(57)【要約】      （修正有）【課題】様々なエンコーダ構造において、コスト効率のよい方法で製造することができる、シンプルかつ交換可能なコンポーネントを備えるコンパクトなリードヘッドを提供する。【解決手段】光学式エンコーダ２００は、照明部２６０と、測定軸方向８２に沿って延在し、照明部２６０からの光２３１を受光するよう配置されたスケール格子２１０と、スケール格子２１０からの光２３２を受光するよう配置された検出器構造２２５とを有する。照明部２６０は、アドレス指定可能な光源アレイ２６５を有する。アドレス指定可能な光源アレイ２６５は、測定軸方向８２に沿って配置された単一光源２６５ｎを有する。アドレス指定可能な光源アレイ２６５は、少なくとも単一光源２６５ｎのアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組を提供するよう構成されている。【選択図】図２
2016099351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明部と、測定軸方向に沿って延在し、前記照明部からの光を受光するよう配置されたスケール格子と、前記スケール格子からの光を受光するよう配置された検出器構造とを有する光学式エンコーダのための前記照明部であって、
前記照明部は、アドレス指定可能な光源アレイを有し、
前記アドレス指定可能な光源アレイは、前記測定軸方向に沿って配置された複数の単一光源を有し、
前記アドレス指定可能な光源アレイは、アドレス指定可能な、少なくとも第１及び第２の単一光源の組を提供するよう構成されている
照明部。
【請求項２】
単一光源の前記アドレス指定可能な第１の組は、光源の周期的なアドレス指定可能なアレイの全体であり、単一光源の前記アドレス指定可能な第２の組は、光源の周期的なアドレス指定可能なアレイのサブセットである
請求項１に記載の照明部。
【請求項３】
前記単一光源の前記アドレス指定可能な第１の組は、光源の周期的なアドレス指定可能なアレイのサブセットであり、前記単一光源の前記アドレス指定可能な第２の組は、光源の周期的なアドレス指定可能なアレイのサブセットである
請求項１に記載の照明部。
【請求項４】
少なくとも前記単一光源の前記アドレス指定可能な第１の組における前記単一光源は、第１のピッチＰ１で前記測定軸方向に沿って周期的に配置されている
請求項１に記載の照明部。
【請求項５】
前記単一光源の前記アドレス指定可能な第２の組における前記単一光源は、第２のピッチＰ２で前記測定軸方向に沿って周期的に配置されている
請求項４に記載の照明部。
【請求項６】
前記照明部は、前記光学式エンコーダに配置され、
前記照明部は、前記測定軸方向に沿って前記検出器構造に対して略中央に置かれ、前記アドレス指定可能な光源アレイの端部に近接した少なくとも一つの単一光源を除外する、前記単一光源の動作セットを使用するよう構成されている
請求項１に記載の照明部。
【請求項７】
前記単一光源の前記動作セットは、前記アドレス指定可能な光源アレイに対して中心から外れて位置している
請求項６に記載の照明部。
【請求項８】
前記照明部は、前記光学式エンコーダに配置され、
前記照明部は、前記単一光源の動作セットを使用するよう構成されており、
前記動作セットの前記単一光源は、前記測定軸方向に沿って、照明ピッチＰＭＩに従って、周期的に間隔をあけている
請求項１に記載の照明部。
【請求項９】
前記単一光源は、前記測定軸方向を横断する方向に沿った長細いストリップ形状で構成され、前記測定軸方向に沿って細い寸法を有するＬＥＤと、前記ＬＥＤの基板に近接する反射素子とを含む
請求項８に記載の照明部。
【請求項１０】
前記スケール格子は、前記測定軸方向に沿ったスケールピッチＰＳＦを有し、前記検出器構造は、前記測定軸方向に沿った検出器ピッチＰｄを有する光学式検出器部のセットを有し、
前記照明ピッチＰＭＩは、式 ＰＭＩ ＝ Ｐｄ×ＰＳＦ／(Ｐｄ − ＰＳＦ) をほぼ満たす
請求項８に記載の照明部。
【請求項１１】
前記照明部は、波長λを有する光を出力し、前記照明部は、前記測定軸方向を横断する方向に沿って、前記スケール格子から距離Ｚｓの間隔をあけており、前記距離Ｚｓは、式 Ｚｓ ＝ ２×ＰＭＩ×ＰＳＦ／λ を満たす
請求項１０に記載の照明部。
【請求項１２】
前記スケール格子は、前記測定軸方向を横断する方向に沿って、前記検出器構造から距離Ｚｉの間隔をあけており、前記距離Ｚｉは、式 Ｚｉ ＝ Ｚｓ×ＰＳＦ／(ＰＭＩ − ＰＳＦ) を満たす
請求項１０に記載の照明部。
【請求項１３】
