JP2013140146A - 光学エンコーダ - Google Patents

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Abstract

【課題】光学式変位エンコーダにおいて、高分解能、レンジ・分解能比、コンパクトサイズ、ロバスト性の改良された組合せを提供する。
【解決手段】スケールを構造化された光で照らすソース格子を用い、以てスケールからの光が、所望のディテクタピッチと一致する比較的粗いピッチを有し得るうねり周波数エンベロープで変調されるようにする。結像構成は、変調エンベロープから高い空間周波数を除去する空間フィルタリングを提供して、検出されるフリンジパターンにおいてクリーンな信号を提供する。このエレメントの組合せは、比較的細かいピッチを有するインクリメンタルスケールトラックパターンが、ディテクタにて粗いピッチを有するフリンジを提供可能にする。種々のスケール分解能が対応するソース格子を使用可能であり、以て全ての組合せが、同一の安価なディテクタ要素にマッチするディテクタフリンジを生成可能である。
【選択図】図３

Description

本願は、大略、精密測定器に関し、特に、光学式変位エンコーダに関する。
読取ヘッドを用いた種々の光学式変位エンコーダが知られており、この読取ヘッドは、スケールパターンを自読取ヘッドのフォトディテクタアレイへ撮像する光学配置を有する。スケールパターンのイメージはスケールメンバと共に変位し、変位したスケールパターンイメージの移動又は位置はフォトディテクタアレイで検出される。従来の画像処理である自己結像(タルボ・イメージング(Ｔａｌｂｏｔ ｉｍａｇｉｎｇ)とも呼称される)及び／又はシャドウ・イメージング(ｓｈａｄｏｗ ｉｍａｇｉｎｇ)が、種々の構成においてスケールパターンイメージを提供するために使用され得る。
光学エンコーダは、インクリメンタル位置又はアブソリュート位置スケール構造を利用し得る。インクリメンタル位置スケール構造は、スケールに対する相対的な読取ヘッドの変位が、変位の増分単位を累積することによって決定され、スケールに沿った初期ポイントから開始できるようにする。このようなエンコーダは、特定の用途、特にライン電力が利用可能である用途に適している。しかしながら、低消費電力の用途(例えば、バッテリ駆動の計測器等)においては、アブソリュート位置スケール構造を用いることがより望ましい。アブソリュート位置スケール構造は、スケールに沿った各位置で、一意な出力信号又は信号の組合せを供給する。アブソリュート位置スケール構造は、位置を特定するために、増分変位を継続的に累積することを必要としない。よって、アブソリュート位置スケール構造は、種々の電力節約スキームを可能にする。種々の光学的、容量的又は誘導的なセンシング技術を用いる様々なアブソリュート位置エンコーダが知られている。特許文献１〜１１は、アブソリュート位置エンコーダに関する種々のエンコーダ構成及び／又は信号処理技術を開示しており、参照によって本明細書に取り込まれる。
幾つかの光学エンコーダで利用される構成の一種が、テレセントリック配置である。参照によって本明細書に取り込まれる特許文献１２〜１４の各々は、光源の周期パターンを撮像し、且つ周期的なパターン構造の変位をセンシングするための片側又は両側テレセントリック結像系を開示している。テレセントリック結像系は、このような光学エンコーダにおいて必要な幾つかの機能を提供する。
このような光学エンコーダの設計に関する一つの問題は、ユーザが、一般に読取ヘッド及びエンコーダのスケールが出来るだけコンパクトなことを好む点である。コンパクトなエンコーダは、様々な用途へ導入するのにより都合が良い。特定の精密測定の用途に対しては、高い分解能も要求される。しかしながら、従来技術は、高分解能、レンジ・分解能比、ロバスト性、コンパクトサイズの組合せや、多くのエンコーダ分解能が共有の製造技術及び部品を用いて提供されるのを可能にする設計特性を提供し、且つユーザが所望するようなエンコーダの低コスト化を促進する構成を教示していない。このような組合せを提供するようエンコーダの構成が改良されることが望ましい。
アメリカ合衆国特許第３，８８２，４８２号 アメリカ合衆国特許第５，９６５，８７９号 アメリカ合衆国特許第５，２７９，０４４号 アメリカ合衆国特許第５，８８６，５１９号 アメリカ合衆国特許第５，２３７，３９１号 アメリカ合衆国特許第５，４４２，１６６号 アメリカ合衆国特許第４，９６４，７２７号 アメリカ合衆国特許第４，４１４，７５４号 アメリカ合衆国特許第４，１０９，３８９号 アメリカ合衆国特許第５，７７３，８２０号 アメリカ合衆国特許第５，０１０，６５５号 アメリカ合衆国特許第７，１８６，９６９号 アメリカ合衆国特許第７，３０７，７８９号 アメリカ合衆国特許第７，４３５，９４５号
以下の概要は、詳細な説明にて後述する概念の一部を簡素化して導入するものである。本概要は、発明主題の重要な特徴を特定することを意図するものでも、発明主題の範囲を決定するための補助として用いられることを意図するものでも無い。
ここで開示する原理は、高分解能、レンジ・分解能比、コンパクトサイズ、ロバスト性の改良された組合せを提供するよう光学式変位エンコーダ構成を改良することを対象とし、且つ多くのエンコーダ分解能が共有の製造技術及び部品を用いて提供されることを可能にする。
ここで開示する種々の実施形態において、２つのメンバ間の相対的な変位を測定するデバイス(すなわち、光学式変位エンコーダ)は、測定軸方向に沿って広がり、スケールピッチＰＳＦを有するスケール格子と、波長λを有する光を出力する光源と、前記光が入力されると共に、前記測定軸方向に横に方向付けられ、且つ前記スケール格子と一致する平面において前記測定軸方向に沿って照明フリンジパターンＰＭＩを有する照明フリンジパターンを含む構造化照明を、前記スケール格子へ出力する構造化照明格子部と、を含む照明源と、前記スケール格子から出力された使用可能な空間変調されたイメージ光を受信すると共に、前記スケール格子が前記照明源からの前記構造化照明により照らされている場合に、前記空間変調されたイメージ光の使用可能な周期結像を出力するよう設置された結像部と、前記使用可能な周期結像の異なる位相をそれぞれ受信するよう設置され、且つ前記測定軸方向に沿って、特定のディテクタ信号位相に対応したディテクタエレメント間のピッチに対応するディテクタピッチＰｄを有する一連の光ディテクタを含むディテクタ部と、を備える。前記結像部は、前記スケール格子から伝送される前記空間変調されたイメージ光を受信するよう設置され、且つ自レンズと前記ディテクタ部との間に位置する焦点を定義する焦点距離Ｆを有する第１のレンズと、前記第１のレンズと前記ディテクタ部との間において、略、前記焦点距離Ｆに設置された開口部と、を備える。前記開口部は、前記測定軸方向に沿って、Ｗ＝Ｆ＊λ＊(ａ＊／(ＰＭＩＰＳＦ／(ＰＭＩ−ＰＳＦ)))を満たす幅ＡＷを有して構成され、ａは、２．０より大きく且つ６．０未満である。前記空間変調されたイメージ光は、値Δｎだけ異なる２つの回折次数の干渉から形成されるフリンジを含む。前記スケール格子は、前記構造化光が入力されると共に、前記スケールピッチＰＳＦ及び前記照明フリンジパターンＰＭＩに依存した空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調された構造化照明を含む前記空間変調されたイメージ光を出力し、ＰＳＦ及びＰＭＩは、前記ディテクタピッチＰｄと協調して選択されて、前記光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、前記光源が非コヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、ｍは、前記ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数であり、前記空間波長ＰＩＭＥＳＦは、前記スケールピッチＰＳＦより大きい。
幾つかの実施形態において、Δｎの値は、２に等しくても良い。代替の実施形態において、Δｎの値は、１又は４に等しくても良い。
前記デバイスは、焦点距離Ｆｓを有する第２のレンズをさらに備えても良く、前記第２のレンズは、前記開口部と前記ディテクタ部の間において前記開口部から前記焦点距離Ｆｓに設置され、前記開口部からの光を受信すると共に、前記使用可能な周期結像を形成するよう構成される。幾つかの実施形態において、前記第２のレンズは、前記第１のレンズと名目上同一の光学特性を有しても良く、Ｆｓ＝Ｆが成立し、前記第１及び第２のレンズは、前記開口部の位置に関し対称的に方向付けられる。
幾つかの実施形態において、ｍの値は、３及び４の一方に等しくても良く、ｋは、１、３及び５の一つに等しい。
幾つかの実施形態において、前記スケールピッチＰＳＦは、８μｍ未満であれば良い。
幾つかの実施形態において、前記照明フリンジピッチＰＭＩは、８μｍ未満であれば良い。
幾つかの実施形態において、前記装置は、前記照明部と前記スケール格子の間に位置すると共に、前記構造化照明を前記スケール格子へ伝送し、前記スケール格子から出力される空間変調されたイメージ光を受信し、前記空間変調されたイメージ光を前記結像部へ出力するよう構成されたビームスプリッタをさらに備えても良い。
幾つかの実施形態において、前記干渉フリンジ生成部は、前記構造化照明における零次光を遮断又は抑制する第１の位相格子を含んでも良い。幾つかの実施形態において、前記干渉フリンジ生成部は、第２の位相格子をさらに含んでも良い。
幾つかの実施形態において、前記装置は、前記構造化光を受信すると共に、原点干渉フリンジを前記ディテクタ部へ出力するよう構成された原点スケールトラックをさらに備えても良い。幾つかの実施形態において、前記原点スケールトラックは、バーニア原点マークである原点マークを含んでも良い。幾つかの実施形態において、前記原点スケールトラックは、前記スケール格子に関する合成波長を提供する位相を有する原点マークパターンを含んでも良い。
幾つかの実施形態において、前記装置は、前記構造化光を受信すると共に、絶対的な測定範囲に亘って絶対位置を決定するのに利用可能な信号を提供するために、アブソリュートスケール光を前記ディテクタ部へ出力するよう構成されたアブソリュートスケールトラックパターンを含むアブソリュートスケールトラックをさらに備えても良い。
幾つかの実施形態において、前記装置は、焦点距離Ｆｓを有する第２のレンズをさらに備えても良く、前記第２のレンズは、前記開口部と前記ディテクタ部の間において前記開口部から前記焦点距離Ｆｓに設置され、前記開口部からの光を受信すると共に、前記使用可能な周期結像を形成するよう構成されている。前記測定軸方向に沿った前記使用可能な周期結像の倍率Ｍは、略、Ｍ＝Ｆｓ／Ｆを満たても良く、単に前記距離Ｆｓ及びＦを選択することによって設定される。
幾つかの実施形態において、前記光源は、コヒーレント光を出力しても良い。
当然のことながら、ここに開示する発明の構成に基づく製品群は、ここに開示されるような位相格子ピッチ及びスケール格子ピッチの様々な組合せのために、特定の周期を有するディテクタ(例えば、節約のため大量に製造されたＩＣフォトディテクタエレメント)を用いて、単独の安価なディテクタを使用する或いは使用するにも関わらず、様々な高い変位分解能を提供することが可能である。結果としての高分解能エンコーダは、十分な量のスケール汚染の存在下で、他の種類の高分解能エンコードと比して堅牢な動作を提供し得る。ここに開示する構成は、これらの効果及び他の効果を提供する。
当然のことながら、方法は、主として、結像及び空間フィルタリングの観点から説明されるが、このような概念は、回折光線等を含む光学システムの光線要素の観点からも説明され得る。
両側テレセントリック配置と、アブソリュート、原点及びインクリメンタルトラックパターンを有するスケールとを備え、従来の画像処理技術を利用するエンコーダ構成の部分的な概略分解図である。 図１のエンコーダ構成の、インクリメンタルスケールトラックパターン、イメージ強度及びディテクタ配置の図である。 図１のエンコーダ構成の、インクリメンタルスケールトラックパターン、イメージ強度及びディテクタ配置の図である。 図１のエンコーダ構成の、インクリメンタルスケールトラックパターン、イメージ強度及びディテクタ配置の図である。 両側テレセントリック配置と、アブソリュート、原点及びインクリメンタルトラックパターンを有するスケールとを備え、ここに開示する原理に従った空間フィルタリング及び結像原理を利用するエンコーダ構成の部分的な概略分解図である。 図３のエンコーダ構成の、照明フリンジパターン、インクリメンタルスケールトラックパターン、結果としてのモアレイメージ強度及びディテクタ配置の図である。 図３のエンコーダ構成の、照明フリンジパターン、インクリメンタルスケールトラックパターン、結果としてのモアレイメージ強度及びディテクタ配置の図である。 図３のエンコーダ構成の、照明フリンジパターン、インクリメンタルスケールトラックパターン、結果としてのモアレイメージ強度及びディテクタ配置の図である。 図３のエンコーダ構成の、照明フリンジパターン、インクリメンタルスケールトラックパターン、結果としてのモアレイメージ強度及びディテクタ配置の図である。 以前特許文献１２に組み込まれた図２６及び図２７に含まれる基本的な設計参照情報を示し、種々の設計パラメータセットに対応する変調伝達関数を示すチャート図である。 以前特許文献１２に組み込まれた図２６及び図２７に含まれる基本的な設計参照情報を示し、測定軸方向に沿った開口部の幅上における、％ＤＯＦ(ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄ)、空間調和性及び光信号パワーを示すチャート図である。 図１のエンコーダ構成の一実施形態の部分的な概略分解図である。 図３のエンコーダ構成の一実施形態の部分的な概略分解図である。 図８の実施形態の位相格子部の代替構成の図である。 図１のエンコーダ構成のスケールトラックパターン配置の図である。 図３のエンコーダ構成のスケールトラックパターン配置の図である。 図３のエンコーダ構成用の種々のスケール及びディテクタトラックの組合せのためのパラメータを示すテーブルである。 両側テレセントリック配置を介した異なる光路を示す概略断面図である。 ここに開示する原理に係るエンコーダ構成の実用的な実装の他の実施形態である構成１３００を示す。 ここに開示する原理に係るエンコーダ構成の実用的な実装の他の実施形態である構成１３００を示す。 図１３に示す構成の分析を示し、位相格子がどのようにして、ディテクタ上に光強度信号を与える使用可能な回折次数を提供するのかを示す。
