JP4608274B2 - 変位測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式変位測定装置に関する。詳しくは、受光要素として光ファイバを使用する光学式変位測定装置に関する。

従来、直線変位、回転変位などを検出するためには、光学式、磁気式、誘導式、静電容量式など種々の方式の変位測定エンコーダが利用できる。

部品点数が少なく、コンパクトなエンコーダシステムが、Eselunに付与された米国特許Ｎｏ．５，９０９，２８３において開示されている（特許文献１）。特許文献１において開示されているエンコーダシステムは、スケール格子と、リードヘッド装置とを含んで構成される。リードヘッド装置は、点状光源（レーザダイオード）と、ロンキー（Ronchi）格子あるいはホログラフィック素子と、光検出器アレイとを含んで構成される。
点状光源は、スケール格子の格子バー間隔と同間隔の干渉縞を生成させる。干渉縞光はロンキー格子あるいはホログラフィック素子を通過されて光検出器アレイに伝播される。光検出器アレイは、伝播された干渉縞光から互いに９０°だけ位相の異なる４チャネルの光信号を得るように配置されている。
しかしながら、このエンコーダシステムは、依然としてサイズが大きく、また、高価である。

また、受光要素として光ファイバを用いたコンパクトなエンコーダシステムが、Tokunagaに付与された米国特許Ｎｏ．４，７３３，０７１において開示されている（特許文献２）。特許文献２において開示されているエンコーダシステムは、コードメンバースケールと、光センサヘッドとを備えて構成される。光センサヘッドは、光ファイバチップライトエミッタと、コードメンバースケール軸に沿って密着配置された二つの光ファイバチップレセプタとを備えている。この光センサヘッドを回転（偏揺れ）させて、二つの光ファイバチップレセプタ間の位相差を調節する。
しかしながら、このエンコーダシステムにおける測定精度は幾分か低い。

また、受光要素として光ファイバを用いた他の光エンコーダシステムが、McMahonに付与された米国特許Ｎｏ．４，２９１，９７６において開示されている（特許文献３）。特許文献３において開示されているエンコーダシステムは、互いに相対移動可能な、光ファイバと、コードチャネルパターンとを備えて構成される。光ファイバの端には縞模様がつけられており、この縞模様と、コードチャネルパターンとは、互いに対向されて配置されている。これにより、光ファイバ端の縞模様幅に基づいて、光ファイバとコードチャネルパターンとの間の間の相対変位測定を行うことができる。
しかしながら、このエンコーダシステムにおける測定精度は、光干渉式エンコーダシステムよりも低い。

一般的に、高い測定精度を実現するためには、光干渉式エンコーダを使用するのが好ましい。
しかしながら、従来の光干渉式エンコーダは、サイズが大きくなりがちであり、使い勝手が悪く、使用用途が限られていた。

米国特許第５９０９２８３号明細書 米国特許第４７３３０７１号明細書 米国特許第４２９１９７６号明細書

以上のように、特許文献１〜３に開示されている各エンコーダ、および、従来の光干渉式エンコーダは、高いコンパクト性と、高い測定精度とを兼ね備えるエンコーダとはなっていなかった。

本発明の目的は、以上に述べた問題を解決するエンコーダ（変位測定装置）を提供することである。すなわち、本発明は、非常に高い測定精度を実現できるとともに、極めてコンパクトな光干渉式変位測定装置を提供すること目的とする。

本発明の変位測定装置は、測定方向に沿って形成されるスケール格子パターンを有するスケールと、このスケールに光を照射する光源と、前記スケール格子パターンからの回折光によって生成される干渉照明範囲内に配置されるリードヘッド装置とを備え、前記リードヘッド装置は、複数の光ファイバレシーバチャネルを備え、前記各光ファイバレシーバチャネルは、所定の空間位相位置に配置され、所定のマスクピッチで形成される遮光要素を含んだ周期構造を有し、前記干渉照明範囲内の干渉光をフィルタリングする位相マスクと、前記干渉光が前記位相マスクにおける所定のフィルタリング範囲においてフィルタリングされることによって生成されるチャネル信号光が入力される入力端を有する受光ファイバとを備え、前記スケール格子パターンによって生成される±１次回折光が到達し、かつ、±３次回折光が到達しない、略円状領域内に設けられ、前記フィルタリング範囲は、前記位相マスクの少なくとも１つの周期構造を含む範囲とされ、前記各受光ファイバに入力された前記各チャネル信号光を基に、前記スケールと前記リードヘッド装置との前記測定方向に沿った相対変位を測定する、ことを特徴とする。

本発明では、スケール格子パターンの変位を測定するための光干渉式変位測定装置が開示されている。
本発明の変位測定装置は光干渉式の変位測定装置であるため、光干渉式ではない従来の光ファイバエンコーダやセルフイメージングエンコーダに比べて、スケール格子パターンの格子ピッチを小さくしても測定を適切に行えるので、高精度に測定を行うことができる。

特許文献１で開示されているような電子リードヘッドレシーバ（光検出器）においては、スケールの高速変位に伴う高周波数の検出信号を電気信号に変換し、その電機信号を信号損失や干渉なしに長いケーブルで伝送する上で、一定の限界がある。また、電子式光検出器とそれに伴って配置される電子回路とによって、リードヘッドが大きくなってしまう。
本発明では、光ファイバレシーバチャネルを使用することによって、検出信号を電気信号に変換することなく、光信号のまま変位測定に用いることにしているので、電子リードヘッドレシーバにおける各種の問題を解決できる。

また、本発明では、スケール格子パターンから生じる干渉縞を、各位相マスクによってフィルタリングしてチャネル信号光を生成し、このチャネル信号光を各光ファイバレシーバチャネルにおいて検出している。
特許文献２において開示されているような光ファイバチップレセプタは、その直径を大きくすると、微細な位相信号の識別には不適になり、また、その直径を小さくすると、信号光の受光量が低下してしまう。そのため、その測定精度に限界がある。
本発明では、周期構造を有する位相マスクを設け、これによってフィルタリングされた光をチャネル信号光として受光ファイバにより受光している。この場合、測定精度は、主として、位相マスクの遮光要素のピッチによって決まり、受光ファイバの径の大きさによってはほとんど影響を受けない。そこで、受光ファイバの径を大きくして、信号光の受光量を大きくしても、測定精度が悪化することはほとんどない。このように、本発明によれば、特許文献２における問題を解決できる。

また、本発明では、受光要素として光ファイバを用いているので、コンパクトな変位測定装置を構成できる。

本発明では、各光ファイバレシーバチャネルは、±３次以上の奇数次の回折光を検出することなく、主として、±１次回折光に起因する干渉縞を検出できるので、測定精度を向上させることができる。
なお、以下の実施形態において説明するように、スケール格子パターンからの零次、偶数次の回折光は容易に抑制できるので、各光ファイバレシーバチャネルは、ほとんど±１次回折光に起因する干渉縞のみを検出できる。

また、本発明では、前記複数の光ファイバレシーバチャネルは、２Ｎ（Ｎ≧２）の光ファイバレシーバチャネルからなるＮ対の光ファイバレシーバチャネル対を含んで構成され、前記各光ファイバレシーバチャネル対は、前記Ｎ対の光ファイバレシーバチャネル対のチャネル構成中心を挟んで正反対の位置に配置される２つの光ファイバレシーバチャネルによって構成され、前記各光ファイバレシーバチャネル対における２枚の前記位相マスクは、空間位相が等しい／空間位相に１８０°の差がある、のいずれか一方である、ことが好ましい。
これによれば、各光ファイバレシーバチャネル対によって検出される２つのチャネル信号光に加算／減算等の演算処理を施すことによって、リードヘッド装置の組立て誤差などの影響を相殺できるので、測定精度をさらに向上させることができる。

また、本発明では、前記光源は、入光端において遠隔光源からの光が供給される照明ファイバの出光端によって構成される、ことが好ましい。
これによれば、光源が光ファイバ（照明ファイバ）によって構成されるので、リードヘッド装置内には電子部品を一切設ける必要がなくなり、コンパクトで安価な全光学式変位測定装置を構成できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による光ファイバレシーバチャネル装置１００の第１実施形態を示す図である。図１に示すように、光ファイバレシーバチャネル装置１００は、３つの光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ、１９０Ｂ、１９０Ｃを含んでいる。光ファイバレシーバチャネル１９０Ａは、レシーバチャネル開口部１１０Ａと位相マスク１２０Ａと受光ファイバ１３０Ａとを含んでいる。同様に、光ファイバレシーバチャネル１９０Ｂは、レシーバチャネル開口部１１０Ｂと位相マスク１２０Ｂと受光ファイバ１３０Ｂを含んでいる。同様に、光ファイバレシーバチャネル１９０Ｃは、レシーバチャネル開口部１１０Ｃと位相マスク１２０Ｃと受光ファイバ１３０Ｃを含んでいる。

各光ファイバレシーバチャネル１９０に対して、位相マスク１２０は、レシーバチャネル開口部１１０を完全に覆う格子を含み、入射光に対する空間フィルタとして機能する。受光ファイバ１３０はレシーバチャネル開口部１１０と一直線上にあるので、レシーバチャネル開口部１１０に入るほとんど全ての光が受光ファイバ１３０に入り込み、光信号１９１となる。本実施形態では、レシーバチャネル開口部１１０は受光ファイバ１３０の平端部である。なお、レシーバチャネル開口部１１０は受光ファイバ１３０の成形端部であってもよい。また、レシーバチャネル開口部１１０はコンパクトな屈折または回折レンズであってもよい。このレンズは位相マスク１２０を通過する入射光を、効率的に位置決めされた受光ファイバ１３０の端部に収束させる。
各光ファイバレシーバチャネル１９０のレシーバチャネル開口部１１０、位相マスク１２０、および受光ファイバ１３０の端部は、接着剤または他の適当な方法によって互いに所定の関係をもって固定されている。

位相マスク１２０は、基準受光面１６０を規定し、かつ、それと一致するように共面配置されている。
位相マスク１２０の向き（形成方向）および位相（位相位置）は以下で詳細に説明する。レシーバチャネル開口部１１０の位置は、光ファイバレシーバチャネル装置１００のチャネル構成中心１５７を参照すればよく説明できる。チャネル構成中心１５７は、以下に説明するように、光ファイバレシーバチャネル装置１００の干渉照明範囲の基準中心と一致する。各レシーバチャネル開口部１１０Ａ〜Ｃは、図１に示すように、チャネル構成中心１５７からのレシーバ開口部境界半径１４０Ａ〜Ｃ内に位置付けられている。レシーバ開口部境界半径は、ここではＲ_ＣＲとする。

レシーバ開口部境界半径１４０は、図６、７、８を参照して以下で詳細に述べるように、本発明の原理に従って決定できる。本実施形態では、レシーバチャネル開口部１１０Ａ〜Ｃは互いに同一であり、各境界半径１４０Ａ〜Ｃも同一である。本発明の光ファイバリードヘッドにおいて、互いに同一の光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃを設けることにより、装置構成を簡単にできるとともに、信号処理を簡単にできるから、比較的高い測定精度を実現できる。なお、本発明では、各レシーバチャネル開口部１１０Ａ〜Ｃや、各境界半径１４０Ａ〜Ｃは、互いに同一である必要はない。

光ファイバレシーバチャネル１９０は互いに所定の関係で配置される。各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃの各位相マスク１２０Ａ〜Ｃの格子は、基準受光面１６０上において互いに所定の空間位相関係で配置される。各位相マスク１２０Ａ〜Ｃは、以下に説明するように、単一のマスク基板上に形成されることによって、所定の空間位相関係で配置される。なお、組立て部品とそれらの組立て方法は、以下で詳細に説明する。

図２は、本発明による光ファイバリードヘッドにおいて使用可能な光干渉装置２００の第１実施形態を示す。光干渉エンコーダの基本原理は周知のものであり、ここでは詳しく説明しない。光干渉装置２００は、光源ギャップ２８４だけ離れた光源２８０とスケール格子８０を含んでいる。光源ギャップ２８４は一般的にはｚ_Ｓと表記する。但し、光源ギャップ２８４とレシーバギャップ２８５とがほぼ同じである場合は、特に、光源ギャップ２８４（≒レシーバギャップ２８５）をｚまたはＺと表記する。スケール格子８０は測定軸８２に沿って配置されており、図２では、照射スポット２５３内の複数の線で示すように、測定軸８２に垂直な格子要素（線）を含む位相格子である。格子要素は、格子ピッチ（格子周期）Ｐ_gで測定軸８２に沿って周期的に配置されている。スケール格子８０については、図５を参照して以下で詳細に説明する。

図２に示すＸ、Ｙ、Ｚ軸は、スケール格子８０面に基づいて定義できる。Ｘ軸は、スケール格子８０面と測定軸８２に平行である。Ｘ−Ｙ平面はスケール格子８０面に平行であり、Ｚ軸はその面に垂直である。

光干渉装置２００において、光源２８０は、光軸２５１にほぼ沿って光源光２５０を発する。光源光２５０は、単色光または準単色光であり、基準波長λを有している。光源光２５０は発散半角２５２で発散する。発散半角２５２の正弦は、光源２８０の開口数ＮＡに相当する。ここで、発散半角２５２は、光源エネルギーのほとんど、例えば９０％、あるいは、ほぼ全部、例えば９９％を含む角度として考えられる。光源光２５０は光源ギャップ２８４に等しい距離を進み、照射スポット２５３においてスケール格子８０を照射する。

