JP2016080692A - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
本発明は、1つの走査装置とこの走査装置に対して少なくとも1つの測定方向に可動な1つのスケール本体との相対位置に関する位相シフトされている複数の走査信号を生成するため光学式エンコーダに関する。当該生成された位相シフトされている走査信号の位相が、波長に依存し、前記走査装置が、この検出装置上に入射する部分ビーム束を波長に応じて分離するための分割手段と、1つの光電検出アレイとを有する。
【解決手段】
前記分割手段51;151;251;351は、非対称な干渉計として構成されていて、当該干渉計は、異なる光路長を有する2つの干渉分岐路A,Bを有し、当該再結合した部分ビーム束が、当該検出アレイ53;153;253;353上に到達する前に、当該部分ビーム束が、分割と再結合との間にこれらの光路長内を伝播する。
【選択図】 図1
Description
・上記部分ビーム束が、上記分割回折格子に対して直角に入射し、
・上記回折格子干渉計が、バイナリ回折格子として形成されている少なくとも1つの偏向回折格子を有し、当該偏向回折格子は、
・リトロー角を成す照射時に±1次の回折次数において70%を上回る回折効率を提供し、
・直角な照射時に0次の回折次数において70%を上回る効率を提供することが提唱されている。
・上記部分ビーム束が、90°とは異なる角度を成して上記分割回折格子上に入射し、この分割回折格子で発生する複数の1次の回折次数のうちの1つの回折次数が、この分割回折格子に対して直角に引き続き伝播するように、当該角度は選択されていて、
・上記分割回折格子は、2段に深くエッチングされた回折格子として形成されていて、この分割回折格子は、0次の回折次数を減衰させることが提唱され得る。
k3:=1/d3(結合回折格子のkベクトル)
k1B:=1/d1B(干渉分岐路Bに対する分割回折格子のkベクトル)
k2B:=1/d2B(干渉分岐路Bに対する偏向回折格子のkベクトル)
k1A:=1/d1A(干渉分岐路Aに対する分割回折格子のkベクトル)
k2A:=1/d2A(干渉分岐路Aに対する偏向回折格子のkベクトル)
偏向回折格子55.1,55.2での、分割された複数の部分ビーム束のそれぞれの主ビームの入射地点x2A又はx2B、つまり検出装置50の干渉分岐路A,B内の1つの透過軸から当該両入射地点までの間隔が、以下のように得られる:
x2B:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路B内の偏向回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
z1:=偏向回折格子面から分割回折格子面までの間隔
α:=分割回折格子の回折格子法線に対するこの分割回折格子上に入射する部分ビーム束の入射角
λ:=光源の波長
k1A:=1/d1A(干渉分岐路Aに対する分割回折格子のkベクトル)
k1B:=1/d1B(干渉分岐路Bに対する分割回折格子のkベクトル)
nref1:=分割回折格子と偏向回折格子との間の媒体の屈折率
結合回折格子56での、2つの干渉分岐路A,B内で分割された複数の部分ビーム束のそれぞれの主ビームの入射地点x3A又はx3Bが、以下の方程式から得られる:
x3B:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路B内の結合回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
x2A:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路A内の偏向回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
x2B:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路B内の偏向回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
z2:=結合回折格子面から偏向回折格子面までの間隔
α:=分割回折格子の回折格子法線に対するこの分割回折格子上に入射する部分ビーム束の入射角
λ:=光源の波長
k1B:=1/d1B(干渉分岐路Bに対する分割回折格子のkベクトル)
k2B:=1/d2B(干渉分岐路Bに対する偏向回折格子のkベクトル)
k1A:=1/d1A(干渉分岐路Aに対する分割回折格子のkベクトル)
k2A:=1/d2A(干渉分岐路Aに対する偏向回折格子のkベクトル)
nref2:=偏光回折格子と結合回折格子との間の媒体の屈折率
結合回折格子56での入射地点x3A又はx3Bが、干渉分岐路A,B内の当該両部分ビーム束に対して一致するように、2つの偏向回折格子55.1,55.2と結合回折格子56との間の間隔z2が選択されている:
z1:=偏向回折格子面から分割回折格子面までの間隔
x3A:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路A内の結合回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
