(57)【要約】      （修正有）【課題】偏光要素を使用することなしに、走査信号の生成を可能とする光学エンコーダ。【解決手段】エンコーダは、反射スケール本体２０およひ走査ユニット１０を有する。光源１１によって放射されたビーム束は、コリメータ光学系１２によって平行なビーム束に変換され、回折されないで走査板１３の支持基板１３．１を通過し、反射スケール２２に入射する。走査ユニット１０は、入射ビーム束がスケール２２で二回反射されてから検出要素１６．１、１６．２、１６．３で検出されるように、走査格子１４．３、１４．４、１４．５および反射要素１５．１、１５．２は、支持基板基板１３．１に形成される。【選択図】図１ｂ
2008070363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査ユニットとこの走査ユニットに対して少なくとも１つの測定方向（ｘ）に移動する反射スケール本体との相対位置を検出するエンコーダにあって、この場合、走査ユニットは、多数の光学要素、すなわち少なくとも１つの逆反射要素，少なくとも１つの結合格子，少なくとも１つの走査格子及び多数の検出要素を有し、この場合、走査ユニット内の光学要素は、
−走査ビーム路のビーム束及び／又は部分ビーム束が、反射スケール本体に少なくとも２回照射し、この場合、一方では入射するビーム束及び／又は部分ビーム束によって、他方では反射する部分ビーム束によって、反射スケール本体の平面に対して垂直にある平面がその都度形成されること、
−逆反射要素上に入射した部分ビーム束が、この逆反射要素によって測定方向（ｘ）に対して垂直に反射スケール本体に向かって回折すること、及び
−一対の部分ビーム束が、結合格子上に非平行に照射し、この結合格子は、この結合格子上に入射した部分ビーム束を干渉させ、その結果、検出要素が、移相している信号を検出するように配置されているエンコーダ。
【請求項２】
一対の部分ビーム束が、光学軸線（ＯＡ）に対して同じ角度（α１，α２）で対称に結合格子上に照射する請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
結合格子は、透過格子として形成されていて、照射した部分ビーム束が、コリメートされて出射する多数の回折ビーム束に回折され、これらの回折ビーム束は、後続に配置された検出要素に照射することを保証する程度の目盛周期（ＴＰVG）を有する請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項４】
コリメートされて出射する回折次数のうちの１つの部分ビーム束が目盛面に対して垂直に伝搬するように、入射する部分ビーム束が回折するように、結合格子が構成されている請求項３に記載のエンコーダ。
【請求項５】
結合格子は、位相格子として形成されていて、120 °だけ移相した３つの信号が、後続配置された検出要素上で検出可能であるように、ウェブの高さ及びウェブの幅が寸法きめされている請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
結合格子及び検出要素が、構造化された検出配置として構成されている請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項７】
結合格子は、場所に依存する回折格子として構成されている請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項８】
走査ユニットは、多数の走査格子及び少なくとも１つの結合格子を有し、これらの格子は、ミラー対称に配置されていて、この場合、対称面は、測定方向に対して垂直にかつ光学軸線に対して平行に指向されている請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項９】
屋根型プリズムとして形成された逆反射要素が、走査ユニット内に配置されていて、この逆反射要素の稜線が、測定方向（ｘ）に対して平行に指向されている請求項１〜８のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１０】
逆反射要素は、走査ユニット内に多数の組み合わせられた回折要素／レンズ要素及び少なくとも１つの平坦な反射要素を有し、レンズ要素の焦点面が、少なくとも１つの平坦な反射要素の平面内にある請求項１〜９のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
レンズ要素が、回折レンズ要素として構成され、回折要素が、走査格子として構成され、同時に組み合わせられた回折格子−レンズ要素として構成されている請求項１０に記載のエンコーダ。
【請求項１２】
レンズ要素は、シリンダーレンズの形態の回折レンズ要素として構成されていて、これらの回折レンズ要素は、反射スケール本体の線方向（ｙ）に焦点合わせ作用を有することを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ。
【請求項１３】
レンズ要素は、シリンダ対称なレンズ要素の形態の回折レンズ要素として構成されていて、これらのレンズ要素は、反射スケール本体の線方向（ｙ）に及び測定方向（ｘ）に焦点合わせ作用を有する請求項１０に記載のエンコーダ。
【請求項１４】
逆反射要素が、平行平面な支持基板を有し、この支持基板上では、多数の格子が、反射スケール本体に面した側面に配置されていて、少なくとも１つの平坦な逆反射要素が、反射スケール本体に面さない側面に配置されている請求項１０に記載のエンコーダ。
【請求項１５】
両部分ビーム束が、結合格子の照射地点で一緒に照射する請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項１６】
少なくとも１つの逆反射要素が、一体構造として支持要素上に構成されている請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項１７】
走査ユニットは、多数の走査格子及び少なくとも１つの結合格子を有し、これらの格子は、ミラー対称に配置されていて、この場合、対称面は、測定方向（ｘ）に対して垂直にかつ光学軸線（ＯＡ）に対して平行に指向されている請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項１８】
光源（１１）から放出され、コリメータ光学系（１２）によるコリメーション後のビーム束が、
−反射スケール本体（２０）上に最初に照射し、この反射スケール本体（２０）で走査ユニット（１０）に向かって再反射する２つの部分ビーム束に分割し、これらの部分ビーム束は、２つの異なる回折次数に対応し、
−これらの反射した両部分ビーム束は、走査ユニット（１０）内で逆反射要素によって反射スケール本体（２０）の方向に再反射し、この場合、これらの部分ビーム束はそれぞれ、走査格子（１４．１，１４．２，１４．３，１４．４）を再び通過し、
−反射スケール本体（２０）上に再び照射した部分ビーム束が、新たに回折し、走査ユニット（１０）の方向に再反射し、
−反射した少なくとも一対の部分ビーム束が、走査ユニット（１０）内で光学軸線（ＯＡ）に対して対称な角度（α１，α２）で結合格子（１４．５）の同じ地点に照射するように、走査ユニット（１０）が構成されている請求項１〜１６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１９】
光源（１１１；２１１；３１１；７１１）から放出され、コリメータ光学系（１１２；２１２；３１２；７１２）によるコリメーション後のビーム束が、
−走査ユニット（１１０；２１０；３１０；７１０）内の分割格子（１１４．６；２１４．６；３１４．６；７１４．６）によって少なくとも２つの部分ビーム束に分割し、これらの部分ビーム束は、２つの異なる回折次数に対応し、これらの部分ビーム束が、反射スケール本体（１２０；２２０；３２０；７２０）の方向に伝播し、
−次いでこれらの部分ビーム束が、反射スケール本体（１２０；２２０；３２０；７２０）の異なる地点上に最初に照射し、これらの異なる地点でそれぞれ走査ユニット（１１０；２１０；３１０；７１０）に向かって反射する多数の部分ビーム束に分割し、これらの部分ビーム束は、異なる回折次数に対応し、
−これらの少なくとも２つの反射した部分ビーム束が、走査ユニット（１１０；２１０；３１０；７１０）内で逆反射要素によって反射スケール本体（１２０；２２０；３２０；７２０）の方向に反射し、この場合、これらの部分ビーム束が、走査格子（１１４．１〜１１４．４；２１４．１〜２１４．４；３１４．１〜３１４．４；７１４．１〜７１４．４）を再び通過し、
−反射スケール本体（１２０；２２０；３２０；７２０）の異なる地点上に再び照射した部分ビーム束が、走査ユニット（１１０；２１０；３１０；７１０）の方向に新たに回折して再反射し、
−少なくとも一対の反射した部分ビーム束が、走査ユニット（１１０；２１０；３１０；７１０）内で光学軸線（ＯＡ）に対して対称な角度（α１，α２）で結合格子（１１４．５；２１４．５；３１４．５；７１４．５）の同じ地点上に照射するように、走査ユニット（１１０；２１０；３１０；７１０）が構成されている請求項１〜１７のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項２０】