前述した態様、及びこれらに付随する効果の多くは、以下の詳細な説明を図面と共に参照することにより良く理解されるものと同等のものとして、より容易に理解されるであろう。
図１は、両側テレセントリック配置と、アブソリュート、原点及びインクリメンタルトラックパターンを有するスケールとを備え、従来の画像処理技術を利用する光学式変位エンコーダ構成１００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構成１００の幾つかの態様は、同時係属中の同一出願人による、アメリカ合衆国付与前特許公報２０１１／００３１３８３号として公開されたアメリカ合衆国特許出願１２／５３５，５６１、及び２００８年１１月１８付けで提出したアメリカ合衆国特許出願１２／２７３，４００(現在、アメリカ合衆国特許第７，６０８，８１３号)に記載のエンコーダ構成と同様である。これらは、参照によって本明細書に取り込まれる。エンコーダ構成１００は、比較的粗いピッチ(例えば、２０μｍ)を有するインクリメンタルスケールトラックで正確且つ効果的に動作できる。一方、図３を参照してより詳細に説明するように、ここで開示する方法は、非常に細かいピッチ(例えば、４μｍ)を有するインクリメンタルスケールトラックが同様の構成において利用可能なように用いても良い。
図１に示すように、エンコーダ構成１００は、スケールエレメント１１０と、光源(図示せず)からの光の可視又は不可視波長を導くためのレンズ１４０と、両側テレセントリック結像構成１８０とを含む。両側テレセントリック結像構成１８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズ１８１と、開口平面ＡＰにおける開口部品１８２'中の開口部１８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズ１８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス１２０とを備える。一の実施形態において、スケールエレメント１１０は、第１レンズ平面ＦＬＰから距離ｄ０だけ離隔される。第１レンズ平面ＦＬＰは、開口平面ＡＰから焦点距離ｆだけ離隔される。開口平面ＡＰは、第２レンズ平面ＳＬＰから焦点距離ｆ'だけ離隔される。第２レンズ平面ＳＬＰは、検出平面ＤＰから距離ｄ０'だけ離隔される。ディテクタエレクトロニクス１２０は、信号生成・処理回路１９０へ接続しても良い。光源も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路１９０へ接続しても良い。
図１に示す実施形態において、スケールエレメント１１０は、３つのスケールトラックパターン、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１、及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１から成るスケールパターン１１５を含む。トラックパターンＴＡＢＳ１は、絶対的な測定範囲に亘るアブソリュートスケールを決定するのに利用可能な信号を供給するため、アブソリュートスケールトラックパターンと呼称する。一の実施形態においては、任意の従来のアブソリュートスケールパターンを、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１として利用しても良い。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、非常に"粗い"ＡＢＳ分解能を有し得る。
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１のためには、一の実施形態において、そのインクリメンタルピッチが比較的粗い(例えば、２０μｍ)であろう。図３を参照してより詳細に後述する如く、ここで開示する方法を利用する同様のサイズのエンコーダ構成において、細かいピッチ(例えば、４μｍ)を使用可能にしても良い。原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は、特定のインクリメンタル波長を示すことが可能なレベルへ分解できるように形成され、以て(例えば、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの)インクリメンタル波長を、(例えば、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１からの)アブソリュートマークに対して明確にする。図１０Ａを参照してより詳細に後述する如く、一の実施形態においては、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１が一連の原点マークから成り得る。一の実施形態において、原点マークは、一連のベーカー(ｂａｃｋｅｒ)パターンとして形成しても、バーニア(Ｖｅｒｎｉｅｒ)原点マークとして機能しても、様々な周知技術に従って形成しても良い。
図１は、慣例に従って、直行するＸ、Ｙ及びＺ方向を示している。Ｘ及びＹ方向は、スケールパターン１１５の平面と平行であり、Ｘ方向は、意図する測定軸方向ＭＡと平行(例えば、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１に含まれ得る長細いパターンエレメントと垂直)である。Ｚ方向は、スケールパターン１１５の平面と垂直である。
ディテクタエレクトロニクス１２０は、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、ＴＲＥＦ１及びＴＩＮＣ１それぞれから光を受信するよう配置された、３つのディテクタトラックＤＥＴＡＢＳ１、ＤＥＴＲＥＦ１及びＤＥＴＩＮＣ１から成るディテクタ構成１２４を含む。ディテクタエレクトロニクス１２０は、信号処理回路１３６(例えば、信号オフセット及び／又はゲイン調整、信号増幅、並びに結合回路等)を含んでも良い。一の実施形態において、ディテクタエレクトロニクス１２０は、単一のＣＭＯＳ ＩＣとして製造しても良い。
動作において、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１用のイメージチャネルで例示すると、照明光源からの光は、レンズ１４０によって、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１を光源光１３１で照らすように導かれる。幾つかの実施形態において、光源光１３１はコヒーレント光である。そして、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１は、スケール光１３２を出力する。当然のことながら、Ｘ方向に沿って開口幅ＡＷを有する限界開口１８２は、(図２を参照してより詳細に後述する如く)インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１用のイメージチャネルを通過する光線を選択又は制限する空間フィルタとして機能する。図１は、３つのこのような光線、２つの端光線及び１つの中心光線を示している。図１に示すように、レンズ１８１は、光線を限界開口１８２へ伝送する。限界開口１８２は、光線を、空間的にフィルタされたイメージ光１３３として第２レンズ１８３へ伝送する。第２レンズ１８３は、空間的にフィルタされたイメージ光を伝送及び集光して、スケールトラックパターンＴＩＮＣ１のイメージをディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１にて形成する。
このように、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１は、照らされた場合に、トラック固有に空間変調された光パターンをディテクタエレクトロニクス１２０のディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１へ出力する。空間変調された光パターンのイメージは、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１と同一平面上であり得るイメージ平面ＩＭＧＰにて形成される(図１では、イメージ平面ＩＭＧＰは説明のために独立して示されている)。イメージ平面ＩＭＧＰに示すように、スケールイメージＳＩのパターンは、変調されたスケールイメージピッチＰＳＩを有している。一の具体的な実施形態において、ピッチＰＳＩは比較的粗くても良い(例えば、２０μｍ)。
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの空間変調された光パターンのディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１上での結像と同様、スケールトラックパターンＴＲＥＦ１及びＴＡＢＳ１がレンズ１４０からの光によって照らされると、これらのパターンＴＲＥＦ１及びＴＡＢＳ１は、トラック固有に空間変調された光パターン(例えば、これらのパターンに対応するパターン光)を、ディテクタエレクトロニクス１２０のトラック固有のディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ１及びＤＥＴＡＢＳ１へそれぞれ出力する。上述した通り、(例えば、ベーカーパターンを有する)原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は特定のインクリメンタル波長を示し、以てインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの波長を、アブソリュートトラックパターンＴＡＢＳ１からのアブソリュートマークに対して明確にする。当然のことながら、空間変調された光パターンの全てが、スケール１１０と共に移動する。
図１１を参照してより詳細に後述する通り、ディテクタトラックＤＴＥＩＮＣ１、ＤＥＴＡＢＳ１及びＤＥＴＲＥＦ１の各々においては、個別のフォトディテクタ領域が、受信した空間変調された光パターンを空間的にフィルタして、信号(例えば、直交信号を生成するインクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１、又は信号補間をもたらす空間的な位相関係を有する他の周期信号)を示す所望の位置を提供するために配置される。幾つかの実施形態においては、個別のフォトディテクタ領域よりはむしろ、個別の開口を有する空間フィルタマスクが、比較的大きなフォトディテクタをマスクして、個別のフォトディテクタ領域に類似する光受信エリアを提供し、周知技術に従った類似の全体的なシグナル効果を提供しても良い。
種々の用途において、ディテクタエレクトロニクス及び光源は、互いに固定された関係で、例えば読取ヘッダ又はゲージ筐体(図示せず)中に実装され、周知技術に従い、ベアリングシステムによりスケール１１０に関連する測定軸に沿って導かれる。種々の用途において、スケールは、ムービングステージ又はゲージスピンドル等に取り付けられても良い。当然のことながら、図１に示す構成は透過型の構成である。すなわち、スケールパターン１１５は、空間変調された光パターンを透過によってディテクタトラックへ出力する遮光部及び光伝達部(例えば、周知の薄膜パターニング技術を用いて透明基板上に組み上げられる)を備えている。当然のことながら、同様の構成要素が反射的な実施形態において配置され得て、周知技術に従い必要に応じて、光源及びディテクタエレクトロニクスは、スケール１１０と同側に配置され、角度のある照明及び反射のために設置される。
