幾何学的中心を持たない種々の実施形態では、実効中心が開口面積の重心とされる。
【００２３】
有用な受信器開口の位置半径１４０と、開口面積は、図９〜１２を参照して以下で詳細に説明される発明の原理に従って決定される。種々の例示的実施形態では、受信器チャネル開口１１０は同じであり、またそれらのそれぞれの位置半径１４０は同じである。一般的に、この発明による光ファイバ読み取りヘッドに同じ光ファイバ受信器チャネル１９０を使用すると、より簡素な構造、より簡素な信号処理および相対的に高い測定精度が可能になる。しかしながら、より一般的には、受信器チャネル開口１１０、および／または、それらの受信器開口の位置半径１４０は、この発明による種々の例示的実施形態では、同じである必要はない。
【００２４】
光ファイバ受信器チャネル１９０は、一般的に互いに固定された関係に配設される。特に、各光ファイバ受信器チャネル１９０の位相マスク１２０の回折格子は、名目的に同一平面的であって、受信平面１６０内では互いに特別な空間位相関係で固定されている。種々の例示的実施形態では、位相マスク１２０は、以下で更に説明されるように、それらを単一のマスク基板上に組み立てることによって、特別な空間位相関係で固定されている。例示的アセンブリの部品および方法は、以下で更に論議される。
【００２５】
図２は、この発明による種々の例示的光ファイバ読み取りヘッドで使用可能な自己像形成構造２００の第１の包括的実施形態を示す。タルボット像としても知られる自己像の基本原理は周知であるので、ここでは詳細に説明しない。１つの古典的分析は、カウレイ（Ｃｏｗｌｅｙ，　Ｊ．Ｍ．）とムーディー（Ｍｏｏｄｙ）の論文（Ａ．Ｆ．，　１９５７，　Ｐｒｏｃ．　Ｐｈｙｓ．　Ｓｏｃ．　Ｂ，　７０，　４８６）に示されている。自己像形成構造２００は、光源２８０と、そこから光源ギャップ２８４だけ離されたスケール格子８０とを有する。光源ギャップの寸法は、一般的にｚ_ｓで示されるか、あるいは光源ギャップ２８４と像ギャップ２８５が等しい場合にはｚで示される。スケール格子８０は、測定軸８２に沿って配列され、照明スポット２５３内に垂直線によって示されるように、測定軸８２に直交して延びる格子要素、則ちバーを有している。格子要素、則ちバーは、一般に格子周期または格子ピッチＰ_ｇとして示される格子周期８１に従って、測定軸８２に沿って周期的に配設されている。
【００２６】
図２に示されるＸ，ＹおよびＺ軸は、スケール格子８０の平面を基準にして規定される。Ｘ軸は、スケール格子８０の平面と測定軸に平行である。Ｘ−Ｙ平面は、スケール格子８０の平面に平行であるが、Ｚ軸は、この平面に直交している。
【００２７】
包括的な自己像形成構造２００では、光源２８０は、概ねソース光軸２５１に沿ってソース光２５０を放射する。このソース光は、一般に単色であるか、疑似単色であって、公称波長λを有する。ソース光２５０は、一般に発散半角２５２で発散する。ソース光２５０は、光源ギャップ２８４に等しい距離だけ進行して、スケール格子８０を照明スポット２５３の位置で照射し、そこで概ねスケール光軸２５５に沿うスケール光２５４として反射される。図２に示す実施形態では、ソース光軸２５１とスケール光軸２５５は、Ｚ軸に平行で、互いに一致している。スケール光２５４は、像ギャップ２８５に等しい距離だけ進行して自己像平面２６５に至る。この像ギャップの寸法は、概ねｚで示されている。自己像平面２６５において、スケール光２５４は、自己像２６６を含む照明範囲２５６を与える。この照明範囲２５６は、照明範囲中心２５７と、名目照明範囲半径２５８とを有する。自己像２６６は、それぞれが測定軸８２と直交して延びる明暗縞からなる画像である。この明暗縞は、概ね自己像周期または自己像ピッチＰ_ｓｉとして示される自己像周期８３に従って、測定軸８２と平行な方向に周期的である。
【００２８】
自己像形成構造２００では、自己像平面２６５は、スケール格子８０の平面に平行である。ここで認められるべき点は、自己像が、特別な組の自己像平面の空間内に局在化されるものであるということである。光源２８０が事実上点光源であり、且つその構成がほぼ図２に示されたものであるとき、「位相内」像および「反転」像の双方を含んだ、使用可能な自己像平面についての自己像条件は、
【００２９】
【数１】

【００３０】
であり、また格子ピッチＰ_ｇに対する像ピッチＰ_ｓｉの大きさについての自己像条件は、
【００３１】
【数２】

【００３２】
である。ここで、
ν＝０，１，２・・・、
ｚ_ｓは光源ギャップ、
ｚは像ギャップ、
λはソース光の波長である。
【００３３】
従って、図２に示した構成について、ｚ＝ｚ_ｓにより、使用可能な自己像平面は、２Ｐ_ｇ ^２／λの整数倍に配置され、またピッチＰ_ｓｉは、格子ピッチＰ_ｇの２倍になる。
【００３４】
自己像平面間の平面に位置して、一般にフレネル像として知られる像も存在することを理解すべきであろう。位相マスク１２０のピッチが選択されたフレネル像のピッチと一致するように調整されている限り、この発明の原理に従って、フレネル像は、自己像として使用でき、またここで使用される自己像という用語の範囲内に包含される。フレネル像の特徴は、パトロスキーの論文（Ｋｒｚｙｓｚｔｏｆ　Ｐａｔｏｒｓｋｉ，　Ｔｈｅ　Ｓｅｌｆ−Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｏｐｔｉｃｓ，　ｅｄ．　Ｅ．　Ｗｏｌｆ，　２７，　３−１０８，　Ｎｏｒｔｈ　Ｈｏｌｌａｎｄ，　Ａｍｓｔｅｒｄａｍ　１９８９）を参照することによって、理解し、適用することができる。
【００３５】
この発明による種々の他の実施形態では、スケール格子８０は、スケールからの０次反射が抑制されるように特別に構築された反射位相格子型スケールである。位相格子の自己像がエンコーダに使用できなくとも、他の使用可能な像が利用可能である。それは、上記分析における振幅格子のような振幅格子と共に利用可能である場合よりも強い信号を与えるものである。そのような実施形態にとって、使用可能な像の位置は、上記分析によれば、自己像の位置から変位していることを理解すべきである。最も使用可能な像平面間の距離は、上記分析と同様である。ただし、所定の追加的なオフセットが、スケールと第１の使用可能な像平面との間の、使用可能な像平面間の距離の半分である、ギャップに存在する。例えば、ｚ＝ｚ_ｓの反射型構成で、ソース波長が７８０ｎｍで、２０ミクロン周期の位相格子は、名目ギャップｚ＝０．５１３＋ν^＊１．０２６ｍｍ、ν＝１，２，３・・・で使用可能な（順次逆になる位相を有した）像平面を有する。この場合、マスク厚さおよびスケール基板厚さの可能なオフセットは、無視されている。ギャップを最良な動作用に調整するに必要なオフセットは、種々の動作中のギャップにおける光ファイバ受信器チャネルの信号を観察することによって、実験的に簡単に決定される。その代わりに、適切な分析やシミュレーションを追加的オフセットの決定に使用することもできる。
【００３６】
この発明による種々の例示的実施形態において、光源２８０の特に単純で効果的な実施形態は、離れた位置のレーザダイオードや他の好適な光源から与えられるコヒーレントな光を送信する単一の光ファイバの端部である。種々の他の例示的実施形態において、光源２８０は、図１７を参照して以下で詳細に説明されように精密な間隔で配置された２以上の光源である。更に他の種々の例示的実施形態において、光源２８０は、離れた位置のＬＤやＬＥＤあるいは他の好適な光源からの光を送信する１以上の光ファイバの端部に配設されたソース格子開口の周期的アレイである。ソース格子の開口は、図１８を参照して以下でより詳細に説明されるように、指定された幅と、指定された周期とを有する。更に他の例示的実施形態では、光源２８０は、光ファイバ読み取りヘッド内に含まれた微小固体レーザ要素またはソース格子と微小ＬＥＤ要素とによって提供される。このような場合、読み取りヘッド構造がより複雑且つコスト高になり、全光学式読み取りヘッドの利益の少なくとも一部が損なわれるということを理解しなければならない。しかしながら、そのような場合でさえも、この発明による全光学式受信器チャネル構造を組み入れた読み取りヘッドの利益の少なくとも一部は残る。
【００３７】
図３は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造３００の第１の包括的実施形態を示す。この光ファイバ読み取りヘッド構造３００は、図１及び図２に関してそれぞれ前述した光ファイバ受信器チャネル構造１００の第１の包括的実施形態と、自己像形成構造２００の第１の包括的実施形態とを含んでいる。図３に示すように、光源２８０は、ソース光軸２５１に概ね沿って、ソース光２５０を放射する。ソース光２５０は、光源ギャップ２８４と等しい距離ｚだけ進行して、破線で概略示されるスケール８１上に坦持されたスケール格子８０を、照明スポット２５３で照射する。照明スポット２５３は、概ねスケール光軸２５５に沿ったスケール光２５４として光を反射する。図３の実施形態では、ソース光軸２５１とスケール光軸２５５は、Ｚ軸に平行で、互いに一致している。スケール光２５４は、像ギャップ２８５に等しい距離ｚだけ進行して、自己像平面２６５に到達する。自己像平面２６５では、スケール光２５４が、前述したように自己像ピッチＰ_ｓｉの明暗縞からなる自己像２６６を含んだ照明範囲２５６を与える。
【００３８】
図１を参照して前述した受信器平面１６０は、自己像平面２６５と名目的に一致するように配設される。実際には自己像が、前述した「完全な」自己像平面に隣接した「あまり集束されていない」平面に存在するということを理解すべきである。いくつかの例示的実施形態では、受信器は、そのような「あまり集束されていない」自己像平面と名目的に一致するように、意図的に配設され、そして十分なまたは所望の像が依然としてこの発明の原理に従って検出される。例えば、自己像２６６内の不必要な高次空間高調波要素を抑制するために、そのような「あまり集束されていない」自己像平面は、意図的に選択されうる。チャネル配置中心１５７もまた、名目的に照明範囲中心２５７と整合される。この実施形態の光ファイバ読み取りヘッド構造３００では、光源２８０もまた名目的に照明範囲中心２５７と整合されていることが理解できる。全ての部品の整合は、整合板を使用することによって、種々の実施形態において容易に達成される。この整合板は、位相マスクに最も近接して配置されて整合し、そして必要数の受信器ファイバ穴と、適用可能であれば、光源ファイバ穴とを有する。種々のファイバ端部が、適切な穴に挿入され、固定されて、必要な整合を与える。図３は、１つの例示的整合板３０５の「分解図」を示している。矢印３０８は、整合板３０５が、図示の「分解された」位置ではなく、位相マスク１２０に最も近接して位置決めされるものであることを示している。種々の実施形態に適用可能であれば、整合板３０５は、受信器ファイバ穴３０６と、光源ファイバ穴３０７とを有する。名目的に整合した受信器平面１６０と自己像平面２６５では、それぞれの光ファイバ受信器チャネル１９０について、それぞれの位相マスク１２０が、入射する自己像照明を空間フィルタ処理する。図３に示した例示的実施形態では、それぞれの位相マスク１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃがそれぞれ像ピッチＰ_ｓｉと同じマスクピッチＰ_ｍを有し、そして自己像２６６に関して０度、１２０度および２４０度となるそれぞれの空間位相位置に配設されている。このようにして、光ファイバ受信器チャネル１９０Ａ、１９０Ｂおよび１９０Ｃは、空間位相差を除いて同様に空間フィルタ処理された照明を受信する。以下で認められる点は、スケール格子８０が測定軸に沿って増分Ｐ_ｇだけ移動すると、自己像は、位相マスク１２０に対して増分Ｐ_ｓｉだけ移動するということである。従って、スケール格子８０が測定軸に沿って移動するときに、光受信器チャネル１９０Ａ、１９０Ｂおよび１９０Ｃに対応した光信号１９１Ａ、１９１Ｂおよび１９１Ｃは、１２０度の相対位相変化を有してはいるが、ほぼ同じ正弦強度変化を示す。このような「３相」変位信号に基づいて、位相マスク１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃに対するスケール格子８０の変位を決定するために、周知の方法が利用できる。
【００３９】
このように、図３に示された例示的な光ファイバ読み取りヘッド構造３００は、この発明による各種の光ファイバ読み取りヘッドで使用可能な変位測定システムを提供する。図３に示された反射型光ファイバ読み取りヘッド構造３００の他に、透過型ファイバ読み取りヘッド構造も有ることは、当業者なら理解し得るであろう。そのような場合、光源２８０は、透過型スケール格子に対して反対側にＺ軸に沿って同じ距離で、光源２８０とスケール格子との間の同様の光源ギャップ２８４’をもって配置される。
【００４０】
例示的な光ファイバ読み取りヘッド構造３００は、３相測定システムを提供する。しかしながら、以下で認められるように、位相マスク１２０の代替実施形態が、光受信器チャネル１９０の対応する代替構造と共に、包括的な光ファイバ読み取りヘッド構造３００で使用可能である。矩象位相関係や更に高次の位相関係を有した光信号を与える実施形態を含む、位相マスク１２０の種々の例示的実施形態が、以下で更に詳細に説明される。
【００４１】
図４は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造４００の第２の包括的実施形態を示す。これは、以下の説明で示される点を除いて、光ファイバ読み取りヘッド構造３００と同様の態様で動作する。図４で参照符号のない要素は、図３と見かけ上同様の要素として理解されるものである。光ファイバ読み取りヘッド構造４００は、図１に関して前述した光ファイバ受信器チャネル構造１００の第１の包括的実施形態と、自己像形成構造の第２の包括的実施形態とを含んでいる。
【００４２】
図４に示すように、光源２８０は、Ｙ−Ｚ平面内でＺ軸からある角度傾斜しているソース光軸２５１Ａに概ね沿って、ソース光２５０を放射する。この角度は、ここでは−βとして示されている。ソース光２５０は、距離ｚ_ｓ進行してスケール格子８０を照明スポット２５３で照射する。この照明スポット２５３は、スケール光２５４として概ねスケール光軸２５５Ａに沿って光を反射する。このスケール光軸は、図示のようにＹ−Ｚ平面内でＺ軸から角度＋β傾斜している。以下で認められるように、Ｙ−Ｚ平面に平行な方向の光線成分に対し、格子スケールは平面鏡として作用する。スケール光２５４は、距離ｚ進行して自己像平面２６５Ａに到達する。この自己像平面は、数式（１）および数式（２）の条件が満たされるように、スケール光軸２５５Ａに垂直な平面である。これにより、自己像平面２６５Ａでは、スケール光２５４は、前述したように自己像ピッチＰ_ｓｉの明暗縞からなる自己像２６６を含んだ照明範囲２５６を形成する。
【００４３】