−走査ユニット（２１０）内の走査格子（２１４．１〜２１４．４）が、フレネルシリンダレンズとして構成されていて、このフレネルシリンダレンズの焦線が、反射要素（２１５．１，２１５．２）の平面内にあり、
−分割格子（２１４．６）の目盛周期（ＴＰAG0 ）が、結合格子（２１４．４）の目盛周期（ＴＰAG1 ）と同一に及び反射スケール本体（２２０）の目盛周期（ＴＰM ）と同一に選択されている請求項１９に記載のエンコーダ。
【請求項２１】
走査ユニット（３１０；７１０）の方向に再反射する部分ビーム束が、走査格子（３１４．１〜３１４．４；７１４．１〜７１４．４）上に最初に照射する前に交差するように、反射スケール本体（３２０；７２０）の目盛周期（ＴＰM ）が選択されている請求項１９に記載のエンコーダ。
【請求項２２】
反射スケール本体（３２０；７２０）の目盛周期（ＴＰM ）は、使用される光源（３１１；７１１）の波長（λ）より小さく選択されている請求項２１に記載のエンコーダ。
【請求項２３】
少なくとも１つの逆反射要素が、組み合わせられた回折要素／レンズ要素として構成されている請求項２０に記載のエンコーダ。
【請求項２４】
光源（４１１）から放出され、コリメータ光学系（４１２）によるコリメーション後のビーム束が、
−分割格子（４１４．６）によって２つの部分ビーム束に分割され、
−次いでこれらの部分ビーム束が、分割補助格子（４１４．７）上に達し、反射スケール本体（４２０）の方向に伝播する部分ビーム束が、反射スケール本体（４２０）の同じ照射地点上に照射するように、これらの部分ビーム束の少なくとも一部が、この分割補助格子によって回折され、
−反射スケール本体（４２０）上に照射する部分ビーム束がそれぞれ、走査ユニット（４１０）に向かって反射する多数の部分ビーム束に分割され、これらの部分ビーム束が、異なる回折次数に対応し、
−反射した少なくとも２つの部分ビーム束が、走査ユニット（４１０）内で逆反射要素によって反射スケール本体（４２０）の方向に再反射し、この場合、これらの部分ビーム束がそれぞれ、走査格子（４１４．１，４１４．２，４１４．３，４１４．４）を再び通過し、
−反射スケール本体（４２０）の同じ地点上に再び照射した部分ビーム束が、走査ユニット（４１０）の方向に新たに回折して再反射し、
−反射した少なくとも一対の部分ビーム束が、走査ユニット（４１０）内で結合補助格子（４１４．４）の異なる地点上に照射し、これらの異なる地点で新たに回折して分割し、その結果、伝播する少なくとも２つの部分ビーム束が、光学軸線に対する対称な角度で結合格子（４１４．８）の同じ地点上に照射するように、走査ユニット（４１０）が構成されている請求項１〜１７のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項２５】
光源（５１１）から放出され、コリメータ光学系（５１２）によるコリメーション後のビーム束が、
−照射回折格子として構成されている反射スケール本体（５２０）上に最初に照射し、この反射スケール本体（５２０）で走査ユニット（５１０）に向かって反射する２つの部分ビーム束に分割し、これらの部分ビーム束は、２つの異なる回折次数に対応し、
−反射した両部分ビーム束が、走査ユニット（５１０）内で逆反射要素によって反射スケール本体（５２０）の方向に反射し、この場合、これらの部分ビーム束がそれぞれ、走査格子（５１４．１，５１４．２，５１４．３，５１４．４）を再び通過し、この走査格子（５１４．１，５１４．２，５１４．３，５１４．４）を最初に通過した時に、これらの部分ビーム束を平坦な反射要素（５１５）の同じ照射地点上に焦点合わせし、
−反射スケール本体（５２０）上に再び照射した部分ビーム束が、走査ユニット（５１０）の方向に新たに回折して反射し、
−反射した少なくとも一対の部分ビーム束が、走査ユニット内で光学軸線（ＯＡ）に対して対称な角度で結合格子（５１４．５）の同じ地点に照射するように、走査ユニット（５１０）が構成されている請求項１〜１６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分解能の光学エンコーダが、国際特許出願公開02/23131号明細書から公知である。この光学エンコーダは、例えばリニア照射スケールとして構成された反射スケール本体に加えて、少なくとも１つの測定方向にシフト可能な走査ユニットを有する。走査格子に加えて、多数の光電検出要素及び逆反射体の形態の少なくとも１つの光学偏向要素又は光学反射要素も、走査ユニットの側面上に配置されている。反射スケール本体によって１回反射した部分ビーム束が、この反射要素によって反射スケール本体の方向に再反射する。最終的に、干渉部分ビーム束が、検出器に達し、これらの検出器でシフトに依存した変調走査信号を生成する前に、引き続きこの部分ビーム束は、この反射スケール本体で再反射する。この反射要素は、この種類のエンコーダでは光学逆反射体の機能を備えた屋根型プリズムとして構成されていて、その屋根型部分が、測定方向に対して平行に指向されている。この場合、屋根型プリズムは、逆反射体として測定方向ｘに対して垂直に指向されている方向に作用する。移相している走査信号を生成するため、λ／４板の形態の偏光遅延要素及び偏光器が、走査ビーム路内で検出要素の前方に配置されている。しかしながらこのような偏光要素は、基本的に複雑さを増大させ、それ故に構成されたエンコーダに応じたコストも増大させる。
【０００３】
逆反射体要素によって反射スケール本体に２回当たる別の光学エンコーダが、ヨーロッパ特許出願公開第0 387 520 号明細書から公知である。この走査構成では、部分ビーム束を反射スケール本体の破線方向に傾けてこの反射スケール本体に入射させることが必要である。これによって、走査距離に関して比較的僅かな許容差が、このエンコーダ内で実現される。
【０００４】
さらにこのようなエンコーダは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第42 01 511 号明細書に記されている。この明細書から公知のエンコーダも、偏光要素を走査ビーム路内に必要とする。それ故に、異なる回折効果をスケール本体の両偏光軸線に対して考慮する必要がある。スケール本体の位置の通過後のこれらの回折効果の挙動が非常に変動しうるので、それ故に２つの追加のλ／２板を走査ビーム路内に挿入することが提唱される。その結果、他方ではこのようなシステムの経費又はコストが著しく増大する。さらに、ビーム束が、スケール本体での両反射時に両偏光軸線に対して同じ回折効果で回折される場合だけ、信号の改良がこの方式で可能である。しかし実際には、スケール本体での第１反射から第２反射にかけたビーム束の移動を考慮する必要があり、異なる回折挙動が、両反射箇所で存在するので、この場合はない。
【特許文献１】国際特許出願公開02/23131号明細書
【特許文献２】ヨーロッパ特許出願公開第0 387 520 号明細書
【特許文献３】ドイツ連邦共和国特許出願公開第42 01 511 号明細書
【特許文献４】ドイツ連邦共和国特許出願第10 2005 029 917.2 号明細書
【特許文献５】ヨーロッパ特許第163 362 号明細書
【特許文献６】ヨーロッパ特許第446 691 号明細書
【特許文献７】ドイツ連邦共和国特許出願公開第100 22 619号明細書
【特許文献８】米国特許第549226号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、偏光要素を使用することなしに移相している走査信号の生成を可能にする光学エンコーダを提供することにある。さらにこのエンコーダは、走査距離の起こりうる変動に対して可能な限り誤差に鈍感でなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、本発明により、請求項１に記載の特徴を有するエンコーダによって解決される。
【０００７】
本発明のエンコーダの好適な構成は、従属請求項に記載の手段によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
走査ユニットとこの走査ユニットに対して少なくとも１つの測定方向に移動する反射スケール本体との相対位置を検出する本発明のエンコーダは、走査ユニット側に多数の光学要素、すなわち少なくとも１つの逆反射要素，少なくとも１つの結合格子，少なくとも１つの走査格子及び多数の検出要素を有する。走査ユニット内の光学要素は、
−走査ビーム路のビーム束及び／又は部分ビーム束が、反射スケール本体に少なくとも２回照射し、この場合、一方では入射するビーム束及び／又は部分ビーム束によって、他方では反射する部分ビーム束によって、反射スケール本体の平面に対して垂直にある平面がその都度形成されること、
−逆反射要素上に入射した部分ビーム束が、この逆反射要素によって測定方向（ｘ）に対して垂直に反射スケール本体に向かって回折すること、及び
−一対の部分ビーム束が、結合格子上に非平行に照射し、この結合格子は、この結合格子上に入射した部分ビーム束を干渉させ、その結果、検出要素が、移相している信号を検出するように、特に配置されている。
特に一対の部分ビーム束が、光学軸線に対して同じ角度で対称に結合格子上に照射する。      