スケール格子８０の表面起伏構造によって零次反射が抑制され、また、スケール格子８０のデューティサイクルによって、図５を参照して以下で詳細に説明するように、偶数次回折が抑制される。
さて、±３回折次数、および、それより高次の奇数回折次数は、位置測定分解能を向上させるために光ファイバリードヘッドの測定信号を正確に補間する能力を一般に損なう。そこで、本実施形態の光ファイバリードヘッドは、±３回折次数、および、それより高次の奇数回折次数に起因する光の検出を避けるように配置される。

従って、本実施形態の光ファイバリードヘッドにおいて問題になるのは、±１回折次数の光だけである。なぜなら、これらの回折次数に起因する光と、その干渉だけが光ファイバリードヘッドにおいて検出されるためである。零回折次数、偶数回折次数、３（−３）以上の奇数回折次数の光は図２に示されていないが、これについては図６と図７を参照して以下で詳細に述べる。

±１回折次数の光は、図２に示すように、中心スケール光軸２５５Ａに沿って発散するスケール光２５４Ａ、スケール光軸２５５Ｂ沿って発散するスケール光２５４Ｂとして、回折・反射される。明らかなように、スケール光軸２５５Ａ、２５５Ｂは光源光２５０の中心光線の回折に対応している。従って、スケール光軸２５５Ａ、２５５Ｂが光源光軸２５１に対してなす角は、１次回折角、例えば、光源光２５０の中心光線が、図２に示すように、スケール格子８０にほぼ垂直に入射する場合には、±ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐ_g）によって定義される角度を有する。＋１回折次数スケール光２５４Ａと−１回折次数スケール光２５４Ｂは、それぞれ、スケール光軸２５５Ａ、２５５Ｂを中心として発散し、図２で破線円によって示される照射範囲２５４Ａ’、２５４Ｂ’に照射される。スケール光２５４Ａ、２５４Ｂの照射範囲２５４Ａ’、２５４Ｂ’は共通範囲を有し、この共通範囲が干渉縞２６６を含む干渉範囲２５６’となっている。

干渉範囲２５６’は、スケール格子８０からレシーバギャップ２８５だけ隔たった平面上に存在する。なお、この平面は、前記の基準受光面１６０（図１参照）と一致する。干渉照明範囲２５６は、光源２８０および光源光軸２５１と一致する照明中心２５７を有している。

干渉範囲２５６’内の干渉縞２６６は、それぞれがＹ方向およびＺ方向に沿って延びる明部と暗部とによって構成される。干渉縞２６６は、干渉縞ピッチ（干渉縞周期）Ｐ_ifで測定軸８２に平行な方向（Ｘ方向）に沿って周期的に形成される。干渉縞２６６がスケール格子８０面に垂直な方向（Ｚ方向）に沿って延びているので、スケール格子８０とレシーバ（基準受光面１６０：図１参照）との距離（Ｚ方向）、すなわち、レシーバギャップ２８５の大きさは、レシーバが干渉縞２６６を受光できる許容範囲内で柔軟に設定することができる。

光源２８０は、光ファイバの一端として構成するのが最も簡潔で効果的である。遠隔レーザダイオードなどの光源からのコヒーレント光または準コヒーレント光は、光ファイバの他端から入射されて光ファイバ内を伝送され、その一端としての光源２８０から出射される。この光源用の光ファイバはシングルモードの光ファイバである。この光ファイバは、レンズやコリメータを用いなくても、その出光端から４．５〜１２度の角度範囲の発散半角で発散する光を出射する。

なお、光源２８０は、遠隔ＬＥＤなどの光源からの光を伝送する一またはそれ以上の光ファイバの出光端に周期配置された光源格子開口部であってもよい。
また、光源２８０は、小型固体レーザ素子、固体レーザアレイ、または、光ファイバリードヘッド内に格納された光源格子と小型ＬＥＤ素子とによって構成されてもよい。

図３は、本発明による光ファイバリードヘッド装置３００の第１実施形態を示す。光ファイバリードヘッド装置３００は、図１を参照して既に説明した光ファイバレシーバチャネル装置１００の第１実施形態と、図２を参照して既に説明した光干渉装置２００の第１実施形態を含んで構成されている。

光源２８０は、光源光軸２５１に沿って、光源光２５０を発する。光源光２５０は、光源ギャップ２８４に等しい距離ｚを進み、照射スポット２５３においてスケール８１上にあるスケール格子８０に照射される。照射スポット２５３からは、図２を参照して既に説明したように、＋１回折次数の回折光がスケール光軸２５５Ａに沿ったスケール光２５４Ａとして、−１回折次数の回折光がスケール光軸２５５Ｂに沿ったスケール光２５４Ｂとして出射される。＋１次スケール光２５４Ａと−１次スケール光２５４Ｂとは、レシーバギャップ２８５に等しい距離ｚを進み、そこで干渉して、光ファイバレシーバチャネル装置１００の基準受光面１６０上に前記の干渉照明範囲２５６を生成する。

基準受光面１６０において、チャネル構成中心１５７は、照明中心２５７とほぼ一致している。また、光源２８０も照明中心２５７とほぼ一致している。
位置決め板３０５を用いることによって、装置構成部品の位置決めを容易に行うことができる。位置決め板３０５は、受光ファイバ１３０用の受光ファイバ孔３０６と、光源ファイバ用の光源ファイバ孔３０７とを有し、位相マスク１２０に近接配置される。各受光ファイバ１３０を各受光ファイバ孔３０６に、光源ファイバを光源ファイバ孔３０７に挿入した上で固定することによって、構成部品の位置決めを行う。
なお、図中の矢印３０８は、位置決め板３０５の取付け方向を示している。

基準受光面１６０上において、各位相マスク１２０Ａ〜Ｃが、干渉照明範囲２５６の干渉縞を空間的にフィルタリングする。各位相マスク１２０Ａ〜Ｃは、干渉縞ピッチＰ_ifと等しいマスクピッチＰ_mのマスク格子を有している。また、各位相マスク１２０Ａ〜Ｃは、０度、１２０度、２４０度の空間位相位置に配置されている。
ここで、各位相マスク１２０Ａ〜Ｃにおけるフィルタリング範囲は、その周期構造（マスクピッチＰ_ｍによる位相マスクの周期構造）を少なくとも１つ、好ましくは３つ、より好ましくは６つ含む範囲である。
さて、各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃは、その空間位相差を除いて同様にフィルタリングされた光を受光する。

各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃから得られる各光信号１９１Ａ〜Ｃは、スケール格子８０が測定軸８２に沿って変位するときに、その変位に対して、１２０度の相対位相差を除いてほぼ同一の正弦関数的強度変化を示す。
このような「三相」変位信号に基づいて各位相マスク１２０Ａ〜Ｃに対するスケール格子８０の相対変位を測定するためには、公知の方法が使用できる。干渉縞２６６を生成する±１回折次数の光は、スケール格子８０によって回折されて生じるので、スケール格子８０が測定軸８２に沿って１ピッチ（Ｐ_ｇ）分変位すると、それに応じて、干渉照明範囲２５６内の干渉縞２６６が各位相マスク１２０Ａ〜Ｃに対して２ピッチ（Ｐ_ｉｆ）分変位する。
以上のように、光ファイバリードヘッド装置３００は、変位測定システムを提供する。

図３には、スケール格子８０からの反射光に基づいて変位を測定する反射式光ファイバリードヘッド装置３００を示しているが、スケール格子８０を透過した光に基づいて変位を測定する透過式光ファイバリードヘッド装置も本発明にしたがって構成できる。このとき、光源２８０は、光ファイバレシーバチャネル装置１００に関して透過式スケール格子の反対側に配置される。ここで、光源２８０と透過式スケール格子との間の距離（Ｚ方向）は、所定の光源ギャップ２８４’に調整される。このとき、透過式スケール格子の零次透過光の生成を抑制するために、測定軸に沿って交互に形成される格子要素間において光の１／２波長の奇数倍の光路長差を有するような透過位相格子をスケールに形成し、これを透過式スケール格子として利用する。

前記の通り、光ファイバリードヘッド装置３００は三相測定システムを提供する。なお、直角位相関係、または、より高次の位相関係を有する光信号を供給する位相マスク１２０の実施形態については以下で詳細に説明する。

図４は、本発明による光ファイバリードヘッド装置の第２実施形態４００を示す。この光ファイバリードヘッド装置４００は、既に説明した光ファイバリードヘッド装置３００とほとんど同じように動作する。以下、両者の異なる点について説明をする。図４において符号が付されていない構成要素は、図３における構成要素と同じものである。光ファイバリードヘッド装置４００は、図１を参照して既に説明した光ファイバレシーバチャネル装置１００の第１実施形態と、光干渉装置の第２実施形態を含んで構成されている。

光源２８０は、図４のＸ−Ｚ平面より下方に配置され、Ｙ−Ｚ平面内の光源光軸２５１Ａに沿って光源光２５０を発する。光源光軸２５１ＡがＸ−Ｚ平面となす角度を、−βとする。光源光２５０は、所定の距離ｚ_sを伝播されて、照射スポット２５３においてスケール格子８０に照射される。照射スポット２５３からは、＋１次回折光がスケール光軸２５５ＡＡに沿ったスケール光２５４ＡＡとして、−１次回折光がスケール光軸２５５ＢＢに沿ったスケール光２５４ＢＢとして出射される。スケール光軸２５５ＡＡ、２５５ＢＢは、Ｘ−Ｚ平面に対して＋βの角度をなす。Ｘ−Ｚ平面に対して−βの角度をなす光源光軸２５１Ａに沿った光源光２５０がスケール格子８０に照射されると、Ｘ−Ｚ平面に対して＋βの角度をなすスケール光軸２５５ＡＡ、２５５ＢＢに沿ったスケール光２５４ＡＡ、２５４ＢＢが生じるので、スケール格子８０は、Ｙ−Ｚ平面に平行な光線に対して平面鏡のように作用する。＋１次スケール光２５４ＡＡ、および、−１次スケール光２５４ＢＢは、所定の距離ｚを伝播されて基準受光面１６０に至り、そこで干渉して前記の干渉照明範囲２５６を生成する。

基準受光面１６０上において、チャネル構成中心１５７は照明中心２５７とほぼ一致する。各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃは、その空間位相差を除いて同様に各位相マスク１２０Ａ〜Ｃによってフィルタリングされたスケール光を受光し、これを各光信号１９１Ａ〜Ｃとして伝送する。

光ファイバリードヘッド装置４００では、光源２８０がチャネル構成中心１５７および照明中心２５７から離間して配置されている。
さて、図４には、反射式光ファイバリードヘッド装置４００を示しているが、透過式光ファイバリードヘッド装置も本発明にしたがって構成できる。このとき、光源２８０は、光ファイバレシーバチャネル装置１００に関して透過式スケール格子の反対側、スケール光軸２５５ＡＡとスケール光軸２５５ＢＢとのなす角度の２等分線上に配置される。このとき、透過式スケール格子の零次透過光の生成を抑制するために、測定軸に沿って交互に形成される格子要素間において光の１／２波長の奇数倍の光路長差を有するような透過位相格子をスケールに形成し、これを透過式スケール格子として利用する。

光ファイバリードヘッド装置４００は、三相測定システムを提供する。なお、直角位相関係、または、より高次の位相関係を有する光信号を供給する位相マスク１２０の実施形態については以下で詳細に説明する。

図５は、スケール格子８０の第１実施形態を示す。スケール格子８０は、零次回折および偶数次回折を抑制するように構成されている。また、図６および図７を参照して後述するように、光ファイバリードヘッド装置は、３次以上の回折光の影響を避け、または、排除するように構成、または、配置されている。

図５に示されるスケール格子８０と、図６および図７に示される光ファイバリードヘッド装置とによって、主として±１次回折光のみを検出する高解像度の光干渉式エンコーダを構成できる。この光干渉式エンコーダによれば、光ファイバエンコーダ、セルフイメージングエンコーダなど、測定精度の粗い従来のエンコーダに比べて測定精度を向上させることができる。

上に例示したような光干渉式ではない従来のエンコーダでは、測定精度の向上のためにスケール格子の格子ピッチを小さくしようとしても一定の限界があり、格子ピッチが微小な光干渉式エンコーダ用のスケール格子を用いても、測定を適切に行えない。例えば、セルフイメージングエンコーダにおけるスケール格子ピッチは、約４μｍの反射部と約４μｍの空間部とを含む約８μｍ以上でなければ測定を適切に行うことはできないので、一般に８μｍよりも小さい格子ピッチを有する光干渉式エンコーダ用のスケール格子を使用することはできない。

