JP4846909B2 - 光学式エンコーダ及び回折格子の変位測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば産業用計測機械等において、位置や角度情報を検出するための円環状回折格子による反射機構を有する光学式エンコーダ及び回折格子の変位測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５５は従来例のリニアエンコーダの構成図を示し、可干渉光源である半導体レーザー光源１からの光束をコリメータレンズ２を介して偏光ビームスプリッタ３により偏光成分毎に分割している。偏光ビームスプリッタ３を透過したＰ偏光光束は光学反射面に伝播された後に、角度θで回折格子スケール４上の回折格子部に入射し、反射して＋１次回折光として射出し、１／４波長板５を介して反射光学素子６により元の光路に戻され、更に＋１次回折して偏光ビームスプリッタ３まで戻される。
【０００３】
一方の偏光ビームスプリッタ３で反射したＳ偏光光束は光学反射面に伝播された後に、角度θでスケール４上の回折格子部に入射し、反射して−１次回折光として射出し、１／４波長板５を介して反射光学素子６により元の光路に戻され、更に１次回折して偏光ビームスプリッタ３まで戻される。
【０００４】
ここで、何れの回折光の光路中にも１／４波長板５が挿入されているために、偏光方位は往復によって９０度変換され、前者はＳ偏光光束となり後者はＰ偏光光束となって、偏光ビームスプリッタ３に戻されている。従って、偏光ビームスプリッタ３では＋１次回折光は反射し、−１次回折光は透過してそれぞれ波面が重ね合わされて射出される。その後に１／４波長板７を透過して、２光束間の位相差に基づいて偏光方位が変化する直線光光束に変換され、後段の非偏光ビームスプリッタ８により２分割され、それぞれ偏光板９ａ、９ｂにより特定の偏光方位のみが抽出されて、受光素子１０ａ、１０ｂにおいて明暗信号が得られる。
【０００５】
このそれぞれの明暗信号の位相（タイミング）は、偏光板９ａ、９ｂの偏光方位のずれで与えられるので、偏光板９ａと偏光板９ｂは互いに偏光方位を４５度ずらすことによって、明暗信号の位相差を９０度に設定している。
【０００６】
本従来例に採用されている反射光学素子６には、屈折率分布タイプのレンズ光学素子を使用し、平行光束が入射したときに端面で集光するように長さが選択され、更に端面には反射膜がコートされている。このような光学素子はキャッツアイと呼ばれ、入射した光束と全く反対の方位に光束を進行させる性質がある。このエンコーダにおいては、一般的に半導体レーザー光源１の波長が変動すると回折角が変化して光路がずれると共に、干渉させる２光束間の角度が変化して干渉状態が変化してしまう。また、スケール４と検出ヘッド部のアライメントが相対的にずれても同様に光路がずれてしまう。
【０００７】
このため、上述の反射光学素子６を使用することによって、回折角がずれても元の角度で進行するために、再回折光の進路には変化が生ぜず、安定した計測ができるようにされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の従来例においては、反射光学素子６は５ｍｍ程度の寸法が必要であり、光束を略垂直に入射しないと所定の性能が得られないために、一般的には回折角に合わせて配置場所を決定する必要があり、更にエンコーダ自体を小型化するには空間的に斜めに配置することになって寸法的に限界が生ずる。
【０００９】
また、ロータリエンコーダの場合には回折格子スケール４として放射状回折格子を使用するので、キャッツアイの中心部に入射しないと、戻された光束が回折格子スケール４に再照射される際に照射場所が若干ずれてしまうことになる。
【００１０】
この結果、再回折光の方位がずれるという現象が発生し、格子ピッチがミクロンオーダに細かく、かつ放射格子スケールの直径（ディスク径）が小さい程この影響は大きくなる。そしてこの影響は、スケール４と検出部とが分離したタイプでは、両者のギャップ寸法や設置角度誤差等によるアライメント誤差の影響として大きく現れる。従って、キャッツアイを使用した方式では、更なる微細な放射格子スケールを使用する上で限界がある。
【００１１】
また、この種の格子干渉方式エンコーダはミクロンオーダの微細スケールを採用し、このスケールで回折した２つの光束を取り出して干渉させることによって、幾何光学式エンコーダよりもはるかに高分解能のエンコーダが得られている。
【００１２】
このエンコーダは２つの回折光の波面を合成して干渉パターンを生成する構成を採用しているが、干渉光学系であることから各光学素子の加工や配置精度が非常に厳しいのが現状である。特に、スケール部と検出ヘッド部が分離した組込式のエンコーダの場合には、ユーザがスケールと検出ヘッドをモータやステージ等に装着しなければならないために、その作業の困難さが問題となっている。
【００１３】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、キャッツアイに代る光路ずれ補正光学系を用いて、良好なＳＮ比が得られ、安定した光束検出を行う光学式エンコーダ及び回折格子の変位測定方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る光学式エンコーダは、光源と、前記光源からの光を回折格子に入射させる照明光学系と、前記回折格子により生じた２つの回折光が入射し、これらの２つの回折光を前記回折格子に再照射する円環状格子と、前記回折格子に再照射された前記２つの回折光が前記回折格子により再回折されると共にこれらが重ね合わされて生ずる干渉光が入射する光束偏向手段と、該光束偏向手段から射出した前記干渉光を受光する受光手段と、を有し、前記回折格子により生じた２つの回折光は、前記円環状格子から再照射される前記回折格子までに点状に集光されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る回折格子の変位測定方法は、回折格子の変位を測定する方法であって、光源からの光を前記回折格子に入射させる工程と、前記回折格子により生じた２つの回折光を円環状格子に入射させる工程と、前記円環状格子に入射した２つの回折光を前記回折格子に再照射する工程と、前記回折格子に再照射された前記２つの回折光が前記回折格子により再回折されると共にこれらが重ね合わされて生ずる干渉光を受光する工程と、を有し、前記回折格子により生じた２つの回折光は、前記円環状格子から再照射される前記回折格子までに点状に集光されることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図５４の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態のリニアエンコーダの構成図を示している。半導体レーザー光源１１から射出する光束の光路上に、コリメータレンズ１２、ビームスプリッタ１３、円環状反射格子１４、リニア回折格子スケール１５が配列されており、ビームスプリッタ１３の反射方向に受光素子１６が配置されている。ここで、回折格子スケール１５上の格子ピッチをＰ１とすると、円環状反射格子１４はピッチＰ２＝Ｐ１／２の関係に設定されている。
【００２１】
