JP7019672B2 - 光学回転角測定システム - Google Patents

Description

本発明は回転シャフトを有する回転可能な物体の回転角を測定する光学システムに関し、そのシステムは、一方において、シャフト上に取り付けられ、シャフトとともに回転する反射性回折要素と、他方において、放射源及び検出モジュールとを含み、そのモジュールは、
－回折要素に向かって概ね単色の放射の照明ビームを放出する放射源と、
－回折要素によって反射された照明ビーム放射を、上記角度を表す信号を取得するために電子工学的に処理するのに適した電気信号に変換する環状格子マスクを備える、放射感応性検出構造体と、
を備える。

特定の実施形態において、本発明は、回転シャフト2を有する回転可能な物体の回転角を測定する光学システムを提供し、そのシステムは、上記シャフト上に取り付けられる反射性回折要素6と、この要素に向かって概ね単色のビームboを放出する放射源8及び放射感応性検出構造体14、16を含むモジュールとを備え、回折要素は、自らのパターンの回折次数像18を検出構造体の一部を形成する環状格子構造体の関連するセクション50（1）～54（2）上に投影するように構成され、回折要素の表面サイズは、環状格子構造体の表面サイズの20%未満である。異なる言い方をすると、回折要素の表面サイズは、その回折要素の慣性モーメントが0.05 g.cm²未満、特に、0.01 g.cm²未満であるようなサイズである。

上記回転シャフトに接続されるミラーの角度位置を用いて、回転シャフトを有する回転可能な物体の回転角を測定するために、角度デコーダー又は回転スキャナーとしても知られる、回転角を測定するデバイスを使用することができる。そのようなスキャナーは広範に使用することができる。よく知られた一例は、ミラーが回転モーターのシャフトに接続され、モーター及びミラーが合わせて、いわゆる、ガルバノメータースキャナーを形成するデバイスからなる。製造業において、ガルバノメータースキャナーは、被工作物の溶接、彫刻又は切断等の、可動レーザービームによって材料を処理するために使用することができる。最近の適用例は、3次元（3D）プロトタイピング又は印刷である。光学では、例えば、レーザービームのX走査及びY走査を制御するために、共焦点顕微鏡法ガルバノメータースキャナーが使用される。また、ガルバノメータースキャナーは、角膜手術、皮膚手術及び血管形成術等の、非常に異なるタイプの医療処置用の装置において使用することもできる。また、人間の網膜をX方向及びY方向において走査するための、いわゆる、眼底カメラにおいて、ガルバノメータースキャナーを使用することもできる。

これらの、そして他の適用例において、角度デコーダーの必要とされる分解能はマイクロラジアンのオーダーである。更なる要件は、スキャニングミラーが1ミリ秒あたり、より大きい角度、例えば、20度にわたって迅速に移動できることである。それゆえ、回転シャフトに結合される角度デコーダーのその部分の質量は、この部分がスキャナーの慣性モーメントをほとんど増加させないほど小さくすべきである。

高分解能及び低慣性モーメントという要件がある結果として、角度デコーダーデバイスにおいて、それゆえ、光学角度エンコーダーデバイスにおいて、光計測学が使用される。物体の回転を含む運動を測定するために一般に適用される原理は、光回折格子の使用に基づく。例えば、特許文献1は、ガルバノメーターミラーの角度位置を測定するデバイスを開示しており、そのデバイスは、ミラーの回転シャフトに垂直に取り付けられる回折格子を使用する。回折格子は反射性で、リング形状であり、径方向の格子線を有する。ダイオードレーザーからの光ビームが2つのサブビームに分割され、サブビームは回折格子の同一のエリアに向けられる。回折格子によって反射されるサブビームはミラーに入射し、ミラーはこれらのサブビームを反射して、回折格子に向かって戻す。2回反射したサブビームはそれぞれ、別々の放射感応性検出器によって取り込まれる。2つの検出器の出力信号は、シャフトの回転角度及び方向についての情報を与える。マイクロラジアンのオーダーの分解能で角度位置を測定できるようにするために、このデバイスのリング形状回折格子の半径は、センチメートルのオーダーにすべきである。回折格子ディスクの慣性モーメントは、その半径の少なくとも4乗に比例するので、必要とされる半径は、ガルバノメーターミラーのガルバノメーターの動態及び速度を制限することになる。さらに、特許文献1のデバイスの測定結果は回転シャフトの横方向シフトの影響を受けやすい。なぜなら、そのようなシフトはシャフト軸に対して垂直な平面において回折格子構造体の横方向変位を引き起こし、そのような変位が、デバイスの光学要素によって観測される回折格子エリアのピッチを変更することになるためである。

特許文献2は、回転物体上に取り付けられ、回転物体とともに回転する反射性放射状回折格子を用いて、この物体の角度位置を測定する別のデバイスを示している。このデバイスは、第2の静止回折格子を用いて、光源からの測定用ビームを異なる回折次数の2つのサブビームに分割し、サブビームは、回転する回折格子の異なる部分に入射する。回転する回折格子によって反射されるサブビームは、櫛型放射感応性検出器の平面において静止回折格子によって干渉を受け、櫛型放射感応性検出器は干渉パターンの周期に対応する周期を有する。検出器の出力信号は、回転物体の角度位置についての情報を与える。特許文献2のデバイスは、特許文献1のデバイスと同じ不都合を示す。