透過的なスケールパターン又は反射的なスケールパターンのいずれにおいても、ディテクタトラック(例えば、ＤＥＴＡＢＳ１、ＤＥＴＲＥＦ１又はＤＥＴＩＮＣ１)で検出された光を提供するスケールパターンの部分は、当該スケールパターンの部分を生成する信号として参照され得て、当然のことながら、スケールパターンの他の部分は、一般に出来るだけ僅かな光を提供し、種々の用途において、ここでの教示に従ってパターニングされ得る。換言すると、互いに"ネガティブ"なスケールパターンは、共に使用可能な信号を生成し、その信号変化も、一定の反射的又は透過的な配置のためにおおよそ互いに"ネガティブ"である。よって、スケールパターンは、"信号変動部"の観点から説明しても良く、当然のことながら種々の用途において、信号変動部は、信号生成部或いはスケールパターンの信号逓減部を備える。
図２Ａ〜２Ｃは、図１のインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１に対応する光信号チャネルに関する種々の態様を示している。より具体的には、図２Ａは、スケールピッチＰＳＬを有するインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１を示している。図２Ｂは、検出平面ＤＰにおいてインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの光によってもたらされるイメージ強度信号ＩＭＧ１のグラフ図である。図２Ｂに示すように、結果としてのイメージ強度は、(例えば、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からのフィルタされていない信号から生成され得るような方形波とは反対の)ほぼ正弦波の信号を生成するように(例えば、開口部１８２によって)空間的にフィルタされており、信号周期ＰＩＳＣを有している。図２Ｃは、インクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１の図であり、説明のために、図２Ｂのイメージ強度信号ＩＭＧ１のイメージがディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１に重ね合せられている。図２Ｃに示すように、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１は、直交信号を出力するよう、ディテクタトラック波長λｄの１周期内に在る４つのディテクタエレメントに接続されている。ディテクタトラック波長λｄの１周期は、イメージ強度信号ＩＭＧ１の１周期ＰＩＳＣにも対応する。
図３は、両側テレセントリック配置と、アブソリュート、原点及びインクリメンタルトラックパターンを有するスケールとを備え、ここで開示する原理に従った空間フィルタリング及び結像技術を利用するエンコーダ構成３００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構成３００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図１のエンコーダ構成１００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図３において、図１中の一連の番号１ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号３ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。
図３に示すように、エンコーダ構成３００は、スケールエレメント３１０と、照明システム／部３６０と、両側テレセントリック結像構成３８０とを含む。照明システム／部３６０は、光の可視又は不可視波長を発する光源３３０(例えば、ＬＥＤ又は半導体レーザ)と、レンズ３４０と、位相格子３５０とを含む。より詳細に後述する如く、一の実施形態において、位相格子３５０は、構造化された光パターンを生成するために利用され得て、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２用であるが、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２用では無い光信号パスチャネル内に位置し得る。両側テレセントリック結像構成３８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズ３８１と、開口平面ＡＰにおける開口部品３８２'中の開口部３８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズ３８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス３２０とを備える。ディテクタエレクトロニクス３２０は、信号生成・処理回路３９０へ接続しても良い。光源３３０も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路３９０へ接続しても良い。
図３に示す実施形態において、スケールエレメント３１０は、３つのスケールトラックパターン、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２、及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２から成るスケールパターン３１５を含む。一の実施形態においては、従来のアブソリュートスケールトラックパターンを、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２として利用しても良い。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、比較的"粗い"ＡＢＳ分解能を有し得る。
より詳細に後述する通り、エンコーダ構成３００は、微細なピッチスケールがスケール変位をセンシングする安価なディテクタの検出ピッチ又はエレメントピッチに対応するより大きなピッチフリンジを提供可能にする幾つかの空間フィルタリング及び結像原理を利用するよう設計される。所望のフリンジを生成するため、位相格子３５０は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２のピッチに近いピッチ(例えば、４μｍのインクリメンタルスケールトラックピッチ及び４．１μｍの原点スケールトラックピッチと比して、５μｍの位相格子ピッチ)を有するよう設計される。結果としての位相格子３５０及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２からのフリンジ周期は、比較的粗く(例えば、２０μｍ)、位相格子３５０及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２により生成されるフリンジ周期(例えば、２２．７７μｍ)と僅かに異なり得る。
より詳細に後述する通り、検出パターンは、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２に対応する高い空間周波数をぼやけさせる又は除去する開口部３８２を含む両側テレセントリック結像構成３８０によって、空間的にフィルタされた状態で結像される。幾つかの実施形態においては、パラメータが選択され、以て空間的にフィルタリングされたパターンの変調イメージピッチが、所定のディテクタ(例えば、２０μｍのインクリメンタルスケールトラックピッチ用に設計されたディテクタ)のピッチに一致する。適切な開口幅が、高い空間周波数を除去し且つ所望のパターンフリンジ周期をもたらすといった所望の空間フィルタリングの効果を奏するように選択され得る。所望の空間波長フィルタリングを達成するための開口幅等に関する幾つかの教示は、同一出願人による特許文献１２により詳細に記載されており、参照によって本明細書に取り込まれる。
図１０Ｂを参照してより詳細に後述する通り、一の実施形態において、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、ベーカーパターンとして形成され得る一連の原点マークを含んでも良い。原点マークは、バーニア原点マークとして機能しても良い。原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用の特定のインクリメンタル波長を示すことが可能なレベルへ分解できるように形成され、以てインクリメンタル波長を、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２からのアブソリュートマークに対して明確にする。一の実施形態において、原点トラックパターンＴＲＥＦ２(例えば、ベーカーパターン)及びインクリメンタルトラックパターンＴＩＮＣ２の組合せは合成波長を作成し得て、これらの測定された合成位相は正しいインクリメンタルスケールトラックパターン・サイクルを指し示す(例えば、測定された零の合成位相は、当該位相に対応する正しいインクリメンタルサイクルを示し得る)。
具体例として、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２のピッチ(例えば、２０μｍの周期で、変調され且つ空間的にフィルタされたフリンジパターンを生成する４．０μｍ)と比して、僅かに異なるピッチ(例えば、２２．７７μｍの周期で、変調され且つ空間的にフィルタされたフリンジパターンを生成する４．１μｍ)を有し得て、この結果、原点スケールトラックパターンの位相が、特定の長さに沿った一つの特定ポイントのみでインクリメンタルスケールトラックパターンの位相と一致する(例えば、原点スケールトラックパターン内のベーカーパターン長に沿った一つのポイントで一致するのみである)。位相が一致する位置は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用の特定のインクリメンタル波長を規定する。
一の具体的な実施形態において、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２においては、ベーカーパターンが選択された間隔(例えば、０．６ミリメートル)で提供されても良い。(例えば、パターン中心での)各ベーカーパターンの位相は、特定の距離(例えば、０．６ミリメートル)だけ離れた位置でのインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１の位相と一致する(又は、当該位相から一定の位相オフセットを有する)。インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２の合成波長は、ベーカーパターン長より大きい。一の実施形態において、この関係は、インクリメンタルスケールトラックパターン及び原点(例えば、ベーカー)スケールトラックパターンの合成波長がベーカーパターン長Ｌより大きいことを、Ｌ＜ｐｐ'／(ｐ'−ｐ)と記述することによって表現され得る。ここで、ｐは、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２のピッチであり、ｐ'は、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２におけるベーカーパターンのピッチである。
図３に示すように、ディテクタエレクトロニクス３２０は、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、ＴＲＥＦ２及びＴＩＮＣ２それぞれから光を受信するよう配置された、３つのディテクタトラックＤＥＴＡＢＳ２、ＤＥＴＲＥＦ２及びＤＥＴＩＮＣ２から成るディテクタ構成３２５を含む。ディテクタエレクトロニクス３２０は、信号処理回路３２６(例えば、信号オフセット及び／又はゲイン調整、信号増幅、並びに結合回路等)を含んでも良い。一の実施形態において、ディテクタエレクトロニクス３２０は、単一のＣＭＯＳ ＩＣとして製造しても良い。
動作において、光源３３０から発せられた光３３１(一次光)は、レンズ３４０により、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、ＴＲＥＦ２及びＴＩＮＣ２を照らすのに十分なビーム領域で部分的又は全体的に平行化される。位相格子３５０は、上述した変調され且つ空間的にフィルタされた結像効果を達成するため、ソース光を回折して、回折された構造化光３３１'を(アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２では無く)原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２へ与えるように形成される。そして、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用のイメージチャネルで例示すると、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、スケール光３３２をレンズ３８１へ与える。当然のことながら、Ｘ軸方向に沿って開口幅ＡＷを有する限界開口３８２は、(図４〜１２を参照してより詳細に後述する如く)イメージチャネルを通過する光線を選択又は制限する空間フィルタとして機能する。図３は、３つのこのような光線、２つの端光線及び１つの中心光線を示している。図３に示すように、レンズ３８１は、光線を限界開口３８２へ伝送する。限界開口３８２は、光線を、空間的にフィルタされたイメージ光３３３として第２レンズ３８３へ伝送する。第２レンズ３８３は、空間的にフィルタされたイメージ光を伝送及び集光して、空間変調された光パターンをディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２にて形成する。上述した通り、及び図４を参照して詳細に後述する通り、ここで開示する原理に従って、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣにおける空間変調された光パターンは、変調且つ空間的にフィルタされたフリンジパターンを備えている。
