(57)【要約】【課題】非常に細かいピッチのスケール格子の変位を検出するための超小型干渉式光ファイバエンコーダ読取りヘッドが開示される。【解決手段】その読取りヘッドは、発散するソース光を＋／−１次ビームに回折させるソース格子と、＋／−１次ビームを反射して、スケール格子に向かって集束させる一対のミラーとを備える。＋／−１次のスケール光ビームは、スケール格子から戻るように反射回折して、ミラーに戻り、その後、反射して、光源及び一組の隣接する光ファイバレシーバチャネルに向かって戻るように集束する。レシーバチャネルの前方に配置される干渉フィールド生成格子が、所望のピッチを有する干渉フリンジを生成する。干渉フリンジの動きが、光ファイバレシーバチャネルによって検出され、変位情報が与えられる。読取りヘッドは、＋／−１次光が主に、又は＋／−１次光だけが、レシーバチャネルに達するように構成することができる。【選択図】図５
2008032726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材間の相対的な変位を測定するための光エンコーダであって、
（１）測定軸方向に沿って形成されるスケール格子パターンを有するスケールと、
（２）前記スケール格子パターンに対してフリンジピッチＰｉｆを有する一組の干渉フリンジを生じるように配置され、かつ光ファイバ読取りヘッドが前記測定軸方向に沿って前記スケールに対して相対移動した際に前記干渉フリンジが前記光ファイバ読取りヘッドに対して相対移動する光ファイバ読取りヘッド配列と、を備え、
前記光ファイバ読取りヘッド配列は、
（ａ）発散するコヒーレント光ビームを与える開口数ＮＡを有する光源と、
（ｂ）前記発散するコヒーレント光ビームを入力され、発散する光線を含みかつ回折角αで＋１次及び−１次のソース光ビームを出力するソース格子と、
（ｃ）前記＋１次及び−１次のソース光ビームを前記スケール格子パターンに向かって集束する経路へと反射し、前記スケール格子パターンで回折されて各々の経路に沿って戻る＋１次及び−１次のスケール光ビームを受光し、前記＋１次及び−１次のスケール光ビームを反射して前記ソース格子に隣接する干渉照明フィールド内に集束させるように構成された一対の反射表面と、
（ｄ）前記干渉照明フィールドにおいて、第１の名目的な角度αで少なくとも前記＋１次及び−１次のスケール光ビームを受光し、かつ第２の名目的な角度βで前記ビームを出力して前記フリンジピッチＰｉｆを有する前記一組の干渉フリンジを生成する干渉フィールド生成格子と、
（ｅ）前記フリンジピッチＰｉｆを有する前記一組の干渉フリンジから光を入力するように構成される複数の光ファイバレシーバチャネルと、
を備え、
前記光ファイバレシーバチャネルはそれぞれ、
（ｉ）所定の空間位相を有しかつ前記フリンジピッチＰｉｆである前記一組の干渉フリンジの光を空間的にフィルタリングするために操作可能なピッチで配列される光遮断素子を有するレシーバチャネル空間位相マスク部分と、
（ｉｉ）前記一組の干渉フリンジから前記空間位相マスク部分を通して空間的にフィルタリングされた光を受光するように配置された入力端を有する少なくとも１つのレシーバチャネル光ファイバと、
を備え、
前記フリンジピッチＰｉｆを有する前記一組の干渉フリンジを生成する前記光は、前記複数の光ファイバレシーバチャネルからの光路の全長にわたって互いに連続的に発散する光線を含む干渉ビームを含み、
前記読取りヘッドが前記スケール格子パターンに対して操作可能に配置されるときに、前記複数の光ファイバレシーバチャネルのうちの少なくとも第１および第２のチャネルは、前記一組の干渉フリンジの前記光を空間的にフィルタリングして、少なくとも第１および第２の信号位相をそれぞれ有する少なくとも第１および第２のレシーバチャネル光信号を与え、
前記光エンコーダは、前記少なくとも第１および第２のレシーバチャネル光信号をそれぞれの光ファイバに沿って出力し、複数の光出力信号の形で相対変位測定情報を与える
ことを特徴とする光エンコーダ。
【請求項２】
請求項１に記載した光エンコーダにおいて、
前記スケール格子に向かって集束する前記経路へと反射される前記＋１次及び−１次のソース光ビームが、前記スケール格子に対してS偏光された光を含むことを特徴とする光エンコーダ。
【請求項３】
請求項２に記載した光エンコーダにおいて、
前記スケール格子は、最大１．５マイクロメートルであるピッチを有することを特徴とする光エンコーダ。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れかに記載した光エンコーダにおいて、
前記スケール格子は、最大２マイクロメートルであるピッチを有し、前記読取りヘッドは光学ブロックを含み、また、該読取りヘッドは、前記スケール格子に向かって集束する前記経路に沿って反射される前記＋１次及び−１次のソース光ビームに含まれる光が、反射された後に、前記光学ブロックの材料の中を通る経路に従い、前記スケール格子に達する前に、該光学ブロックの表面から現われるように構成されることを特徴とする光エンコーダ。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかに記載した光エンコーダにおいて、
前記複数の光ファイバレシーバチャネルは、前記測定軸方向に対して垂直な方向に沿って、最大１．０ミリメートルである寸法を有する領域内に全て配列される入力開口を有することを特徴とする光エンコーダ。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れかに記載した光エンコーダにおいて、
前記測定軸方向に対して垂直な方向に沿う前記寸法は最大０．５ミリメートルであることを特徴とする光エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出用の光エンコーダに関し、より詳細には、受光素子として光ファイバを利用して超小型高精度のシステムを提供する光エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、直線運動、円運動又は角運動を検出するために種々の光エンコーダを利用することができる。
特許文献１には、ほとんどの従来のシステムよりもコンパクトで、利用する部品が少ない１つの最新のシステムが開示される。しかしながら、結果として形成されるエンコーダは依然として、多くの用途にとって、比較的大きなサイズ、又は使用できないほど大きなサイズを有する。
特許文献２には、受光体として光ファイバを利用する非常にコンパクトなシステムが開示される。ここに開示されるシステムは、コードメンバスケールと、コードメンバ測定軸に沿って接近して配置される光ファイバ先端発光体及び２つの光ファイバ先端受光体を含む光センサヘッドとを有する。光センサヘッドは、２つの光ファイバ先端受光体間の位相差を調整するように回転する（左右に揺れる）。しかしながら、結果として形成されるエンコーダは比較的粗い。
特許文献３には、受光体として光ファイバを利用する別の光エンコーダが開示される。ここに開示されるシステムは、縞模様の端部を有する光ファイバを含み、それらの端部は、相対的に移動可能なコードチャネルパターンと向かい合って配置され、ファイバの直径ではなく、縞幅に相当する動きを検出できるようにする。しかしながら、結果として形成されるエンコーダの精度及び分解能は依然として、干渉式エンコーダによって与えられる精度及び分解能と比べて、且つ多数の用途の場合に必要とされる精度及び分解能よりも相対的に粗い。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，９０９，２８３号公報
【特許文献２】米国特許第４，７３３，０７１号公報
【特許文献３】米国特許第４，２９１，９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
種々の用途において、高い分解能及び精度を達成するためには、いわゆる干渉式光エンコーダを用いることが望ましい。
しかしながら、前述した特許文献１〜３など既知の干渉式光エンコーダは、数多くの用途にとって十分にコンパクトではないか、又は可能な出力周波数及び動作速度、若しくは両方を制限する電子工学的な検出器を利用するものであった。
【０００５】
本発明の目的は、上記の及び他の問題点を克服するエンコーダを提供することである。より具体的には、本発明は、非常に高い分解能及び精度、非常に細かいピッチを有するスケール格子の変位を検出する能力、及び多数の他の所望の特徴を提供しながら、極めて小さなサイズを有する干渉式光エンコーダを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
既知の粗い光ファイバエンコーダと比べて、本発明の干渉式エンコーダは、より細かい測定分解能を有利に備えるために、相対的に小さなスケールピッチで動作することができる。既知の干渉式エンコーダと比べて、このエンコーダは、サイズ、分解能及び／又は精度と、経済的な製造と、非常に細かいスケール格子ピッチで動作する能力との前例のない組み合わせを提供する。
【０００７】
読取りヘッドは、スケール格子に光を送光するための光源と、スケール格子から反射される光を受光するための検出器チャネルとを備える。本発明において、読取りヘッドにおいて与えられる種々の光ビームは、各ビーム内に発散する光線を含む。本発明において、エンコーダ読取りヘッドの検出器チャネルは光ファイバ検出器チャネルとすることができる。
読取りヘッドはさらに、ソース光を回折させて、少なくとも＋／−１次のソース光ビームに分割するソース格子と、＋／−１次のソース光ビームを受光及び反射して、スケール格子に向かって集光するように配列され、スケール格子によって回折した＋／−１次のスケール光ビームをさらに受光及び反射して、それらのビームが、光源及び光ファイバ検出器チャネルに向かって集光して戻るようにする一対のミラーとを備える。
読取りヘッドは、集光する＋／−１次のスケール光ビームを受光及び回折させて、所望のフリンジピッチを有する干渉照明フィールドを生成する、干渉フィールド生成格子をさらに備える。干渉照明フィールド内のフリンジの動きは、スケールと読取りヘッドとの間の相対変位に相当し、光ファイバ検出器チャネルによって検出されて、変位測定情報を与える。
【０００８】
本発明において、スケール格子に達する光ビームは、スケール格子において概ねS偏光されることがある。ここで、S偏光は、測定軸に対して平行に、すなわち個々のスケール格子の溝又はバーの方向に対して垂直に向けられる最大電界成分を有するものと定義することができる。そのような構成は、スケール格子ピッチが１．５マイクロメートル程度に、若しくは１．０マイクロメートル程度に小さいか、又はそれよりも小さいときに特に有利なことがある。本発明の別の態様によれば、いくつかの実施の形態において、ソース光は、偏光又は偏光保持光ファイバによって与えることができ、そのソース光は、スケール格子に達する光ビームが概ねS偏光されるように偏光されることがある。
【０００９】
本発明において、ソース格子から、一対のミラーへの光路（複数可）、スケール格子への光路（複数可）、ミラーに戻る光路（複数可）及び干渉フィールド生成格子に戻る光路（複数可）の大部分又は全てが空気中に存在するように構成することができる。この構成は、スケール格子ピッチが、例えば約１マイクロメートル、２マイクロメートル、又はそれよりも大きいときに有利なことがある。
【００１０】
本発明において、ソース格子、一対のミラー及び干渉フィールド生成格子は、そこを通ってソース光が入射及び出射する入射表面及び出射表面を含む光学ブロックの一部として構成することができる。この構成は、スケール格子ピッチが、例えば約２マイクロメートル、１マイクロメートル、又はそれよりも小さいときに有利なことがある。いくつかの実施の形態において、ソース格子及び干渉フィールド生成格子を、光学ブロックの入射表面上に、又は入射表面に隣接して同一平面上に設けることができる。
