(57)【要約】開示された光学的検出器アレイは、複数の光検出器を備えて、第１の周期的成分と第２の周期的成分を含んだ信号をモニタすることに有用である。第２の周期的成分は、周期Ｔによって特徴付けらる。アレイ内の光検出器のそれぞれは、長さと幅とによって特徴付けられる。各光検出器の幅は、Ｔの整数倍にほぼ等しい。
2005524050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号をモニタするための検出器アレイであって、前記信号は、第１の周期的成分と第２の周期的成分とを含み、前記第２の周期的成分は、周期Ｔによって特徴付けられ、前記検出器アレイは、複数の光検出器を備え、前記光検出器のそれぞれは、長さと幅とによって特徴付けられ、各光検出器の幅は、Ｔの整数倍にほぼ等しいことを特徴とする検出器アレイ。
【請求項２】
前記アレイ中の全ての光検出器の幅は、ほぼ等しい請求項１に記載の検出器アレイ。
【請求項３】
前記アレイ中の全ての光検出器の幅は、Ｔの整数倍にほぼ等しい請求項１に記載の検出器アレイ。
【請求項４】
前記アレイ中の少なくとも１つの光検出器は、ｎＴにほぼ等しい幅によって特徴付けられ、また前記アレイ中の少なくとも他の１つの光検出器は、ｍＴにほぼ等しい幅によって特徴付けられ、ｎおよびｍは等しくない整数である請求項１に記載の検出器アレイ。
【請求項５】
ｎは１に等しい請求項４に記載の検出器アレイ。
【請求項６】
前記検出器アレイは、光検出器の少なくとも１つのグループを備え、前記グループのそれぞれは、ｎ個の光検出器を含み、ｎは整数であり、前記グループのそれぞれにおけるｎ個の光検出器は、前記第１の周期的成分のｎ個の非縮重サンプルを与える請求項１に記載の検出器アレイ。
【請求項７】
前記グループのそれぞれにおけるｎ個の検出器は、前記第１の周期的成分の単一周期よりも広い領域に配設されている請求項６に記載の検出器アレイ。
【請求項８】
ｎは４に等しい請求項６に記載の検出器アレイ。
【請求項９】
前記第１の周期的成分は、周期Ｔ１によって特徴付けられ、前記第２の周期的成分の周期Ｔは、前記周期Ｔ１の１／３にほぼ等しい請求項８に記載の検出器アレイ。
【請求項１０】
全ての光検出器の幅は、前記第２の周期的成分の周期Ｔにほぼ等しい請求項９に記載の検出器アレイ。
【請求項１１】
各グループは、第１の検出器と、第２の検出器と、第３の検出器と、第４の検出器とを有し、第１の検出器の中心と第２の検出器の中心との間の距離は、周期Ｔ１の３／４にほぼ等しく、第１の検出器の中心と第３の検出器の中心との間の距離は、周期Ｔ１の１と１／２倍にほぼ等しく、第１の検出器の中心と第４の検出器の中心との間の距離は、周期Ｔ１の２と１／４倍にほぼ等しい請求項１０に記載の検出器アレイ。
【請求項１２】
検出器の隣接するグループの第１の検出器同士の中心間距離は、周期Ｔ１の３倍にほぼ等しい請求項１１に記載の検出器アレイ。
【請求項１３】
光学的信号をモニタするための検出器アレイであって、前記光学的信号は、少なくとも１つの周期的成分を含み、前記検出器アレイは、光検出器の少なくとも１つのグループを備え、前記グループのそれぞれは、ｎ個の光検出器を含み、ｎは整数であり、前記グループのそれぞれにおけるｎ個の光検出器は、前記周期的成分のｎ個の非縮重サンプルを与え、各グループにおけるｎ個の検出器は、前記周期的成分の単一周期よりも広い領域に配設されていることを特徴とする検出器アレイ。
【請求項１４】
光学的信号をモニタするための検出器アレイであって、前記光学的信号は、第１の周期的成分と第２の周期的成分とを含み、前記第２の周期的成分は、周期Ｔによって特徴付けられ、前記検出器アレイは、光検出器の少なくとも１つのグループを備え、前記グループのそれぞれは、ｎ個の光検出器を含み、ｎは整数であり、前記グループのそれぞれにおけるｎ個の光検出器は、前記第１の周期的成分のｎ個の非縮重サンプルを与えるように配設され、前記グループのそれぞれにおけるｎ個の検出器は、前記第１の周期的成分の単一周期よりも広い領域に配設され、前記光検出器のそれぞれは、長さと幅とによって特徴付けられ、各光検出器の幅は、Ｔの整数倍にほぼ等しいことを特徴とする検出器アレイ。
【請求項１５】
光学的信号をモニタするための検出器アレイであって、前記光学的信号は、少なくとも１つの周期的成分を含み、前記検出器アレイは、光検出器の少なくとも１つの組を備え、前記組のそれぞれは、光検出器の２つのグループを含み、前記グループのそれぞれは、ｎ個の光検出器を含み、ｎは整数であり、単一の組における光検出器は、前記周期的成分の２ｎ個の非縮重サンプルを与えるように配設され、前記単一の組における検出器は、前記周期的成分の２周期よりも広い領域に配設されていることを特徴とする検出器アレイ。
【請求項１６】
信号をモニタするための検出器アレイであって、前記信号は、第１の周期的成分と第２の周期的成分とを含み、前記第２の周期的成分は、周期Ｔによって特徴付けられ、前記検出器アレイは、複数の光検出器を備え、前記光検出器のそれぞれは、出力信号を発生し、前記出力信号は、前記第１の周期的成分のｎ個の非縮重サンプルの１つの組を与え、前記サンプルのそれぞれは、Ｔの整数倍にほぼ等しい幅によって特徴付けられ、前記サンプルの少なくとも１つは、前記出力信号の２以上を合計することによって発生されることを特徴とする検出器アレイ。
【請求項１７】
光学的信号をモニタするための検出器アレイであって、前記光学的信号は、少なくとも１つの周期的成分を含み、前記検出器アレイは、光検出器の少なくとも１つのグループを備え、前記少なくとも１つのグループ内の光検出器のそれぞれは、出力信号を発生し、前記少なくとも１つのグループ内の光検出器によって発生された前記出力信号は、少なくとも１つの周期的成分のｎ個の非縮重サンプルの１つの組を与えるように配設され、前記サンプルの少なくとも１つは、前記出力信号の２以上を合計することによって発生され、前記少なくとも１つのグループ内の光検出器は、前記周期的成分の単一周期よりも広い領域を与えるように配設されていることを特徴とする検出器アレイ。
【請求項１８】
Ａ．光源と、
Ｂ．複数の反射領域および複数の透過領域を規定する回折格子であって、前記反射領域の幅は、前記透過領域の幅にほぼ等しく、前記光源によって放射され、前記回折格子によって回折された光は、１次縞パターンおよび３次縞パターンを発生し、前記１次縞パターンは、Ｔにほぼ等しい周期によって特徴付けられ、前記３次縞パターンは、Ｔ／３にほぼ等しい周期によって特徴付けられる回折格子と、
Ｃ．複数の光検出器を有する検出器アレイであって、前記光検出器のそれぞれは、長さと幅とによって特徴付けられ、前記光検出器の幅は、３次縞パターンの周期Ｔ／３のｎ倍にほぼ等しく、ｎは整数である検出器アレイと、
を備えることを特徴とする光学的エンコーダ。
【請求項１９】
ｎは１に等しい請求項１８に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
この出願は、本発明の譲受人に譲り渡され、そして本願と同時代に出願された「基準点タルボットエンコーダ」なる名称の共出願中の米国特許出願第６０／３１６，１６０号［代理人整理番号ＭＣＥ−０１９（１１１３９０−１４１）］に関連している。この出願は、ここにその全体を参照によって組み入れる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、改良された光学的検出器アレイまたは光検出器アレイに関する。より具体的には、本発明は、周期的信号をモニタするための光学的検出器アレイに関する。
【０００３】
光学的格子に対する光学的検出器アレイの相対的な空間位置を測定するための種々の光学的エンコーダがいくつか知られており、例えば米国特許第５，５５９，６００号（ミッチェル）、５，４８６，９２３号（ミッチェル）、５，６４６，７３０号（ミッチェル）および５，９９１，２４９号（リー）に記載されている。このようなエンコーダでは、光学的格子に入射した光は、複数の回折されたビームを発生する。これら回折されたビームは、互いに光学的に干渉して、周期的な光学的縞パターン、即ち光学的干渉縞パターンを発生する。このパターンは、光学的検出器アレイに入射する。格子と検出器の間の相対移動は、検出器アレイに入射した縞パターンの位相角を変化させる。エンコーダは、この位相角をモニタし、これに応答して、格子に対する検出器アレイの相対的な空間位置を表す信号を発生する。
【０００４】
図１Ａ〜１Ｄは、従来技術の検出器アレイ２０に入射した正弦（シヌソイド）的縞パターン１０を示している。これらの図において、正弦曲線１０は、検出器アレイ２０に入射した光の強度を表している。検出器アレイ２０の主たる機能は、パターン１０とアレイ２０との間の位相角（またはオフセット）を測定（またはモニタ、または検出）することである。縞パターン１０が正弦的であるので、パターン１０のどの点も、０〜３６０度の間の角度を割り当てられる。例えば、最大ピークは、全て９０度であり、最低ピークは、全て２７０度である。パターン１０とアレイ２０との間の位相角（またはオフセット）は、検出器アレイ２０上の基準位置と交差するパターン１０の部分の角度位置によって、単純に規定される。この基準位置が検出器アレイ２０の左エッジにとられている場合、図１Ａに示されたパターン１０とアレイ２０との間の位相角は、０度である（即ち、パターン１０の０度がアレイ２０の左エッジに入射するので）。同様に、図１Ｂ，１Ｃ，１Ｄに示されたパターン１０とアレイ２０との間の位相角は、それぞれ９０，１８０，２７０度に等しい。
【０００５】
一般に、検出器アレイ２０に対する縞パターン１０の左または右方向への移動は、パターン１０とアレイ２０との間の位相角の変化に対応する。上述したように、光学的エンコーダでは、検出器アレイに対する回折格子の移動が縞パターンと検出器アレイとの間の位相角の変化を引き起こす。従って、このエンコーダは、この位相角をモニタすることによって、アレイに対する格子の位置をモニタできる。
【０００６】