同様に、スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びＴＡＢＳ２は、照らされると、トラック固有に空間変調された光パターン(例えば、各パターンに対応するパターン化された光)を、ディテクタエレクトロニクス３２０のトラック固有のディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２及びＤＥＴＡＢＳ２へそれぞれ出力する。上述した通り、ディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２における空間変調された光パターンは、変調且つ空間的にフィルタされたフリンジパターンを備えている。当然のことながら、空間変調された光パターンの全てがスケール３１０と共に移動する。ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２、ＤＥＴＡＢＳ２及びＤＥＴＲＥＦ２各々に対応する光信号チャネルにおいて、個別のフォトディテクタ領域が、受信した空間変調された光パターンを空間的にフィルタして、信号(例えば、直交信号を生成するインクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２、又は信号補間をもたらす空間的な位相関係を有する他の周期信号)を示す所望の位置を提供するために配置される。幾つかの実施形態においては、個別のフォトディテクタ領域よりはむしろ、個別の開口を有する空間フィルタマスクが、比較的大きなフォトディテクタをマスクして、周知技術に従った類似の全体的なシグナル効果を提供するために説明した個別のフォトディテクタ領域に類似する光受信エリアを提供しても良い。
種々の用途において、ディテクタエレクトロニクス３２０及び光源３３０は、互いに固定された関係で、例えば読取ヘッダ又はゲージ筐体(図示せず)中に実装され、周知技術に従い、ベアリングシステムによりスケール３１０に関連する測定軸に沿って導かれる。種々の用途において、スケールは、ムービングステージ又はゲージスピンドル等に取り付けられても良い。
図４Ａ〜４Ｃは、図３のインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２に対応する光信号チャネルに関する種々の態様を示している。より具体的には、図４Ａは、位相格子３５０によって生成される照明フリンジパターンＩＦＰを示している。照明フリンジパターンＩＦＰは、ピッチＰＭＩ(例えば、５μｍ)を有するように示されている。図４Ｂは、スケールピッチＰＳＦ(例えば、４μｍ)を有するインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２を示している。図４Ｃは、検出平面ＤＰにおいて位相格子３５０及びインクリメンタルスケールトラックＴＩＮＣ２の組合せからの光によってもたらされるイメージ強度信号ＩＭＧ２のグラフ図である。図４Ｃに示すように、結果としてのイメージ強度は、変調されたイメージピッチＰＩＭＥＳＦ(例えば、２０μｍ)を有する全体的な正弦波のエンベロープパターンと共にうなり周波数を伴うモアレフリンジを含む。上述した通り、イメージ強度は、変調されたイメージピッチＰＩＭＥＳＦを伴うモアレ結像フリンジ用にほぼ正弦波のエンベロープ信号を生成するために、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２からの高周波信号ＨＦＳを除去するよう(例えば、開口部１８２によって)空間的にフィルタされている。
種々の実施形態において、開口部３５０は、開口が測定軸方向に沿った幅ＡＷを有し、ＡＷ＝Ｚ＊λ＊(ａ＊(Δｎ＋１)／(ＰＭＩＰＳＦ／((ＰＭＩ−ＰＳＦ)＊Ｍ))であるように構成される。ここで、ａは、０．５より大きく且つ４．０未満であり、Ｍは、結像構成３８０の倍率値であり、ディテクタ部は、その光路に沿った結像部から距離Ｚに位置する。例示的な実施形態において、エンコーダ構成３００のようなエンコーダは、少なくとも焦点距離Ｆの第２レンズを有する両側テレセントリック結像構成を備えても良い。このような実施形態において、Ｚは、第２レンズ３８３とディテクタ部３２５との間の距離であり、この距離は、Ｆ及び図３に示したような距離ｄ０'に相当する。代替の実施形態において、エンコーダは、片側テレセントリック結像構成を備えても良い。この場合、Ｍの値は、片側テレセントリックの実施形態においては開口部とディテクタ部との間の距離である距離Ｚに依存する。より詳細には、片側テレセントリック方式では、Ｚ＝ＦＭである。空間変調されたイメージ光は、値Δｎだけ異なる２つの回折次数の干渉から形成されるフリンジ(図４Ｃに詳細に示す)を備えている。幾つかの実施形態において、例えば、モアレイメージ強度信号ＩＭＧ２が、スケール光３３２のａ＋１及びａ−１回折次数要素の重複に由来しているならば、Δｎの値＝２である。他の例示的な実施形態においては、Δｎの値＝２は、１又は４であり得る。
当然のことながら、コヒーレント光を出力する光源を含むエンコーダ構成においては、変数ａは、０．５より大きな値を有するべきである。コヒーレント光を利用する実施形態においては、ａの値は、０．５より大きく且つ１．５未満であれば良い。コヒーレント光を利用する一の実施形態において、ａの値は１である。非コヒーレント光を利用する実施形態においては、ａの値は、１より大きく且つ４未満であれば良い。非コヒーレント光を利用する一の実施形態において、ａの値は２である。
イメージ強度信号ＩＭＧ２は、スケールピッチＰＳＦ及び照明フリンジピッチＰＭＩに依存する空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調される。ＰＳＦ及びＰＭＩは、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２のディテクタピッチＰｄと協調して選択され、以て光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、光源が非コヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立する。ここで、ｍは、ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数である。空間波長ＰＩＭＥＳＦは、スケールピッチＰＳＦより大きい。
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃの間に描画される一連の垂直参照ラインＶＲＬは、図４ＢのインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２を通過する図４Ａの照明フリンジパターンからの信号レベルの指標を提供し、結果としての図４Ｃのモアレイメージ強度中の信号強度に対応しているように見える。図４Ｄは、インクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２の図であり、説明のために、図４Ｃのモアレイメージ強度信号ＩＭＧ２のうなり周波数エンベロープのイメージがディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２に重ね合せられている。図４Ｄに示すように、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２は、直交信号を出力するよう、検出又はピッチＰｄの１周期内に在る４つのディテクタエレメントに接続されている。検出又はピッチＰｄの１周期は、モアレイメージ強度信号ＩＭＧ２の１周期ＰＩＭＥＳＦにも対応する。
図５及び図６は、以前特許文献１２に組み込まれた図２６及び図２７に含まれる基本的な設計参照情報を示している。種々の実施形態における開口サイズの選択に関して図５及び図６を使用することは、'９６９特許の開示に基づき理解され得るから、ここでは詳細には説明しない。但し、関連する教示が、この開示に照らして使用され得る。'９６９特許の開示の大部分は、非コヒーレント照明の観点からのものである。当業者は、結像系における非コヒーレント照明とコヒーレント照明の間の差異に関する周知の検討に基づいて、その教示に対して適切に適応するであろう。
図７は、図１のエンコーダ構成１００の実用的な実装の一実施形態であるエンコーダ構成７００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構成７００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図１のエンコーダ構成１００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図７において、図１中の一連の番号１ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号７ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。
図７に示すように、エンコーダ構成７００は、スケールエレメント７１０と、照明システム／部７６０と、両側テレセントリック結像構成７８０とを含む。照明システム／部７６０は、光の可視又は不可視波長を発する光源７３０(例えば、ＬＥＤ又は半導体レーザ)と、レンズ７４０と、ビームスプリッタ７５５を含む。両側テレセントリック結像構成７８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズアレイ７８１と、開口平面ＡＰにおける開口部品７８２'中の開口アレイ７８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズアレイ７８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス７２０とを備える。ディテクタエレクトロニクス７２０は、信号生成・処理回路(図示せず)へ接続しても良い。光源７３０も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路へ接続しても良い。
レンズアレイ７８１及び７８３並びに開口アレイ７８２に関し、当然のことながら、これらは、図１のエンコーダ構成１００の第１レンズ１８１、開口部１８２及び第２レンズ１８３と同様の個別要素を含む。図７中、各アレイにおいて、各個別要素は、同様に協調動作して、イメージチャネル又はイメージチャネル構成と呼称され得る個別のイメージパス又はチャネルを提供する。各イメージチャネルは、図１に関し上述したエンコーダ構成１００の単独のレンズ及び開口部に対して同様に機能する。図７の実施形態において、多重イメージチャネルは、単独のイメージチャネルの品質が劣化する或いは阻害される場合に、残りのイメージチャネルが依然として正確なスケールパターンの結像を提供し得るという点において、汚染、欠陥、スケール波形等に関するシステムのロバスト性のための付加的レベルを提供するのに利用される。
図７の実施形態において、スケールエレメント７１０は、図１に関し上述した、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１を含む３つのスケールトラックパターンから成るスケールパターン７１５を含む。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、非常に"粗い"ＡＢＳ分解能を有し得る。
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１のためには、一の実施形態において、そのインクリメンタルピッチが比較的粗く(例えば、２０μｍ)ても良い。図８を参照してより詳細に後述する如く、細かいピッチ(例えば、４μｍ)が、ここで開示する方法に従った同様のサイズのエンコーダ構成において実現され得る。図１０Ａを参照してより詳細に後述する如く、一の実施形態において、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は、一連のベーカーパターンとして形成されバーニア原点マークとしても機能するか、様々な周知技術に従って形成される一連の原点マークを備え得る。
ディテクタエレクトロニクス７２０は、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、ＴＲＥＦ１及びＴＩＮＣ１それぞれから光を受信するよう配置された、３つのディテクタトラックＤＥＴＡＢＳ１、ＤＥＴＲＥＦ１及びＤＥＴＩＮＣ１から成るディテクタ構成７２５を含む。ディテクタエレクトロニクス７２０は、信号処理回路(例えば、信号オフセット及び／又はゲイン調整、信号増幅、並びに結合回路等)を含んでも良い。一の実施形態において、ディテクタエレクトロニクス７２０は、単一のＣＭＯＳ ＩＣとして製造しても良い。
