(57)【要約】 【課題】  測定精度を向上できるとともに、超小型化できる変位測定装置を提供すること。【解決手段】  本発明の変位測定装置におけるリードヘッド装置２０は、スケール９０との間の相対変位を光学的に検出する。スケール格子パターンの画像を含むスケール光を、遮光要素を含んだ周期構造を有する位相マスク１２０によってフィルタリングすることによって、前記相対変位に関するより詳細な情報を取得できるから、測定精度を向上させることができる。また、従来の変位測定装置における電子光検出器の代わりに受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃを設け、これによって相対変位に関する情報を取り込むこととしているので、従来、電子光検出器に関連して必要だった多数の回路素子が不要となり、部品点数を著しく低減できるから、装置を超小型化できる。【選択図】 図１
2005070053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケールと、
このスケールに光を照射する光源と、
前記スケールからの反射光および透過光の少なくともいずれかとしてのスケール画像光を受光するリードヘッドとを備え、
前記スケールが前記リードヘッドに対して相対変位する際、前記リードヘッドで受光されるスケール画像光の変化を検出することによって、前記相対変位を測定する変位測定装置において、
前記スケールは、前記相対変位方向に沿って形成されたスケール格子パターンを有し、
前記リードヘッドは、
ハウジングと、
このハウジング内に収納され、前記スケール画像光が入射される画像レンズと、
前記ハウジング内に収納され、前記画像レンズを通過した前記スケール画像光を受光する複数の光ファイバレシーバチャネルとを備え、
前記各光ファイバレシーバチャネルは、
所定ピッチをもって形成される遮光要素を含んだ周期構造を有し、また、所定の空間位相を有し、前記スケール格子パターンの画像を含む前記スケール画像光を空間的にフィルタリングする空間位相マスクと、
前記スケール画像光が前記空間位相マスクにおける所定のフィルタリング範囲においてフィルタリングされることで生成されるチャネル信号光を受光する入力端部を有する少なくとも１本の受光ファイバとを備え、
前記フィルタリング範囲は、前記各空間位相マスクの少なくとも１つの周期構造を含む範囲とされ、
前記各受光ファイバを通じて取得される前記各チャネル信号光を基に前記相対変位を測定する、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変位測定装置において、
前記各空間位相マスクにおける前記遮光要素は、前記相対変位方向に沿って配置され、
前記各空間位相マスクが有する各空間位相の間に所望の関係が確立されるように、前記各空間位相マスクが透光性を有するマスク基板上に配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の変位測定装置において、
前記各空間位相マスクが、前記マスク基板における前記各受光ファイバの前記各入力端部と対向する側の面に設けられることによって、
前記各空間位相マスクが、それと対応する前記各入力端部と対向される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光ファイバレシーバチャネルの各々が、前記１または複数の受光ファイバのコア面積に基づく受光範囲を有し、
前記複数の光ファイバレシーバチャネルのうち少なくとも３つの光ファイバレシーバチャネルにおける前記各受光範囲の中心が、前記画像レンズの光軸位置から同じ距離だけ隔たった位置に配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光源と前記リードヘッドとは、前記スケールに対して同じ側に配置され、
前記スケール格子パターンは、所定の反射率を有する光反射要素を含んで構成され、
前記光源から出射され、前記光反射要素において反射された後、前記画像レンズに入射される光によって、前記スケール画像光が形成される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の変位測定装置において、
前記光源は、前記リードヘッドの前記ハウジングの内部に収納される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の変位測定装置において、
前記各受光ファイバの前記入力端部とは反対側の出力端部には、前記入力端部で入力され前記出力端部で出力される前記チャネル信号光を検出する光検出器が設けられ、
前記光源は、前記複数の受光ファイバのうち少なくとも１の受光／発光併用ファイバにおける前記出力端部に配置され、
この出力端部から当該受光／発光併用ファイバ内に入射された前記光源からの光は、この受光／発光併用ファイバの前記入力端部から出射された後、前記画像レンズを通過されて前記スケールに照射される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の変位測定装置において、
前記１または複数の各受光／発光併用ファイバの前記出力端部には、前記光源からの光をこの出力端部に入射するとともに、この出力端部から出力される前記チャネル信号光を、これに対応する前記光検出器に向けて出射する配光素子が設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の変位測定装置において、
前記配光素子は、ビームスプリッタおよび光学サーキュレータのいずれか一方を含んで構成される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１０】
請求項５から請求項９のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光源から出射される光は、前記画像レンズの外周を包囲する環状領域に含まれる複数の出射位置から前記スケールに向けて照射される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置は、前記画像レンズの光軸位置を重心とする正多角形の頂点位置に一致する、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１に記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置には、前記光源からの光を屈折させて、前記スケールに向かうにつれて前記画像レンズの光軸に近づいていく収束照明光を形成する屈折光学素子が設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１３】
請求項１０または請求項１１に記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置には、前記光源からの光を散乱させて前記スケールに照射する散乱光学素子が設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１４】
請求項１０から請求項１３のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置が、前記環状領域において連続的に隙間無く存在している、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１５】
請求項１０から請求項１４のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光源からの光を受け、前記環状領域に向かって発散していくリング状光束を形成するリング状光束形成素子と、
前記環状領域に配置され、前記リング状光束を屈折させて、前記スケールに向かうにつれて前記画像レンズの光軸に近づいていくリング状収束照明光を形成する環状屈折光学素子とが設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の変位測定装置において、
前記リング状光束形成素子と前記環状屈折光学素子との間に、前記リング状光束の外径および前記スケール画像光の外径の少なくともいずれかを調節するための第１光学バッフルが設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１７】
請求項１５または請求項１６に記載の変位測定装置において、
前記リング状光束形成素子と前記環状屈折光学素子との間に、前記リング状光束の内径および前記スケール画像光の外径の少なくともいずれかを調節するための第２光学バッフルが設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１８】
請求項１０から請求項１４のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置は、
前記光源としての複数の電子固体光源素子、
および、
一端部の近傍に前記光源が配置される複数の照明ファイバの他端部、
の少なくともいずれかによって構成される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記画像レンズの光軸位置には中心ファイバが配置され、
この中心ファイバは、前記光源から光の供給を受けて前記スケールに照射する照明ファイバ、および、光の伝送には何ら関与しないダミーファイバ、のいずれか一方とされ、
前記複数の受光ファイバのうち少なくとも３本の受光ファイバが、前記中心ファイバに当接するように配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２０】
請求項１から請求項１９のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光源と前記リードヘッドとは、前記スケールを挟んで互いに反対側に配置され、
前記スケールは、透光性を有するスケール基板を備え、
前記光源から出射され、前記スケールを透過された後、前記画像レンズに入射される光によって、前記スケール画像光が形成される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２１】
請求項１から請求項２０のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記複数の光ファイバレシーバチャネルは、２Ｎ（Ｎ≧２）の光ファイバレシーバチャネルからなるＮ対の光ファイバレシーバチャネル対を含んで構成され、
前記各光ファイバレシーバチャネル対は、前記画像レンズの光軸位置を挟んで正反対の位置に配置される２つの光ファイバレシーバチャネルによって構成され、
前記各光ファイバレシーバチャネル対における２枚の前記空間位相マスクは、空間位相が等しい／空間位相に１８０°の差がある、のいずれか一方である、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２２】
請求項１から請求項２１のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記リードヘッドは、前記画像レンズと前記複数の光ファイバレシーバチャネルとの間に制限アパーチャを有する、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の変位測定装置において、
前記制限アパーチャが、前記画像レンズから、その焦点距離だけ隔たった位置に配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２４】
請求項２２または請求項２３に記載の変位測定装置において、
前記各チャネル信号光が、前記スケールと前記リードヘッドとの間の相対変位に対して正弦関数的な変化を示すように、前記制限アパーチャの口径が設定されている、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２５】
請求項１から請求項２４のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記各空間位相マスクにおける前記フィルタリング範囲は、当該空間位相マスクの少なくとも３つの周期構造を含む範囲とされる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２６】
請求項１から請求項２５のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記各空間位相マスクにおける前記フィルタリング範囲は、当該空間位相マスクの少なくとも６つの周期構造を含む範囲とされる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２７】