x3B:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路B内の結合回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
x2A:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路A内の偏向回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
x2B:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路B内の偏向回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
2つの干渉分岐路間の波長に応じた位相差Δp(λ)が、以下のように、幾何学的な2つの経路差と、偏向回折格子55.1と偏向回折格子55.2とでの2つの回折格子位相差と、結合回折格子56での2つの回折格子位相差とから求められる:
x3A:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路A内の結合回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
x3B:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路B内の結合回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
x2A:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路A内の偏向回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
x2B:=検出装置を貫く1つの透過軸から干渉分岐路B内の偏向回折格子上に入射する部分ビーム束の入射地点までの間隔
z2:=結合回折格子面から偏向回折格子面までの間隔
z1:=偏向回折格子面から分割回折格子面までの間隔
α:=分割回折格子の回折格子法線に対するこの分割回折格子上に入射する部分ビーム束の入射角
λ:=光源の波長
k1B:=1/d1B(干渉分岐路Bに対する分割回折格子のkベクトル)
k2B:=1/d2B(干渉分岐路Bに対する偏向回折格子のkベクトル)
k1A:=1/d1A(干渉分岐路Aに対する分割回折格子のkベクトル)
k2A:=1/d2A(干渉分岐路Aに対する偏向回折格子のkベクトル)
nref1:=分割回折格子と偏向回折格子との間の媒体の屈折率
nref2:=偏光回折格子と結合回折格子との間の媒体の屈折率
波長の関数としての上記位相差Δp(λ)は、特定の範囲にわたってほぼ線形に変化する。当該位相差Δp(λ)が、整数である場合、再結合した複数の部分ビーム束間の強め合う干渉が発生する。当該位相差Δp(λ)が、2分の1の奇数倍である場合、弱め合う干渉が発生する。以下では、強め合う干渉が存在するときの2つの波長の最小の差を分散周期Δλと記す。この分散周期Δλは、特に本発明の光学式エンコーダの走査側の分散周期に対応しなければならない。何故なら、この場合には、全てのスペクトルが、信号を評価するために自動的に使用されるからである。適切な位相差Δp(λ)を所定に設定するためには、間隔z1,z2及び個々の回折格子54,55.1,55.2,56の異なる回折格子定数diが適している。
k3:=1/d3(結合回折格子のkベクトル)
このとき、上記構造化された検出器の1周期当たり、3つ又は4つの位相シフトされている走査信号が、3つ又は4つの検出素子から取得され得る。公知の方法で、直流成分のない90°だけ位相シフトされている2つの走査信号が、線形結合を算出することによって当該3つ又は4つの位相シフトされている走査信号から生成可能である。
Δp(λ):=波長に応じた位相差
nref:=分割回折格子と偏向回折格子と結合回折格子との間の材料の屈折率
z1:=偏向回折格子面から分割回折格子面までの間隔
λ:=光源の波長
k:=1/d1(分割回折格子のkベクトル)
異なる回折格子154,155,156の精密でなくてよい回折格子定数の場合、以下の近似式:
Δp(λ):=波長に応じた位相差
nref:=分割回折格子と偏向回折格子と結合回折格子との間の材料の屈折率
z1:=偏向回折格子面から分割回折格子面までの間隔
λ:=光源の波長
k:=1/d1(分割回折格子のkベクトル)
十分に小さい回折格子定数の場合、上記変形例では、偏向回折格子155が、リトロー角を成す照射時に±1次の回折次数において70%を上回る高い回折効率を有すると同時に、直角な照射時に0次の回折次数において70%を上回る高い効率を有するように、当該偏向回折格子155は、バイナリ回折格子として最適化され得る。この場合、当該リトロー角とは、回折反射した部分ビーム束の成す回折角が、入射角に等しいが、逆の符号を有することを意味する。こうして、当該ビームの望ましい進行が、当該両回折次数を完全に分離しなくても非常に効率的になると同時に、望まない回折次数が、強く減衰される。この場合、当該複数の回折次数が、空間的に互いに分離される必要がないことによって、本発明の光学式エンコーダの検出装置150が、非常にコンパクトに構成され得る。