光学的検出器アレイによって発生された信号を処理するための１つの好ましいアルゴリズムが、「Ｎビン」アルゴリズムとして知られている。これは、例えばデ・グルートの「データ・サンプリング・ウインドウの概念を使用した位相シフト・インターフェロメトリー用アルゴリズムの導出」（１９９５）に記載されている[de Groot, Peter, “Derivation of algorithms for phase-shifting interferometry using the concept of a data sampling window,” Applied Optics, vol. 34, p.4723, (1995)]。Ｎビン・アルゴリズムの使用は、検出器アレイが少なくともＮ個の光検出器を含むことを要求する（例えば、４ビン・アルゴリズムは、アレイが少なくとも４個の光検出器を含むことを要求する）。これらの光検出器は、アレイ上に位置決めされ、ｎ番目（ｎは０からＮ−１までの全て）の光検出器が（ｎ）（３６０／Ｎ）度に配置される（例えば、４ビン・アルゴリズムでは、光検出器は０，９０，１８０および２７０度に配置される）。
【０００７】
図１Ａ〜１Ｄに示す従来の検出器アレイ２０は、４ビン・アルゴリズムで使用されるように構成されている。アレイ２０は、４個ずつのグループに分けられた複数の光検出器を備える。各グループは、４個の光検出器３２，３４，３６，３８を含む。アレイ２０の左端のグループでは、光検出器３２が０度の位相角「に配置されている」ということができる。同様に、そのグループでは、光検出器３４，３６，３８は、それぞれ９０，１８０，２７０度「に配置されている」ということができる。いくつかの従来の検出器アレイが例えば米国特許第５，５３０，５４３号（ハーチャー）に開示されている。
【０００８】
検出器アレイの語法では、用語「位相角」は、２つの異なる概念を指すことに使用できる。上述したように、用語「位相角」の１つの用法は、検出器アレイと、このアレイによってモニタされる縞パターンとの間のオフセットを指す（例えば、図１Ｂではこの位相角は９０度に等しい）。用語「位相角」のもう１つの用法は、検出器アレイ上の位置、または距離測定値を指す。例えば図１Ａ〜１Ｄに示された検出器アレイ２０では、アレイの左端の検出器３２は、０度から９０度まで「水平方向に延びている」。また、隣接する検出器３４の左エッジは、９０度「に配置されている」。検出器３２が０度から９０度まで水平方向に延びている、ということは、検出器３２の幅が縞パターン１０の周期Ｔの１／４に等しい（即ち、検出器幅が（１／４）＊Ｔに等しい）ということと等価である。同様に、（図１Ａ〜１Ｄに示すように）検出器の左エッジが４５０度にあるということは、その検出器の左エッジとアレイ２０の左エッジとの間の距離が、このアレイによって検出されている縞パターン１０の周期Ｔの１と１／４倍に等しい（即ち、距離が１．２５＊Ｔに等しい）とうことと等価である。アレイ内の１つの光検出器の位置が、基準位置位相角（例えば、０度）に割り当てられると、全ての他の光検出器の位置は、位相角に関して特定される。そして、各位相角は、モニタされている信号の周期の単位に量子化された距離の測定値を表す。また、上記の例では、光検出器の左エッジが光検出器の位置を決定することに使用されているが、ここで認められるべき点は、全ての光検出器に一貫して適用される方法もまた使用できるということである（例えば、光検出器の中心も左エッジの代わりに使用できる）。
【０００９】
Ｎビン・アルゴリズムは、以下の式（１）によって一般に記述することができる。
【００１０】
2005524050.tif 000003
【００１１】
式（１）において、Ｓｎはアレイ中のｎ番目の光検出器の出力であり、Ｗｓｉｎｎはｎ番目の「正弦重み」であり、Ｗｃｏｓｎはｎ番目の「余弦重み」であり、Ｐは検出器アレイと入射縞パターンとの間の位相角である。正弦重みおよび余弦重みＷｓｉｎｎおよびＷｃｏｓｎは、このアルゴリズムによって特定され、Ｎの値に依存して変化する。４ビン・アルゴリズムでは、位相角Ｐの計算は比較的簡単であり、式（１）はＴａｎ（Ｐ）＝（Ｓ０−Ｓ２）／（Ｓ１−Ｓ３）に単純化される。
【００１２】
図１Ａ〜１Ｄは、４ビン・アルゴリズムで使用されるように構成された従来技術の検出器アレイを一般的に表している。そのような検出器アレイでは、各光検出器は、典型的には約９０度の幅を有する。即ち、０度で始まった検出器は、０からほぼ９０度まで延び、９０度で始まった検出器は、９０からほぼ１８０度まで延び、１８０度で始まった検出器は、１８０からほぼ２７０度まで延び、２７０度で始まった検出器は、２７０からほぼ３６０度まで延びる。このような配置は効果的に、隣接する検出器同士を一緒に可能な限り密に収容して、検出器アレイに入射する光の最大量を収集する。
【００１３】
典型的に、Ｎビン・アルゴリズムで使用されるように構成された検出器アレイは、Ｎよりも多い光検出器を備える。Ｎより多い光検出器を備えることは好まれる。これは、検出器アレイに対する信号対雑音比を増加させるためである。例えば、４ビン・アルゴリズムで使用されるように構成された検出器アレイは、４０個の光検出器、即ち０＋ｊ３６０度、９０＋ｊ３６０度、１８０＋ｊ３６０度、２７０＋ｊ３６０度（ｊは０から９までの全整数値）に配置された光検出器を備える。この例では、式（１）で使用されるＳ０の値は、０＋ｊ３６０度（ｊは０から９までの全整数値）に配置された光検出器の出力を合計することによって発生される。一般に、Ｎビン・アルゴリズムで使用されるように構成された検出器アレイは、Ｎ＊Ｊ個の光検出器を備え、これらの光検出器は、（ｎ）（３６０／Ｎ）＋ｊ３６０度に配置される（ｎは０からＮ−１までの全整数値であり、ｊは０からＪ−１までの全整数値である）。また、式（１）で使用されるＳｎの値は、ｎ（３６０／Ｎ）＋ｊ３６０度（ｊは０からＪ−１までの全整数値）に配置されたＪ個の光検出器の出力を合計することによって発生される。
【００１４】
Ｎビン・アルゴリズムは、検出器アレイに入射した周期的な光学的縞パターンが正弦信号であるときに最適に機能する。良く知られているように、交差する光のビームは、一般的に周期的な光学的縞パターンを発生する。光学的エンコーダにおける正及び負の１次回折ビーム間の干渉は、正弦縞パターンを発生する。しかしながら、光学的エンコーダに関する１つの問題は、検出器アレイに入射した縞パターンが一般には純粋に正弦的にならない点である。縞パターンが正弦的にならない１つの理由は、１次回折ビームに加えて、光学的格子も高次回折ビームを発生する点にある。検出器アレイへの高次回折ビームの入射は、縞パターンを正弦的でないものにして、方形波に近いものとする傾向にある。一般に、高次回折ビームの存在は、エンコーダの精度を低下させる。
【００１５】
不要な高次回折ビームの貢献を低減する１つの既知の方法は、検出器アレイの位置を、高次回折ビームが存在しない「自然な干渉」の領域に規制することである。しかしながら、このことはエンコーダの機械的複雑さを増加させる。従って、不要な高次回折ビームの貢献を濾過するための改良された方法が必要とされる。
【００１６】
［発明の要約］
これらおよび他の目的は、改良された検出器アレイによって与えられる。この発明によって構成される検出器アレイは、このアレイと該アレイに入射する関心のある周期的成分との間の位相角を正確にモニタする一方で、同時にこのアレイに入射する周期的雑音成分の影響を抑制（濾過）する。
【００１７】
この発明によって構成される検出器アレイは、グループ分けされた複数の光検出器を備える。各グループは、位相角の計算を可能にするに十分な１組の関心のある成分の非縮重サンプルを提供する。このアレイはまた、光検出器の追加のグループを有する。このような追加のグループは、信号対雑音比を上昇させる。
【００１８】
この発明によれば、光検出器の幅を雑音成分の周期の整数倍にほぼ等しく設定することによって、周期的雑音成分の影響は抑制される。そのような幅の選択は、１グループの全ての光検出器を、関心のある成分の単一周期よりも広くない領域に配置することを不便にする。そのような場合、関心のある成分の周期性は好ましく活用され、そしてそのグループ内の光検出器は、関心のある成分の１周期よりも広い領域に配置される。
【００１９】
本発明のさらに他の目的および利点は、以下の詳細な説明から当業者に容易に明らかとなる。ここでは、発明のベストモードを単に示すためのいくつかの実施形態が図示され、説明されている。以下で実現されるように、この発明は、他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、発明から逸脱することなく種々の点で全て修正可能である。従って、図面と説明は、請求の範囲に示された応用の範囲について、規制または制限的な感覚でなく、自然に示されたものとみなされるべきものである。
【００２０】
本発明の性質及び目的のより良い理解のために、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な説明が参照されるべきである。図面において、同じ参照番号は、同じまたは同様の部分を示すことに使用される。
【００２１】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
図２Ａは、周期的な光学的縞パターン２１０を模式的に示す。図２Ｂに示すように、パターン２１０は、２つのパターン、即ち基本的な１次縞パターン２２０と、３次縞パターン２３０とに分解される。図示のように、３次縞パターン２３０の周期は、１次縞パターン２２０の周期の１／３に等しい。パターン２１０のようなパターンは（図２Ａに示すように）、光学的エンコーダ内で回折された複数のビーム間の干渉によって発生される。図示のように、パターン２１０は、あまり正弦的ではなく、パターン２２０，２３０のいずれよりも方形波的である。パターン２１０のような縞パターンが検出器アレイに入射するときに、従来技術は、不要な３次パターン２３０の貢献を抑制する効果的な手法を与えない。この発明は、不要な高次パターン、例えば３次パターン２３０の貢献を効果的に濾過する検出器アレイを構成する方法を提供する。
【００２２】
この発明によると、高次縞パターンの貢献を濾過する１つの好ましい手法は、アレイ内の各光検出器の幅を高次縞パターンの周期に等しく設定することである。例えば、この発明によって３次縞パターン２３０の影響を抑制するように構成された検出器アレイでは、アレイ内の各光検出器の幅は、パターン２３０の周期にほぼ等しい。それ故、この発明によって３次縞パターン２３０の影響を抑制するように構成された検出器アレイでは、アレイ内の各光検出器の幅Ｗは、基本周波数の周期の１／３（即ち、基本縞パターン２２０の周期の１／３）にほぼ等しい。
【００２３】