前記照明部は、前記光学式エンコーダに配置され、前記光学式エンコーダは、前記アドレス指定可能な光源アレイと前記スケール格子との間に、遮光素子を含まない
請求項１に記載の照明部。
【請求項１４】
第１及び第２の光学式エンコーダを提供するための方法であって、
測定軸方向に沿って延在する第１のスケール格子と、検出器構造と、前記測定軸方向に沿って配置された単一光源を有しかつ少なくとも前記単一光源のアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組を提供するよう構成されたアドレス指定可能な光源アレイを有する第１の照明部構造の第１のインスタンスと、を備える第１の光学式エンコーダを提供し、
前記第１のスケール格子とは異なる第２のスケール格子と、検出器構造と、前記第１の照明部構造の第２のインスタンスと、を備えた第２の光学式エンコーダを提供し、
前記第１の光学式エンコーダにおける前記単一光源の前記アドレス指定可能な第１の組を用いて前記第１のスケール格子を照明するよう、前記第１の照明部構造の前記第１のインスタンスを動作させ、前記第２の光学式エンコーダにおける前記単一光源の前記アドレス指定可能な第２の組を用いて前記第２のスケール格子を照明するよう、前記第１の照明部構造の前記第２のインスタンスを動作させる
方法。
【請求項１５】
前記第１の光学式エンコーダの前記第１のスケール格子は、前記測定軸方向を横断する方向に沿って、前記検出器構造から第１の距離Ｚ１の間隔をあけており、
前記第２の光学式エンコーダの前記第２のスケール格子は、前記測定軸方向を横断する方向に沿って、前記検出器構造から第２の距離Ｚ２の間隔をあけている
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１及び第２の光学式エンコーダは、前記アドレス指定可能な光源アレイと前記スケール格子との間に、遮光素子を含まない
請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
光学式エンコーダの動作方法であって、
測定軸方向に沿って延在するスケール格子と、検出器構造と、前記測定軸方向に沿って配置された単一光源を有しかつ少なくとも前記単一光源のアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組を提供するよう構成されたアドレス指定可能な光源アレイを有する照明部と、を備えた光学式エンコーダを提供し、
前記アドレス指定可能な光源アレイの全体よりも少ない前記単一光源の動作セットを用いて前記スケール格子を照明するよう、前記照明部を動作させる
方法。
【請求項１８】
前記単一光源の前記動作セットを用いて前記照明部を動作させることは、前記測定軸方向に沿って前記検出器構造に対し略中央に置かれるよう、かつ、前記アドレス指定可能な光源アレイの端部に近接した少なくとも一つの単一光源を除外するために、前記単一光源の前記動作セットの調整又は選択を行う
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記単一光源の前記アドレス指定可能な第１の組及び前記アドレス指定可能な第２の組における前記単一光源は、異なる照明ピッチに従って配置され、前記単一光源の前記動作セットを用いて前記照明部を動作させることは、前記単一光源の照明ピッチを選択するために、前記単一光源の前記動作セットの調整又は選択を行う
請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には精密測定機器に関し、特に、光学式変位エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
リード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、このリードヘッドは、スケールパターンをこのリード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。光学式エンコーダは、スケール格子を含むスケールメンバの変移を検出するためにセルフイメージアレイを利用してもよい。タルボ・イメージ(Ｔａｌｂｏｔ ｉｍａｇｅｓ)としても知られる、セルフイメージの基本原理は、非特許文献１に記載されており、ここでの参照により本明細書に組み込まれるものである。セルフイメージを利用した例示的な光学式エンコーダは、特許文献１に記載されており、ここでの参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである。同様のエンコーダは、２又は３つの格子エンコーダアレイにおけるロー効果原理に従って生成されたセルフイメージを利用してもよい。一つの例は、非特許文献２に記載されている。他の光学式エンコーダは、モアレイメージング技術を利用してもよい。モアレイメージング技術を利用した光学式エンコーダの例は、特許文献２に記載されており、ここでの参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，６０８，８１３号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／０１６１４９９号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Cowley, J. M., and A. F. Moodie,“Fourier Images: I - The Point Source”,1957年, Proc.Phys.Soc.B, 70, 486
【非特許文献２】Crespo他、“Optical Encoder Based on the Lau Effect”,2000年3月, Opt.Eng.39(3), 817-824
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたような典型的なエンコーダ構造は、固定ピッチを有する照明格子に依存しており、従って、照明格子の異なるピッチのための交換可能な照明部コンポーネントを利用することができない。様々なエンコーダ構造において、コスト効率のよい方法で製造することができる、シンプルかつ交換可能なコンポーネントを備えるコンパクトなリードヘッドを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
光学式エンコーダのための照明部が開示される。前記光学式エンコーダは、前記照明部と、測定軸方向に沿って延在し、前記照明部からの光を受光するよう配置されたスケール格子と、前記スケール格子からの光を受光するよう配置された検出器構造とを有する。前記照明部は、アドレス指定可能な光源アレイを有する。前記アドレス指定可能な光源アレイは、前記測定軸方向に沿って配置された複数の単一光源を有する。前記アドレス指定可能な光源アレイは、アドレス指定可能な、少なくとも第１及び第２の単一光源の組を提供するよう構成されている。
【０００７】
様々な実施形態において、第１及び第２の光学式位置エンコーダを提供するための方法が提供される。前記方法は、測定軸方向に沿って延在する第１のスケール格子と、検出器構造と、前記測定軸方向に沿って配置された単一光源を有しかつ少なくとも前記単一光源のアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組を提供するよう構成されたアドレス指定可能な光源アレイを有する第１の照明部構造の第１のインスタンスと、を備える第１の光学式エンコーダを提供し、前記第１のスケール格子とは異なる第２のスケール格子と、検出器構造と、前記第１の照明部構造の第２のインスタンスと、を備えた第２の光学式エンコーダを提供し、前記第１の光学式エンコーダにおける前記単一光源の前記アドレス指定可能な第１の組を用いて前記第１のスケール格子を照明するよう、前記第１の照明部構造の前記第１のインスタンスを動作させ、前記第２の光学式エンコーダにおける前記単一光源の前記アドレス指定可能な第２の組を用いて前記第２のスケール格子を照明するよう、前記第１の照明部構造の前記第２のインスタンスを動作させる。
【０００８】
様々な実施形態において、光学式位置エンコーダの動作方法が提供される。前記方法は、測定軸方向に沿って延在するスケール格子と、検出器構造と、前記測定軸方向に沿って配置された単一光源を有しかつ少なくとも前記単一光源のアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組を提供するよう構成されたアドレス指定可能な光源アレイを有する照明部と、を備えた光学式エンコーダを提供し、前記アドレス指定可能な光源アレイの全体よりも少ない前記単一光源の動作セットを用いて前記スケール格子を照明するよう、前記照明部を動作させる。
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、従来技術の光学式セルフイメージエンコーダ構造の部分的な概略分解図である。
