JP4323579B2 - 変位情報検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変位情報検出装置に関し、光束を効率的に投光及び受光することのできる光学素子を用いて、例えば変位物体（光学スケール）に光を照射した際に発生する回折を利用して変位物体の回転情報や移動情報等の変位情報の物理量を高精度に求めることのできるロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光源から発散した光束を集光し、所定面上に照射したり、所定面からの光束を集光し、受光素子面上に導光する光学作用する光学素子が多くの光学機器に用いられている。
【０００３】
例えば物体（変位物体）の移動量，回転量等の変位情報を検出する為の変位情報検出装置としてロータリーエンコーダやリニアエンコーダ（以下「エンコーダ」という。）等で多く使用されている。
【０００４】
図４０は特公昭３６−１１７９３号公報で提案されているエンコーダの要部概略図である。同図において光源２０１からの光束は、基板２０２に設けた開口２０２ａを通過した後にレンズ系２０３で略平行光束として放射格子（直線状格子）を設けた変位物体としての光学スケール２０４の第１領域２０４ａに入射している。
【０００５】
光学スケール２０４の第１領域２０４ａの格子で回折した±ｎ次の回折光はレンズ系２０５，コーナーキューブ２０６、そしてレンズ系２０７を介して光学スケール２０４の第２領域２０４ｂに導光され、その面上に干渉パターンを形成する。第２領域２０４ｂを通過した干渉パターンに基づく光束をレンズ系２０８で集光して受光素子２０９で検出している。
【０００６】
このとき光学スケール２０４が矢印２０４ｃの方向に移動すると、光学スケール２０４上に形成される干渉パターンは逆方向に変位するので受光素子２０９では格子分解能（格子ピッチ）の２倍の周期の信号が得られる。
【０００７】
同図に示すエンコーダは受光素子２０９で得られる周期信号を利用して光学スケール２０４の変位情報を得ている。
【０００８】
図４１は特開昭５１−６５９５８号公報で提案されているエンコーダの光学配置図である。同図において光源３０１からの光束は、光学素子３１０，３１１ｂ，３１１ａにより平行光束化され、可動の光学格子３１９のエリア３０４に入射し、光学格子３１９を透過し、回折光が発生する。光学格子３１９からの回折光は光学素子３１３に入射し、光学素子３１３を透過し、鏡面部３２０にて回折分離した０次回折光束、及び±１次回折光束は反射し、再び光学素子３１３を透過し、可動の光学格子３１９のエリア３０６に入射する。
【０００９】
各回折光束は光学格子３１９のエリア３０６にてそれぞれ再度回折し、再び光学素子３１１ａ，３１１ｂ，３１５，３１６を透過し、受光素子３０９ａ，３０９ｂ、３０９ｃの各受光素子へ導かれる。図３７はこのときの光源３０１と受光素子３０９ａ，３０９ｂ，３０９ｃと光学格子３１９との位置関係を示している。そして３つの受光素子３０９ａ，３０９ｂ，３０９ｃからの信号を用いて光学格子３１９の移動情報を得ている。
【００１０】
この例では実質的に結像系としての鏡面部３２０について物体面３０４、及び結像面３０６へ光源からの光束を幾何学的に光束分離し受光素子へ導く方法が開示されている。
【００１１】
図４２は、ＵＳＰ３，２４５，３０７において開示されているエンコーダの要部概略図である。同図は可動格子体４０１の物体面と結像面とを幾何学的に分離せず、光束をハーフミラー４０２等で往路復路を分離し、物体面と結像面を同一の領域を用いた例である。
【００１２】
光源４０３からの光束をハーフミラー４０２を介して光学素子４０４で集光して可動格子体４０１に入射させ、可動格子体４０１からの複数の回折光を凹面ミラー４０５で反射させて可動格子体４０１に戻している。そして可動格子体４０１からの光束をハーフミラー４０２で反射させて受光部４０６で受光している。受光部４０６からの信号を用いて可動格子体４０１の移動情報を得ている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図４０に示すエンコーダでは光源２０１からの光束の光学スケール２０４への入射領域（第１領域２０４ａ）と光学スケール２０４で回折した回折光束を光学部材２０５，２０６，２０７を介して該光学スケール２０４へ再入射させるときの再入射領域（第２領域２０４ｂ）が光学スケール２０４上の変位方向２０４ｃに位置するように設定している。
【００１４】
又、光学スケール２０４への入射光束及び再入射光束がいずれも光学スケール２０４面に対して垂直となるようにしている。この為、光源，複数のレンズ系，そして受光素子等の各要素の配置に大きな空間を必要とし、又光学スケールからの回折光を該光学スケールに再入射させる為に多くの光学部材を必要とし、装置全体が複雑化及び大型化する傾向があった。
【００１５】
この他光学スケールに対して略垂直に入出射する光束（回折光）を用いている為に受光素子の左右に射出する回折光が迷光となりやすく、装置全体の小型化，簡素化を図りつつ、高精度の変位情報を得るのが難しいという問題点があった。
又、光学スケールと複数のレンズ系との間隔が設計値よりずれていると（ギャップ変化があると）受光手段で得られる信号のＳ／Ｎ比が低下してくるという問題点があった。特にこのギャップの設計値からの許容値は格子ピッチが微細化してくるにつれて厳しいものとなってくる。
【００１６】
図４１に示すエンコーダでは光源３０１からの光束の可動光学格子３１９への入射領域（第１領域３０４）と可動光学格子３１９で再回折入射させるときの再入射領域（第２領域３０６）が可動光学格子３１９上の変位方向（Ｘ）に位置するように設定している。
【００１７】
又、可動光学格子３１９への入射光束の０次回折光束及びその再入射光束がいずれも可動光学格子３１９面に対して垂直となるようにしている。この為、光源、複数のレンズ系、そして受光素子等の各要素の配置に大きな空間を必要とし、又、可動光学格子３１９からの回折光を該可動光学格子３１９に再入射させる為に多くの光学部材を必要とし、装置全体が複雑化及び大型化する傾向があった。
【００１８】
更に、第１領域３０４と第２領域３０６とが可動光学格子３１９の変位方向に位置し、受光素子３０９ａ，３０９ｂ，３０９ｃの配置と同方向に並んでおり、各受光素子に不釣り合い（非対称）に各光学素子からの迷光が入射したり、受光素子の左右に射出する回折光が迷光となりやすく、装置全体の小型化、簡素化を図りつつ、高精度の変位情報を得るのが難しいという問題点があった。
【００１９】
又、可動光学格子と複数のレンズ系との間隔が設計値よりずれていると（ギャップ変化があると）受光手段で得られる信号のＳ／Ｎ比が低下してくるという問題点があった。特に、このギャップの設計値からの許容値は格子ピッチが微細化してくるにつれて厳しいものとなってくる。
【００２０】
図４２のエンコーダでは可動格子の裏面反射光が受光部に入射し、ノイズ光成分となり良好な信号が得られないという欠点があった。
【００２３】
本発明の目的は、光源からの光束を変位物体に固定した光学スケールに入射させるときの光学スケールへの入射及び光学スケールからの回折光を該光学スケールへの再入射させるときの再入射条件等を適切に設定することによって各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の許容誤差を緩和しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出することができるロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等に好適な変位情報検出装置の提供にある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の変位情報検出装置は、一定の周期で配設された格子部が基板に設けられており、前記格子部が配設された方向であって前記格子部が配設された面に垂直な軸を中心に回転可能な光学スケールと、
前記光学スケールに光束を照射する光照射手段と、
前記格子部の第１領域を透過し回折した前記光束を反射する反射素子と、
前記反射素子で反射し、前記格子部の第２領域に結像した前記光束を受光する受光手段と、
前記光学スケールと前記光照射手段及び前記受光手段との間に配置され、前記光照射手段から照射された前記光束を集光し、かつ前記反射素子で反射し、前記格子部の第２領域に結像した前記光束を集光する光学素子とを有し、前記光学スケールの回転方向の変位を検出する変位情報検出装置において、
前記光学素子は、
前記光照射手段から照射された前記光束を平行光束にする第１の曲面と、
前記第１の曲面に対向し、前記平行光束を集束光束にする第２の曲面と、
前記反射素子で反射し、前記格子部の前記第２領域に結像した光束を平行光束にする、前記第２の曲面とは異なる第３の曲面と、
前記第３の曲面に対向し、前記第３の曲面を透過した前記平行光束を集束光束にする、前記第１の曲面とは異なる第４の曲面と、を有し、
前記光照射手段を構成する光源の発光中心は前記第１、第２及び第３の曲面の回転対称軸にあり、前記受光手段の受光中心は前記光学スケールの回転中心に対して前記第１、第２及び第３の曲面の回転対称軸よりも遠い前記第４の曲面の回転対称軸にあり、該２つの回転対称軸は略平行であり、
前記格子部は、前記反射素子側の面に平坦部とＶ溝部が交互に周期的に形成された構造からなる格子部であり、前記受光手段は、前記格子部によって波面分割された複数の光束をそれぞれ受光する複数の受光素子を含み、
前記反射素子は、前記格子部の前記第１領域で回折した０次光と±ｎ次回折光を反射させる凹面ミラーであり、前記第１領域からの０次光と±ｎ次回折光は前記凹面ミラーの光軸から偏心した位置に集光し、前記格子部の第１領域の像を第２領域に拡大結像することを特徴としている。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図、図３は本発明の実施形態１の一部分の要部断面図、図４は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図、図５は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの説明図、図６は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図、図７は本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像した像の説明図、図８は本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図９は本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図１０は本発明の実施形態１の一部分の要部断面図、図１１は本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図、図１２は本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図である。
【００４０】
図中１は光源であり、例えばＬＥＤや半導体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レンズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光して、後述する光学スケール３に導光している。レンズ系２は後述するように透明部材に４つの曲面２Ａ〜２Ｄを設けた部材より成っている。
【００４１】
光源１とレンズ系２等は光照射手段ＬＲの一要素を構成している。３は位相差検出機能と振幅型の回折格子機能とを有する変位可能な光学スケールであり、図５，図６に示すように円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射状格子（スリット数２５００又は５０００のＶ溝格子）の構造より成る格子部３ｄを反射素子側に周期的に設けて構成している。光学スケール３の基板３ｃは透孔性の光学材料、例えばポリカーボアクリルなどのプラスチックより成り、回転体（不図示）の一部に取り付けており、回転体と一体的に回転軸３ｅを中心に矢印６方向に回転している。
【００４２】
図６（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格子部３ｄの詳細図であり、Ｖ溝部を構成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの平面部３０ａが所定のピッチＰで交互に配列されて格子部３ｄを形成している。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐ、又Ｖ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は各々（１／４）Ｐの幅を有し、各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２はＶ溝の底部と平坦部３０ａの垂線とを結ぶ直線に対し各々臨界角以上、本実施形態ではθ＝４５°で傾いている。