図２Ｃはこの概念を示している。図２Ｃは単一の光検出器２４０を示している。図示のように、光検出器２４０の幅Ｗは、３次縞パターン２３０の周期Ｔ／３（即ち、縞パターン２２０の周期の１／３）にほぼ等しい。光検出器２４０の幅がパターン２３０の周期にほぼ等しいので、パターン２３０からは同じ量のエネルギが常に光検出器２４０に入射する。これは、光検出器２４０の位置が矢印Ａ−Ａで示される方向に如何にシフトされても変わらない。従って、パターン２３０に応答して光検出器２４０によって発生される出力は、光検出器２４０の位置とは関係なく（即ち、パターン２３０と検出器２４０との間の位相角とは関係なく）、常に一定値にほぼ等しくなる。それ故、光検出器２４０上のパターン２３０の影響は、光検出器２４０の出力から一定のオフセット値を引くことによって単純に濾過される。
【００２４】
図３は、この発明により構成された検出器アレイ３００の上面図を示す。以下で更に詳細に示すように、検出器アレイ３００は、（１）４ビン・アルゴリズムで使用するように、また（２）１次縞パターンの位相角を検出するために、さらに（３）３次縞パターンの貢献を濾過するために、この発明によって構成されたものである。換言すれば、図２Ａ，２Ｂおよび３を参照すると、干渉パターン２１０が検出器アレイ３００に入射する場合、検出器アレイ３００は、１次パターン２２０とアレイ３００との間の位相角を正確に検出する一方で、同時に３次パターン２３０の貢献を濾過する。以下では検出器アレイ３００の構成が詳細に説明されるが、この検出器アレイ３００は、この発明により構成された検出器アレイの単なる一例であること、並びにここに開示された手順は、他のアルゴリズムで使用されたり、他の次数のビームの貢献を濾過するための検出器アレイを設計することに使用されるものであることが理解されるべきである。
【００２５】
図３を参照すると、検出器アレイ３００は、基板３０２上に配設された複数の光検出器Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を含む。光検出器のそれぞれは、入射光に応答して１つの出力信号を発生する。全てのＤ０光検出器の出力端子は、１つの出力パッドＰ０に電気的に接続されている。それ故、パッドＰ０は、全てのＤ０光検出器によって発生されたアナログ出力信号の合計を表す電気信号を効果的に与える。同様に、全てのＤ１，Ｄ２，Ｄ３光検出器の出力端子は、出力パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ３にそれぞれ電気的に接続されている。それ故、パッドＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、全てのＤ１，Ｄ２，Ｄ３光検出器によって発生されたアナログ出力信号の合計を表す電気信号をそれぞれ与える。
【００２６】
式（１）に関連して上述したように、４ビン・アルゴリズムは、４入力Ｓｎを使用する（ｎは０から３までの全整数値）。検出器アレイ３００の動作では、入力信号Ｓｎは、好ましくは、パッドＰｎ上に存在するアナログ電気信号のデジタル表現である（ｎは０から３までの全整数値）。そのようなデジタル表現は、勿論、Ａ／Ｄ変換器の１以上を使用して発生される。
【００２７】
図２Ｃに関連して上述されたように、光検出器に入射した光に対するパターン２３０の貢献を効果的に濾過する１つの手法は、その光検出器の幅をパターン２３０の周期にほぼ等しく選択することである。この概念は、検出器アレイ３００で活用されている。そして、全ての光検出器の幅Ｗは、３次縞パターン２３０の１周期にほぼ等しい。光検出器幅のこの選択は、検出器アレイ３００の左端のＤ０光検出器によって示されている。図示のように、この光検出器の幅は、０度の基準位置から１２０度まで延びている。０および１２０度の数は、基本縞パターン２３０の位相角（図２Ｂ）を指す。１２０度の大きさは、基本縞パターン２２０の周期の１／３の大きさと等価であり、また３次縞パターン２３０の１完全周期の大きさとも等価である。ここで理解されるべき点は、検出器Ｄ０の左エッジを位相角の０度の基準点に対応させるように割り当てることは、多少任意ではあるが、このような割り当てがなされると、図３に示された全ての他の角度が、この０度の基準点に関して作られるということである。アレイ３００における全ての光検出器の幅を基本縞パターン２２０の１２０度にほぼ等しく選択することは、そのアレイが３次縞パターン２３０からの貢献に反応しなくなることを確実にする。
【００２８】
光検出器幅が選択されると、この発明による検出器アレイの設計における次のステップは、アレイ上の各光検出器がどこに配置されるべきかを決定することである。上述したように、４ビン・アルゴリズムは、０，９０，１８０，２７０度に配置された光検出器からのサンプルを使用する。しかしながら、光検出器に対して選択された１２０度の幅は、これらの位置への光検出器の配置を困難にする。即ち、４個の光検出器を０，９０，１８０，２７０度に配置する一方で、各光検出器の幅を１２０度に等しくすることは、図４に示すように、光検出器が物理的に重複することを必要とする。
【００２９】
図４において、矢印４１０，４１２，４１４，４１６，４１８は、それぞれ０，９０，１８０，２７０，３６０度から始まる光検出器の幅を表している。光検出器のそれぞれは、１２０度の幅である。図示のように、各光検出器を１２０度の幅にし、且つ検出器をこれらの位置に配置することは、光検出器が物理的に重複することを必要とする。そのように物理的に重複する光検出器を設計することは可能ではあるが、そのような設計は、重複しない光検出器を使用するアレイに対するものよりも複雑になる。
【００３０】
重複する光検出器の図４に示された問題を解決する１つの手法は、検出される光学的縞パターンの周期的性質を活用することである。例えば、パターン２２０は周期的であるので、このパターンの９０度で得られたサンプルは、９０＋ｎ３６０度（ｎは任意の整数値）で得られたサンプルとほぼ等価である。この概念は、図３に示された検出器アレイ３００において活用されている。
【００３１】
山かけするために、４ビン・アルゴリズムは、０，９０，１８０，２７０度で得られたサンプルを使用する。また、３次縞パターン２３０の貢献を抑制する利点を与えるために、各光検出器の幅を１２０度にするように既に決定されている。アレイの左端の光検出器Ｄ０は、０度のサンプルを与える。物理的に重複する光検出器の必要性を回避するために、アレイ３００では、（１）９０度のサンプルは、８１０度（即ち、９０＋２＊３６０）で開始する検出器３１０によって与えられ、（２）１８０度のサンプルは、５４０度（即ち、１８０＋３６０）で開始する検出器３１２によって与えられ、（３）２７０度のサンプルは、２７０度（即ち、２７０＋０＊３６０）で開始する検出器３１４によって与えられる。０，９０，１８０，２７０度の周期的倍数における追加サンプルは、光検出器３１０の右側の光検出器によって与えられる。
【００３２】
図３に示されるように、隣接する検出器の各対は、１５０度の幅によって分離される。隣接する検出器間のこの空間は、「デッドスペース」であり、これらデッドスペースに入射する光は、検出器アレイ３００によって使用されない。この光を捨てることは、無駄なことであるとみなされる。しかしながら、この光を捨てることによって、検出器アレイ３００は、いくつかの重要な利点を与えることが可能になる。最も重要なことに、検出器アレイ３００は、不要な３次縞パターン２３０の貢献を抑制する。もう１つの例として、２つの隣接した検出器の間に比較的大きなデッドスペースを持つことは、２つの検出器間のクロストークを低減または抑制する。また、隣接した検出器の間にデッドスペースを持つことは、各検出器が望み通りに広く作られることを可能にする。例えば、図１Ａ〜１Ｄに示された従来の検出器アレイ２０では、各検出器を９０度の幅に形成することが一般的に望ましい。しかしながら、隣接した検出器の間には一般にある程度のデッドスペースが設けられなければならないので、従来の検出器アレイ２０内の光検出器は、９０度の幅より僅かに少なくされなければならない。これに対し、アレイ３００では、光検出器の幅は、所望の１２０度にほぼ等しく作ることができる。
【００３３】
上述したように、米国特許第５，５３０，５４３号（ハーチャー）は、いくつかの従来技術の検出器アレイを開示している。ハーチャー特許ではマルチ要素型検出器アレイが論議されているが、アレイ３００で行われているような、選択された高調波成分を抑制するように、光検出器の幅をアレイ内で選択する開示はない。
【００３４】
図５Ａ〜５Ｃは、如何にして検出器アレイ、例えばアレイ３００が、この発明によって構成された光学的エンコーダ５００に使用されるかを示す。このような光学的エンコーダは、上述した「基準点タルボットエンコーダ」なる名称の米国特許出願第６０／３１６，１６０号［代理人整理番号ＭＣＥ−０１９（１１１３９０−１４１）］でより詳細に論議されている。図５Ａは、光学的エンコーダ５００の側面図を示す。このエンコーダは、センサヘッド５１０と、スケール５５０とを含む。図５Ｂは、図５Ａに示された矢印５Ｂ−５Ｂの方向に見たセンサヘッド５１０の上面図を示す。図５Ｃは、図５Ａに示された矢印５Ｃ−５Ｃの方向に見たスケール５５０の図を示す。
【００３５】
センサヘッド５１０は、基板５１２と、光源５１４と、検出器アレイ５２０とを有する。光源５１４と検出器アレイ５２０は、基板５１２上に搭載されている。光源５１４は、例えば垂直キャビティ表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用して実施できる。光源５１４は、好ましくはシングルモードレーザである。
【００３６】
検出器アレイ５２０は、図５Ｂに示すように複数の個別検出器５２２を有する。アレイ５２０は、好ましくは図３に示されたアレイ３００とほぼ同様に、４ビン・アルゴリズムで使用されるように、そして３次縞パターンを抑制するように構成される。アレイ５２０は、アレイ３００とほぼ同一である。基本的な違いは、センサヘッド５１０において、アレイ５２０の検出器５２２に加えて、光源５１４も基板５１０上に配設されている点である。図５Ａに示すように、光源５１４の上面（即ち、そこから実際に光が放射される面）は、アレイ５２０の検出器５２２の上面と共平面であることが好ましくい。
【００３７】
スケール５５０は、基板５５２と、回折格子５７０を形成する一連の反射ストリップ５６０とを有する。基板５５２は、透明素材（例えば、ガラス）のブロックを使用して実施できる。ストリップ５６０は、基板５５２の下面に配設された反射素材（例えば、クロム）のストリップを使用して実施できる。透明素材の領域５６２が、隣接する反射ストリップ５６０の各対の間に配設される。好ましい実施形態では、回折格子５７０は、５０−５０デューティサイクルによって特徴付けられる。これは、反射ストリップ５６０の幅が透明領域５６２の幅にほぼ等しいことを意味する。
