JP4953661B2 - Photoelectric encoder - Google Patents
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Description
本発明は、光電式エンコーダに係る。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。 The present invention relates to a photoelectric encoder. In particular, the present invention relates to an improvement in a photoelectric encoder having a telecentric optical system in which a lens and an aperture are inserted between a main scale and a light receiving element.
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。
As described in
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44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。
In the photoelectric encoder using the telecentric
又、特許文献2には、シャインプルーフの条件を利用してレチクル投影光学系の側方の狭い隙間からウェハ上に入射することが記載されている。 Further, Patent Document 2 describes that the light is incident on the wafer through a narrow gap on the side of the reticle projection optical system using the Scheimpflug condition.
しかしながら、特許文献1のようなテレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダを反射型で構成する場合、図3に示すようにアパーチャ44が中心部に形成されたハーフミラー46を挿入すると、ハーフミラー46を2回通過して受光素子34に到達する光量が(1/2)×(1/2)=(1/4)に減少してしまい、到達光量を確保しようとすると、光源10への供給電流が4倍必要になる。又、光軸がメインスケール20の表面に対して垂直になるので、光学系が小型化できない。図において、12は、光源10から出た光を平行光線化するためのコリメートレンズである。
However, when a photoelectric encoder using a telecentric optical system as in
一方、図4のように、光軸を斜めにすると、図5のように、中心部と端部でエアギャップが異なってしまい、たとえば中央で合焦させると上下でピンボケを生じて、受光面全域でコントラストを確保することができず、信号検出効率が低下してしまうという問題点を有していた。 On the other hand, if the optical axis is inclined as shown in FIG. 4, the air gap is different between the center and the end as shown in FIG. There was a problem that the contrast could not be secured in the entire area, and the signal detection efficiency was lowered.
なお、シャインプルーフの条件をテレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダに用いることは、考えられていなかった。 It has not been considered to use the Shineproof condition for a photoelectric encoder using a telecentric optical system.
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、光軸を傾けて光学系を小型化しても、像面全体でピントが合うようにして、コントラストの低下を防ぐことを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is an object to prevent a decrease in contrast by focusing on the entire image plane even when the optical system is tilted and the optical system is downsized. And
本発明は、メインスケールと受光素子の間に、レンズ光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系とすると共に、前記メインスケールの表面、レンズの主面、及び、受光素子の像面の3者を延長した面が一箇所で交わるシャインプルーフの関係となるように配置したことにより、前記課題を解決したものである。 According to the present invention, in a photoelectric encoder having a lens optical system between a main scale and a light receiving element , the lens optical system is a telecentric optical system including a lens and an aperture disposed at a focal position of the lens. In addition , the above problem has been solved by arranging the surface of the main scale , the main surface of the lens, and the image plane of the light receiving element so as to have a Shine proof relationship in which the three surfaces extend at one place. Is.
又、前記メインスケールの表面とレンズ主面がなす角度と、レンズ主面と受光素子の像面がなす角度を同じとしたものである。 The angle formed between the surface of the main scale and the main lens surface is the same as the angle formed between the main lens surface and the image plane of the light receiving element.
本発明は、又、メインスケールと受光素子の間に、レンズ光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系であって、第1のレンズと受光素子の間に、少なくとも第2のレンズを、その焦点が前記第1のレンズの焦点位置に来るように挿入したレンズ光学系とすると共に、前記メインスケールの表面、前記第1のレンズの焦点と前記第2のレンズの焦点を含み、且つ、光軸に対して垂直な焦点面、及び、受光素子の像面の3者を延長した面が1箇所で交わるシャインプルーフの関係となるようにして、倍率も補正できるようにしたものである。 In the photoelectric encoder having a lens optical system between a main scale and a light receiving element, the lens optical system includes a lens and an aperture disposed at a focal position of the lens. In the lens optical system , at least the second lens is inserted between the first lens and the light receiving element so that the focal point thereof is at the focal position of the first lens. The surface, including the focal point of the first lens and the focal point of the second lens, and a plane extending from the three of the focal plane perpendicular to the optical axis and the image plane of the light receiving element, is formed in one place. The magnification can also be corrected so as to be in a shine-proof relationship.
又、前記メインスケールの表面と焦点面がなす角度と、焦点面と受光素子の像面がなす角度を同じとしたものである。 The angle formed between the surface of the main scale and the focal plane and the angle formed between the focal plane and the image plane of the light receiving element are the same.