さて、本実施形態の光干渉式エンコーダでは、微小な格子ピッチＰ_ｇのスケール格子８０を用いて測定を行えるので高精度の測定が可能になる。また、光干渉式エンコーダでは、干渉縞２６６がスケール格子８０面に垂直な方向（図２では、Ｚ方向）に沿って延びているために、動作ギャップ許容差が大きい。
本実施形態では、格子ピッチＰ_ｇ＝２μｍのスケール格子８０を用い、光信号に対して２００Ｘ補間を行うことによって、約５ｎｍの位置解像度を実現できる。
また、本実施形態の光干渉式エンコーダは、コンパクトなサイズでありながら高い位置解像度を実現するという点で、従来の光干渉式エンコーダよりも優れている。

図５において、スケール格子８０は、基板８１上に形成された反射型位相格子であり、測定軸８２に沿って周期構造を有している。スケール格子８０は、測定軸８２に垂直なＹ軸方向に沿って延びる格子要素Ｅを含んで構成され、各格子要素Ｅは凹部要素Ｇによって互いに分離されている。各格子要素Ｅは、格子ピッチＰ_gで測定軸８２に沿って周期的に形成されている。各格子要素Ｅは測定軸８２方向の幅Ｗ_Eを有し、各凹部要素Ｇは測定軸８２方向の幅Ｗ_Gを有している。また、各格子要素ＥはＺ軸方向の高さＨ_Eを有している。

前記のように、反射型スケール格子８０は、零次反射（零次回折）および偶数次回折を抑制するように構成されている。このような回折抑制の手法は当業者にはよく知られている。
例えば、格子要素Ｅおよび凹部要素Ｇの双方にクロムの反射膜を形成させるとともに、格子要素Ｅの高さＨ_Ｅを、零次反射を抑制するための高さ、例えば、光源光２５０の波長の１／４の高さ、に調整すればよい。

また、本実施形態では、Ｗ_Ｅ＝Ｗ_Ｇとしてデューティサイクルを５０％にすることによって、零次反射を抑制するとともに、偶数次回折を抑制する。
凹部要素Ｇへ入射し、かつ、そこで反射する光が、距離Ｈ_Eを往復する際の位相変化ψは、光の波長をλとして、ψ＝−４πＨ_Ｅ／λ・・・（１）である。
格子要素Ｅからの反射光と、凹部要素Ｇからの反射光とが、干渉して互いに弱め合うように、高さＨ_Eは、ψ＝ｋ・π（ｋ：奇数）・・・（２）となるように調整される。

零次反射を抑制し、または、零次反射光がレシーバによって受光されないように、その方向を逸らす方法は、他にもある。例えば、１次回折についてのブレーズがある回折スケール素子を使用する方法や、正弦格子を使用する方法などがある。例えば、正弦格子は、±１次を除く全ての次数の回折を抑制できる。

以下で詳細に説明するように、図５に示す長方形スケール格子８０を用いれば、±１次よりも高次の回折の影響を排除できる。

図６は、基準受光面１６０に照射されるスケール光の様子を示す。
また、図７は、Ｘ−Ｙ平面内に表した図６を、Ｘ−Ｚ平面内に表し直した図である。
図６および図７には、光干渉式光ファイバリードヘッド装置１０００の構成が示されている。

図６に示すように、リードヘッド装置１０００は、６つの光ファイバレシーバチャネルを備えて構成されている。
図７に示されるように、光ファイバリードヘッド装置１０００は、光源光軸２５１に沿って光源光を発するコンパクトな光源を含んで構成され、この光源光は線分２６２、２６３に示されるように発散する。光源光は基準波長λを有している。この光源光は光源ギャップ２８４に等しい距離を伝播し、照射スポット２５３においてスケール格子８０を照射する。
図５を参照して既に説明したように、スケール格子８０の構造が零次反射を抑制し、スケール格子８０のデューティサイクル（例えば、５０％）が零次反射を抑制するとともに、偶数次回折を抑制する。

＋１次回折光はスケール光軸２５５Ａに沿って、−１次回折光はスケール光軸２５５Ｂに沿って、スケール格子８０からリードヘッド装置１０００に向かって伝播される。なお、スケール光軸２５５Ａおよび２５５Ｂの方向は光源光の中心光線の回折光の方向に対応している。ここで、スケール光軸２５５Ａおよび２５５Ｂが光源光軸２５１に対してなす角は、１次回折角±ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐ_g）である。光軸２５５Ａに沿う＋１次回折光、および、光軸２５５Ｂに沿う−１次回折光は、それぞれ、照射範囲２５４Ａ’および２５４Ｂ’に照射される。照射範囲２５４Ａ’および２５４Ｂ’が互いに交わる範囲が干渉範囲２５６’である。

図６に示されるように、スケール格子８０からレシーバギャップ２８５（図７参照）だけ隔たった基準受光面１６０上において、干渉範囲２５６’は、照射範囲２５４Ａ’および２５４Ｂ’に対応する各円の交差によって示される。

図６および図７には、±３次回折光も示されている。＋３次回折光はスケール光軸３５５Ａに沿って、−３次回次光はスケール光軸３５５Ｂに沿って、スケール格子８０からリードヘッド装置１０００に向かって伝播する。＋３次回折光および−３次回折光は、それぞれ、照射範囲３５４Ａ’および３５４Ｂ’に照射される。

図６および図７から容易に理解できるように、照射範囲３５４Ａ’および３５４Ｂ’はリードヘッド装置１０００の受光可能範囲内に入っていない。そのため、±３次回折光は、リードヘッド装置１０００に検出されることはない。したがって、±３次以上の奇数次回折光もリードヘッド装置１０００に検出されることはない。
一般に、エンコーダにおける測定信号補間のための信号処理技術は、測定信号がスケールとリードヘッドとの間の相対変位の正弦関数であることを想定している。さて、±３次回折光は非正弦関数的な測定信号を生成するので、これが光ファイバリードヘッド装置のレシーバチャネル開口部に到達してしまうと、測定信号補間の精度が悪化し、適切な変位測定が行えない。この問題は、±３次以上の奇数次回折光についても当てはまる。

ここで、リードヘッド装置１０００は、前記の通り、＋３次回折光および−３次回折光の照射範囲３５４Ａ’および３５４Ｂ’を避けるように設計されている一方、＋１次回折光および−１次回折光の照射範囲２５４Ａ’および２５４Ｂ’の交差としての干渉範囲２５６’内の干渉光を検出できるように設計されている。
これにより、リードヘッド装置１０００は、正弦関数的な測定信号を生成する±１次回折光の干渉光のみを検出できるので、測定信号の補間が適切に行われ、変位測定を高精度に行うことができる。

図６に示すように、寸法Ｘ₁およびＸ_−１は、それぞれ、リードヘッド装置１０００の中心と、照射範囲２５４Ａ’の左端、および、照射範囲２５４Ｂ’の右端との間の距離（Ｘ方向）である。また、寸法Ｘ_３およびＸ_−３は、それぞれ、リードヘッド装置１０００の中心と、照射範囲３５４Ａ’の左端、および、照射範囲３５４Ｂ’の右端との間の距離（Ｘ方向）である。

±１次回折光に起因する干渉光を受光し、±３次回折光（または、それ以上の次数の回折光）を受光しないようにするためには、光ファイバレシーバチャネルの開口部境界半径Ｒ_ＣＲを、Ｘ₁（≒Ｘ_−１）にほぼ等しく、かつ、Ｘ₃（≒Ｘ_−３）よりも確実に小さくする必要がある。
なお、本発明では、光ファイバリードヘッド装置のレシーバチャネル開口部を放射状（円状）に配置する必要はなく、レシーバ開口部境界半径Ｒ_CRは各レシーバチャネル開口部ごとに異なる値になってもよい。要するに、±１次回折光に起因する干渉光を受光し、±３次回折光（または、それ以上の次数の回折光）を受光しないようにできるのであれば、レシーバチャネル開口部の配置は適宜自由に設計できる。

±１次回折光のみを検出する光ファイバリードヘッド装置１０００の設計方法の一つを、以下、単純なモデルによって示す。
このモデルは、ｍを回折次数として、ｍ＝１（−１）の回折光のみを受光するために、ｍ≧３（ｍ≦−３）の回折光を排除する適切な設計方法を与える。なお、ｍ＝２（−２）の回折光は、デューティサイクルを５０％とすることによって、あるいは、他の手法によって抑制されている。
このモデルでは、まず、リードヘッド装置のレシーバチャネル開口部を含むようなレシーバ開口部境界半径Ｒ_CRを設定する。レシーバチャネル開口部は、例えば、直径ｄの受光ファイバコアと仮定できる。
光源光の発散は、発散角θ_ｉによって表現する。リードヘッド装置は、スケール格子から動作ギャップＺだけ離間して配置される。また、光源光の中心光線はスケール格子面に垂直である。スケール格子からの反射／回折光のうち、例えば、１次回折光（ｍ＝１）が光源光の中心光線方向に対してなす回折角をθ_m=1またはθ₁とする。

光源から発散角θ_ｉで発散された光源光が照射されるスケール格子上の位置を座標ｘ（スケール格子の測定軸の方向）によって表せば（ｘの原点は、光源光の中心光線が照射されるスケール格子上の位置とする）、ｘ＝Ｚ・ｔａｎθ_ｉ・・・（３）が成立する。
図７においては、０をｘの原点とし、ｘ軸は右方向を＋方向とする。また、スケール格子から出射される光を表す際に用いる角度は、スケール格子面の法線方向を基線として時計回り方向を＋方向とする。

今、図７において、最も右側の光源光線２６２が、位置ｘ、すなわち、点２９１においてスケール格子８０に照射され、回折される場合について考える。
図７に示されるように、位置ｘからのｍ＝−１次回折光線２９２がリードヘッド装置１０００の右側へ進むようにすれば、照射スポット２５３内の他の位置ａ＜ｘにおけるｍ＝−１次回折光線がリードヘッド装置１０００に照射されるようになり、リードヘッド装置１０００の受光面上全ての点においてｍ＝−１次回折光線が照射される。
同様に、位置−ｘからのｍ＝＋１次回折光線２９３がリードヘッド装置１０００の左側へ進むようにすれば、照射スポット２５３内の他の位置ｂ＞−ｘにおけるｍ＝＋１次回折光線がリードヘッド装置１０００に照射されるようになり、リードヘッド装置１０００の受光面上全ての点においてｍ＝＋１次回折光線が照射される。
以上のようにして、リードヘッド装置１０００の受光面上全ての点において、ｍ＝±１次回折光線が干渉して干渉縞が生じる。
以上を言い換えれば、図６において、リードヘッド装置１０００における半径Ｒ_CRの円を完全にカバーするようなｍ＝±１次回折光線の干渉範囲２５６’が形成される必要がある。
これを数式で表すと、Ｘ_１＜−Ｒ_ＣＲ、かつ、Ｘ_−１＜Ｒ_ＣＲ・・・（４）となる。

さて、同様の解析により、リードヘッド装置１０００の受光面（検出範囲）にｍ＝±３次回折光線が照射されないようにするための条件を与える数式、Ｘ_−３＜−Ｒ_ＣＲ、かつ、Ｘ_３＞Ｒ_ＣＲ・・・（５）、が得られる。

Ｘ_１、Ｘ_−１、Ｘ_３、Ｘ_−３は、光源光の発散角θ_ｉ、スケール格子とリードヘッド装置との動作ギャップＺ、±１、３次の回折角θ_±１、θ_±３、に基づいて定まる。図７に示されるように、スケール格子８０およびリードヘッド装置１０００は、光源光軸２５１に関して線対称に構成されているので、式（４）、（５）に示される４つの不等式のうち、２つだけを考慮すればよい。ここでは、Ｘ_−１＝Ｚ・（ｔａｎθ_ｉ＋ｔａｎθ_１）＞Ｒ_ＣＲ、および、Ｘ_−３＝Ｚ・（ｔａｎθ_ｉ＋ｔａｎθ_−３）＜−Ｒ_ＣＲ・・・（６）を選択する。

ここで、次の回折式（７）を用いる。ｓｉｎθ_ｍ＝Ｃ_ｍ＝（ｍλ／Ｐ_ｇ）＋ｓｉｎθ_ｉ、ｍ＝１、３・・・（７）
この式（７）を、式（６）に代入すれば、Ｘ_−１＝Ｚ・（ｔａｎθ_ｉ＋Ｃ_１・（１−Ｃ_１ ^２）^−１／２）＞Ｒ_ＣＲ・・・（８）、および、Ｘ_−３＝Ｚ・（ｔａｎθ_ｉ＋Ｃ_−３／（１−Ｃ_−３ ^２）^−１／２）＞Ｒ_ＣＲ・・・（９）が得られる。

動作ギャップＺの望ましい大きさは、これらの各式から決定できる。あるいは、これらの各式によって、与えられた波長λに対して、発散角θ_ｉ、動作ギャップＺ、格子ピッチＰ_gの三軸によって表される３次元マップを作成でき、このマップに基づいて適切なＲ_CRの大きさを決定できる。

