JP2020056786A - Optical rotary encoder - Google Patents

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Abstract

To provide an optical encoder having contamination resistance and fault tolerance.SOLUTION: An optical encoder structure 1400 includes a detector array 1465 having a rotary scale 1410 having a grating bar GB, an illumination light source 1420, a structured illumination generation mechanism SIGA, and an optical detector 1460. The structured illumination generation mechanism SIGA is constituted so that light source light 1434 is inputted to a first illumination region IR1 on the rotary scale 1410 that causes light to be diffracted to a beam polarizer structure BDC that sends out diffraction light so as to give an interference fringe pattern in the vicinity of a second illumination region IR2 on the rotary scale. The scale outputs light that forms a detector interference fringe pattern composed of relatively narrow optical intensity band in a detection interference fringe movement direction DFMD that is long in a rotation measurement direction θ and intersects the rotation measurement direction θ. The optical detector 1460 detects the position of the optical intensity band as a function of displacement of the rotary scale 1410 and gives a corresponding displacement or position signal.SELECTED DRAWING: Figure 14A

Description

本発明は、一般に、精密な位置又は変位の測定装置に関し、特に、スケールの汚染部分又は欠陥部分による誤差への耐性を有する信号処理を行うエンコーダに関する。   The present invention relates generally to precision position or displacement measurement devices, and more particularly to an encoder that performs signal processing that is resistant to errors due to contaminated or defective portions of the scale.

光学式位置エンコーダは、リードヘッドにより検出されるパターンを有するスケールに対する、リードヘッドの変位を決定する。典型的には、位置エンコーダは、周期的パターンを有する少なくとも1つのスケールトラックを有する。スケールから生じる信号は、スケールトラックに沿う方向のリードヘッドの変位又は位置の関数として周期的である。アブソリュート型の位置エンコーダは、複数のスケールトラックを用いることで、アブソリュートスケールに沿う方向の各位置において特定の信号の組み合わせを与えることができる。   The optical position encoder determines the displacement of the readhead relative to a scale having a pattern detected by the readhead. Typically, a position encoder has at least one scale track with a periodic pattern. The signal resulting from the scale is periodic as a function of the displacement or position of the readhead along the scale track. By using a plurality of scale tracks, an absolute type position encoder can give a specific combination of signals at each position in a direction along the absolute scale.

光学式エンコーダは、インクリメンタル又はアブソリュート位置スケール構造を用いることができる。インクリメンタル位置スケール構造では、スケールに沿う方向の初期位置からスタートして、変位のインクリメンタル単位を累積することで、スケールに対するリードヘッドの変位を決定することができる。このようなエンコーダは、特定の用途、特に商用電力が使用できる場合に適している。低消費電力用途(例えば、バッテリーから電源供給を受けるゲージなど)では、アブソリュート位置スケール構造を用い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、スケールに沿う方向の各位置において、特定の出力信号又は信号の組み合わせを与える。よって、アブソリュート位置スケール構造には、様々な電力節約方式が適用できる。特許文献1〜11には、アブソリュート位置エンコーダに関する様々なエンコーダ構造及び信号処理技術の一方又は両方が開示されている。これらの文献を参照することで、これらの文献は全体的に本明細書に取り込まれる。   Optical encoders can use incremental or absolute position scale structures. In the incremental position scale structure, the displacement of the readhead relative to the scale can be determined by accumulating incremental units of displacement starting from an initial position in the direction along the scale. Such an encoder is suitable for certain applications, especially where commercial power is available. For low power applications (e.g., a gauge powered by a battery), it is more desirable to use an absolute position scale structure. The absolute position scale structure provides a specific output signal or combination of signals at each position along the scale. Therefore, various power saving methods can be applied to the absolute position scale structure. Patent Documents 1 to 11 disclose one or both of various encoder structures and signal processing techniques relating to an absolute position encoder. By reference to these documents, these documents are incorporated herein in their entirety.

照明部で照明光源回折格子を用いることで、特定の利点を実現するエンコーダ構造が存在する。特許文献12〜15には、このようなエンコーダ構造が開示されている。これらの特許で開示された構造は、超解像モアレ結像を利用するもとのとして特徴づけることができる。   There are encoder structures that achieve certain advantages by using an illumination source diffraction grating in the illumination section. Patent Documents 12 to 15 disclose such an encoder structure. The structures disclosed in these patents can be characterized as utilizing super-resolution moiré imaging.

様々な用途においては、スケールトラック上の埃や油などのスケールの製造欠陥又は汚染は、リードヘッドにより検出されるパターンを乱し、その結果として得られる位置又は変位測定結果には誤差が生じる。一般に、欠陥又は汚染による誤差の大きさは、欠陥又は汚染の大きさ、スケール上の周期的パターンの波長、リードヘッドの検出領域の大きさ、これらの大きさの間の関連性などの要素に依存する。エンコーダでの異常信号に対応する様々な手法が知られている。これらの方法のほぼ全ては、エンコーダ信号の無効化、ユーザに警告する「エラー信号」の提供、低レベルの信号を増幅するための光源強度の調整などに基づいている。   In various applications, manufacturing defects or contamination of the scale, such as dust or oil on the scale track, disturb the pattern detected by the readhead, resulting in errors in the resulting position or displacement measurements. In general, the size of an error due to a defect or contamination depends on factors such as the size of the defect or contamination, the wavelength of the periodic pattern on the scale, the size of the detection area of the readhead, and the relationship between these sizes. Dependent. Various methods for responding to an abnormal signal in an encoder are known. Almost all of these methods are based on disabling the encoder signal, providing an "error signal" alerting the user, adjusting the light source intensity to amplify low level signals, and the like.

米国特許第3,882,482号明細書U.S. Pat. No. 3,882,482 米国特許第5,965,879号明細書U.S. Pat. No. 5,965,879 米国特許第5,279,044号明細書U.S. Pat. No. 5,279,044 米国特許第5,886,519号明細書U.S. Pat. No. 5,886,519 米国特許第5,237,391号明細書U.S. Pat. No. 5,237,391 米国特許第5,442,166号明細書U.S. Pat. No. 5,442,166 米国特許第4,964,727号明細書U.S. Pat. No. 4,964,727 米国特許第4,414,754号明細書U.S. Pat. No. 4,414,754 米国特許第4,109,389号明細書U.S. Pat. No. 4,109,389 米国特許第5,773,820号明細書U.S. Pat. No. 5,773,820 米国特許第5,010,655号明細書U.S. Pat. No. 5,010,655 米国特許第8,941,052号明細書US Patent No. 8,941,052 米国特許第9,018,578号明細書US Patent No. 9,018,578 米国特許第9,029,757号明細書US Patent No. 9,029,757 米国特許第9,080,899号明細書U.S. Patent No. 9,080,899 特開2003−65803号公報JP-A-2003-65803 米国特許第8,493,572号明細書US Patent No. 8,493,572

しかし、上記したような方法は、ある種のスケールの欠陥や汚染に起因する異常信号にかかわらず正確な測定動作を継続できる手段を与えるものではない。よって、これらの方法は、用途に制限がある。スケールの汚染や欠陥による測定精度への影響を軽減する既知の手法が、特許文献16に開示されている。特許文献16は、複数の光検出器が同じ位相を有する周期的な信号を出力する手法を提案しており、これらの信号のそれぞれは、信号安定度判定手段に入力される。信号安定度判定手段は、「正常」と判定された信号のみを出力し、「正常」な信号は合成されて、位置測定の基礎となる。「異常」な信号は、位置測定演算から取り除かれる。しかし、特許文献16に開示された「正常」及び「異常」な信号を判定する手法には、特許文献16の開示の利用が制限されるという欠点を有する。   However, the above-described method does not provide a means for continuing accurate measurement operation regardless of an abnormal signal due to a certain scale defect or contamination. Thus, these methods have limited applications. A known method for reducing the influence of scale contamination and defects on measurement accuracy is disclosed in Patent Document 16. Patent Document 16 proposes a method in which a plurality of photodetectors output a periodic signal having the same phase, and each of these signals is input to a signal stability determination unit. The signal stability determination means outputs only the signal determined to be "normal", and the "normal" signals are combined to form a basis for position measurement. "Abnormal" signals are removed from the position measurement operation. However, the method of determining “normal” and “abnormal” signals disclosed in Patent Document 16 has a disadvantage that the use of the disclosure of Patent Document 16 is limited.

特許文献17には、汚染の影響を受けていない光検出器からの信号を選択する手段を与える、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造が開示されている。しかし、特許文献17の構造は、用途によっては望ましくない複雑な信号処理に依存している。   U.S. Pat. No. 5,077,086 discloses a contamination- and defect-resistant optical encoder structure that provides a means for selecting a signal from a photodetector that is not affected by contamination. However, the structure of U.S. Pat. No. 6,077,067 relies on complex signal processing that is undesirable in some applications.

複雑な信号処理を要することなく、ある種のスケールの欠陥や汚染に起因する異常信号を防止又は緩和する高精度な測定動作をもたらす改良手法が望まれる。   There is a need for an improved technique that provides a highly accurate measurement operation that does not require complicated signal processing and that prevents or mitigates abnormal signals due to certain types of scale defects or contamination.

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an optical encoder having stain resistance and defect resistance.

光学式ロータリーエンコーダは、ロータリースケール、照明光源、構造化照明生成機構及び光検出器配列を有する。ある態様においては、光学式ロータリーエンコーダは、円筒型スケールであるロータリースケールを用いるものとして構成されてもよい。ある態様においては、光学式ロータリーエンコーダは、平板型スケール(例えば円形)であるロータリースケールを用いるものとして構成されてもよい。   The optical rotary encoder has a rotary scale, an illumination light source, a structured illumination generation mechanism, and a photodetector array. In some embodiments, the optical rotary encoder may be configured to use a rotary scale that is a cylindrical scale. In some embodiments, the optical rotary encoder may be configured to use a rotary scale that is a flat scale (for example, circular).

何れの場合も、ロータリースケールは、回転平面と直交する回転軸を中心とする回転測定方向に沿って延在する。前記ロータリースケールは、前記回転測定方向に沿って延在する回転表面上に配置されたスケール格子バーで構成されるロータリースケール格子を有する。前記スケール格子バーは、前記回転測定方向に細く、前記回転測定方向と交差するロータリースケール格子バー方向に長く形成され、前記回転測定方向に名目スケールピッチPSFで周期的に配列される。照明光源は、光源光を構造化照明生成機構へ出力する光源を有し、前記構造化照明生成機構は、前記ロータリースケール上の第1の照明領域、少なくとも第1及び第2の偏向素子を有するビーム偏向器構造、及び前記ロータリースケール上の第2の照明領域を有する。前記構造化照明生成機構は、前記光源光が前記第1の照明領域に入力されるように構成されており、前記第1の照明領域は、前記光源光を回折させて構造化照明光として前記ビーム偏向器構造へ出力し、前記ビーム偏向器構造は、前記構造化照明光の回折されたビームを互いに交差させて、交差後の前記構造化照明光を前記ロータリースケール上の前記第2の照明領域へ送出して、前記第2の照明領域に照明干渉縞パターンを形成し、前記検出器に入射させるように構成される。前記照明干渉縞パターンは、前記回転測定方向に細く、前記回転測定方向と交差する照明干渉縞方向に長い縞で構成される。 In each case, the rotary scale extends along a rotation measurement direction about a rotation axis orthogonal to the rotation plane. The rotary scale has a rotary scale grid composed of scale grid bars disposed on a rotating surface extending along the rotational measurement direction. The scale grating bars, thin in the rotating measuring direction, the rotation measurement is elongated in the rotary scale grating bars a direction intersecting the direction and periodically arranged in nominal scale pitch P SF to the rotation measurement direction. The illumination light source has a light source that outputs light source light to a structured illumination generation mechanism, and the structured illumination generation mechanism has a first illumination area on the rotary scale, at least first and second deflection elements. A beam deflector structure and a second illumination area on the rotary scale. The structured illumination generating mechanism is configured such that the light source light is input to the first illumination area, and the first illumination area diffracts the light source light to form the structured illumination light as structured illumination light. Outputting to the beam deflector structure, the beam deflector structure intersects the diffracted beams of the structured illumination light with each other, and intersects the structured illumination light after the intersection with the second illumination on the rotary scale. And transmitting the light to an area to form an illumination interference fringe pattern in the second illumination area and to make it incident on the detector. The illumination interference fringe pattern is composed of stripes that are thin in the rotation measurement direction and long in the illumination interference fringe direction that intersects the rotation measurement direction.

当然ながら、ここでいう「構造化照明光」とは、光ビーム又は光線が干渉してその光路のいずれかにおいて干渉縞又は構造化照明を形成するものとして参照されてもよい。光路のある位置において、このような光ビーム又は光線は、分離されて非干渉の状態及び積極的に「構造化照明」を与えない状態の一方の状態又は両方の状態であってもよい。しかし、ここで開示する構成が動作する間の目的又は機能にとって重要であるので、いずれの位置においても、このような光ビーム又は光線は、なおも「構造化照明光」と称されてもよい。   Of course, "structured illumination light" as used herein may be referred to as light beams or rays that interfere to form interference fringes or structured illumination in any of its optical paths. At some point in the optical path, such a light beam or beam may be in one or both of a separated and non-interfering state and a state that does not actively provide "structured illumination". However, at any position, such a light beam or light beam may still be referred to as "structured illumination light", as the configuration disclosed herein is important to the purpose or function during operation. .

当然ながら、ここでいう、回折光ビーム又は回折光の次数に対しての、「交差」なる用語は、以下で説明するように、第2の照明領域からのスケール光に出力される検出器干渉縞パターンの空間位相の変化を強化又は追加する、第1及び第2の照明領域でのこのようなビームの格子による回折を起こすため光路の構成を参照することを意図している。回折光の2つの発散ビームを、さらに偏向させて第2の照明領域でこれらのビームを収束させて重ね合わせる前に、(例えば、回転軸及び光路の中間の一方又は近傍で)互いに収束させて「交差」するように、偏向させることにより、ロータリースケールの異なる側の第1及び第2の照明領域において様々なビーム偏光器構造によってこの要求を満たすので、 「交差」なる用語がこのような光路の構成のために用いられる。   Of course, as used herein, the term "intersection" with respect to the diffracted light beam or order of the diffracted light, as described below, refers to detector interference output to scale light from the second illumination area. It is intended to refer to the configuration of the optical path to cause diffraction of such a beam by the grating in the first and second illumination areas, which enhances or adds to the change in the spatial phase of the fringe pattern. The two divergent beams of diffracted light are converged (e.g., at or near one of the axis of rotation and the optical path) together before being further deflected to converge and overlap these beams in the second illumination region. The term "intersecting" is used to describe such an optical path, since by deflecting to "intersect" this requirement is met by various beam polarizer structures in the first and second illumination areas on different sides of the rotary scale. Used for the configuration of

検出器配列は、前記回転測定方向と交差する検出干渉縞移動方向に検出器ピッチPDで周期的に配列されたN個の空間位相検出器からなるセットを有する。前記空間位相検出器のそれぞれは空間位相検出器信号を与えるように構成され、少なくとも過半数の前記空間位相検出器は、比較的長い寸法にわたって前記回転測定方向に延在し、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細い。前記N個の空間位相検出器からなるセットは、前記検出干渉縞移動方向に沿った空間位相列に配列される、光検出器構造を有する。様々な態様においては、光学式ロータリーエンコーダ及び上述の素子は、以下のように構成されてもよい。   The detector array has a set of N spatial phase detectors that are periodically arranged at a detector pitch PD in the direction of the detected interference fringes that intersects the rotational measurement direction. Each of the spatial phase detectors is configured to provide a spatial phase detector signal, wherein at least a majority of the spatial phase detectors extend in the rotational measurement direction over a relatively long dimension and intersect the rotational measurement direction. Is relatively narrow in the moving direction of the detected interference fringes. The set of N spatial phase detectors has a photodetector structure arranged in a spatial phase sequence along the detected interference fringe moving direction. In various aspects, the optical rotary encoder and the elements described above may be configured as follows.

前記ロータリースケールは、前記回転表面上において、前記回転表面に沿った前記測定軸方向と交差する方向に対して0ではないヨー角ψをなす方向に向いているロータリースケール格子バー方向を有する。前記構造化照明生成機構は、前記ロータリースケール上の前記第2の照明領域近傍の前記照明干渉縞パターンの前記照明干渉縞方向が、前記ロータリースケール上の前記第2の照明領域近傍の前記スケール格子バー方向に対して0ではないヨー差異角YDAだけ回転した名目干渉縞方向ヨー角をなす方向に向くように構成される。前記ロータリースケール格子は、前記第2の照明領域に前記照明干渉縞パターンが入力され、前記光検出器構造に、前記光検出器構造における検出器干渉縞パターンを有する周期的スケール光パターンを形成するスケール光を出力してもよい。前記検出器干渉縞パターンは、比較的長い寸法にわたって前記回転測定方向に平行な方向に延在し、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、かつ、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に検出干渉縞周期PDFの周期性を有する、周期的な高光強度及び低光強度のバンドで構成される。前記検出干渉縞周期PDF及び前記検出干渉縞移動方向は、前記回転測定方向と交差し、かつ、少なくとも部分的に前記0ではないヨー角ψに依存する。前記高光強度及び低光強度のバンドは、前記スケール格子が前記回転軸を中心として回転するにつれて、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に移動する。前記光検出器構造は、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向での前記高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出し、かつ、ロータリースケールの変位を示す空間位相変位信号を与える。   The rotary scale has a rotary scale grating bar direction on the rotating surface that is oriented in a direction that makes a non-zero yaw angle に 対 し て with respect to a direction intersecting the measurement axis direction along the rotating surface. The structured illumination generating mechanism may be configured such that the illumination interference fringe direction of the illumination interference fringe pattern near the second illumination area on the rotary scale is equal to the scale grating near the second illumination area on the rotary scale. The nominal interference fringe direction is rotated by a yaw difference angle YDA that is not 0 with respect to the bar direction. The rotary scale grating receives the illumination interference fringe pattern in the second illumination region and forms a periodic scale light pattern having the detector interference fringe pattern in the photodetector structure on the photodetector structure. Scale light may be output. The detector interference fringe pattern extends in a direction parallel to the rotation measurement direction over a relatively long dimension, is relatively thin in the detection interference fringe movement direction that intersects the rotation measurement direction, and includes the rotation measurement direction. And a periodic high light intensity and low light intensity band having a periodicity of the detected interference fringe period PDF in the detection interference fringe moving direction intersecting with the above. The detected fringe period PDF and the detected fringe moving direction intersect with the rotational measurement direction and depend at least in part on the non-zero yaw angle ψ. The high light intensity and low light intensity bands move in the detected interference fringe movement direction that intersects the rotation measurement direction as the scale grating rotates about the rotation axis. The photodetector structure detects a displacement of the high light intensity and low light intensity bands in the detection interference fringe moving direction intersecting with the rotation measurement direction, and outputs a spatial phase displacement signal indicating a displacement of a rotary scale. give.

上記の様々な態様では、前記0ではないヨー差異角YDAは、名目上−2ψである。様々な態様では、前記N個の空間位相検出器のそれぞれは、偶数個のスケール光受光領域を有する。様々な態様では、前記検出干渉縞周期PDFは、40μm以上であってもよい。様々な態様では、前記ビーム偏向器構造は透明光学ブロックを有し、前記ビーム偏向器構造の前記偏向素子は前記透明光学ブロックの表面からなり、又は、前記透明光学ブロックの表面に形成され又は取り付けられた素子からなっていてもよい。   In various aspects described above, the non-zero yaw difference angle YDA is nominally -2 °. In various aspects, each of the N spatial phase detectors has an even number of scale light receiving regions. In various aspects, the detected interference fringe period PDF may be 40 μm or more. In various aspects, the beam deflector structure has a transparent optical block, and the deflecting element of the beam deflector structure consists of, or is formed on or attached to, the surface of the transparent optical block. It may be composed of a given element.

上記したように、ある態様においては、光学式ロータリーエンコーダは、円筒型ロータリースケールを用いる「円筒ロータリーエンコーダ」である。円筒型ロータリースケールは、名目上、スケール格子倍が設けられた円筒回転表面を有する。このような態様では、第1及び第2の照明領域は、円筒ロータリースケールの直径の異なる端部のそれぞれの、近傍に配置され、照明光源は、第1及び第2の照明領域を通る線に沿うように、第1の照明領域へ光源光を出力する。   As described above, in one embodiment, the optical rotary encoder is a “cylindrical rotary encoder” using a cylindrical rotary scale. Cylindrical rotary scales nominally have a cylindrical rotating surface provided with scale grids. In such an embodiment, the first and second illuminated areas are located proximate each of the different diameter ends of the cylindrical rotary scale, and the illuminating light source is in a line passing through the first and second illuminated areas. The light source light is output to the first illumination area along the direction.

このような円筒ロータリーエンコーダのある態様においては、ビーム偏向器構造は、回転軸の方向に沿って円筒形の回転表面を投影することで仕切られる空間内に配置される。   In one aspect of such a cylindrical rotary encoder, the beam deflector structure is located in a space that is partitioned by projecting a cylindrical rotating surface along the direction of the axis of rotation.

このような円筒ロータリーエンコーダのある態様においては、前記ビーム偏向器構造は、前記第1の照明領域から出力された前記回折された光源光の各ビームを受け取り、受け取った各ビームを前記回転軸近傍で交差して発散ビーム経路へと繋がる収束ビーム経路に沿うように偏向させ、偏向された各ビームを受けとって前記収束ビーム経路を経て重ね合わせて、前記第2の照明領域の近傍に前記照明干渉縞パターンを形成するように、受け取った各ビームを偏向させる。ある態様においては、前記ビーム偏向器構造は、前記回転軸に対してそれぞれ異なる側に配置された、前記第1及び第2の照明領域を通る前記円筒型ロータリースケールの直径に平行に広がる表面をそれぞれ有し、かつ、前記第1の照明領域から出力される前記回折された光源光の各ビームを受け取る方向に向いている前記第1及び第2の平行平板ミラー又は格子を有し、前記第1及び第2の平行平板ミラー又は格子は、さらに、前記第1の照明領域から出力される前記回折された光源光の各ビームを受け取り、前記回転軸近傍で交差して前記発散ビーム経路に繋がる前記収束ビーム経路に沿うように各ビームを偏向させ、偏向された各ビームを受け取って前記収束ビーム経路を経て重ね合わせて、前記第2の照明領域の近傍に前記照明干渉縞パターンを形成するように、受け取った各ビームを偏向させる。他の態様においては、前記照明光源及び前記ビーム偏向器構造の少なくとも1つは、前記回折された光源光の各ビームが、前記回転軸近傍の交差点近傍に収束するように構成され、前記ビーム偏向器構造及び前記検出器配列の少なくとも1つは、前記検出器干渉縞パターンを有する前記周期的スケール光パターンを形成する、出力された反射スケール光が、前記光検出器構造において、名目上コリメートされているように構成される。   In one aspect of such a cylindrical rotary encoder, the beam deflector structure receives each beam of the diffracted light source light output from the first illumination area, and converts each received beam near the rotation axis. And deflected along a convergent beam path leading to a divergent beam path, receiving the deflected beams and superimposing them via the convergent beam path, so that the illumination interference was in the vicinity of the second illumination area. Each received beam is deflected to form a fringe pattern. In one embodiment, the beam deflector structure has a surface, which is arranged on a different side with respect to the rotation axis and extends parallel to a diameter of the cylindrical rotary scale passing through the first and second illumination regions. And having the first and second parallel plate mirrors or gratings facing each other in a direction to receive each beam of the diffracted light source light output from the first illumination area. The first and second parallel plate mirrors or gratings further receive each beam of the diffracted light source light output from the first illumination area, and intersect near the rotation axis to connect to the divergent beam path. Deflecting each beam along the convergent beam path, receiving each deflected beam and superimposing the beams via the convergent beam path to provide the illumination interference near the second illumination area; So as to form a pattern, deflecting the respective beams received. In another aspect, at least one of the illumination light source and the beam deflector structure is configured such that each beam of the diffracted light source light converges near an intersection near the rotation axis; At least one of the detector structure and the detector array forms the periodic scale light pattern having the detector interference fringe pattern, and the output reflected scale light is nominally collimated at the photodetector structure. It is configured to be.

このような円筒ロータリーエンコーダのある態様においては、光学式ロータリーエンコーダは、第1の測定チャネルと、前記第1の測定チャネルと同様の第2の測定チャネルを有し、前記第1及び第2の測定チャネルの前記空間位相変位信号のそれぞれ、又は、これらから導かれる測定の組み合わせによって、個々の空間位相変位信号又はこれらから導かれる測定に生じる潜在的なズレ誤差を緩和又は補償する。ある態様では、前記第1の測定チャネルは、前記ヨー角ψをなすように、前記ロータリースケールの第1のスケールトラックに沿って配列された前記スケール格子バーを有し、前記第2の測定チャネルは、ヨー角−ψをなすように、前記第1のスケールトラックから前記回転軸の方向に離隔した、前記ロータリースケールの第2のスケールトラックに沿って配列された前記スケール格子バーを有し、1つの前記ビーム偏向器構造が、前記第1及び第2の測定チャネルに共有される。   In one aspect of such a cylindrical rotary encoder, the optical rotary encoder has a first measurement channel, a second measurement channel similar to the first measurement channel, and the first and second measurement channels. Each of the spatial phase shift signals of the measurement channel, or a combination of the measurements derived therefrom, mitigate or compensate for potential misalignment errors occurring in the individual spatial phase shift signals or the measurements derived therefrom. In one aspect, the first measurement channel includes the scale grid bar arranged along a first scale track of the rotary scale to form the yaw angle ψ, the second measurement channel Has the scale grid bars arranged along a second scale track of the rotary scale spaced from the first scale track in the direction of the axis of rotation so as to form a yaw angle -ψ; One said beam deflector structure is shared by said first and second measurement channels.

上記したように、ある態様では、光学式ロータリーエンコーダは、平板ロータリースケール(例えば、円形)を用いた「平板ロータリーエンコーダ」である。   As described above, in one embodiment, the optical rotary encoder is a “flat rotary encoder” using a flat rotary scale (for example, a circular shape).

このような様々な平板ロータリーエンコーダは、透過型又は反射型平板ロータリーエンコーダの態様であってもよい。平板円形型ロータリースケールは、一定の角度ピッチAPSFにて配列された反射型スケール格子バーが設けられた平板回転表面を有する。反射型平板ロータリーエンコーダの態様においては、前記第1の測定チャネルの前記照明光源、前記ビーム偏向器構造及び前記検出器配列は、全て、前記ロータリースケールの同じ側に配置される。前記第1及び第2の照明領域は、前記ロータリースケールの直径の異なる端部のそれぞれの近傍に配置され、前記照明光源は、前記第1及び第2の照明領域を通る平面に沿って、前記平面内の平板回転表面に対する入射角をなすように、前記第1の照明領域へ前記光源光を出力する。前記ビーム偏向器構造は、前記第1の照明領域で反射されて出力された前記回折された光源光の各ビームを受け取り、受け取った各ビームを前記回転軸近傍で交差する収束ビーム経路に沿うように偏向させ、偏向された各ビームが前記発散ビーム経路を辿るように、前記回転軸近傍の交差点の近傍へ各ビームを反射し、各ビームが前記収束ビーム経路を経て重なり合って、前記第2の照明領域の近傍に前記照明干渉縞パターンを形成するように、各ビームを偏向させ、前記第2の照明領域は、前記照明干渉縞パターンが入力され、前記光検出器構造において前記照明干渉縞パターンを有する前記周期的スケール光パターンを形成するように、前記平板回転表面に対して入射角をなすように反射されたスケール光を出力する。 Such various flat rotary encoders may be in the form of a transmission or reflection flat rotary encoder. Flat circular rotary scale has a Taber surface reflective scale grating bars arranged at a regular angular pitch AP SF is provided. In an embodiment of a reflection type flat plate rotary encoder, the illumination light source, the beam deflector structure and the detector array of the first measurement channel are all arranged on the same side of the rotary scale. The first and second illumination areas are disposed near respective ends of the rotary scale having different diameters, and the illumination light source is arranged along a plane passing through the first and second illumination areas. The light source light is output to the first illumination area so as to form an incident angle with respect to the plane rotating surface in the plane. The beam deflector structure receives each beam of the diffracted light source light reflected and output by the first illumination area, and moves each received beam along a converging beam path that intersects near the rotation axis. So that each deflected beam follows the divergent beam path, reflects each beam to the vicinity of the intersection near the rotation axis, and each beam overlaps via the convergent beam path to form the second beam. Each beam is deflected so as to form the illumination interference fringe pattern in the vicinity of the illumination area, and the second illumination area receives the illumination interference fringe pattern and receives the illumination interference fringe pattern in the photodetector structure. And outputting scale light reflected at an incident angle with respect to the plate rotating surface so as to form the periodic scale light pattern having the following.

