(57)【要約】      （修正有）【課題】光学式変位エンコーダにおいて、高分解能、レンジ・分解能比、コンパクトサイズ、ロバスト性の改良された組合せを提供する。【解決手段】スケールを構造化された光で照らすソース格子を用い、以てスケールからの光が、所望のディテクタピッチと一致する比較的粗いピッチを有し得るうねり周波数エンベロープで変調されるようにする。結像構成は、変調エンベロープから高い空間周波数を除去する空間フィルタリングを提供して、検出されるフリンジパターンにおいてクリーンな信号を提供する。このエレメントの組合せは、比較的細かいピッチを有するインクリメンタルスケールトラックパターンが、ディテクタにて粗いピッチを有するフリンジを提供可能にする。種々のスケール分解能が対応するソース格子を使用可能であり、以て全ての組合せが、同一の安価なディテクタ要素にマッチするディテクタフリンジを生成可能である。【選択図】図３
2013140146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのメンバ間で相対的な変位を測定する装置であって、
測定軸方向に沿って広がり、スケールピッチＰＳＦを有するスケール格子と、
波長λを有する光を出力する光源と、前記光が入力されると共に、前記測定軸方向に横に方向付けられ、且つ前記スケール格子と一致する平面において前記測定軸方向に沿って照明フリンジパターンＰＭＩを有する照明フリンジパターンを含む構造化照明を、前記スケール格子へ出力する構造化照明格子部と、を含む照明源と、
前記スケール格子から出力された使用可能な空間変調されたイメージ光を受信すると共に、前記スケール格子が前記照明源からの前記構造化照明により照らされている場合に、前記空間変調されたイメージ光の使用可能な周期結像を出力するよう設置された結像部と、
前記使用可能な周期結像の異なる位相をそれぞれ受信するよう設置され、且つ前記測定軸方向に沿って、特定のディテクタ信号位相に対応したディテクタエレメント間のピッチに対応するディテクタピッチＰｄを有する一連の光ディテクタを含むディテクタ部と、を備え、
前記結像部は、
その光路に沿って前記結像部から距離Ｚに設置されたディテクタ部と、
前記スケール格子から伝送される前記空間変調されたイメージ光を受信するよう設置され、且つ自レンズと前記ディテクタ部との間に位置する焦点を定義する焦点距離Ｆを有する第１のレンズと、
前記第１のレンズと前記ディテクタ部との間において、略、前記焦点距離Ｆに設置された開口部と、を含み、
前記空間変調されたイメージ光は、値Δｎだけ異なる２つの回折次数の干渉から形成されるフリンジを含み、
前記開口部は、前記測定軸方向に沿って、ＡＷ＝Ｚ＊λ＊(ａ＊(Δｎ＋１)／(ＰＭＩＰＳＦ／((ＰＭＩ−ＰＳＦ)＊Ｍ))を満たす幅Ｗを有して構成され、Ｍは、前記結像部の倍率値であり、ａの値は、０．５より大きく且つ４．０未満であり、
前記スケール格子は、前記構造化光が入力されると共に、前記スケールピッチＰＳＦ及び前記照明フリンジパターンＰＭＩに依存した空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調された構造化照明を含む前記空間変調されたイメージ光を出力し、ＰＳＦ及びＰＭＩは、前記ディテクタピッチＰｄと協調して選択されて、前記光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、前記光源がコヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、
ｍは、前記ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数であり、前記空間波長ＰＩＭＥＳＦは、前記スケールピッチＰＳＦより大きい、
装置。
【請求項２】
請求項１において、Δｎ＝２であることを特徴とした装置。
【請求項３】
請求項１において、Δｎ＝１であることを特徴とした装置。
【請求項４】
請求項１において、Δｎ＝４であることを特徴とした装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記結像部は、焦点距離Ｆｓを有する第２のレンズをさらに含み、前記第２のレンズは、前記開口部と前記ディテクタ部の間において、前記開口部から前記焦点距離Ｆｓ且つ前記ディテクタ部から前記距離Ｚに設置され、前記開口部からの光を受信すると共に、前記使用可能な周期結像を形成するよう構成されている、
ことを特徴とした装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記第２のレンズは、前記第１のレンズと名目上同一の光学特性を有し、Ｆｓ＝Ｆが成立し、Ｚ＝Ｆｓが成立し、前記第１及び第２のレンズは、前記開口部の位置に関し対称的に方向付けられる、
ことを特徴とした装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記開口部は、前記ディテクタ部から前記距離Ｚに位置する、
ことを特徴とした装置。
【請求項８】
請求項１において、
ｍは、３及び４の一方に等しく、
ｋは、１、３及び５の一つに等しい、
ことを特徴とした装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記スケールピッチＰＳＦは、８μｍ未満である、
ことを特徴とした装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記照明フリンジピッチＰＭＩは、８μｍ未満である、
ことを特徴とした装置。
【請求項１１】
請求項１において、
前記照明部と前記スケール格子の間に位置すると共に、前記構造化照明を前記スケール格子へ伝送し、前記スケール格子から出力される空間変調されたイメージ光を受信し、前記空間変調されたイメージ光を前記結像部へ出力するよう構成されたビームスプリッタ、
をさらに備えたことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１において、
前記干渉フリンジ生成部は、前記構造化照明における零次光を遮断又は抑制する第１の位相格子を含む、
ことを特徴とした装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記干渉フリンジ生成部は、前記第１の位相格子から出力された光が入力されると共に、収束光を含む構造化光を出力するよう構成された第２の位相格子をさらに含む、
ことを特徴とした装置。
【請求項１４】
請求項１において、
前記構造化光を受信すると共に、原点干渉フリンジを前記ディテクタ部へ出力するよう構成された原点スケールトラック、
をさらに備えたことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記原点スケールトラックは、バーニア原点マークである原点マークを含む、
ことを特徴とした装置。
【請求項１６】
請求項１４において、
前記原点スケールトラックは、前記スケール格子に関する合成波長を提供する位相を有する原点マークパターンを含む、
ことを特徴とした装置。
【請求項１７】
請求項１において、
前記構造化光を受信すると共に、絶対的な測定範囲に亘って絶対位置を決定するのに利用可能な信号を提供するために、アブソリュートスケール光を前記ディテクタ部へ出力するよう構成されたアブソリュートスケールトラックパターンを含むアブソリュートスケールトラック、
をさらに備えたことを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１において、
前記結像部は、焦点距離Ｆｓを有する第２のレンズをさらに含み、前記第２のレンズは、前記開口部と前記ディテクタ部の間において前記開口部から前記焦点距離Ｆｓに設置され、前記開口部からの光を受信すると共に、前記使用可能な周期結像を形成するよう構成されており、
前記測定軸方向に沿った前記使用可能な周期結像の倍率Ｍは、略、Ｍ＝Ｆｓ／Ｆを満たし、単に前記距離Ｆｓ及びＦを選択することによって設定される、
ことを特徴とした装置。
【請求項１９】
請求項１において、
前記光源は、コヒーレント光を出力し、ａの値は、０．５より大きく且つ１．５未満である、
ことを特徴とした装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、大略、精密測定器に関し、特に、光学式変位エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
読取ヘッドを用いた種々の光学式変位エンコーダが知られており、この読取ヘッドは、スケールパターンを自読取ヘッドのフォトディテクタアレイへ撮像する光学配置を有する。スケールパターンのイメージはスケールメンバと共に変位し、変位したスケールパターンイメージの移動又は位置はフォトディテクタアレイで検出される。従来の画像処理である自己結像(タルボ・イメージング(Ｔａｌｂｏｔ ｉｍａｇｉｎｇ)とも呼称される)及び／又はシャドウ・イメージング(ｓｈａｄｏｗ ｉｍａｇｉｎｇ)が、種々の構成においてスケールパターンイメージを提供するために使用され得る。
【０００３】
光学エンコーダは、インクリメンタル位置又はアブソリュート位置スケール構造を利用し得る。インクリメンタル位置スケール構造は、スケールに対する相対的な読取ヘッドの変位が、変位の増分単位を累積することによって決定され、スケールに沿った初期ポイントから開始できるようにする。このようなエンコーダは、特定の用途、特にライン電力が利用可能である用途に適している。しかしながら、低消費電力の用途(例えば、バッテリ駆動の計測器等)においては、アブソリュート位置スケール構造を用いることがより望ましい。アブソリュート位置スケール構造は、スケールに沿った各位置で、一意な出力信号又は信号の組合せを供給する。アブソリュート位置スケール構造は、位置を特定するために、増分変位を継続的に累積することを必要としない。よって、アブソリュート位置スケール構造は、種々の電力節約スキームを可能にする。種々の光学的、容量的又は誘導的なセンシング技術を用いる様々なアブソリュート位置エンコーダが知られている。特許文献１〜１１は、アブソリュート位置エンコーダに関する種々のエンコーダ構成及び／又は信号処理技術を開示しており、参照によって本明細書に取り込まれる。
【０００４】
幾つかの光学エンコーダで利用される構成の一種が、テレセントリック配置である。参照によって本明細書に取り込まれる特許文献１２〜１４の各々は、光源の周期パターンを撮像し、且つ周期的なパターン構造の変位をセンシングするための片側又は両側テレセントリック結像系を開示している。テレセントリック結像系は、このような光学エンコーダにおいて必要な幾つかの機能を提供する。
【０００５】
このような光学エンコーダの設計に関する一つの問題は、ユーザが、一般に読取ヘッド及びエンコーダのスケールが出来るだけコンパクトなことを好む点である。コンパクトなエンコーダは、様々な用途へ導入するのにより都合が良い。特定の精密測定の用途に対しては、高い分解能も要求される。しかしながら、従来技術は、高分解能、レンジ・分解能比、ロバスト性、コンパクトサイズの組合せや、多くのエンコーダ分解能が共有の製造技術及び部品を用いて提供されるのを可能にする設計特性を提供し、且つユーザが所望するようなエンコーダの低コスト化を促進する構成を教示していない。このような組合せを提供するようエンコーダの構成が改良されることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】アメリカ合衆国特許第３，８８２，４８２号
【特許文献２】アメリカ合衆国特許第５，９６５，８７９号
【特許文献３】アメリカ合衆国特許第５，２７９，０４４号
【特許文献４】アメリカ合衆国特許第５，８８６，５１９号
【特許文献５】アメリカ合衆国特許第５，２３７，３９１号
【特許文献６】アメリカ合衆国特許第５，４４２，１６６号
【特許文献７】アメリカ合衆国特許第４，９６４，７２７号
【特許文献８】アメリカ合衆国特許第４，４１４，７５４号
【特許文献９】アメリカ合衆国特許第４，１０９，３８９号
【特許文献１０】アメリカ合衆国特許第５，７７３，８２０号
【特許文献１１】アメリカ合衆国特許第５，０１０，６５５号
【特許文献１２】アメリカ合衆国特許第７，１８６，９６９号
【特許文献１３】アメリカ合衆国特許第７，３０７，７８９号
【特許文献１４】アメリカ合衆国特許第７，４３５，９４５号
【発明の概要】
【０００７】
以下の概要は、詳細な説明にて後述する概念の一部を簡素化して導入するものである。本概要は、発明主題の重要な特徴を特定することを意図するものでも、発明主題の範囲を決定するための補助として用いられることを意図するものでも無い。
【０００８】
ここで開示する原理は、高分解能、レンジ・分解能比、コンパクトサイズ、ロバスト性の改良された組合せを提供するよう光学式変位エンコーダ構成を改良することを対象とし、且つ多くのエンコーダ分解能が共有の製造技術及び部品を用いて提供されることを可能にする。
【０００９】
ここで開示する種々の実施形態において、２つのメンバ間の相対的な変位を測定するデバイス(すなわち、光学式変位エンコーダ)は、測定軸方向に沿って広がり、スケールピッチＰＳＦを有するスケール格子と、波長λを有する光を出力する光源と、前記光が入力されると共に、前記測定軸方向に横に方向付けられ、且つ前記スケール格子と一致する平面において前記測定軸方向に沿って照明フリンジパターンＰＭＩを有する照明フリンジパターンを含む構造化照明を、前記スケール格子へ出力する構造化照明格子部と、を含む照明源と、前記スケール格子から出力された使用可能な空間変調されたイメージ光を受信すると共に、前記スケール格子が前記照明源からの前記構造化照明により照らされている場合に、前記空間変調されたイメージ光の使用可能な周期結像を出力するよう設置された結像部と、前記使用可能な周期結像の異なる位相をそれぞれ受信するよう設置され、且つ前記測定軸方向に沿って、特定のディテクタ信号位相に対応したディテクタエレメント間のピッチに対応するディテクタピッチＰｄを有する一連の光ディテクタを含むディテクタ部と、を備える。前記結像部は、前記スケール格子から伝送される前記空間変調されたイメージ光を受信するよう設置され、且つ自レンズと前記ディテクタ部との間に位置する焦点を定義する焦点距離Ｆを有する第１のレンズと、前記第１のレンズと前記ディテクタ部との間において、略、前記焦点距離Ｆに設置された開口部と、を備える。前記開口部は、前記測定軸方向に沿って、Ｗ＝Ｆ＊λ＊(ａ＊／(ＰＭＩＰＳＦ／(ＰＭＩ−ＰＳＦ)))を満たす幅ＡＷを有して構成され、ａは、２．０より大きく且つ６．０未満である。前記空間変調されたイメージ光は、値Δｎだけ異なる２つの回折次数の干渉から形成されるフリンジを含む。前記スケール格子は、前記構造化光が入力されると共に、前記スケールピッチＰＳＦ及び前記照明フリンジパターンＰＭＩに依存した空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調された構造化照明を含む前記空間変調されたイメージ光を出力し、ＰＳＦ及びＰＭＩは、前記ディテクタピッチＰｄと協調して選択されて、前記光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、前記光源が非コヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、ｍは、前記ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数であり、前記空間波長ＰＩＭＥＳＦは、前記スケールピッチＰＳＦより大きい。
【００１０】
幾つかの実施形態において、Δｎの値は、２に等しくても良い。代替の実施形態において、Δｎの値は、１又は４に等しくても良い。
前記デバイスは、焦点距離Ｆｓを有する第２のレンズをさらに備えても良く、前記第２のレンズは、前記開口部と前記ディテクタ部の間において前記開口部から前記焦点距離Ｆｓに設置され、前記開口部からの光を受信すると共に、前記使用可能な周期結像を形成するよう構成される。幾つかの実施形態において、前記第２のレンズは、前記第１のレンズと名目上同一の光学特性を有しても良く、Ｆｓ＝Ｆが成立し、前記第１及び第２のレンズは、前記開口部の位置に関し対称的に方向付けられる。
【００１１】
幾つかの実施形態において、ｍの値は、３及び４の一方に等しくても良く、ｋは、１、３及び５の一つに等しい。
【００１２】
幾つかの実施形態において、前記スケールピッチＰＳＦは、８μｍ未満であれば良い。
【００１３】
幾つかの実施形態において、前記照明フリンジピッチＰＭＩは、８μｍ未満であれば良い。
【００１４】
幾つかの実施形態において、前記装置は、前記照明部と前記スケール格子の間に位置すると共に、前記構造化照明を前記スケール格子へ伝送し、前記スケール格子から出力される空間変調されたイメージ光を受信し、前記空間変調されたイメージ光を前記結像部へ出力するよう構成されたビームスプリッタをさらに備えても良い。
【００１５】
幾つかの実施形態において、前記干渉フリンジ生成部は、前記構造化照明における零次光を遮断又は抑制する第１の位相格子を含んでも良い。幾つかの実施形態において、前記干渉フリンジ生成部は、第２の位相格子をさらに含んでも良い。
【００１６】
幾つかの実施形態において、前記装置は、前記構造化光を受信すると共に、原点干渉フリンジを前記ディテクタ部へ出力するよう構成された原点スケールトラックをさらに備えても良い。幾つかの実施形態において、前記原点スケールトラックは、バーニア原点マークである原点マークを含んでも良い。幾つかの実施形態において、前記原点スケールトラックは、前記スケール格子に関する合成波長を提供する位相を有する原点マークパターンを含んでも良い。
【００１７】
幾つかの実施形態において、前記装置は、前記構造化光を受信すると共に、絶対的な測定範囲に亘って絶対位置を決定するのに利用可能な信号を提供するために、アブソリュートスケール光を前記ディテクタ部へ出力するよう構成されたアブソリュートスケールトラックパターンを含むアブソリュートスケールトラックをさらに備えても良い。
【００１８】
幾つかの実施形態において、前記装置は、焦点距離Ｆｓを有する第２のレンズをさらに備えても良く、前記第２のレンズは、前記開口部と前記ディテクタ部の間において前記開口部から前記焦点距離Ｆｓに設置され、前記開口部からの光を受信すると共に、前記使用可能な周期結像を形成するよう構成されている。前記測定軸方向に沿った前記使用可能な周期結像の倍率Ｍは、略、Ｍ＝Ｆｓ／Ｆを満たても良く、単に前記距離Ｆｓ及びＦを選択することによって設定される。
【００１９】
幾つかの実施形態において、前記光源は、コヒーレント光を出力しても良い。
【００２０】
当然のことながら、ここに開示する発明の構成に基づく製品群は、ここに開示されるような位相格子ピッチ及びスケール格子ピッチの様々な組合せのために、特定の周期を有するディテクタ(例えば、節約のため大量に製造されたＩＣフォトディテクタエレメント)を用いて、単独の安価なディテクタを使用する或いは使用するにも関わらず、様々な高い変位分解能を提供することが可能である。結果としての高分解能エンコーダは、十分な量のスケール汚染の存在下で、他の種類の高分解能エンコードと比して堅牢な動作を提供し得る。ここに開示する構成は、これらの効果及び他の効果を提供する。
【００２１】
当然のことながら、方法は、主として、結像及び空間フィルタリングの観点から説明されるが、このような概念は、回折光線等を含む光学システムの光線要素の観点からも説明され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】両側テレセントリック配置と、アブソリュート、原点及びインクリメンタルトラックパターンを有するスケールとを備え、従来の画像処理技術を利用するエンコーダ構成の部分的な概略分解図である。
【図２Ａ】図１のエンコーダ構成の、インクリメンタルスケールトラックパターン、イメージ強度及びディテクタ配置の図である。
【図２Ｂ】図１のエンコーダ構成の、インクリメンタルスケールトラックパターン、イメージ強度及びディテクタ配置の図である。
【図２Ｃ】図１のエンコーダ構成の、インクリメンタルスケールトラックパターン、イメージ強度及びディテクタ配置の図である。
【図３】両側テレセントリック配置と、アブソリュート、原点及びインクリメンタルトラックパターンを有するスケールとを備え、ここに開示する原理に従った空間フィルタリング及び結像原理を利用するエンコーダ構成の部分的な概略分解図である。
【図４Ａ】図３のエンコーダ構成の、照明フリンジパターン、インクリメンタルスケールトラックパターン、結果としてのモアレイメージ強度及びディテクタ配置の図である。
【図４Ｂ】図３のエンコーダ構成の、照明フリンジパターン、インクリメンタルスケールトラックパターン、結果としてのモアレイメージ強度及びディテクタ配置の図である。
【図４Ｃ】図３のエンコーダ構成の、照明フリンジパターン、インクリメンタルスケールトラックパターン、結果としてのモアレイメージ強度及びディテクタ配置の図である。
【図４Ｄ】図３のエンコーダ構成の、照明フリンジパターン、インクリメンタルスケールトラックパターン、結果としてのモアレイメージ強度及びディテクタ配置の図である。
【図５】以前特許文献１２に組み込まれた図２６及び図２７に含まれる基本的な設計参照情報を示し、種々の設計パラメータセットに対応する変調伝達関数を示すチャート図である。
【図６】以前特許文献１２に組み込まれた図２６及び図２７に含まれる基本的な設計参照情報を示し、測定軸方向に沿った開口部の幅上における、％ＤＯＦ(ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄ)、空間調和性及び光信号パワーを示すチャート図である。
【図７】図１のエンコーダ構成の一実施形態の部分的な概略分解図である。
【図８】図３のエンコーダ構成の一実施形態の部分的な概略分解図である。
【図９】図８の実施形態の位相格子部の代替構成の図である。
【図１０Ａ】図１のエンコーダ構成のスケールトラックパターン配置の図である。
【図１０Ｂ】図３のエンコーダ構成のスケールトラックパターン配置の図である。
【図１１】図３のエンコーダ構成用の種々のスケール及びディテクタトラックの組合せのためのパラメータを示すテーブルである。
【図１２】両側テレセントリック配置を介した異なる光路を示す概略断面図である。
【図１３Ａ】ここに開示する原理に係るエンコーダ構成の実用的な実装の他の実施形態である構成１３００を示す。
【図１３Ｂ】ここに開示する原理に係るエンコーダ構成の実用的な実装の他の実施形態である構成１３００を示す。
【図１４】図１３に示す構成の分析を示し、位相格子がどのようにして、ディテクタ上に光強度信号を与える使用可能な回折次数を提供するのかを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
前述した態様、及びこれらに付随する効果の多くは、以下の詳細な説明を図面と共に参照することにより良く理解されるものと同等のものとして、より容易に理解されるであろう。
【００２４】
図１は、両側テレセントリック配置と、アブソリュート、原点及びインクリメンタルトラックパターンを有するスケールとを備え、従来の画像処理技術を利用する光学式変位エンコーダ構成１００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構成１００の幾つかの態様は、同時係属中の同一出願人による、アメリカ合衆国付与前特許公報２０１１／００３１３８３号として公開されたアメリカ合衆国特許出願１２／５３５，５６１、及び２００８年１１月１８付けで提出したアメリカ合衆国特許出願１２／２７３，４００(現在、アメリカ合衆国特許第７，６０８，８１３号)に記載のエンコーダ構成と同様である。これらは、参照によって本明細書に取り込まれる。エンコーダ構成１００は、比較的粗いピッチ(例えば、２０μｍ)を有するインクリメンタルスケールトラックで正確且つ効果的に動作できる。一方、図３を参照してより詳細に説明するように、ここで開示する方法は、非常に細かいピッチ(例えば、４μｍ)を有するインクリメンタルスケールトラックが同様の構成において利用可能なように用いても良い。
【００２５】
図１に示すように、エンコーダ構成１００は、スケールエレメント１１０と、光源(図示せず)からの光の可視又は不可視波長を導くためのレンズ１４０と、両側テレセントリック結像構成１８０とを含む。両側テレセントリック結像構成１８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズ１８１と、開口平面ＡＰにおける開口部品１８２'中の開口部１８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズ１８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス１２０とを備える。一の実施形態において、スケールエレメント１１０は、第１レンズ平面ＦＬＰから距離ｄ０だけ離隔される。第１レンズ平面ＦＬＰは、開口平面ＡＰから焦点距離ｆだけ離隔される。開口平面ＡＰは、第２レンズ平面ＳＬＰから焦点距離ｆ'だけ離隔される。第２レンズ平面ＳＬＰは、検出平面ＤＰから距離ｄ０'だけ離隔される。ディテクタエレクトロニクス１２０は、信号生成・処理回路１９０へ接続しても良い。光源も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路１９０へ接続しても良い。
【００２６】
図１に示す実施形態において、スケールエレメント１１０は、３つのスケールトラックパターン、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１、及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１から成るスケールパターン１１５を含む。トラックパターンＴＡＢＳ１は、絶対的な測定範囲に亘るアブソリュートスケールを決定するのに利用可能な信号を供給するため、アブソリュートスケールトラックパターンと呼称する。一の実施形態においては、任意の従来のアブソリュートスケールパターンを、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１として利用しても良い。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、非常に"粗い"ＡＢＳ分解能を有し得る。
【００２７】
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１のためには、一の実施形態において、そのインクリメンタルピッチが比較的粗い(例えば、２０μｍ)であろう。図３を参照してより詳細に後述する如く、ここで開示する方法を利用する同様のサイズのエンコーダ構成において、細かいピッチ(例えば、４μｍ)を使用可能にしても良い。原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は、特定のインクリメンタル波長を示すことが可能なレベルへ分解できるように形成され、以て(例えば、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの)インクリメンタル波長を、(例えば、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１からの)アブソリュートマークに対して明確にする。図１０Ａを参照してより詳細に後述する如く、一の実施形態においては、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１が一連の原点マークから成り得る。一の実施形態において、原点マークは、一連のベーカー(ｂａｃｋｅｒ)パターンとして形成しても、バーニア(Ｖｅｒｎｉｅｒ)原点マークとして機能しても、様々な周知技術に従って形成しても良い。