受信器平面１６０は、自己像平面２６５Ａと名目的に一致するように配置され、またチャネル構造中心１５７は、照明範囲中心２５７と名目的に整合されている。このことは、光ファイバ読み取りヘッド構造３００と同様である。従って、光ファイバ読み取りヘッド構造３００でのように、光ファイバ受信器チャネル１９０Ａ，１９０Ｂおよび１９０Ｃは、空間位相差以外は同様に空間フィルタ処理された照明を受信し、そして光ファイバ読み取りヘッド構造３００でのように対応する光信号１９１Ａ，１９１Ｂおよび１９１Ｃを生成する。
【００４４】
このように、図４に示された光ファイバ読み取りヘッド構造４００は、チャネル構造中心１５７および照明範囲中心２５７から離れて光源２８０が配置されている代替の「傾斜」構造を提供する。図４に示された反射型光ファイバ読み取りヘッド構造３００の他に、透過型ファイバ読み取りヘッド構造も有ることは、当業者なら理解し得るであろう。この場合、光源２８０は、スケール格子８０のＸ−Ｙ平面を横切った、スケール光軸２５５Ａの延長線に沿う対称位置に配置される。この場合、スケール格子８０も透過型スケール格子であることも理解される。
【００４５】
そのような代替構造は、この発明の種々の光ファイバ読み取りヘッドにおいて使用可能である。以下で理解されるように、位相マスク１２０の代替実施形態は、受信器チャネル１９０の対応する代替実施形態と共に、第２の包括的な光ファイバ読み取りヘッド構造４００において使用可能である。位相マスク１２０の種々の例示的実施形態が、矩象位相関係や更に高次の位相関係を有する光信号を提供する実施形態を含んで、以下で更に詳細に説明される。
【００４６】
図５は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造５００の第３の実施形態を示している。これは、図３を参照して前述された包括的な光ファイバ読み取りヘッド構造３００と同様に構成され、且つ同様に動作するものである。構成及び動作におけるこれらの同一性故に、以下では、光ファイバ読み取りヘッド構造５００の追加説明を必要とする形態だけが記述される。
【００４７】
図５に示されるように、光ファイバ読み取りヘッド構造５００は、前述の光ファイバ受信器チャネル１９０Ａ〜１９０Ｃと同様に動作する３つの光ファイバ受信器チャネル５９０Ａ〜５９０Ｃを有する。例えば、光ファイバ受信器チャネル５９０Ａは、受信器チャネル開口５１０Ａと、位相マスク５２０Ａと、受信器光ファイバ５３０Ａとを有する。更に、透明材料の位相マスク要素５６１と、前述した包括的な整合板３０５と同様な整合板３０５’と、光源ファイバ５７０の端部によって与えられる光源５８０とを有する。光源ファイバ５７０は、例えば、図８を参照して以下で説明されるように、遠方のレーザ光源に最近接したそのファイバの遠端に入力したレーザ光を搬送する。このレーザ光は、光源ファイバ５７０の読み取りヘッド端部からソース光として放射されて、この発明の自己像形成に好適な光源５８０を与える。種々の例示的実施形態では、光源ファイバ５７０の読み取りヘッド端部は、平坦であって、ファイバ軸に直交し、且つ位相マスク要素５６１に当接している。例示的な光源ファイバ５７０が以下で詳細に説明される。
【００４８】
位相マスク要素５６１は、例えば多数の利用可能なエンコーダ読み取りヘッド等を組み立てることに現在使用されているものを含む、現在既知のあるいは今後開発される薄膜技術、材料およびプロセスによって構築されうる。図５に示された例示的実施形態では、位相マスク要素５６１は、図示のように位相マスク５２０Ａ〜５２０Ｃを坦持した三角形状の要素である。この位相マスク要素５６１は、透明で、光源５８０の近傍に不透明なマスク要素がない。従って、ソース光は位相マスク要素５６１を通して送信される。この発明の前述した原理によると、位相マスク５２０Ａ〜５２０Ｃは、位相マスク要素５６１の表面上に同一平面構造で配置されている。この表面は、自己像平面２６５（図示せず）と名目的に整合された受信器平面１６０を規定する。発明者は、この発明のいくつかの読み取りヘッドの実施形態において、良好な性能が生ずることを見出している。これは、受信器光ファイバの端部、例えばこの例示的実施形態では受信器光ファイバ５３０Ａ〜５３０Ｃの端部に最近接して位置決めされた表面上に、そのような位相マスク要素があるときである。
【００４９】
１つの例示的実施形態では、例示的位相マスク５２０Ａ〜５２０Ｃのそれぞれは、１６ミクロンピッチで組み立てられている。これは、８ミクロンのスケール格子ピッチを有する例示的スケール格子８０（図示せず）によって与えられる自己像ピッチＰ_ｓｉと整合するためである。１つの例示的実施形態では、スケール格子８０は、名目的な自己像形成ギャップｚ＝１．６１ｍｍにある光源５８０からの６３５ｎｍのレーザ光で照射される。このギャップは、実験的に調整されて、位相マスク５２０がスケールから離されて位置決めされるときの位相マスク要素５６１の基板材料の屈折率によるギャップ変化を補償する。この場合、そのビームの光エネルギの約９０％を含むために約７度である光ファイバ光源２８０からの典型的な発散半角について、そのビームの光エネルギの約９０％を含む照明範囲の直径は、約０．８ｍｍである。
【００５０】
位相マスク５２０Ａ〜５２０Ｃは、３相測定システムを提供するように配置されている。これにより、位相マスク５２０Ａ内の格子バー５２１Ａのエッジを基準にして、位相マスク５２０Ｂ内の格子バーの対応するエッジが、Ｘ軸に沿って第１の方向に＋１２０度だけ、則ち１６ミクロンを法として、１／３^＊１６ミクロンだけ空間的に位相シフトされる。位相マスク５２０Ｃ内の格子バーの対応するエッジは、Ｘ軸に沿って反対の方向に同じ量だけ、則ち１６ミクロンを法として、１／３^＊１６ミクロンだけ空間的に位相シフトされる。１つの例示的実施形態では、位相マスク５２０の空間デューティサイクルは、５０／５０である。種々の他の例示的実施形態では、位相マスク５２０のデューティサイクル（および名目ピッチ）は、受信した自己像内の空間高調波を抑制するために、および／または、自己像収差等を訂正するために、既知のあるいは今後開発される方法によって調整される。
【００５１】
位相マスク５２０の格子バー５２１は、それぞれの受信器チャネル開口５１０を完全にカバーしなければならない。図５に示す例示的実施形態では、このことは、格子バー５２１の殆どを、下地の受信器光ファイバ５３０の外径と等しい長さに作ることで達成される。この場合、アセンブリ公差変化を包含するに十分な追加的な長さが加えられる。同様に、マスク格子の十分な周期は、格子バーの長さに直交する方向に受信器面積をカバーするものでなければならない。この場合、公差を斟酌した場合に必要とされる追加的な量が加えられる。しかしながら、ここで認められるべき点は、受信器光ファイバ５３０の有効受信器開口５１０が典型的にはその外径よりも小さいので、このことは控えめなガイドラインであって、限定的設計基準ではないということである。例示的な受信器光ファイバ５３０が、以下で詳細に説明される。
【００５２】
ここで認められるべき点は、この発明による種々の例示的光ファイバ読み取りヘッドの低減された誤差と受信器毎の更に一貫した性能に対し、種々の光ファイバ受信器チャネル間の信号振幅は名目的にバランスされ、そして位相マスクの境界におけるエッジ効果から生ずる位相誤差は最小化されているということである。さらにここで認められるべき点は、位相マスクのピッチが光ファイバ受信器開口のサイズに対して粗いときに、位相マスクのバー相互間の各チャネルの有効に開いた開口面積は、開口中心または輪郭に対する位相マスクのオフセットに有意に依存できるということである。この位相マスクのオフセットは、異なる光ファイバ受信器チャネルに対するものであるので、これは種々の位相信号の振幅をアンバランスにし、そして関連した位相測定誤差を潜在的に生じさせる。このため、この発明による種々の例示的実施形態では、それぞれの光ファイバ受信器の開口径は、そのそれぞれの位相マスクの格子ピッチの少なくとも３倍である。種々の他の実施形態では、開口径はそのそれぞれの位相マスクの格子ピッチの少なくとも５倍である。更に異なる他の実施形態では、位相マスクの格子バーによって光ファイバ受信器開口中に形成されるオフセット関連のエッジ量子化効果が十分に制御されるように、開口径はそのそれぞれの位相マスクの格子ピッチの少なくとも８倍である。ここで認められるべき点は、比較的粗い精度及び分解能に対してのみ設計されている先の光ファイバエンコーダは、この要因に対して十分に考慮されていない。
【００５３】
光ファイバ読み取りヘッド構造５００の１つの例示的実施形態では、光源ファイバ５７０は、５０ミクロンの外径を有し、そして図１及び３を参照して前述したように、チャネル構造中心１５７と同心的である。受信器光ファイバ５３０のそれぞれの外径は、２５０ミクロンであり、そしてそれらは全てチャネル構造中心１５７から離れ、包括的にＲ_ＡＬとして示された２５０ミクロンの同じ受信器開口位置半径５４０に配置されている。全てのファイバは、整合板３０５’に沿って、位相マスク要素５６１に当接され、そして結果として生じたアセンブリは、適切な光学級接着剤等によって一緒に結合されている。ここで注意されるべき点は、全ての開口が、光を有意に減衰させる材料ではないことである。種々の例示的実施形態では、全ての部品は、約１０〜５０ミクロンの位置公差をもって配置されている。発明者は、前述した例示的設計値について、光ファイバ読み取りヘッド構造５００が、１／１０ミクロンより遙かに小さい分解能と、サブミクロンの精度とを与えるものと判断している。これは、合理的且つ実際的なレベルの注意が、この構成によって与えられる光信号の組立、整合および信号処理に取り入れられたときである。
【００５４】
このように、光ファイバ読み取りヘッド構造５００は、この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッドで使用可能な３相光学式読み取りヘッドを提供する。ここで理解されるべき点は、光ファイバ読み取りヘッド構造５００の全ての重要な部品が全体として約７５０ミクロンの直径内に包含されるということである。それ故、整合板３０５’および位相マスク要素５６０の必須でない周辺部分が取り除かれるとき、光ファイバ読み取りヘッド構造５００は、高分解能且つ高精度の光学式読み取りヘッド構造を提供する。このヘッド構造は、全体としてサブミリの読み取りヘッド径内の自己像形成に基づいた測定信号を与えるものである。
【００５５】
図６は、受信器光ファイバ５３０として使用可能であり、またこの発明による種々の他の実施形態にも使用可能な１つの例示的受信器チャネル光ファイバを示す。図６に示すように、受信器光ファイバ５３０は、直径５３２＝Ｄ_ＲＡの中心コア領域５３１を有する。このコア領域は、直径５３４＝Ｄ_ＲＣの周囲クラッド層５３３と共に、そこに衝突する光に対する１つの導波管または複数の導波管として作用する。コア領域５３１は、このようにして、受信器チャネル開口５１０を提供する。追加的な「バッファ」層５３５（この論議には関係ないが、実際には多数の薄い層によって構成されることがある）は、受信器外径５３６＝Ｄ_ＲＦを与える。このバッファ層５３５は、種々の実施形態において、選択的に使用される。種々の他の例示的実施形態において、バッファ層５３５は、保護目的のために、クラッド層５３３を包囲し、および／または、この発明の原理による便利で経済的な幾何学的パッキング、スペーシングおよびアセンブリのために、その寸法がカスタム化されて最良の受信器外径Ｄ_ＲＦを与える。
【００５６】
１つの例示的実施形態では、受信器光ファイバ５３０は、市販されているマルチモードのファイバであって、コア／クラッド／バッファの径Ｄ_ＲＡ／Ｄ_ＲＣ／Ｄ_ＲＦが２００／２２０／２５０ミクロンのシリカファイバである。コア径５３２によっては、５ミクロン以下の厚さまで薄くされたクラッド層さえも市販されている。以下で認められる点は、外径５３６に対するコア径５３２の比を最大にする大きな受信器開口径の受信器光ファイバは、以下で更に詳細に説明されるように、種々の例示的実施形態において、最強の信号と最高の精度を提供するということである。薄いクラッド層５３３は、受信器５３０の光学的分離を与える助けをする。この発明による種々の他の実施形態では、プラスチック製の受信器光ファイバが使用される。
【００５７】
他の例示的実施形態では、市販の多芯ファイバが使用される。このようなファイバは、光ファイバ読み取りヘッドのケーブル内で、受信器ファイバの隙間ない曲げ半径を可能にする利点を有する。これらのファイバは、開かれた開口領域５１０内にクラッド材料が散在する複数のコアを有する。他に利用可能な多芯ファイバには、各個別コアがこの発明による光ファイバ受信器チャネルとして使用されるに十分大きく、そして固有の多芯ファイバの間隔がこの発明による光ファイバエンコーダ読み取りヘッドの受信器の結合構造を形成するものがある。他の例示的実施形態において、そのようなファイバは使用されていない。何故ならば、前述した個別の受信器ファイバと比較して、サイズが大きく、コスト高であり、および／または、ケーブル曲げ半径が制限されているからである。ここで認められるべき点は、経済的なシングルモードの光ファイバは、一般に小さなコア径を有しているということである。これは、小さなサイズを可能にするが、この発明による種々の例示的実施形態における利用可能な信号強度を制限してしまう。かくして、この発明による種々の他の例示的実施形態では、多数のマルチモードファイバの端部は、前述した受信器開口１１０および／または１５０等のような受信器開口のそれぞれを形成するように、一緒に使用される。
【００５８】
図７は、図５に示された光源５８０を提供するために光源光ファイバ５７０として使用可能であり、またこの発明による種々の他の実施形態に使用可能な例示的光源光ファイバを示す。図７に示すように、光源ファイバ５７０は、直径５７２＝Ｄ_ＳＡの中心コア５７１と、それを囲む直径５７４＝Ｄ_ＳＣのクラッド層５７３と、それを囲む外径５７６＝Ｄ_ＳＦのバッファ層５７５とを備える。種々の実施形態において、バッファ層の全部または一部は、省略されるか除去される。これは、所望のファイバ間隔の読み取りヘッドを構築することを目的とした柔軟な光ファイバのサイズ決定を可能にするためであり、また読み取りヘッドの所望の全体径を達成するためである。このような柔軟な光ファイバのサイズ決定は、種々の実施形態において、この発明の原理によって、経済的な幾何学的パッキング、スペーシングおよびアッセンブリを与えるために使用される。種々の他の実施形態ではバッファ層５７５が存在し、しかも経済的な幾何学的パッキング、スペーシングおよびアッセンブリ利便性の同様の目的のために、サイズが増加されることもある。種々の他の例示的実施形態では、クラッドおよび／またはバッファ層は、所望のサイズに指定され、そして十分な精度をもって組み立てられることにより、名目的に望ましい幾何学的パッキング、スペーシングおよびアッセンブリ利便性を与える。
【００５９】
ここで認められるべき点は、レーザダイオード光源を使用して種々の例示的実施形態に最も安定した信号と最高の精度を与えるためには、光源ファイバが光源の動作波長において真のシングルモード光ファイバとして動作すべきであると、発明者が判断しているということである。これは、この発明による光ファイバの照明範囲内で光の一定した分布および量を維持するためである。そのような光源ファイバからの照明範囲は、この発明による光ファイバエンコーダのケーブルの曲がりに比較的反応を示さない。このことは、位置エンコーダの最も実際的な応用に有意な要因となる。ここで認められるべき点は、比較的粗い精度および分解能に対してのみ設計された先の光ファイバエンコーダは、この要因を十分に考慮していないということである。