以下、前記の各式を用いた計算例について説明する。
波長λを６３５ｎｍ、レシーバ開口部境界半径Ｒ_ＣＲを３７５μｍとする。これを基に、所定範囲内の格子ピッチＰ_ｇ、動作ギャップＺ、発散角θ_ｉに対して、Ｘ_−１およびＸ_−３を求める。この計算により、発散角θ_ｉおよび動作ギャップＺを適当な値に設定すれば、２μｍ以下の微小な格子ピッチＰ_gのスケール格子であっても使用可能であることが示される。特に、開口部境界半径Ｒ_ＣＲを小さくし、動作ギャップＺおよび発散角θ_ｉを大きくすれば、格子ピッチＰ_ｇを最小にすることができる。
例えば、波長λを６３５ｎｍ、境界半径Ｒ_CRを３７５μｍ、発散角θ_ｉを９〜９．５度、動作ギャップＺを２．５〜３．０ｍｍとすれば、以上の各式より、４μｍの格子ピッチＰ_ｇと５０％のスケール格子デューティサイクルとを有するスケール格子を、本実施形態のリードヘッド装置による変位測定に利用できることがわかる。

発散角θ_ｉは、光源２８０を構成する光ファイバを適宜選択することにより、調整できる。具体的には、光ファイバにおける光伝送コアの幾何学的配置や、光ファイバにおける出光端部の構造などによって、発散角θ_ｉを調整できる。

なお、位相マスクを有するマスク素子に穴をあけることによって、ファイバ先端レンズなどのための追加スペースを設けてもよい。
また、受光ファイバに近接配置されたマスク素子では、エッチングまたは機械加工によって光源ファイバの位置に中心領域を形成させてもよいし、光源ファイバからの光の発散角を増加させるレンズを形成するために、その屈折率を調整してもよい。また、マスク素子の表面における中心部（光源ファイバの位置）に回折レンズを取り付けてもよい。
光源ファイバの先端形状を調整してレンズを構成させる手法に比べて、マスク素子にレンズを取り付ける手法によれば、組み立て後の光ファイバの先端を磨くのが容易になり、また、マスク素子を位置決めしてフェルールに取り付ける際に、レンズの光ファイバに対する位置決めを有効に行うことができる。

リードヘッド装置においては、動作ギャップＺおよび動作ギャップ許容差も重要である。本実施形態のリードヘッド装置は、光干渉式エンコーダなので、干渉縞２６６がＺ軸に沿って延びている（図２参照）。
ここで、動作ギャップＺが小さすぎると±３次回折光がレシーバチャネル開口部に到達してしまい、また、動作ギャップＺが大きすぎると回転位置決め不良に対する許容差が減少してしまう。しかし、本実施形態では、前記の各式に従って、約１ｍｍ以上の動作ギャップ許容差を実現できる。

照射光の波長を小さくすることによってスケール格子ピッチＰ_ｇを小さくできるので、６３５ｎｍ以下の波長の照射光を用いれば、格子ピッチＰ_ｇを２μｍよりもかなり小さくできる。具体的には、λ＝３７５ｎｍの照射光を供給するＵＶレーザダイオードと、格子ピッチＰ_g＝１．２μｍのスケール格子と、直径８０μｍの石英ガラスなどのＵＶ伝送光ファイバとを用いて、Ｒ_CR＝１２０μｍにできる。ここで、前記の式（８）によれば、約９．８度の発散角θ_ｉと、約３ｍｍの動作ギャップＺとを有するリードヘッド装置を構成できる。

既に概説したように、実際に使用する光源ファイバが、望ましい発散角の光源光を生成する上での適切なＮＡを有していない場合には、望ましいＮＡを実現するために、ＧＲＩＮレンズを設け、あるいは、光源ファイバの先端を成形することが可能である。

さて、スケール格子ピッチを小さくすると、リードヘッド装置における偏揺れ位置決め不良に対する感度が増大してしまう。従って、微小な格子ピッチのスケール格子を使用するためには、設計・組み立てを適切に行い、偏揺れ位置決め不良に対する感度の増大の影響を抑えなければならない。これについては、図１６を参照して以下で詳細に説明する。

なお、Ｐ_ｇ＜３・λ、であるようなスケール格子を使用してもよい。このようにすれば、３次回折は直ちに減衰するので、リードヘッド装置の設計・配置の如何によらず、リードヘッド装置が３次回折光を検出することがなくなる。その一例として、λ＝４０５ｎｍの波長の光を発するレーザダイオードと、格子ピッチＰ_ｇ＝０．９６μｍのスケール格子と、直径８０μｍの光ファイバとを用いて、Ｒ_CR＝１２０μｍにできる。

リードヘッド装置は、約１５度の光源光発散角を生成するように構成されている。動作ギャップを約１ｍｍ以上にすれば、この光源光発散角に対して、リードヘッド装置は正常に動作可能である。この場合、±１次回折光以外の次数の回折光は、その発生が抑制されるか、あるいは、発生しても直ちに減衰するので、リードヘッド装置は、その設計・組み立て如何によらず、±１次回折光のみを検出できる。

なお、干渉範囲２５６’内の干渉縞２６６が、スケール格子ピッチＰ_gにほぼ等しい干渉縞ピッチＰ_ifを有するような場合には、位相マスクのマスクピッチＰ_ｍを、スケール格子ピッチＰ_gに等しく設定するのがよい。

スケール格子８０を照射する光源光が発散するために、干渉照明範囲２５６内の干渉縞２６６は、干渉照明範囲２５６の中心近くでは理想的な縞になっているが、干渉照明範囲２５６の中心から離れた部分では大きくゆがんだ縞になってしまう。
ところが、本実施形態のリードヘッド装置は、非常にコンパクトに構成されているので、干渉照明範囲２５６内において干渉縞２６６が理想的な縞になっている中心部分のみに配置できる。このとき、リードヘッド装置は、理想的な縞となっている干渉縞２６６の部分のみを検出できるので、測定精度が著しく向上する。

干渉照明範囲２５６内の干渉縞２６６はＹ軸に平行である（図６参照）ので、干渉照明範囲２５６の中心を通り、かつ、Ｙ軸に平行な直線上において、干渉縞２６６はより理想的な縞になっている。そこで、複数のレシーバチャネル開口部のうちいくつかを干渉照明範囲２５６の中心から比較的離れた位置に配置する場合でも、干渉照明範囲２５６の中心を通り、かつ、Ｙ軸に平行な直線の近傍に配置すれば、それらのレシーバチャネル開口部は、より理想的な縞に近い干渉縞を検出できるので、測定精度を向上させることができる。

さて、動作ギャップが大きくなると、干渉照明範囲２５６が大きくなり、干渉照明範囲２５６の一部をカバーするように配置されるリードヘッド装置において検出される光の強度が小さくなる。そこで、本実施形態では、動作ギャップは、望ましい光信号レベル（検出光強度）の確保と、リードヘッド装置のコンパクト化との兼ね合いによって、その値が決定される。

動作ギャップ許容差は一般に、リードヘッド装置において検出される光信号レベルが、測定を適切に行うことができる程度に維持されるように、その値が決定される。
また、動作ギャップが大きくなると、リードヘッド装置において、動的な位置決め不良ピッチ誤差に対する感度が増大してしまう。そこで、前記誤差に対する感度を低減させる必要がある場合には、動作ギャップは比較的小さく設定される。

図８は、種々の光源光発散角に対する、最小動作ギャップＺと、光ファイバリードヘッド装置のレシーバ開口部境界半径Ｒ_ＣＲとの間の関係を示すグラフ６００である。グラフ６００の関係は、式（３）〜式（９）を参照して既に述べたモデルに基づいており、ここでは、波長がλ＝６３５ｎｍ、スケール格子ピッチがＰ_ｇ＝４μｍである。ここで、リトロー（Littrow）角＝λ／（２・Ｐ_g）は約４.５５度である。

グラフ６００において、直線６１１、６２１、６３１は、それぞれ、式（８）によって規定され、Ｒ_CRの各値に対して、全てのレシーバチャネル開口部を確実に±１次干渉光照明範囲２５６内に収めるための最小動作ギャップＺを示す線である。なお、直線６１１、６２１、６３１は、それぞれ、６．８度＝１.５・＊リトロー角、９．１度＝２・リトロー角、１１．４度＝２．５・リトロー角、の光源光発散角に対応する線である。

また、直線６１３、６２３、６３３は、それぞれ、式（９）によって規定され、Ｒ_CRの各値に対して、いずれのレシーバチャネル開口部にも±３次回折光が到達しないようにするための最小動作ギャップＺを示す線である。なお、直線６１３、６２３、６３３は、それぞれ、６．８度＝１．５・リトロー角、９．１度＝２・リトロー角、１１．４度＝２．５・リトロー角、の光源光発散角に対応する線である。

光源光発散角がリトロー角を超えないと、±１次回折光照明範囲２５６が適切に形成されない。そこで、本実施形態では、光源光発散角がリトロー角を超えるように設計される。また、動作ギャップをより小さくするためには、光源光発散角が「１．５・リトロー角」を超えるのが好ましい。
グラフ６００において直線６１１、６２１、６３１によって示すように、光源光発散角を「１．５・リトロー角」から「２・リトロー角」まで増大させれば、動作ギャップを約２分の１に小さくでき、光源光発散角を「２．５・リトロー角」まで増大させると、動作ギャップは更に小さくできる。

さて、約９．１度の光源光発散角に対応する直線６２１および６２３を考えると、直線６２１によって示される最小動作ギャップＺは、Ｒ_CR＝１.０ｍｍに対して６ｍｍを若干超えている。ここで、最小動作ギャップは約６ｍｍ以下であることが好ましく、そのため本実施形態では、全てのレシーバチャネル開口部が２・Ｒ_CR＝２・１＝２.０ｍｍの直径を有する円内に配置される。

直線６１１〜６３３は比例関係を表すので、レシーバ開口部境界半径Ｒ_CRが例えば４分の１に減少すると、最小動作ギャップＺも４分の１に減少する。そのため、最小動作ギャップＺを小さくしてリードヘッド装置をコンパクトにするためには、レシーバ開口部境界半径Ｒ_CRを小さくすればよく、例えば、Ｒ_ＣＲを１.０ｍｍ、０.７５ｍｍ、あるいは更に小さくすればよい。

既に述べたように、動作ギャップを大きくすると、干渉照明範囲２５６が大きくなってリードヘッド装置の受光信号強度が減少する。そのため、動作ギャップをできるだけ小さくするのが好ましい。
そこで、本実施形態では、動作ギャップは、レシーバ開口部境界半径Ｒ_CRの１０倍、さらには、５倍よりも小さく設定される。例えば、Ｒ_CR＝０．３７５ｍｍにおける図８の線６３０と直線６２１の交点６２２に対応するリードヘッド装置は、３.７５ｍｍ（１０・Ｒ_ＣＲ）より小さい動作ギャップで構成される。

図９は、本発明による光ファイバリードヘッド装置の第３実施形態５００であり、図３を参照して既に説明した光ファイバリードヘッド装置３００と同様に構成され同様に動作する。両者の構成および動作が類似しているので、追加説明を必要とする部分のみについて光ファイバリードヘッド装置５００を説明する。

光ファイバリードヘッド装置５００は、前記の光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃと同様に動作する三つの光ファイバレシーバチャネル５９０Ａ〜Ｃを含んでいる。例えば、光ファイバレシーバチャネル５９０Ａは、レシーバチャネル開口部５１０Ａと位相マスク５２０Ａと受光ファイバ５３０Ａとを含んで構成される。また、透明材料で構成される位相マスク素子５６１と、前記の位置決め板３０５と本質的には同じ位置決め板３０５’と、光源ファイバ５７０の先端によって構成される光源５８０とが設けられる。

光源ファイバ５７０は、図１２を参照して以下で説明するように、遠隔レーザ源に近接配置される光源ファイバ５７０の遠隔端において入力されたレーザ光を伝送する。レーザ光は、光源ファイバ５７０の先端から光源光として出射される。光源ファイバ５７０の先端部は、位相マスク素子５６１に装着される。

位相マスク素子５６１は、位相マスク５２０Ａ〜Ｃを含む三角形の素子である。位相マスク素子５６１は透明であり、光源５８０からの光源光は位相マスク素子５６１を透過されて伝播される。

位相マスク５２０Ａ〜Ｃは、それぞれ、４μｍの格子ピッチＰ_ｇを有するスケール格子８０によって生成される干渉縞ピッチＰ_ｉｆと一致する４μｍのマスクピッチＰ_ｍを有する。スケール格子８０は、リードヘッド装置５００から約２.５±０.５ｍｍの動作ギャップで離間される。光源５８０は、６３５ｎｍのレーザ光を出射し、スケール格子８０を照射する。このとき、レーザ光のエネルギーの約９０％を含む約９度の光源光発散角に対して、符号５４０によって図示されるレシーバ開口部境界半径Ｒ_CRは約０.３７５ｍｍに設計される。

位相マスク５２０Ａ〜Ｃは、三相測定システムを提供する。
ここで、位相マスク５２０Ａにおける格子バー５２１Ａの例えば右側のエッジ（縁）の位置に注目する。このエッジ位置に対応する位相マスク５２０Ｂにおける格子バーのエッジ位置は、Ｘ軸の正方向に１２０度だけ空間的に位相シフトしている。なお、３６０度の空間位相は、マスクピッチおよび干渉縞ピッチに等しい４μｍに対応するので、前記の（１／３）・３６０＝１２０度の空間位相シフトは、（１／３）・４≒１．３３μｍの位置シフトに対応する。
また、位相マスク５２０Ｃにおける格子バーの対応エッジ位置は、Ｘ軸の負方向に１２０度（約１．３３μｍに対応）だけ空間的に位相シフトしている。