請求項１から請求項２６のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記スケールは、その法線方向が前記画像レンズの光軸方向に対して垂直になるように配置され、
前記スケールと前記リードヘッドとの間には、前記スケールの法線方向および前記画像レンズの光軸方向の双方に対して４５°の角度をなす法線を有する反射面が設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２８】
請求項１から請求項２７のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記スケールは、
平板状の基板を備え、この基板の長手方向に沿って前記スケール格子パターンが配置される、
または、
円板状の基板を備え、この基板の円周方向に沿って前記スケール格子パターンが配置される、
または、
円筒状の部材を備え、この部材の表面上、その円周方向に沿って前記スケール格子パターンが配置される、
または、
テープ状の部材を備え、この部材の表面上、その長手方向に沿って前記スケール格子パターンが配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位測定装置に関する。詳しくは、超小型の変位エンコーダシステムを提供するべく、リードヘッド内の光ファイバレシーバチャネル上にスケール画像を投影し、これを検出する光学式変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線変位や回転変位を測定するため、スケールとリードヘッドとを備える種々の変位測定装置が知られている。これらの変位測定装置における測定方式として、光学式、磁気式、電磁誘導式、静電容量式などが知られている。いずれの方式においても、スケールには測定方向に沿ってスケールパターンが形成されている。リードヘッドは、このスケールパターンが読み取ることができる。スケールがリードヘッドに対して相対変位すると、それに応じて、リードヘッドにおける読み取りパターンが変化するから、リードヘッドは、前記相対変位を測定できる。
【０００３】
光学式変位測定装置としては、従来の同方式の装置よりも部品点数が少ないものが、Eselunによる特許文献１に開示されている。この測定装置は、格子パターンを有するスケールと、リードヘッドとを備える。リードヘッドは、点状光源と、ロンキー（Ronchi）格子またはホログラフィック素子と、光検出器アレイを含んで構成される。点状光源がスケールを照射すると、格子パターンに応じて干渉縞を含むスケール光が生じる。このスケール光は、ロンキー格子またはホログラフィック素子を経由して、光検出器アレイに到達し、検出される。光検出器アレイは、スケール光から、直交信号の４つのチャネルを得ることができるように配置されている。
【０００４】
また、これと別タイプの光学式変位測定装置が、Tokunagaによる特許文献２に開示されている。この測定装置は、スケールとリードヘッドとを備えている。リードヘッドは、１本のスケール照明用の照明ファイバと、２本のスケール光受光用の受光ファイバとを備えている。２本の受光ファイバは、測定方向に沿って密接して配置されている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５９０９２８３号明細書
【特許文献２】米国特許第４７３３０７１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１記載の測定装置の欠点は、装置のサイズが大きくなってしまう点、適用できる範囲が限定され汎用性に欠ける点などである。さらに、特許文献１にも開示されているような電子光検出器を有するリードヘッドを備えた動作制御システムにおいては、配線が長いために生じる高周波測定信号の減衰も問題である。
【０００７】
特許文献２記載の測定装置では、変位測定精度を向上させるためには、２本の受光ファイバを測定装置の所望の位置に正確に組み付け、それぞれの空間位相を最適に調整する必要がある。しかし、各受光ファイバの組み付け位置を規定する明確な基準がないために、組み付け精度にも限界がある。そのため、測定精度にもばらつきが生じ、測定の信頼性に欠けるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、小型で、汎用性が高く、各部品が正確に組み付け可能で、測定精度を向上させることができる変位測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の変位測定装置は、スケールと、このスケールに光を照射する光源と、前記スケールからの反射光および透過光の少なくともいずれかとしてのスケール画像光を受光するリードヘッドとを備え、前記スケールが前記リードヘッドに対して相対変位する際、前記リードヘッドで受光されるスケール画像光の変化を検出することによって、前記相対変位を測定する変位測定装置において、前記スケールは、前記相対変位方向に沿って形成されたスケール格子パターンを有し、前記リードヘッドは、ハウジングと、このハウジング内に収納され、前記スケール画像光が入射される画像レンズと、前記ハウジング内に収納され、前記画像レンズを通過した前記スケール画像光を受光する複数の光ファイバレシーバチャネルとを備え、前記各光ファイバレシーバチャネルは、所定ピッチをもって形成される遮光要素を含んだ周期構造を有し、また、所定の空間位相を有し、前記スケール格子パターンの画像を含む前記スケール画像光を空間的にフィルタリングする空間位相マスクと、前記スケール画像光が前記空間位相マスクにおける所定のフィルタリング範囲においてフィルタリングされることで生成されるチャネル信号光を受光する入力端部を有する少なくとも１本の受光ファイバとを備え、前記フィルタリング範囲は、前記各空間位相マスクの少なくとも１つの周期構造を含む範囲とされ、前記各受光ファイバを通じて取得される前記各チャネル信号光を基に前記相対変位を測定することを特徴とする。
【００１０】
この変位測定装置では、スケールとリードヘッドとの間の相対変位が、リードヘッドによって測定される。
前記したように、特許文献１記載の変位測定装置では、電子光検出器に接続される電気配線が長くなると、測定信号の減衰が生じてしまう。これに対して本発明では、測定信号としてのチャネル信号光を、受光ファイバを用いて伝送しているので、測定信号の減衰を効果的に防止できる。
また、特許文献１記載の変位測定装置では、電子光検出器に関連して多数の回路素子が必要となり、装置が大型になってしまうが、本発明では、測定信号としてのチャネル信号光を、そのまま受光ファイバで取り込んでいるだけなので、余分な部品は必要なく、装置を小型化できる。
【００１１】
また、従来、特許文献２に記載されているように、受光ファイバの先端で直接スケール画像を取り込んで測定を行っていた。しかし、受光量を増やすために受光ファイバのコア面積を大きくするとスケール画像の解像度が劣化してしまい、逆に、解像度を向上させるためにコア面積を小さくすると受光量が減少し、いずれにしても良好な測定信号が取得できないという問題があった。
これに対して、本発明では、空間位相マスクを設けることによって、受光ファイバのコア面積を大きくしてもスケール画像の解像度を高度に維持することができ、常に良好なチャネル信号光（測定信号）を取得できる。すなわち、スケール格子パターンの画像を含むスケール画像光を、さらに、遮光要素を含む周期構造を有する空間位相マスクでフィルタリングすることによって、より詳細な変位情報を含むチャネル信号光を取得できるから、受光ファイバのコア面積が大きくても、画像解像度が劣化することがない。
【００１２】
本発明では、前記光源と前記リードヘッドとは、前記スケールに対して同じ側に配置され、前記スケール格子パターンは、所定の反射率を有する光反射要素を含んで構成され、前記光源から出射され、前記光反射要素において反射された後、前記画像レンズに入射される光によって、前記スケール画像光が形成されることが好ましい。
この構成においては、リードヘッドが、スケール格子パターンの光反射要素からの反射光としてのスケール画像光を読み取り、変位を測定する。
【００１３】
また、本発明では、前記リードヘッドは、前記画像レンズと前記複数の光ファイバレシーバチャネルとの間に制限アパーチャを有することが好ましい。さらに、前記制限アパーチャが、前記画像レンズから、その焦点距離だけ隔たった位置に配置されることが好ましい。
これによって、いわゆるテレセントリックな光学系が構成されている。制限アパーチャは、画像レンズの光軸と略平行のスケール画像光のみを通過させる。
この構成によれば、リードヘッドとスケールとの間の距離に関係なく、リードヘッドは、安定してスケール画像光を取り込める。したがって、高い測定制度を実現できる。
【００１４】
また、本発明では、前記光源からの光を受け、前記環状領域に向かって発散していくリング状光束を形成するリング状光束形成素子と、前記環状領域に配置され、前記リング状光束を屈折させて、前記スケールに向かうにつれて前記画像レンズの光軸に近づいていくリング状収束照明光を形成する環状屈折光学素子とが設けられることが好ましい。さらに、前記リング状光束形成素子と前記環状屈折光学素子との間に、前記リング状光束の外径および前記スケール画像光の外径の少なくともいずれかを調節するための第１光学バッフルが設けられることが好ましい。さらに、前記リング状光束形成素子と前記環状屈折光学素子との間に、前記リング状光束の内径および前記スケール画像光の外径の少なくともいずれかを調節するための第２光学バッフルが設けられることが好ましい。
【００１５】
この構成においては、光源からの光がリング状光束形成素子によってリング状光束に形成され、環状屈折光学素子に入射される。環状屈折光学素子は、リング状光束を屈折させ、これをリング状収束照明光としてスケールに照射する。第１および第２光学バッフルは、前記リング状光束および前記スケール画像光を所望の形状に調整する役割を果たす。これによって、スケール上の所望の範囲に照明光を照射できるとともに、変位測定上の誤差要因となる望ましくないスケール画像光が光ファイバレシーバチャネルに到達するのを防止できる。
【００１６】
また、本発明では、前記各受光ファイバの前記入力端部とは反対側の出力端部には、前記入力端部で入力され前記出力端部で出力される前記チャネル信号光を検出する光検出器が設けられ、前記光源は、前記複数の受光ファイバのうち少なくとも１の受光／発光併用ファイバにおける前記出力端部に配置され、この出力端部から当該受光／発光併用ファイバ内に入射された前記光源からの光は、この受光／発光併用ファイバの前記入力端部から出射された後、前記画像レンズを通過されて前記スケールに照射されることが好ましい。さらに、前記１または複数の各受光／発光併用ファイバの前記出力端部には、前記光源からの光をこの出力端部に入射するとともに、この出力端部から出力される前記チャネル信号光を、これに対応する前記光検出器に向けて出射する配光素子が設けられることが好ましい。さらに、前記配光素子は、ビームスプリッタおよび光学サーキュレータのいずれか一方を含んで構成されることが好ましい。
【００１７】
この構成においては、受光／発光併用ファイバが、測定信号としてのチャネル信号光を受光する受光ファイバとして機能するとともに、スケールを照明する光を発光する照明ファイバとしても機能する。チャネル信号光は、配光素子（光分離手段）によって光源からの照明光と分離され、光検出器によって検出される。
【００１８】
また、本発明では、前記画像レンズの光軸位置には中心ファイバが配置され、この中心ファイバは、前記光源から光の供給を受けて前記スケールに照射する照明ファイバ、および、光の伝送には何ら関与しないダミーファイバ、のいずれか一方とされ、前記複数の受光ファイバのうち少なくとも３本の受光ファイバが、前記中心ファイバに当接するように配置されることが好ましい。
この構成によれば、中心ファイバを基準（中心）として、その周囲に複数の受光ファイバを等間隔に配置できるので、これらの組み付けを容易に、かつ、正確に行うことができる。そのため、前記特許文献２における問題を解決し、測定精度を著しく向上させることができる。
【００１９】