このような反射型平板ロータリーエンコーダの態様では、前記照明光源及び前記ビーム偏向器構造の少なくとも1つは、前記回折された光源光の各ビームが、前記回転軸近傍の交差点近傍に収束するように構成され、前記ビーム偏向器構造及び前記検出器配列の少なくとも1つは、前記検出器干渉縞パターンを有する前記周期的スケール光パターンを形成する、出力された反射スケール光が、前記光検出器構造において、名目上、コリメートされているように構成される。   In the aspect of the reflection type flat plate rotary encoder, at least one of the illumination light source and the beam deflector structure is configured such that each beam of the diffracted light source light converges near an intersection near the rotation axis. Wherein at least one of the beam deflector structure and the detector array forms the periodic scale light pattern having the detector interference fringe pattern, wherein the output reflected scale light is coupled to the photodetector structure. Is nominally configured to be collimated.

このような反射型平板ロータリーエンコーダの態様では、前記第1及び第2の照明領域は、前記ロータリースケールの前記回転軸を通る直径の異なる端部のそれぞれの近傍に配置され、前記照明光源は、前記平板回転平面に対して名目上垂直、かつ、前記直径に名目上平行な、名目照明平面オフセットだけ前記直径からオフセットしている名目照明平面に沿って、前記第1の照明領域に前記光源光を出力し、前記第1及び第2の照明領域は、それぞれ、前記名目照明平面オフセットだけ前記直径からオフセットされ、前記名目照明平面オフセットは、前記名目照明平面が、測定軸方向と交差する前記方向に対して前記0ではないヨー角をなす前記第2の照明領域の前記スケール格子バーの名目上又は平均的な配置に対して平行に、かつ、前記回転表面に沿って配置されるように構成され、前記名目干渉縞方向ヨー角は、前記第2の照明領域の前記名目照明平面に対して前記0ではないヨー差異角YDAだけ回転している。ある態様では、前記0ではないヨー差異角YDAは、前記0ではないヨー角の2倍である。   In such an embodiment of the reflection-type flat plate rotary encoder, the first and second illumination regions are arranged near respective ends having different diameters passing through the rotation axis of the rotary scale, and the illumination light source includes: The light source light is applied to the first illumination area along a nominal illumination plane nominally perpendicular to the plate rotation plane and nominally parallel to the diameter and offset from the diameter by a nominal illumination plane offset. And the first and second illumination areas are each offset from the diameter by the nominal illumination plane offset, the nominal illumination plane offset being the direction in which the nominal illumination plane intersects the measurement axis direction In parallel to the nominal or average arrangement of the scale grid bars of the second illumination area making the non-zero yaw angle with respect to Rolling along the surface is configured to be placed, the nominal interference fringe direction yaw angle is rotated by the second yaw difference angle YDA not the 0 to the nominal illumination plane of the illumination area. In one embodiment, the non-zero yaw difference angle YDA is twice the non-zero yaw angle.

このような反射型平板ロータリーエンコーダの態様では、前記ビーム偏向器構造は、透過型格子の第1及び第2のペアと、交差領域反射器と、を有し、前記透過型格子の前記第1のペアは、前記回転面に名目上平行な平面状に配置され、前記第1のペアの各格子は、前記第1の照明領域で反射されて出力された前記回折された光源光の各ビームを受け取るように配置され、前記第1のペアの各格子は、前記回転軸近傍で交差する前記収束ビーム経路に沿って各ビーム光を偏向させるように構成された格子バーを有し、前記交差領域反射器は、前記収束ビーム経路が前記回転軸近傍で交差する位置近傍に配置され、前記交差領域反射器から前記発散ビーム経路を辿るように各ビームを反射し、前記透過型格子の前記第2のペアは、前記回転面に名目上平行な平面状に配置され、前記第2のペアの各格子は、前記発散ビーム経路に沿った各ビームを受け取るように配置され、前記第2のペアの各格子は、各ビームが前記発散ビーム経路を辿って重なり合って、前記第2の照明領域近傍に前記照明干渉縞パターンを形成するように構成された格子バーを有する。ある態様では、 前記透過型格子の前記第1のペアでは、前記第1のペアの各格子は、各ビームのコリメート光を受け取り、前記回転軸近傍に収束する前記収束ビーム経路に沿って各ビームを偏向させ、各ビームを前記回転軸近傍に収束させる曲線格子バーを有し、前記透過型格子の前記第2のペアでは、前記第2のペアの各格子は、各ビームの発散光を受け取り、各ビームの光をコリメートして偏向させて、コリメート光のビームが前記収束ビーム経路に沿って重なり合って、前記第2の照明領域近傍に記照明干渉縞パターンを形成するように構成される曲線格子バーを有する。ある態様では、前記交差領域反射器は、曲面を有する。   In the aspect of the reflection type flat plate rotary encoder, the beam deflector structure includes first and second pairs of transmission type gratings and an intersection area reflector, and the first type of the transmission type gratings. Are arranged in a plane that is nominally parallel to the plane of rotation, and each grating of the first pair is a respective beam of the diffracted light source light reflected and output by the first illumination area. Wherein each grating of the first pair has a grating bar configured to deflect each light beam along the converging beam path that intersects near the axis of rotation; The area reflector is disposed near a position where the convergent beam path intersects near the rotation axis, reflects each beam from the intersection area reflector so as to follow the divergent beam path, and The pair of 2 Each grating of the second pair is arranged to receive each beam along the divergent beam path, and each grating of the second pair is arranged in a substantially parallel plane. A grating bar configured to overlap along the divergent beam path and form the illumination interference fringe pattern near the second illumination region. In one aspect, in the first pair of transmission gratings, each grating of the first pair receives collimated light of each beam and each beam along the convergent beam path converging near the axis of rotation. And a curved grating bar that deflects each beam near the axis of rotation, wherein in the second pair of transmission gratings, each grating of the second pair receives divergent light of each beam. A curve configured to collimate and deflect the light of each beam so that the beams of collimated light overlap along the convergent beam path to form an illumination interference fringe pattern near the second illumination area. Has a grid bar. In one embodiment, the intersection area reflector has a curved surface.

変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造100の部分的かつ模式的な立体分解図である。FIG. 2 is a partial and schematic three-dimensional exploded view of an optical encoder structure 100 having a stain resistance and a defect resistance that provides a displacement signal. 変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造200の部分模式図である。FIG. 3 is a partial schematic view of an optical encoder structure 200 having a stain resistance and a defect resistance for providing a displacement signal. 耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造300の光検出器構造360の部分模式図である。FIG. 4 is a partial schematic view of a photodetector structure 360 of the optical encoder structure 300 having stain resistance and defect resistance. 耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造400Aの光検出器構造460Aの部分模式図である。It is a partial schematic diagram of the photodetector structure 460A of the optical encoder structure 400A having stain resistance and defect resistance. 耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造400Bの光検出器構造460Bの部分模式図である。It is a partial schematic diagram of photodetector structure 460B of optical encoder structure 400B having stain resistance and defect resistance. 変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造500の追加実施例の部分模式図である。FIG. 7 is a partial schematic view of an additional embodiment of an optical encoder structure 500 having a stain and defect resistance providing a displacement signal. 図5の光検出器構造560に類似する光検出器構造660の近傍での、検出器干渉縞パターン535と類似の又は同じ検出器干渉縞パターン635を形成するスケール光成分SL1及びSL2の模式的な第1の図である。5 schematically illustrates scale light components SL1 and SL2 forming a detector interference fringe pattern 635 similar to or the same as detector interference fringe pattern 535 near photodetector structure 660 similar to light detector structure 560 of FIG. FIG. 干渉縞パターン635を形成するスケール光成分SL1及びSL2の模式的な第2の図である。FIG. 14 is a second schematic diagram of scale light components SL1 and SL2 forming an interference fringe pattern 635. 図5及び図6に示した光学式エンコーダ構造500に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダの特性のグラフ700である。FIG. 7 is a graph 700 of characteristics of an optical encoder having contamination resistance and defect resistance similar to the optical encoder structure 500 shown in FIGS. 5 and 6. 図5及び図6に示した光学式エンコーダ構造500に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダにおいて使用可能な例示的な光検出器構造860の模式図800である。FIG. 7 is a schematic diagram 800 of an exemplary photodetector structure 860 that can be used in a contamination and defect resistant optical encoder similar to the optical encoder structure 500 shown in FIGS. 5 and 6. 図8に示した光検出器構造に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ900Aの他の例示的な光検出器構造960Aの断面を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a cross-section of another exemplary light detector structure 960A of the optical encoder 900A having contamination and defect resistance similar to the light detector structure shown in FIG. 図8に示した光検出器構造860に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ900Bの他の例示的な光検出器構造960Bの断面を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a cross-section of another exemplary light detector structure 960B of the optical encoder 900B having contamination and defect resistance similar to the light detector structure 860 shown in FIG. 変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造1000の追加実施例の部分模式図である。FIG. 11 is a partial schematic view of an additional embodiment of an optical encoder structure 1000 having a stain resistance and a defect resistance for providing a displacement signal. 第1照明光源回折格子1040の模式図である。It is a schematic diagram of the first illumination light source diffraction grating 1040. 第2照明光源回折格子1050の模式図である。It is a schematic diagram of the 2nd illumination light source diffraction grating 1050. 変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造1200の追加実施例の部分模式図である。FIG. 14 is a partial schematic diagram of an additional embodiment of an optical encoder structure 1200 having stain and defect resistance to provide a displacement signal. 図12の光検出器構造1260に類似する光検出器構造に近接するスケール光パターン1235を形成するスケール光成分の模式的な第1の図である。FIG. 13 is a first schematic diagram of scale light components forming a scale light pattern 1235 proximate to a light detector structure similar to the light detector structure 1260 of FIG. 図12の光検出器構造1260に類似する光検出器構造に近接するスケール光パターン1235を形成するスケール光成分の模式的な第2の図である。FIG. 13 is a second schematic diagram of scale light components forming a scale light pattern 1235 proximate to a photodetector structure similar to the photodetector structure 1260 of FIG. 12. 図12の光検出器構造1260に類似する光検出器構造に近接するスケール光パターン1235を形成するスケール光成分の模式的な第3の図である。FIG. 13 is a third schematic diagram of scale light components forming a scale light pattern 1235 proximate to a light detector structure similar to the light detector structure 1260 of FIG. 図12の光検出器構造1260に類似する光検出器構造に近接するスケール光パターン1235を形成するスケール光成分の模式的な第4の図である。FIG. 13 is a fourth schematic diagram of scale light components forming a scale light pattern 1235 proximate to a photodetector structure similar to the photodetector structure 1260 of FIG. 12. 変位信号を与える、円筒型ロータリースケールを用いた耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式ロータリーエンコーダ構造の第1の実施例の部分等角図である。FIG. 1 is a partial isometric view of a first embodiment of a stain and defect resistant optical rotary encoder structure using a cylindrical rotary scale to provide displacement signals. ロータリースケール上の照明領域のさらなる細部を示す、図14Aのロータリースケール格子の部分図である。FIG. 14B is a partial view of the rotary scale grating of FIG. 14A showing further details of the illumination area on the rotary scale. 図14Aに示す光学式ロータリーエンコーダ構造と類似又は同一であり得、かつ、特定の代替要素を含んでいる、汚染性及び耐欠陥性を有する光学式ロータリーエンコーダ構造の一態様を示す、回転軸方向に沿って見たときの部分模式図である。FIG. 14A shows an embodiment of a contamination and defect resistant optical rotary encoder structure that can be similar or identical to the optical rotary encoder structure shown in FIG. 14A and that includes certain alternative elements. FIG. 2 is a partial schematic diagram when viewed along the line. 円筒型ロータリースケールを用いた、特定の変形要素を含んでいる、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式ロータリーエンコーダ構造の第2の態様を示す、回転軸方向に沿って見た場合の部分模式図である。A view along the axis of rotation showing a second embodiment of an optical rotary encoder structure using a cylindrical rotary scale and having a specific deformation element and providing a displacement signal and having contamination and defect resistance. FIG. 変位信号を与える、平板型ロータリースケールを用いた耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式ロータリーエンコーダ構造の第3の実施例の部分等角図である。FIG. 8 is a partial isometric view of a third embodiment of an optical rotary encoder structure having a stain resistance and a defect resistance using a flat rotary scale for providing a displacement signal. ロータリースケール上の第1及び第2の照明領域IR1及びIR2のさらなる細部を示す、図17Aのロータリースケール格子の部分図である。FIG. 17B is a partial view of the rotary scale grating of FIG. 17A showing further details of first and second illumination regions IR1 and IR2 on the rotary scale. 図17Aに示すロータリーエンコーダ構造に使用可能なビーム偏向構造の一態様に使用可能な格子パターンを模式的に示す図である。FIG. 17B is a diagram schematically showing a grating pattern that can be used in one embodiment of a beam deflection structure that can be used for the rotary encoder structure shown in FIG. 17A.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and a repeated description will be omitted as necessary.

以下では、変位信号を与える、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造が開示されている。以下では、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダの構造を示すものとして理解されるべきである。   In the following, a contamination and defect resistant optical encoder structure providing a displacement signal is disclosed. In the following, the stain and defect resistant optical encoder structure is to be understood as indicating the structure of the stain and defect resistant optical encoder.

図1は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造100の部分的かつ模式的な立体分解図である。エンコーダ構造100は、スケール格子110、照明部120及び光検出器構造160を有する。   FIG. 1 is a partial, schematic, three-dimensional exploded view of an optical encoder structure 100 that provides a displacement signal and is resistant to contamination and defects. The encoder structure 100 has a scale grating 110, an illumination unit 120, and a photodetector structure 160.

図1には、慣習に則り、互いに直交するX方向、Y方向及びZ方向を表示している。X方向及びY方向はスケール格子110の面に対して平行であり、X方向は測定軸方向MAに対して平行である(例えば、X方向は、スケール格子110の細長のパターン要素に対して直交している)。Z方向は、スケール格子110の面に対して垂直である。   FIG. 1 shows an X direction, a Y direction, and a Z direction, which are orthogonal to each other, according to a custom. The X direction and the Y direction are parallel to the plane of the scale grating 110, and the X direction is parallel to the measurement axis direction MA (for example, the X direction is orthogonal to the elongated pattern elements of the scale grating 110). doing). The Z direction is perpendicular to the plane of the scale grating 110.

図1に示す実施例では、スケール格子110は透過回折格子である。スケール格子110は、測定軸方向MAに延在している。スケール格子110は、測定軸方向MAに周期的に配置された、測定軸方向MAに細く、かつ、測定軸方向MAに直交する方向(すなわち、Y方向)に長いバーで構成される周期的パターンを有する。   In the embodiment shown in FIG. 1, the scale grating 110 is a transmission diffraction grating. The scale grating 110 extends in the measurement axis direction MA. The scale grating 110 is a periodic pattern composed of bars that are periodically arranged in the measurement axis direction MA, are thin in the measurement axis direction MA, and are long in a direction perpendicular to the measurement axis direction MA (that is, the Y direction). Having.

照明部120は、照明光源130、第1の照明格子140及び第2の照明格子150を有する。照明光源130は、光源131及びコリメートレンズ132を有する。光源131は、コリメートレンズ132へ光源光134を出力するように構成される。コリメートレンズ132は、光源光134を受け取り、コリメートされた光源光134’を第1の照明格子140へ出力するように構成される。第1の照明格子140は、光源光134’を受け取り、第2の照明格子150へ向けて光源光134’を回折させる。第2の照明格子150は、光源光134’を受け取り、光源光経路SOLPへ沿う経路を介して、スケール格子110へ向けて、光源光134’をさらに回折させる。スケール格子110は、光源光経路SOLPに沿った光源光134’を入力とし、周期的スケール光パターン135を有するスケール光を、スケール光経路SCLPに沿う経路を介して、光検出器構造160へ出力する。光検出器構造160は、スケール光経路SCLPに沿う経路を介して、スケール格子110から周期的スケール光パターン135を受け取る。周期的スケール光パターン135は、スケール格子110と光検出器構造160との間の測定軸方向MAでの相対的変位に応じて、光検出器構造160上を移動する。光検出器構造160に類似する光検出器構造の例を、図3に詳細に示す。光検出器構造160は、空間位相列に、測定軸方向MAと交差する方向(すなわち、Y方向)に沿って配列された、N個の空間位相検出器からなるセットを有する。但し、Nは、6以上の整数である。空間位相列は、測定軸方向MAと交差する方向の始まり及び終わりに位置する2つの外側空間位相検出器と、2つの外側空間位相検出器の間に位置する空間位相検出器の内側の群と、を有する。図1に示す実施例では、N個の空間位相光検出器からなるセットは、同じサブセット空間位相列を有する3つの空間位相検出器のサブセットS、S及びSを有する。 The illumination unit 120 includes an illumination light source 130, a first illumination grating 140, and a second illumination grating 150. The illumination light source 130 has a light source 131 and a collimating lens 132. The light source 131 is configured to output light source light 134 to the collimating lens 132. The collimating lens 132 is configured to receive the light source light 134 and output the collimated light source light 134 ′ to the first illumination grating 140. The first illumination grating 140 receives the source light 134 ′ and diffracts the source light 134 ′ toward the second illumination grating 150. The second illumination grating 150 receives the source light 134 ′ and further diffracts the source light 134 ′ toward the scale grating 110 via a path along the source light path SOLP. The scale grating 110 receives as input the source light 134 ′ along the source light path SOLP and outputs scale light having a periodic scale light pattern 135 to the photodetector structure 160 via a path along the scale light path SCLP. I do. Photodetector structure 160 receives periodic scale light pattern 135 from scale grating 110 via a path along the scale light path SCLP. The periodic scale light pattern 135 moves on the photodetector structure 160 in response to a relative displacement between the scale grating 110 and the photodetector structure 160 in the measurement axis direction MA. An example of a photodetector structure similar to photodetector structure 160 is shown in detail in FIG. The photodetector structure 160 has a set of N spatial phase detectors arranged in a spatial phase train along a direction intersecting the measurement axis direction MA (ie, the Y direction). Here, N is an integer of 6 or more. The spatial phase train consists of two outer spatial phase detectors located at the beginning and end of a direction intersecting the measurement axis direction MA, and an inner group of spatial phase detectors located between the two outer spatial phase detectors. And In the example shown in FIG. 1, the set of N spatial phase photodetectors has three spatial phase detector subsets S 1 , S 2 and S 3 with the same subset spatial phase sequence.

空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、測定軸方向MAに比較的長く、測定軸方向MAに直交する方向(すなわちY方向)に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向MAに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。空間位相列内では、内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続される。先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する。換言すれば、1つの空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、測定軸方向MAと交差する方向で、後続する1又は複数の空間位相検出器と、先行する1又は複数の空間位相検出器とによって挟まれている。但し、内側の群において測定軸方向MAと交差する方向の端部に設けられた空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、1つの外側位相検出と、内側の群に属するその他の空間位相検出器とによって挟まれることとなる。   At least a majority of each of the spatial phase detectors is relatively long in the measurement axis direction MA and relatively thin in a direction orthogonal to the measurement axis direction MA (ie, the Y direction). At least a majority of each of the spatial phase detectors is spatially periodic scale light along the measurement axis direction MA, which is arranged corresponding to each of the spatial phases of the spatial phase detector according to the periodic scale light pattern. It has a light receiving area and is configured to provide a spatial phase detector signal. Within the spatial phase train, each of the inner group of spatial phase detectors is preceded and followed by a spatial phase detector having a different spatial phase than the spatial phase detector. The preceding and succeeding spatial phase detectors have different spatial phases. In other words, when attention is paid to one spatial phase detector, the spatial phase detector of interest is one or more succeeding spatial phase detectors and one or more preceding spatial phase detectors in a direction intersecting the measurement axis direction MA. With the spatial phase detector. However, when attention is paid to the spatial phase detector provided at the end in the direction crossing the measurement axis direction MA in the inner group, the noted spatial phase detector belongs to one outer phase detection and belongs to the inner group. It will be sandwiched by other spatial phase detectors.

様々な用途においては、光検出器構造160及び照明部120は、例えばリードヘッド又はゲージハウジング(不図示)内で、互いに固定的な関係を有するように実装されてもよい。既知の技術により、光検出器構造160及び照明部120は、ベアリングシステムによってスケール格子110に対して測定軸方向MAにガイドされる。スケール格子110は、様々な用途において、可動ステージやゲージスピンドルなどに取り付けられてもよい。   In various applications, the photodetector structure 160 and the illuminator 120 may be implemented to have a fixed relationship to each other, for example, in a readhead or gauge housing (not shown). According to known techniques, the photodetector structure 160 and the illuminator 120 are guided in the measurement axis direction MA with respect to the scale grating 110 by a bearing system. The scale grating 110 may be mounted on a movable stage, a gauge spindle, or the like in various applications.

耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造100は、本明細書で開示する原理に応じた耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造の一例に過ぎないことは、言うまでもない。変形例においては、テレセントリック結像システム及び開口絞りなどの各種の光学部品を利用してもよい。変形例においては、照明部は、1つの照明格子のみを有していてもよい。   It will be appreciated that the stain and defect resistant optical encoder structure 100 is only one example of a stain and defect resistant optical encoder structure in accordance with the principles disclosed herein. In a variant, various optical components such as a telecentric imaging system and an aperture stop may be used. In a variant, the lighting section may have only one lighting grid.

図2は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造200の部分模式図である。耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造200は、エンコーダ構造100と同様である。近似した符号である図2の2XX及び図1の1XXは、特に断らない限り、同様の要素を示すものとする。図2に示すエンコーダ構造200は、反射型構造である。スケール210は、反射型スケール格子である。   FIG. 2 is a partial schematic view of an optical encoder structure 200 having a stain resistance and a defect resistance for providing a displacement signal. The optical encoder structure 200 having stain resistance and defect resistance is similar to the encoder structure 100. 2XX and 1XX in FIG. 1 which are approximate codes indicate the same elements unless otherwise specified. The encoder structure 200 shown in FIG. 2 is a reflection type structure. Scale 210 is a reflective scale grating.

図3は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造300の光検出器構造360の部分模式図である。耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造300は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造100又は耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造200と同様であってもよい。光検出器構造360は、空間位相列に、測定軸方向MAと交差する方向に沿って配列された、N個の空間位相検出器からなるセットを有する。但し、Nは、6以上の整数である。空間位相列は、測定軸方向MAと交差する方向の始まり及び終わりに位置する2つの外側空間位相検出器と、2つの外側空間位相検出器の間に位置する空間位相検出器の内側の群と、を有する。空間位相検出器のそれぞれの過半数は、測定軸方向MAに比較的長く、測定軸方向MAに直交する方向に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向MAに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。空間位相列内では、内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続される。先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する。換言すれば、1つの空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、測定軸方向MAと交差する方向で、後続する1又は複数の空間位相検出器と、先行する1又は複数の空間位相検出器とによって挟まれている。但し、内側の群において測定軸方向MAと交差する方向の端部に設けられた空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、1つの外側位相検出と、内側の群に属するその他の空間位相検出器とによって挟まれることとなる。   FIG. 3 is a partial schematic view of a photodetector structure 360 of the optical encoder structure 300 having contamination resistance and defect resistance. The optical encoder structure 300 having contamination resistance and defect resistance is similar to the optical encoder structure 100 having contamination resistance and defect resistance or the optical encoder structure 200 having contamination resistance and defect resistance. Is also good. The photodetector structure 360 has a set of N spatial phase detectors arranged in a spatial phase array along a direction intersecting the measurement axis direction MA. Here, N is an integer of 6 or more. The spatial phase train consists of two outer spatial phase detectors located at the beginning and end of a direction intersecting the measurement axis direction MA, and an inner group of spatial phase detectors located between the two outer spatial phase detectors. And The majority of the spatial phase detectors are relatively long in the measurement axis direction MA and relatively thin in a direction orthogonal to the measurement axis direction MA. At least a majority of each of the spatial phase detectors is spatially periodic scale light along the measurement axis direction MA, which is arranged corresponding to each of the spatial phases of the spatial phase detector according to the periodic scale light pattern. It has a light receiving area and is configured to provide a spatial phase detector signal. Within the spatial phase train, each of the inner group of spatial phase detectors is preceded and followed by a spatial phase detector having a different spatial phase than the spatial phase detector. The preceding and succeeding spatial phase detectors have different spatial phases. In other words, when attention is paid to one spatial phase detector, the spatial phase detector of interest is one or more succeeding spatial phase detectors and one or more preceding spatial phase detectors in a direction intersecting the measurement axis direction MA. With the spatial phase detector. However, when attention is paid to the spatial phase detector provided at the end in the direction crossing the measurement axis direction MA in the inner group, the noted spatial phase detector belongs to one outer phase detection and belongs to the inner group. It will be sandwiched by other spatial phase detectors.

実施例においては、N個の空間位相光検出器からなるセットは、少なくとも空間位相検出器のM個のサブセットを有してもよい。但し、Mは、2以上の整数である。M個のサブセットのそれぞれは、それぞれの空間位相を与える、N個の空間位相光検出器からなるセットに含まれる空間位相検出器を有する。実施例においては、Mは3以上としてもよい。実施例においては、Mは6以上としてもよい。実施例においては、空間位相検出器のM個のサブセットのそれぞれは、同じ空間位相列サブセットに配列された、同じ空間位相を与える空間位相検出器を含んでもよい。図3は、S〜Sで示される空間位相検出器のM個のサブセットの実施例を示す。サブセットSは、空間位相検出器SPD1A、SPD1B、SPD1C及びSPD1Dを有する。サブセットSは、空間位相検出器SPD2A、SPD2B、SPD2C及びSPD2Dを有する。サブセットSは、空間位相検出器SPDMA、SPDMB、SPDMC及びSPDMDを有する。図3の空間位相検出器のそれぞれは、K個のスケール光受光領域を有するものとして表されている。スケール光受光領域の例として、空間位相検出器SPDMDは、スケール光受光領域SLRAM1及びSLRAMKでラベルリングされている。実施例においては、Kは偶数値であってもよい。 In an embodiment, the set of N spatial phase detectors may include at least M subsets of the spatial phase detectors. Here, M is an integer of 2 or more. Each of the M subsets has a spatial phase detector included in the set of N spatial phase photodetectors that provides a respective spatial phase. In the embodiment, M may be 3 or more. In the embodiment, M may be 6 or more. In an embodiment, each of the M subsets of spatial phase detectors may include spatial phase detectors providing the same spatial phase, arranged in the same spatial phase sequence subset. FIG. 3 shows an embodiment of the M subsets of the spatial phase detector denoted S 1 -S M. Subset S 1 has spatial phase detectors SPD 1A , SPD 1B , SPD 1C and SPD 1D . The subset S 2 has a spatial phase detector SPD 2A, SPD 2B, SPD 2C and SPD 2D. The subset SM has spatial phase detectors SPD MA , SPD MB , SPD MC and SPD MD . Each of the spatial phase detectors in FIG. 3 is represented as having K scale light receiving regions. As an example of the scale light receiving area, the spatial phase detector SPD MD is labeled with scale light receiving areas SLRA M1 and SLRA MK . In the embodiment, K may be an even value.

図3に示す実施例においては、空間位相列は、下付文字A、B、C及びDを含む空間位相検出器(例えば、空間位相検出器SPD1A、SPD1B、SPD1C及びSPD1D)で表されている。下付文字A及びDが付された空間位相検出器は、空間位相列の各例の始まり及び終わりに位置する2つの外側空間位相検出器である。下付文字B及びCが付された空間位相検出器は、内側の群である。 In the embodiment shown in FIG. 3, the spatial phase sequence is a spatial phase detector including subscripts A, B, C, and D (eg, spatial phase detectors SPD 1A , SPD 1B , SPD 1C and SPD 1D ). Is represented. The spatial phase detectors with subscripts A and D are the two outer spatial phase detectors located at the beginning and end of each instance of the spatial phase sequence. The spatial phase detectors with subscripts B and C are the inner group.