【００６０】
種々の例示的実施形態において、６３５ｎｍの動作波長に対して、好ましいシングルモード光ファイバのコア径は、Ｄ_ＳＡ＝約４ミクロンである。このような実施形態では、光源光ファイバは、効果的に点光源として作用するシングルモード光ファイバである。種々の例示的実施形態において、例えば小さい読み取りヘッド径を促進するために、シングルモード光ファイバの発光端の外径は、５０ミクロン以下である。種々の例示的実施形態において、例えば所望の読み取りヘッドアセンブリ間隔を促進するために、シングルモード光ファイバの発光端の外径は、５０ミクロンより大きい。１つの特別な例示的実施形態では、６３５ｎｍの動作波長に対して点光源として使用されるシングルモード光ファイバは、３Ｍ社によって製造された部品番号ＦＳ−ＳＮ−３２２４である。このシングルモード光ファイバは、Ｄ_ＳＦ＝２５０ミクロンの外径を有し、以下で更に説明されるような経済的な緊密パッキングのアセンブリ構造に便利に使用されるファイバを提供する。これは、そのような実施形態で受信器光ファイバとして使用される市販の２００／２２０／２５０マルチモードファイバの直径に適合させるためである。種々の他の実施形態では、３Ｍ社によって製造された部品番号ＦＳ−ＳＣ−３３１４が使用される。このタイプの光ファイバは、Ｄ_ＳＣ＝８０ミクロンおよびＤ_ＳＦ＝２００ミクロンとして市販され、この発明による光源ファイバに対し２つの追加的に可能なファイバ外径を与える。以下で認められる点は、シングルモード及びマルチモード双方のファイバが、この発明による種々の例示的実施形態に好適な幅広い種類の外径に対して、注文制作できるということである。
【００６１】
ここで認められるべき点は、この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッドにおけるシングルモードファイバのもう１つの利点が、特別な光源ファイバ端部処理やレンズを必要とすることなく、それらが固有に与える小さい開口数と相対的に小さい照明発散角の関連した範囲にあるということである。図９を参照して以下で論議されるように、大きな発散角は、この発明による受信器照明平面における不必要な発散損失につながることがある。よって、種々の例示的実施形態では、この発明による光源は、０．２５未満の開口数を与える。種々の他の例示的実施形態では、この発明による光源は、１０度未満の発散半角を与える。種々の他の例示的実施形態では、この発明による光源は、６度未満の発散半角を与える。
【００６２】
図８は、光ファイバ読み取りヘッド８００によって包括的に表される、この発明による光ファイバ読み取りヘッドに関連して使用可能な包括的な遠隔電子インターフェース部８０５を含んだブロック図を示す。この遠隔電子インターフェース部８０５は、信号処理および制御部８９３と、オプションのレンズを含むことがある光源８７７と、実施形態固有の複数の光検出器／アンプ８９２Ａ〜８９２ｎとを備える。光源８７７は、他の光学部品、例えば光アイソレータ等を有することもある。光源８７７および光検出器／アンプ８９２Ａ〜８９２ｎは、光源光ファイバ８７０および受信器光ファイバ８３０Ａ〜８３０ｎをそれぞれ通して、光ファイバ読み取りヘッド８００に結合されている。光ファイバ８７０および８３０Ａ〜８３０ｎは、読み取りヘッドケーブル８９５内でルート付けされている。このケーブルは、光ファイバ読み取りヘッド８００と遠隔電子インターフェース部８０５との間の光ファイバを集め、保護するものである。この発明による、種々の包括的な実施形態では、この読み取りヘッドケーブルは、数メータ以上の長さである。受信器光ファイバ８３０Ａ〜８３０ｎは、光信号８９１Ａ〜８９１ｎをそれぞれ搬送する。光信号８９１Ａ〜８９１ｎは、上述し、更に以下で説明されるように与えられる位相信号である。
【００６３】
光源／レンズ８７７は、信号処理および制御部８９３から電力を受け、また利得制御信号を受信する。上述したように、光源／レンズ８７７は、光源光ファイバ８７０を通して、光ファイバ読み取りヘッド８００のスケール格子に光を送信する。光ファイバ検出器チャネル、例えば上述した光ファイバ受信器チャネル１９０Ａ〜１９０Ｃ等は、光ファイバ読み取りヘッド８００のスケール格子からの光を受信して、信号８９１Ａ〜８９１ｎを出力する。これらの信号は、それぞれ光検出器／アンプ８９２Ａ〜８９２ｎに入力される。光検出器／アンプ８９２Ａ〜８９２ｎは、増幅された電子出力信号８９１Ａ’〜８９１ｎ　’を信号処理および制御部８９３に与える。以下で認められるように、以下で更に説明される種々の例示的実施形態では、この発明の光ファイバ読み取りヘッドは、合計される光信号を搬送する複数の光ファイバ受信器チャネルを与える。そのような実施形態において、合計される光信号を搬送するファイバは、所望の信号合計処理を与えるために同じ光検出器／アンプ８９２へのインターフェースとなるか、あるいは追加的な信号処理の間に電子的に合計される信号を有した異なる光検出器／アンプ８９２へのインターフェースとなることができる。このように、図８に示す構成は、説明するためのものであって、限定するためのものではない。
【００６４】
以下の論議は、図９を参照して以下で更に説明される結果に関連している。ここで認められるべき点は、本発明による光ファイバ読み取りヘッドが、超微細な読み取りヘッドになりうることである。ここで認められるべき点は、自己像形成を使用しないか、および／または、高分解能および高精度の位置測定信号を出力するように設計されていない比較的粗い光ファイバ読み取りヘッドとは対照的に、そのような光ファイバ読み取りヘッドのサイズと固有信号対雑音比の双方が、重大であるということである。所望のまたは経済的なファイバのサイズや、自己像形成ギャップにおいて光ファイバ光源から直接得られる実際の照明範囲のサイズのような、設計上の制約と、実際のアセンブリ位置決め上の制約は、全て設計上考慮すべき重要な問題である。特に、ここで認められるべき点は、この発明によって使用可能な多くの光ファイバによって提供される小さな受信開口径は、従来の読み取りヘッドで使用される殆どまたは全て電子式の検出器よりも小さいこと、並びにそのような小さな受信開口径は、利用可能な信号エネルギとその結果の信号対雑音比を厳しく制約するということである。
【００６５】
これらの理由の全てについて、これらの厳しい設計上の制約に照らして、十分な信号対雑音比を提供することに関連した設計関係を観察することが重要である。そのような設計関係は、最適性能に関連した設計条件を示すだけでなく、アセンブリ技術、部品コストまたは他の理由のために、ミクロンレベルまたはサブミクロンレベルの分解能および精度を依然として維持しながら、設計の犠牲がなされる範囲を示す。以下で更に詳細に説明するように、この発明による種々の例示的光ファイバエンコーダ読み取りヘッド構造の望ましい信号対雑音比を与えるために、光ファイバエンコーダ読み取りヘッド用のある種の設計要因が使用できる。
【００６６】
種々の例示的実施形態では、この発明によって使用可能な光源は、独立したレンズやコリメータのない光ファイバ光源である。種々の例示的実施形態では、そのような光ファイバ光源は、発散性ソース光ビームをその端部から出力する。この発散性光ビームは、典型的に５〜１０度の範囲の発散半角を有する。そのようなソース光ビームにおけるガウス強度分布を仮定することは妥当である。ガウスビーム分布の特徴については、光ファイバの応用に関するテキストに良く記載されている。ガウス強度プロフィールは、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造において、多数の理由について、考慮すべき重要な事項である。ここで理解されるべき点は、そのようなビームの照度、則ち、単位断面積当たりの有用な光束は、ビーム軸に沿って不釣り合いに集中される。し　　　　　　たがって、ビーム軸から離れて位置決めされた受信器開口は、（「均一なビームの仮定」と比較して）ガウス分布に起因した「余分の」信号損失を受ける。加えて、ここで理解されるべき点は、均一なビームでのように、「発散損失」に起因してスポットサイズの半径またはビームの照明範囲が増加されるときはいつでも、平均ビーム照度は、純粋に幾何学的要因に起因して減少する。また、ここで理解されるべき点は、図２及び図３に示されたもののように、ガウスビームを伴う「整合された」反射型構造では、照明範囲２６５内の最高照度が、照明範囲中心２５７上およびその周囲にあるということである。しかしながら、光源２８０との機械的なインターフェースおよび種々の他のアセンブリ上の考慮すべき事項が、受信器開口１１０をそのような最高照度の領域に配置することを妨げる。
【００６７】
次の数式（３）は、上述したファクタを変数Ｄ中で考慮している。加えて、この数式は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造における種々の設計ファクタに対する信号対雑音比の依存性の有用な分析を提供するために、他の重要なファクタを含んでいる。
【００６８】
【数３】

【００６９】
次の表は、数式（３）で使用されているシンボルを定義すると共に、図９に示された結果を決定することに使用された適用可能な典型的な値を含んでいる。
【００７０】
【表１】

【００７１】
好ましい光ファイバ読み取りヘッドの信号処理用遠隔電子回路、例えば図８を参照して説明した回路における典型的な電子的システム雑音として、１つの値０．０５ｍＶが仮定される。これは、図９に示されたＳ／Ｎ結果に使用される雑音値である。
【００７２】
図９は、図３を参照して上述された包括的光ファイバ読み取りヘッド構造３００にほぼ対応して、光ファイバ検出器チャネルの受信器開口が照明範囲の中心から種々の受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬに位置決めされたときに、種々の受信器開口径Ｄ_ＲＡについて生じた代表的な信号対雑音比を示す図である。図９の水平軸上に示された照明範囲半径Ｒ_Ｗは、図２に示された照明範囲半径２５８に匹敵する。ガウスビームプロフィールについて、ビームのエッジまたはそれに由来する照明範囲はよく定義されていない。この場合、Ｒ_Ｗは、局部ビーム強度が照明範囲中心の局部強度の１／２となる照明範囲半径として定義される。この定義によると、半径Ｒ_Ｗを超えても有意な照度が存在するが、総ビームエネルギの９９％は半径約２．５５Ｒ_Ｗ内に入る。図９の垂直上に示された受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬと、図９の種々の位置に示された受信器開口径Ｄ_ＲＡは、図１及び図６を参照してそれぞれ定義されているものである。受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬの例は、図１に示された受信器開口位置半径１４０であり、また図５を参照して説明された受信器開口位置半径５４０である。受信器開口径Ｄ_ＲＡの一例は、図６を参照して説明された受信器開口径５３２である。これらの例は明瞭化をはかるために与えられたものであって、制限するためのものではない。
【００７３】
ここで認められるべき点は、図９の結果が、特別な寸法自体にではなく、種々の寸法間の比に依存しているということである。それ故、図９の軸に対して使用されている長さの単位は任意である。これらの比は、その比の１つの要素が、種々の理由にとって特別な寸法に選択されるか制約されるときに、設計上意味をもつようになる。そこで、相補的なファクタの特別な寸法は、それに応じて選択されうる。線９９９は、種々の受信器開口径の値Ｄ_ＲＡに対する参照マークと対応するラベルとを含んでいる。図９の一般性を保つために、受信器開口径の値Ｄ_ＲＡは、それらの対応する受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬの割合として与えられる。
【００７４】
ここで認められるべき点は、図９の結果が、単一の「理想的」検出器チャネルについてのものであるということである。しかしながら、この発明による読み取りヘッドからの実際の位置決定の結果はまた、種々の位相信号間のバランス、位相信号内の空間高調波、汚染、不整合等の多数の他のファクタによって劣化させられる。にもかかわらず、図９に示されたＳ／Ｎ比は、特に種々の合理的で同様の設計における種々の設計トレードオフの実行可能性を決定するために、非常に有用な設計指針を与える。
【００７５】
図９における種々のＳ／Ｎ比は、Ｒ_ＷおよびＲ_ＡＬの値の種々の組み合わせに対する種々のＳ／Ｎ比「同種曲線」に沿って示されている。各同種曲線上には、そのＳ／Ｎ同種曲線のＳ／Ｎ比を得ることに使用できるＲ_ＡＬの最大値に対応する「ピーク」がある。受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬの「最大値」に対応して図９に示された各Ｓ／Ｎ同種曲線のピークは、そのＲ_ＡＬの特別な値に対して最適な照明範囲半径Ｒ_Ｗに生じる。線９９９は、全てのそのようなＳ／Ｎ同種曲線のピークを通過している。ここで認められるべき点は、どのような特別な受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬ（図９の水平線）でも、線９９９上の対応する点と交差するということである。線９９９上の同じ点に対応する照明範囲半径Ｒ_Ｗ（図９の垂直線）のどのような偏差でも、特別な受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬに対して、より低いＳ／Ｎ比とより悪い性能を生じる。
【００７６】
ここで認められるべき点は、この発明による光ファイバ読み取りヘッドから出力される正弦信号に基づく高い分解能及び精度を提供するためには、累積された波長またはスケール格子ピッチユニットの数をカウントすることが望ましいが、それだけでなく、「最初」と「最近」の波長内で、可能な限り高い度合いまで、補間することも望ましい。一般に、補間レベルは、およそＳ／Ｎ比に対応する。則ち、Ｓ／Ｎ比１では、ピーク間正弦信号の意味ある補間は可能ではない。Ｓ／Ｎ比１０００では、ピーク間正弦信号の約１／１０００が潜在的に弁別されうる。
【００７７】
