JP4818817B2 - 結像型光エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、結像型光エンコーダに係り、特に、周期性スケールを含む、一次元及び二次元スケールの望ましい測定像を生成する照明の構成に関する。

読み取りヘッド中の光検出器系に、スケールパターンの像を与えるレンズを含む比較的単純な光学系を有する読み取りヘッドを用いた様々な光エンコーダが知られている。インコヒーレントな光とレンズ光学系を用いて、スケールパターンを光検出器上に結像させて、そして、スケールパターンの相対又は絶対変位を測定する、このタイプのシステムは、結像型エンコーダと呼ばれている。このようなシステムの１つは、特許文献１に開示されており、ここで引用して本明細書中に取り込む。特許文献１に記載されたシステムは、周期的なスリットパターンを有するエンコーダ板を含む。光源が、このスリットパターンを照明して、一次の縞の像を形成する。レンズは、この一次の縞の像を、与えられた拡大率で投影して、第２面に沿ってシフトする第２の拡大された縞の像を形成する。固定された受光ユニットは、第２面上で固定された周期性マスクパターン（インデックス格子）を通して、シフトする像を受光する。更にテレセントリック開口を含む比較的単純な光学系を用いた、いくつかの結像型光エンコーダ読み取りヘッドが知られている。テレセントリック開口は、物体距離の望ましい範囲を超えて比較的一定な拡大率を与える。

ユーザは、一般に、結像型光エンコーダ及び変位センサを含む光エンコーダの読み取りヘッド及びスケールが、できる限りコンパクトであることを好む。例えば、より小さな光エンコーダは、様々なアプリケーション中に組み込むのに、より便利である。

米国特許第５５３９５１９号明細書 Modern Optical Engineering，p.471，Third edition，Warren Smith，McGraw−Hill，2000

しかしながら、読み取りヘッド及びスケールのサイズを小さくすると、通常、工業的な環境において予想される汚染、アライメント及び他の変動に関して、精度のロバスト性が比較的小さくなる。従って、読み取りヘッド及びスケールのサイズが小さくなるに従って、精度を可能な限りロバストに維持するために、結像系、光検出器系及び照明系を含むエンコーダ設計の各側面が、より厳しくなる。特に、小さな結像型光エンコーダ用の照明系に関する、可能性のある問題及び改良については、評価が不足していた。

本発明により、結像型光エンコーダの照明の構成が提供される。一次元（１Ｄ）又は二次元（２Ｄ）スケールの特徴の直接的なインコヒーレントな結像を使用したエンコーダ又は他の変位検知システムは、カスタムメイドの光検出器アレイ又は２Ｄカメラセンサ等の光検出器での均一な照度（光出力／面積）を持つスケール又は物体像から利益を得ることができる。例えば、そのような場合、様々な光検出器素子での信号の振幅は類似しており、通常、変位測定精度を向上する。この要因は、比較的少ないスケールの周期が、比較的小さな読み取りヘッドによって結像されるときに、より重要になる。何故ならば、結果として生じる測定信号は、より少ないスケールの特徴を平均しており、従って、個々のスケールの特徴から発生する信号の寄与中での収差又は変動によって、相対的に、より大きく歪められるからである。更に、相対的に、より均一な像に対しては、汚染又はミスアライメントが、そうでなければ測定信号の不均衡な量に寄与する像の「高強度」部分をぼかしたり、ずらす可能性が低くなることが評価されねばならない。そのような「高強度」部分が（不均一な像中に）存在すれば、それらが、ぼかされたりずらされた場合、測定精度は不均衡に低められる。

均一な像を生成する際に、スケール又は物体の照明は重要な要素である。テレセントリック結像系を用いた結像型光エンコーダにおいて、最適な照明の構成の１つは、スケール又は物体からの反射又は散乱光が、光軸を囲む視野（ＦＯＶ）中で一定の放射（単位照射面積当り単位立体角当りの放射出力）を持つことである。これは、多くの従来の結像アプリケーションにおいて与えられた、視野（ＦＯＶ）内の角度に関して輝度又は放射が一定であるという、散乱又は反射光のランバート（Ｌａｍｂｅｒｔ）の照明分布と異なる。例えば、ランバートの照明分布は、光源が結像レンズ上に再び結像される状況を生じ得る（非特許文献１中に記載されたケーラー（Ｋｏｅｈｌｅｒ）照明参照）。テレセントリック系において、様々な環境下での均一な結像の照明は困難である。

周期性スケールが照明され結像されるので、他の問題が生じる。この問題は、照明のコヒーレンスに関する。特に、照明がコヒーレント又は部分的にコヒーレントであると、周期性スケールから生じる自己像（トールボット（Ｔａｌｂｏｔ）像として知られる）が、光検出器に生じる。そのような自己像は、特定の光エンコーダにおいては意図的に利用されているが、結像型光エンコーダの場合、完全に又は部分的に形成された自己像は、意図された「インコヒーレント」なスケール像を混乱させ、結像型光エンコーダの精度を低下又は損う。従って、視野にわたって十分にインコヒーレントな照明となるように、結像型光エンコーダの照明系を設計することが望ましい。