空間位相検出器SPD1A、SPD1B、SPD1C及びSPD1Dは、それぞれ空間位相検出器信号A、B、C及びDを出力する。空間位相検出器SPD2A、SPD2B、SPD2C及びSPD2Dは、それぞれ空間位相検出器信号A、B、C及びDを出力する。空間位相検出器SPDMA、SPDMB、SPDMC及びSPDMDは、それぞれ空間位相検出器信号A、B、C及びDを出力する。 The spatial phase detectors SPD 1A , SPD 1B , SPD 1C and SPD 1D output spatial phase detector signals A 1 , B 1 , C 1 and D 1 respectively. The spatial phase detectors SPD 2A , SPD 2B , SPD 2C and SPD 2D output spatial phase detector signals A 2 , B 2 , C 2 and D 2 respectively. The spatial phase detectors SPD MA , SPD MB , SPD MC and SPD MD output spatial phase detector signals A M , B M , C M and D M , respectively.

本明細書に開示された原理にかかる耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造は、100μmの大きさの汚染(例えば、ワイヤボンディング汚染)や300μmの大きさのスケール欠陥を許容できる、単純な設計を提供する。スケール上の汚染又は欠陥は、典型的には、信号処理(例えば、直交処理)で相殺し得る、隣接する空間位相検出器でのコモンモード誤差成分を生じる。測定軸方向MAに比較的長く、測定軸方向MAに直交する方向に比較的細い空間位相検出器は、より良好な耐汚染性及び耐欠陥性をもたらす。測定軸方向MAでの空間位相検出器の構造周波数を減少させることで、信号レベルの変化をより緩やかにすることができる。また、このようなエンコーダは、耐汚染性及び耐欠陥性を与えるための複雑な信号処理を行う必要が無い。N個の空間位相検出器からなるセットにより与えられる信号は、当業者に知られている標準的な技術に基づいて処理してもよい。   A stain and defect resistant optical encoder structure according to the principles disclosed herein can tolerate 100 μm size contamination (eg, wire bonding contamination) and 300 μm size scale defects. Provide a simple design. Contamination or imperfections on the scale typically result in common mode error components at adjacent spatial phase detectors that can be offset by signal processing (eg, quadrature processing). Spatial phase detectors that are relatively long in the measurement axis direction MA and relatively thin in a direction orthogonal to the measurement axis direction MA provide better contamination and defect resistance. By reducing the structural frequency of the spatial phase detector in the measurement axis direction MA, the change in the signal level can be made more gradual. Further, such an encoder does not need to perform complicated signal processing for providing stain resistance and defect resistance. The signal provided by the set of N spatial phase detectors may be processed according to standard techniques known to those skilled in the art.

図3に示すような実施例においては、Nは8以上であり、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ90度ずつ離れた空間位相を有する4つの空間位相検出器を有してもよい。変形例においては、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ120度ずつ離れた空間位相を有する3つの空間位相検出器を有してもよい。   In the embodiment as shown in FIG. 3, N is greater than or equal to 8, and each of the spatial phase detector subsets may have four spatial phase detectors, each having a spatial phase separated by 90 degrees. In a variant, each of the spatial phase detector subsets may have three spatial phase detectors, each having a spatial phase separated by 120 degrees.

図3に示す実施例では、光検出器構造360は、同じ空間位相に対応する空間位相検出器信号を合成し、かつ、合成した信号のそれぞれを空間位相位置信号として出力するように構成された接続部を有する。光検出器構造360は、90度ずつ離れた空間位相に対応する4つの空間位相位置信号を出力するように構成される。同じ文字表記が付された空間位相信号(例えば、A、A及びA)は、空間位相信号ΣA、ΣB、ΣC及びΣDを与えるように合成(例えば加算)される。変形例においては、光検出器構造は、120度ずつ離れた空間位相に対応する3つの空間位相位置信号を出力するように構成されてもよい。他の場合においては、更に、空間位相位置信号は、例えば直交信号処理又は三相信号処理よって変位信号を決定するのに用いられてもよい。 In the embodiment shown in FIG. 3, the photodetector structure 360 is configured to combine spatial phase detector signals corresponding to the same spatial phase and to output each of the combined signals as a spatial phase position signal. It has a connection part. The photodetector structure 360 is configured to output four spatial phase position signals corresponding to spatial phases separated by 90 degrees. Spatial phase signals (eg, A 1 , A 2, and A M ) with the same letter notation are combined (eg, added) to provide spatial phase signals ΣA, ΣB, ΣC, and ΣD. In a variant, the photodetector structure may be configured to output three spatial phase position signals corresponding to spatial phases separated by 120 degrees. In other cases, furthermore, the spatial phase position signal may be used to determine the displacement signal by, for example, quadrature signal processing or three-phase signal processing.

変形例においては、空間位相検出器のそれぞれは、測定軸方向MAに比較的長く、測定軸方向MAに直交する方向に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向MAに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。   In a variant, each of the spatial phase detectors is relatively long in the measurement axis direction MA and relatively thin in a direction perpendicular to the measurement axis direction MA. At least a majority of each of the spatial phase detectors is spatially periodic scale light along the measurement axis direction MA, which is arranged corresponding to each of the spatial phases of the spatial phase detector according to the periodic scale light pattern. It has a light receiving area and is configured to provide a spatial phase detector signal.

実施例においては、N個の空間位相検出器それぞれのスケール光受光領域のY方向の寸法YSLRAは、最大で250μmとすることができる。実施例においては、YSLRAは、5μm以上であってもよい。   In the embodiment, the dimension YSLRA of the scale light receiving area of each of the N spatial phase detectors in the Y direction can be 250 μm at the maximum. In embodiments, YSLRA may be 5 μm or more.

実施例においては、N個の空間位相検出器の隣接ペアにおけるスケール光受光領域間のY方向の距離YSEPは、最大で25μmとすることができる。   In the embodiment, the distance YSEP in the Y direction between the scale light receiving regions in an adjacent pair of N spatial phase detectors can be set to 25 μm at the maximum.

実施例においては、N個の空間位相検出器のそれぞれのスケール光受光領域の寸法YSLRAは、Y方向で同じである。実施例においては、N個の空間位相検出器の隣接ペアにおけるスケール光受光領域間のY方向の距離YSEPは、同じである。   In the embodiment, the dimensions YSLRA of the scale light receiving regions of the N spatial phase detectors are the same in the Y direction. In the embodiment, the distance YSEP in the Y direction between the scale light receiving regions in the adjacent pair of N spatial phase detectors is the same.

Nの値を大きくすることで汚染に対してより耐性が増す一方で、Nの値を大きくすることで空間位相検出器のそれぞれの信号レベルが小さくなってしまうトレードオフの関係が存在することは、言うまでもない。   There is a trade-off relationship between increasing the value of N and increasing the value of N, while increasing the value of N decreases the signal level of each of the spatial phase detectors. Needless to say.

図4Aは、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造400Aの光検出器構造460Aの部分模式図である。簡略化のため、図4Aは、2つの空間位相検出器SPD1A及びSPD1Bを有する、1つの空間位相検出器サブセットSのみを示している。光検出器構造460Aは、本明細書で開示される原理に基づいた少なくとも6つの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため2つしか表されていないことは、言うまでもない。図4Aに示す実施例では、N個の空間位相検出器(例えば、空間位相検出器SPD1A及びSPD1B)のそれぞれは、空間位相マスク(例えば、位相マスクPM1A及びPM1B)で覆われた光検出器(例えば、破線で示されるPD1A及びPD1B)を有する。空間位相マスクは、空間位相マスクに設けられた開口を通るものを除いて、光検出器が周期的なスケール光パターンを受光しないように、スケール光パターンを遮断する。この場合、スケール光受光領域は、空間位相マスク(例えば、空間位相マスクPM1A及びPM1B)のそれぞれの開口を通じて暴露された光検出器(例えば、光検出器PD1A及びPD1B)を有する。図4Aに示す実施例では、位相マスクPM1Bのスケール光受光領域(すなわち、開口)は、位相マスクPM1Aのスケール光受光領域に対して、測定軸方向MAに90度オフセットされている。図4Aでは空間位相マスクPM1A及びPM1Bが模式的に離隔した部分として表示されているが、実施例においては、潜在的な位置決め誤差を無くすため、適宜、同じ材料及び同じ工程で作製されてもよいことは、言うまでもない。 FIG. 4A is a partial schematic diagram of a photodetector structure 460A of an optical encoder structure 400A having stain resistance and defect resistance. For simplicity, FIG. 4A has two spatial phase detector SPD 1A and SPD 1B, shows only one spatial phase detector subsets S 1. The photodetector structure 460A has at least six spatial phase detectors based on the principles disclosed herein, but of course only two are shown for simplicity. In the embodiment shown in FIG. 4A, each of the N spatial phase detectors (eg, spatial phase detectors SPD 1A and SPD 1B ) is covered with a spatial phase mask (eg, phase masks PM 1A and PM 1B ). It has a photodetector (eg, PD 1A and PD 1B indicated by broken lines). The spatial phase mask blocks the scale light pattern so that the photodetector does not receive the periodic scale light pattern, except for those that pass through an opening provided in the spatial phase mask. In this case, the scale light receiving region has a spatial phase mask (e.g., the spatial phase mask PM 1A and PM 1B) photodetectors exposed through the respective openings (e.g., photodetectors PD 1A and PD 1B). In the embodiment shown in FIG. 4A, the scale light receiving area (that is, the opening) of the phase mask PM 1B is offset by 90 degrees in the measurement axis direction MA with respect to the scale light receiving area of the phase mask PM 1A . In FIG. 4A, the spatial phase masks PM 1A and PM 1B are schematically shown as separated portions. However, in the embodiment, in order to eliminate a potential positioning error, the spatial phase masks PM 1A and PM 1B are appropriately manufactured using the same material and the same process. Needless to say, it is good.

図4Bは、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造400Bの光検出器構造460Bの部分模式図である。簡略化のため、図4Bは、2つの空間位相検出器SPD1A’及びSPD1B’を有する、1つの空間位相検出器サブセットS’のみを示している。光検出器構造460Bは、本明細書で開示される原理に基づいた少なくとも6つの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため2つしか表されていないことは、言うまでもない。図4Bに示す実施例では、N個の空間位相検出器(例えば、空間位相検出器SPD1A’及びSPD1B’)のそれぞれは、周期的なスケール光パターンを受け取る電気的かつ相互的に接続された光検出器領域の周期的なアレイを有する。この場合、スケール光受光領域は、光検出器の周期的なアレイである光検出器領域を有する。図4Bに示す実施例では、空間位相検出器 SPD1B’の光検出器領域は、空間位相検出器 SPD1A’の光検出器領域に対して、測定軸方向MAに90度オフセットされている。 FIG. 4B is a partial schematic diagram of a photodetector structure 460B of the optical encoder structure 400B having stain resistance and defect resistance. For simplicity, FIG. 4B shows only one spatial phase detector subset S 1 ′ having two spatial phase detectors SPD 1A ′ and SPD 1B ′. The photodetector structure 460B has at least six spatial phase detectors based on the principles disclosed herein, but of course only two are shown for simplicity. In the embodiment shown in FIG. 4B, each of the N spatial phase detectors (eg, spatial phase detectors SPD 1A ′ and SPD 1B ′) are electrically and interconnected to receive a periodic scale light pattern. A periodic array of photodetector regions. In this case, the scale light receiving area has a photodetector area that is a periodic array of photodetectors. In the embodiment shown in FIG. 4B, the photodetector area of the spatial phase detector SPD 1B ′ is offset by 90 degrees in the measurement axis direction MA with respect to the photodetector area of the spatial phase detector SPD 1A ′.

図5は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造500の追加実施例の部分模式図である。エンコーダ構造500では、検出対象である周期的スケール光パターン535は、検出器干渉縞パターン535で構成される。検出器干渉縞パターン535は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在するように配置されたバンドで構成され、光学式エンコーダが変位している間に、検出干渉縞移動方向DFMDに沿って、測定軸方向と交差するように移動する。   FIG. 5 is a partial schematic diagram of an additional embodiment of an optical encoder structure 500 that provides a displacement signal and is resistant to contamination and defects. In the encoder structure 500, the periodic scale light pattern 535 to be detected is constituted by the detector interference fringe pattern 535. The detector interference fringe pattern 535 is composed of a band arranged to extend in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension, and along the detection interference fringe movement direction DFMD while the optical encoder is displaced. And move so as to intersect the measurement axis direction.

光学式エンコーダ構造500はスケール510、照明光源520及び光検出器構造560を有する。スケール510は、測定軸方向MAに延在する。スケール510は、スケール面SPにおいて測定軸方向MAと実質的に平行に配列された格子バーGBで構成されるスケール格子を有する。格子バーGBは、測定軸方向MAに細く、測定軸方向MAと交差する格子バー方向GBDに長く、測定軸方向MAにスケールピッチPSFで周期的に配列されている。照明光源520は、光源530と構造化照明生成部533とを有する。光源530は、光534’を出力する。構造化照明生成部533は、光534’が入力され、スケール面SPの照明領域IRへ構造化照明534’’を出力する。構造化照明534’’は、測定軸方向MAに細く、格子バー方向GBDに対して0以外の照明干渉縞ヨー角ψをなし、かつ、測定軸方向MAと交差する照明干渉縞方向IFDに長い干渉縞からなる照明干渉縞パターンIFPで構成される。光源530は、点光源531及びコリメートレンズ532を有する。点光源531は、コリメートレンズへ光534を出力し、コリメートレンズは光534を光534’にコリメートする。様々な実施例においては、0以外の照明干渉縞ヨー角ψは、構造化照明生成部533の1以上の要素(例えば、要素540及び550の一方)を、Y軸に対して所望の角度だけ、Z軸回りに回転させることで実現してもよい。実施例においては、0以外の照明干渉縞ヨー角ψは、格子バー方向GBDを、Y軸に対して所望の角度だけ、Z軸回りに回転させることで、実現又は増加させてもよい。 The optical encoder structure 500 has a scale 510, an illumination light source 520, and a photodetector structure 560. The scale 510 extends in the measurement axis direction MA. Scale 510 has a scale grating composed of grating bars GB arranged substantially parallel to measurement axis direction MA on scale surface SP. Grid bars GB is thin the measuring axis direction MA, measuring axis direction MA and long in the lattice bar direction GBD crossing, it is periodically arranged with a scale pitch P SF to the measuring axis direction MA. The illumination light source 520 includes a light source 530 and a structured illumination generation unit 533. Light source 530 outputs light 534 '. The structured illumination generation unit 533 receives the light 534 ′ and outputs the structured illumination 534 ″ to the illumination area IR on the scale plane SP. The structured illumination 534 ″ is thin in the measurement axis direction MA, forms a non-zero illumination interference fringe yaw angle に 対 し て with respect to the grating bar direction GBD, and is long in the illumination interference fringe direction IFD that intersects the measurement axis direction MA. It is composed of an illumination interference fringe pattern IFP composed of interference fringes. The light source 530 has a point light source 531 and a collimating lens 532. Point light source 531 outputs light 534 to a collimating lens, which collimates light 534 to light 534 '. In various embodiments, the non-zero illumination fringe yaw angle ψ may be used to move one or more elements of structured illumination generator 533 (eg, one of elements 540 and 550) to a desired angle with respect to the Y axis. , Around the Z axis. In embodiments, a non-zero illumination interference fringe yaw angle ψ may be realized or increased by rotating the grating bar direction GBD about the Z axis by a desired angle with respect to the Y axis.

図8、9A及び9Bを参照してより詳細に後述するが、光検出器構造560は、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに検出器ピッチPD(図6参照)で周期的に配列されたN個の空間位相検出器からなるセットを有する。空間位相検出器のそれぞれは、空間位相検出器信号を与えるように構成される。少なくとも過半数の空間位相検出器は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在し、かつ、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに比較的細い。N個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、検出干渉縞移動方向DFMDに沿って配列される。   As will be described in more detail below with reference to FIGS. 8, 9A and 9B, the photodetector structure 560 is periodic at the detector pitch PD (see FIG. 6) in the detected interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. Has a set of N spatial phase detectors arranged in a matrix. Each of the spatial phase detectors is configured to provide a spatial phase detector signal. At least a majority of the spatial phase detectors extend in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension and are relatively narrow in the detection fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. The set of N spatial phase detectors is arranged in a spatial phase sequence along the detected interference fringe moving direction DFMD.

スケール510は、照明領域IRに照明干渉縞パターンが入力され、スケール光成分を、スケール光経路SCLPを介して出力する。これにより、光検出器構造560に検出器干渉縞パターン535が形成される。詳細には図6を参照して後述するように、検出器干渉縞パターン535は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在し、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに比較的に細く、かつ、検出干渉縞移動方向DFMDに検出干渉縞周期PDFの周期性を有する高光強度及び低光強度のバンドで構成される。これらの方向性を示すため、ここでは、バンドは比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在しているが、様々な実施例において、バンドが測定軸方向MAに沿うように配列されなければならないことを意味するものではない。以下で図6を参照して説明するように、様々な例示的な実施例では、バンドは測定軸方向MAに対して適度な又は小さな角度で配列されてもよい。   The scale 510 receives the illumination interference fringe pattern in the illumination area IR and outputs the scale light component via the scale light path SCLP. As a result, a detector interference fringe pattern 535 is formed on the photodetector structure 560. As described later in detail with reference to FIG. 6, the detector interference fringe pattern 535 extends in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension and moves in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. It is composed of high light intensity and low light intensity bands which are relatively thin and have a periodicity of the detected interference fringe period PDF in the detected interference fringe movement direction DFMD. To show these orientations, here the band extends in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension, but in various embodiments the bands must be arranged along the measurement axis direction MA. It does not mean that it must not. As described below with reference to FIG. 6, in various exemplary embodiments, the bands may be arranged at a moderate or small angle with respect to the measurement axis direction MA.

図7を参照して後述するが、検出干渉縞周期PDF及び測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDは、部分的ではあるものの、0以外の照明干渉縞ヨー角ψに依存する。スケール510が測定軸方向MAに変位するにつれて、高光強度及び低光強度のバンドは、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに移動する。光検出器構造560は、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDでの高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出し、スケールの変位を示す空間位相変位信号を与えるように構成される。   As will be described later with reference to FIG. 7, the detected interference fringe period PDF and the detected interference fringe movement direction DFMD that intersects with the measurement axis direction MA partially, but partially depend on the illumination interference fringe yaw angle 以外 other than zero. As the scale 510 is displaced in the measurement axis direction MA, the high light intensity and low light intensity bands move in the detection interference fringe movement direction DFMD crossing the measurement axis direction MA. The photodetector structure 560 is configured to detect the displacement of the high light intensity and low light intensity bands in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA and to provide a spatial phase displacement signal indicating the displacement of the scale. Is done.

図5に示す実施例では、構造化照明生成部533は、第1照明光源回折格子540と第2照明光源回折格子550とを有する。実施例においては、第1照明光源回折格子540及び第2照明光源回折格子550は、位相格子であってもよい。位相格子は、光のロスを低減することで、より高い出力効率を与える。   In the embodiment shown in FIG. 5, the structured illumination generating unit 533 has a first illumination light source diffraction grating 540 and a second illumination light source diffraction grating 550. In an embodiment, the first illumination light source diffraction grating 540 and the second illumination light source diffraction grating 550 may be phase gratings. Phase gratings provide higher output efficiency by reducing light loss.

図5〜図9Bについて説明する原理にかかる耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造は、100μmの大きさの汚染(例えば、ワイヤボンディング汚染)や300μmの大きさのスケール欠陥に耐性を有する単純な設計を提供する。検出干渉縞周期と同じ又はそれよりも大きなサイズのスケール上の汚染又は欠陥は、典型的には、信号処理(例えば、直交処理)で相殺し得る、隣接する空間位相検出器でのコモンモード誤差成分を生じる。すなわち、測定軸方向に沿って移動する汚染の影響は、隣接する空間位相検出器間で共有され、スケール又はリードヘッド構造が測定軸方向に変位するにつれて、隣接する空間位相検出器間を測定軸方向に移動する。汚染の影響は隣接する空間位相検出器間のコンモードの影響であるため、かつ、空間位相検出器は、汚染の影響よりも実質的に大きな、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在しているため、変位信号の精度に対する汚染の影響は、実質的に緩和される。未処理の非コモンモードエラーの場合には、光検出器構造560がスケール510に対して変位するにつれて、検出器干渉縞パターン535の欠陥に対応する部分は、ある空間位相検出器から他の空間位相検出器へたいへんゆっくりと移動し、これにより空間位相変位信号をより効率的に補償できることが、他の利点として挙げられる。このようなエンコーダは、複雑な信号処理を要することなく、汚染や欠陥に対する耐性を提供できる。N個の空間位相検出器からなるセットにより与えられる空間位相変位信号は、当業者に知られた標準的な技術に応じて処理してもよい。   The optical encoder structure having contamination resistance and defect resistance according to the principle described with reference to FIGS. 5 to 9B is resistant to contamination of 100 μm (for example, wire bonding contamination) and scale defect of 300 μm. Provide a simple design to have. Contamination or imperfections on a scale that is the same size or larger than the detected fringe period can typically be canceled by signal processing (eg, quadrature processing) common mode errors in adjacent spatial phase detectors. Produces an ingredient. That is, the effect of contamination traveling along the measurement axis direction is shared between adjacent spatial phase detectors, and as the scale or readhead structure is displaced in the measurement axis direction, the measurement axis travels between adjacent spatial phase detectors. Move in the direction. Since the contamination effect is a conmode effect between adjacent spatial phase detectors, and the spatial phase detector extends in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension that is substantially greater than the contamination effect Therefore, the influence of contamination on the accuracy of the displacement signal is substantially reduced. In the case of unprocessed non-common mode errors, as the photodetector structure 560 is displaced with respect to the scale 510, the portion of the detector interference fringe pattern 535 corresponding to the defect may be shifted from one spatial phase detector to another. Another advantage is that it moves very slowly to the phase detector, which allows the spatial phase displacement signal to be more efficiently compensated. Such an encoder can provide resistance to contamination and defects without requiring complicated signal processing. The spatial phase displacement signal provided by the set of N spatial phase detectors may be processed according to standard techniques known to those skilled in the art.

図6Aに、図5の光検出器構造560に類似する光検出器構造660の近傍での、検出器干渉縞パターン535と類似の又は同じ検出器干渉縞パターン635を形成するスケール光成分SL1及びSL2の第1の図を模式的に示す。検出器干渉縞パターン635は、図5を参照して概説した光学式エンコーダ構造500と類似の光学式エンコーダにより与えられてもよい。図5を参照して既述したように、図6Aは、測定軸方向MAとスケール光経路SCLPとで定義される面に検出器干渉縞パターン635を形成するスケール光の断面を示している。図6Aに示すように、スケール光成分は、第1スケール光成分SL1と第2スケール光成分SL2(高光強度バンドを表す破線で示されている)を含む。第1スケール光成分SL1と第2スケール光成分SL2は、それぞれ平行な光線を含み、第1スケール光成分SL1の平行光線は、スケール光経路SCLPに対して反対の角度の方向に沿っている。第1スケール光成分SL1及び第2スケール光成分SL2は、既知の原理により、重複することで検出器干渉縞パターン635を形成する。第1スケール光成分SL1及び第2スケール光成分SL2は、構造化照明生成部からの異なる回折次数の回折光によって形成されてもよい。検出器干渉縞パターン635は、破線で表される暗又は低光強度のバンド635Dと、太線で表される明又は高光強度のバンド635Lとで構成される。   FIG. 6A shows a scale light component SL1 and a scale light component SL1 similar to or the same as the detector interference fringe pattern 535 in the vicinity of the light detector structure 660 similar to the light detector structure 560 of FIG. A first diagram of SL2 is shown schematically. The detector fringe pattern 635 may be provided by an optical encoder similar to the optical encoder structure 500 outlined with reference to FIG. As described above with reference to FIG. 5, FIG. 6A shows a cross section of scale light that forms a detector interference fringe pattern 635 on a plane defined by the measurement axis direction MA and the scale light path SCLP. As shown in FIG. 6A, the scale light component includes a first scale light component SL1 and a second scale light component SL2 (shown by broken lines representing a high light intensity band). The first scale light component SL1 and the second scale light component SL2 each include parallel light rays, and the parallel light rays of the first scale light component SL1 are along directions at opposite angles with respect to the scale light path SCLP. The first scale light component SL1 and the second scale light component SL2 overlap to form a detector interference fringe pattern 635 according to a known principle. The first scale light component SL1 and the second scale light component SL2 may be formed by diffracted lights of different diffraction orders from the structured illumination generator. The detector interference fringe pattern 635 includes a dark or low light intensity band 635D represented by a broken line and a bright or high light intensity band 635L represented by a thick line.

図6Bに、干渉縞パターン635を形成するスケール光成分SL1及びSL2の第2の図を模式的に示す。図6Bは、図5について既述した、測定軸方向MAとY方向とで定義される面での検出器干渉縞パターン635の、光検出器構造660近傍での断面を示している。図6Bに示すように、検出器干渉縞パターン635は、太線で表される暗又は低光強度のバンド635Dと、破線で表される明又は高光強度のバンド635Lとで構成される。暗又は低光強度のバンド635Dと明又は高光強度のバンド635Lとは、検出干渉縞移動方向DFMDに検出干渉縞周期PDFの周期性を有する。一般に、検出干渉縞移動方向は、Y方向に対して0以外の照明干渉縞ヨー角ψと等しい僅かな回転伴って、干渉バンド635D及び635Lの方向と交差する。   FIG. 6B schematically shows a second diagram of the scale light components SL1 and SL2 forming the interference fringe pattern 635. FIG. 6B shows a cross section near the photodetector structure 660 of the detector interference fringe pattern 635 on the plane defined by the measurement axis direction MA and the Y direction described above with reference to FIG. As shown in FIG. 6B, the detector interference fringe pattern 635 includes a dark or low light intensity band 635D represented by a thick line and a bright or high light intensity band 635L represented by a broken line. The dark or low light intensity band 635D and the bright or high light intensity band 635L have a periodicity of the detected interference fringe period PDF in the detected interference fringe moving direction DFMD. In general, the direction of movement of the detected interference fringes intersects the directions of the interference bands 635D and 635L with a slight rotation equal to the non-zero illumination interference fringe yaw angle に 対 し て with respect to the Y direction.

図7は、図5及び図6に示した光学式エンコーダ構造500に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダの特性のグラフ700である。このグラフは、照明干渉縞ヨー角ψに対する検出干渉縞周期PDFを示している。グラフ700は、格子ピッチPの第1照明光源回折格子、格子ピッチPの第2照明光源回折格子及びスケールピッチPSFのスケールを有する構造化照明生成部を有する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダのデータを示している。上記のピッチP、P及びPSFは、以下の式を満たす。

Figure 2020056786
FIG. 7 is a graph 700 of the characteristics of an optical encoder having stain and defect resistance similar to the optical encoder structure 500 shown in FIGS. This graph shows the detected interference fringe period PDF with respect to the illumination interference fringe yaw angle ψ. Graph 700 includes a first illumination source diffraction grating of the grating pitch P 1, the second illumination source grating and stain resistance and defect resistance with structured illumination generating unit having a scale of the scale pitch P SF of the grating pitch P 2 2 shows data of an optical encoder having the following. The above-mentioned pitches P 1 , P 2 and P SF satisfy the following equations.
Figure 2020056786

以下の式により、検出干渉縞周期PDFは、照明干渉縞ヨー角ψと結びつけられる。

Figure 2020056786
By the following equation, the detected interference fringe period PDF is linked to the illumination interference fringe yaw angle ψ.
Figure 2020056786

一般に、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダにとっては、検出干渉縞周期PDFが大きくなる(例えば、7μmよりも大きい、又は、実施例によっては40μmよりも大きい)ように構成されることが望ましい。この場合には、照明干渉縞ヨー角ψは、小さな値(例えば、7μm未満)である必要がある。大きな値の検出干渉縞周期PDFは、スケール、光検出器構造及び照明光源間の位置ズレに起因する測定誤差に対する良好な耐性を与える。照明光源及び光検出器構造の一方又は両方に対するスケールのピッチングやローリングに起因する誤差は、検出干渉縞周期PDFに反比例する。よって、大きな値の検出干渉縞周期PDFは、スケールのうねりによって生じる測定誤差に対する良好なロバスト性を与える。   In general, for a contamination- and defect-resistant optical encoder, the detection fringe period PDF is configured to be large (for example, larger than 7 μm, or larger than 40 μm in some embodiments). Is desirable. In this case, the illumination interference fringe yaw angle ψ needs to be a small value (for example, less than 7 μm). A large value of the detected fringe period PDF provides good resistance to measurement errors due to misalignment between the scale, the photodetector structure and the illumination source. Errors due to pitch or rolling of the scale for one or both of the illumination light source and the photodetector structure are inversely proportional to the detected fringe period PDF. Therefore, the detection fringe period PDF having a large value provides good robustness against measurement errors caused by undulation of the scale.