【図２】図２は、光学式セルフイメージエンコーダ構造の部分的な概略分解図である。
【図３Ａ】図３Ａは、光学式エンコーダのための照明部の実施形態の図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、光学式エンコーダのための照明部の実施形態の図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、光学式エンコーダのための照明部の実施形態の図である。
【図４】図４は、光学式エンコーダのための照明部の実施形態の図である。
【図５】図５は、光学式エンコーダのための照明部の実施形態の図である。
【図６Ａ】図６Ａは、光学式エンコーダのための照明部の実施形態の図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、光学式エンコーダのための照明部の実施形態の図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、光学式エンコーダのための照明部の実施形態の図である。
【図７】図７は、光学式エンコーダの動作方法のフロー図である。
【図８】図８は、光学式エンコーダの動作方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、従来技術の光学式セルフイメージエンコーダ構造１００の部分的な概略分解図である。エンコーダ構造１００の特定の態様は、特許文献１に記載されたエンコーダ構造と同様であり、類推によって理解されうる。図１に示されるように、エンコーダ構造１００は、スケール格子１１０、照明部１６０、及び検出器構造１２５を含む。照明部１６０は、光源１３０、レンズ１４０、及び照明格子１５０を有する。スケール格子１１０は、ソースギャップ距離Ｚｓだけ、照明部１６０から離されている。検出器構造１２５は、距離Ｚｉだけスケール格子１１０から離されている。いくつかの実施形態において、光源１３０はＬＥＤである。
【００１２】
図１は、本明細書で使用される、直交するＸ、Ｙ、及びＺ方向を示している。Ｘ及びＹ方向は、スケール格子１１０の平面に平行であり、Ｘ方向は、意図する測定軸方向（ＭＡ）８２と平行(例えば、スケール格子１１０の長細いパターンエレメントと垂直)である。Ｚ方向は、スケール格子１１０の平面と垂直である。
【００１３】
動作において、光源１３０から発せられた光１３１は、レンズ１４０により、スケール格子１１０を照らすのに十分なビーム領域で部分的又は全体的にコリメートされる。光１３１は、周知のセルフイメージ照明原理に従ってスケール格子１１０を照明するために選択された、格子開口部で部分的にコヒーレントな照明源のアレイを提供するため、照明格子１５０の格子構造を通過する。スケール格子１１０は、照明されると、空間変調された光パターン（例えば、いくつかの実施形態においては、回折次数による干渉縞光）をスケール光１３２として検出器構造１２５へ出力する。エンコーダ構造１００は、周知の方法に従って、複数の回折された光が相互に作用して、検出器構造１２５の平面にセルフイメージ（例えば、タルボ像又はフレネル像）を作り出すよう構成される。
【００１４】
多様な応用例において、検出器構造１２５及び照明部１６０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格子１１０に関連する測定軸に沿って導かれる。多様な応用例において、スケール格子１１０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よい。図１に示される構成は、透過型の構成である。スケール格子１１０は、空間変調された光パターンを透過によって検出器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作製される)を備えている。当然のことながら、同様の構成要素が反射型の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、照明部１６０及び検出器構造１２５は、スケール格子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。
【００１５】
当然のことながら、エンコーダ構造１００は、ロー効果エンコーダ構造で利用されてもよい。ロー効果エンコーダ構造を組み込んだいくつかの実施形態において、精密にコリメートされた光源を必要としない構成として、レンズ１４０は省略されてもよい。
【００１６】