【００４３】
本実施形態では光学スケール３からの回折光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利用している。ここで、この格子部３ｄのＶ溝は光学スケール３に対して放射状に構成されている為、光学スケール３の内周側と外周側ではピッチが異なっている。ここでピッチとは周方向の平坦部３０ａの幅と２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の幅との合計した値をいう。
【００４４】
本実施形態では光学スケール３の材質をポリカーボアクリルなどのプラスチックとし、射出成形もしくは圧縮成形等の製法によって作成している。４は凹面ミラーであり、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非球面ミラー等の反射素子から成っている。凹面ミラー４は格子部３ｄのフーリエ変換面に一致している。
【００４５】
本実施形態では図３，図４に示すようにレンズ系２で集光され、光学スケール３の第１領域３ａに入射した光束１０１が光学スケール３の格子部で回折し、このときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））が凹面ミラー４の面４ｂ又はその近傍（凹面ミラー４の瞳位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定している。
【００４６】
凹面ミラー４の光軸４ａと入射光束１０１の中心光線（主光線）１０１ａは図４に示すように偏心量Δだけ偏心している。凹面ミラー４は光学スケール３で回折し、集光してきた集束光束（３つの回折光束Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））を反射させ、光学スケール３面上の第２領域３ｂに図７に示すような３つの回折光に基づく干渉パターン像（像）を再結像させている。このとき光学スケール３が回転方向６に移動すると再結像した像は回転方向６とは反対の方向に移動する。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケール３の移動量の２倍の値で相対変位する。
【００４７】
図３３は本実施形態における光学スケール３面上に光束が入射する第１領域３ａと第２領域３ｂを示している。
【００４８】
本実施形態ではこれにより光学スケール３に構成されている格子部の２倍の分解能の回転情報を得ている。
【００４９】
５は受光手段であり、光学スケール３の格子部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した図７に示すような干渉パターンと格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂで幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５ｂ，５ｃを有している。この受光手段５からの信号をパルスカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処理回路１０３によって処理し、これより回転情報を得ている。尚、光源１，レンズ系２，そして受光手段５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。
【００５０】
次に本実施形態における光学スケール（回転体）３の回転情報の検出方法について説明する。光照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系２により凹面ミラー面上４の反射面４ｂ又はその近傍に集光するようにしている。この集束光を図３，図４に示すように光学スケール３の格子部３ｄ上の第１領域３ａに入射させる。第１領域３ａに入射した集束光のうち図６に示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は該平面部３０ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に到達した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に設定されている為、図６に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜面３０ｂ−２においても全反射する。
【００５１】
このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３０ｂ−１へ到達した光線は、凹面ミラーに進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線のみが光学スケール３を進むことになる。
【００５２】
即ち、第１領域３ａにおいてＶ溝型の格子部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、主光線１０１ａに対して偏芯している凹面ミラー４によって反射し、光学スケール３の第２領域３ｂ部で再結像し、光学スケール３面上に像（放射状の溝の像）を再結像する。
【００５３】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学スケール３面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径方向に異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール３は放射状の格子部３ｄを有するため、第１領域３ａと第２領域３ｂの格子ピッチが異なる。さらに、第２領域３ｂの照射領域においても光学スケール３の内周側と外周側のピッチが異なっている。
【００５４】
そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学スケール３の放射状の格子部３ｄのピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束の主光線１０１ａに対して偏心配置するとともに入射光軸に対するずれ量Δも最適な値にしている。
【００５５】
これによって第１領域３ａの格子部の像が凹面ミラー４によって第２領域３ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【００５６】
第２領域３ｂにおいて平面部３０ａに入射した光束は、図６（Ｂ）に示すように直線透過し、受光手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【００５７】
このように第２領域３ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子として機能する。
【００５８】
即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【００５９】
図３５は本実施形態において光学スケール３の放射状格子に対する光源１と受光部５の３つの受光素子５ａ，５ｂ，５ｃとの位置関係を示している。
【００６０】
ここで光学スケール３が回転すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転したとすると、図６（Ｃ）に示すような光学スケール３の回転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケール３の回転量、縦軸は受光光量である。
【００６１】
信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール３の回転角度や回転量あるいは回転速度や回転加速度等の回転情報を得ている。
【００６２】
尚、図６（Ｃ）は第２領域３ｂに形成される像のコントラストが非常に高く理想に近い場合の理論的な光量変化の様子を示している。
【００６３】
図８，図９は本実施形態において光学スケール３上の格子部として１周当り２５００パルス（２５００Ｐ／Ｒ）と５０００パルス（５０００Ｐ／Ｒ）のとき、光学スケール３の第１領域３ａに入射する光束１０１の主光線１０１ａが凹面ミラー４で反射して第２領域３ｂに入射するときの凹面ミラー４の光軸４ａに対してΔだけ偏心したとき（偏心量Δのとき）の第２領域３ｂでの入射主光線からの距離に対する格子部のスケールピッチを示している。
【００６４】
又偏心量Δのときに凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部が第２領域３ｂに形成されるときの格子部の像の入射主光線からの距離に対する重ね合わせピッチを示している。
【００６５】
図８，図９に示すように偏心量ΔがΔ：０．６２（ｎｍ）のとき第２領域３ｂの入射主光線からの距離が１．８ｍｍ近傍でスケールピッチと重ね合わせピッチが略一致している。
【００６６】
本実施形態では入射主光線１０１ａからの距離が１．８ｍｍ近傍の領域を利用している。
【００６７】
本実施形態ではレンズ系２によって光源１と凹面ミラー４の反射面４ｂとが略共役関係となるようにし、光学スケール３からの±ｎ次回折光が凹面ミラー４の反射面４ｂ上又はその近傍に集光するようにしている。又光学スケール３の一部が凹面ミラー４の曲率中心に合致するようにしている。
【００６８】
これによって光学スケール３と凹面ミラー４との間隔（ギャップ）が多少設定値から変位しても受光手段５で得られる変位情報の誤差を少なくしている。即ち、ギャップ特性の許容値を緩和させている。
【００６９】
図１０（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３と凹面ミラー４とのギャップに誤差があったときの入射光と反射光の説明図である。
【００７０】
図１０（Ａ）のように光学スケール３が凹面ミラー４の曲率半径の位置、即ちベストギャップの位置にある場合は、Ｖ溝によって回折した回折光が凹面ミラー４で反射して光学スケール面３の面上に集光するため、干渉縞のコントスラトが最大値を示す。
【００７１】
しかし、図１０（Ｂ）のように光学スケール３がベストギャップの位置からずれた場合には、光学スケール３の面上で回折光が凹面ミラー４で反射した後に光学スケール３上に集光しないため干渉パターンのコントラストが低下する。
【００７２】
このような干渉パターンのコントラストの低下は、受光手段で検出される出力信号の低下と連動しているため、光学スケールがベストギャップからずれることにより、どの程度コントラストが低下するかは重要な値となる。
【００７３】
そこで本実施形態では光学スケール３の一点近傍に凹面ミラー４の曲率中心が位置するようにし、又光源１と凹面ミラー４とがレンズ系２によって略共役関係となるようにして光学スケール３がベストギャップからずれた場合のコントラストの低下を少なくし、Ｓ／Ｎ比の良い信号を得ている。
【００７４】
本実施形態では以上のように光学スケールに入射し、凹面ミラーで反射して光学スケールに再入射するときの主光線の入射位置が半径方向に異なるように設定することによって、光源，光学スケール，受光手段等の配置の自由度を増し、装置全体の小型化を図りつつ、回転物体（光学スケール）の回転情報を高精度に検出している。
【００７５】
又、光源と凹面ミラーとがレンズ系によって略共役関係となるようにし、更に光学スケールの一部が凹面ミラーの略曲率半径の位置となるように設定することによって光学スケールと凹面ミラーとの間隔（ギャップ）の設計値からの許容値の緩和を図っている。
【００７６】
図１１，図１２は各々本実施形態において光源から射出し、レンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の第１領域３ａに入射した後に回折し、凹面ミラー４面上に結像し，凹面ミラー４で反射して光学スケール３の第２領域３ｂを通過する光束１０２の他の実施形態の光路を示す説明図である。
【００７７】
図１１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに近い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して回転軸３ｅの遠い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
【００７８】
即ち凹面ミラー４により第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに拡大結像する場合を示している。このうち、図１１（Ａ）では光束１０１が第１領域３ａに垂直に入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに斜入射する場合、図１１（Ｂ），（Ｃ）では光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。
【００７９】
図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに遠い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して、回転軸３ｅの近い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