又、前記レンズ光学系を両側テレセントリック光学系にしたものである。 The lens optical system is a double-sided telecentric optical system.
本発明によれば、図6に示す如く、被写体面、レンズ主面、像面の3者を延長した面が1箇所で交われば、像面全体でピントが合うというシャインプルーフの条件を満足するので、像面全体でピントが合う。従って、光軸を傾けて光学系を小型化しても、コントラストの低下を防ぐことができる。 According to the present invention, as shown in FIG. 6, if the surface obtained by extending the subject surface, the lens main surface, and the image surface intersects at one place, the Sine proof condition that the entire image surface is in focus is satisfied. As a result, the entire image plane is in focus. Therefore, even if the optical axis is tilted to reduce the size of the optical system, it is possible to prevent a decrease in contrast.
なお、図6のA’点とB’点の倍率は異なり、被写体が歪んで写るが、第1のレンズと第2のレンズを、お互いの焦点を一致させて連結したレンズ光学系とした場合は、倍率を補正して、被写体の歪みを防ぐこともできる。 Note that the magnification of the A ′ point and the B ′ point in FIG. 6 is different, and the subject appears distorted, but the first lens and the second lens are connected to each other with their focal points coincided with each other. Can also correct the magnification to prevent distortion of the subject.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第1の参考形態は、図7に示す如く、スケール20上の被写体面、レンズ42の主面、及び、受光素子34上の像面が、シャインプルーフの条件を満足し、且つ、被写体面とレンズ主面のなす角度θ1と、レンズ主面と像面のなす角度θ2が一致するように、スケール20、レンズ42、及び、受光素子34を配置したものである。
In the first reference embodiment, as shown in FIG. 7, the object surface on the
本参考形態においては、θ1=θ2なので、像の光学倍率
M=tanθ2/tanθ1=1
の1倍光学系となる。
In this reference embodiment, since θ 1 = θ 2, the optical magnification of the
1 × optical system.
特にθ1=θ2=45°の時は、θ1+θ2=90°になり、組立が容易である。 In particular, when θ 1 = θ 2 = 45 °, θ 1 + θ 2 = 90 °, and assembly is easy.
又、図8に示す本発明の第1実施形態のように、レンズ42の焦点位置にアパーチャ44を配設したテレセントリック光学系40にすることができる。
Also, as in the first embodiment of the present invention shown in FIG. 8, it may be telecentric
又、図9に示す第2実施形態のように、θ1≠θ2として、M倍光学系とすることもできる。 Further, as in the second embodiment shown in FIG. 9, it is possible to make an M-fold optical system with θ 1 ≠ θ 2 .
次に、図10を参照して、第2の参考形態を詳細に説明する。 Next, the second reference embodiment will be described in detail with reference to FIG.
本参考形態は、焦点面46の反対側に、レンズ42(第1のレンズとも称する)と同じ第2のレンズ48を、その焦点が第1のレンズ42の焦点に来るように逆向きに挿入したレンズ光学系50とし、被写体面、第1のレンズ42と第2のレンズ48の焦点を含み、且つ、光軸に対して垂直な面(焦点面と称する)面、及び、像面がシャインプルーフの条件を満足すると共に、被写体面とアパーチャ面のなす角度θ1と、アパーチャ面と像面の
なす角度θ2が一致するように、スケール20、レンズ光学系50、及び、受光素子34
を配置したものである。
In this reference embodiment, a
Is arranged.
本参考形態においては、入側の第1のレンズ42と出側の第2のレンズ48が同じ物であるため、第1のレンズ42で発生する収差を第2のレンズ48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。
In this reference embodiment, since the
又、第2のレンズ48の焦点が第1のレンズ42の焦点に来るように挿入されているので、第2のレンズ48を出た光は平行光となり、第1の参考形態に比べて像の台形歪み(倍率)が補正される。
Further, since the
特にθ1=θ2=45°の時は、θ1+θ2=90°になり、組立が容易である。 In particular, when θ 1 = θ 2 = 45 °, θ 1 + θ 2 = 90 °, and assembly is easy.