本発明の１つの側面によれば、テレセントリック結像光学系を用いたときに、照明の構成がスケール及び二次元（２Ｄ）構造の均一な明度像を発生する。

本発明の他の側面によれば、照明の構成は、視野にわたって実質的にインコヒーレントな照明を発生し、これにより可能性のある自己像が抑止される。

本発明の他の側面によれば、１つの実施例において、視野（ＦＯＶ）にわたって均一な照明状態を発生するための１つの方法は、平行光線化又は準平行光線化されたビームを伴う照明を与えることを含む。そのような平行ビームは、集光レンズの焦点面に比較的小さな（例えば平行光線化する集光レンズの焦点距離に対して比較的小さな）光源発光素子を配置することによって形成される。いくつかのＬＥＤは、集光レンズの焦点距離に比べて小さな有効発光素子（ＬＥＤランプレンズの効果を含んでも含まなくても良い）を有し、直接用いることができる。より大きな光源は、必要であれば、先ず、減少されたサイズの発光素子を与える適切なピンホール開口を通過することができる。理想的には、視野は、集光レンズの直径に比べて十分に小さい。レンズ焦点距離ｆに対する有効光源又は発光素子サイズｗの比が、照明ビーム中の平行光線化の度合及びコヒーレンスの両者に関係する。一般に、この比は大きすぎても小さすぎても望ましくない。この比ｗ／ｆが、視野にわたって均一な照明を保証し、且つ、視野内の照明光のコヒーレンスを十分に抑止する範囲内にあることが望ましい。様々に実施例において、この比ｗ／ｆが、後で示す（５）式に示される範囲内にあることが有利である。

本発明の他の側面によれば、様々な実施例において、ピッチＰを有する周期性スケールパターンを照明するときに、照明が、１０＊Ｐよりも大きな寸法、又は、より安全を見て６＊Ｐよりも大きな寸法、又は、更に安全を見て、Ｐよりも大きな寸法にわたって視野中でインコヒーレントであることが有利である。

本発明の他の側面によれば、様々な実施例において、視野内の照明の均一性を向上し又は保証するために、比ｗ／ｆが、後で示す（４）式に表わされる条件を満足することが有利である。

本発明の他の側面によれば、様々な実施例において、視野内の照明の均一性を向上し又は保証するために、結像された視野の寸法が、集光レンズの開放口の直径よりも小さく、又は、より安全には、十分に小さいことが有利である。

本発明の他の側面によれば、様々な実施例において、テレセントリック系を照明する方法が、平行光線化又は略平行光線化するレンズから放射された光の光路中に配置された拡散板を含む。拡散特性を適切に選択することにより、レンズを出た光の平行性及び拡散板からスケール迄の相対的に小さな距離によって、この構成は平行光線化又は略平行光線化レンズの開放口よりも僅かに大きなビーム直径に集中された照明を伴う均一な拡散照明を発生する。この構成は、例え光源及び集光レンズが、光が拡散板に到達する前に高いコヒーレンスを与えていても、ミスアライメントに対して比較的感度が低く、コヒーレンスの影響が、より少ない。この構成は、光源からの光強度が十分にあり、エンコーダ読み取りヘッドのミスアライメントが、検出器での公称像強度の大きさ及び均一性に関して最小の効果を持つことが望ましいときに好適である。ミスアライメントが小さいと予想され、システムができる限り使用可能な大きな光強度を必要するときには、拡散板を用いない実施例が好適である。拡散板を持つ実施例において、平行光線中にいくらかの拡がりを持つハイブリッド構成を生じさせるために高ゲインの拡散板を用いることができる。平行光線中のより高い拡がりは、ランバート拡散板を用いて達成することもできる。

小型の結像型光エンコーダに用いるのに好適な、均一な照明が可能で、ミスアライメントの影響を受けにくいロバストな光源を提供することができる。

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。

図１は、反射型スケール格子１１６と共に動作可能で、ここに開示した本発明に係る照明系の特徴を取り込むことが可能な結像型光エンコーダシステムの１つの例を与える読み取りヘッド１００の図である。図１は、スケール格子１１６の測定軸に対してほぼ平行な方向に沿い（即ち、測定軸は図の面に入ったり出たりするように延びる）、且つ、読み取りヘッド結像系の光軸及び読み取りヘッド照明系に対してほぼ垂直であって、システムの組み立てられた光学部品及び光路を示す。読み取りヘッド１００の反射型構成において、光源１１４は、結像レンズ１２３、テレセントリック構成中に配置される開口１２１、及び、検出器アセンブリ１２２と同様に、反射型スケール格子１１６のほぼ上方に位置される。読み取りヘッド１００は、反射型スケール格子１１６を上方から照明するように動作する。この実施例において、光源１１４は、スケール格子１１６を、説明のためのみであって、限定されない角度１０５で照明する。光源１１４からの照明光１３７は、平行光線化又は準平行光線化する照明レンズ１３６を通過して、スケール格子１１６の面での視野（ＦＯＶ）寸法１５０の周りの限定された照明領域１３８内に、利用可能な光出力を集中させる。照明レンズ１３６は、後で詳細に説明するように、スケール格子１１６のＦＯＶから公称距離Ｌのところに配置されて示されている。限定された照明領域１３８は、読み取りヘッド１００とスケール格子１１６間のギャップ及び様々なミスアライメントに対する望ましい許容範囲をカバーしＦＯＶが十分に照明されるのを保証するのに十分な大きさとされる。