【００８０】
即ち凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに縮小結像する場合を示している。このうち、図１２（Ａ）は光束１０１が第１領域３ａに斜入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに垂直に入射する場合、図１２（Ｂ），（Ｃ）は光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。図１１，図１２の各構成においても前述の実施形態１と同様の効果を得ている。
【００８１】
図３６は光学スケール３の放射状格子に対する光源１と受光部５の３つの受光素子５ａ，５ｂ，５ｃとの位置関係を示している。これは図１２の各要素の光学配置に対応している。
【００８２】
図２２は図１に示した変位情報検出装置（ロータリーエンコーダ）の光学配置のレンズ系２として用いた複眼光学素子を説明するための図であり、複眼光学素子（以下単に「光学素子」とも言う）２を含むＹＺ断面図を示している。図２３（Ａ），（Ｂ）は図２２の主要部分の拡大図である。
【００８３】
尚、以下の実施形態では光束集束性を有する面を曲面としているが、これは同様の光束集束性を持つフレネルレンズ，フレネルゾーンプレート，バイナリーオプティクス素子等でもよい。
【００８４】
図２２において、光源１から発した発散光束は発光素子１ａの発光中心と曲面２Ａの曲率中心とを結んだ線（第１の軸、以下法線Ｌｎという）を回転対称軸とする（曲面が非球面等の場合は第１の軸はそれの回転対称軸であり、この場合この軸上に発光中心がある）第１曲面２Ａにより理想的な平行光束に変換され光学素子２部材内を進行し、第１曲面２Ａに対向した光学素子２の第２曲面２Ｂへ到達し、集束波面変換され光学スケール３の第１領域３ａへ入射し、複数の光束（ここでは３つの光束）に回折し、偏向されて凹面ミラー４面上もしくはその近傍で集光する。その後凹面ミラー４にて反射した光束は発散光束にて再び光学スケール３の第２領域３ｂに入射し、光学素子２の第３曲面２Ｃへ到達する。ここで発散光束は第３曲面２Ｃにより略平行光束となって光学素子２部材内を進行し、受光素子５ｃの受光部の中心位置と第４曲面２Ｄの曲率中心とを結んだ線（第２の軸、以下法線Ｐｎという）を、回転対称軸とする（曲面が非球面等の場合は第２の軸はそれの回転対称軸であり、この場合この軸上に発光中心がある）第４曲面２Ｄへ入射し、この曲面にて集束光束へ変換されて３つの光束のうち１つの光束は受光素子５ｃへ入射する。
【００８５】
一方、凹面ミラー４で反射後、光学スケール３のＶ溝格子の偏向作用により３方向に偏向される光束のうち、２つの光束は第３曲面２Ｃ及び第４曲面２Ｄによりそれぞれ集光されて各受光素子５ａ，５ｂへ入射する。
【００８６】
このとき、光学素子２の第２曲面２Ｂと第３曲面２Ｃは図２３（Ｂ）に示すように同一回転対称軸を有した異なる回転対称曲面で形成している。第２曲面２Ｂ、第３曲面２Ｃが共有する回転対称面の回転対称軸Ｍｎは法線Ｌｎ，Ｐｎと同一平面内に存在し、法線Ｌｎと回転対称面Ｍｎは一致して配置される。また、このとき凹面ミラー４の曲率中心は法線Ｌｎ及び法線Ｐｎを含む平面内に配置されている。
【００８７】
これらの条件を満たす第１〜第４曲面２Ａ〜２Ｄを一体的に形成した光学素子２により、ロータリー型エンコーダの光学配置として、最適な状態に構成することが可能となり小型で部品点数の最も少ない変位情報検出装置を達成している。
【００８８】
尚、図３１は本実施形態において光学素子２の各曲面２Ａ〜２Ｄの曲率を適切に設定して光源１と受光部５が同一平面上に位置するようにしたときの模式図である。
【００８９】
図１３は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光源１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
【００９０】
・光学スケール３の第１領域３ａからの０次光と±ｎ次回折光を凹面ミラー４によってその焦点位置４ｃに集光した後に発散光として光学スケール３の第２領域３ｂに入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００９１】
即ち本実施形態では図１３に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系で平行光束として放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４で反射させ焦点位置４ｃに集光させた後に発散光として光学スケールの第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、該光学スケール３の変位情報を検出している。
【００９２】
このとき第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は該光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００９３】
図１４は本発明の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光源１からの光束をレンズ系２によって集光させて光学スケール３の第１領域３ａに入射させるとき凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光するようにしていること。
【００９４】
・光学スケール３の第１領域３ａからの回折光が焦点位置４ｃで集光した後に、発散光となって凹面ミラー４で反射した後に平行光束となって光学スケール３の第２領域３ｂに入射して、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００９５】
即ち本実施形態では図１４に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で集光して放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光した後に発散光束として凹面ミラー４で反射させて平行光束とした後に光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、該第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００９６】
このとき、第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００９７】
図１５は本発明の実施形態４の要部概略図、図１６は図１５の一部分の拡大斜視図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光源１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
・第１領域３ａの格子部で回折された０次光と±ｎ次回折光の平行光を各々平面ミラー４１，４２，４３で反射させて、光学スケール３の第２領域３に入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００９８】
即ち本実施形態では図１５，図１６に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で平行光束１０１として直線状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を基板上に設けた移動可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した０次光Ｌ（０）と±ｎ次（ｎ＝１）回折光Ｌ（＋），Ｌ（−１）の平行光を平面ミラー４１，４２，４３で各々反射させて光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００９９】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置している。
【０１００】
尚、本実施形態において光学スケール３の第１領域を透過した回折光は、３光束以上であっても良い。
【０１０１】
以上説明した各実施形態１〜４では、変位情報検出装置としてロータリーエンコーダを対象とし、光学スケール３として放射状の格子を用いた場合について説明した。
【０１０２】
次に、変位情報検出装置としてリニアエンコーダを用いた場合について説明する。
【０１０３】
図１７は本発明の変位情報検出装置の実施形態５の主要部分の概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１のロータリーエンコーダで用いた放射状格子よりなる光学スケール３の代わりに移動方向５０６に等間隔でＶ溝を配置したリニア型の光学スケール５０３を用いている。そして、それに伴って、・光学スケール５０３の第１領域５０３ａと第２領域５０３ｂは該光学スケール５０３の移動方向５０６に対して直交する方向の異なった領域（一部重なっても良い）に位置していること。
・光学スケール５０３の第１領域５０３ａの格子部からの０次回折光、±ｎ次回折光は該凹面ミラー５０４の面またはその近傍に集光しており、該凹面ミラー５０４は該光学スケール５０３の第１領域５０３ａを第２領域５０３ｂに同心系で等倍に結像していること。
の点が大きく異なっており、その他の基本構成は実施形態１とほぼ同じである。
【０１０４】
本実施形態は光束の配光を必要とする光学素子として、４つの曲面より成る複眼光学素子５０２を用いている。即ち、本実施形態では、
・光学スケール５０３への光源１からの光束の光照射手段としてのレンズ系
・Ｖ溝格子等の波面分割素子により分離偏向された光束を複数の受光素子５ａ，５ｂ，５ｃへ各々導くためのレンズ系を一体的に形成し、製造される複眼光学素子（光学素子）５０２を用いている。
【０１０５】
次に、その複眼光学素子５０２を用いたリニア型の変位情報検出装置（リニアエンコーダ）について説明する。まず、以下説明に当たりここで座標系を設定する。
【０１０６】
図１７において、
・光学スケール５０３の移動方向５０６をＸ軸
・光学スケール５０３の面の法線方向をＺ軸
・その他の軸をＹ軸
と定義する。
【０１０７】
図１８は図１７で示した変位情報検出装置（リニアエンコーダ）の光学配置において本発明に係る複眼光学素子５０２を説明するための図であり、複眼光学素子５０２を含むＹＺ断面図を示している。図１９（Ａ），（Ｂ）は図１８の主要部分のＹＺ断面とＸＹ断面の拡大図であり、同じく図２０，図２１はそれぞれＸＺ断面を光源１を含む断面と受光部５を含む断面を表している。
【０１０８】
次に、図１７〜図２１を用いて光学素子５０２の面構成、及び光源１から発した光束が受光部５へ到達するまでの光線の経路について説明する。
【０１０９】
ＬＥＤや半導体レーザ等の光源１から発した発散光束は、発光素子１ａの発光中心に立てた法線Ｌｎ（図１９，図２０参照）を回転対称軸とする（非球面等の場合は前述同様）光学素子５０２の第１曲面５０２Ａにより理想的な平行光束に変換され光学素子５０２の部材内を進行し、光学素子５０２の第２曲面５０２Ｂへ到達し、集束波面変換され光学スケール５０３の第１領域５０３ａへ入射する。第１領域５０３ａで回折された複数の光（ここでは３つ）は凹面ミラー５０４面上もしくはその近傍で集光する。その後、凹面ミラー５０４にて反射した光束（３つの回折光）は発散光束にて再び光学スケール５０３の第２領域５０３ｂに入射し、光学素子５０２の第３曲面５０２Ｃへ到達する。
【０１１０】
図３２は本実施形態５のリニア型のエンコーダにおける光学スケール５０３の光照射領域５０３ａ，５０３ｂを示している。５０６は光学スケール５０３の移動方向である。このとき、３つの光束のうち１つの発散光束は第３曲面５０２Ｃにより集光され略平行光束となって光学素子５０２の部材内を進行し、受光素子５ｃの受光部中心位置に立てた法線Ｐｎ（図１９，図２０参照）を回転対称軸とする（非球面等の場合は前述同様）第４曲面５０２Ｄへ入射し、この第４曲面５０２Ｄにて集束光束へ変換され受光部５ｃへ入射する。
【０１１１】
一方、凹面ミラー５０４で反射後、光学スケール５０３のＶ溝格子の偏向作用により３方向に偏向される光束のうち、２つの光束は図２１に示すように第３曲面５０２Ｃ及び第４曲面５０２Ｄにより夫々集光されて各受光素子５ａ，５ｂへ入射する。図３４は実施形態の光学スケール５０３の直線平行格子条と光源１、受光部５ａ，５ｂ，５ｃの位置関係を表した説明図である。
【０１１２】
本実施形態では図１９（Ｂ）に示すように光学素子５０２の第２曲面５０２Ｂと第３曲面５０２Ｃは同一の回転対称曲面であり、その異なる一部分を用いて形成される。第２曲面５０２Ｂ、第３曲面５０２Ｃが共有する回転対称面の回転対称軸Ｍｎ（図１９参照）は、法線Ｌｎ，Ｐｎと同一平面内に存在し、法線Ｌｎ，Ｐｎから等距離に配置されている。また、このとき、凹面ミラー５０４の曲率中心は回転対称軸Ｍｎ上に配置されている。
【０１１３】