また、本発明では、前記複数の光ファイバレシーバチャネルは、２Ｎ（Ｎ≧２）の光ファイバレシーバチャネルからなるＮ対の光ファイバレシーバチャネル対を含んで構成され、前記各光ファイバレシーバチャネル対は、前記画像レンズの光軸位置を挟んで正反対の位置に配置される２つの光ファイバレシーバチャネルによって構成され、前記各光ファイバレシーバチャネル対における２枚の前記空間位相マスクは、空間位相が等しい／空間位相に１８０°の差がある、のいずれか一方であることが好ましい。
この構成によれば、対となった光ファイバーレシーバチャネルによって効果的にスケール画像光を受光できるから、測定精度を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明では、前記スケールは、その法線方向が前記画像レンズの光軸方向に対して垂直になるように配置され、前記スケールと前記リードヘッドとの間には、前記スケールの法線方向および前記画像レンズの光軸方向の双方に対して４５°の角度をなす法線を有する反射面が設けられることが好ましい。
この構成によれば、反射面が、スケールとリードヘッドとの間の光路を９０°曲げることができるから、スケールの法線方向が画像レンズの光軸方向に対して垂直であっても、正常に変位測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明にかかる変位測定装置の包括的な実施形態を示す。光ファイバリードヘッド装置２０は、リードヘッド６０、光学装置６１、リング状光束形成素子としてのアキシコンレンズ６２、および、スケール９０を備えている。光学装置６１における画像レンズ７６は、スケール９０の画像をリードヘッド６０内に投射するために使用される。スケール９０は、測定方向８２に沿って長尺であり、その長さは任意である。なお、リードヘッド６０および光学装置６１は、合わせて本発明のリードヘッドを構成している。
リードヘッド６０は、カラー５０とアラインメント用の溝４５を具備したフェルール４０によって外装されている。リードヘッド６０は、２００２年１１月１５日付けで提出された米国特許明細書第１０/２９８，３１２号、"High Accuracy Miniature Grating EncoderReadhead Using FiberOptic Receiver Channels"に記載の技術に従って形成することができる。
【００２２】
リードヘッド６０は、３本の受光ファイバ１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃを含む光ファイバレシーバチャネルセット２９０と、照明ファイバ１７０とに結合している。照明ファイバ１７０は、リードヘッド６０における光供給孔２８０に、後方（図１では左方）から光を供給するものである。光供給孔２８０の前方にはアキシコンレンズ６２が近接配置され、これは後述するように光供給孔２８０から出射されたソース光を所望の光路に沿って配光する。ここで、ソース光としては様々な波長の光を利用できる。例えば、白色光、単色光、擬似単色光であってもよく、また、公称波長λを有する光であってもよい。
【００２３】
リードヘッド６０は、さらに、空間位相マスクとしての位相マスク１２０を備えている。位相マスク１２０は、リードヘッド６０の先端部における基板２６５の表面に形成されるアパーチャ（開口部）を覆うように配置される。このアパーチャは光供給孔２８０を中心として放射状（３方向）に形成され、これに対応して位相マスク１２０は１２０Ａ〜Ｃの３つの部分に分割されている。各位相マスク１２０Ａ〜Ｃは、それぞれの空間位相の間に所望の関係が確立されるように基板２６５上に配置されている。前記受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの入力端部としての先端部（図１では右端部）は、それぞれ、位相マスク１２０Ａ〜Ｃに対向して配置される。位相マスク１２０Ａ〜Ｃは同一平面上、すなわち、リードヘッド６０の先端面上に配置されており、これによって公称受光面１６０（図２参照）が形成されている。コンパクトなリードヘッド６０を製造するため、受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃは、前記第１０/２９８，３１２号明細書の技術に従って配置されることが好ましい。
【００２４】
リードヘッド６０は光学装置６１と結合している。光供給孔２８０およびアキシコンレンズ６２を介して配光されたソース光は、光学装置６１内を通過し、後述するように、光学装置６１の先端部の内周面に沿って配置される、本発明の環状屈折光学素子および屈折光学素子としての環状照明レンズ７８に照射される。環状照明レンズ７８は、このソース光をスケール９０に照射する。スケール９０がソース光で照明されると、ソース光が、スケール９０上の格子模様に応じて選択的に反射されて、スケール画像光としてのスケール光が得られる。図２に示すように、スケール９０からのスケール光（図２中左方に進む光）は光学装置６１の画像レンズ７６を通過した後、リードヘッド６０によって受光される。
【００２５】
スケール９０は、光学装置６１から画像レンズ７６の光軸６３に沿って一定距離隔たった場所に位置する。また、スケール９０は、光軸６３に対して垂直な平面内に配置され、光学装置６１に対して測定方向８２に沿って相対移動可能である。スケール９０は、例えばフレームに取り付けられた従来型のガイドウェイまたはベアリング（図示せず）によって測定方向８２に沿って移動可能に保持され、これによって、光学装置６１とスケール９０との間の距離が正確に維持される。
【００２６】
図１に示すように、スケール９０上のソース光照明範囲６４の中心点６４１が、画像レンズ７６の光軸６３上にくるように位置決めされている。光学装置６１は、中心に点状の制限アパーチャ７５を有するピンホールアパーチャ板７２をさらに備えている。
図２に示すように、このピンホールアパーチャ板７２は、画像レンズ７６から、光軸６３に沿って、その焦点距離ｆで離間している。これにより、スケール９０からの光軸６３に略平行なスケール光は、画像レンズ７６によってピンホールアパーチャ板７２の位置に集光され、制限アパーチャ７５内を通過されることにより、リードヘッド６０の受光面１６０上に照射される。要するに、画像レンズ７６からスケール９０までの物体距離ｄ０によらず、受光面１６０においてスケール９０の画像を拡大するテレセントリックな光学系が形成されている。
なお、リードヘッド６０の受光面１６０は、画像レンズ７６から、光軸６３に沿って画像距離ｄｉで離間しているものとし、また、ピンホールアパーチャ板７２とリードヘッド６０の受光面１６０との間の垂直距離をｄｔとする。
【００２７】
光学装置６１はさらに、ハウジング６５、光学バッフル７０、環状照明レンズ７８を備えている。また、スケール９０は、基板９５上に測定方向８２に沿って形成された、格子ピッチＰｇ（図１参照）を有するスケール格子パターンを含んでいる。このスケール格子パターンは、所定の反射率を有する光反射要素を含んで構成され、この光反射要素が格子ピッチＰｇで形成されている。
図２に示すように、リードヘッド６０における照明ファイバ１７０から発せられた光は、アキシコンレンズ６２によってリング状の光束２５１に形成される。リング状光束２５１は、光軸６３の方向に沿って右方（図２中）に進むにつれて、その径が大きくなり、画像レンズ７６の外周を囲う環状領域に配置されている環状照明レンズ７８に照射される。環状照明レンズ７８は、発散していく光束２５１を屈折させて、リング状収束照明光束２５２を形成し、スケール９０上にリング状に照射する。なお、環状照明レンズ７８のスケール９０側の表面全域にわたって本発明の複数の出射位置が形成されている。本実施形態では、特に、この出射位置が、前記環状領域において連続的に隙間無く存在していることになる。
【００２８】
本実施形態では、環状照明レンズ７８からの照明光束２５２は、スケール９０上においてほぼリング状の強度分布を有する。
なお、きめが粗く光を散乱する散乱面、あるいは、光を散乱する性質を有する材料によって形成される散乱層を環状照明レンズ７８の表面または内部に設けてもよい。この散乱面および散乱層は、本発明の散乱光学素子を構成する。このような散乱面、散乱層によれば、リング光束２５１が環状照明レンズ７８を通過する際に適度に散乱され、スケール９０の表面ではより均一な強度分布が得られる。
いずれの場合も、スケール９０からの反射光がリードヘッド６０の受光面１６０上における受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの端部に適切に照射されるように、スケール９０上の照明範囲６４が調整されているものとする。
【００２９】
本実施形態では、受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの端部からスケール９０からのスケール光が取り込まれるようになっている。その検出範囲（受光範囲、すなわち、各受光ファイバのコア直径）は、従来のリードヘッドで使用されているほとんどの電子検出器よりも遥かに小さくすることができるから、検出される信号（光）エネルギーを厳密に選別でき、その結果、高い信号対ノイズ比（ＳＮ比）を実現できる。
なお、受光ファイバ１３０〜Ｃの他方の端部（出力端部：図示せず）は、公知の標準的な光ファイバコネクタに接続可能となっている。
【００３０】
以下、図２を用いて、リードヘッド６０とスケール９０との間の光の伝播について、より詳細に説明する。リードヘッド６０の中心部において、照明ファイバ１７０がソースファイバ光２５０を出射する。ソースファイバ光２５０は、照明ファイバ１７０の開口数によって決定されたハーフアングルθで発散する。このハーフアングルθは、約２°〜１０°の角度である。
図２に示されるように、照明ファイバ１７０の端部は、透明な基板２６５から若干離れた位置に配置されている。しかし、この図示は便宜上のものに過ぎず、実際は、照明ファイバ１７０の端部が基板２６５とできる限り接近しているのが好ましい。
【００３１】
発散するソースファイバ光２５０は、位相マスク１２０（図１参照）を備えたマスク基板としての基板２６５を通過し、アキシコンレンズ６２内へ入る。ここで、アキシコンレンズタイプを強調する目的で、アキシコンレンズ６２の軸寸法は実際よりも拡大して表示されている。アキシコンレンズ６２は、ソースファイバ光２５０を屈折させ、これを光学装置６１端部の環状照明レンズ７８に向けて照射する。アキシコンレンズ６２と環状照明レンズ７８との間には、第１および第２光学バッフルとしての光学バッフル７１および８１が配置されており、アキシコンレンズ６２から環状照明レンズ７８へ向かう光束がリング状に制限され、これがリング状光束２５１として環状照明レンズ７８に照射される。
【００３２】
すなわち、アキシコンレンズ６２から出射され発散していく光束は、光学装置６１の中心軸６３近傍に同軸配置された円筒形光学バッフル８１と、その周囲に同軸配置された光学バッフル部材７０から光学装置６１の径方向に沿って延伸形成される光学バッフル７１との間のリング状開口部を通過してリング状光束２５１に形成される。ここで、図２においては、発散するリング光束２５１の外郭線が粗い破線で表示されている。リング状光束２５１は、その後、アパーチャ板７２の透明基板７３を通過し、環状照明レンズ７８に到達する。
【００３３】
そして、環状照明レンズ７８に到達したリング状光束２５１は、前述したように、屈折されてスケール９０のスケール格子パターン上に集光照射される（照射範囲６４）。そして、スケール９０からは反射光として、スケール格子パターンに応じたスケール光が出射される。ここで、照射範囲６４は、画像レンズ７６と略同じ大きさになっており、この照射範囲６４からのスケール光２５３が、画像レンズ７６によってリードヘッド６０の光ファイバレシーバチャネル２９０上に投射されるようになっている。
【００３４】
前述したように、画像レンズ７６から、その焦点距離ｆだけ隔たった位置に点状の制限アパーチャ７５を設けることによって、スケール光２５３に対してテレセントリックな光学系が形成されている。制限アパーチャ７５は、スケール光束２５３のうち、光軸６３に対して平行でない全ての光線を遮断するフィルタとして機能する。実際の制限アパーチャ７５は理想的なピンホールよりも若干大きいため、光軸６３に対して角度を有するスケール光２５３であっても、その角度が若干であれば通過が許可される。
【００３５】
以上のテレセントリックな光学系によれば、光軸６３と略平行なスケール光２５３のみを画像化できるため、スケール９０と画像レンズ７６との間の距離ｄ０によらない、常に一定の大きさの画像を得ることができる。この性質によれば、例えば、装置製造時などに部品取付け・配置上の不完全性があり、距離ｄ０に誤差が生じてしまったとしても、スケール光２５３の画像化に悪影響が及ぶことがなくなる。本実施形態では、特に、この性質によって、スケール９０のスケール格子パターンを、リードヘッド６０の受光面１６０上に正確に画像化できるので、後述するように測定を高精度化できる。