このような構成により、半導体レーザー光源１１から射出した光束Ｌは、コリメータレンズ１２により略平行光束となり、ビームスプリッタ１３、円環状反射格子１４の中央部を透過して、回折格子スケール１５に照射され、回折格子スケール１５からの反射回折光Ｌ＋、Ｌ−は、それぞれ円環状反射格子１４上に照射される。円環状反射格子１４は局所的に見ると格子ピッチＰ２のリニア回折格子として作用し、回折格子スケール１５の同一位置に向けて照射されて再び回折し、それらの光束がそれぞれ重ね合わされてビームスプリッタ１３まで戻される。
【００２２】
この光束はそれぞれビームスプリッタ１３によって半導体レーザー光源１１と異なる方向に取り出され、干渉光束として受光素子１６において検出される。なお、±１次回折光を使用した場合には、干渉の明暗周期は回折格子スケール１５の１ピッチ分の移動に対して４周期である。
【００２３】
図２は半導体レーザー光源１１の発振波長が温度環境の変化等の要因により変化して、回折角が変った場合の光路ずれの説明図である。回折格子スケール１５による回折光の回折角が変っても、円環状反射格子１４により元の回折角で回折されるので、回折格子スケール１５による再回折位置及び射出光束の状態は不変であり、干渉状態は安定しており、格子スケール１５を放射状格子に変えても問題はない。
【００２４】
図３は回折格子スケール１５の位置をずらした場合の光路ずれの説明図である。検出ヘッドと回折格子スケール１５のギャップが小さくなっても、円環状反射格子１４により回折されるので、回折格子スケール１５による再回折位置及び射出光束の状態は不変であり、干渉状態は安定している。これは格子を放射状格子に変えても問題がない。
【００２５】
図４は回折格子スケール１５と検出ヘッド部の設置角度をアジマス方向にずらした場合の光路ずれの説明図である。アジマス誤差が多少加わっても円環状反射格子１４の作用により元の光路に回折されるので、回折格子スケール１５で再回折位置及び射出光束の状態は不変であり、干渉状態は安定している。
【００２６】
図５は回折格子スケール１５と検出ヘッド部の設置角度に格子線を軸にしてチルト誤差を与えた場合の光路ずれの説明図である。チルト誤差が多少加わっても、回折格子スケール１５に再回折位置及び射出光束の状態において、±１次回折光光束間には差は生じないので干渉状態は安定している。ただし、再回折位置自体はずれることになる。
【００２７】
図６は回折格子スケール１５と検出ヘッド部の設置角度に格子配列方位を軸にしてチルト誤差を与えた場合の光路ずれの説明図である。チルト誤差が多少加わっても、同様に±１次回折光光束間に差が生じないので干渉状態は安定しており、再回折位置自体はずれる。
【００２８】
このように、反射光学素子として円環状反射格子１４を採用することにより、小型性かつ高分解能で、取付誤差に寛容な性能を得ることができる。
【００２９】
図７は第２の実施の形態の構成図を示し、位相差信号を発生させるように偏光素子を配置して、２相信号検出にしたものである。可干渉光源である半導体レーザー光源１１の光路上に、コリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、円環状反射格子１４、偏光方位を互いに９０度ずらした２個の偏光板２０Ｓ、２０Ｐ、回折格子スケール１５が配列されている。非偏光ビームスプリッタ１３の反射方向には、１／４波長板２１、非偏光ビームスプリッタ２２が配列されており、非偏光ビームスプリッタ２２の反射方向に偏光板２３ａ、受光素子１６ａが配置され、透過方向に偏光板２３ｂ、受光素子１６ｂが配置されている。
【００３０】
このような構成により、半導体レーザー光源１１からの光束Ｌはコリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３を透過した後に、円環状反射格子１４の中央の透過窓部を通って回折格子スケール１５に略垂直に照射される。回折格子スケール１５から反射された−１次回折光は回折角θで射出し、円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、更に回折格子スケール１５により−１次回折されて非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【００３１】
一方の反射された−１次回折光は回折角θで反対方向に射出し、円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、更に回折格子スケール１５により−１次回折されて、非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。ここで、半導体レーザー光源１１から回折格子スケール１５に照射された光束は垂直及び水平方向の偏光成分を含んでおり、非偏光ビームスプリッタ１３に伝播される±１次回折光は、明暗光束にはなっていないが、互いに偏光方位が９０度ずれて波面が重なり合っている。
【００３２】
この結果、非偏光ビームスプリッタ１３により反射された両光束は１／４波長板２１を透過し、２光束間の位相差に基づいて偏光方位が変化する直線偏光光束に変換され、後段の非偏光ビームスプリッタ２２により２分割され、それぞれ偏光板２３ａ、２３ｂによって特定の偏光方位のみが抽出されて、それぞれ受光素子１６ａ、１６ｂによって明暗信号が受光される。これらそれぞれの明暗信号の位相（タイミング）は、偏光板２３ａ、２３ｂの偏光方位のずれで与えられる。即ち、偏光板２３ａと偏光板２３ｂの偏光方位を互いに４５度ずらすことによって、明暗信号の位相差は９０度に設定される。
【００３３】
図８は第３の実施の形態の構成図を示し、位相差信号を発生するように結晶光学素子を配置して、２相信号検出となっている。本実施の形態では、回折格子スケール１５と円環状反射格子１４の間の光路中の一方に、１／４波長板２４が挿入されている。
【００３４】
半導体レーザー光源１１からの光束は、非偏光ビームスプリッタ１３を透過した後に回折格子スケール１５に略垂直に照射されている。回折格子スケール１５から反射された＋１次回折光は回折角θで射出し、１／４波長板２４を通って円環状反射格子１４に至り、円環状反射格子１４で元の光路に回折反射され、再び回折格子スケール１５により＋１次回折して非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【００３５】
一方の反射された−１次回折光は回折角θにより反対方向に射出し、１／４波長板２４を通って円環状反射格子１４に至り、円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、再び回折格子スケール１５により−１次回折して非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。ここで、半導体レーザー光源１１から回折格子スケール１５に照射された光束の偏光成分は１／４波長板２４の光学軸に対して４５度の関係になっており、１／４波長板２４を往復透過した側のみ偏光方位が９０度ずらされるために、非偏光ビームスプリッタ１３に伝播される±１次回折光は明暗光束にはなっていないが、互いに偏光方位が９０度ずれて波面が重なり合っている。
【００３６】
その後は、第２の実施の形態と同様に、これらの両光束は１／４波長板２１、非偏光ビームスプリッタ２２を通り、それぞれ偏光板２３ａ、２３ｂを介して受光素子１６ａ、１６ｂによって明暗信号が受光される。
【００３７】
図９は第４の実施の形態の構成図を示し、位相差信号を発生するように結晶光学素子が配置され、２相信号検出としている。本実施の形態では、回折格子スケール１５と円環状反射格子１４の間の光路中に１／８波長板２５ａ、２５ｂが互いに光学軸を９０度ずらして挿入されている。
【００３８】