本実施形態では、これらの条件を満たす第１〜第４曲面５０２Ａ〜５０２Ｄを一体的に形成した光学素子５０２により、リニア型のエンコーダの光学配置として、最適な構成とすることが可能となり、特に、小型で部品点数の少ない変位情報検出装置を達成している。
【０１１４】
次に本実施形態における光学スケール（移動体）５０３の移動情報の検出方法について説明する。光照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系（光学素子）２により凹面ミラー面上５０４の反射面又はその近傍に集光するようにしている。この集束光を光学スケール５０３の格子部上の第１領域５０３ａに入射させる。第１領域５０３ａに入射した集束光のうち図６に示す格子部の平面部に到達した光線は該平面部を通過して凹面ミラー５０４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面に到達した光線は、傾斜面の傾斜角が臨界角以上に設定されている為、図に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面に向けられ、他方の傾斜面においても全反射する。
【０１１５】
これによって最終的に格子部の傾斜面へ到達した光線は、凹面ミラーに進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域５０３ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面の範囲に到達する光束は、凹面ミラーに進入することなく反射され、平面部に到達した光線のみが光学スケール５０３を進み、凹面ミラー５０４に進むことになる。
【０１１６】
即ち、第１領域５０３ａにおいてＶ溝型の格子部は透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域５０３ａの格子部で光束は回折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、軸Ｍｎに対して対称に反射し、光学スケール５０３の第２領域５０３ｂ部で再結像し、光学スケール５０３面上に等倍の像を再結像させる。
【０１１７】
ここで第１領域５０３ａと第２領域５０３ｂは光学スケール５０３面の移動方向と直交する直線状格子の格子部に対して異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール５０３は直線状の格子部を有するため、第１領域５０３ａと第２領域５０３ｂの格子ピッチは同じである。
【０１１８】
本実施形態では、光学スケール５０３上の第２領域５０３ｂに第１領域５０３ａの格子部を等倍投影し、光学スケール５０３の格子部のピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー５０４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束の主光線と再入射光束の主光線が軸Ｍｎに対して対称となるようにしている。
【０１１９】
これによって第１領域５０３ａの格子部の像が凹面ミラー５０４によって第２領域５０３ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【０１２０】
第２領域５０３ｂにおいて平面部に入射した光束は、図６（Ｂ）に示すように直線透過し、受光手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【０１２１】
このように第２領域５０３ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面及びＶ溝の間の平面部の合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域５０３ｂにおいてＶ溝の格子部は光波波面分割素子として機能する。
【０１２２】
即ち第２領域５０３ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【０１２３】
ここで光学スケール５０３が移動すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部の位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール５０３が移動方向５０６方向に移動したとすると、図６（Ｃ）に示すような光学スケール５０３の移動に伴う光量変化が得られる。
【０１２４】
図６に示す信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケール５０３が逆方向に移動した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール５０３の移動速度や移動方向等の移動情報を得ている。
【０１２５】
次に、本実施形態５の光学素子の光学作用を別の図により説明する。
【０１２６】
図２４，図２５は図１７のリニア型のエンコーダの光学配置を展開した等価光学系を示す概略図であり、特に、光学スケール５０３として位相差検出機能を持たない一般的な振幅型回折格子を用いた場合のＸＺ断面とＹＺ断面について示している。変位情報検出原理は同じである。ここで、光学スケールとして位相型格子でも適用可能である。
【０１２７】
又、図２６、図２７は光学スケール５０３としてＶ溝型の光学スケールを用いた場合のＸＺ断面とＹＺ断面を示している。変位情報検出原理は実施形態５と同じである。
【０１２８】
図２８は図２６の凹面ミラー５０４で反射される光路を示す為に一点鎖線Ｍにて光学系を折り返すことで得られるＸＺ断面の等価光学系を示し、図２９は同様に図２７の凹面ミラー５０４で折り返した側面図（ＹＺ断面）である。
【０１２９】
図３０は、光源１と受光部５が同一平面にない図２９の状態から曲面５０２Ｄを最適化し、光源１と受光部５が同一平面に位置するようにしたものであり、図２９と同等の配置となっている。
【０１３０】
尚、本発明の複眼光学素子は変位情報の検出装置への適応のみならず、各種センサー用の投光、及び受光用の光学素子として幅広く応用可能である。
【０１３１】
図３８及び図３９は、図１８及び図１で示した光学素子５０２及び２を被検物体６００の反射率測定用の光学素子として利用した場合の概略図である。同図において、測定対象６００（７００）に光源１からの光束を曲面５０２Ａ，５０２Ｂ（２Ａ，２Ｂ）を介して照射し、測定対象６００（７００）からの反射光を曲面５０２Ｃ，５０２Ｄ（２Ｃ，２Ｄ）を介して受光部５で受光している。これによって測定対象６００（７００）の表面反射率を測定している。
【０１３２】
この他、光学素子は図３８，図３９と略同様の配置により、チルトセンサーとしても利用可能である。その他、カラートナーセンサー（感光体ドラム上のトナー濃度測定）、ドップラー速度センサー用の光学素子としても利用可能である。
【０１３３】
【発明の効果】
【０１３５】
本発明によれば以上のように、光源からの光束を変位物体に固定した光学スケールに入射させるときの光学スケールへの入射及び光学スケールからの回折光を該光学スケールへの再入射させるときの再入射条件等を適切に設定することによって各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の誤差を防止しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出することができるロータリーエンコーダやリニアエンコーダー等に好適な変位情報検出装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図
【図２】 本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図
【図３】 本発明の実施形態１の一部分の要部断面図
【図４】 本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図
【図５】 本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの説明図
【図６】 本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図
【図７】 本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像した像の説明図
【図８】 本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図９】 本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図１０】 本発明の実施形態１の一部分の要部断面図
【図１１】 本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１２】 本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１３】 本発明の実施形態２の一部分の要部断面図
【図１４】 本発明の実施形態３の一部分の要部断面図
【図１５】 本発明の実施形態４の一部分の要部断面図
【図１６】 図１５の一部分の拡大斜視図
【図１７】 本発明の実施形態５の要部斜視図
【図１８】 本発明の実施形態５の要部断面図
【図１９】 本発明の実施形態５の要部断面図 詳細図（ＹＺ断面）
【図２０】 本発明の実施形態５の要部断面図 詳細図（ＸＺ断面）光源部含む断面図
【図２１】 本発明の実施形態５の要部断面図 詳細図（ＸＺ断面）受光部含む断面図
【図２２】 本発明の実施形態１の要部断面図
【図２３】 本発明の実施形態１の要部断面図 詳細図（ＹＺ断面）
【図２４】 図１７の等価光学系（一般振幅型光学スケールの場合）
【図２５】 図１７の等価光学系 図２４の側面図
【図２６】 図１７の等価光学系（Ｖ溝型光学スケールの場合）
【図２７】 図１７の等価光学系 図２６の側面図
【図２８】 図２６の折り返し面 Ｍでの折り返し後 等価光学系
【図２９】 図２７の等価光学系 図２８の側面図
【図３０】 光源１と受光部５が同一平面にない図１の状態から曲面５０２Ｄを最適化し同一平面に並べたもの
【図３１】 光源１と受光部５が同一平面にない図１の状態から曲面５０２Ｄを最適化し同一平面に並べたもの
【図３２】 図１７のリニア型エンコーダにおける光照射領域５０３ａ，５０３ｂ
【図３３】 図１のロータリー型エンコーダにおける光照射領域３ａ，３ｂ
【図３４】 図１７の光学スケール５０３の直線平行格子条と光源１、受光部５ａ，５ｂ，５ｃの位置関係を表した図
【図３５】 図１の光学スケール２の放射状格子条と光源１、受光部５ａ，５ｂ，５ｃの位置関係を表した図
【図３６】 図１２の光学スケール２の放射状格子条と光源１、受光部５ａ，５ｂ，５ｃの位置関係を表した別の図
【図３７】 図４１の従来例における光源１、受光部の位置関係を示した図
【図３８】 本発明の光学素子としての応用例の図
【図３９】 本発明の光学素子としての応用例の図
【図４０】 従来のエンコーダの要部概略図
【図４１】 従来のエンコーダの要部概略図
【図４２】 従来のエンコーダの要部概略図
【符号の説明】
１，３０１ 光源
２，３１０，３１１ｂ，３１１ａ，３１３，３１５，３１６レンズ系
２Ａ 第１曲面
２Ｂ 第２曲面
２Ｃ 第３曲面
２Ｄ 第４曲面
５０２Ａ 第１曲面
５０２Ｂ 第２曲面
５０２Ｃ 第３曲面
５０２Ｄ 第４曲面
３，５０３，３１９光学スケール
３ａ，５０３ａ，３０４第１領域
３ｂ，５０３ｂ，３０６第２領域
３ｃ，３１ｃ基板
３ｄ，２１ｄ格子部
３ｅ 回転軸
４，５０４，３２０凹面ミラー
４ａ 光軸
５ 受光手段
６ 回転方向
５０６ 移動方向
１０１，１０２入射光束
１０１ａ，１０２ａ主光線
１０３ 信号処理回路
【発明の属する技術分野】
本発明は変位情報検出装置に関し、光束を効率的に投光及び受光することのできる光学素子を用いて、例えば変位物体（光学スケール）に光を照射した際に発生する回折を利用して変位物体の回転情報や移動情報等の変位情報の物理量を高精度に求めることのできるロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光源から発散した光束を集光し、所定面上に照射したり、所定面からの光束を集光し、受光素子面上に導光する光学作用する光学素子が多くの光学機器に用いられている。
【０００３】
例えば物体（変位物体）の移動量，回転量等の変位情報を検出する為の変位情報検出装置としてロータリーエンコーダやリニアエンコーダ（以下「エンコーダ」という。）等で多く使用されている。
【０００４】
図４０は特公昭３６−１１７９３号公報で提案されているエンコーダの要部概略図である。同図において光源２０１からの光束は、基板２０２に設けた開口２０２ａを通過した後にレンズ系２０３で略平行光束として放射格子（直線状格子）を設けた変位物体としての光学スケール２０４の第１領域２０４ａに入射している。
【０００５】