なお、部品の取付け・配置等を正確に行うことによって、物体距離ｄ０を精密に調節できるような場合には、以上のテレセントリックな光学系は必ずしも必要ではなく、制限アパーチャ７５を有するピンホールアパーチャ板７２は省略してもよい。
【００３６】
スケール光束２５３、２５４、２５５の外郭光線を、図２では、細かい破線として示す。発散していくスケール光束２５５は、リードヘッド６０の受光面１６０において、スケール９０のスケール格子パターンの画像を形成する。このスケール格子パターンの画像は、受光面１６０における光ファイバレシーバチャネル２９０によって検出され、検出画像に基づく信号が受光ファイバ１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃを通じて出力される。
【００３７】
ここで、前記スケール光束２５３〜２５５の外郭光線よりも内側を通る任意の一本の光線２５３Ａを、図２において細かい破線として示す。この線を参照すれば、スケール９０上の照射範囲６４に含まれる寸法６４Ａが、リードヘッド６０の受光面１６０上に寸法１６０Ａとして画像化されることが明瞭に理解できる。
【００３８】
図２では、光ファイバリードヘッド装置２０の作用をより明瞭に図示する必要上、リードヘッド６０の受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの端部を、基板２６５の表面から若干離して示してある。しかし、実際は、各受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの端部は基板２６５と略接している。位相マスク１２０Ａ〜Ｃ（図１参照）は、基板２６５における受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの端部と対向する表面（図２では左側面）上に形成されている。ここで、この面は受光面１６０と一致している。
【００３９】
次に、リードヘッド６０の受光面１６０上に投影されるスケール９０の画像の拡大倍率について述べる。制限アパーチャ７５を通過したスケール光束２５５は、光軸６３に沿って距離ｄｔで伝播され、受光面１６０上に到達している。したがって、スケール９０の画像の拡大倍率Ｍは、主として画像レンズ７６の焦点距離ｆと距離ｄｔとの関係によって決まり、Ｍ≒ｄｔ／ｆ・・・（式１）、によって得られる。
【００４０】
制限アパーチャ７５の大きさは、被写体としてのスケール９０に対する被写界深度と、リードヘッド６０の受光面１６０上の画像強度とを考慮した上で選択される。被写界深度と画像強度とはトレードオフの関係にあるので、両者が同時に最適水準となるような制限アパーチャ７５の寸法が、実験的な過程を経て決定される。なお、制限アパーチャ７５の形状には特に制限はなく、円形、四角形、矩形などが例示される。
【００４１】
なお、制限アパーチャ７５が比較的大きい場合、あるいは、制限アパーチャ７５を有するピンホールアパーチャ板７２が省略されるような場合、拡大倍率Ｍは物体距離ｄ０に従って変化する。このときは、Ｍ≒ｄｉ／ｄ０・・・（式２）、である。
【００４２】
スケール９０のスケール格子パターン（ピッチＰｇ：図１参照）は、前記の各場合における拡大倍率Ｍに応じて拡大され、リードヘッド６０の受光面１６０上に画像として照射される。このとき格子パターンのピッチＰｇは、Ｐｉ（＝Ｍ・Ｐｇ）に拡大されており、以下、これを画像ピッチと呼ぶことにする。さて、スケール格子パターンの画像（ピッチＰｉ）は、受光面１６０に配置される各位相マスク１２０Ａ〜Ｃ（図１参照）上に照射される。ここで、各位相マスク１２０Ａ〜Ｃは、測定方向８２に沿ったマスクピッチＰｍで特徴付けられる遮光要素を含んだ周期構造を有しており、その上から画像ピッチＰｉのスケール画像が投影されていることになる。なお、各位相マスクは、それぞれ所定の空間位相を有している。
画像ピッチＰｉとマスクピッチＰｍとの比率は、前記の拡大倍率Ｍによって決定される。例えば、拡大倍率Ｍ＝１のときは、画像ピッチＰｉとマスクピッチＰｍとが一致するようになっている。また、図２において、例えば、ｄｔ＝２ｆのときは、前記の（式１）によって拡大倍率Ｍ≒２であり、画像ピッチＰｉはマスクピッチＰｍの約２倍になる。
【００４３】
スケール９０のスケール格子パターンのピッチＰｇは、おおよそ４μｍ〜４０μｍの範囲内とされている。ここで、約４μｍという下限の値は、本実施形態の画像システムにおける横方向（光軸６３に直交する方向、例えば、スケール格子パターンの形成方向８２）の分解能を考慮して算出されたものである。すなわち、画像システムの分解能にも一定の限界があり、格子ピッチＰｇをあまりに小さく（＜４μｍ）すると、この画像システムでは格子パターンの検出ができなくなってしまうので、そうならないように格子ピッチＰｇの下限が設定されているのである。
【００４４】
さて、画像システムの分解（解像）能力には、光の回折効果による理論的な限界（回折限界）がある。インコヒーレントな照明では、回折限界は以下の（式３）によって得られる。すなわち、回折効果の下で見分けることができる最小の間隔をｄとすれば、ｄ≒１．２２λ／２ＮＡ・・・（式３）、である。ここで、λは光の波長であり、ＮＡは画像システムの開口数である。
また、インコヒーレント照明についてのカットオフ（限界）周波数（空間周波数）は２ＮＡ／λ、一方、コヒーレント照明についてのカットオフ周波数は１．３３ＮＡ／λであるから、横方向の分解能は光のコヒーレント性に依存する。
なお、本発明に従って出力される光信号を最終的に受信する光電検出器が受信できる範囲の波長の光であれば、可視光／不可視光、あるいは、インコヒーレント光／コヒーレント光の別を問わず本発明で利用することができる。
【００４５】
一般に、スケール９０のスケール格子パターンは、スケール基板９５の前面または後面に配置できる。本実施形態では、スケール格子パターンは基板９５の前面（図２では左側面）に配置されている。なお、本実施形態とは逆にスケール格子パターンを基板９５の後面に配置する場合には、基板９５を、例えば、ガラスまたは石英等の透光性材料で構成する必要がある。さて、スケール格子パターンは、光反射要素としての格子線（ピッチＰｇ）と光非反射要素としてのスペースとが交互に配置されることによって構成されている。格子線は、照明光２５２を反射し、光軸６３と略平行する光線２５３を生成し、リードヘッド６０に向けて出射する。一方、スペースは照明光２５２を吸収し、リードヘッド６０へ向かう反射光を生成させない。
このように、格子線からの反射光によって、リードヘッド６０の受光面１６０には、ピッチＰｉ（前記）の輝線が画像として投影される。なお、スペースが反射光を生成しないために、前記輝線の間は暗部となっている。
【００４６】
スケール９０のスケール格子パターンは、ブレーズ格子を含んで構成されていてもよい。ここで、ブレーズ格子は、リードヘッド６０の受光面１６０が受像したスケール画像内における、前記輝線と、その間の暗部との間のコントラストを拡大するべく、スケール照射光２５２の入射角度を考慮して設計されている。
【００４７】
さて、以上のような構成において、リードヘッド６０および光学装置６１は、スケール９０に対して測定方向８２に沿って相対移動する。すると、スケール格子パターンの画像（ピッチＰｉ）が位相マスク１２０に対して相対移動する。位相マスク１２０は、移動するスケール格子パターンの画像を所定のフィルタリング範囲においてフィルタリングし、その後、前記第１０/２９８，３１２号明細書に記載されているように、各受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃが、相対移動量に対して周期的に変化するチャネル信号光としての光信号を、相対移動の関数として受信する。ここで光信号の周期は、主としてスケール格子ピッチＰｇによって決定される。
【００４８】
本実施形態の光ファイバリードヘッド装置２０による変位測定を高精度に行うためには光信号の補間を高精度に行う必要があるが、このとき、光信号として周期的、例えば、正弦関数的に変化するものを使用すれば、このような信号補間を容易に行うことができる。
そこで、本実施形態では、制限アパーチャ７５の口径を適度に調節することによって、光ファイバレシーバチャネル２９０において受像されるスケール格子パターンの画像が所定の程度まで不鮮明化されるようにし、光ファイバレシーバチャネル２９０において検出される光信号がスケール９０とリードヘッド６０との間の相対変位に対して正弦関数的な変化を示すようにしている。
【００４９】
位相マスク１２０およびスケール９０のスケール格子パターンは、種々のデューティサイクル、マスク／格子素子幅等を含んでいるため、受光面１６０が受像したスケールパターンを位相マスク１２０によってフィルタリングすることで、より正弦波に近い光信号を、変位エンコーダ設計の当業者に既知の方法にて提供することができ、この方法としては、例えば、Holzapfelによる米国特許第５、５７６、５３７号に開示されている方法が挙げられる。
【００５０】
また、正弦波的な光信号を得る目的で、制限アパーチャ７５の口径を調整する代わりに、または、これと併せて、光ファイバリードヘッド装置２０とスケール９０との間の距離を調整し、受光面１６０において結像されるスケール画像を不鮮明化したり、あるいは、デフォーカスしたりしてもよい。この場合、リードヘッド装置２０およびスケール９０を、光軸６３方向に沿って相対移動可能に設けた上で、光信号を検討し、最も正弦波に近い信号が得られるまで、両者の離間距離を調整して、最適離間距離を実験的に決定できる。
【００５１】
本実施形態では、以上の方法を全て組み合わせることにより、正弦波的な光信号を得ている。すなわち、適切な制限アパーチャ７５の径寸法、デューティサイクル、マスク／格子素子幅等を、前記最適離間距離と合わせて設定することで、正弦波的な光信号が得られる。
【００５２】
スケール９０のスケール格子パターンを、照明ファイバ１７０による本実施形態の照明装置、または、適当な外部照明により照明することで、光ファイバリードヘッド装置２０における信号対ノイズ比を相当高く、例えば３２、４０、６４、１２８、あるいは２５６にさえもすることが可能である。さらに、光ファイバリードヘッド装置２０は、理想的な正弦関数からのずれを、正弦関数のピークトゥピーク値の１／１６、１／３２、さらには１／６４またはこれ未満といったように可能な限り小さく抑えた正弦関数的な光信号を取得できる。そのため、光ファイバリードヘッド装置２０は、スケール格子ピッチＰｇの１／１６、１／３２、さらには１／６４またはこれ未満といったように可能な限り高い解像度を有し、正確に補間された変位測定を行うことができる。
【００５３】
図２に示す光学バッフルのシステムは、前記の円筒形光学バッフル８１、光学バッフル７１に加えて、基板２６５に固定することができる環状光学バッフル９１を備えている。これらの光学バッフル７１、８１、９１は、環状照明レンズ７８を通じてリードヘッド６０に入射する可能性のある周囲の光や、迷反射光が、リードヘッド６０の光ファイバレシーバチャネル２９０に到達することを防止する。たとえば、光学バッフル７１は、光学装置６１内部の上方部（図２中）を光軸６３と略平行に直進する光が、受光ファイバ１３０Ｂの検出範囲へ伝播されることを防止することがわかる。また、光学バッフル８１と９１とは、例えば、光学装置６１の右端部の上方部（図２中）から図２中斜め左下に向かって直進する光を遮断し、これが受光ファイバ１３０Ａの検出範囲へ伝播されることを防止する。
【００５４】
リードヘッド装置２０は、製造および組み立てを簡素化するための様々な特徴を備えている。たとえば、基板２６５上への位相マスク１２０や環状光学バッフル９１の取付けを、従来の薄膜または厚膜付加およびパターニング技術によって行うことができる。また、他のタイプのコーティングまたは分離材料などによって環状光学バッフル９１を形成し、これを基板２６５の表面に接着してもよい。さらに、アキシコンレンズ６２を、適切な光学的性質を有する接着剤によって、基板２６５の表面上に接着してもよい。
ここでは、基板２６５は、援用の前記第１０/２９８，３１２号明細書に記載の通りにリードヘッド６０に接着されている。光学装置ハウジング６５の内径は、リードヘッド６０の外径と僅かな公差を持っており、両者は嵌合している。また、基板２６５を、光学装置ハウジング６５の内周に沿って環状に設けられる配置突起部６６に当接させることで、取付けを容易に行うことができる。
【００５５】