図９に示されたＳ／Ｎ比の結果は、前述した仮定と設計値に基づいて、受信器開口径Ｄ_ＲＡにかかわらず、与えられた受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬに対して、最良の「半最大」照明範囲半径Ｒ_Ｗが約０．８３^＊Ｒ_ＡＬに等しいことを示している。図９は更に、「半最大」照明範囲半径Ｒ_Ｗを約０．５^＊Ｒ_ＡＬに減少させるか、「半最大」照明範囲半径Ｒ_Ｗを約１．７^＊Ｒ_ＡＬに増加させることが、約０．８３^＊Ｒ_ＡＬで与えられるＳ／Ｎ比の約１／２のＳ／Ｎ比を生ずるものであることを示している。これは、この発明による種々の例示的実施形態におけるＳ／Ｎ比の有意で不必要な減少である。このように、この発明による種々の例示的実施形態における「半最大」照明範囲半径Ｒ_Ｗは、少なくとも０．５^＊Ｒ_ＡＬに等しく、そして最大でも１．７^＊Ｒ_ＡＬに等しいものである。しかしながら、ここで認められるべき点は、種々の他の例示的実施形態において、この発明による自己像形成型光ファイバ読み取りヘッドは、受信器照明範囲半径Ｒ_Ｗが０．５^＊Ｒ_ＡＬ未満であるか、１．７^＊Ｒ_Ａ _Ｌより大きいときでさえ、種々の利点を保持しているということである。例えば、特に有利なアセンブリ法と小さなサイズは、以下で更に説明されるように、この発明による自己像形成型光ファイバ読み取りヘッドによって可能である。
【００７８】
図９に示されたＳ／Ｎ比の結果はまた、受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬに関連した受信器開口径Ｄ_ＲＡのＳ／Ｎ比効果を示している。線９９９に沿って左下がりなることによって分かるように、受信器開口径Ｄ_ＲＡが受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬの値（相対的に大きな受信器開口）に接近するにつれ、Ｓ／Ｎ比は１０００に接近する。線９９９に沿って示されているように、受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬの受信器開口径Ｄ_ＲＡに対する比が約１／３より大きい場合、図９に示された結果を決めることに使用された仮定によって、１００より少し大きいＳ／Ｎ比が与えられる。１０ミクロンのスケール格子ピッチをＳ／Ｎ比１００で割った値について、上述した種々の他の実際に考慮されるべき事項が除外されると、潜在的な分解能と精度は、約０．１μｍとなる。この発明による種々の例示的実施形態では、潜在的な性能の不十分なレベルに甘んずることは望ましくない。従って、この発明による種々の例示的実施形態では、受信器開口径Ｄ_ＲＡは、受信器開口の位置半径Ｒ_ＡＬの１／３以上であるべきである。
【００７９】
線９９９に沿って示されているように、受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬに対する受信器開口径Ｄ_ＲＡの比が更に約１／５にまで低下すると、Ｓ／Ｎ比は約２のファクタによって低下する。則ち、Ｄ_ＲＡ／Ｒ_ＡＬ比が１／３から１／５に低下すると、この発明による光ファイバ読み取りヘッドの潜在的な性能は、約２のファクタによって低下する。しかしながら、Ｄ_ＲＡ／Ｒ_ＡＬ比をこのレベルまで緩和することは、有用な設計の自由度、および／または、より経済的な部品またはアセンブリを許容する。この場合、微小サイズでありながらサブミクロンレベルにある性能と、この発明による自己像形成型光ファイバ読み取りヘッドで利用可能な種々の他の利点は、依然として許容される。それ故、この発明による種々の他の例示的実施形態において、受信器開口径Ｄ_ＲＡは、受信器開口の位置半径Ｒ_ＡＬの１／５以上であるべきである。
【００８０】
Ｄ_ＲＡ／Ｒ_ＡＬ比が１／５から１／８に低下すると、Ｓ／Ｎ比は約２から３のファクタによって低下する。しかしながら、Ｄ_ＲＡ／Ｒ_ＡＬ比をこのレベルまで緩和することは、より有用で経済的な設計およびアセンブリの自由度を許容する。この場合、微小サイズでありながらミクロンレベルにある性能と、この発明による自己像形成型光ファイバ読み取りヘッドで利用可能な種々の他の利点は、依然として許容される。それ故、この発明による種々の他の例示的実施形態において、受信器開口径Ｄ_ＲＡは、受信器開口の位置半径Ｒ_ＡＬの１／８以上であるべきである。
【００８１】
受信器開口径Ｄ_ＲＡが受信器開口の位置半径Ｒ_ＡＬの約１／８未満に低下すると、この発明による自己像形成型光ファイバ読み取りヘッドの潜在的な性能は、他の大型の市販エンコーダ読み取りヘッドと比べて、注目すべきものではなくなるが、そのサイズは、そのようなエンコーダ読み取りヘッドと比べて依然として注目すべきものである。さらに、そのサイズ、および／または、分解能および精度、および／または、動作のエラー強さは、他の物理的または光学的原理を用いる従来のファイバ式エンコーダと比べて依然として注目すべきものである。さらに、以下で更に説明されるように、特別に有利なアセンブリ法が、この発明による自己像形成型光ファイバ読み取りヘッドによって可能である。かくして、種々の例示的実施形態において、この発明による自己像形成型光ファイバ読み取りヘッドは、受信器開口径Ｄ_ＲＡが受信器開口の位置半径Ｒ_ＡＬの約１／８未満に低下しても、種々の利点を維持する。
【００８２】
発明者はまた、比較的理想的な自己像は、光源から生ずる照明範囲の比較的中心近くにだけ存在しているものと判断している。この光源は、この発明による種々の例示的実施形態では点光源である。そのような場合に、受信器開口の位置半径Ｒ_ＡＬが増加されるにつれて、この発明により利用可能な自己像は、照明範囲の中心からの半径が増加するに従い、可視性と空間位相に非理想的な変化を益々示すようになる。事実、自己像形成について最も広く知られた参考文献は、自己像照明範囲の中心に対するそれらの有効性を制限する仮定をする。かくして、この発明による自己像形成型光ファイバ読み取りヘッドにおけるＳ／Ｎ比についての前述した論議の有効性を否定することなく、種々の例示的実施形態において、受信器開口の位置半径Ｒ_ＡＬはまた、他のデザイン、アセンブリおよびコストのトレードオフが許す限り小さく作られる。
【００８３】
図１０は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造１０００の第４の例示的実施形態を示す。この光ファイバ読み取りヘッド構造１０００は、図３を参照して上述された包括的な光ファイバ読み取りヘッド構造３００とほぼ同様に動作し、また図５を参照して上述された部品と同様のものを有している。構成及び動作におけるこれらの同一性故に、光ファイバ読み取りヘッド構造１０００の追加説明が必要な形態だけが以下で説明される。
【００８４】
図１０に示されるように、光ファイバ読み取りヘッド構造１０００は、前述した光ファイバ受信器チャネル１９０と同様に動作する３つの光ファイバ受信器チャネル１０９０Ａ〜１０９０Ｃからなる第１の組を備える。ここで認められるべき点は、光ファイバ読み取りヘッド構造１０００が、この発明による「バランスされた対」の光ファイバ読み取りヘッドについて、その第１の例を提供しているということである。この発明によるバランスされた対の光ファイバ読み取りヘッドを提供するために、光ファイバ読み取りヘッド構造１０００は、３つのそれぞれバランスされた光ファイバ受信器チャネル１０９０Ａ’〜１０９０Ｃ　’からなる第２の組を備える。これらのチャネル１０９０Ａ’〜１０９０Ｃ　’はそれぞれ、図示されているように、照明範囲中心２５７の互いに逆の側で、それぞれの光ファイバ受信器チャネル１０９０Ａ〜１０９０Ｃと「バランスされた対」として配置されている。光ファイバ受信器開口１０１０上に示された番号の対１−１，２−２および３−３は、これらのバランスされた対を示している。
【００８５】
図１０にはまた、破線で概略が示された切断図的に部分的に示された円筒形フェルール６０１を備えた読み取りヘッドハウジング６００が示されている。このフェルールの内径は、緊密パッキングされた光ファイバ１０３０および１０７０の回りに僅かに締まり嵌め的に適合する。１つの例示的アセンブリ法では、これらのファイバは、後端からフェルール内に挿入され、整合される。さらに、それらが取付面６０２を僅かに超えて突出するまで挿入される。これらのファイバはフェルールに、また互いに結合される。これらのファイバは、取付面６０２と面一に研磨される。そして、位相マスク要素１０６１が、顕微鏡下でファイバ端と整合され、取付面６０２に緊密に結合される。１つの例示的実施形態では、位相マスク１０２０は、位相マスク要素１０６１のファイバ端に最も近い「内側」に組み立てられている。６角形状の位相マスク要素１０６１は、図１１を参照して以下で詳細に説明される。
【００８６】
光源ファイバ１０７０の端部によって、光源１０８０が提供されている。１つの例示的実施形態では、光源ファイバ１０７０は、６３５ｎｍの光源波長で発光するための点光源として使用されるシングルモードファイバであり、３Ｍ社によって部品番号ＦＳ−ＳＮ−３２２４として製造されるＤ_ＳＦ＝２５０ミクロンの外径を有する光ファイバである。受信器光ファイバ１０３０は、全て同じ市販のマルチモードファイバであって、コア／クラッド／バッファの径Ｄ_ＲＡ／Ｄ_ＲＣ／Ｄ_ＲＦが２００／２２０／２５０ミクロンのシリカファイバである。従って、光ファイバ読み取りヘッド構造１０００における光源ファイバおよび受信器ファイバは全て、同じ２５０ミクロンの外径を有し、それ故、この発明による有利な緊密パッキング構造に配置されうる。この構造は、高精度で経済的な精密な整合およびアセンブリの双方を可能にする。この例示的実施形態では、有利な緊密パッキング構造は、６角形の緊密パッキング構造である。
【００８７】
以下で理解されるように、図５に示された光ファイバ読み取りヘッド構造５００で使用されている３−ファイバ受信器構造と比較した場合、この実施形態のバランスされた６−ファイバ受信器構造は、２倍の量の受信光を出力し、従って２倍の潜在的信号強度を与える。さらに、受信器開口１０１０のバランスされた対構造は、読み取りヘッドの不整合に起因した誤差を排除して、測定精度を更に増加する。以下で、偏振れ（ヨー）関連誤差の詳細な論議が、図１３を参照して行われる。
【００８８】
ここで認められるべき点は、光ファイバ読み取りヘッド構造１０００のようなアセンブリは、直径１．０ｍｍ以下の全ての光学式エンコーダ読み取りヘッドに対して高分解能を与えるということである。さらに認められるべき点は、その構成が低コストの精密な「自己アセンブリ」を与えるということである。また、認められるべき点は、光源ファイバ１０７０がこれらのアセンブリ目的だけのために意図的に「過大サイズ」にされているということである。光ファイバ読み取りヘッド構造１０００はまた、図９を参照して論議された設計原理に従って、高レベルのＳ／Ｎ比を与える。
【００８９】
例えば、前述した３Ｍ社によって製造される部品番号ＦＳ−ＳＮ−３２２４の例示的光ファイバの平坦な端部については、「半最大」ビーム径に対する発散半角が約４．５度であるものと決定されている。かくして、光ファイバ読み取りヘッド構造１０００の１つの例示的実施形態では、反射型スケール格子８０および約１．６ｍｍの自己像形成ギャップについて、Ｒ_Ｗは約ｔａｎ（４．５）^＊２^＊１．６ｍｍ＝２５３ミクロンに等しい。上述した例示的な光ファイバの特徴および寸法、並びに光ファイバ読み取りヘッド構造１０００の緊密パッキング型実施形態については、Ｒ_Ｌは約２５０ミクロンに等しい。かくして、Ｒ_ＷはＲ_ＡＬにほぼ等しく、且つ図９を参照して論議された０．８３^＊Ｒ_ＡＬの値から遠いものではない。さらに、Ｄ_ＲＡ＝２００ミクロンであり、これは約４／５^＊Ｒ_ＡＬである。図９に示された情報によると、そのような設計関係によって、各光ファイバ受信器チャネルは、６４０よりも有意に大きいＳ／Ｎ比を与えるべきである。光ファイバ読み取りヘッド構造１０００が各電子式検出器に対し２つのバランスされた光ファイバ受信器チャネルを与える点を考慮すると、この値は約２倍にされ、約１２８０より大きくなる。実験的に、発明者は、８ミクロンの格子ピッチを有するスケール格子を使用して、このタイプの類似の読み取りヘッド構造による１ナノメータの分解能で実証された、安定した位置測定値を得ている。
【００９０】
図１１は、光ファイバ読み取りヘッド構造１０００およびこの発明による種々の光ファイバ読み取りヘッド構造に使用可能な例示的位相マスク要素１０６１を示す。この位相マスク要素１０６１は、位相マスク１０２０Ａ〜１０２０Ｃおよび１０２０Ａ’〜１０２０Ｃ　’を有する。位相マスク１０２０のそれぞれは、読み取りヘッドのソース光に対して不透明な格子バー１０２１を有する。格子バー１０２１は、読み取りヘッドのソース光に対して透明な名目厚さｔ、名目幅ｗの基板１０６５の表面１０６２上に配列されている。クロム、銅およびそれらの酸化物は、格子バー１０２１をパターン形成することに使用される通常の材料である。ガラスおよび水晶は、基板１０６５として使用される通常の材料である。基板１０６５は、処理中に格子バーへのダメージを防止するために、活性マスク領域の外側にエッジマージン１０６６を有する。このエッジマージン１０６６の幅は、マスク領域の回りで変化する。これは、効率的なスクライビングおよび／またはダイシングを可能にするように、基板が６角形（図示のように）、円形、矩形または方形の形状を有しているためである。位相マスク１０２０Ａ〜１０２０Ｃおよび１０２０Ａ’〜１０２０Ｃ　’のそれぞれの活性マスク領域は、格子バー１０２１を含んだ領域である。この活性マスク領域は、対応する受信器開口１０１０の透明な開口領域と、アセンブリ位置決めの変化に対する余分な公差とをカバーするに十分なサイズを有しているべきである。マスク要素１０６１の中心に示されているものは、先に論議されたように、光ファイバ１０７０からのソース光に対して透明な開口１０６４を有する整合リング１０６３である。この透明な開口のサイズは、例えば、図７を参照して前述したシングルモードのコア径、Ｄ_ＳＡ＝約４ミクロンの数倍大きい。１つの例示的実施形態では、位相マスク要素１０６１は、ソーダ石英ガラス製であって、厚さ０．２５ｍｍおよび幅２．０ｍｍを有し、外径約２．０ｍｍのフェルール６０１に取り付けるために、図１０を参照して説明されたファイバ構成上に実質的なマージンだけ張り出している。
【００９１】
マスク格子バー１０２１は、前述したように、操作可能な自己像平面における格子像の周期と一致する周期に従って、Ｘ軸方向に沿って周期的に配置されている。図示の例示的位相マスク要素１０６１は、６つの光ファイバ受信器チャネルと共にバランスされた構成で使用する６つの位相マスク１０２０を有している。この場合、正反対に対向するファイバ受信器開口は、読み取りヘッドがスケールに対しｘ方向に移動することによって生じる光信号変調の同じ位相を受信する。位相マスク１０２０は、０度（１０２０Ａおよび１０２０Ａ’）、１２０度（１０２０Ｂおよび１０２０Ｂ’）、および２４０度（１０２０Ｃおよび１０２０Ｃ’）の位相を有する。対応する光ファイバ受信器チャネルに生じる信号に対する信号処理は、以下で更に論議される。自己像型エンコーダで使用可能な格子バー１０２１を伴って構築された位相マスク要素について、種々の位相マスク１０２０間の境界は、顕微鏡で容易に見ることができる。これらのバーは、受信器ファイバに対し位相マスク要素１０６１を整合させることに使用できる。発明者は、顕微鏡とＸＹＺマイクロメータステージとを使用して、受信器ファイバに対し位相マスク要素１０６１を位置決めすることで、２０ミクロン以下の公差内の整合を容易に達成できることを見出している。
【００９２】