【００３８】
動作において、光源５１４によって放射された光は、格子５７０に向かって伝播する。格子５７０に入射した光の一部は、回折されて、検出器アレイ５２０に入射する光学的干渉パターンを発生する。図５Ａに示す矢印Ｂ−Ｂ方向へのスケール５５０の移動は、検出器アレイ５２０と該検出器アレイ５２０に入射した光学的干渉パターンとの間の位相角に変化を生ずる。処理回路（図示せず）は、この位相角をモニタして、センサヘッド５１０に対するスケール５５０の相対位置を表す信号を発生する。
【００３９】
検出器アレイ５２０に入射した光学的干渉パターンは、格子５７０から回折された０次、＋１次、−１次ビームとの間の光学的干渉によって発生され、また格子５７０から回折された高次のビームによっても発生される。０次、＋１次、−１次回折ビーム間の光学的干渉によって発生された縞パターンは、エンコーダ５００によって理想的に処理された「信号」を表す。格子５７０から回折されたより高次のビームは、不要な雑音、即ち高調波歪みを表し、そしてこの雑音の一部は、この発明によって構成された検出器アレイを使用して濾過される。上記「基準点タルボットエンコーダ」なる名称の米国特許出願第６０／３１６，１６０号［代理人整理番号ＭＣＥ−０１９（１１１３９０−１４１）］で述べられているように、０次ビームの存在は、信号に影響する（例えば、信号を正弦的でなくする）。しかしながら、０次ビームの存在を許容することは基本的に好ましい。これは、０次ビームが存在するエンコーダを構成することは高価にならないからである。
【００４０】
格子５７０を５０−５０デューティサイクル格子として実施することの１つの利点は、アレイ５２０に向けて回折された光から偶数次の回折が消去される（即ち、偶数次の回折ビームのエネルギがほぼゼロになる）点である。それ故、単に格子５７０を５０−５０デューティサイクル格子として実施することよって、２次回折ビームからの雑音は（４次、６次および全ての他の偶数次と同様に）、消去される。
【００４１】
格子５７０を５０−５０デューティサイクル格子として実施することよって２次回折ビームからの雑音がほぼ消去されるので、格子５７０によって発生される雑音の最大の源は、３次回折ビームということになる。しかしながら、３次回折ビームが検出器アレイに入射しても、アレイ５２０は（例えば、図３に関連して論議したように）３次縞パターンに反応しないように設計されている。４次ビームもまた格子５７０の選択によって消去されるので、エンコーダ５００内の最大の雑音源は、格子５７０によって回折された５次ビームとみなされる。ここで認められるべき点は、５次回折ビームのエネルギの量は比較的小さく（例えば、３次回折ビームのエネルギよりも約６０％小さい）、また５次以上の奇数次の回折ビームによって貢献される雑音の量もこれに対応して比較的小さい。
【００４２】
要するに、エンコーダ５００は、低減された雑音によって特徴付けられる利点がある。偶数次回折ビームからの雑音は、格子５７０の選択によって抑制される。３次縞パターンからの雑音は、検出器アレイ５２０の設計によって抑制される。
【００４３】
エンコーダ５００の１つの好ましい実施形態では、光源５１４は、波長８５０ｎｍの光を放射する。格子５７０のストリップ５６０の幅は、ほぼ１０ミクロンに等しい。格子５５０の隣接するストリップ５６０の間隔は、ほぼ１０ミクロンに等しい。スケールとセンサヘッドとの間隔は、ほぼ４．７ミリメータに等しい。この回折格子周期の選択と、エンコーダのレイアウトは、ほぼ４０ミクロンに等しい周期によって特徴付けられる１次縞パターンを発生する。この実施形態では、検出器アレイ５２０は、２０個の光検出器を含む。アレイ５２０内の全ての光検出器５２２の幅Ｗは、ほぼ１３．３３ミクロンに等しい。アレイ内の隣接する検出器５２２間の間隔（即ち、デッドスペースの幅）は、ほぼ１６．６７ミクロンに等しい。光検出器の長さＬに対する１つの好ましい選択は、その長さＬをほぼ３６０ミクロンにするものである。
【００４４】
検出器アレイ３００の構成とエンコーダ５００内での使用は、上記で論議されてきた。この発明による検出器アレイの設計と構成は、より一般的な手法で論議される。検出器アレイによって検出される光学的縞パターンは、一般に次式（２）に記述されるようなシヌソイドの合計とみなされる。
【００４５】
2005524050.tif 000004
【００４６】
式（２）において、Ｓ（ｘ）は検出器アレイに入射した光信号を表す。示されているように、Ｓ（ｘ）はシヌソイドの合計、即ち調波成分の合計である。式（２）において、ＷｎはＳ（ｘ）のｎ次調波成分の信号強度または重みを表している。ｆｎはｎ次調波成分の周波数を表している。Ｗ０は一定の背景照明を表している。
【００４７】
一般に、Ｓ（ｘ）の１次調波成分［即ち、Ｗ１＊ｓｉｎ（２πｆ１ｘ）］が関心のある成分であり、Ｓ（ｘ）の全ての高次成分［即ち、Ｗｎ＊ｓｉｎ（２πｆｎｘ）］（ｎは２からＮまでの全ての整数）は、雑音、即ち高調波歪みとみなされる。検出器アレイの基本機能は、検出器アレイと関心のある成分（即ち、通常は１次調波成分）との間の位相角を決定することである。例えば、図１Ｂを再び参照すると、パターン１０が関心のある成分を表す場合、検出器アレイの機能は、位相角が９０度に等しいことを決定することである。
【００４８】
この発明により構成された検出器アレイは、関心のある成分に反応し（即ち、検出器アレイと関心のある成分との間の位相角を正確に測定することが可能であり）、しかも所望の高次成分を自動的に濾過する（または抑制するか、反応しない）（即ち、高次成分の存在が関心のある成分と検出器アレイとの間の位相角の測定精度を劣化させない）。この発明により特別な調波成分を濾過するように構成された検出器アレイはまた、その成分の倍数も濾過する（例えば、４次調波成分を濾過する検出器アレイは、８次及び１２次成分のみならず４次成分の他の整数倍も自動的に濾過する）。
【００４９】
ｎ次調波成分を濾過する検出器アレイを設計するための設計手順は、一般に２つのステップを含む。第１のステップは、アレイ内の光検出器の幅を選択することである。これにより、各光検出器の幅は、ｎ次調波成分の周期か、その周期の倍数のいずれかにほぼ等しくなる。第２のステップは、光検出器をアレイ内の適切な位置に配置することである。この結果、アレイは、関心のある成分とアレイとの間の位相角を測定することが可能になる（例えば、Ｎビン・アルゴリズムを使用して）。
【００５０】
第１のステップに関すれば、ｎ次調波の周期Ｔが小さすぎて、幅Ｔの光検出器を作ることが実際的でない場合、光検出器を、それらの幅が２Ｔ、３ＴまたはＴの他の整数倍に等しくなるように、作ることもできる。光検出器の幅がＴに等しい場合、光検出器に入射するｎ次調波成分からのエネルギは、光検出器とその成分との間の位相角とは無関係に（あるいは光検出器が図２Ｃに示された矢印Ａ−Ａの方向にどの程度シフトされたかに関係なく）、常に一定値に等しい。これは、ｎ次調波の単一周期が常に光検出器に入射するためである。同様に、光検出器の幅が２Ｔに等しい場合、ｎ次調波成分の２周期は、位相角とは無関係に、常に光検出器に入射する。この場合も、光検出器に入射するｎ次調波成分からのエネルギは、常に一定値に等しい。光検出器に入射する高調波成分のエネルギが常に一定値に等しいときは、その成分の貢献は、光検出器によって発生された出力信号から一定値を引くことによって、濾過または抑制される。
【００５１】
光検出器幅の選択に影響を与えるいくつかの追加的考察が以下で論議される。図６を参照して、光検出器の動作を簡単に見直してみる。図６は、アレイ３００とほぼ同様なアレイ６００を示している。アレイ６００では、全ての光検出器は１２０度の幅を有し、そして全ての隣接する光検出器は１５０度のデッドスペースだけ離されている。図６はまた、周期的成分１０をアレイ６００に入射したように示している。この場合、成分１０とアレイ６００との間の位相角は０度である。アレイ６００の左端において、光検出器６０１の左エッジが０度の基準位置として定義される場合、この検出器によって発生される出力信号Ｓは、下式（３）によって与えられる。
【００５２】
2005524050.tif 000005
【００５３】
Ｓは、シヌソイドの積分に比例している。これは、検出器に入射する光信号の強度が正弦的に変化するためであり、また検出器がそれらに入射する光信号の合計を表す出力信号を発生するためである。この積分は、０から１２０度までである。これは、それが光検出器の物理的な範囲、即ち幅であるからである。更に、シヌソイド信号の数学的特性故に、シヌソイドの開始角から終了角までの積分は、開始角と終了角の平均のサインに等しくなる。それ故、光検出器が１２０度の幅を跨ぐが、光検出器によってなされる実際の測定値は、特別な角度（即ち、６０度）でのサインになる。それ故、ある感覚では、光検出器がシヌソイド信号をサンプリングするときに、光検出器によって与えられる「情報」は、光検出器の幅の関数ではなく、むしろ検出器の中心線の位置の関数になる。
【００５４】
しかしながら、他の考察が光検出器の幅の選択に影響を与える。最も重要なことは、上述したように、光検出器に入射する信号が周期的成分の合計を表しているときに、光検出器幅をその成分中の１成分の周期に等しく選択すると、光検出器をその成分に反応しないようにすることができるということである。また、入射光が単一周期的成分だけであるときでさえ、精度と信号対雑音比の考察は、光検出器幅の選択に影響を与える。例えば、６０度幅の検出器によって測定された信号の強度は、１度幅の検出器よりも約６０倍大きい。検出器幅を増加させることは信号強度を上昇させることになるが、検出器を広げすぎて、測定されるべき正にその成分を抑制してしまわないようにする注意が必要となる。好ましくは、この発明により構成されるアレイ中の光検出器は一般に、測定されるべき成分の周期の約２／３より広くは作られない。
【００５５】
光検出器の幅が選択されたら、次のステップは、光検出器をアレイ内のどこに配置するかを決定することである。このステップに直接取りかかる前に、縮重および非縮重サンプルの概念が簡単に論議される。一般に、３６０度離れて、または３６０度の整数倍離れて得られた２つのサンプルは、縮重している。そのようなサンプルは、「縮重」と呼ばれる。何故ならば、それらがサンプリングする信号が真に周期的である場合、また測定誤差がない場合、２以上のそのようなサンプルは、単一のサンプル以上の情報を与えないからである。サンプリングされた信号が真に周期的であっても、また測定誤差がなくても、ある組の各サンプルが、その組の他のサンプルによっては与えられない情報を与える場合、そのサンプルの組は、非縮重である。例えば、１，２および１０度で得られたサンプルは、３つのサンプルの非縮重の組を構成する。０，９０および３６０度で得られたサンプルは、３つのサンプルの縮重の組を構成する。これは、０度のサンプルは、３６０度のサンプルと等価だからである。一般に、サンプルの組は、そのサンプルの２つが互いに３６０度の整数倍で得られたものでない場合、非縮重の組である。