【００２８】
図１は、慣例に従って、直行するＸ、Ｙ及びＺ方向を示している。Ｘ及びＹ方向は、スケールパターン１１５の平面と平行であり、Ｘ方向は、意図する測定軸方向ＭＡと平行(例えば、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１に含まれ得る長細いパターンエレメントと垂直)である。Ｚ方向は、スケールパターン１１５の平面と垂直である。
【００２９】
ディテクタエレクトロニクス１２０は、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、ＴＲＥＦ１及びＴＩＮＣ１それぞれから光を受信するよう配置された、３つのディテクタトラックＤＥＴＡＢＳ１、ＤＥＴＲＥＦ１及びＤＥＴＩＮＣ１から成るディテクタ構成１２４を含む。ディテクタエレクトロニクス１２０は、信号処理回路１３６(例えば、信号オフセット及び／又はゲイン調整、信号増幅、並びに結合回路等)を含んでも良い。一の実施形態において、ディテクタエレクトロニクス１２０は、単一のＣＭＯＳ ＩＣとして製造しても良い。
【００３０】
動作において、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１用のイメージチャネルで例示すると、照明光源からの光は、レンズ１４０によって、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１を光源光１３１で照らすように導かれる。幾つかの実施形態において、光源光１３１はコヒーレント光である。そして、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１は、スケール光１３２を出力する。当然のことながら、Ｘ方向に沿って開口幅ＡＷを有する限界開口１８２は、(図２を参照してより詳細に後述する如く)インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１用のイメージチャネルを通過する光線を選択又は制限する空間フィルタとして機能する。図１は、３つのこのような光線、２つの端光線及び１つの中心光線を示している。図１に示すように、レンズ１８１は、光線を限界開口１８２へ伝送する。限界開口１８２は、光線を、空間的にフィルタされたイメージ光１３３として第２レンズ１８３へ伝送する。第２レンズ１８３は、空間的にフィルタされたイメージ光を伝送及び集光して、スケールトラックパターンＴＩＮＣ１のイメージをディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１にて形成する。
【００３１】
このように、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１は、照らされた場合に、トラック固有に空間変調された光パターンをディテクタエレクトロニクス１２０のディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１へ出力する。空間変調された光パターンのイメージは、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１と同一平面上であり得るイメージ平面ＩＭＧＰにて形成される(図１では、イメージ平面ＩＭＧＰは説明のために独立して示されている)。イメージ平面ＩＭＧＰに示すように、スケールイメージＳＩのパターンは、変調されたスケールイメージピッチＰＳＩを有している。一の具体的な実施形態において、ピッチＰＳＩは比較的粗くても良い(例えば、２０μｍ)。
【００３２】
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの空間変調された光パターンのディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１上での結像と同様、スケールトラックパターンＴＲＥＦ１及びＴＡＢＳ１がレンズ１４０からの光によって照らされると、これらのパターンＴＲＥＦ１及びＴＡＢＳ１は、トラック固有に空間変調された光パターン(例えば、これらのパターンに対応するパターン光)を、ディテクタエレクトロニクス１２０のトラック固有のディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ１及びＤＥＴＡＢＳ１へそれぞれ出力する。上述した通り、(例えば、ベーカーパターンを有する)原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は特定のインクリメンタル波長を示し、以てインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの波長を、アブソリュートトラックパターンＴＡＢＳ１からのアブソリュートマークに対して明確にする。当然のことながら、空間変調された光パターンの全てが、スケール１１０と共に移動する。
【００３３】
図１１を参照してより詳細に後述する通り、ディテクタトラックＤＴＥＩＮＣ１、ＤＥＴＡＢＳ１及びＤＥＴＲＥＦ１の各々においては、個別のフォトディテクタ領域が、受信した空間変調された光パターンを空間的にフィルタして、信号(例えば、直交信号を生成するインクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１、又は信号補間をもたらす空間的な位相関係を有する他の周期信号)を示す所望の位置を提供するために配置される。幾つかの実施形態においては、個別のフォトディテクタ領域よりはむしろ、個別の開口を有する空間フィルタマスクが、比較的大きなフォトディテクタをマスクして、個別のフォトディテクタ領域に類似する光受信エリアを提供し、周知技術に従った類似の全体的なシグナル効果を提供しても良い。
【００３４】
種々の用途において、ディテクタエレクトロニクス及び光源は、互いに固定された関係で、例えば読取ヘッダ又はゲージ筐体(図示せず)中に実装され、周知技術に従い、ベアリングシステムによりスケール１１０に関連する測定軸に沿って導かれる。種々の用途において、スケールは、ムービングステージ又はゲージスピンドル等に取り付けられても良い。当然のことながら、図１に示す構成は透過型の構成である。すなわち、スケールパターン１１５は、空間変調された光パターンを透過によってディテクタトラックへ出力する遮光部及び光伝達部(例えば、周知の薄膜パターニング技術を用いて透明基板上に組み上げられる)を備えている。当然のことながら、同様の構成要素が反射的な実施形態において配置され得て、周知技術に従い必要に応じて、光源及びディテクタエレクトロニクスは、スケール１１０と同側に配置され、角度のある照明及び反射のために設置される。
【００３５】
透過的なスケールパターン又は反射的なスケールパターンのいずれにおいても、ディテクタトラック(例えば、ＤＥＴＡＢＳ１、ＤＥＴＲＥＦ１又はＤＥＴＩＮＣ１)で検出された光を提供するスケールパターンの部分は、当該スケールパターンの部分を生成する信号として参照され得て、当然のことながら、スケールパターンの他の部分は、一般に出来るだけ僅かな光を提供し、種々の用途において、ここでの教示に従ってパターニングされ得る。換言すると、互いに"ネガティブ"なスケールパターンは、共に使用可能な信号を生成し、その信号変化も、一定の反射的又は透過的な配置のためにおおよそ互いに"ネガティブ"である。よって、スケールパターンは、"信号変動部"の観点から説明しても良く、当然のことながら種々の用途において、信号変動部は、信号生成部或いはスケールパターンの信号逓減部を備える。
【００３６】
図２Ａ〜２Ｃは、図１のインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１に対応する光信号チャネルに関する種々の態様を示している。より具体的には、図２Ａは、スケールピッチＰＳＬを有するインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１を示している。図２Ｂは、検出平面ＤＰにおいてインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの光によってもたらされるイメージ強度信号ＩＭＧ１のグラフ図である。図２Ｂに示すように、結果としてのイメージ強度は、(例えば、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からのフィルタされていない信号から生成され得るような方形波とは反対の)ほぼ正弦波の信号を生成するように(例えば、開口部１８２によって)空間的にフィルタされており、信号周期ＰＩＳＣを有している。図２Ｃは、インクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１の図であり、説明のために、図２Ｂのイメージ強度信号ＩＭＧ１のイメージがディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１に重ね合せられている。図２Ｃに示すように、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１は、直交信号を出力するよう、ディテクタトラック波長λｄの１周期内に在る４つのディテクタエレメントに接続されている。ディテクタトラック波長λｄの１周期は、イメージ強度信号ＩＭＧ１の１周期ＰＩＳＣにも対応する。
【００３７】
図３は、両側テレセントリック配置と、アブソリュート、原点及びインクリメンタルトラックパターンを有するスケールとを備え、ここで開示する原理に従った空間フィルタリング及び結像技術を利用するエンコーダ構成３００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構成３００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図１のエンコーダ構成１００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図３において、図１中の一連の番号１ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号３ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。
【００３８】
図３に示すように、エンコーダ構成３００は、スケールエレメント３１０と、照明システム／部３６０と、両側テレセントリック結像構成３８０とを含む。照明システム／部３６０は、光の可視又は不可視波長を発する光源３３０(例えば、ＬＥＤ又は半導体レーザ)と、レンズ３４０と、位相格子３５０とを含む。より詳細に後述する如く、一の実施形態において、位相格子３５０は、構造化された光パターンを生成するために利用され得て、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２用であるが、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２用では無い光信号パスチャネル内に位置し得る。両側テレセントリック結像構成３８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズ３８１と、開口平面ＡＰにおける開口部品３８２'中の開口部３８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズ３８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス３２０とを備える。ディテクタエレクトロニクス３２０は、信号生成・処理回路３９０へ接続しても良い。光源３３０も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路３９０へ接続しても良い。
【００３９】
図３に示す実施形態において、スケールエレメント３１０は、３つのスケールトラックパターン、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２、及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２から成るスケールパターン３１５を含む。一の実施形態においては、従来のアブソリュートスケールトラックパターンを、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２として利用しても良い。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、比較的"粗い"ＡＢＳ分解能を有し得る。
【００４０】
より詳細に後述する通り、エンコーダ構成３００は、微細なピッチスケールがスケール変位をセンシングする安価なディテクタの検出ピッチ又はエレメントピッチに対応するより大きなピッチフリンジを提供可能にする幾つかの空間フィルタリング及び結像原理を利用するよう設計される。所望のフリンジを生成するため、位相格子３５０は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２のピッチに近いピッチ(例えば、４μｍのインクリメンタルスケールトラックピッチ及び４．１μｍの原点スケールトラックピッチと比して、５μｍの位相格子ピッチ)を有するよう設計される。結果としての位相格子３５０及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２からのフリンジ周期は、比較的粗く(例えば、２０μｍ)、位相格子３５０及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２により生成されるフリンジ周期(例えば、２２．７７μｍ)と僅かに異なり得る。
【００４１】
より詳細に後述する通り、検出パターンは、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２に対応する高い空間周波数をぼやけさせる又は除去する開口部３８２を含む両側テレセントリック結像構成３８０によって、空間的にフィルタされた状態で結像される。幾つかの実施形態においては、パラメータが選択され、以て空間的にフィルタリングされたパターンの変調イメージピッチが、所定のディテクタ(例えば、２０μｍのインクリメンタルスケールトラックピッチ用に設計されたディテクタ)のピッチに一致する。適切な開口幅が、高い空間周波数を除去し且つ所望のパターンフリンジ周期をもたらすといった所望の空間フィルタリングの効果を奏するように選択され得る。所望の空間波長フィルタリングを達成するための開口幅等に関する幾つかの教示は、同一出願人による特許文献１２により詳細に記載されており、参照によって本明細書に取り込まれる。
【００４２】
図１０Ｂを参照してより詳細に後述する通り、一の実施形態において、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、ベーカーパターンとして形成され得る一連の原点マークを含んでも良い。原点マークは、バーニア原点マークとして機能しても良い。原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用の特定のインクリメンタル波長を示すことが可能なレベルへ分解できるように形成され、以てインクリメンタル波長を、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２からのアブソリュートマークに対して明確にする。一の実施形態において、原点トラックパターンＴＲＥＦ２(例えば、ベーカーパターン)及びインクリメンタルトラックパターンＴＩＮＣ２の組合せは合成波長を作成し得て、これらの測定された合成位相は正しいインクリメンタルスケールトラックパターン・サイクルを指し示す(例えば、測定された零の合成位相は、当該位相に対応する正しいインクリメンタルサイクルを示し得る)。
【００４３】
具体例として、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２のピッチ(例えば、２０μｍの周期で、変調され且つ空間的にフィルタされたフリンジパターンを生成する４．０μｍ)と比して、僅かに異なるピッチ(例えば、２２．７７μｍの周期で、変調され且つ空間的にフィルタされたフリンジパターンを生成する４．１μｍ)を有し得て、この結果、原点スケールトラックパターンの位相が、特定の長さに沿った一つの特定ポイントのみでインクリメンタルスケールトラックパターンの位相と一致する(例えば、原点スケールトラックパターン内のベーカーパターン長に沿った一つのポイントで一致するのみである)。位相が一致する位置は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用の特定のインクリメンタル波長を規定する。
【００４４】
一の具体的な実施形態において、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２においては、ベーカーパターンが選択された間隔(例えば、０．６ミリメートル)で提供されても良い。(例えば、パターン中心での)各ベーカーパターンの位相は、特定の距離(例えば、０．６ミリメートル)だけ離れた位置でのインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１の位相と一致する(又は、当該位相から一定の位相オフセットを有する)。インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２の合成波長は、ベーカーパターン長より大きい。一の実施形態において、この関係は、インクリメンタルスケールトラックパターン及び原点(例えば、ベーカー)スケールトラックパターンの合成波長がベーカーパターン長Ｌより大きいことを、Ｌ＜ｐｐ'／(ｐ'−ｐ)と記述することによって表現され得る。ここで、ｐは、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２のピッチであり、ｐ'は、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２におけるベーカーパターンのピッチである。
【００４５】
図３に示すように、ディテクタエレクトロニクス３２０は、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、ＴＲＥＦ２及びＴＩＮＣ２それぞれから光を受信するよう配置された、３つのディテクタトラックＤＥＴＡＢＳ２、ＤＥＴＲＥＦ２及びＤＥＴＩＮＣ２から成るディテクタ構成３２５を含む。ディテクタエレクトロニクス３２０は、信号処理回路３２６(例えば、信号オフセット及び／又はゲイン調整、信号増幅、並びに結合回路等)を含んでも良い。一の実施形態において、ディテクタエレクトロニクス３２０は、単一のＣＭＯＳ ＩＣとして製造しても良い。
【００４６】
動作において、光源３３０から発せられた光３３１(一次光)は、レンズ３４０により、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、ＴＲＥＦ２及びＴＩＮＣ２を照らすのに十分なビーム領域で部分的又は全体的に平行化される。位相格子３５０は、上述した変調され且つ空間的にフィルタされた結像効果を達成するため、ソース光を回折して、回折された構造化光３３１'を(アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２では無く)原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２へ与えるように形成される。そして、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用のイメージチャネルで例示すると、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、スケール光３３２をレンズ３８１へ与える。当然のことながら、Ｘ軸方向に沿って開口幅ＡＷを有する限界開口３８２は、(図４〜１２を参照してより詳細に後述する如く)イメージチャネルを通過する光線を選択又は制限する空間フィルタとして機能する。図３は、３つのこのような光線、２つの端光線及び１つの中心光線を示している。図３に示すように、レンズ３８１は、光線を限界開口３８２へ伝送する。限界開口３８２は、光線を、空間的にフィルタされたイメージ光３３３として第２レンズ３８３へ伝送する。第２レンズ３８３は、空間的にフィルタされたイメージ光を伝送及び集光して、空間変調された光パターンをディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２にて形成する。上述した通り、及び図４を参照して詳細に後述する通り、ここで開示する原理に従って、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣにおける空間変調された光パターンは、変調且つ空間的にフィルタされたフリンジパターンを備えている。
【００４７】
同様に、スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びＴＡＢＳ２は、照らされると、トラック固有に空間変調された光パターン(例えば、各パターンに対応するパターン化された光)を、ディテクタエレクトロニクス３２０のトラック固有のディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２及びＤＥＴＡＢＳ２へそれぞれ出力する。上述した通り、ディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２における空間変調された光パターンは、変調且つ空間的にフィルタされたフリンジパターンを備えている。当然のことながら、空間変調された光パターンの全てがスケール３１０と共に移動する。ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２、ＤＥＴＡＢＳ２及びＤＥＴＲＥＦ２各々に対応する光信号チャネルにおいて、個別のフォトディテクタ領域が、受信した空間変調された光パターンを空間的にフィルタして、信号(例えば、直交信号を生成するインクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２、又は信号補間をもたらす空間的な位相関係を有する他の周期信号)を示す所望の位置を提供するために配置される。幾つかの実施形態においては、個別のフォトディテクタ領域よりはむしろ、個別の開口を有する空間フィルタマスクが、比較的大きなフォトディテクタをマスクして、周知技術に従った類似の全体的なシグナル効果を提供するために説明した個別のフォトディテクタ領域に類似する光受信エリアを提供しても良い。
【００４８】
種々の用途において、ディテクタエレクトロニクス３２０及び光源３３０は、互いに固定された関係で、例えば読取ヘッダ又はゲージ筐体(図示せず)中に実装され、周知技術に従い、ベアリングシステムによりスケール３１０に関連する測定軸に沿って導かれる。種々の用途において、スケールは、ムービングステージ又はゲージスピンドル等に取り付けられても良い。
【００４９】
図４Ａ〜４Ｃは、図３のインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２に対応する光信号チャネルに関する種々の態様を示している。より具体的には、図４Ａは、位相格子３５０によって生成される照明フリンジパターンＩＦＰを示している。照明フリンジパターンＩＦＰは、ピッチＰＭＩ(例えば、５μｍ)を有するように示されている。図４Ｂは、スケールピッチＰＳＦ(例えば、４μｍ)を有するインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２を示している。図４Ｃは、検出平面ＤＰにおいて位相格子３５０及びインクリメンタルスケールトラックＴＩＮＣ２の組合せからの光によってもたらされるイメージ強度信号ＩＭＧ２のグラフ図である。図４Ｃに示すように、結果としてのイメージ強度は、変調されたイメージピッチＰＩＭＥＳＦ(例えば、２０μｍ)を有する全体的な正弦波のエンベロープパターンと共にうなり周波数を伴うモアレフリンジを含む。上述した通り、イメージ強度は、変調されたイメージピッチＰＩＭＥＳＦを伴うモアレ結像フリンジ用にほぼ正弦波のエンベロープ信号を生成するために、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２からの高周波信号ＨＦＳを除去するよう(例えば、開口部１８２によって)空間的にフィルタされている。
【００５０】
種々の実施形態において、開口部３５０は、開口が測定軸方向に沿った幅ＡＷを有し、ＡＷ＝Ｚ＊λ＊(ａ＊(Δｎ＋１)／(ＰＭＩＰＳＦ／((ＰＭＩ−ＰＳＦ)＊Ｍ))であるように構成される。ここで、ａは、０．５より大きく且つ４．０未満であり、Ｍは、結像構成３８０の倍率値であり、ディテクタ部は、その光路に沿った結像部から距離Ｚに位置する。例示的な実施形態において、エンコーダ構成３００のようなエンコーダは、少なくとも焦点距離Ｆの第２レンズを有する両側テレセントリック結像構成を備えても良い。このような実施形態において、Ｚは、第２レンズ３８３とディテクタ部３２５との間の距離であり、この距離は、Ｆ及び図３に示したような距離ｄ０'に相当する。代替の実施形態において、エンコーダは、片側テレセントリック結像構成を備えても良い。この場合、Ｍの値は、片側テレセントリックの実施形態においては開口部とディテクタ部との間の距離である距離Ｚに依存する。より詳細には、片側テレセントリック方式では、Ｚ＝ＦＭである。空間変調されたイメージ光は、値Δｎだけ異なる２つの回折次数の干渉から形成されるフリンジ(図４Ｃに詳細に示す)を備えている。幾つかの実施形態において、例えば、モアレイメージ強度信号ＩＭＧ２が、スケール光３３２のａ＋１及びａ−１回折次数要素の重複に由来しているならば、Δｎの値＝２である。他の例示的な実施形態においては、Δｎの値＝２は、１又は４であり得る。
【００５１】
当然のことながら、コヒーレント光を出力する光源を含むエンコーダ構成においては、変数ａは、０．５より大きな値を有するべきである。コヒーレント光を利用する実施形態においては、ａの値は、０．５より大きく且つ１．５未満であれば良い。コヒーレント光を利用する一の実施形態において、ａの値は１である。非コヒーレント光を利用する実施形態においては、ａの値は、１より大きく且つ４未満であれば良い。非コヒーレント光を利用する一の実施形態において、ａの値は２である。
【００５２】