半導体レーザー光源１１からの光束Ｌは非偏光ビームスプリッタ１３を透過した後に、回折格子スケール１５に略垂直に照射される。回折格子スケール１５から反射された＋１次回折光は回折角θで射出し、１／８波長板２５ａを通って円環状反射格子１４に至り、円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、再び回折格子スケール１５により＋１次回折して非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【００３９】
一方の反射された−１次回折光は回折角θにより反対方向に射出し、１／８波長板２５ｂを通って円環状反射格子１４に至り、この円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、再び回折格子スケール１５により−１次回折されて、非偏光ビームスプリッタ１３まで戻されている。ここで、半導体レーザー光源１１から回折格子スケール１５に照射された光束の偏光成分は、１／８波長板２５ａ、２５ｂの光学軸に対して４５度の関係に設定されている。
【００４０】
非偏光ビームスプリッタ１３に伝播される±１次回折光は、互いに逆周りの円偏光光束となっているために、両者をベクトル合成すると、２光束間の位相差に基づいて偏光方位が変化する直線偏光光束に変換される。この光束は後段の非偏光ビームスプリッタ２２により２分割され、それぞれを偏光板２３ａ、２３ｂにより特定の偏光方位のみが抽出され、それぞれの受光素子１６ａ、１６ｂにおいて明暗信号が受光される。
【００４１】
図１０は第５の実施の形態の構成図を示し、第４の実施の形態で円環状反射格子１４の代りに円環状透過格子２６が採用され、円環状透過格子２６の直後にある反射面２７により往復回折して、回折格子スケール１５上に再照射するように構成されている。ここで、円環状透過格子２６のピッチは回折格子スケール１５のピッチと同じに設定されている。
【００４２】
第４の実施の形態と同様に、半導体レーザー光源１１からの光束は非偏光ビームスプリッタ１３を透過して回折格子スケール１５に照射され、その＋１次反射回折光は回折角θで出射し、１／８波長板２５ａを通って円環状透過格子２６により回折し、回折直後の反射面２７により元の光路に戻され、再び円環状透過格子２６により回折偏向し、回折格子スケール１５により＋１次回折されて非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【００４３】
一方の−１次反射回折光は回折角θにより反対方向に射出し、１／８波長板２５ｂを通って円環状透過格子２６により回折し、反射面２７により元の光路に戻され、再び円環状透過格子２６により回折偏向し、回折格子スケール１５により−１次回折されて非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【００４４】
そして第４の実施の形態と同様に、±１次回折光は直線偏光光束に変換されて非偏光ビームスプリッタ２２により２分割され、それぞれ偏光板２３ａ、２３ｂを介して受光素子１６ａ、１６ｂに明暗信号が受光される。
【００４５】
なお、図１０において位相差信号を得るためには、図７と同様に偏光板を挿入する方法や、図８に示すように位相差板を挿入する方法も適用可能である。また、これらの偏光状態変換素子は円環状透過格子２６と反射面２７の間に挿入してもよい。
【００４６】
実際には、回折格子スケール１５に照射する光束は有限の大きさを有するために、例えば格子ピッチが２．８μｍの回折格子スケール１５を使用して、この回折格子スケール１５と円環状反射格子１４との距離を１０ｍｍに設定した場合の光束追跡を行うと、図１１に示すように円環状反射格子１４に特有の波面ひずみが加わって長楕円状の波面となり、受光素子１６において受光する際に損失が生ずることも想定される。
【００４７】
更に、図１２に示すように半径が９．２ｍｍ、１周の本数が２０２５０本の放射状格子１５’に、直径１ｍｍの光束を照射した場合の光束追跡を行うと、円環状反射格子１４特有の波面ひずみに更に放射状格子特有の波面ひずみが加わり、±１次回折光を合波する際に互いの波面が歪むことも想定される。
【００４８】
図１３は第６の実施の形態のロータリエンコーダの構成図を示す。半導体レーザー光源１１からの光束の光路上に、コリメータレンズ１２、ビームスプリッタ１３、レンズ３０、円環状反射格子１４、放射状回折格子スケール３１が配列されており、ビームスプリッタ１３の反射方向に受光素子１６が配置されている。ここで、回折格子スケール３１上の格子ピッチをＰ１とすると、円環状反射格子１４はピッチＰ２＝Ｐ１／２の関係に設定されている。
【００４９】
このような構成により、半導体レーザー光源１１から射出した光束Ｌは、コリメータレンズ１２により略平行光束となり、ビームスプリッタ１３、レンズ３０、円環状反射格子１４の中央部を透過して、放射状回折格子スケール３１に集光照射され、放射状回折格子スケール３１からの反射回折光Ｌ＋、Ｌ−はそれぞれ円環状反射格子１４上に略点状に照射される。
【００５０】
なお、回折格子スケール３１としてこのような放射状回折格子スケールを使用した場合には、放射状格子特有の収差によって完全には点状集光とはならない。また、リニア回折格子スケールを使用した場合でもレーザー光のビームウエストサイズ以下にはならないが、これらは微小量なために無視することができる。
【００５１】
円環状反射格子１４は局所的に見ると格子ピッチＰ２のリニア回折格子として作用し、回折格子スケール３１の集光照明領域から射出する光束に対して、円環状反射格子１４に略点状に入射した光束は反転して元の進路ヘ回折され、回折格子スケール３１に向けて照射されて再び回折し、それらの光束がそれぞれ重ね合わされてビームスプリッタ１３まで戻される。この光束はそれぞれビームスプリッタ１３によって半導体レーザー光源１１と異なる方向へ取り出され、干渉光束として受光素子１６で検出される。なお、±１次回折光を使用した場合には、干渉の明暗周期は回折格子スケール３１の２ピッチ分の移動につき４周期であり、図１４、図１５に示すように受光素子１６上において略円形の光束が得られる。
【００５２】
図１６は半導体レーザー光源１１の発振波長が温度環境の変化等の要因によってΔλ＝１０ｎｍだけ変化して、回折角が変った場合の光路ずれの計算結果の説明図である。この場合には、回折格子スケール３１による回折光の回折角が変って円環状反射格子１４の照射位置が若干ずれているが、円環状反射格子１４の作用により元の回折角で回折されるために、回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態は変らず、干渉状態は安定している。
【００５３】
図１７は回折格子スケール３１の放射格子ディスクの位置をΔｘ＝０．５ｍｍだけずらした場合の光路ずれの説明図である。検出ヘッド部と回折格子スケール３１のギャップが小さくなっても、円環状反射格子１４で回折されることで、放射状回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態は変らず、干渉状態は安定している。
【００５４】
図１８、図１９は放射状回折格子スケール３１に対して検出ヘッド部を接線方向にΔｙ＝０．５ｍｍだけずらした場合の光束の計算結果の説明図である。この場合は、回折格子スケール３１の偏心が０．５ｍｍの場合と等価であり、またリニア格子を使用した場合のスケール配置におけるアジマス誤差と等価である。照射位置がずれても円環状反射格子１４の作用により元の光路に回折されるために、放射状回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態は変ることはない。