【０００９】
可能な実施形では、結合格子は、透過格子として形成されていて、照射した部分ビーム束が、コリメートされて出射する多数の回折ビーム束に回折され、これらの回折ビーム束は、後続に配置された検出要素に照射することを保証する程度の目盛周期を有する。
この場合、コリメートされて出射する回折ビーム束のうちの１つの回折ビーム束が目盛面に対して垂直に伝播するように、入射した部分ビーム束が回折される程度に、結合格子が特に形成されている。
【００１０】
さらに結合格子は、位相格子として形成され得る。この位相格子の場合、120 °だけ移相した３つの信号が、後続配置された検出要素上で検出可能であるように、ウェブの高さ及びウェブの幅が寸法きめされている。可能な実施形では、結合格子及び検出要素が、構造化された検出配置として構成されている。
【００１１】
この結合格子は、場所に依存する回折格子として構成されている。
さらに走査ユニットは、多数の走査格子及び少なくとも１つの結合格子を有し得る。この場合、これらの格子は、ミラー対称に配置されている。この場合、対称面は、測定方向に対して垂直にかつ光学軸線に対して平行に指向されている。
【００１２】
可能な別形態では、屋根型プリズムとして形成された逆反射要素が、走査ユニット内に配置され得る。この逆反射要素の稜線が、測定方向に対して平行に指向されている。
代わりに逆反射要素は、走査ユニット内に多数の組み合わせられた回折要素／レンズ要素及び少なくとも１つの平坦な反射要素を有してもよい。この場合、レンズ要素の焦点面が、少なくとも１つの平坦な反射要素の平面内にある。
【００１３】
この場合、レンズ要素が、回折レンズ要素として構成され、回折要素が、走査格子として構成され、同時に組み合わせられた回折格子−レンズ要素として構成されてもよい。
このような別形態では、レンズ要素が、シリンダーレンズの形態の回折レンズ要素として構成され得る。これらの回折レンズ要素は、反射スケール本体の線方向に焦点合わせ作用を有する。
【００１４】
さらに、レンズ要素をシリンダ対称なレンズ要素の形態の回折レンズ要素として構成することが可能である。これらのレンズ要素は、反射スケール本体の線方向に及び測定方向に焦点合わせ作用を有する。
【００１５】
別の別形態では、逆反射要素が、平行平面な支持基板を有し得る。この支持基板上では、多数の格子が、反射スケール本体に面した側面に配置されていて、少なくとも１つの平坦な逆反射要素が、反射スケール本体に面さない側面に配置されている。
【００１６】
可能な実施形では、好ましくは両部分ビーム束が、結合格子の照射地点で一緒に照射できる。
【００１７】
さらに少なくとも１つの逆反射要素は、一体構造として支持要素上に構成され得る。
別の実施形では、走査ユニットが、多数の走査格子及び少なくとも１つの結合格子を有する。この場合、これらの格子は、ミラー対称に配置されていて、対称面が、測定方向に対して平行にかつ光学軸線に対して平行に指向されている。
【００１８】
本発明のエンコーダのこのような別形態では、光源から放出され、コリメータ光学系によるコリメーション後のビーム束が、
−反射スケール本体上に最初に照射し、この反射スケール本体で走査ユニットに向かって再反射する２つの部分ビーム束に分割し、これらの部分ビーム束は、２つの異なる回折次数に対応し、
−これらの反射した両部分ビーム束は、走査ユニット内で逆反射要素によって反射スケール本体の方向に再反射し、この場合、これらの部分ビーム束はそれぞれ、走査格子を再び通過し、
−反射スケール本体上に再び照射した部分ビーム束が、新たに回折し、走査ユニットの方向に再反射し、
−反射した少なくとも一対の部分ビーム束が、走査ユニット内で光学軸線に対して対称な角度で結合格子の同じ地点に照射するように、走査ユニットが構成されている。
【００１９】
本発明のエンコーダの別の別形態では、光源から放出され、コリメータ光学系によるコリメーション後のビーム束が、
−走査ユニット内の分割格子によって少なくとも２つの部分ビーム束に分割し、これらの部分ビーム束は、２つの異なる回折次数に対応し、これらの部分ビーム束が、反射スケール本体の方向に伝播し、
−次いでこれらの部分ビーム束が、反射スケール本体の異なる地点上に最初に照射し、これらの異なる地点でそれぞれ走査ユニットに向かって反射する多数の部分ビーム束に分割し、これらの部分ビーム束は、異なる回折次数に対応し、
−これらの少なくとも２つの反射した部分ビーム束が、走査ユニット内で逆反射要素によって反射スケール本体の方向に反射し、この場合、これらの部分ビーム束が、走査格子を再び通過し、
−反射スケール本体の異なる地点上に再び照射した部分ビーム束が、走査ユニットの方向に新たに回折して再反射し、
−少なくとも一対の反射した部分ビーム束が、走査ユニット内で光学軸線に対して対称な角度で結合格子の同じ地点上に照射するように、走査ユニットが構成されている。
【００２０】
この場合、走査ユニット内の走査格子が、フレネルシリンダレンズとして構成され得る。このフレネルシリンダレンズの焦線が、反射要素の平面内にある。分割格子の目盛周期が、結合格子の目盛周期と同一に及び反射スケール本体の目盛周期と同一に選択され得る。
【００２１】
さらにこの場合、走査ユニットの方向に再反射する部分ビーム束が、走査格子上に最初に照射する前に交差するように、反射スケール本体の目盛周期が選択され得る。
さらに、特に反射スケール本体の目盛周期が、使用される光源の波長より小さく選択されている。
【００２２】
さらに少なくとも１つの逆反射要素が、組み合わせられた回折要素／レンズ要素として構成され得る。
【００２３】
本発明のエンコーダの別の別形態では、光源から放出され、コリメータ光学系によるコリメーション後のビーム束が、
−分割格子によって２つの部分ビーム束に分割され、
−次いでこれらの部分ビーム束が、分割補助格子上に達し、反射スケール本体の方向に伝播する部分ビーム束が、反射スケール本体の同じ照射地点上に照射するように、これらの部分ビーム束の少なくとも一部が、この分割補助格子によって回折され、
−反射スケール本体上に照射する部分ビーム束がそれぞれ、走査ユニットに向かって反射する多数の部分ビーム束に分割され、これらの部分ビーム束が、異なる回折次数に対応し、
−反射した少なくとも２つの部分ビーム束が、走査ユニット内で逆反射要素によって反射スケール本体の方向に再反射し、この場合、これらの部分ビーム束がそれぞれ、走査格子を再び通過し、
−反射スケール本体の同じ地点上に再び照射した部分ビーム束が、走査ユニットの方向に新たに回折して再反射し、
−反射した少なくとも一対の部分ビーム束が、走査ユニット内で結合補助格子の異なる地点上に照射し、これらの異なる地点で新たに回折して分割し、その結果、伝播する少なくとも２つの部分ビーム束が、光学軸線に対する対称な角度で結合格子の同じ地点上に照射するように、走査ユニットが構成されている。
【００２４】
本発明のエンコーダの別の別形態では、光源から放出され、コリメータ光学系によるコリメーション後のビーム束が、
−照射回折格子として構成されている反射スケール本体上に最初に照射し、この反射スケール本体で走査ユニットに向かって反射する２つの部分ビーム束に分割し、これらの部分ビーム束は、２つの異なる回折次数に対応し、
−反射した両部分ビーム束が、走査ユニット内で逆反射要素によって反射スケール本体の方向に反射し、この場合、これらの部分ビーム束がそれぞれ、走査格子を再び通過し、この走査格子を最初に通過した時に、これらの部分ビーム束を平坦な反射要素の同じ照射地点上に焦点合わせし、
−反射スケール本体上に再び照射した部分ビーム束が、走査ユニットの方向に新たに回折して反射し、
−反射した少なくとも一対の部分ビーム束が、走査ユニット内で光学軸線に対して対称な角度で結合格子の同じ地点に照射するように、走査ユニットが構成されている。
【００２５】
本発明のさらなる詳細及び利点を図中の以下の実施の形態に基づいて説明する。
上述した問題は、本発明のエンコーダの以下に詳しく説明する実施形によって解決することができる。個々の例を図に基づいて詳しく説明する前に、以下の別形態の共通点を最初に説明する。
【００２６】
すなわち異なる実施形はそれぞれ、類似した走査ビーム路に基づく。適切なレーザー光源のコリメートされたビーム束が、垂直方向に見て測定目盛の線方向（ｙ方向）に反射スケール本体上に照射する。すなわち、反射スケール本体上に照射し、この反射スケール本体から反射した全てのビーム束が、線方向に対して垂直に指向していて、したがって測定方向と反射スケール本体に対する法線方向とによって形成される平面内にある。コリメートされたビーム束が予め回折又は分割されることが、実施形に応じて提唱され得る。このことは、ビーム路内の１つ又は２つの分割格子によって実施できる。しかしながら、このような回折又は分割を実施しないことも可能である。
【００２７】
少なくとも２つずつの部分ビーム束（＋／−１．の回折次数）への反射，分割及び再反射が、反射スケール本体で起こる。このとき、これらの部分ビーム束はそれぞれ、進行している部分ビーム束から測定方向ｘに分離されて走査ユニット内の別々の走査格子上に照射する。これらの走査格子，後続配置された反射要素又は場合によっては追加の90°プリズム又はトリプルプリズムが、横方向のビーム角度の偏向（すなわち、横方向の逆反射）を引き起こし、これによって起こりうるスケール本体のモアレ傾き時の誤差を引き起こす横方向のビーム回折を補正する（いわゆる光学モアレ補正）。補正がない場合、このモアレ傾きは、信号変調度を明らかに損なう。この場合、モアレ傾きは、反射スケール本体に対して垂直な軸線周りの反射スケール本体及び走査ユニットの傾斜を意味する。
