(57)【要約】      （修正有）【課題】少なくとも１つの測定方向に沿って相対可動である２つの物体の相対間隔を干渉測定するための光学式エンコーダを提供する。【解決手段】１つの光源から出射した光束が、少なくとも２つの部分光束ＴＳ＿Ａ、ＴＳ＿Ｂに分割され、その後に光束は、分離された複数の光路上で１つ以上の回折格子ＭＧに当たり、間隔に依存して位相シフトされる。複数の部分光束ＴＳ＿Ａ、ＴＳ＿Ｂが、１つの混合回折格子で重畳され、次いで、干渉し合う少なくとも３対の部分光束が、異なる空間方向に伝播し、さらに、干渉し合う各対の部分光束が、混合回折格子ＭＧによって検出器素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３に向かって集束する結果、位相シフトされ位置に依存する複数のインクリメンタル信号が、複数の検出器素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３によって検出可能である。【選択図】図１ａ
2020020788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの測定方向に沿って相対可動である２つの物体の相対間隔を干渉測定するための光学式エンコーダであって、１つの光源から出射した光束が、少なくとも２つの部分光束に分割され、その後に当該光束は、分離された複数の光路上で１つ以上の回折格子に当たり、間隔に依存して位相シフトされる当該光学式エンコーダにおいて、
複数の前記部分光束（ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂ）が、１つの混合回折格子（ＭＧ；１３５；２３５；３３５）で重畳され、次いで、干渉し合う少なくとも３対の部分光束（ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂ）が、異なる空間方向に伝播し、さらに、干渉し合う各対の部分光束（ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂ）が、前記混合回折格子（ＭＧ；１３５；２３５；３３５）によって１つの検出器素子（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３；１２５；２２５；３２５）に向かって集束する結果、位相シフトされ位置に依存する少なくとも３つのインクリメンタル信号が、複数の前記検出器素子（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３；１２５；２２５；３２５）によって検出可能であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記混合回折格子（ＭＧ；１３５；２３５；３３５）上に入射する２つの部分光束（ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂ）が、０次の回折次数と＋／−１次の回折次数と＋／−２次の回折次数とに少なくとも一回回折され、０次／−２次の回折次数と＋１次／−１次の回折次数と０次／＋２次の回折次数との対を成して干渉し合う部分光束が、複数の前記検出器素子（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３；１２５；２２５；３２５）の方向に伝播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。
【請求項３】
前記混合回折格子（ＭＧ；１３５；２３５；３３５）は、多段形状の透過型位相回折格子として構成されてい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。
【請求項４】
前記混合回折格子（ＭＧ；１３５；２３５；３３５）は、
【数１】
2020020788.tif 000009
にしたがう位相関数φ（ｘ，ｙ）を有するｎ段形状の透過型位相回折格子として構成されていて、ここで、
φ（ｘ，ｙ）：＝透過型位相回折格子の位相関数
ｘ，ｙ：＝透過型位相回折格子の平面内の位置座標
ｎ：＝２，３，４，．．．；透過型位相回折格子の段数
Ｔ（ｘ，ｙ）：＝混合回折格子の伝達関数
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。
【請求項５】
前記混合回折格子（ＭＧ；１３５；２３５；３３５）は、ｎ段形状の透過型位相回折格子として構成されていて、この混合回折格子（ＭＧ；１３５；２３５；３３５）のステップ高さ（ｈ）に対して、
ｈ＝λ／（ｎ・（ｎ１−ｎ２））
が成立し、ここで、
ｈ：＝ステップ高さ
λ：＝光波長
ｎ：＝２，３，４，．．．．．
ｎ１：＝回折格子ウェブの屈折率
ｎ２：＝回折格子ギャップの屈折率
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。
【請求項６】
−前記２つの物体のうちの一方の物体が、平坦な測定反射器（１１０）に結合されていて、
−他方の前記物体が、走査装置（１２０）に結合されていて、前記測定反射器（１１０）に対して１つの測定方向（ｚ）に沿って相対可動に配置されていて、この測定方向（ｚ）は、前記測定反射器（１１０）に対して直角に配向されていて、
−前記走査装置（１２０）は、以下の構成要素である
−少なくとも１つの光源（１２１）と、
−複数の検出器素子（１２５）と、
−前記混合回折格子（１３５）、と