図２は、光学式のセルフイメージエンコーダ構造２００の部分的な概略分解図である。２ＸＸと番号付けられたエンコーダ構造２００の素子は、図１において１ＸＸと番号付けられた素子と同様又は同一であり、類推によって理解されうる。図２に示されるように、エンコーダ構造２００は、スケール格子２１０、照明部２６０、及び検出器構造２２５を含む。照明部２６０は、アドレス指定可能な光源アレイ２６５を有する。アドレス指定可能な光源アレイ２６５は、測定軸方向８２に沿って配置された複数の単一光源２６５ｎを有する。いくつかの実施形態において、単一光源２６５ｎは、ＬＥＤ光源であってもよい。スケール格子２１０は、測定軸方向８２に沿って延在し、照明部２６０からの光２３１を受光するよう配置されている。スケール格子は、スケールピッチＰＳＦを有する。スケール格子２１０は、ソースギャップ距離Ｚｓだけ、照明部２６０から離されている。検出器構造２２５は、距離Ｚｉだけスケール格子２１０から離されており、スケール格子２１０からの光２３２を受光するよう配置されている。検出器構造２２５は、空間変調された光２３２のピッチに対応する検出器ピッチＰｄに従って配置された検出器部２２６ｎを有する。光学式エンコーダ２００は、アドレス指定可能な光源アレイ２６５とスケール格子２１０との間に、遮光素子を含まない。
【００１７】
図３Ａ〜３Ｃ、４、５、及び６Ａ〜６Ｃに示すように、様々な実施形態において、アドレス指定可能な光源アレイ２６５は、少なくとも、単一光源２６５ｎのアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組を備えている。
【００１８】
いくつかの実施形態において、単一光源２６５ｎは、測定軸方向を横断する方向に沿った長細いストリップ形状で構成され、測定軸方向に沿って細い寸法を有するＬＥＤと、ＬＥＤの基板に近接する反射素子とを含んでもよい。照明部２６０に適した例示的な単一光源は、アイルランドのコークのＩｎｆｉｎｉＬＥＤ社によって製造される。当然のことながら、単一光源２６５ｎのそれぞれは、連続したストリップ状の光源であってもよいし、ストリップ形状のゾーンに配置された点光源（例えば、マイクロＬＥＤ）で構成されてもよい。
【００１９】
光学式セルフイメージエンコーダ構造２００は透過型エンコーダ構造であるが、当然のことながら、照明部２６０は反射型のエンコーダ構造に適切に適用することができる。また、照明部２６０は、特許文献２に記載されているような、モアレイメージング型エンコーダ構造にも適切に適用することができる。
【００２０】
図３Ａ〜３Ｃは、光学式エンコーダのための照明部３６０の実施形態の図であり、３つの例示的な状態を示す。照明部３６０は、照明部２６０と同様であり、エンコーダ構造２００に組み込むことができる。照明部３６０は、アドレス指定可能な光源アレイ３６５を有する。アドレス指定可能な光源アレイ３６５は、測定軸方向（ＭＡ）８２に沿って配置された単一光源３６５ｎを有する。
【００２１】
図３Ａに示される実施形態では、単一光源３６５ｎのそれぞれが、塗りつぶしパターンによって示されるように、アドレス指定可能な第１の組３６６ａとして作動する。この状態において、作動した単一光源は、照明ピッチＰ１に従って位置している。
【００２２】
図３Ｂに示される実施形態では、塗りつぶしパターンにより示されるように、単一光源３６５ｎのアドレス指定可能な第２の組３６６ｂが作動する。この状態において、アドレス指定可能な第２の組３６６ｂは、アドレス指定可能な光源アレイ３６５の単一光源のサブセットであり、照明ピッチ２×Ｐ１に従って位置している。
【００２３】
図３Ｃに示される実施形態では、塗りつぶしパターンにより示されるように、単一光源３６５ｎのアドレス指定可能な第３の組３６６ｃが作動する。この状態において、アドレス指定可能な第３の組３６６ｃは、アドレス指定可能な光源アレイ３６５の単一光源のサブセットであり、照明ピッチ３×Ｐ１に従って位置している。
【００２４】
図３Ａ〜３Ｃに示される実施形態では、照明部３６０は、図示されていない光学式エンコーダ（例えば、エンコーダ構造２００）に配置されてもよい。照明部３６０は、単一光源３６５ｎの動作セット（例えば、第１、第２、及びアドレス指定可能な第３の組３３６ａ、３３６ｂ、又は３３６ｃのうちの１つ）を使用するように構成することができる。動作セットの単一光源は、測定軸方向に沿って、照明ピッチＰＭＩに従って、周期的に間隔をあけてもよい。スケール格子２１０は、測定軸方向に沿ってスケールピッチＰＳＦを有してもよい。検出器構造（例えば、図２の検出器構造２２５）は、検出器構造に近接した面に位置するセルフイメージ縞のピッチに一致する測定軸方向８２に沿った検出器ピッチＰｄを有する光学式検出器部のセットを備えてもよい。単一光源の組３３６ａ、３３６ｂ、及び３３６ｃのそれぞれに対し、照明ピッチＰＭＩは、次の式を満たす。