【００２８】
それ故に部分ビーム束は、反射スケール本体に向かって逆反射する。これらの部分ビーム束は、この反射スケール本体で新たに回折される。この場合、反射スケール本体での２回目の回折後に出射した部分ビーム束が、対称な角度で走査ユニット内の結合格子上に照射し、この結合格子で干渉するように、走査格子及び反射スケール本体の格子定数及び目盛周期が選択されている。これに対してこの結合格子は、照射した部分ビーム束の１次の回折次数のそれぞれの部分ビーム束が光学軸線の方向に再び伝播するような目盛周期を有する。したがって、０．及び＋１／−１．の回折次数で結合格子で発生して出射する部分ビーム束が、それぞれ重畳して互いに干渉する。特に120 °に選択される、出射する部分ビーム束間の特定の移相が発生するように、結合格子の構造、すなわち結合格子の位相深さ，ウェブの幅及び場合によっては周期当たりの多数のウェブの配置（過剰構造）が選択される。この代わりに、両部分ビーム束が、発生する回折次数で重畳され、発生する＋／−１．及び＋／−２．の回折次数の部分ビーム束が検出されるように、結合格子が仕様されてもよい。この場合、約90°ずつ移相している４つの信号が、４つの検出された回折次数で発生するように、結合格子の構造が仕様される。これらの移相している信号が、後続する電子系内で増幅され、公知の方法でオフセットのない０°及び90°の信号に変換される。
【００２９】
この代わりに、結合格子は、いわゆる場所に依存する走査格子として構成されてもよい。さらに、結合格子及び検出要素を一緒に１つのユニットにいわゆる構造化された検出配置として統合することが可能である。
【００３０】
偏光光学構成部材を使用しないこのような移相している信号の生成は、対応するエンコーダの製造コスト及び複雑さを著しく低減する。さらに、偏光器が、平均して入射するビーム出力の半分を吸収するので、エンコーダのエネルギー効率及び位置雑音が、偏光光学構成部材を有する公知のシステムに比べて著しく改良される。
【００３１】
反射スケール本体の起こりうる傾き時のエンコーダの発生する誤差を小さく維持し、走査距離に関する大きい許容誤差を得るため、（部分ビーム束の分割部分と結合部分との間のビーム路内の）走査光学系が、反射スケール本体上の測定目盛の線方向に平行な面に対して及び光学軸線に対して対称に構成され、照射方向が、光学軸線に対して平行に選択される。これによって、同じ光路長が、干渉する両部分ビーム束に対して自動的に得られる。線方向に観察した場合、部分ビーム束が、反射スケール本体上に垂直に照射し、それ故に距離が変化した場合でも線方向にシフトしない。測定方向に観察した場合、実施形に応じて、両部分ビーム束に対してビームがシフトしないか又はビームが対称にしかシフトしない。ビームのシフトに関するこの挙動は、走査距離の変化時でも一定に保持する有効な測定地点を提供する。したがって、高精度なエンコーダに対する重要な要求を満たしている。
【００３２】
先に説明した本発明の基本原理に全て基づく以下で説明する実施の形態は、特に回転中心点の位置，この位置の汚れ感度及びそれぞれのエネルギー効率によって区別がつく。
【００３３】
第１実施形
以下に、本発明のエンコーダの第１実施形を図１ａ〜１ｄに基づいて説明する。この場合、図１ａ及び１ｂはそれぞれ、ｘ−ｚ平面の側面内の部分走査ビーム路を概略的に示す。図１ａ中には、部分ビーム束が光源１１から反射要素１５．１，１５．２に当たるまでの走査ビーム路が示されている。図１ｂは、部分ビーム束が反射要素１５．１，１５．２に当たってから検出要素１６．１，１６．２，１６．３までの走査ビーム路を示す。図１ｃ及び１ｄはそれぞれ、光学素子が配置された走査板１３の上面及び下面の正面図である。
【００３４】
本発明のエンコーダは、この例では反射スケール本体２０及びこの反射スケール本体２０に対して少なくとも１つの測定方向ｘに移動する走査ユニット１０を有する。物体が、反射測定本体２０及び走査ユニット１０に公知の方法で結合されている。これらの物体の相対位置が、エンコーダによって測定することができる。この場合、これらの物体は、例えば機械部品である。これらの機械部品の位置を正確に検出する必要がある。エンコーダによって生成された信号又は位置データが、−図示しなかった−シーケンス制御電子系又は評価ユニットによって再処理されて、例えば機械を制御する。
【００３５】
この実施の形態では、直線状に延在する反射スケール本体２０によって直線移動を検出するエンコーダが示されている；明らかに、ロータリーエンコーダも、本発明の考えに基づいて実現され得る。
【００３６】
以下に、本発明のエンコーダの第１実施形の走査ビーム路を図１ａ〜１ｄに基づいて詳しく説明する。
【００３７】
示された例では、光源１１、例えばレーザー光源によって放出されたビーム束が、最初にコリメータ光学系１２によってコリメートされる、すなわち平行なビーム束に変換される。引き続きコリメートされたビーム束が、回折されないで走査板１３の支持基板１３．１を通過する。この支持基板１３．１は、平行平面なガラス板として構成されている。異なる光学要素が、このガラス板の上面及び下面上に配置されている。以下に、走査ビーム路内のこれらの要素の機能をさらに詳しく説明する。これらの要素は、図１ｃ及び１ｄの平面図中で認識できる。
【００３８】
コリメートされたビーム束が、走査板１３を通過後に反射スケール本体２０上に当たる、すなわち測定方向ｘに延在する測定目盛２２上に当たる。この測定目盛２２は、公知の方式で部分領域２２．１，２２．２の測定方向ｘに反った周期配置から構成される。これらの線状の部分領域２２．１，２２．２は、測定方向ｘに対して垂直に示されている（以下で線方向とも呼ばれる）方向ｙに沿って延在し、反射スケール本体２０の支持体２１上に配置されている。この示された例では、測定目盛２２は、照射位相格子として構成されている。この照射位相格子の場合、部分領域２２．１，２２．２は、これらの部分領域上に入射し異なる移相作用を有する。回折効果が、１次で最大になるように、測定目盛２２がさらに仕様決定されていることが好ましい。測定目盛２２の目盛周期は、以下でＴＰM と示され、測定方向ｘに沿って相前後する２つの部分領域２２．１，２２．２の長さとして規定されている。可能な実施形では、目盛周期ＴＰM は、1.1*λ〜10* λの範囲内に選択される。この場合、λは、使用される光源１１の波長である。ＶＣＳＥＬ又はＬＥＤとして構成されたλ＝860nm の光源の場合、したがって目盛周期ＴＰM は、ＴＰM ＝2 μm である。
【００３９】
反射スケール本体２０の第１照射地点上の第１照射後に、入射ビーム束が、走査ユニット１０に再反射する２つの部分ビーム束に分裂する。これらの部分ビーム束は、＋／−１次の回折次数に対応する。走査ユニット１０内では、再反射する部分ビーム束が、図１ａ内に示された走査板１３の下面上の走査格子１４．１，１４．２を最初に通過する。走査格子１４．１，１４．２は、この例では透過格子として構成されている。部分ビーム束は、これらの走査格子１４．１，１４．２によって所定に回折され、次いで走査板１３の上面上の反射要素１５．１，１５．２に達する。最初に通過した走査格子１４．１，１４．２は、同じ目盛周期を有する。これらの目盛周期は、以下でＴＰAG1 と示される。この第１の実施の形態では、走査格子１４．１，１４．２の目盛周期ＴＰAG1 は、測定目盛２２の目盛周期ＴＰM と異なって選択される。走査格子１４．１，１４．２の通過後の部分ビーム束が、目盛周期ＴＰAG1 のこの選択に基づいて操作盤３に対して垂直に伝幡する。
図１ｂ中に示したように、部分ビーム束が、反射要素１５．１，１５．２で反射スケール本体２０の方向に再反射する。反射スケール本体２０の第１照射地点と異なる第２照射地点への第２照射前に、部分ビーム束は、走査板１３の下面上に同様に配置されているその他の両走査格子１４．３，１４．４を通過する。これらの両走査格子１４．３，１４．４を透過した部分ビーム束が、反射スケール本体２０上のそれぞれの第２照射地点の方向に回折する。これらの両透過格子１４．３，１４．４は、同じ目盛周期を有する。この目盛周期は、ＴＰAG2 と示される。
【００４０】