【００５５】
また、図１８、図１９はそれぞれ＋１次、−１次回折光の光路を示しており、受光素子１６上では上下に多少ずれているが、互いに略平行光束であり干渉状態は安定している。なお、この０．５ｍｍのずれはあくまで計算結果を分かり易くするための量であり、実際のエンコーダでのずれ量は更に少ない。
【００５６】
図２０、図２１は回折格子スケール３１と検出ヘッド部の設置角度を、格子配列方位を軸にしてチルト誤差Δθｚ＝０．５度だけ与えた場合の光路ずれの説明図である。±１次回折光の光路をそれぞれ読み取ると、チルト誤差が多少加わっても、回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態において、±１次回折光の光束間に差は生じないので干渉状態は安定している。
【００５７】
なお、受光素子１６上への入射光束が受光素子１６の面からずれているが、０．５ｍｍのずれは計算結果を分かり易くするための量であり、実際のエンコーダでのずれ量は更に少ない。
【００５８】
図２２、図２３は回折格子スケール３１と検出ヘッド部の設置角度を、格子配列方位を軸にしてチルト誤差Δθｙ＝０．５度だけ与えた場合の光路ずれの説明図である。この場合も、±１次回折光の光路をそれぞれ読み取ると、チルト誤差が多少加わっても回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態において、±１次回折光の光束間に差は生じないので干渉状態は安定しており、受光素子１６の入射位置自体もほぼずれることはない。
【００５９】
このように、反射型で円環状反射格子１４とこの光学素子への点状の照射を組み合わせることによって、小型でかつ高分解能で、取付誤差に寛容な性能及び安定した干渉信号の検出を両立させることができる。
【００６０】
図２４は第７の実施の形態の斜視図を示し、位相差信号を発生するように偏光素子を配置して２相信号検出にしたものである。偏光素子として偏光板を使用し、またリニア回折レンズを使用したリニアエンコーダであり、偏光素子として１／４波長板を使用し、放射状回折レンズを使用したロータリエンコーダも可能である。
【００６１】
可干渉光源である半導体レーザー光源１１の光路上に、コリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、レンズ３０、円環状反射格子１４、偏光方位を互いに９０度ずらした２個の偏光板２０Ｓ、２０Ｐ、回折格子スケール１５が配列されている。
【００６２】
このような構成により、半導体レーザー光源１１からの光束はコリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３を透過した後に、レンズ３０、円環状反射格子１４の中央部を介して回折格子スケール１５に略垂直に照射される。先ず、回折格子スケール１５から反射された＋１次回折光は回折角θで射出し、円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、更に回折格子スケール１５により＋１次回折されて非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【００６３】
一方の反射された−１次回折光は回折角θで反対方向に射出し、円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、更に回折格子スケール１５により−１次回折されて非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。ここで、半導体レーザー光源１１から回折格子スケール１５に照射された光束は、垂直及び水平方向の偏光成分を含んでおり、非偏光ビームスプリッタ１３に伝播される±１次回折光は、互いに偏光方位が９０度ずれて波面が重なり合っているが、明暗光束にはなっていない。
【００６４】
この結果、非偏光ビームスプリッタ１３により反射された両光束は１／４波長板２１を透過して、２光束間の位相差に基づいて偏光方位が変化する直線偏光光束に変換され、後段の非偏光ビームスプリッタ２２により２分割され、それぞれが偏光板２３ａ、２３ｂによって特定の偏光方位のみが抽出されて明暗信号が得られる。これらそれぞれの明暗信号の位相（タイミング）は、偏光板２３ａ、２３ｂの偏光方位のずれで与えられる。即ち、偏光板２３ａと偏光板２３ｂの偏光方位を互いに４５度ずらすことによって、明暗信号の位相差は９０度に設定される。
【００６５】
図２５は第８の実施の形態の光路図を示し、放射状回折格子スケール３１を使用し、収束光束を照射する光学手段としてコリメータレンズ１２を使用して直接収束光にしたものである。なお、図は非常に緩やかな収束光となっている。
【００６６】
更に、図２６は第９の実施の形態の構成図を示し、円環状反射格子１４の中央部の透過窓部に回折レンズ３２が一体的に形成されている。この回折レンズ３２は中心付近の格子ピッチと周辺部の格子ピッチが連続的に変化してパターンニングされており、凸レンズの作用を有している。
【００６７】
図２７は第１０の実施の形態におけるロータリエンコーダの光学配置図であり、図１３の第６の実施の形態とほぼ同等の構成であるが、円環状反射格子１４からの反射光が放射状回折格子スケール３１に点状集光するようになっている。また、図２８、図２９はこの光学系に直径１ｍｍの光束を入射させて±１次回折光の光線追跡を行った結果を図示したものである。
【００６８】
半導体レーザー光源１１から射出された光束は、ビームスプリッタ１３を透過し、レンズ３０を透過して収束光束になり、放射状回折格子スケール３１に収束傾向より照明され、反射回折光Ｌ＋、Ｌ−は、それぞれ円環状反射格子１４上に照明される。ここで、回折格子スケール３１上の格子ピッチをＰ１とすると、円環状反射格子１４のピッチＰ２は、Ｐ２＝Ｐ１／２の関係で設定されている。
【００６９】
円環状反射格子１４は局所的に見ると、格子ピッチＰ２のリニア回折格子として作用し、回折格子スケール３１からの線状集光領域から射出してきた光束に対して円環状反射格子１４に入射した光束はほぼ元の方位へ回折され、回折格子スケール３１に向けて照明され、この際にレンズ３０の作用によって点状に集光され、発散傾向の光束状態で再回折され、それぞれ光束を重ね合わせてビームスプリッタ１３まで戻される。
【００７０】
なお、復路における回折格子スケール３１上での点状集光の程度として円環状反射格子１４による線状集光収差があり、更に回折格子スケールとして放射状回折格子スケール３１を使用した場合には、放射状回折格子スケール３１特有の収差が加わり完全な点状集光にはならないが、それは微量で無視できる。
【００７１】
本実施の形態では、放射状回折格子スケール３１及び円環状反射格子１４を部分としてリニア格子とした場合に、復路の回折格子スケール３１上で点状集光するように設計されているが、実際は上述の収差によって点状集光の完全性は失われる。更に、収差を無視した場合の集光位置は、復路の回折格子スケール３１上に完全に一致する必要はなく、円環状反射格子１４〜回折格子スケール３１の間であれば、干渉状態が安定する効果がある。なお、±１次回折光を使用した場合は、干渉の明暗周期は回折格子スケール３１の１ピッチ分の移動につき４周期である。
【００７２】