イメージ強度信号ＩＭＧ２は、スケールピッチＰＳＦ及び照明フリンジピッチＰＭＩに依存する空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調される。ＰＳＦ及びＰＭＩは、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２のディテクタピッチＰｄと協調して選択され、以て光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、光源が非コヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立する。ここで、ｍは、ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数である。空間波長ＰＩＭＥＳＦは、スケールピッチＰＳＦより大きい。
【００５３】
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃの間に描画される一連の垂直参照ラインＶＲＬは、図４ＢのインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２を通過する図４Ａの照明フリンジパターンからの信号レベルの指標を提供し、結果としての図４Ｃのモアレイメージ強度中の信号強度に対応しているように見える。図４Ｄは、インクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２の図であり、説明のために、図４Ｃのモアレイメージ強度信号ＩＭＧ２のうなり周波数エンベロープのイメージがディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２に重ね合せられている。図４Ｄに示すように、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２は、直交信号を出力するよう、検出又はピッチＰｄの１周期内に在る４つのディテクタエレメントに接続されている。検出又はピッチＰｄの１周期は、モアレイメージ強度信号ＩＭＧ２の１周期ＰＩＭＥＳＦにも対応する。
【００５４】
図５及び図６は、以前特許文献１２に組み込まれた図２６及び図２７に含まれる基本的な設計参照情報を示している。種々の実施形態における開口サイズの選択に関して図５及び図６を使用することは、'９６９特許の開示に基づき理解され得るから、ここでは詳細には説明しない。但し、関連する教示が、この開示に照らして使用され得る。'９６９特許の開示の大部分は、非コヒーレント照明の観点からのものである。当業者は、結像系における非コヒーレント照明とコヒーレント照明の間の差異に関する周知の検討に基づいて、その教示に対して適切に適応するであろう。
【００５５】
図７は、図１のエンコーダ構成１００の実用的な実装の一実施形態であるエンコーダ構成７００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構成７００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図１のエンコーダ構成１００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図７において、図１中の一連の番号１ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号７ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。
【００５６】
図７に示すように、エンコーダ構成７００は、スケールエレメント７１０と、照明システム／部７６０と、両側テレセントリック結像構成７８０とを含む。照明システム／部７６０は、光の可視又は不可視波長を発する光源７３０(例えば、ＬＥＤ又は半導体レーザ)と、レンズ７４０と、ビームスプリッタ７５５を含む。両側テレセントリック結像構成７８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズアレイ７８１と、開口平面ＡＰにおける開口部品７８２'中の開口アレイ７８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズアレイ７８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス７２０とを備える。ディテクタエレクトロニクス７２０は、信号生成・処理回路(図示せず)へ接続しても良い。光源７３０も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路へ接続しても良い。
【００５７】
レンズアレイ７８１及び７８３並びに開口アレイ７８２に関し、当然のことながら、これらは、図１のエンコーダ構成１００の第１レンズ１８１、開口部１８２及び第２レンズ１８３と同様の個別要素を含む。図７中、各アレイにおいて、各個別要素は、同様に協調動作して、イメージチャネル又はイメージチャネル構成と呼称され得る個別のイメージパス又はチャネルを提供する。各イメージチャネルは、図１に関し上述したエンコーダ構成１００の単独のレンズ及び開口部に対して同様に機能する。図７の実施形態において、多重イメージチャネルは、単独のイメージチャネルの品質が劣化する或いは阻害される場合に、残りのイメージチャネルが依然として正確なスケールパターンの結像を提供し得るという点において、汚染、欠陥、スケール波形等に関するシステムのロバスト性のための付加的レベルを提供するのに利用される。
【００５８】
図７の実施形態において、スケールエレメント７１０は、図１に関し上述した、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１を含む３つのスケールトラックパターンから成るスケールパターン７１５を含む。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、非常に"粗い"ＡＢＳ分解能を有し得る。
【００５９】
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１のためには、一の実施形態において、そのインクリメンタルピッチが比較的粗く(例えば、２０μｍ)ても良い。図８を参照してより詳細に後述する如く、細かいピッチ(例えば、４μｍ)が、ここで開示する方法に従った同様のサイズのエンコーダ構成において実現され得る。図１０Ａを参照してより詳細に後述する如く、一の実施形態において、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は、一連のベーカーパターンとして形成されバーニア原点マークとしても機能するか、様々な周知技術に従って形成される一連の原点マークを備え得る。
【００６０】
ディテクタエレクトロニクス７２０は、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、ＴＲＥＦ１及びＴＩＮＣ１それぞれから光を受信するよう配置された、３つのディテクタトラックＤＥＴＡＢＳ１、ＤＥＴＲＥＦ１及びＤＥＴＩＮＣ１から成るディテクタ構成７２５を含む。ディテクタエレクトロニクス７２０は、信号処理回路(例えば、信号オフセット及び／又はゲイン調整、信号増幅、並びに結合回路等)を含んでも良い。一の実施形態において、ディテクタエレクトロニクス７２０は、単一のＣＭＯＳ ＩＣとして製造しても良い。
【００６１】
動作において、光源７３０から発せられた光７３１(一次光)は、レンズ７４０によって部分的又は全体的に平行化され得て、ビームスプリッタ７５５を介し、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ１、ＴＲＥＦ１及びＴＩＮＣ１を照らすのに十分なビーム領域上に導かれる。そして、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１用のイメージチャネルで例示すると、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１は、ビームスプリッタ７５５によりレンズアレイ７８１へ方向を変えられるスケール光７３２を提供する。当然のことながら、開口アレイ７８２の各限界開口は、Ｘ方向に沿って開口幅ＡＷを有し、(図２に関し上述したように)インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１用の所定のイメージチャネルを通過する光線を選択又は制限する空間フィルタとして機能する。図７に示す如く、各イメージチャネルのために、レンズアレイ７８１の対応するレンズが、光線を限界開口アレイ７８２の対応する開口部へ伝送する。そして、限界開口アレイ７８２の対応する開口部は、光線を、空間的にフィルタされたイメージ光７３３として第２レンズアレイ７８３の各レンズへ伝送する。第２レンズアレイ７８３の各レンズは、空間的にフィルタされたイメージ光を伝送及び集光して、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１の各位置に対応する空間変調された各光パターンを、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１の各位置にて形成する。
【００６２】
このように、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１は、照らされると、トラック固有に空間変調された一連の光パターンを、各イメージチャネルに対応する、ディテクタエレクトロニクス７２０のディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１の各位置へ出力する。空間変調された光パターンのイメージは、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１と同一平面上であり得るイメージ平面ＩＭＧＰにて形成される。
【００６３】
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの空間変調された光パターンのディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１上での結像と同様に、スケールトラックパターンＴＲＥＦ１及びＴＡＢＳ１は、レンズ７４０からの光で照らされると、トラック固有に空間変調された光パターン(例えば、各パターンに対応するパターン化された光)を、ディテクタエレクトロニクス７２０のトラック固有のディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ１及びＤＥＴＡＢＳ１へそれぞれ出力する。上述した通り、(例えば、ベーカーパターンを有する)原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は、特定のインクリメンタル波長を示すよう分解でき、以てインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの波長を、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１からのアブソリュートマークに対して明確にする。ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１、ＤＥＴＡＢＳ１及びＤＥＴＲＥＦ１の各々においては、個別のフォトディテクタ領域が、受信した空間変調された各光パターンを空間的にフィルタして、信号(例えば、直交信号を生成するインクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１、又は信号補間をもたらす空間的な位相関係を有する他の周期信号)を示す所望の位置を提供するために配置される。
【００６４】
種々の用途において、ディテクタエレクトロニクス及び光源は、互いに固定された関係で、例えば読取ヘッダ又はゲージ筐体(図示せず)中に実装され、周知技術に従い、ベアリングシステムによりスケール７１０に関連する測定軸に沿って導かれる。種々の用途において、スケールは、ムービングステージ又はゲージスピンドル等に取り付けられても良い。図７に示す構成は、反射的な構成である。すなわち、光源及びディテクタエレクトロニクスは、スケール７１０と同側に配置され、周知技術に従って、角度のある照明及び反射のために設置される。よって、スケールパターン７１５は、空間変調された光パターンを反射によってディテクタトラックへ出力する光吸収部及び光反射部(例えば、周知の反射技術を用いて基板上に組み上げられる)を備えている。当然のことながら、同様の構成要素が透過的な実施形態(例えば、図１参照)において配置され得る。
【００６５】
図８は、図３のエンコーダ構成３００の実用的な実装の一実施形態であるエンコーダ構成８００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構成８００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図３のエンコーダ構成３００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図８において、図３中の一連の番号３ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号８ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。
【００６６】
図８に示すように、エンコーダ構成８００は、スケールエレメント８１０と、照明システム／部８６０と、両側テレセントリック結像構成８８０とを含む。照明システム／部８６０は、光の可視又は不可視波長を発する光源８３０(例えば、ＬＥＤ又は半導体レーザ)と、レンズ８４０と、位相格子８５０と、ビームスプリッタ８５５を含む。より詳細に後述する如く、一の実施形態において、位相格子８５０は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２用であるが、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２用では無い光チャネル内に位置及び配置しても良い。両側テレセントリック結像構成８８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズアレイ８８１と、開口平面ＡＰにおける開口アレイ８８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズアレイ８８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス８２０とを備える。当然のことながら、レンズアレイ８８１及び８８３並びに開口アレイ８８２は、図７に関し上述したレンズアレイ７８１及び７８３並びに開口アレイ７８２と同様に配置されて機能する。ディテクタエレクトロニクス８２０は、信号生成・処理回路(図示せず)へ接続しても良い。光源８３０も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路へ接続しても良い。
【００６７】
図８の実施形態において、スケールエレメント８１０は、図３に関し上述した、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２を含む３つのスケールトラックパターンから成るスケールパターン８１５を含む。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、比較的"粗い"ＡＢＳ分解能を有し得る。図３に関し上述した通り、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、ここに開示する空間フィルタリング及び結像原理に従って、利用され結像される。
【００６８】
図８に示すように、ディテクタエレクトロニクス８２０は、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、ＴＲＥＦ２及びＴＩＮＣ２それぞれから光を受信するよう配置された、３つのディテクタトラックＤＥＴＡＢＳ２、ＤＥＴＲＥＦ２及びＤＥＴＩＮＣ２から成るディテクタ構成８２５を含む。ディテクタエレクトロニクス８２０は、信号処理回路(例えば、信号オフセット及び／又はゲイン調整、信号増幅、並びに結合回路等)を含んでも良い。一の実施形態において、ディテクタエレクトロニクス８２０は、単一のＣＭＯＳ ＩＣとして製造しても良い。
【００６９】
動作において、光源８３０から発せられた光８３１(一次光)は、レンズ８４０によって部分的又は全体的に平行化され得て、ビームスプリッタ８５５を介し、３つのスケールトラックパターンＴＡＢＳ２、ＴＲＥＦ２及びＴＩＮＣ２を照らすのに十分なビーム領域上に導かれ得る。位相格子８５０は、ソース光を回折して、回折された構造化光８３１'を(アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２では無く) 原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２へ与えるように形成される。そして、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用のイメージチャネルで例示すると、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、ビームスプリッタ８５５によりレンズアレイ８８１へ方向を変えられるスケール光８３２を出力する。当然のことながら、開口アレイ８８２の各限界開口は、Ｘ方向に沿って開口幅ＡＷを有し、(図４に関し上述したように)所定のイメージチャネルを通過する光線を選択又は制限する空間フィルタとして機能する。換言すると、上述した通り、空間フィルタリングは、位相格子及びインクリメンタルスケールトラックパターンによって生成されたイメージの高周波部分を効果的にぼやけさせ、この結果、残りの信号が、主として、構造化された照明のフリンジピッチとスケール格子のピッチとの間のうなり周波数と考えられ得る変調から成る。結果としての変調されたイメージピッチは、うなり周波数エンベロープの周期の測定である。
【００７０】
図８に示す如く、各イメージチャネルのために、レンズアレイ８８１の対応するレンズが、光線を限界開口アレイ８８２の対応する開口部へ伝送する。限界開口アレイ８８２の対応する開口部は、光線を、空間的にフィルタされたイメージ光８３３として第２レンズアレイ８８３の各レンズへ伝送する。第２レンズアレイ８８３の各レンズは、空間的にフィルタされたイメージ光を伝送及び集光して、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２の各位置に対応する空間変調された各光パターンを、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２の各位置にて形成する。図４に関し上述した通り、ここに開示する原理に従って、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２における空間変調された光パターンは、変調且つ空間的にフィルタされた結像フリンジパターンを備えている。
【００７１】
同様に、スケールトラックパターンＴＲＥＦ２及びＴＡＢＳ２は、照らされると、トラック固有に空間変調された光パターンを、ディテクタエレクトロニクス８２０のトラック固有のディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２及びＤＥＴＡＢＳ２へそれぞれ出力する。上述した通り、ディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２における空間変調された光パターンも、変調且つ空間的にフィルタされた結像フリンジパターンを備えている。当然のことながら、空間変調された光パターンの全てがスケール８１０と共に移動する。ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２、ＤＥＴＡＢＳ２及びＤＥＴＲＥＦ２の各々に対応する光信号チャネルにおいて、個別のフォトディテクタ領域が、受信した空間変調された各光パターンを空間的にフィルタして、信号(例えば、直交信号を生成するインクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２、又は信号補間をもたらす空間的な位相関係を有する他の周期信号)を示す所望の位置を提供するために配置される。
【００７２】
種々の用途において、ディテクタエレクトロニクス８２０及び光源８３０は、互いに固定された関係で、例えば読取ヘッダ又はゲージ筐体(図示せず)中に実装され、周知技術に従い、ベアリングシステムによりスケール８１０に関連する測定軸に沿って導かれる。種々の用途において、スケールは、ムービングステージ又はゲージスピンドル等に取り付けられても良い。図８に示す構成は、反射的な構成である。すなわち、光源８３０及びディテクタエレクトロニクス８２０は、スケール８１０と同側に配置され、周知技術に従って、角度のある照明及び反射のために設置される。よって、スケールパターン８１５は、空間変調された光パターンを反射によってディテクタトラックへ出力する光吸収部及び光反射部(例えば、周知技術を用いて基板上に組み上げられる)を備えている。当然のことながら、同様の構成要素が透過的な実施形態(例えば、図３参照)において配置され得る。
【００７３】
図９は、図８のエンコーダ構成８００の位相格子部の代替の実施形態を示すエンコーダ構成９００の図である。図９に示すように、エンコーダ構成９００は、スケールエレメント９１０と、光源９３０と、レンズ９４０と、２つの位相格子９５０Ａ及び９５０Ｂと、ビームスプリッタ９５５とを含む。図８のエンコーダ構成８００からの主たる差異は、エンコーダ構成９００が、単独の位相格子８５０を利用するよりむしろ、２つの位相格子９５０Ａ及び９５０Ｂを利用することである。一の実施形態において、位相格子９５０Ａが、０．９２μｍの位相格子であり得る一方、位相格子９５０Ｂは、空隙を伴う(カップリングされていない)０．８４μｍの位相格子であり得る。この構成は、ビーム結合器がビームを完全に別個には分割する必要が無いという点において、コンパクトな設計を可能にする。一の具体的な実施形態においては、位相格子９５０Ａ及び９５０Ｂを介した光伝送の後、光フリンジが、特定の周期(例えば、５μｍ)で生成され、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣのピッチ(例えば、４μｍ)と相まって、特定の周期(例えば、２０μｍ)で変調且つ空間的にフィルタされたフリンジを生成する。
【００７４】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ、図１及び図３のエンコーダ構成のスケールトラックパターン配置の図である。図１０Ａに示すように、スケールトラックパターン配置１０００Ａは、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１と、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１と、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１とを含む。上述した通り、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１は、絶対的な測定範囲に亘る絶対位置を決定するのに利用可能な信号を提供するものであり、図１０Ａの実施形態においては、スケールトラックパターンに沿った絶対位置を示すコード化された信号部分を含むように示されている。
【００７５】
インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１のため、そのインクリメンタルピッチが比較的粗く(例えば、２０μｍ)示されている。図１０Ａに示す原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１の部分においては、４つの原点マークパターンＲＭ１Ａ〜ＲＭ１Ｄが、特定の間隔で発生するように示されている。一の実施形態において、原点マークは、ベーカーパターンとして形成され、様々な周知技術に従って形成され得る。原点マークは、バーニア原点マークとしても機能し得る。上述した通り、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ１は、特定のインクリメンタル波長を示すことが可能なレベルへ分解でき、以て(例えば、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１からの)インクリメンタル波長を、(例えば、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１からの)アブソリュートマークに対して明確にする。図１０Ａに示すように、スケールが、全体的な幅寸法Ｘ１を有する一方、スケールトラックパターンＴＡＢＳ１、ＴＲＥＦ１及びＴＩＮＣ１によりカバーされる領域は、幅寸法Ｘ２を有する。具体的な実施形態においては、寸法Ｘ１が１３ミリメートルに等しい一方、寸法Ｘ２は３．９ミリメートルに等しい。
【００７６】
図１０Ｂに示すように、スケールトラックパターン配置１０００Ｂは、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２と、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２と、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２とを含む。スケールトラックパターンのための種々の可能な寸法及び構成は、図１１に関してより詳細に後述される。大略、同然のことながら、スケールトラックパターン配置１０００Ｂは、スケールトラックパターン配置１０００Ａ用に設計されたエンコーダ構成へ代用することが可能なように、図１０Ａのスケールトラックパターン配置１０００Ａと略同一サイズで設計される。図１０Ｂに示すように、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２は、絶対的な測定範囲に亘る絶対位置を決定するのに利用可能な信号を提供し、図１０ＡのアブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ１と同様のコード化された部分を備え得る。一の実施形態において、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２は、ほぼＸ軸に沿った検出幅上で、非常に粗いＡＢＳ分解能を有し得る。
【００７７】
図１０Ｂに示すように、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、図１０ＡのインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ１のピッチ(例えば、２０μｍ)と比して、非常に細かいピッチ(例えば、４μｍ)を有するように示されている。図１０Ｂに示す原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２の部分は、一連の４つの原点マークパターンＲＭ２Ａ〜ＲＭ２Ｄを含むように示されている。原点マークパターンＲＭ２Ａ〜ＲＭ２Ｄは、様々な周知技術に従って、ベーカーパターンとして形成され得る。原点マークパターンは、バーニア原点マークとしても機能し得る。原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用の特定のインクリメンタル波長を示すことが可能なレベルへ分解できるよう設計され、以てインクリメンタル波長を、アブソリュートスケールトラックパターンＴＡＢＳ２からのアブソリュートマークに対して明確にする。一の実施形態において、原点トラックパターンＴＲＥＦ２及びインクリメンタルトラックパターンＴＩＮＣ２の変調且つ空間的にフィルタされたイメージの組合せは、測定された合成位相が正しいインクリメンタルスケールトラックパターン・サイクルを指し示す(例えば、測定された零の合成位相は、当該位相に対応する正しいインクリメンタルサイクルを示し得る)合成波長を作成する。