特許文献3は、例えば、回折格子が使用されるガルバノメーターミラーの角度位置を測定する別のタイプのデバイスを開示している。このデバイスでは、収束光ビームが、ミラーを介して、ガルバノメーターの回転軸を中心にした円筒形表面を有する回折格子に送られ、ガルバノメーターはミラーの回転シャフトに固定される。円筒形回折格子は、ビームを反射して、回転するミラーに戻し、ミラーは光をレンズに向かって反射し、レンズは、放射感応性検出器の前面に配置される静止回折格子の平面においてこの回折格子の動画像を形成する。検出器上の光の強度は、ミラーの角度位置とともに周期的に変化する。円筒半径r＝15 mm及び回折格子周期が10 μmの場合、検出器信号は、0.67ミリラジアンの周期を有することになる。収束ビームが使用されるので、回転角測定値は、回転シャフトの横方向変位の影響を受けやすい。実際に、数マイクロメートル程度のそのような変位を回避できないように思われる。格子線に対して垂直な方向におけるシャフトの変位ΔxはΔx/rの被測定角度誤差を引き起こす。ただし、rは円筒形回折格子の曲率半径である。r=15 mmである場合には、1 μmを超える円筒形回折格子の変位は、67マイクロラジアンの角度測定誤差を引き起こすことになり、その誤差は、ここで必要とされている測定分解能の観点から許容できない。さらに、その光学的支出及び光学要素の数に起因して、特許文献3のデバイスは、コンパクトかつ軽量にはできない。

米国特許第5,159,192号 欧州特許出願公開第0651232号 独国特許出願公開第102011050030号

本発明の目的は、従来のデバイスより簡単かつコンパクトであり、より広い測定範囲にわたって、より正確な測定信号をもたらし、回転シャフトの横方向変位の影響を受けにくい光学回転角測定デバイスを提供することである。

したがって、本発明は回転シャフトを有する回転可能な物体の回転角を測定する光学システムを提供し、そのシステムは、一方において、シャフト上に取り付けられ、シャフトとともに回転する反射性回折要素と、他方において、回折要素に向かって概ね単色の放射の照明ビームを放出する放射源及び回折要素によって反射された照明ビーム放射を、上記角度を表す出力信号を取得するために電子工学的に処理するのに適した電気信号に変換する放射感応性検出構造体を備えるモジュールとを含み、該システムは、回折要素が自らのパターンの少なくとも1つの回折次数像を検出構造体の一部を形成する環状格子構造体の関連するセクション上に投影するように構成され、回折要素の表面サイズが環状格子構造体の表面サイズの20%より小さく、特に10%より小さいことを特徴とする。本明細書において使用されるときに、「概ね単色」は、或る特定のスペクトル幅を有する所与の波長の照明ビームを許容することを意味する。以下に更に詳述されるように、照明源の単色波長は或る特定の波長誤差を許容し、上記波長のそれぞれは、或る特定のスペクトル幅を有することが許容される。本発明との関連において、概ね単色の放射は100 Mhzより狭いスペクトル幅を有し、特に、10 Mhzより狭いスペクトル幅を有し、更には、3 Mhzより狭いスペクトル幅を有する所与の波長（±10 nMの許容波長変動条件下で（infra - allowing wavelengthvariations））における放射である。

環状格子構造体は、照明ビーム軸に対して径方向に延在する格子線の構造を意味すると理解され、それにより、格子線は、ビーム軸と同軸であるリングのセクション内に配置される。しかしながら、本発明の関連において、リング形状に限定されると見なされるべきではなく、環状及び楕円形に近い形状も同等に含む。格子構造体の周期は、格子構造体の平面内の回折次数像の周期に対応する。セクションの角度サイズ、すなわち、リングの円周方向のサイズ、及びセクションの数は、測定状況及び必要とされる測定結果に合わせて任意に適合させることができる。回折次数像は、＋1又は－1回折次数等の、所与の回折次数において回折要素によって回折するサブビームによって形成される像を意味すると理解される。

本発明は、想定される適用例に関して、回折要素が自らのパターンの像を格子構造体の小さいセクション上にしか投影する必要がなく、その回折要素の情報量が、その像が完全リング格子構造体の円周エリア全体を覆わなければならない回折要素の情報量より著しく少ないという洞察に基づく。結果として、回折要素は、静止格子構造体の直径、例えば、30 mmより著しく小さい直径、例えば、3 mmを有することができる。同じ測定分解能を有する従来のシステムと比べて、本発明によるシステムは、角度デコーダーにかかる慣性負荷を、回折要素表面サイズと、環状格子構造体を支持するディスクのサイズとの比の4乗分の1に、本発明の例では、1/10000に減少させることができる。

特開平3-170020号が、回転軸上に反射ホログラムが取り付けられるロータリーエンコーダーを開示していることに注目する。このホログラムにおいて、角度位置のコードパターンが記録され、このホログラムが収束光ビームによって照明されるとき、このコードパターンが、環状リング内に拡大して再現される。再現されたコードパターンの小さい部分が電子処理回路に結合される光センサーアレイによって読み取られる。この回路は、読み取られた再現コードパターンの部分から、回転するホログラムの瞬間的な角度位置を計算する。特開平3-170020号のロータリーエンコーダーは、本発明のシステムにおいて使用される概念とは異なる概念に基づいている。