図２８は放射状格子スケール３１及び円環状反射格子１４の光束照射部における格子配列方位のみの光束要素のみを計算し、図では円環状反射格子１４〜受光素子１６までの光束のみを選択して表示したものである。図２８に示すように復路の放射状格子スケール３１により略集光し、そこから発散光束として受光素子１６まで進行している。また、図２９は直径１ｍｍの平行光束の各光束要素の光線追跡を光源１１〜受光素子１６まで行ったものであり、受光素子１６上でほぼ楕円形の光束が得られている。
【００７３】
図３０はこの第１０の実施の形態において、半導体レーザー光源１１の発振波長が温度環境の変化等の要因により１０ｎｍ変化し、回折角が変わった場合の光路ずれの計算結果である。回折角が変わって、円環状反射格子１４の照明位置が若干ずれているが、円環状反射格子１４で元の回折角により回折され、回折格子スケール３１で再回折位置及び射出光束の状態は不変であり、干渉状態は勿論安定している。
【００７４】
図３１は第１０の実施の形態において、放射状回折格子スケール３１の位置を０．５ｍｍずらした場合の光路ずれの説明図である。ギャップが大きくなっても円環状反射格子１４により回折され、放射状格子スケール３１で再回折位置及び射出光束の状態はほぼ不変であり、干渉状態は勿論安定している。
【００７５】
図３２は第１０の実施の形態により放射状回折格子スケール３１に対して検出ヘッド部を接線方向に０．５ｍｍだけずらした場合の光線の計算結果である。放射状回折格子スケール３１の偏芯が０．５ｍｍの場合と等価であり、またリニア回折格子スケール１５を使用した場合のスケール配置におけるアジマス誤差と等価である。照明位置がずれても円環状反射格子１４の作用により元の光路に回折され、放射状回折格子スケール３１で再回折位置及び射出光束の状態は不変である。
【００７６】
図３２、図３３はそれぞれ±１次回折光の光路であるが、受光素子１６上では上下に多少のずれが生じている。しかし、互いに略平行光束であり、干渉状態は安定している。なお、０．５ｍｍのずれは、あくまで計算結果を分かり易くするための量であり、実際のエンコーダにおいては、更に少ない量である。
【００７７】
図３４、図３５は第１０の実施の形態において、放射状回折格子スケール３１と検出ヘッド部の設置角度を格子線を軸によりチルト誤差Δθｚ＝０．５度を与えた場合の光路ずれの説明図である。図３４、図３５の±１次回折光光路を読み取ると、チルト誤差が多少加わっても放射状回折格子スケール３１に再回折位置及び射出光束の状態において、±１次回折光光束間に差が生じないので干渉状態は安定している。
【００７８】
なお、第１０の実施の形態において、受光素子１６上では受光素子面から２つの次数の光束が互いに逆向きにＺ軸方向にずれているが、このＺ軸向き成分は略平行状態のため干渉状態の変化にはなり難い。更に、この計算における０．５ｍｍのずれは、あくまで計算結果を分かり易くするための量であり、実際のエンコーダにおいては更に少ない量である。
【００７９】
図３６、図３７は第１０の実施の形態において、スケール格子と検出ヘッド部の設置角度を格子配列方位を軸によりチルト誤差Δθｙ＝０．５度を与えた場合の光路ずれの説明図である。図３６、図３７の±１次回折光光路を読み取ると、チルト誤差が多少加わっても回折格子スケール３１に再回折位置及び射出光束の状態において、±１次回折光光束間に差が生じないので干渉状態は安定している。受光素子１６への入射位置自体もほぼずれることはない。
【００８０】
このように、円環状反射格子１４と復路放射状回折格子スケール３１への点状集光照明を組み合わせることにより、小型性、高分解能、取付誤差に寛容な性能及び安定した干渉信号の検出が両立できることが分かる。
【００８１】
図３８は第１１の実施の形態を示し、第１０の実施の形態において位相差信号を発生させるように偏光素子を配置し、２相信号検出にしている。この図３８の実施の形態では、回折格子スケール１５と円環状反射格子１４の間の光路中に偏光方位を互いに９０度ずらした偏光板２０Ｓ、２０Ｐが挿入されており、リニア回折レンズを使用したリニアエンコーダの実施の形態であり、可干渉光源である半導体レーザー光源１１からの光束を非偏光ビームスプリッタ１３を透過させた後に回折格子スケール１５に略垂直に照明している。
【００８２】
先ず、反射＋１次回折光は回折角θにより射出し、上方に配置した円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、更に回折格子スケール１５により＋１次回折させられて、非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【００８３】
一方の反射された−１次回折光は、回折角θにより反対方向に射出し、上方に配置した円環状反射格子１４により元の光路に回折反射させられ、更に回折格子スケール１５により−１次回折させられて、非偏光ビームスプリッタ１３まで戻されている。
【００８４】
従って、非偏光ビームスプリッタ１３に伝播される±１次回折光は、互いに偏光方位が９０度ずれて波面が重なり合っており、明暗光束にはなっていない。
【００８５】
非偏光ビームスプリッタ１３で反射された両光束は、その後の１／４波長板２１を透過し、２光束間の位相差に基づいて偏光方位が変化する直線偏光光束に変換され、後段の非偏光ビームスプリッタ２２によって２分割され、それぞれを偏光板２３ａ、２３ｂを介して特定の偏光方位のみを抽出することで明暗信号が得られる。それぞれの明暗信号の位相（タイミング）は、偏光板２３ａ、２３ｂの偏光方位のずれで与えられ、偏光板２３ａと偏光板２３ｂは互いに偏光方位を４５度ずらすことで、明暗信号の位相差を９０度に設定している。
【００８６】
図３９は第１２の実施の形態を示し、収束光束を照明する光学手段として、レンズ３０を採用せずに、図示しないコリメータレンズ１２により直接収束光にしたものである。
【００８７】
更に、図４０は第１３の実施の形態を示し、円環状反射格子１４の中央部の透過窓部に、回折レンズ３２が一体的に形成されている。回折レンズ３２は中心付近の格子ピッチと周辺部の格子ピッチが連続的に変化してパターンニングしてあり、凸レンズの作用を有している。
【００８８】
図４１は第１４の実施の形態のロータリエンコーダの斜視図を示す。半導体レーザー光源１１からの光束の光路上に、コリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、シリンドリカルレンズ３３、円環状反射格子１４、放射状回折格子スケール３１が配列されており、非偏光ビームスプリッタ１３の反射方向に受光素子１６が配置されている。ここで、放射状回折格子スケール３１上の格子ピッチをＰ１とすると、円環状反射格子１４はピッチＰ２＝Ｐ１／２の関係に設定されている。
【００８９】
このような構成により、半導体レーザー光源１１から出射した光束Ｌは、コリメータレンズ１２により略平行光束となり、非偏光ビームスプリッタ１３、シリンドリカルレンズ３３、円環状反射格子１４の中央部の窓部を透過して、放射状回折格子スケール３１に格子線配列方位又は接線方位に対して線状に照射され、放射状回折格子スケール３１からの反射回折光Ｌ＋、Ｌ−は、それぞれ円環状反射格子１４上に長楕円状に照射される。ここで、回折格子スケール３１に線状に照射されるのは、照射光束のシリンドリカルレンズ３３による集光特性の結果であり、この照明光束と直交する軸方位にはシリンドリカルレンズ３３のパワーは作用しないので、元の略平行特性のみを有する光束となっている。
【００９０】