光学装置ハウジング６５はさらに、適切な位置に環状に形成された配置突起部６７を備えており、これによって、光学バッフル素子７０が正確に配置される。さらに、光学バッフル素子７０は、アパーチャ板７２を、リードヘッド６０と画像レンズ７６の双方に対して、光軸６３に沿った正確な位置に配置するための正確な軸寸法を有している。アパーチャ板７２は、光学バッフル素子７０と当接され接着されている。マスク部（遮光部）７４と制限アパーチャ７５とは、たとえば薄膜パターニング技術によって、アパーチャ板７２上に製造できる。あるいは、他のタイプのコーティングまたは分離材料などによってマスク部７４と制限アパーチャ７５を形成し、これをアパーチャ板７２の表面に接着することもできる。さらに、円筒形光学バッフル８１をアパーチャ板７２の表面に接着することも可能である。
【００５６】
さらに、光学装置ハウジング６５は、環状照明レンズ７８と画像レンズ７６を正確に配置するための、適切な軸位置に形成された配置突起部６８を備えている。環状照明レンズ７８は配置突起部６８と当接され接着されている。環状照明レンズ７８の内周面には環状取付け部材６９が設けられる。環状取付け部材６９は、環状照明レンズ７８の内周面に対して嵌合する外径を有し、さらに、画像レンズ７６を支持する縁６９Ａを備えている。これらを組み立てるには、環状取付け部材６９を環状照明レンズ７８に結合させる前に、環状取付け部材６９と画像レンズ７６とを結合させ、これをリードヘッド６０と制限アパーチャ７５の双方に対して、光軸６３に沿った正確な軸位置に配置させる。なお、環状照明レンズ７８と画像レンズ７６とを、単一の光学素子として製造してもよいし、また、両者を直接結合して、環状取付け部材６９を省略してもよい。
【００５７】
本実施形態のリードヘッド装置２０における種々の部材の寸法は以下に示すとおりである。画像レンズ７６は、約１.０ｍｍの最小のクリアアパーチャを設けた両凸レンズである。レンズの有効面からスケール格子パターン面までの公称物体距離ｄ０は約５.３ｍｍである。画像レンズ７６の焦点距離ｆは約３.５ｍｍであり、これはさらに、画像レンズ７６の有効面から制限アパーチャ７５までの距離でもある。円形の制限アパーチャ７５の直径は約４００μｍである。なお、制限アパーチャ７５の直径は、１００μｍ以上５００μｍ以下であればよく、より好ましくは、１５０μｍ以上４００μｍ以下であればよい。受光面１６０から制限アパーチャ７５までの距離ｄｔは約７.０ｍｍである。したがって、スケール９０のスケール格子パターン画像の拡大倍率Ｍは、前記（式１）によれば約２.０であり、これは実験によってさらに正確に決定することが可能である。各受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃは、約２００μｍの外径を有している。また、各受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃは、照明ファイバ１７０の中心（光軸６３の位置と一致）から半径ＲＡＬだけ離れた位置に配置されている。ここで、ＲＡＬは、約２００μｍである。なお、ＲＡＬは、３つの受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃに共通の値であるから、これらに対応する各光ファイバレシーバチャネルの１９０Ａ〜Ｃ（図３参照）の中心は、画像レンズ７６の光軸６３位置から同じ距離だけ隔たった位置に配置されていることになる。なお、照明ファイバ１７０は、約２１５μｍの外径を有する。
以上の部品寸法および配置によって、３つの受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの入力端部が収納される一つの円筒状空間の半径を、３ｍｍ未満、あるいは、２ｍｍ未満、さらには、１．２５ｍｍ未満とすることができる。
【００５８】
アキシコンレンズ６２は、リング状光束２５１の最も外側の光線について約１２°のハーフアングルを、また、最も内側の光線について約６°のハーフアングルを提供するように、従来の手法に従って設計・位置決めされており、これらの各ハーフアングルは、環状照明レンズ７８の約４.５ｍｍの外径、約２.２ｍｍの内径とも整合性がとれている。
環状照明レンズ７８は、収束する照明光２５２の環状リングが約２０°の公称ハーフアングルにてスケール９０に照射されるように、従来の手法に従って設計されている。
なお、先の記述によれば、リードヘッド装置２０の全体直径を、可能な限り小さく、例えば、約７ｍｍ、５ｍｍ、あるいはこれよりもさらに小さくできることが容易に理解される。したがって、ハウジング６５の短尺寸法、すなわち、光軸６３に垂直な方向の寸法は、５ｍｍ未満にできる。
【００５９】
リードヘッド装置２０の他の寸法例を以下に示す。画像レンズ７６は、約０.９ｍｍの最小のクリアアパーチャを備えた屈折レンズまたは回折レンズである。画像レンズ７６の有効面からスケール格子パターン面までの公称物体距離ｄ０は１.９ｍｍである。画像レンズ７６の焦点距離ｆは約１.５ｍｍである。制限アパーチャ７５の直径は約１５０μｍである。受光面１６０から制限アパーチャ７５までの距離ｄｔは５.８ｍｍである。したがって、受光面１６０におけるスケール９０のスケール格子パターン画像の拡大倍率Ｍは、（式１）によれば約３.８である。各受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃは同一の外径を有しており、約２５０μｍ〜約５００μｍの範囲内で選択される。また、各受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃは、照明ファイバ１７０の中心から、約７５０μｍ〜約５００μｍの範囲内から選択される半径ＲＡＬだけ隔たった位置に配置されている。照明ファイバ１７０は、約１００μｍ〜約５００μｍの範囲内から選択された外径を有する。
【００６０】
アキシコンレンズ６２は、リング状光束２５１の最も外側の光線について約９.７°のハーフアングルを、最も内側の光線について４.７°のハーフアングルを提供するように、従来の手法に従って設計・位置決めされており、これらの各ハーフアングルは、環状照明レンズ７８の約２.５ｍｍの外径、約１.２ｍｍの内径と整合する。環状照明レンズ７８は、照明光２５２の収束リングが約４３°の公称ハーフアングルにて収束するように設計されている。
【００６１】
以上の寸法例において、受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの外径を比較的小さく選択し、また、光軸６３を中心とする半径ＲＡＬを比較的大きな値に選択すれば、種々の光学バッフル７１、８１、９１の作用によって、環状照明レンズ７８に入射するほとんどの迷光が、光ファイバレシーバチャネル２９０で受光されないようにすることができる。したがって、高品質の光出力信号が得られる。
なお、先の説明に照らせば、リードヘッド装置２０の全体直径を可能な限り短く、例えば、約５ｍｍ、２．５ｍｍ、またはこれよりも短くできることが容易に理解される。したがって、ハウジング６５の短尺寸法、すなわち、光軸６３に垂直な方向の寸法は、２．５ｍｍ未満にできる。
【００６２】
図３は、図１のリードヘッド６０をより詳細に説明するための図であり、この図には位相マスク１２０がスケール格子パターンの画像をフィルタリングする様子や、リードヘッド６０の組み立て方法も示されている。リードヘッド６０は、概して援用の前記第１０/２９８，３１２号明細書に記載されているとおりに、３つの光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃを備えている。光ファイバレシーバチャネル１９０Ａは、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ、位相マスク１２０Ａ、受光ファイバ１３０Ａを備えている。レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａは位相マスク１２０Ａの後ろに配置されている。同様に、光ファイバレシーバチャネル１９０Ｂは、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ｂ、位相マスク１２０Ｂ、受光ファイバ１３０Ｂを備えている。また同様に、光ファイバレシーバチャネル１９０Ｃは、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ｃ、位相マスク１２０Ｃ、受光ファイバ１３０Ｃを備えている。
【００６３】
各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃについて、位相マスク１２０Ａ〜Ｃは遮光要素を含んだ周期構造としての格子を備えており、この格子は、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃを完全に被覆し、入射されるスケール光のためのフィルタとして機能する。このとき、各位相マスク１２０Ａ〜Ｃにおけるスケール光のフィルタリング範囲としての各レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃは、各自の格子周期構造を１つ以上、より好ましくは３つ以上、さらに好ましくは６つ以上含む範囲とされる。受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃは、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃと整列しているため、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃを通過する全ての光が、受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃへと伝播され、チャネル信号光としての光学信号１９１Ａ〜Ｃが生成される。本実施形態では、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃは、単純に受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの平坦な端部であり、その大きさは対応する受光ファイバ端部のコア面積に一致する。なお、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃは、受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの成形された端部であってもよい。また、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃの大きさは、対応する位相マスク１２０Ａ〜Ｃの近傍に配置される小型の屈折レンズまたは回折レンズの受光範囲によって決定されるのでもよい。このときは、当該小型レンズが、位相マスク１２０Ａ〜Ｃを通って入射される光を集め、効率的な受光を行うように整列した受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃの端部の方向へと送る。また、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃの大きさは、対応する位相マスク１２０Ａ〜Ｃの開口特性によって決定されるのでもよい。
【００６４】
各レシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃの誤差を低減し、性能を一貫させるために、各レシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃの間の信号振幅を公称的に均衡させ、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃおよび位相マスク１２０Ａ〜Ｃの境界におけるエッジ効果から生じる位相誤差を最小化できることが理解されるべきである。また、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃの大きさに対して位相マスク１２０Ａ〜Ｃの格子ピッチが粗い場合には、位相マスクの格子における各バーの間の開口面積が、位相マスクとレシーバチャネルアパーチャとの間の相対位置によって大きく変化してしまうことも理解されるべきである。この相対位置は各光ファイバレシーバチャネル毎に異なるため、位相信号の振幅が不均等化し、位相測定誤差が発生する可能性が生じることに注意すべきである。
【００６５】