１つの実施例において、反射型スケール格子１１６は、周期的な格子線及びスペースを備える。様々な実施例において、格子線は、光源１１４からの光１３７を反射又は拡散反射し、レンズ１２３が反射光１３９を収束し、検出器アセンブリ１２２によって受光されるスケール像中に、対応するより明るい領域を与えるように製造される。これに対して、スペースは、様々な他の実施例において、光１３７を十分に吸収するか、光軸１２９から逸らすか、又は、透過し、検出器アセンブリ１２２によって受光されないように製造される。従って、スペースは、反射又は拡散反射線によって与えられる明るい領域に対して強いコントラストを与える、検出器アセンブリ１２２によって受光される像の暗い領域を与える。様々な実施形態において、スケール格子パターンは、実質的に面状又は平坦な線及びスペースからなる。様々な他の実施例において、スケール格子パターンは、検出器アセンブリ１２２によって受光されるスケール格子パターンの像の明暗領域間のコントラストを与え、及び／又は、高めるために、光源光の入射角を考慮して設計された回折格子要素を含む。読み取りヘッド１００及びスケール格子１１６は、米国特許出願第１０／８０４，６３６号明細書中に、より詳細に記載されているので、ここで引用して全て取り込む。

図２は、一般的な片側テレセントリック結像系２００を示す図である。この結像系２００は、スケール物体２１０、結像レンズ２２５、テレセントリック開口２３０、光軸２８０、及び、検出器／像面２４０を含む。開口絞り２３０は、光軸２８０に沿って、結像レンズ２２５の後方焦点面に配置される。図２は、スケール物体２１０上の各物体点２１１を光軸２８０と平行な方向に沿って離れて、開口２３０の中心を通過する１つの典型的な主光線２７０を示している。そのような各主光線２７０は、対応する各像点２７１で検出器／像面２４０に到達する。開口２３０は、又、図２中に示したように、そのような各像点２７１が、スケール物体２１０上の各物体点２１１を、各主光線２７０の周りの光の各円錐内（角度α内）で離れた他の光線を受光するのを許容する。

既に示したように、位置エンコーダの精度は、各像点２７１が、結像系２００の視野（ＦＯＶ）２５０内の公称で同じ反射率を持つスケール物体２１０の部分に対して公称で同じ像強度を与えるときに増強される。この結像系２００は、スケール物体２１０上に入射する照明が、各物体点２１１の光の各円錐内に反射されて利用される照明光線に同じ量のエネルギが含まれるように均一に設計されるととき、理想的に満足される。テレセントリック開口絞り２３０のサイズ及び光軸２８０に沿う様々な光学部品間の間隔が、スケール物体２１０を離れ、結像レンズ２２５によって集められる光線の拡がり角（角度α）を決定し、検出器／像面２４０での各像点２７１の像強度を与える。

既に説明した小型の結像型エンコーダに関して、周期性スケール物体がコヒーレント又は部分的にコヒーレントな光で照明されると、周期性スケールから生じる自己像（トールボット像としても知られる）が、周期性スケールパターンの面から、ある距離だけ離れた自己像面上に発生し、これらの面間に、より弱い、又は、ぼけた自己像が発生する。例えエンコーダ読み取りヘッドが、最初に、このスケール像面を避けるスケールからの距離に取り付けられても、取り付けの妨げやスケールの平坦性の欠如が、スケールからの距離を十分に変えて、自己像を、いくらかの度合で導入することがある。結像型光エンコーダの場合、完全に又は部分的に形成された自己像は、意図された「インコヒーレント」なスケール像を分断し、結像型光エンコーダの精度を損う。従って、結像型光エンコーダのために与えられる照明は、既に述べたように、比較的均一であるだけでなく、自己像が発生しないようにＦＯＶにわたって十分にインコヒーレントであることが望ましい。小型の結像型エンコーダにおいては、寸法が小さく、光路長が短いため、照明の配置に特別な注意が払われなければ、一般的に用いられた光源からコヒーレンス効果が発生する。しかしながら、以下に説明する特定の設計関係に従えば、そのような可能性のあるコヒーレント照明効果が制御され、又は除去される。