特開平1-138413号が、回転体上に取り付けられ、回転体とともに回転する反射ホログラムを備えるロータリーエンコーダーを開示していることに更に注目する。そのホログラムは、コリメートされたビームによって照明され、2つの光電変換器が配置される平面内に再現される。特開平1-138413号において示されるホログラムは、回転体の直径より著しく大きく、ホログラムと光電変換器の平面との間に配置されるコリメーターレンズと同じサイズである。これらの変換器の感光エリアは、回転軸の小さい運動の場合でも既に、ホログラム像が変換器エリアから離れるようにシフトし、測定誤差が生じるほど相対的に小さい。また、特開平1-138413号のエンコーダーの慣性モーメントは相対的に大きい。

本発明では、使用される回折要素が各実施形態において異なる構造を有する、本発明の異なる実施形態が説明される。本発明において使用される回折要素のタイプは、光学分野の文献においてホログラムと呼ばれる。

本明細書において使用されるときに、ホログラムは、放射ビームによって照明されると、所与の物体構造体の空間内に像を生成する回折要素である。本発明において、投影される像は、環状周期強度分布であり、その周期及び半径は、環状検出格子の周期及び半径に等しい。これらの像は、検出構造体の平面内に投影される。本発明において使用する反射ホログラムの表面構成は、照明ビームの方向及び曲率によって、投影される像の位置及び強度分布によって、そして照明源の波長によって決定される。

本システムの好ましい実施形態は、ホログラムが2つの第1の回折次数において入射照明ビーム放射を反射するように、ホログラムが構成されることを特徴とする。このようにして、検出格子構造体の平面内に2つの回折像が投影され、そのシステムは、角度位置を2回読み取ることができるようになるが、その一方で、モジュールは依然として単一の構成を有する。別の状況下では、角度位置を読み取るために1つの回折像のみが使用される場合があり、それによりコストが節約される。当業者にとって、回折される放射を1つ又は2つの回折次数に集中させる回折要素を設計する方法は明らかである。

照明ビーム源は、角度デコーダーの回転シャフトの回転軸上に、詳細には、ガルバノメーターの回転シャフトの回転軸上に位置決めされるべきである。照明源の軸方向位置に対して、異なる選択肢を有することができ、それにより本発明の異なる実施形態がもたらされる。本発明の第1の実施形態では、照明ビームは発散ビームであり、このビームの発生源は、ホログラムから見て検出格子と同じ側に配置される。この実施形態は、照明源とホログラムとの間に必要なビーム整形構成要素が存在しないので、簡単であり、かつ低コストであるという利点を有する。しかし、この実施形態は、ホログラムの構成によって主に引き起こされる2つの好ましくない特性を有する。発散照明ビームの場合、回折した放射を検出平面内に合焦するために、ホログラムは強い光出力を有しなければならない。この合焦機能は、照明源を中心にした凹面ミラーの合焦と同等と見なすことができる。ホログラムが短い距離だけシフトされるとき、回折像もシフトされるが、ホログラムのシフトの2倍の距離にわたってシフトされる。ホログラムは角度デコーダーの回転シャフト上に固定されるので、この構成は、シャフトの非常に狭い横方向の運動及び膨張、より詳細には、±10 μm程度しか許容せず、それは、例えば、ガルバノメータースキャナーの構成において実現するのは難しい。ホログラムの構成は、照明源の波長の固定値によって、すなわち、単色波長によって決まる。照明のためにダイオードレーザーが使用されるとき、その波長は、所与の仕様から、例えば、±5 nmを超えて異なる可能性がある。さらに、レーザーの温度変化が、例えば、0.2 nm/℃の波長シフトを引き起こすことになる。既存のガルバノメータースキャナーの温度変化は、例えば、±20℃になる可能性があり、結果として、平均温度に対して±4 nmの波長変化が起こり得る。これらの影響を加味すると、±10 nmの波長誤差が起こり得る。したがって、本発明との関連において、例えば、照明のためにダイオードレーザーが使用されるときに、照明源の単色波長は、起こり得る±10 nmの波長誤差（変動）を、特に、±5 nmの波長誤差（変動）を許容する。τ=660 nmの仕様波長を有するダイオードレーザーの場合、これは、相対波長誤差Δτ/τ＝±1/66を意味する。この実施形態において、回折像の径方向位置及び軸方向位置の相対誤差は、相対波長誤差に対する一次近似に等しい。15 mmの検出格子の半径rの場合、±0.23mmのΔr横方向シフトがあり、これ以降、それは偏向誤差Δrとも呼ばれ、ホログラムから検出面までの25 mmの軸方向距離Zの場合、0.34mmの焦点シフトΔZがある。これらの影響は、システムの機械的設計によって辛うじて補償することはできるが、製造コストを増加させることになる。