以上で述べた理由、および、援用の前記第１０/２９８，３１２号明細書においてより詳細に記載されている理由から、本実施形態では、前記のように、各レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃが、対応する位相マスク１２０Ａ〜Ｃの１周期よりも大きくなっている。これによれば、レシーバチャネルアパーチャ１１０と位相マスク１２０における遮光要素との間の相対位置関係の如何によらず、レシーバチャネルアパーチャ１１０内へ入る光信号の位相を安定させることができる。
なお、前記のように、レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃの大きさが対応する位相マスク１２０Ａ〜Ｃの、例えば、３周期分、６周期分よりも大きくなっているのでもよい。これによれば、さらに光信号の位相を安定させることができる。
つまり、レシーバチャネルアパーチャ１１０を渡る位相マスク１２０の周期数が多いほど、レシーバチャネルアパーチャ１１０内に入る光信号が、アパーチャ１１０と位相マスク１２０との間の相対位置に関して影響を受けにくくなる。
【００６６】
レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃの場所は、光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃのチャネル配置中心部１５７を参照して説明することができる。チャネル配置中心部１５７は、スケール９０からのスケールパターン画像の照明範囲２６６の中心部２５７と一致するように位置決めされている。各レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃの中心は、チャネル配置中心部１５７（光軸６３の位置と一致）から同一半径ＲＡＬ（図２参照）だけ隔たった各位置に設けられている。なお、各チャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃが円形ではなく、はっきりとした幾何学的中心部を有していない場合には、その有効中心部としてアパーチャ範囲の質量中心（重心）をとることができる。
【００６７】
ここで、各レシーバチャネルアパーチャ１１０Ａ〜Ｃの形状は互いに同一である。さらに、各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃを互いに同一のものとすることによって、構造をより簡素化でき、信号処理をより単純化でき、高い測定精度を実現できる。
【００６８】
光供給孔２８０は、遠隔レーザダイオード、ＬＥＤ、または他の適切な光源によって供給されたコヒーレント光またはインコヒーレント光を伝播する単一の光ファイバ（照明ファイバ１７０）の端部とするのが、単純かつ効果的である。なお、光供給孔２８０の代わりに、リードヘッド６０内に収容された光源としての小型の固体レーザ素子またはＬＥＤを設けてもよい。
【００６９】
光供給孔２８０は、照明範囲中心部２５７およびチャネル配置中心部１５７と略一致している。各受光ファイバ１３０Ａ〜Ｃを各受光ファイバ穴３０６に挿入し、かつ、照明ファイバ１７０を照明ファイバ穴３０７に挿入することによって、リードヘッド６０は容易に組み立てることができる。各ファイバ穴３０６、３０７の組は、フェルール４０の前部に当接配置した板に穿設されるか、あるいは、フェルール４０に直接穿設される。
【００７０】
受光面１６０では、各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃにおいて、各位相マスク１２０Ａ〜Ｃが、スケール９０のスケール格子パターンの画像光をフィルタリングする。各位相マスク１２０Ａ〜Ｃは、スケール９０のスケール格子パターン画像の画像ピッチＰｉ（前記）と同一のマスクピッチＰｍを有している。また、各位相マスク１２０Ａ〜Ｃは、受光面１６０上においてスケール格子画像に対して、０°、１２０°、２４０°の空間位相を有するように配置されている。そのため、光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃは、空間的な位相の相違を除いて、同一の光を検出する。
【００７１】
スケール９０が、測定軸８２に沿って、スケール格子パターンのピッチＰｇだけ移動すると（図１参照）、その画像は、位相マスク１２０Ａ〜Ｃに対して画像ピッチＰｉだけ移動する。スケール９０が測定軸８２に沿って移動するのに伴って、各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃにおける光信号１９１Ａ〜Ｃは、１２０°の相対位相シフトに伴う変化を除いて略同一の変化を示す。
【００７２】
スケール格子パターン画像は、図３に示すように、交互に一定ピッチＰｉで繰り返される互いに略同一幅の明部と暗部とによって構成される。但し、この画像は、種々の要因によって若干不鮮明化されている。ここでいう種々の要因としては、その一部は前記したように、例えば、スケール格子パターンのピッチＰｇに対するリードヘッド装置２０の分解能に限界があること、あるいは、前記の如くスケール格子パターン画像を若干デフォーカスするための部品配置がとられていること、またあるいは、スケール格子パターン画像が位相マスク１２０でフィルタリングされていること、が挙げられる。いずれにしても、スケール格子パターン画像がデフォーカスされること、すなわち、不鮮明化されることは、本発明の目的に照らして、むしろ、好ましい。
【００７３】
すなわち、このような場合、スケール９０が測定軸８２方向に動くのに従って、各光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃでは、略同一の正弦関数的な受光強度変化が検出されるから、測定を高精度に行う上で好ましい状況が形成されている。
【００７４】
このような「三相」変位信号に基づいてスケール９０と各位相マスク１２０Ａ〜Ｃとの相対変位を決定するには、よく知られた手法を用いることができる。その手法は、援用した前記第１０/２９８，３１２号明細書に記載されている。特に、この手法によって３つの光信号１９１Ａ〜Ｃを処理することで、２つの直交信号値Ｑ１、Ｑ２を決定できる。一般に、２πを法とした２偏角逆正接関数を使用してＱ１、Ｑ２を処理することで、スケール格子パターンのピッチＰｇにおける電流位相位置φを決定できる。具体的な式は、φ=ａｔａｎ２（Ｑ１，Ｑ２）・・・（式４）、である。ここで、２偏角逆正接関数“ａｔａｎ２”は、一般に利用可能な数学プログラムによって得られ、また、記述される。この関数結果は、Ｑ１／Ｑ２の逆正接（ラジアン表示）である。２つの偏角を使用することにより、関数結果角度の象限を決定することができ、その結果は、−ｐｉ/２と＋ｐｉ/２との間ではなく、−ｐｉと＋ｐｉとの間になる。
【００７５】
ピッチＰｇと電流位相位置φを乗算することにより、測定軸８２方向に沿った１周期中における位置側定を実現できる。スケール９０を測定軸８２方向に沿って変位させる際に各レシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃで検出される周期の数をカウントすることで、変位測定を行うことができる。
本実施形態では、スケール９０のピッチＰｇは、略２０μｍである。なお、例えば、約４μｍ〜約４０μｍの範囲内で選択してもかまわない。本実施形態では、ピッチＰｇは、リードヘッド装置２０の解像度に合わせて最適な値が選択されている。
【００７６】
重要なことは、装置２０の光学系の解像度が、スケールパターンの特徴を少なくとも部分的には解像できる程度のものでなくてはならないという点である。また、高精度の補間を目的としている場合には、スケール画像のフィルタリングによって得られる光信号がスケールの変位に対して正弦関数的な変化を示すように、光学系がスケールパターンを所望の程度にまで不鮮明化して画像化しなければならないことに注意すべきである。
【００７７】
さて、図３に示すリードヘッド６０によれば、増分変位測定システムを実現できる。この測定システムは前記の通り三相測定システムである。なお、前記第１０/２９８，３１２号明細書を参照して、より多くの相を有する測定システムも実現できる。
【００７８】
図４は、光ファイバリードヘッド装置２０と共に使用される一般的な遠隔電子インターフェースユニット４０５を含むブロック線図である。遠隔電子インターフェースユニット４０５は、信号処理／制御ユニット４９３、任意のレンズを備える光源４７７、複数のフォトセンサ／増幅器４９２１〜４９２Ｎを備えている。ここで、Ｎは光ファイバレシーバチャネルの数であり、図１〜図３のリードヘッド装置２０においては、Ｎ＝３、である。光源／レンズ４７７は、光学アイソレータ等の光学素子を備えていてもよい。光源／レンズ４７７は、照明ファイバ１７０１〜Ｍを介してリードヘッド６０と結合している。ここで、Ｍは照明ファイバの数であり、図１〜図３のリードヘッド装置２０においては、Ｍ＝１、である。さて、各フォトセンサ／増幅器４９２１〜４９２Ｎは、それぞれ、受光ファイバ１３０１〜１３０Ｎによって、リードヘッド６０と結合している。
なお、図４では、光源／レンズ４７７を単一ユニットとして示しているが、実際は各々光源を備える複数ユニットでもよい。
【００７９】
リードヘッド６０と遠隔電子インターフェースユニット４０５との間において、各光ファイバをまとめて内部に収納し、かつ、保護する１または複数のリードヘッドケーブル（図示せず）を設けてもよい。各リードヘッドケーブルの長さは数メートル、あるいはそれ以上でもよい。
受光ファイバ１３０１〜Ｎは、それぞれリードヘッド６０からの光信号１９１１〜１９１Ｎを含んでいる。光信号１９１１〜Ｎは、前記した位相信号である。
【００８０】
光源／レンズ４７７は、信号処理／制御ユニット４９３から電力の供給を受けるとともに、利得制御信号を受信できる。前記のように、光源／レンズ４７７は、照明ファイバ１７０１〜１７０Ｍを介して、リードヘッド６０へ、さらに、スケール９０のスケール格子パターン上へ光を伝播させる。リードヘッド６０の各光ファイバレシーバチャネル１９０１〜Ｎは、スケール９０のスケール格子パターンからの反射光を受光し、フォトセンサ／増幅器４９２１〜４９２Ｎにそれぞれ入力される光信号１９１１〜１９１Ｎを供給する。フォトセンサ／増幅器４９２１〜４９２Ｎは、信号処理／制御ユニット４９３に、増幅された電気出力信号４９１１Ｘ〜４９１ＮＸを供給する。その後、信号処理／制御ユニット４９３が、前述の式や技術に従って位置の決定を行い、変位が測定される。
【００８１】
図５Ａ、図５Ｂは、本発明のリードヘッドの第２の例を示す。リードヘッド６０Ａは、前記のリードヘッド６０と実質的に同様に動作し、類似の部品を備えている。以下、追加の説明を要する部分に限りリードヘッド６０Ａについて説明する。
図５Ａ、Ｂに示すように、リードヘッド６０Ａは、３つの光ファイバレシーバチャネル５９０Ａ〜Ｃからなる第１組を備えており、これは、前記の光ファイバレシーバチャネル１９０Ａ〜Ｃと同様に機能する。リードヘッド６０Ａにおいて「均衡のとれた対」を形成するため、リードヘッド６０Ａは、さらに、各光ファイバレシーバチャネル５９０Ａ〜Ｃと受光範囲中心部２５７に対して反対側の位置に配置される３つの光ファイバレシーバチャネル５９０ＡＸ〜５９０ＣＸからなる第２組を備えている。図中に示される数字の対１−１、２−２、３−３は、均衡のとれた対を表している。
このように、光ファイバレシーバチャネルセットは、２Ｎ＝６（Ｎ＝３）個の光ファイバレシーバチャネルからなるＮ＝３対の光レシーバチャネル対を含んで構成されていることになる。ここで、各光ファイバレシーバチャネル対における２枚の位相マスクは、空間位相が等しい／空間位相に１８０°の差がある、のいずれか一方であるように配置される。
【００８２】
リードヘッドハウジング５００は、円筒形フェルール５４０を備えている。フェルール５４０の内部には、受光ファイバ５３０Ａ〜Ｃ、ＡＸ〜ＣＸと、照明ファイバ５７０とが密着固定された状態で詰め込まれている。
これらの組み立ては、例えば、以下の方法によって行われる。平坦な端部を有する前記７本のファイバを密着固定し、このファイバ束を、その後端部からフェルール５４０内に挿入する。続いて、位相マスクの組５２０を備える位相マスク部材５６１を、前記ファイバ束の先端に押し付けながら、フェルール５４０の内部に嵌め込む。位相マスク部材５６１の前面とフェルール５４０の先端面とが一致した時点で、押し込むのを止め、この状態で、位相マスク部材５６１とフェルール５４０とを接着する。
【００８３】