図１２は、この発明による光ファイバ読み取りヘッドおよびケーブル１２００の第１の例示的実施形態を示す。この光ファイバ読み取りヘッドおよびケーブル１２００は、図３を参照して上述された包括的な光ファイバ読み取りヘッド構造３００とほぼ同様に動作し、且つ図１０を参照して説明された光ファイバ読み取りヘッド構造１０００を含んでいる。構成及び動作におけるこれらの同一性故に、読み取りヘッドハウジング６００’およびケーブル６９５の形態だけが以下で説明される。
【００９３】
図１２に示すように、光ファイバ読み取りヘッドおよびケーブル１２００は、「バランスされた対」の光ファイバ読み取りヘッド構造１０００を組み入れている。読み取りヘッドハウジング６００’は、前述した緊密パッキングアセンブリ法によって適切なサイズにされた内径６０３のフェルール６０１を有している。この実施形態の取付面６０２は、小さく延長されたカラーによって囲まれることもある。これは、位相マスク要素１０６１を端面６０２’より凹ませて、位相マスク要素１０６１の表面をダメージから保護するためである。端面６０２’はまた、面取り部６０４を有することがある。これは、読み取りヘッドハウジング６００’が容易に取付穴に挿入されるようにするためである。読み取りヘッドハウジング６００’はさらに、読み取りヘッドハウジング６００’を取付穴内の適当な深さで停止させるための取付停止部６０６を有する。これは、例えば、所望の自己像形成ギャップの確立を促進するためである。取付停止部６０６とフェルール６０１は、単一の部品であるか、アセンブリでも良い。フェルール６０１は、種々の応用における取付整合を促進する整合溝６０５を有する。この整合溝６０５は、位相マスク１０２０のバーの方位に対して、比較的精密に整合されている。光ファイバ１０３０および１０７０は、切断図として示すように、フェルール６０１および／または取付停止部６０６の後方から、読み取りヘッドケーブル６９５内まで延びている。これは、種々の実施形態では典型的な市販の光ファイバの束ジャケットである。矢印６９６によって示されているように、ケーブル６９５のジャケットは、読み取りヘッドハウジング６００’後部の拡張された直径部内に挿入され、結合され、そして接着剤等によってその場所に固定されて、種々の光ファイバに対して保護及び歪緩和を与える。前述したように、ケーブル６９５は、種々の応用において、測定可能な信号損失なしに数１０メータ以上も延びることがある。
【００９４】
このように、光ファイバ読み取りヘッドおよびケーブル１２００は、工業的環境で使用可能な微細光ファイバ読み取りヘッドを提供する。ここで認められるべき点は、読み取りヘッドハウジングのフェルール６０１および／または取付停止部６０６の外径が、容易に１〜２ｍｍ程度に小さく形成されうるということである。かくして、１つの例示的実施形態において、読み取りヘッドハウジング６００’、またはケーブル６９５の遠端、あるいはそれらの双方は、さらなる設置、取付、整合および接続のために、工業標準ＰＭ−ＦＣコネクタに組み込まれる。
【００９５】
図１３は、この発明による種々の例示的実施形態に関連した偏振れ（ヨー）不整合の考察を示す図である。図１３に示すように、６つの対応する位相マスク１３２０Ａ〜ＣおよびＡ’〜Ｃ’によって模式的に表された６つの光ファイバ受信器チャネルは、前述した種々の実施形態と同様に、名目照明範囲中心１３５７の回りに１つのパターンで配置されている。この例では、名目照明範囲中心１３５７はまた、以下で詳細に説明されるように、回転偏振れ不整合の回転中心１３５７としても仮定されている。各光ファイバ受信器チャネルは、受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬに、またそれぞれの位置角度Ψ_ｉに配置されている。この角度は、測定方向１３８２に直交し且つ回転中心１３５７を通して延びる線１３０１に対するものである。この幾何構造について、回転偏振れ不整合θは、各位相マスク１３２０ｉの位置に運動１３８２の方向に沿ってそれぞれの変化Δｘ_ｉを生じさせる。それぞれの角度Ψ_ｉと受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬを有する光ファイバ受信器チャネルについて、その変化Δｘ_ｉは、以下のようになる。
【００９６】
【数４】

【００９７】
与えられた回転偏振れ不整合θについて、回転中心１３５７に対し測定方向１３８２に対応する方向に沿って配置された位相マスク１３２０ｉ、例えば位相マスク１３２０Ａおよび１３２０Ａ’は、変化が少ないか全くない（Δｘ_Ａ＝Δｘ_Ｄ〜０）のに対し、回転中心１３５７に対し線１３０１に平行な方向に沿って配置された位相マスク１３２０ｉ、例えば位相マスク１３２０Ｂ，１３２０Ｃ，１３２０Ｂ’および１３２０Ｃ’は、比較的大きな変化Δｘ_ｉを有する。位相マスク位置における各変化Δｘ_ｉは、対応する光ファイバ受信器チャネルの信号に、その位相マスク１３２０ｉに対する空間位相位置誤差と、対応する位相誤差とを生じさせる。照明範囲中心／回転中心１３５７の互いに逆側にある「バランスされた対」の位相マスク１３２０ｉおよび１３２０ｉ’について、この変化Δｘ_ｉと対応する信号位相誤差の双方は、位相マスク１３２０ｉおよび１３２０ｉ’上の矢印１３０２および１３０２’の方向によって示されているように、大きさが同じで方向が逆である。かくして、バランスされた対の光ファイバ受信器チャネルが合計されるときに、光学的にも電子的にも、図８を参照して上述したように、回転偏振れ不整合θに起因する信号位相誤差は相殺される。同様に、バランスされた対の光ファイバ受信器チャネルが合計されるときに、回転ロールおよびピッチ不整合に起因する他の信号誤差も相殺される。加えて、バランスされた対の光ファイバ受信器チャネルを光学的に合計すると、電子的雑音を増加させることなく、増加する信号レベルが増加されるという、更なる利点が生じる。
【００９８】
図１３に模式的に示されているバランスされた対の光ファイバ読み取りヘッド構造の１つの実施形態では、位相マスク１３２０Ａおよび１３２０Ａ’に対応した光ファイバ受信器チャネルの信号は双方とも、ゼロ度の名目位相を有することができ、また光学的に合計されて光検出器信号Ｕ_Ｒを生ずることができる。同様に、位相マスク１３２０Ｂおよび１３２０Ｂ’に対応した光ファイバ受信器チャネルの信号は双方とも、１２０度の名目位相を有することができ、また光学的に合計されて光検出器信号Ｕ_Ｓを生ずることができる。また、位相マスク１３２０Ｃおよび１３２０Ｃ’に対応した光ファイバ受信器チャネルの信号は双方とも、２４０度の名目位相を有することができ、また光学的に合計されて光検出器信号Ｕ_Ｔを生ずることができる。それから、これらの信号は、矩象信号Ｑ_１およびＱ_２を生じるように、以下の数式を使用して処理される。
【００９９】
【数５】

【０１００】
【数６】

【０１０１】
ここで、α＝１２０度である。ここで認められるべき点は、種々の実施形態において、組立の不正確さ等に起因して起こる種々の位相誤差を補償するための校正または補償ファクタとして、信号処理中にαの値が僅かに調整されるということである。同様の代替の数式もまた使用されうる。そのような代替の数式は、３つのチャネルに対する異なる位相の選択を可能にする。ただし、これは、３つのチャネルの２つに対する位相差間の関係（則ち、チャネル対Ｃ／Ｃ’　と比べたチャネル対Ａ／Ａ’に対しては２４０度）が、３つのチャネルの異なる組に対する位相差（則ち、チャネル対Ｂ／Ｂ’　と比べたチャネル対Ａ／Ａ’に対して１２０度）の２倍である限りである。それ故、位相マスク１３２０Ａ〜Ｃおよび１３２０Ａ’−Ｃ　’に使用できる代替の組の位相は、０，１００および２００度である。ただし、矩象信号から３次高調波を除去することの利点は、この代替の組の位相によって低減される。この点については、以下で論議される。
【０１０２】
測定された読み取りヘッド位置Ｘは、２πを法とした２独立変数アークタンジェント関数を使用して、前述した矩象信号から決定される。
【０１０３】
【数７】

【０１０４】
ここで、Ｐ_ｇは、この発明による光ファイバ読み取りヘッドと共に使用されるスケール格子、例えば前述したようなスケール格子８０等の格子ピッチである。数式（７）に示された２独立変数「アークタンジェント（ａｔａｎ）」関数は、利用可能であって、しかも公に利用可能な多数の数学プログラムに記載されている。この関数の結果は、ラジアンで表したＱ_１／Ｑ_２のアークタンジェントとなる。しかしながら、２独立変数の使用は、結果として生ずる角度の象限の決定を可能にする。則ち、その結果は、−ｐｉ／２および＋ｐｉ／２ではなく、−ｐｉおよび＋ｐｉの間となる。より一般的に認められるべき点は、以下で更に論議されるように、位相信号を位置測定値に変換するために、多数の異なる数式が使用できるということである。
【０１０５】
４つの異なる位相を有した光ファイバ受信器チャネル信号の組を出力する光ファイバ読み取りヘッドの種々の他の実施形態では、一定の位相量αだけ互いに位相の異なる信号には、カレ（Ｃａｒｒｅ）技術が適用できる。例えば、参照によりその関連する教示の全てがここに組み入れられるクラウドの論文を参照されたい（Ｇａｒｙ　Ｃｌｏｕｄ，　”Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｎａｌｙｓｉｓ”，　Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，　１９９８，　ｐ．　４８８−４８９）。カレ技術は、多波長干渉計使用法にしばしば用いられるが、この発明による種々の例示的実施形態で出力される位相信号に適用することもできる。
【０１０６】
ここで認められるべき点は、完全に正弦的な位相信号は、実際に達成することが困難であること、並びに、完全に正弦的な出力からの偏位は、この発明による光ファイバ読み取りヘッドと共に使用されるスケール格子の基本波長または格子ピッチの空間高調波を含んでいることである。特に、種々の自己像形成型エンコーダシステムにおける支配的誤差成分は、しばしば３次空間高調波の形態をとる。それ故、この発明による種々の例示的実施形態では、３相構造を有する光ファイバエンコーダ読み取りヘッドが使用される。ここで認められるべき点は、そのような実施形態では、種々の個別光ファイバ受信器チャネル信号内の３次空間高調波誤差成分は、位置測定値を決定するために数式（５）および（６）に対応した信号処理を行うことによって、位置測定誤差の源として大きく消去される。同時に、種々の位相マスクに対して５０％のデューティーサイクルが使用できる。
【０１０７】
種々の他の実施形態では、２相または４相の構造を有する光ファイバエンコーダ読み取りヘッドが使用される。しかしながら、そのような実施形態では、種々の応用において種々の位相マスクに対して３０％のデューティーサイクルを使用する必要がある。これは、３次空間高調波誤差成分を、種々の個別光ファイバ受信器チャネル信号内で受け入れ可能なレベルまで低下させるためである。しかしながら、そのような応用では、このことは不利である。何故ならば、種々の位相マスクに対して５０％のデューティーサイクルを使用するときに、達成可能な信号レベルを僅かに超えるように信号レベルを低下させるからである。
【０１０８】
一般に、多くの代替の位相の組み合わせは、この発明による種々の代替の位相マスクの実施形態に使用できる。以下の表２は、種々の位相の組み合わせ中のいくつかの例を掲載している。これらは、図１３に模式的に示された例示的光ファイバ読み取りヘッド位相マスクのレイアウトと共に使用可能なものである。バランスされた対構造は、表２に掲載された種々の例示的実施形態で使用されることがあるが、種々の他の例示的実施形態では使用されないこともある。種々の他の例示的実施形態では、いくつかの位相マスク位置は能動的には使用されないが、対応する例示的光ファイバ読み取りヘッドの実施形態では、そのような位相マスク位置に、アセンブリ目的で受動的なスペーサとして作用するために、ファイバが含まれる。一般に、表２に掲載された構造は、更に多くの代替構造を示している。例えば、バランスされた対を使用しない構造は、対応する位置測定値を決定することに適切な信号処理が使用される場合、位相マスク位置の可能な組み合わせに置換された種々の位相の組内で空間位相値を有することがある。同様に、バランスされた対構造は、バランスされた対がその構造の回転中心の逆側に対称的に配置されている場合、位相マスク位置の可能な組み合わせに置換されたバランスされた対を有することがある。「ｘ」でマークされた位相マスク位置は、上述したようにダミーのファイバを含むか、他の位相マスク位置の１つの空間位相を２倍にするか、対応する位置測定値を決定することに適切な信号処理が使用される場合には、異なる空間位相値を含むことさえある。
【０１０９】
【表２】

【０１１０】
表２に示された５相及び６相の構造に対する位置決定計算と、この発明による種々の例示的実施形態で使用可能な多数の位相に対する位置決定計算は、当業者に知られたものであり、そして任意の数の位相に対して簡単に求められる。この発明による種々の例示的光ファイバ読み取りヘッドでは、５相構造が使用される。この構成は、９次空間高調波までの高次空間高調波に関連した信号誤差成分が補償および／または除去されるという１つの利点を与える。この発明による種々の他の例示的光ファイバ読み取りヘッドでは、３または６相の構造が使用される。この構造も同様に、高次空間高調波に関連した信号誤差成分が補償および／また除去されるという利点を与える。しかしながら、このような３または６相の光ファイバ読み取りヘッド構造は、一般に、５次及び７次の空間高調波に関連した誤差成分を補償および／または除去することはできない。
【０１１１】
図１４は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造１４００の第５の例示的実施形態を示す。６角形の位相要素マスク１４６１は、読み取りヘッドハウジングのフェルール６０１の取付面６０２に取り付けられている。このフェルールは、内径６０３を有する。この内径は、図１０に示された光ファイバ読み取りヘッド構造１０００に関して前述したように、１つの光源ファイバ１４７０を囲んで緊密パッキング構造にある６つの光受信器ファイバ１４３０に良好な整合を提供する。ここで認められるべき点は、この実施形態では２つの「受信器」ファイバ１４３０ｘがダミーのファイバであって、アセンブリ目的だけに使用されるということである。つまり、緊密パッキング幾何構造を与えることによって、残りの使用中のファイバを配置することに役立つという目的である。４つの残りの位相マスク１４２０Ａ，１４２０Ａ’，１４２０Ｂおよび１４２０Ｂ’と、それぞれの受信器開口およびファイバは、図示のようにそれぞれ２７０度、９０度、０度および１８０度の相対空間位相を有した通常の矩象位相信号を出力するように配列されている。これらの信号は、上記４つの空間位相用に表２に与えられている数式と同様の数式を使用して、あるいは他の既知の矩象信号処理法によって、位置決定用に分析される。光ファイバ読み取りヘッド構造１４００は、回転不整合誤差を低減することについての、バランスされた対の光ファイバ読み取りヘッド構造の利益は有しない。これは、光ファイバ読み取りヘッド構造１４００上の反対側にある光ファイバ受信器チャネルの信号が、加算される代わりに減算されるからである。この実施形態のもう１つの形態は、種々の位相マスク１４２０相互間および周囲への不透明マージンの追加である。このような不透明マージンは、浮遊光がクラッド材料中に漏れて、図８に示した光検出器へ不注意に到達することを防止する助けとなる。また、これらのマージンは、隣接した位相マスクのエッジ近くで空間フィルタ処理された光が隣接する光ファイバ信号チャネルに漏れ入って関連した信号雑音を生じさせることを防止する助けとなる。