−それぞれ一次元の反射型回折格子として構成されている複数の偏向素子（１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ）と、
−一次元の透過型回折格子として構成されている少なくとも１つの分割素子（１３２）とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記走査装置（１２０）は、角錐台形の横断面を成す透過性キャリア本体（１３７）を有し、前記分割素子（１３２）が、この透過性キャリア本体（１３７）の測定反射器（１１０）に面した面に配置されていて、少なくとも４つの偏向素子（１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ）が、この透過性キャリア本体（１３７）の複数の側面に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
−前記光源（１２１）から出射した光束が、前記分割素子（１３２）で２つの部分光束に分割され、当該両部分光束が、前記測定反射器（１１０）の方向に伝播し、
−これらの部分光束は、前記測定反射器（１１０）から前記測定装置（１２０）内の第１偏向素子（１３３ａ）と第２偏向素子（１３３ｂ）との方向に戻り反射され、これらの部分光束は、この第１偏向素子（１３３ａ）とこの第２偏向素子（１３３ｂ）とで第３偏向素子（１３４ａ）と第４偏向素子（１３４ｂ）の方向に偏向され、
−これらの部分光束は、前記第３偏向素子（１３４ａ）と前記第４偏向素子（１３４ｂ）とによって前記測定反射器（１１０）へ偏向され、
−これらの部分光束は、前記測定反射器（１１０）から前記測定装置（１２０）内の前記混合回折格子（１３５）の方向に戻り反射され、これらの部分光束は、この混合回折格子（１３５）で重畳され、次いで干渉し合う３対の部分光束が、３つの検出器素子（１２５）に向かって異なる空間方向に集束されるように、当該複数の構成要素は構成されていて且つ配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
−前記２つの物体のうちの一方の物体が、スケール本体（２１０；３１０）に結合されていて、
−他方の前記物体が、走査装置（２２０；３２０）に結合されていて、前記スケール本体（２１０；３１０）に対して１つの測定方向（ｘ）に沿って相対可動に配置されていて、この測定方向（ｘ）は、前記スケール本体（１１０）の面に対して平行に配向されていて、
−前記走査装置（２２０；３２０）は、以下の構成要素である
−少なくとも１つの光源（２２１；３２１）と、
−複数の検出器素子（２２５；３２５）と、
−前記混合回折格子（２３５；３３５）、と
−それぞれ一次元の反射型回折格子として構成されている複数の走査回折格子（２３３；３３３．１，３３３．２，３３３．３，３３３．４）とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
前記走査装置（２２０；３２０）は、１つの透過性走査板（２３７；３３７）をさらに有し、前記混合回折格子（２３５；３３５）及び／又は前記走査回折格子（２３３；３３３．１，３３３．２，３３３．３，３３３．４）が、この透過性走査板（２３７；３３７）の上面及び／又は下面に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１１】
１つ以上の反射素子（３３６，３３８）が、前記走査板（３３７）の上面に配置されていて、これらの反射素子（３３６，３３８）の反射面がそれぞれ、前記スケール本体（３１０）の方向に配向されていて、前記混合回折格子（３３５）及び前記走査回折格子（３３３．１，３３３．２，３３３．３，３３３．４）が、前記下面に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対移動する２つの物体の相対位置を高精度に測定するために適している光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる三次元測定システムとして構成されている光学式エンコーダが、従来の技術から公知である。当該三次元測定システムは、少なくとも１つの測定方向に沿って相対可動である２つの物体の相対間隔を干渉測定するために使用される。この場合、１つの光源から出射した光束を分割した複数の部分光束が、分離された複数の光路を通過し、１つ以上の回折格子に当たる。この場合、これらの部分光束が、１つの結合素子上で干渉し合って結合する前に、これらの部分光束は、間隔に依存して位相シフトされる。次いで、再重畳後に、干渉し合う少なくとも３対の部分光束が、異なる方向にさらに伝播し、集束素子によってそれぞれ１つの検出器素子に向かって集束する。その結果、位置に依存し位相シフトされている少なくとも３つのインクリメンタル信号が、当該検出器素子によって検出可能である。
【０００３】
このようなエンコーダでは、一般に、走査光路中の最後の透過回折格子が、結合素子として機能する。大抵は、この回折格子は、一定の空間周波数を有する線形の透過型位相回折格子として構成されている。対を成して干渉し合う回折次数間の希望した位相シフト又は位相関係が、当該結合素子によって調整される。このため、通常は、透過型位相回折格子の回折格子パラメータであるウェブ幅及び移動偏移が適切に選択される。これに関しては、例えば欧州特許出願公開第１６３３６２号明細書を参照のこと。したがって、例えば適切な回折格子パラメータを選択することで、それぞれ１２０°だけ位相シフトした複数のインクリメンタル信号が、３つの検出器素子上に生成され得る。これらのインクリメンタル信号は、０次／−２次の回折次数と＋１次／−１次の回折次数と０次／＋２次の回折次数とにおける対を成して干渉し合う部分光束に由来する。