光学スケール２０４の第１領域２０４ａの格子で回折した±ｎ次の回折光はレンズ系２０５，コーナーキューブ２０６、そしてレンズ系２０７を介して光学スケール２０４の第２領域２０４ｂに導光され、その面上に干渉パターンを形成する。第２領域２０４ｂを通過した干渉パターンに基づく光束をレンズ系２０８で集光して受光素子２０９で検出している。
【０００６】
このとき光学スケール２０４が矢印２０４ｃの方向に移動すると、光学スケール２０４上に形成される干渉パターンは逆方向に変位するので受光素子２０９では格子分解能（格子ピッチ）の２倍の周期の信号が得られる。
【０００７】
同図に示すエンコーダは受光素子２０９で得られる周期信号を利用して光学スケール２０４の変位情報を得ている。
【０００８】
図４１は特開昭５１−６５９５８号公報で提案されているエンコーダの光学配置図である。同図において光源３０１からの光束は、光学素子３１０，３１１ｂ，３１１ａにより平行光束化され、可動の光学格子３１９のエリア３０４に入射し、光学格子３１９を透過し、回折光が発生する。光学格子３１９からの回折光は光学素子３１３に入射し、光学素子３１３を透過し、鏡面部３２０にて回折分離した０次回折光束、及び±１次回折光束は反射し、再び光学素子３１３を透過し、可動の光学格子３１９のエリア３０６に入射する。
【０００９】
各回折光束は光学格子３１９のエリア３０６にてそれぞれ再度回折し、再び光学素子３１１ａ，３１１ｂ，３１５，３１６を透過し、受光素子３０９ａ，３０９ｂ、３０９ｃの各受光素子へ導かれる。図３７はこのときの光源３０１と受光素子３０９ａ，３０９ｂ，３０９ｃと光学格子３１９との位置関係を示している。そして３つの受光素子３０９ａ，３０９ｂ，３０９ｃからの信号を用いて光学格子３１９の移動情報を得ている。
【００１０】
この例では実質的に結像系としての鏡面部３２０について物体面３０４、及び結像面３０６へ光源からの光束を幾何学的に光束分離し受光素子へ導く方法が開示されている。
【００１１】
図４２は、ＵＳＰ３，２４５，３０７において開示されているエンコーダの要部概略図である。同図は可動格子体４０１の物体面と結像面とを幾何学的に分離せず、光束をハーフミラー４０２等で往路復路を分離し、物体面と結像面を同一の領域を用いた例である。
【００１２】
光源４０３からの光束をハーフミラー４０２を介して光学素子４０４で集光して可動格子体４０１に入射させ、可動格子体４０１からの複数の回折光を凹面ミラー４０５で反射させて可動格子体４０１に戻している。そして可動格子体４０１からの光束をハーフミラー４０２で反射させて受光部４０６で受光している。受光部４０６からの信号を用いて可動格子体４０１の移動情報を得ている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図４０に示すエンコーダでは光源２０１からの光束の光学スケール２０４への入射領域（第１領域２０４ａ）と光学スケール２０４で回折した回折光束を光学部材２０５，２０６，２０７を介して該光学スケール２０４へ再入射させるときの再入射領域（第２領域２０４ｂ）が光学スケール２０４上の変位方向２０４ｃに位置するように設定している。
【００１４】
又、光学スケール２０４への入射光束及び再入射光束がいずれも光学スケール２０４面に対して垂直となるようにしている。この為、光源，複数のレンズ系，そして受光素子等の各要素の配置に大きな空間を必要とし、又光学スケールからの回折光を該光学スケールに再入射させる為に多くの光学部材を必要とし、装置全体が複雑化及び大型化する傾向があった。
【００１５】
この他光学スケールに対して略垂直に入出射する光束（回折光）を用いている為に受光素子の左右に射出する回折光が迷光となりやすく、装置全体の小型化，簡素化を図りつつ、高精度の変位情報を得るのが難しいという問題点があった。
又、光学スケールと複数のレンズ系との間隔が設計値よりずれていると（ギャップ変化があると）受光手段で得られる信号のＳ／Ｎ比が低下してくるという問題点があった。特にこのギャップの設計値からの許容値は格子ピッチが微細化してくるにつれて厳しいものとなってくる。
【００１６】
図４１に示すエンコーダでは光源３０１からの光束の可動光学格子３１９への入射領域（第１領域３０４）と可動光学格子３１９で再回折入射させるときの再入射領域（第２領域３０６）が可動光学格子３１９上の変位方向（Ｘ）に位置するように設定している。
【００１７】
又、可動光学格子３１９への入射光束の０次回折光束及びその再入射光束がいずれも可動光学格子３１９面に対して垂直となるようにしている。この為、光源、複数のレンズ系、そして受光素子等の各要素の配置に大きな空間を必要とし、又、可動光学格子３１９からの回折光を該可動光学格子３１９に再入射させる為に多くの光学部材を必要とし、装置全体が複雑化及び大型化する傾向があった。
【００１８】
更に、第１領域３０４と第２領域３０６とが可動光学格子３１９の変位方向に位置し、受光素子３０９ａ，３０９ｂ，３０９ｃの配置と同方向に並んでおり、各受光素子に不釣り合い（非対称）に各光学素子からの迷光が入射したり、受光素子の左右に射出する回折光が迷光となりやすく、装置全体の小型化、簡素化を図りつつ、高精度の変位情報を得るのが難しいという問題点があった。
【００１９】
又、可動光学格子と複数のレンズ系との間隔が設計値よりずれていると（ギャップ変化があると）受光手段で得られる信号のＳ／Ｎ比が低下してくるという問題点があった。特に、このギャップの設計値からの許容値は格子ピッチが微細化してくるにつれて厳しいものとなってくる。
【００２０】
図４２のエンコーダでは可動格子の裏面反射光が受光部に入射し、ノイズ光成分となり良好な信号が得られないという欠点があった。
【００２３】
本発明の目的は、光源からの光束を変位物体に固定した光学スケールに入射させるときの光学スケールへの入射及び光学スケールからの回折光を該光学スケールへの再入射させるときの再入射条件等を適切に設定することによって各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の許容誤差を緩和しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出することができるロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等に好適な変位情報検出装置の提供にある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の変位情報検出装置は、一定の周期で配設された格子部が基板に設けられており、前記格子部が配設された方向であって前記格子部が配設された面に垂直な軸を中心に回転可能な光学スケールと、
前記光学スケールに光束を照射する光照射手段と、
前記格子部の第１領域を透過し回折した前記光束を反射する反射素子と、
前記反射素子で反射し、前記格子部の第２領域に結像した前記光束を受光する受光手段と、
前記光学スケールと前記光照射手段及び前記受光手段との間に配置され、前記光照射手段から照射された前記光束を集光し、かつ前記反射素子で反射し、前記格子部の第２領域に結像した前記光束を集光する光学素子とを有し、前記光学スケールの回転方向の変位を検出する変位情報検出装置において、
前記光学素子は、
前記光照射手段から照射された前記光束を平行光束にする第１の曲面と、
前記第１の曲面に対向し、前記平行光束を集束光束にする第２の曲面と、
前記反射素子で反射し、前記格子部の前記第２領域に結像した光束を平行光束にする、前記第２の曲面とは異なる第３の曲面と、
前記第３の曲面に対向し、前記第３の曲面を透過した前記平行光束を集束光束にする、前記第１の曲面とは異なる第４の曲面と、を有し、
前記光照射手段を構成する光源の発光中心は前記第１、第２及び第３の曲面の回転対称軸にあり、前記受光手段の受光中心は前記光学スケールの回転中心に対して前記第１、第２及び第３の曲面の回転対称軸よりも遠い前記第４の曲面の回転対称軸にあり、該２つの回転対称軸は略平行であり、
前記格子部は、前記反射素子側の面に平坦部とＶ溝部が交互に周期的に形成された構造からなる格子部であり、前記受光手段は、前記格子部によって波面分割された複数の光束をそれぞれ受光する複数の受光素子を含み、
前記反射素子は、前記格子部の前記第１領域で回折した０次光と±ｎ次回折光を反射させる凹面ミラーであり、前記第１領域からの０次光と±ｎ次回折光は前記凹面ミラーの光軸から偏心した位置に集光し、前記格子部の第１領域の像を第２領域に拡大結像することを特徴としている。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図、図３は本発明の実施形態１の一部分の要部断面図、図４は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図、図５は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの説明図、図６は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図、図７は本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像した像の説明図、図８は本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図９は本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図１０は本発明の実施形態１の一部分の要部断面図、図１１は本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図、図１２は本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図である。
【００４０】
図中１は光源であり、例えばＬＥＤや半導体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レンズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光して、後述する光学スケール３に導光している。レンズ系２は後述するように透明部材に４つの曲面２Ａ〜２Ｄを設けた部材より成っている。
【００４１】
光源１とレンズ系２等は光照射手段ＬＲの一要素を構成している。３は位相差検出機能と振幅型の回折格子機能とを有する変位可能な光学スケールであり、図５，図６に示すように円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射状格子（スリット数２５００又は５０００のＶ溝格子）の構造より成る格子部３ｄを反射素子側に周期的に設けて構成している。光学スケール３の基板３ｃは透孔性の光学材料、例えばポリカーボアクリルなどのプラスチックより成り、回転体（不図示）の一部に取り付けており、回転体と一体的に回転軸３ｅを中心に矢印６方向に回転している。
【００４２】
図６（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格子部３ｄの詳細図であり、Ｖ溝部を構成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの平面部３０ａが所定のピッチＰで交互に配列されて格子部３ｄを形成している。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐ、又Ｖ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は各々（１／４）Ｐの幅を有し、各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２はＶ溝の底部と平坦部３０ａの垂線とを結ぶ直線に対し各々臨界角以上、本実施形態ではθ＝４５°で傾いている。
【００４３】
本実施形態では光学スケール３からの回折光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利用している。ここで、この格子部３ｄのＶ溝は光学スケール３に対して放射状に構成されている為、光学スケール３の内周側と外周側ではピッチが異なっている。ここでピッチとは周方向の平坦部３０ａの幅と２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の幅との合計した値をいう。
【００４４】
本実施形態では光学スケール３の材質をポリカーボアクリルなどのプラスチックとし、射出成形もしくは圧縮成形等の製法によって作成している。４は凹面ミラーであり、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非球面ミラー等の反射素子から成っている。凹面ミラー４は格子部３ｄのフーリエ変換面に一致している。
【００４５】
本実施形態では図３，図４に示すようにレンズ系２で集光され、光学スケール３の第１領域３ａに入射した光束１０１が光学スケール３の格子部で回折し、このときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））が凹面ミラー４の面４ｂ又はその近傍（凹面ミラー４の瞳位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定している。