図8は、図5及び図6に示した光学式エンコーダ構造500に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダにおいて使用可能な例示的な光検出器構造860の模式図800である。ここでは、光検出器構造は、測定軸方向に近接して、又は、概ね測定軸方向に沿って延在し、測定軸方向と交差して周期的に配列された空間位相検出器を有する。類似の符号である図8の8XXと図5の5XXとは、特に断らない限り、類似の要素を示すものとする。   FIG. 8 is a schematic diagram 800 of an exemplary photodetector structure 860 that can be used in a contamination and defect resistant optical encoder similar to the optical encoder structure 500 shown in FIGS. 5 and 6. . Here, the photodetector structure has spatial phase detectors that extend in proximity to or approximately along the measurement axis direction and are periodically arranged crossing the measurement axis direction. 8XX of FIG. 8 and 5XX of FIG. 5, which are similar symbols, indicate similar elements unless otherwise specified.

光検出器構造860は、空間位相列に検出干渉縞移動方向DFMDに沿って配列されたN個の空間位相検出器からなるセットを有する。Nは、6以上の整数である。空間位相列は、測定軸方向MAと交差する方向の始まり及び終わりに位置する2つの外側空間位相検出器と、2つの外側空間位相検出器の間に位置する空間位相検出器の内側の群と、を有する。内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、空間位相列において、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続される。先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する。換言すれば、1つの空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、測定軸方向MAと交差する方向で、後続する1又は複数の空間位相検出器と、先行する1又は複数の空間位相検出器とによって挟まれている。但し、内側の群において測定軸方向MAと交差する方向の端部に設けられた空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、1つの外側位相検出と、内側の群に属するその他の空間位相検出器とによって挟まれることとなる。空間位相検出器のそれぞれは、検出干渉縞移動方向DFMDの空間周期性を有し、かつ、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、スケール光受光領域を有する。   The photodetector structure 860 has a set of N spatial phase detectors arranged in a spatial phase sequence along the detected interference fringe movement direction DFMD. N is an integer of 6 or more. The spatial phase train consists of two outer spatial phase detectors located at the beginning and end of a direction intersecting the measurement axis direction MA, and an inner group of spatial phase detectors located between the two outer spatial phase detectors. And Each of the inner group of spatial phase detectors is preceded and followed by a spatial phase detector having a different spatial phase from the spatial phase detector in the spatial phase sequence. The preceding and succeeding spatial phase detectors have different spatial phases. In other words, when attention is paid to one spatial phase detector, the spatial phase detector of interest is one or more succeeding spatial phase detectors and one or more preceding spatial phase detectors in a direction intersecting the measurement axis direction MA. With the spatial phase detector. However, when attention is paid to the spatial phase detector provided at the end in the direction crossing the measurement axis direction MA in the inner group, the noted spatial phase detector belongs to one outer phase detection and belongs to the inner group. It will be sandwiched by other spatial phase detectors. Each of the spatial phase detectors has a spatial periodicity of the detected interference fringe moving direction DFMD, and is arranged corresponding to each of the spatial phases of the spatial phase detector according to the periodic scale light pattern. It has a scale light receiving area.

実施例においては、N個の空間位相光検出器からなるセットは、少なくとも空間位相検出器のM個のサブセットを有してもよい。但し、Mは、2以上の整数である。M個のサブセットのそれぞれは、それぞれの空間位相を与える、N個の空間位相光検出器からなるセットに含まれる空間位相検出器を有する。実施例においては、Mは4以上としてもよい。実施例においては、Mは6以上としてもよい。実施例においては、空間位相検出器のM個のサブセットのそれぞれは、同じ空間位相列サブセットに配列された、同じ空間位相を与える空間位相検出器を含んでもよい。図8は、S〜Sで示される空間位相検出器のM個のサブセットの実施例を示す。サブセットSは、空間位相検出器SPD1A、SPD1B、SPD1C及びSPD1Dを有する。サブセットSは、空間位相検出器SPD2A、SPD2B、SPD2C及びSPD2Dを有する。サブセットSは、空間位相検出器SPDMA、SPDMB、SPDMC及びSPDMDを有する。 In an embodiment, the set of N spatial phase detectors may include at least M subsets of the spatial phase detectors. Here, M is an integer of 2 or more. Each of the M subsets has a spatial phase detector included in the set of N spatial phase photodetectors that provides a respective spatial phase. In the embodiment, M may be 4 or more. In the embodiment, M may be 6 or more. In an embodiment, each of the M subsets of spatial phase detectors may include spatial phase detectors providing the same spatial phase, arranged in the same spatial phase sequence subset. FIG. 8 shows an embodiment of the M subsets of the spatial phase detector denoted S 1 -S M. Subset S 1 has spatial phase detectors SPD 1A , SPD 1B , SPD 1C and SPD 1D . The subset S 2 has a spatial phase detector SPD 2A, SPD 2B, SPD 2C and SPD 2D. The subset SM has spatial phase detectors SPD MA , SPD MB , SPD MC and SPD MD .

図8に示す実施例においては、空間位相列は、下付文字A、B、C及びDを含む空間位相検出器(例えば、空間位相検出器SPD1A、SPD1B、SPD1C及びSPD1D)で表されている。下付文字A及びDが付された空間位相検出器は、空間位相列の各例の始まり及び終わりに位置する2つの外側空間位相検出器である。下付文字B及びCが付された空間位相検出器は、内側の群である。 In the embodiment shown in FIG. 8, the spatial phase sequence is a spatial phase detector including subscripts A, B, C, and D (eg, spatial phase detectors SPD 1A , SPD 1B , SPD 1C and SPD 1D ). Is represented. The spatial phase detectors with subscripts A and D are the two outer spatial phase detectors located at the beginning and end of each instance of the spatial phase sequence. The spatial phase detectors with subscripts B and C are the inner group.

空間位相検出器SPD1A、SPD1B、SPD1C及びSPD1Dは、それぞれ空間位相検出器信号A、B、C及びDを出力する。空間位相検出器SPD2A、SPD2B、SPD2C及びSPD2Dは、それぞれ空間位相検出器信号A、B、C及びDを出力する。空間位相検出器SPDMA、SPDMB、SPDMC及びSPDMDは、それぞれ空間位相検出器信号A、B、C及びDを出力する。 The spatial phase detectors SPD 1A , SPD 1B , SPD 1C and SPD 1D output spatial phase detector signals A 1 , B 1 , C 1 and D 1 respectively. The spatial phase detectors SPD 2A , SPD 2B , SPD 2C and SPD 2D output spatial phase detector signals A 2 , B 2 , C 2 and D 2 respectively. The spatial phase detectors SPD MA , SPD MB , SPD MC and SPD MD output spatial phase detector signals A M , B M , C M and D M , respectively.

図8に示すような実施例においては、Nは8以上であり、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ90度ずつ離れた空間位相を有する4つの空間位相検出器を有してもよい。変形例においては、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ120度ずつ離れた空間位相を有する3つの空間位相検出器を有してもよい。   In the embodiment as shown in FIG. 8, N is greater than or equal to 8, and each of the spatial phase detector subsets may have four spatial phase detectors, each having a spatial phase separated by 90 degrees. In a variant, each of the spatial phase detector subsets may have three spatial phase detectors, each having a spatial phase separated by 120 degrees.

図8に示す実施例では、光検出器構造860は、同じ空間位相に対応する空間位相検出器信号を合成し、かつ、合成した信号のそれぞれを空間位相位置信号として出力するように構成された接続部を有する。光検出器構造860は、90度ずつ離れた空間位相に対応する4つの空間位相位置信号を出力するように構成される。同じ文字表記が付された空間位相信号(例えば、A、A及びA)は、空間位相信号ΣA、ΣB、ΣC及びΣDを与えるように合成(例えば加算)される。変形例においては、光検出器構造は、120度ずつ離れた空間位相に対応する3つの空間位相位置信号を出力するように構成されてもよい。他の場合においては、更に、空間位相位置信号は、例えば直交信号処理又は三相信号処理よって変位信号を決定するのに用いられてもよい。 In the embodiment shown in FIG. 8, the photodetector structure 860 is configured to combine spatial phase detector signals corresponding to the same spatial phase and to output each of the combined signals as a spatial phase position signal. It has a connection part. The photodetector structure 860 is configured to output four spatial phase position signals corresponding to spatial phases separated by 90 degrees. Spatial phase signals (eg, A 1 , A 2, and A M ) with the same letter notation are combined (eg, added) to provide spatial phase signals ΣA, ΣB, ΣC, and ΣD. In a variant, the photodetector structure may be configured to output three spatial phase position signals corresponding to spatial phases separated by 120 degrees. In other cases, furthermore, the spatial phase position signal may be used to determine the displacement signal by, for example, quadrature signal processing or three-phase signal processing.

実施例においては、N個の空間位相検出器の隣接ペアのそれぞれのスケール光受光領域間の検出干渉縞移動方向DFMDの距離YSEPは、25μm以下としてもよい。実施例においては、N個の空間位相検出器の隣接ペアのそれぞれのスケール光受光領域間の検出干渉縞移動方向DFMDの距離YSEPは、同じである。   In the embodiment, the distance YSEP in the detection interference fringe moving direction DFMD between the respective scale light receiving regions of the adjacent pairs of the N spatial phase detectors may be 25 μm or less. In the embodiment, the distance YSEP in the detection interference fringe moving direction DFMD between the respective scale light receiving regions of the adjacent pairs of N spatial phase detectors is the same.

図8では、さらに、測定軸方向MAに対する検出器軸DAを示している。検出器軸は、空間位相検出器の特定の伸長方向と平行な方向である。一般に、検出器軸DAは、検出干渉縞移動方向DFMDと直交(実質的に直交)することが望ましい。しかしながら、良好な変位信号が得られるならば、厳密にこの例に限られるものではない。よって、実施例においては、特に検出干渉縞移動方向DFMDが測定軸方向MAと直交していない場合、検出器軸は、測定軸方向MAに対して角度αだけ回転していてもよい。(図7について説明したように)小さな照明干渉縞ヨー角ψを用いることが望ましいので、角度αは相当に小さくてもよい。照明干渉縞ヨー角ψがきわめて小さな値である場合には、検出器軸DAを測定軸方向MAに対して回転させる必要すらない。   FIG. 8 further shows the detector axis DA in the measurement axis direction MA. The detector axis is the direction parallel to the particular extension direction of the spatial phase detector. In general, it is desirable that the detector axis DA is orthogonal (substantially orthogonal) to the detected interference fringe moving direction DFMD. However, if a good displacement signal can be obtained, it is not strictly limited to this example. Therefore, in the embodiment, especially when the detection interference fringe movement direction DFMD is not orthogonal to the measurement axis direction MA, the detector axis may be rotated by the angle α with respect to the measurement axis direction MA. Since it is desirable to use a small illumination fringe yaw angle ψ (as described with respect to FIG. 7), the angle α may be significantly smaller. If the illumination fringe yaw angle ψ is a very small value, it is not necessary to rotate the detector axis DA with respect to the measurement axis direction MA.

図9Aは、図8に示した光検出器構造に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ900Aの他の例示的な光検出器構造960Aの断面を示す模式図である。簡略化のため、図9Aは、2つの空間位相検出器SPD1A及びSPD1Bを有する、1つの空間位相検出器サブセットSのみを示している。光検出器構造960Aは、本明細書で開示される原理に基づいたより多くの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため2つしか表されていないことは、言うまでもない。図9Aに示す実施例では、N個の空間位相検出器(例えば、空間位相検出器SPD1A及びSPD1B)のそれぞれは、空間位相マスク(例えば、位相マスクPM1A及びPM1B)で覆われた光検出器(例えば、破線で示されるPD1A及びPD1B)を有する。空間位相マスクは、空間位相マスクに設けられた開口を通るものを除いて、光検出器が周期的なスケール光パターンを受光しないように、スケール光パターンを遮断する。この場合、スケール光受光領域は、空間位相マスク(例えば、空間位相マスクPM1A及びPM1B)のそれぞれの開口を通じて暴露された光検出器領域(例えば、光検出器PD1A及びPD1B)を有する。図9Aに示す実施例では、位相マスクPM1Bのスケール光受光領域(すなわち、開口)は、位相マスクPM1Aのスケール光受光領域に対して、検出干渉縞移動方向DFMDに90度オフセットされている。図9Aでは空間位相マスクPM1A及びPM1Bが模式的に離隔した部分として表示されているが、実施例においては、潜在的な位置決め誤差を無くすため、適宜、同じ材料及び同じ工程で作製されてもよいことは、言うまでもない。 FIG. 9A is a schematic diagram illustrating a cross-section of another exemplary photodetector structure 960A having an optical encoder 900A having contamination and defect resistance similar to the photodetector structure shown in FIG. For simplicity, FIG. 9A has two spatial phase detector SPD 1A and SPD 1B, shows only one spatial phase detector subsets S 1. The photodetector structure 960A has more spatial phase detectors based on the principles disclosed herein, but of course only two are shown for simplicity. In the embodiment shown in FIG. 9A, each of the N spatial phase detectors (eg, spatial phase detectors SPD 1A and SPD 1B ) is covered with a spatial phase mask (eg, phase masks PM 1A and PM 1B ). It has a photodetector (eg, PD 1A and PD 1B indicated by broken lines). The spatial phase mask blocks the scale light pattern so that the photodetector does not receive the periodic scale light pattern, except for those that pass through an opening provided in the spatial phase mask. In this case, the scale light receiving area has photodetector areas (eg, photodetectors PD 1A and PD 1B ) exposed through respective openings of a spatial phase mask (eg, spatial phase masks PM 1A and PM 1B ). . In the embodiment shown in FIG. 9A, the scale light receiving area (that is, the opening) of the phase mask PM 1B is offset by 90 degrees in the detection interference fringe moving direction DFMD with respect to the scale light receiving area of the phase mask PM 1A . . In FIG. 9A, the spatial phase masks PM 1A and PM 1B are schematically shown as separated portions. However, in the embodiment, in order to eliminate a potential positioning error, the spatial phase masks PM 1A and PM 1B are appropriately formed of the same material and the same process. Needless to say, it is good.

図9Bは、図8に示した光検出器構造860に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ900Bの他の例示的な光検出器構造960Bの断面を示す模式図である。簡略化のため、図9Bは、2つの空間位相検出器SPD1A’及びSPD1B’を有する、1つの空間位相検出器サブセットS’のみを示している。光検出器構造960Bは、本明細書で開示される原理に基づいたより多くの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため2つしか表されていないことは、言うまでもない。図9Bに示す実施例では、N個の空間位相検出器(例えば、空間位相検出器SPD1A’及びSPD1B’)のそれぞれは、周期的なスケール光パターンを受け取る電気的かつ相互的に接続された光検出器領域の周期的なアレイを有する。この場合、スケール光受光領域は、光検出器の周期的なアレイである光検出器領域を有する。図9Bに示す実施例では、空間位相検出器 SPD1B’の光検出器領域は、空間位相検出器 SPD1A’の光検出器領域に対して、検出干渉縞移動方向DFMDに90度の空間位相シフトによってオフセットされている。 FIG. 9B is a schematic diagram illustrating a cross-section of another exemplary photodetector structure 960B of the optical encoder 900B having contamination and defect resistance similar to the photodetector structure 860 shown in FIG. For simplicity, FIG. 9B shows only one spatial phase detector subset S 1 ′ with two spatial phase detectors SPD 1A ′ and SPD 1B ′. The photodetector structure 960B has more spatial phase detectors based on the principles disclosed herein, but of course only two are shown for simplicity. In the embodiment shown in FIG. 9B, each of the N spatial phase detectors (eg, spatial phase detectors SPD 1A ′ and SPD 1B ′) are electrically and interconnected to receive a periodic scale light pattern. A periodic array of photodetector regions. In this case, the scale light receiving area has a photodetector area that is a periodic array of photodetectors. In the embodiment shown in FIG. 9B, the photodetector region of the spatial phase detector SPD 1B ′ has a 90 ° spatial phase in the detection interference fringe movement direction DFMD with respect to the photodetector region of the spatial phase detector SPD 1A ′. Offset by shift.

光検出器構造960A及び960Bに類似する光検出器構造の実施例においては、N個の空間位相検出器のそれぞれが、偶数個のスケール光受光領域を有することが有利である。スケール光の0次回折光成分は、スケール光に交互に現れる縞の光強度を変動させうる。よって、スケール光受光領域を偶数個とすることで、この変動を平均化する。   In an embodiment of a photodetector structure similar to photodetector structures 960A and 960B, it is advantageous for each of the N spatial phase detectors to have an even number of scaled light receiving areas. The 0th-order diffracted light component of the scale light can fluctuate the light intensity of the fringes alternately appearing in the scale light. Therefore, this variation is averaged by using an even number of scale light receiving regions.

図10は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造1000の追加実施例の部分模式図である。エンコーダ構造1000では、検出対象である周期的スケール光パターン1035は、検出器干渉縞パターン1035で構成される。検出器干渉縞パターン1035は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在するように配置されたバンドで構成され、光学式エンコーダが変位する間に、測定軸方向と交差する方向である検出干渉縞移動方向DFMDに沿って移動する。   FIG. 10 is a partial schematic view of an additional embodiment of an optical encoder structure 1000 having a contamination resistance and a defect resistance for providing a displacement signal. In the encoder structure 1000, the periodic scale light pattern 1035 to be detected is constituted by the detector interference fringe pattern 1035. The detector interference fringe pattern 1035 is composed of bands arranged to extend in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension, the direction intersecting the measurement axis direction during displacement of the optical encoder. It moves along the interference fringe moving direction DFMD.

エンコーダ構造1000はスケール1010、照明光源1020及び光検出器構造1060を有する。スケール1010は、測定軸方向MAと実質的に平行なスケール面SPに配列された格子バーGBで構成されるスケール格子を有する。スケール格子バーGBは、測定軸方向MAに細く、測定軸方向MAに直交するスケール格子バー方向SGBDに長く、測定軸方向MAにスケールピッチPSFで周期的に配列されている。照明光源1020は、光源1030と構造化照明生成部1033とを有する。光源1030は、光1034’を出力する。構造化照明生成部1033は、光1034’が入力され、光源光経路SOLPを介して、スケール面SPの照明領域IRへ構造化照明1034’’を出力する。構造化照明1034’’は、測定軸方向MAに細く、測定軸方向MAと交差する方向に向いており、照明干渉縞方向IFDに長い縞からなる照明干渉パターンIFPで構成される。光源1030は、点光源1031及びコリメートレンズ1032を有する。点光源1031は、コリメートレンズへ光1034を出力し、コリメートレンズは光1034を光1034’にコリメートする。 The encoder structure 1000 has a scale 1010, an illumination light source 1020, and a photodetector structure 1060. The scale 1010 has a scale grid composed of grid bars GB arranged on a scale plane SP substantially parallel to the measurement axis direction MA. Scale grating bar GB is thin the measuring axis direction MA, long scale grating bar direction SGBD perpendicular to the measuring axis direction MA, it is periodically arranged with a scale pitch P SF to the measuring axis direction MA. The illumination light source 1020 includes a light source 1030 and a structured illumination generation unit 1033. Light source 1030 outputs light 1034 '. The structured illumination generation unit 1033 receives the light 1034 ′ and outputs the structured illumination 1034 ″ to the illumination area IR on the scale plane SP via the light source optical path SOLP. The structured illumination 1034 ″ is an illumination interference pattern IFP that is thin in the measurement axis direction MA, is oriented in a direction intersecting the measurement axis direction MA, and is composed of long stripes in the illumination interference fringe direction IFD. The light source 1030 has a point light source 1031 and a collimating lens 1032. Point light source 1031 outputs light 1034 to a collimating lens, which collimates light 1034 to light 1034 '.

図8、9A及び9Bを参照して詳細に既述したように、光検出器構造1060は、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに検出器ピッチPD(図6A及び図6B参照)で周期的に配列されたN個の空間位相検出器からなるセットを有する。空間位相検出器は、それぞれ位相検出信号を与えるように構成される。少なくとも過半数の空間位相検出器は、それぞれ比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在し、かつ、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに比較的細い。N個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、検出干渉縞移動方向DFMDに沿って配列される。   As described above in detail with reference to FIGS. 8, 9A and 9B, the photodetector structure 1060 has a detector pitch PD (see FIGS. 6A and 6B) in a detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. ) Has a set of N spatial phase detectors arranged periodically. The spatial phase detectors are each configured to provide a phase detection signal. At least a majority of the spatial phase detectors each extend in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension and are relatively narrow in the detection fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. The set of N spatial phase detectors is arranged in a spatial phase sequence along the detected interference fringe moving direction DFMD.

エンコーダ構造500の場合と同様に、スケール1010は、照明領域IRに照明干渉縞パターンが入力され、スケール光成分を、スケール光経路SCLPを介して出力する。これにより、光検出器構造1060に検出器干渉縞パターン1035が形成される。以下、図6を参照して既述したように、検出器干渉縞パターン1035は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在し、測定軸方向MAに直交する検出干渉縞移動方向DFMDに比較的細く、かつ、検出干渉縞周期PDFで周期的な高強度及び低強度のバンドを有する。   As in the case of the encoder structure 500, the scale 1010 receives the illumination interference fringe pattern in the illumination region IR and outputs the scale light component via the scale light path SCLP. As a result, a detector interference fringe pattern 1035 is formed on the photodetector structure 1060. As described above with reference to FIG. 6, the detector interference fringe pattern 1035 extends in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension and extends in the detection interference fringe movement direction DFMD orthogonal to the measurement axis direction MA. It is relatively thin and has high intensity and low intensity bands that are periodic with the detected interference fringe period PDF.

スケール格子バー方向SGBDは、光源光経路SOLPとスケール光経路SCLPとで定義されるリードヘッドの面RHPに対して0ではないヨー角ψSCをなす方向に向いている。 The scale grating bar direction SGBD points in a direction forming a non-zero yaw angle ψ SC with respect to the read head surface RHP defined by the light source light path SOLP and the scale light path SCLP.

構造化照明生成部1033は、第1照明光源回折格子1040及び第2照明光源回折格子1050を有する。これらについては、図11A及び図11Bにてより詳細に示す。実施例においては、第1照明光源回折格子1040及び第2照明光源回折格子1050は、位相格子であってもよい。   The structured illumination generation unit 1033 includes a first illumination light source diffraction grating 1040 and a second illumination light source diffraction grating 1050. These are shown in more detail in FIGS. 11A and 11B. In an embodiment, the first illumination light source diffraction grating 1040 and the second illumination light source diffraction grating 1050 may be phase gratings.

図7を参照して既述したように、検出干渉縞周期PDF及び測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDは、部分的ではあるものの、0ではない照明干渉縞ヨー角ψSCに依存する。スケール1010が測定軸方向MAに変位するにつれて、高強度及び低強度のバンドは、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに移動する。光検出器構造1060は、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDでの高強度及び低強度のバンドの変位を検出するように構成され、それぞれスケールの変位を示す空間位相変位信号を与える。 As described above with reference to FIG. 7, the detected interference fringe period PDF and the detected interference fringe movement direction DFMD that intersects with the measurement axis direction MA are partially, but not zero, the illumination interference fringe yaw angle SC SC . Dependent. As the scale 1010 is displaced in the measurement axis direction MA, the high intensity and low intensity bands move in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. The photodetector structure 1060 is configured to detect high and low intensity band displacements in a detected interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA, and outputs a spatial phase displacement signal indicating scale displacement, respectively. give.

図11Aは、第1照明光源回折格子1040の模式図である。図11Bは、第2照明光源回折格子1050の模式図である。様々な実施例においては、光学式エンコーダ1000は、スケール1010、照明光源1020及び光検出器構造1060間のギャップの変動によって生じる変位信号の誤差を最小化するように構成されることが望ましい。   FIG. 11A is a schematic diagram of the first illumination light source diffraction grating 1040. FIG. 11B is a schematic diagram of the second illumination light source diffraction grating 1050. In various embodiments, the optical encoder 1000 is desirably configured to minimize errors in the displacement signal caused by variations in the gap between the scale 1010, the illumination source 1020, and the photodetector structure 1060.

図11Aに示すように、第1照明光源回折格子1040は、第1インデックス面に第1インデックスピッチPで周期的に配列された第1インデックス格子バーで構成される。第1インデックス格子バーは、測定軸方向に細く、測定軸方向と交差し、かつ、リードヘッド面RHPに対して角度ψだけ回転している第1インデックス格子バー方向に長い。図11Bに示すように、第2照明光源回折格子1050は、第1インデックス面と平行な第2インデックス面に第2インデックスピッチPで周期的に配列された第2インデックス格子バーで構成される。第2インデックス格子バーは、測定軸方向に細く、測定軸方向と交差し、かつ、リードヘッド面RHPに対して角度ψだけ回転している第2インデックス格子バー方向に長い。 As shown in FIG. 11A, the first illumination source grating 1040 is composed of a first index grating bars which are periodically arranged in the first index pitch P 1 in the first index plane. The first index grating bar is narrow in the measurement axis direction, intersects with the measurement axis direction, and is long in the direction of the first index grating bar rotated by an angle に 対 し て1 with respect to the read head surface RHP. As shown in FIG. 11B, the second illumination source grating 1050 is composed of a second index grating bars which are periodically arranged in the second index pitch P 2 in the second index plane parallel to the first index plane . Second index grating bars, thin the measurement axis direction, intersects the measuring axis direction, and long in the second index grating bars direction being rotated by an angle [psi 2 to the read head surface RHP.

光学式エンコーダ500のような様々な実施の形態においては、動的なギャップ誤差は、照明部520とスケール510との間の光源光経路SOLPに沿う方向の距離の変動であるスケールのうねりによって生じる。スケール光経路SCLPに沿う方向の光路長が変化すると、検出器干渉縞パターン1035を形成する干渉光ビームの相対的な位相が変化する。
様々な実施例においては、ψ及びψは、同じ大きさで異なる符号の動的ギャップエラーを与えるように選択されてもよい。検出器干渉縞パターン1035を形成する干渉光ビームの2つの干渉光の位相は、Φ及びΦで表されてもよい。光源1030から出力された光の波長は、λである。動的なギャップ誤差DGEは、測定軸方向MAとスケール格子バー方向SGBD(すなわち、Z方向)とに垂直な方向のギャップ変動Δgに関係する。動的なギャップ誤差DGEは、以下の式で表される。

Figure 2020056786
In various embodiments, such as optical encoder 500, the dynamic gap error is caused by scale waviness, which is a variation in the distance between illuminator 520 and scale 510 along the source light path SOLP. . When the optical path length in the direction along the scale optical path SCLP changes, the relative phase of the interference light beam forming the detector interference fringe pattern 1035 changes.
In various embodiments, 1 1 and ψ 2 may be selected to provide dynamic gap errors of the same magnitude and different codes. Two interference light phase of the interference light beams forming a detector fringe pattern 1035, [Phi + and [Phi - may be represented by. The wavelength of the light output from the light source 1030 is λ. The dynamic gap error DGE is related to the gap variation Δg in a direction perpendicular to the measurement axis direction MA and the scale grid bar direction SGBD (ie, the Z direction). The dynamic gap error DGE is expressed by the following equation.
Figure 2020056786

より具体的には、上式の微分項は、以下の式で表される。
但し、係数Ωは、以下の式で定義される。

Figure 2020056786
Figure 2020056786
More specifically, the differential term in the above equation is represented by the following equation.
Here, the coefficient Ω is defined by the following equation.
Figure 2020056786
Figure 2020056786

式4では、第1項の

Figure 2020056786
は、第1照明光源回折格子1040 及び第2照明光源回折格子1050のそれぞれのヨーイングに起因する誤差成分である。
第2項の
Figure 2020056786
は、ヨー角ψSCに起因する誤差成分である。角度ψ及びψで規定される誤差を意図的に導入することで、第2項に起因する誤差を補償することができる。 In Equation 4, the first term
Figure 2020056786
Is an error component caused by yawing of each of the first illumination light source diffraction grating 1040 and the second illumination light source diffraction grating 1050.
The second term
Figure 2020056786
Is an error component caused by the yaw angle SC SC . By intentionally introduced errors defined by an angle [psi 1 and [psi 2, it is possible to compensate for the error caused by the second term.