動作において、光源７３０から発せられた光７３１(一次光)は、レンズ７４０によって部分的又は全体的に平行化され得て、ビームスプリッタ７５５を介し、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、ＴＲＥＦ１及びＴＩＮＣ１を照らすのに十分なビーム領域上に導かれる。そして、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１用のイメージチャネルで例示すると、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１は、ビームスプリッタ７５５によりレンズアレイ７８１へ方向を変えられるスケール光７３２を提供する。当然のことながら、開口アレイ７８２の各限界開口は、Ｘ方向に沿って開口幅ＡＷを有し、(図２に関し上述したように)インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１用の所定のイメージチャネルを通過する光線を選択又は制限する空間フィルタとして機能する。図７に示す如く、各イメージチャネルのために、レンズアレイ７８１の対応するレンズが、光線を限界開口アレイ７８２の対応する開口部へ伝送する。そして、限界開口アレイ７８２の対応する開口部は、光線を、空間的にフィルタされたイメージ光７３３として第２レンズアレイ７８３の各レンズへ伝送する。第２レンズアレイ７８３の各レンズは、空間的にフィルタされたイメージ光を伝送及び集光して、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１の各位置に対応する空間変調された各光パターンを、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１の各位置にて形成する。
このように、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１は、照らされると、トラック固有に空間変調された一連の光パターンを、各イメージチャネルに対応する、ディテクタエレクトロニクス７２０のディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１の各位置へ出力する。空間変調された光パターンのイメージは、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１と同一平面上であり得るイメージ平面ＩＭＧＰにて形成される。
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの空間変調された光パターンのディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１上での結像と同様に、スケールトラックパターンＴＲＥＦ１及びＴＡＢＳ１は、レンズ７４０からの光で照らされると、トラック固有に空間変調された光パターン(例えば、各パターンに対応するパターン化された光)を、ディテクタエレクトロニクス７２０のトラック固有のディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ１及びＤＥＴＡＢＳ１へそれぞれ出力する。上述した通り、(例えば、ベーカーパターンを有する)原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は、特定のインクリメンタル波長を示すよう分解でき、以てインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの波長を、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１からのアブソリュートマークに対して明確にする。ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１、ＤＥＴＡＢＳ１及びＤＥＴＲＥＦ１の各々においては、個別のフォトディテクタ領域が、受信した空間変調された各光パターンを空間的にフィルタして、信号(例えば、直交信号を生成するインクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１、又は信号補間をもたらす空間的な位相関係を有する他の周期信号)を示す所望の位置を提供するために配置される。
種々の用途において、ディテクタエレクトロニクス及び光源は、互いに固定された関係で、例えば読取ヘッダ又はゲージ筐体(図示せず)中に実装され、周知技術に従い、ベアリングシステムによりスケール７１０に関連する測定軸に沿って導かれる。種々の用途において、スケールは、ムービングステージ又はゲージスピンドル等に取り付けられても良い。図７に示す構成は、反射的な構成である。すなわち、光源及びディテクタエレクトロニクスは、スケール７１０と同側に配置され、周知技術に従って、角度のある照明及び反射のために設置される。よって、スケールパターン７１５は、空間変調された光パターンを反射によってディテクタトラックへ出力する光吸収部及び光反射部(例えば、周知の反射技術を用いて基板上に組み上げられる)を備えている。当然のことながら、同様の構成要素が透過的な実施形態(例えば、図１参照)において配置され得る。
図８は、図３のエンコーダ構成３００の実用的な実装の一実施形態であるエンコーダ構成８００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構成８００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図３のエンコーダ構成３００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図８において、図３中の一連の番号３ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号８ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。
図８に示すように、エンコーダ構成８００は、スケールエレメント８１０と、照明システム／部８６０と、両側テレセントリック結像構成８８０とを含む。照明システム／部８６０は、光の可視又は不可視波長を発する光源８３０(例えば、ＬＥＤ又は半導体レーザ)と、レンズ８４０と、位相格子８５０と、ビームスプリッタ８５５を含む。より詳細に後述する如く、一の実施形態において、位相格子８５０は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２用であるが、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２用では無い光チャネル内に位置及び配置しても良い。両側テレセントリック結像構成８８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズアレイ８８１と、開口平面ＡＰにおける開口アレイ８８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズアレイ８８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス８２０とを備える。当然のことながら、レンズアレイ８８１及び８８３並びに開口アレイ８８２は、図７に関し上述したレンズアレイ７８１及び７８３並びに開口アレイ７８２と同様に配置されて機能する。ディテクタエレクトロニクス８２０は、信号生成・処理回路(図示せず)へ接続しても良い。光源８３０も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路へ接続しても良い。
図８の実施形態において、スケールエレメント８１０は、図３に関し上述した、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２を含む３つのスケールトラックパターンから成るスケールパターン８１５を含む。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、比較的"粗い"ＡＢＳ分解能を有し得る。図３に関し上述した通り、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、ここに開示する空間フィルタリング及び結像原理に従って、利用され結像される。
図８に示すように、ディテクタエレクトロニクス８２０は、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、ＴＲＥＦ２及びＴＩＮＣ２それぞれから光を受信するよう配置された、３つのディテクタトラックＤＥＴＡＢＳ２、ＤＥＴＲＥＦ２及びＤＥＴＩＮＣ２から成るディテクタ構成８２５を含む。ディテクタエレクトロニクス８２０は、信号処理回路(例えば、信号オフセット及び／又はゲイン調整、信号増幅、並びに結合回路等)を含んでも良い。一の実施形態において、ディテクタエレクトロニクス８２０は、単一のＣＭＯＳ ＩＣとして製造しても良い。
動作において、光源８３０から発せられた光８３１(一次光)は、レンズ８４０によって部分的又は全体的に平行化され得て、ビームスプリッタ８５５を介し、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、ＴＲＥＦ２及びＴＩＮＣ２を照らすのに十分なビーム領域上に導かれ得る。位相格子８５０は、ソース光を回折して、回折された構造化光８３１'を(アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２では無く) 原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２へ与えるように形成される。そして、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用のイメージチャネルで例示すると、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、ビームスプリッタ８５５によりレンズアレイ８８１へ方向を変えられるスケール光８３２を出力する。当然のことながら、開口アレイ８８２の各限界開口は、Ｘ方向に沿って開口幅ＡＷを有し、(図４に関し上述したように)所定のイメージチャネルを通過する光線を選択又は制限する空間フィルタとして機能する。換言すると、上述した通り、空間フィルタリングは、位相格子及びインクリメンタルスケールトラックパターンによって生成されたイメージの高周波部分を効果的にぼやけさせ、この結果、残りの信号が、主として、構造化された照明のフリンジピッチとスケール格子のピッチとの間のうなり周波数と考えられ得る変調から成る。結果としての変調されたイメージピッチは、うなり周波数エンベロープの周期の測定である。
図８に示す如く、各イメージチャネルのために、レンズアレイ８８１の対応するレンズが、光線を限界開口アレイ８８２の対応する開口部へ伝送する。限界開口アレイ８８２の対応する開口部は、光線を、空間的にフィルタされたイメージ光８３３として第２レンズアレイ８８３の各レンズへ伝送する。第２レンズアレイ８８３の各レンズは、空間的にフィルタされたイメージ光を伝送及び集光して、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２の各位置に対応する空間変調された各光パターンを、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２の各位置にて形成する。図４に関し上述した通り、ここに開示する原理に従って、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２における空間変調された光パターンは、変調且つ空間的にフィルタされた結像フリンジパターンを備えている。
同様に、スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びＴＡＢＳ２は、照らされると、トラック固有に空間変調された光パターンを、ディテクタエレクトロニクス８２０のトラック固有のディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２及びＤＥＴＡＢＳ２へそれぞれ出力する。上述した通り、ディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２における空間変調された光パターンも、変調且つ空間的にフィルタされた結像フリンジパターンを備えている。当然のことながら、空間変調された光パターンの全てがスケール８１０と共に移動する。ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２、ＤＥＴＡＢＳ２及びＤＥＴＲＥＦ２の各々に対応する光信号チャネルにおいて、個別のフォトディテクタ領域が、受信した空間変調された各光パターンを空間的にフィルタして、信号(例えば、直交信号を生成するインクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２、又は信号補間をもたらす空間的な位相関係を有する他の周期信号)を示す所望の位置を提供するために配置される。