本出願人のドイツ連邦共和国特許出願第 10 2005 029 917.2号明細書のように、走査格子１４．１〜１４．４は、二重の光学機能を有する。走査格子１４．１〜１４．４は、一方では測定方向ｘに沿って目盛周期ＴＰAG1 又はＴＰAG2 を有する規則的な周期の回折格子のように作用する。走査格子１４．１〜１４．４は、他方ではスケール本体の平面内の線方向ｙに沿ってシリンダーレンズのように作用する。これらのシリンダーレンズは、入射するビーム束を反射要素１５．１，１５．２に焦点合わせして引き続き再びコリメートする。図１ａ及び１ｂの示された例では、走査格子１４．１，１４．２が焦点合わせをする一方で、走査格子１４．３，１４．４が、出射するビーム束を再びコリメートする。反射要素とレンズとから成る組み合わせが、−本出願人のドイツ連邦共和国特許出願第10 2005 029 917.2 号明細書のように−スケール本体２０の線方向ｙに対する逆反射要素を構成する。ビーム束とシリンダーレンズの光学軸線との間のｙ方向のオフセットに起因して、同時に反射スケール本体２０上の第１照射地点と第２照射地点との間のｙ方向のオフセットが発生する。走査格子が、同時に全ての光学機能を引き受けできるように、これらの走査格子は、上述したドイツ連邦共和国特許出願第10 2005 029 917.2 号明細書中に記しかつ以下の図１ｄ中に概略的に示されているように湾曲された格子線を有する格子として構成される必要がある；以下に、このような格子構造に関して説明し、回折要素／レンズ要素も説明する。
【００４１】
示された第１の実施の形態では、支持基板１３．１，走査格子１４．１，１４．２，１４．３，１４．４及び平坦な反射要素１５．１，１５．２を有する走査板１３から構成された構成ユニットが、それ故に走査ユニット１０側の逆反射要素として機能する。反射スケール本体２０から来る部分ビーム束が、この逆反射要素によってこの反射スケール本体２０の方向に再び回折して、この反射スケール本体２０に２回照射する。この場合、この逆反射は、示されているｙ方向に実施される。
【００４２】
本発明のエンコーダの第１実施形の以下の別形態で逆反射要素の別の構成を図２ａ〜２ｅに基づいて説明する。
【００４３】
図１ａ〜１ｄの示された第１の実施の形態では、照射する部分ビーム束が、反射スケール本体２０上のそれぞれの第２照射地点で走査ユニット１０の方向に新たに回折して再反射する。この場合、信号の生成に利用される部分ビーム束が、光学軸線ＯＡに対して対称な角度α１，α２で走査板１３の下面上に配置されている結合格子１４．５上に照射する。
【００４４】
この場合、光学軸線ＯＡは、図中に示された方向ｚに指向されている。この場合、方向ｚは、測定方向ｘ及び線方向ｙによって形成された平面に対して垂直に存在する。
【００４５】
結合格子１４．５での新たな回折後に、部分ビーム束の３つの干渉対が、並んで配置された３つの検出要素１６．１，１６．２，１６．３の方向に最終的に伝幡する。入射する両部分ビーム束の同一直線上で重なり合い、その結果干渉する部分からそれぞれ発生する部分ビーム束が出射するように、この例で同様に透過格子として構成された結合格子１４．５の目盛周期ＴＰVGが選択されている。結合格子１４．５の両第１回折次数の各々が、入射する両部分ビーム束を光学軸線ＯＡに対して平行に回折させることが特に好ましい。この場合、部分ビーム束は、この部分ビーム束の回折次数が２つだけ異なる回折次数から干渉する。
【００４６】
反射スケール本体２０と走査ユニット１０とが相対移動する場合、行路差が、検出要素１６．１，１６．２，１６．３の方向に伝搬し干渉する部分ビーム束の対と対との間にそれぞれ発生する。このとき、移動に依存して変調した信号が、検出要素１６．１，１６．２，１６．３で発生する。この場合、これらの信号は、検出要素ごとに120 °だけ移相している。これらの移相している信号は、後続配置された−図示しなかった−シーケンス電子制御系によって公知の方法でさらに処理され得る。
【００４７】
例えばヨーロッパ特許第 163 362号明細書から公知であるように、信号の移相は、結合格子１４．５の適切な構成によって保証され得る。この場合、結合格子１４．５での回折時の個々の回折次数の異なる移相が、格子構造を選択することによって適切に調整される。例えば、結合格子１４．４の周期ＴＰVGの１／３又は２／３に相当するウェブ幅を有する移相格子構造が好ましい；ウェブの位相偏移は、120 °又は240 °に選択される。この代わりに、例えばヨーロッパ特許第446 691 号明細書から公知であるような、いわゆる過剰格子構造（Uebergitterstrukturen ）が、結合格子１４．５の側面上で使用されてもよい。
【００４８】
説明した走査ビーム路を実現するためには、上述した寸法規則に加えて、異なる走査格子１４．１，１４．２，１４．３，１４．４の目盛周期に関するさらに決定した寸法規則を守る必要がある。これらの寸法規則を以下で簡単に説明する。
【００４９】
光学軸線ＯＡから反射スケール本体２０（図１ａ）上の第１照射後の走査板１３．１の下面の部分ビーム束の第１照射地点までの距離ｂa1は、以下の関係式にしたがって得られる：
【００５０】
【数１】
2008070363.tif 000003
【００５１】
ａ    ：＝反射スケール本体と走査ユニットとの間の距離
λ    ：＝光源の波長
ＴＰM ：＝測定目盛の目盛周期
結合格子１４．５からのビーム路を、時間を遡って追跡した場合、反射スケール本体２０（図１ｂ）上への第２照射前に、部分ビーム束が走査板１３の下面上に照射する照射地点の距離ｂa2が得られる：
【００５２】
【数２】
2008070363.tif 000004
【００５３】
ＴＰVG：＝結合格子の目盛周期
一方では両走査格子１４．１，１４．２と他方では走査格子１４．３，１４．４との間のビーム角度αRoofが、走査板１３内の最初に通過する走査格子１４．１，１４．２と引き続き通過する走査格子１４．３，１４．４との間で進む光路ａRoofから得られる：
【００５４】
【数３】
2008070363.tif 000005
【００５５】
これから、走査格子１４．１〜１４．４の必要な目盛周期ＴＰAG1 ，ＴＰAG2 が算定され得る：
【００５６】
【数４】
2008070363.tif 000006
【００５７】
【数５】
2008070363.tif 000007
【００５８】
ｎa ：＝  走査板の屈折率
基本的に、いわゆる回転中心点(neuralen Drehpunkt)の位置が、実際のこのようなエンコーダの特性に対して重要である。この場合、回転中心点は、エンコーダによって示された位置値が変化することなしに、反射スケール本体がこの回転点の周りで傾き得る回転点を意味する。
【００５９】
走査ビーム路が、本発明のエンコーダの第１実施形にしたがう場合、システムの回転中心点が、反射スケール本体の平面の下に存在することになる。回転中心点が、反射スケール本体のいわゆる中心線(neutralen Faser) 内にある場合、反射スケール本体の起こりうる曲げ破損の悪影響を有利に最小にすることができる。
【００６０】
反射スケール本体の＋１．（−１．）の回折次数の代わりに、−１．（＋１．）の回折次数がそれぞれ使用されることによって、説明した第１実施形を僅かに変更してもよい。上述した寸法式では、この場合は、ＴＰM を−ＴＰM に、ＴＰAG1 を−ＴＰAG1 に、そしてＴＰAG2 を−ＴＰAG2 に交換する必要がある。この場合、回転中心点は、反射スケール本体の上にある。
【００６１】
第１実施形の別形態
本発明のエンコーダの第１実施形のさらなる別形態が、図２ａ〜２ｅ内に示されている。この場合、図１ａ〜１ｄ中の上述した形態に対する決定的な違いは、逆反射要素の別の構造にある。この逆反射要素は、90°のプリズム角度を有する屋根型プリズム６１８として形成されている。この屋根型プリズムの稜線６１８．１が、測定方向ｘに対して平行に指向されている。図１ｅ中の屋根型プリズム６１８の下面の正面図から明らかなように、走査格子６１４．１〜６１４．４も、結合格子６１４．５として屋根型プリズム６１８の下面上に配置されている。このような逆反射要素に関しては、冒頭で述べた国際特許出願公開2002/023131 号明細書も参照のこと。
【００６２】
一方で基本的な走査ビーム路は、図１ａ〜１ｄからの例の走査ビーム路に一致する。
図２ａ及び２ｂは、光源６１１からコリメータ光学系６１２を通過して、コリメートされたビーム束が反射スケール本体の測定目盛６２２上に最初に照射し、回折された部分ビーム束が走査ユニット６１０の方向に再反射し、走査格子６１４．１，６１４．２を通過して屋根型プリズム６１８のほぼ中心までの走査ビーム路を異なる方向から見た図である。図２ｃ〜２ｄ中には、部分ビーム束が反射スケール本体６２０の方向に再び回折し、走査格子６１４．３，６１４．４を通過し、反射スケール本体６２０に再び照射し、走査ユニット６１０の方向に再反射し、結合格子６１４．５を通過し、そして干渉している部分ビーム束の３つの対が３つの検出要素６１６．１，６１６．２，６１６．３に向かって伝幡する形態のさらなる走査ビーム路が、異なる方向から見て示されている。
【００６３】
上述したように、図１ａ〜１ｄから構成された回折シリンダーレンズ又は回折要素／レンズ要素及び平坦な反射要素を有する走査板ユニットの代わりに逆反射する本発明のエンコーダの第１実施形のこの別形態では、90°の偏光プリズムの形態の屋根型プリズム６１８が使用される；この屋根型プリズム６１８の稜線６１８．１が、測定方向ｘに対して平行に指向されている。屋根型プリズム６１８は、中央領域内に２つの孔６１８．２，６１８．３つまり光学的に無効な透過開口部を有する。これらの透過開口部を通じて、照射ビーム束が、反射スケール本体６２０に向かって伝幡できるか、又は、再反射した部分ビーム束が、検出要素６１６．１，６１６．２，６１６．３に向かって伝幡できる。走査格子６１４．１〜６１４．４は、直線の格子ウェブを有する周期格子として構成されている。これらの走査格子６１４．１〜６１４．４は、異なる部分ビーム束を測定方向ｘだけに回折させる。