ＰＭＩ ＝ Ｐｄ×ＰＳＦ／(Ｐｄ − ＰＳＦ)     式１
【００２５】
照明部３６０は、図１に示される照明部１６０の光源１３０、レンズ１４０、及び照明格子１５０といった、光源、レンズ及び照明格子ではなく、照明部のためのよりコンパクトな単一の素子を提供し、エンコーダリードヘッド内の素子の数が減少するという利点を提供する。これは、スケールピッチなどの様々なパラメータを伴うエンコーダを製造する際の製造コストを低減する。様々なエンコーダ構造において、単一光源のアドレス指定可能な組の照明ピッチＰＭＩは、式１に表されるように、検出器ピッチＰｄ及びスケールピッチＰＳＦの値の組み合わせに応じて選択することができる。
【００２６】
図２に示されるソースギャップ距離Ｚｓ及び距離Ｚｉもまた、式１における値に依存する。いくつかの実施形態において、照明部２６０は、波長λを有する光を出力し、Ｚｓは、以下の式を満たす。
Ｚｓ ＝ ２×ＰＭＩ×ＰＳＦ／λ    式２
【００２７】
いくつかの実施形態において、距離Ｚｉは、以下の式を満たす。
Ｚｉ ＝ Ｚｓ×ＰＳＦ／(ＰＭＩ−ＰＳＦ)    式３
【００２８】
照明部３６０の状態に対する例示的な実施形態において、アドレス指定可能な第１の組３６６ａの単一光源は、２４μmである照明ピッチＰ１の値に従って位置してもよい。スケールピッチＰＳＦは８μmであってもよく、検出器ピッチＰｄは１２μmであってもよく、ソースギャップは９４８μmであってもよく、距離Ｚｉは４７４μmであってもよい。照明部３６０の状態に対する他の例示的な実施形態において、アドレス指定可能な第３の組３６６ｂの単一光源は、４８μmである照明ピッチ２×Ｐ１の値に従って位置してもよい。スケールピッチＰＳＦは２０μmであってもよく、検出器ピッチＰｄは３４．３μmであってもよく、ソースギャップは４．７４mmであってもよく、距離Ｚｉは３．３９mmであってもよい。
【００２９】
当然のことながら、いくつかの実施形態において、単一光源の組３６６ａ、３６６ｂ、及び３６６ｃは、個々にアドレス指定可能である単一光源を備えてもよい。しかしながら、他の実施形態において、単一光源３６６ａ、３６６ｂ、及び３６６ｃの組は、グループとしてアドレス指定可能であるだけであってもよい。すなわち、それらは、導体、又はプログラマブルスイッチによって相互に接続され、簡単にするために、同じ入力を介して一緒にアドレス指定されてもよい。
【００３０】
当然のことながら、代替の実施形態において、照明部は、２つの組を交互配置することにより種々のピッチで配置されたアドレス指定可能な単一光源の２つの組を備えるよう構築されてもよい。これは、単一光源の組３６６ａ、３６６ｂ、及び３６６ｃのピッチとは対照的に、単一の値の整数倍ではない２つのピッチを可能にするという点で、利点があり得る。
【００３１】
図４は、光学式エンコーダのための照明部４６０の実施形態の図である。照明部４６０は、照明部２６０と同様である。照明部４６０は、アドレス指定可能な光源アレイ４６５を有する。アドレス指定可能な光源アレイ４６５は、測定軸方向８２に沿って配置された単一光源４６５ｎを有する。アドレス指定可能な光源アレイは、単一光源４６５ｎのアドレス指定可能な第１の組４６６ａ及び単一光源４６５ｎのアドレス指定可能な第２の組４６６ｂを提供するよう構成されている。アドレス指定可能な第１の組４６６ａは、照明ピッチＰ１に従って位置する単一光源を有する。アドレス指定可能な第２の組４６６ａは、照明ピッチＰ２に従って位置する単一光源を有する。
【００３２】
図４に示される状態において、アドレス指定可能な第１の組４６６ａは、塗りつぶしパターンで示されるように、作動した単一光源で示され、アドレス指定可能な第２の組４６６ｂは、塗りつぶしパターンがないことにより示されるように、作動していない単一光源で示される。この状態において、照明部４６０は、第１のエンコーダ構造で使用するよう構成されている。代わりに、もう一つの状態において、異なるピッチでの照明を必要とする第２のエンコーダ構造で使用するよう照明部４６０を構成するために、アドレス指定可能な第１の組４６６ａは作動していない間、アドレス指定可能な第２の組４６６ｂは作動してもよい。当然のことながら、エンコーダ構造において使用されるアドレス指定可能な単一光源の組がどちらであっても、検出器構造に対して中央に配置されるよう、照明部４６０は検出器構造と一列に並べられるべきである。
