JP4713908B2 - レンズシステム、及び、これを用いた光電式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、レンズシステム、及び、これを用いた光電式エンコーダに係り、特に、メインスケールと受光素子の間に、レンズとアパーチャが挿入されたテレセントリック光学系を持つ光電式エンコーダの改良に関する。

特許文献１に記載されているように、図１に示す如く、メインスケール２０と、受光部３０を構成する例えば受光素子アレイ３４の間に、レンズ４２、及び、テレセントリック光学絞りとしてのアパーチャ４４からなるレンズ光学系（テレセントリック光学系）４０を挿入して、図２に示す如く、レンズ４２とメインスケール２０のスケール２１及び受光素子アレイ３４上の受光素子３５間の距離ａ、ｂを調整することにより、倍率設定ができるようにされた光電式エンコーダが考えられている。図１において、１０は光源、ｆはレンズ４２の焦点距離である。

このテレセントリック光学系４０を用いた光電式エンコーダでは、メインスケール２０上の像をレンズ光学系（４２、４４）を通して受光素子アレイ３４上に投影させる。ここで、アパーチャ４４をレンズ４２の焦点位置に配置することで、メインスケール２０とレンズ４２間の距離（ギャップ）が変動しても、レンズ４２とアパーチャ４２と受光素子アレイ３４の位置関係が変動しなければ、受光素子アレイ３４上に結像される像の倍率変動を抑えることができる。

特開２００４−２６４２９５号公報

しかしながら、このようなテレセントリック光学系４０を用いた光電式エンコーダにおいては、独立したレンズ４２とアパーチャ４４を、メインスケール２０と受光素子３４の間に、レンズ４２の焦点位置にアパーチャ４４が来るように挿入する必要があるため、光学部品の数が増え、小型化に不利なだけでなく、特にレンズ４２とアパーチャ４４のアライメント調整が難しいという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、レンズとアパーチャのアライメント調整が容易で、テレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダを小型化することが可能なレンズシステムを提供することを第１の課題とする。

本発明は、又、前記レンズシステムを用いた光電式エンコーダを提供することを第２の課題とする。

本発明は、片側が平面で、且つ、該平面の中心に焦点が来るレンズと、開口が前記焦点に来るよう、前記平面に固着されたアパーチャと、を備えたことを特徴とするレンズシステムにより、前記第１の課題を解決したものである。

更に、前記アパーチャの反対側に、片面が平面で、且つ、該平面の中心に焦点が来るレンズを、該焦点が前記アパーチャの開口に来るように固着して、アパーチャの両側にレンズが配置された両側テレセントリック光学系に、そのまま用いることができるようにしたものである。

又、前記アパーチャの両側に、同じレンズを固着して、入側のレンズで発生する収差を出側のレンズでほぼ完全に逆補正し、収差をほぼ完全にキャンセルできるようにしたものである。

本発明は、又、前記のレンズシステムを用いて構成されたテレセントリック光学系を持つことを特徴とする光電式エンコーダにより、前記第２の課題を解決したものである。

又、前記のレンズシステムを用いて構成された両側テレセントリック光学系を持つことを特徴とする光電式エンコーダにより、同じく前記第２の課題を解決したものである。

本発明によれば、アパーチャの位置が焦点位置に来るようにレンズとアパーチャを固着したので、光電式エンコーダへの組込み時のレンズとアパーチャのアライメント調整が不要となる。又、レンズとアパーチャは一体化されているので、取扱いが容易であり、小型化も可能である。

特に、アパーチャの両側にレンズを固着した場合には、両側テレセントリック光学系を持つ光電式エンコーダを容易に実現することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図３に示す如く、片側（図の右側）が平面で、且つ、該平面の中心に焦点が来るレンズ６２と、開口が前記焦点に来るよう、前記平面に貼り合わせたアパーチャ６４とを備えたレンズシステム６０を、スケール２０と受光素子３４の間に挿入して、テレセントリック１倍光学系を構成したものである。

前記レンズ６２としては、平凸レンズ、片側非球面レンズあるいは半球レンズを用いることができる。

ここで、レンズ６２の厚みｄ及び曲率半径ｒは、図４に示す如く、スケール２０〜受光素子３４間の光学全長ｘ及び周囲とレンズ媒体の屈折率ｎ₁、ｎ₂から、次のようにして決定することができる。即ち、近軸光線追跡の関係式において、境界面での屈折力φ_１、屈折角α₂、第２面での光線高さｈ₂は、次式で表わすことができる。