【００１１】
本発明において、光ファイバエンコーダ読取りヘッドは、個々の位相格子マスクを有する複数の光ファイバ検出器チャネルを用いて、１つのスケール格子から生じる干渉フリンジの場所を検出するように構成することができる。
【００１２】
本発明において、光ファイバエンコーダ読取りヘッドは、干渉測定配列を利用としてもよい。スケール格子は、格子からの０次及び全ての偶数次の回折を抑圧するように設計してもよい。非常に細かいピッチスケール（例えば０．６マイクロメートル未満、及び特に約０．５マイクロメートル以下）で用いられるときに、スケール格子からの３次以上の回折は次第に消えていくことがあるか、又は３次光が読取りヘッドのレシーバチャネルに達することができないようにする経路に従うことがある。スケール格子及び光ファイバ読取りヘッドの組み合わせは、高分解能の干渉式エンコーダを形成し、＋及び−１次の回折から生じる干渉フリンジを検出することによって変位を検出する。本発明では、ソース格子を、０次及び全ての偶数次の回折を抑圧するように設計することができる。本発明では、読取りヘッドは、ソース格子によって送光されることがある任意の残存する０次光を遮断及び／又は吸収する機構を備えることができる。
【００１３】
本発明において、非常に細かいピッチスケールのための光ファイバ干渉式エンコーダは、前例のないほどの超小型サイズを与えられる。
本発明において、光ファイバエンコーダ読取りヘッドは、変位値を求めるために一緒に処理される信号を与えるレシーバチャネル開口が、測定軸に沿って概ね位置合わせされるように構成することができる。それらの開口は、最大１．０ミリメートル、０．７５ミリメートル、０．５ミリメートル、０．１ミリメートル又はそれよりも小さい、測定軸方向に対して垂直な方向に沿った寸法を有する領域内に位置合わせすることができる。変位値を求めるために一緒に処理される信号を与えるレシーバチャネル開口は、測定軸方向に沿って、最大１．５ミリメートル、１．０ミリメートル又はそれよりも小さな寸法内に配置することができる。
【００１４】
本発明において、光ファイバ検出器チャネルを、相補的な対を成して配列することができ、それによって一定の同相モード誤差を抑圧できるようにする。本発明において、光ファイバ検出器チャネルの３つの相補対が、同相モード誤差を抑圧し、精度を高めるように信号処理されることがある。
本発明において、３つ一組から成る、少なくとも２組の光ファイバ検出器チャネルをそれぞれ個別に信号処理して、それぞれの変位測定値を求めることができる。その後、それぞれの変位測定値を平均して、１つの変位測定値を求めることができ、その測定値は、それぞれの変位測定値内に存在することがある一定の誤差を補償することができる。
本発明において、４つ一組から成る、少なくとも２組の光ファイバ検出器チャネルをそれぞれ個別に信号処理して、それぞれの変位測定値を求めることができる。その後、それぞれの変位測定値を平均して、１つの変位測定値を求めることができ、その測定値は、それぞれの変位測定値内に存在することがある一定の誤差を補償することができる。
【００１５】
本発明において、光源を１つの光ファイバによって提供して、エンコーダ読取りヘッド内の電子工学的なアセンブリ及び電子信号に関連する全ての制約及びコストが生じない、全光学式の読取りヘッドを提供することができる。
本発明において、光ファイバエンコーダ読取りヘッドの種々の実施の形態は、特に経済的で、正確で、且つコンパクトに構成される。
本発明において、光ファイバ読取りヘッドとスケール格子との間の読取りヘッド光路を偏向し、スケールに対して読取りヘッドの操作可能な取付け向きが変更されるようにするために、光偏向素子を設けることができる。
【００１６】
本発明において、リモートインターフェースボックスを利用してもよく、それは、適切な電子工学的な光源と、光ファイバと本発明による１つ又は複数の光ファイバ読取りヘッドとのインターフェースを構成する光検出器とを備え、受光された光信号を、さらに信号処理するために、且つ読取りヘッド位置判定のために適した形に変換する。
これらにより、本発明は、従来技術の光学的な変位検出デバイスの問題点を克服し、超小型で、高精度で、経済的で、且つ迅速な構成による新たな応用形態への可能性を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の上記の態様及びそれに伴う多くの利点を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に従って用いることができる光ファイバレシーバチャネル配列１００の第１の包括的な実施形態を示す。
図１に示されるように、光ファイバレシーバチャネル配列１００は、３つの光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ、１９０Ｂ及び１９０Ｃを含む。光ファイバレシーバチャネル１９０Ａは、レシーバチャネル開口１１０Ａと、位相マスク１２０Ａと、レシーバ光ファイバ１３０Ａとを備える。同様に、光ファイバレシーバチャネル１９０Ｂは、レシーバチャネル開口１１０Ｂと、位相マスク１２０Ｂと、レシーバ光ファイバ１３０Ｂとを備える。同様に、光ファイバレシーバチャネル１９０Ｃは、レシーバチャネル開口１１０Ｃと、位相マスク１２０Ｃと、レシーバ光ファイバ１３０Ｃとを備える。
図１に示されるタイプの光ファイバレシーバチャネル配列のいくつかの細部は米国特許出願公開第２００５／００６８５３９号を参照して実施することができる。種々の光ファイバ読取りヘッドの特徴及び設計原理に関しては、米国特許第６，９０６，３１５号を参照して実施することができる。
【００１８】
各光ファイバレシーバチャネル１９０では、空間位相マスク１２０は、レシーバチャネル開口１１０を完全に覆う格子を含み、それは入射する照明のための空間フィルタとしての役割を果たし、その後、その照明は光ファイバ１３０の中を伝搬し、光信号１９１を与える。種々の例示的な実施形態において、レシーバチャネル開口１１０は単に、レシーバ光ファイバ１３０の平坦な端部又は成形された端部である。
種々の他の例示的な実施形態では、レシーバチャネル開口１１０は、コンパクトな屈折レンズ又は回折レンズであり、そのレンズは、位相マスク１２０を通じて入射する照明を収集し、その光を集光して、レシーバ光ファイバ１３０の端部に誘導する。各光ファイバレシーバチャネル１９０のレシーバチャネル開口１１０、位相マスク１２０及びレシーバ光ファイバ１３０の端部は、接着又は他の適切な方法によって、互いに一定の関係で固定される。
【００１９】
本発明による種々の例示的な実施形態では、位相マスク１２０は、名目的な（nominalな）受光面１６０を画定し、且つ／又はその受光面１６０と一致する同一平面配列で配置される。レシーバチャネル開口１１０の場所は、便宜的に、光ファイバレシーバチャネル配列１００のチャネル配列中心１５７を基準にして示される。本発明による、種々の高精度光ファイバ読取りヘッドの実施形態では、チャネル配列中心１５７は、後にさらに説明するように、光ファイバレシーバチャネル配列１００に与えられる任意の干渉照明フィールドの名目的な中心と一致するように配置される。個々のレシーバチャネル開口１１０Ａ〜１１０Ｃは、図１に示されるように、チャネル配列中心１５７からレシーバ開口境界半径１４０Ａ〜１４０Ｃ内に配置される。レシーバ開口境界半径は、本明細書では包括的にＲＣＲとして示される。
【００２０】
光ファイバレシーバチャネル１９０は、概ね互いに一定の関係で配列される。詳細には、位相マスク１２０の格子は名目的には同一平面を成し、例えば単一のマスク基板上にそれらの位相マスクを製造することによって、受光面１６０内で互いに対して特定の空間位相関係で固定される。
例示的なアセンブリ部品及びアセンブリ方法については、後述する。
【００２１】
図２及び図３は補足し合う図であり、それぞれ、本発明による、種々の光ファイバ読取りヘッドにおいて用いることができる干渉式読取りヘッド配列２００の第１の包括的な実施形態の特定の素子を示す。
図２及び図３では、種々の機構が誇張された寸法を有することがあるので、それらの機構を、より明らかに見ることができる。干渉式エンコーダが、変位を指示する動くフリンジを与える基本原理はよく知られており、本明細書では詳細には説明されない。
【００２２】
図２に示される干渉式読取りヘッド配列２００の素子は、光源２８０と、ソース格子８５と、一対のサイドミラー８８Ａ及び８８Ｂと、スケール格子８０とを含む。光源２８０及びソース格子８５は、発散ギャップ９４だけ離隔することができる。発散ギャップ９４を与えるための１つの目的は、ソース格子８５の溝が空気で満たされ、それよりも高い屈折率を有する材料で満たされないことを保証することである。溝が空気で満たされる場合では、所望の回折角を与えるソース格子を製造するのにコストがかかりすぎるか、又は現実的でないことがある。別の目的は、ソース格子８５が望みどおりに動作するように、光源が、ソース格子８５の十分な周期に広がるように発散するのを保証することである場合がある。
【００２３】
ソース格子８５及びスケール格子８０は、格子間ギャップ２８４だけ離隔され、いくつかの実施形態では、格子間ギャップ２８４は、後にさらに説明するように、種々の透過性材料を含むことがある。なお、ソース格子８５から、一対のミラー８８Ａ及び８８Ｂへの光路（複数可）、スケール格子８０への光路（複数可）、ミラーに戻る光路（複数可）及び干渉フィールド生成格子９５（後に説明する）に戻る光路（複数可）の大部分又は全てが空気中に存在してもよい。光路が空気中にある構成は、スケール格子ピッチが、例えば約１マイクロメートル、２マイクロメートル、又はそれよりも大きいときに、コンパクトな読取りヘッド設計において適切なビーム光路角を与えるのに有利なことがある。
【００２４】
スケール格子８０は測定軸８２に沿って位置合わせされ、照明スポット２５３において垂直な線によって示されるように、測定軸８２に対して垂直に延在する格子素子を含む位相格子にすることができる。その格子素子は、本明細書において格子周期又は格子ピッチＰｇとして包括的に示される格子ピッチ８４に従って、測定軸８２に沿って周期的に配列される。スケール格子８０については、後に図４を参照しながら詳述する。
ソース格子８５は、スケール格子８０に対して概ね平行に位置合わせされ、ソース格子周期又はソース格子ピッチ８６、すなわちＰｓに従って、測定軸８２の方向に沿って周期的に配列される格子素子を含む位相格子にすることができる。後述するように、ソース格子８５は、０次及び全ての偶数次の回折を抑圧するように設計される。ソース格子８５が０次の透過光を十分に抑圧しない場合には、読取りヘッド配列２００は、その残存する０次光を遮断及び／又は吸収する０次遮断素子８７を備えることがある。
【００２５】
図２に示されるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、スケール格子８０の平面を基準にして定義することができる。Ｘ軸はスケール格子８０の平面及び測定軸８２に対して平行である。Ｘ−Ｙ平面は、スケール格子８０の平面に対して平行であり、Ｚ軸はその平面に対して垂直である。
【００２６】
包括的な干渉式読取りヘッド配列２００では、光源２８０は、ソース光軸２５１に概ね沿って、ソース光２５０を放射する。
ソース光２５０は、一般的には単色又は準単色であり、名目的な波長λを有する。ソース光２５０内の光線は全体として互いに発散し、発散半角ＤＡの正弦は一般的に「光源の開口数ＮＡ」と呼ばれる。一般的に、読取りヘッド配列２００において与えられる種々の光ビームは、各ビーム内に発散する光線を含む。