【００７８】
一例として、図１０Ｂの実施形態においては、原点マークパターンＲＭ２Ａ〜ＲＭ２Ｄの各々が、対応する位相マーカーＰＨＳ２Ａ〜ＰＨＳ２Ｄを有するように示されている。位相マーカーＰＨＳ２Ａ〜ＰＨＳ２Ｄの各々は、位置毎に完全に位置合せされた位相が発生するポイントを示している。換言すると、原点トラックパターンＴＲＥＦ２においては、原点マークパターン(例えば、ＲＭ２Ａ〜ＲＭ２Ｄ)が選択された間隔(例えば、６ミリメートル)で設けられる。(位相マーカーＰＨＳ２Ａ〜ＰＨＳ２Ｄが発生する各パターンの中心における)各原点マークパターンの位相は、特定の距離(例えば、６ミリメートル)だけ離れた位置におけるインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２の位相と一致する(又は、当該位相から一定の位相オフセットを有する)。インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２の合成位相は、原点マークパターン長より大きい(すなわち、個別のベーカーパターン各々の長さより大きい)。
【００７９】
上述した通り、(原点マークパターンを有する)原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２と同種の変調且つ空間的にフィルタされたイメージを生成するよう設計されている。変調且つ空間的にフィルタされたイメージを生成するために、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２及び原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２のピッチに近いピッチ(例えば、４μｍのインクリメンタルスケールトラックピッチ及び４．１μｍの原点スケールトラックピッチと比して、５μｍの位相格子ピッチ)を有する位相格子を用いる。結果としての位相格子及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２からの変調且つ空間的にフィルタされたイメージのフリンジ周期は、比較的粗く(例えば、２０μｍ)、位相格子及びインクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２により生成される変調且つ空間的にフィルタされたイメージのフリンジ周期(例えば、２２．７７μｍ)と僅かに異なり得る。
【００８０】
原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２に、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２のピッチ(例えば、４。０μｍ)と比して僅かに異なるピッチ(例えば、４．１μｍ)を持たせることにより、原点スケールトラックパターンの位相は、特定の長さに沿った一つの特定ポイントのみでインクリメンタルスケールトラックパターンの位相と一致するであろう(例えば、位相マーカーＰＨＳ２Ａ〜ＰＨＳ２Ｄで示す如く、原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２内のベーカーパターン長に沿った一つのポイントで一致するのみである)。位相が一致する位置は、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２用の特定のインクリメンタル波長を規定する。
【００８１】
上述した通り、比較的細かいピッチ(例えば、４μｍ)を有し、選択されたピッチ(例えば、５μｍ)を有する位相格子で生成された構造化光によって結像されるインクリメントスケールトラックパターンを利用することにより、比較的粗く変調されたイメージピッチ(例えば、２０μｍ)を有する変調且つ空間的にフィルタされたパターンを生成できる。当然のことながら、このような実施形態においては、選択比(例えば、５対１)が、変調されたイメージピッチ(例えば、２０μｍ)とインクリメンタルスケールトラックパターンのピッチ(例えば、４μｍ)の間に存在する。選択された実施形態においては、インクリメンタルスケールトラックパターンに関する高分解能を、以前により粗いインクリメンタルスケールトラックピッチ用に設計されたエンコーダ構成で利用可能にするために、略５対１の比、或いはより高い比(例えば、１０対１、２０対１等)が望まれ得る。
【００８２】
図１１は、図３のエンコーダ構成用の種々のスケール及びディテクタトラックの組合せのためのパラメータを示すテーブル１１００である。図１１に示す如く、第１の実装のために、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、ｐ＝４μｍのピッチを有するように示されており、対応する位相格子は、フリンジ周期Ｓ＝５μｍの構造化光を作成する。変調且つ空間的にフィルタされたイメージがもたらす結像フリンジ周期は、ｆ＝２０μｍである。(補間の必要レベルを示す)補間係数は、Ｋ＝４０である。ディテクタエレメントは、ピッチｄ＝１５μｍを有するよう設計される。当然のことながら、幾つかの実施形態においては、ディテクタエレメントのピッチが、フリンジ周期ｆの１／４、１／３、２／３又は３／４となるように設計しても良い。一の実施形態において、ディテクタエレメントのピッチは、２０μｍのフリンジの３／４になり得る(この例では、ディテクタエレメントピッチｄ＝１５μｍ)。
【００８３】
第１の実装における原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２のために、各ベーカーパターン内のエレメントのピッチが、ｐ'＝４．１μｍである一方、対応する位相格子は、(インクリメンタルスケールトラックパターンと同様の)フリンジ周期Ｓ＝５μｍで構造化光を作成する。原点スケールトラックパターンを介した位相格子からの構造化光の組合せによって生成される結像フリンジ周期は、変調且つ空間的にフィルタされた結像フリンジ周期ｆ'＝２２．７７μｍを生成する。補間係数は、Ｋ＝４０である。ディテクタエレメントのピッチは、ｄ'＝１７μｍである。インクリメンタルスケールトラックパターン及び原点スケールトラックパターンの併用のため、バーニア合成波長(ｆｆ'／(ｆ−ｆ'))は、１６４μｍに等しい。原点スケールトラックパターンの各ベーカーパターンの長さは、Ｌ＝１３６μｍである(ピッチｐ'＝４．１μｍで３３ラインを有する)。当然のことながら、幾つかの実施形態において、ベーカーパターン中のライン数は、十分な可視フリンジ(すなわち、非常に十分な量のうねり周波数エンベロープ部分)を形成する必要があり得て、ディテクタトラックで生成される変調且つ空間的にフィルタされたイメージの一部として適切に検出することができる。トラック及び領域毎のイメージアレイ中のディテクタエレメントの数、及びそのトータル長に関しては、インクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ１のために、セット毎に８つのエレメント(１２０μｍのトータル長)が存在する。また、原点ディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ１のために、セット毎に８つのエレメント(１３６μｍのトータル長)が存在する。ベーカーパターン間のインクリメンタルサイクルの数は、１５０である。
【００８４】
図１１に示す如く、第２の実装のために、インクリメンタルスケールトラックパターンＴＩＮＣ２は、ｐ＝８μｍのピッチを有するように示されており、対応する位相格子は、フリンジ周期Ｓ＝１０μｍの構造化光を作成する。変調且つ空間的にフィルタされたイメージがもたらす結像フリンジ周期は、ｆ＝４０μｍである。補間係数は、Ｋ＝２７．６である。ディテクタエレメントは、ピッチｄ＝１０μｍを有するよう設計される。一の実施形態において、ディテクタエレメントのピッチは、４０μｍのフリンジの１／４になり得る(この例では、ディテクタエレメントピッチｄ＝１０μｍ)。
【００８５】
第２の実装における原点スケールトラックパターンＴＲＥＦ２のために、各ベーカーパターン内のエレメントのピッチが、ｐ'＝８．３μｍである一方、対応する位相格子は、(インクリメンタルスケールトラックパターンと同様の)フリンジ周期Ｓ＝１０μｍで構造化光を作成する。原点スケールトラックパターンを介した位相格子からの構造化光の組合せによって生成される結像フリンジ周期は、変調且つ空間的にフィルタされた結像フリンジ周期ｆ'＝４８．８μｍを生成する。補間係数は、Ｋ＝２７．６である。ディテクタエレメントのピッチは、ｄ'＝１２．２μｍである。インクリメンタルスケールトラックパターン及び原点スケールトラックパターンの併用のため、バーニア合成波長(ｆｆ'／(ｆ−ｆ'))は、２２１．３μｍに等しい。原点スケールトラックパターンの各ベーカーパターンの長さは、Ｌ＝略１９５μｍである(ピッチｐ'＝４．１μｍで２３ラインを有する)。トラック及び領域毎のイメージアレイ中のディテクタエレメントの数、及びそのトータル長に関しては、インクリメンタルディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２のために、セット毎に１６個のエレメント(１６０μｍのトータル長)が存在する。また、原点ディテクタトラックＤＥＴＲＥＦ２のために、セット毎に１６個のエレメント(１９５μｍのトータル長)が存在する。ベーカーパターン間のインクリメンタルサイクルの数は、７５である。
【００８６】
図１２は、アメリカ合衆国付与前特許公報２０１１／００３１３８３ Ａ１号('３８３公開)として公開されたアメリカ合衆国特許出願１２／５３５，５６１('５６１出願)に含まれる図面の実質的なコピーであり、参照によって本明細書に取り込まれる。図１２は、'５６１出願の開示に基づいて理解され得るため、ここでは詳細には説明しない。但し、関連する教示が、ここで開示する原理に照らして使用され得る。
【００８７】
簡潔に述べると、図１２は、両側テレセントリックエンコーダ結像配置７７０−１のイメージチャネル２８０−１を介した異なる光路を示す概略断面図７００である。配置７７０−１は、ここに示した両側テレセントリック結像構成３８０、８８０及び１３８０に類似している。参照によって本明細書に取り込まれる特許文献１３('７８９出願)は、第１レンズ(又はレンズアレイ)と同様の形式であり、光軸に沿って第１レンズ対して反転された第２レンズ(又はレンズアレイ)を利用し、以て２つの類似するレンズのレンズ収差を互いにほぼ補正して、結果としてのイメージにおける収差を低減する両側テレセントリックエンコーダ構成の種々の実施形態を開示している。当然のことながら、'７８９特許の教示は、スケールパターンのイメージにおける空間歪み、すなわち、イメージにおけるパターン特性の位置の歪みを引き起こすレンズ収差の補正のみに対処するものである。図１２に示す実施形態は、第１レンズ２１０−１及び第２レンズ２１０−１'が同様の収差を有する場合に、イメージにおける空間歪みの同種の補正を提供する。しかしながら、レンズ収差に因りイメージ中に出現し得る干渉効果に関連して、より扱いの難しい問題が生じ得る。'７８９特許は、この問題に対処していない。'５６１出願は、この問題に対処しておらず、その教示は種々の実施形態に適用可能である。特に、遮光及び開口寸法に関するこれらの教示は、適切な適応で、ここに開示する原理に係る幾つかの実施形態において適用され得る。
【００８８】
図１３Ａ及び１３Ｂは、ここに開示する原理に係るエンコーダ構成の実用的な実装の他の実施形態である構成１３００を示している。エンコーダ構成１３００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図３のエンコーダ構成３００及び／又は図８のエンコーダ構成８００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図１３において、図３中の一連の番号３ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号１３ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下又は図１３で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。一の実施形態において、図面に示すレイアウトの寸法関係は互いの実際の例示的な比率で示されているが、このような関係は、種々の他の実施形態において変更され得る。一の実施形態において、参考までに、寸法ＤＩＭＺは略２６．４ｍｍであり得て、寸法ＤＩＭＹは略４８ｍｍであり得る。寸法ＧＡＰは略１ｍｍであり得る。一の実施形態において、他のおおよその寸法は、これらの寸法に基づいて計測され得る。当然のことながら、本実施形態は、単なる例示であり、限定では無い。
【００８９】
図１３に示すように、エンコーダ構成１３００は、スケールエレメント１３００と、照明システム／部１３６０と、両側テレセントリック結像構成１３８０とを含む。照明システム／部１３６０は、光１３３１の可視又は不可視波長(例えば、一の実施形態においては、レーザ用の６５５μｍの波長)を発する光源１３３０(例えば、半導体レーザやＬＥＤ等)と、開口部１３３５と、コリメートレンズ１３４０(又は、少なくともＸＹ平面において略コリメートするもの)と、偏光ビームスプリッタ１３９０と、ビームダンプ１３９２と、反射板１３４２と、開口エレメント１３４５と、反射板１３４４と、位相格子１３５０と、ビームスプリッタ１３５５を含む。両側テレセントリック結像構成１３８０は、第１レンズ平面ＦＬＰにおける第１レンズ１３８１と、開口平面ＡＰにおける開口部品１３８２'開口部１３８２と、第２レンズ平面ＳＬＰにおける第２レンズ１３８３と、検出平面ＤＰにおけるディテクタエレクトロニクス１３２０とを備える。ディテクタエレクトロニクス１３２０は、信号生成・処理回路(図示せず)へ接続しても良い。光源１３３０も、電力及び信号接続(図示せず)により信号生成・処理回路へ接続しても良い。
【００９０】
動作において、光源１３３０から発せられた光１３３１(例えば、一次光)は、光１３３１のストレイ部分を遮断し得る開口部１３３５を介して伝送される。一の実施形態において、開口部１３３５は、４ｍｍの直径を有し得る。伝送された光は、レンズ１３４０によって略又は完全にコリメートされ得て、ビームスプリッタ１３４１によって導かれる。Ｚ偏光は、光１３３１Ｚとして、偏光ビームスプリッタ１３９０を通過する。偏光ビームスプリッタ１３９０は、ストレイ光が光源１３３０へ反射するのを防止するよう構成されている。このようなストレイ光は、偏光ビームスプリッタ１３９０により、ビームダンプ１３９２へ向かうビーム１３９１として反射される。
【００９１】
光１３３１Ｚは、Ｚ偏光された入射光をＲ円偏光１３３１Ｃへ変換する４分の１波長板１３９３を通過する。光路に沿って後段のエレメントにより反射され得る光は、Ｌ円偏光として返され、４分の１波長板１３９３を介して戻るＸ偏光となる。このようなＸ偏光された反射光は、偏光ビームスプリッタ１３９０により遮断されてビームダンプ１３９２へ導かれ、以て光源１３３０を妨害するためには戻らず、他の無関係な光線を作成することも無い。
【００９２】
光１３３１Ｃは、反射板１３４２によって反射され、開口エレメント１３４５を介して導かれる。開口エレメント１３４５は、光ビーム１３３１Ｃを成形し、以て光ビーム１３３１Ｃが、反射板１３４４によって反射され且つ位相格子１３５０を通過して回折された構造化光１３３１'となった後に、スケール１３１０の所望の位置(例えば、所望のトラック位置)を照らすようにする。一の実施形態において、開口部１３４５は、６ｍｍのＸ幅と、１．５ｍｍのＹ幅を有し得る。
【００９３】
光源１３３０が６５５μｍ波長の光を発する半導体レーザである一の実施形態において、スケールエレメントは、４．００μｍの格子ピッチを有し得て、位相格子１３５０は、４．４４μｍの格子ピッチを有し、零次光を遮断するよう構成され得る。結果としての振幅変調は、略２０μｍの周期を有し得る。
【００９４】
そして、スケールエレメント１３１０は、そのスケール格子エレメントからの回折された構造化光を反射して、スケール光１３３２を提供する。スケール光１３３２は、前述した変調を含み、ビームスプリッタ１３５５を介し、両側テレセントリック結像構成１３８０によってディテクタ上で結像されるように導かれる。両側テレセントリック結像構成１３８０は、前述した原理に従って、スケール光１３３２を空間的にフィルタするように機能する。この結果、ディテクタ１３２０のディテクタエレメントの空間フィルタ周期と略一致する振幅変調の周期は、最終的にはディテクタ１３２０の信号に信号変動を引き起こす、スケール光１３３２の一次強度変調である。一の実施形態において、両側テレセントリック結像構成１３８０の開口部１３８２は、略１ｍｍの直径を有し、スケール光１３３２の零次及び一次要素を遮断するために、振幅変調要素よりも高い空間周波数を有するスケール光１３３２の空間周波数要素の所望のフィルタリングを提供し得る。これを説明する他の方法は、開口部１３８２が、位相格子及び／又はスケール格子の結像を防止するよう構成されることである。
【００９５】
図１４は、コヒーレント光源を含むエンコーダ構成１４００の実施形態における種々のビームパスの参照図を示している。エンコーダ構成１４００の幾つかの構成要素及び動作原理は、図３のエンコーダ構成３００及び／又は図８のエンコーダ構成８００と略同様であり、類推によって一般に理解され得る。例えば、図１４において、図３中の一連の番号３ＸＸと同一サフィックス"ＸＸ"を有する一連の番号１４ＸＸは、同様又は同一の構成要素を指定し得て、当該構成要素は、以下又は図１４で特段の説明又は暗示が無ければ、同様に機能し得る。図１４に示すように、光源は、ソース光１４３１を発する。位相格子１４５０は、ソース光を、種々の回折次数の光線束から成る構造化された照明１４３１'へ分割する。図１４は、干渉して照明フリンジピッチＰｉを提供する、＋１次の光線束１４３１ｐ及び−１次の光線束１４３１ｐを示している。当然のことながら、付加的な次数の光線束が構造化された照明１４３１'に存在する。しかしながら、簡略化のため、図１４には＋１次及び−１次のみが示されている。スケール１４１０は、構造化された照明１４３１'を受信し、周期Ｐｅから成るエンベロープを有するフリンジを備えたスケール光１４３２を出力する。周期Ｐｅは、スケールフリンジピッチＰｉ及びスケールピッチＰｇの観点から、Ｐｅ＝ＰｇＰｉ／(２Ｐｉ−Ｐｇ)として導出され得る。当然のことながら、幅は、非コヒーレント光の場合にはＰｉである２Ｐｉとの文言を含む。
【００９６】
本発明の種々の実施形態を示して説明したが、本開示に基づき、示し且つ説明した特徴の構成及び動作のシーケンスにおける非常に多くのバリエーションは、本開示に基づき当業者にとって明らかであろう。よって、当然のことながら、本発明の精神と範囲から逸脱すること無く種々の変更が成され得る。
【００９７】
独占的な権利又は特権を主張する本発明の実施形態は、下記の特許請求の範囲にて定義される。
【００９８】
この出願は、２０１１年１２月２３日に出願されたアメリカ合衆国特許出願６１／５８０，１３３、及び２０１２年１２月１７日に出願されたアメリカ合衆国特許出願１３／７１７，５８６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００９９】
１００, ３００, ７００, ８００, ９００, １３００  エンコーダ構成
１１０, ３１０, ７１０, ８１０, ９１０, １３１０  スケールエレメント
１１５, ３１５  スケールパターン
１２０, ３２０, ７２０, ８２０, １３２０  ディテクタエレクトロニクス
１２５, ３２５, ７２５, ８２５  ディテクタ構成
１２６, ３２６  信号処理回路
１３１, ３３１, ７３１, ８３１, １３３１, １４３１  光
１３２, ３３２, ７３２, ８３２, １４３２  スケール光
１３３, ３３３, ７３３, ８３３  空間的にフィルタされたイメージ光
１４０, ３４０, ７４０, ８４０, ９４０  レンズ
１８０, ３８０, ７８０, ８８０, １３８０  両側テレセントリック結像構成
１８１, ３８１  第１レンズ
１８２, ３８２, １３３５  開口部
１８３, ３８３  第２レンズ
１９０, ３９０  信号生成・処理回路
３３０, ７３０, ８３０, ９３０, １３３０  光源
３５０, ８５０, ９５０Ａ, ９５０Ｂ, １３５０, １４５０  位相格子
３６０, ７６０, ８６０, １３６０  照明システム／部
７５５, ８５５, ９５５, １３５５, １３９０  ビームスプリッタ
７７０  両側テレセントリックエンコーダ結像配置
７８１, ８８１, １３８１  第１レンズアレイ
７８２, ８８２, １３８２  開口アレイ
７８３, ８８３, １３８３  第２レンズアレイ
１１００  テーブル
１３４０  コリメートレンズ
１３４２, １３４４  反射板
１３９１  ビーム
１３９２  ビームダンプ
１３９３  ４分の１波長板
１４１０  スケール
【図１】
2013140146.tif 000003
【図２Ａ】
2013140146.tif 000004
【図２Ｂ】
2013140146.tif 000005
【図２Ｃ】
2013140146.tif 000006
【図３】
2013140146.tif 000007
【図４Ａ】
2013140146.tif 000008
【図４Ｂ】
2013140146.tif 000009
【図４Ｃ】
2013140146.tif 000010
【図４Ｄ】
2013140146.tif 000011
【図５】
2013140146.tif 000012
【図６】
2013140146.tif 000013
【図７】
2013140146.tif 000014
【図８】
2013140146.tif 000015
【図９】
2013140146.tif 000016
【図１０Ａ】
2013140146.tif 000017
【図１０Ｂ】
2013140146.tif 000018
【図１１】
2013140146.tif 000019
【図１２】
2013140146.tif 000020
【図１４】
2013140146.tif 000021
【図１３Ａ】
2013140146.tif 000022
【図１３Ｂ】
2013140146.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月19日(2013.2.19)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
ここで開示する種々の実施形態において、２つのメンバ間の相対的な変位を測定するデバイス(すなわち、光学式変位エンコーダ)は、測定軸方向に沿って広がり、スケールピッチＰＳＦを有するスケール格子と、波長λを有する光を出力する光源と、前記光が入力されると共に、前記測定軸方向に横に方向付けられ、且つ前記スケール格子と一致する平面において前記測定軸方向に沿って照明フリンジパターンＰＭＩを有する照明フリンジパターンを含む構造化照明を、前記スケール格子へ出力する構造化照明格子部と、を含む照明源と、前記スケール格子から出力された使用可能な空間変調されたイメージ光を受信すると共に、前記スケール格子が前記照明源からの前記構造化照明により照らされている場合に、前記空間変調されたイメージ光の使用可能な周期結像を出力するよう設置された結像部と、前記使用可能な周期結像の異なる位相をそれぞれ受信するよう設置され、且つ前記測定軸方向に沿って、特定のディテクタ信号位相に対応したディテクタエレメント間のピッチに対応するディテクタピッチＰｄを有する一連の光ディテクタを含むディテクタ部と、を備える。前記結像部は、前記スケール格子から伝送される前記空間変調されたイメージ光を受信するよう設置され、且つ自レンズと前記ディテクタ部との間に位置する焦点を定義する焦点距離Ｆを有する第１のレンズと、前記第１のレンズと前記ディテクタ部との間において、略、前記焦点距離Ｆに設置された開口部と、を備える。前記開口部は、前記測定軸方向に沿って、Ｗ＝Ｆ＊λ＊(ａ＊／(ＰＭＩＰＳＦ／(ＰＭＩ−ＰＳＦ)))を満たす幅ＡＷを有して構成され、ａは、２．０より大きく且つ６．０未満である。前記空間変調されたイメージ光は、値Δｎだけ異なる２つの回折次数の干渉から形成されるフリンジを含む。前記スケール格子は、前記構造化光が入力されると共に、前記スケールピッチＰＳＦ及び前記照明フリンジパターンＰＭＩに依存した空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調された構造化照明を含む前記空間変調されたイメージ光を出力し、ＰＳＦ及びＰＭＩは、前記ディテクタピッチＰｄと協調して選択されて、前記光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、前記光源がコヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、ｍは、前記ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数であり、前記空間波長ＰＩＭＥＳＦは、前記スケールピッチＰＳＦより大きい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
イメージ強度信号ＩＭＧ２は、スケールピッチＰＳＦ及び照明フリンジピッチＰＭＩに依存する空間波長ＰＩＭＥＳＦを有する強度変調エンベロープによって変調される。ＰＳＦ及びＰＭＩは、ディテクタトラックＤＥＴＩＮＣ２のディテクタピッチＰｄと協調して選択され、以て光源が非コヒーレント光を出力する場合に、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立し、光源がコヒーレント光を出力する場合には、ΔｎＰＭＩＰＳＦ／(２ΔｎＰＭＩ−ＰＳＦ)＝ＰＩＭＥＳＦ＝ｍ＊Ｐｄ／ｋが成立する。ここで、ｍは、ディテクタ部から出力される位相信号の数であり、ｋは、奇数の整数である。空間波長ＰＩＭＥＳＦは、スケールピッチＰＳＦより大きい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2013140146.tif 000024
【外国語明細書】
Title of Invention: ADAPTABLE RESOLUTION OPTICAL ENCODER
Technical Field
[0001]
The present application relates generally to precision measurement instruments, and more particularly to optical displacement encoders.