それゆえ、第2の実施形態では、照明ビームを、照明源とホログラムとの間のレンズによって収束させる。これは、色合焦誤差（chromatic focusing error）ΔZが0になることを意味する。偏向誤差Δrは残存するが、検出構造体の径方向サイズを十分に大きくする、例えば、±0.5 mmにすることによって対応することができる。また、この実施形態において、ホログラムの回転中心と回折像の平均位置との間の距離を、回転中心及び照明源の虚像からの距離に等しくすることによって、回転シャフトの横方向運動に起因する位置決め指示を回避することができる。シャフトの膨張に起因する位置誤差は、約7分の1になるので、この膨張運動に関する許容範囲は、回折要素の第1の実施形態における10 μmの代わりに、約70 μmまでにすることができる。この第2の実施形態の不都合な点は、照明源からホログラムまでの光路が、第1の実施形態の概ね3倍になることである。この問題は、光路を検出構成の上方の空間内に折り返すことによって部分的に解決することができる。これは、システムの軸方向サイズを大きくし（例えば、約10 mm）、プリズム及び／又はミラー等の余分な構成要素を必要とする。

第3の実施形態において、ホログラムの近くにレンズが配置され、照明源はこのレンズの焦点面内にある。このレンズの好ましい形は凸面である、レンズの凸側はホログラムの側の、例えば、0.5 mm等の適切な距離にある。このレンズは、ホログラムを照明する平面波を与える。回折したビームは、レンズによって検出格子の面上に合焦する。レンズは球面収差及びコマ収差に関して補正することができる。残りの収差は非点収差であり、ホログラムによって補正することができる。この構成において、回転シャフトの横方向運動及び膨張に起因する位置決め誤差は0になり、色誤差のうちの合焦誤差ΔZも生じない。このようにして誤差を偏向誤差Δrまで低減することは、第1の実施形態及び第2の実施形態の場合と同じである。

本システムの好ましい実施形態は、回折要素は、この回折要素が入射する測定ビーム放射を＋1及び－1の回折次数において反射するように構成されることを特徴とする。

このようにして、環状格子構造体の平面内に2つの回折次数像が形成され、システムは角度位置を2回読み取ることができるようになるが、その一方で、モジュールは依然として簡単な構成を有する。状況によっては、角度位置を読み取るために1つの回折次数像のみが使用される場合があり、それによりコストが節約される。当業者にとって、回折した放射を1つ又は2つの回折次数に集中させる回折格子を設計する方法は明らかである。

本光学システムは、環状格子構造体はいくつかの格子セクターを備え、格子セクターは、これらの格子セクター上に形成される回折次数像の角度サイズより大きい角度サイズを有し、放射感応性検出構造体は格子セクターごとにセクター検出器を備えることを更に特徴とすることができる。

代替的には、本光学システムは、環状格子構造体はいくつかの格子セクターを備え、その格子セクターはこれらの格子セクター上に形成される回折次数像の角度サイズより小さい角度サイズを有し、放射感応性検出構造体は格子セクターごとにセクター検出器を備えることを特徴とすることができる。

別の態様において、本光学システムは、環状格子セクションは、同じ格子周期を有し、その格子周期の4分の1にわたって接線方向において互いにシフトされる、径方向に離間された2つのサブ格子に分割され、これらのサブ格子のサブ格子ごとに、別々の放射感応性検出器が設けられることを特徴とする。この指標は、回転シャフトの回転方向を検出できるようにする。

補間技法を使用できるようにするために、本システムは好ましくは、環状格子構造体が、異なる格子周期を有し、それぞれが回折次数像を受光することを意図した3つのサブ格子を備えることを特徴とする。

この実施形態は、環状格子構造体は3つのセクター対を備え、各対は、異なる格子周期を有する3つのサブ格子のうちの別の1つを設けられることを更に特徴とすることができる。

代替的には、実施形態は、環状格子構造体は多くても2つのセクターを備え、各セクターは異なる格子周期を有する3つのサブ格子を設けられ、サブ格子は径方向に離間されることを特徴とすることができる。

別の実施形態において、本発明のシステムに球面ミラーが追加される。システムに、検出器の組上に周期パターンを投影する球面ミラーを追加することによって、検出器面101は平坦にすることができ、システムの対称軸に対して垂直にすることができる。これは、検出構造体16を支持するプレート10の面とのシステムの位置合わせを簡単にし、検出器信号の品質も改善する。

したがって、特定の実施形態において、本発明は、回転シャフト2を有する回転可能な物体の回転角を測定するシステムであって、そのシステムは、一方において、シャフト2上に取り付けられ、そのシャフトとともに回転する反射性回折要素6と、他方において、概ね単色の放射の照明ビームを回折要素6に向かって放出する放射源8及びその回折要素6によって反射された照明ビーム放射を、上記角度を表す信号を得るために電子工学的に処理するのに適した電気信号に変換する放射感応性検出構造体16を備えるモジュールとを備え、回折要素6は、1つ以上の回折像18を検出構造体の関連するセクション上に投影するように構成され、回折要素6の表面サイズは、検出構造体上の関連するセクションの表面サイズの20%より小さく、システムは、検出器上に回析像18を投影する球面ミラー100を更に備えることを特徴とする、システムを提供する。

これより図面を具体的に参照するが、示される項目は例示であり、本発明の種々の実施形態の説明的な論考のみを目的とすることが強調される。これらの図面は、本発明の原理及び概念的態様の最も有用かつ簡単な説明であると考えられるものを提供するために提示される。この点で、本発明の基礎的理解に必要とされるよりも詳細な本発明の構造細部を示そうとはしていない。この説明は、図面と共に本発明のいくつかの形態を実際に具体化し得る方法を当業者に明らかとするものである（makesapparent）。