結像型エンコーダのための他の照明の配慮は出力の要求である。概して、照明が十分な像の明るさ及びコントラストを与える限り、出力は低いほど良い。従って、照明光は捨てられないことが一般的に望ましい。テレセントリック結像系に対する図２に関する検討に従って、スケール物体から反射された角度αの外側の照明は検出器／像面に到達せず、捨てられる。この基準によれば、結像系の光軸に平行に反射された十分に平行光線化された照明が望ましい。しかしながら、十分に平行光線化された照明は、後で詳細に説明するように、より拡散された照明よりも、コヒーレンス効果に、より寄与し易い。従って、様々な望ましいエンコーダ照明の特徴間で衝突がある。以下で説明する特定の設計の関係は、小型の結像型エンコーダのための様々な特徴間の望ましいトレードオフを与える。

図３は、本発明による結像型光エンコーダのための照明構成３００の第１実施例の図である。この照明構成３００は、集光レンズ３２０から距離Ｌの位置に配置されたスケール物体３１０と、該レンズ３２０から焦点距離ｆの位置に配置された、公称寸法ｗを有する発光領域の光源３９０を含む。スケール物体３１０上のＦＯＶ寸法３５０は、スケール物体３１０を結像する光学系（図示省略）の特性によって規定される。例えば、ＦＯＶは結像光学の拡大率及び視野絞りのサイズ（例えば検出器寸法）によって規定される。ＦＯＶは結像レンズの光学性能に基づいても限定される。この場合、ＦＯＶを検出器寸法より小さな寸法に制限するために、機械的又はソフトウェアの視野絞りが与えられる。小型の結像型エンコーダのＦＯＶに関する様々な配慮が以下で検討される。どの場合においても、小型の結像型エンコーダのための照明光学系は、以下で述べるように、特定のＦＯＶに対して有利に設計することができる。

光軸から離れる小さな角度誤差を無視すると、レンズ３２０の面内の各点は、全角度領域Ｒにわたる発光領域からの光線を受光する。角度Ｒ（単位ラジアン）は、比ｗ／ｆにほぼ等しい。レンズ３２０が公称のコリメートレンズであるとき、角度Ｒは比較的小さく、角度βは角度Ｒにほぼ等しい。従って、スケール物体３１０上のＦＯＶ３５０内の各点は、ｗ／ｆにほぼ等しい全角度範囲βにわたる発光領域からの光線を受光する。既に述べたように、小型の結像型エンコーダに対しては、より低い出力要求が通常有利であり、照明光が捨てられないことが一般的に望ましい。更に、テレセントリック結像系では、スケール物体から反射された角度αの外側の照明は検出器／像面に到達せず、捨てられる。従って、以下で説明する様々な設計条件を満足することに加えて、照明構成は、他の設計条件で許される範囲で、角度αをできるだけ小さく超える（又は全く超えない）角度βを与えるべきである。

既に検討したコヒーレンス条件に関して、ファン・シテル−ツェルニケ（Ｖａｎ Ｃｉｔｔｅｒｔ−Ｚｅｒｎｉｃｋｅ）理論に基づけば、光源３９０からの照明が少なくとも部分的にコヒーレントである公称の「コヒーレンス範囲」寸法ｄは、レンズ３２０の面において、（光軸から離れる小さな角度誤差を無視すると）次のように見積もられる。

ｄ＝１．２２＊λ／（ｗ／２ｆ） …（１）

ここでλは光源の公称波長、ｗ及びｆは、図３に例示したように、公称の発光器寸法及びレンズ焦点距離である。

レンズ３２０が公称のコリメートレンズであるとき、レンズ３２０を離れる光のほぼ平行な性質、及び、小型の結像型エンコーダで典型的であるＦＯＶに対する相対的に短い光路長Ｌによって、ＦＯＶの面での「コヒーレンス範囲」のサイズを寸法ｄによって近似することができる。コヒーレント照明を避けるため、ｄはＦＯＶ寸法３５０よりも小さくなければならない。例えば、ｄが最大でＦＯＶ寸法の１／４、ＦＯＶ寸法の１／８、又は、それ以下であることが望ましい。従って、小型の結像型に対する照明系は、次式のように構成されることが望ましい。

（ｗ／ｆ）＞２．４４＊λ／（ＦＯＶ／ｋ） …（２）

ここで、ＦＯＶは公称のＦＯＶ寸法、ｋは、１以上の実数であり、ｋは、望ましくは４以上、他の設計条件が許せば８以上であることが更に好ましい。多くの光源に対して、光源の出力スペクトルの強度の重み付けにより平均化された波長を波長λとすることができる。しかしながら、不規則な出力スペクトルを有する光源に対しては、大きな自己像効果を発生するのに十分なエネルギを含む波長に対して、（２）、（３）及び／又は（５）（後述）式の条件を満足するのが有利である。