Background Art
[0002]
Various optical displacement encoders are known that use a readhead having an optical arrangement that images a scale pattern to a photodetector arrangement in the readhead.  The image of the scale pattern displaces in tandem with the scale member, and the movement or position of the displaced scale pattern image is detected with a photodetector arrangement.  Conventional imaging, self-imaging (also called Talbot imaging), and/or shadow imaging may be used to provide the scale pattern image in various configurations.
[0003]
Optical encoders may utilize incremental or absolute position scale structures.  An incremental position scale structure allows the displacement of a readhead relative to a scale to be determined by accumulating incremental units of displacement, starting from an initial point along the scale.  Such encoders are suitable for certain applications, particularly those where line power is available.  However, in low power consumption applications (e.g., battery powered gauges, and the like), it is more desirable to use absolute position scale structures.  Absolute position scale structures provide a unique output signal, or combination of signals, at each position along a scale.  They do not require continuous accumulation of incremental displacements in order to identify a position.  Thus, absolute position scale structures allow various power conservation schemes.  A variety of absolute position encoders are known, using various optical, capacitive or inductive sensing technologies.  Patent Literatures 1 to 11 disclose various encoder configurations and/or signal processing techniques relevant to absolute position encoders, and are hereby incorporated herein by reference in their entirety.  
[0004]
One type of configuration that is utilized in some optical encoders is a telecentric arrangement.  Patent Literatures 12 to 14, each of which is hereby incorporated herein by reference in its entirety, disclose various encoder configurations that utilize either singly or doubly telecentric imaging systems for imaging the periodic pattern of light and sensing displacement of the periodic scale structure.  Telecentric imaging systems provide certain desirable features in such optical encoders.  
[0005]
One issue with regard to the design of such optical encoders is that users generally prefer that the readheads and scales of the encoders be as compact as possible.  A compact encoder is more convenient to install in a variety of applications.  For certain precision measurement applications, high resolution is also required.  However, the prior art fails to teach configurations which provide certain combinations of high resolution, range-to-resolution ratio, robustness, compact size, design features which allow a number of encoder resolutions to be provided using shared manufacturing techniques and components, and which facilitate low cost as desired by users of encoders.  Improved configurations of encoders that provide such combinations would be desirable. 
Citation List
Patent Literature
[0006]
PTL 1: U.S. Patent No. 3,882,482
PTL 2: U.S. Patent No. 5,965,879
PTL 3: U.S. Patent No. 5,279,044
PTL 4: U.S. Patent No. 5,886,519
PTL 5: U.S. Patent No. 5,237,391
PTL 6: U.S. Patent No. 5,442,166
PTL 7: U.S. Patent No. 4,964,727
PTL 8: U.S. Patent No. 4,414,754
PTL 9: U.S. Patent No. 4,109,389
PTL 10: U.S. Patent No. 5,773,820
PTL 11: U.S. Patent No. 5,010,655
PTL 12: U.S. Patent No. 7,186,969
PTL 13: U.S. Patent No. 7,307,789
PTL 14: U.S. Patent No. 7,435,945
Summary of Invention
[0007]
The following summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described below in the Detailed Description.  This summary is not intended to identify key features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used as an aid in determining the scope of the claimed subject matter.  
[0008]
The principles disclosed herein are directed to improve optical displacement encoder configurations that provide improved combinations of high resolution, range-to-resolution ratio, compact size, robustness, and which allow a number of encoder resolutions to be provided using shared manufacturing techniques and components.  
[0009]
In various embodiments disclosed herein, a device for measuring the relative displacement between two members (i.e., an optical displacement encoder) comprises:  a scale grating extending along a measuring axis direction and having a scale pitch PSF; an illumination source comprising a light source that outputs light having a wavelength λ, and a structured illumination generating portion that inputs the light and outputs structured illumination to the scale grating where the structured illumination comprises an illumination fringe pattern oriented transversely to the measuring axis direction that has an illumination fringe pitch PMI along the measuring axis direction at a plane coinciding with the scale grating; an imaging portion positioned to receive operable spatially modulated image light output from the scale grating and output an operable periodic image of the spatially modulated image light when the scale grating is illuminated by the structured illumination from the illumination source; and a detector portion comprising a set of respective optical detectors positioned to respectively receive different phases of the operable periodic image, the set of respective optical detectors having a detector pitch Pd along the measuring axis direction, the detector pitch Pd corresponding to a pitch between detector elements corresponding to a particular detector signal phase.  The imaging portion comprises: a first lens positioned to receive the spatially modulated image light transmitted from the scale grating, the first lens having a focal length F that defines a focal point located between the first lens and the detector portion; and an aperture positioned approximately at the focal length F between the first lens and the detector portion.  The aperture is configured with a dimension AW along the measuring axis direction such that W= F*λ*(a/(PMIPSF/(PMI-PSF))), where a is greater than 2.0 and less than 6.0.  The spatially modulated image light comprises fringes formed from the interference of two diffractive orders which differ by a value Δn.  The scale grating inputs the structured illumination and outputs the spatially modulated image light comprising the structured illumination modulated by an intensity modulation envelope that has a spatial wavelength PIMESF that depends on the scale pitch PSF and the illumination fringe pitch PMI, and PSF and PMI are selected to cooperate with the detector pitch Pd such that ΔnPMIPSF/(ΔnPMI-PSF) = PIMESF = m*Pd/k when the light source outputs incoherent light and ΔnPMIPSF/(2ΔnPMI-PSF) = PIMESF = m*Pd/k when the light source outputs incoherent light, where m is a number of phase signals output by the detector portion and k is an odd integer, wherein the spatial wavelength PIMESF is larger than the scale pitch PSF.
[0010]
In some embodiments, the value of Δn may be equal to 2.  In alternative embodiments, the value of Δn may be equal to 1 or 4.
In some embodiments, the device may further comprise a second lens having a focal length Fs, the second lens positioned between the aperture and the detector portion at the focal length Fs from the aperture, and configured to receive light from the aperture and form the operable periodic image.  In some embodiments, the second lens may have the same nominal optical characteristics as the first lens, Fs=F, and the first and second lenses are oriented symmetrically about the location of the aperture.
[0011]
In some embodiments, the value of m may be equal to one of 3 and 4 and k is equal to one of 1, 3, and 5.
[0012]
In some embodiments, the scale pitch PSF may be less than 8 microns.
[0013]
In some embodiments, the illumination fringe pitch PMI may be less than 8 microns.
[0014]
In some embodiments, the device may further comprise a beamsplitter located between the illumination portion and the scale grating may be configured to transmit the structured illumination to the scale grating, receive spatially modulated image light output from the scale grating and output the spatially modulated image light to the imaging portion.
[0015]
In some embodiments, the interference fringe generating portion may comprise a first phase grating that blocks or suppresses zero order light in the structured illumination.  In some embodiments, the interference fringe generating portion may further comprise a second phase grating.
[0016]
In some embodiments, the device may further comprise a reference scale track configured to receive the structured illumination and output reference interference fringes to the detector portion.  In some embodiments, the reference scale track may comprise reference marks which are Vernier reference marks.  In other embodiments, the reference scale track may comprise reference mark patterns with phases that provide a synthetic wavelength with respect to the scale grating.
[0017]
In some embodiments, the device may further comprise an absolute scale track comprising an absolute scale track pattern which is configured to receive the structured illumination and output absolute scale light to the detector portion in order to provide signals usable to determine an absolute position over an absolute measuring range.
[0018]
In some embodiments, the device may further comprise a second lens having a focal length Fs, the second lens positioned between the aperture and the detector portion at the focal length Fs from the aperture, and configured to receive light from the aperture and form the operable periodic image; and a magnification M of the operable periodic image along the measuring axis direction may be approximately M=Fs/F, and is set solely by adjusting the distances Fs and F.
[0019]
In some embodiments, the light source may output coherent light.
[0020]
It will be appreciated that a product line based on inventive configurations disclosed herein can use a detector having a particular period (e.g., an IC photodetector element fabricated in great numbers for economy) for a variety of combinations of phase grating and scale grating pitches as disclosed herein, to provide a variety of high displacement resolutions using a single economical detector for all.  The resulting high resolution encoders may also provide robust operation relative to other types of high resolution encodes, in the presence of reasonable amount of scale contamination.  The configurations disclosed herein provide these and other advantages.
[0021]
It will be appreciated that while the methods are primarily described herein in terms of imaging and spatial filtering, such concepts may also be described in terms of the light ray components of the optical system, including diffracted rays, etc.
Brief Description of Drawings
[0022]
[Fig. 1]
Fig. 1 is a partially schematic exploded diagram of an encoder configuration with a doubly telecentric arrangement and a scale with absolute, reference, and incremental track patterns, utilizing conventional imaging techniques.
[Fig. 2A]
Fig. 2A is a diagram of the incremental scale track pattern, image intensity, and detector arrangement of the encoder configuration of Fig. 1.
[Fig. 2B]
Fig. 2B is a diagram of the incremental scale track pattern, image intensity, and detector arrangement of the encoder configuration of Fig. 1.
[Fig. 2C]
Fig. 2C is a diagram of the incremental scale track pattern, image intensity, and detector arrangement of the encoder configuration of Fig. 1.
[Fig. 3]
Fig. 3 is a partially schematic exploded diagram of an encoder configuration with a doubly telecentric arrangement and a scale with absolute, reference, and incremental track patterns, utilizing spatial filtering and imaging principles in accordance with principles disclosed herein.
[Fig. 4A]
Fig. 4A is a diagram of the illumination fringe pattern, incremental scale track pattern, resulting moire image intensity, and detector arrangement of the encoder configuration of Fig. 3.
[Fig. 4B]
Fig. 4B is a diagram of the illumination fringe pattern, incremental scale track pattern, resulting moire image intensity, and detector arrangement of the encoder configuration of Fig. 3.
[Fig. 4C]
Fig. 4C is a diagram of the illumination fringe pattern, incremental scale track pattern, resulting moire image intensity, and detector arrangement of the encoder configuration of Fig. 3.
[Fig. 4D]
Fig. 4D is a diagram of the illumination fringe pattern, incremental scale track pattern, resulting moire image intensity, and detector arrangement of the encoder configuration of Fig. 3.
[Fig. 5]
Fig. 5 shows basic design reference information included in figures 26 and 27, respectively, of the previously incorporated Patent Literature 12, and is a chart illustrating modulation transfer functions corresponding to various sets of design parameters.
[Fig. 6]
Fig. 6 shows basic design reference information included in figures 26 and 27, respectively, of the previously incorporated Patent Literature 12, and is a chart illustrating the dependence of depth of field (%DOF), spatial harmonic content, and optical signal power, on the dimension of an aperture along the measuring axis direction.
[Fig. 7]
Fig. 7 is a partially schematic exploded diagram of one exemplary embodiment of the encoder configuration of Fig. 1.
[Fig. 8]
Fig. 8 is a partially schematic exploded diagram of one exemplary embodiment of the encoder configuration of Fig. 3.
[Fig. 9]
Fig. 9 is a diagram of an alternative configuration of the phase grating portion of the embodiment of Fig. 8.
[Fig. 10A]
Fig. 10A is a diagram of the scale track pattern arrangement of the encoder configuration of Fig. 1.
[Fig. 10B]
Fig. 10B is a diagram of the scale track pattern arrangement of the encoder configuration of Fig. 3.
[Fig. 11]
Fig. 11 is a table illustrating parameters for various scale and detector track combinations for the encoder configuration of Fig. 3.
[Fig. 12]
Fig. 12 is a schematic cross section diagram showing differing optical paths through a doubly telecentric imaging encoder arrangement.
[Fig. 13A]
Fig. 13A shows a configuration 1300 that is another exemplary embodiment of a practical implementation of an encoder configuration according to principles disclosed herein.
[Fig. 13B]
Fig. 13B shows a configuration 1300 that is another exemplary embodiment of a practical implementation of an encoder configuration according to principles disclosed herein.
[Fig. 14]
Fig. 14 shows an analysis of the configuration shown in Fig. 13, indicating how a phase grating provides the operational diffraction orders that provide the optical intensity signals on the detector.
Description of Embodiments
[0023]
The foregoing aspects and many of the attendant advantages will become more readily appreciated as the same become better understood by reference to the following detailed description, when taken in conjunction with the accompanying drawings.
[0024]
Fig. 1 is a partially schematic exploded diagram of an optical displacement encoder configuration 100 with a doubly telecentric arrangement and a scale with absolute, reference, and incremental track patterns, and utilizing conventional imaging techniques.  Certain aspects of the encoder configuration 100 are similar to encoder configurations described in copending and commonly assigned U.S. Patent Application No. 12/535,561, published as U.S. Pre-Grant Publication No. 2011/0031383, and U.S. Patent Application No. 12/273,400, filed November 18, 2008 , now U.S. patent No. 7,608,813, which are hereby incorporated by reference in their entirety.  While the encoder configuration 100 is able to operate accurately and effectively with an incremental scale track with a relatively coarse pitch (e.g., 20 microns), as will be described in more detail below with reference to Fig. 3, the methods disclosed herein may be utilized to allow an incremental scale track with a much finer pitch (e.g., 4 microns) to be utilized in a similar configuration.
[0025]
As shown in Fig. 1, the encoder configuration 100 includes a scale element 110, a lens 140 for directing visible or invisible wavelengths of light from a light source (not shown), and a doubly telecentric imaging configuration 180.  The doubly telecentric imaging configuration 180 comprises a first lens 181 at a first lens plane FLP, an aperture 182 in an aperture component 182' at an aperture plane AP, a second lens 183 at a second lens plane SLP, and a detector electronics 120 at a detector plane DP.  In one embodiment, the scale element 110 is separated from the first lens plane FLP by a distance d0, the first lens plane FLP is separated from the aperture plane AP by a focal distance f, the aperture plane AP is separated from the second lens plane SLP by a focal distance f', and the second lens plane SLP is separated from the detector plane DP by a distance d0'.  The detector electronics 120 may be connected to signal generating and processing circuitry 190.  The light source may also be connected to the signal generating and processing circuitry 190 by power and signal connections (not shown).  
[0026]
In the embodiment shown in Fig. 1, the scale element 110 includes a scale pattern 115 that comprises three scale track patterns:  an absolute scale track pattern TABS1, a reference scale track pattern TREF1, and an incremental scale track pattern TINC1.  The track pattern TABS1 is referred to as an absolute scale track pattern because it provides signals usable to determine an absolute position over an absolute measuring range.  In one embodiment, any conventional absolute scale pattern may be utilized for the absolute scale track pattern TABS1.  In one embodiment, the absolute scale track pattern TABS1 may have a very "coarse" ABS resolution, on the order of the detector dimension along the X-axis. 