第1の実施形態における、本発明による、物体の回転角を測定する光学システムの原理図である。 光学システムの第2の実施形態の原理図である。 回折要素が収束レンズと組み合わされる、光学システムの第3の実施形態を示す図である。 静止格子セクションのパターンの一実施形態を示す図である。 これらのセクションのうちの1つの細分された格子構造体を示す図である。 細分された格子構造体に適合する放射感応性検出構造体を示す図である。 関連するセクション格子上の像パターンの投影を示す図である。 異なる格子周期のサブ格子を有する、セクション格子構造体を示す図である。 更なる実施形態における、球面ミラーが追加される光学システムの原理図である。

図1は、図面による回転角測定システムの原理図を示し、その回転角測定システムは、例えば、ガルバノメータースキャナーの角度位置を測定するのに適している。このスキャナーの回転シャフトは参照番号2によって表される。スキャナーのミラー（図示せず）はこのシャフト上に取り付けられ、その回転運動は矢印4によって示されるが、本発明を単一の回転方向に限定するものと理解されるべきではない。回転シャフトはいずれの方向にも回転することができる。シャフトの一方の端面に、シャフトに対して垂直に、小さい反射性回折要素（RDE）6、詳細には、ホログラム31が取り付けられる。回折要素6は、単色放射源、好ましくは、ダイオードレーザー8によって放出される球形放射ビームboによって照明され、放射源は、シャフト2の回転軸と直線をなすように配置される。回折要素は、入射ビームboを異なる回折次数のサブビームに分割し、これらのサブビームを、格子セクションから構成することができる静止マスク構造体に向かって反射する。図1に示されるように、そのような格子セクション14は、少なくとも格子セクション14の位置において透明であるプレート10の底面に配置することができる。図1の実施形態において、プレート10は円板であり、中央開口部12を有することができる。プレート10の円周の中心は、放射源8の放出点とシャフト端面の中点とを結ぶ線上に位置し、その線はビームboの中心光線に対応する。回折要素6は、円形又は長方形又は正方形等の任意の幾何学的形状を有することができる。格子セクション14は、格子線とも呼ばれ、径方向に延在する格子ストリップを有する環状格子構造体の一部であり、すなわち、格子ストリップは円形プレート10の中心を指している。回折要素6によって投影される環状強度パターンは、格子セクション14と同じ周期性を有する。

放射源8、環状格子構造体14及び検出構造体16は、例えば、ガルバノメータースキャナーの固定ハウジングに固定することができる一モジュール内に含めることができる。

図1の実施形態では、第1の回折次数br（＋1）及びbr（－1）のサブビームのみが使用される。回折要素6は、ビームboの最大部分がこれらの回折次数に集中するように設計することができる。サブビームbr（＋1）及びbr（－1）によって、向かい合う2つの環状格子セクション14の平面内に2つの周期的強度パターンが形成され、それにより、各パターンが、同じ平面内の一方の格子セクション上、及び向かい合って位置する格子セクション上にそれぞれ形成される。これらのセクションは、例えば、交互の透過性ストリップ及び吸収性ストリップを含む。強度パターンは、図1において破線18によって概略的に表され、回折要素6の指紋又は像と呼ばれる場合がある。これらの周期パターン18の角度周期、すなわち、接線方向又は円周方向における周期は、格子セクション14の周期に等しい。シャフト2の回転に起因して、回折要素6が回転すると、周期パターン18が格子セクション14にわたって移動する。格子セクション14によって透過されるサブビームbr（＋1）及びbr（－1）の放射は、環状放射感応性検出器セクション16上に入射し、これにより、これらの放射が電気信号に変換される。これらの信号を、図1には示されない、市販の電子回路において処理して、シャフト2の角度位置を表す信号を取得することができる。

回折要素6は、相対的に小さい格子セクション14上にのみ自らの周期像18を投影するので、その回折構造体は、投影像が360度にわたって延在する静止格子パターンを覆うことになる従来の格子要素の回折構造体より著しく小さくすることができる。本発明によれば、この洞察を用いて、回折要素6のサイズを著しく小さくする。回折要素又はホログラムは、ここで、直径、例えば、3 mmを有することができ、それは、プレート10を支持する格子セクション14の直径、例えば、30 mmより著しく小さい。同等の測定分解能を有する従来の2つの格子システムと比べて、これは、角度デコーダーにかかる本測定システムの慣性負荷を、プレート10の表面積と回折要素6の表面積との比の2乗分の1に著しく低減するという利点を与える。プレート10及び要素6が、同じ密度と、同じ厚さ対直径の比とを有するなら、この例の場合、これは10000分の1に相当する場合がある。

図1によって説明された測定システムの実施形態は、発散照明ビームによって引き起こされる、回転シャフトの横方向運動及び膨張に対して狭い許容範囲を示す。それゆえ、図2に示されるように、回折要素6の反射面の後方の所与の距離において仮想点20に収束する照明ビームboを使用することが好ましい。そのような収束する照明ビームは、放射源8と回折要素6との間に十分な能力の収束レンズ22を配置することによって実現することができる。図2のサイズを小さくするために、この図2には、放射源8とレンズ22との間の光路の一部のみが示されており、このことは2つの光路中断線24によって示される。図2のシステムの体積を削減するために、放射源8とレンズ22との間の光路は、ミラーによってよく知られた方法において折り返すことができる。