ソース格子８５は、受光したソース光２５０を回折させて、少なくとも＋／−１次（＋１次及び−１次の意味、以下同様）のソース光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂに分割する。分割された＋／−１次のソース光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂはそれぞれ、ソース光軸２５１に対して半角αを形成する名目的な光路に従う。その後、ソース光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂは、サイドミラー８８Ａ及び８８Ｂによって反射され、それぞれビーム２５４Ａ及び２５４Ｂとしてスケール格子８０に向かって集光し、それらのビームは照明スポット２５３においてスケール格子８０を照明する。
【００２７】
なお、照明スポットは、完全に重なり合うか又は一致するようにしてもよいし、部分的に重なり合うか又は一致するようにしてもよい。さらに、それらのビームによって形成される２つの照明スポット２５３は、Ｘ軸に沿って分離されることがある。
【００２８】
スケール格子に達する光ビーム２５４Ａ及び２５４Ｂは、スケール格子において概ねS偏光されるようになされることが有利である。
この場合のS偏光は、測定軸に対して平行に、すなわち個々のスケール格子の溝又はバーの方向に対して垂直を対象とする最大電界成分を有するものと定義される。そのような構成は、良好な回折効率を与えるために、スケール格子ピッチが１．５マイクロメートル程度に、若しくは１．０マイクロメートル程度に小さいか、又はそれよりも小さいときに特に有利なことがある。さらに、これは、スケール格子８０において０次反射を抑圧するのを助けることもできる。このような構成では、ソース光２５０は、偏光光ファイバ又は偏光保持光ファイバによって与えられ、ソース光２５０は、光ビーム２５４Ａ及び２５４Ｂがスケール格子８０の平面に対して概ねS偏光されるように偏光される。
【００２９】
本実施形態において、＋／−１回折次数から生じる光及びその干渉だけが測定信号に利用されるので、図２にはスケール格子８０から戻る＋１及び１の回折次数の光だけが示されている（破線矢印２５５Ａ及び２５５Ｂ）。また、図２及び図３においては、種々の回折及び反射されたビームはその中央の光線だけが示されている。
図２に示されるように、スケール光ビーム２５５Ａ及び２５５Ｂとして、＋／−１次の回折次数が回折及び反射される。スケール格子８０が細かいピッチ（例えば０．６マイクロメートル未満、特に約０．５マイクロメートル以下）を有するときに、スケール格子からの２次、３次及びそれよりも高次の回折が次第に消えていくことがあるか、又はそれらの回折が、読取りヘッドのレシーバチャネルに達することができないようする光路に従うように読取りヘッド配列２００を構成することができる。同様に、後にさらに説明するように、スケール格子８０からの０次反射が、読取りヘッドのレシーバチャネルに達することができないようにする光路に従うように、読取りヘッド配列２００を構成することができる。
【００３０】
ここで図３を参照すると、ビーム２５５Ａ及び２５５Ｂは、それぞれサイドミラー８８Ａ及び８８Ｂによって、干渉フィールド生成格子９５に向かって反射され、その格子において、それらのビームはそれぞれ、照明ゾーン９０Ａ及び９０Ｂを与える。照明ゾーン９０Ａ及び９０Ｂは、干渉フィールド生成格子９５と概ね一致する平面における、照明ゾーン９０Ａ及び９０Ｂの近似的な断面を示す、破線の円９０Ａ’及び９０Ｂ’によって示される。その平面において干渉照明ゾーン又はフィールド９２を定義すると、照明ゾーン９０Ａ及び９０Ｂの重なり合う部分を示すのに有利である。本実施形態において、種々の干渉フィールド生成格子はそれぞれ、干渉照明ゾーン９２内に配置される。
【００３１】
干渉フィールド生成格子９５は、干渉フィールド生成格子周期又はピッチ９６（Ｐｉｇ）に従って、測定軸８２の方向に沿って周期的に配列される格子素子を含む位相格子にすることができる。干渉フィールド生成格子９５は、ビーム２５５Ａ及び２５５Ｂの光線を透過し、回折させて、干渉する光線２６５によって表されるような所望の名目的な収束角を与える。こうして、干渉フィールド生成格子９５は、一組の干渉フリンジ２６６の干渉周期又はフリンジピッチ８３（Ｐｉｆ）を制御して、格子９５を通過する光線に、受光面１６０において所望のフリンジピッチＰｉｆを与える。干渉フリンジ２６６は、Ｚ及びＹの両方向に沿って測定軸８２に対してそれぞれ垂直に延在する、明るい干渉フリンジゾーン及び暗い干渉フリンジゾーンから成る。したがって、干渉フリンジ２６６が、受光面１６０において全てのレシーバを重ね合わせるという条件であれば、受光面１６０と干渉フィールド生成格子９５との間の距離は重要ではなく、一般的には、その距離は他の読取りヘッド設計事項に応じて求められる。
【００３２】
受光面１６０において、光ファイバレシーバチャネル１９０毎に、位相マスク１２０がそれぞれ、入射する干渉フリンジ２６６を空間的にフィルタリングする。本実施形態では、図１に示される構成を図２及び図３に示される包括的な読取りヘッド構成に適用する。このとき、個々の位相マスク１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃはそれぞれ、干渉フリンジピッチＰｉｆと同じであるマスクピッチＰｍを有し、それらの位相マスクは、干渉フリンジピッチＰｉｆに関して、０度、１２０度及び２４０度のそれぞれの空間位相位置に配置される。こうして、光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ、１９０Ｂ及び１９０Ｃは、空間位相差を除いて、同じように空間的にフィルタリングされる照明を受光する。したがって、レシーバチャネル１９０Ａ、１９０Ｂ及び１９０Ｃに対応する光信号１９１Ａ、１９１Ｂ及び１９１Ｃは、スケール格子８０が測定軸に沿って動くが、１２０度の相対位相シフトを有するときに、概ね同じ正弦強度変化を示す。そのような「３位相」変位信号に基づいて、位相マスク１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃに対するスケール格子８０の変位を求めるために、よく知られている方法を利用することができる。したがって、図２及び図３に示される例示的な光ファイバ読取りヘッド配列２００は、本発明による種々の光ファイバ読取りヘッドにおいて用いることができる変位測定システムを提供する。
【００３３】
干渉フィールド生成格子９５及びソース格子８５は、いずれも干渉照明ゾーン９２内に配置される。一般に、干渉フィールド生成格子９５は、ソース格子８５を取り囲むか、又は互いに隣接して配置される。一般に、干渉フィールド生成格子９５及びソース格子８５は、同じ基板上の同じ表面上に、１つの基板の両面又は互いに隣接する別々の基板の表面上に製造することができる。スケール格子ピッチが約０．８マイクロメートル又はそれよりも大きいとき、干渉フィールド生成格子９５及びソース格子８５のために同じ格子を用いることができる。
【００３４】
検出される干渉フリンジを生み出す＋１及び１回折次数のそれぞれの光は、スケール格子８０によって一度だけ回折するので、格子８０が１ピッチ増分サイクルだけ動くとき、干渉照明フィールド９２内の対応するフリンジ２６６は２サイクルだけ動くことになる。
すなわち、図２及び図３に示される構成では、スケール格子８０が、測定軸に沿って、増分Ｐｇだけ動くとき、干渉照明フィールド９２内の干渉フリンジ２６６は、位相マスク１２０に対して２＊（Ｐｉｆ）の増分だけ動く。
【００３５】
光ファイバ読取りヘッド配列２００は、３位相測定システムを提供する。しかしながら、包括的な光ファイバ読取りヘッド配列２００において、位相マスク１２０およびレシーバチャネル１９０は他の代替構造とすることができる。当業者にとって、直交位相関係又は他の位相関係を有する光信号を与える構成を含め、位相マスク１２０の種々の具体的構成が明らかである。
【００３６】
図４は、本実施形態のスケール格子８０を示す。
図４のスケール格子は、０次反射を抑圧するように設計される。スケール格子８０は、基板８１上に形成される反射性の位相格子であり、測定軸８２に沿って位置合わせされる。スケール格子８０は、Ｙ軸の方向に沿って、測定軸８２に対して垂直に延在し、凹形要素Ｇによって分離される格子要素Ｅを含む。格子要素Ｅは、格子ピッチＰｇに従って、測定軸８２に沿って周期的に配列される。格子要素Ｅはそれぞれ、測定軸８２の方向に沿って幅ＷＥを有し、一方、凹形要素Ｇはそれぞれ、幅ＷＧを有する。また格子要素Ｅは、Ｚ軸の方向に沿って、高さＨＥを有する。
【００３７】
上記のように、図４のスケール格子８０は、０次反射光を抑圧するように設計される。これを果たすための方法は、当該技術分野において知られている。
例えば、スケール格子８０は、長方形の格子要素Ｅ及び凹形要素Ｇの両方の上に反射コーティング、例えばクロムをコーティングされ、０次反射光の弱め合う干渉を引き起こす高さＨＥ、例えばソース光の波長の１／４の高さを有する反射性位相格子として形成することができる。ここで、５０％のデューティサイクル、すなわちＷＧとＷＥとがに概ね等しいとき、０次反射光の抑圧が最大となり、さらに偶数回折次数の残存する光も抑圧することができる。０次反射抑圧は、垂直な方向に沿って格子に入射するビームの場合に非常に有効である。それゆえ、ソース光２５０のうちのある部分が、ソース格子８５からスケール格子８０に直に送光される場合には、それらの部分は、本発明による読取りヘッドの所望の動作を妨げるように反射して戻されないように、概ね抑圧されることがある。
【００３８】
以下の式１及び式２を参照しながら、種々の設計要因が示される。凹形要素Ｇに対して距離ＨＥだけ行き来した後に、波長λを有する反射光の位相変化φは、以下のように表される。
【００３９】
【数１】
2008032726.tif 000003
【００４０】
長方形の格子要素Ｅ及び凹形要素Ｇから反射される光間で弱め合う干渉を引き起こすために、高さＨＥは、以下のように選択される。
【００４１】
【数２】
2008032726.tif 000004
（ただし、ｋは奇数）
【００４２】
１次の回折次数においてブレーズを有する回折性スケール素子を利用すること、又は正弦波格子を用いること等の、格子で０次反射光を抑圧し、且つ／又は別の方向へ誘導する他の方法も当該技術分野において知られている。入射光の波長よりも著しく長いピッチを有する格子の場合、正弦波格子構造によって、＋及び−１次を除く全ての回折次数を抑圧できるようになり、先に述べられた設計目標が達成される。しかしながら、正弦波格子構造は一般的には、図４に示されるような長方形の格子よりも、製造するのにコストがかかる。後にさらに詳細に説明するように、図４に示されるような長方形のスケール格子８０を用いるとき、本発明による光ファイバ読取りヘッドの中に種々の機構を組み込み、所望の＋及び−１次以外の残りの高い次数の回折次数を除去することができる。
【００４３】
図５には、包括的な干渉式光ファイバ読取りヘッド配列２００の原理を実施する第１の動作中の光ファイバ読取りヘッド２００’を示す。
図１〜図３に関して上述した特定の機能的な特徴は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）においても同様の番号を付されることがある。先に記述された一定の機構の特定の例示された実施形態も同様の番号を付されることがあるが、「ダッシュ」が追加される。特定の機構を見やすくすることができるように、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、種々の寸法、例えば寸法９４が誇張されていることがある。