[0027]
For the incremental scale track pattern TINC1, in one embodiment the incremental pitch may be relatively coarse (e.g. 20 microns.)  As will be described in more detail below with respect of Fig. 3, a finer pitch (e.g. 4 microns) may be made to be operable in a similarly sized encoder configuration by utilizing the methods disclosed herein.  The reference scale track pattern TREF1 is formed so that it can be resolved to a level that allows it to indicate a particular incremental wavelength, so that the incremental wavelength (e.g. from the incremental scale track pattern TINC1) is not ambiguous relative to an absolute mark (e.g. from the absolute scale track pattern TABS1).  As will be described in more detail below with respect to Fig. 10A, in one embodiment, the reference scale track pattern TREF1 may comprise a series of reference marks.  In one embodiment the reference marks may be formed as a series of barker patterns, which may also function as Vernier reference marks, and which may be formed according to a variety of known techniques.  
[0028]
Fig. 1 shows orthogonal X, Y, and Z directions, according to a convention used herein.  The X and Y directions are parallel to the plane of the scale pattern 115, with the X direction parallel to the intended measuring axis direction MA (e.g., perpendicular to elongated pattern elements that may be included in the incremental scale track pattern TINC1.)  The Z direction is normal to the plane of the scale pattern 115.
[0029]
The detector electronics 120 includes a detector configuration 125 comprising three detector tracks DETABS1, DETREF1, and DETINC1, arranged to receive light from the three scale track patterns TABS1, TREF1, and TINC1, respectively.  The detector electronics 120 may also include signal processing circuitry 126 (e.g., signal offset and/or gain adjustments, signal amplifying and combining circuits, etc.)  In one embodiment, the detector electronics 120 may be fabricated as a single CMOS IC.  
[0030]
In operation, as exemplified by the image channel for the incremental scale track pattern TINC1, the light from the illumination source is directed by the lens 140 to illuminate the incremental scale track pattern TINC1 with source light 131.  In some embodiments, the source light 131 is coherent light.  The incremental scale track pattern TINC1 then outputs scale light 132.  It will be appreciated that the limiting aperture 182 which has an aperture width AW along the X direction, acts as a spatial filter (as will be described in more detail below with respect to Fig. 2) to select or limit the light rays that pass through the image channel for the incremental scale track pattern TINC1.  Fig. 1 illustrates three such light rays, two extreme rays and one central ray.  As shown in Fig. 1, the lens 181 transmits the light rays towards the limiting aperture 182.  The limiting aperture 182 transmits the rays as spatially filtered image light 133 to the second lens 183, and the second lens 183 transmits and focuses the spatially filtered image light to form an image of the scale track pattern TINC1 at the detector track DETINC1.  
[0031]
Thus, when the incremental scale track pattern TINC1 is illuminated, it outputs a track-specific spatially modulated light pattern to the detector track DETINC1 of the detector electronics 120.  An image of the spatially modulated light pattern is formed at an image plane IMGP, which may be made to be coplanar with the detector track DETINC1 (the image plane IMGP being shown separately in Fig. 1 for purposes of illustration).  As shown in the image plane IMGP, the pattern of the scale image SI has a modulated scale image pitch PSI, which in one specific example embodiment may be relatively coarse (e.g.-, 20 microns). 
[0032]
Similar to the imaging of the spatially modulated light pattern from the incremental scale track pattern TINC1 on the detector track DETINC1, when the scale track patterns TREF1 and TABS1 are illuminated by the light from the lens 140, they output track-specific spatially modulated light patterns (e.g. patterned light corresponding to their patterns) to the track-specific detector tracks DETREF1 and DETABS1, respectively, of the detector electronics 120.  As noted above, the reference scale track pattern TREF1 (e.g. with barker patterns) indicates a particular incremental wavelength, so that the wavelength from the incremental scale track pattern TINC1 is not ambiguous relative to the absolute mark from the absolute scale track pattern TABS1.  It will be appreciated that all of the spatially modulated light patterns move in tandem with the scale 110.  
[0033]
As will be described in more detail below with respect to Fig. 11, in each of the detector tracks DETINC1, DETABS1 and DETREF1, individual photodetector areas are arranged to spatially filter their respective received spatially modulated light patterns to provide desirable position-indicating signals (e.g., the incremental detector track DETINC1 producing quadrature signals, or other periodic signals having a spatial phase relationship that is conducive to signal interpolation.)  In some embodiments, rather than individual photodetector areas, a spatial filter mask with individual apertures may mask relatively larger photodetectors to provide light receiving areas analogous to the individual photodetector areas, to provide a similar overall signal effect according to known techniques.
[0034]
In various applications, the detector electronics and light source are mounted in a fixed relationship relative to one another, e.g., in a readhead or gauge housing (not shown), and are guided along the measuring axis relative to the scale 110 by a bearing system, according to known techniques.  The scale may be attached to a moving stage, or a gauge spindle, or the like, in various applications.  It will be appreciated that the configuration shown in Fig. 1 is a transmissive configuration.  That is, the scale pattern 115 comprises light blocking portions and light transmitting portions (e.g., fabricated on a transparent substrate using known thin-film patterning techniques, or the like) that output the spatially modulated light patterns to the detector tracks by transmission.  It will be appreciated that similar components may be arranged in reflective embodiments, wherein the light source and the detector electronics are arranged on the same side of the scale 110, and positioned for angled illumination and reflection, if necessary, according to known techniques.  
[0035]
In either transmissive or reflective scale patterns, the portions of the scale pattern that provide the light that is detected by the detector tracks (e.g., DETABS1, DETREF1, or DETINC1), may be referred to as the signal producing portions of the scale pattern, and it will be understood that other portions of the scale pattern generally provide as little light as possible to the detector tracks and may be referred to as signal diminishing portions.  It will be appreciated that the signal producing portions or the signal diminishing portions of the scale pattern may be patterned according to the teachings herein, in various embodiments.  Stated another way, scale patterns which are "negatives" of each other may both produce useable signals, with the resulting signal variations also being approximately the "negative" of each other for a given reflective or transmissive arrangement.  Thus, the scale patterns may be described in terms of "signal varying portions", and it will be understood that in various embodiments, the signal varying portions may comprise either the signal producing portions or the signal diminishing portions of the scale pattern.
[0036]
Figs. 2A-2C illustrate various aspects related to the optical signal channel corresponding to the incremental scale track pattern TINC1 of Fig. 1.  More specifically, Fig. 2A illustrates the incremental scale track pattern TINC1 which has a scale pitch PSL.  Fig. 2B is a graph of the resulting image intensity signal IMG1 from the light from the incremental scale track pattern TINC1 at the detector plane DP.  As shown in Fig. 2B, the resulting image intensity has been spatially filtered (e.g., by the aperture 182) so as to produce an approximately sinusoidal signal (e.g., as opposed to a square wave signal, such as would be produced from a non-filtered signal from the incremental scale track pattern TINC1) and has a signal period PISC.  Fig. 2C is a diagram of the incremental detector track DETINC1 which, for purposes of illustration, has an image of the image intensity signal IMG1 from Fig. 2B superimposed upon it.  As shown in Fig. 2C, the detector track DETINC1 is connected so as to output quadrature signals, with four detector elements being within one period of the detector track wavelength λd which also corresponds to one period PISC of the image intensity signal IMG1.
[0037]
Fig. 3 is a partially schematic exploded diagram of an encoder configuration 300 with a doubly telecentric arrangement and a scale with absolute, reference, and incremental track patterns, utilizing spatial filtering and imaging techniques in accordance with the principles disclosed herein.  Certain of the components and operating principles of the encoder configuration 300 are approximately similar to those of the encoder configuration 100 of Fig. 1, and may generally be understood by analogy.  For example, 3XX series numbers in Fig. 3 that have the same "XX" suffix as 1XX series numbers in Fig. 1 may designate similar or identical elements, which may function similarly, except as otherwise described or implied below.  
[0038]
As shown in Fig. 3, the encoder configuration 300 includes a scale element 310, an illumination system or portion 360, and a doubly telecentric imaging configuration 380.  The illumination system or portion 360 includes a light source 330 (e.g., an LED or a laser diode) for emitting visible or invisible wavelengths of light, a lens 340, and a phase grating 350.  As will be described in more detail below, the phase grating 350 may in one embodiment be utilized for producing structured light patterns and may be located within the optical signal path channels for the incremental and reference scale track patterns TINC2 and TREF2, but not the absolute scale track pattern TABS2.  The doubly telecentric imaging configuration 380 comprises a first lens 381 at a first lens plane FLP, an aperture 382 in an aperture component 382' at an aperture plane AP, a second lens 383 at a second lens plane SLP, and a detector electronics 320 at a detector plane DP.  The detector electronics 320 may be connected to signal generating and processing circuitry 390.  The light source 330 may also be connected to the signal generating and processing circuitry 390 by power and signal connections (not shown).  
[0039]
In the embodiment shown in Fig. 3, the scale element 310 includes a scale pattern 315 that comprises three scale track patterns: an absolute scale track pattern TABS2, a reference scale track pattern TREF2, and an incremental scale track pattern TINC2.  In one embodiment, a conventional absolute scale track pattern may be utilized for the absolute scale track pattern TABS2.  In one embodiment, the absolute scale track pattern TABS2 may have a relatively "coarse" ABS resolution, on the order of the detector dimension along the X-axis. 
[0040]
As will be described in more detail below, the encoder configuration 300 is designed to utilize certain spatial filtering and imaging principles that allow a fine pitch scale to provide larger pitch fringes that correspond to the detector element pitch of an economical detector that senses the scale displacement.  In order to produce the desired fringes, the phase grating 350 is designed to have a pitch that is close to the pitch of the incremental scale track pattern TINC2 and the reference scale track pattern TREF2 (e.g., a phase grating pitch of 5 microns as compared to an incremental scale track pitch of 4 microns, and a reference scale track pitch of 4.1 microns).  The resulting fringe period from the phase grating 350 and incremental scale track pattern TINC2 may be relatively coarse (e.g., 20 microns) and may be slightly different than the fringe period produced by the phase grating 350 and the reference scale track pattern TREF2 (e.g., 22.77 microns).  
[0041]
As will be described in more detail below, the detected pattern is imaged with spatial filtering by the double telecentric imaging configuration 380 including the aperture 382 that blurs out or removes the high spatial frequencies corresponding to the incremental and reference scale track patterns TINC2 and TREF2.  In certain implementations, the parameters are chosen so that the resulting modulated image pitch of the spatially filtered pattern matches the pitch of a predetermined given detector (e.g., a detector designed for a 20 micron incremental scale track pitch.)  Suitable aperture dimensions may be chosen to achieve the desired effect of the spatial filtering that removes the high spatial frequencies and results in the desired pattern fringe period.  Certain teachings regarding such aperture dimensions for achieving desired spatial wavelength filtering are described in more detail in commonly assigned Patent Literature 12, which is hereby incorporated by reference in its entirety.  
[0042]
As will be described in more detail below with reference to Fig. 10B, in one embodiment the reference scale track pattern TREF2 may include a series of reference marks which may be formed as barker patterns.  The reference marks may also serve as Vernier reference marks.  The reference scale track pattern TREF2 is designed so that it can be resolved to a level that allows it to indicate a particular incremental wavelength for the incremental scale track pattern TINC2, so that the incremental wavelengths are not ambiguous relative to an absolute mark from the absolute scale track pattern TABS2.  In one embodiment, the combination of the reference track pattern TREF2 (e.g., a barker pattern) and the incremental track pattern TINC2 may create a synthetic wavelength whose measured synthetic phase points to the correct incremental scale track pattern cycle (e.g., a measured synthetic phase of zero may indicate a correct incremental cycle corresponding to that phase).
[0043]
As a specific example, the reference scale track pattern TREF2 may have a slightly different pitch (e.g., 4.1 microns producing a modulated and spatially filtered fringe pattern with a period of 22.77 microns) as compared to the pitch of the incremental scale track pattern TINC2 (e.g., 4.0 microns producing a modulated and spatially filtered fringe pattern with a period of 20 microns) so that the reference scale track pattern phase matches the incremental scale track pattern phase only at one specific point along a specified length (e.g., only matches at one point along a barker pattern length within the reference scale track pattern.)  The position where the phases match defines a particular incremental wavelength for the incremental scale track pattern TINC2.  
[0044]
In one specific example embodiment, in the reference scale track pattern TREF2, barker patterns may be provided at selected intervals (e.g., 0.6 millimeters).  The phase of each barker pattern (e.g., at the center of the pattern) matches (or has a constant phase offset from) the phase of the incremental scale track pattern TINC1 at the locations that are the specified distance (e.g., 0.6 millimeters) apart.  The synthetic wavelength of the incremental scale track pattern TINC2 and the reference scale track pattern TREF2 is larger than the barker pattern length.  In one embodiment, this relationship may be expressed by stating that the synthetic wavelength of the incremental scale track pattern and the reference (e.g., barker) scale track pattern is larger than the barker pattern length L, such that L<pp'/(p' - p), where p is the pitch of the incremental scale track pattern TINC2, and p' is the pitch of the barker pattern in the reference scale track pattern TREF2.
[0045]
As shown in Fig. 3, the detector electronics 320 includes a detector configuration 325 comprising three detector tracks DETABS2, DETREF2, and DETINC2, arranged to receive light from the three scale track patterns TABS2, TREF2, and TINC2, respectively.  The detector electronics 320 may also include signal processing circuitry 326 (e.g., signal offset and/or gain adjustments, signal amplifying and combining circuits, etc.)  In one embodiment, the detector electronics 320 may be fabricated as a single CMOS IC.  
[0046]
In operation, light 331 (e.g., primary light) emitted from the light source 330 may be partially or fully collimated by the lens 340, over a beam area sufficient to illuminate the three scale track patterns TABS2, TREF2, and TINC2.  The phase grating 350 is sized to diffract the source light to provide diffracted structured light 331' to the reference and incremental scale track patterns TREF2 and TINC2 (but not the absolute scale track pattern TABS2) in order to achieve the modulated and spatially filtered imaging effects described above.  Then, as exemplified by the image channel for the incremental scale track pattern TINC2, the incremental scale track pattern TINC2 provides scale light 332 to the lens 381.  It will be appreciated that the limiting aperture 382, which has an aperture width AW along the X axis direction, acts as a spatial filter (as will be described in more detail below with respect to Figs. 4 and 12) to select or limit the light rays that pass through the image channels.  Fig. 3 illustrates three such light rays, two extreme rays and one central ray.  As shown in Fig. 3, the lens 381 transmits the light rays towards the limiting aperture 382.  The limiting aperture 382 transmits the rays as spatially filtered image light 333 to the second lens 383, and the second lens 383 transmits and focuses the spatially filtered image light to form a spatially modulated light pattern at the detector track DETINC2.  As noted above, and as will be described in more detail below with respect to Fig. 4, in accordance with the principles disclosed herein the spatially modulated light pattern at the detector track DETINC comprises a modulated and spatially filtered fringe pattern.
[0047]
Similarly, when the scale track patterns TREF2 and TABS2 are illuminated, they output track-specific spatially modulated light patterns (e.g., patterned light corresponding to their patterns) to the track-specific detector tracks DETREF2 and DETABS2, respectively, of the detector electronics 320.  As noted above, the spatially modulated light pattern at the detector track DETREF2 also comprises a modulated and spatially filtered imaged fringe pattern.  It will be appreciated that all of the spatially modulated light patterns move in tandem with the scale 310.  In optical signal channels corresponding to each of the detector tracks DETINC2, DETABS2 and DETREF2, individual photodetector areas are arranged to spatially filter their respective received spatially modulated light patterns to provide desirable position-indicating signals (e.g., for the incremental scale track pattern TINC2 producing quadrature signals, or other periodic signals having a spatial phase relationship that is conducive to signal interpolation.)  In some embodiments, rather than individual photodetector areas, a spatial filter mask with individual apertures may mask relatively larger photodetectors to provide light-receiving areas analogous to the individual photodetector areas illustrated to provide a similar overall signal effect, according to known techniques.
[0048]
In various applications, the detector electronics 320 and light source 330 are mounted in a fixed relationship relative to one another, e.g., in a readhead or gauge housing (not shown), and are guided along the measuring axis relative to the scale 310 by a bearing system, according to known techniques.  The scale may be attached to a moving stage, or a gauge spindle, or the like, in various applications.  
[0049]
Figs. 4A-4D illustrate various aspects related to the optical signal channel corresponding to the incremental scale track pattern TINC2 of Fig. 3.  More specifically, Fig. 4A illustrates the illumination fringe pattern IFP produced by the phase grating 350.  The illumination fringe pattern IFP is shown to have a pitch PMI  (e.g., 5 microns).  Fig. 4B illustrates the incremental scale track pattern TINC2 which has a scale pitch PSF (e.g., 4 microns).  Fig. 4C is a graph of the resulting image intensity signal IMG2 from the light from the combination of the fringe grating 350 and the incremental scale track TINC2 at the detector plane DP.  As shown in Fig. 4C, the resulting image intensity includes moire fringes with a beat frequency with an overall sinusoidal envelope pattern that has a modulated image pitch PIMESF (e.g., 20 microns.).  As described above, the image intensity has been spatially filtered (e.g., by the aperture 182) so as to filter out the high frequency signals HFS from the phase grating 350 and incremental scale track pattern TINC2 in order to produce the approximately sinusoidal envelope signal for the moire imaged fringes with the resulting modulated image pitch PIMESF.
[0050]
In various embodiments, the aperture 350 is configured such that the aperture is configured with a dimension AW along the measuring axis direction such that AW= Z*λ*(a*(Δn +1)/(PMIPSF/((PMI-PSF)*M)) where a is greater than 0.5 and less than 4.0, M is a magnification value of the imaging configuration 380 and the detector portion is positioned a distance Z from the imaging portion along an optical path of the imaging portion.  In exemplary embodiments, such as the encoder configuration 300, an encoder may comprise a double telecentric imaging configuration with at least the second lens having a focal length F.  In such an embodiment, Z is the distance between the second lens 383 and the detector portion 325, which is equivalent to F and to the distance d0' as shown in Fig. 3.  In alternative embodiments, an encoder may comprise a single telecentric imaging configuration, in which case, the value of M depends on the distance Z, which in a single telecentric embodiment is the distance between the aperture and detector portion.  More specifically, Z=FM in the case of a single telecentric system.  The spatially modulated image light comprises fringes (shown in detail in Fig. 4C) formed from the interference of two diffractive orders which differ by a value Δn.  For example in some embodiments, if the moire image intensity signal IMG2 comes from the overlap of a +1 and a -1 diffractive order component of the scale light 332, then the value of Δn = 2.  In other exemplary embodiments, the value of Δn may be 1 or 4.  
[0051]
It should be appreciated that in encoder configurations which include a light source which outputs coherent light, the variable a must have a value of greater than 0.5.  In exemplary embodiments utilizing coherent light, the value of a may be greater than 0.5 and less than 1.5.  In one exemplary embodiment utilizing coherent light, the value of a is 1.  In exemplary embodiments utilizing incoherent light, the value of a may be greater than one and less than 4.  In one exemplary embodiment utilizing incoherent light, the value of a is 2.  
[0052]
The image intensity signal IMG2 is modulated by an intensity modulation envelope that has a spatial wavelength PIMESF that depends on the scale pitch PSF and the illumination fringe pitch PMI, and PSF and PMI are selected to cooperate with a detector pitch Pd of the detector track DETINC2 such that ΔnPMIPSF/(ΔnPMI-PSF) = PIMESF = m*Pd/k when the light source outputs incoherent light and ΔnPMIPSF/(2ΔnPMI-PSF) = PIMESF = m*Pd/k when the light source outputs incoherent light, where m is a number of phase signals output by the detector portion and k is an odd integer, wherein the spatial wavelength PIMESF is larger than the scale pitch PSF.
[0053]
A series of vertical reference lines VRL drawn between Figs. 4A, 4B and 4C, provide an indication of signal levels from the illumination fringe pattern of Fig. 4A that pass through the incremental scale track pattern TINC2 of Fig. 4B, and appear as corresponding signal intensities in the resulting moire image intensity of Fig. 4C.  Fig. 4D is a diagram of the incremental detector track DETINC2, which for purposes of illustration has an image of the beat frequency envelope of the moire image intensity signal IMG2 from Fig. 4C superimposed upon it.  As shown in Fig. 4D, the detector track DETINC2 is connected so as to output quadrature signals, with four detector elements being within one period of the detector pitch Pd, which also corresponds to one period PIMESF of the moire image intensity signal IMG2.  