【０１１２】
図１５は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造１５００の第６の例示的実施形態を示す。これは、図１４を参照して説明された光ファイバ読み取りヘッド構造１４００と同様に構成されている。光ファイバ読み取りヘッド構造１５００は、方形の位相マスク要素１５６１を有する。これは、読み取りヘッドハウジングのフェルール６０１の取付面６０２に取り付けられている。マスク要素１５６１は、位相マスク１５２０Ａ，１５２０Ａ’，１５２０Ｂおよび１５２０Ｂ’と、それぞれの受信器ファイバ１５３０Ａ，１５３０Ａ’，１５３０Ｂおよび１５３０Ｂ’と、光源ファイバ１５７０とを有する。これらは全て、図示のように、読み取りヘッドハウジングのフェルール６０１の内部に配設されて、それぞれ２７０度、９０度、０度および１８０度の相対空間位相を有した通常の矩象位相信号を出力する。光ファイバ読み取りヘッド構造１５００は、図１４に示されたものと同様の４相の実施形態である。この場合、光源ファイバ１５７０と、受信器ファイバ１５３０Ａ，１５３０Ａ’，１５３０Ｂ及び１５３０Ｂ’とに異なるファイバ径を使用することによって、少ない部品を使用したより効率的な構造が作成される。これにより、受信器ファイバをアセンブルするための方形の「緊密パッキング」構造が達成され、そして受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬが図１４に示された構造のものよりも減少される。このように、図１５に示された構造は、図９を参照して前述した原理に従って、相対的に改良されたＳ／Ｎ比を効率的に与える。この構造を使用した種々の例示的緊密パッキング型実施形態では、光源ファイバ径Ｄ_ＳＦと受信器ファイバ径Ｄ_ＲＦは、Ｄ_ＳＦ＝Ｄ_ＲＦ０．４１４２の関係にある。
【０１１３】
一般に、幅広い種々の緊密パッキング型光ファイバ読み取りヘッド構造は、ファイバ外径Ｄ_ＲＦを有したｎ本の受信器ファイバによって囲まれる１本の光源ファイバに対して決定される。そのような緊密パッキング型光ファイバ読み取りヘッド構造に対し、光源ファイバ外径Ｄ_ＳＦは、以下の数式によって決定される。
【０１１４】
【数８】

【０１１５】
そのような１本の光源ファイバの回りを包囲したｎ本の受信器ファイバを有する緊密パッキング型光ファイバ読み取りヘッド構造は、実際に任意数の光ファイバ受信器チャネルを提供できる。この場合、各チャネルに対する受信器開口は、その構造の中心から離れた同様の受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬに配置される。そのような構造は、種々の光ファイバ受信器チャネルから固有にバランスされた信号を出力しようとする。このことは、この発明による種々の例示的実施形態において望ましい特徴である。種々の例示的実施形態では、ｎを増加して、いくつかの光ファイバ受信器チャネルが冗長的に同じ位相信号を出力するようにすることがある。種々の例示的実施形態では、そのような冗長な信号は、光学的に追加されて、信号強度を増加するか、種々の不整合またはアセンブリ公差の効果を減少させる。あるいは、他の性能的利点を与えるために追加されることもある。しかながら、ここで認められるべき点は、ｎが増加すると、特にｎが約６より大きくなると、中央の光源光ファイバの適切な外径が増加し、且つ受信器開口位置半径Ｒ_ＡＬが増加して、エンコーダ内の信号強度を潜在的に減少させる。そのような場合、図９を参照して前述された種々の設計関係は、再考されるべきである。
【０１１６】
１つの代替実施形態（図示せず）では、種々の光ファイバを受けるための方形穴を有した読み取りヘッドハウジングフェルールを使用する。このことによって、１本の光源光ファイバが８本の受信器光ファイバによって囲まれた構造であって、これら光ファイバの全てが同じ外径を有する構造に、ファイバの方形パッキングが使用される。例えば、読み取りヘッドハウジングのフェルールを通してサイズｓの方形穴を形成することに、放電加工が使用される。直径ｓ／３の９本のファイバは、中心のファイバが８本の受信器ファイバによって囲まれた３行３列の形態で、その穴を通して挿入される。空間位相の１つの可能な配置は、中心に配置された光源光ファイバの互いに逆側に配置された同様の空間位相を有した、４相のバランスされた対の光ファイバ受信器構造である。例えば、０度および１８０度の空間位相受信器チャネルは、方形の２つの対角線に沿ってそれぞれ位置決めされ、また９０度および２７０度の空間位相受信器チャネルは、残りの４つの光ファイバ受信器位置に関連した２つの対角線方向に沿ってそれぞれ位置決めされうる。そのような、４相のバランスされた対の光ファイバ受信器構造は、種々の回転不整合に関連した誤差を前述したように補償および／または除去する。同時に、減算によって結合される位相信号に対するＤＣオフセットも相殺する（表２を参照のこと）。ゼロ度および１８０度の位相信号間の差を決定することによってＤＣオフセットを訂正できるので、上述したように、これらの光ファイバ受信器チャネルが光源から等距離に配置されることは有益である。同様に、９０度および２７０度の位相信号間の差を決定することによってＤＣオフセットを訂正できるので、上述したように、これらの光ファイバ受信器チャネルが光源から等距離に配置されることは有益である
【０１１７】
ここで認められるべき点は、単一光源を囲む増加する数の受信器ファイバの代わりに、種々の実施形態では、前述した光ファイバ読み取りヘッド構造のそれぞれが、この発明による読み取りヘッドに複製または結合される物理的レイアウトを提供できるということである。１つの実例では、図１５に示された基本構成は、図示の光ファイバ読み取りヘッド構造全体をＸ軸および／またはＹ軸に沿って隣接した位置に複製することによって、２つの光源の回りにそれぞれ配置された２組の４本の受信器光ファイバを与えるように、「延長」され得る。そのような構成は、矩形のフェルールハウジング内に、あるいは２つの「一部重複」した丸穴等の中に、緊密パッキング方式で配置できる。さらには、単一の延長された位相マスク要素は、光源の回りにそれぞれ配置された２組の４本の受信器光ファイバの双方に使用できる。そのような延長された位相マスク要素では、個別受信器チャネル位相マスクの位相は、光ファイバ構造と同様に複製できる。この代わりに、個別受信器チャネルの位相マスクの位相は、延長された位相マスク要素内で「再配置」されるか、そうでなければ選択されうる。これは、代替のバランスされた対の受信器チャネル構造や、代替の位相信号等を与えるためである。ここで認められるべき点は、そのような延長および／または複製された光ファイバ構造が、図９を参照して前述した原理に従って、高いＳ／Ｎ比を与え、しかもこの発明による種々の例示的実施形態に追加的な設計の代替例と利点を提供するということである。
【０１１８】
図１６は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造１６００の第７の例示的実施形態を示す。この構造は、図５を参照して上述された３相光ファイバ読み取りヘッド構造５００と同様に動作する。構成及び動作における同一性故に、光ファイバ読み取りヘッド構造１６００の追加的説明を必要とする形態だけが以下で説明される。
【０１１９】
図１６に示されるように、光ファイバ読み取りヘッド構造１６００は、３つの光ファイバ受信器チャネル１６９０Ａ〜１６９０Ｃを有する。これらは、前述した光ファイバ受信器チャネル１９０と同様に動作する。例えば、光ファイバ受信器チャネル１６９０Ａは、受信器チャネル開口１６１０Ａと、位相マスク１６２０Ａと、受信器光ファイバ１６３０Ａ（図示せず）とを有する。その他の光ファイバ受信器チャネル１６９０Ｂおよび１６９０Ｃも同様に番号付けされた同様の要素を有する。更に設けられているものは、透明な材料の位相マスク要素１６６１と、上側Ｖ溝整合要素７０４および下側Ｖ溝整合要素７０５と、光源光ファイバ１６７０によって提供される光源１６８０とである。
【０１２０】
位相マスク要素１６６１は、前述した位相マスク要素５６１と同様に構築されている。ただし、３相構造の位相マスク１６２０Ａ，１６２０Ｂおよび１６２０Ｃがそれぞれ、受信器チャネル開口１６１０Ａ，１６１０Ｂおよび１６１０Ｃの位置を超えて配置されている点が異なる。これらの開口は、上側Ｖ溝整合要素７０４のＶ溝７０９と、下側Ｖ溝整合要素７０５のＶ溝７０７および７０８とによってそれぞれ規定されている。種々の実施形態において、位相マスク１６２０Ａ，１６２０Ｂおよび１６２０Ｃはそれぞれ、対応する空間位相０度、１２０度および２４０度を有する。
【０１２１】
図１６にはまた、矩形のフェルール７０１を有した読み取りヘッド７００が示されている。フェルール７０１は、上側Ｖ溝整合要素７０４および下側Ｖ溝整合要素７０５上に密着する。これは、上側Ｖ溝整合要素７０４と下側Ｖ溝整合要素７０５がそれらの界面７０６で隣接し、適切に整合し、そして矩形フェルール７０１を通して矩形穴内に挿入されるときである。１つの例示的実施形態では、Ｖ溝整合要素７０４および７０５は、通信産業で光ファイバの整合に使用される市販タイプのシリコンＶ溝整合要素である。Ｖ溝７０７−７０９は、次のように作られている。則ち、上側Ｖ溝整合要素７０４と下側Ｖ溝整合要素７０５が適切に整合し、そして矩形フェルール７０１内に抑え込まれたときに、上側および下側Ｖ溝整合要素７０４および７０５内に位置決めされている種々の機能中の光ファイバ１６７０および１６３０Ａ〜Ｃが、緊密パッキング構造に抑え込まれるようにである。そのような、緊密パッキング構造に概ね関連した利益は、これまでに説明されている。ダミーの光ファイバ１６３０Ｘが、他の機能中の光ファイバ１６７０および１６３０Ａ〜Ｃをそれらの適切な位置に抑え込むのに便利で経済的な手法として、このアセンブリに含まれている。
【０１２２】
１つの例示的アセンブリ法では、ファイバは、上側および下側Ｖ溝整合要素７０４および７０５に挿入され、整合される。それから、これらの要素は、界面７０６で互いに軽く圧接され、さらに矩形フェルール７０１を通して矩形穴の後部へ圧入される。種々の機能中の光ファイバ１６７０および１６３０Ａ〜Ｃは、Ｖ溝整合要素７０４および７０５の前部から僅かに突出することがある。種々のファイバおよびＶ溝整合要素７０４および７０５は、それからフェルール７０１に結合され、また互いに結合される。種々のファイバは、それからＶ溝整合要素７０４および７０５の前面と面一に研磨される。それから位相マスク要素１６６１は、顕微鏡で見ながらファイバ端と整合され、そしてＶ溝整合要素７０４および７０５の前面および／またはフェルール７０１に対し緊密に結合される。１つの例示的実施形態では、位相マスク１０２０は、位相マスク要素１６６１「内部」のファイバ端付近に作成される。
【０１２３】
ここで認められるべき点は、アセンブリ、例えば光ファイバ読み取りヘッド構造１６００が、全体の幅及び高さ寸法がおよそ２〜３ミリ以下の全ての光学式エンコーダ読み取りヘッドに、高分解能を与えるということである。ここでさらに認められるべき点は、この構造が低コストの精密な「自己アセンブリ」を提供するということである。ここでまた認められるべき点は、光源ファイバ１６７０が意図的に「過剰サイズ」にされ、またこれらのアセンブリ目的のためだけに、ダミーの光ファイバが含まれているということである。光ファイバ読み取りヘッド構造１６００はまた、図９を参照して論議された原理に従って、高レベルのＳ／Ｎ比を与える。
【０１２４】
図１７は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造１７００の第８の例示的実施形態を示す。この構造は、増強されたより均一な照明を与えるために、精密に離れて配置されたシングルモードの複数の光ファイバ光源１７８０を有する。光ファイバ光源１７８０は、以下で更に説明されるように、自己像に建設的に強度を加えるように位置決めされなければならない。光ファイバ読み取りヘッド構造１７００は、「バランスされた対」の光ファイバ受信器チャネル構造を有する。この構造は、バランスされた対の光ファイバ受信器チャネルに対する前述の原理に従って概ね配置され且つ操作される３つのバランスされた対を備えている。別の場合に、光ファイバ読み取りヘッド構造１７００は、図１６を参照して説明された３相光ファイバ読み取りヘッド構造１６００と同様に構築されている。構成及び動作における同一性故に、光ファイバ読み取りヘッド構造１７００の追加的説明を必要とする形態だけが以下で説明される。
【０１２５】
図１７に示されるように、光ファイバ読み取りヘッド構造１７００は、位相マスク要素１７６１上に配置された６つの位相マスク１７２０Ａ〜１７２０Ｃおよび１７２０Ａ’〜１７２０Ｃ　’に対応する６つの光ファイバ受信器チャネルを有する。位相マスク１７２０Ａおよび１７２０Ａ’は、照明範囲中心１７５７の逆側に対称的に配置されているバランスされた対の光ファイバ受信器チャネルの第１の組を示し、また位相マスク１７２０Ｂおよび１７２０Ｂ’は、バランスされた対の光ファイバ受信器チャネルの第２の組を示し、さらに位相マスク１７２０Ｃおよび１７２０Ｃ’は、バランスされた対の光ファイバ受信器チャネルの第３の組を示す。種々の例示的実施形態において、位相マスク１７２０Ａ，Ａ’，１７２０Ｂ，Ｂ’および１７２０Ｃ，Ｃ’は、それぞれ対応する空間位相ゼロ度、１２０度および２４０度を有する。
【０１２６】
光ファイバ読み取りヘッド構造１７００にはまた、図１６に同様の番号付けで示されている要素と同様な要素７００’，７０１’，７０４’および７０５’が含まれている。光ファイバ読み取りヘッド構造１７００は、図１６に示された光ファイバ読み取りヘッド構造１６００を参照して説明されたものと類似の手法で制作および組立されている。
【０１２７】
図１７に示された特別な実施形態は、４つのシングルモード光ファイバ光源１７８０を備えている。これは、単一の光源を与えるこの発明による先の実施形態と比べて、増強され、より均一化された照明を与えるためである。光ファイバ光源１７８０として使用可能なシングルモードの光源光ファイバは、図７を参照して既に説明されている。種々の例示的実施形態では、光ファイバ光源１７８０のそれぞれは、同じ遠方の光源から生じるソース光を出力する。この光源は、レーザダイオード光源のようなコヒーレントな光源である。
【０１２８】