【００３３】
図５は、光学式エンコーダのための照明部５６０の実施形態の図である。アドレス指定可能な光源アレイ５６５は、測定軸方向８２に沿って配置された単一光源５６５ｎを有する。照明部５６０は、照明部２６０に類似しているが、異なるスケール格子ピッチを有する第１のスケール格子及び第２のスケール格子を備えたマルチトラックエンコーダシステムで使用するように構成されている。照明部５６０は、アドレス指定可能な光源アレイ５６５を有する。アドレス指定可能な光源アレイ５６５は、測定軸方向８２に沿って配置された単一光源５６５ｎを有する。アドレス指定可能な光源アレイは、単一光源５６５ｎのアドレス指定可能な第１の組５６６ａ及び単一光源５６５ｎのアドレス指定可能な第２の組５６６ｂを提供するよう構成されている。アドレス指定可能な第１の組５６６ａは、照明ピッチＰ１に従って位置する単一光源を有する。アドレス指定可能な第２の組５６６ａは、照明ピッチＰ２に従って位置する単一光源を有する。
【００３４】
図５に示される状態において、アドレス指定可能な第１の組５６６ａは、塗りつぶしパターンで示されるように、作動した単一光源で示され、アドレス指定可能な第２の組５６６ｂは、塗りつぶしパターンがないことにより示されるように、作動していない単一光源で示される。この状態において、照明部５６０は、第１のスケール格子で使用するよう構成されている。もう一つの状態において、アドレス指定可能な第２の組５６６ｂは、第２のスケール格子での使用のため、作動してもよい。照明部５６０は、例えば、エンコーダ構造の光学的なレイアウトに依存して、時間変調又は連続的に、第１及び第２のスケール格子のための照明を提供するよう動作してもよい。
【００３５】
図６Ａ〜６Ｃは、光学式エンコーダのための照明部６６０の実施形態の図であり、３つの例示的な状態を示す。照明部６６０は、図示されていない光学式エンコーダに配置される。照明部６６０は、照明部２６０と同様である。照明部６６０は、アドレス指定可能な光源アレイ６６５を有する。アドレス指定可能な光源アレイ６６５は、測定軸方向８２に沿って配置された単一光源６６５ｎを有する。照明部６６０は、単一光源６６５ｎの全体を使用する状態と、測定軸方向に沿って検出器構造に対して略中央に置かれ、アドレス指定可能な光源アレイの端部に近接した少なくとも一つの単一光源を除外した、単一光源６６５ｎの動作セットを使用する他の状態で構成される。
【００３６】
図６Ａに示される実施形態では、単一光源６６５ｎのそれぞれが、塗りつぶしパターンによって示されるように、第１の動作セット６６６ａとして作動する。この状態において、第１の動作セット６６６ａの作動した単一光源は、測定軸方向８２に沿った検出器構造の視野の寸法に対応する寸法Ｗ１内に位置している。
【００３７】
図６Ｂに示される実施形態では、塗りつぶしパターンにより示されるように、単一光源６６５ｎの第２の動作セット６６６ｂが作動する。この状態において、第２の動作セット６６６ｂは、アドレス指定可能な光源アレイ６６５の単一光源のサブセットであり、測定軸方向８２に沿った検出器構造の視野の寸法に対応する寸法Ｗ２内に位置している。寸法Ｗ２は、図６Ａに示される寸法Ｗ１よりも小さい。したがって、以下でさらに詳細に説明されるように、照明部６６０のこの状態を利用するエンコーダ構造によって提供されるセルフイメージは、検出器構造の外にあるセルフイメージの一部からの迷光を除去又は低減しながらより効率的に検出器構造をカバーする、測定軸方向に沿ったより小さな寸法を有するであろうことから、図６Ｂに示される状態は、図６Ａの視野よりも小さい視野を有する検出器構造により適している。これは、そのようなエンコーダ構造で低消費電力の利点を提供する。照明部６６０は、したがって、測定軸方向８２に沿った視野の異なるサイズを有する検出器構造を備える様々なエンコーダ構造で使用することができ、様々な構成を製造する際の製造コストの低減もできる。モアレイメージング技術を利用した従来のエンコーダ構造は、検出器構造のより大きな視野を満たすため、より大きなソースギャップ距離を必要とする。照明部６６０は、より小さなソースギャップ距離を有する検出器構造のより大きな視野を満たす性能を可能にする。
【００３８】