また、他の方法として以下のものがある。平坦な端部を備える７本のファイバを束状に並べ、このファイバ束を、その後端部からフェルール５４０内に挿入する。続いて、ファイバ束を構成する各ファイバ先端部の外周に接着剤を塗布して、各ファイバをフェルール５４０に対して固定する。次に、ファイバ束の先端部を、接着剤ごと研磨し、ファイバ束の長さを調節する。その後、位相マスク部材５６１を、フェルール５４０内に嵌め込み、両者を接着する。
【００８４】
位相マスクの組５２０は、位相マスク部材５６１の、ファイバ束先端部と対向される側の面に設けられる。照明ファイバ５７０の端部からは光が出射され、そのコア範囲は前記光供給孔５８０となっている。照明ファイバ５７０は、点状光を発生するポイントソースとして使用されるシングルモードのファイバである。具体的には、3MCorporation製の光ファイバ部品番号ＦＳ-ＳＮ-３２２４で特定されるものであり、２５０μｍの外径ＤＳＦを有する。６本の受光ファイバ５３０は全て、市販されているマルチモードファイバである。具体的には、２００／２２０／２５０μｍのコア／クラッディング／バッファ直径ＤＲＡ／ＤＲＣ／ＤＲＦを有するシリカファイバである。以上のように、リードヘッド６０Ａ内の７本全てのファイバが同一の２５０μｍの外径を有するため、これらを、簡潔に、かつ、高精度に組み立てることができる。本実施形態では、各々の受光ファイバ中心部が、近接した受光ファイバ中心部から寸法ＤＲＡ＝ＤＳＦ＝ＲＡＬだけ離れ正六角形を形成した状態で接着されている。
【００８５】
受光ファイバ５３０と照明ファイバ５７０は、それぞれ、クラッディングおよびコアを備えている。各ファイバの図示に当たっては、クラッディングの外周を外側の円によって、コアの外周を内側の円によって表すことができる。図５Ｂに示すように、照明ファイバ５７０は、そのクラッディングに対して比較的小さなコアを有する。反対に、受光ファイバ５３０Ａ〜Ｃ、ＡＸ〜ＣＸはクラッディングに対して比較的大きなコアを有する。受光ファイバのコアは、レシーバアパーチャ５１０Ａ〜Ｃ、ＡＸ〜ＣＸとして機能する。
【００８６】
図１〜図３に示したリードヘッド６０に使用する３本の受光ファイバ配置と比較して、この実施形態のリードヘッド６０Ａにおける均衡のとれた６本の受光ファイバ配置によれば受光量が２倍になる。さらに、レシーバアパーチャ５１０の均衡のとれた３対配置によって３対の光信号が得られるが、各対の光信号を物理的に、あるいは、適当な信号処理操作によって組み合わせて用いれば、援用の前記第１０/２９８，３１２号明細書に記載されているように、リードヘッド６０Ａにおける部品配置誤差に基づく測定誤差を排除し、測定精度をさらに向上させることができる。
【００８７】
光ファイバリードヘッド６０Ａを、前記の光ファイバリードヘッド装置２０に使用する場合には、光ファイバリードヘッド装置２０の直径を約１.０ｍｍまたはこれ未満にできる。
なお、照明ファイバ５７０のクラッディングが必要以上に大きくされているのは、照明ファイバ５７０の外径を他６本の受光ファイバの外径と一致させるためであり、これによって、前記したように、７本のファイバの組み立てを容易に行える。
【００８８】
位相マスク５２０Ａ〜Ｃ、ＡＸ〜ＣＸは、それぞれ、一定ピッチで互いに平行に形成される多数の格子バー要素５２１を有している。格子バー要素５２１は、例えば、クロム、銅、または、これらの酸化物、といった遮光材料によって形成されており、遮光部として機能する。格子バー要素５２１は、透光性の基板５６５の表面５６２上にパターニングされている。基板５６５の材料としては、ガラス、石英などが例示される。各位相マスク５２０Ａ〜Ｃ、ＡＸ〜ＣＸは、対応するレシーバアパーチャ５１０Ａ〜Ｃ、ＡＸ〜ＣＸを覆うことのできる十分な大きさを有している。
【００８９】
位相マスク部材５６１の中心部には、照明ファイバ５７０からのソース光を通過させるためのクリアアパーチャ５６４を有するリング５６３が設けられる。クリアアパーチャ５６４の大きさは、照明ファイバ５７０のコア直径よりも数倍大きく、例えば、ＤＳＡ≒４μｍである。また、位相マスク部材５６１は、厚さ０.２５ｍｍのソーダ石灰ガラスであり、その直径は、フェルール５４０の内径と一致する。
【００９０】
格子バー要素５２１は、前記のスケール格子画像のピッチＰｉと同一のピッチで、Ｘ軸方向に沿って連続的に配置されている。図示の位相マスク部材５６１は、６つの光ファイバレシーバチャネル５９０に対応する６つの位相マスク５２０を備えている。
ここで、３対あるレシーバアパーチャの各対は、スケール９０とリードヘッド６０ＡとがＸ軸方向に沿って相対移動する際に、互いに同一位相の光信号を受信する。
【００９１】
６枚の位相マスクは、０°（５２０Ａ、ＡＸ）、１２０°（５２０Ｂ、ＢＸ）、２４０°（５２０Ｃ、ＣＸ）の空間位相を有する。格子バー要素５２１による縞模様を参照することによって、各位相マスクの境界は顕微鏡で容易に見分けることができる。このことは、６枚の位相マスク５２０を６本の受光ファイバ５３０に対して高精度に配置する上で好都合である。本願発明者は、６枚の位相マスク５２０を有する位相マスク部材５６１を受光ファイバ５３０に対して配置する際に、顕微鏡とＸＹＺマイクロメータステージを使用することによって、２０μｍ未満、さらには、１０μｍ未満の誤差をもって正確に配置できることを見出した。
【００９２】
図６Ａ、図６Ｂは、本発明に基づく光ファイバリードヘッド装置の第２の例を示す縦断面図および横断面図である。光ファイバリードヘッド装置２０Ａは、前記の光ファイバリードヘッド装置２０と同様に、多数の部品を備えている。以下、前記の種々の部品と同様に機能する部品については、説明を省略することにする。
【００９３】
光ファイバリードヘッド装置２０Ａは第１フェルール７４０を備えており、この第１フェルール７４０は、受光ファイバ７３０を包囲しており、同じくフェルール状の装置ハウジング７４５内のほぼ同軸上に配置されている。位相マスク７２０を備える透明な基板７６５が、第１フェルール７４０の先端に取付けられている。装置ハウジング７４５にはその軸線方向に沿って貫通孔が６個穿設されており、この貫通孔には６本の照明ファイバ７７０が挿入配置されている。各照明ファイバの先端部からはスケールに向けて光が出射され、本発明の複数の出射位置を構成している。図６Ｂに示すように、この複数の出射位置は、光軸７６３（図６Ａ参照）を重心とする正６角形の頂点位置に一致している。各照明ファイバ７７０の先端部と連続する位置には、本発明の屈折光学素子としての照明レンズ７７８が配置されている。なお、照明ファイバ７７０の代わりに、前記各複数の出射位置に電子固体光源素子、例えばＬＥＤを設けてもよい。いずれにしても、前記の光ファイバリードヘッド装置２０内に配置されたアキシコンレンズ６２および種々の光学バッフルを設ける必要がなくなる。
【００９４】
さらに、光ファイバリードヘッド装置２０Ａは第２フェルール７４１を備えており、この第２フェルール７４１は、アパーチャ板７７２と画像レンズ７７６を包囲し、装置ハウジング７４５内のほぼ同軸上に配置され、また、基板７６５と当接している。第２フェルール７４１は、光ファイバリードヘッド装置２０のにおいて前記したものと類似のテレセントリックな光学系を備えている。図６Ａに示すように、画像レンズ７７６は、位相マスク７２０および受光面７６０からの画像距離ｄｉをもって位置決めされている。このテレセントリックな配置は、アパーチャ板７７２の制限アパーチャ７７５を、画像レンズ７７６の位置から、光軸７６３に沿って、画像レンズ７７６の焦点距離ｆだけ隔たった位置に配置することで得られる。光ファイバリードヘッド装置２０Ａとスケール９０とは、画像レンズ７７６とスケール９０との間の光軸７６３に沿った物体距離がｄ０に保持されるように配置される。
【００９５】
図６記載のリードヘッド装置２０Ａを図１等記載のリードヘッド装置２０と比較した場合、両者間の主な相違の一つは、リードヘッド装置の外周付近に設けた複数の照明ファイバ７７０によるスケール照明が得られる点である。図６Ｂによく示される６つの照明ファイバ７７０Ａ〜Ｃ、ＡＸ〜ＣＸは、光ファイバリードヘッド装置２０Ａにおける照明光を提供するために使用される。図２記載の実施形態では照明ファイバであった中心ファイバ７３１が、ここでは主として、６本の受光ファイバ７３０を正確に、かつ、容易に配置するための基準部材として機能するダミーファイバとされている。
さて、照明ファイバ７７０はシングルモードファイバであって、マルチモードファイバとしての受光ファイバ７３０よりも径が小さいため、光ファイバリードヘッド装置２０Ａの照明光束がより小径となり、かつ、柔軟に調整できる。
また、スケール９０上への照明範囲をできる限り広くするために、照明ファイバ７７０は、可能な限り大きいＮＡ（開口数）を有するものが選択される。
【００９６】
図５記載のリードヘッド６０Ａと同様に、図６記載の光ファイバリードヘッド装置２０Ａのリードヘッドは、均衡のとれた３対の光ファイバレシーバチャネル７９０を備えている。すなわち、光ファイバリードヘッド装置２０Ａは、第１組の３本の受光ファイバ７３０Ａ〜Ｃ、および、これらの各ファイバと光軸７６３に関して対称の位置に第２組の３本の受光ファイバ７３０ＡＸ〜ＣＸを備えており、これらが、スケール光照明範囲中心部を挟んで両側に「均衡のとれた対」として配置されている。そして、受光ファイバ７３０、位相マスク７２０、レシーバアパーチャ７１０（各受光ファイバ７３０の受光端部におけるコア範囲により構成される）を含む３対の光ファイバレシーバチャネル７９０を、図５において前述したのと同様に組み立てることができる。図６Ａでは、光の伝播をより明瞭に示すために、受光ファイバ７３０の端部を、基板７６５の表面から若干離して表示してあるが、実際は、受光ファイバ７３０の端部は基板７６５とほとんど接している。
【００９７】
照明ファイバ７７０は、図示しない遠隔光源から光を供給されて、照明ファイバ光７５０を、その端部から出射する。照明ファイバ光７５０は、照明ファイバ７７０の有効開口数により決定されるハーフアングルにて発散していく。本実施形態では、この発散ハーフアングルは約２°〜１０°である。照明ファイバ光７５０は、照明レンズ７７８を通過して屈折される。照明レンズ７７８は、各照明ファイバ光７５０をスポーク状の光束７５２に形成し、スケール９０に照射する。計６条の各スポーク状の光束７５２によって、スケール９０における光軸７６３を中心とする円状の範囲７６４が照明される。この照明光はスケール９０の格子パターンに応じて反射された後、画像レンズ７７６を経由されて光ファイバレシーバチャネル７９０の位相マスク７２０上に画像化され、検出される。
【００９８】
なお、表面を粗く形成したり、散乱材料を使用したりすることによって、散乱光学素子としての散乱層を照明レンズ７８に形成させてもよい。散乱層により、光線が照明レンズ７８において局所的に散乱されるから、スケール９０の表面をより均一に照明できる。
【００９９】
画像レンズ７７６の焦点位置に配置される制限アパーチャ７７５は、光軸７６３と平行でない画像レンズ７７６への入射光（スケール光）を遮断するためのフィルタとして機能する。制限アパーチャ７７５を備えるテレセントリック光学系によって、受光面７６０におけるスケール９０の画像の拡大倍率が物体距離ｄ０と略無関係になる。スケール光７５５は、受光面７６０において、スケール９０のスケール格子パターンの画像を形成する。
【０１００】
位相マスク７２０は、図５を参照して述べた位相マスク５２０と類似のものであり、スケール光７５５によって生成された画像をフィルタリングすることで、各光ファイバレシーバチャネルに信号光の供給を行う。これに基づく光信号の出力は、受光ファイバ７３０Ａ〜Ｃ、ＡＸ〜ＣＸからの出力である。
【０１０１】
照明レンズ７７８は、図１の環状照明レンズ７８と同様に、単一の環状レンズとして構成されている。なお、他の例として、各照明ファイバ７７０の前に、それぞれ互いに別部品としての照明レンズ７７８（計６個）を配置しても構わない。また、照明ファイバ７７０自体が、スケール９０上の照明範囲７６４に適当な照明光を投射するように構成されているのであれば、必ずしも照明レンズ７７８を設ける必要はない。
【０１０２】
図７は、光ファイバリードヘッド装置の第３の例を示す縦断面図である。この光ファイバリードヘッド装置２０Ｂは、前記した光ファイバリードヘッド装置２０Ａの部品と類似した部品を多数備えており、これらには同一の符号を付している。
【０１０３】