実施例においては、スケール1010は、反射型格子からなるスケール格子で構成される。図10に示すように、光源光経路SOLPは、スケール面に垂直な方向に対して角度Vをなす方向に向いていてもよい。所望の検出干渉縞周期PDFを与えるため、ヨー角ψSCは以下の式を満たす。

Figure 2020056786
In the embodiment, the scale 1010 is configured by a scale grating made of a reflective grating. As shown in FIG. 10, the light source light path SOLP may be oriented in a direction forming an angle V with respect to a direction perpendicular to the scale surface. To give the desired detected fringe period PDF, the yaw angle ψ SC satisfies the following equation:
Figure 2020056786

式3に示した動的なギャップ誤差DGEをキャンセルするため、角度ψ及びψは、以下の式を満たす。

Figure 2020056786
To cancel the dynamic gap error DGE shown in Formula 3, the angle [psi 1 and [psi 2 satisfies the following equation.
Figure 2020056786

光学式エンコーダ構造500と同様に構成された、PSFが2μm、Pが2μm、Pが1μm、Vが30°、λが660nm、PDFが120μmの光学式エンコーダの典型例では、ψSCは0.48°としてもよい。この場合、位置測定誤差には、1μmのギャップ変動Δgあたり4.8nmの動的なギャップ誤差が生じる。光学式エンコーダ構造1000と同様に構成された、上記と同様のパラメータを有する光学式エンコーダの典型例では、ψSCは0.94°としてもよく、ψは−0.46°としてもよく、かつ、ψは0.0°としてもよい。ヨー角ψは、位置測定誤差において、1μmのギャップ変動Δgあたり−9.4nmの動的なギャップ誤差を生じさせる。ヨー角ψは、位置測定誤差において、1μmのギャップ変動Δgあたり9.4nmの動的なギャップ誤差を生じさせる。この2つの動的なギャップ誤差のバランスをとることで、動的なギャップ誤差は正味でゼロとなる。 Configured similarly to the optical encoder structure 500, P SF is 2 [mu] m, P 1 is 2 [mu] m, P 2 is 1 [mu] m, V is 30 °, lambda is 660 nm, the typical example of an optical encoder of the PDF is 120 [mu] m, [psi SC May be 0.48 °. In this case, the position measurement error has a dynamic gap error of 4.8 nm per 1 μm gap variation Δg. In a typical example of an optical encoder configured similarly to the optical encoder structure 1000 and having the same parameters as above, ψ SC may be 0.94 °, ψ 1 may be −0.46 °, and, [psi 2 may be 0.0 °. The yaw angle 1 1 causes a dynamic gap error of −9.4 nm per 1 μm gap variation Δg in position measurement error. The yaw angle ψ 2 causes a dynamic gap error of 9.4 nm per 1 μm gap variation Δg in position measurement error. By balancing the two dynamic gap errors, the dynamic gap error is net to zero.

図12は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造1200の追加実施例の部分模式図である。エンコーダ構造1200では、検出対象である周期的スケール光パターン1235は、検出器干渉縞パターンで構成される。検出器干渉縞パターンは、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在するように配置されたバンドで構成され、光学式エンコーダが変位している間に、検出干渉縞移動方向DFMDに沿って、測定軸方向MAと交差するように移動する。スケール光パターン1235は、図10を参照して説明した光学式エンコーダ構造1000と同様の光学式エンコーダによって与えられてもよい。   FIG. 12 is a partial schematic diagram of an additional embodiment of an optical encoder structure 1200 having a stain and defect resistance providing a displacement signal. In the encoder structure 1200, the periodic scale light pattern 1235 to be detected is constituted by a detector interference fringe pattern. The detector fringe pattern is comprised of bands arranged to extend in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension, and along the detected fringe movement direction DFMD while the optical encoder is displaced. , And crosses the measurement axis direction MA. The scale light pattern 1235 may be provided by an optical encoder similar to the optical encoder structure 1000 described with reference to FIG.

光学式エンコーダ構造1200は、スケール1210、照明光源1220及び光検出器構造1260を有する。スケール1210は、測定軸方向MAに延在する。スケール1210は、実質的に測定軸方向MAと平行なスケール面SPに配列された格子バーGBで構成されるスケール格子を有する。スケール格子バーGBは、測定軸方向MAに細く、測定軸方向MAと交差するスケール格子バー方向SGBDに長く、測定軸方向MAにスケールピッチPSFで周期的に配列されている。照明光源1220は、光源1230と構造化照明生成部1233とを有する。光源1230は、光1234’を出力する。構造化照明生成部1233は、光1234’が入力され、スケール面SPの照明領域IRへ、光源光経路SOLPを介して、構造化照明1234’’を出力する。構造化照明1234’’は、測定軸方向MAに細く、測定軸方向MAと交差する照明干渉縞方向IFD(図5参照)に長い干渉縞で構成される照明干渉縞パターンIFPを有する。光源1230は、点光源1231及びコリメートレンズ1232を有する。点光源1231は、コリメートレンズへ光1234を出力し、コリメートレンズは光1234を光1234’にコリメートする。 The optical encoder structure 1200 has a scale 1210, an illumination light source 1220, and a light detector structure 1260. The scale 1210 extends in the measurement axis direction MA. The scale 1210 has a scale grid composed of grid bars GB arranged on a scale plane SP substantially parallel to the measurement axis direction MA. Scale grating bar GB is thin the measuring axis direction MA, long scale grating bar direction SGBD intersecting the measuring axis direction MA, it is periodically arranged with a scale pitch P SF to the measuring axis direction MA. The illumination light source 1220 includes a light source 1230 and a structured illumination generation unit 1233. Light source 1230 outputs light 1234 '. The structured illumination generation unit 1233 receives the light 1234 ′ and outputs the structured illumination 1234 ″ to the illumination area IR on the scale plane SP via the light source light path SOLP. The structured illumination 1234 ″ has an illumination interference fringe pattern IFP that is thin in the measurement axis direction MA and long in the illumination interference fringe direction IFD (see FIG. 5) intersecting the measurement axis direction MA. The light source 1230 has a point light source 1231 and a collimating lens 1232. Point light source 1231 outputs light 1234 to a collimating lens, which collimates light 1234 into light 1234 '.

図8、9A及び9Bを参照してより詳細に既述したように、光検出器構造1260は、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに検出器ピッチPD(図8で詳細に示された光検出器構造860と同様)で周期的に配列されたN個の空間位相検出器からなるセットを有する。空間位相検出器のそれぞれは、位相検出信号を与えるように構成される。少なくとも過半数の空間位相検出器は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在し、かつ、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに比較的細い。N個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、検出干渉縞移動方向DFMDに沿って配列される。   As described in more detail with reference to FIGS. 8, 9A and 9B, the photodetector structure 1260 has a detector pitch PD (detailed in FIG. 8) in a detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. (Similar to the illustrated photodetector structure 860) with a set of N spatial phase detectors arranged periodically. Each of the spatial phase detectors is configured to provide a phase detection signal. At least a majority of the spatial phase detectors extend in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension and are relatively narrow in the detection fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. The set of N spatial phase detectors is arranged in a spatial phase sequence along the detected interference fringe moving direction DFMD.

エンコーダ構造500の場合と同様に、スケール1210は、照明領域IRに照明干渉縞パターンが入力され、スケール光成分を、スケール光経路SCLPを介して出力する。これにより、光検出器構造1260にスケール光パターン1235が形成される。図6A及び図6Bを参照して詳細に説明したように、スケール光パターン1235は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向MAに延在し、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに比較的に細く、かつ、検出干渉縞移動方向DFMDに検出干渉縞周期PDFの周期性を有する高光強度及び低光強度のバンドで構成される。   As in the case of the encoder structure 500, the scale 1210 receives the illumination interference fringe pattern in the illumination area IR and outputs the scale light component via the scale light path SCLP. This forms a scale light pattern 1235 on the photodetector structure 1260. As described in detail with reference to FIGS. 6A and 6B, the scale light pattern 1235 extends in the measurement axis direction MA over a relatively long dimension and moves in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA. It is composed of high light intensity and low light intensity bands which are relatively thin and have a periodicity of the detected interference fringe period PDF in the detected interference fringe movement direction DFMD.

スケール格子バー方向SGBDは、光源光経路SOLPとスケール光経路SCLPとで定義されるリードヘッド面RHPに対して0以外のヨー角ψSCをなす方向に向いている。 The scale grating bar direction SGBD points in a direction forming a yaw angle SC SC other than 0 with respect to the read head surface RHP defined by the light source light path SOLP and the scale light path SCLP.

図7を参照して既述したように、検出干渉縞周期PDF及び測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDは、部分的ではあるものの、0以外のヨー角ψSCに依存する。スケール1210が測定軸方向MAに変位するにつれて、高光強度及び低光強度のバンドは、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに移動する。光検出器構造1260は、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDでの高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出するように構成され、スケールの変位を示す空間位相変位信号を与える。 As described above with reference to FIG. 7, the detection interference fringe period PDF and the detection interference fringe movement direction DFMD intersecting with the measurement axis direction MA partially, but partially depend on the yaw angle ψ SC other than 0. As the scale 1210 is displaced in the measurement axis direction MA, the high light intensity and low light intensity bands move in the detection interference fringe movement direction DFMD crossing the measurement axis direction MA. The photodetector structure 1260 is configured to detect displacement of the high light intensity and low light intensity bands in the detected interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA, and outputs a spatial phase displacement signal indicative of the scale displacement. give.

リードヘッド面RHPの法線RHPNは、測定軸方向MAに対して0以外のピッチ角φをなす方向に向いている。   The normal line RHPN of the read head surface RHP is oriented in a direction forming a pitch angle φ other than 0 with respect to the measurement axis direction MA.

図13Aに、図12の光検出器構造1260に類似する光検出器構造に近接するスケール光パターン1235を形成するスケール光成分の第1の図を模式的に示す。より具体的には、図13Aは、光検出器構造1260に近接した測定軸方向MAとY方向とで定義される平面でのスケール光パターン1235の部分SIGの断面を示す。スケール光パターン1235の部分SIGは、図6Bを参照して理解されるスケール光成分SL1及びSL2の重複により形成される干渉縞のセットである。スケール光パターン1235の部分SIGは、太線で表示される暗又は低光強度の干渉バンド1235SIGDと、破線で表示される明又は高光強度の干渉バンド1235SIGLとで構成される。部分SIGは、検出器干渉縞パターン635に類似しており、スケール変位を示す空間位相変位信号を与えるスケール光パターン1235の部分である。より具体的には、光検出器構造1260は、測定軸方向MAと交差する検出干渉縞移動方向DFMDでの干渉バンド1235SIGD及び1235SIGLの変位を検出して、スケール変位を示す空間位相変位信号を与えるように構成される。   FIG. 13A schematically illustrates a first view of scale light components forming a scale light pattern 1235 proximate to a photodetector structure similar to the photodetector structure 1260 of FIG. More specifically, FIG. 13A shows a cross-section of a portion SIG of scale light pattern 1235 in a plane defined by measurement axis direction MA and Y direction proximate to photodetector structure 1260. The portion SIG of the scale light pattern 1235 is a set of interference fringes formed by the overlap of the scale light components SL1 and SL2 understood with reference to FIG. 6B. The portion SIG of the scale light pattern 1235 includes a dark or low light intensity interference band 1235SIGD indicated by a thick line and a bright or high light intensity interference band 1235SIGL indicated by a broken line. The partial SIG is similar to the detector interference fringe pattern 635 and is a portion of the scale light pattern 1235 that provides a spatial phase displacement signal indicating the scale displacement. More specifically, the photodetector structure 1260 detects the displacement of the interference bands 1235SIGD and 1235SIGL in the detected interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction MA, and provides a spatial phase displacement signal indicating the scale displacement. It is configured as follows.

種々の実施例においては、検出器干渉縞パターン635は、高光強度の干渉バンド635Lの光強度の変動を引き起こす0次光をさらに含んでもよい。より具体的には、0次スケール光とスケール光成分SL1及びSL2との間の干渉により、低光強度の干渉バンド635D及び高光強度の干渉バンド635Lと平行な低光強度又は高光強度の干渉バンドの干渉縞が生じる。これにより、検出器干渉縞パターン635には交互の縞中に変動パターンを有する干渉縞が生じ、空間位相変位信号にショートレンジ誤差が生じる。以下で説明するように、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造1200は、これらの誤差を抑制するように構成される。より具体的には、0次スケール光と図6Bに示すスケール光成分SL1及びSL2に対応する光との間の干渉により、スケール光成分SL1及びSL2に対応する光と平行で、光学式エンコーダが変位する間に検出干渉縞移動方向DFMDに移動する、暗又は明の光強度のバンドの干渉縞が生じる。   In various embodiments, the detector fringe pattern 635 may further include zero order light that causes a variation in light intensity of the high light intensity interference band 635L. More specifically, the interference between the zero-order scale light and the scale light components SL1 and SL2 causes a low light intensity or high light intensity interference band parallel to the low light intensity interference band 635D and the high light intensity interference band 635L. Is generated. As a result, in the detector interference fringe pattern 635, interference fringes having a variation pattern occur in alternating fringes, and a short range error occurs in the spatial phase displacement signal. As described below, the contamination and defect resistant optical encoder structure 1200 is configured to suppress these errors. More specifically, the interference between the zero-order scale light and the light corresponding to the scale light components SL1 and SL2 shown in FIG. 6B causes the optical encoder to be parallel to the light corresponding to the scale light components SL1 and SL2. During the displacement, an interference fringe in a band of dark or bright light intensity that moves in the detection interference fringe movement direction DFMD occurs.

図13A〜図13Dが光検出器構造1260と並んだ、基準となるフレームにおけるスケール光パターン1235の一部を示すことは、言うまでもない。一般に、光検出器構造1260のような光検出器構造は、空間位相検出器が、測定軸方向MAと交差し、かつ、厳密にはY方向とは一致していない検出干渉縞移動方向DFMDに沿った低光強度又は高光強度の干渉バンド1235SIGD及び1235SIGLで定義される干渉縞パターンに対して平行になるような方向に設けられるべきである。   It should be understood that FIGS. 13A-13D show a portion of the scale light pattern 1235 in a reference frame, side by side with the photodetector structure 1260. In general, a photodetector structure, such as photodetector structure 1260, has a spatial phase detector in a detection interference fringe movement direction DFMD that intersects measurement axis direction MA and does not exactly match Y direction. Should be oriented parallel to the fringe pattern defined by the low or high light intensity interference bands 1235SIGD and 1235SIGL along.

図13Bは、図12の光検出器構造1260に類似する光検出器構造に近接するスケール光パターン1235を形成するスケール光成分を模式的に示す第2の図である。より具体的には、図13Bは、光検出器構造1260に近接した測定軸方向MA及びY方向で定義される平面におけるスケール光パターン1235の部分PZの断面を示している。スケール光パターン1235の部分PZは、0次スケール光とスケール光成分SL1との重複により形成された干渉縞のセットである。スケール光パターン1235の部分PZは、太線で表示される暗又は低光強度の干渉バンド1235PZDと、破線で表示される明又は高光強度の干渉バンド1235PZLとで構成される。   FIG. 13B is a second diagram schematically illustrating scale light components forming a scale light pattern 1235 proximate to a photodetector structure similar to the photodetector structure 1260 of FIG. More specifically, FIG. 13B shows a cross section of the portion PZ of the scale light pattern 1235 in a plane defined by the measurement axis directions MA and the Y direction close to the photodetector structure 1260. The portion PZ of the scale light pattern 1235 is a set of interference fringes formed by the overlap of the zero-order scale light and the scale light component SL1. The portion PZ of the scale light pattern 1235 includes a dark or low light intensity interference band 1235PZD indicated by a thick line and a bright or high light intensity interference band 1235PZL indicated by a broken line.

0以外のピッチ角φのため、検出干渉縞移動方向DFMDと平行にならないように、つまり、干渉バンド1235SIGD及び1235SIGLと平行にならないように、干渉バンド1235PZD及び1235PZLが配列されることとなる。   Since the pitch angle φ is other than 0, the interference bands 1235PZD and 1235PZL are arranged so as not to be parallel to the detected interference fringe moving direction DFMD, that is, not to be parallel to the interference bands 1235SIGD and 1235SIGL.

図13Cは、図12の光検出器構造1260に類似する光検出器構造に近接するスケール光パターン1235を形成するスケール光成分を模式的に示す第3の図である。より具体的には、図13Cは、光検出器構造1260に近接する測定軸方向MA及びY方向で定義される平面におけるスケール光パターン1235の部分MZの断面を示している。スケール光パターン1235の部分MZは、0次スケール光とスケール光成分SL2との重複により形成された干渉縞のセットである。スケール光パターン1235の部分MZは、太線で表示される暗又は低光強度の干渉バンド1235MZDと、破線で表示される明又は高光強度の干渉バンド1235MZLとで構成される。   FIG. 13C is a third diagram schematically illustrating scale light components forming a scale light pattern 1235 proximate to a photodetector structure similar to the photodetector structure 1260 of FIG. More specifically, FIG. 13C shows a cross section of the portion MZ of the scale light pattern 1235 in a plane defined by the measurement axis directions MA and the Y direction close to the photodetector structure 1260. The portion MZ of the scale light pattern 1235 is a set of interference fringes formed by the overlap of the zero-order scale light and the scale light component SL2. The portion MZ of the scale light pattern 1235 includes a dark or low light intensity interference band 1235MZD indicated by a thick line and a bright or high light intensity interference band 1235MZL indicated by a broken line.

0以外のピッチ角φのため、検出干渉縞移動方向DFMDと平行にならないように、つまり、干渉バンド1235SIGD及び1235SIGLと平行にならないように、干渉バンド1235MZD及び1235MZLが配列されることとなる。   Since the pitch angle φ is other than 0, the interference bands 1235MZD and 1235MZL are arranged so as not to be parallel to the detected interference fringe moving direction DFMD, that is, not to be parallel to the interference bands 1235SIGD and 1235SIGL.

図13Dは、図12の光検出器構造1260に類似する光検出器構造に近接するスケール光パターン1235を形成するスケール光成分を模式的に示す第4の図である。より具体的には、図13Dは、スケール光パターン1235の部分PZ、MZ及びSIGのそれぞれの断面を示している。ピッチ角φが0であるならば、部分PZ及びMZの干渉バンドは、検出干渉縞移動方向DFMDに対して異なる角度をなす方向に向くこととなるが、その代わりに、干渉バンド1235SIGD及び1235SIGLに対して平行になる。これにより、交互の干渉バンドと部分SIGの高光強度の干渉バンド1235SIGLとの間の光強度に変動が生じ、空間位相変位信号にショートレンジ誤差が生じる。しかし、図13Dに示すように、ピッチ角φが0でない場合には、部分PZ及びMZの低光強度の干渉バンド1235PZD及び1235MZDは低干渉領域LOで重複し、高光強度の干渉バンド1235PZL及び1235MZLは高干渉領域HIで重複する。領域LO及びHIは、検出干渉縞移動方向DFMDと交差する方向に並んでいる。領域LO及びHIでの1235の光強度は、検出干渉縞移動方向DFMDと交差する方向で平均化され、スケール光1235内の交互の縞の間の検出干渉縞移動方向DFMDでの光強度の変動が抑制される。この平均化により、スケール光1235の部分SIGと干渉する0次スケール光によって生じる空間位相変位信号のショートレンジ誤差が低減される。   FIG. 13D is a fourth diagram schematically illustrating scale light components forming a scale light pattern 1235 proximate to a photodetector structure similar to the photodetector structure 1260 of FIG. More specifically, FIG. 13D illustrates a cross section of each of the portions PZ, MZ, and SIG of the scale light pattern 1235. If the pitch angle φ is 0, the interference bands of the portions PZ and MZ will be directed at different angles with respect to the detected interference fringe movement direction DFMD, but instead, the interference bands 1235SIGD and 1235SIGL Become parallel to. As a result, the light intensity varies between the alternate interference band and the interference band 1235SIGL having a high light intensity of the partial SIG, and a short range error occurs in the spatial phase displacement signal. However, as shown in FIG. 13D, when the pitch angle φ is not 0, the low light intensity interference bands 1235PZD and 1235MZD of the portions PZ and MZ overlap in the low interference region LO, and the high light intensity interference bands 1235PZL and 1235MZL Overlap in the high interference area HI. The regions LO and HI are arranged in a direction that intersects the detection interference fringe movement direction DFMD. The light intensity of 1235 in the regions LO and HI is averaged in a direction intersecting the detected interference fringe movement direction DFMD, and the light intensity fluctuation in the detected interference fringe movement direction DFMD between the alternating fringes in the scale light 1235. Is suppressed. This averaging reduces the short range error of the spatial phase displacement signal caused by the zero-order scale light that interferes with the partial SIG of the scale light 1235.

耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造1200にかかる実施例においては、φは0.3°よりも大きく、2.0°よりも小さくしてもよい。   In an embodiment of the optical encoder structure 1200 having stain and defect resistance, φ may be greater than 0.3 ° and less than 2.0 °.

耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造1200にかかる実施例においては、N個の位相検出器のそれぞれは、偶数個のスケール光受光領域を有していてもよい。   In an embodiment of the optical encoder structure 1200 having contamination resistance and defect resistance, each of the N phase detectors may have an even number of scale light receiving regions.

耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造1200にかかる実施例においては、構造化照明生成部1233は、第1照明光源回折格子(例えば、第1照明光源回折格子1040)及び第2照明光源回折格子(例えば、第2照明光源回折格子1050)を有していてもよい。第1照明光源回折格子は、第1インデックス平面に第1インデックスピッチPで周期的に配列された第1照明光源格子バーで構成されてもよい。第1照明光源格子バーは、測定軸方向に細く、測定軸方向と交差し、かつ、リードヘッド面RHPに対して角度ψだけ回転している第1インデックス格子バー方向に長い。第2照明光源回折格子は、第1インデックス平面と平行な第2インデックス平面に第2インデックスピッチPで周期的に配列された第2照明光源格子バーで構成されてもよい。第2照明光源格子バーは、測定軸方向に細く、測定軸方向と交差し、かつ、リードヘッド面RHPに対して角度ψだけ回転している第2インデックス格子バー方向に長い。(例えば、図10について詳細に説明したような)実施例においては、スケール1210は、反射型格子であるスケール格子を有してもよい。光源光経路SOLPは、スケール面SPに垂直な方向に対して角度Vをなす方向に向いてもよい。ヨー角ψSCは、式(6)を満たしていてもよい。実施例においては、光源1230から出力された光の波長はλであってもよく、係数Ωは式(5)で定義されてもよく、角度ψ及びψは式(7)を満たしてもよい。実施例においては、第1照明光源回折格子及び第2照明光源回折格子は、位相格子であってもよい。実施例においては、検出干渉縞周期PDFは、40μm以上であってもよい。 In an embodiment of the contamination- and defect-resistant optical encoder structure 1200, the structured illumination generator 1233 includes a first illumination source diffraction grating (eg, a first illumination source diffraction grating 1040) and a second illumination. A light source diffraction grating (for example, the second illumination light source diffraction grating 1050) may be provided. The first illumination source grating may be constituted by a first illumination source grating bar in the first index plane are periodically arranged in the first index pitch P 1. First illumination source grating bars, thin the measurement axis direction, intersects the measuring axis direction, and long in the first index grating bar direction is rotated by an angle [psi 1 with respect to the read head surface RHP. The second illumination source grating may be constituted by the second illumination source grid bars which are periodically arranged in the second index pitch P 2 in the first index plane parallel to the second index plane. Second illumination source grating bars, thin the measurement axis direction, intersects the measuring axis direction, and long in the second index grating bars direction being rotated by an angle [psi 2 to the read head surface RHP. In an embodiment (eg, as described in detail with respect to FIG. 10), scale 1210 may include a scale grating that is a reflective grating. The light source light path SOLP may be oriented in a direction forming an angle V with respect to a direction perpendicular to the scale plane SP. The yaw angle SC SC may satisfy Expression (6). In the embodiment, the wavelength of the light output from the light source 1230 may be λ, the coefficient Ω may be defined by Expression (5), and the angles 1 1 and ψ 2 satisfy Expression (7). Is also good. In an embodiment, the first illumination light source diffraction grating and the second illumination light source diffraction grating may be phase gratings. In the embodiment, the detected interference fringe period PDF may be 40 μm or more.

図14Aは、変位信号を与える、円筒型ロータリースケール1410を用いた耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式ロータリーエンコーダ構造1400の第1の実施例の部分等角図である。エンコーダ構造1400は、ロータリースケール1410、照明光源1420、構造化照明生成機構SIGA及び光検出器構造1460を含む検出器配列1465を有する。図14Aに示す実施例では、ロータリースケール1410は透過型格子を有する。図14Bは、ロータリースケール1410上の第2の照明領域IR2のさらなる細部を示す、図14Aのロータリースケール格子1410の部分図である。図14A及び図14Bに示した格子バー及び干渉縞のそれぞれのピッチ及び角度は、図示の都合上のものであり、図の縮尺通りでなくてもよく、関連する説明に応じて解釈されるべきであることは、言うまでもない。   FIG. 14A is a partial isometric view of a first embodiment of a contamination and defect resistant optical rotary encoder structure 1400 using a cylindrical rotary scale 1410 to provide a displacement signal. The encoder structure 1400 has a rotary array 1410, an illumination light source 1420, a detector array 1465 that includes a structured illumination generator SIGA and a photodetector structure 1460. In the embodiment shown in FIG. 14A, the rotary scale 1410 has a transmission grating. FIG. 14B is a partial view of the rotary scale grating 1410 of FIG. 14A showing further details of the second illumination region IR2 on the rotary scale 1410. The pitch and angle of each of the grating bars and interference fringes shown in FIGS. 14A and 14B are for illustration purposes and need not be to scale, and should be interpreted according to the associated description. Needless to say,

ある点では、光学式ロータリーエンコーダ構造1400は、図10〜13Dを参照して上述したものと類似した特定の干渉縞の生成及び検出の概念に基づいて動作するものとして理解されてもよい。エンコーダ構造1400では、類似した概念を用いることにより、検出対象である周期的スケール光パターン1435は、検出器干渉縞パターン1435’で構成される。検出器干渉縞パターン1435’は、比較的長い寸法にわたって回転測定軸方向MAに延在するように配置されたバンド(または干渉縞)で構成され、ロータリースケール1410が変位している間に、回転測定軸方向と交差する検出干渉縞移動方向DFMDに沿って移動する。これにより、光学式ロータリーエンコーダ構造1400の動作は、主には上述したものとの類似性によって理解されてもよく、特定の側面のみを以下で説明する。   In some respects, the optical rotary encoder structure 1400 may be understood to operate based on the concept of specific interference fringe generation and detection similar to that described above with reference to FIGS. 10-13D. In the encoder structure 1400, using a similar concept, the periodic scale light pattern 1435 to be detected is constituted by the detector interference fringe pattern 1435 '. The detector interference fringe pattern 1435 ′ is composed of bands (or interference fringes) arranged to extend in the rotational measurement axis direction MA over a relatively long dimension, and is rotated while the rotary scale 1410 is displaced. It moves along the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the measurement axis direction. Thus, the operation of the optical rotary encoder structure 1400 may be understood primarily by analogy to the one described above, and only certain aspects will be described below.