【００４６】
凹面ミラー４の光軸４ａと入射光束１０１の中心光線（主光線）１０１ａは図４に示すように偏心量Δだけ偏心している。凹面ミラー４は光学スケール３で回折し、集光してきた集束光束（３つの回折光束Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））を反射させ、光学スケール３面上の第２領域３ｂに図７に示すような３つの回折光に基づく干渉パターン像（像）を再結像させている。このとき光学スケール３が回転方向６に移動すると再結像した像は回転方向６とは反対の方向に移動する。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケール３の移動量の２倍の値で相対変位する。
【００４７】
図３３は本実施形態における光学スケール３面上に光束が入射する第１領域３ａと第２領域３ｂを示している。
【００４８】
本実施形態ではこれにより光学スケール３に構成されている格子部の２倍の分解能の回転情報を得ている。
【００４９】
５は受光手段であり、光学スケール３の格子部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した図７に示すような干渉パターンと格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂで幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５ｂ，５ｃを有している。この受光手段５からの信号をパルスカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処理回路１０３によって処理し、これより回転情報を得ている。尚、光源１，レンズ系２，そして受光手段５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。
【００５０】
次に本実施形態における光学スケール（回転体）３の回転情報の検出方法について説明する。光照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系２により凹面ミラー面上４の反射面４ｂ又はその近傍に集光するようにしている。この集束光を図３，図４に示すように光学スケール３の格子部３ｄ上の第１領域３ａに入射させる。第１領域３ａに入射した集束光のうち図６に示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は該平面部３０ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に到達した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に設定されている為、図６に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜面３０ｂ−２においても全反射する。
【００５１】
このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３０ｂ−１へ到達した光線は、凹面ミラーに進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線のみが光学スケール３を進むことになる。
【００５２】
即ち、第１領域３ａにおいてＶ溝型の格子部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、主光線１０１ａに対して偏芯している凹面ミラー４によって反射し、光学スケール３の第２領域３ｂ部で再結像し、光学スケール３面上に像（放射状の溝の像）を再結像する。
【００５３】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学スケール３面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径方向に異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール３は放射状の格子部３ｄを有するため、第１領域３ａと第２領域３ｂの格子ピッチが異なる。さらに、第２領域３ｂの照射領域においても光学スケール３の内周側と外周側のピッチが異なっている。
【００５４】
そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学スケール３の放射状の格子部３ｄのピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束の主光線１０１ａに対して偏心配置するとともに入射光軸に対するずれ量Δも最適な値にしている。
【００５５】
これによって第１領域３ａの格子部の像が凹面ミラー４によって第２領域３ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【００５６】
第２領域３ｂにおいて平面部３０ａに入射した光束は、図６（Ｂ）に示すように直線透過し、受光手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【００５７】
このように第２領域３ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子として機能する。
【００５８】
即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【００５９】
図３５は本実施形態において光学スケール３の放射状格子に対する光源１と受光部５の３つの受光素子５ａ，５ｂ，５ｃとの位置関係を示している。
【００６０】
ここで光学スケール３が回転すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転したとすると、図６（Ｃ）に示すような光学スケール３の回転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケール３の回転量、縦軸は受光光量である。
【００６１】
信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール３の回転角度や回転量あるいは回転速度や回転加速度等の回転情報を得ている。
【００６２】
尚、図６（Ｃ）は第２領域３ｂに形成される像のコントラストが非常に高く理想に近い場合の理論的な光量変化の様子を示している。
【００６３】
図８，図９は本実施形態において光学スケール３上の格子部として１周当り２５００パルス（２５００Ｐ／Ｒ）と５０００パルス（５０００Ｐ／Ｒ）のとき、光学スケール３の第１領域３ａに入射する光束１０１の主光線１０１ａが凹面ミラー４で反射して第２領域３ｂに入射するときの凹面ミラー４の光軸４ａに対してΔだけ偏心したとき（偏心量Δのとき）の第２領域３ｂでの入射主光線からの距離に対する格子部のスケールピッチを示している。
【００６４】
又偏心量Δのときに凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部が第２領域３ｂに形成されるときの格子部の像の入射主光線からの距離に対する重ね合わせピッチを示している。
【００６５】
図８，図９に示すように偏心量ΔがΔ：０．６２（ｎｍ）のとき第２領域３ｂの入射主光線からの距離が１．８ｍｍ近傍でスケールピッチと重ね合わせピッチが略一致している。
【００６６】
本実施形態では入射主光線１０１ａからの距離が１．８ｍｍ近傍の領域を利用している。
【００６７】
本実施形態ではレンズ系２によって光源１と凹面ミラー４の反射面４ｂとが略共役関係となるようにし、光学スケール３からの±ｎ次回折光が凹面ミラー４の反射面４ｂ上又はその近傍に集光するようにしている。又光学スケール３の一部が凹面ミラー４の曲率中心に合致するようにしている。
【００６８】
これによって光学スケール３と凹面ミラー４との間隔（ギャップ）が多少設定値から変位しても受光手段５で得られる変位情報の誤差を少なくしている。即ち、ギャップ特性の許容値を緩和させている。
【００６９】
図１０（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３と凹面ミラー４とのギャップに誤差があったときの入射光と反射光の説明図である。
【００７０】
図１０（Ａ）のように光学スケール３が凹面ミラー４の曲率半径の位置、即ちベストギャップの位置にある場合は、Ｖ溝によって回折した回折光が凹面ミラー４で反射して光学スケール面３の面上に集光するため、干渉縞のコントスラトが最大値を示す。
【００７１】
しかし、図１０（Ｂ）のように光学スケール３がベストギャップの位置からずれた場合には、光学スケール３の面上で回折光が凹面ミラー４で反射した後に光学スケール３上に集光しないため干渉パターンのコントラストが低下する。
【００７２】
このような干渉パターンのコントラストの低下は、受光手段で検出される出力信号の低下と連動しているため、光学スケールがベストギャップからずれることにより、どの程度コントラストが低下するかは重要な値となる。
【００７３】
そこで本実施形態では光学スケール３の一点近傍に凹面ミラー４の曲率中心が位置するようにし、又光源１と凹面ミラー４とがレンズ系２によって略共役関係となるようにして光学スケール３がベストギャップからずれた場合のコントラストの低下を少なくし、Ｓ／Ｎ比の良い信号を得ている。
【００７４】
本実施形態では以上のように光学スケールに入射し、凹面ミラーで反射して光学スケールに再入射するときの主光線の入射位置が半径方向に異なるように設定することによって、光源，光学スケール，受光手段等の配置の自由度を増し、装置全体の小型化を図りつつ、回転物体（光学スケール）の回転情報を高精度に検出している。
【００７５】
又、光源と凹面ミラーとがレンズ系によって略共役関係となるようにし、更に光学スケールの一部が凹面ミラーの略曲率半径の位置となるように設定することによって光学スケールと凹面ミラーとの間隔（ギャップ）の設計値からの許容値の緩和を図っている。
【００７６】
図１１，図１２は各々本実施形態において光源から射出し、レンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の第１領域３ａに入射した後に回折し、凹面ミラー４面上に結像し，凹面ミラー４で反射して光学スケール３の第２領域３ｂを通過する光束１０２の他の実施形態の光路を示す説明図である。
【００７７】
図１１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに近い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して回転軸３ｅの遠い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
【００７８】
即ち凹面ミラー４により第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに拡大結像する場合を示している。このうち、図１１（Ａ）では光束１０１が第１領域３ａに垂直に入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに斜入射する場合、図１１（Ｂ），（Ｃ）では光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。
【００７９】
図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに遠い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して、回転軸３ｅの近い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
【００８０】
即ち凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに縮小結像する場合を示している。このうち、図１２（Ａ）は光束１０１が第１領域３ａに斜入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに垂直に入射する場合、図１２（Ｂ），（Ｃ）は光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。図１１，図１２の各構成においても前述の実施形態１と同様の効果を得ている。
【００８１】
図３６は光学スケール３の放射状格子に対する光源１と受光部５の３つの受光素子５ａ，５ｂ，５ｃとの位置関係を示している。これは図１２の各要素の光学配置に対応している。
【００８２】
図２２は図１に示した変位情報検出装置（ロータリーエンコーダ）の光学配置のレンズ系２として用いた複眼光学素子を説明するための図であり、複眼光学素子（以下単に「光学素子」とも言う）２を含むＹＺ断面図を示している。図２３（Ａ），（Ｂ）は図２２の主要部分の拡大図である。
【００８３】
尚、以下の実施形態では光束集束性を有する面を曲面としているが、これは同様の光束集束性を持つフレネルレンズ，フレネルゾーンプレート，バイナリーオプティクス素子等でもよい。