【００５６】
検出器アレイを設計することに関連した１つの判断は、如何に多くの非縮重サンプルを位相角の計算に使用するかである。Ｎビン・アルゴリズムは、Ｎ個の非縮重サンプルを使用する。非縮重サンプルの数を特定することに加えて、Ｎビン・アルゴリズムはまた、これらのサンプルが等しく離れて配置されていることを特定する。そのため、例えば４ビン・アルゴリズムは、４個の非縮重サンプルを使用し、これらのサンプルは、それぞれ９０度離れて配置されている（即ち、４／３６０＝９０なので）。等しく離れて配置されていないＮ個の非縮重サンプルから位相角を計算できる他の既知のアルゴリズムも存在する。例えば、周期的成分と検出器アレイとの間の位相角を、１，２，１０および２０度で得られたサンプルから計算することが数学的に可能である。より一般的には、ｘ，ｙ，ｚが全て０と３６０度との間にある限り、またｘ，ｙ，ｚが独特な数（例えば、ｘがｚに等しくない）である限り、ｘ，ｙ，ｚ度で得られた成分のサンプルを使用して、位相角は計算できる。そのようなランダムなサンプルからの位相角の計算は可能ではあるが、その計算は一般に複雑であり、一般的には計算的に単純な４ビン・アルゴリズムを使用することが好ましい。
【００５７】
周期当たり所望の数のサンプルと、光検出器の幅とが決定されたら、光検出器のアレイ上の位置が決定される。アレイ３００に関連して上述したように、この発明によって検出器アレイを設計するときに、光検出器幅の選択は、所望の数の光検出器を、関心のある成分の単一周期より大きくない範囲内に配置することを不便にする。一般に、周期当たりｎ個のサンプルを使用すると決定された場合、且つ（関心のある成分の度数で測定された）光検出器幅のｎ倍が３６０より大きい場合、関心のある成分の周期性を活用すること、並びに関心のある成分の単一周期より広い領域内にｎ個の光検出器を配置することが便利である。
【００５８】
例えば、（１）１２０度幅の光検出器を使用すること、そして（２）周期当たり４つのサンプルを使用することが望まれる場合、光検出器を０，１２０，２４０，４６０度に配置することによって、この発明による検出器アレイは構成される。このような光検出器は、４つのサンプルからなる非縮重の組を与える。同様の状況にある（例えば、７２０，８４０，９６０，１０８０の）光検出器からなる追加のグループもまたアレイ中に含まれる。そのような追加のグループは、第１のグループによって与えられるものを縮重したサンプルを与える。そのような縮重したサンプルは情報を加えないが、アレイの信号対雑音比を上昇させる。そのような検出器アレイの設計は、この発明によって包含されるが、そのようなアレイから位相角を計算するに必要な関連した処理回路は、比較的複雑である。そのような関連した処理回路を単純化するために、それらの測定値が、数学的に単純な４ビン・アルゴリズムで使用されることを可能にする位置に、光検出器を配置することが好ましい。
【００５９】
図１Ａ〜１Ｄおよび６は、従来技術の検出器アレイを、この発明によって構成された検出器アレイと対比することに使用される。図１Ａ〜１Ｄを再び参照すると、アレイ２０において、成分１０の各周期は、４つの検出器からなるグループによって測定される。このアレイ２０は、４よりも多い検出器を備える。この場合、それぞれ４つの検出器からなるグループは、（１）成分１０の単一周期内で得られた４つの非縮重サンプルを与え、また（２）４つの検出器からなる他のグループによってそれぞれ与えられるサンプルを２重にするか、それに重複する。
【００６０】
図６を参照すると、アレイ６００内の光検出器は、４ビン・アルゴリズムで使用されるそれぞれ４つの検出器からなるグループに分けられている。４つの検出器からなる各グループは、光検出器６０１，６０２，６０３，６０４を含む。４つの隣接する検出器からなる各グループ、例えばグループ６１０は、成分１０の４つの非縮重サンプルを与える。即ち、検出器６０１は０度のサンプルを与え、検出器６０２は９０（即ち、９０＋２＊３６０）度のサンプルを与え、検出器６０３は１８０（即ち、１８０＋３６０）度のサンプルを与え、検出器６０４は２７０（即ち、２７０＋０＊３６０）度のサンプルを与える。従来技術の検出器アレイ２０（図１Ａ〜１Ｄ）では、検出器３２，３４，３６，３８は、０，９０，１８０，２７０度のサンプルを与える。しかしながら、従来技術の検出器アレイ２０では、検出器３２，３４，３６，３８からなる隣接するグループの幅は、成分１０の単一周期より広くない。検出器アレイ６００では、従来技術とは対照的に、４つの隣接する検出器からなる各グループは、成分１０の単一周期よりも大きい。例えば、アレイ６００内の４つの検出器は、成分１０のほとんど２と１／２周期を跨ぐ。一般に、この発明によって構成されたｎビン・アルゴリズムで使用される検出器アレイでは、各検出器の幅は、所望の成分を濾過するように選択されている。その幅は、ｎ個の検出器を、関心のある成分の単一周期よりも広くない領域に配置することを実用的でないものとすることもある。この場合、その成分の周期性が活用され、そしてｎ個の検出器が関心のある成分の１以上の周期よりも広い領域に配置されることが好ましい。これは、単一周期内で得られたｎ個の非縮重サンプルとほぼ等価なサンプルを与えるためである。
【００６１】
図６を参照すると、グループ６１０内の４個の光検出器は、成分１０の４つの非縮重サンプルを与える。４個の光検出器からなる他のグループのそれぞれは、グループ６１０によって与えられるサンプルの縮重したサンプルを与える。余分な縮重サンプルを含むと、一般に検出器アレイの信号対雑音比を増加させる。各グループによって非縮重サンプルの組を与えると、成分１０と検出器アレイとの間の位相角の数学的計算が確実になる。
【００６２】
図７は、この発明により構成されたもう１つの検出器アレイ７００を示す。アレイ３００でのように、アレイ７００は、アレイ７００と入射周期的成分（図７に７５０として示されている）との間の位相角を検出する一方で、成分７５０の周波数の３倍を有する調波成分の貢献を濾過するように構成されている。アレイ３００でのように、アレイ７００内の全ての光検出器は、成分７５０の周期（これは、抑制される調波成分の周期に等しい）の１／３（即ち、Ｔ／３）にほぼ等しい幅Ｗによって特徴付けられている。アレイ７００もまた、４ビン・アルゴリズムで使用されるように構成されている。
【００６３】
アレイ７００では、光検出器は、４個ずつのグループに分けられている。４個ずつの２つのグループ７１０，７２０が図７に示されており、そしてこれら２つのグループ７１０，７２０が１つの組７３０を形成している。勿論、追加の組もアレイ７００に含めることができ、また図７に示された組７３０の右に配置される。各グループ内で、４個の光検出器は、成分７５０の４つの非縮重サンプルを与える。具体的には、グループ７１０では、検出器Ｄ０は０度のサンプルを与え、検出器Ｄ１は９０（即ち、９０＋３６０＝４５０）度のサンプルを与え、検出器Ｄ２は１８０度のサンプルを与え、検出器Ｄ３は２７０（即ち、２７０＋３６０＝６３０）度のサンプルを与える。グループ７２０では、検出器Ｄ０は０度（即ち、０＋３＊３６０＝１０８０）のサンプルを与え、検出器Ｄ１は９０（即ち、９０＋４＊３６０＝１５３０）度のサンプルを与え、検出器Ｄ２は１８０（即ち、１８０＋２＊３６０＝９００）度のサンプルを与え、検出器Ｄ３は２７０（即ち、２７０＋３＊３６０＝１３５０）度のサンプルを与える。それ故、各グループ内の光検出器は、０，９０，１８０，２７０の４つの非縮重サンプルを与える。これらのサンプルは、上述したように、４ビン・アルゴリズムに従ってアレイ７００と成分７５０との間の位相角を計算することに使用できる。
【００６４】
検出器アレイ７００の製造は、アレイ３００よりも複雑になることがある。これは、光検出器間の間隔が一定でないからである。しかしながら、検出器アレイ７００は、アレイ３００よりもコンパクトである。アレイ３００では、それぞれが４個の光検出器からなる２つの隣接するグループの左エッジは、１０８０度にほぼ等しい。これに対し、アレイ７００では、間隔は９００度にほぼ等しい。それ故、アレイ７００は、入射光の用途において、より効率的である。
【００６５】
図７に示すように、この発明によって構成された検出器アレイの光検出器をグループに分け、更にグループを組に分けることが一般に可能である。一般に、光検出器の各「グループ」は、ｎ個の非縮重サンプルを与え、そして各「組」は、２以上のグループの集合である。「組」は、アレイ上で周期的に繰り返されるユニットを規定する。例えば、アレイ７００は、いくつかの組７３０を有する。組７３０のそれぞれは、ほぼ同じであって、図７に示された組７３０の左に周期的に配置されている。図７に示された組７３０に隣接して配設された組の最初の検出器（即ち、次のグループ７１０のＤ０光検出器）は、１８００度で開始する。
【００６６】
図８は、この発明によって構成されたもう１つの検出器アレイ８００を示す。アレイ３００および７００でのように、アレイ８００は、アレイ８００と入射周期的成分（図８に８５０として示される）との間の位相角を検出する一方で、成分８５０の周波数の３倍を有する調波成分を濾過するように構成されている。アレイ３００および７００でのように、アレイ８００内の全ての光検出器は、成分８５０の周期（これは、抑制される調波成分の周期に等しい）の１／３（即ち、Ｔ／３）にほぼ等しい幅Ｗによって特徴付けられている。アレイ８００もまた、４ビン・アルゴリズムで使用されるように構成されている。
【００６７】