図14A及び図14Bに示す様に、ロータリースケール1410は、回転軸RAを中心とする回転測定方向θに沿って(又は、回転測定方向θの回りに)延在し、回転軸RAと直交する回転面に対して平行に回転する。ロータリースケール1410は、円筒回転表面に、又は、円筒回転表面上に、回転測定方向θに沿って配列されたスケール格子バーGBを有するロータリースケール格子を有する。スケール格子バーGBは、回転測定方向θに細く、回転測定方向θと交差するロータリースケール格子バー方向RSGBDに長く、回転測定方向θに名目スケールピッチPSFで周期的に配列されている。照明光源1420は、構造化照明生成機構SIGAへ光源光1434を出力する光源を有する。本明細書において開示される各種のロータリーエンコーダ構造においては、構造化照明生成機構SIGAは、ロータリースケール上の第1の照明領域と、少なくとも第1及び第2の偏向素子を有するビーム偏向器構造と、ロータリースケール上の第2の照明領域と、を有する。図14Aに示す特定の実施例においては、構造化照明生成機構SIGAは、ロータリースケール1410上の第1の照明領域IR1に光源光1434が入力されるように構成される。第1の照明領域IR1は、光源光を回折させ、光路LPに沿っている、(図14Aにおいては、異なる2つの破線で表示している)回折光ビームからなる構造化照明光1434’を、第1のミラー1471及び第2のミラー1472を有するビーム偏向器構造BDCへ出力する。ビーム偏向器構造BDCは、構造化照明光1434’の回折光ビームを互いに交差させて、交差後の構造化照明光(すなわち、回折光ビーム)がロータリースケール1410上の第2の照明領域IR2で重なり合うように、交差後の構造化照明光1434’を送出する。第2の照明領域IR2では、構造化照明光1434’が第2の照明領域IR2において照明干渉縞パターンIFPを有するものとなるように、構造化照明光1434’の回折光ビームが干渉して第2の照明領域IR2に近接した照明干渉縞パターンIFPを形成する。干渉縞パターンIFPは、回転測定方向θに細く、回転測定方向θと交差する照明干渉縞方向IFDに長い干渉縞で構成される。図14Aに示す様に、回転測定軸方向MAに沿って比較的長い寸法を有する干渉縞を有し、かつ、ロータリースケール1410が変位する間に検出干渉縞移動方向DFMDに沿って移動する検出器干渉縞パターン1435’を有する周期的スケール光パターン1435が与えられるように、照明干渉縞方向IFDとロータリースケール格子バー方向RSGBD方向(図14Bに示されている)との間には、角度差が設けられる。 As shown in FIGS. 14A and 14B, the rotary scale 1410 extends along (or around) the rotation measurement direction θ about the rotation axis RA and is orthogonal to the rotation axis RA. Rotate parallel to the plane of rotation. The rotary scale 1410 has a rotary scale grating having scale grating bars GB arranged on the cylindrical rotating surface or on the cylindrical rotating surface along the rotation measuring direction θ. Scale grating bar GB is thin in the rotation measurement direction theta, long rotary scale grating bar direction RSGBD intersecting the rotation measurement direction theta, are periodically arranged at a nominal scale pitch P SF in the rotation measurement direction theta. The illumination light source 1420 has a light source that outputs the light source light 1434 to the structured illumination generation mechanism SIGA. In the various rotary encoder structures disclosed in this specification, the structured illumination generation mechanism SIGA includes a first illumination area on a rotary scale, a beam deflector structure having at least first and second deflection elements, and A second illumination area on a rotary scale. In the specific embodiment shown in FIG. 14A, the structured illumination generation mechanism SIGA is configured such that the source light 1434 is input to the first illumination region IR1 on the rotary scale 1410. The first illumination region IR1 diffracts the source light and emits structured illumination light 1434 'consisting of a diffracted light beam (indicated by two different dashed lines in FIG. 14A) along the optical path LP. The light is output to a beam deflector structure BDC having a first mirror 1471 and a second mirror 1472. The beam deflector structure BDC crosses the diffracted light beams of the structured illumination light 1434 ′ with each other, and the structured illumination light (ie, the diffracted light beam) after the crossing is crossed in the second illumination region IR 2 on the rotary scale 1410. The structured illumination light 1434 'after the intersection is transmitted so as to overlap. In the second illumination region IR2, the diffracted light beams of the structured illumination light 1434 'interfere with each other so that the structured illumination light 1434' has the illumination interference fringe pattern IFP in the second illumination region IR2. An illumination interference fringe pattern IFP adjacent to the second illumination region IR2 is formed. The interference fringe pattern IFP is composed of interference fringes that are thin in the rotation measurement direction θ and long in the illumination interference fringe direction IFD that intersects the rotation measurement direction θ. As shown in FIG. 14A, a detector having an interference fringe having a relatively long dimension along the rotation measurement axis direction MA and moving along the detected interference fringe movement direction DFMD while the rotary scale 1410 is displaced. The angular difference between the illumination fringe direction IFD and the rotary scale grating bar direction RSGBD direction (shown in FIG. 14B) is such that a periodic scale light pattern 1435 having an interference fringe pattern 1435 'is provided. Provided.

図14Aに示す様に、第1のミラー1471及び第2のミラー1472は、構造化照明光1434’の回折光ビームを、光路LPの一般的方向に沿って、第2の照明領域IR2へ向けて反射する。図14Aに示す特定の実施例においては、ビーム偏向器構造BDCの第1のミラー1471及び第2のミラー1472は、第1の照明領域IR1から出力された回折光源光の各ビームを受け取り、受け取った各ビームが回転軸RA近傍で交差する収束ビーム経路を経て発散ビーム経路を辿るように受け取った各ビームを偏向させ、その後、偏向された各ビームを受け取り、受け取った各ビームが収束ビーム経路を辿って重なり合い、第2の照明領域IR2の近傍に照明干渉縞パターンIFPを形成するように、受け取った各ビームを偏向させる。ある実施例においては、構造化照明光1434’は、第1のミラー1471及び第2のミラー1472の間の自由空間を通過する。他の実施例においては、第1のミラー1471及び第2のミラー1472は、モノリシック光学材料の表面に設けられてもよく、構造化照明光1434’はモノリシック光学材料内での内部反射によって反射されてもよい。ある実施例においては、光源光1434及び回折光ビームは、(例えば、照明光源1420にコリメートレンズを設けることで)名目上コリメートされる。しかし、他の実施例においては、照明光源1420及びビーム偏向器構造BDCの少なくとも1つは、第1の照明領域IR1からの回折された光源光の各ビームが回転軸RA近傍の交差点に収束されるように構成される。このような実施例においては、コンポーネントの小さなズレに起因する誤差を緩和ないしは除去できる。このような実施例においては、照明光源1420に含まれるレンズが、回転軸RA近傍に収束する収束光源光1434を与えてもよい。ある実施例においては、検出器干渉縞パターン1435’を有する周期的スケール光パターン1435を形成する第2の照明領域IR2からのスケール光が、名目上、検出器構造1460においてコリメートされているように、ビーム偏向器構造BDC及び検出器配列1465の少なくとも1つが構成される。例えば、このような実施例の1つにおいては、検出器配列1465は、光源光1434を回転軸RA近傍に収束させるレンズに対して補完的な特性を有し、かつ、周期的スケール光パターン1435が光検出器1460に到達する前に周期的スケール光パターン1435に含まれる光をコリメートするレンズを含んでもよい。当然ながら、図14Aに示す実施例においては、ビーム偏向器構造BDCは、回転軸RAを挟んで対向配置された第1及び第2の平行平面ミラー1471及び1472を有し、第1及び第2の平行平面ミラー1471及び1472は、第1及び第2の照明領域IR1及びIR2を通る円筒ロータリースケール1410の直径対して略平行に延在する表面をそれぞれ有している。第1及び第2のミラー1471及び1472は、それぞれ第1の照明領域IR1から出力された回折された光源光の各ビームを受け取るように配置される。当然ながら、それらの表面は、光路LPとして表示された線に対して回転したものとして表示されており、上述した原理に応じて、この回転が、照明干渉縞方向IFDに望ましい角度又は方向を与える。ある実施例においては、ミラー1471及び1472による偏向は、ミラーの代わりに、各種格子を別途設けることで実現してもよいことは、言うまでもない。   As shown in FIG. 14A, a first mirror 1471 and a second mirror 1472 direct the diffracted light beam of the structured illumination light 1434 'along the general direction of the optical path LP to a second illumination region IR2. To reflect. In the particular embodiment shown in FIG. 14A, a first mirror 1471 and a second mirror 1472 of the beam deflector structure BDC receive and receive each beam of diffracted light source light output from the first illumination region IR1. Deflects each received beam to follow a diverging beam path via a converging beam path where each beam intersects near the rotation axis RA, and then receives each deflected beam, and each received beam deflects the convergent beam path. Each received beam is deflected so as to overlap and form an illumination interference fringe pattern IFP near the second illumination region IR2. In some embodiments, structured illumination light 1434 'passes through free space between first mirror 1471 and second mirror 1472. In another embodiment, first mirror 1471 and second mirror 1472 may be provided on the surface of a monolithic optical material, and structured illumination light 1434 'is reflected by internal reflection within the monolithic optical material. You may. In some embodiments, the source light 1434 and the diffracted light beam are nominally collimated (eg, by providing a collimating lens in the illumination light source 1420). However, in another embodiment, at least one of the illumination light source 1420 and the beam deflector structure BDC is such that each beam of diffracted light source light from the first illumination region IR1 converges to an intersection near the rotation axis RA. It is configured to be. In such an embodiment, errors due to small component deviations can be reduced or eliminated. In such an embodiment, a lens included in illumination light source 1420 may provide convergent light source light 1434 that converges near rotation axis RA. In some embodiments, the scale light from the second illumination region IR2 forming a periodic scale light pattern 1435 having a detector fringe pattern 1435 'is nominally collimated at the detector structure 1460. , At least one of a beam deflector structure BDC and a detector array 1465. For example, in one such embodiment, the detector array 1465 has complementary characteristics to a lens that focuses the source light 1434 near the rotation axis RA, and a periodic scale light pattern 1435. May include a lens that collimates the light contained in the periodic scale light pattern 1435 before reaching the light detector 1460. Naturally, in the embodiment shown in FIG. 14A, the beam deflector structure BDC has first and second parallel plane mirrors 1471 and 1472 opposed to each other with respect to the rotation axis RA, and the first and second The parallel plane mirrors 1471 and 1472 have surfaces extending substantially parallel to the diameter of the cylindrical rotary scale 1410 passing through the first and second illumination regions IR1 and IR2, respectively. The first and second mirrors 1471 and 1472 are arranged to receive the respective beams of the diffracted light source light output from the first illumination region IR1. Of course, those surfaces are shown as rotated with respect to the line indicated as optical path LP, and this rotation provides the desired angle or direction to the illumination fringe direction IFD, in accordance with the principles described above. . It is needless to say that in some embodiments, the deflection by the mirrors 1471 and 1472 may be realized by separately providing various gratings instead of the mirrors.

上述の通り、ロータリースケール1410は、第2の照明領域IR2に照明干渉縞パターンIFPが入力され、かつ、検出器配列1465の光検出器構造1460において検出器干渉縞パターン1435’を有する周期的スケール光パターン1435として、スケール光を出力するように構成される。検出器干渉縞パターン1435’は、比較的長い寸法にわたって回転測定方向θに延在し、回転測定方向θと交差(直交)する検出干渉縞移動方向DFMDで比較的細く、かつ、検出干渉縞移動方向DFMDに検出干渉縞周期PDFの周期性を有する、周期的な高光強度及び低光強度のバンドを有する。   As described above, the rotary scale 1410 is a periodic scale having the illumination interference fringe pattern IFP input to the second illumination region IR2 and having the detector interference fringe pattern 1435 'in the photodetector structure 1460 of the detector array 1465. The light pattern 1435 is configured to output scale light. The detector interference fringe pattern 1435 ′ extends in the rotation measurement direction θ over a relatively long dimension, is relatively thin in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects (orthogonally) intersects (orthogonally) with the rotation measurement direction θ, and has a relatively small width. It has periodic high light intensity and low light intensity bands having the periodicity of the detected interference fringe period PDF in the direction DFMD.

図14Bに詳細に示すように、格子バーGBのロータリースケール格子バー方向RSGBDは、ロータリースケール1410の回転表面に沿って、測定軸方向MAと交差する方向に対して0ではないヨー角ψをとる方向に向いている。一般的には、ロータリースケール1410上の第2の照明領域IR2近傍の干渉縞パターン1435’の照明干渉縞方向IFDが、ロータリースケール1410上の第2の照明領域IR2近傍のロータリースケール格子バー方向RSGBDに対して0ではないヨー差異角YDAだけ回転している名目干渉縞方向ヨー角ψをとる方向に向くように、構造化照明生成機構SIGAが構成される。図14Bの表示によれば、YDA=(ψ−ψ)である。ψは基準点から反時計回り方向に測定されるものであり、すなわち負の角度とみなされる。 As shown in detail in FIG. 14B, the rotary scale grating bar direction RSGBD of the grating bar GB along the rotating surface of the rotary scale 1410 has a non-zero yaw angle 1 1 with respect to a direction intersecting the measurement axis direction MA. It is facing in the direction you take. In general, the illumination interference fringe direction IFD of the interference fringe pattern 1435 'near the second illumination region IR2 on the rotary scale 1410 is the same as the rotary scale grating bar direction RSGBD near the second illumination region IR2 on the rotary scale 1410. 0 to face the direction to take nominal interference fringe direction yaw angle [psi 2 which are rotated by the yaw difference angle YDA not respect, it is configured structured illumination generating mechanism SIGA. According to the display of FIG. 14B, YDA = (ψ 1 −ψ 2 ). [psi 2 is intended to be measured from the reference point in the counterclockwise direction, that is considered a negative angle.

検出干渉縞周期PDF及び回転測定方向θと交差する検出干渉縞移動方向DFMDは、部分的ではあるものの、0ではないヨー差異角YDAに依存する(例えば、図7について説明したのと同様に、ヨー角ψに依存する)。ロータリースケール1410が回転軸RAを中心として回転するにつれて、高光強度及び低光強度のバンドは、回転測定方向θと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに移動する。光検出器配列1465は、回転測定方向θと交差する検出干渉縞移動方向DFMDでの高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出するように構成され、それぞれロータリースケールの変位を示す空間位相変位信号を与える。ある実施例においては、光検出器配列1465の光検出器構造1460は、光検出器560と同様であり、かつ、図6A及び6Bを参照することで理解されてもよい。光検出器構造1460は、(図6A及び6Bに示す様に)回転測定方向θと交差する検出器干渉縞移動方向DFMDに、検出器ピッチPDで周期的に配列されたN個の空間位相検出器からなるセットを有してもよい。各空間位相検出器は個別に空間位相検出器信号を与えるように構成されてもよく、少なくとも過半数の空間位相検出器が回転測定方向θに比較的長い寸法を有し、かつ、回転測定方向θと直交する検出器干渉縞移動方向DFMDに比較的狭い寸法を有するように構成されてもよく、N個の空間位相検出器からなるセットは、上述した原理に応じて、空間位相列において検出器干渉縞移動方向DFMDに配列されてもよい。様々な実施例においては、検出干渉縞周期PDFが40μm以上であれば、パフォーマンスとコストの一方又は両方で有利となる。様々な実施例においては、N個の空間位相検出器のそれぞれが偶数個のスケール光受光領域を有していれば、パフォーマンスとコスト面の一方又は両方で有利となる。 The detection interference fringe period PDF and the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the rotation measurement direction θ depend on the yaw difference angle YDA, which is partial but not zero (for example, as described with reference to FIG. 7, It depends on the yaw angle ψ 1). As the rotary scale 1410 rotates about the rotation axis RA, the high light intensity and low light intensity bands move in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the rotation measurement direction θ. The photodetector array 1465 is configured to detect the displacement of the high light intensity and low light intensity bands in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the rotation measurement direction θ, and the spatial phase displacement indicates the displacement of the rotary scale. Give a signal. In one embodiment, the light detector structure 1460 of the light detector array 1465 is similar to the light detector 560 and may be understood with reference to FIGS. 6A and 6B. The photodetector structure 1460 includes N spatial phase detectors periodically arranged at a detector pitch PD in a detector interference fringe movement direction DFMD that intersects the rotational measurement direction θ (as shown in FIGS. 6A and 6B). It may have a set of vessels. Each spatial phase detector may be configured to individually provide a spatial phase detector signal, wherein at least a majority of the spatial phase detectors have relatively long dimensions in the rotational measurement direction θ, and the rotational measurement direction θ And the detector fringe movement direction DFMD may be configured to have a relatively narrow dimension in the orthogonal direction, and the set of N spatial phase detectors, according to the principles described above, may be configured to detect detectors in a spatial phase train. They may be arranged in the interference fringe moving direction DFMD. In various embodiments, if the detected fringe period PDF is greater than or equal to 40 μm, there may be advantages in performance and / or cost. In various embodiments, if each of the N spatial phase detectors has an even number of scaled light receiving areas, it may be advantageous in performance and / or cost.

ある実施例においては、光学式ロータリーエンコーダ構造1400のような光学式ロータリーエンコーダ構造に式6が適用されてもよい。このような場合、ロータリースケール1410は、第1照明光源回折格子540及び第2照明光源回折格子550の等価物をもたらし、P及びPはスケールピッチPSFと等しくなる。ある実施例においては、ψがψと等しければ有利である。光源光1434の光及び構造化照明光1434’は、2つの回折格子を通過するだけなので、光学式エンコーダ構造1400においては、式6は、ヨー角ψを検出干渉縞周期PDFに関連付ける式に簡略化される。

Figure 2020056786
In some embodiments, Equation 6 may be applied to an optical rotary encoder structure, such as optical rotary encoder structure 1400. In this case, the rotary scale 1410, resulted in the equivalent of the first illumination light source grating 540 and the second illumination source grating 550, P 1 and P 2 is equal to the scale pitch P SF. In some embodiments, it is advantageous equal [psi 2 is the [psi 1. Since the light of source light 1434 and the structured illumination light 1434 'only pass through the two diffraction gratings, in optical encoder structure 1400, Equation 6 becomes the equation relating yaw angle 1 1 to the detected fringe period PDF. Simplified.
Figure 2020056786

ロータリースケール1410に2回入射する(すなわち、第1の照明領域IR1及び第2の照明領域IR2に入射する)光源光1434及び構造化照明光1434’により、高解像の変位測定(すなわち、上述したロータリースケール1410の異なる側の2つの回折光の組み合わせとしてのビーム交差を導入することによって、解像度が2倍になる)と、第1の照明領域IR1及び第2の照明領域IR2を通る線に直交する回転オフセットの補正と、が可能となる。   The source light 1434 and the structured illumination light 1434 'that are incident twice on the rotary scale 1410 (i.e., incident on the first illumination region IR1 and the second illumination region IR2) provide a high resolution displacement measurement (i.e., as described above). The resolution is doubled by introducing the beam intersection as a combination of the two diffracted lights on different sides of the rotary scale 1410) and a line passing through the first illumination region IR1 and the second illumination region IR2. Correction of the orthogonal rotation offset can be performed.

図15は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式ロータリーエンコーダ構造1500の一態様を示す、回転軸方向に沿って見たときの部分模式図である。光学式ロータリーエンコーダ構造1500は、図14Aに示す光学式ロータリーエンコーダ構造1400の様々な実施例の中の第1の実施例と同様又は同一のものであってもよく、かつ、特定の変形要素を含んでいる。図15及び14の類似する符号は、特にことわらない限り、同様又は類似の要素を指すものとして理解されてもよい。よって、図15の異なる又は変形された特定の態様のみを説明する。図15では、ビーム偏光器構造BDCの2つの異なる変形例が示されている。特に、第1及び第2のミラー1471及び1472は、ビーム偏光器構造BDCの第1及び第2のビーム偏向素子の一実施例であり、第1及び第2のビーム偏向素子はミラー(1471及び1472)、又は、図14Aを参照して上述したように、回折光ビームをほぼ図示したように偏向させる(異なる2つの破線で示される)格子であってもよい。第1及び第2のミラー1471及び1472の代わりである、第1及び第2の格子1473及び1474は、ビーム偏光器構造BDCの第1及び第2のビーム偏向素子の他の実施例である。一実施例においては、第1の格子1473は第1の透過型格子構造を有し、第2の格子1474は第2の透過型格子構造を有する。これらの格子のそれぞれは、上述した原理に応じて、(異なる2つの破線で示される)各回折光をほぼ図示したように偏向させる。様々な実施例においては、上述した原理に応じて、格子は収束かつ偏向されたビームを与え、又は、コリメートかつ偏向されたビームを与える。いずれの場合でも、市販の光学設計プログラムや既知の格子設計原理に基づいて、設計、シミュレーション及び実験の一部又は全部を通じて、好適な格子が決定され得る。当然ながら、格子1473(1474)では、領域1473A(1474A)及び領域1473B(1474B)は、ある実施例においては、同一でなくてもよく、又は、連続していなくてもよい。例えば、ある実施例においては、各ビームに対する所望の偏向を与えるために、領域1473A(1474A)及び領域1473B(1474B)を(例えば、光路LPに対して)鏡面対称にするなどとしてもよい。   FIG. 15 is a partial schematic view showing one embodiment of an optical rotary encoder structure 1500 having stain resistance and defect resistance when viewed along the rotation axis direction. The optical rotary encoder structure 1500 may be similar or identical to the first of the various embodiments of the optical rotary encoder structure 1400 shown in FIG. Contains. Like numerals in FIGS. 15 and 14 may be understood to refer to like or similar elements unless otherwise indicated. Accordingly, only different or modified specific aspects of FIG. 15 will be described. In FIG. 15, two different variants of the beam polarizer structure BDC are shown. In particular, the first and second mirrors 1471 and 1472 are one embodiment of the first and second beam deflecting elements of the beam polarizer structure BDC, and the first and second beam deflecting elements are mirrors (1471 and 1471). 1472) or, as described above with reference to FIG. 14A, a grating (indicated by two different dashed lines) that deflects the diffracted light beam approximately as shown. First and second gratings 1473 and 1474, instead of first and second mirrors 1471 and 1472, are another embodiment of the first and second beam deflecting elements of the beam polarizer structure BDC. In one embodiment, the first grating 1473 has a first transmission grating structure and the second grating 1474 has a second transmission grating structure. Each of these gratings deflects each diffracted light (indicated by two different dashed lines) substantially as shown, according to the principles described above. In various embodiments, depending on the principles described above, the grating provides a focused and deflected beam or a collimated and deflected beam. In any case, a suitable grating can be determined through some or all of the design, simulation, and experiment based on a commercially available optical design program or a known grating design principle. Of course, in the grating 1473 (1474), the regions 1473A (1474A) and the regions 1473B (1474B) may not be identical or continuous in some embodiments. For example, in one embodiment, regions 1473A (1474A) and regions 1473B (1474B) may be mirror symmetric (eg, with respect to optical path LP) to provide the desired deflection for each beam.

図16は、透過型格子の代わりに反射型格子を有する円筒型ロータリースケール1610を用いた、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式ロータリーエンコーダ構造1600の第2の態様を示す、回転軸方向に沿って見た場合の部分模式図であり、特定の変形要素を含んでいる。エンコーダ構造1600は、ロータリースケール1610の反射型格子を用いたことによって生じた簡単に理解できる変化を除き、図15に示すエンコーダ構造1500に類似している。図16及び15の同様の符号(例えば、16XX及び15XXなどの、同様の末尾を有するもの)は、特にことわらない限り、同様又は類似の要素を指すものとして理解されてもよい。当然ながら、図16に示す実施例により、照明光源1620、ビーム偏向器構造BDC及び検出器配列1665が全てロータリースケール1610の内部の1つの部品上に配置することが可能となっている。   FIG. 16 shows a second embodiment of an optical rotary encoder structure 1600 having a stain and defect resistance providing a displacement signal using a cylindrical rotary scale 1610 having a reflection grating instead of a transmission grating. FIG. 3 is a partial schematic view when viewed along the rotation axis direction, and includes a specific deformation element. Encoder structure 1600 is similar to encoder structure 1500 shown in FIG. 15, except for the easily understandable changes caused by using the reflective grating of rotary scale 1610. Like numbers in FIGS. 16 and 15 (eg, having similar suffixes, such as 16XX and 15XX) may be understood to refer to like or similar elements unless otherwise indicated. Of course, the embodiment shown in FIG. 16 allows the illumination light source 1620, the beam deflector structure BDC and the detector array 1665 to all be located on a single component inside the rotary scale 1610.

当然ながら、上述の様々なエンコーダ構造では、ロータリースケールは、上述した原理に基づいて、スケール格子が配置された名目上の円筒回転表面を有する円筒型スケールである。第1及び第2の照明領域IR1及びIR2は、円筒型ロータリースケール1410、1610の直径上の異なる端部それぞれの近傍に配置される。照明光源1420、1620は、光源光1434、1634を第1及び第2の照明領域IR1及びIR2を横切る線に沿って、第1の照明領域IRへ出力するように構成される。ビーム偏向器構造BDCは、前記回転軸RAの方向に沿って、ロータリースケール1410、1610の円筒形の回転表面を投影することで仕切られる空間内に配置されてもよい。   Of course, in the various encoder configurations described above, the rotary scale is a cylindrical scale having a nominal cylindrical rotating surface on which the scale grid is arranged, based on the principles described above. The first and second illumination regions IR1 and IR2 are located near different diameter ends of the cylindrical rotary scales 1410, 1610, respectively. Illumination light sources 1420, 1620 are configured to output source light 1434, 1634 to a first illumination region IR along a line that crosses the first and second illumination regions IR1 and IR2. The beam deflector structure BDC may be arranged in a space partitioned by projecting the cylindrical rotating surfaces of the rotary scales 1410, 1610 along the direction of the rotation axis RA.

上述した円筒型ロータリースケールであるロータリースケールのような様々なエンコーダ構造においては、ロータリースケール回りのスケール格子バーGBの図示されたトラックは、トラックから位置信号を生成する他の付随光学部品と連動するものであり、第1の測定チャネルと見なしてもよい。当然ながら、このような「円筒スケール」構造においては、望むならば、第1の測定チャネルと同様又は同一の第2の測定チャネルを追加することは、特に容易である。例えば、格子バーGBの第2のトラックを、第1のスケールトラックから回転軸RAの方向に沿って離隔させて、ロータリースケール上に設けてもよい。照明光源、ビーム偏向器構造及び検出器配列の一部又は全部を、第2の測定チャネル用に複製してもよいし、2つの測定チャネル間で共有してもよい。このような構成の利点は、第1及び第2の測定チャネルの空間位相変位信号のそれぞれの組み合わせ、又は、これから導かれる測定を用いることで、1つの測定チャネルから導かれる個々の空間位相変位信号又は測定に生じ得る潜在的なズレに起因する誤差を緩和又は補償に使用できることである。特に有利なそのような実施例の1つでは、第1の測定チャネルは、ロータリースケールの第1のスケールトラックに沿ってヨー角ψで配列されるスケール格子バーGBを有し、第2の測定チャネルは、第1のスケールトラックから回転軸RAの方向に離隔している、ロータリースケールの第2のスケールトラックに沿って反対のヨー角−ψで配列されるスケール格子バーGBを有する。ある実施例では、第1及び第2の測定チャネルは、異なるスケールピッチを有していてもよく、これらの信号間の空間位相差は、既知の方法により、測定軸に沿ったアブソリュート測定位置を示すのに用いられてもよい。ある実施例では、1つのビーム偏向器構造(例えば、2つの平行ミラー)は、第1及び第2の測定チャネルに好適に共有されてもよい。他の実施例においては、第1及び第2の測定チャネルは、略直交する光路を有してもよく、これらの信号の組み合わせを特定のズレ誤差(X及びYの両方のオフセット又は偏心誤差)の補償に用いてもよい。 In various encoder configurations, such as the rotary scale which is a cylindrical rotary scale described above, the illustrated track of the scale grid bar GB around the rotary scale interlocks with other accompanying optics that generate position signals from the track. And may be considered a first measurement channel. Of course, in such a "cylindrical scale" structure, it is particularly easy to add a second measurement channel similar or identical to the first measurement channel, if desired. For example, the second track of the grating bar GB may be provided on the rotary scale at a distance from the first scale track in the direction of the rotation axis RA. Some or all of the illumination source, beam deflector structure and detector array may be duplicated for the second measurement channel or shared between the two measurement channels. The advantage of such an arrangement is that by using a respective combination of the spatial phase displacement signals of the first and second measurement channels or the measurements derived therefrom, the individual spatial phase displacement signals derived from one measurement channel Or, it can be used to mitigate or compensate for errors due to potential deviations that can occur in measurement. Particularly advantageous one such embodiment, the first measurement channel comprises a scale grating bars GB arranged in the yaw angle [psi 1 along the first scale track the rotary scale, the second measurement channel has spaced apart in the direction of the axis of rotation RA from the first scale track, the scale grating bars GB arranged in yaw angle -Pusai 1 opposite along a second scale track rotary scale. In one embodiment, the first and second measurement channels may have different scale pitches, and the spatial phase difference between these signals may be determined in a known manner by an absolute measurement position along the measurement axis. May be used to indicate. In some embodiments, one beam deflector structure (eg, two parallel mirrors) may be suitably shared between the first and second measurement channels. In other embodiments, the first and second measurement channels may have substantially orthogonal optical paths, and a combination of these signals may have a particular misalignment error (both X and Y offset or eccentricity error). May be used for compensation.