【００８４】
図２２において、光源１から発した発散光束は発光素子１ａの発光中心と曲面２Ａの曲率中心とを結んだ線（第１の軸、以下法線Ｌｎという）を回転対称軸とする（曲面が非球面等の場合は第１の軸はそれの回転対称軸であり、この場合この軸上に発光中心がある）第１曲面２Ａにより理想的な平行光束に変換され光学素子２部材内を進行し、第１曲面２Ａに対向した光学素子２の第２曲面２Ｂへ到達し、集束波面変換され光学スケール３の第１領域３ａへ入射し、複数の光束（ここでは３つの光束）に回折し、偏向されて凹面ミラー４面上もしくはその近傍で集光する。その後凹面ミラー４にて反射した光束は発散光束にて再び光学スケール３の第２領域３ｂに入射し、光学素子２の第３曲面２Ｃへ到達する。ここで発散光束は第３曲面２Ｃにより略平行光束となって光学素子２部材内を進行し、受光素子５ｃの受光部の中心位置と第４曲面２Ｄの曲率中心とを結んだ線（第２の軸、以下法線Ｐｎという）を、回転対称軸とする（曲面が非球面等の場合は第２の軸はそれの回転対称軸であり、この場合この軸上に発光中心がある）第４曲面２Ｄへ入射し、この曲面にて集束光束へ変換されて３つの光束のうち１つの光束は受光素子５ｃへ入射する。
【００８５】
一方、凹面ミラー４で反射後、光学スケール３のＶ溝格子の偏向作用により３方向に偏向される光束のうち、２つの光束は第３曲面２Ｃ及び第４曲面２Ｄによりそれぞれ集光されて各受光素子５ａ，５ｂへ入射する。
【００８６】
このとき、光学素子２の第２曲面２Ｂと第３曲面２Ｃは図２３（Ｂ）に示すように同一回転対称軸を有した異なる回転対称曲面で形成している。第２曲面２Ｂ、第３曲面２Ｃが共有する回転対称面の回転対称軸Ｍｎは法線Ｌｎ，Ｐｎと同一平面内に存在し、法線Ｌｎと回転対称面Ｍｎは一致して配置される。また、このとき凹面ミラー４の曲率中心は法線Ｌｎ及び法線Ｐｎを含む平面内に配置されている。
【００８７】
これらの条件を満たす第１〜第４曲面２Ａ〜２Ｄを一体的に形成した光学素子２により、ロータリー型エンコーダの光学配置として、最適な状態に構成することが可能となり小型で部品点数の最も少ない変位情報検出装置を達成している。
【００８８】
尚、図３１は本実施形態において光学素子２の各曲面２Ａ〜２Ｄの曲率を適切に設定して光源１と受光部５が同一平面上に位置するようにしたときの模式図である。
【００８９】
図１３は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光源１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
【００９０】
・光学スケール３の第１領域３ａからの０次光と±ｎ次回折光を凹面ミラー４によってその焦点位置４ｃに集光した後に発散光として光学スケール３の第２領域３ｂに入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００９１】
即ち本実施形態では図１３に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系で平行光束として放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４で反射させ焦点位置４ｃに集光させた後に発散光として光学スケールの第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、該光学スケール３の変位情報を検出している。
【００９２】
このとき第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は該光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００９３】
図１４は本発明の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光源１からの光束をレンズ系２によって集光させて光学スケール３の第１領域３ａに入射させるとき凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光するようにしていること。
【００９４】
・光学スケール３の第１領域３ａからの回折光が焦点位置４ｃで集光した後に、発散光となって凹面ミラー４で反射した後に平行光束となって光学スケール３の第２領域３ｂに入射して、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００９５】
即ち本実施形態では図１４に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で集光して放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光した後に発散光束として凹面ミラー４で反射させて平行光束とした後に光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、該第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００９６】
このとき、第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００９７】
図１５は本発明の実施形態４の要部概略図、図１６は図１５の一部分の拡大斜視図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光源１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
・第１領域３ａの格子部で回折された０次光と±ｎ次回折光の平行光を各々平面ミラー４１，４２，４３で反射させて、光学スケール３の第２領域３に入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００９８】
即ち本実施形態では図１５，図１６に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で平行光束１０１として直線状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を基板上に設けた移動可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した０次光Ｌ（０）と±ｎ次（ｎ＝１）回折光Ｌ（＋），Ｌ（−１）の平行光を平面ミラー４１，４２，４３で各々反射させて光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００９９】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置している。
【０１００】
尚、本実施形態において光学スケール３の第１領域を透過した回折光は、３光束以上であっても良い。
【０１０１】
以上説明した各実施形態１〜４では、変位情報検出装置としてロータリーエンコーダを対象とし、光学スケール３として放射状の格子を用いた場合について説明した。
【０１０２】
次に、変位情報検出装置としてリニアエンコーダを用いた場合について説明する。
【０１０３】
図１７は本発明の変位情報検出装置の実施形態５の主要部分の概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１のロータリーエンコーダで用いた放射状格子よりなる光学スケール３の代わりに移動方向５０６に等間隔でＶ溝を配置したリニア型の光学スケール５０３を用いている。そして、それに伴って、・光学スケール５０３の第１領域５０３ａと第２領域５０３ｂは該光学スケール５０３の移動方向５０６に対して直交する方向の異なった領域（一部重なっても良い）に位置していること。
・光学スケール５０３の第１領域５０３ａの格子部からの０次回折光、±ｎ次回折光は該凹面ミラー５０４の面またはその近傍に集光しており、該凹面ミラー５０４は該光学スケール５０３の第１領域５０３ａを第２領域５０３ｂに同心系で等倍に結像していること。
の点が大きく異なっており、その他の基本構成は実施形態１とほぼ同じである。
【０１０４】
本実施形態は光束の配光を必要とする光学素子として、４つの曲面より成る複眼光学素子５０２を用いている。即ち、本実施形態では、
・光学スケール５０３への光源１からの光束の光照射手段としてのレンズ系
・Ｖ溝格子等の波面分割素子により分離偏向された光束を複数の受光素子５ａ，５ｂ，５ｃへ各々導くためのレンズ系を一体的に形成し、製造される複眼光学素子（光学素子）５０２を用いている。
【０１０５】
次に、その複眼光学素子５０２を用いたリニア型の変位情報検出装置（リニアエンコーダ）について説明する。まず、以下説明に当たりここで座標系を設定する。
【０１０６】
図１７において、
・光学スケール５０３の移動方向５０６をＸ軸
・光学スケール５０３の面の法線方向をＺ軸
・その他の軸をＹ軸
と定義する。
【０１０７】
図１８は図１７で示した変位情報検出装置（リニアエンコーダ）の光学配置において本発明に係る複眼光学素子５０２を説明するための図であり、複眼光学素子５０２を含むＹＺ断面図を示している。図１９（Ａ），（Ｂ）は図１８の主要部分のＹＺ断面とＸＹ断面の拡大図であり、同じく図２０，図２１はそれぞれＸＺ断面を光源１を含む断面と受光部５を含む断面を表している。
【０１０８】
次に、図１７〜図２１を用いて光学素子５０２の面構成、及び光源１から発した光束が受光部５へ到達するまでの光線の経路について説明する。
【０１０９】
ＬＥＤや半導体レーザ等の光源１から発した発散光束は、発光素子１ａの発光中心に立てた法線Ｌｎ（図１９，図２０参照）を回転対称軸とする（非球面等の場合は前述同様）光学素子５０２の第１曲面５０２Ａにより理想的な平行光束に変換され光学素子５０２の部材内を進行し、光学素子５０２の第２曲面５０２Ｂへ到達し、集束波面変換され光学スケール５０３の第１領域５０３ａへ入射する。第１領域５０３ａで回折された複数の光（ここでは３つ）は凹面ミラー５０４面上もしくはその近傍で集光する。その後、凹面ミラー５０４にて反射した光束（３つの回折光）は発散光束にて再び光学スケール５０３の第２領域５０３ｂに入射し、光学素子５０２の第３曲面５０２Ｃへ到達する。
【０１１０】
図３２は本実施形態５のリニア型のエンコーダにおける光学スケール５０３の光照射領域５０３ａ，５０３ｂを示している。５０６は光学スケール５０３の移動方向である。このとき、３つの光束のうち１つの発散光束は第３曲面５０２Ｃにより集光され略平行光束となって光学素子５０２の部材内を進行し、受光素子５ｃの受光部中心位置に立てた法線Ｐｎ（図１９，図２０参照）を回転対称軸とする（非球面等の場合は前述同様）第４曲面５０２Ｄへ入射し、この第４曲面５０２Ｄにて集束光束へ変換され受光部５ｃへ入射する。
【０１１１】
一方、凹面ミラー５０４で反射後、光学スケール５０３のＶ溝格子の偏向作用により３方向に偏向される光束のうち、２つの光束は図２１に示すように第３曲面５０２Ｃ及び第４曲面５０２Ｄにより夫々集光されて各受光素子５ａ，５ｂへ入射する。図３４は実施形態の光学スケール５０３の直線平行格子条と光源１、受光部５ａ，５ｂ，５ｃの位置関係を表した説明図である。
【０１１２】
本実施形態では図１９（Ｂ）に示すように光学素子５０２の第２曲面５０２Ｂと第３曲面５０２Ｃは同一の回転対称曲面であり、その異なる一部分を用いて形成される。第２曲面５０２Ｂ、第３曲面５０２Ｃが共有する回転対称面の回転対称軸Ｍｎ（図１９参照）は、法線Ｌｎ，Ｐｎと同一平面内に存在し、法線Ｌｎ，Ｐｎから等距離に配置されている。また、このとき、凹面ミラー５０４の曲率中心は回転対称軸Ｍｎ上に配置されている。
【０１１３】
本実施形態では、これらの条件を満たす第１〜第４曲面５０２Ａ〜５０２Ｄを一体的に形成した光学素子５０２により、リニア型のエンコーダの光学配置として、最適な構成とすることが可能となり、特に、小型で部品点数の少ない変位情報検出装置を達成している。
【０１１４】
次に本実施形態における光学スケール（移動体）５０３の移動情報の検出方法について説明する。光照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系（光学素子）２により凹面ミラー面上５０４の反射面又はその近傍に集光するようにしている。この集束光を光学スケール５０３の格子部上の第１領域５０３ａに入射させる。第１領域５０３ａに入射した集束光のうち図６に示す格子部の平面部に到達した光線は該平面部を通過して凹面ミラー５０４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面に到達した光線は、傾斜面の傾斜角が臨界角以上に設定されている為、図に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面に向けられ、他方の傾斜面においても全反射する。
【０１１５】
これによって最終的に格子部の傾斜面へ到達した光線は、凹面ミラーに進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域５０３ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面の範囲に到達する光束は、凹面ミラーに進入することなく反射され、平面部に到達した光線のみが光学スケール５０３を進み、凹面ミラー５０４に進むことになる。