【００６４】
本発明のエンコーダの第１実施形のこの別形態は、先の例のような細かい構造の走査格子を必要とせず、このような細かい格子構造の製造が技術上非常に経費がかかるか又は例えば細かい格子に対する偏光特性が不利に作用するに場合に好都合である。
【００６５】
基本的に以下で説明する実施形もそれぞれ、逆反射要素の上述した両形態によって実現することができる。すなわち、一方の場合では、逆反射要素は、走査格子（回折要素／レンズ要素）の測定方向に回折する作用に重なる回折シリンダーレンズと走査板の上面上の反射要素とから構成される。他方の場合では、逆反射要素は、測定方向ｘに対して平行な稜線を有する90°の屋根型プリズムの形態で構成されている。
【００６６】
第２実施形
以下に、本発明のエンコーダの第２実施形を図３ａ〜３ｄに基づいて説明する。原理的に、これらの図は、図１ａ〜１ｄの上の例と同じエンコーダの構成を再び示す。
【００６７】
この例でも、特に走査ユニット１１０内の実現した走査ビーム路又は異なる光学要素の配置によって、一対の部分ビーム束が、検出要素の前方の結合格子１１４．５上で非平行に出現し、コリメートされかつ干渉している部分ビーム束の多数の対が、結合格子１１４．５の後方の検出要素１１６．１〜１１６．３の方向に伝幡することが同様に保証されている。
【００６８】
以下に、図１ａ〜１ｄから構成された第１実施形に対する重要な違いだけを説明する。すなわち、透過格子の形態の分割格子１１４．６をコリメータ光学系１１２の後方のビーム束のコリメートされたビーム路内に配置することが、第１の例に補充して提唱されている。この場合、分割格子１１４．６は、目盛周期ＴＰAG0 を有する。この目盛周期ＴＰAG0 は、この走査ビーム路内に後続配置された結合格子１１４．５の目盛周期ＴＰVGに一致する。すなわち、ＴＰAG0 ＝ＴＰVG。部分ビーム束が、分割格子１１４．６によって２つの回折部分ビーム束に分割される。次いでこれらの回折部分ビーム束は、反射スケール本体１２０の方向に伝幡する。この実施形では、これらの両部分ビーム束が、反射スケール本体１２０上の測定目盛１２２の異なる場所に照射する。さらなる部分ビーム束への分割がそれぞれ、この測定目盛１２２上で同様に起こる。これらの部分ビーム束は、走査ユニット１１０の方向に再反射する。反射スケール本体１２０で＋１．及び−１．の回折次数に回折され、再反射した部分ビーム束が、走査格子１１４．１，１１４．２上に当たる。これらの走査格子１１４．１，１１４．２が、このｘ方向に沿って光学軸線ＯＡに対して平行に進行するように、これらの走査格子１１４．１，１１４．２は、これらの部分ビーム束をそれぞれ測定方向ｘに回折させる。ｙ方向では、走査格子１１４．１，１１４．２が、回折シリンダーレンズのような図１ａ〜１ｄ中の上の実施形にしたがって作用する。同様にこれらの走査格子１１４．１，１１４．２は、部分ビーム束を反射要素１１５．１，１１５．２上に焦点合わせする。その後、走査格子１１４．３，１１４．４が、部分ビーム束をｙ方向にコリメートし、これらの部分ビーム束を測定方向ｘに傾斜させて反射スケール本体１２０に向けて回折させる。それ故にこれらの走査格子は、回折要素／レンズ要素として機能する。その後のビーム路は、図１ａ〜１ｄから構成された実施の形態のビーム路に一致する。
【００６９】
この第２の実施の形態では、結合格子１１４．５上に入射する部分ビーム束が、この結合格子１１４．５の同じ点に照射することが、分割格子１１４．６を走査ビーム路内に差し込むことによって保証される。第１の実施の形態とは異なり、このことは、反射スケール本体１２０と走査ユニット１１０との間の全ての走査距離に対して成立する。それ故に本発明のエンコーダのこの実施形は、利用される光の波長の変動にも依存しないより安定な出力信号を提供する。
【００７０】
逆反射機能は、図１ａ〜１ｄの例のような走査ユニット１１０内で走査板１１３を有するユニットによって実現される。図３ｄ中で明らかなように、走査格子１１４．１〜１１４．４，結合格子１１４．５及び分割格子１１４．６が、反射スケール本体に面している走査板１１３の下面上に配置されている。平坦な両反射要素１１５．１，１１５．２が、図３ｃ中の正面図にしたがって走査板１１３の上面上に配置されている。
【００７１】
走査格子１１４．１，１１４．２の目盛周期ＴＰAG1 及び走査格子１１４．３，１１４．４の目盛周期ＴＰAG2 は、この例では特に以下の方程式（２．１）にしたがって算定される：
【００７２】
【数６】
2008070363.tif 000008
【００７３】
ＴＰM     ：＝  測定目盛の目盛周期
ＴＰVG：＝  結合格子の目盛周期
第１の例と同様にこの実施形でも、回転中心点の位置が、反射スケール本体の平面の下で得られる。同様にこの実施形の変更は、ＴＰM を−ＴＰM に交換することによって、ＴＰAG1 を−ＴＰAG1 に交換することによって、そしてＴＰAG2 を−ＴＰAG2 に交換することによって記され得る。この場合、回転中心点は、反射スケール本体１２０の上にあることになる。
【００７４】
第２実施形の第１別形態
以下に、第２実施形の第１別形態を図４ａ〜４ｄに基づいて説明する。これらの図は、上の第２の実施の形態と同じ構成を再び示す。
この別形態の原理的な走査ビーム路は、コリメータ光学系２１２の後方の分割格子２１４．５を有する先の例に一致する。この分割格子２１４．５の目盛周期ＴＰAG0 は、この例では以下の関係式（３．１）にしたがって選択される：
【００７５】
【数７】
2008070363.tif 000009
【００７６】
ＴＰVG  ：＝結合格子の目盛周期
ＴＰM     ：＝反射スケール本体の目盛周期
この別形態は、１／ＴＰAG1 ＝１／ＴＰAG2 ＝０による第２実施形の特別な場合を示す。すなわち、走査板２１３上に対応する構造が、もはや測定方向ｘに回折せず、したがって純粋なフレネルシリンダレンズとしてｙ方向に形成されている。
【００７７】
したがって走査板２１３の下面上の走査格子２１４．１〜２１４．４は、この別形態では先の例と違ってフレネルシリンダレンズとしてｙ方向に構成されていて、すなわち図３ａ〜３ｄ中のような格子シリンダーレンズの構造として構成されていない；これに対しては、特に配置された要素を有する走査板３１３の下面を示す図４ｄを参照のこと。
【００７８】
この代わりに、ブレーズされたシリンダーレンズとして又はoff-axis式のフレネルレンズとしての走査格子２１４．１〜２１４．４の構造も可能である。
【００７９】
走査ユニット２１０内の走査格子２１４．１〜２１４．４のこの構造に起因して、この示された例では、走査ビーム路が、図３ａ〜３ｄの先の例より僅かに異なる。すなわち、反射スケール本体２２０に向かって部分ビーム束つまり信号の生成に利用される回折次数が、図４ａ中で分かるように走査ユニット２１０に対して垂直に最初に反射する。
【００８０】
この異なる走査ビーム路からの結果として、この例の場合、回転中心点の別の位置が得られる。すなわち、この回転中心点は、先に説明した形態と違って反射スケール本体の平面の上の例えば二倍の走査距離の高さにある。したがって、本発明のエンコーダの特定の用途に対して、中心回転点の位置を走査ビーム路の適切な仕様によって希望する位置にすることが柔軟に可能である。
【００８１】
さらにこの例の走査ビーム路は、図３ａ〜３ｄからの走査ビーム路に基本的に一致する。
【００８２】
この別形態のもう１つの変更においてフレネルシリンダレンズ２１４．１〜２１４．４と反射要素２１５．１，２１５．２とから成る組み合わせを図２ａ〜２ｄ中の例に類似の屋根型プリズムに交換した場合、測定方向ｘの回折作用及びｙ方向のレンズ作用が不要になるので、走査格子２１４．１〜２１４．４が完全に省略できる。その結果、対応するエンコーダの信号強度が、僅かな数の透過格子によって非常に大きくなる。
【００８３】
第２実施形の第２別形態
本発明のエンコーダの第２実施形の第２別形態が、図５ａ〜５ｅ中に示されている。これらの図は、図２ａ〜２ｅの上の例と同じ構成を再び示す。
【００８４】
図５ａ〜５ｅからの別形態は、一方では分割格子の目盛周期及び反射スケール本体３２０の目盛周期ＴＰM の選択において先の両例と異なる。反射スケール本体３２０上に１回照射した部分ビーム束が、走査ユニット３１０に向かって回折され、その結果これらの部分ビーム束が、走査ビーム路内の第１走査格子３１４．１，３１４．２上に照射する前に、異なる回折場所から反射した部分ビーム束と交差するように、特に反射スケール本体３２０の目盛周期ＴＰM は選択される。
【００８５】
他方ではこの別形態では、走査ユニット３１０内の逆反射機能を置き換えるため、屋根型プリズム３１８を再び配置すること、及び上述したような構成を利用しないことが提唱されている。図２ａ〜２ｅの例で既に説明したように、屋根型プリズム３１８の稜線３１８が、測定方向ｘに対して平行に配置されている。この屋根型プリズム３１８は、同様に２つの孔３１８．２，３１８．３つまり光学的に無効な透過開口部を有する。照射ビーム束が、これらの透過開口部を通じて反射スケール本体３２０又は検出要素３１６．１，３１６．２，３１６．３に向かって伝幡できる。異なる走査格子３１４．１〜３１４．４及び分割格子３１４．６及び結合格子３１４．５が、図５ｅ中の構成にしたがって屋根型プリズム３１８の下面上に配置されている。