Δx:=2つの干渉分岐路A,B間の波長差
a1=干渉分岐路A内の第1偏向ミラーに対する分割回折格子の間隔
a2=干渉分岐路A内の第2偏向ミラーに対する第1偏向回折格子の間隔
a3=干渉分岐路A内の重畳地点に対する第2偏向ミラーの間隔
b1=干渉分岐路B内の第1偏向回折格子に対する分割回折格子の間隔
b2=干渉分岐路B内の重畳地点に対する第1偏向ミラーの間隔
λ:=光源の波長
図示された実施の形態で提唱されているように、所定の厚さdGlassと屈折率nrefとを有する1つの平面平行ガラス板359が、2つの干渉分岐路A,B又は部分ビーム束のうちの一方の干渉分岐路又は部分ビーム束内に挿入されることによって、経路差又は波長差Δxが調整されてもよい。このとき、これに応じて:
Δx:=2つの干渉分岐路A,B間の波長差
a1=干渉分岐路A内の第1偏向ミラーに対する分割回折格子の間隔
a2=干渉分岐路A内の第2偏向ミラーに対する第1偏向回折格子の間隔
a3=干渉分岐路A内の重畳地点に対する第2偏向ミラーの間隔
b1=干渉分岐路B内の第1偏向回折格子に対する分割回折格子の間隔
b2=干渉分岐路B内の重畳地点に対する第1偏向ミラーの間隔
λ:=光源の波長
dGlass:=ガラス板の厚さ
nref:=ガラス板の屈折率
この実施の形態では、1つの検出アレイ353が、構造化された1つの検出器として、上記重畳地点に配置されている。2つの干渉分岐路A,Bから成る部分ビーム束が、この重畳地点で角度βを成して再び一緒に入射する。当該検出器は、周期的に配置された複数の検出素子から構成されている。位相シフトされている走査信号が、これらの検出素子によって検出される。この場合、検出装置353の当該構造化された検出器に対する1つの法線が、この検出器上に入射する当該2つの部分ビーム束間の角二等分線を示すように、当該2つの干渉分岐路A,B内のビーム路が、異なる複数の偏向ミラー355.1〜355.3によって偏向される。このとき、周期λ/sin(β)を有する干渉縞が、当該検出面内で又は当該構造化された検出器上で発生する。当該構造化された検出器の周期は、適切に選択することができる。
20 走査装置
21 走査板
22 レンズ
23 第1透過格子
24 第2透過格子
30 光ファイバ
40 光源
41 コリメートレンズ
42 ビームスプリッタ
43 カップリングレンズ
50 検出装置
51 分割手段
53 検出アレイ
53.1 検出素子
53.2 検出素子
53.3 検出素子
54 分割回折格子
55.1 偏向回折格子
55.2 偏向回折格子
56 結合回折格子
140 光源
141 コリメートレンズ
142 ビームスプリッタ
143 カップリングレンズ
150 検出装置
151 分割手段
153 検出アレイ
153.1 検出素子
153.2 検出素子
153.3 検出素子
154 分割回折格子
155 偏向回折格子
156 結合回折格子
240 光源
241 コリメートレンズ
242 ビームスプリッタ
243 カップリングレンズ
250 検出装置
251 分割手段
253 検出アレイ
253.1 検出素子
253.2 検出素子
253.3 検出素子
254 分割回折格子
255 偏向回折格子
256 結合回折格子
340 光源
341 コリメートレンズ
342 ビームスプリッタ
343 カップリングレンズ
350 検出装置
351 分割手段
353 検出アレイ
354 分割回折格子
355.1 偏向ミラー
355.2 偏向ミラー
355.3 偏向ミラー
359 平面平行ガラス板
A 干渉分岐路
B 干渉分岐路
GN 回折格子の法線
Claims (14)
- 1つの走査装置とこの走査装置に対して少なくとも1つの測定方向に可動な1つのスケール本体との相対位置に関する位相シフトされている複数の走査信号を生成するため光学式エンコーダであって、当該生成された位相シフトされている走査信号の位相が、波長に依存し、前記走査装置が、この検出装置上に入射する部分ビーム束を波長に応じて分離するための分割手段と、1つの光電検出アレイとを有する当該光学式エンコーダにおいて、
前記分割手段(51;151;251;351)は、非対称な干渉計として構成されていて、当該干渉計は、異なる光路長を有する2つの干渉分岐路(A,B)を有し、当該再結合した部分ビーム束が、当該検出アレイ(53;153;253;353)上に到達する前に、当該部分ビーム束が、分割と再結合との間にこれらの光路長内を伝播することを特徴とする光学式エンコーダ。 - 同じ位相シフト(Δp)が、波長変化ごとに検出側と走査側とで発生するように、前記2つの干渉分岐路(A,B)内の複数の前記光路長が選択されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 前記非対称な干渉計は、回折格子干渉計として構成されていて、1つの分割回折格子(54;154;254)と後続配置された少なくとも1つの偏向回折格子(55.1,55.2;155;255)とを有し、前記部分ビーム束が、前記分割回折格子(54;154;254)で2つの干渉分岐路(A,B)に分割され、次いで、当該複数の部分ビーム束は、少なくとも1つの偏向回折格子(55.1,55.2;155;255)の方向に伝播し、当該複数の部分ビーム束が、1つの重畳地点で再結合するように、当該偏向回折格子が、当該複数の部分ビーム束を再び偏向させることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学式エンコーダ。