自己像の抑止に関して、スケール物体３１０上のＦＯＶ内の周期的スケールパターンのピッチＰも考慮される。小さな格子のシミュレーションは、コヒーレント照明を伴う１０以上の近接する線対の照明が、実質的な干渉効果を発生することを示唆している。従って、ＦＯＶ内の周期性スケールパターンから発生する自己像を抑制又は除去するために、ｄは１０＊Ｐ以下でなければならない。例えば、十分な設計マージンのために、ｄが６＊Ｐ以下、又は１＊Ｐ以下であることが望ましい。従って、小型の結像型の照明系は次式を満足するように設計することが望ましい。

（ｗ／ｆ）＞２．４４＊λ／（ｎ＊Ｐ） …（３）

ここで、ｎは０よりも大きくて１０以下の実数であり、ｎは、望ましくは６以下、他の設計条件が許せば１以下であることが更に望ましい。

すでに検討した照明の均一性の配慮に関して、光源寸法及び照明光学構成に関し、ＦＯＶのところで寸法ｄ_ＢＬＵＲ＝（ｗ／ｆ）＊Ｌを持つぼけ領域（ｂｌｕｒ ｄｉｓｋ）について考慮する。ＦＯＶ寸法３５０を横断する照度又は強度分布は、ＦＯＶ寸法３５０によってサンプルされた、レンズ３２０の開放口Ｄを伴なうぼけ領域の畳み込みの部分によって与えられる。ぼけ領域の寸法ｄ_ＢＬＵＲがＦＯＶ寸法３５０及び直径Ｄよりも小さく、直径ＤがＦＯＶ寸法３５０よりも十分に大きいと、ＦＯＶを横断する照度はほぼ均一となる。従って、ＦＯＶの所でのほぼ均一な照明に必要な一組の条件は、次のようにして表わされる。

（ｗ／ｆ）＜（ＦＯＶ／Ｌ）＜（Ｄ／Ｌ） …（４）

ここで、ＦＯＶは公称のＦＯＶ寸法である。図３に示される構成に対して、ＦＯＶ寸法３５０は、他の設計条件が許せば、集光レンズ３２０の開放口直径Ｄよりも理想的には十分に小さい。例えば、他の設計条件が許せば、開放口直径ＤがＦＯＶ寸法の１．５倍以上であることが有利である。

前記の考慮によれば、比ｗ／ｆが大きすぎたり又は小さすぎることは一般的に望ましくない。要するに、（２）式の条件が破られると、光源はほぼ仮想的な点光源となり、コヒーレンス効果及びミスアライメントに対する感度が問題となりうる。（３）式の条件が破られると、周期性スケール構造から生じる自己像が、エンコーダの検出器での望ましい従来のスケール像を分断する。（４）式の条件が破られると、十分な平行性の欠如が、視野３５０の端における像輝度の低下を生じる。これらの理由で、小型の結像系のエンコーダは、比ｗ／ｆが次式の範囲に入るようにされた、図３に示されたような照明系を用いることが有利である。

２．４４＊λ／（ＦＯＶ／ｋ）＜（ｗ／ｆ）＜（Ｄ／Ｌ） …（５）

理想的には、（３）式及び（４）式に示される他の望ましい条件も又満足される。与えられたｗ／ｆの値に対して、（５）式の右側から次式が有利であるとも言える。

（ｗ／ｆ）＊Ｌ＜Ｄ …（６）

この条件は、距離Ｌの不適切に大きな値のところで発生する光源の近接再結像（near re-imaging）を防ぐ。図３の構成について、ｗＬ／ｆは、他の設計条件が許せば、集光レンズ３２０の開放口直径Ｄよりも理想的には十分に小さい。そのような場合、例えｗＬ／ｆがＦＯＶ寸法とほぼ等しくとも、ＦＯＶ寸法にわたってほぼ均一な照明が与えられる。

（４）及び／又は（５）式の条件を満足することに関して、いくつかのＬＥＤは、集光レンズの焦点距離に比べて小さな有効発光要素（ＬＥＤランプレンズの効果を含んでも含まなくてもよい）を有し、直接用いることができる。より大きな光源は、必要であれば、先ず、小さなサイズを持つ発光要素を与えるために適当なピンホール開口を通過させることができる。

発光器（必要ならば限定開口を含むことができる）の有効面が集光レンズのほぼ焦点距離に位置された、平行光線化、又は、ほぼ平行光線化された照明の構成が、これまでに検討された。これに対して、発光器の有効面が集光レンズの焦点距離からずらされた構成では角度分布を発生し、レンズを出た光の方向は、レンズの開口、従って、ＦＯＶを横断する方向に変動する。発光器をレンズの焦点距離の位置から少しずらした構成は、コヒーレンス及び平行光線化の度合を修正する追加の柔軟性を許容する。しかしながら、レンズの焦点距離から大きくずらすと、図４及び図５に示すように、望ましくない照明の不均一性を生じる。