【０１１６】
即ち、第１領域５０３ａにおいてＶ溝型の格子部は透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域５０３ａの格子部で光束は回折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、軸Ｍｎに対して対称に反射し、光学スケール５０３の第２領域５０３ｂ部で再結像し、光学スケール５０３面上に等倍の像を再結像させる。
【０１１７】
ここで第１領域５０３ａと第２領域５０３ｂは光学スケール５０３面の移動方向と直交する直線状格子の格子部に対して異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール５０３は直線状の格子部を有するため、第１領域５０３ａと第２領域５０３ｂの格子ピッチは同じである。
【０１１８】
本実施形態では、光学スケール５０３上の第２領域５０３ｂに第１領域５０３ａの格子部を等倍投影し、光学スケール５０３の格子部のピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー５０４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束の主光線と再入射光束の主光線が軸Ｍｎに対して対称となるようにしている。
【０１１９】
これによって第１領域５０３ａの格子部の像が凹面ミラー５０４によって第２領域５０３ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【０１２０】
第２領域５０３ｂにおいて平面部に入射した光束は、図６（Ｂ）に示すように直線透過し、受光手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【０１２１】
このように第２領域５０３ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面及びＶ溝の間の平面部の合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域５０３ｂにおいてＶ溝の格子部は光波波面分割素子として機能する。
【０１２２】
即ち第２領域５０３ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【０１２３】
ここで光学スケール５０３が移動すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部の位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール５０３が移動方向５０６方向に移動したとすると、図６（Ｃ）に示すような光学スケール５０３の移動に伴う光量変化が得られる。
【０１２４】
図６に示す信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケール５０３が逆方向に移動した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール５０３の移動速度や移動方向等の移動情報を得ている。
【０１２５】
次に、本実施形態５の光学素子の光学作用を別の図により説明する。
【０１２６】
図２４，図２５は図１７のリニア型のエンコーダの光学配置を展開した等価光学系を示す概略図であり、特に、光学スケール５０３として位相差検出機能を持たない一般的な振幅型回折格子を用いた場合のＸＺ断面とＹＺ断面について示している。変位情報検出原理は同じである。ここで、光学スケールとして位相型格子でも適用可能である。
【０１２７】
又、図２６、図２７は光学スケール５０３としてＶ溝型の光学スケールを用いた場合のＸＺ断面とＹＺ断面を示している。変位情報検出原理は実施形態５と同じである。
【０１２８】
図２８は図２６の凹面ミラー５０４で反射される光路を示す為に一点鎖線Ｍにて光学系を折り返すことで得られるＸＺ断面の等価光学系を示し、図２９は同様に図２７の凹面ミラー５０４で折り返した側面図（ＹＺ断面）である。
【０１２９】
図３０は、光源１と受光部５が同一平面にない図２９の状態から曲面５０２Ｄを最適化し、光源１と受光部５が同一平面に位置するようにしたものであり、図２９と同等の配置となっている。
【０１３０】
尚、本発明の複眼光学素子は変位情報の検出装置への適応のみならず、各種センサー用の投光、及び受光用の光学素子として幅広く応用可能である。
【０１３１】
図３８及び図３９は、図１８及び図１で示した光学素子５０２及び２を被検物体６００の反射率測定用の光学素子として利用した場合の概略図である。同図において、測定対象６００（７００）に光源１からの光束を曲面５０２Ａ，５０２Ｂ（２Ａ，２Ｂ）を介して照射し、測定対象６００（７００）からの反射光を曲面５０２Ｃ，５０２Ｄ（２Ｃ，２Ｄ）を介して受光部５で受光している。これによって測定対象６００（７００）の表面反射率を測定している。
【０１３２】
この他、光学素子は図３８，図３９と略同様の配置により、チルトセンサーとしても利用可能である。その他、カラートナーセンサー（感光体ドラム上のトナー濃度測定）、ドップラー速度センサー用の光学素子としても利用可能である。
【０１３３】
【発明の効果】
【０１３５】
本発明によれば以上のように、光源からの光束を変位物体に固定した光学スケールに入射させるときの光学スケールへの入射及び光学スケールからの回折光を該光学スケールへの再入射させるときの再入射条件等を適切に設定することによって各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の誤差を防止しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出することができるロータリーエンコーダやリニアエンコーダー等に好適な変位情報検出装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図
【図２】 本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図
【図３】 本発明の実施形態１の一部分の要部断面図
【図４】 本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図
【図５】 本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの説明図
【図６】 本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図
【図７】 本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像した像の説明図
【図８】 本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図９】 本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図１０】 本発明の実施形態１の一部分の要部断面図
【図１１】 本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１２】 本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１３】 本発明の実施形態２の一部分の要部断面図
【図１４】 本発明の実施形態３の一部分の要部断面図
【図１５】 本発明の実施形態４の一部分の要部断面図
【図１６】 図１５の一部分の拡大斜視図
【図１７】 本発明の実施形態５の要部斜視図
【図１８】 本発明の実施形態５の要部断面図
【図１９】 本発明の実施形態５の要部断面図 詳細図（ＹＺ断面）
【図２０】 本発明の実施形態５の要部断面図 詳細図（ＸＺ断面）光源部含む断面図
【図２１】 本発明の実施形態５の要部断面図 詳細図（ＸＺ断面）受光部含む断面図
【図２２】 本発明の実施形態１の要部断面図
【図２３】 本発明の実施形態１の要部断面図 詳細図（ＹＺ断面）
【図２４】 図１７の等価光学系（一般振幅型光学スケールの場合）
【図２５】 図１７の等価光学系 図２４の側面図
【図２６】 図１７の等価光学系（Ｖ溝型光学スケールの場合）
【図２７】 図１７の等価光学系 図２６の側面図
【図２８】 図２６の折り返し面 Ｍでの折り返し後 等価光学系
【図２９】 図２７の等価光学系 図２８の側面図
【図３０】 光源１と受光部５が同一平面にない図１の状態から曲面５０２Ｄを最適化し同一平面に並べたもの
【図３１】 光源１と受光部５が同一平面にない図１の状態から曲面５０２Ｄを最適化し同一平面に並べたもの
【図３２】 図１７のリニア型エンコーダにおける光照射領域５０３ａ，５０３ｂ
【図３３】 図１のロータリー型エンコーダにおける光照射領域３ａ，３ｂ
【図３４】 図１７の光学スケール５０３の直線平行格子条と光源１、受光部５ａ，５ｂ，５ｃの位置関係を表した図
【図３５】 図１の光学スケール２の放射状格子条と光源１、受光部５ａ，５ｂ，５ｃの位置関係を表した図
【図３６】 図１２の光学スケール２の放射状格子条と光源１、受光部５ａ，５ｂ，５ｃの位置関係を表した別の図
【図３７】 図４１の従来例における光源１、受光部の位置関係を示した図
【図３８】 本発明の光学素子としての応用例の図
【図３９】 本発明の光学素子としての応用例の図
【図４０】 従来のエンコーダの要部概略図
【図４１】 従来のエンコーダの要部概略図
【図４２】 従来のエンコーダの要部概略図
【符号の説明】
１，３０１ 光源
２，３１０，３１１ｂ，３１１ａ，３１３，３１５，３１６レンズ系
２Ａ 第１曲面
２Ｂ 第２曲面
２Ｃ 第３曲面
２Ｄ 第４曲面
５０２Ａ 第１曲面
５０２Ｂ 第２曲面
５０２Ｃ 第３曲面
５０２Ｄ 第４曲面
３，５０３，３１９光学スケール
３ａ，５０３ａ，３０４第１領域
３ｂ，５０３ｂ，３０６第２領域
３ｃ，３１ｃ基板
３ｄ，２１ｄ格子部
３ｅ 回転軸
４，５０４，３２０凹面ミラー
４ａ 光軸
５ 受光手段
６ 回転方向
５０６ 移動方向
１０１，１０２入射光束
１０１ａ，１０２ａ主光線
１０３ 信号処理回路
Claims (1)
- 一定の周期で配設された格子部が基板に設けられており、前記格子部が配設された方向であって前記格子部が配設された面に垂直な軸を中心に回転可能な光学スケールと、
前記光学スケールに光束を照射する光照射手段と、
前記格子部の第１領域を透過し回折した前記光束を反射する反射素子と、
前記反射素子で反射し、前記格子部の第２領域に結像した前記光束を受光する受光手段と、
前記光学スケールと前記光照射手段及び前記受光手段との間に配置され、前記光照射手段から照射された前記光束を集光し、かつ前記反射素子で反射し、前記格子部の第２領域に結像した前記光束を集光する光学素子とを有し、前記光学スケールの回転方向の変位を検出する変位情報検出装置において、
前記光学素子は、
前記光照射手段から照射された前記光束を平行光束にする第１の曲面と、
前記第１の曲面に対向し、前記平行光束を集束光束にする第２の曲面と、
前記反射素子で反射し、前記格子部の前記第２領域に結像した光束を平行光束にする、前記第２の曲面とは異なる第３の曲面と、
前記第３の曲面に対向し、前記第３の曲面を透過した前記平行光束を集束光束にする、前記第１の曲面とは異なる第４の曲面と、を有し、
前記光照射手段を構成する光源の発光中心は前記第１、第２及び第３の曲面の回転対称軸にあり、前記受光手段の受光中心は前記光学スケールの回転中心に対して前記第１、第２及び第３の曲面の回転対称軸よりも遠い前記第４の曲面の回転対称軸にあり、該２つの回転対称軸は略平行であり、
前記格子部は、前記反射素子側の面に平坦部とＶ溝部が交互に周期的に形成された構造からなる格子部であり、前記受光手段は、前記格子部によって波面分割された複数の光束をそれぞれ受光する複数の受光素子を含み、
前記反射素子は、前記格子部の前記第１領域で回折した０次光と±ｎ次回折光を反射させる凹面ミラーであり、前記第１領域からの０次光と±ｎ次回折光は前記凹面ミラーの光軸から偏心した位置に集光し、前記格子部の第１領域の像を第２領域に拡大結像することを特徴とする変位情報検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP08268798A JP4323579B2 (ja) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | 変位情報検出装置 |
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1998
- 1998-03-13 JP JP08268798A patent/JP4323579B2/ja not_active Expired - Fee Related
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