また、図４２、図４３は同一の光学系に直径１ｍｍの光束を入射して、それぞれ±１次回折光の光束追跡を行った結果の説明図である。円環状反射格子１４は局所的に見ると格子ピッチＰ２のリニア回折格子として作用し、放射状回折格子スケール３１の線状集光領域から射出する光束に対して、円環状反射格子１４のどの部分に入射した光束もほぼ元の方位へ回折し、回折格子スケール３１の同一位置に向けて照射されて再び回折し、それらの光束がそれぞれ重ね合わされて非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。これは円環状反射格子１４の特有の効果である。
【００９１】
この光束はそれぞれビームスプリッタ１３によって半導体レーザー光源１１と異なる方向へ取り出され、干渉光束として受光素子１６において検出される。なお、±１次回折光を使用した場合には、干渉の明暗周期は放射状回折格子スケール３１の１ピッチ分の移動に対して４周期であり、図４２、図４３に示すように受光素子１６上において略円形の光束が得られる。
【００９２】
図４４は半導体レーザー光源１１の発振波長が温度環境の変化等の要因によってΔλ＝１０ｎｍだけ変化して、回折角が変った場合の光路ずれの計算結果の説明図である。放射状回折格子スケール３１による回折光の回折角が変って、円環状反射格子１４の照射位置が若干ずれているが、円環状反射格子１４によって元の回折角で回折されるので、放射状回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態は変らず、干渉状態は安定している。
【００９３】
図４５は放射状回折格子スケール３１の位置を、Δｘ＝０．５ｍｍだけずらした場合の光路ずれの説明図である。光束が照射されている位置の回折格子スケール３１のギャップが小さくなっても円環状反射格子１４で回折されて、回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態は変らず、干渉状態は安定している。
【００９４】
図４６、図４７は放射状回折格子スケール３１に対して検出ヘッド部を接線方向にΔｙ＝０．５ｍｍだけずらした場合の光束の計算結果の説明図である。放射状回折格子スケール３１の偏心が０．５ｍｍの場合と等価であり、またリニア回折格子スケールを使用した場合のスケール配置におけるアジマス誤差と等価である。照射位置がずれても円環状反射格子１４の作用により元の光路に回折されるので、放射状回折格子による再回折位置及び射出光束の状態は変らない。
【００９５】
これらの図４６、図４７はそれぞれ±１次回折光の光路を示しており、受光素子１６上では上下に多少ずれているが、互いに略平行光束であり干渉状態は安定している。なお、この０．５ｍｍのずれはあくまで計算結果を分かり易くするための量であり、実際のエンコーダではずれ量は更に少ない。
【００９６】
図４８、図４９は放射状回折格子スケール３１と検出ヘッド部の設置角度を、格子配列方位を軸にしてチルト誤差Δθｚ＝０．５゜だけ与えた場合の光路ずれの説明図である。これらの図４８、図４９の±１次回折光の光路をそれぞれ読み取ると、チルト誤差が多少加わっても放射状回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態において、±１次回折光の光束間に差が生ずることはないので、干渉状態は安定している。なお、図４８、図４９では受光素子１６上への入射光束が受光素子１６の面からずれているが、０．５ｍｍのずれは計算結果を分かり易くするための量であり、図４６、図４７の場合と同様に実際のエンコーダではずれ量は更に少ない。
【００９７】
図５０、図５１は放射状回折格子スケール３１と検出ヘッド部の設置角度を、格子配列方位を軸にしてチルト誤差Δθｙ＝０．５゜だけ与えた場合の光路ずれの説明図である。図５０、図５１の±１次回折光の光路をそれぞれ読み取ると、チルト誤差が多少加わっても放射状回折格子スケール３１による再回折位置及び射出光束の状態において、±１次回折光の光束間に差が生ずることはないので、干渉状態は安定しており、受光素子１６の入射位置自体も殆ど変化することはない。
【００９８】
このように、反射型で円環状反射格子１４と線状照射を組み合わせることによって、小型性かつ高分解能で、取付誤差に寛容な性能及び安定した干渉信号の検出とを両立させることができる。
【００９９】
図５２は第１５の実施の形態のエンコーダの斜視図を示し、偏光素子を有する位相差信号発生光学系を追加して２相の信号を検出している。なお、リニア型での回折格子スケール１５を放射状回折格子スケール３１に変えることによって、ロータリエンコーダとすることも可能である。
【０１００】
可干渉光源である半導体レーザー光源１１の光路上に、コリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、シリンドリカルレンズ３３、円環状反射格子１４、偏光方位を互いに９０度ずらした２個の偏光板２０Ｓ、２０Ｐ、回折格子スケール１５が配列されている。非偏光ビームスプリッタ１３の反射方向には１／４波長板２１、非偏光ビームスプリッタ２２が配列され、非偏光ビームスプリッタ２２の反射方向に偏光板２３ａ、受光素子１６ａが配置され、透過方向に偏光板２３ｂ、受光素子１６ｂが配置されている。
【０１０１】
このような構成により、半導体レーザー光源１１からの光束はコリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３を透過した後に、シリンドリカルレンズ３３、円環状反射格子１４の中央の透過窓部を通って回折格子スケール１５に略垂直に方向から照射される。先ず、回折格子スケール１５から反射された＋１次回折光は回折角θで射出し、上方に配置された円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、更に回折格子スケール１５によって＋１次回折されて非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【０１０２】
一方の反射された−１次回折光は回折角θで反対方向に射出し、上方に配置された円環状反射格子１４により元の光路に回折反射され、更に回折格子スケール１５により−１次回折されて非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【０１０３】
ここで、半導体レーザー光源１１から回折格子スケール１５に照射された光束は垂直及び水平方向の偏光成分を含んでおり、従って非偏光ビームスプリッタ１３に伝播される±１次回折光は、互いに偏光方位が９０度ずれて波面が重なり合っているが、明暗光束にはなっていない。
【０１０４】
この結果、非偏光ビームスプリッタ１３により反射された両光束は１／４波長板２１を透過し、２光束間の位相差に基づいて偏光方位が変化する直線偏光光束に変換され、後段の非偏光ビームスプリッタ２２により２分割され、それぞれが偏光板２３ａ、２３ｂによって特定の偏光方位のみが抽出されて明暗信号が得られる。これらそれぞれの明暗信号の位相（タイミング）は、偏光板２３ａ、２３ｂの偏光方位のずれで与えられる。即ち、偏光板２３ａと偏光板２３ｂの偏光方位を互いに４５度ずらすことによって、明暗信号の位相差は９０度に設定される。
【０１０５】