図５（Ａ）において、光ファイバ読取りヘッド２００’は、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００を含み、それは、位相マスク素子１６１に隣接する複数の光ファイバレシーバチャネル１９０を備え、その位相マスク素子は、隣接する表面上にある空間位相マスク１２０と、光ファイバ光源２８０とを含む。
光源２８０は、位相マスク素子１６１を通って、ソース光軸２５１に概ね沿って発散するソース光２５０を放射し、ソース光は、ＤＡの発散半角で破線２５２及び２５３によって概略的に示されるように発散する。ソース光は名目的な波長λを有する。ソース光２５０は、ソース格子８５によって回折し、所望の＋１及び−１次ソース光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂに分割される。
【００４４】
ソース格子８５は、格子基板１０５の表面の一部の中又は上に形成される透過タイプ位相格子にすることができる。例示される実施形態では、ソース格子８５は、測定軸方向において長さ「Ｌｃ」だけ延在し、所望の回折角αを生成するＰｓの実効的なソース格子周期又はソース格子ピッチを有する。＋１及び−１次ソース光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂはそれぞれ、ソース光軸２５１に対して角度αで、名目的な光路１５５Ａ及び１５５Ｂに概ね沿って伝搬する。その後、それぞれ発散する光線を含む、＋１／−１次ソース光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂは、サイドミラー８８Ａ及び８８Ｂによって、スケール格子８０に向かって反射される。本実施形態では、サイドミラー８８Ａ及び８８Ｂは、スケール格子８０に対して概ね垂直に延在する。なお、サイドミラー８８Ａ及び８８Ｂは、後に詳細に説明するように、他の点で種々の設計上の制約を満たしている限り、スケール格子８０に対して種々の角度を形成することができる。
【００４５】
本実施形態では、サイドミラー８８Ａ及び８８Ｂは、概ね直方体にすることができる光学ブロック８９の両側面として設けられる。ミラー８８Ａ及び８８Ｂは、ブロック８９のアルミニウムコーティングされた側面として設けることができる。代替的には、特定の構成では、所望の反射は、ブロック８９の側面でのブロック−空気境界における光の内部全反射（ＴＩＲ）によって与えることができる。本実施形態では、光学ブロック８９の一端（例えば、上端部）はソース格子８５によって画定され、一方、光学ブロック８９の他端は表面９０によって画定され、その表面９０は、＋１及び−１次のソース光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂがスケール格子８０上で名目的な入射角φを有するように、適切な角度でサイドミラー８８Ａ及び８８Ｂによって反射されるソース光ビームを通過（及び屈折）させるように構成される表面９０によって画定される。表面９０は、動作ギャップ９１だけスケール格子８０から離隔して配置される。
一般に、名目的な入射角φはリトロー角にすることができるが、他の角度が用いられることがある。ブロック８９の表面９０は、内部反射を抑圧する反射防止コーティングを有することができる。入射角がブルースター角に近く、先に略述されたようにS偏光が用いられる場合には、スケール格子８０から回折した後に、光ビームが光学ブロック８９に再び入射する場合に、概ねブルースター条件を満たすことができる。これは、表面９０上の反射防止コーティングを不要にすることができる。
【００４６】
スケール格子８０から、それぞれ発散する光線を含む＋／−１次回折次数が、スケール光ビーム２５４Ａ及び２５４Ｂとして、角度δで反射回折する。角度δは、角度φと同じにすることができる。ただし、φはリトロー角である。その後、スケール光ビーム２５４Ａ及び２５４Ｂは表面９０において屈折し、（表面９０の垂直ベクトルに対して）角度τで、サイドミラー８８Ａ及び８８Ｂによってそれぞれ反射され続け、その後、名目的な入射角κで干渉フィールド生成格子９５に入射する。サイドミラー８８Ａ及び８８Ｂが平行であり、且つ表面９０に対して垂直である場合には、角度κは角度τに等しい。それぞれ発散する光線を含む、スケール光ビーム２５４Ａ及び２５４Ｂは、その後、干渉フィールド生成格子９５によって回折し、所望の名目的な角度「β」で格子から出射する。
【００４７】
干渉フィールド生成格子９５は、ソース格子８５を概ね取り囲む格子基板１０５の表面の一部の中に又は上に形成される透過タイプの位相格子にすることができる。例示される実施形態では、干渉フィールド生成格子９５は、所望の名目的な角度「β」を生成する実効的なピッチ（図３を参照して上述したようなＰｉｇ）を有する。図５（Ａ）において光線９２Ａと９２Ｂとの間に示される寸法「Ｌｉｆ」、及び図５（Ｂ）に示される「Ｈｉｆ」は、図３を参照して上述した、干渉照明ゾーン９２の範囲と一致する。
一般的に、格子９５は干渉照明ゾーン９２内に配置され、読取りヘッド２００’は、干渉照明ゾーン９２及び格子９５の両方の場所及びサイズによって、フリンジピッチＰｉｆを有する干渉フリンジ２６６が、読取りヘッド２００’に含まれる各光ファイバレシーバチャネル１９０、例えば例示されるチャネル１９０Ａ及び１９０Ｂ等の入力開口全体を照明することが保証されるように構成される。
ソース格子８５の寸法「Ｌｃ」は、寸法Ｌｉｆ及びＨｉｆが約１ｍｍ程度の場合があるのに比べて、それより十分に小さく、例えば５０μｍ〜２００μｍにすることができる。このため、ソース格子８５は、概ねそれを取り囲むことができる光ファイバレシーバチャネル１９０の近くで干渉フリンジ２６６の動きの検出を妨げる必要はない。本実施形態において、格子８５及び格子９５は、互いに異なるように構成することができるので、後述されるようにそれぞれその機能を最適に果たす。なお、スケール格子ピッチが約０．８マイクロメートル以上のとき、干渉フィールド生成格子９５及びソース格子８５の両方に対して同じ格子を用いることができる。
【００４８】
格子８５，９５は、基板１０５の上側表面上に（図５の上に向かって）形成することができ、その基板の下側表面は、（例えば、内部反射を抑圧するために、それがブルースター角で入射するS偏光を用いることができないとき）内部反射を抑圧する反射防止コーティングを有することができる。
透過性の位相格子を用いた格子８５，９５は、既知の技法（例えば米国特許第４，４２６，１３０号公報）に従って、０次及び偶数次の透過を抑圧するように形成することができる。この公報には、１次回折次数以外の全ての有意な次数を実効的に抑圧する透過性格子が開示されている。代替的に、現在、種々のカスタム格子供給業者が、実効的には、単に全ての入射する光線を偏向して、所望の名目的な角度βで透過させるカスタム回折光学素子又はホログラフィック格子を提供することができる。一般に、前述した既知の技法を用いて、光学ブロック８９の表面の中部又は上部に直接、あるいは所望により反射防止コーティング上に、適宜格子８５，９５を形成することができる。そのような構成では、基板１０５は省くことができる。
【００４９】
読取りヘッド２００’は、少なくとも、格子８５，９５と、ブロック８９と、ミラー８８Ａ及び８８Ｂとを備える、安定したモノリシック素子により構成することができる。
位相マスク素子１６１は、光ファイバ１３０に隣接する表面上に全ての光ファイバレシーバチャネル１９０の位相マスクを含む透過性の基板を含むことができる。一般に、位相マスク素子１６１の他の表面は、格子８５，９５に隣接するように固定することができる。そのような構成では、寸法９４（発散ギャップ）は、位相マスク素子１６１の厚みと概ね同じにすることができ、所望により、読取りヘッド２００’全体を安定したブロックタイプの素子として形成するか、又は組み立てることができる。この際、ソース格子８５が望みどおりに動作するように、ソース光を発散させて、ソース格子８５の周期に十分に広がることを確認することが望ましい。さらに、先に示されたように、所望の回折角を経済的に与えるために、格子の溝が空気で満たされ、屈折率が高い材料（例えば、接着剤等）で満たされないように、格子８５，９５を製造することが望ましい場合がある。
【００５０】
一般に、エンコーダにおける生の測定データを補間するための信号処理技法の大部分は、そのような信号が、スケールと読取りヘッドとの間の相対的な変位の理想的、又は概ね理想的な正弦関数であるものと仮定する。したがって、理想的でない信号、正弦波でない信号、及び／又は信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を低下させる他の要因に起因して、補間誤差が生じる。＋／−１次光以外の全ての光が、本発明による光ファイバ読取りヘッドのレシーバ開口に達する場合には、それらの光がＳ／Ｎ比を劣化させ、且つ／又は理想的でない信号、正弦波でない信号を引き起こす一因となる。
上述のように、スケール格子８０ならびに読取りソース格子８５，９５の構造は、既知の方法に従って、少なくとも０次及び偶数次の回折次数を抑圧するように設計することができる。さらに、光ファイバレシーバチャネル１９０のレシーバ光ファイバの集合体ＮＡは、＋／−１次回折次数よりも高い回折次数からの光が、その光が光ファイバレシーバチャネル１９０に入射するのを実効的に防ぐ入射角を有するようにすることができる。さらに、読取りヘッドが、（もしあるならば）スケール格子から＋／−３次の回折次数を受光するのを避けるように、且つスケール格子８０上に角度φで入射するビームの０次反射からの光が、読取りヘッドの動作可能な光路から外れるように、本発明による読取りヘッドを設計し、スケール格子８０に対して動作可能に配置することができる。
【００５１】
一例として、図５（Ａ）を参照すると、光学ブロック８９が、現時点で図５（Ａ）に示される長さよりもＸ軸方向に沿って狭くされる場合には、ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂの反射は、ミラー８８Ａ及び８８Ｂ上の図示される位置よりも上で（図の上よりもさらに上に向かって）生じることになり、スケール格子８０上で結果として生成される照明スポット２５３Ａ及び２５３Ｂはそれぞれ、光学ブロック８９の中央面２９０から離れるようにシフトされるであろう。そのブロックが、Ｘ方向に沿って十分に狭くされる場合には、狭くなければ光学ブロック８９に再び入射することになる０次、２次及び３次の光が、光学ブロック８９の鏡面の外側に誘導され、そのシステムから離れることになる。それに加えて、又はそれとは別に、動作ギャップ９１を大きくして、同じ効果を与えることができる。望ましくない光を除去するこの技法での１つのトレードオフは、照明スポット２５３Ａ及び２５３Ｂが、スケール格子８０上で離れるようになることである。これにより、動作中に、動的な縦揺れ（Ｙ軸を中心にして読取りヘッドがわずかに回転する）又はスケールのうねりから生じることがある誤差の影響をシステムが受けやすくなることがある。したがって、照明スポット２５３Ａ及び２５３Ｂができる限り大きく重なり合うようにしながら、所望の１次光以外の光が、本明細書に略述される手段のいずれかによって信号経路から十分に抑圧されるか、又は除去されるように、本発明による読取りヘッドを設計することが望ましい。
【００５２】