アレイ８００では、光検出器は、４個ずつのグループに分けられている。４個ずつの２つのグループ８１０，８２０が図８に示されており、そしてこれら２つのグループが１つの組８３０を形成している。勿論、追加の組８３０もアレイ８００に含めることができ、また図８に示された組の右に配置される。グループ８２０は、４個の検出器Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を含む。これらは、図８で斜線を施されている。グループ８１０は、残る４個の検出器（即ち、図８で斜線を施されていない検出器）を含む。各グループ８１０，８２０内の光検出器は、成分８５０の４つの非縮重サンプルを与える。具体的には、グループ８１０では、検出器Ｄ０は０度のサンプルを与え、検出器Ｄ１は９０（即ち、９０＋２＊３６０＝９３０）度のサンプルを与え、検出器Ｄ２は１８０度（即ち、１８０＋３６０＝５４０）のサンプルを与え、検出器Ｄ３は２７０度のサンプルを与える。グループ８２０では、検出器Ｄ０は−３０度（即ち、！３０＋２＊３６０＝６９０）のサンプルを与え、検出器Ｄ１は６０（即ち、６０＋３６０＝４２０）度のサンプルを与え、検出器Ｄ２は１５０度のサンプルを与え、検出器Ｄ３は２４０（即ち、２４０＋２＊３６０＝９６０）度のサンプルを与える。それ故、グループ８１０内の光検出器は、０，９０，１８０，２７０のサンプルを与える。これに対し、グループ８２０内の光検出器は、−３０，６０，１５０，２４０のサンプルを与える。
【００６８】
アレイ３００では、アレイ内の全Ｄ０検出器の出力端は、電気的にパッドＰ０に接続されている（図３に明示的に示されている）。このため、全Ｄ０検出器によって発生されたアナログ出力信号は効果的に合計される。勿論Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３検出器も同様に扱われる。アレイ８００によって発生された信号を処理する１つの手法は、そのような出力パッドを４個ではなく（即ち、アレイ３００で使用されている４個の代わりに）８個使用することである。そのような実施形態では、グループ８１０内のＤ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３検出器は、それぞれ電気的にパッドＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に接続される。また、グループ８２０内のＤ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３検出器は、それぞれ電気的にパッドＰ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７に接続される。そのような実施形態では、パッドＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７上のアナログ信号は、０，９０，１８０，２７０，−３０，６０，１５０，２４０でそれぞれ得られた全てのサンプルの合計を表す。処理回路は、これらの信号を使用して、アレイ８００と成分８５０との間の位相角を計算することができる。
【００６９】
別の実施形態では、アレイ８００は、４つのパッドＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３だけを有する。この実施形態では、全Ｄ０光検出器の出力端は、これら光検出器がグループ８１０またはグループ８２０のいずれに配置されているかに関係なく、全て電気的にパッドＰ０に接続される。同様に、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３光検出器の出力端は（これら光検出器がグループ８１０またはグループ８２０のいずれに配置されているかに関係なく）、それぞれ電気的にパッドＰ１，Ｐ２，Ｐ３に接続される。この実施形態は、０度および−３０度で得られた測定値を（グループ８１０および８２０のＤ０光検出器を接続することによって）、効果的に組み合わせる。同様に、この実施形態は、（１）９０度および６０度で得られた測定値を（グループ８１０および８２０のＤ１光検出器を接続することによって）、また（２）１８０度および１５０度で得られた測定値を（グループ８１０および８２０のＤ２光検出器を接続することによって）、さらに（３）２７０度および２４０度で得られた測定値を（グループ８１０および８２０のＤ３光検出器を接続することによって）、効果的に組み合わせる。以下で説明されるように、これら組み合わされた測定値は、４ビン・アルゴリズムによって容易に使用される。
【００７０】
そのような実施形態では、パッドＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３上にそれぞれ存在するアナログ信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、下式（４）によって与えられる。
【００７１】
2005524050.tif 000006
【００７２】
上式（４）において、ｍはアレイ８００に含まれたグループ８１０の数を表し、またｎはそのアレイに含まれたグループ８２０の数を表す。通常、ｍはｎに等しく、これらの式は、式（４）の底部に示されたように単純化される。実際には、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３はまた、（一様な背景に比例した）一定のオフセットと、ある量の雑音も含む。しかしながら、このオフセット及び雑音成分は、式（４）には表されておらず、如何にして信号を使用するかの解析のためには無視される。
【００７３】
Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、式（１）の入力であって、これは、上記のように、４ビン・アルゴリズム用のＴａｎ（Ｐ）＝（Ｓ０−Ｓ２）／（Ｓ１−Ｓ３）に単純化される。式（４）に示すように、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれは、２つの角度のサインの合計と数学的に等価であり、そしてこれらの角度は常に３０度離されている。次式（５）に示された三角法による識別は、これらの信号が使用される様子を示す。
【００７４】
2005524050.tif 000007
【００７５】
それ故、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が直接４ビン・アルゴリズムＴａｎ（Ｐ）＝（Ｓ０−Ｓ２）／（Ｓ１−Ｓ３）用の式に適用される場合、この式によって計算される角度は、単純に周期的成分と検出器アレイのオフセット（１５度）との間の実際の位相角になる。スカラー要因１．９３２は、グループ８１０および８２０からの信号を一緒に加算することによって上昇される信号強度の量を表す。
【００７６】
検出器アレイ８００の設計は、アレイ３００の設計よりも複雑であるが、アレイ８００はそのアレイに入射する光を効率よく利用する。デッドスペースは、アレイ８００からほとんど完全に消去される利点がある。
【００７７】
（図７に示された）アレイ７００と同様に、アレイ８００は複数の組を含み、これらの組のそれぞれは光検出器の２つのグループを含む。しかしながら、アレイ７００とは異なり、アレイ８００における第１グループ内の光検出器は、第１および第２グループが同じ組内にあるときは、第２グループ内の光検出器とインターリーブされる。ここで認められるべき点は、そのようなインターリーブが高度にコンパクトな検出器アレイの製造を可能にするということである。図８に示された組８３０に隣接して配置された組の最初の検出器（即ち、次のグループ８１０のＤ０光検出器）は、１０８０度で開始する。
【００７８】
図９は、この発明によって構成された更に異なるもう１つの検出器アレイ９００を示す。アレイ９００は、アレイ９００と（図９に９５０として示される）入射周期的成分との間の位相角を検出する一方で、成分９５０の周波数の６倍を有する調波成分の貢献を濾過するように構成されている。６次調波成分の貢献を濾過するために、アレイ９００内の全ての検出器の幅Ｗは、６０度（即ち、成分９５０の周期Ｔの１／６）に等しく設定されている。
【００７９】
アレイ９００は、４ビン・アルゴリズム用に構成されている。光検出器は４個ずつのグループに分けられ、各グループは４個の検出器Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を含む。各グループ内では、検出器Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、０，９０，１８０，２７０度の４つの非縮重サンプルを与える。アレイ９００内の光検出器の幅が６０度に等しいので、検出器Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３のグループ全体を、成分９５０の単一周期よりも大きくない領域に配置することが可能である（即ち、６０＊４＜３６０であるから）。
【００８０】
図１０は、この発明によって構成された異なるもう１つの検出器アレイ１０００を示す。アレイ１０００は、アレイ１０００と（図１０に１０５０として示される）入射周期的成分との間の位相角を検出する一方で、成分１０５０の周波数の３倍を有する調波成分の貢献を濾過するように構成されている。アレイ３００および７００でのように、アレイ１０００は、４ビン・アルゴリズム用に構成されている。
【００８１】
アレイ１０００では、光検出器はグループ１０１０に分けられている。１つのグループが図１０に示されている。各グループ１０１０は、７個の光検出器Ｄ０Ａ，Ｄ０Ｂ，Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂ，Ｄ２Ａ，Ｄ２Ｂ，Ｄ３を含む。信号Ｓ０は、アレイ１０００内の全てのＤ０Ａ，Ｄ０Ｂ光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ１は、アレイ１０００内の全てのＤ１Ａ，Ｄ１Ｂ光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ２は、アレイ１０００内の全てのＤ２Ａ，Ｄ２Ｂ光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ３は、アレイ１０００内の全ての３光検出器を合計することによって形成される。
【００８２】