図17Aは、変位信号を与える、平板型ロータリースケール1710を用いた耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式ロータリーエンコーダ構造1700の第3の実施例の部分等角図である。エンコーダ構造1700は、ロータリースケール1710、照明光源1720、構造化照明生成機構SIGA及び光検出器構造1760を含む検出器配列1765を有する。図17Aに示す実施例では、ロータリースケール1710は反射型格子を有する。図17Bは、ロータリースケール1710上の第1及び第2の照明領域IR1及びIR2のさらなる細部を示す、図17Aのロータリースケール(格子)1710の部分図である。図17A及び図17Bに示した格子バー及び干渉縞のそれぞれのピッチ及び角度は、図示の都合上のものであり、図の縮尺通りでなくてもよく、かつ、関連する説明に応じて解釈されるべきであることは、言うまでもない。   FIG. 17A is a partial isometric view of a third embodiment of a stain and defect resistant optical rotary encoder structure 1700 using a flat rotary scale 1710 to provide displacement signals. The encoder structure 1700 has a detector array 1765 including a rotary scale 1710, an illumination light source 1720, a structured illumination generator SIGA, and a photodetector structure 1760. In the embodiment shown in FIG. 17A, the rotary scale 1710 has a reflective grating. FIG. 17B is a partial view of the rotary scale (grating) 1710 of FIG. 17A, showing further details of the first and second illumination regions IR1 and IR2 on the rotary scale 1710. The pitches and angles of the grating bars and interference fringes shown in FIGS. 17A and 17B are for illustrative purposes only, do not need to be to scale, and should be interpreted according to the associated description. Needless to say, it should be.

ある点では、光学式ロータリーエンコーダ構造1700は、図10〜14Bを参照して上述したものと類似した特定の干渉縞の生成及び検出の概念に基づいて動作するものとして理解されてもよい。エンコーダ構造1700では、類似した概念を用いることにより、検出対象である周期的スケール光パターン1735は、検出器干渉縞パターン1735’を有する。検出器干渉縞パターン1735’は、比較的長い寸法にわたって回転測定軸方向MAに延在するように配置されたバンド(または干渉縞)で構成され、ロータリースケール1710が変位している間に、検出干渉縞移動方向DFMDに沿って、回転測定軸方向と交差するように移動する。これにより、図14Aに示す円筒型ロータリースケールの代わりに平板型ロータリースケール1710を用いたとしても、光学式ロータリーエンコーダ構造1700の動作は、主として、(特に図14A及び14Bに関して)上述したものとの類似性によって理解されてもよく、特定の側面のみを以下で説明する。   In some respects, the optical rotary encoder structure 1700 may be understood to operate based on the concept of the generation and detection of certain fringes similar to that described above with reference to FIGS. 10-14B. In the encoder structure 1700, using a similar concept, the periodic scale light pattern 1735 to be detected has a detector interference fringe pattern 1735 '. The detector interference fringe pattern 1735 ′ is composed of bands (or interference fringes) arranged to extend in the rotational measurement axis direction MA over a relatively long dimension, and to detect while the rotary scale 1710 is displaced. It moves along the interference fringe movement direction DFMD so as to intersect the rotation measurement axis direction. Thus, even if the flat rotary scale 1710 is used instead of the cylindrical rotary scale shown in FIG. 14A, the operation of the optical rotary encoder structure 1700 is mainly the same as that described above (particularly with respect to FIGS. 14A and 14B). Similar aspects may be understood, and only certain aspects are described below.

図17A及び図17Bに示す様に、平板ロータリースケール1710は円形でもよく、回転軸RAを中心とする回転測定方向θに沿って(又は、回転測定方向θの回りに)延在し、回転軸RAと直交する回転面に対して平行に回転する。ロータリースケール1710は、平板回転表面に、又は、平板回転表面上に、回転測定方向θに沿って配列された反射型スケール格子バーGBを有するロータリースケール格子を有する。スケール格子バーGBは、回転測定方向θに細く、回転測定方向θと交差するロータリースケール格子バー方向RSGBDに長く、回転測定方向θに名目角度ピッチAPSFで周期的に配列されている。照明光源1720、構造化照明生成機構SIGAのビーム偏向器構造BDC及び光検出器構造1760を含む検出器配列1765は、全て、ロータリースケール1710の同じ側に配置される。当然ながら、回転軸RAから照明領域IR1及IR2の中心までの名目上又は平均的な半径に角度ピッチAPSFを乗じることで、名目角度ピッチAPSFを、図14A及び14Bを参照して(例えば、明細書に開示した式及び関係性に関して)既述したスケールピッチPSFに機能的に相当する「線形ピッチ」に変換してもよい。 As shown in FIGS. 17A and 17B, the flat plate rotary scale 1710 may be circular, and extends along (or around) the rotation measurement direction θ about the rotation axis RA. Rotate in parallel to the plane of rotation orthogonal to RA. The rotary scale 1710 has a rotary scale grating having a reflective scale grating bar GB arranged on the plate rotating surface or on the plate rotating surface along the rotation measurement direction θ. Scale grating bar GB is thin in the rotation measurement direction theta, long rotary scale grating bar direction RSGBD intersecting the rotation measurement direction theta, are periodically arranged at a nominal angular pitch AP SF in the rotation measurement direction theta. The detector array 1765 including the illumination light source 1720, the beam deflector structure BDC of the structured illumination generator SIGA, and the photodetector structure 1760 are all located on the same side of the rotary scale 1710. Of course, by multiplying the nominal or average radius from the rotation axis RA to the center of the illumination areas IR1 and IR2 by the angular pitch AP SF , the nominal angular pitch AP SF is determined with reference to FIGS. it may be converted into functionally equivalent to the scale pitch P SF with the respect to formula and relationships) already mentioned disclosed herein "linear pitch".

照明光源1720は、構造化照明生成機構SIGAへ光源光1734を出力する光源を有する。構造化照明生成機構SIGAは、ロータリースケール上の第1の照明領域IR1、第1及び第2の偏向素子1773及び1774を有するビーム偏向器構造BDC、及び、ロータリースケール1710上の第2の照明領域IR2を有する。図17Aに示す実施例においては、第1及び第2の照明領域IR1及びIR2は、ロータリースケール1710の直径の異なる端部のそれぞれの近傍(完全に直径上ではなくとも)に配置される。照明光源1720は、光源光1734を、第1及び第2の照明領域と交差する平面NIPに沿って第1の照明領域IR1へ、この平面における平板回転表面に対して入射角をなすように、出力するように構成される。構造化照明生成機構SIGAは、ロータリースケール1710上の第1の照明領域IR1に光源光1734が入力されるように構成される。第1の照明領域IR1は、光源光1734を反射して回折させ、回折光ビームからなる構造化照明光1734’(図17Aにおいては、異なる2つの破線で表示している)を、光路に沿って、第1の偏光素子1773及び第2の偏光素子1774と交差領域反射器1780とを有するビーム偏向器構造BDCへ出力するように構成される。ビーム偏向器構造BDCは、構造化照明光1734’の回折光ビームを互いに交差させて、ロータリースケール1710上の第2の照明領域IR2で交差後の構造化照明光(すなわち、回折光ビーム)が重なるように交差後の構造化照明光を送出する。図17Aの実施例においては、ビーム偏向器構造BDCの第1の偏光素子1773は、回折されて第1の照明領域IR1から出力された光源光の各ビームを受け取るように構成され、受け取った各ビームが回転軸RA近傍の交差領域反射器1780で交差する収束ビーム経路に沿うように、受け取った各ビームを偏向させるように構成される。交差領域反射器1780は、回転軸RA近傍の交差点近傍の各ビームを反射し、反射された各ビームは、ビーム偏向器構造BDCの第2の偏向素子1774へ向けて発散ビーム経路を辿る。第2の偏向素子1774は、これらのビームが収束ビーム経路を辿って重なり合い、第2の照明領域IR2近傍に照明干渉縞パターンIFPを形成するように、各ビームを受け取って偏向させる。   The illumination light source 1720 has a light source that outputs light source light 1734 to the structured illumination generation mechanism SIGA. The structured illumination generation mechanism SIGA includes a first illumination area IR1 on a rotary scale, a beam deflector structure BDC having first and second deflection elements 1773 and 1774, and a second illumination area on a rotary scale 1710. Has IR2. In the embodiment shown in FIG. 17A, the first and second illumination regions IR1 and IR2 are located near (but not entirely on) each of the different diameter ends of the rotary scale 1710. The illumination light source 1720 directs the source light 1734 at an angle of incidence to the first illumination region IR1 along a plane NIP intersecting the first and second illumination regions, with respect to the flat plate rotating surface in this plane. It is configured to output. The structured illumination generation mechanism SIGA is configured such that the light source light 1734 is input to the first illumination region IR1 on the rotary scale 1710. The first illumination region IR1 reflects the source light 1734 and diffracts it, and the structured illumination light 1734 '(shown by two different broken lines in FIG. 17A) consisting of the diffracted light beam travels along the optical path. Thus, it is configured to output to a beam deflector structure BDC having a first polarizing element 1773, a second polarizing element 1774, and an intersection area reflector 1780. The beam deflector structure BDC intersects the diffracted light beams of the structured illumination light 1734 ′ with each other so that the structured illumination light (ie, the diffracted light beam) crossed in the second illumination region IR 2 on the rotary scale 1710. The structured illumination light after the intersection is transmitted so as to overlap. In the embodiment of FIG. 17A, the first polarizing element 1773 of the beam deflector structure BDC is configured to receive each beam of the source light that has been diffracted and output from the first illumination region IR1. It is configured to deflect each received beam such that the beams follow a converging beam path that intersects at an intersection area reflector 1780 near the axis of rotation RA. The intersection area reflector 1780 reflects each beam near the intersection near the rotation axis RA, and each reflected beam follows a diverging beam path toward the second deflection element 1774 of the beam deflector structure BDC. The second deflecting element 1774 receives and deflects each beam such that the beams overlap along a convergent beam path and form an illumination interference fringe pattern IFP near the second illumination region IR2.

第2の照明領域IR2は、照明干渉縞パターンIFPが入力し、かつ、検出器配列1765の光検出器構造1760において検出器干渉縞パターン1735’を有する周期的スケール光パターン1735が形成されるように、反射されたスケール光を、ロータリースケール1710の平板回転表面に対して入射角をなすように出力する。特に、第2の照明領域IR2では、構造化照明光1734’が第2の照明領域IR2において照明干渉縞パターンIFPを含むように、構造化照明光1734’の回折光ビームが干渉して第2の照明領域IR2近傍の照明干渉縞パターンIFPを形成する。干渉縞パターンIFPは、回転測定方向θに細く、回転測定方向θと交差する照明干渉縞方向IFDに長い干渉縞で構成される。図17Aに示す様に、回転測定軸方向MAに沿って比較的長い寸法を有する干渉縞を有し、かつ、ロータリースケール1710が変位する間に検出干渉縞移動方向DFMDに沿って移動する検出器干渉縞パターン1735’を有する周期的スケール光パターン1735が与えられるように、照明干渉縞方向IFDとロータリースケール格子バー方向RSGBD方向(図17Bに示されている)との間の角度差が設けられる。   The second illumination region IR2 receives the illumination interference fringe pattern IFP and forms a periodic scale light pattern 1735 having a detector interference fringe pattern 1735 'in the photodetector structure 1760 of the detector array 1765. Then, the reflected scale light is output so as to form an incident angle with respect to the rotating plane surface of the rotary scale 1710. In particular, in the second illumination region IR2, the diffracted light beams of the structured illumination light 1734 'interfere with each other so that the structured illumination light 1734' includes the illumination interference fringe pattern IFP in the second illumination region IR2. The illumination interference fringe pattern IFP near the illumination region IR2 is formed. The interference fringe pattern IFP is composed of interference fringes that are thin in the rotation measurement direction θ and long in the illumination interference fringe direction IFD that intersects the rotation measurement direction θ. As shown in FIG. 17A, a detector having an interference fringe having a relatively long dimension along the rotation measurement axis direction MA and moving along the detected interference fringe movement direction DFMD while the rotary scale 1710 is displaced. An angular difference between the illumination fringe direction IFD and the rotary scale grating bar direction RSGBD direction (shown in FIG. 17B) is provided so as to provide a periodic scale light pattern 1735 having an interference fringe pattern 1735 '. .

図17Aに示す特定の実施例では、後に詳述するように、第1の偏向素子1773は透過型格子1773A及び1773Bの第1のペアを有し、第2の偏向素子1774は透過型格子1774A及び1774Bの第2のペアを有する。透過型格子1773A及び1773Bの第1のペアは、名目上回転面と平行な(例えば、光学ブロック1770の)表面上に配列され、このペアの各格子は、第1の照明領域IR1で反射されて出力された回折光源光1734’(構造化照明光1734’とも称する)の各ビームを受け取るように配置される。当然ながら、このペアの各格子は、上述したように、回転軸RA近傍で交差する収束ビーム経路に沿うように各ビームを偏向させるように構成された格子バー(後に詳述する)を有する。交差領域反射器1780は、収束ビーム経路が回転軸RA付近で交差する位置に近接するように配置され、かつ、交差領域反射器1780からの発散ビーム経路を辿るように各ビームを反射するように構成される。透過型格子1774A及び1774Bの第2のペアも、名目上回転面と平行な表面(過型格子1773A及び1773Bの第1のペアと同一平面)上に配列され、このペアの各格子は、交差領域反射器1780からの発散ビーム経路を辿った各ビームを受け取るように配置される。このペアの各格子は、収束ビーム経路に沿うように各ビームを偏向させて重ね合わせ、第2の照明領域IR2の近傍に照明干渉縞パターンIFPを形成するように(後に詳述する)構成された格子バーを有し、上述したように動作する。   In the particular embodiment shown in FIG. 17A, the first deflecting element 1773 has a first pair of transmissive gratings 1773A and 1773B, and the second deflecting element 1774 is a transmissive grating 1774A, as described in more detail below. And 1774B. A first pair of transmissive gratings 1773A and 1773B is arranged on a surface (eg, of optical block 1770) that is nominally parallel to the plane of rotation, and each grating in the pair is reflected in first illumination region IR1. It is arranged to receive each beam of the diffracted light source light 1734 ′ (also referred to as structured illumination light 1734 ′) output. Of course, each grating in the pair has a grating bar (described in detail below) configured to deflect each beam along an intersecting convergent beam path near the rotation axis RA, as described above. Intersecting region reflector 1780 is positioned such that the converging beam paths are close to the intersections near axis of rotation RA, and reflect each beam to follow a diverging beam path from intersecting region reflector 1780. Be composed. A second pair of transmission gratings 1774A and 1774B are also arranged on a surface that is nominally parallel to the plane of rotation (coplanar with the first pair of oversized gratings 1773A and 1773B), and each grating in this pair It is arranged to receive each beam following the divergent beam path from the area reflector 1780. Each grating in the pair is configured to deflect and superimpose each beam along a convergent beam path to form an illumination interference fringe pattern IFP near the second illumination region IR2 (described in detail below). And operate as described above.

ある実施例では、交差領域反射器1780は、平面ミラーであってもよい。他の実施例では、交差領域反射器1780は、曲面(例えば、他の実施例においては、格子バーGBを有するロータリースケール1710の平面からの回転軸RA方向の離隔距離のオーダーの曲率半径を有する曲面)を有していてもよい。ある実施例では、光源光1734及び回折光ビームは、名目上、(例えば、照明光源1720にコリメートレンズを設けることで)コリメートされてもよい。しかし、他の実施例では、照明光源1720及びビーム偏向器構造BDCのうちの少なくとも1つは、第1の照明領域IR1からの回折された光源光の各ビームが回転軸RA近傍の交差点の近傍に、より望ましくは交差領域反射器1780に収束するように構成される。このような「ビーム収束」構成では、小さな部品のズレに起因する特有の誤差は、緩和ないし除去され得る。   In some embodiments, the intersection area reflector 1780 may be a flat mirror. In other embodiments, the cross-region reflector 1780 has a radius of curvature on the order of a separation in the direction of the axis of rotation RA from the plane of the curved surface (eg, in other embodiments, the rotary scale 1710 having the grating bars GB). (Curved surface). In some embodiments, the source light 1734 and the diffracted light beam may be nominally collimated (eg, by providing a collimating lens in the illumination light source 1720). However, in other embodiments, at least one of the illumination light source 1720 and the beam deflector structure BDC is such that each beam of diffracted light source light from the first illumination region IR1 is near an intersection near the rotation axis RA. More preferably, it is configured to converge to the intersection area reflector 1780. In such a "beam convergence" configuration, specific errors due to small component deviations can be mitigated or eliminated.

このような、図17Aに示す構成での「ビーム収束」構成においては、透過型格子1773A及び1773Bの第1のペアでは、このペアの各格子は、各ビームのうちのコリメート光を受け取るように構成されてもよく、回転軸近傍で交差する収束ビーム経路に沿うように各ビームを偏向させ、かつ、回転軸RA近傍に、より望ましくは交差領域反射器1780に各ビームを収束させるように構成された曲線格子バーを有していてもよい。透過型格子1774A及び1774Bの第2のペアでは、このペアの各格子は、各ビームのうちの分散された光を受け取るように構成されてもよく、各ビームの光をコリメートして偏向させて、第2の照明領域IR2近傍で重ね合わさって干渉縞パターンIFPを形成する、収束ビーム経路に沿ったコリメート光ビームを与えるように構成された曲線格子バーを有していてもよい。図18を参照して、このような格子ペアの一実施例を示して説明する。この異なる「ビーム収束」構成では、照明光源1720含まれるレンズが、回転軸RA近傍で収束する収束光源光1734を与える。ある実施例では、検出器干渉縞パターン1735’を有する周期的スケール光パターン1735を形成する第2の照明領域IR2からのスケール光が、名目上、光検出器構造1760においてコリメートされているように、ビーム偏向器構造BDC及び検出器構造1765の一方又は両方が構成される。例えば、1つの実施の形態では、検出器配列1765は、回転軸RA近傍に光源光1734を収束させるレンズに対して補完的な特性を有し、光検出器1760に到達する前に周期的スケール光パターン1735に含まれる光をコリメートするレンズを含んでいてもよい。   In such a “beam converging” configuration in the configuration shown in FIG. 17A, in a first pair of transmission gratings 1773A and 1773B, each grating of the pair receives collimated light of each beam. And may be configured to deflect each beam along a converging beam path that intersects near the axis of rotation and converges each beam near the axis of rotation RA, and more desirably to the intersection area reflector 1780. May have a curved grid bar. In the second pair of transmission gratings 1774A and 1774B, each grating of the pair may be configured to receive the dispersed light of each beam, collimating and deflecting the light of each beam. May have a curved grating bar configured to provide a collimated light beam along a converging beam path that overlaps near the second illumination region IR2 to form an interference fringe pattern IFP. An example of such a lattice pair will be described with reference to FIG. In this different "beam convergence" configuration, the lens included in illumination light source 1720 provides convergent light source light 1734 that converges near rotation axis RA. In one embodiment, the scale light from the second illumination region IR2 forming a periodic scale light pattern 1735 having a detector interference fringe pattern 1735 'is nominally collimated at the photodetector structure 1760. , One or both of the beam deflector structure BDC and the detector structure 1765 are configured. For example, in one embodiment, the detector array 1765 has complementary characteristics to the lens that converges the source light 1734 near the axis of rotation RA, and the periodic scale before reaching the photodetector 1760. A lens for collimating the light included in the light pattern 1735 may be included.

上述の通り、ロータリースケール1710は、第2の照明領域IR2に照明干渉縞パターンIFPが入力され、検出器配列1765の光検出器構造1760において検出器干渉縞パターン1735’を有する周期的スケール光パターン1735として、スケール光を出力するように構成される。検出器干渉縞パターン1735’は、比較的長い寸法にわたって回転測定方向θに延在し、回転測定方向θと交差する検出干渉縞移動方向DFMDで比較的細く、かつ、検出干渉縞移動方向DFMDに検出干渉縞周期PDFの周期性を有する、周期的な高光強度及び低光強度のバンドを有する。   As described above, the rotary scale 1710 receives the illumination interference fringe pattern IFP in the second illumination region IR2 and has the periodic scale light pattern having the detector interference fringe pattern 1735 ′ in the photodetector structure 1760 of the detector array 1765. As 1735, it is configured to output scale light. The detector interference fringe pattern 1735 'extends in the rotation measurement direction θ over a relatively long dimension, is relatively thin in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the rotation measurement direction θ, and is in the detection interference fringe movement direction DFMD. It has periodic high light intensity and low light intensity bands having the periodicity of the detected interference fringe period PDF.

図17Bに詳細に示すように、格子バーGBのロータリースケール格子バー方向RSGBDは、ロータリースケール1710の回転表面に沿って、測定軸方向MAと交差する方向に対して0ではないヨー角ψをとる方向に向いている。図17Bでは、測定軸方向MAと直交する方向は、各格子バーGBの位置において、回転軸RAから放射状に延在するものとして定義された放射状の直線で表示されている。一般的には、ロータリースケール1710上の第2の照明領域IR2近傍の干渉縞パターン1735’の照明干渉縞方向IFDが、ロータリースケール1410上の第2の照明領域IR2近傍の名目上又は平均的なロータリースケール格子バー方向RSGBDに対して0ではないヨー差異角YDAだけ回転している名目干渉縞方向ヨー角をとる方向に向くように、構造化照明生成機構SIGAが構成される。図17A及び17Bに示す特定の実施例では、第1及び第2の照明領域IR1及びIR2は、ロータリースケール回転軸RAを通る直径の異なる端部のそれぞれの近傍に配置され、照明光源1720は、名目上平板回転表面に垂直かつ名目上その直径に平行であり、かつ、名目照明平面オフセットIPOffだけ直径からオフセットしている名目照明平面NIPに沿って、第1の照明領域IR1へ光源光1734を出力するように構成されている。第1の及び第2の照明領域IR1及びIR2は、それぞれ、名目照明平面オフセットIPOffだけ直径からオフセットしている。名目照明平面オフセットIPOffは、第1の照明領域IR1のスケール格子バーGBの名目上又は平均的な配置と平行な名目照明平面NIPに対して平行となるように構成されてもよい。スケール格子バーGBは、第2の照明領域IR2を含むロータリースケール1710のどこでも、測定軸方向MAと直交する方向に対して0ではないヨー角ψをとる。上述の設計原理により、照明干渉縞方向IFDは、第2の照明領域IR2で、名目上又は平均的なロータリースケール格子バー方向RSGBDに対して0ではないヨー差異角YDAで回転する。図17Bに示す表記によれば、YDA=(ψ−ψ)である。ψは基準点から反時計回り方向に測定されるものであり、すなわち負の角度とみなされる。このような実施例においては、好適には、0ではないヨー差異角YDAは、0ではないヨー角ψの2倍である。 As shown in detail in FIG. 17B, the rotary scale grating bar direction RSGBD of the grating bar GB along the rotating surface of the rotary scale 1710 has a non-zero yaw angle 1 1 with respect to a direction intersecting the measurement axis direction MA. It is facing in the direction you take. In FIG. 17B, the direction orthogonal to the measurement axis direction MA is indicated by a radial straight line defined as extending radially from the rotation axis RA at the position of each grating bar GB. In general, the illumination interference fringe direction IFD of the interference fringe pattern 1735 ′ on the rotary scale 1710 near the second illumination area IR2 is nominally or averaged near the second illumination area IR2 on the rotary scale 1410. The structured illumination generation mechanism SIGA is configured so as to face a direction in which the yaw angle is a direction of a nominal interference fringe rotated by a yaw difference angle YDA that is not 0 with respect to the rotary scale grating bar direction RSGBD. In the particular embodiment shown in FIGS. 17A and 17B, the first and second illumination regions IR1 and IR2 are located near respective ends of different diameters passing through the rotary scale rotation axis RA, and the illumination light source 1720 comprises: Source light 1734 is directed to first illumination region IR1 along a nominal illumination plane NIP that is nominally parallel to the plate rotation surface and nominally parallel to its diameter, and is offset from the diameter by a nominal illumination plane offset IPOff. It is configured to output. The first and second illumination regions IR1 and IR2 are each offset from the diameter by a nominal illumination plane offset IPOff. The nominal illumination plane offset IPOff may be configured to be parallel to a nominal illumination plane NIP that is parallel to the nominal or average arrangement of the scale grid bar GB in the first illumination region IR1. Scale grating bar GB is anywhere rotary scale 1710 that includes a second illumination region IR2, taking the yaw angle [psi 1 not 0 with respect to a direction perpendicular to the measuring axis direction MA. According to the above design principle, the illumination fringe direction IFD rotates in the second illumination region IR2 with a non-zero yaw difference angle YDA with respect to the nominal or average rotary scale grating bar direction RSGBD. According to the notation shown in FIG. 17B, YDA = (ψ 1 −ψ 2 ). [psi 2 is intended to be measured from the reference point in the counterclockwise direction, that is considered a negative angle. In such an embodiment, preferably, the yaw difference angle YDA not zero is double the yaw angle [psi 1 not zero.

いずれの場合も、検出干渉縞周期PDF及び検出干渉縞移動方向DFMDは、回転測定方向θと交差しており、少なくとも部分的には、0ではないヨー差異角YDA(例えば、図7に対して説明したのと同様に、0ではないヨー角ψ)に依存する。高光強度及び低光強度のバンドは、スケール1710が回転軸RA回りに回転するにつれて、回転測定方向θと交差する検出干渉縞移動方向DFMDに移動する。検出器配列1765は、回転測定方向θと交差する検出干渉縞移動方向DFMDでの高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出し、かつ、ロータリースケールの変位を示す空間位相変位信号を与えるように構成される。一実施例においては、検出器配列1765の光検出器構造1760は、光検出器560と同様であり、図6A及び図6Bを参照して理解されてもよい。光検出器構造1760は、(図6A及び図6Bに示す様に)回転測定方向と交差する検出器干渉縞移動方向DFMDに、検出器ピッチPDで周期的に配列されたN個の空間位相検出器からなるセットを有してもよい。各空間位相検出器は個別に空間位相検出器信号を与えるように構成されてもよく、少なくとも過半数の空間位相検出器が回転測定方向に比較的長い寸法を有し、かつ、回転測定方向と直交する検出器干渉縞移動方向に比較的狭い寸法を有するように構成されてもよく、N個の空間位相検出器からなるセットは、上述した原理に応じて、空間位相列において検出器干渉縞移動方向に配列されてもよい。様々な実施例においては、検出干渉縞周期PDFが40μm以上であれば、パフォーマンスとコストの一方又は両方で有利となる。様々な実施例においては、N個の空間位相検出器のそれぞれが偶数個のスケール光受光領域を有していれば、パフォーマンスとコスト面の一方又は両方で有利となる。 In either case, the detected interference fringe period PDF and the detected interference fringe movement direction DFMD intersect with the rotation measurement direction θ, and at least partially have a non-zero yaw difference angle YDA (eg, with respect to FIG. 7). As described, it depends on the non-zero yaw angle { 1 ). The bands of high light intensity and low light intensity move in the detection interference fringe movement direction DFMD that intersects the rotation measurement direction θ as the scale 1710 rotates around the rotation axis RA. The detector array 1765 detects the displacement of the high light intensity and low light intensity bands in the detected interference fringe movement direction DFMD that intersects the rotation measurement direction θ and provides a spatial phase displacement signal indicating the displacement of the rotary scale. It is composed of In one embodiment, the light detector structure 1760 of the detector array 1765 is similar to the light detector 560 and may be understood with reference to FIGS. 6A and 6B. The photodetector structure 1760 includes N spatial phase detectors periodically arranged at a detector pitch PD in a detector interference fringe movement direction DFMD that intersects the rotational measurement direction (as shown in FIGS. 6A and 6B). It may have a set of vessels. Each spatial phase detector may be individually configured to provide a spatial phase detector signal, wherein at least a majority of the spatial phase detectors have a relatively long dimension in the rotational measurement direction and are orthogonal to the rotational measurement direction. The set of N spatial phase detectors may be configured to have a relatively narrow dimension in the direction of detector fringe movement, and the set of N spatial phase detectors may be moved in the spatial phase train according to the principles described above. It may be arranged in a direction. In various embodiments, if the detected fringe period PDF is greater than or equal to 40 μm, there may be advantages in performance and / or cost. In various embodiments, if each of the N spatial phase detectors has an even number of scaled light receiving areas, it may be advantageous in performance and / or cost.