【０００４】
一般に、当該検出器要素の方向に伝播する対を成す部分光束は、数ミリメートルの直径を有する。その結果、多くの場合、当該結合素子の選択された回折格子定数に関連して、当該結合素子と当該検出器要素との間の間隔が、対応するエンコーダの許容される寸法を超える。さらに、個々の検出器要素の光検知面がそれぞれ、所定の最小の寸法を有する必要がある点に留意すべきである。しかし、このことは、当該検出器要素中で発生する静電容量と、当該エンコーダの遮断周波数とに関して望ましくないことが実証されている。それ故に、一方では当該エンコーダの寸法をコンパクトに保持するため、他方では当該検出器要素の光検知面を可能な限り小さくできるようにするため、このようなエンコーダでは、大抵は、集束素子が、当該結合素子の後方に配置されている。当該検出器要素が、この集束素子の結像側の焦点面内に配置されている。この場合、一般に、この集束素子は、特定の必要スペースを必要とする屈折レンズとして構成されている。これに関しても、上記の欧州特許出願公開第１６３３６２号明細書を参照のこと。
【０００５】
この場合、説明したエンコーダは、例えば当該欧州特許出願公開第１６３３６２号明細書で提唱されているように、互いに移動する２つの物体の相対的な直線移動又は回転として横方向の相対移動を検出するために使用され得る。しかし、また、このような測定原理が、垂直方向に沿った相対移動を検出するために使用されることも可能である。これに関しては、例えば独国特許出願公開第１０２０１３２０６６９３号明細書を参照のこと。
【０００６】
両用途ではそれぞれ、対応するエンコーダにおいて、必要な集束素子が、非常に大きい構造容積を必要とし、及び／又は、全体として非常に多くの個別構成要素が、組み立て時に互いに調整される必要があることが欠点として実証されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１６３３６２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２０１３２０６６９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、コンパクトに構成されていて且つ様々な構成要素の調整時に可能な限り少ないコストで済む冒頭で述べた種類の光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、この課題は、請求項１に記載の特徴を有する光学式エンコーダによって解決される。
【００１０】
本発明の光学式エンコーダの好適な構成は、従属請求項に記載されている対策から得られる。
【００１１】
本発明の光学式エンコーダは、少なくとも１つの測定方向に沿って相対可動である２つの物体の相対間隔を干渉測定するために使用される。この場合、１つの光源から出射した光束が、少なくとも２つの部分光束に分割され、その後に当該光束は、分離された複数の光路上で１つ以上の回折格子に当たり、間隔に依存して位相シフトされる。複数の当該部分光束が、１つの混合回折格子で重畳され、次いで、干渉し合う少なくとも３対の部分光束が、異なる空間方向に伝播し、さらに、干渉し合う各対の部分光束が、当該混合回折格子によって１つの検出器素子に向かって集束する結果、位相シフトされ位置に依存する複数のインクリメンタル信号が、複数の当該検出器素子によって検出可能である。
【００１２】
この場合、当該混合回折格子上に入射する２つの部分光束が、０次の回折次数と＋／−１次の回折次数と＋／−２次の回折次数とに少なくとも一回回折され、０次／−２次の回折次数と＋１次／−１次の回折次数と０次／＋２次の回折次数との対を成して干渉し合う部分光束が、複数の当該検出器素子の方向に伝播することが提唱され得る。
【００１３】
当該混合回折格子が、多段形状の透過型位相回折格子として構成されていることが可能である。
【００１４】
この場合、当該混合回折格子（ＭＧ；１３５；２３５；３３５）は、
【００１５】
【数１】
2020020788.tif 000003
にしたがう位相関数φ（ｘ，ｙ）を有するｎ段形状の透過型位相回折格子として構成され得る。
【００１６】
ここで、
φ（ｘ，ｙ）：＝透過型位相回折格子の位相関数
ｘ，ｙ：＝透過型位相回折格子の平面内の位置座標
ｎ：＝２，３，４，．．．；透過型位相回折格子の段数
Ｔ（ｘ，ｙ）：＝混合回折格子の伝達関数
である。
【００１７】
ｎ段形状の透過型位相回折格子としての当該混合回折格子の構成では、この混合回折格子のステップ高さ（ｈ）に対して、
ｈ＝λ／（ｎ・（ｎ１−ｎ２））
が成立することが有益である。
ここで、
ｈ：＝ステップ高さ
λ：＝光波長
ｎ：＝２，３，４，．．．．．
ｎ１：＝回折格子ウェブの屈折率
ｎ２：＝回折格子ギャップの屈折率
である。
【００１８】
可能な実施の形態では、
−当該２つの物体のうちの一方の物体が、平坦な測定反射器に結合されていて、
−他方の当該物体が、走査装置に結合されていて、当該測定反射器に対して１つの測定方向に沿って相対可動に配置されていて、この測定方向は、当該測定反射器に対して直角に配向されていて、
−当該走査装置は、以下の構成要素である
−少なくとも１つの光源と、
−複数の検出器素子と、
−当該混合回折格子、と
−それぞれ一次元の反射型回折格子として構成されている複数の偏向素子と、