図５３は第１６の実施の形態を示し、線状に集光して光束を照射する光学手段としてリニア回折レンズ（リニア型フレネルゾーンプレート）３４が使用されている。即ち、リニア回折レンズ３４では円環状反射格子１４の中央の透過窓部に回折レンズ３５が一体的に形成されている。このリニア回折レンズ３４は中心付近の格子ピッチと周辺部の格子ピッチが連続的に変化するようにパターンニングされており、位相差信号を発生するために結晶光学素子を配置して２相の信号を検出し、シリンドリカルレンズ３３の作用を有している。
【０１０６】
図５４は第１７の実施の形態を示し、円環状反射格子１４の代りに円環状透過格子３６が採用され、円環状透過格子３６の直後に設けられた反射面３７により往復回折して、回折格子スケール１５上に再照射する構成とされている。なお、円環状透過格子３６のピッチは回折格子スケール１５のピッチと同じに設定されている。
【０１０７】
可干渉光源である半導体レーザー光源１１の光路上に、コリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、シリンドリカルレンズ３３、直後に反射面３７を有する環状透過格子３６、偏光方位を互いに９０度ずらした位置にある２個の偏光板２０Ｓ、２０Ｐ、回折格子スケール１５が配列されている。
【０１０８】
このような構成により、半導体レーザー光源１１からの光束はコリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、円環状透過格子３６の中央窓部を透過した後に、シリンドリカルレンズ３３を介して回折格子スケール１５に略垂直方向から照射されている。先ず、回折格子スケール１５から反射された＋１次回折光は回折角θで射出され、上方に配置した円環状透過格子３６により回折した直後の反射面３７において元の光路に戻され、再び円環状透過格子３６により回折偏向し、更に回折格子スケール１５において＋１次回折して非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【０１０９】
一方の反射された−１次回折光は回折角θで反対方向に射出され、上方に配置された円環状透過格子３６により回折した直後に反射面３７において元の光路に戻され、再び円環状透過格子３６により回折偏向し、更に回折格子スケール１５により−１次回折して非偏光ビームスプリッタ１３まで戻される。
【０１１０】
半導体レーザー光源１１から回折格子スケール１５に照射された光束の偏光成分は、偏光板２０Ｓ、２０Ｐの光学軸に対して４５゜の関係に設定されているために、非偏光ビームスプリッタ１３に伝播される±１次回折光は、互いに直交した偏光面の直線偏光光束となっているおり、１／４波長板２１を透過して両者をベクトル合成すると、２光束間の位相差に基づいて偏光方位が変化する直線偏光光束に変換される。従って、非偏光ビームスプリッタ２２において２分割された光束のそれぞれを、偏光板２３ａ、２３ｂにより特定の偏光方位のみを抽出することによって明暗信号が得られる。これらの明暗信号それぞれの位相（タイミング）は、偏光板２３ａ、２３ｂの偏光方位のずれで与えられるので、偏光板２３ａと偏光板２３ｂを互いに偏光方位を４５度ずらすことによって、明暗信号の位相差は９０゜に設定される。
【０１１１】
図５２〜図５４において、位相差信号を得るために偏光板２０Ｓ、２０Ｐ、２３ａ、２３ｂの代りに位相差板を挿入する方法も用いることができる。更に、図５０においてこれらの偏光状態変換素子を円環状透過格子３６と反射面３７の間に挿入してもよい。
【０１１２】
また、上述の実施の形態においては、次の項目に関して部分変更の置き換えが可能である。
【０１１３】
（ａ）回折格子スケール１５及び放射状回折格子スケール３１又は円環状反射格子１４において、±１次回折光以外の回折次数の回折光を使用する。
【０１１４】
（ｂ）偏光板２０Ｓ、２０Ｐ、２３ａ、２３ｂをこれと同等な機能を有する他の素子である偏光膜付きプリズムや微細格子パターンとする。
【０１１５】
（ｃ）位相差板即ち１／４波長板２１や１／８波長板を水晶等の結晶光学素子と同等な機能を有する微細構造パターンや他の異方性材料とする。
【０１１６】
（ｄ）位相差信号を２相以上として位相差を９０度以外に設定し、更に偏光素子や位相差板の配置を一部変更して同等な効果を得る。
【０１１７】
（ｅ）回折格子スケール１５に投光する光束と再回折された光束を、受光素子１６に導くために非偏光ビームスプリッタ１３、２２を使用しているが、回折格子等の他のビーム分割合成手段を使用したり、往路と復路の光路を空間的にずらすことにより分離したり、更に一方の光束のみを選択反射して受光素子１６の側に導いてもよい。
【０１１８】
（ｆ）コリメータレンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、レンズ３０、円環状反射格子１４の配列順序を変えたりして、他の光学配置を採用して回折格子スケール１５上に線状に集光する関係を満足させる。
【０１１９】
（ｇ）シリンドリカルレンズ３３を同等な機能を有する光学素子に変更する。
【０１２０】
（ｈ）シリンドリカルレンズ３３と円環状反射格子１４又は円環状透過格子３６を一体化する。例えば、シリンドリカルレンズ３３の平面側に円環状反射格子１４を形成する。
【０１２１】
（ｉ）シリンドリカルレンズ３３の機能とコリメータレンズ１２の機能をトーリックレンズやホログラムレンズにより代替する。
【０１２２】
以上の各実施の形態では、円環状反射格子としては例えばガラスエッチング等により加工されたガラス板の裏面に反射膜を蒸着した素子が利用できるので、耐環境性が良好である。
【０１２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による光学式エンコーダ及び回折格子の変位測定方法は、回折格子や円環状回折格子への照射状態を最適化することによって、次に列挙する効果が得られる。
【０１２４】
（１）例えば、平面状の光学素子を使用できるために、キャッツアイのように配置空間が複雑にならずかつ小型化に向いている。
【０１２５】
（２）光源の波長変動に対して補正が働くので干渉信号が安定する。
【０１２６】
（３）アライメント誤差に対して補正が働くために、回折格子スケールと検出ヘッドを分離したエンコーダでも取り付けが比較的容易になる。
【０１２７】
（４）再帰光学素子が小型でかつ部品点数が少ないために、光束照射手段に更に偏向手段を付加することよって、回折格子スケールへの照射方法や向きに自由度が高くなり、広範な適用姿勢が得られる。
【０１２８】
（５）回折光同士の干渉波面が相互に一致し易くなり、フラットな明暗パターンが得られ、ＳＮ比の良好な安定したエンコーダ信号を得ることができる。
【０１２９】
（６）再帰光学素子が小型でかつ部品点数が少ないために、光束照射手段に更に偏向手段を付加することによって、回折格子スケールへの照射方法や向きに自由度が高くなり、広範な適用姿勢が得られる。
【０１３０】
（７）再回折した回折光がそれ程広がらずに、受光素子に導かれるようにできるために、損失が少なくＳＮ比の良好な検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図２】光源波長変化の影響の説明図である。
【図３】スケールと検出ヘッドのギャップ変化の説明図である。
【図４】スケールと検出ヘッドのアジマス角度変化の影響の説明図である。