前述したように、シングルモード光ファイバ光源１７８０は、互いに精密に離れて配置されている。特に、種々の光ファイバ光源１７８０が図１７に示された「ｘ」方向に沿って精密に離れて配置されているので、この発明による原理に従ってスケール格子に対して操作可能に位置決めされたときに、光ファイバ光源１７８０の全ては、操作可能な自己像平面に建設的に強度を加える自己像を生じさせる。図１７に示された「ｘ」方向は、光ファイバ読み取りヘッド構造１７００と共に使用されるスケール格子の測定軸方向に対応する。種々の光ファイバ光源１７８０に対する適切な間隔は、解析および／または実験によって決定でき、それに応じて種々のファイバ径およびＶ溝の寸法を選択できる。ここで認められるべき点は、理想的に離された光ファイバ光源１７８０が、操作可能に位置決めされたスケール格子からそれぞれの自己像を生じさせるので、それぞれの自己像は全て相互に「同相」であるということである。
【０１２９】
種々の実施形態では、位相マスク要素１７６１は、光ファイバ光源１７８０のそれぞれに対する光源位置マスク部分を有する。１つの例示的光源位置マスク部分１７６３が、図１７の最も右側の光ファイバ光源１７８０上に示されている。この光源位置マスク部分１７６３は、およそ図示されているように、透明な中心開口１７６４よりも実質的に大きい不透明なリングまたは領域を有する。中心開口１７６４のそれぞれは、図７を参照して前述されたように、対応する各シングルモード光ファイバ光源１７８０の約４ミクロンであるコア径Ｄ_ＳＡよりも僅かに小さい。従って、確実且つ経済的に位相マスク要素１７６１上に形成される中心開口１７６４の間隔は、そのような実施形態における光ファイバ光源１７８０の実効間隔を決定する。
【０１３０】
ここで認められるべき点は、アセンブリ、例えば光ファイバ読み取りヘッド構造１７００が、全体の幅及び高さ寸法がおよそ２〜３ミリ以下の全ての光学式エンコーダ読み取りヘッドに、高分解能を与えるということである。ここでさらに認められるべき点は、この構造が低コストの精密な「自己アセンブリ」を提供するということである。光ファイバ読み取りヘッド構造１７００はまた、高レベルのＳ／Ｎ比を与える。ここで認められるべき点は、光ファイバ読み取りヘッド構造１７００に含まれた各光ファイバ受信器開口が、複数の光ファイバ光源１７８０から生じた光を受信するということである。各個別光源に対する各個別光ファイバ受信器開口の設計関係は、図９を参照して論議された設計原理に従って分析されうる。かくして、複数の光ファイバ光源１７８０に基づいて各光ファイバ受信器チャネルによって与えられるＳ／Ｎ比は、図９を参照して論議された設計原理に従って示されたＳ／Ｎ比の何倍かになることがある。
【０１３１】
図１８は、この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造１８００の第９の例示的実施形態を示す。この構造は、光源格子である中心格子１８８１を使用して分布型光源１８８０を与える。別の場合に、光ファイバ読み取りヘッド構造１８００は、図１７を参照して上述した光ファイバ読み取りヘッド構造１７００と同様に構築されている。構成及び動作における同一性故に、光ファイバ読み取りヘッド構造１８００の追加的説明を必要とする形態だけが以下で説明される。
【０１３２】
図１８に示された分布型光源１８８０からのソース光は、図１７に示された光ファイバ光源１７８０によって与えられるものとは異なる。これは、以下で更に説明されるように、光ファイバ読み取りヘッド構造１８００用のソース光がＬＥＤや他の空間コヒーレンスの低い光源から与えられるからである。ここで認められるべき点は、種々の前述した実施形態で使用された光源光ファイバとは対照的に、中心格子１８８１の下側に示された光源ファイバ１８７０は、相対的に大きい「マルチモード」のコア径Ｄ_ＳＡを有しているということである。このコア径は、１以上のＬＥＤ光源や他の好適な低コヒーレンスな光源に対し、効率的に結合するのに適している。従って、光源ファイバ１８７０は、相対的に大きいコア径Ｄ_ＳＡを有したマルチモードのファイバでもよい。この代わりに、光源ファイバ１８７０は、直径Ｄ_ＳＡのそれぞれのコア領域内でソース光を案内するコア領域の集合を有したマルチコアのファイバでもよい。これは、長いファイバ長にわたって空間的インコヒーレンスを好適なレベルに維持するためである。種々の例示的実施形態では、光源ファイバ１８７０がそれらのコア径Ｄ_ＲＡに対応した透明な開口を有しているので、中心格子１８８１の２以上の格子バーは、各光源ファイバ１８７０の透明な開口領域内に位置決めできる。
【０１３３】
中心格子１８８１は、光源ファイバ１８７０によって与えられるソース光を、複数の線光源に分割する。これらの線光源、則ち、中心格子１８８１の透明領域は、各線光源が空間的にコヒーレントな光をスケール格子上に投射するように十分狭く形成されている。光源ファイバ１８７０がマルチコア光源ファイバである実施形態については、その複数のコアは、中心格子１８８１のピッチと同様の間隔および個別寸法を有することができる。このような実施形態では、連続した線光源として作用する代わりに、各線光源は、その線に沿って配列された複数の光源点として作用することができる。この場合、各光源点は、コアの集合内の個別コアから放射する。
【０１３４】
どのような場合にも、光ファイバ読み取りヘッド構造１８００について、中心格子１８８１と、光源１８８０用のソース光を与える遠方の光源は、次のように選択および構成される。則ち、各個別線光源からのソース光が空間的にコヒーレントになり、そして別々の線光源からのソース光が相互にインコヒーレントになるようにである。ここでさらに認められるべき点は、中心格子１８８１のピッチは、次のように選択されるということである。則ち、与えられた線光源が、操作可能に位置決めされたスケール格子から、相互に「同相」となるそれぞれの自己像を生じさせるということである。振幅格子スケールと共に使用される光ファイバ読み取りヘッド構造１８００の実施形態に対しては、中心格子１８８１と位相マスク１７２０のピッチは、振幅格子スケールの格子ピッチの２倍に等しい必要がある。位相格子スケールと共に使用される光ファイバ読み取りヘッド構造１８００の実施形態に対しては、中心格子１８８１と位相マスク１７２０のピッチは、位相格子スケールの格子ピッチと等しい必要がある。
【０１３５】
図１９Ａは、この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッド構造に関連して、スケール格子８０に対し第１の方位で使用可能な光偏向器１９００を示す。図１９Ａに示されるように、図１０を参照して前述された光ファイバ読み取りヘッド１０００と同様の例示的な光ファイバ読み取りヘッド１０００’は、発散するソース光を、概ねビーム経路１９０１に沿って、光偏向器１９００へ送り、ここでソース光は、ビーム経路１９０２に沿って、ゾーン１９０３内の動作ギャップを通して、スケール格子８０に向けて偏向される。同様に、スケール格子８０で反射し、発散し、回折したスケール光は、概ねビーム経路１９０２に沿って、光偏向器１９００へ戻され、さらに偏向されて、名目ビーム経路１９０１に沿って概ね心出しされた読み取りヘッド１０００’に向けて戻される。スケール格子８０は、読み取りヘッド１０００’に対し、測定軸方向８２に沿って、相対的に移動する。戻されたスケール光は、照明範囲内の自己像平面にスケール格子８０の自己像を与える。この照明範囲は、例示的読み取りヘッド１０００’の光ファイバ受信器チャネル構造に関して概ね心出しされている。この点については、この発明による種々の他の例示的実施形態を参照して前述されている。ここで認められるべき点は、例示的読み取りヘッド１０００’の位相マスクの格子バーは、それらがスケール格子８０の自己像中の格子線と平行になるように、指向されているということである。ここでまた認められるべき点は、より正確に偏向器１９００がビーム経路１９０１を９０度の名目偏向に対して偏向してビーム経路１９０２にするほど、そしてまた、より正確にビーム経路１９０２がスケール格子８０に対して直交するように作られているほど、結果として得られる位置測定システムが、より正確且つ確固たるものになるということである。
【０１３６】
種々の例示的実施形態において、偏向器１９００は、反射型直角プリズムや、ミラー、またはその他の適切な光学部品であり、これは、この発明による光ファイバ読み取りヘッドとは固定された関係にある独立した部材に確実に搭載されている。自己像形成用に操作可能な短い経路長を維持するために、そしてまたゾーン１９０３内でスケール格子８０に対して実際に機能するギャップを維持するために、偏向器１９００は、読み取りヘッド１０００’にできるだけ近く搭載されることが好ましい。種々の例示的実施形態において、偏向器１９００は、読み取りヘッド１０００’に適切に整合され、直接取り付けられている。種々の他の例示的実施形態において、偏向器１９００は、この発明による位相マスクを有した位相マスク要素を提供するための基板としても作用する。この位相マスクは、読み取りヘッド１０００’に面して位置決めされた偏向器１９００の表面上に直接形成されている。
【０１３７】
図１９Ａに示された実施形態では、光ファイバ読み取りヘッド１０００’　の長軸は、スケール格子８０の測定軸８２の方向を横切る向きに設定されている。読み取りヘッド１０００’かスケール格子８０のいずれか一方は、適切な位置に固定され、他方の要素は可動状態におかれる。ここで認められるべき点は、多数の応用に、例示的偏向器１９００等の偏向器をこのように使用することが実際的であるということである。これは、この発明による光ファイバ読み取りヘッドおよびエンコーダが超小型サイズであるからである。ここで認められるべき点は、多数の応用において、例示的偏向器１９００等の偏向器は、この発明による光ファイバ読み取りヘッドおよびエンコーダの有用性をさらに強化するということである。この場合、光ファイバ読み取りヘッドは、スケール格子８０および測定軸方向８２に対し柔軟に指向され、この結果、読み取りヘッドの最大および最狭の寸法が所望の方向に向けられる必要がある。以下でまた認められるように、例示的偏向器１９００等の偏向器の使用は、読み取りヘッド１０００’の光ファイバおよび／またはケーブルのルートを所望の方向に向けることに有用である。
【０１３８】
図１９Ｂは、２つの代替の例示的スケール格子８０および８０’に対し第２の方位で使用された光偏向器１９００を示す。以下で説明する第２の方位では、光偏向器１９００の動作、設計考察、利益および種々の代替実施形態は、図１９Ａを参照して前述されたものと概ね同じである。しかしながら、この第２の方位については、光ファイバ読み取りヘッド１０００’の長軸は、スケール格子８０の測定軸８２の方向に概ね平行に整合されている。ここで認められるべき点は、この第２の方位では、例示的光ファイバ読み取りヘッド１０００’の位相マスクの格子バーは、それらがスケール格子８０の自己像中の格子線に平行となるように、再度指向されているということである。かくして、図１９Ａに示された第１の方位に対して、読み取りヘッド１０００’はその長軸を中心として、則ち、経路１９０１の軸を中心として９０度回転させられている。この第２の方位は、光ファイバ読み取りヘッド１０００’の有用性をさらに強化する。この場合、光ファイバ読み取りヘッド１０００’、および／またはその光ファイバおよび／またはケーブルの最大および最狭の寸法を、種々の応用において、他の所望の方向に指向する自由度が許容される必要がある。
【０１３９】
図１９Ｂはまた、この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッドと共に使用可能な代替のスケール格子８０’を示している。このスケール格子８０’は、スケール格子８０と同様であり、その測定軸８２は同様に整合されている。しかしながら、スケール格子８０’は、円筒スケール部材８１’の表面と同様の「円筒」スケールを形成する。ここで認められるべき点は、円筒スケール格子８０’の湾曲が、スケール格子８０’から生ずる自己像の精度を僅かに乱し、それ故に測定精度をある程度劣化させることがあるということである。しかしながら、ここでさらに認められるべき点は、種々の例示的実施形態では、円筒スケール格子８０’上の照明スポットは、全く小さなものなので、結果として生ずる自己像が、多くの実際の応用に対して依然として十分なものであるということである。特に、種々の例示的実施形態では、８ミクロンのような小さな格子ピッチを有し、且つ約２５ｍｍ以上の円筒径を有する円筒スケール格子８０’は、この発明による光ファイバ読み取りヘッドと共に使用されるときに、同様の平坦スケール格子に匹敵する測定性能を与えることができる。円筒スケール格子８０’は、光偏光器１９００に関連して、あるいは、より一般的には、ここに図示または説明された光ファイバ読み取りヘッドの他の実施形態と共に使用可能な平坦スケール８０の代わりとして使用される。
【０１４０】
図２０は、この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッドに関連して使用可能な、回転スケール格子８０”に対し第１の方位に配設された取付ブラケット２０００と光偏向器１９００’を示す。図２０は、図１２を参照して前述された光ファイバ読み取りヘッド６００’と同じ例示的光ファイバ読み取りヘッド６００”を含んだ構成を示す。例示的読み取りヘッド６００”は、図１２に示された読み取りヘッドハウジング６０１と同様な読み取りヘッドハウジング６０１’を有する。ただし、追加の整合溝６０５’は、整合溝６０５に対して９０度回転された位置に追加されている。例示的読み取りヘッド６００’の超微細サイズは、非常に効率的なスキームを可能にする。ここでは、読み取りヘッド６００’を経済的に取り付けることができ、しかも回転スケール格子８０”に対して十分な整合を与えるに必要な努力と時間は最小となる。
【０１４１】
図２０に示されるように、取付ブラケット２０００は、締結穴２００５と、穴２００１と、整合リッジ２００２とを有する。穴２００１は、読み取りヘッドハウジング６０１’の直径に密着するサイズである。整合リッジ２００２は、穴２００１の長さ延びて、整合溝６０５または６０５’のいずれかと整合し、それに噛み合うサイズである。穴２００１および／または整合リッジ２００２は、取付ブラケット２０００を制作することに使用される押し出し成型工程中に形成されうる。このかわりに、穴２００１および／または整合リッジ２００２は、穿孔および／または掘削され、そして整合リッジは、適切なサイズのドエルまたはドリルブランクを、穴２００１に沿って好ましく配置された溝内へ追加するによって提供されることもある。
【０１４２】
種々の例示的実施形態において、光偏向器１９００’は、前述した光偏向器１９００と同様であるか、等しい。種々の例示的実施形態において、図２０におよそ示されるように、光偏向器１９００’は、取付ブラケット２０００に対し適切に整合され、直接取り付けられる。
【０１４３】