−一次元の透過型回折格子として構成されている少なくとも１つの分割素子とを有することが提唱されている。
【００１９】
この場合、当該走査装置は、角錐台形の横断面を成す透過性キャリア本体を有し、当該分割素子が、この透過性キャリア本体の測定反射器に面した面に配置されていて、少なくとも４つの偏向素子が、この透過性キャリア本体の複数の側面に配置されていることが可能である。
【００２０】
さらに、この実施の形態では、
−当該光源から出射した光束が、当該分割素子で２つの部分光束に分割され、当該両部分光束が、当該測定反射器の方向に伝播し、
−これらの部分光束は、当該測定反射器から当該測定装置内の第１偏向素子と第２偏向素子との方向に戻り反射され、これらの部分光束は、この第１偏向素子とこの第２偏向素子第３偏向素子と第４偏向素子の方向に偏向され、
−これらの部分光束は、当該第３偏向素子と当該第４偏向素子とによって当該測定反射器へ偏向され、
−これらの部分光束は、当該測定反射器から当該測定装置内の当該混合回折格子の方向に戻り反射され、これらの部分光束は、この混合回折格子で重畳され、次いで干渉し合う３対の部分光束が、３つの検出器素子に向かって異なる空間方向に集束されるように、当該複数の構成要素は、有益に構成されていて且つ配置されている。
【００２１】
別の実施の形態では、
−当該２つの物体のうちの一方の物体が、スケール本体に結合されていて、
−他方の当該物体が、走査装置に結合されていて、当該スケール本体に対して相対可動に１つの測定方向（ｘ）に沿って配置されていて、この測定方向（ｘ）は、当該スケール本体の面に対して平行に配向されていて、
−当該走査装置は、以下の構成要素である
−少なくとも１つの光源と、
−複数の検出器素子と、
−当該混合回折格子と
−それぞれ一次元の反射型回折格子として構成されている複数の走査回折格子とを有することが提唱され得る。
【００２２】
この場合、当該走査装置は、１つの透過性走査板をさらに有し、当該混合回折格子及び／又は当該走査回折格子が、この透過性走査板の上面及び／又は下面に配置されていることが可能である。
【００２３】
さらに、１つ以上の反射素子が、当該走査板の上面に配置され得る。これらの反射素子の反射面がそれぞれ、当該スケール本体の方向に配向されていて、当該混合回折格子及び当該走査回折格子が、当該下面に配置されている。
【００２４】
以上により、結合素子の位相シフト特性を集束素子の結像特性と組み合わせた混合回折格子を走査光路中に設けることが重要である。これにより、必要な２つの構成要素である結合素子と集束素子とを有する従来の技術とは違って、専らただ１つの構成要素が、回折素子として本発明の光学式エンコーダに設けられている。こうして、必要な光学素子の簡略化された調整と同様に、対応するエンコーダの寸法の減少と、構成要素の数の最小化とが保証され得る。したがって、構成要素のより少ない数は、コスト削減に加えて対応するエンコーダの寸法の減少も可能にする。
【００２５】
さらに、本発明にしたがって使用される混合回折格子は、必要な光学特性をそれぞれの走査に適合することを可能にする。したがって、例えば、検出面内の希望した焦点位置が、混合回折格子の適切な焦点距離を選択することによって適切に調整され得る。
【００２６】
本発明の光学式エンコーダは、例えば互いに相対的に移動可能に又は回転可能に配置されている２つの移動物体の横方向の相対移動を検出するために使用することが可能である。さらに、本発明の光学式エンコーダによれば、垂直方向に沿った２つの物体の相対移動の検出も提唱され得る。
【００２７】
本発明のさらなる詳細及び利点を、図面に関連する本発明の装置の実施の形態の以下の説明に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１ａ】ｘｚ平面における本発明のエンコーダの混合回折格子及び検出器素子の領域内の光路の概略図である。
【図１ｂ】ｙｚ平面における本発明のエンコーダの混合回折格子及び検出器素子の領域内の光路の別の概略図である。
【図２ａ】対を成して干渉し合う回折次数間の特定の位相シフトを調整するための多段形状で線形の透過型位相回折格子の概略正面図である。
【図２ｂ】集束作用を有する多段形状で回転対称な透過型位相回折格子の概略正面図である。
【図２ｃ】図２ａ及び２ｂによる透過型位相回折格子の考えから派生した多段形状の透過型位相回折格子として構成された本発明のエンコーダ用の適切な混合回折格子の概略正面図である。
【図２ｄ】位相推移を示すための、図２ｃによる混合回折格子のｘ方向に沿った断面図である。
【図３】垂直方向の相対移動を検出するために構成された本発明のエンコーダの第１の実施の形態の概略側面図である。
【図４ａ】横方向の相対移動を検出するために構成された本発明のエンコーダの第２の実施の形態の異なる概略断面図である。
【図４ｂ】横方向の相対移動を検出するために構成された本発明のエンコーダの第２の実施の形態の異なる概略断面図である。
【図５ａ】横方向の相対移動を検出するために構成された本発明のエンコーダの第３の実施の形態の異なる概略断面図である。
【図５ｂ】横方向の相対移動を検出するために構成された本発明のエンコーダの第３の実施の形態の異なる概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