ある実施例においては、光学式ロータリーエンコーダ構造1700のような光学式ロータリーエンコーダ構造に式6が適用されてもよい。このような場合、ロータリースケール1710は、第1照明光源回折格子540及び第2照明光源回折格子550の等価物をもたらし、P及びPは、実効スケールピッチPSFと等しくなる。上述したように、実効スケールピッチPSFは、角度ピッチAPSF(ラジアン単位)に回転軸RAから照明領域IR1及びIR2の一方又は両方の中心までの名目上又は平均的な半径を乗じたものとしてもよい。光源光1734及び構造化照明光1734’の光は光学式エンコーダ構造1400と同様の2つの格子を通過するので、光学式エンコーダ構造1700についても、式6は既述した式8に単純化され、ヨー角ψは検出干渉縞周期PDFに関係付けられる。 In some embodiments, Equation 6 may be applied to an optical rotary encoder structure, such as optical rotary encoder structure 1700. In this case, the rotary scale 1710, resulted in the equivalent of the first illumination light source grating 540 and the second illumination source grating 550, P 1 and P 2 is equal to the effective scale pitch P SF. As described above, the effective scale pitch P SF is the angular pitch AP SF (in radians) multiplied by the nominal or average radius from the axis of rotation RA to the center of one or both of the illumination regions IR1 and IR2. Is also good. Since the light of the source light 1734 and the structured illumination light 1734 ′ pass through two gratings similar to the optical encoder structure 1400, also for the optical encoder structure 1700, Equation 6 is simplified to Equation 8 described above, The yaw angle 11 is related to the detected interference fringe period PDF.

ロータリースケール1710に2回入射する(すなわち、第1の照明領域IR1及び第2の照明領域IR2に入射する)光源光1734及び構造化照明光1734’の光により、
ロータリーエンコーダ構造1700における様々な潜在的なズレの補正だけでなく、高解像の変位測定が可能となる。
With the light of the source light 1734 and the structured illumination light 1734 ′ incident on the rotary scale 1710 twice (ie, incident on the first illumination region IR1 and the second illumination region IR2),
In addition to correcting various potential misalignments in the rotary encoder structure 1700, high-resolution displacement measurement can be performed.

図18は、図17Aを参照して説明した透過型格子1773A及び1773Bの第1のペアと透過型格子1774A及び1774B第2のペアとして用いることができる格子パターンを模式的かつ定性的に示す図である。図18に示す特定の実施例においては、透過型格子1773A及び1773Bの第1のペアでは、このペアの各格子は、各ビームのコリメート光を受け取り、かつ、図17Aに示す様に、回転軸RA近傍で交差する収束ビーム経路に沿うように各ビームを偏向させ、かつ、各ビームを回転軸RA近傍へ収束させる曲線格子バーを有するように構成される。透過型格子1774A及び1774Bの第2のペアでは、このペアの各格子は、各ビームの発散光を受け取り、かつ、図17Aに示す様に、回転軸RA近傍で交差する収束ビーム経路に沿うように各ビームの光をコリメートして偏向させて、重なり合って第2の照明領域IR2近傍に照明干渉縞パターンIFPを形成する、収束ビーム経路に沿ったコリメート光ビームをもたらすように構成される。しかし、より一般的には、様々な実施例では、上述の原理にしたがって、あらゆる場所にコリメートされたビーム及び偏向されたビームを提供する代替の格子を構成してもよい。いずれの場合にも、市販の光学設計プログラムや既知の格子設計原理に基づいて、設計、シミュレーション及び実験の一部又は全部を通じて、好適な格子が決定され得る。   FIG. 18 is a diagram schematically and qualitatively showing a grating pattern that can be used as the first pair of the transmission gratings 1773A and 1773B and the second pair of the transmission gratings 1774A and 1774B described with reference to FIG. 17A. It is. In the particular embodiment shown in FIG. 18, in a first pair of transmissive gratings 1773A and 1773B, each grating in the pair receives the collimated light of each beam and, as shown in FIG. It is configured to have a curved grid bar that deflects each beam along a converging beam path that intersects near RA and converges each beam near the rotation axis RA. In the second pair of transmissive gratings 1774A and 1774B, each grating in the pair receives the diverging light of each beam and, as shown in FIG. 17A, along a converging beam path that intersects near rotation axis RA. To collimate and deflect the light of each beam to produce a collimated light beam along a convergent beam path that overlaps and forms an illumination interference fringe pattern IFP near the second illumination region IR2. However, more generally, in various embodiments, alternative gratings that provide collimated and deflected beams everywhere may be constructed in accordance with the principles described above. In any case, a suitable grating can be determined through some or all of the design, simulation, and experiment based on a commercially available optical design program or a known grating design principle.

本開示の望ましい実施例について図示、説明したが、図示、説明した構成要素の配置及びプロセスの順序の様々な変形については、本開示に基づいて当業者にとって明らかであろう。ここで開示した原理を実現するため、様々な変形形態を用いてもよい。さらに、上述した様々な実施例を組み合わせて、更なる実施例を与えることが可能である。本明細書で参照する特許文献は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。必要に応じて、実施例の態様は、様々な特許及び特許出願の概念を適用して、さらなる実施例を与えるために変形することができる。   While the preferred embodiment of the disclosure has been illustrated and described, it will be apparent to those skilled in the art, based on the present disclosure, that various modifications of the arrangement and process sequences of the illustrated and described components may be made. Various modifications may be used to implement the principles disclosed herein. Further, the various embodiments described above can be combined to provide further embodiments. The patent documents referred to herein are hereby incorporated by reference in their entirety. If desired, aspects of the embodiments can be modified to apply further patent and patent application concepts to provide further embodiments.

これらの及び他の変形は、上記の詳細な説明に照らして、実施例に適用することができる。一般に、以下の特許請求の範囲では、用いられる用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示された特定の実施例に特許請求の範囲が限定されるものとして解釈されるべきではなく、クレームの均等物と解される全ての範囲と共に、すべての可能な実施例を含むと解釈されるべきである。   These and other variations can be applied to the embodiments in light of the above detailed description. In general, in the following claims, the terms used should not be construed as limiting the scope of the claims to the specific embodiments disclosed in the specification and claims, but rather by the following claims. It should be construed to include all possible embodiments, together with all ranges that are considered equivalents.

Claims (19)

回転平面と直交する回転軸を中心とする回転測定方向に延在するロータリースケールであって、前記回転測定方向に細く、前記回転測定方向と交差するロータリースケール格子バー方向に長く、前記回転測定方向へ向けて広がる回転表面に、前記回転測定方向に名目スケールピッチPSFで周期的に配列されたスケール格子バーで構成されるロータリースケール格子を有する、ロータリースケールと、
光源光を構造化照明生成機構へ出力する光源を有する照明光源であって、前記構造化照明生成機構は、前記ロータリースケール上の第1の照明領域、少なくとも第1及び第2の偏向素子を有するビーム偏向器構造及び前記ロータリースケール上の第2の照明領域を有し、前記構造化照明生成機構は、前記光源光を回折させて構造化照明光として前記ビーム偏向器構造へ出力する前記第1の照明領域へ前記光源光を入力し、前記構造化照明光の回折されたビームを互いに交差させて、交差後の前記構造化照明光を前記ロータリースケール上の前記第2の照明領域へ送出して、前記第2の照明領域に照明干渉縞パターンを形成し、前記照明干渉縞パターンは、前記回転測定方向に細く、前記回転測定方向と交差する照明干渉縞方向に長い縞で構成される、照明光源と、
前記回転測定方向と交差する検出干渉縞移動方向に検出器ピッチPDで周期的に配列されたN個の空間位相検出器からなるセットを有し、前記空間位相検出器のそれぞれは空間位相検出器信号を与えるように構成され、少なくとも過半数の前記空間位相検出器は、比較的長い寸法にわたって前記回転測定方向に延在し、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、前記N個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、前記検出干渉縞移動方向に沿って配列される、光検出器構造を有する検出器配列と、を備え、
前記ロータリースケール格子バー方向は、前記回転表面上において、前記回転表面に沿った測定軸方向と交差する方向に対して0ではないヨー角ψをなす方向に向いており、
前記構造化照明生成機構は、前記ロータリースケール上の前記第2の照明領域近傍の前記照明干渉縞パターンの前記照明干渉縞方向が、前記ロータリースケール上の前記第2の照明領域近傍の前記ロータリースケール格子バー方向に対して0ではないヨー差異角YDAだけ回転した名目干渉縞方向ヨー角をなす方向に向くように構成され、
前記ロータリースケール格子は、前記第2の照明領域に前記照明干渉縞パターンが入力され、前記光検出器構造に、前記光検出器構造における検出器干渉縞パターンを有する周期的スケール光パターンを形成するスケール光を出力し、前記検出器干渉縞パターンは、比較的長い寸法にわたって前記回転測定方向に平行な方向に延在し、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、かつ、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に検出干渉縞周期PDFの周期性を有する、周期的な高光強度及び低光強度のバンドで構成され、
前記検出干渉縞周期PDF及び前記検出干渉縞移動方向は、前記回転測定方向と交差し、かつ、少なくとも部分的に前記0ではないヨー角ψに依存し、
前記高光強度及び低光強度のバンドは、前記ロータリースケール格子が前記回転軸を中心として回転するにつれて、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に移動し、
前記光検出器構造は、前記回転測定方向と交差する前記検出干渉縞移動方向での前記高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出し、かつ、ロータリースケールの変位を示す空間位相変位信号を与える、
光学式ロータリーエンコーダ。
A rotary scale extending in a rotation measurement direction about a rotation axis orthogonal to a rotation plane, the rotary scale being thin in the rotation measurement direction, being long in a rotary scale lattice bar direction intersecting with the rotation measurement direction, and being in the rotation measurement direction. the rotation surface extending toward, with a rotary scale grating consists of periodically arranged scale grating bar nominal scale pitch P SF to the rotation measurement direction, and a rotary scale,
An illumination light source having a light source that outputs light source light to a structured illumination generating mechanism, wherein the structured illumination generating mechanism has a first illumination area on the rotary scale, at least first and second deflection elements. A first illumination area having a beam deflector structure and a second illumination area on the rotary scale, wherein the structured illumination generation mechanism diffracts the source light and outputs the diffracted light to the beam deflector structure as structured illumination light. Inputting the light source light to the illumination area, crossing the diffracted beams of the structured illumination light with each other, and transmitting the structured illumination light after the intersection to the second illumination area on the rotary scale. Forming an illumination interference fringe pattern in the second illumination region, wherein the illumination interference fringe pattern is formed of stripes that are thin in the rotation measurement direction and long in the illumination interference fringe direction that intersects the rotation measurement direction. It is an illumination light source,
A set of N spatial phase detectors periodically arranged at a detector pitch PD in a detection interference fringe moving direction intersecting with the rotational measurement direction, wherein each of the spatial phase detectors is a spatial phase detector; At least a majority of the spatial phase detectors extend in the rotational measurement direction over a relatively long dimension and are relatively narrow in the direction of the detected fringe movement that intersects the rotational measurement direction. A set of the N spatial phase detectors includes a detector array having a photodetector structure, arranged in a spatial phase sequence along the detection interference fringe moving direction;
The direction of the rotary scale grating bar is a direction on the rotating surface that forms a non-zero yaw angle に 対 し て with respect to a direction intersecting the direction of the measurement axis along the rotating surface;
The structured illumination generating mechanism may be configured such that the illumination interference fringe direction of the illumination interference fringe pattern near the second illumination area on the rotary scale is the same as the rotary scale near the second illumination area on the rotary scale. A nominal interference fringe direction rotated by a yaw difference angle YDA that is not 0 with respect to the lattice bar direction, and is configured to face a direction forming a yaw angle;
The rotary scale grating receives the illumination interference fringe pattern in the second illumination region and forms a periodic scale light pattern having the detector interference fringe pattern in the photodetector structure on the photodetector structure. Outputting scale light, the detector interference fringe pattern extends in a direction parallel to the rotation measurement direction over a relatively long dimension, and is relatively narrow in the detection interference fringe movement direction crossing the rotation measurement direction; And, having a periodicity of the detection interference fringe period PDF in the detection interference fringe movement direction intersecting with the rotation measurement direction, is configured by a periodic high light intensity and low light intensity band,
The detected interference fringe period PDF and the detected interference fringe movement direction intersect with the rotation measurement direction, and depend at least in part on the non-zero yaw angle 、;
The high light intensity and low light intensity bands move in the detection interference fringe moving direction that intersects the rotation measurement direction as the rotary scale grating rotates around the rotation axis,
The photodetector structure detects a displacement of the high light intensity and low light intensity bands in the detection interference fringe moving direction intersecting with the rotation measurement direction, and outputs a spatial phase displacement signal indicating a displacement of a rotary scale. give,
Optical rotary encoder.
前記0ではないヨー差異角YDAは、名目上−2ψである、
請求項1に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The non-zero yaw difference angle YDA is nominally -2 °.
The optical rotary encoder according to claim 1.
前記N個の空間位相検出器のそれぞれは、偶数個のスケール光受光領域を有する、
請求項1に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
Each of the N spatial phase detectors has an even number of scale light receiving regions,
The optical rotary encoder according to claim 1.
前記検出干渉縞周期PDFは、40μm以上である、
請求項1に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The detection interference fringe period PDF is 40 μm or more;
The optical rotary encoder according to claim 1.
前記ヨー角ψは、以下の式
Figure 2020056786
で示す関係を満たす、
請求項1に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The yaw angle ψ is given by the following equation:
Figure 2020056786
Satisfy the relationship shown by
The optical rotary encoder according to claim 1.
前記ロータリースケールは、前記スケール格子バーが配列された、名目上円筒形の回転表面を有する円筒型ロータリースケールであり、
前記第1及び第2の照明領域のそれぞれは、円筒型ロータリースケールの直径の異なる端部のそれぞれに配置され、前記照明光源は、前記第1及び第2の照明領域を通る線に沿って前記光源光を前記第1の照明領域へ出力し、前記ビーム偏向器構造は、前記回転軸の方向に沿って前記円筒形の回転表面を投影することで仕切られる空間内に配置される、
請求項1に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The rotary scale is a cylindrical rotary scale having a nominally cylindrical rotating surface on which the scale grid bars are arranged,
Each of the first and second illumination areas is located at a different diameter end of a cylindrical rotary scale, and the illumination light source is arranged along a line passing through the first and second illumination areas. Outputting light source light to the first illumination area, wherein the beam deflector structure is disposed in a space partitioned by projecting the cylindrical rotating surface along the direction of the axis of rotation.
The optical rotary encoder according to claim 1.
前記ビーム偏向器構造は、前記第1の照明領域から出力された前記回折された光源光の各ビームを受け取り、受け取った各ビームを前記回転軸近傍で交差して発散ビーム経路へと繋がる収束ビーム経路に沿うように偏向させ、偏向された各ビームを受けとって前記収束ビーム経路を経て重ね合わせて、前記第2の照明領域の近傍に前記照明干渉縞パターンを形成するように、受け取った各ビームを偏向させる、
請求項6に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The beam deflector structure receives each beam of the diffracted light source light output from the first illumination area, and converges each received beam crossing near the rotation axis to a diverging beam path. Each beam received to deflect along a path, receive each deflected beam, and superimpose via the convergent beam path to form the illumination interference fringe pattern near the second illumination area; Deflect,
The optical rotary encoder according to claim 6.
前記照明光源及び前記ビーム偏向器構造の少なくとも1つは、前記回折された光源光の各ビームが、前記回転軸近傍の交差点近傍に収束するように構成され、
前記ビーム偏向器構造及び前記検出器配列の少なくとも1つは、前記検出器干渉縞パターンを有する前記周期的スケール光パターンを形成する、出力された反射スケール光が、前記光検出器構造において、名目上コリメートされているように構成される、
請求項7に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
At least one of the illumination light source and the beam deflector structure is configured such that each beam of the diffracted light source light converges near an intersection near the rotation axis,
At least one of the beam deflector structure and the detector array forms the periodic scale light pattern having the detector interference fringe pattern, and the output reflected scale light is nominally in the photodetector structure. Configured to be collimated on,
The optical rotary encoder according to claim 7.
前記ビーム偏向器構造は、前記回転軸を挟んで対向配置された、前記第1及び第2の照明領域を通る前記円筒型ロータリースケールの直径に平行に広がる表面をそれぞれ有し、かつ、前記第1の照明領域から出力される前記回折された光源光の各ビームを受け取る方向に向いている第1及び第2の平行平板ミラー又は格子を有し、
前記第1及び第2の平行平板ミラー又は格子は、さらに、前記第1の照明領域から出力される前記回折された光源光の各ビームを受け取り、前記回転軸近傍で交差して前記発散ビーム経路に繋がる前記収束ビーム経路に沿うように各ビームを偏向させ、偏向された各ビームを受け取って前記収束ビーム経路を経て重ね合わせて、前記第2の照明領域の近傍に前記照明干渉縞パターンを形成するように、受け取った各ビームを偏向させる、
請求項7に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The beam deflector structure has surfaces that extend in parallel to the diameter of the cylindrical rotary scale that passes through the first and second illumination regions, respectively, and is disposed to face each other across the rotation axis, and First and second parallel plate mirrors or gratings oriented in a direction to receive each beam of the diffracted light source light output from one illumination area;
The first and second parallel plate mirrors or gratings further receive respective beams of the diffracted light source light output from the first illumination area, intersect near the rotation axis, and cross the divergent beam path. Deflecting each beam along the convergent beam path leading to and receiving the deflected beams and superimposing them via the convergent beam path to form the illumination interference fringe pattern near the second illumination area Deflect each received beam so that
The optical rotary encoder according to claim 7.
第1の測定チャネルと、
前記第1の測定チャネルと同様の第2の測定チャネルを有し、
前記第1及び第2の測定チャネルの前記空間位相変位信号のそれぞれ、又は、これらから導かれる測定の組み合わせによって、個々の空間位相変位信号又はこれらから導かれる測定に生じる潜在的なズレ誤差を緩和又は補償する、
請求項7に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
A first measurement channel;
Having a second measurement channel similar to the first measurement channel;
Each of the spatial phase displacement signals of the first and second measurement channels, or a combination of the measurements derived therefrom, mitigates potential deviation errors in individual spatial phase displacement signals or the measurements derived therefrom. Or compensate,
The optical rotary encoder according to claim 7.
前記第1の測定チャネルは、前記ヨー角ψをなすように、前記ロータリースケールの第1のスケールトラックに沿って配列された前記スケール格子バーを有し、
前記第2の測定チャネルは、ヨー角−ψをなすように、前記第1のスケールトラックから前記回転軸の方向に離隔した、前記ロータリースケールの第2のスケールトラックに沿って配列された前記スケール格子バーを有し、
1つの前記ビーム偏向器構造が、前記第1及び第2の測定チャネルに共有される、
請求項10に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The first measurement channel has the scale grid bar arranged along a first scale track of the rotary scale to form the yaw angle ψ;
The second measurement channel is arranged along a second scale track of the rotary scale, spaced apart from the first scale track in a direction of the rotation axis so as to form a yaw angle −ψ. Has a grid bar,
One said beam deflector structure is shared by said first and second measurement channels;
The optical rotary encoder according to claim 10.
前記ロータリースケールは、一定の角度ピッチAPSFにて配列された反射型スケール格子バーが設けられた平板回転表面を有する平板円形型ロータリースケールであり、
前記照明光源、前記ビーム偏向器構造及び前記検出器配列は、全て、前記ロータリースケールの同じ側に配置され、
前記第1及び第2の照明領域は、前記ロータリースケールの直径の異なる端部のそれぞれの近傍に配置され、前記照明光源は、前記第1及び第2の照明領域を通る平面に沿って、前記平面内の平板回転表面に対する入射角をなすように、前記第1の照明領域へ前記光源光を出力し、
前記ビーム偏向器構造は、前記第1の照明領域で反射されて出力された前記回折された光源光の各ビームを受け取り、受け取った各ビームを前記回転軸近傍で交差する収束ビーム経路に沿うように偏向させ、偏向された各ビームが発散ビーム経路を辿るように、前記回転軸近傍の交差点の近傍へ各ビームを反射し、各ビームが前記収束ビーム経路を経て重なり合って、前記第2の照明領域の近傍に前記照明干渉縞パターンを形成するように、各ビームを偏向させ、
前記第2の照明領域は、前記照明干渉縞パターンが入力され、前記光検出器構造において前記照明干渉縞パターンを有する前記周期的スケール光パターンを形成するように、前記平板回転表面に対して入射角をなすように反射されたスケール光を出力する、
請求項1に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The rotary scale is a flat circular rotary scale having a flat rotating surface provided with reflection scale grating bars arranged at a constant angle pitch AP SF ,
The illumination light source, the beam deflector structure and the detector array are all located on the same side of the rotary scale,
The first and second illumination areas are disposed near respective ends of the rotary scale having different diameters, and the illumination light source is arranged along a plane passing through the first and second illumination areas. Outputting the light source light to the first illumination area so as to form an angle of incidence with respect to the flat plate rotating surface in the plane;
The beam deflector structure receives each beam of the diffracted light source light reflected and output by the first illumination area, and moves each received beam along a converging beam path that intersects near the rotation axis. And deflects each beam toward an intersection near the axis of rotation such that each deflected beam follows a divergent beam path, and each beam overlaps through the convergent beam path to produce a second illumination. Deflecting each beam so as to form the illumination interference fringe pattern near the region,
The second illumination area is incident on the plate rotating surface such that the illumination interference fringe pattern is input and forms the periodic scale light pattern having the illumination interference fringe pattern in the photodetector structure. Outputs scaled light reflected at an angle,
The optical rotary encoder according to claim 1.
前記照明光源及び前記ビーム偏向器構造の少なくとも1つは、前記回折された光源光の各ビームが、前記回転軸近傍の交差点近傍に収束するように構成され、
前記ビーム偏向器構造及び前記検出器配列の少なくとも1つは、前記検出器干渉縞パターンを有する前記周期的スケール光パターンを形成する、出力された反射スケール光が、前記光検出器構造において、名目上、コリメートされているように構成される、
請求項12に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
At least one of the illumination light source and the beam deflector structure is configured such that each beam of the diffracted light source light converges near an intersection near the rotation axis,
At least one of the beam deflector structure and the detector array forms the periodic scale light pattern having the detector interference fringe pattern, and the output reflected scale light is nominally in the photodetector structure. Top, configured to be collimated,
An optical rotary encoder according to claim 12.
前記ビーム偏向器構造は、透過型格子の第1及び第2のペアと、交差領域反射器と、を有し、
前記透過型格子の前記第1のペアは、前記回転表面に名目上平行な平面状に配置され、前記第1のペアの各格子は、前記第1の照明領域で反射されて出力された前記回折された光源光の各ビームを受け取るように配置され、前記第1のペアの各格子は、前記回転軸近傍で交差する前記収束ビーム経路に沿って各ビーム光を偏向させるように構成された格子バーを有し、
前記交差領域反射器は、前記収束ビーム経路が前記回転軸近傍で交差する位置近傍に配置され、前記交差領域反射器から前記発散ビーム経路を辿るように各ビームを反射し、
前記透過型格子の前記第2のペアは、前記回転表面に名目上平行な平面状に配置され、前記第2のペアの各格子は、前記発散ビーム経路に沿った各ビームを受け取るように配置され、前記第2のペアの各格子は、各ビームが前記発散ビーム経路を辿って重なり合って、前記第2の照明領域近傍に前記照明干渉縞パターンを形成するように構成された格子バーを有する、
請求項12に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The beam deflector structure includes first and second pairs of transmissive gratings and a cross-region reflector;
The first pair of transmission gratings are arranged in a plane that is nominally parallel to the rotating surface, and each grating of the first pair is reflected and output by the first illumination area. Each grating of the first pair is arranged to receive each beam of diffracted light source light, and each grating of the first pair is configured to deflect each light beam along the convergent beam path intersecting near the axis of rotation. Has a grid bar,
The intersection area reflector is disposed near a position where the convergent beam path intersects near the rotation axis, and reflects each beam from the intersection area reflector to follow the divergent beam path;
The second pair of transmission gratings is arranged in a plane that is nominally parallel to the rotating surface, and each grating of the second pair is arranged to receive each beam along the divergent beam path. Wherein each grating of the second pair has a grating bar configured such that each beam overlaps following the divergent beam path to form the illumination interference fringe pattern near the second illumination region. ,
An optical rotary encoder according to claim 12.
前記透過型格子の前記第1のペアでは、前記第1のペアの各格子は、各ビームのコリメート光を受け取り、前記回転軸近傍に収束する前記収束ビーム経路に沿って各ビームを偏向させ、各ビームを前記回転軸近傍に収束させる曲線格子バーを有し、
前記透過型格子の前記第2のペアでは、前記第2のペアの各格子は、各ビームの発散光を受け取り、各ビームの光をコリメートして偏向させて、コリメート光のビームが前記収束ビーム経路に沿って重なり合って、前記第2の照明領域近傍に記照明干渉縞パターンを形成するように構成される曲線格子バーを有する、
請求項14に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
In the first pair of transmission gratings, each grating of the first pair receives collimated light of each beam and deflects each beam along the convergent beam path that converges near the rotation axis; Having a curved grid bar to converge each beam near the rotation axis;
In the second pair of transmissive gratings, each grating of the second pair receives divergent light of each beam, collimates and deflects the light of each beam, and the collimated light beam is Having a curved grid bar configured to overlap along a path and form the illumination interference fringe pattern near the second illumination area;
The optical rotary encoder according to claim 14.
前記交差領域反射器は、曲面を有する、
請求項14に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The intersection area reflector has a curved surface,
The optical rotary encoder according to claim 14.
前記第1及び第2の照明領域は、前記ロータリースケールの前記回転軸を通る直径の異なる端部のそれぞれの近傍に配置され、
前記照明光源は、前記平板回転表面に対して名目上垂直、かつ、前記直径に名目上平行な、名目照明平面オフセットだけ前記直径からオフセットしている名目照明平面に沿って、前記第1の照明領域に前記光源光を出力し、
前記第1及び第2の照明領域は、それぞれ、前記名目照明平面オフセットだけ前記直径からオフセットされ、
前記名目照明平面オフセットは、前記名目照明平面が、測定軸方向と交差する前記方向に対して前記0ではないヨー角をなす前記第2の照明領域の前記スケール格子バーの名目上又は平均的な配置に対して平行に、かつ、前記回転表面に沿って配置されるように構成され、前記名目干渉縞方向ヨー角は、前記第2の照明領域の前記名目照明平面に対して前記0ではないヨー差異角YDAだけ回転している、
請求項12に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The first and second illumination areas are arranged near respective ends of different diameters passing through the rotation axis of the rotary scale,
The illumination light source is configured to illuminate the first illumination along a nominal illumination plane nominally perpendicular to the plate rotation surface and nominally parallel to the diameter and offset from the diameter by a nominal illumination plane offset. Outputting the light source light to the area,
The first and second illumination areas are each offset from the diameter by the nominal illumination plane offset;
The nominal illumination plane offset is the nominal or average of the scale grid bars of the second illumination area where the nominal illumination plane makes the non-zero yaw angle with respect to the direction intersecting the measurement axis direction. The nominal interference fringe direction yaw angle is non-zero with respect to the nominal illumination plane of the second illumination area. Rotated by the yaw difference angle YDA,
An optical rotary encoder according to claim 12.
前記0ではないヨー差異角YDAは、前記0ではないヨー角の2倍である、
請求項17に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The non-zero yaw difference angle YDA is twice the non-zero yaw angle,
An optical rotary encoder according to claim 17.
前記ビーム偏向器構造は透明光学ブロックを有し、前記ビーム偏向器構造の前記偏向素子は前記透明光学ブロックの表面からなり、又は、前記透明光学ブロックの表面に形成され又は取り付けられた素子からなる、
請求項1に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
The beam deflector structure has a transparent optical block, and the deflecting element of the beam deflector structure comprises a surface of the transparent optical block, or comprises an element formed or attached to a surface of the transparent optical block. ,
The optical rotary encoder according to claim 1.
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