光検出器Ｄ０Ａは、０度から６０度まで延びるサンプルを与える。光検出器Ｄ０Ｂは、６０度から１２０度まで（即ち、４２０＝６０＋３６０および４８０＝１２０＋３６０）延びるサンプルを与える。それ故、Ｄ０ＡおよびＤ０Ｂ光検出器の出力を合計することによって、０度から１２０度まで延びるサンプルを効果的に与える。光検出器Ｄ１Ａは、９０度から１５０度まで延びるサンプルを与える。光検出器Ｄ１Ｂは、１５０度から２１０度まで（即ち、５１０＝１５０＋３６０および５７０＝２１０＋３６０）延びるサンプルを与える。それ故、Ｄ１ＡおよびＤ１Ｂ光検出器の出力を合計することによって、９０度から２１０度まで延びるサンプルを効果的に与える。光検出器Ｄ２Ａは、１８０度から２４０度まで延びるサンプルを与える。光検出器Ｄ２Ｂは、２４０度から３００度まで（即ち、６００＝２４０＋３６０および６６０＝２１０＋３６０）延びるサンプルを与える。それ故、Ｄ２ＡおよびＤ２Ｂ光検出器の出力を合計することによって、１８０度から３００度まで延びるサンプルを効果的に与える。最後に、光検出器Ｄ３は、２７０度から３９０度まで延びるサンプルを与える。
【００８３】
換言すれば、Ｄ０ＡおよびＤ０Ｂ光検出器を合計することによって、０度で始まる１２０度幅のサンプルを与える。Ｄ１ＡおよびＤ１Ｂ光検出器を合計することによって、９０度で始まる１２０度幅のサンプルを与える。Ｄ２ＡおよびＤ２Ｂ光検出器を合計することによって、１８０度で始まる１２０度幅のサンプルを与える。そして、光検出器Ｄ３は、２７０度で始まる１２０度幅のサンプルを与える。それ故、グループ１０１０は、７個の光検出器を使用して、４ビン・アルゴリズムで使用される４つのサンプルを与える。また、これらサンプルのそれぞれが１２０度幅であるので、アレイ１０１０は、成分１０５０の３次調波の貢献を抑制する。これらサンプルの１つ（即ち、２７０度のサンプル）は、単一のＤ３光検出器によって与えられる。残る３つのサンプル（即ち、０，９０，１８０度のサンプル）は、それぞれ２つの光検出器の出力を合計することによって与えられる。
【００８４】
１つのグループ１０１０が図１０に示されている。勿論、追加のグループを、図示されているグループ１０１０の右に設けることができる。図１０の右端に示されているＤ０Ａ光検出器は、もう１つのそのようなグループの開始を示している。ここで認められるべき点は、アレイ１０００が、３次調波を抑制するもう１つの非常にコンパクトなアレイであるということである。ここでまた認められるべき点は、アレイ１０００では、２つの光検出器によって発生される出力を合計することによって、非縮重サンプルのいくつかが発生されるが、この発明により構成された他のアレイでは、２以上の光検出器によって発生される出力を合計することによって、非縮重サンプルのいくつかが発生されるということである。
【００８５】
図１１は、この発明によって構成された更に異なるもう１つの検出器アレイ１１００を示す。アレイ１１００は、アレイ１１００と（図１１に１１５０として示される）入射周期的成分との間の位相角を検出する一方で、成分１１５０の周波数の３倍を有する調波成分の貢献を濾過するように構成されている。アレイ３００，７００および１０００でのように、アレイ１１００は、４ビン・アルゴリズム用に構成されている。
【００８６】
アレイ１１００では、光検出器はグループ１１１０に分けられている。１つのグループが図１１に示されている。各グループ１１１０は、５個の光検出器Ｄ０，Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂ，Ｄ２，Ｄ３を含む。信号Ｓ０は、アレイ１１００内の全てのＤ０光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ１は、アレイ１１００内の全てのＤ１Ａ，Ｄ１Ｂ光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ２は、アレイ１１００内の全てのＤ２光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ３は、アレイ１１００内の全てのＤ３光検出器を合計することによって形成される。
【００８７】
光検出器Ｄ０は、０度から１２０度まで延びるサンプルを与える。光検出器Ｄ１Ｂは、９０度から１５０度まで（即ち、４５０＝９０＋３６０および５１０＝１５０＋３６０）延びるサンプルを与える。光検出器Ｄ１Ａは、１５０度から２１０度まで延びるサンプルを与える。それ故、Ｄ１ＡおよびＤ１Ｂ光検出器の出力を合計することによって、９０度から２１０度まで延びるサンプルを効果的に与える。光検出器Ｄ２は、１８０度から３００度まで（即ち、５４０＝１８０＋３６０および６６０＝３００＋３６０）延びるサンプルを与える。最後に、光検出器Ｄ３は、２７０度から３９０度まで延びるサンプルを与える。
【００８８】
換言すれば、Ｄ０光検出器は、０度で始まる１２０度幅のサンプルを与える。Ｄ１ＡおよびＤ１Ｂ光検出器を合計することによって、９０度で始まる１２０度幅のサンプルを与える。Ｄ２光検出器は、１８０度で始まる１２０度幅のサンプルを与える。そして、光検出器Ｄ３は、２７０度で始まる１２０度幅のサンプルを与える。それ故、グループ１１１０は、５個の光検出器を使用して、４ビン・アルゴリズムで使用される４つのサンプルを与える。また、これらサンプルのそれぞれが１２０度幅であるので、アレイ１１１０は、成分１１５０の３次調波の貢献を抑制する。これらサンプルの３つ（即ち、０，１８０，２７０度のサンプル）は、単一のＤ０，Ｄ２，Ｄ３光検出器によって与えられる。残るサンプル（即ち、９０度のサンプル）は、２つの光検出器の出力を合計することによって与えられる。
【００８９】
１つのグループ１１１０が図１１に示されている。勿論、追加のグループを、図示されているグループ１１１０の右に設けることができる。図１１の右端に示されているＤ０光検出器は、もう１つのそのようなグループの開始を示している。ここで認められるべき点は、アレイ１１００が、３次調波を抑制するもう１つの非常にコンパクトなアレイであるということである。ここでさらに認められるべき点は、アレイ１０００とアレイ１１００（図１０および１１）は非常に似ているということである。アレイ１０００（図１０）では、各グループ内の非縮重サンプルの１つは、単一の光検出器によって与えられ、残る３つの非縮重サンプルは、異なる検出器の出力を合計することによって与えられる。これに対し、アレイ１１００（図１１）では、各グループ内の非縮重サンプルの１つだけが、異なる検出器の出力を合計することによって与えられる。
【００９０】
図１２は、この発明によって構成された異なるもう１つの検出器アレイ１２００を示す。アレイ１２００は、アレイ１２００と（図１２に１２５０として示される）入射周期的成分との間の位相角を検出する一方で、成分１２５０の周波数の３倍を有する調波成分の貢献を濾過するように構成されている。アレイ３００，７００，１０００および１１００でのように、アレイ１２００は、４ビン・アルゴリズム用に構成されている。
【００９１】
アレイ１２００では、光検出器は組に分けられている。これらの組の３つが図１２に示されている。追加の組も勿論含むことができ、それらは図１２に示された組の右に配置される。各組は、８個の光検出器Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７を含む。信号Ｓ０は、アレイ１２００内の全てのＤ０，Ｄ１，Ｄ２光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ１は、アレイ１２００内の全てのＤ２，Ｄ３，Ｄ４光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ２は、アレイ１２００内の全てのＤ４，Ｄ５，Ｄ６光検出器を合計することによって形成される。信号Ｓ３は、アレイ１２００内の全てのＤ６，Ｄ７，Ｄ０光検出器を合計することによって形成される。
【００９２】
図１２に示されたアレイ１２００の左端の８個の検出器の第１の組では、光検出器Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２の集合は、０度に配置された１２０度幅のサンプル（即ち、０度から１２０度まで延びるサンプル）を与える。光検出器Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の集合は、９０度に配置された１２０度幅のサンプル（即ち、９０度から２１０度まで延びるサンプル）を与える。光検出器Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６の集合は、１８０度に配置された１２０度幅のサンプル（即ち、１８０度から３００度まで延びるサンプル）を与える。光検出器Ｄ６，Ｄ７，Ｄ０の集合は、２７０度に配置された１２０度幅のサンプルを与える（これは、２７０度から３９０度まで延びるサンプルである。このサンプルに貢献するＤ０検出器は、３６０度から３９０度まで延び、しかも実際にはアレイ中の検出器の第２の組の一部である）。それ故、アレイ３００，７００，１０００および１１００でのように、アレイ１２００は、１２０度幅のサンプルを与え（即ち、３次調波の影響を抑制するために）、そして４ビン・アルゴリズムで使用するように適切に配置されている。
【００９３】
アレイ１２００では、各組は、８個の光検出器（即ち、Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７）を含んでいるが、Ｎビン・アルゴリズムによって使用される４つの非縮重サンプルを発生するために、実際には９個の光検出器が使用される。即ち、１つの組の８個の光検出器に隣の組のＤ０光検出器をプラスして使用することで、４つの非縮重サンプルの単一の組を発生する。それ故、アレイ１２００では、１つの組の４つの非縮重サンプルは、（単一周期より３０度大きい）３９０度にわって延びた光検出器によって発生される。従って、アレイ１２００は、非常にコンパクトになる利点がある。
【００９４】
アレイ３００，７００，１０００および１１００とは異なり、アレイ１２００では、光検出器は本質的に重複している。即ち、アレイ１２００では、単一の光検出器は、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の中の１よりも多い信号を発生することに使用される。偶数の光検出器（即ち、Ｄ０，Ｄ２，Ｄ４，Ｄ６）の全ては、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の２つを形成することに貢献する。これに対し、奇数の光検出器（即ち、Ｄ１，Ｄ３，Ｄ５）の全ては、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の１つだけを形成することに貢献する。また、隣接する光検出器間のデッドスペースは、アレイ１２００内で消去されている。
【００９５】