種々の用途において、ディテクタエレクトロニクス８２０及び光源８３０は、互いに固定された関係で、例えば読取ヘッダ又はゲージ筐体(図示せず)中に実装され、周知技術に従い、ベアリングシステムによりスケール８１０に関連する測定軸に沿って導かれる。種々の用途において、スケールは、ムービングステージ又はゲージスピンドル等に取り付けられても良い。図８に示す構成は、反射的な構成である。すなわち、光源８３０及びディテクタエレクトロニクス８２０は、スケール８１０と同側に配置され、周知技術に従って、角度のある照明及び反射のために設置される。よって、スケールパターン８１５は、空間変調された光パターンを反射によってディテクタトラックへ出力する光吸収部及び光反射部(例えば、周知技術を用いて基板上に組み上げられる)を備えている。当然のことながら、同様の構成要素が透過的な実施形態(例えば、図３参照)において配置され得る。
図９は、図８のエンコーダ構成８００の位相格子部の代替の実施形態を示すエンコーダ構成９００の図である。図９に示すように、エンコーダ構成９００は、スケールエレメント９１０と、光源９３０と、レンズ９４０と、２つの位相格子９５０Ａ及び９５０Ｂと、ビームスプリッタ９５５とを含む。図８のエンコーダ構成８００からの主たる差異は、エンコーダ構成９００が、単独の位相格子８５０を利用するよりむしろ、２つの位相格子９５０Ａ及び９５０Ｂを利用することである。一の実施形態において、位相格子９５０Ａが、０．９２μｍの位相格子であり得る一方、位相格子９５０Ｂは、空隙を伴う(カップリングされていない)０．８４μｍの位相格子であり得る。この構成は、ビーム結合器がビームを完全に別個には分割する必要が無いという点において、コンパクトな設計を可能にする。一の具体的な実施形態においては、位相格子９５０Ａ及び９５０Ｂを介した光伝送の後、光フリンジが、特定の周期(例えば、５μｍ)で生成され、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣのピッチ(例えば、４μｍ)と相まって、特定の周期(例えば、２０μｍ)で変調且つ空間的にフィルタされたフリンジを生成する。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ、図１及び図３のエンコーダ構成のスケールトラックパターン配置の図である。図１０Ａに示すように、スケールトラックパターン配置１０００Ａは、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１と、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１と、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１とを含む。上述した通り、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１は、絶対的な測定範囲に亘る絶対位置を決定するのに利用可能な信号を提供するものであり、図１０Ａの実施形態においては、スケールトラックパターンに沿った絶対位置を示すコード化された信号部分を含むように示されている。
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１のため、そのインクリメンタルピッチが比較的粗く(例えば、２０μｍ)示されている。図１０Ａに示す原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１の部分においては、４つの原点マークパターンＲＭ１Ａ〜ＲＭ１Ｄが、特定の間隔で発生するように示されている。一の実施形態において、原点マークは、ベーカーパターンとして形成され、様々な周知技術に従って形成され得る。原点マークは、バーニア原点マークとしても機能し得る。上述した通り、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は、特定のインクリメンタル波長を示すことが可能なレベルへ分解でき、以て(例えば、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの)インクリメンタル波長を、(例えば、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１からの)アブソリュートマークに対して明確にする。図１０Ａに示すように、スケールが、全体的な幅寸法Ｘ１を有する一方、スケールトラックパターンＴＡＢＳ１、ＴＲＥＦ１及びＴＩＮＣ１によりカバーされる領域は、幅寸法Ｘ２を有する。具体的な実施形態においては、寸法Ｘ１が１３ミリメートルに等しい一方、寸法Ｘ２は３．９ミリメートルに等しい。
図１０Ｂに示すように、スケールトラックパターン配置１０００Ｂは、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２と、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２と、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２とを含む。スケールトラックパターンのための種々の可能な寸法及び構成は、図１１に関してより詳細に後述される。大略、同然のことながら、スケールトラックパターン配置１０００Ｂは、スケールトラックパターン配置１０００Ａ用に設計されたエンコーダ構成へ代用することが可能なように、図１０Ａのスケールトラックパターン配置１０００Ａと略同一サイズで設計される。図１０Ｂに示すように、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２は、絶対的な測定範囲に亘る絶対位置を決定するのに利用可能な信号を提供し、図１０ＡのアブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１と同様のコード化された部分を備え得る。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、非常に粗いＡＢＳ分解能を有し得る。
図１０Ｂに示すように、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、図１０ＡのインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１のピッチ(例えば、２０μｍ)と比して、非常に細かいピッチ(例えば、４μｍ)を有するように示されている。図１０Ｂに示す原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２の部分は、一連の４つの原点マークパターンＲＭ２Ａ〜ＲＭ２Ｄを含むように示されている。原点マークパターンＲＭ２Ａ〜ＲＭ２Ｄは、様々な周知技術に従って、ベーカーパターンとして形成され得る。原点マークパターンは、バーニア原点マークとしても機能し得る。原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用の特定のインクリメンタル波長を示すことが可能なレベルへ分解できるよう設計され、以てインクリメンタル波長を、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２からのアブソリュートマークに対して明確にする。一の実施形態において、原点トラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルトラックパターンＴＩＮＣ２の変調且つ空間的にフィルタされたイメージの組合せは、測定された合成位相が正しいインクリメンタルスケールトラックパターン・サイクルを指し示す(例えば、測定された零の合成位相は、当該位相に対応する正しいインクリメンタルサイクルを示し得る)合成波長を作成する。
一例として、図１０Ｂの実施形態においては、原点マークパターンＲＭ２Ａ〜ＲＭ２Ｄの各々が、対応する位相マーカーＰＨＳ２Ａ〜ＰＨＳ２Ｄを有するように示されている。位相マーカーＰＨＳ２Ａ〜ＰＨＳ２Ｄの各々は、位置毎に完全に位置合せされた位相が発生するポイントを示している。換言すると、原点トラックパターンＴＲＥＦ２においては、原点マークパターン(例えば、ＲＭ２Ａ〜ＲＭ２Ｄ)が選択された間隔(例えば、６ミリメートル)で設けられる。(位相マーカーＰＨＳ２Ａ〜ＰＨＳ２Ｄが発生する各パターンの中心における)各原点マークパターンの位相は、特定の距離(例えば、６ミリメートル)だけ離れた位置におけるインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２の位相と一致する(又は、当該位相から一定の位相オフセットを有する)。インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２の合成位相は、原点マークパターン長より大きい(すなわち、個別のベーカーパターン各々の長さより大きい)。
上述した通り、(原点マークパターンを有する)原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２と同種の変調且つ空間的にフィルタされたイメージを生成するよう設計されている。変調且つ空間的にフィルタされたイメージを生成するために、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２のピッチに近いピッチ(例えば、４μｍのインクリメンタルスケールトラックピッチ及び４．１μｍの原点スケールトラックピッチと比して、５μｍの位相格子ピッチ)を有する位相格子を用いる。結果としての位相格子及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２からの変調且つ空間的にフィルタされたイメージのフリンジ周期は、比較的粗く(例えば、２０μｍ)、位相格子及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２により生成される変調且つ空間的にフィルタされたイメージのフリンジ周期(例えば、２２．７７μｍ)と僅かに異なり得る。
原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２に、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２のピッチ(例えば、４。０μｍ)と比して僅かに異なるピッチ(例えば、４．１μｍ)を持たせることにより、原点スケールトラックパターンの位相は、特定の長さに沿った一つの特定ポイントのみでインクリメンタルスケールトラックパターンの位相と一致するであろう(例えば、位相マーカーＰＨＳ２Ａ〜ＰＨＳ２Ｄで示す如く、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２内のベーカーパターン長に沿った一つのポイントで一致するのみである)。位相が一致する位置は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用の特定のインクリメンタル波長を規定する。
上述した通り、比較的細かいピッチ(例えば、４μｍ)を有し、選択されたピッチ(例えば、５μｍ)を有する位相格子で生成された構造化光によって結像されるインクリメントスケールトラックパターンを利用することにより、比較的粗く変調されたイメージピッチ(例えば、２０μｍ)を有する変調且つ空間的にフィルタされたパターンを生成できる。当然のことながら、このような実施形態においては、選択比(例えば、５対１)が、変調されたイメージピッチ(例えば、２０μｍ)とインクリメンタルスケールトラックパターンのピッチ(例えば、４μｍ)の間に存在する。選択された実施形態においては、インクリメンタルスケールトラックパターンに関する高分解能を、以前により粗いインクリメンタルスケールトラックピッチ用に設計されたエンコーダ構成で利用可能にするために、略５対１の比、或いはより高い比(例えば、１０対１、２０対１等)が望まれ得る。
図１１は、図３のエンコーダ構成用の種々のスケール及びディテクタトラックの組合せのためのパラメータを示すテーブル１１００である。図１１に示す如く、第１の実装のために、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、ｐ＝４μｍのピッチを有するように示されており、対応する位相格子は、フリンジ周期Ｓ＝５μｍの構造化光を作成する。変調且つ空間的にフィルタされたイメージがもたらす結像フリンジ周期は、ｆ＝２０μｍである。(補間の必要レベルを示す)補間係数は、Ｋ＝４０である。ディテクタエレメントは、ピッチｄ＝１５μｍを有するよう設計される。当然のことながら、幾つかの実施形態においては、ディテクタエレメントのピッチが、フリンジ周期ｆの１／４、１／３、２／３又は３／４となるように設計しても良い。一の実施形態において、ディテクタエレメントのピッチは、２０μｍのフリンジの３／４になり得る(この例では、ディテクタエレメントピッチｄ＝１５μｍ)。