又、図11に示す本発明の第3実施形態のように、レンズ光学系50を、第1のレンズ42と第2のレンズ48の焦点位置にアパーチャ44を配設した両側テレセントリック光学系51にすることもできる。
Further, as in the third embodiment of the present invention shown in FIG. 11, the lens
又、図12に示す第4実施形態のように、θ1≠θ2として、M倍光学系とすることもできる。この場合、入側レンズ42と出側レンズ48が違う物となるので、収差を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できる。
Further, as in the fourth embodiment shown in FIG. 12, it is possible to make an M-magnification optical system with θ 1 ≠ θ 2 . In this case, since the
ここで、2つのレンズを、お互いの焦点を一致させて連結したレンズ光学系において、2つのレンズの焦点を含み、且つ、光軸に対して垂直な焦点面をレンズ系の主面としてシャインプルーフの原理を適用する理由を述べる。図13のような、入側レンズ42の焦点距離がf1、出側レンズ48の焦点距離がf2のレンズ光学系50において、物体を傾けた際の像のピント位置s2’を考える。
Here, in a lens optical system in which two lenses are connected so that their focal points coincide with each other, the shine proof includes the focal points of the two lenses and the focal plane perpendicular to the optical axis is the main surface of the lens system. The reason for applying the principle of is described. Consider a focus position s 2 ′ when an object is tilted in a lens
(i)s1=−f1(光軸上)の時:
s2’=f2
(ii)s1≠−f1(光軸外)の時:
(1/s1’)=(1/s1)+(1/f1)
より、
s1’=s1f1/(s1+f1)
よって、出側レンズ48にとっての物体位置は、
s2=−(f1+f2−s1’)=−(s1f2+f1 2+f1f2)/(s1+f1)
(I) When s 1 = −f 1 (on the optical axis):
s 2 '= f 2
(Ii) When s 1 ≠ −f 1 (outside optical axis):
(1 / s 1 ') = (1 / s 1 ) + (1 / f 1 )
Than,
s 1 '= s 1 f 1 / (s 1 + f 1 )
Thus, the object position for the
s 2 = − (f 1 + f 2 −s 1 ′) = − (s 1 f 2 + f 1 2 + f 1 f 2 ) / (s 1 + f 1 )
従って、
(1/s2’)=(1/s2)+(1/f2)より
s2’={f2(s1f2+f1 2+f1f2)}/f1 2
=(f2 2/f1 2)・s1+f2+(f2 2/f1 2)・f1
s2’−f2=(f2 2/f1 2)(s1+f1)
Therefore,
From (1 / s 2 ′) = (1 / s 2 ) + (1 / f 2 ), s 2 ′ = {f 2 (s 1 f 2 + f 1 2 + f 1 f 2 )} / f 1 2
= (F 2 2 / f 1 2 ) · s 1 + f 2 + (f 2 2 / f 1 2 ) · f 1
s 2 '−f 2 = (f 2 2 / f 1 2 ) (s 1 + f 1 )
図13より、
Δx’=(f2 2/f1 2)・Δx …(1)
From FIG.
Δx ′ = (f 2 2 / f 1 2 ) · Δx (1)
ここで、物体の高さをy、像の高さをy’とすると、
y’=βy=−(f2/f1)・y
Here, if the height of the object is y and the height of the image is y ′,
y ′ = βy = − (f 2 / f 1 ) · y
今、y=θ1Δxとおくと、(1)式より
y’=βy=−(f2/f1)・y
=−(f2/f1)・θ1Δx
=−(f2/f1)・θ1・(f1 2/f2 2)・Δx’
=−θ1・(f1/f2)・Δx’
Now, if y = θ 1 Δx, y ′ = βy = − (f 2 / f 1 ) · y from the equation (1)
=-(F 2 / f 1 ) · θ 1 Δx
= − (F 2 / f 1 ) · θ 1 · (f 1 2 / f 2 2 ) · Δx ′
= −θ 1 · (f 1 / f 2 ) · Δx ′
よって、物体面をθ1傾けた場合、像面をθ1・(f1/f2)傾けると、全面にピントが合うこととなる。又、このことから、物体面と像面の延長線の交点は焦点面46に来ることとなる。
Therefore, when the object plane is tilted by θ 1 , if the image plane is tilted by θ 1 · (f 1 / f 2 ), the entire surface will be in focus. From this, the intersection of the extension line of the object plane and the image plane comes to the
なお、前記実施形態においては、いずれも、スケール20に対して受光素子34を傾けて組み立てなければならず、組み立てに注意を要する。そこで、図14を参照して、スケール20と受光素子34を平行に構成することが可能な、第3の参考形態を詳細に説明する。
In any of the above-described embodiments, the
本参考形態は、図10に示した第2の参考形態と同様の光電式エンコーダにおいて、図14に示す如く、メインスケール20側のレンズ光学系50(第1のレンズ光学系とも称する)に加えて、受光素子34側にも、第3、第4のレンズ62、68でなる第2のレンズ光学系60を追加し、メインスケール20の表面、第1のレンズ光学系50の焦点面46、及び、第3実施形態で受光素子34があった面(仮想面と称する)の3者、及び、該仮想面、第2のレンズ光学系60の焦点面66、及び、受光素子34の像面の3者が、それぞれシャインプルーフの関係を満足するようにしたものである。
This reference embodiment is the same photoelectric encoder as the second reference embodiment shown in FIG. 10, in addition to the lens optical system 50 (also referred to as the first lens optical system) on the