[0054]
Figs. 5 and 6 show basic design reference information included in figures 26 and 27, respectively of the previously incorporated Patent Literature 12.  The use of Figs.5 and 6 in relation to the selection of aperture sizes in various embodiments may be understood based on the disclosure of the '969 patent, and will not be described in detail herein.  However, the related teachings may be used in the context of this disclosure.  Much of the description of the '969 patent is in terms of incoherent illumination.  One skilled in the art will make appropriate adaptations to its teachings based on known considerations related to the differences between incoherent and coherent illumination in imaging systems.
[0055]
Fig. 7 is a partially schematic exploded diagram of an encoder configuration 700 that is one exemplary embodiment of a practical implementation of the encoder configuration 100 of Fig. 1.  Certain of the components and operating principals of the encoder configuration 700 are approximately similar to those of the encoder configuration 100 of Fig. 1, and may generally be understood by analogy.  For example, the 7XX series numbers in Fig. 7 that have the same "XX" suffix as 1XX series numbers in Fig. 1 may designate similar or identical elements, which may function similarly, except as otherwise described or implied below.
[0056]
As shown in Fig. 7, the encoder configuration 700 includes a scale element 710, an illumination system or portion 760, and a doubly telecentric imaging configuration 780.  The illumination system or portion 760 includes a light source 730 (e.g., an LED or a laser diode) for emitting visible or invisible wavelengths of light, a lens 740, and a beam splitter 755.  The doubly telecentric imaging configuration 780 comprises a first lens array 781 at a first lens plane FLP, an aperture array 782 in an aperture component 782' at an aperture plane AP, a second lens array 783 at a second lens plane SLP, and a detector electronics 720 at a detector plane DP.  The detector electronics 720 may be connected to signal generating and processing circuitry (not shown).  The light source 730 may also be connected to the signal generating and processing circuitry by power and signal connections (not shown).  
[0057]
With regard to the lens arrays 781 and 783 and the aperture array 782, it will be appreciated that each of these include individual elements that are similar to the first lens 181, aperture 182, and second lens 183 of the encoder configuration 100 of Fig. 1.  In Fig. 7, in each of the arrays, each of the individual elements similarly cooperate to provide an individual image path or channel which may be referred to as an image channel or image channel configuration.  Each of the image channels operates similarly to the image channel for the single lenses and aperture of the encoder configuration 100 described above with respect to Fig. 1.  In the embodiment of Fig. 7, the multiple image channels are utilized to provide additional levels of robustness for the system with respect to contamination, defects, scale waviness, etc., in that if a single image channel becomes contaminated or otherwise inhibited, the remaining image channels may still continue to provide accurate imaging of the scale patterns.
[0058]
In the embodiment shown in Fig. 7, the scale element 710 includes a scale pattern 715 that comprises the three scale track patterns described above with respect to Fig. 1, including:  the absolute scale track pattern TABS1, the reference scale track pattern TREF1, and the incremental scale track pattern TINC1.  In one embodiment, the absolute scale track pattern TABS1 may have a very "coarse" ABS resolution, on the order of the detector dimension along the X-axis. 
[0059]
For the incremental scale track pattern TINC1, in one embodiment the incremental pitch may be relatively coarse (e.g., 20 microns.)  As will be described in more detail below with respect to Fig. 8, a finer pitch (e.g., 4 microns) may be implemented in a similarly sized encoder configuration in accordance with the methods of the principles disclosed herein.  As will be described in more detail below with respect to Fig. 10A, in one embodiment, the reference scale track pattern TREF1 may comprise a series of reference marks which may be formed as a series of barker patterns which may also serve as Vernier reference marks, and which may be formed according to a variety of known techniques.  
[0060]
The detector electronics 720 includes a detector configuration 725 comprising the three detector tracks DETABS1, DETREF1, and DETINC1, arranged to receive light from the three scale track patterns TABS1, TREF1, and TINC1, respectively.  The detector electronics 720 may also include signal processing circuitry (e.g., signal offset and/or gain adjustments, signal amplifying and combining circuits, etc.)  In one embodiment, the detector electronics 720 may be fabricated as a single CMOS IC.  
[0061]
In operation, light 731 (e.g., primary light) emitted from the light source 730 may be partially or fully collimated by the lens 740 and is directed through the beam splitter 755 over a beam area sufficient to illuminate the three scale track patterns TABS1, TREF1, and TINC1.  Then, as exemplified by the image channel for the incremental scale track pattern TINC1, the incremental scale track pattern TINC1 provides scale light 732 that is redirected by the beam splitter 755 toward the lens array 781.  It will be appreciated that each limiting aperture of the aperture array 782, each of which has an aperture width AW along the X direction, acts as a spatial filter (as described above with respect to Fig. 2) to select or limit the light rays that pass through the given image channel for the incremental scale track pattern TINC1.  As shown in Fig. 7, for each image channel the corresponding lenses of the lens array 781 transmit the light rays towards the corresponding apertures of the limiting aperture array 782.  The corresponding apertures of the limiting aperture array 782 then transmit the rays as spatially filtered image light 733 to the respective lenses of the second lens array 783, and the respective lenses of the second lens array 783 transmit and focus the spatially filtered image light to form respective spatially modulated light patterns corresponding to the respective portions of the incremental scale track pattern TINC1 at the respective portions of the detector track DETINC1.
[0062]
Thus, when the incremental scale track pattern TINC1 is illuminated, it outputs a series of track-specific spatially modulated light patterns to the respective portions of the detector track DETINC1 of the detector electronics 720, corresponding to each respective image channel.  An image of the spatially modulated light patterns is formed at an image plane IMGP, which may be made to be coplanar with the detector track DETINC1. 
[0063]
Similar to the imaging of the spatially modulated light patterns from the incremental scale track pattern TINC1 on the detector track DETINC1, when the scale track patterns TREF1 and TABS1 are illuminated by the light from the lens 740, they output track-specific spatially modulated light patterns (e.g., patterned light corresponding to their patterns) to the track-specific detector tracks DETREF1 and DETABS1, respectively, of the detector electronics 720.  As noted above, the reference scale track pattern TREF1 (e.g., with barker patterns) can be resolved to indicate a particular incremental wavelength, so that the wavelength from the incremental scale track pattern TINC1 is not ambiguous relative to the absolute mark from the absolute scale track pattern TABS1.  It will be appreciated that all of the spatially modulated light patterns move in tandem with the scale 710.  In each of the detector tracks DETINC1, DETABS1, and DETREF1, individual photodetector areas are arranged to spatially filter their respective received spatially modulated light patterns to provide desirable position-indicating signals (e.g., the incremental detector track DETINC1 producing quadrature signals, or other periodic signals having a spatial phase relationship that is conducive to signal interpolation).
[0064]
In various applications, the detector electronics and light source are mounted in a fixed relationship relative to one another, e.g., in a readhead or gauge housing (not shown), and are guided along the measuring axis relative to the scale 710 by a bearing system, according to known techniques.  The scale may be attached to a moving stage, or a gauge spindle, or the like, in various applications.  The configuration shown in Fig. 7 is a reflective configuration.  That is, the light source and the detector electronics are arranged on the same side of the scale 710 and positioned for angled illumination and reflection, according to known techniques.  Thus, the scale pattern 715 comprises light-absorbing portions and light-reflecting portions (e.g., fabricated on a substrate using known reflecting techniques) that output the spatially modulated light patterns to the detector tracks by reflection.  It will be appreciated that similar components may be arranged in transmissive embodiments (e.g., see Fig. 1.)
[0065]
Fig. 8 is a partially schematic exploded diagram of an encoder configuration 800 that is one exemplary embodiment of a practical implementation of the encoder configuration 300 of Fig. 3.  Certain of the components and operating principals of the encoder configuration 800 are approximately similar to those of the encoder configuration 300 of Fig. 3, and may generally be understood by analogy.  For example, the 8XX series numbers in Fig. 8 that have the same "XX" suffix as 3XX series numbers in Fig. 3 may designate similar or identical elements, which may function similarly, except as otherwise described or implied below.
[0066]
As shown in Fig. 8, the encoder configuration 800 includes a scale element 810, an illumination system or portion 860, and a doubly telecentric imaging configuration 880.  The illumination system or portion 860 includes a light source 830 (e.g., an LED or a laser diode) for emitting visible or invisible wavelengths of light, a lens 840, a phase grating 850, and a beam splitter 855.  As will be described in more detail below, the phase grating 850 may in one embodiment be placed and sized within the image channels for the incremental and reference scale track patterns TINC2 and TREF2, but not the absolute scale track pattern TABS2.  The doubly telecentric imaging configuration 880 comprises a first lens array 881 at a first lens plane FLP, an aperture array 882 at an aperture plane AP, a second lens array 883 at a second lens plane SLP, and a detector electronics 820 at a detector plane DP.  It will be appreciated that the lens arrays 881 and 883, and the aperture array 882, are arranged and operate similarly to the lens arrays 781 and 783 and the aperture array 782 described above with respect to Fig. 7.  The detector electronics 820 may be connected to signal generating and processing circuitry (not shown).  The light source 830 may also be connected to the signal generating and processing circuitry by power and signal connections (not shown).  
[0067]
In the embodiment shown in Fig. 8, the scale element 810 includes a scale pattern 815 that comprises the three scale track patterns described above with respect to Fig. 3, including:  the absolute scale track pattern TABS2, the reference scale track pattern TREF2, and the incremental scale track pattern TINC2.  In one embodiment, the absolute scale track pattern TABS2 may have a relatively "coarse" ABS resolution, on the order of the detector dimension along the X-axis.  As described above with respect to Fig. 3, the reference scale track pattern TREF2 and the incremental scale track pattern TINC2 are utilized and imaged in accordance with the spatial filtering and imaging principles disclosed herein.
[0068]
As shown in Fig. 8, the detector electronics 820 includes a detector configuration 825 comprising the three detector tracks DETABS2, DETREF2, and DETINC2, arranged to receive light from the three scale track patterns TABS2, TREF2, and TINC2, respectively.  The detector electronics 820 may also include signal processing circuitry (e.g., signal offset and/or gain adjustments, signal amplifying and combining circuits, etc.)  In one embodiment, the detector electronics 820 may be fabricated as a single CMOS IC.  
[0069]
In operation, light 831 (e.g. primary light) emitted from the light source 830 may be partially or fully collimated by the lens 840 and directed through the beam splitter 855 over a beam area sufficient to illuminate the three scale track patterns TABS2, TREF2 and TINC2.  The phase grating 850 is sized to diffract the source light to provide diffracted structured light 831' to the reference and incremental scale track patterns TREF2 and TINC2 (but not the absolute scale track pattern TABS2).  Then, as exemplified by the image channel for the incremental scale track pattern TINC2, the incremental scale track pattern TINC2 outputs scale light 832 that is redirected by the beam splitter 855 toward the lens array 881.  It will be appreciated that each limiting aperture of the aperture array 882, each of which has an aperture width AW along the X direction, acts as a spatial filter (as described above with respect to Fig. 4) to select or limit the light rays that pass through the given image channels.  In other words, as described above the spatial filtering effectively blurs out the high frequency portions of the images produced by the phase grating and incremental scale track patterns, so that the remaining signal primarily consists of the modulation which may be thought of as the beat frequency between the fringe pitch of the structured illumination and the pitch of the scale grating.  The resulting modulated image pitch is a measurement of the period of that beat frequency envelope.
[0070]
As shown in Fig. 8, for each image channel the corresponding lenses of the lens array 881 transmit the light rays towards the corresponding apertures of the limiting aperture array 882.  The corresponding apertures of the limiting aperture array 882 transmit the rays as spatially filtered image light 833 to the respective lenses of the second lens array 883, and the respective lenses of the second lens array 883 transmit and focus the spatially filtered image light to form respective spatially modulated light patterns corresponding to the respective portions of the incremental scale track pattern TINC2 at the respective portions of the detector track DETINC2.  As described above with respect to Fig. 4 and in accordance with the principles disclosed herein, the spatially modulated light patterns at the detector track DETINC2 comprise modulated and spatially filtered imaged fringe patterns.
[0071]
Similarly, when the scale track patterns TREF2 and TABS2 are illuminated, they output track-specific spatially modulated light patterns to the track-specific detector tracks DETREF2 and DETABS2, respectively, of the detector electronics 820.  As noted above, the spatially modulated light patterns at the reference detector track DETREF2 also comprise modulated and spatially filtered imaged fringe patterns.  It will be appreciated that all of the spatially modulated light patterns move in tandem with the scale 810.  In optical signal channels corresponding to each of the detector tracks DETINC2, DETABS2, and DETREF2, individual photodetector areas are arranged to spatially filter their respective received spatially modulated light patterns to provide desirable position indicating signals (e.g., the incremental detector track DETINC2 producing quadrature signals, or other periodic signals having a spatial phase relationship that is conducive to signal interpolation.)
[0072]
In various applications, the detector electronics 820 and light source 830 are mounted in a fixed relationship relative to one another, e.g., in a readhead or gauge housing (not shown), and are guided along the measuring axis relative to the scale 810 by a bearing system, according to known techniques.  The scale may be attached to a moving stage, or a gauge spindle, or the like, in various applications.  The configuration shown in Fig. 8 is a reflective configuration.  That is, the light source 830 and the detector electronics 820 are arranged on the same side of the scale 810, and positioned for angled illumination and reflection, according to known techniques.  Thus, the scale pattern 815 comprises light absorbing portions and light reflecting portions (e.g., fabricated on a substrate using known techniques) that output the spatially modulated light patterns to the detector tracks by reflection.  It will be appreciated that similar components may be arranged in transmissive embodiments (e.g., see Fig. 3.)
[0073]
Fig. 9 is a diagram of an encoder configuration 900 illustrating an alternative embodiment of the phase grating portion of the encoder configuration 800 of Fig. 8.  As shown in Fig. 9, the encoder configuration 900 includes a scale element 910, a light source 930, a lens 940, two phase gratings 950A and 950B, and a beam splitter 955.  A primary difference from the encoder configuration 800 of Fig. 8, is that rather than utilizing a single phase grating 850, the encoder configuration 900 utilizes two phase gratings 950A and 950B.  In one specific example embodiment, the phase grating 950A may be a 0.92 micron phase grating, while the phase grating 950B may be a 0.84 micron phase grating with air gap (no coupling).  This configuration allows for a compact design, in that the beam combiner does not require the split beams to completely separate.  In one specific example embodiment, after the transmission of the light through the phase gratings 950A and 950B, light fringes are produced with a specified period (e.g., 5 microns), which in combination with the pitch of the incremental scale track pattern TINC2 (e.g., 4 microns), produces modulated and spatially filtered fringes with a specified period (e.g., 20 microns.)
[0074]
Figs. 10A and 10B are diagrams of the scale track pattern arrangements of the encoder configurations of Figs. 1 and 3, respectively.  As shown in Fig. 10A, the scale track pattern arrangement 1000A includes the absolute scale track pattern TABS1, the reference scale track pattern TREF1, and the incremental scale track pattern TINC1.  As described above, the absolute scale track pattern TABS1 provides signals usable to determine an absolute position over an absolute measuring range, which, in the embodiment of Fig. 10A, are illustrated as including coded signal portions that indicate absolute positions along the scale track pattern.  
[0075]
For the incremental scale track pattern TINC1, the incremental pitch is illustrated as being relatively coarse (e.g., 20 microns.)  In the section of the reference scale track pattern TREF1 shown in Fig. 10A, four reference mark patterns RM1A-RM1D are illustrated, and are shown to occur at specified intervals.  In one embodiment, the reference marks may be formed as barker patterns, which may be formed according to a variety of known techniques.  The reference mark patterns may also function as Vernier reference marks.  As described above, the reference scale track pattern TREF1 is able to be resolved to a level that allows it to indicate a particular incremental wavelength, so that the incremental wavelength (e.g., from the incremental scale track pattern TINC1) is not ambiguous relative to an absolute mark (e.g., from the absolute scale track pattern TABS1.)  As shown in Fig. 10A, the scale has an overall width dimension X1, while the area covered by the scale track patterns TABS1, TREF1, and TINC1 has a width dimension X2.  In one specific example embodiment, the dimension X1 is equal to 13 millimeters, while the dimension X2 is equal to 3.9 millimeters.  
[0076]
As shown in Fig. 10B, the scale track pattern arrangement 1000B includes the absolute scale track pattern TABS2, the reference scale track pattern TREF2, and the incremental scale track pattern TINC2.  The various possible dimensions and configurations for the scale track patterns will be described in more detail below with respect to Fig. 11.  In general, it will be appreciated that the scale track pattern arrangement 1000B is designed to be approximately the same size as the scale track pattern arrangement 1000A of Fig. 10A, such that the scale track pattern arrangement 1000B can be substituted into an encoder configuration that is otherwise designed for the scale track pattern arrangement 1000A.  As shown in Fig. 10B, the absolute scale track pattern TABS2 provides signals usable to determine an absolute position over an absolute measuring range, and may comprise coded portions similar to those of the absolute scale track pattern TABS1 of Fig. 10A.  In one embodiment, the absolute scale track pattern TABS2 may have a very coarse ABS resolution, on the order of the detector dimension along the X-axis.  
[0077]
As shown in Fig. 10B, the incremental scale track pattern TINC2 is illustrated as having a much finer pitch (e.g., 4 microns) as compared to the pitch of the incremental scale track pattern TINC1 of Fig. 10A (e.g., 20 microns).  The portion of the reference scale track pattern TREF2 shown in Fig. 10B is illustrated as including a series of four reference mark patterns RM2A-RM2D.  The reference mark patterns RM2A-RM2D may be formed as barker patterns, according to a variety of known techniques.  The reference mark patterns may also function as Vernier reference marks.  The reference scale track pattern TREF2 is designed so it can be resolved to a level that allows it to indicate a particular incremental wavelength for the incremental scale track pattern TINC2, so that the incremental wavelengths are not ambiguous relative to an absolute mark from the absolute scale track pattern TABS2.  In one embodiment, the combination of the modulated and spatially filtered images of the reference track pattern TREF2 and the incremental track pattern TINC2 create a synthetic wavelength for which the measured synthetic phase points to the correct incremental scale track pattern cycle (e.g., a measured synthetic phase of zero may indicate a correct incremental cycle corresponding to that phase.)  
[0078]
As an example, in the embodiment of Fig. 10B, each of the reference mark patterns RM2A-RM2D is shown to have a corresponding phase marker PHS2A-PHS2D which indicates a point at which a perfectly aligned phase would occur for each position.  In other words, in the reference scale track pattern TREF2, the reference mark patterns (e.g., patterns RM2A-RM2D) are provided at selected intervals (e.g., 0.6 millimeters.)  The phase of each reference mark pattern (e.g., at the center of each pattern where the phase markers PHS2A-PHS2D occur) matches (or has a constant phase offset from) the phase of the incremental scale track pattern TINC2 at the locations that are the specified distance (e.g. 0.6 millimeters) apart.  The synthetic phase of the incremental scale track pattern TINC2 and the reference scale track pattern TREF2 is larger than the reference mark pattern length (i.e. is larger than the length of each of the individual barker patterns.)
[0079]
As described above, the reference scale track pattern TREF2 (with the reference mark patterns) is designed to produce the same kind of modulated and spatially filtered images as the incremental scale track pattern TINC2.  In order to produce the modulated and spatially filtered imaging, a phase grating is utilized that has a pitch that is close to the pitch of the incremental scale track pattern TINC2 and the reference scale track pattern TREF2 (e.g., a phase grating pitch of 5 microns as compared to an incremental scale track pitch of 4 microns, and a reference scale track pitch of 4.1 microns.)  The resulting modulated and spatially filtered imaged fringe period from the phase grating and the incremental scale track pattern TINC2 may be relatively coarse (e.g., 20 microns) and may be slightly different than the modulated and spatially filtered imaged fringe period produced by the phase grating and reference scale track pattern TREF2 (e.g., 22.77 microns.)  
[0080]
By making the reference scale track pattern TREF2 have a slightly different pitch (e.g,. 4.1 microns) as compared to the pitch of the incremental scale track pattern TINC2, (e.g., 4.0 microns) the reference scale track pattern phase will match the incremental scale track pattern phase only at one specified point along a specified length (e.g., only matches at one point along a barker pattern length within the reference scale track pattern TREF2, as indicated by the phase markers PHS2A-PHS2D.)  This position where the phases match defines a particular incremental wavelength for the incremental scale track pattern TINC2.