【００８６】
この別形態の原理的な走査ビーム路は、第２の実施の形態の走査ビーム路に類似して進行する。
【００８７】
第２実施形のこの第２別形態は、特に反射スケール本体の側面上の非常に小さい目盛周期ＴＰM に対して好ましい。反射スケール本体の目盛周期ＴＰM が使用される光源の波長λより小さい反射スケール本体も、測定目盛を測定方向ｘに斜めに照射することによって走査され得る。この場合、理論的に最小に走査可能な目盛周期ＴＰM は、λ／２に相当する。
【００８８】
引き続き、この別形態に関しても幾つかの寸法規則をさらに詳しく説明する。
上で挙げた方程式（２．１）においてＴＰM を−ＴＰM に、ＴＰAG1 を−ＴＰAG1 に、そしてＴＰAG2 を−ＴＰAG2 に交換する場合、ここではこれらの異なる目盛周期に対して：
【００８９】
【数８】
2008070363.tif 000010
【００９０】
ＴＰM   ：＝測定目盛の目盛周期
ＴＰVG  ：＝結合格子の目盛周期
一方では分割格子３１４．６を通過し、他方では反射スケール本体３２０から走査板の方向に反射するビーム束のビーム分離が可能であるように、以下の関係式（４．２）を守る必要がある：
【００９１】
【数９】
2008070363.tif 000011
【００９２】
適切に選択された値は、波長λ＝670nm の場合に、例えばＴPM＝0.5 μｍ，ＴＰAG1 ＝ＴＰAG2 ＝1.3 μｍである。
【００９３】
第３実施形
本発明のエンコーダの第３実施形が、図６ａ〜６ｄ中に示されている。この構成は、同様に図１ａ〜１ｄ，３ａ〜３ｄ及び４ａ〜４ｄの先に説明した形態に相当する。以下に、これらの例に対して決定的な違いだけを説明する。
【００９４】
すなわち、コリメータ光学系４１２の後方の平行なビーム束が、走査板４１３の上面の分割格子４１４．６上に照射し、そこで２つの部分ビーム束に分割されることが提唱されている。引き続き両部分ビーム束が、走査板４１３の下面の分割補助格子４１４．７上に達する。分割された両部分ビーム束が、反射スケール本体４２０の同じ照射地点に照射することが、この分割補助格子４１４．７によって保証される。図６ｄ中の構成から明らかであるように、分割補助格子４１４．７は、２つの分離した格子構造から構成されてもよい。
【００９５】
反射スケール本体４２０から最初に反射した後に、部分ビーム束が、先の例のように走査格子４１４．１，４１４．２上にまず到達し、反射要素４１５．１，４１５．２から反射スケール本体の方向に再び回折され、部分ビーム束が、反射スケール本体４２０の同じ地点に２度目に照射する前に、走査格子４１４．３，４１４．４を通過する。走査ユニット４１０の方向の反射が、この反射スケール本体４２０から再び実施される。次いで走査ユニット内では、対称な角度で互いに離れて進行する部分ビーム束が、走査板の下面上の結合補助格子４１４．５上に照射する；結合補助格子４２４．５も、図６ｃから明らかなように２つの独立した格子構造から構成され得る。干渉している部分ビーム束の３つの対が、検出要素４１６．１，４１６．２，４１６．３の方向に伝幡する前に、部分ビーム束が、対称な角度α１＝α２で再び収束して結合格子４１４．８に照射することを、結合補助格子４１４．５は保証する。
【００９６】
それ故にこの例では、分割格子４１４．６によって最初に分割された部分ビーム束が、反射スケール本体４２０又は測定目盛４２２の同じ地点上に照射することが保証されている。このことは、特に局所的に汚れがある場合に重要である。このとき、これらの汚れは、全ての信号成分に一様に影響する。
【００９７】
これらの異なる格子の寸法に関しては、この例では以下の守るべき関係式がある：
【００９８】
【数１０】
2008070363.tif 000012
【００９９】
ａ１    ：＝  走査板の格子面間の距離
ａ２    ：＝  反射スケール本体と走査ユニットとの間の距離
ｎA     ：＝  走査板の屈折率
ＴＰAG  ：＝  走査格子４１４．６の目盛周期
ＴＰAHG   ：＝  分割補助格子４１４．７の目盛周期
さらにこの実施の形態の場合は：
【０１００】
【数１１】
2008070363.tif 000013
【０１０１】
が成立する必要がある。
ＴＰAG  ：＝  分割格子の目盛周期
ＴＰAHG   ：＝  分割補助格子の目盛周期
ＴＰAG1   ：＝  走査格子４１４．２の目盛周期
ＴＰM     ：＝  反射スケール本体の目盛周期
ＴＰVG    ：＝  結合格子の目盛周期
ＴＰVHG   ：＝  結合補助格子の目盛周期
上述した寸法規則が、この例で守られる場合、システムの回転中心点が、反射スケール本体４２０の平面内にある。
【０１０２】
この例に基づくエンコーダを全体の効率は、分割補助格子４１４．７及び結合補助格子４１４．５に対してブレーズされた格子を使用することによって改良され得る。これらの補助格子は、利用される１次回折の効率に最適化されている。同じ効果は、ｙ方向の斜めの照射によっても実現され得る。反射スケール本体４２０が、ｙ方向に対して垂直に照射されるように、分割補助格子４１４．７及び結合補助格子４１４．５は構成されている。
【０１０３】
第４実施形
以下に、本発明のエンコーダの第４の実施の形態を図７ａ〜７ｄに基づいて説明する。
【０１０４】
光源５１１と検出要素５１６．１〜５１６．３との間の走査ビーム路内で利用される格子の数に起因して、この別形態は、図１ａ〜１ｄからの形態、すなわち最初に説明した実施の形態に相当する。しかしこの実施の形態とは違って、反射スケール本体５２０から来た部分ビーム束が、走査板５１３の上面上に設けられている唯一の反射要素５１５の一点に集中するように、走査格子５１４．１〜５１４．４が構成されている。その他では、基本的な走査ビーム路は、最初の例の走査ビーム路に一致する。
【０１０５】
走査ビーム路内の異なる格子の目盛周期に関しては、この場合に以下の関係式に注意する必要がある：
【０１０６】
【数１２】
2008070363.tif 000014
【０１０７】
ＴＰVG  ：＝  結合格子の目盛周期
ＴＰM   ：＝  反射スケール本体の目盛周期
走査格子５１４．１，５１４．２は、同様に回折レンズと組み合わせた回折格子を意味する。この実施形では、この回折レンズは、シリンダ対称レンズとして走査光学系の光学軸線ＯＡ上に同心状に形成されている。この回折レンズは、部分ビーム束を走査板５１３の上面上の反射要素５１５上に焦点合わせする。この重ねられた回折格子は、有効な目盛周期ＴＰAG1 ＝ＴＰM で回折させる。
【０１０８】
走査格子５１４．１，５１４．２は、専らシリンダ対称な回折レンズとして走査光学系の光学軸線ＯＡ上に同心状に形成されている。これらの走査格子５１４．１，５１４．２は、さらに重畳された回折作用を及ぼすのではなくて（１／ＴＰAG2 ＝０）、走査板５１３の上面上に焦点合わせする部分ビーム束をコリメートする。
この例でこの条件式を守った場合、回転中心点が、反射スケール本体の上のほぼ走査板の高さにある。
第５実施形
本発明のエンコーダの第５実施形が、図８ａ〜８ｄ中に示されている。この構成は、同様に先に説明した別形態の構成に一致する。以下に、同様に先行する例に対する決定的な違いだけを説明する。
【０１０９】
示された第５実施形は、図５ａ〜５ｄに基づいて説明した上記第３実施形にほとんど一致する。第３実施形とは違って、逆反射要素として設けられている屋根型プリズムが、組み合わせられた回折要素／レンズ要素７１４．１〜７１４．４に交換されている。さらにこれらの回折要素／レンズ要素７１４．１〜７１４．４は、シリンダーレンズ要素の代わりに通常のレンズ要素を有する。これによって、入射する部分ビーム束が、反射スケール本体７２０の線方向ｙ及び測定方向ｘに反射要素７１５．１，７１５．２上に焦点合わせされるか又は反射後に再びコリメートされる。その結果、入射する部分ビーム束が、完全に反射される。この完全な反射の場合、両部分ビーム束のビーム方向が、反射スケール本体７２０での２回目の反射後に反射スケール本体７２０の起こりうる傾斜にもはや影響されない。結合格子の後方に出射する部分ビーム束が、レンズ７１７．１，７１７．２，７１７．３によって小さい検出要素７１６．１，７１６．２，７１６．３上に焦点合わせされる場合に、このことは、有益に利用することができる。反射スケール本体７２０が、場合によっては傾いた時でも、検出要素７１６．１，７１６．２，７１６．３上の照射地点が一定に維持される。それ故に非常に小さく、したがって迅速に応答する検出要素７１６．１，７１６．２，７１６．３が使用することができる。さらに検出のために光ファイバも使用され得る。
【０１１０】
説明した例のほかに、その他の構成が、本発明の範囲内で明らかに可能である。
【０１１１】
すなわち、例えば、横方向の単一モード構造又は多重モード構造を有するＬＥＤ又はレーザーのような可能な異なる光源を使用することができる。邪魔なスペックル像が阻止され得るので、横方向の多重モードの垂直放射レーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）又はＬＥＤが特に好ましい。全ての実施形の場合で、好ましくは入射する部分ビーム束の照射地点が、結合格子で一緒に照射するので、横方向の多重モードの光源の場合でも、高い信号変調を得ることができる。