本参考形態において、特にθ1=θ2=θ3=θ4=45°とした場合には、スケール20と受光素子34を平行に構成することができ、組み立てが容易になると共に、スケール20と受光素子34がオフセットしているので、光源10のスペースもとり易い。
In this reference embodiment, especially when the θ 1 = θ 2 = θ 3 = θ 4 = 45 ° , the
又、図15に示す本発明の第5実施形態のように、光軸と焦点面46が交差する位置にアパーチャ44を、また、光軸と焦点面66が交差する位置にアパーチャ64を配設して、両側テレセントリック光学系51、61にすることもできる。
Further, as in the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 15, an
なお、第1のアパーチャ44で開口数NAが規定されているので、第2のアパーチャ64は省略することもできる。
Since the numerical aperture NA is defined by the
又、前記レンズ42、48、62、68としては、高精度であるが高価な平凸レンズや両凸レンズの他、歪曲収差が大きいが安価な、球状のボールレンズ、光線をレンズ媒質内で放物線状に屈折させる、屈折率分布型の筒状のGRINレンズ(セルフォックレンズとも称する)、又は、ドラムレンズ等の同じレンズを対で用いて、収差を相殺することもできる。
The
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。 The present invention can be applied to both an index grating and a light receiving element that are separated, and a light receiving element array in which both are integrated.
10…光源
20…メインスケール
30…受光部
34…受光素子
40…テレセントリック光学系
42、48、62、68…レンズ
44、64…アパーチャ
46、66…焦点面
50、60…レンズ光学系
51、61…両側テレセントリック光学系
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系とすると共に、
前記メインスケールの表面、レンズの主面、及び、受光素子の像面の3者を延長した面が1箇所で交わるシャインプルーフの関係となるように配置したことを特徴とする光電式エンコーダ。 In a photoelectric encoder with a lens optical system between the main scale and the light receiving element,
The lens optical system is a telecentric optical system including a lens and an aperture disposed at a focal position of the lens, and
A photoelectric encoder, wherein the surface of the main scale, the main surface of the lens, and the image plane of the light receiving element are arranged so as to have a Shine proof relationship in which the three surfaces extend at one place.
前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系であって、第1のレンズと受光素子の間に、少なくとも第2のレンズを、その焦点が前記第1のレンズの焦点に来るように挿入したレンズ光学系とすると共に、
前記メインスケールの表面、前記第1のレンズの焦点と前記第2のレンズの焦点とを含み、且つ、光軸に対して垂直な焦点面、及び、受光素子の像面の3者を延長した面が1箇所で交わるシャインプルーフの関係となるようにしたことを特徴とする光電式エンコーダ。 In a photoelectric encoder with a lens optical system between the main scale and the light receiving element,
The lens optical system is a telecentric optical system including a lens and an aperture disposed at a focal position of the lens, and at least a second lens is disposed between the first lens and the light receiving element. A lens optical system inserted so as to come to the focal point of the first lens;
The main scale surface, the focal point of the first lens and the focal point of the second lens, and the focal plane perpendicular to the optical axis and the image plane of the light receiving element are extended. A photoelectric encoder characterized in that the surfaces are in a shine-proof relationship where the surfaces meet at one place.
前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系とすると共に、
メインスケール側のレンズ光学系、及び、受光素子側のレンズ光学系が、それぞれ、シャインプルーフの関係を満足するようにしたことを特徴とする光電式エンコーダ。 A photoelectric encoder in which a plurality of lens optical systems are inserted between a main scale and a light receiving element,
The lens optical system is a telecentric optical system including a lens and an aperture disposed at a focal position of the lens, and
A photoelectric encoder characterized in that the lens optical system on the main scale side and the lens optical system on the light receiving element side satisfy the Scheinproof relationship, respectively.
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