２つの物体の相対間隔を干渉測定するために適している本発明の光学式エンコーダの具体的な複数の実施の形態を、図３，４ａ，４ｂ，５ａ及び５ｂに基づいて説明する前に、これらの装置で使用される混合回折格子に関する様々な考えを、図１ａ，１ｂ及び２ａ−２ｄによって最初に説明する。図１ａ，１ｂには、混合回折格子ＭＧ及び複数の検出器素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の領域内の部分光束ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂの関連する複数の光路だけが、異なる断面図でそれぞれ示されている。図２ａ−２ｄは、混合回折格子ＭＧをさらに説明するために使用される。
【００３０】
図１ａ，１ｂ及び２ａ−２ｄではそれぞれ、ｚで示された方向が、測定方向として機能する。本発明のエンコーダの異なる構成要素に結合されている２つの物体が、少なくともこの方向に沿って互いに相対移動可能である。可動なこれらの物体は、例えば、相対位置を測定することができる機械部品でもよい。例えば、エンコーダの走査装置が、当該両物体の一方の物体に結合されていることが可能である。この場合、当該走査装置は、例えば、１つの光源、複数の検出器素子並びに１つの回折格子若しくは異なる機能を有する複数の回折格子のような異なる構成要素を有する。エンコーダの測定反射ミラー又はスケール本体が、他方の物体に結合されている。対応する機械部品の位置決めを制御するため、本発明のエンコーダによって生成された位置に依存し位相シフトされているインクリメンタル信号が、例えば機械制御によってさらに処理され得る。
【００３１】
光学式エンコーダの独立した構成部品に前もって実装された特定の複数の光学機能を、回折構成部品として構成されているただ１つの混合回折格子ＭＧ内で組み合わせることが、本発明にとって重要である。すなわち、部分光束ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂに対する結合素子の位相シフト作用と集束素子の集束作用とが、本発明にしたがって混合回折格子ＭＧ内で組み合わされる。以下でさらに詳しく説明するように、好適な実施の形態では、図１ａ及び１ｂで専ら概略的に示された混合回折格子ＭＧは、多段形状の透過型位相回折格子として構成されている。
【００３２】
以下で、図１ａ，１ｂに基づいて、適切な混合回折格子ＭＧの構成を両部分光束ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂの対称な入射の場合に対して説明する。当該両部分光束ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂは、−これらの図に示されなかった走査光路−の透過後に法線Ｎに対して入射角＋／−α１を成して混合回折格子ＭＧ上に入射する。便宜上、以下では、絶対値的に等しい入射角＋／−αだけを説明する。さらに、混合回折格子ＭＧで発生する部分光束ＴＳ＿Ａの＋１次の回折次数と部分光束ＴＳ＿Ｂの−１次の回折次数とがそれぞれ、この混合回折格子ＭＧから偏向して出射し互いに重畳して中央に配置された検出器素子Ｄ２の方向にさらに伝播することが前提条件である。さらに、部分光束ＴＳ＿Ａの０次の回折次数と部分光束ＴＳ＿Ｂの＋２次の回折次数とが、互いに重畳して検出器素子Ｄ１に向かって伝播し、部分光束ＴＳ＿Ｂの０次の回折次数と部分光束ＴＳ＿Ａの−２次の回折次数とが、互いに重畳して検出器素子Ｄ３に向かって伝播する。したがって、混合回折格子ＭＧは、透過中にこの混合回折格子ＭＧ上に入射する部分光束ＴＳ＿Ａ，ＴＳ＿Ｂの少なくとも１つの０次の回折次数並びに＋／−１の回折次数及び＋／−２次の回折次数を提供する。
【００３３】
当該異なる回折次数のこのような重畳の場合、このために使用される回折格子ＧＭが、回折格子周期ｄＭを有する。
【００３４】
【数２】
2020020788.tif 000004
が、この回折格子周期ｄＭに対して成立する。
ここで、
ｄＭ：＝０次並びに＋／−１次及び＋／−２次の回折次数を提供する回折格子ＧＭの回折格子周期
λ：＝光波長
α：＝回折格子ＧＭ上に入射する部分光束の入射角
である。
【００３５】
回折格子周期ｄＭを有する四段形状の透過型位相回折格子として構成された対応する線形の回折格子ＧＭが、図２ａに概略図で示されている。ここでは、ｘ方向に前後して配置された４つの回折格子領域が、回折格子周期ｄＭごとに設けられている。これらの回折格子領域内では、透過する複数の部分光束がそれぞれ、異なって位相シフトする。図２ａには、４つの位相シフト回折格子領域がそれぞれ、対応する模様にしたがって異なって示されている。
【００３６】
特に３つのインクリメンタル信号の場合の約１２０°の相対位相差として、発生するインクリメンタル信号の望ましい位相関係を考慮すると、以下の関係式が、回折格子ＧＭの合成伝達関数ＴＭ（ｘ）に対して得られる。
【００３７】
【数３】
2020020788.tif 000005
ここで、
ＴＭ（Ｘ）：＝回折格子ＧＭの合成伝達関数
ｘ：＝位置座標
ｄＭ：＝回折格子ＧＭの回折格子定数
である。
【００３８】
望ましい集束機能を有する実際の混合回折格子ＭＧの必要な伝達関数Ｔ（ｘ，ｙ）を取得するためには、回折格子ＧＭの合成伝達関数ＴＭ（Ｘ）が、適切に集束する別の回折格子ＧＬのレンズ伝達関数ＴＬ（ｘ，ｙ）と乗算される必要がある。このような集束回折格子ＧＬのレンズ伝達関数ＴＬ（ｘ，ｙ）は、ここでは以下の関係式にしたがって得られる。
【００３９】
【数４】
2020020788.tif 000006
ここで、
ＴＬ（ｘ，ｙ）：＝集束回折格子ＧＬのレンズ伝達関数
ｘ，ｙ：＝集束面内の位置座標
λ：＝光波長
である。
【００４０】