【０１１２】
個々に発生する回折次数に対する結合格子及びフォト要素の代わりに、いわゆる構造化された検出配置が使用されてもよい。構造化された検出配置は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第100 22 619号明細書から公知であり、平行に配置されたストリップ状のフォト検出器から構成される。この場合、Ｎ番目ごとのフォト検出器が電気接続されている。このような構造化された検出配置は、互いに360 °／Ｎだけ位相がずれているＮ個の信号を提供する。Ｎは、特に３又は４である。
【０１１３】
或る角度で収束する全ての実施の形態の部分ビーム束が、結合格子の場所で干渉し、縞模様を形成する。この縞模様の縞の周期は、結合格子の半分の目盛周期に一致する。目盛周期ＴＰM ，ＴＰAG1 ，ＴＰAG2 を適切に選択することによって、縞模様の周期が、構造化された検出配置によって検出され得るような大きさに、縞模様の周期が調整され得る。これに対して縞模様の周期は、好ましくは40μｍ以上の値を有しなければならない。構造化された検出配置は、特に収束する両部分ビーム束の交差点に位置決めされる。この場合、格子状のフォト要素構造が、結合格子になる。この交差点は、目盛周期ＴＰM ，ＴＰAG1 ，ＴＰAG2 を適切に選択することによって走査板の上の面内に移動され得る。
【０１１４】
別の検出形態では、結合格子が、場所に依存する回折格子として構成され得る。このような場所に依存する回折格子は、例えば米国特許第5497226 号明細書から公知である。結合格子又は場所に依存する回折格子の場所での両部分ビーム束の干渉によって形成される縞模様が、この縞模様と同じ目盛周期を有するこの場所に依存する回折格子と相互作用する。この場所に依存する回折格子は、目盛周期ごとに多数のストリップ状の部分領域を有する。他方でこのような部分領域の各々が、より小さい目盛周期を有するサブ格子を備える。これらの個々の部分領域の目盛周期及び／又は測定方向ｘに対するサブ格子の方向は異なる。これらの部分領域は、照射する両部分ビーム束をそれぞれの部分領域に割り当てられた検出要素に向けて回折させる。場所に依存する回折格子の個々の部分領域に対する縞模様の最大値の位置に応じて、個々の部分領域が、異なって強く照射される。その結果、付随する検出器が、変調信号を出力する。
【０１１５】
離れて進行する部分ビーム束の分割角度が小さく、したがってこれらの部分ビーム束が、分離しないでフォト要素に向かって回折され得るので、この実施の形態は、好ましくは結合格子の大きい目盛周期ＴＰVGの場合に使用可能である。
【０１１６】
反射スケール本体の目盛周期が小さい場合、この目盛周期の回折効果及び移相作用が、入射するビーム束の偏光に依存する。このような偏光の依存性による信号の損傷を阻止するため、好ましくは１つの共通の偏光方向を有する直線に偏光されたビーム束だけを使用することが好ましい。これらのビーム束は、線方向に対して平行に又は測定方向に対して平行に進行する。これに対して、レーザーダイオードが、これに応じて指向されて配置され得るか、又は、これに応じて指向された偏光器が、照射ビーム路内で使用され得る。
回折レンズ及び回折要素を組み合わせて使用する場合、湾曲された格子ウェブに起因してビームの横断面によって変化する偏光状態が発生する。起こりうる偏光に依存する信号の歪みを阻止するため、それ故に、最後に通過した回折レンズ要素の後方の両ビーム束のそれぞれのビーム路内に偏光器を同様に挿入することが好ましい。この場合、偏光方向は、好ましくは同様に測定方向に平行に又はスケールの線方向に平行に選択することができる。
【０１１７】
最後に別の実施形に関して、スケール本体の測定方向ｘ及び線方向ｙに焦点合わせする説明した第５実施形（図８ａ〜８ｄ）の逆反射要素が、明らかにその他の実施の形態とも組み合わせ等可能であることをさらに指摘する。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１ａ】本発明のエンコーダの第１実施形の走査ビーム路の第１部分を示す。
【図１ｂ】本発明のエンコーダの第１実施形の走査ビーム路の第２部分を示す。
【図１ｃ】本発明のエンコーダの第１実施形の走査板の上面図である。
【図１ｄ】本発明のエンコーダの第１実施形の走査板の下面図である。
【図２ａ】本発明のエンコーダの第１実施形の別形態の走査ビーム路の第１部分を示す。
【図２ｂ】図２ａの走査ビーム路の一部を異なる方向から見た図である。
【図２ｃ】図２ａによる本発明のエンコーダの走査ビーム路の第２部分を示す。
【図２ｄ】図２ｃの走査ビーム路の一部を異なる方向から見た図である。
【図２ｅ】図２ａによる本発明のエンコーダの走査板の正面図である。
【図３ａ】本発明のエンコーダの第２実施形の走査ビーム路の第１部分を示す。
【図３ｂ】本発明のエンコーダの第２実施形の走査ビーム路の第２部分を示す。
【図３ｃ】本発明のエンコーダの第２実施形の走査板の上面図である。
【図３ｄ】本発明のエンコーダの第２実施形の走査板の下面図である。
【図４ａ】本発明のエンコーダの第２実施形の第１別形態の走査ビーム路の第１部分を示す。
【図４ｂ】図４ａによる本発明のエンコーダの実施形の走査ビーム路の第２部分を示す。
【図４ｃ】図４ａによる本発明のエンコーダの走査板の上面図である。
【図４ｄ】図４ａによる本発明のエンコーダの走査板の下面図である。
【図５ａ】本発明のエンコーダの第２実施形の第２別形態の走査ビーム路の第１部分を示す。
【図５ｂ】図５ａの走査ビーム路の一部を異なる方向から見た図である。
【図５ｃ】図５ａによる本発明のエンコーダの走査ビーム路の第２部分を示す。
【図５ｄ】図５ｃの走査ビーム路の一部を異なる方向から見た図である。
【図５ｅ】図５ａによる本発明のエンコーダの走査板の正面図である。
【図６ａ】本発明のエンコーダの第３実施形の走査ビーム路の第１部分を示す。
【図６ｂ】本発明のエンコーダの第３実施形の走査ビーム路の第２部分を示す。
【図６ｃ】本発明のエンコーダの第３実施形の走査板の上面図である。
【図６ｄ】本発明のエンコーダの第３実施形の走査板の下面図である。
【図７ａ】本発明のエンコーダの第４実施形の走査ビーム路の第１部分を示す。
【図７ｂ】本発明のエンコーダの第４実施形の走査ビーム路の第２部分を示す。
【図７ｃ】本発明のエンコーダの第４実施形の走査板の上面図である。
【図７ｄ】本発明のエンコーダの第４実施形の走査板の下面図である。
【図８ａ】本発明のエンコーダの第５実施形の走査ビーム路の第１部分を示す。
【図８ｂ】本発明のエンコーダの第５実施形の走査ビーム路の第２部分を示す。
【図８ｃ】本発明のエンコーダの第５実施形の走査板の上面図である。
【図８ｄ】本発明のエンコーダの第５実施形の走査板の下面図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１０  走査ユニット
１１  光源
１２  コリメータ光学系
１３  走査板
２０  反射スケール本体
２１  支持体
２２  測定目盛
【図１ａ】
2008070363.tif 000015
【図１ｂ】
2008070363.tif 000016
【図１ｃ】
2008070363.tif 000017
【図１ｄ】
2008070363.tif 000018
【図２ａ】
2008070363.tif 000019
【図２ｂ】
2008070363.tif 000020
【図２ｃ】
2008070363.tif 000021
【図２ｄ】
2008070363.tif 000022
【図２ｅ】
2008070363.tif 000023
【図３ａ】
2008070363.tif 000024
【図３ｂ】
2008070363.tif 000025
【図３ｃ】
2008070363.tif 000026
【図３ｄ】
2008070363.tif 000027
【図４ａ】
2008070363.tif 000028
【図４ｂ】
2008070363.tif 000029
【図４ｃ】
2008070363.tif 000030
【図４ｄ】
2008070363.tif 000031
【図５ａ】
2008070363.tif 000032
【図５ｂ】
2008070363.tif 000033
【図５ｃ】
2008070363.tif 000034
【図５ｄ】
2008070363.tif 000035
【図５ｅ】
2008070363.tif 000036
【図６ａ】
2008070363.tif 000037
【図６ｂ】
2008070363.tif 000038
【図６ｃ】
2008070363.tif 000039
【図６ｄ】
2008070363.tif 000040
【図７ａ】
2008070363.tif 000041
【図７ｂ】
2008070363.tif 000042
【図７ｃ】
2008070363.tif 000043
【図７ｄ】
2008070363.tif 000044
【図８ａ】
2008070363.tif 000045
【図８ｂ】
2008070363.tif 000046
【図８ｃ】
2008070363.tif 000047
【図８ｄ】
2008070363.tif 000048