各位相マスク５２０Ａ〜Ｃのデューティサイクルは５０／５０である。
なお、デューティサイクルは５０／５０である必要はない。例えば、干渉縞中の残存空間高調波を抑制し、または、干渉縞収差などを補正するために、位相マスク５２０のデューティサイクル（更にはマスクピッチＰ_ｍ）を調整してもよい。
位相マスク５２０の格子バー５２１は、対応するレシーバチャネル開口部５１０を完全に覆うように形成される。

さて、各光ファイバレシーバチャネル５９０Ａ〜Ｃにおける各レシーバチャネル開口部５１０Ａ〜Ｃの面積が互いに等しくても、各レシーバチャネル開口部５１０Ａ〜Ｃに対する各位相マスク５２０Ａ〜Ｃの相対形成位置の相違に起因して、各レシーバチャネル開口部５１０Ａ〜Ｃにおける実質的な開口面積が、各光ファイバレシーバチャネル５９０Ａ〜Ｃごとに異なり、差異（位相マスクオフセット）が生じてしまう。ここで、実質的な開口面積とは、各レシーバチャネル開口部５１０Ａ〜Ｃのうち、各位相マスク５２０Ａ〜Ｃの格子バーによって遮光されていない部分の面積をいい、要するに、各位相マスク５２０Ａ〜Ｃの格子バー間の透光領域の総面積を指す。
位相マスクオフセットは、各光ファイバレシーバチャネル５９０Ａ〜Ｃにおける各位相信号の振幅を不均衡にするので、位相測定誤差の原因になる。
特に、各位相マスク５２０Ａ〜ＣのマスクピッチＰ_ｍが各レシーバチャネル開口部５１０Ａ〜Ｃのサイズに比べて粗ければ、位相マスクオフセットが大きくなるので、位相測定誤差が大きくなってしまう。

そこで、本実施形態では、前記位相マスクオフセットに起因する位相測定誤差を小さく抑えるため、各レシーバチャネル開口部５１０Ａ〜Ｃの直径を、対応する位相マスク５２０Ａ〜Ｃのマスクピッチの少なくとも３倍、５倍、さらには、８倍にしている。

光ファイバリードヘッド装置５００において、光源ファイバ５７０は５０μｍの外径を有しており、図１や図３を参照して既に説明したように、チャネル構成中心１５７と同心である。各受光ファイバ５３０の外径は２５０μｍであり、それらは全てチャネル構成中心１５７からの同一半径位置に置かれる。この半径がレシーバ開口部境界半径Ｒ_CR（５４０）であり、本実施形態では、３７５μｍである。

全ての光ファイバの端は、位置決め板３０５’および位相マスク素子５６１に、光学接着剤などにより接着されている。
本発明者は、光ファイバリードヘッド装置５００で行われる光信号の信号処理において、１０分の１μｍよりも相当小さい解像度と、サブミクロンの精度とが実現されることを見出した。
以上の光ファイバリードヘッド装置５００の全ての構成要素は、約７５０μｍの直径内に収納される。

図１０は、受光ファイバ５３０を示す。受光ファイバ５３０は、直径Ｄ_RC（５３４）のクラッド５３３と、導波管または多重導波管として機能する直径Ｄ_RA（５３２）の中心コア５３１とを有している。コア５３１は、レシーバチャネル開口部５１０となる。多数の薄膜によって構成される付加的なバッファ層５３５によって、レシーバ外径はＤ_RF（５３６）になる。なお、バッファ層５３５は、必ずしも設ける必要はない。
なお、本実施形態において、バッファ層５３５は、クラッド５３３を保護し、かつ、組み立ての容易化の観点から最適なレシーバ外径Ｄ_RFを実現するために形成される。

受光ファイバ５３０は、２００／２２０／２５０μｍのコア／クラッド／バッファ直径＝Ｄ_RA／Ｄ_RC／Ｄ_RFを有するマルチモードのシリカファイバである。なお、クラッド５３３としては、５μｍ以下の微小な厚みのものを用いてもよい。
レシーバ外径５３６に対する最大のコア直径５３２比を有し、大きなレシーバチャネル開口部直径を提供する受光ファイバを用いれば、以下で詳細に説明するように、信号強度を強くし、測定精度を著しく向上できる。
クラッド５３３によって、受光ファイバ５３０の光アイソレーションが行われる。
本実施形態では、プラスチック製の受光ファイバ５３０が使用される。

なお、領域５１０内においてクラッディング材料によって点在させられた多数のコアを有するマルチコアファイバを使用することもできる。この場合、マルチコアを構成する個々のコアが、それぞれ、一つのレシーバチャネルを構成する。

図１１は、図９の光源ファイバ５７０を示す。光源ファイバ５７０は、直径Ｄ_SC（５７４）のクラッド５７３によって囲まれた直径Ｄ_SA（５７２）の中心コア５７１を有する。クラッド５７３は、ファイバ外径Ｄ_SF（５７６）を与えるバッファ層５７５によって囲まれている。バッファ層の厚みを調節することによって、ファイバ外径Ｄ_ＳＦ（５７６）を望ましい大きさに調節すれば、リードヘッド装置の組み立てを容易にでき、また、リードヘッド装置の直径を所望の大きさに調整できる。

レーザダイオード光源を用いる場合、安定した光信号を検出し、高い測定精度を実現するためには、シングルモードの光ファイバとして光源ファイバが機能しなければならないことを本発明者は見出した。

６３５ｎｍの波長の光に対して、シングルモードファイバとしての光源ファイバ５７０の最適なコア直径Ｄ_SAは約４μｍである。このとき、光源ファイバ５７０は、実質的に点光源として機能する。
なお、リードヘッド装置の直径を小さくするために、光源ファイバ５７０の外径Ｄ_ＳＦを、その光出射端において５０μｍより小さくしてもよい。また、リードヘッド装置の組み立てを用意にするために、光源ファイバ５７０の外径Ｄ_ＳＦを、その光出射端において５０μｍより大きくしてもよい。

本実施形態では、光源ファイバ５７０として、３Ｍ社製の部品番号ＦＳ−ＳＮ−３２２４を使用している。この光源ファイバ５７０は、Ｄ_SF＝２５０μｍの外径を有しており、図１０を参照して既に説明した受光ファイバ５３０の外径と一致している（Ｄ_RA／Ｄ_RC／Ｄ_RF＝２００／２２０／２５０μｍ）。このため、以下で説明するように、リードヘッド装置の組み立てが容易になる。
なお、光源ファイバ５７０として、３Ｍ社製の部品番号ＦＳ−ＳＣ−３３１４を使用してもよい。この光ファイバでは、Ｄ_SC＝８０μｍ、Ｄ_SF＝２００である。

光源ファイバ５７０として、開口数の小さなシングルモードの光ファイバを利用することによって、光源ファイバ５７０について特殊な先端処理を行わず、また、追加的にレンズを設けなくても、本実施形態の光干渉式リードヘッド装置における測定に好適な比較的小さな発散角の光源光を提供できる。
図８に示される直線６２３（発散角９．１度）と直線６３３（発散角１１．４度）との比較によって理解できるように、発散角が大きくなると、±３次回折光の検出を避けるための最小動作ギャップＺが大きくなってしまう。本実施形態では、コンパクトなリードヘッド装置を構成するのが好ましいので、動作ギャップが大きくなるのは好ましくない。そこで、本実施形態では、シングルモードの光源ファイバ５７０を使用して、発散角を小さくすることによって、リードヘッド装置のコンパクト化に寄与している。本実施形態によれば、発散角を、例えば、１２度未満、１０度未満、さらには、８度未満にできる。

図１２は、光ファイバリードヘッド装置８００と、これと共に使用される遠隔電子インターフェースユニット８０５とを示すブロック図である。
遠隔電子インターフェースユニット８０５は、信号処理制御ユニット８９３と、所定のレンズを含む光源（遠隔光源）／レンズ８７７と、複数の光センサ／アンプ８９２１、８９２２・・・８９２ｎとを含んで構成される。

光源／レンズ８７７は、光アイソレータなどの他の光学部品を含んでもよい。
光源／レンズ８７７、および、光センサ／アンプ８９２１、８９２２・・・８９２ｎは、それぞれ、光源ファイバ８７０、および、受光ファイバ８３０１、８３０２・・・８３０ｎを介して、光ファイバリードヘッド装置８００に接続される。

光源ファイバ８７０および受光ファイバ８３０１〜８３０ｎは、リードヘッドケーブル８９５内を挿通される。このリードヘッドケーブル８９５は、光ファイバリードヘッド装置８００と遠隔電子インターフェースユニット８０５との間で各光ファイバを集め、それらを保護する。
リードヘッドケーブル８９５は数メートルまたはそれ以上の長さであってもよい。

受光ファイバ８３０１〜８３０ｎは、それぞれ、リードヘッド装置８００からの光信号８９１１〜８９１ｎを、各光センサ／アンプ８９２１〜８９２ｎへ伝送する。光信号８９１１〜８９１ｎは、既に述べた通り、位相信号である。

光源／レンズ８７７は、信号処理制御ユニット８９３から、電力およびゲイン制御信号を受け取る。光源／レンズ８７７は、受け取った電力およびゲイン制御信号に基づいて、光源ファイバ８７０を介して光ファイバリードヘッド装置８００に光源光を伝送する。この光源光は、スケール格子に照射される。リードヘッド装置８００における光ファイバレシーバチャネルは、スケール格子からの反射光または透過光を受光し、それが光センサ／アンプ８９２１〜８９２ｎに入力される光信号８９１１〜８９１ｎになる。光センサ／アンプ８９２１〜８９２ｎは、光信号８９１１〜８９１ｎを増幅し、電子出力信号８９１１’〜８９１ｎ’として信号処理制御ユニット８９３へ出力する。

図１３は、光ファイバリードヘッド装置の第４実施形態１０００を示す。光ファイバリードヘッド装置１０００は、図３を参照して既に説明した光ファイバリードヘッド装置３００とほぼ同じように動作し、図９を参照して既に説明した光ファイバリードヘッド装置５００とほぼ同様の構成要素を含んでいる。構成および動作が類似しているので、追加説明を必要とする部分について光ファイバリードヘッド装置１０００を説明する。

光ファイバリードヘッド装置１０００は、既に説明した光ファイバレシーバチャネル１９０と同様に動作する３つの光ファイバレシーバチャネル１０９０Ａ〜Ｃを有する第１チャネルセットを含んで構成される。また、光ファイバリードヘッド装置１０００は、各光ファイバレシーバチャネル１０９０Ａ〜Ｃと照明中心２５７に関して反対側に、それぞれ配置された各光ファイバレシーバチャネル１０９０Ａ’〜Ｃ’を有する第２チャネルセットを含んで構成される。各レシーバチャネル開口部１０１０上に記載された番号対１−１、２−２、３−３は、それぞれ、レシーバチャネルの対を表している。

リードヘッド装置１０００は、破線および破断面によって部分的に図示された円筒状フェルール６０１を有するリードヘッドハウジング６００を備えている。フェルール６０１の内径は、受光ファイバ１０３０および光源ファイバ１０７０が密着固定されて形成されるファイバ束の外径と略一致している。組み立てに際しては、ファイバ束を、フェルール６０１に、その先端が取付け面６０２を越えてわずかに突出するまで挿入する。この状態で、ファイバ束とフェルール６０１とを互いに接着する。それから、ファイバ束の先端が、取付け面６０２と同一平面上にくるように研削・研磨する。それから、位相マスク素子１０６１を、顕微鏡を利用してファイバ束の端部に位置決めし、取付け表面６０２に接着する。本実施形態では、位相マスク素子（マスク基板）１０６１における、ファイバ束の端部に対向する側の面上に位相マスク１０２０を形成させる。

さて、光源ファイバ１０７０の先端部は、光源１０８０を構成する。
光源ファイバ１０７０、および、６本の受光ファイバ１０３０の外径は、全て２５０μｍで共通である。このため、光源ファイバ１０７０を中心ファイバとして、６本の受光ファイバ１０３０を６角形状に容易かつ正確に配置できるので、計７本の光ファイバの位置決めを精密に行うことができ、測定精度を向上させることができる。
なお、光源ファイバ１０７０の外径は２５０μｍより小さくすることもできるが、本実施形態では、計７本の光ファイバの位置決めを高精度に行うために、光源ファイバ１０７０の外径を意図的に大きくし、６本の受光ファイバ１０３０の外径に揃えて２５０μｍとしている。

図９に示す光ファイバリードヘッド装置５００における３ファイバレシーバチャネル配置と比較して、本実施形態の６ファイバレシーバチャネル配置では、受光量が２倍になる。
なお、光ファイバリードヘッド装置１０００の構成部品は、直径１．０ｍｍ以下の領域内に全て収納できるので、コンパクトな光ファイバリードヘッド装置１０００を提供できる。