図４、図５及び図６は、各照明構成に対する像面内の視野を横断する照度分布を示す。図４は、発光器からコリメート用集光レンズまでの距離よりも焦点距離が短い望ましくない照明構成で生じた結果を示す。図に示されるように、発光器の像が発生し、ＬＥＤダイの中心をカバーする電極構造による分布中心近傍の照度低下を伴なっている。小さな結像型エンコーダでのそのような構成は、従って不均一な照明を発生し、適当でない。

図５は、発光器からコリメート用集光レンズ迄の距離よりも焦点距離が長い、望ましくない照明構成における照度分布５００の図である。図５に示されるように、分布の中心における照度が、分布の周辺よりもかなり高くなっている。小型の結像型エンコーダに対するそのような照明構成は、従って不均一な照明を発生し、適当でない。

図６は、発光器からコリメート用集光レンズ迄の距離と焦点距離が、ほぼ同じであり、（４）式の条件に適合する望ましい照明構成における照度分布６００の図である。図６に示されるように、望ましい照明の均一性が達成されている。

図７は、本発明による結像型光エンコーダのための照明の構成７００の第２実施例の図である。この照明構成７００は照明構成３００と同様であり、コリメートレンズであることができる集光レンズ７２０から距離Ｌの位置に配置されたスケール物体７１０と、公称寸法ｗを有する発光領域を持つ光源７９０を含んでいる。スケール物体７１０上のＦＯＶ寸法７５０は、スケール物体７１０を結像する光学系（図示省略）の特性によって規定される。更に、照明構成７００は、集光レンズ７２０とスケール物体７１０の間に配置された拡散板７１５を含む。この拡散板７１５は、スケール物体７１０に対する照明系光学要素のピッチ又はロールアライメントの変化による照度分布の変化を低減するのに利用される。そのようなミスアライメントは、ＦＯＶを横断する照明分布をずらし、照明分布の端で不均一な部分をＦＯＶ内に出現させる。拡散板は、分布の端を円滑化及び又は／延長し、そのようなミスアライメントによるＦＯＶ照明内の変化を低減させる。レンズ７２０を出た光の平行、又は、ほぼ平行な性質、及び、小型の結像型エンコーダで典型的な、レンズ７２０及び拡散板７１５からスケール物体７１０迄の比較的短い寸法によって、構成７００は、レンズ７２０の開放口の直径Ｄとほぼ同じ直径の均一な拡散照明をスケール物体７１０に生成する。又、拡散板の特性とレンズ７２０及び拡散板７１５からスケール物体７１０までの寸法の組合せに依存する量だけ、照明野は、いくらか大きくてもよい。

図７の照明構成７００は、図３の照明構成３００と同様であり、拡散板７１５がコリメートレンズ７２０の後ろに追加されている。照明構成７００は、いくつかの場合において、照明構成３００よりも効率が低いが、ミスアライメントに対する感度も低く、コヒーレンスの影響も起りにくい。また、図８に示すとおり、コリメートレンズ７２０の前に拡散板７１５を追加してもよい。

あるアプリケーションにおいて、光源からの光強度が十分以上にあり、ミスアライメントに対する感度が望ましくない場合には、照明構成７００は照明構成３００よりも好ましい。一方、ミスアライメントが小さいと予想され、システムが少しでも多くの使用可能な光強度を必要とするときには、照明構成３００の方が好ましい。

図９は、拡散板８１５を通過した光の散乱を示す光学配列８００の図である。既に述べたように、拡散板８１５は、ピッチ及び／又はロールミスアライメントによる照明分布の変動及び／又は不均一性を低減するのに役立つ。換言すれば、アライメント誤差が発生した場合、拡散板８１５は均一な照度分布を維持するのを保証するのに役立つ。図９中に示したように、光源（ＬＥＤ発光器のような）からの光ビーム８９２は、点８９３で拡散板８１５を通過し、拡散された光ビーム８９４を形成する。拡散板は、拡散光ビーム８９４が、図９中に示すように、照明エネルギの殆ど又は全てを、望ましい全角度範囲β´内に集中するように設計又は選択されることができる。更に、図９に概念的に示したように、拡散板は、各点８９３が公称上同じ拡散光散乱断面を与えるように、望ましくは設計される。拡散板８１５は、更に、公称上均一である光ビーム８９２の分布を受けるように位置される。従って、角度β´中に含まれる光線の束は、拡散光ビーム８９４のそれぞれに対して公称上同じ角度強度分布及び／又は角度放射束分布をもたらす。従って、スケール物体８１０上のＦＯＶ内の各点は、その照明を与える各拡散光ビーム８９４から光線の同じ分布を受け取る。スケール物体８１０で反射された各光ビーム８９６は、全角度範囲β´に渡ってほぼ同じ角度強度分布を与え、望ましい公称上均一な像の光を与える。図２を参照して既に説明し、更に以下で図１０を参照するように、テレセントリック結像系は、結像系の光軸に対して角度α内に整向された光ビーム８９６の光線を「選択」する。既に述べたように、スケール物体８１０上の各点の反射光ビーム８９６は、ほぼ同じ角度強度分布を与えるので、スケール物体８１０に対して光軸が整向していなくても、この整向していない光軸に対して角度α内で受光した光は、（β´がα以上である限り）ＦＯＶに渡って均一のままである。従って、図９によって示されるように、拡散板８１５は、ミスアライメントが発生した場合にも、均一な照明を発生するのに役に立つ。