本実施形態の構成では、ソース格子が、ある量の残存する０次光を透過させることがある。そのような場合に、残存する光が動作にとって有害である場合には、読取りヘッド２００’は、図５（Ａ）に示されるように、０次光遮断ブロック８７’を組み込むことができる。本実施形態では、光学ブロック８９は、線８７’において結合される表面を有する２つのサブブロックとして形成することができる。表面のうちの一方は，結合する前に、その上に光遮断素子８７’を形成されることがある（例えば、ダーククロム薄膜工程等による）。光遮断素子８７’は、０次光を遮断するが、ビーム２５４Ａ及び２５４Ｂの動作部分を遮断しないような大きさであることが理想的である。代替的に、光遮断素子は、適切な場所において光学ブロック８９を貫通する穴又はスロットをＸ軸方向に沿って設け（例えば、レーザマシニング等による）、その穴の内部を光遮断材料で満たすか、又はその穴の内側に光遮断材料をコーティングすることによって、設けることができる。そのような場合、光学ブロック８９は２つのサブブロックとして形成する必要がない点で有利である。代替的に、ビーム１５４Ａ、１５４Ｂ、２５４Ａ及び２５４Ｂの動作部分を著しく遮断することなく、光学ブロック８９の下側表面９０において０次光を遮断することができるとき、その場所に０次光遮断素子を形成することができる。
【００５３】
格子が複雑になることに伴うコストと、反射防止コーティング、失われる照明エネルギー、信号精度、及び動的な縦揺れ（又はスケールうねり）により誤差の影響を受けやすくなることとのトレードオフの問題は、設計上の選択として、光学的解析、シミュレーション及び／又は実験によって判定又は確認することができる。いくつかの事例において、非常に細かいピッチのスケール格子の場合、入射角φが適切に選択されるときに、＋／−３次回折次数は次第に消えていくことがあり、設計の他の態様において検討する必要がないことがある。種々の実施形態において、入射角φはリトロー角であることが有利なことがある。
【００５４】
以下の設計式は、上述した原理に従って、条件を満たした読取りヘッド設計を提供する自己矛盾のない一組の有効な格子ピッチ及び光路角を求めるために、必要に応じて繰り返しながら用いることができる。一般的に、光学ブロック８９の寸法及び動作ギャップ９１の寸法も、上述した原理に従って検討することができる。以下の式は、各動作光ビームの中央光線を考慮する。一般的に、光ファイバレシーバチャネル開口のそれぞれを満たすほど十分に大きい干渉フリンジフィールドを与えるために、各動作光ビームは発散している。発散している信号が測定信号に及ぼす影響は求めることができ、シミュレーション及び／又は実験に基づいて、必要に応じてわずかに設計変更を行うことができる。ソース光がソース格子８５に垂直に入射するものと仮定すると、回折角αは、以下の式によって求めることができる。
【００５５】
【数３】
2008032726.tif 000005
ただし、λは読取りヘッドにおいて用いられるソース光の波長であり、ｎは光学ブロック８９の屈折率である。
【００５６】
表面９０及び全ての格子の平面が名目的に平行であるものと仮定すると、以下の式は、図５（Ａ）において示されるように定義される、種々の他の角度及び実効的な格子ピッチの相互関係を定義する。
【００５７】
【数４】
2008032726.tif 000006
【００５８】
【数５】
2008032726.tif 000007
【００５９】
【数６】
2008032726.tif 000008
【００６０】
【数７】
2008032726.tif 000009
【００６１】
光学ブロック８９のミラーを備える側面は対称的な角度を成すが、図５（Ａ）に示されるように平行でない場合には、式７において、角度αは、表面９０に対する、反射したビーム１５４Ａ及び１５４Ｂの実際の入射角で置き換えられるべきである。光学ブロック８９のミラーを備える側面が平行であり、且つ表面９０に対して垂直である場合には、角度κは角度τに等しくなる。さらに、角度φがリトロー角である場合には、角度δは角度φに等しくなり、角度κ及びτは角度αに等しくなる。
【００６２】
これらの式による演算の具体例として、読取りヘッドは、６３５ｎｍの波長λを用いることができる。光学ブロック８９は、６３５ｎｍにおいて屈折率ｎ＝１．４５７を有する石英ガラスから形成することができ、それは、約１．２ｍｍのＸ方向寸法と、約２．５ｍｍのＹ方向寸法と、約１．５ｍｍのＺ方向寸法とを有することができる。種々の格子は、Ｐｇ＝０．０４マイクロメートル、Ｐｓ＝０．８０マイクロメートル及びＰｉｇ＝０．８８８マイクロメートルの実効的な格子ピッチを有することができ、それは、スケール格子８０においてリトロー角で回折を与える。結果として生成される干渉フリンジピッチＰｉｆは約４μｍであり、光ファイバレシーバチャネル１９０の空間位相マスク１２０は、それぞれがフリンジピッチＰｉｆに一致するピッチを有する振幅格子にすることができる。ソース光発散半角ＤＡは約１．９６度〜２．７５度にすることができ、約２００マイクロメートルの名目的な動作ギャップ９１を用いることができる。動作ギャップ９１が２７５マイクロメートルまで大きくされる場合には、０次反射は、検出器のエッジを外れることになるが、先に略述された原理によれば、動的な縦揺れによる誤差の影響は幾分増加することになる。別の例として、種々の格子は、Ｐｇ＝０．０４マイクロメートル、Ｐｓ＝０．８１６マイクロメートル及びＰｉｇ＝０．８１６マイクロメートルの実効的な格子ピッチを有することができ、動作ギャップは約４１９マイクロメートルにすることができる。この場合、照明スポット２５３Ａ及び２５３Ｂは、スケール格子８０上で一致しないであろう。結果として生成される干渉フリンジピッチＰｉｆは約２０マイクロメートルであり、その際、空間位相マスク１２０は、同じ２０マイクロメートルピッチを有するべきである。
【００６３】
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲内の変形などは本発明に含まれるものである。
本発明の他の実施形態として、光学ブロック８９に同様の光学ブロックが、光ファイバ読取りヘッド２００’と同じようにして動作する光ファイバ読取りヘッドの動作可能光ビームを偏向させる、角度のある鏡面を含む構成とすることができる。
例えば、前述した角度のある鏡面としては、図５（Ｂ）に示される破線９３’によって示される位置に配置することができる。破線９３’より上にある光学ブロックの部分は、そのような実施形態では存在しないことになり、部分９３’’を、そのブロックに追加することができる。素子１０５、８５、９５及び１０００の構成は、（図５（Ｂ）において、それらが示される向きに対して）９０度だけ、「図５の平面において反時計回りに回転する」ことになり、左上側の表面９７’に対して配置し直され、格子がＸ−Ｚ平面に対して平行になるようにし、向きを変更された光源２８０からのソース光は、向きを変更されたソース光軸２５１’に沿って位置合わせされる。そのような他の実施形態については図１３を参照しながら後述する。
【００６４】
本発明の他の実施形態として、光学ブロック８９を用いることなく、読取りヘッド２００’と概ね同様の読取りヘッドを形成することができる。例えば、ミラー８８Ａ及び８８Ｂは、個別の基板上に形成することができる。その後、基板１０５上の格子８５及び９５、個々のミラー基板、及び光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００を、適切な関係で、適切な読取りヘッドフレーム又はハウジング（図示せず）上に固定することができる。そのような実施形態では、ソース格子８５から、一対のミラー８８Ａ及び８８Ｂへの光路（複数可）、スケール格子８０への光路（複数可）、ミラー８８Ａ及び８８Ｂに戻る光路（複数可）及び干渉フィールド生成格子９５に戻る光路（複数可）の大部分又は全てが空気中に存在することができる。この構成は、スケール格子ピッチが、例えば約１マイクロメートル、２マイクロメートル、又はそれよりも大きいとき、コンパクトな構成で所望のビーム光路角を与えるのに有利なことがある。所望により、そのような実施形態に、０次光遮断素子を追加することもできる。いくつかの実施形態では、格子８５及び９５のうちの一方又は両方の代わりに、小型のビームスプリッティングキューブ、及び／又はプリズム、又は反射性表面配列等の同様の機能を提供する代替の素子を用いることができる。
【００６５】
本発明の他の実施形態において、光源２８０の特に簡単で、且つ実効的な実施形態は、上記のように、所望の干渉フリンジを与えるように動作する遠隔したレーザダイオード又は他の光源によって与えられるコヒーレント、又は準コヒーレント光を放射する単一の光ファイバの端部である。そのような光ファイバ光源は、個別のレンズ又はコリメータを用いない単一モード光ファイバであり、その光ファイバは、その端部から発散するソース光ビームを出力し、その発散する光ビームは典型的には、単一モードファイバの場合に、１．９６〜２．７５度の範囲において、最大強度の半分において発散半角を有する。先に示されたように、非常に細かいピッチのスケール格子で（例えば、スケール格子ピッチが１．５マイクロメートル若しくは１．０マイクロメートル程度に小さいか、又は概ね読取りヘッドにおいて用いられる光の波長程度であるか、若しくはそれよりも小さいときに）良好な回折効率を達成するために、スケール格子に達する光ビームは、スケール格子において概ねS偏光されることが望ましい。そのような実施形態では、光ファイバ光源は、所望の偏光を有するソース光を出力する、偏光保持光ファイバを含むことができる。さらに他の例示的な実施形態では、光源２８０は、光ファイバ読取りヘッド内の小型半導体レーザ素子によって与えられる。そのような事例では、読取りヘッド構成は、さらに複雑になり、コストがかかることがあり、全光学式の読取りヘッドの利点のうちのいくつかが失われることがある。しかしながら、そのような事例であっても、本発明による読取りヘッド配列の利点のうちの少なくともいくつかは保たれる。
【００６６】
図６は、Ｚ軸方向に沿って見た場合の第１及び第２の例示的な読取りヘッド配列２００’’及び２００’’’の特定の機構を示している。それらの配列はそれぞれ、複数の光ファイバレシーバチャネル１９０と、光源２８０を与える光ファイバ光源チャネル２８０’と、ソース格子８５と、干渉フィールド生成格子９５とを備える。図６（Ａ）のレシーバチャネル配列９８は、３位相タイプの信号を生成することができ、図８及び図９を参照して詳細に後述するように、光源チャネル２８０’を取り囲む、レシーバチャネル１９０の３つの相補対（１−１、２−２及び３−３）を含む。図６（Ｂ）のレシーバチャネル配列９９は、直交タイプの信号を生成することができ、中央に位置する光源チャネル２８０’を中心して対称に配置されるレシーバチャネル１９０の２つの相補対（１−１及び２−２）を含む。本明細書において、相補対は、１８０度だけ位相がずれている位相マスク空間位相を有する２つのレシーバチャネルを指している。そのような配列の場合、相補対からの信号対のうちの一方を他方から減算することができ、相補対信号間の差をとるときに、各チャネルにおいて現われることがある、ＤＣオフセット、動的な左右揺れ及び縦揺れ、又はスケールうねりに起因する潜在的な誤差を互いに名目的に相殺することができる。既存技術として知られている「平衡対」設計及び信号処理手法は本発明の実施形態においても用いることができる。
【００６７】