図１４は、光ファイバリードヘッド装置１０００に使用される位相マスク素子１０６１を示す。位相マスク素子１０６１は位相マスク１０２０Ａ〜Ｃと１０２０Ａ’〜Ｃ’とを含んで構成される。各位相マスク１０２０は、遮光性の格子バー１０２１を有する。格子バー１０２１は、厚みｔ、幅ｗの透光性基板１０６５の表面１０６２上に周期的に配置されている。クロム、銅、または、それらの酸化物などが、格子バー１０２１を形成するための材料として利用できる。また、ガラス、水晶などが、基板１０６５の材料として利用できる。

格子バー１０２１の損傷を避けるため、基板１０６５にはマスク領域の外側にエッジマージン１０６６が設けられる。エッジマージン１０６６の幅は一定である必要がないので、基板１０６５の形状は比較的自由に決定できる。例えば、無駄のないスクライビングまたはダイシングを可能にするために、基板１０６５を、六角形（図示）、円形、長方形、正方形などの形状にすることができる。

各位相マスク１０２０Ａ〜Ｃ、１０２０Ａ’〜Ｃ’が形成されるマスク領域とは、格子バー１０２１を含む領域のことである。このマスク領域は、全てのレシーバチャネル開口部１０１０を覆うのに十分なサイズを有する。
マスク素子１０６１の中心部には、開口部１０６４を有する位置決めリング１０６３が設けられる。入り決めリング１０６３は、光源ファイバ１０７０の位置決め用のリングであり、光源ファイバ１０７０から供給される光源光は開口部１０６４内を通過されて出射される。開口部１０６４は、図１１を参照して既に説明したシングルモードコア直径Ｄ_SA≒４μｍよりも数倍大きい。
本実施形態では、位相マスク素子１０６１は、ソーダ石灰ガラス製で、０.２５ｍｍの厚みｔと、２.０ｍｍの幅ｗとを有し、同じく２.０ｍｍの外径を有するフェルール６０１に取付け可能になっている。

マスク格子バー１０２１は、前記の通り、干渉縞のピッチと一致するマスクピッチでＸ方向に沿って周期配置されている。
ここで、各位相マスク１０２０は、０度（１０２０Ａと１０２０Ａ’）、１２０度（１０２０Ｂと１０２０Ｂ’）、２４０度（１０２０Ｃと１０２０Ｃ’）の空間位相を有している。各位相マスク１０２０間の境界は、顕微鏡を用いて容易に見ることができる。これにより、位相マスク素子１０６１を各受光ファイバ１０３０に対して正確に位置決めできる。

図１５は、光ファイバリードヘッド装置およびケーブルの第１実施形態１２００を示す。光ファイバリードヘッドおよびケーブル１２００は、図３を参照して既に説明した光ファイバリードヘッド装置３００とほぼ同じように動作し、図１３を参照して既に説明した光ファイバリードヘッド装置１０００を含んで構成されている。構成および動作が類似しているので、説明を簡略化し、特にリードヘッドハウジング６００’とケーブル６９５について説明する。

リードヘッドハウジング６００’は、フェルール６０１を含んで構成される。
位相マスク素子１０６１は、カラーによって包囲されている。カラーは、位相マスク素子１０６１の取付け面６０２から見て突出されるように形成されており、取付け面６０２が、カラーの端面６０２’から見て奥に引っ込んだ位置に配置される。そのため、位相マスク素子１０６１は、カラーによって保護され、位相マスク素子１０６１の表面の損傷を防止できる。

カラーの端面６０２’には、食いつき部６０４が設けられる。この食いつき部６０４によって、リードヘッド装置１０００用の取付け孔にリードヘッド装置１０００を挿入して取付ける作業を容易に行えるようになる。

取付け孔にリードヘッド装置１０００を挿入して取り付ける際に、所望の深さでリードヘッド装置１０００の挿入を停止できるように、リードヘッドハウジング６００’には鍔状の停止片６０６が形成される。これにより、リードヘッド装置１０００の取付け孔への挿入を所望の深さで停止できるから、リードヘッド装置１０００と図示しないスケール格子との間のレシーバギャップを所望の大きさに正確に一致させることができる。なお、停止片６０６とフェルール６０１とは一体的に形成されている。

フェルール６０１は、リードヘッド装置１０００を種々の装置に取り付ける際の位置決めを容易かつ正確に行うための位置決め溝６０５を有する。位置決め溝６０５の形成方向は、位相マスク１０２０の格子バーの方向とほぼ一致している。

光ファイバ１０３０および１０７０は、フェルール６０１およびリードヘッドケーブル６９５内に収納される。
リードヘッドケーブル６９５は、光ファイバ束の一般的な外被である。矢印６９６で図示するように、ケーブル６９５は、リードヘッドハウジング６００’の後部に挿入され、接着剤などによって所定の位置に固定される。ケーブル６９５は、光ファイバ束を保護し、歪まないようにする。既に述べたように、ケーブル６９５は、ほとんどの信号損失なしに数１０メートル以上に延ばすことができる。

本実施形態では、リードヘッドハウジング６００’の外径を１〜２ｍｍ程度に小さくできる。そのため、リードヘッドハウジング６００’やケーブル６９５の遠隔端を工業標準ＰＭ−ＦＣコネクタに接続できる。

図１６は、偏揺れ位置決め不良の検討図である。６つの位相マスク１３２０Ａ〜Ｃ、１３２０Ａ’〜Ｃ’によって模式的に表された６つの光ファイバレシーバチャネルは、照明中心１３５７の周りに正六角形状に配置されている。
この例では、照明中心１３５７を、以下で詳細に説明する回転偏揺れ位置決め不良の回転中心であると仮定する。

各光ファイバレシーバチャネルは、レシーバ開口部位置半径Ｒ_ＡＬ、測定方向１３８２に垂直で回転中心１３５７を通る直線１３０１を基線とする角度Ψ_ｉ（ｉ＝Ａ〜Ｃ、Ａ’〜Ｃ’）、の位置に配置される。この幾何学的配置において、照明中心１３５７を回転中心とする回転偏揺れ位置決め不良θが生じると、各位相マスク１３２０ｉの位置では、測定方向１３８２に沿ってシフトΔＸ_ｉが生じる。レシーバ開口部位置半径Ｒ_ＡＬ、角度Ψ_ｉの光ファイバレシーバチャネルについて、シフトΔＸ_ｉは、ΔＸ_ｉ＝Ｒ_ＡＬ・θ・ｃｏｓΨ_ｉ・・・（１０）、を満たす。

位相マスク１３２０Ａ、１３２０Ａ’のように、測定方向１３８２に対応する方向に沿って配置された位相マスク１３２０ｉにおいては、Ψ_ｉ＝±π／２なので、式（１０）により、ΔＸ_ｉ＝０、となって、回転偏揺れ位置決め不良θの大きさによらず、ほとんどシフトΔＸ_ｉが生じない。
一方、位相マスク１３２０Ｂ、１３２０Ｃ、１３２０Ｂ’、１３２０Ｃ’においては、大きなシフトΔＸ_ｉが生じる。

さて、シフトΔＸ_ｉは、位相マスク１３２０ｉを含む光ファイバレシーバチャネルにおいて位相誤差を生成する。
互いに対になる位相マスク１３２０ｉおよび１３２０ｉ’においては、シフトの大きさは同じであり（｜ΔＸ_ｉ｜＝｜ΔＸ_ｉ’｜）、シフトの向きは逆である（矢印１３０２および１３０２’参照）。
そこで、互いに対になる光ファイバレシーバチャネルの受光信号を加算すれば、回転偏揺れ位置決め不良θに起因する信号位相誤差を相殺できる。

同様に、回転ロール／ピッチ位置決め不良による信号誤差も、互いに対になる光ファイバレシーバチャネルの受光信号を加算すれば、相殺できる。
さらに、互いに対になる光ファイバレシーバチャネルの受光信号を加算すれば、電子ノイズを増大させることなく信号レベルを大きくできるという利点もある。

各位相マスク１３２０Ａ、１３２０Ａ’を含む各光ファイバレシーバチャネルの受光信号は０度の基準位相を有し、両者の光学的な和として検出信号Ｕ_Rが生成される。同様に、各位相マスク１３２０Ｂ、１３２０Ｂ’を含む各光ファイバレシーバチャネルの受光信号は１２０度の基準位相を有し、両者の光学的な和として検出信号Ｕ_Sが生成され、各位相マスク１３２０Ｃ、１３２０Ｃ’を含む各光ファイバレシーバチャネルの受光信号は２４０度の基準位相を有し、両者の光学的な和として検出信号Ｕ_Ｔが生成される。

これらの各検出信号Ｕ_Ｒ、Ｕ_Ｓ、Ｕ_Ｔは、次の式によって、互いに位相が９０°異なる直交信号Ｑ₁およびＱ₂に変換できる。
Ｑ_１＝｛Ｕ_Ｔ−Ｕ_Ｓ−（１−２・ｃｏｓα）・（Ｕ_Ｒ−Ｕ_Ｓ）｝／（ｃｏｓα−１）・・・（１１）、Ｑ_２＝｛Ｕ_Ｔ−Ｕ_Ｓ＋（１＋２・ｃｏｓα）・（Ｕ_Ｒ−Ｕ_Ｓ）｝／ｓｉｎα・・・（１２）。
ここで、α＝１２０度である。なお、αの値は、製造時の組立て誤差などに起因する位相誤差の補償ファクタとして若干調整することもできる。

なお、０、１２０、２４０度とは異なる位相を、３つのレシーバチャネルについて選択することもできる。位相の選択に当たっては、ある２つのレシーバチャネル間の位相差（例えば、チャネル対Ｃ／Ｃ’とチャネル対Ａ／Ａ’との位相差は２４０度）が、他の２つのレシーバチャネル間の位相差（例えば、チャネル対Ｂ／Ｂ’とチャネル対Ａ／Ａ’との位相差は１２０度）の２倍でありさえすればよい。従って、位相マスク１３２０Ａ〜Ｃ、１３２０Ａ’〜Ｃ’に対して選択できる位相としては、０、１００、２００度が例示できる。

さて、測定されるリードヘッド装置の位置Ｘは、２πを周期（modulo）とする次の２変数アークタンジェント関数を用いて決定できる。Ｘ＝（Ｐ_ｇ／２π）・ａｔａｎ（Ｑ_１、Ｑ_２）・・・（１３）。ここで、Ｐ_ｇは、スケール格子の格子ピッチである。式（１３）に示す２変数「ａｔａｎ」関数は公知であり、数学プログラムによって記述される。この関数結果は、ラジアン単位のＱ_１／Ｑ_２のアークタンジェントである。ここで、２変数を使用すれば、結果として得られる角度の象限を決定できる。すなわち、結果角度は、−ｐｉ／２と＋ｐｉ／２との間ではなく、−ｐｉと＋ｐｉとの間にある。
なお、位相信号を位置に変換するための式は、以上で説明した式に限られず、本発明では、これ以外の式を位相信号‐位置変換に用いてもよい。

また、互いに一定位相αだけ異なる位相を有する４つの光ファイバレシーバチャネルを含んで構成されるリードヘッド装置においては、Carre技法を利用できる（例えば、Gary Cloud著「エンジニアリング解析の光学的方法（Optical Methods of Engineering Analysis）」（ケンブリッジ大学プレス、１９９８年、４８８〜４８９ページ）参照）。なお、Carre技法は、多波長光干渉法においてしばしば用いられるが、本実施形態における位相信号の処理にも利用できる。

さて、完全な正弦関数的変化を伴う位相信号を得るのは困難であり、完全な正弦関数的出力からのずれは、光の波長またはスケール格子の格子ピッチの空間高調波を含む。
特に、光干渉式エンコーダにおける主な誤差は第３空間高調波の形をとる。そこで、本実施形態では、３相光ファイバリードヘッド装置が用いられる。本実施形態では、各レシーバチャネルにおける受光信号に含まれる第３空間高調波誤差は、式（１１）、（１２）に対応する信号処理を行うことによって、そのほとんどが除去される。

なお、本発明では、２相または４相の光ファイバリードヘッド装置を構成することもできる。この場合、第３空間高調波誤差は、位相マスクのデューティーサイクルを３３％程度にすることによって、除去できる。

以下の表１は、図１６において模式的に配置された位相マスクについての位相設定例を示す。表１において、「対構成？」は、図１３における空間位相が互いに等しい『１−１』、『２−２』、『３−３』のようなチャネル対が構成されているか否かを「Ｙｅｓ」「Ｎｏ」によって示すものである。表１において、記号「×」は、その位相マスク位置に位相マスクが形成されないことを意味するが、「×」の位相マスク位置には、組立てを容易にするためのダミーファイバ（光の伝送には関与しないファイバ）を設けてもよい。

表１に示す５相構成と６相構成に対する位置演算手法は、当業者にとって周知である。したがって、任意の位相数に対して容易に位置演算を行うことができる。
なお、５相構成の光ファイバリードヘッド装置によれば、第９次までの空間高調波誤差を除去または補償できる。

図１７は、光ファイバリードヘッド装置の第５実施形態１４００を示す。正六角形状の位相マスク素子１４６１は、図１３に示す光ファイバリードヘッド装置１０００に関して既に述べたように、一本の光源ファイバ１４７０を囲んで密着配置された６本のファイバ１４３０の位置決めに用いられる素子である。マスク素子１４６１は、内径６０３を有するフェルール６０１の取付け面６０２に取り付けられる。
二本のファイバ１４３０Ｘはダミーファイバであり、他の４本の受光ファイバ１４３０を正六角形の４つの頂点上に正確に配置するためだけに設けられる。