光ファイバリードヘッド装置２０Ｂは、第１フェルール７４０と、受光ファイバ７３０と、位相マスク７２０を有する透明な基板７６５とを備えており、これらは、光ファイバリードヘッド装置２０Ａについて前記したとおりに構成される。また、受光ファイバ７３０、位相マスク７２０、レシーバアパーチャ７１０（受光ファイバ７３０の受光端部におけるコア範囲によって構成される）を含んで３対の光ファイバレシーバチャネル７９０が、前記の通りに構成される。第１フェルール７４０は、円筒状の装置ハウジング８６５内の同軸上に配置される。装置ハウジング８６５の先端部には、光ファイバレシーバチャネル７９０の受光面８６０から、光軸８６３に沿って所定距離隔たった位置に画像レンズ８７６が設けられる。
【０１０４】
リードヘッド装置２０Ｂを、前記のリードヘッド装置２０および２０Ａと比較した場合における主な相違点の１つは、受光ファイバ７３０が、スケール画像光の受光という第１の機能に加えて、スケール照明光の提供という第２の機能を有し、本発明の受光／発光併用ファイバとなっている点である。したがって、別途スケール照明用のファイバは必要ない。
【０１０５】
図４における遠隔電子インターフェースユニット４０５に類似の遠隔電子インターフェースユニット８０５では、各受光ファイバ７３０が、対応するビームスプリッタ８７０とインターフェースされている。さらに、各ビームスプリッタ８７０は、各受光ファイバ７３０に照明光ＳＬを供給するための遠隔光源とインターフェースされている。また、各ビームスプリッタ８７０は、本発明の光検出器としてのフォトセンサ／増幅器とインターフェースされている。このフォトセンサ／増幅器は、各受光ファイバ７３０によって伝送されてきた各光信号８９１を、ビームスプリッタ８７０を介して受光信号ＲＬとして受信する。ビームスプリッタ８７０は、遠隔光源から発せられた光ＳＬの約５０％を各受光ファイバ７３０内に入射でき、また、光信号８９１の約５０％を各フォトセンサ／増幅器に入射できるように構成されている。ここで、ビームスプリッタは、本発明の配光素子を構成している。
【０１０６】
なお、ビームスプリッタ８７０の代わりに光学サーキュレータ、あるいは、マルチポート光学サーキュレータ（電気通信産業では一般的な技術である）を設け、これに、各受光ファイバ７３０、遠隔光源、各フォトセンサ／増幅器をインターフェースしてもよい。本発明の実施に適したマルチポート光学サーキュレータの例が、Changによる米国特許第６、０１４、２４４号に記載されている。
【０１０７】
リードヘッド装置２０、２０Ａと比較した場合のさらなる相違点は、リードヘッド装置２０Ｂがテレセントリック光学系、または、これに関連するアパーチャ素子を備えていない点である。
受光ファイバ７３０は、照明光ＳＬに基づく照明光８５０を出射する。照明光８５０は、受光ファイバ７３０の有効開口数によって決定されるハーフアングルにて発散するが、これにより、スケール９０の格子上の十分な範囲に光が照射される。照明光８５０は、画像レンズ８７６を通過して、照明光８５２として出射され、スケール９０の表面上の光軸８６３を中心とする略円形の範囲に照射される。この円形照射範囲に含まれる同心円形状の画像化範囲８６４からの反射光８５３は、画像レンズ８７６に入射され、その後、光ファイバレシーバチャネル７９０に画像として検出される。すなわち、反射スケール光８５３は、画像レンズ８７６を通過してスケール画像光８５５となり、受光面８６０上にスケール９０のスケール格子パターンの画像を形成する。
【０１０８】
各位相マスク７２０は、スケール画像光８５５によって受光面８６０上に生成されたスケール画像をフィルタリングすることで、各信号光８９１を供給する。ここで、各信号光８９１とは、対応する受光ファイバ７３０内に入射されたスケール画像光８５５のことである。
【０１０９】
画像レンズ８７６は、焦点距離ｆを有する両凸レンズである。画像レンズ８７６の位置は、位相マスク７２０の存在する受光面８６０から光軸８６３に沿って距離ｄｉだけ隔たった位置に設定される。また、画像レンズ８７６とスケール９０との間の物体距離がｄ０に保持されるように各部品の位置決めが行われている。図７においては、ｄｉ＝ｄｏ＝２ｆである。このときの画像の拡大倍率Ｍは、非テレセントリック配置に対応する前記（式２）によって表されるから、Ｍ≒１である。
【０１１０】
光ファイバリードヘッド装置２０Ｂでは、前記した別の例の光ファイバリードヘッド装置で使用している部品の多数が不要である。すなわち、光ファイバリードヘッド装置２０Ｂは、照明ファイバとしても機能する受光ファイバの組７３０を備えているから、別途の照明ファイバは必要ない。さらに、光ファイバリードヘッド装置２０Ｂでは、前記のアキシコンレンズ６２、光学バッフル７１、８１、９１、アパーチャ板７２、照明レンズ７８、７７８なども不要である。このように、光ファイバリードヘッド装置２０Ｂにおいては、部品点数が大幅に少なくなり、簡素な構成で小型の装置にすることができる。例えば、外径が、３ｍｍ、２ｍｍ、さらには１ｍｍといったような小型のリードヘッド装置２０Ｂを製造できる。
【０１１１】
図８は、本発明に基づく光ファイバリードヘッド装置と共に使用可能な光屈折素子１１００を示している。ここで、光ファイバリードヘッド装置１０２０は、図１〜図３に関連して前記した部品と類似の、リードヘッド１０６０、装置ハウジング１０６５、光学バッフル１０７０、アパーチャ板１０７２、画像レンズ１０７６、環状照明レンズ１０７８を備えている。光ファイバリードヘッド装置１０２０は、照明光を、光路１１０１、１１０２に沿って、スケール１０９０に照射する。同様に、スケール１０９０からの反射光が、およそ光路１１０２、１１０１に沿ってリードヘッド１０６０へ照射される。スケール１０９０は、光ファイバリードヘッド装置１０２０および光屈折素子１１００に対して、測定軸８２方向に沿って相対移動する。スケール１０９０と光屈折素子１１００との間には一定の動作ギャップ１１０３が存在しており、両者は非接触で、かつ、対向して滑らかに相対移動できる。
【０１１２】
さて、スケールからの反射光は、既に詳述したように、複数の光ファイバレシーバチャネルにスケール１０９０の格子パターン画像を提供する。リードヘッド装置１０２０の位相マスクの格子バーは、測定軸８２に対して垂直（図８のＹ軸方向）に設けられている。光屈折素子１１００は、光路１１０１に沿う光線を、それと直交する光路１１０２に沿う光線へと屈折させるように精密に成形されている。この精密性が高くなればなるほど、光路１１０２がスケール１０９０の法線方向と一致していくことになるから、変位測定を精密に、かつ、安定に行うことができる。
【０１１３】
光屈折素子１１００は反射直角プリズム、鏡などの光学素子であり、本発明の反射面を含んで構成され、光ファイバリードヘッド装置１０２０に対して適切な位置関係をもって取り付けられている。照明光およびスケール画像光の光路長をできる限り短くするために、また、スケール１０９０に対する実際的な動作ギャップ１１０３を実現するために、光屈折素子１１００を、装置ハウジング１０６５の先端部に可能な限り接近して取り付けることが好ましい。ここで、光屈折素子１１００を設けると、これを設けていないリードヘッド装置に比べて、画像取得のための総光路長がより長くなってしまう。そこで、種々のリードヘッド装置設計パラメータを適切に調整することによって、本発明の原理に基づく部品配置を正確に実現することに注意を払わなければならない。なお、本実施形態では、光屈折素子１１００は、装置ハウジング１０６５に直接取り付けられている。
【０１１４】
光ファイバリードヘッド装置１０２０の軸はＺ軸方向を向いており、Ｘ軸方向を向く測定軸８２とは直交している。光ファイバリードヘッド装置１０２０は超小型であるため、光屈折素子１１００のような素子を設けることは実用的である。さらに、装置ハウジング１０６５の方向を弾力的に変えられるようにすれば、スケール１０９０に対する姿勢を所望に調整でき、光ファイバリードヘッド装置１０２０の使い勝手をさらに向上できる。
【０１１５】
これまで記述してきた実施形態は、いずれも、援用の第１０/２９８，３１２号明細書において示唆されている全ての円形あるいは円筒形の回転位置リードヘッド装置に適用できる。円形の回転位置リードヘッドに適用する場合は、図８の長尺矩形平板スケール１０９０の代わりに、Ｙ軸方向の回転軸を中心として回転可能な円板形の基板を有する格子スケールを設ければよい。この場合、測定方向は、Ｘ-Ｚ平面における中心点に関する円周方向であり、この方向に沿ってスケール格子パターンが形成される。また、円筒形の回転位置リードヘッドに適用する場合は、図８のスケール１０９０の代わりに、Ｚ軸方向の回転軸を中心として回転可能な円筒状部材を有するスケールを設ければよい。この場合、測定方向は、Ｘ-Ｙ平面における前記円筒形状の中心軸位置に関する円周方向であり、この方向に沿って前記円筒状部材の表面上にスケール格子パターンが形成される。また、スケールとして、テープ状の部材を備え、この部材の表面上、その長手方向に沿ってスケール格子パターンが形成される構成のものを用いてもよい。
【０１１６】
前記各実施形態では、スケールを照明するためリードヘッド装置は自己部品としての光源を有していたが、この光源の代わりに外部照明を設けてスケールを照明してもよい。このような構成によれば、十分な光量をもって照明を行うことができるから、スケール画像光も十分な光量を持つことができる。また、前記各実施形態において述べた、照明光の供給に関連する多数の部品を省略できる（但し、これらが照明光の供給という目的に特化している場合に限る。）そのため、構成が簡素で小型のリードヘッド装置を実現できる。
【０１１７】
前記各実施形態では、照明ファイバをシングルモードのファイバとして記述していたが、照明ファイバをマルチモードのファイバとすることも可能である。より一般的には、コア直径や、光発散ハーフアングルを、光ファイバリードヘッド装置の光学的部品配置に適合するように選択すれば、あらゆるタイプの光ファイバを照明ファイバとして使用でき、所望のスケール照明を実現できる。
【０１１８】
また、本発明では、光源としてあらゆるタイプのものが使用でき、例えば、ＬＥＤのようなインコヒーレント光源や、レーザダイオードのようなコヒーレント光源を使用できる。
前記各実施形態では、フェルールと装置ハウジングとは互いに別の部品として記載されているが、本発明では、両者をまとめて単一部品として製造してもよい。
【０１１９】
また、前記各実施形態では、スケールからの反射光をスケール画像光として用いていたが、スケールからの透過光をスケール画像光として用いてもよい。具体的には、光源とリードヘッドとを、透光性基板を有するスケールを挟んで互いに反対側に配置すればよい。この構成によれば、光源から出射され、スケールを透過された後、画像レンズに入射される光によって、スケール画像光が形成される。
【０１２０】
以上、本発明を、前記各実施形態によって説明してきたが、これらの実施形態は限定ではなく例証を目的としている。したがって、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、多くの変更を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明は、種々の変位測定器、例えば、直線変位測定器、角度変位測定器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明に基づく光ファイバリードヘッドを含む光ファイバリードヘッド装置の第１実施形態を示す斜視図。
【図２】図１の光ファイバリードヘッド装置の縦断面図。
【図３】図１に含まれる光ファイバリードヘッドの第１実施形態の斜視図
【図４】本発明の光ファイバリードヘッド装置と共に使用可能な遠隔電子インターフェースユニットを含むブロック線図。
【図５】本発明に基づく光ファイバリードヘッドの第２実施形態を示す図。
【図６】本発明に基づく光ファイバリードヘッド装置の第２実施形態を示す図。
【図７】本発明に基づく光ファイバリードヘッド装置の第３実施形態を示す縦断面図。
【図８】本発明に基づく光ファイバリードヘッド装置と共に使用可能な光屈折素子を示す。
【符号の説明】
【０１２３】
２０、２０Ａ、２０Ｂ…光ファイバリードヘッド装置
６０、６０Ａ…光ファイバリードヘッド
６２…アキシコンレンズ
６５…光学装置ハウジング
７１、８１…光学バッフル
７５…制限アパーチャ
７６…画像レンズ
７８…環状照明レンズ
９０…スケール
１２０Ａ〜Ｃ…位相マスク
１３０Ａ〜Ｃ…受光ファイバ
１７０…照明ファイバ
１９０Ａ〜Ｃ…光ファイバレシーバチャネル
２６５…基板
７３１…中心ファイバ
８７０…ビームスプリッタ
１１００…光屈折素子
ｆ…焦点距離
Ｐｇ…スケール格子ピッチ
Ｐｉ…画像ピッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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