第１の実装における原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２のために、各ベーカーパターン内のエレメントのピッチが、ｐ'＝４．１μｍである一方、対応する位相格子は、(インクリメンタルスケールトラックパターンと同様の)フリンジ周期Ｓ＝５μｍで構造化光を作成する。原点スケールトラックパターンを介した位相格子からの構造化光の組合せによって生成される結像フリンジ周期は、変調且つ空間的にフィルタされた結像フリンジ周期ｆ'＝２２．７７μｍを生成する。補間係数は、Ｋ＝４０である。ディテクタエレメントのピッチは、ｄ'＝１７μｍである。インクリメンタルスケールトラックパターン及び原点スケールトラックパターンの併用のため、バーニア合成波長(ｆｆ'／(ｆ−ｆ'))は、１６４μｍに等しい。原点スケールトラックパターンの各ベーカーパターンの長さは、Ｌ＝１３６μｍである(ピッチｐ'＝４．１μｍで３３ラインを有する)。当然のことながら、幾つかの実施形態において、ベーカーパターン中のライン数は、十分な可視フリンジ(すなわち、非常に十分な量のうねり周波数エンベロープ部分)を形成する必要があり得て、ディテクタトラックで生成される変調且つ空間的にフィルタされたイメージの一部として適切に検出することができる。トラック及び領域毎のイメージアレイ中のディテクタエレメントの数、及びそのトータル長に関しては、インクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１のために、セット毎に８つのエレメント(１２０μｍのトータル長)が存在する。また、原点ディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ１のために、セット毎に８つのエレメント(１３６μｍのトータル長)が存在する。ベーカーパターン間のインクリメンタルサイクルの数は、１５０である。
図１１に示す如く、第２の実装のために、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、ｐ＝８μｍのピッチを有するように示されており、対応する位相格子は、フリンジ周期Ｓ＝１０μｍの構造化光を作成する。変調且つ空間的にフィルタされたイメージがもたらす結像フリンジ周期は、ｆ＝４０μｍである。補間係数は、Ｋ＝２７．６である。ディテクタエレメントは、ピッチｄ＝１０μｍを有するよう設計される。一の実施形態において、ディテクタエレメントのピッチは、４０μｍのフリンジの１／４になり得る(この例では、ディテクタエレメントピッチｄ＝１０μｍ)。
第２の実装における原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２のために、各ベーカーパターン内のエレメントのピッチが、ｐ'＝８．３μｍである一方、対応する位相格子は、(インクリメンタルスケールトラックパターンと同様の)フリンジ周期Ｓ＝１０μｍで構造化光を作成する。原点スケールトラックパターンを介した位相格子からの構造化光の組合せによって生成される結像フリンジ周期は、変調且つ空間的にフィルタされた結像フリンジ周期ｆ'＝４８．８μｍを生成する。補間係数は、Ｋ＝２７．６である。ディテクタエレメントのピッチは、ｄ'＝１２．２μｍである。インクリメンタルスケールトラックパターン及び原点スケールトラックパターンの併用のため、バーニア合成波長(ｆｆ'／(ｆ−ｆ'))は、２２１．３μｍに等しい。原点スケールトラックパターンの各ベーカーパターンの長さは、Ｌ＝略１９５μｍである(ピッチｐ'＝４．１μｍで２３ラインを有する)。トラック及び領域毎のイメージアレイ中のディテクタエレメントの数、及びそのトータル長に関しては、インクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２のために、セット毎に１６個のエレメント(１６０μｍのトータル長)が存在する。また、原点ディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２のために、セット毎に１６個のエレメント(１９５μｍのトータル長)が存在する。ベーカーパターン間のインクリメンタルサイクルの数は、７５である。
図１２は、アメリカ合衆国付与前特許公報２０１１／００３１３８３ Ａ１号('３８３公開)として公開されたアメリカ合衆国特許出願１２／５３５，５６１('５６１出願)に含まれる図面の実質的なコピーであり、参照によって本明細書に取り込まれる。図１２は、'５６１出願の開示に基づいて理解され得るため、ここでは詳細には説明しない。但し、関連する教示が、ここで開示する原理に照らして使用され得る。
簡潔に述べると、図１２は、両側テレセントリックエンコーダ結像配置７７０−１のイメージチャネル２８０−１を介した異なる光路を示す概略断面図７００である。配置７７０−１は、ここに示した両側テレセントリック結像構成３８０、８８０及び１３８０に類似している。参照によって本明細書に取り込まれる特許文献１３('７８９出願)は、第１レンズ(又はレンズアレイ)と同様の形式であり、光軸に沿って第１レンズ対して反転された第２レンズ(又はレンズアレイ)を利用し、以て２つの類似するレンズのレンズ収差を互いにほぼ補正して、結果としてのイメージにおける収差を低減する両側テレセントリックエンコーダ構成の種々の実施形態を開示している。当然のことながら、'７８９特許の教示は、スケールパターンのイメージにおける空間歪み、すなわち、イメージにおけるパターン特性の位置の歪みを引き起こすレンズ収差の補正のみに対処するものである。図１２に示す実施形態は、第１レンズ２１０−１及び第２レンズ２１０−１'が同様の収差を有する場合に、イメージにおける空間歪みの同種の補正を提供する。しかしながら、レンズ収差に因りイメージ中に出現し得る干渉効果に関連して、より扱いの難しい問題が生じ得る。'７８９特許は、この問題に対処していない。'５６１出願は、この問題に対処しておらず、その教示は種々の実施形態に適用可能である。特に、遮光及び開口寸法に関するこれらの教示は、適切な適応で、ここに開示する原理に係る幾つかの実施形態において適用され得る。
図１３Ａ及び１３Ｂは、ここに開示する原理に係るエンコーダ構成の実用的な実装の他の実施形態である構成１３００を示している。エンコーダ構成１３００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図３のエンコーダ構成３００及び／又は図８のエンコーダ構成８００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図１３において、図３中の一連の番号３ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号１３ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下又は図１３で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。一の実施形態において、図面に示すレイアウトの寸法関係は互いの実際の例示的な比率で示されているが、このような関係は、種々の他の実施形態において変更され得る。一の実施形態において、参考までに、寸法ＤＩＭＺは略２６．４ｍｍであり得て、寸法ＤＩＭＹは略４８ｍｍであり得る。寸法ＧＡＰは略１ｍｍであり得る。一の実施形態において、他のおおよその寸法は、これらの寸法に基づいて計測され得る。当然のことながら、本実施形態は、単なる例示であり、限定では無い。
図１３に示すように、エンコーダ構成１３００は、スケールエレメント１３００と、照明システム／部１３６０と、両側テレセントリック結像構成１３８０とを含む。照明システム／部１３６０は、光１３３１の可視又は不可視波長(例えば、一の実施形態においては、レーザ用の６５５μｍの波長)を発する光源１３３０(例えば、半導体レーザやＬＥＤ等)と、開口部１３３５と、コリメートレンズ１３４０(又は、少なくともＸＹ平面において略コリメートするもの)と、偏光ビームスプリッタ１３９０と、ビームダンプ１３９２と、反射板１３４２と、開口エレメント１３４５と、反射板１３４４と、位相格子１３５０と、ビームスプリッタ１３５５を含む。両側テレセントリック結像構成１３８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズ１３８１と、開口平面ＡＰにおける開口部品１３８２'開口部１３８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズ１３８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス１３２０とを備える。ディテクタエレクトロニクス１３２０は、信号生成・処理回路(図示せず)へ接続しても良い。光源１３３０も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路へ接続しても良い。
動作において、光源１３３０から発せられた光１３３１(例えば、一次光)は、光１３３１のストレイ部分を遮断し得る開口部１３３５を介して伝送される。一の実施形態において、開口部１３３５は、４ｍｍの直径を有し得る。伝送された光は、レンズ１３４０によって略又は完全にコリメートされ得て、ビームスプリッタ１３４１によって導かれる。Ｚ偏光は、光１３３１Ｚとして、偏光ビームスプリッタ１３９０を通過する。偏光ビームスプリッタ１３９０は、ストレイ光が光源１３３０へ反射するのを防止するよう構成されている。このようなストレイ光は、偏光ビームスプリッタ１３９０により、ビームダンプ１３９２へ向かうビーム１３９１として反射される。
光１３３１Ｚは、Ｚ偏光された入射光をＲ円偏光１３３１Ｃへ変換する４分の１波長板１３９３を通過する。光路に沿って後段のエレメントにより反射され得る光は、Ｌ円偏光として返され、４分の１波長板１３９３を介して戻るＸ偏光となる。このようなＸ偏光された反射光は、偏光ビームスプリッタ１３９０により遮断されてビームダンプ１３９２へ導かれ、以て光源１３３０を妨害するためには戻らず、他の無関係な光線を作成することも無い。
光１３３１Ｃは、反射板１３４２によって反射され、開口エレメント１３４５を介して導かれる。開口エレメント１３４５は、光ビーム１３３１Ｃを成形し、以て光ビーム１３３１Ｃが、反射板１３４４によって反射され且つ位相格子１３５０を通過して回折された構造化光１３３１'となった後に、スケール１３１０の所望の位置(例えば、所望のトラック位置)を照らすようにする。一の実施形態において、開口部１３４５は、６ｍｍのＸ幅と、１．５ｍｍのＹ幅を有し得る。
光源１３３０が６５５μｍ波長の光を発する半導体レーザである一の実施形態において、スケールエレメントは、４．００μｍの格子ピッチを有し得て、位相格子１３５０は、４．４４μｍの格子ピッチを有し、零次光を遮断するよう構成され得る。結果としての振幅変調は、略２０μｍの周期を有し得る。
そして、スケールエレメント１３１０は、そのスケール格子エレメントからの回折された構造化光を反射して、スケール光１３３２を提供する。スケール光１３３２は、前述した変調を含み、ビームスプリッタ１３５５を介し、両側テレセントリック結像構成１３８０によってディテクタ上で結像されるように導かれる。両側テレセントリック結像構成１３８０は、前述した原理に従って、スケール光１３３２を空間的にフィルタするように機能する。この結果、ディテクタ１３２０のディテクタエレメントの空間フィルタ周期と略一致する振幅変調の周期は、最終的にはディテクタ１３２０の信号に信号変動を引き起こす、スケール光１３３２の一次強度変調である。一の実施形態において、両側テレセントリック結像構成１３８０の開口部１３８２は、略１ｍｍの直径を有し、スケール光１３３２の零次及び一次要素を遮断するために、振幅変調要素よりも高い空間周波数を有するスケール光１３３２の空間周波数要素の所望のフィルタリングを提供し得る。これを説明する他の方法は、開口部１３８２が、位相格子及び／又はスケール格子の結像を防止するよう構成されることである。
図１４は、コヒーレント光源を含むエンコーダ構成１４００の実施形態における種々のビームパスの参照図を示している。エンコーダ構成１４００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図３のエンコーダ構成３００及び／又は図８のエンコーダ構成８００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図１４において、図３中の一連の番号３ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号１４ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下又は図１４で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。図１４に示すように、光源は、ソース光１４３１を発する。位相格子１４５０は、ソース光を、種々の回折次数の光線束から成る構造化された照明１４３１'へ分割する。図１４は、干渉して照明フリンジピッチＰｉを提供する、＋１次の光線束１４３１ｐ及び−１次の光線束１４３１ｐを示している。当然のことながら、付加的な次数の光線束が構造化された照明１４３１'に存在する。しかしながら、簡略化のため、図１４には＋１次及び−１次のみが示されている。スケール１４１０は、構造化された照明１４３１'を受信し、周期Ｐｅから成るエンベロープを有するフリンジを備えたスケール光１４３２を出力する。周期Ｐｅは、スケールフリンジピッチＰｉ及びスケールピッチＰｇの観点から、Ｐｅ＝ＰｇＰｉ／(２Ｐｉ−Ｐｇ)として導出され得る。当然のことながら、幅は、非コヒーレント光の場合にはＰｉである２Ｐｉとの文言を含む。