- 前記分割回折格子(54;154;254)は、ブレーズド回折格子として又は2段に深くエッチングされた回折格子として形成されていて、前記分割回折格子上に入射する部分ビーム束を異なる複数の回折次数に分割させることを特徴とする請求項3に記載の光学式エンコーダ。
- 前記分割回折格子(54;154;254)は、異なる2つの回折格子定数(d1A,d1B)を有し、高い回折効率を有する回折次数が、当該回折格子定数ごとに発生することを特徴とする請求項4に記載の光学式エンコーダ。
- 前記回折格子干渉計は、異なる少なくとも2つの回折格子定数(d2A,d2B)を有する1つ又は複数の偏向回折格子(55.1,55.2;155;255)を備え、異なる回折格子定数(d2A,d2B)を有する当該複数の偏向回折格子(55.1,55.2;155;255)上の異なる複数の偏向回折格子領域が、前記2つの干渉分岐路(A,B)に割り当てられていることを特徴とする請求項3に記載の光学式エンコーダ。
- 1つの結合回折格子(56;156;256)が、前記重畳地点に配置されていて、前記検出アレイ(53;153;253)の複数の検出素子(53.1〜53.3;153.1〜153.3;253.1〜253.3)が、前記位相シフトされている走査信号を検出するために前記結合回折格子(56;156;256)に後続配置されていることを特徴とする請求項3に記載の光学式エンコーダ。
- 前記検出アレイ(53;153;253)の構造化された1つの検出器が、前記重畳地点に配置されていて、この検出器は、周期的に配置された複数の検出素子から構成されていて、前記位相シフトされている走査信号が、これらの検出素子によって検出されることを特徴とする請求項3に記載の光学式エンコーダ。
- ・前記部分ビーム束が、前記分割回折格子(154)に対して直角に入射し、
・前記回折格子干渉計が、バイナリ回折格子として形成されている少なくとも1つの偏向回折格子(155)を有し、当該偏向回折格子は、
・リトロー角を成す照射時に±1次の回折次数において70%を上回る回折効率を提供し、
・直角な照射時に0次の回折次数において70%を上回る効率を提供することを特徴とする請求項3に記載の光学式エンコーダ。 - ・前記部分ビーム束が、90°とは異なる角度を成して前記分割回折格子(254)上に入射し、この分割回折格子(254)で発生する複数の1次の回折次数のうちの1つの回折次数が、この分割回折格子(254)に対して直角に引き続き伝播するように、当該角度は選択されていて、
・前記分割回折格子(254)は、2段に深くエッチングされた回折格子として形成されていて、この分割回折格子(254)は、0次の回折次数を減衰させることを特徴とする請求項3に記載の光学式エンコーダ。 - 前記非対称な干渉計(351)は、ミラー干渉計として構成されていて、1つの分割回折格子(354)と後続配置された複数の偏向ミラー(355.1〜355.3)とを有し、当該入射する部分ビーム束が、前記分割回折格子(354)で2つの干渉分岐路(A,B)に分割され、次いで、当該複数の部分ビーム束は、前記偏向ミラー(355.1〜355.3)の方向に伝播し、これらの部分ビーム束が、1つの重畳地点で再結合するように、複数の偏向ミラーが、これらの部分ビーム束を偏向することを特徴とする請求項1又は2に記載の光学式エンコーダ。
- 前記複数の干渉分岐路(A,B)のうちの少なくとも1つの干渉分岐路内に望ましい経路差を設定するため、所定の厚さ(dGlass)の1つの平面平行ガラス板(359)が、1つの部分ビーム束のビーム路内に配置されていることを特徴とする請求項11に記載の光学式エンコーダ。
- 前記検出アレイ(353)の構造化された1つの検出器が、前記重畳地点に配置されていて、当該検出器は、周期的に配置された複数の検出素子から構成されていて、当該位相シフトされている走査信号が、これらの検出素子によって検出され、当該構造化された検出器に対する1つの法線が、この検出器上に入射する当該2つの部分ビーム束間の角二等分線を示すように、当該2つの干渉分岐路(A,B)内のビーム路及び/又は当該構造化された検出器の方向が、選択されていることを特徴とする請求項11に記載の光学式エンコーダ。
- 前記走査装置(20)は、1つの光ファイバ走査ヘッドを有し、この光ファイバ走査ヘッド内では、1つの走査板(21)が、1つの光ファイバ(30)の、スケール本体側の端部の前方に配置されていて、前記分割手段(51;151;251;351)、前記検出アレイ(53;153;253;353)及び少なくとも1つの光源(40;140;240;340)が、この光ファイバ(30)の、スケール本体に対向していない端部に配置されていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。
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