必要な集束特性を有する対応する回転対称な回折格子ＧＬが、図２ｂに概略正面図で示されている。この例では、当該回折格子ＧＬは、同様に四段形状の透過型位相回折格子としてされている。すなわち、半径方向に前後して配置された４つの回折格子領域が、回折格子周期ごとに設けられている。これらの回折格子領域内では、透過する複数の部分光束がそれぞれ、異なって位相シフトする。図２ｂでも、４つの位相シフト回折格子領域がそれぞれ、対応する模様にしたがって異なって示されている。
【００４１】
このとき、両回折格子ＧＭ及びＧＬの光学特性を結合させる混合回折格子ＭＧの必要な伝達関数Ｔ（ｘ，ｙ）は、
【００４２】
【数５】
2020020788.tif 000007
にしたがって得られる。
ここで、
Ｔ（ｘ，ｙ）：＝混合回折格子ＭＧの伝達関数
ＴＭ（ｘ）：＝回折格子ＧＭの合成伝達関数
ＴＬ（ｘ，ｙ）：＝回折格子ＧＬのレンズ伝達関数
である。
【００４３】
方程式４によれば、混合回折格子ＭＧは、振幅位相変調を入射する部分光束に及ぼすパターンを有する。製造コストを削減するため、位相関数φ（ｘ，ｙ）を有するｎ段形状の位相回折格子による可能な実施の形態では、必要な光学特性を有する混合回折格子ＭＧが、以下の方程式（５）
【００４４】
【数６】
2020020788.tif 000008
にしたがって概算され得る。
ここで、
φ（ｘ，ｙ）：＝混合回折格子ＭＧの位相関数
ｎ：＝整数；異なる位相回折格子の段数
Ｔ（ｘ，ｙ）：＝混合回折格子ＭＧの伝達関数
である。
【００４５】
上記の考えに基づいて構成されていて、結合素子の要求される位相シフト作用と集束素子に集束作用とを同時に有する混合回折格子ＭＧの実施の形態が、図２ｃに正面図で概略的に示されている。図示された混合回折格子ＭＧは、多段形状−具体的には四段形状−の透過型位相回折格子として構成されている。この場合、図中の異なって示された４つの回折格子領域が、異なる位相シフト作用を透過する部分光束に及ぼす。
【００４６】
図２ｄには、図３ｃによる混合回折格子の示されているｘ方向に沿った断面図である。この場合、４つに設けられている位相ステップと、ｘ方向に沿って設けられている位相推移とが、明確に分かる。ステップ高さｈを有する第１回折格子領域に加えて、ステップ高さ２ｈ、３ｈ及び４ｈをそれぞれ有する別の格子領域が存在する。
【００４７】
ステップ高さｈに対するｎ段形状の透過型位相回折格子の場合、一般に
ｈ＝λ／（ｎ・（ｎ１−ｎ２））      （方程式６）
が成立する。
ここで、
ｈ：＝ステップ高さ
λ：＝光波長
ｎ：＝２，３，４，．．．．．
ｎ１：＝回折格子ウェブの屈折率
ｎ２：＝回折格子ギャップの屈折率
透過型位相回折格子として構成する代わりに、混合回折格子を反射型位相回折格子として構成することも基本的に可能である。このため、例えば金又はアルミニウムのような高反射性の材料が、特に適している。この場合、ｎ段形状の反射型位相回折格子のステップ高さｈに対して
ｈ＝λ／（２・ｎ）      （方程式７）
が成立する。
ここで、
ｈ：＝ステップ高さ
λ：＝光波長
ｎ＝：２，３，４．．．．
である。
【００４８】
さらに、混合回折格子を段差のない回折格子として又は鋸歯回折格子として構成することも可能である。
【００４９】
上記の光学機能を有する混合回折格子を使用する本発明の光学式エンコーダの具体的な第１の実施の形態が、図３に概略即断面図で示されている。このエンコーダは、測定反射器１１０と走査装置１２０とに結合されていて且つ垂直方向ｚに互いに移動可能に配置されている図示されなかった２つの物体の間隔を検出するために使用される。
【００５０】
図示された当該実施の形態では、測定反射器１１０が、キャリア基板１１２から成る。平面鏡１１４が、このキャリア基板１１２上に配置されている。この平面鏡１１４の反射面が、当該図から分かるように走査装置１２０の方向に配向されている。
【００５１】
１つの光源１２１と、複数の光電検出器素子を有する１つの検出装置１２５と、例えばガラスから成る１つの透過性キャリア本体１３７とが、走査装置１２０側に設けられている。この代わりに、適切な中空の固体も、キャリア本体として使用可能である。キャリア本体１３７は、図３にしたがって角錐台形の横断面を有する。多数の光学機能に関連する素子が、キャリア本体１３７に配置されている。測定反射器１１０に面したキャリア本体１３７の面上に配置された１つの分割素子１３２と、１つの混合回折格子１３５と、当該キャリア本体の側面に配置された４つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂとが、これらの素子に属する。この場合、第１偏向素子１３３ａ及び第２偏向素子１３３ｂが、キャリア本体１３７の左の側面に配置されていて、第３偏向素子１３４ａ及び第４偏向素子１３４ｂが、このキャリア本体１３７の右の側面に配置されている。分割素子１３２は、混合回折格子１３５と同時に透過型の回折格子として構成されている。偏向素子１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂは、この実施の形態では適切に選択された回折格子周期を有する反射回折格子として機能する。これらの偏向素子１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂの反射面が、キャリア本体１３７の内側の方向に配向されている。
【００５２】