[0081]
As described above, by utilizing an incremental scale track pattern with a relatively fine pitch (e.g., 4 microns) which is imaged by structured light that is produced by a phase grating with a selected pitch (e.g., 5 microns), a modulated and spatially filtered pattern with a relatively coarse modulated image pitch (e.g., 20 microns) can be produced.  It will be appreciated that in such an embodiment, a selected ratio (e.g., 5 to 1) exists between the modulated image pitch (e.g., 20 microns) and the pitch of the incremental scale track pattern (e.g., 4 microns.)  In selected embodiments, ratios of approximately 5 to 1 or higher (e.g., 10 to 1, 20 to 1, etc.) may be desired in order to allow a high resolution incremental scale track pattern to be utilized in an encoder configuration that was previously designed for a coarser incremental scale track pitch.  
[0082]
Fig. 11 is a table 1100 illustrating the parameters for various scale and detector track combinations for the encoder configuration of Fig. 3.  As shown in Fig. 11, for a first implementation, the incremental scale track pattern TINC2 is indicated as having a pitch of p=4 microns, and the associated phase grating creates structured light of a fringe period S=5 microns.  The imaged fringe period resulting from the modulated and spatially filtered imaging is f=20 microns.  An interpolation factor (which indicates the needed level of interpolation) is K=40.  The detector elements are designated as having a pitch d=15 microns.  It will be appreciated that in certain embodiments the detector element pitch may be designated as being 1/4, 1/3, 2/3, or 3/4 of the fringe period f.  In one embodiment, the detector element pitch may be made to be 3/4 for a 20 micron fringe (as for the detector element pitch d=15 microns in the present example).  
[0083]
For the reference scale track pattern TREF2 in the first implementation, the pitch of the elements within each of the barker patterns is p'=4.1 microns, while the associated phase grating creates structured light with a fringe period S=5 microns (similar to that for the incremental scale track pattern).  The imaged fringe period produced by the combination of the structured light from the phase grating through the reference scale track pattern produces a modulated and spatially filtered imaged fringe period f'=22.77 microns.  The interpolation factor is K=40.  The pitch of the detector elements is d'=17 microns.  For the combined use of the incremental and reference scale track patterns, the Vernier synthetic wavelength (f f'/(f-f')) equals 164 microns.  The length of each of the barker patterns within the reference scale track pattern is L=136 microns (with 33 lines with the pitch p'=4.1 microns.)  It will be appreciated that in certain embodiments the number of lines in the barker pattern may be required in order to form an adequately visible fringe (i.e., a significant enough portion of the beat frequency envelope), so that it can be properly detected as part of the modulated and spatially filtered image produced at the detector tracks.  With regard to the number of detector elements in the image array per track and region, and their total length, for the incremental detector track DETINC1 there are 8 elements in each set (with a 120 micron total length), and for the reference detector track DETREF1 there are 8 elements in each set (with a 136 micron total length.)  The number of incremental cycles between the barker patterns is 150.
[0084]
As shown in Fig. 11, for a second implementation, the incremental scale track pattern TINC2 is indicated as having a pitch of p=8 microns, and the associated phase grating creates structured light with a fringe period S=10 microns.  The imaged fringe period resulting from the modulated and spatially filtered imaging is f=40 microns.  The interpolation factor is K=27.6.  The detector elements are designated as having a pitch d=10 microns.  In one embodiment, the detector element pitch may be made to be 1/4 for a 40 micron fringe (as for the detector element pitch d=10 microns in the present example.)
[0085]
For the reference scale track pattern TREF2 in the second implementation, the pitch of the elements within each of the barker patterns is p'=8.3 microns, while the associated phase grating creates structured light with a fringe period S=10 microns (similar to that for the incremental scale track pattern).  The imaged fringe period produced by the combination of the structured light from the phase grating through the reference scale track pattern produces a modulated and spatially filtered imaged fringe period f'=48.8 microns.  The interpolation factor is K=27.6.  The pitch of the detector elements is d'=12.2 microns.  For the combined use of the incremental and reference scale track patterns, the Vernier synthetic wavelength (f f'/(f-f')) equals 221.3 microns.  The length of each of the barker patterns within the reference scale track pattern is L= approximately 195 microns (with approximately 23 lines with the pitch p'=4.1 microns.)  With regard to the number of detector elements in the image array per track and region, and their total length, for the incremental detector track DETINC2 there are 16 elements in each set (with a 160 micron total length), and for the reference detector track DETREF2 there are 16 elements in each set (with a 195 micron total length.)  The number of incremental cycles between the barker patterns is 75.
[0086]
Fig. 12 is a substantial copy of a figure included U.S. Patent Application No. 12/535,561 (the '561 Application) which is published as U.S. Pre-Grant Publication No. US 2011/0031383 A1 (the '383 publication), and which is hereby incorporated herein by reference in its entirety.  Fig. 12 may be understood based on the disclosure of the '561 Application, and will not be described in detail herein.  However, the related teachings may be used in the context of the principles disclosed herein.  
[0087]
Briefly, Fig. 12 is a schematic cross section diagram 700 showing differing optical paths through an image channel 280-1 of an doubly telecentric encoder imaging arrangement 770-1 which is analogous to the doubly telecentric imaging configurations 380, 880, and 1380 shown herein.  Patent Literature 13, (the '789 patent) which is hereby incorporated herein by reference, discloses various embodiments of doubly telecentric encoder configurations which utilize a second lens (or lens array) that is similar in form to a first lens (or lens array), and which is inverted relative to the first lens along an optical axis, such that lens aberrations of the two similar lenses approximately compensate one another to reduce aberrations in the resulting image.  It should be appreciated that the teachings of the '789 patent address only compensating lens aberrations that cause spatial distortions in an image of a scale pattern, that is, distortion of the location of pattern features in the image.)  The embodiment shown in Fig. 12 may provide a similar type of correction of spatial distortions in an image when the first lens 210-1 and second lens 210-1' have similar aberrations.  However, a more subtle problem may occur, related to interference effects that may appear in the image due to lens aberrations.  The '789 patent does not address this problem.  The '561 Application does address this problem, and its teachings are applicable in various embodiments herein.  Especially those teachings related to diffracted order ray blocking and aperture dimensions, which may be applied with appropriate adaptations in some embodiments according to the principles disclosed herein.
[0088]
Figs. 13A and 13B show a configuration 1300 that is another exemplary embodiment of a practical implementation of the encoder configuration according to the principles disclosed herein.  Certain of the components and operating principals of the encoder configuration 1300 are approximately similar to those of the encoder configuration 300 of Fig. 3 and/or 800 of Fig. 8, and may generally be understood by analogy.  For example, the 13XX series numbers in Fig. 13 that have the same "XX" suffix as 3XX series numbers in Fig. 3 may designate similar or identical elements, which may function similarly, except as otherwise described or implied below or in Fig. 13.  In one embodiment, the dimensional relationships of the layout shown in FIGURES are shown in realistic exemplary proportions relative to one another, although such relationships may be changed in various other embodiments.  In one embodiment, for reference, the dimension DIMZ may be approximately 26.5 mm, and the dimension DIMY may be approximately 48 mm.  The dimension GAP may be approximately 1 mm.  Other approximate dimensions may be scaled based on these dimensions, in one exemplary embodiment.  It will be appreciated that this embodiment is exemplary only, and not limiting.
[0089]
As shown in Fig. 13, the encoder configuration 1300 includes a scale element 1310, an illumination system or portion 1360, and a doubly telecentric imaging configuration 1380.  The illumination system or portion 1360 includes a light source 1330 (e.g., a laser diode, LED, or the like) for emitting visible or invisible wavelengths of light 1331 (e.g., 655 micron wavelength, for a laser, in one embodiment), an aperture 1335, a collimating lens 1340 (or approximately collimating, at least in the XY plane), a polarizing beamsplitter 1390, a beam dump 1392, a reflector 1342, an aperture element 1345, a reflector 1344, a phase grating 1350 and a beam splitter 1355.  The doubly telecentric imaging configuration 1380 comprises a first lens 1381 at a first lens plane FLP, an aperture 1382 in an aperture component 1382' at an aperture plane AP, a second lens 1383 at a second lens plane SLP, and a detector electronics 1320 at a detector plane DP.  The detector electronics 1320 may be connected to signal generating and processing circuitry (not shown).  The light source 1330 may be connected to the signal generating and processing circuitry by power and signal connections (not shown).  
[0090]
In operation, light 1331 (e.g., primary light) emitted from the light source 1330 is transmitted through the aperture 1335, which may block stray portions of the light 1331.  In one embodiment, the aperture 1335 may have a diameter of 4 mm.  The transmitted light may be nearly or fully collimated by the lens 1340 and is directed through the beam splitter 1341.  Z-polarized light is passed by the polarizing beam splitter 1390 as light 1331Z.  The polarizing beam splitter 1390 is configured to prevent stray light from being reflected back to the light source 1330.  Such stray light is reflected by the polarizing beam splitter 1390 as a beam 1391 which is directed to a beam dump 1392.
[0091]
The light 1331Z passes through a quarter wave plate 1393, which converts Z polarized incident light to R circularly polarized light 1331C.  Light which may be reflected along the optical path by subsequently encountered elements returns as L circularly polarized light, and becomes X polarized as it passes back through the quarter wave plate 1393.  Such X polarized reflected light is blocked by the polarizing beam splitter 1390, and directed to the beam dump 1392, such that it does not return to disrupt the light source 1330, or create other extraneous light rays.
[0092]
The light 1331C is reflected by the reflector 1342 and directed through the aperture element 1345 which shapes the light beam 1331C such that it will illuminate a desired portion (e.g., a desired track portion) of the scale 1310 after it is reflected by the reflector 1344 and passes through the phase grating 1350 to become the diffracted structured light 1331'.  In one embodiment, the aperture 1345 may have an X dimension of 6 mm and a Y dimension of 1.5 mm. 
[0093]
In one embodiment where the light source 1330 is a laser diode emitting 655 micron wavelength light, the scale element may have a grating pitch of 4.00 microns and the phase grating 1350 may have a grating pitch of 4.44 microns and be configured to block zero order light.  The resulting amplitude modulation may have a period of approximately 20 microns.
[0094]
Then the scale element 1310 reflects the diffracted structured light from its scale grating elements to provide the scale light 1332, which includes the previously described modulation, and is directed through the beam splitter 1355 to be imaged onto the detector by the doubly telecentric imaging configuration 1380, which may function according to previously outlined principles, to spatially filter the scale light 1332, such that the period of the amplitude modulation, which approximately matches the spatial filtering period of the detector elements of the detector 1320, is the primary intensity modulation of the scale light 1332 finally that causes the signal variation in the signals of the detector 1320.  In one embodiment, the aperture 1382 of the doubly telecentric imaging configuration 1380 may have a diameter of approximately 1 mm, in order to block zero and first order components of the scale light 1332, and provide the desired filtering of the spatial frequency components of the scale light 1332 that have a higher spatial frequency than the amplitude modulation component.  Another way of describing this is that the aperture 1382 is configured to prevent imaging of the phase grating and/or the scale grating.
[0095]
Fig. 14 shows a reference diagram of various beam paths in an exemplary embodiment of an encoder configuration 1400 which includes a coherent light source.  Certain of the components and operating principals of the encoder configuration 1400 are approximately similar to those of the encoder configuration 300 of Fig. 3 and/or 800 of Fig. 8, and may generally be understood by analogy.  For example, the 14XX series numbers in Fig. 14 that have the same "XX" suffix as 3XX series numbers in Fig. 3 may designate similar or identical elements, which may function similarly, except as otherwise described or implied below or in Fig. 14.  As shown in Fig. 14, the light source emits source light 1431.  A phase grating 1450 splits the source light into structured illumination 1431' comprising various diffractive order ray bundles.  Fig. 14 shows +1 order ray bundle 1431p and -1 order ray bundle 1431p which interfere to provide an illumination fringe pitch Pi.  It should be appreciated that additional orders of ray bundles are present in the structured illumination 1431'.  However, only the +1 order and -1 order are shown in Fig. 14 for the sake of simplicity.  The scale 1410 comprises a scale pitch Pg.  The scale 1410 receives the structured illumination 1431' and outputs scale light 1432 comprising fringes with an envelope comprising a period Pe.  The period Pe may be derived in terms of the scale fringe pitch Pi and the scale pitch Pg as Pe=PgPi/(2Pi-Pg).  It should be appreciated that the denominator contains a term 2Pi which is Pi in the case of incoherent light.
[0096]
While various embodiments of the invention have been illustrated and described, numerous variations in the illustrated and described arrangements of features and sequences of operations will be apparent to one skilled in the art based on this disclosure.  Thus, it will be appreciated that various changes can be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.
[0097]
The embodiments of the invention in which an exclusive property or privilege is claimed are defined as the following Claims.
[0098]
This application is based upon and claims the benefit of priority from US patent application No. 61/580,133, filed on December 23, 2011, and US patent application No. 13/717,586, filed on December 17, 2012, the disclosure of which is incorporated herein in its entirety by reference.
Reference Signs List
[0099]
100, 300, 700, 800, 900, 1300    ENCODER CONFIGURATION
110, 310, 710, 810, 910, 1310    SCALE ELEMENT
115, 315    SCALE PATTERN
120, 320, 720, 820, 1320    DETECTOR ELECTRONICS
125, 325, 725, 825    DETECTOR CONFIGURATION
126, 326    SIGNAL PROCESSING CIRCUITRY
131, 331, 731, 831, 1331, 1431    LIGHT
132, 332, 732, 832, 1432    SCALE LIGHT
133, 333, 733, 833    SPATIALLY FILTERED IMAGE LIGHT
140, 340, 740, 840, 940    LENS
180, 380, 780, 880, 1380    DOUBLY TELECENTRIC IMAGING CONFIGURATION
181, 381    FIRST LENS
182, 382, 1335    APERTURE
183, 383    SECOND LENS
190, 390    SIGNAL GENERATING AND PROCESSING CIRCUITRY
330, 730, 830, 930, 1330    LIGHT SOURCE
350, 850, 950A, 950B, 1350, 1450    PHASE GRATING
360, 760, 860, 1360    ILLUMINATION SYSTEM/PORTION
755, 855, 955, 1355, 1390    BEAM SPLITTER
770    DOUBLY TELECENTRIC ENCODER IMAGING ARRANGEMENT
781, 881, 1381    FIRST LENS ARRAY
782, 882, 1382    APERTURE ARRAY
783, 883, 1383    SECOND LENS ARRAY
1100    TABLE
1340    COLLIMATING LENS
1342, 1344        REFLECTOR
1391    BEAM
1392    BEAM DUMP
1393    QUARTER WAVE PLATE
1410    SCALE
[Claim 1]
A device for measuring the relative displacement between two members, the device comprising:
a scale grating extending along a measuring axis direction and having a scale pitch PSF;
an illumination source comprising a light source that outputs light having a wavelength λ, and a structured illumination generating portion that inputs the light and outputs structured illumination to the scale grating where the structured illumination comprises an illumination fringe pattern oriented transversely to the measuring axis direction and that have an illumination fringe pitch PMI along the measuring axis direction at a plane coinciding with the scale grating;
an imaging portion positioned to receive operable spatially modulated image light output from the scale grating and output an operable periodic image of the spatially modulated image light when the scale grating is illuminated by the structured illumination from the illumination source; and
a detector portion comprising a set of respective optical detectors positioned to respectively receive different phases of the operable periodic image, the set of respective optical detectors having a detector pitch Pd along the measuring axis direction, the detector pitch Pd corresponding to a pitch between detector elements corresponding to a particular detector signal phase;
wherein:
the imaging portion comprises:
the detector portion positioned a distance Z from the imaging portion along an optical path of the imaging portion;
a first lens positioned to receive the spatially modulated image light transmitted from the scale grating, the first lens having a focal length F that defines a focal point located between the first lens and the detector portion; and
an aperture positioned approximately at the focal length F between the first lens and the detector portion; 
the spatially modulated image light comprises fringes formed from the interference of two diffractive orders which differ by a value Δn;
the aperture is configured with a dimension W along the measuring axis direction such that AW= Z*λ*(a*(Δn+1)/(PMIPSF/((PMI-PSF)*M)), where M is a magnification value of the imaging portion, and the value of a is greater than 0.5 and less than 4.0; and
the scale grating inputs the structured illumination and outputs the spatially modulated image light comprising the structured illumination modulated by an intensity modulation envelope that has a spatial wavelength PIMESF that depends on the scale pitch PSF and the illumination fringe pitch PMI, and PSF and PMI are selected to cooperate with the detector pitch Pd such that ΔnPMIPSF/(ΔnPMI-PSF) = PIMESF = m*Pd/k when the light source outputs incoherent light and ΔnPMIPSF/(2ΔnPMI-PSF) = PIMESF = m*Pd/k when the light source outputs coherent light, wherein m is a number of phase signals output by the detector portion and k is an odd integer, and wherein the spatial wavelength PIMESF is larger than the scale pitch PSF.
[Claim 2]
The device of Claim 1, wherein Δn = 2.
[Claim 3]
The device of Claim 1, wherein Δn = 1.
[Claim 4]
The device of Claim 1, wherein Δn = 4.
[Claim 5]
The device of Claim 1, wherein the imaging portion further comprises a second lens having a focal length Fs, wherein the second lens is positioned between the aperture and the detector portion at the focal length Fs from the aperture and at the distance Z from the detector portion, and is configured to receive light from the aperture and form the operable periodic image.
[Claim 6]
The device of Claim 5, wherein the second lens has the same nominal optical characteristics as the first lens, Fs=F, Z=Fs, and the first and second lenses are oriented symmetrically about the location of the aperture.
[Claim 7]
The device of Claim 1, wherein the aperture is located at the distance Z from the detector portion.
[Claim 8]
The device of Claim 1, wherein m is equal to one of 3 and 4 and k is equal to one of 1, 3, and 5.
[Claim 9]
The device of Claim 1, wherein the scale pitch PSF is less than 8 microns.
[Claim 10]
The device of Claim 1, wherein the illumination fringe pitch PMI is less than 8 microns.
[Claim 11]
The device of Claim 1, further comprising a beamsplitter located between the illumination portion and the scale grating configured to transmit the structured illumination to the scale grating, receive spatially modulated image light output from the scale grating, and output the spatially modulated image light to the imaging portion.
[Claim 12]
The device of Claim 1, wherein the interference fringe generating portion comprises a first phase grating that blocks or suppresses zero order light in the structured illumination.
[Claim 13]
The device of Claim 12, wherein the interference fringe generating portion further comprises a second phase grating configured to input light output from the first grating and output structured light comprising converging rays.
[Claim 14]
The device of Claim 1, further comprising a reference scale track configured to receive the structured illumination and output reference interference fringes to the detector portion.
[Claim 15]
The device of Claim 14, wherein the reference scale track comprises reference marks that are Vernier reference marks.
[Claim 16]
The device of Claim 14, wherein the reference scale track comprises reference mark patterns with phases that provide a synthetic wavelength with respect to the scale grating.
[Claim 17]
The device of Claim 1, further comprising an absolute scale track comprising an absolute scale track pattern that is configured to receive the structured illumination and output absolute scale light to the detector portion in order to provide signals usable to determine an absolute position over an absolute measuring range.
[Claim 18]
The device of Claim 1, wherein:
the imaging portion further comprises a second lens having a focal length Fs, wherein the second lens is positioned between the aperture and the detector portion at the focal length Fs from the aperture, and is configured to receive light from the aperture and form the operable periodic image; and
a magnification M of the operable periodic image along the measuring axis direction is approximately M=Fs/F, and is set solely by selecting the distances Fs and F.
[Claim 19]
The device of Claim 1, wherein the light source outputs coherent light and the value of a is greater than 0.5 and less than 1.5.
1. Abstract
A flexible optical displacement encoder configuration uses a source grating to illuminate a scale with structured light such that light from the scale is modulated with a beat frequency envelope which may have a relatively coarse pitch that matches a desired detector pitch.  An imaging configuration provides spatial filtering to remove the high spatial frequencies from the modulation envelope to provide a clean signal in the detected fringe pattern.  This combination of elements allows an incremental scale track pattern with a relatively finer pitch (e.g., 4, 5, 8 microns) to provide fringes with a coarser pitch (e.g., 20 microns) at a detector.  Various scale resolutions can use a corresponding source grating such that all combinations can produce detector fringes that match the same economical detector component.
2. Representative Drawing
Fig. 3
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