【図５】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図６】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図７】第２の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図８】第３の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図９】第４の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図１０】第５の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図１１】光束追跡結果の説明図である。
【図１２】光束追跡結果の説明図である。
【図１３】第６の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図１４】光束追跡結果の説明図である。
【図１５】光束追跡結果の説明図である。
【図１６】光束波長変化の影響の説明図である。
【図１７】スケールと検出ヘッドのギャップ変化の影響の説明図である。
【図１８】スケールと検出ヘッドのギャップ変化の影響の説明図である。
【図１９】スケールと検出ヘッドのギャップ変化の影響の説明図である。
【図２０】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図２１】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図２２】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図２３】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図２４】第７の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図２５】第８の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図２６】第９の実施の形態のエンコーダの構成図である。
【図２７】本発明の第１０の実施の形態の光学構成図である。
【図２８】光束追跡結果の説明図である。
【図２９】光束追跡結果の説明図である。
【図３０】光源波長変化の影響の説明図である。
【図３１】スケールと検出ヘッドのギャップの変化の影響の説明図である。
【図３２】スケールと検出ヘッドのギャップの変化の影響の説明図である。
【図３３】スケールと検出ヘッドのギャップの変化の影響の説明図である。
【図３４】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図３５】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図３６】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図３７】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図３８】第１１の実施の形態の構成図である。
【図３９】第１２の実施の形態の光路追跡結果の説明図である。
【図４０】第１３の実施の形態の光路追跡結果の説明図である。
【図４１】第１４の実施の形態の説明図である。
【図４２】光束追跡結果の説明図である。
【図４３】光束追跡結果の説明図である。
【図４４】光束波長変化の影響の説明図である。
【図４５】スケールと検出ヘッドのギャップ変化の影響の説明図である。
【図４６】スケールと検出ヘッドのギャップ変化の影響の説明図である。
【図４７】スケールと検出ヘッドのギャップ変化の影響の説明図である。
【図４８】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図４９】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図５０】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図５１】スケールと検出ヘッドのチルト角度変化の影響の説明図である。
【図５２】第１５の実施の形態の構成図である。
【図５３】第１６の実施の形態の構成図である。
【図５４】第１７の実施の形態の構成図である。
【図５５】従来例のエンコーダの構成図である。
【符号の説明】
１１ 半導体レーザー光源
１２ コリメータレンズ
１３、２２ ビームスプリッタ
１４ 円環状反射格子
１５ リニア回折格子スケール
１６ 受光素子
２０、２３ 偏光板
２１、２４ １／４波長板
２５ １／８波長板
２６、３６ 円環状透過格子
２７、３７ 反射面
３１ 放射状回折格子スケール
３２ 回折レンズ
３３ シリンドリカルレンズ
３４ リニア回折レンズ

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源からの光を回折格子に入射させる照明光学系と、
   前記回折格子により生じた２つの回折光が入射し、これらの２つの回折光を前記回折格子に再照射する円環状格子と、
   前記回折格子に再照射された前記２つの回折光が前記回折格子により再回折されると共にこれらが重ね合わされて生ずる干渉光が入射する光束偏向手段と、
   該光束偏向手段から射出した前記干渉光を受光する受光手段と、を有し、
   前記回折格子により生じた２つの回折光は、前記円環状格子から再照射される前記回折格子までに点状に集光されることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記円環状格子を経て前記回折格子に再照射される前記回折光は、前記回折格子上に点状に集光することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記光源からの光を収束光束として前記回折格子に照射する集光素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記集光素子は回折レンズであることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記円環状格子は反射型回折格子としたことを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記円環状格子は透過型回折格子とし、該透過型回折格子を透過回折した回折光を反射光学素子で反射して前記透過型回折格子に入射させ、前記透過型回折格子により再回折した回折光を前記回折格子に再照射させることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記光源からの光は前記光束偏向手段を透過して前記回折格子に入射し、前記受光手段は、前記光束偏向手段により反射された前記干渉光を受光することを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
8. 回折格子の変位を測定する方法であって、
   光源からの光を前記回折格子に入射させる工程と、
   前記回折格子により生じた２つの回折光を円環状格子に入射させる工程と、
   前記円環状格子に入射した２つの回折光を前記回折格子に再照射する工程と、
   前記回折格子に再照射された前記２つの回折光が前記回折格子により再回折されると共にこれらが重ね合わされて生ずる干渉光を受光する工程とを有し、
   前記回折格子により生じた２つの回折光は、前記円環状格子から再照射される前記回折格子までに点状に集光されることを特徴とする回折格子の変位測定方法。

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