第2の実施形態において、回折要素6の中心（回転シャフト上）と、格子14上に投影される回折像の平均的な径方向位置との間の距離が、図2に示されるように、要素6の上記中心と照明源の虚像20との間の距離に等しくされるとき、回折要素6によって関連する格子セクション上に投影される回折像18の位置は、要素6が固定される回転シャフト2の横方向変位から独立している。これは、従来の角度デコーダーシステムより優れた、本角度デコーダーシステムの実質的な利点を与える。

回折要素6は図2の実施形態において合焦機能を有しないので、不正確に取り付けることによって、又は回転シャフト2の膨張によって引き起こされる可能性がある等の、要素6の軸方向変位が回折像18の軸方向位置に及ぼす影響は、図1の実施形態の場合より小さい。図2の実施形態において、要素6の変位dzの関数としての像18の軸方向変位∂zは、∂z＝dz（1－cosθ）によって与えられる。ただし、θは照明ビームと回折したビームとの間の角度である。例えば、θ＝30度である場合、∂z＝0.14 dzである。図1に示される実施形態において、∂z＝2dzであり、それは、第2の実施形態において、要素6の軸方向変位に対して大きな許容範囲（例えば、140 μm）を有することを意味する。さらに、図2に示される実施形態では、回折要素6は合焦誤差を有しないので、この実施形態において、色合焦誤差ΔZは存在しない。色偏向誤差は、図1の実施形態の場合と同じである。図2において、レーザーダイオード8と合焦レンズ21との間の光路は示されない。この光路の長さは、要素6と仮想照明源20との間の距離の3倍より大きい。プレート10の上方にレンズ21、折返し要素及びレーザーダイオードが存在するので、図2のシステムの体積は図1のシステムの体積よりはるかに大きくなる。この問題の解決策が図3に示されており、その解決策は結果として構成要素の数も少ない。図3の実施形態では、レンズ30、好ましくは、平凸レンズを有し、凸面は回折要素6に面し、照明源8はこのレンズの焦点にある。回折要素6は平面波によって照明され、合焦機能を有しない。それは、格子14上の回折像の位置が回折要素6の変位から独立していることを意味する。この実施形態においても、色合焦誤差は存在せず、色偏向誤差は、図1及び図2の実施形態の場合と同じである。図3のシステムは、図2のシステムよりはるかにコンパクトに構築することができる。

同等の寸法の可動格子及び静止格子を使用する従来の角度復号システムの場合、静止格子パターンのために、わずかに異なる格子周期を有する3つのサブパターンを使用することが既に提案されている。そのような格子サブパターンは本角度復号システムにおいて使用することもでき、その際、そのシステムによれば、信号補間によって測定分解能を改善できるようになる。本システムは、2つの異なる方法において3つのサブパターンを実現できるようにする。

例えば、ガルバノメータースキャナーにおいて適用されるとき等の、或る特定の角度デコーダーにおいて、ミラー、それゆえ、回転シャフト2は、限られた回転範囲を有し、例えば、シャフトは、0位置に対して＋18度～－18度だけ動く。格子セクション14が配置されるプレート10は、その際、角度セクターに、例えば、図4に示されるように、それぞれ60度の6つのセクターに分割することができる。プレート10の中心は参照番号11によって表される。上記セクターは、互いに向かい合うセクター32（1）及び32（2）、34（1）及び34（2）及び36（1）及び36（2）の対として配置される。各セクターは、本明細書において上記で格子セクションと呼ばれる、格子構造体を設けられる。これらの格子セクションは、図4において、50（1）、50（2）、52（1）、52（2）、54（1）及び54（2）と呼ばれる。図4には、各格子セクションの格子ストリップ56のうちのいくつかのみが示される。実際には、格子ストリップの数ははるかに多い。向かい合う格子セクション対50（1）及び50（2）は同じ格子周期を有し、同じことが格子セクション対52（1）及び52（2）、並びに格子セクション対54（1）及び54（2）にも当てはまる。回折要素6が回転するとき、この要素の周期パターン18（図4には示されないが、図1に示される）、すなわち、指紋は、格子セクションにわたって移動する。さらに、シャフト2の回転方向を決定するために、各格子セクションは、径方向に離間された2つのサブ格子セクションを備えることができ、サブ格子セクションは、関連する格子セクションの格子周期の4分の1にわたって角度方向又は接線方向において互いにシフトされる。この構成を例示するために、図5は、1つのプレートセクション36（1）の2つのそのようなサブ格子セクション54（1）a及び54（1）bを示し、その格子セクションは不透明ストローク58によって分離される。図4と同様に、図5には、サブセクションの全ての格子ストリップ56のうちのいくつかのみが示される。