φ₁＝（ｎ₂−ｎ₁）／ｒ …（１）
α₂＝α₁＋ｈ₁φ₁ …（２）
ｈ₂＝ｈ₁−（ｄ＊α₂）／ｎ₂ …（３）

例えば平凸レンズの場合、焦点距離ｆと曲率半径ｒの関係は、次式で表わされる。

１／ｆ＝（ｎ₂−１）・（１／ｒ） …（４）

今、テレセントリック１倍光学系において、１面の材質が空気、レンズ厚みｄの位置にレンズ焦点を結ぶ場合、次式の関係が成立する。

ｎ₁＝１（空気）
ｈ₂＝０（集束）
α₁＝０（平行入射）
ｄ＝ｆ＊ｎ_２ …（５）

また、テレセントリック１倍光学系における光学全長ｘは、
ｘ≒４ｆ …（６）

上記（１）〜（６）式からレンズ厚ｄおよび曲率半径ｒは、次式で求めることができる。

ｄ＝ｆ＊ｎ_２≒ｘ＊ｎ₂／４ …（７）
ｒ＝ｆ（ｎ₂−１）≒ｘ（ｎ₂−１）／４ …（８）

尚、上式は、ｄ、ｒを簡易的に求める式であり、厳密な設計を行う際には、（６）式に、屈折率ｎ₂の影響を考慮しなければならない。

前記第１実施形態においては、スケール２０上のトラックの高さと受光素子３４上の像の高さが同じ１倍光学系とされていたが、図５に示す第２実施形態のように、レンズシステム６０におけるレンズ６２の材質（屈折率）、形状（曲率）や配設位置を変えて、Ｍ倍光学系（図５ではＭ＞１）とすることもできる。

次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、第１実施形態と同様のレンズシステム６０において、その反対側（出側）にも、入側のレンズ６２と同じレンズ６６を貼り合わせて、両側テレセントリック１倍光学系としたものである。

本実施形態においては、入側のレンズ６２と出側のレンズ６６が同じ物であるため、入側のレンズ６２で発生する収差を出側のレンズ６６でほぼ完全に逆補正することができ、収差をほぼ完全にキャンセルして、信号検出効率を大きく改善することができる。

又、出側のレンズ６６の焦点がアパーチャ６４に来るようにされているので、出側のレンズ６６を出た光は平行光となり、レンズシステム６０と受光素子３４のギャップが変化しても光学倍率を一定（１倍）に保てるため、ギャップ方向の組立許容範囲を広くすることができ、調整工数を低減することができる。

なお、図７に示す第４実施形態のように、出側のレンズ６６を入側のレンズ６２とは、屈折率や曲率が異なるものとして、入側と出側の光学倍率を１倍以外のＭ倍光学系に変えることもできる。この場合、収差は取り切れない恐れがあるが、ギャップ方向の組立許容範囲は拡大することができる。

本発明は、インデックス格子と受光素子が別体とされたもの、両者が一体とされた受光素子アレイを有するもの、どちらにも適用できる。更に、透過型のエンコーダだけでなく、反射型のエンコーダにも適用できる。

テレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダの要部構成を示す斜視図 同じく平面図 本発明の第１実施形態の要部構成を示す断面図 同じく光学全長及び屈折率からレンズ厚及び曲率半径を求める方法を説明するための線図 本発明の第２実施形態の要部構成を示す断面図 本発明の第３実施形態の要部構成を示す断面図 本発明の第４実施形態の要部構成を示す断面図

符号の説明

２０…メインスケール
３４…受光素子アレイ
６０…レンズシステム
６２、６６…レンズ
６４…アパーチャ

Claims (5)

1. 片側が平面で、且つ、該平面の中心に焦点が来るレンズと、
   開口が前記焦点に来るよう、前記平面に固着されたアパーチャと、
   を備えたことを特徴とするレンズシステム。
2. 前記アパーチャの反対側に、片面が平面で、且つ、該平面の中心に焦点が来るレンズを、該焦点が前記アパーチャの開口に来るように固着したことを特徴とする請求項１に記載のレンズシステム。
3. 前記アパーチャの両側に、同じレンズが固着されていることを特徴とする請求項２に記載のレンズシステム。
4. 請求項１に記載のレンズシステムを用いて構成されたテレセントリック光学系を持つことを特徴とする光電式エンコーダ。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載のレンズシステムを用いて構成された両側テレセントリック光学系を持つことを特徴とする光電式エンコーダ。

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