レシーバチャネル配列９８，９９のレシーバチャネル開口１１０は、概略的に表されており、個々のレシーバチャネル１９０の個々の光ファイバと名目的に同心を成している。破線で描かれた円は、干渉フィールド生成格子９５の平面において＋１回折次数スケール及び１回折次数スケール光ビーム２５５Ａ及び２５５Ｂ（図３を参照しながら上述した）によって生成される照明ゾーン９０Ａ’及び９０Ｂ’を表す。照明ゾーン９０Ａ’及び９０Ｂ’の交わりは、寸法Ｌｉｆを有する、上述した干渉照明ゾーン９２を画定する。上記のように、読取りヘッド配列２００’’及び２００’’’は、個々のレシーバチャネル配列９８，９９内の一組のレシーバチャネル開口１１０を包含する全体的な長さ寸法「ＬＣＲ」が干渉ゾーン９２の長さ寸法Ｌｉｆ未満であり、且つ干渉フィールド生成格子９５の領域内に完全に入ることを保証し、レシーバチャネル１９０の開口１１０がそれぞれ、所望のフリンジピッチの高品質の干渉フリンジだけを受光することを保証するように設計される。
【００６８】
非常に細かいピッチのスケール格子の場合に、読取りヘッドのための左右揺れの許容範囲が大きく制限される。読取りヘッドの左右揺れに関連するいくつかの要因が、援用される参考文献、特に‘３１５特許に記述される。左右揺れを考慮すると、測定軸に対して垂直な方向に沿ったレシーバチャネル間の離隔を最小限に抑え、結果として、左右揺れが、測定軸方向に沿って、互いに対して空間位相を変更しないようにすることが極めて望ましい。上記のことほどは重要ではないが、測定軸方向に沿ったレシーバチャネル間の離隔を最小限に抑えることも望ましい。したがって、読取りヘッド配列２００’’’は、左右揺れの許容範囲を考慮することに関して、読取りヘッド配列２００’’よりも優れており、それゆえ、正確な左右揺れの位置合わせを達成又は保持することが難しいことがある種々の用途において好ましいことがある。
【００６９】
図７は、光ファイバ読取りヘッド８００によって包括的に表される、本発明による光ファイバ読取りヘッドとともに用いることができる汎用リモート電子インターフェースユニット８０５を含むブロック図を示す。リモート電子インターフェースユニット８０５は、信号処理及び制御ユニット８９３と、オプションのレンズを含むことがある光源８７７と、当該実施形態特有の複数の光センサ／増幅器８９２Ａ〜８９２ｎとを備える。光源８７７は、偏光子、光アイソレータ等の他の光学素子を含むことがある。光源８７７及び光センサ／増幅器８９２Ａ〜８９２ｎはそれぞれ、光源光ファイバ８７０及びレシーバ光ファイバ８３０Ａ〜８３０ｎを通じて、光ファイバ読取りヘッド８００に接続される。光ファイバ８７０及び８３０Ａ〜８３０ｎは、光ファイバ読取りヘッド８００とリモート電子インターフェース８０５との間で光ファイバを束ね、保護する読取りヘッドケーブル８９５の中で配線される。本発明による種々の例示的な実施形態では、読取りヘッドケーブルは、数メートル以上の長さにすることができる。レシーバ光ファイバ８３０Ａ〜８３０ｎはそれぞれ、光信号８９１Ａ〜８９１ｎを搬送する。光信号８９１Ａ〜８９１ｎは、上述され、また後にさらに説明するように与えられる位相信号である。
【００７０】
光源８７７は、電源を供給され、信号処理及び制御ユニット８９３からの利得制御信号を受信することができる。上記のように、光源８７７は、ソース光ファイバ（複数可）８７０を通じて、光を光ファイバ読取りヘッド８００のスケール格子に送光する。上記の光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜１９０Ｃ等の光ファイバ検出器チャネルが、光ファイバ読取りヘッド８００のスケール格子から光を受光し、光センサ／増幅器８９２Ａ〜８９２ｎにそれぞれ入力される信号８９１Ａ〜８９１ｎを与える。光センサ／増幅器８９２Ａ〜８９２ｎは、増幅された出力電子信号８９１Ａ’〜８９１ｎ’を信号処理及び制御ユニット８９３に与える。
【００７１】
図８は、本発明による、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’の１つの例示的な実施形態を示す。光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’は、図５に示される光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００の代わりに用いられてもよく、本発明による種々の他の読取りヘッドの実施形態において用いられてもよい。光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’は、光ファイバ光源１０８０を含み、他の点では、図１を参照して上述した光ファイバレシーバチャネル配列１００と概ね同じように動作し、前述した実施形態の構成要素と同様の構成要素を備える。このように構成及び動作に類似性があることから、共通する要素の説明は省略し、さらに説明する必要がある光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’の特定の特徴だけを以下に説明する。
【００７２】
図８に示されるように、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’は、３つ一組の第１の組の光ファイバレシーバチャネル１０９０Ａ〜１０９０Ｃを備え、それらのチャネルは、上述した光ファイバレシーバチャネル１９０と同じように動作する。一実施形態では、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’は、図６を参照して先に略述されたものと同様の、本発明による「相補対」の光ファイバ読取りヘッドを提供できる。相補対空間位相マスクアセンブリを設けるために、３つ一組のそれぞれ平衡した第２の組の光ファイバレシーバチャネル１０９０Ａ’〜１０９０Ｃ’が設けられ、それぞれ、図に示されるように、個々の光ファイバレシーバチャネル１０９０Ａ〜１０９０Ｃとは、チャネル配列中心２５７の反対側に、「相補対」としては配列される。そのような実施形態では、光ファイバレシーバ開口１０１０上に示される番号対１−１、２−２及び３−３が、相補対を指示することができる。
【００７３】
しかしながら、別の実施形態では、光ファイバレシーバ開口１０１０上に示される番号対１−１、２−２及び３−３は、同じ空間位相を有する光ファイバレシーバチャネルを指示することができる。いずれの場合でも、一定の左右揺れの影響を緩和するために、信号処理の１つの方法では、３つ一組から成る第１及び第２の組の光ファイバ検出器チャネルが別個に信号処理され、それぞれの変位測定値が求められる。その後、それぞれの変位測定値が平均され、それぞれの変位測定値内に存在する場合がある一定の誤差を補償することができる変位測定値が求められる。
【００７４】
また図８には、一部が切り取られて破線で輪郭を描かれている、円筒形のフェルール６０１を含むアセンブリハウジング６００も示される。フェルールの内径は、最密充填の光ファイバ１０３０及び１０７０を覆って、わずかに締り嵌めになるように合わせられる。ファイバはフェルールと、及び互いに結合し、取付面６０２と同一面を成すように研削及び研磨することができ、その後、位相マスク素子１０６１を顕微鏡下でファイバ端と位置合わせして、取付面６０２に対して密着することができる。１つの例示的な実施形態では、位相マスク１０２０は、ファイバ端の最も近くにおいて、位相マスク素子１０６１の「内部」に形成される。六角形の位相マスク素子１０６１は、図９を参照しながら詳細に後述する。
【００７５】
光源１０８０は、ソースファイバ１０７０の端部によって与えられる。この実施形態では、ソースファイバ１０７０は、６３５ｎｍのソース波長において光を放射するための点光源として用いられる単一モードファイバであり、３Ｍ社によって製造される光ファイバ部品番号ＦＳ−ＳＮ−３２２４であり、それは、ＤＳＦ＝２５０マイクロメートルの外径を有する。レシーバ光ファイバ１０３０は全て、市販されている同じ多モード光ファイバであり、コア／クラッディング／バッファＤＲＡ／ＤＲＣ／ＤＲＦが２００／２２０／２５０マイクロメートルであるシリカファイバである。したがって、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’内のソースファイバ及びレシーバファイバは全て、同じ２５０マイクロメートルの外径を有し、それゆえ、高精度且つ経済的に正確に位置合わせし、組み立てることができるようにする有利な最密充填のアセンブリとして配列することができる。この実施形態では、有利な最密充填のアセンブリ配列は、六角形の最密充填のアセンブリ配列である。これらを組み合わせるために、レシーバ光ファイバ１０３０及びソースファイバ１０７０の直径が一致していることが有利である。空間位相マスクアセンブリ１０００’は、１．０ｍｍ以下の直径で提供することができる。これに関連して、アセンブリを収容するフェルール６０１の外径は、容易に１〜２ｍｍ程度に小さくすることができる。コア領域がさらに大きな割合を有し、それゆえ、さらに大量の信号を収集することができるカスタムレシーバファイバを容易に製造することができる。ただし、市販されているファイバよりもわずかに余分なコストがかかる。
【００７６】
図９は、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’において用いることができる１つの例示的な位相マスク素子１０６１を示す。位相マスク素子１０６１は、空間位相マスク１０２０Ａ〜１０２０Ｃ及び１０２０Ａ’〜１０２０Ｃ’を含む。位相マスク１０２０はそれぞれ、不透明である格子バー１０２１を含む。格子バー１０２１は、名目的な厚みｔ及び名目的な幅ｗを有し、透明である基板１０６５の表面１０６２上に配列される。クロム、銅、及びそれらの酸化物が、格子バー１０２１をパターニングするために用いてもよい一般的な材料である。ガラス及び石英が、基板１０６５のために用いてもよい一般的な基板材料である。基板１０６５は、処理中に格子バーへの損傷を避けるために、アクティブマスクエリア外にエッジマージン１０６６を有することができる。効率的にスクライビング及び／又はダイシングできるようにするために、基板は六角形（図示）、円形、長方形、又は正方形を有するので、マスクの周囲にあるエッジマージン１０６６の幅は異なっていてもよい。各位相マスク１０２０Ａ〜１０２０Ｃ及び１０２０Ａ’〜１０２０Ｃ’のアクティブマスクエリアは、格子バー１０２１を含むエリアである。このアクティブマスクは、アセンブリの位置決め変動の追加の許容範囲を余分に見込んで、対応するレシーバ開口１０１０の透明な開口エリアを覆うだけの十分なサイズにすべきである。マスク素子１０６１の中央には、上述した、光ファイバ１０７０からのソース光のための透明な開口１０６４を有する、位置合わせリング１０６３が示される。透明な開口のサイズは、例えば、図８を参照しながら上述した単一モードコア径（概ね４マイクロメートル）よりも数倍大きい。１つの例示的な実施形態では、位相マスク素子１０６１はソーダ石灰ガラスから形成され、０．２５ｍｍの厚み及び２．０ｍｍの幅を有し、それは、約２．０ｍｍの外径を有するフェルール６０１に取り付けるために、かなりのマージンだけ、図８に関して説明されたファイバ配列に張り出している。
【００７７】
マスク格子バー１０２１は、上述したように、干渉フリンジの周期と一致する周期に従って、Ｘ軸方向に沿って周期的に配列される。図示される例示的な位相マスク素子１０６１は、正反対に位置する光ファイバレシーバ開口が光信号変調の同じ位相を受光し、読取りヘッドがスケールに対してＸ方向に動く構成において、６つの光ファイバレシーバチャネルとともに用いるための６つの位相マスク１０２０を有する。位相マスク１０２０は、０度（１０２０Ａ及び１０２０Ａ’）、１２０度（１０２０Ｂ及び１０２０Ｂ’）及び２４０度（１０２０Ｃ及び１０２０Ｃ’）の空間位相を有する。１２０度の空間位相シフトは、上述したフリンジピッチＰｉｆの１／３に対応する。干渉式エンコーダにおいて用いることができる格子バー１０２１で構成される位相マスク素子の場合に、種々の位相マスク１０２０間の境界は、顕微鏡下で容易に視認することができる。格子バー１０２１を用いて、レシーバファイバに対して位相マスク素子１０６１を位置合わせすることができる。