図6は、図5の格子サブセクション54（1）a及び54（1）bによって透過する放射を受光し、電子工学的に更に処理するためにこの放射を電気信号に変換するためのプレートセクション36（1）のための、プレート10の背面にある放射感応性検出器構造体を示す。検出器構造体は、図1及び図2に示される検出器14の一部であり、放射感応性ゾーン64によって径方向に離間された2つの検出器部分60及び62を備える。図4の6つのディスクセクションがそれぞれ2つのサブ格子を備える場合には、完全な検出器構造体は、部分60のような12個の検出器部分を備えることは明らかである。

プレート10が、図4に示されるように、格子のための向かい合う3つのセクション対を備える場合には、各対は、異なる格子周期を有する上記の3つのサブパターンのうちの異なるサブパターンを設けられる場合がある。これは、そのようなサブパターンを本デコーダーシステムに組み込む第1の方法である。図4のディスクセクション32（1）及び32（2）内の格子セクション50（1）及び50（2）は、角度の長さにわたって1/6.2^Nの格子周期を有することができ、その長さは、本実施形態では60度である。その際、その角度の長さにわたってそれぞれ、格子セクション52（1）及び52（2）の格子周期の数は1/6.（2^N－1）であり、格子セクション54（1）及び54（2）の格子周期の数は1/6.（2^N-2⁶）である。同等の寸法の回転格子及び固定格子を備えるシステムの場合、以前にN＝12の値が使用されてきた。N＝12の場合、2π radの環状の長さの場合の格子周期の数は、2^N＝4096である。異なる周波数を有する格子パターンが60度のセクター内に収容されるので、1つのセクターのための格子周期の数は、6分の1に削減される。

この数は実際には更に削減することができ、例えば、関連するガルバノメーターの走査範囲が＋18度～－18度である場合には、格子セクションのための角度の長さは40度で十分である。これは、格子周期の数を3分の2に更に削減できることを意味する。周期的な像パターン18の格子周期は格子セクション50（1）-54（2）の格子周期に対応することは明らかである。実際の実施形態では、像パターン18は、10度の角度サイズを有することができ、その径方向サイズは100 μmとすることができる。この状況が図7に示されており、図7は、6つの格子セクションを有する、区分されたプレート10の概略図を示し、それらのセクションはその径方向の中央線50’、52’及び54’によって表される。格子セクションが、図4に示されるように、1つの格子のみを備える場合には、これらの中央線は格子の環状の中央である。格子セクションが、径方向に離間され、角度に関してシフトされた2つのサブ格子を備える場合には、図5に示されるように、中央線は、不透明ストローク58の中央を表す。

6つの格子セクションを用いる実施形態では、像パターンは、セクターの角度サイズに等しい角度距離に、それゆえ、60度に互いに位置決めされる。これらのセクション対が、本明細書において上記で論じられたように、わずかに異なる格子周期を有する格子を備える場合には、回折要素6の像パターンは、簡単な径方向の線パターンとすることができる。

図7に示されるように、角度が小さい像パターン18及び角度が大きい格子セクション50（1）-54（2）を使用する代わりに、角度が大きい像パターン及び角度が小さい格子セクションの組み合わせを使用することもできる。後者は、角度が小さい、それゆえ、安価な放射感応性検出器を使用できるという利点をもたらす。

本角度デコーダーシステムの原理は、2つのみ、更には1つのみの格子セクションを用いて実現することもできる。信号補間のために必要とされる、わずかに異なる格子周期を有する格子は、その際、これらの格子が異なる半径に位置し、径方向において互いに離間されるように、これらの格子セクションのそれぞれに配置することができる。そのような格子セクションのための格子構造体が図8に示される。異なる格子周期を有する格子は、参照番号70、72及び74によって表される。実際には、格子線の数は図7に示される数より多い。格子70、72及び74は異なる半径に配置されるので、これらの格子の周期も、それぞれの半径に適応する。図7の要素18は、回折要素の小さい像パターンを表す。図7の格子セクションは40度にわたって延在することができる。この格子セクション構造体が使用される実施形態では、像パターン（複数の場合もある）18は、リング形状で、径方向に離間された3つの格子を備えることになる。

全ての実施形態の場合に、回折要素の像パターンが、例えば、N＝14であるときに114周期の周期的強度パターンを含み、セクション格子も同じ周期で周期的であるので、検出器信号は、像パターン及びセクション格子の周期的相関関数であると考えられる。

セクション格子がデューティサイクル0.5のバイナリ格子である場合には、測定信号は基本的に正弦波になり、その角周波数はセクション格子の角周波数に等しく、或る成分の許容可能な混合状態は三次回折放射によって生成される。正弦波信号によって、角度位置測定値を補間できるようになる。

本発明の別の実施形態において、そして図9に概説されるように、球面ミラー100が本発明のシステムに追加される。詳細には、上記球面ミラー100は、検出器の組上に周期パターンを投影する。検出器面101は、平坦に、かつシステムの対称軸に対して垂直にすることができる。これは、システムの位置合わせを容易にし、検出器信号の品質も改善する。この構成によれば、検出器面101を、検出構造体16を支持するプレート10の面と一致させるのが、実際により容易になる。