本発明の種々の実施形態を示して説明したが、本開示に基づき、示し且つ説明した特徴の構成及び動作のシーケンスにおける非常に多くのバリエーションは、本開示に基づき当業者にとって明らかであろう。よって、当然のことながら、本発明の精神と範囲から逸脱すること無く種々の変更が成され得る。
独占的な権利又は特権を主張する本発明の実施形態は、下記の特許請求の範囲にて定義される。
この出願は、２０１１年１２月２３日に出願されたアメリカ合衆国特許出願６１／５８０，１３３、及び２０１２年１２月１７日に出願されたアメリカ合衆国特許出願１３／７１７，５８６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１００, ３００, ７００, ８００, ９００, １３００ エンコーダ構成
１１０, ３１０, ７１０, ８１０, ９１０, １３１０ スケールエレメント
１１５, ３１５ スケールパターン
１２０, ３２０, ７２０, ８２０, １３２０ ディテクタエレクトロニクス
１２５, ３２５, ７２５, ８２５ ディテクタ構成
１２６, ３２６ 信号処理回路
１３１, ３３１, ７３１, ８３１, １３３１, １４３１ 光
１３２, ３３２, ７３２, ８３２, １４３２ スケール光
１３３, ３３３, ７３３, ８３３ 空間的にフィルタされたイメージ光
１４０, ３４０, ７４０, ８４０, ９４０ レンズ
１８０, ３８０, ７８０, ８８０, １３８０ 両側テレセントリック結像構成
１８１, ３８１ 第１レンズ
１８２, ３８２, １３３５ 開口部
１８３, ３８３ 第２レンズ
１９０, ３９０ 信号生成・処理回路
３３０, ７３０, ８３０, ９３０, １３３０ 光源
３５０, ８５０, ９５０Ａ, ９５０Ｂ, １３５０, １４５０ 位相格子
３６０, ７６０, ８６０, １３６０ 照明システム／部
７５５, ８５５, ９５５, １３５５, １３９０ ビームスプリッタ
７７０ 両側テレセントリックエンコーダ結像配置
７８１, ８８１, １３８１ 第１レンズアレイ
７８２, ８８２, １３８２ 開口アレイ
７８３, ８８３, １３８３ 第２レンズアレイ
１１００ テーブル
１３４０ コリメートレンズ
１３４２, １３４４ 反射板
１３９１ ビーム
１３９２ ビームダンプ
１３９３ ４分の１波長板
１４１０ スケール
ここで開示する種々の実施形態において、２つのメンバ間の相対的な変位を測定するデバイス(すなわち、光学式変位エンコーダ)は、測定軸方向に沿って広がり、スケールピッチＰＳＦを有するスケール格子と、波長λを有する光を出力する光源と、前記光が入力されると共に、前記測定軸方向に横に方向付けられ、且つ前記スケール格子と一致する平面において前記測定軸方向に沿って照明フリンジパターンＰＭＩを有する照明フリンジパターンを含む構造化照明を、前記スケール格子へ出力する構造化照明格子部と、を含む照明源と、前記スケール格子から出力された使用可能な空間変調されたイメージ光を受信すると共に、前記スケール格子が前記照明源からの前記構造化照明により照らされている場合に、前記空間変調されたイメージ光の使用可能な周期結像を出力するよう設置された結像部と、前記使用可能な周期結像の異なる位相をそれぞれ受信するよう設置され、且つ前記測定軸方向に沿って、特定のディテクタ信号位相に対応したディテクタエレメント間のピッチに対応するディテクタピッチＰｄを有する一連の光ディテクタを含むディテクタ部と、を備える。前記結像部は、前記スケール格子から伝送される前記空間変調されたイメージ光を受信するよう設置され、且つ自レンズと前記ディテクタ部との間に位置する焦点を定義する焦点距離Ｆを有する第１のレンズと、前記第１のレンズと前記ディテクタ部との間において、略、前記焦点距離Ｆに設置された開口部と、を備える。前記開口部は、前記測定軸方向に沿って、Ｗ＝Ｆ＊λ＊(ａ＊／(ＰＭＩＰＳＦ／(ＰＭＩ−ＰＳＦ)))を満たす幅ＡＷを有して構成され、ａは、２．０より大きく且つ６．０未満である。前記空間変調されたイメージ光は、値Δｎだけ異なる２つの回折次数の干渉から形成されるフリンジを含む。前記スケール格子は、前記構造化光が入力されると共に、前記スケールピッチＰＳＦ及び前記照明フリンジパターンＰＭＩに依存した空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調された構造化照明を含む前記空間変調されたイメージ光を出力し、ＰＳＦ及びＰＭＩは、前記ディテクタピッチＰｄと協調して選択されて、前記光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、前記光源がコヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、ｍは、前記ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数であり、前記空間波長ＰＩＭＥＳＦは、前記スケールピッチＰＳＦより大きい。
イメージ強度信号ＩＭＧ２は、スケールピッチＰＳＦ及び照明フリンジピッチＰＭＩに依存する空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調される。ＰＳＦ及びＰＭＩは、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２のディテクタピッチＰｄと協調して選択され、以て光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、光源がコヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立する。ここで、ｍは、ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数である。空間波長ＰＩＭＥＳＦは、スケールピッチＰＳＦより大きい。

Claims (19)

  1. ２つのメンバ間で相対的な変位を測定する装置であって、
    測定軸方向に沿って広がり、スケールピッチＰＳＦを有するスケール格子と、
    波長λを有する光を出力する光源と、前記光が入力されると共に、前記測定軸方向に横に方向付けられ、且つ前記スケール格子と一致する平面において前記測定軸方向に沿って照明フリンジパターンＰＭＩを有する照明フリンジパターンを含む構造化照明を、前記スケール格子へ出力する構造化照明格子部と、を含む照明源と、
    前記スケール格子から出力された使用可能な空間変調されたイメージ光を受信すると共に、前記スケール格子が前記照明源からの前記構造化照明により照らされている場合に、前記空間変調されたイメージ光の使用可能な周期結像を出力するよう設置された結像部と、
    前記使用可能な周期結像の異なる位相をそれぞれ受信するよう設置され、且つ前記測定軸方向に沿って、特定のディテクタ信号位相に対応したディテクタエレメント間のピッチに対応するディテクタピッチＰｄを有する一連の光ディテクタを含むディテクタ部と、を備え、
    前記結像部は、
    その光路に沿って前記結像部から距離Ｚに設置されたディテクタ部と、
    前記スケール格子から伝送される前記空間変調されたイメージ光を受信するよう設置され、且つ自レンズと前記ディテクタ部との間に位置する焦点を定義する焦点距離Ｆを有する第１のレンズと、
    前記第１のレンズと前記ディテクタ部との間において、略、前記焦点距離Ｆに設置された開口部と、を含み、
    前記空間変調されたイメージ光は、値Δｎだけ異なる２つの回折次数の干渉から形成されるフリンジを含み、
    前記開口部は、前記測定軸方向に沿って、ＡＷ＝Ｚ＊λ＊(ａ＊(Δｎ＋１)／(ＰＭＩＰＳＦ／((ＰＭＩ−ＰＳＦ)＊Ｍ))を満たす幅Ｗを有して構成され、Ｍは、前記結像部の倍率値であり、ａの値は、０．５より大きく且つ４．０未満であり、
    前記スケール格子は、前記構造化光が入力されると共に、前記スケールピッチＰＳＦ及び前記照明フリンジパターンＰＭＩに依存した空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調された構造化照明を含む前記空間変調されたイメージ光を出力し、ＰＳＦ及びＰＭＩは、前記ディテクタピッチＰｄと協調して選択されて、前記光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、前記光源がコヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、
    ｍは、前記ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数であり、前記空間波長ＰＩＭＥＳＦは、前記スケールピッチＰＳＦより大きい、
    装置。
  2. 請求項１において、Δｎ＝２であることを特徴とした装置。
  3. 請求項１において、Δｎ＝１であることを特徴とした装置。
  4. 請求項１において、Δｎ＝４であることを特徴とした装置。
  5. 請求項１において、
    前記結像部は、焦点距離Ｆｓを有する第２のレンズをさらに含み、前記第２のレンズは、前記開口部と前記ディテクタ部の間において、前記開口部から前記焦点距離Ｆｓ且つ前記ディテクタ部から前記距離Ｚに設置され、前記開口部からの光を受信すると共に、前記使用可能な周期結像を形成するよう構成されている、
    ことを特徴とした装置。
  6. 請求項５において、
    前記第２のレンズは、前記第１のレンズと名目上同一の光学特性を有し、Ｆｓ＝Ｆが成立し、Ｚ＝Ｆｓが成立し、前記第１及び第２のレンズは、前記開口部の位置に関し対称的に方向付けられる、
    ことを特徴とした装置。
  7. 請求項１において、
    前記開口部は、前記ディテクタ部から前記距離Ｚに位置する、
    ことを特徴とした装置。
  8. 請求項１において、
    ｍは、３及び４の一方に等しく、
    ｋは、１、３及び５の一つに等しい、
    ことを特徴とした装置。
  9. 請求項１において、
    前記スケールピッチＰＳＦは、８μｍ未満である、
    ことを特徴とした装置。
  10. 請求項１において、
    前記照明フリンジピッチＰＭＩは、８μｍ未満である、
    ことを特徴とした装置。
  11. 請求項１において、
    前記照明部と前記スケール格子の間に位置すると共に、前記構造化照明を前記スケール格子へ伝送し、前記スケール格子から出力される空間変調されたイメージ光を受信し、前記空間変調されたイメージ光を前記結像部へ出力するよう構成されたビームスプリッタ、
    をさらに備えたことを特徴とする装置。
  12. 請求項１において、
    前記干渉フリンジ生成部は、前記構造化照明における零次光を遮断又は抑制する第１の位相格子を含む、
    ことを特徴とした装置。
  13. 請求項１２において、
    前記干渉フリンジ生成部は、前記第１の位相格子から出力された光が入力されると共に、収束光を含む構造化光を出力するよう構成された第２の位相格子をさらに含む、
    ことを特徴とした装置。
  14. 請求項１において、
    前記構造化光を受信すると共に、原点干渉フリンジを前記ディテクタ部へ出力するよう構成された原点スケールトラック、
    をさらに備えたことを特徴とする装置。
  15. 請求項１４において、
    前記原点スケールトラックは、バーニア原点マークである原点マークを含む、
    ことを特徴とした装置。
  16. 請求項１４において、
    前記原点スケールトラックは、前記スケール格子に関する合成波長を提供する位相を有する原点マークパターンを含む、
    ことを特徴とした装置。
  17. 請求項１において、
    前記構造化光を受信すると共に、絶対的な測定範囲に亘って絶対位置を決定するのに利用可能な信号を提供するために、アブソリュートスケール光を前記ディテクタ部へ出力するよう構成されたアブソリュートスケールトラックパターンを含むアブソリュートスケールトラック、
    をさらに備えたことを特徴とする装置。
  18. 請求項１において、
    前記結像部は、焦点距離Ｆｓを有する第２のレンズをさらに含み、前記第２のレンズは、前記開口部と前記ディテクタ部の間において前記開口部から前記焦点距離Ｆｓに設置され、前記開口部からの光を受信すると共に、前記使用可能な周期結像を形成するよう構成されており、
    前記測定軸方向に沿った前記使用可能な周期結像の倍率Ｍは、略、Ｍ＝Ｆｓ／Ｆを満たし、単に前記距離Ｆｓ及びＦを選択することによって設定される、
    ことを特徴とした装置。
  19. 請求項１において、
    前記光源は、コヒーレント光を出力し、ａの値は、０．５より大きく且つ１．５未満である、
    ことを特徴とした装置。
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