同様に、拡散板８１５は他の目的でも有利である。例えば、（２）−（６）式を参照して説明した条件を達成するのを不可能とする様々な部品を用いることが望ましいかもしれない。例えば、コストがより低い、又は、より小さな小型の結像型エンコーダの構成を可能とする部品を用いることが望ましいかもしれない。そのような場合、拡散板７１５は、既に説明した利点に加えて、望ましい均一な照明を与えるために、そのような部品及び／又は構成によって生じる、望ましくない平行度及びコヒーレンスを防ぐ。更に、可能性のある迷光及びゴースト像効果が、光学系及びそのサポートの結像構造の副次効果として発生しても、そのような効果が照明を拡散することによって軽減される。

角度β´に関して、設計上考慮すべき１つの事項は、角度β´が、結像型エンコーダ読み取りヘッドの結像部の光軸にほぼ沿う反射結像光線を、スケール物体８１０に対する読み取りヘッドの予想されるミスアライメント角度の全範囲に渡って与えるのに十分な大きさであるべきであるということである。もう１つの設計上注意すべき事項は、既に述べたように、小型の結像型エンコーダに対しては、低い出力要求が通常有利であり、照明光が捨てられないことが望ましいということである。テレセントリック結像系においては、スケール物体から角度αの外側に反射された照明は、検出器／像面に到達せず、捨てられる。従って、ここで述べた様々な他の設計条件を満足することに加えて、拡散板が、角度αをできるだけ小さく超えた角度β´を与えるが、ミスアライメントの予想される範囲に対応するに十分な大きさであることである。角度β´は、拡散板８１５の特性を適切に選ぶことにより制御される。様々な光学部品供給者は、上記の様々な望ましい設計条件に対応する特性を持つ拡散板を設計して供給する用意がある。１例として、望ましい拡散特性を与えるために、カスタム設計された小型の拡散性光学要素が設計され、製造されうる。他の例として、角度β´は比較的小さくてよいので、適切な表面粗度を持つ均一な組織の拡散板が、ほぼ望ましい特性を与えることができる。

図１０は、結像型エンコーダ用の照明構成に関して更なる設計上の考慮を説明するための、結像系に関連する照明系の該当部分を示す。この考慮は、拡散板を備えた、又は、備えない構成に適用される。図１０中に示される「透過」構成は、図１に示されるように、「折り返されていない」反射型の結像型エンコーダ構成の骨格を示す。図１０において、（Ａ）中のレンズ９２０（又は（Ｂ）中のレンズ９２０´）と拡散板間の分離は無視され、一方又は両方の部品が、図１０中のスケール物体９１０上のＦＯＶへの距離と一致する、スケール物体９１０から基本的に距離Ｌの位置に示されている。角度αは、図２を参照して先に説明した角度αと同じである。即ち、角度αよりも大きな角度の光線は、図２中に示されたように、テレセントリック結像系２００の像面での強度分布に寄与しない。従って、角度α内の光線のみが次の検討に該当する。

図１０（Ａ）は、ＦＯＶ寸法９５０が開放口寸法Ｄ−Ｌαよりも小さい低い場合の構成を示す。従って、ＦＯＶ内の各点は、均一に照明される。即ち、角度αの全範囲に渡る照明を受光し、この照明を角度αの全範囲に渡って反射し、テレセントリック結像系レンズ９２５を通して公称上均一な照明像を投影する。これに対して、図１０（Ｂ）は、ＦＯＶ寸法９５０´が開放口直径Ｄ−Ｌα以上である望ましくない構成を示す。特に、この特別な例では、ＦＯＶ寸法９５０´は開放口直径Ｄと等しい。従って、ＦＯＶの端の点は望ましくなく不均一に照明される。即ち、それらは角度αの全範囲の半分のみの照明を受光する。同様に、この照明は角度αの範囲の半分のみ公称上反射され、テレセントリック結像系レンズ９２５を通して、その周辺で照明が減少された像を投影する。従って、既に説明したように他の設計条件に適合することに加えて、与えられた寸法Ｌ及びテレセントリック結像系の全入射角α［単位：ラジアン］に対して、他の設計条件が許せば、照明系が次のように与えられることが有利である。