2：回転シャフト
4：回転運動
6：小さい反射性回折要素（RDE）
8：ダイオードレーザー
8：放射源
10：プレート
11：プレート10の中心
12：中央開口部
14：格子セクション
14：検出器
16：検出構造体
18：強度パターン
18：周期パターン
18：周期像
18：回折像
18：角度が小さい像パターン
18：要素
18：像パターン（複数の場合もある）
20：仮想点
20：照明源の虚像
20：仮想照明源
21：レンズ
21：合焦レンズ
22：収束レンズ
24：光路中断線
30：レンズ
31：ホログラム
32（1）及び32（2）、34（1）及び34（2）及び36（1）及び36（2）：向かい合うセクター
32（1）及び32（2）：ディスクセクション
36（1）：プレートセクション
50（1）、50（2）、52（1）、52（2）、54（1）及び54（2）：格子セクション
50（1）及び50（2）：向かい合う格子セクション対
50（1）及び50（2）：格子セクション
50'、52'及び54'：中央線
50（1）-54（2）：角度が大きい格子セクション
52（1）及び52（2）：格子セクション
54（1）及び54（2）：格子セクション
54（1）及び54（2）：格子セクション対
54（1）a及び54（1）b：サブ格子セクション
56：格子ストリップ
58：不透明ストローク
58：不透明ストローク
60,62：検出器部分
64：放射感応性ゾーン
70、72及び74：異なる格子周期を有する格子
100：球面ミラー
101：検出器面

Claims (14)

1. 回転シャフト（２）を有する回転可能な物体の回転角を測定する光学システムであって、
   該システムは、一方において、該シャフト（２）上に取り付けられ、該シャフトとともに回転する反射性回折要素（６）と、他方において、概ね単色の放射の照明ビームを該回折要素（６）に向かって放出する放射源（８）及び該回折要素（６）によって反射された照明ビーム放射を、該角度を表す信号を得るために電子工学的に処理するのに適した電気信号に変換する放射感応性検出構造体（１６）を備えるモジュールとを備え、
   前記回折要素（６）は、１つ以上の回折次数像（１８）を前記検出構造体の関連するセクション上に投影するように構成され、前記検出構造体の前記関連するセクションは、前記検出構造体（１６）の一部を形成し、環状格子構造体の関連するセクション（５０（１）～５４（２））であり、前記回折要素（６）の表面サイズは前記環状格子構造体の表面サイズの２０％より小さいことを特徴とする、光学システム。
2. 前記モジュールは、前記放射源（８）と前記回折要素（６）との間に配置されるレンズ（３０）をさらに備え、
   前記放射源（８）は前記レンズ（３０）の焦点に位置しており、
   前記放射源（８）と前記回折要素（６）の中心との間の光学的距離は、該中心と環状格子構造体セクション（１４）の径方向中心との間の光学的距離に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記レンズ（３０）は、平凸レンズであり、前記平凸レンズの凸面は、前記回折要素（６）に面する、請求項２に記載の光学システム。
4. 前記回折要素（６）上に入射する前記照明ビームが平面波である、請求項３に記載の光学システム。
5. 前記回折要素（６）は、該回折要素が入射する測定ビーム放射を＋１及び－１の回折次数において反射するように構成されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学システム。
6. 前記モジュールは、前記放射源（８）と前記回折要素（６）との間に配置される収束レンズ（２２）をさらに備え、
   前記回折要素（６）上に入射する前記照明ビームは、該回折要素（６）の後方の仮想面において収束する収束ビームであり、
   前記回折要素（６）の中心と虚像（２０）との間の光学的距離が、前記回折要素（６）の中心と環状格子構造体セクション（１４）に投影される回折次数像（１８）の平均的な径方向位置との間の光学的距離に等しい、請求項１に記載の光学システム。
7. 前記回折要素（６）はホログラム（３１）であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の光学システム。
8. 前記環状格子構造体はいくつかの格子セクター（１４）を備え、該格子セクターは、これらの格子セクター上に形成される前記回折次数像（１８）の角度サイズより大きい角度サイズを有し、前記放射感応性検出構造体（１６）は格子セクターごとにセクター検出器を備えることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の光学システム。
9. 前記環状格子構造体はいくつかの格子セクター（１４）を備え、該格子セクターはこれらの格子セクター（１４）上に形成される前記回折次数像（１８）の角度サイズより小さい角度サイズを有し、前記放射感応性検出構造体（１６）は格子セクターごとにセクター検出器を備えることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の光学システム。
10. 前記環状格子は、同じ格子周期を有し、該格子周期の４分の１にわたって接線方向において互いにシフトされる、径方向に離間された２つのサブ格子を備え、これらのサブ格子ごとに、別々の検出器が設けられることを特徴とする、請求項８又は９に記載の光学システム。
11. 前記環状格子構造体は、異なる格子周期を有し、それぞれが回折次数像（１８）を受光することを意図する３つのサブ格子対を備えることを特徴とする、請求項８又は９に記載の光学システム。
12. 前記環状格子構造体は３つのセクター対を備え、各対は、異なる格子周期を有する前記３つのサブ格子のうちの１つを設けられることを特徴とする、請求項１１に記載の光学システム。
13. 前記環状格子構造体は多くても２つのセクターを備え、各セクターは異なる格子周期を有する前記３つのサブ格子対を設けられ、前記サブ格子は径方向に離間されることを特徴とする、請求項１１に記載の光学システム。
14. 前記システムに、検出器上に前記回折次数像（１８）を投影するために球面ミラー（１００）が追加されることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載の光学システム。

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