４本の受光ファイバ１４３０に対応する位相マスク１４２０Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’を有する各レシーバチャネルは、図示するように、それぞれ、２７０度、９０度、０度、１８０度の相対空間位相を有する。これは、従来のように、位相が９０°異なる信号を得るためである。ここで得られた位相信号は、４相構成のリードヘッド装置について表１に与えられた式を用いて、あるいは、他の公知の信号処理方法を用いて解析され、位置が演算される。表１に与えられた式、（Ｐ_ｇ／２π）・ｔａｎ^−１｛（Ｐ_１８０−Ｐ_０）／（Ｐ_２７０−Ｐ_９０）｝、を見れば分かるように、位置演算に当たって、光ファイバリードヘッド装置１４００において互いに反対側に配置される光ファイバレシーバチャネルの受光信号は減算される。

本実施形態では、各位相マスク１４２０間に、各位相マスク１４２０を包囲するように不透明マージン１４６６が設けられる。不透明マージン１４６６によれば、迷光が受光ファイバのクラッドに入り込んで、図１２に示す光センサに偶然到達するのを防止でき、また、各位相マスクの縁の部分でフィルタリングされた光が、それと隣接する位相マスクのレシーバチャネルに入り込むことによって信号誤差が発生するのを防止できる。

図１８は、図１７を参照して述べた光ファイバリードヘッド装置１４００と同様に構成された、光ファイバリードヘッド装置の第６実施形態１５００を示す。光ファイバリードヘッド装置１５００は、フェルール６０１の取付け面６０２に取り付けられた略正方形の位相マスク素子１５６１を含んで構成される。マスク素子１５６１には、図示するように、それぞれ、２７０度、９０度、０度、１８０度の相対空間位相を有する位相マスク１５２０Ａ、１５２０Ａ’、１５２０Ｂ、１５２０Ｂ’、および、受光ファイバ１５３０Ａ、１５３０Ａ’、１５３０Ｂ、１５３０Ｂ’と、光源ファイバ１５７０とが取り付けられている。

光ファイバリードヘッド装置１５００は、図１７に示されるものと同様な４相リードヘッド装置である。但し、図１７よりも構成部品が少なくなっている。光源ファイバ１５７０の直径と、４本の受光ファイバ１５３０Ａ、１５３０Ａ’、１５３０Ｂ、１５３０Ｂ’の直径とを、異なる大きさにすることによって、光源ファイバ１５７０を中心として、互いに当接される４本の受光ファイバ１５３０の正方形配置が実現されている。なお、本実施形態によれば、レシーバ開口部境界半径Ｒ_CRを、図１７に比べて小さくできる。また、光源ファイバ１５７０の直径Ｄ_SFは、受光ファイバ１５３０の直径をＤ_RFとして、Ｄ_SF＝０.４１４２Ｄ_RFに設定される。なお、この式は、図１８の幾何学配置から導き出される式である。

一般に、図１８のように、ファイバ外径Ｄ_SFを有する１本の光源ファイバの周りにファイバ外径Ｄ_RFを有するｎ本の受光ファイバを密着配置させるためには、光源ファイバ外径Ｄ_SFは、以下の式（１４）を満たさなければならない。Ｄ_SF＝Ｄ_RF・［｛１／ｓｉｎ（１８０°／ｎ）｝−１］・・・（１４）

式（１４）により、チャネル構成中心から同半径位置にあるｎ個のレシーバチャネルを構成できる。このｎ個のレシーバチャネルによれば、互いに均衡のとれたｎの受光信号を得ることができるので、測定の高精度化のためには都合がよい。

なお、同じ外径を有する９本の光ファイバ、すなわち、１本の光源ファイバ、および、８本の受光ファイバを用いて、光源ファイバを中心として８本の受光ファイバを正方形状に密着配置することもできる。このとき、前記９本のファイバからなるファイバ束を収納するフェルールの孔を断面正方形状に形成すれば、ファイバ束をフェルールの孔に挿入するだけで、前記の正方形密着配置を実現できる。フェルールの断面正方形状の孔は、例えば、放電加工によって形成できる。フェルールの孔の断面正方形の一辺の長さをｓとすれば、９本のファイバの直径は、それぞれ、ｓ／３である。この９本のファイバを、３×３行列状に配置してフェルールの断面正方形状孔に挿入すれば、９本のファイバの正方形配置が実現される。

また、例えば、図１８に示す基本構成を、Ｙ方向、すなわち、測定方向８２に垂直な方向に沿った隣接場所にもう一つ設けることによって、二組の４レシーバチャネル装置を構成できる。このような二組のレシーバチャネル装置を収納するために、長方形のフェルールや、二つの円形ボアを設けるのが好ましい。また、二組のレシーバチャネル装置をカバーできる単一の位相マスク素子を設けてもよい。
以上のように、レシーバチャネル装置を複数組設けることによって、リードヘッド装置全体の受光量を大きくできるので、測定の高精度化にとっては好ましい。

図１９は、図９を参照して既に説明した３相光ファイバリードヘッド装置５００の構成を備え、同様に動作する、光ファイバリードヘッド装置の第７実施形態１６００を示す。構成および動作が類似しているので、追加説明を必要とする部分について光ファイバリードヘッド装置１６００を説明する。

光ファイバリードヘッド装置１６００は、前記の光ファイバレシーバチャネル１９０と同様に動作する３つの光ファイバレシーバチャネル１６９０Ａ〜Ｃを含んで構成されている。例えば、光ファイバレシーバチャネル１６９０Ａは、レシーバチャネル開口部１６１０Ａと位相マスク１６２０Ａと受光ファイバ１６３０Ａ（図示せず）とを含んで構成される。なお、他の光ファイバレシーバチャネル１６９０、と１６９０Ｃも、同様に番号付けされた同様な構成要素を含んでいる。また、リードヘッド装置１６００は、透光性の位相マスク素子１６６１と、上部Ｖ溝位置決め素子７０４および下部Ｖ溝位置決め素子７０５と、光源ファイバ１６７０の先端によって構成される光源１６８０とを含んで構成されている。

位相マスク素子１６６１は、前記の位相マスク素子５６１と同様に構成され、各位相マスク１６２０Ａ〜Ｃは、それぞれ、各レシーバチャネル開口部１６１０Ａ〜Ｃをカバーするように配置される。各レシーバチャネル開口部１６１０Ａ〜Ｃは、それぞれ、上部Ｖ溝位置決め素子７０４におけるＶ溝７０９と、下部Ｖ溝位置決め素子７０５のＶ溝７０７、７０８とによって位置決めされている。なお、位相マスク１６２０Ａ、１６２０Ｂ、１６２０Ｃは、それぞれ、０度、１２０度、２４０度の対応する空間位相を有している。

リードヘッドハウジング７００は、長方形フェルール７０１を備える。長方形フェルール７０１の長方形孔には、上部Ｖ溝位置決め素子７０４および下部Ｖ溝位置決め素子７０５が嵌合され、このとき、両Ｖ溝位置決め素子は、境界７０６において密着されている。Ｖ溝位置決め素子７０４および７０５は、シリコンによって構成されている。上部および下部Ｖ溝位置決め素子７０４および７０５内に置かれた各ファイバ１６３０Ａ〜Ｃ、１６７０が互いに密着されて配置されるように、Ｖ溝７０７〜７０９は形成されている。また、位置決め用のダミーファイバ１６３０Ｘが設けることによって、各ファイバの位置決めを正確に行うことができる。

以上の各構成部品の組立ては、以下のように行う。まず、各ファイバを、上部および下部Ｖ溝位置決め素子７０４および７０５に挿入して位置決めする。続いて、上部および下部Ｖ溝位置決め素子７０４および７０５を、その境界面７０６において互いに軽く押し付け、その状態で、長方形フェルール７０１の長方形孔に挿入する。挿入が完了したら、各ファイバ、および、Ｖ溝位置決め素子７０４、７０５を、フェルール７０１に接着する。続いて、各ファイバを研磨し、Ｖ溝位置決め素子７０４および７０５の前面と同一面にする。それから、位相マスク素子１６６１を、顕微鏡を用いて各ファイバ端に対して位置決めし、Ｖ溝位置決め素子７０４、７０５、または、フェルール７０１に接着する。

以上のように組み立てられる光ファイバリードヘッド装置１６００は、約２〜３ｍｍ、あるいはそれ以下の幅および高さ寸法を有する。
なお、本実施形態では、組立てを正確に行うために、光源ファイバ１６７０の外径を意図的に大きくし、また、ダミーファイバを設けている。

図２０Ａは、スケール格子８０の第１方向において、光ファイバリードヘッド装置と共に使用可能な光ディフレクタ（光偏向器）１９００を示す。図１３を参照して既に説明した光ファイバリードヘッド装置１０００と同様な光ファイバリードヘッド装置１０００’は、発散光源光をビームパス１９０１に沿って光ディフレクタ１９００に入射させる。光ディフレクタ１９００において、発散光源光は、スケール格子８０に向かうビームパス１９０２に沿うように９０度屈折される。なお、光ディフレクタ１９００の反射面の法線は、ビームパス１９０１、および、ビームパス１９０２の双方に対して４５度の角度をなす。

同様に、スケール格子８０から出射（反射・回折）されたスケール光は、ビームパス１９０２に沿って光ディフレクタ１９００に入射され、光ディフレクタ１９００によって中心光線がビームパス１９０１に沿うように９０度屈折されてリードヘッド１０００’に入射される。

スケール格子８０は、光ファイバリードヘッド装置１０００’に対して測定軸方向８２に沿って移動可能である。スケール光は、前記の通り、光ファイバリードヘッド装置１０００’の光ファイバレシーバチャネルのチャネル構成中心と一致する照明中心を有する干渉照明範囲内において干渉縞を生成する。

ディフレクタ１９００は、ビームパス１９０１に沿う光源光線を、それに対して９０度の角度をなすビームパス１９０２に沿う光線へと屈折させる。また、ビームパス１９０２は、スケール格子８０面に対して垂直である。

ディフレクタ１９００は、光ファイバリードヘッド装置に対して直接的または間接的に取り付けられた、反射直角プリズム、鏡などの光学部品である。
なお、ディフレクタ１９００に位相マスクを形成させることによって、ディフレクタ１９００に位相マスク素子としての機能を持たせてもよい。

図２０Ａにおいては、光ファイバリードヘッド装置１０００’は、その長手方向がスケール格子８０の測定軸８２の方向と直交している。
ディフレクタ１９００を設けることによって、リードヘッド装置１０００’とスケール格子８０との相対位置関係をある柔軟に決定できるから、特定方向には設置スペースがとれないような場合であっても、その特定方向を避けるようにリードヘッド装置１０００’およびスケール格子８０を設置できる。したがって、使い勝手のよい、変位測定エンコーダシステムを提供できる。

図２０Ｂは、二つの異なるスケール格子８０および８０’の第２方向において使用される光ディフレクタ１９００を示す。光ディフレクタ１９００の構成・作用などは、図２０Ａを参照して説明したものとほぼ同じである。

さて、第２方向に対しては、光ファイバリードヘッド装置１０００’は、その長手方向がスケール格子８０の測定軸８２の方向にほぼ平行になっている。このとき、光ファイバリードヘッド装置１０００’における位相マスクの格子バーは、干渉縞に平行になるように配置される。従って、図２０Ａのリードヘッド装置１０００’に対して、図２０Ｂのリードヘッド装置１０００’は、その長軸、すなわち、ビームパス１９０１の周りに９０度回転した位置に配置されている。

また、図２０Ｂは、スケール格子８０’を示す。スケール格子８０’は、円筒状スケール部材８１’の表面に沿う円筒状スケールを構成している。円筒状スケール格子８０’の曲がりは、スケール格子８０’から生じる干渉縞を若干乱すので、測定精度をある程度下げてしまう。しかしながら、光源光の円筒状スケール格子８０’上における照射スポットが微小なので、干渉縞は適切に生成され、十分な測定精度を実現する。

例えば、４μｍの微小格子ピッチを有すると共に、約２５ｍｍまたはそれ以上の円筒直径を有する円筒状スケール格子８０’は、本実施形態の光ファイバリードヘッド装置１０００’と共に使用された場合、ほとんど平板状スケール格子と同等の測定精度を実現できる。

図２１は、回転スケール格子８０’’に対して第１方向に配置された光ファイバリードヘッド装置と共に使用可能な取付けブラケット２０００と光ディフレクタ１９００’とを示す。
図２１は、図１５を参照して既に説明したリードヘッドハウジング６００’と同様なリードヘッドハウジング６００”を含む構成を示す。リードヘッドハウジング６００’’は、図１５に示すフェルール６０１と同じフェルール６０１’を含んで構成される。但し、位置決め溝６０５’が、位置決め溝６０５に対して９０度だけ回転した位置に追加的に設けられている。