【００７８】
図１０は、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’の別の例示的な実施形態を示す。光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’は、図５に示される光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００の代わりに用いてもよく、本発明による種々の他の読取りヘッドの実施形態において用いてもよい。先に援用された‘３１５特許では、３位相信号処理が記述される。構成及び動作に類似性があることから、さらに説明する必要がある、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’の特定の特徴だけを以下に説明する。
【００７９】
図１０に示されるように、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’は、３つの光ファイバレシーバチャネル１６９０Ａ〜１６９０Ｃを含み、それらのチャネルは、上述した光ファイバレシーバチャネル１９０と同じように動作する。例えば、光ファイバレシーバチャネル１６９０Ａは、レシーバチャネル開口１６１０Ａと、位相マスク１６２０Ａと、レシーバ光ファイバ１６３０Ａ（図示せず）とを備える。他の光ファイバレシーバチャネル１６９０Ｂ及び１６９０Ｃは、同様に番号を付される同様の素子を備える。また、透明な材料の位相マスク素子１６６１、上側Ｖ溝位置合わせ素子７０４及び下側Ｖ溝位置合わせ素子７０５、ソース光ファイバ１６７０の端部によって与えられる光源１６８０も含まれる。他の動作する光ファイバを、その適切な位置に拘束するための有利で、経済的な方法として、ダミー光ファイバ１６３０Ｘがアセンブリに含まれる。
【００８０】
位相マスク素子１６６１は、上述した位相マスク素子１０６１と同じように構成されるが、３位相構成位相マスク１６２０Ａ、１６２０Ｂ及び１６２０Ｃがそれぞれ、レシーバチャネル開口１６１０Ａ、１６１０Ｂ及び１６１０Ｃの位置の上に配置されることが異なり、それらの位置は、それぞれ、上側Ｖ溝位置合わせ素子７０４のＶ溝７０９、及び下側Ｖ溝位置合わせ素子７０５のＶ溝７０７及び７０８によって決定される。種々の例示的な実施形態において、位相マスク１６２０Ａ、１６２０Ｂ及び１６２０Ｃはそれぞれ、０度、１２０度及び２４０度の対応する空間位相を有する。
【００８１】
また図１０には、長方形フェルール７０１を含むアセンブリハウジング７００も示される。長方形フェルール７０１は、上側Ｖ溝位置合わせ素子７０４及び下側Ｖ溝位置合わせ素子７０５がそれらの境界７０６において当接し、適切に位置合わせされて、長方形フェルール７０１を貫通する長方形の穴の中に挿入されるときに、それらの素子上に隙間なく嵌る。１つの例示的な実施形態では、Ｖ溝位置合わせ素子７０４及び７０５は、市販され、電気通信分野において光ファイバを位置合わせするために用いられるタイプの、シリコン製のＶ溝位置合わせ素子である。Ｖ溝７０７〜７０９は、上側Ｖ溝位置合わせ素子７０４及び下側Ｖ溝位置合わせ素子７０５が適切に位置合わせされ、長方形フェルール７０１の中に拘束されるときに、上側溝位置合わせ素子７０４及び下側溝位置合わせ素子７０５内に配置される種々の動作中の光ファイバ１６７０及び１６３０Ａ〜Ｃが、最密充填構成で拘束されるように製造される。
【００８２】
１つの例示的な組立方法では、ファイバは、上側Ｖ溝位置合わせ素子７０４及び下側Ｖ溝位置合わせ素子７０５内に挿入され、位置合わせされて、その後、境界７０６において互いに軽く圧縮されて、長方形フェルール７０１の中に挿入される。種々のファイバ及びＶ溝位置合わせ素子７０４及び７０５をフェルール７０１に及び互いに結合し、その後、Ｖ溝位置合わせ素子７０４及び７０５の前面と同一面を成すように研磨することができる。位相マスク素子１６６１は、顕微鏡下でファイバ端に位置合わせし、Ｖ溝位置合わせ素子７０４及び７０５、及び／又はフェルール７０１の前面に結合することができる。１つの例示的な実施形態では、位相マスク１６２０Ａ〜Ｃは、ファイバ端の最も近くにおいて、位相マスク素子１６６１の「内部」に形成される。本発明による読取りヘッドにおいて、上述した原理に従って、光源１６８０がソース格子８５と位置合わせされ、光ファイバレシーバチャネル１６９０が、干渉フィールド生成格子９５、干渉照明ゾーン９２及びフリンジ２６６と位置合わせされる。光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’は、概ね３ミリメートル、又は２ミリメートル、さらにはそれよりも小さな全幅及び全高寸法を有することができる。
【００８３】
光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’の構成は、先に略述されたように、左右揺れに関して有利である。必要に応じて、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’を利用する読取りヘッドは、光源１６８０がレシーバチャネル構成の片側に位置にするにもかかわらず、スケール格子から反射回折される光がレシーバチャネル１６９０Ａ〜１６９０Ｃ上に直に入るように、わずかに「ロール」角を付けて実装又は位置合わせすることができる。
【００８４】
図１１は、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’’を示しており、それは、Ｖ溝位置合わせ素子を用いる図１０の光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’をさらに変形したものである。構成及び動作に類似性があることから、さらに説明する必要がある光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’’の態様だけを以下に説明する。
【００８５】
光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’’は、３位相システムを提供する、３つの光ファイバレシーバチャネル１１９０Ａ〜１１９０Ｃを含む。アセンブリ１０００’’’はさらに、ソース光ファイバ１６７０の端部よって与えられる光源１６８０を備える。また、４つのＶ溝１１３０のアレイを含む上側Ｖ溝位置合わせ素子１１２０、及び４つのＶ溝１１３２のアレイを含む下側Ｖ溝位置合わせ素子１１２２も含む。組み立てられるときに、上側Ｖ溝位置合わせ素子１１２０及び下側Ｖ溝位置合わせ素子１１２２は、ソース光ファイバ１６８０、及びレシーバチャネル１１９０Ａ〜１１９０Ｃの３つのレシーバ光ファイバを確実に収容するために、４つの菱形の機構を形成する。空間位相マスクアセンブリ１０００’’’は、ハウジング１１３１内に入れられることがある。
【００８６】
また、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’’の構成も、左右揺れに関して有利である。空間位相マスクアセンブリ１０００’’’を、左右揺れに対してさらに影響を受けにくくするために、種々の実施形態では、破線の輪郭によって指示される長方形の領域１１５０及び１１５０’が、光を遮断するマスク素子を含むことができる。これは、実質的には、レシーバチャネル配列を測定軸方向に対して垂直な方向に沿って狭くする。必要に応じて、光ファイバ空間位相マスクアセンブリ１０００’’’を利用する読取りヘッドは、光源１６８０がレシーバチャネル構成の端に位置にするにもかかわらず、スケール格子から反射回折される光がレシーバチャネル１１９０Ａ〜１１９０Ｃ上に直に入るように、わずかに「ピッチ」角を付けて実装又は位置合わせすることができる。
【００８７】
図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、種々の対応する空間位相マスクアセンブリにおいて用いることができるレシーバチャネル１９０及び光ファイバ光源２８０の種々の代替の構成を概略的に示す。それぞれの構成の場合に、個々の空間位相マスク１２２０（１２２０Ａ、Ｂ又はＣ）が、種々のレシーバチャネル１９０に、番号１〜３によって表される種々の空間位相を与えるように配置される。それぞれの構成の場合に、同じ空間位相を有するレシーバチャネル１９０は、その出力信号を加算される。これらの種々の構成が、本発明による種々の読取りヘッドにおいて用いられるときに、上述した原理に従って、光源２８０がソース格子８５と位置合わせされ、光ファイバレシーバチャネル１９０が、干渉フィールド生成格子９５、干渉照明ゾーン９２及びフリンジ２６６と位置合わせされる。
【００８８】
図１２（Ａ）は、光源チャネル２８０と列を成して設けられる光ファイバレシーバチャネル１９０の直線配列１２２０Ａを示す。それぞれ１〜４の番号を付されるレシーバチャネル１９０は、それぞれ０度、９０度、１８０度及び２７０度の相対的な空間位相を有することができる。すなわち、レシーバチャネル１及び３は相補対を成すことができ、レシーバチャネル１及び４は相補対を成すことができる。結果として生成される信号を上述したように処理して、２つの直交信号を与えることができ、それらの信号を既知の技法に従ってさらに処理して、変位を求めることができる。
【００８９】
図１２（Ｂ）は、３つ一組から成る２組の光ファイバレシーバチャネル１９０の直線配列１２２０Ｂを示しており、それら２組のチャネルは、光源チャネル２８０に隣接して対称に配列される。図１２（Ｂ）では、位相１、２及び３（又は１’、２’及び３’）間の空間位相差は１２０度である。図１２（Ｃ）は、３列１２００Ａ〜１２００Ｃを含む配列１２２０Ｃを示しており、各列は３つ一組から成る２組の光ファイバレシーバチャネル１９０を有する。各列は、光源２８０に対して対称に配列される２つの組（３−２−１及び１−２−３）を含む。
本実施形態では、個々の組からの信号は、各組が、所望により、位置／変位の個別の計算値を与えるように処理することができる。次に、各列内の２つの組からの変位結果を平均することができる。その後、結果として生成された３つの変位値を用いて、スケール格子に対する読取りヘッドの左右揺れ（Ｚ軸を中心にした回転）の量を指示することができ、且つ／又は、所望により、平均して「最終的な」変位値を与えることができる。こうして、それぞれが位置／変位を個別に求めることが可能な３列もの光ファイバレシーバチャネルを用いて、読取りヘッド位置測定全体をさらに強化することができる。
【００９０】
なお、スケール格子８０が、非常に細かいピッチ、例えば約０．６マイクロメートル若しくは０．４マイクロメートル、又はそれよりも小さいピッチを有するとき、極めて小量の左右揺れによる位置合わせ不良によって、読取りヘッドが不正確になるか、又は動作できなくなることがある。Ｘ方向（測定軸方向）に沿って位置合わせされた光ファイバレシーバチャネルの動作可能な列の場合、所与の左右揺れによる回転の場合に生成される誤差は、Ｘ方向に沿って位置合わせされない光ファイバレシーバチャネルの動作可能な列の場合よりも小さい。他の実施形態では、レシーバチャネルの「準備ができている」組を除くことができ、「準備できていない」レシーバチャネルの３つの列を依然として用いて、３つの個別の変位値を与えることができ、それらの値はその後、先に示されたように用いることができる。
【００９１】