以下に、本発明のエンコーダの第１の実施の形態の信号を生成するために使用される光路を説明する。図３から分かるように、最初に、光源１２１から出射した光束が、この光源１２１に面しているキャリア本体１３７の側面上の光学無効領域１３１を透過する。このキャリア本体１３７の当該透過後に、当該光束は、分割素子１３２上に到達し、ここで２つの部分光束に分割される。これらの２つの部分光束は、図３からわかるようにｙｚ平面内で測定反射器１１０の方向にさらの伝播し、この測定反射器１１０の第１衝突地点に初めて当たる。これらの部分光束は、この測定反射器１１０の平面鏡１１４で走査装置１２０の方向に、すなわち第１及び第２偏向素子１３３ａ，１３３ｂの方向に戻り反射する。次いで、これらの部分光束は、これらの偏向素子１３３ａ，１３３ｂから第３及び第４偏向素子１３４ａ，１３４ｂの方向に変更される。引き続き、これらの部分光束は、当該第３及び第４偏向素子１３４ａ，１３４ｂを介して測定反射器１１０の平面鏡１１４の方向に変更される。次いで、これらの部分光束は、この平面鏡１１４のそれぞれの第２衝突地点にさらに当たる。この平面鏡１１４上の第２衝突地点は、この実施の形態のようにこれらの部分光束の当該第１衝突地点に対して図示されたｘ方向に移動され得る。最後に、これらの部分光束は、当該第２衝突地点１１４から上記のように構成されていて且つ説明した光学機能を有する混合回折格子１３５へ向かって戻り反射する。次いで、重なって干渉し合う３対の部分光束が、キャリア本体１３７を伝播し、光学無効領域１３６を透過してこのキャリア本体１３７を離れ、混合回折格子１３５の光学作用に起因してそれぞれ集束されて、検出装置１２５に設けられている３つの検出器素子に到達する。この場合、既に説明した位相シフト作用と集束作用とに関する混合回折格子１３５の光学機能に加えて、当該混合回折格子１３５は、図面の紙面に対して直角な偏向作用もさらに有する。すなわち、当該３対の部分光束が、ｘｚ平面に対して傾いて検出器素子１２５の方向に伝播する。測定方向ｚに沿った測定反射器１１０と走査装置１２０との相対移動に関する位相シフトされ位置に依存する複数のインクリメンタル信号が、検出装置１２５によって検出可能である。
【００５３】
本発明のエンコーダの第２の実施の形態の異なる２つの断面が、図４ａ及び４ｂに概略的に示されている。本発明のエンコーダのこの実施の形態は、測定方向ｘに沿ったスケール本体２１０と走査装置２２０との相対移動を検出するために使用される。これらの図面から分かるように、この例では、測定方向ｘは、垂直に配向されている。同様に、少なくとも測定方向ｘに沿って可動な当該図面に示されていない２つの物体が、スケール本体２１０と走査装置２２０とに結合されている。
【００５４】
この例では、スケール本体２１０は、キャリア基板２１２上に配置されている測定方向ｘに沿って延在する反射位相回折格子２１４から成る。この場合、反射位相回折格子２１４は、測定方向ｘに沿って周期的に配置された、長方形の目盛領域上に入射する光束に対する異なる位相シフト作用を呈する当該長方形の目盛領域を有する。
【００５５】
１つの光源２２１と、複数の光電検出器素子２２５と、１つの透過性走査板２３７上に配置された光学機能に関連する複数の素子を有する当該透過性走査板２３７とが、走査装置２２０側に設けられている。走査板２３７の下面に配置された複数の走査回折格子２３３と、その上面に配置された１つの混合回折格子２３５とが、この走査装置２２０に属する。この場合、スケール本体１０に面している走査板２３７の側面が、下面と呼ばれる。したがって、走査板２３７の上面は、スケール本体２１０に面しないで配向されている。走査回折格子２３３と混合回折格子２３５とはそれぞれ、透過型の位相回折格子として構成されている。
【００５６】
光源２２１から出射した光束が、さらなる偏向又は分割なしに走査板２３７を透過し、反射位相回折格子を配置しているスケール本体２１０の上面に到達する。当該入射する光束は、この反射位相回折格子で反射して、＋／−１次の回折次数の複数の部分光束に分割される。次いで、これらの部分光束は、走査装置２１０又は走査板２３７の方向に戻る。図４ｂの断面から分かるように、ｙｚ平面内では、当該スケール本体の法線に対する当該戻り反射した複数の部分光束の回折角度の絶対値は、当該スケール本体の法線に対する当該入射角度の絶対値に等しい。したがって、この実施の形態では、スケール本体２１０が、いわゆるリトロー角を成して照射される。次いで、当該戻り反射した複数の部分光束が、走査装置２２０内の走査板２３７の下面の走査回折格子２３３上に当たる。当該走査回折格子２３３上に入射する当該複数の部分光束が、この走査回折格子２３３によって光学軸に向かって戻るように偏向される。その結果、当該複数の部分光束は、走査板２３７の上面の混合回折格子２３５の領域内で干渉し合って重畳する。この場合、当該複数の部分光束は、非対称な角度を成して混合回折格子２３５上に入射する。次いで、特定の複数の回折次数が、混合回折格子２３５によって同様に対になって重畳する。次いで、これらの回折次数は、後続配置された複数の検出器素子２２５の方向にさらに伝播する。さらに、混合回折格子２３５は、先の実施の形態のように個々の検出器素子２２５に対する当該対になった複数の部分光束の集束も担う。
【００５７】
既に上述したように、適切に構成された混合回折格子２３５の使用に起因して、スケール本体２１０上の大きい光直径にもかかわらず、専ら小さいスポット直径が、検出器素子２２５上で保証され得る。スケール本体２１０上の当該大きい光直径は、場合によってはスケール本体２１０上で発生し得る汚れに対する走査の良好なロバスト性を保証する。さらに、小さい検出器素子の使用が可能である。これにより、生成されたインクリメンタル信号中の専ら小さい信号ノイズが保証される。