取付けブラケット２０００は、ファスナーホール２００５と、ボア２００１と、位置決めリッジ２００２とを含んで構成される。ボア２００１の直径は５ｍｍ以下であり、フェルール６０１’の直径と一致する。位置決めリッジ２００２は、位置決め溝６０５または６０５’と係合できる位置に配置され、その大きさが決定されている。ボア２００１および位置決めリッジ２００２は、取付けブラケット２０００を製造するための押出成形工程の際に形成される。なお、ボア２００１および位置決めリッジ２００２は、ドリルやブローチによって穿設されてもよい。また、位置決めリッジ２００２は、ボア２００１に沿ってジベルやドリルブランクを設けることによって構成してもよい。
光ディフレクタ１９００’は前記の光ディフレクタ１９００と類似または同一のものである。光ディフレクタ１９００’は、取付けブラケット２０００に直接取り付けられる。

また、前記各実施形態では、照明ファイバの出光端を光源としていたが、本発明では、電子固体光源素子を光源として使用してもよい。

図２０Ａと同様に、リードヘッドハウジング６００’’を含むリードヘッド装置における位相マスクの格子バーは、回転スケール格子８０’’から生じる干渉縞に平行になるように形成される。位置決め溝６０５が位置決めリッジ２００２と係合されて互いに正確に位置決めされるように、リードヘッドハウジング６００’’がボア２００１に挿入されることにより、位相マスクとスケール格子８０’’との間の位置決めが正確に行われる。リードヘッドハウジング６００’’は、光ディフレクタ１９００’と当接するまでボア２００１内に挿入される。

なお、取付けブラケット２０００の寸法と、停止片６０６’のリードヘッドハウジング６００’’における形成位置とを適宜調整し、停止片６０６’が取付けブラケット２０００の背面と当接されるまでリードヘッドハウジング６００’’をボア２００１内に挿入してもよい。
ボア２００１内に挿入されたリードヘッドハウジング６００’’は、接着剤または機械的方法によって、取付けブラケット２０００に対してしっかりと固定される。

図示しないスケール格子８０’’に対する第２方向（図２０Ｂ参照）においては、リードヘッドハウジング６００”を、その長軸が回転スケール格子８０’’の測定軸８２の方向に略平行になるように位置決めされる。これに合わせて、取付けブラケット２０００のボア２００１の向きも回転スケール格子８０’’の測定軸８２の方向に略平行になるように調整される。

リードヘッド装置の位相マスクの格子バーは、回転スケール格子８０’’から生じる干渉縞に平行となるように形成しなければならない。そこで、今度は位置決め溝６０５’を位置決めリッジ２００２に係合させ、位置決め溝６０５を使用したときに比べて位相マスクの向きを９０度回転させる。

以上のように、取付けブラケット２０００を設けることによって、リードヘッドハウジング６００’’のスケール格子８０’’に対する位置決めを容易かつ正確に行うことができる。
また、位置決めリッジ２００２に係合させる位置決め溝６０５、６０５’を切り替えることにより、スケール格子８０’’における第１方向測定、第２方向測定の切り替えを容易に行うことができ、使い勝手のよい変位測定エンコーダシステムを提供できる。
なお、取付けブラケット２０００は、回転スケール格子８０’’に限らず、他の種々のスケール格子に対しても使用できるのはもちろんである。

回転スケール格子８０’’の曲がりは、そこから生じる干渉縞を若干乱すので、測定精度をある程度下げてしまう。しかしながら、光源光の回転スケール格子８０’’上における照射スポットが微小なので、干渉縞は適切に生成され、十分な測定精度を実現する。例えば、８μｍの微小格子ピッチを有すると共に、約２５ｍｍまたはそれ以上の直径を有する回転スケール格子８０’’は、本実施形態の光ファイバリードヘッド装置と共に使用された場合、ほとんど直線状スケール格子と同等の測定精度を実現できる。

なお、本発明は前記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、±３次回折光がレシーバチャネル開口部に到達しないような構成について説明したが、そもそも、±３次回折光の強度は、±１次回折光の強度よりも格段に小さいので、±３次回折光がレシーバチャネル開口部に到達するような構成としても、ある程度以上の測定精度は実現できる。

また、前記各実施形態では、光源とリードヘッド装置とはスケール格子パターンに対して同じ側に配置され、スケール格子パターンは反射要素を含んで構成され、干渉照明範囲は、光源から出射され反射要素によって反射された光によって生成されるとして説明をしたが、本発明では、光源とリードヘッド装置とはスケール格子パターンを挟んで互いに反対側に配置され、スケール格子パターンは透光要素を含んで構成され、干渉照明範囲は、光源から出射され透光要素を透過された光によって生成されるとしてもよい。

また、前記各実施形態では、平板状の基板を備え、この基板の長手方向に沿ってスケール格子パターンが形成されるスケール格子８０、円板状の基板を備え、この基板の円周方向に沿ってスケール格子パターンが形成されるスケール格子８０’’、円筒状の部材を備え、この部材の表面上、その円周方向に沿ってスケール格子パターンが形成されるスケール格子８０’、について説明したが、本発明では、テープ状の部材を備え、この部材の表面上、その長手方向に沿ってスケール格子パターンが形成されるスケール格子パターンを使用してもよい。

本発明は、変位の測定に利用できる。

本発明による光ファイバレシーバチャネル装置の第１実施形態を示す等角投影図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置において使用可能な光干渉装置の第１実施形態を示す等角投影図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置の第１実施形態を示す等角投影図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置の第２実施形態を示す等角投影図。 本発明によるスケール格子の第１実施形態の格子パターンを示す等角投影図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置における受光面を示す正面図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置およびスケール格子を示す平面図。 種々の光源光発散角に対して、最小動作ギャップと、レシーバ開口部境界半径との間の関係を示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置の第３実施形態を示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置に使用可能な受光ファイバを示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置に使用可能な光源ファイバを示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置と共に使用可能な遠隔電子インターフェースユニットを含むブロック図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置の第４実施形態を示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置に使用可能な位相マスク素子を示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置およびケーブルの第１実施形態を示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置において生じる偏揺れ位置決め不良を模式的に示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置の第５実施形態を示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置の第６実施形態を示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置の第７実施形態を示す図。 本発明による光ファイバリードヘッド装置と共に使用可能な光ディフレクタを示す図。 回転スケール格子に対して第１の方向に配置された、本発明による光ファイバリードヘッド装置と共に使用可能な取付けブラケットおよび光ディフレクタを示す図。

符号の説明

８０…スケール格子
１００…光ファイバレシーバチャネル装置
１１０…レシーバチャネル開口部
１２０…位相マスク
１３０…受光ファイバ
１５７…チャネル構成中心
１６０…基準受光面
１９０…光ファイバレシーバチャネル
２００…光干渉装置
２５６…干渉照明範囲
２６６…干渉縞
２８０…光源
３００…光ファイバリードヘッド装置
５６１…位相マスク素子
５７０…光源ファイバ
６００…リードヘッドハウジング
８０５…遠隔電子インターフェースユニット
１９００…光ディフレクタ
２０００…組立てブラケット
２００１…ボア

Claims (15)

1. 測定方向に沿って形成されるスケール格子パターンを有するスケールと、
   このスケールに光を照射する光源と、
   前記スケール格子パターンからの回折光によって生成される干渉照明範囲内に配置されるリードヘッド装置とを備え、
   前記リードヘッド装置は、複数の光ファイバレシーバチャネルを備え、
   前記各光ファイバレシーバチャネルは、
   所定の空間位相位置に配置され、所定のマスクピッチで形成される遮光要素を含んだ周期構造を有し、前記干渉照明範囲内の干渉光をフィルタリングする位相マスクと、
   前記干渉光が前記位相マスクにおける所定のフィルタリング範囲においてフィルタリングされることによって生成されるチャネル信号光が入力される入力端を有する受光ファイバとを備え、
   前記スケール格子パターンによって生成される±１次回折光が到達し、かつ、±３次回折光が到達しない、略円状領域内に設けられ、
   前記フィルタリング範囲は、前記位相マスクの少なくとも１つの周期構造を含む範囲とされ、
   前記各受光ファイバに入力された前記各チャネル信号光を基に、前記スケールと前記リードヘッド装置との前記測定方向に沿った相対変位を測定する、
   ことを特徴とする変位測定装置。
2. 請求項１に記載の変位測定装置において、
   前記各位相マスクの各空間位相の間に所望の関係が確立されるように、前記各位相マスクを、透光性を有するマスク基板上に設ける、
   ことを特徴とする変位測定装置。
3. 請求項２に記載の変位測定装置において、
   前記各位相マスクが、前記マスク基板における前記各受光ファイバの前記入力端と対向する側の面に設けられることによって、
   前記各位相マスクが、それと対応する前記各入力端と対向される、
   ことを特徴とする変位測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の変位測定装置において、
   前記各光ファイバレシーバチャネルは、それぞれ、前記各受光ファイバのコア面積に基づく受光範囲を有し、
   前記複数の光ファイバレシーバチャネルのうち少なくとも３つの光ファイバレシーバチャネルにおける前記各受光範囲の中心が、前記リードヘッド装置における所定のチャネル構成中心から同じ距離だけ隔たった位置に配置される、
   ことを特徴とする変位測定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の変位測定装置において、
   前記複数の光ファイバレシーバチャネルは、２Ｎ（Ｎ≧２）の光ファイバレシーバチャネルからなるＮ対の光ファイバレシーバチャネル対を含んで構成され、
   前記各光ファイバレシーバチャネル対は、前記Ｎ対の光ファイバレシーバチャネル対のチャネル構成中心を挟んで正反対の位置に配置される２つの光ファイバレシーバチャネルによって構成され、
   前記各光ファイバレシーバチャネル対における２枚の前記位相マスクは、空間位相が等しい／空間位相に１８０°の差がある、のいずれか一方である、
   ことを特徴とする変位測定装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の変位測定装置において、
   前記リードヘッド装置の構成要素を収納するリードヘッドハウジングが設けられ、
   このリードヘッドハウジングは、前記各受光ファイバに平行な方向に沿って長尺、かつ、前記各受光ファイバに垂直な方向に沿って短尺であり、直径が５ｍｍ以下のボアに前記長尺方向に沿って挿入可能に設けられる、
   ことを特徴とする変位測定装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の変位測定装置において、
   前記各チャネル信号光が前記スケールと前記リードヘッド装置との間の相対変位に対して正弦関数的な変化を示すように、前記各光ファイバレシーバチャネルを構成する、
   ことを特徴とする変位測定装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の変位測定装置において、
   前記各位相マスクにおける前記フィルタリング範囲は、当該位相マスクの少なくとも３つの周期構造を含む範囲とされる、
   ことを特徴とする変位測定装置。
9. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の変位測定装置において、
   前記各位相マスクにおける前記フィルタリング範囲は、当該位相マスクの少なくとも６つの周期構造を含む範囲とされる、
   ことを特徴とする変位測定装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の変位測定装置において、
    前記スケール格子パターンは、その法線方向が、前記リードヘッド装置における各光ファイバレシーバチャネルのレシーバチャネル形成面の法線方向に対して垂直になるように形成され、
    前記スケール格子パターンと前記リードヘッド装置との間には、前記スケール格子パターンの法線方向、および、前記レシーバチャネル形成面の法線方向の双方に対して４５°の角度をなす法線を有する反射面が設けられる、
    ことを特徴とする変位測定装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の変位測定装置において、
    前記光源は、電子固体光源素子、および、入光端において遠隔光源からの光が供給される照明ファイバの出光端、の少なくともいずれかによって構成される、
    ことを特徴とする変位測定装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の変位測定装置において、
    前記光源と前記リードヘッド装置とは、前記スケール格子パターンに対して同じ側に配置され、
    前記スケール格子パターンは、反射要素を含んで構成され、
    前記干渉照明範囲は、前記光源から出射され、前記反射要素によって反射された光によって生成される、
    ことを特徴とする変位測定装置。
13. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の変位測定装置において、
    前記リードヘッド装置における所定のチャネル構成中心と同心の中心ファイバが設けられ、
    この中心ファイバは、その後端において前記光源から光源光の供給を受け、その先端において前記光源光を前記スケールに向けて出射し、
    前記複数の受光ファイバのうち少なくとも３本の受光ファイバが、前記中心ファイバに当接するように配置される、
    ことを特徴とする変位測定装置。
14. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の変位測定装置において、
    前記光源と前記リードヘッド装置とは、前記スケール格子パターンを挟んで互いに反対側に配置され、
    前記スケール格子パターンは、透光要素を含んで構成され、
    前記干渉照明範囲は、前記光源から出射され、前記透光要素を透過された光によって生成される、
    ことを特徴とする変位測定装置。
15. 請求項１から請求項１４のいずれかに記載の変位測定装置において、
    前記スケールは、
    平板状の基板を備え、この基板の長手方向に沿って前記スケール格子パターンが形成される、
    または、
    円板状の基板を備え、この基板の円周方向に沿って前記スケール格子パターンが形成される、
    または、
    円筒状の部材を備え、この部材の表面上、その円周方向に沿って前記スケール格子パターンが形成される、
    または、
    テープ状の部材を備え、この部材の表面上、その長手方向に沿って前記スケール格子パターンが形成される、
    ことを特徴とする変位測定装置。

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