上記の例は、本発明によれば、光ファイバレシーバチャネル及び光源チャネルの種々の配列が実現可能であることを示す。例えば、その構成は、図１０及び図１１の場合のような、ただ一組の光ファイバレシーバチャネルを含むことがあるか、図１２（Ａ）の場合のような、相補対を成す一組の光ファイバレシーバチャネルを含むことがあるか、又は図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）の場合のような、平衡した光ファイバレシーバチャネルを含むことがある。さらに、図１２（Ｃ）に示されるように、複数の平衡した組を設けることもできる。本発明の種々の例示的な実施形態によれば、上記のように、収容される光ファイバの数及びそれらの構成に応じて、種々の組み合わせにおいて、これらの光ファイバレシーバチャネル及び光源チャネル（複数可）を密集するように組み合わせて、それらの集合体の断面が、２５０マイクロメートル、５００マイクロメートル、７５０マイクロメートル、１０００マイクロメートル又は１２５０マイクロメートルのＸ方向に沿った寸法、及び５０μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、２００μｍ又は２５０μｍのＹ方向に沿った寸法内に収容されるようにすることができる。
【００９２】
図１３は、本発明の原理に従って実装される光ファイバ読取りヘッド２０００の組立分解図を示す。これまでに例示された実施形態とは対照的に、光ファイバ読取りヘッド２０００は、以下に説明するように、「偏向された」光路を含む。読取りヘッド２０００は、一実施形態では図１１を参照して説明された空間位相マスクアセンブリ１０００’’’と同様に、又は全く同じにすることができる空間位相マスクアセンブリ１０００’’’’と、図５（Ｂ）を参照して上述した原理に従って設計される光学ブロック８９’とを備える。一般的に、偏向された光路を除いて、読取りヘッド２０００の設計及び動作は、図５に示される読取りヘッド２００’の設計及び動作の説明を基にして理解することができる。したがって、ここでは、明らかな違い及び重要な機構だけを説明する。
【００９３】
詳細には、光学ブロック８９’は、図５（Ｂ）に示される光学ブロック８９に対して破線９３’によって指示されるのと概ね同じ位置に、光学ブロック８９’に対して配置される、角度が付いた鏡面９３を含む。図５を参照して上述した、素子１０５、８５、９５と同じようにして機能する格子素子が、破線の輪郭で概ね指示される、格子領域８５９５において、光学ブロック８９’の上側背面９７上に配列される。図１３に示される実施形態では、格子素子の溝は垂直に位置合わせされる。表面９３の平面は、上側背面９７の平面に対して４５度の角度を成すことができる。
【００９４】
本実施形態では、空間位相マスクアセンブリ１０００’’’’は、図１３に示されるように、格子領域８５９５に当接するまで、取付ブラケット３０００内に位置する穴の中に挿入することができる。光学ブロック８９’及び／又は格子領域８５９５の周辺構成要素は、所望により、取付ブロック３０００の前面３００２に結合することができ、空間位相マスクアセンブリ１０００’’’’は、格子領域８５９５内の格子と適切に位置合わせされ、適所に結合することができる。格子領域８５９５内の格子は、上述した原理に従って、空間位相マスクアセンブリ１０００’’’’の光源及びレシーバチャネルに対して位置合わせすることができる。取付ブラケット３０００は不可欠な機構ではなく、種々の実施形態において、空間位相マスクアセンブリ１０００’’’’は光学ブロック８９’及び／又は格子領域８５９５に直に固定できる。
【００９５】
動作中に、空間位相マスクアセンブリ１０００’’’’の光源からのソース光は最初に、ソース光軸２５１’に沿って位置合わせされるであろう。図１３では、基準線が、ソース光軸から延在し、表面９３において「偏向される」が、それは単に、表面９３の作用及び向きを視覚化するのを助けることを目的としている。種々の実施形態において、ソース光軸２５１’に沿ってソース格子の先に光が投影されることはほとんど又は全くない。格子領域８５９５内のソース格子では、上述したように、＋／−１次光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂが生成される。光ビーム１５４Ａ及び１５４Ｂは表面９３に向かって進み続けて、光学ブロック８９’の側面に向かって下方に偏向され、光学ブロック８９’において、それらのビームは、図に示されるように、基板８１’’の上に又は中に設けられるスケール格子８０’’に向かって集光するように反射される。上述した原理に従って、それらのビームは、光ビーム２５４Ａ及び２５４Ｂとして、スケール格子８０’’から反射回折され、概ね同じ経路に沿って戻る。図１３には、種々の光ビームの中央光線のみが示されている。しかしながら、各ビームは、上述した原理に従って、空間位相マスクアセンブリ１０００’’’’の光レシーバチャネル開口の全てを覆う干渉フリンジのフィールドを与えるために、わずかに発散している光線を含む。読取りヘッド２０００の設計及び動作の他の態様は、先の説明から類推して考えられる通りである。
【００９６】
図１３に示されるスケール格子８０’’は、円形ロータリエンコーダの一部を形成し、円形の測定軸８２の方向に沿って、光ファイバ読取りヘッド２０００に対して動く。
【００９７】
読取りヘッド２０００の構成は、ロータリスケール格子構成とともに用いる場合に限定されない。それは、本明細書において図示又は説明された他のスケール格子構成とともに、又はそうでなくても本発明に適合する他のスケール格子構成とともに、利用することもできる。
【００９８】
ロータリスケール格子８０’’が曲がっていることによって、ロータリスケール格子８０’’から生じる干渉フリンジの精度がわずかに劣化することがあり、それゆえ、測定精度が幾分劣化することがある。しかしながら、種々の例示的な実施形態において、ロータリスケール格子８０’’上の照明スポットは極めて小さくすることができ、結果として生成される干渉フリンジは、それでも多くの実用的な用途にとって十分である。詳細には、種々の例示的な実施形態において、小さな格子ピッチ、例えば約１．０マイクロメートル以下のピッチを有し、且つ約２５ｍｍ以上の直径を有するロータリスケール格子８０’’が、本発明による光ファイバ読取りヘッドとともに用いられるときに、同様の直線的なスケール格子に匹敵する測定性能を提供することができる。ロータリスケール格子８０’’は、図示されるような読取りヘッド２０００の構成とともに、又はさらに一般的には、本明細書において図示又は説明される光ファイバ読取りヘッドの任意の他の実施形態とともに利用することができる任意の直線的なスケール格子８０の代わりとして用いることができる。
【００９９】
本発明は、以上のように略述された例示的な実施形態とともに説明してきたが、上記の実施形態及び設計要因が、さらなる代替の実施形態、変更形態及び変形形態を指示することが明白であることは、当業者には明らかである。したがって、これまでに述べられたような本発明の実施形態は、例示することを意図しており、限定することは意図していない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、変位検出用の光エンコーダとして利用することができ、より詳細には、受光素子として光ファイバを利用して超小型高精度のシステムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明による、光ファイバレシーバチャネル配列の第１の包括的な実施形態の等角図である。
【図２】本発明による、種々の例示的な光ファイバ読取りヘッドにおいて用いることができる干渉測定配列の第１の包括的な実施形態の特定の素子の等角図である。
【図３】干渉測定配列によって生成される干渉フリンジフィールドを特に示す、図２の第１の包括的な干渉測定配列のさらに別の特定の素子の等角図である。
【図４】本発明による、位相スケール格子の第１の例示的な実施形態の格子構造を示す等角図である。
【図５】本発明の原理による、スケール格子に対して動作可能に配置される種々の光ビームのうちの１つの例示的な構成を示す図であり、（Ａ）は本発明による１つの例示的な光ファイバ読取りヘッドのＸ−Ｚ平面における概略図、（Ｂ）はそのＹ−Ｚ平面における図である。
【図６】本発明による、光ファイバ読取りヘッドにおいて用いることができる格子配列を示す図であり、（Ａ）は第１の格子配列を示す図、（Ｂ）は第２の格子配列を示す図である。
【図７】本発明による、光ファイバ読取りヘッドとともに用いることができるリモート電子インターフェースユニットを含むブロック図である。
【図８】本発明による、光ファイバ読取りヘッド配列の一実施形態の、一部を正投影図で示す等角図である。
【図９】本発明による、種々の光ファイバ読取りヘッド配列において用いることができる１つの例示的な位相マスク素子を示す図である。
【図１０】本発明による、光ファイバ読取りヘッド配列の別の実施形態を示す図である。
【図１１】本発明による、光ファイバ読取りヘッド配列のさらに別の実施形態を示す図である。
【図１２】本発明による、さらに別の光ファイバ配列を示す概略図である。
【図１３】偏向された光路を含む、本発明による、光ファイバ読取りヘッド配列の組立分解図である。
【符号の説明】
【０１０２】
８０…スケール格子
８２…測定軸
８３…フリンジピッチ
８４…スケール格子周期
８５…ソース格子
８６…ソース格子ピッチ
８７…光遮断素子
８７’…光遮断ブロック
８８Ａ，Ｂ…サイドミラー
８９…光学ブロック
９５…干渉フィールド生成格子
９６…干渉フィールド生成格子ピッチ
９８，９９…レシーバチャネル配列
１００…光ファイバレシーバチャネル配列
１０５…格子基板
１１０，１１０Ａ〜Ｃ…レシーバチャネル開口
１２０，１２０Ａ〜Ｃ…空間位相マスク
１３０，１３０Ａ〜Ｃ…レシーバ光ファイバ
１５４Ａ，Ｂ…ソース光ビーム
１５５Ａ，Ｂ…光路
１６０…受光面
１６１…位相マスク素子
１９０，１９０Ａ〜Ｃ…光ファイバレシーバチャネル
１９１…光信号
２００…ヘッド配列
２５０…ソース光
２５１…ソース光軸
２５３…照明スポット
２５４Ａ，Ｂ…スケール光ビーム
２６５…光線
２６６…干渉フリンジ
２８０…光ファイバ光源
６００，７００…アセンブリハウジング
８００…ヘッド
８０５…リモート電子インターフェースユニット
８７０…光源光ファイバ
８７７…光源
８９３…制御ユニット
８９５…ヘッドケーブル
１０００…光ファイバ空間位相マスクアセンブリ
１０１０…光ファイバレシーバ開口
１０２０…位相マスク
１０２１…マスク格子バー
１０３０…レシーバ光ファイバ
１０６１…位相マスク素子
１０６２…表面
１０６３…リング
１０６４…開口
１０６５…基板
１０７０…ソースファイバ
１０８０…光ファイバ光源
１０９０Ａ〜Ｃ…光ファイバレシーバチャネル
１６１０Ａ〜Ｃ…レシーバチャネル開口
１６２０Ａ〜Ｃ…位相マスク
１６３０Ｘ…ダミー光ファイバ
１６３０Ａ〜Ｃ…レシーバ光ファイバ
１６６１…位相マスク素子
１６７０，１６８０…ソース光ファイバ
１６９０，１６９０Ａ，Ｂ…光ファイバレシーバチャネル
２０００…ヘッド
【図１】
2008032726.tif 000010
【図２】
2008032726.tif 000011
【図３】
2008032726.tif 000012
【図４】
2008032726.tif 000013
【図５】
2008032726.tif 000014
【図６】
2008032726.tif 000015
【図７】
2008032726.tif 000016
【図８】
2008032726.tif 000017
【図９】
2008032726.tif 000018
【図１０】
2008032726.tif 000019
【図１１】
2008032726.tif 000020
【図１２】
2008032726.tif 000021
【図１３】
2008032726.tif 000022