Ｄ＞ＦＯＶ＋（Ｌ＊α） …（７）

様々な実施例において、視野内でほぼ均一な照明を与えるために、照明構成は、上記の様々な設計条件を、それぞれ独立して又は組み合わせて満足することができる。様々な実施例において、照明の均一性は、視野を横断する方向に最大で１５％、１０％、５％又はそれ以下で変動するように与えることができる。結像系が全入射角αを持つテレセントリック結像配置を含む場合には、照明の均一性は、α以下の各角度に対して、各角度に沿ってＦＯＶに与えられる照明の強度分布が、視野を横断する方向に最大で１５％、１０％、５％又はそれ以下で変動するものを含むことができる。一般的に、上記の様々な設計条件が組合せで満足されたときに、より良い、及び／又は、よりロバストな照明の均一性が与えられる。

本発明の好適な実施例が示され説明されていたが、本発明の精神及び権利範囲を離れることなく、様々な変化を行うことができる。

反射型スケールと共に動作可能な読み取りヘッドの一例の組み立てられた光学部品及び光路を示す、リニアエンコーダの測定軸に沿う断面図 一般的な単一テレセントリック結像系を示す図 本発明による結像型光エンコーダのための照明の構成の様々な実施例を説明するために用いられる様々なパラメータを示す図 不十分な焦点距離を持つ集束レンズを備えたＬＥＤを利用した光学系の像面を横断する照度分布を示す図 長すぎる焦点距離を持つ集束レンズを備えたＬＥＤを利用した光学系の像面を横断する照度分布の図 適切な焦点距離を持つ集束レンズを備えたＬＥＤを利用した光学系の像面を横断する照度分布を示す図 拡散板が用いられた本発明の結像型光エンコーダのための照明の構成の他の実施例を説明するための様々なパラメータを示す図 光源とコリメートレンズとの間に拡散板を配設した実施例を示す図 拡散板を通って散乱される光線の望ましい型を示す図 結像型エンコーダの様々な照明の構成のための設計上の配慮の例を示す図

符号の説明

１００…読み取りヘッド
１１４、３９０、７９０…光源
１２１…開口
１２２…検出器アセンブリ
１３６…照明レンズ
１３７…照明光
１５０、３５０、３６０、７５０、９５０、９５０´…視野（ＦＯＶ）寸法
２００…片側テレセントリック光学系
２１０、３１０、７１０、８１０、９１０…スケール物体
２２５…結像レンズ
２３０…テレセントリック開口（開口絞り）
２４０…検出器／像面
２５０…視野（ＦＯＶ）
３００、７００…照明構成
３２０、７２０…集光レンズ
７１５、８１５…拡散板
８００…光学配列
８９２、８９４、８９６…光ビーム
９２０、９２０´…レンズ
９２５…テレセントリック結像系レンズ

Claims (7)

1. ２つの部材間の相対変位を測定するための装置であって、
   （ａ）測定軸方向に沿って延びるスケールと、
   （ｂ）該スケールが照明された時に、スケール上の視野からスケール像の光を受け取って、光検出器に像を与えるように設計された、
   （i）結像部、及び、
   （ii）前記視野に照明を与えるための、スケールから公称距離Ｌの位置に配置された焦点距離ｆのレンズと発光素子を有する光源を備えた照明部を有する読み取りヘッドとを備え、
   前記発光素子の有効位置が、ほぼ前記レンズの焦点面にあるように前記光源が配置され、
   前記視野に与えられる照明がインコヒーレントであるように前記照明部が構成され、
   前記視野が寸法ＦＯＶを持ち、前記発光素子が有効幅ｗを持って波長λの放射を発生し、前記照明部がｗ／ｆ＞２．４４＊λ／（ＦＯＶ／ｋ）（ここでｋは１以上の実数）であるように構成され、
   前記視野に与えられる照明が視野にわたってほぼ均一とされていることを特徴とする結像型光エンコーダ。
2. 請求項１において、前記レンズが開放口Ｄを有し、ｗ／ｆがＤ／Ｌより小さい結像型光エンコーダ。
3. 請求項２において、ｗ／ｆがＦＯＶ／Ｌより小さい結像型光エンコーダ。
4. 請求項１において、前記スケールがピッチＰの周期性格子構造を含み、前記発光素子が、有効幅ｗを持って波長λの放射を発生し、前記照明部がｗ／ｆ＞２．４４＊λ／（ｎ＊Ｐ）（ここで、ｎは０よりも大きくて１０以下の実数）であるように構成されている結像型光エンコーダ。
5. 請求項１において、前記光源がＬＥＤを備え、該ＬＥＤがＬＥＤレンズを含み、前記光源が制限開口を含む結像型光エンコーダ。
6. 請求項１において、前記結像部が全入射角αを持つテレセントリック結像系を備え、前記視野が寸法ＦＯＶを持ち、前記レンズが開放口Ｄを持ち、Ｌ＜（Ｄ−ＦＯＶ）／αであるように構成されている結像型光エンコーダ。
7. 請求項１において、前記照明部が、前記レンズからの光を受光して視野を照明するように位置された拡散板を更に備えた結像型光エンコーダ。