【００５８】
最後に、本発明のエンコーダの第３の実施の形態を図５ａ，５ｂに基づいて説明する。当該エンコーダは、先の実施の形態と同様に当該図中に異なる２つの断面で示されている。
【００５９】
本発明のエンコーダのこの実施の形態も、先の実施の形態と同様に図５ａ，５ｂに同様にｘで示されている垂直な測定方向に沿って移動する２つの物体の相対移動を検出するために使用される。
【００６０】
この場合、第２の実施の形態と同様に、キャリア基板３１２上に配置されている、測定方向ｘに沿って延在する同様に反射位相回折格子３１４から成るスケール本体３１０が構成されている。
【００６１】
１つの光源３２１と、複数の検出器素子３２５と、１つの透過性走査板３３７上に配置された光学機能に関連する複数の素子を有する当該透過性走査板３３７とが、走査装置３２０側に設けられている。走査板２３７の下面に配置された複数の回折格子、すなわち分割回折格子３３１と、複数の走査回折格子３３３．１−３３３．４と、１つの混合回折格子３３５とが、この走査装置３２０に属する。これらの回折格子はそれぞれ、透過型の位相回折格子として構成されている。２つの反射素子３３６，３３８が、走査回折格子２３７の上面に配置されている。これらの反射素子３３６，３３８の反射面がそれぞれ、スケール本体３１０の方向に配向されている。
【００６２】
最初に、光源３２１から出射した光束が、下面に配置された分割回折格子３３１上に到達するまで、当該光源３２１から出射した光束は、走査板３３７を透過する。２つの部分光束への分割が、この分割回折格子３３１で発生する。次いで、当該２つの部分光束は、スケール本体３１０の方向にさらに伝播する。走査装置３１０の方向への戻り反射が、スケール本体３１０の反射位相回折格子３１４によって実行される。次いで、これらの部分光束は、走査装置３２０の走査回折格子３３３．２，３３３．４を透過する。ｙ方向への偏向と、当該走査板の上面の反射素子３３６，３３８に向かう集束とが、当該走査回折格子３３３．２，３３３．４によって発生する。次いで、これらの部分光束は、当該反射素子３３６，３３８から走査板３３７の下面の別の走査回折格子３３３．１，３３３．３に向かって戻り反射する。次いで、これらの部分光束は、これらの走査回折格子３３３．１，３３３．２によってコリメートされ、新たに偏向される。その結果、これらの部分光束は、ｘｚ平面内でスケール本体３１０に最終的にもう１回垂直方向に入射する。次いで、当該新たな戻り反射後に、これらの部分光束は、走査板３３７の下面の混合回折格子３３５に到達する。このとき、この混合回折格子３３５は、既に上述したこれらの部分光束に対する光学作用を引き起こす。次いで、対を成して干渉し合う部分光束が、後続配置された複数の検出器素子３２５に向かって集束する。位相シフトしているインクリメンタル信号が、これらの検出器素子３２５によって生成される。
【００６３】
具体的に説明されているこれらの実施の形態のほかに、当然に、さらに別の構成の可能性が、本発明の範囲内で存在する。
【００６４】
したがって、例えば、重畳すべき複数の部分光束が図１ａ，１ｂで最初に提唱されたような対称な入射角を成さないで混合回折格子に入射する走査光路も、本発明のエンコーダで提唱されてもよい。当然に、このような実施の形態に対しても、異なる部分光束に対する所定の位相関係の調整に加えて、複数の検出器素子に向かう集束も保証する混合回折格子が、説明した態様で構成されてもよい。
【００６５】
さらに、本発明のエンコーダが、直線状の測定方向に沿ったシフト移動を検出するだけではなくて、２つの物体の回転相対移動等を検出するエンコーダも構成され得ることが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１１０    測定反射器
１１２    キャリア基板
１１４    平面鏡
１２０    走査装置
１２１    光源
１２５    検出装置
１３１    光学無効領域
１３２    分割素子
１３５    混合回折格子
１３７    透過型キャリア本体
１３３ａ  偏向素子
１３３ｂ  偏向素子
１３４ａ  偏向素子
１３４ｂ  偏向素子
２１０    スケール本体
２１２    キャリア基板
２１４    反射位相解決格子
２２０    走査装置
２２１    光源
２２５    検出器素子
２３３    走査回折格子
２３５    混合回折格子
２３７    走査板
３１０    スケール本体
３１２    キャリア基板
３１４    反射位相回折格子
３２０    走査装置
３２１    光源
３２５    検出器素子
３３１    分割回折格子
３３３．１−３３３．４    走査回折格子
３３５    混合回折格子
３３６，３３８    反射素子
３３７    走査板
【図１ａ】
2020020788.tif 000010
【図１ｂ】
2020020788.tif 000011
【図２ａ】
2020020788.tif 000012
【図２ｂ】
2020020788.tif 000013
【図２ｃ】
2020020788.tif 000014
【図２ｄ】
2020020788.tif 000015
【図３】
2020020788.tif 000016
【図４ａ】
2020020788.tif 000017
【図４ｂ】
2020020788.tif 000018
【図５ａ】
2020020788.tif 000019
【図５ｂ】
2020020788.tif 000020
【外国語明細書】
2020020788000001.pdf