図１９Ａに示された前述した構成と同様に、例示的光ファイバ読み取りヘッド６００”の位相マスクの格子バーは、それらが回転スケール格子８０”の自己像中の格子線と名目的に平行になるように指向されるべきである。かくして、図２０に示された第１の方位について、整合溝６０５は、整合リッジ２００２と整合され、また例示的光ファイバ読み取りヘッド６００”は、穴２００１に挿入されて所望の取付整合を与える。種々の例示的実施形態において、読み取りヘッド６００”は、それが光偏向器１９００’に当接するまで、挿入される。種々の他の例示的実施形態では、取付ブラケット２０００の長さと取付停止部６０６’の位置は、次のように選択される。即ち、取付停止部６０６’が取付ブラケット２０００の裏面に当接するまで読み取りヘッド６００”が挿入され、そして読み取りヘッド６００”の位相マスク要素と光偏向器１９００’との間に最小のギャップが与えられるようにである。一旦挿入されると、種々の例示的実施形態では、読み取りヘッド６００”は、接着剤や機械的締結法によって取付ブラケット２０００に対し恒久的にまたは一次的に堅固に固定される。
【０１４４】
スケール格子８０”に対する図示せぬ第２の方位では、光ファイバ読み取りヘッド６００”の長軸は、回転スケール格子８０”の測定軸８２の方向に概ね平行に整合されるように指向され、そして、取付ブラケット２０００は、これに対応して、図２０で垂直な軸を中心として回転される。この結果、穴２００１は、回転スケール格子８０”の測定軸８２の方向に概ね平行となる。図１９Ｂに示された前述された構成と同様に、例示的光ファイバ読み取りヘッド６００”の位相マスクの格子バーは、それらが回転スケール格子８０”の自己像中の格子線と名目的に平行となるように、指向されるべきである。かくして、この第２の方位について、他の整合溝６０５’は、整合リッジ２００２と整合され、そして例示的光ファイバ読み取りヘッド６００”は、穴２００１内に挿入されて、所望の取付整合を与える。かくして、図２０に示された回転スケール格子８０”に対する第１の方位に対して、読み取りヘッド６００”は、その長軸を中心として、即ち、経路１９０１の軸を中心として、９０度回転される。
【０１４５】
微細な光ファイバ読み取りヘッド６００’に関連して使用される例示的取付ブラケット２０００のような取付ブラケットは、非常に効率的で汎用的な取付スキームを提供する。この場合、読み取りヘッド６００’は、少なくとも２つの異なる方位に経済的に取り付けることができ、しかも回転スケール格子８０”に対して十分な整合を与えるに必要な努力と時間は最小となる。ここで認められべき点は、取付ブラケット２０００は、回転スケール格子構造と共に使用することに限定されていないということである。それはまた、ここに図示または説明された他のスケール格子構造に関連しても使用可能である。
【０１４６】
ここで認められるべき点は、回転スケール格子８０”の湾曲が、回転スケール格子８０”から生ずる自己像の精度を僅かに乱し、それ故に測定精度をある程度劣化させることがあるということである。しかしながら、ここでさらに認められるべき点は、種々の例示的実施形態では、回転スケール格子８０”上の照明スポットは、全く小さなものなので、結果として生ずる自己像が、多くの実際の応用に対して依然として十分なものであるということである。特に、種々の例示的実施形態では、８ミクロンのような小さな格子ピッチを有し、且つ約２５ｍｍ以上の直径を有する回転スケール格子８０”は、この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッドと共に使用されるときに、同様の直線スケール格子に匹敵する測定性能を与えることができる。回転スケール格子８０”は、図示されたような光偏光器１９００’に関連して、あるいは、より一般的には、ここに図示または説明された光ファイバ読み取りヘッドの他の実施形態と共に使用可能な直線スケール８０の代わりとして使用される。
【０１４７】
図１９Ａ，１９Ｂおよび２０、並びにそれらの説明に関して、認められるべき点は、光ファイバ読み取りヘッド１０００’および６００”、偏光器１９００および１９００’、および取付ブラケット２０００の構造は、それらの基本的有用性および動作の明瞭な図示と明瞭な説明とを促進するために、単純な形態で図示され、説明された。しかしながら、ここで認められるべき点は、種々の運動学的な取付、インターフェース、およびアセンブリの特徴（図示せず）を、光ファイバ読み取りヘッド１０００’および６００”、偏光器１９００および１９００’、および取付ブラケット２０００のいずれか１つまたはそれ以上に組み入れて、既知の運動学的な取付、インターフェース、およびアセンブリの原理による適切な整合、取付および搭載を促進することができるということである。
【０１４８】
この発明は、上記に概略を示した例示的実施形態に関連して説明されたが、当業者には明らかとなるように、上述された実施形態および設計要因が、追加的な代替の実施形態、修正例および変形例を示すものであることは、明白である。従って、上述された発明の実施形態は、説明することを意図したものであって、限定するものではない。発明の精神と範囲を逸脱することなく、種々の変化がなされるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による光ファイバ受信器チャネル構造の第１の包括的実施形態の斜視図である。
【図２】この発明による種々の例示的光ファイバ読み取りヘッドで使用可能な自己像形成構造の第１の包括的実施形態の斜視図である。
【図３】この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造の第１の包括的実施形態の斜視図である。
【図４】この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造の第２の包括的実施形態の斜視図である。
【図５】この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造の第３の実施形態の一部正射投影し、一部等角投影した図である。
【図６】この発明により使用可能な例示的受信器チャネル光ファイバを示す。
【図７】この発明により使用可能な例示的光源光ファイバを示す。
【図８】この発明による光ファイバ読み取りヘッドに関連して使用可能な遠隔電子インターフェース部を含んだブロック図を示す。
【図９】図３にほぼ対応する光ファイバ読み取りヘッド構造に対して、光ファイバ検出器チャネルの受信器開口が照明範囲の中心から種々の半径に位置決めされるときに、種々の受信器開口の直径について生じた代表的な信号対雑音比を示す図である。
【図１０】この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造の第４の実施形態の一部正射投影し、一部等角投影した図である。
【図１１】この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッド構造に使用可能な例示的位相マスク要素を示す。
【図１２】この発明による光ファイバ読み取りヘッドおよびケーブルの第１の例示的実施形態を示す。
【図１３】この発明による種々の例示的実施形態に関連した偏振れ不整合の考察を示す図である。
【図１４】この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造の第５の例示的実施形態を示す。
【図１５】この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造の第６の例示的実施形態を示す。
【図１６】この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造の第７の例示的実施形態を示す。
【図１７】この発明による光ファイバ読み取りヘッド構造の第８の例示的実施形態を示す。
【図１８】この発明による光源格子を使用する光ファイバ読み取りヘッド構造の第９の例示的実施形態を示す。
【図１９Ａ】この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッド構造に関連して、例示的スケール格子に対し第１の方位で使用可能な光偏向器を示す。
【図１９Ｂ】この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッド構造に関連して、例示的スケール格子に対し第２の方位で使用可能な光偏向器を示す。
【図２０】この発明による種々の光ファイバ読み取りヘッド構造に関連して使用可能な、回転スケール格子に対して第１の方位に配設された取付ブラケットと光偏向器を示す。
【符号の説明】
８０…スケール格子
１００…光ファイバ受信器チャネル構造
１１０，５１０，１０１０…受信器チャネル開口
１２０，５２０，１０２０…位相マスク
１３０，５３０，１０３０…受信器光ファイバ
１９０，５９０，１０９０…光ファイバ受信器チャネル
２００…自己像形成構造
２８０，５８０，１０８０…光源
３００，４００，５００，１０００，１４００，１５００，１６００，１７００，１８００…光ファイバ読み取りヘッド構造
５７０，１０７０…光源ファイバ
６００，６００’，６００”，８００，１０００’…光ファイバ読み取りヘッド
８０５…遠隔電子インターフェース部

Claims

測定軸に沿って所定のピッチでスケール格子が形成されたスケールと、
前記スケール格子上に照明スポットを形成するように前記スケールに対して光を照射する光源と、
前記スケール格子上の照明スポットからの光によって前記スケールから所定ギャップ離れた位置に形成される自己像を先端部で受光する複数の光ファイバ受信器チャネルから構成され、少なくともそれらの先端部が前記光源と共に前記スケールに対して前記測定軸方向に相対移動可能に配置された光ファイバ読み取りヘッドとを備え、
前記光ファイバ受信器チャネルは、
光ファイバと、
この光ファイバの一端に形成されて前記自己像を前記光ファイバに導入する受信器チャネル開口と、
この受信器チャネル開口に形成された位相マスクとを有し、
前記位相マスクは、前記自己像に形成される明暗周期に対応する周期の格子を有し、
複数の光ファイバ受信器チャネルの位相マスクの格子は互いに異なる空間位相関係を有する
ことを特徴とする光ファイバ受信器チャネルを使用した回折格子エンコーダ。
前記光源は、前記複数の光ファイバ受信器チャネルの光ファイバと共に束ねられて光出射端が前記光ファイバ受信器チャネルの受光端と同一面上に配置された光源用光ファイバを含み、
前記スケールは、反射型スケールであることを特徴とする請求項１記載の回折格子エンコーダ。
前記光源用光ファイバを中心とし、その周囲に複数の前記光ファイバ受信器チャネルが配置されていることを特徴とする請求項２記載の回折格子エンコーダ。
前記光源用光ファイバの周囲に緊密パッキング構造で６つの前記光ファイバ受信器チャネルが配置されていることを特徴とする請求項３記載の回折格子エンコーダ。
前記光源用光ファイバを中心として対称配置された光ファイバ受信器チャネルの位相マスクが同一の空間位相となる対を構成し、３対の光ファイバ受信器チャネルの位相マスクは、互いに１２０°の空間位相差を持つことを特徴とする請求項４記載の回折格子エンコーダ。
前記光源用光ファイバを中心として対称配置された１対の光ファイバ受信器チャネルはダミーファイバーからなり、他の４つの光ファイバ受信器チャネルの位相マスクは、９０°ずつ空間位相がずれた矩象位相関係を有するものであることを特徴とする請求項４記載の回折格子エンコーダ。
前記光源用光ファイバの周囲に緊密パッキング構造で４つの前記光ファイバ受信器チャネルが配置され、４つの光ファイバ受信器チャネルの位相マスクは、９０°ずつ空間位相がずれた矩象位相関係を有するものであることを特徴とする請求項３記載の回折格子エンコーダ。
前記光源用光ファイバの中心から前記各受信器チャネル開口までの距離Ｒ_ＡＬは、各受信器チャネル開口の直径Ｄ_ＲＡの８倍未満に設定されていることを特徴とする請求項２記載の回折格子エンコーダ。
前記光ファイバ受信器チャネルの受光端及び前記光源用光ファイバの光出射端と、前記スケールとの間に、前記光ファイバ受信器チャネルの受光及び光源用光ファイバの光出射方向と、前記スケールへの入射及び反射方向とを整合させるための偏向器が更に設けられていることを特徴とする請求項２記載の回折格子エンコーダ。
測定軸に沿って所定のピッチでスケール格子が形成されたスケールと、
前記スケール格子上に照明スポットを形成するように光出射端から前記スケールに対して光を照射する光源用光ファイバと、
前記スケール格子上の照明スポットからの光によって前記スケールから所定ギャップ離れた位置に形成される自己像を先端部で受光する複数の光ファイバ受信器チャネルから構成され、少なくともそれらの先端部が前記光源と共に前記スケールに対して前記測定軸方向に相対移動可能に配置された光ファイバ読み取りヘッドであって、前記光ファイバ受信器チャネルが、受信器用光ファイバと、この光ファイバの一端に形成されて前記自己像を前記受信用光ファイバに導入する受信器チャネル開口と、この受信器チャネル開口に形成された位相マスクとを有し、前記位相マスクが、前記自己像に形成される明暗周期に対応する周期の格子を有し、複数の光ファイバ受信器チャネルの位相マスクの格子は互いに異なる空間位相関係を有する、光ファイバ読み取りヘッドと、
前記光源用光ファイバ及び前記光ファイバ読み取りヘッドの複数の受信器用光ファイバの前記スケールとは反対側の端部に設けられた遠隔電子インターフェース部であって、前記光源用光ファイバに照明光を供給する光源、前記各受信器用光ファイバに導入された光をそれぞれ検出及び増幅する複数の光検出器／アンプ、及びこれら光検出器／アンプの出力信号を処理して前記スケールと光ファイバ読み取りヘッドとの相対変位を算出する信号処理及び制御部を有する遠隔電子インターフェース部と、
を備えたことを特徴とする変位測定装置。
２つの部材間の相対変位を測定する装置であって、
測定軸方向に沿って形成されたスケール格子を備えたスケールと、
前記スケールの操作可能な自己像を提供するために操作可能な読取ヘッドであって、少なくとも一つの光源要素からなる光源部、及び、複数の光ファイバ受信器チャネルを備えた読取ヘッドと、を備え、
前記各光ファイバ受信器チャネルは、
空間位相を有し、スケールの操作可能な自己像を空間フィルタリングする操作可能なピッチで配列された光遮蔽要素を有する受信器チャネル空間位相マスク部と、
受信器チャネル光学信号光を受信する入力端を備えた少なくとも一つの受信器チャネル光ファイバと、を備え、
前記少なくとも１つの受信器チャネル光ファイバによって受信される前記各受信器チャネル光学信号光は、測定軸方向に沿った少なくとも３つの完全周期の集光領域長さを有する集光領域上の、各受信器チャネル空間位相マスク部を介して集光された光学信号光からなり、
前記読取ヘッドがスケール格子に対して相対的に操作可能に位置決めされたとき、複数の光ファイバ受信器チャネルの少なくとも第１及び第２のチャネルは、少なくとも第１及び第２の各信号位相を有する第１及び第２の各受信器チャネル光学信号を提供するため、名目空間位相マスク平面でスケールの操作可能な自己像の各部分を空間フィルタリングし、
前記装置は、前記少なくとも第１及び第２の各受信器チャネル光学信号を各光ファイバを通して出力し、これにより各チャネルの変位情報を、電子的光学検出要素の利用なしに生成された複数の各チャネルの光出力信号の形態で提供する
ことを特徴とする変位測定装置。