信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の発生法に依存して、それらの信号を発生するときにアレイ１２００の重複性を考慮することが重要になる。図１３は、アレイ１２００の光検出器によって発生されるアナログ出力信号から信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を直接発生することに使用されるアナログ回路の一例を示している。図１３に示すように、電流／電圧増幅器１３１０が各出力信号ラインに配置されて、それに後続する合計増幅器１３２０用の信号を準備する。偶数の光検出器（即ち、Ｄ０，Ｄ２，Ｄ４，Ｄ６）からのライン上の電流／電圧増幅器の出力信号は、２つの加算増幅器へ向けられる。これは、各偶数検出器が４つのビン信号の２つに貢献するからである。これら偶数検出器信号は、加算増幅器１３２０において、奇数検出器信号の１つと合計され、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を発生する。下式（６）もまた、４ビン・アルゴリズムへの入力として使用される信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が、如何にして図１３に示されたアナログ回路によって発生されるかを記述している。
【００９６】
2005524050.tif 000008
【００９７】
式（６）では、タームＤ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７は、アレイ１２００中の対応する光検出器によって発生されたアナログ出力信号を表している（即ち、式（６）のターム“Ｄ０”は、アレイ１２００中のＤ０光検出器の全てによって発生されたアナログ出力信号の合計を表す）。
【００９８】
ここで認められるべき点は、図１３および式（６）が、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を発生することに使用されるアナログ処理を示しているが、これらの信号は、その代わりにデジタル的に発生することもできるということである。例えば、光検出器Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７によって発生されたアナログ出力は、それぞれ８つの出力パッドＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７に電気的に接続される（それ故、例えば、パッドＰ０上の信号は、アレイ１２００中のＤ０光検出器の全てのアナログ合計を表す）。デジタル処理回路は、（例えば、１以上のＡ／Ｄ変換器を使用することによって）出力パッド上の信号のデジタル表現を発生することができる。信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、下式（７）に従ってデジタル的に計算される。
【００９９】
2005524050.tif 000009
【０１００】
式（７）において、タームＰＤｎは、パッドＰｎ上の信号のデジタル値を、ｎの全ての値０〜７について表す。ここで認められるべき点は、信号Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３をデジタル的に発生することによって、２つの増幅器の倍数を使用する必要がなくなるということである。
【０１０１】
アレイ１２００では、光検出器のそれぞれは、３０度幅または６０度幅のいずれかである（即ち、Ｄ０は３０度幅であるのに対し、Ｄ１は６０度幅である）。ここで認められるべき点は、光検出器のサイズが異なる他のアレイも、アレイ１２００と同様に、この発明によって構成できるということである。例えば、光検出器の全てが１０度幅である検出器アレイ（即ち、検出器が０度、１０度、２０度等に配置された全て１０度幅の光検出器のアレイ）は、この発明によって構成できる。３次調波に反応しないアレイを構成したい場合は、１２０度幅のサンプルは、それぞれ１２個の検出器からなる適切なグループを合計することによって形成できる。
【０１０２】
この発明により構成されたアレイ内における光検出器の幅Ｗの選択が完璧に説明されてきた。アレイ内の光検出器の長さＬを選択することに（例えば、図３に示されるように）、いくつかの基準が使用される。１つの好ましい方法は、長さ対幅のアスペクト比が約１．５：１に等しくなるように、長さＬを選択することである。一般に、光検出器の長さＬの選択は、光収集効率と、雑音抑制と、整合感度と、コントラスト損失との間の妥協である。図１４Ａ〜１４Ｃは、アレイ１４００に入射した３つの異なる縞パターンを示している。図１４Ａ〜１４Ｃにおいて、影線領域１４１０は、入射縞パターンの強度のピークを表している。このアレイの光検出器は、図示のように、指向されている。この結果、それらの長い次元（即ち、それらの長さＬ）は、縞が名目的に一定になる方向と概ね平行になる。光検出器の長さＬを増加すると、各光検出器が多くの光を収集できる利点がある。また、光検出器は、縞中の不完全性／非均一性を平均化できる。しかしながら、光検出器の長さＬを増加すると、アレイ中の整合許容限界を増加させ、また図１４Ｂ〜１４Ｃに示されるように傾斜または湾曲した縞とのコントラストを減少させる欠点もある。
【０１０３】
ここで認められるべき点は、この発明によって構成された検出器アレイは、通例の製造技術によって製造されるということである。従来のフォトリソグラフィ技術を使用すると、アレイ上の光検出器の幅、長さ及び位置の精密な規定が可能になる。アレイ上の全ての光検出器が同様の光学的性能によって特徴付けられるように、アレイが構成されることが好ましい。アレイ上の光検出器が異なる光学的性能を与える場合、均一な縞が非均一な光検出器を横切ったときにスプリアス信号が作成されることがある。均一な特性は、全ての光検出器が共通の基板上に同時に形成されるときに、最も容易に達成される。
【０１０４】
加えて、検出器アレイは、基板の不活性な、即ち「デッド」な領域を光に全く反応しないようにするための技術を使用して製造されることが好ましい。本発明者は、活性な検知領域を除く基板の上面全体をカバーする光学的に不透明な遮蔽を適用することが可能な鋳物類が、この好ましい構成を達成することができると判断している。この遮蔽カバーまたは層は、例えばアルミニウムによって、またはチタンとタングステンの組み合わせによって形成できる。
【０１０５】
ここで更に認められるべき点は、同様または異なるレイアウトの追加の検出器アレイも、不利益な影響なしに、この発明によって形成された検出器アレイと同じ基板上に製造できるということである。ここで認められるべき点は、単一基板を複数のアレイで共有すると、複数の検出器アレイが緊密および／または精密相対整合であることを必要とする光学機器に利益を与えるということである。
【０１０６】
アレイを構成することに使用される素材の選択は、一般にそのアレイに入射する光の波長に依存する。例えば、可視および近赤外中での動作用には、アレイ用の基板はシリコンを使用して実施される。同様に、例えば赤外動作が望まれる場合には、ゲルマニウムのような素材が使用できる。
【０１０７】
この発明は、一次的には、関心のある成分の高調波成分の貢献を濾過するアレイを構成することに関して上記のように論議されてきた。しかしながら、ここで認められるべき点は、この発明が、事実上どのような周期的成分の貢献をも濾過するアレイを構成することに使用できるということである。例えば、縞パターンをモニタする光学的エンコーダでは、関心のある成分の倍数ではない雑音の周期的な源は、格子を通過する非干渉光によって発生される。この発明により構成された検出器アレイは、単に光検出器の幅を、周期的雑音信号の周期またはその整数倍にほぼ等しく設定することによって、このタイプの、あるいは他のタイプの周期的雑音を濾過する。
【０１０８】
ここに包含された発明の範囲から逸脱することなく、上記装置に対してある程度の変更がなされるので、上記の説明に含まれたり、添付の図面に示された全ての事項は、制限的なものではなく、説明的なものであると解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１Ａ−Ｄ】従来の検出器アレイに入射した周期的光学信号を示す。この場合、信号とアレイとの間の位相角は、それぞれ０，９０，１８０，２７０度である。
【図２Ａ】１次および３次成分を含んだ光信号の強度を示すグラフである。
【図２Ｂ】合計されると図２Ａに示された信号を生じる１次および３次成分の強度を示すグラフである。
【図２Ｃ】図２Ｂに示された３次成分に反応しないようにこの発明により構成された光検出器を示す。
【図３】この発明により構成された検出器アレイの斜視図を示す。
【図４】この発明による光検出器幅の選択が、重複していない光検出器のグループの配置を如何にして非実用的にするかを示す。これら光検出器は、所望の数の非縮重サンプルを、関心のある成分の単一周期より広くない領域内に与えるものである。
【図５Ａ】この発明によって構成された光学的エンコーダの側面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ａに示された矢印５Ｂ−５Ｂの方向に見たエンコーダのセンサヘッドの上面図を示す。
【図５Ｃ】図５Ａに示された矢印５Ｃ−５Ｃの方向に見たエンコーダのスケールの図を示す。
【図６】図３に示されたアレイの光検出器がグループ分けされる様子を示す。
【図７】この発明によって構成されたもう１つの検出器アレイを示す。
【図８】この発明によって構成された異なるもう１つの検出器アレイを示す。
【図９】この発明によって構成された更に異なるもう１つの検出器アレイを示す。
【図１０】この発明によって構成された異なるもう１つの検出器アレイを示す。
【図１１】この発明によって構成された更に異なるもう１つの検出器アレイを示す。
【図１２】この発明によって構成された異なるもう１つの検出器アレイを示す。
【図１３】図１２に示されたアレイから４ビット・アルゴリズムに入力される信号を計算することに使用されるアナログ回路を示す。
【図１４Ａ−Ｃ】検出器アレイに入射する光学的縞を示す。
【図１Ａ−Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ−Ｃ】
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【国際調査報告】
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