図６Ｃに示される実施形態では、塗りつぶしパターンにより示されるように、単一光源６６５ｎの第３の動作セット６６６ｃが作動する。この状態において、第３の動作セット６６６ｃは、アドレス指定可能な光源アレイ６６５の単一光源のサブセットであり、寸法Ｗ２内に位置し、図６Ｂに示される動作セット６６６ｂと同じサイズである。単一光源の動作セット６６６ｃは、アドレス指定可能な光源アレイに対して中心から外れて位置している。具体的には、図６Ｃにおける作動した単一光源は、図６Ｂに示される第２の動作セット６６６ｂの“中心”位置に対して、測定軸方向に沿って値Δｘだけオフセットされている。組み立ての際に照明部６６０全体を機械的に整列する代わりに、検出器構造に対する配列を補正するための必要性に応じて測定軸方向に沿って単一光源の組を作動させ又は作動させないことができるので、組み立てコストを低減することができる。
【００３９】
図７は、光学式エンコーダの動作方法のフロー図７００である。ブロック７１０で、測定軸方向に沿って延在する第１のスケール格子と、検出器構造と、測定軸方向に沿って配置された単一光源を有しかつ少なくとも単一光源のアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組を提供するよう構成されたアドレス指定可能な光源アレイを有する第１の照明部構造の第１のインスタンスと、を備えた第１の光学式エンコーダが提供される。ブロック７２０で、第１のスケール格子とは異なる第２のスケール格子と、検出器構造と、第１の照明部構造の第２のインスタンスと、を備えた第２の光学式エンコーダが提供される。ブロック７３０で、第１の照明部構造の第１のインスタンスは、第１の光学式エンコーダにおける単一光源のアドレス指定可能な第１の組を用いて第１のスケール格子を照明するよう動作し、第１の照明部構造の第２のインスタンスは、第２の光学式エンコーダにおける単一光源のアドレス指定可能な第２の組を用いて第２のスケール格子を照明するよう動作する。例えば、照明部３６０は、照明ピッチＰ１を必要とする第１のエンコーダにおいて、アクセス指定可能な単一光源の第１の組３６６ａを用いて動作してもよく、照明ピッチ２×Ｐ１を必要とする第２のエンコーダにおいて、アクセス指定可能な単一光源の第２の組３６６ｂを用いて動作してもよい。もう一つの例として、照明部６６０は、単一光源のアドレス指定可能な第１の組６６６ａにより提供される幅Ｗ１を有する照明に対応する視野を必要とする第１のエンコーダにおいて動作してもよく、単一光源のアドレス指定可能な第２の組６６６ｂにより提供される幅Ｗ２を有する照明に対応する視野を必要とする第２のエンコーダにおいて動作してもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態において、第１の光学式エンコーダの第１のスケール格子は、測定軸方向を横断する方向に沿って、検出器構造から第１の距離Ｚ１の間隔をあけてもよく、第２の光学式エンコーダの第２のスケール格子は、測定軸方向を横断する方向に沿って、検出器構造から第２の距離Ｚ２の間隔をあけてもよい。いくつかの実施形態において、ソースギャップ距離も同様に、第１と第２の光学式エンコーダの間で、変化してもよい。
【００４１】
いくつかの実施形態において、第１及び第２の光学式エンコーダは、アドレス指定可能な光源アレイとスケール格子との間に、遮光素子を含まなくてもよい。
【００４２】
図８は、光学式エンコーダの動作方法のフロー図８００である。ブロック８１０で、測定軸方向に沿って延在するスケール格子と、検出器構造と、測定軸方向に沿って配置された単一光源を有しかつ少なくとも単一光源のアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組を提供するよう構成されたアドレス指定可能な光源アレイを有する照明部と、を備えた光学式エンコーダが提供される。ブロック８２０で、照明部は、アドレス指定可能な光源アレイの全体よりも少ない単一光源の動作セットを用いて、スケール格子を照明するよう動作する。
【００４３】
いくつかの実施形態において、ブロック８２０で、単一光源の動作セットを用いた照明部の動作は、測定軸方向に沿って検出器構造に対し略中央に置かれるよう、かつ、アドレス指定可能な光源アレイの端部に近接した少なくとも一つの単一光源を除外するために、単一光源の動作セットの調整又は選択を有してもよい。例えば、図６Ｃに関連して説明したように、単一光源の動作セット（例えばアドレス指定可能な第３の組３６６ｃ）は、組み立ての際に照明部全体を機械的に整列する代わりに、検出器構造に対する配列を補正するための必要性に応じて測定軸方向に沿って、作動させられ又は作動させられなくてもよい。
【００４４】
いくつかの実施形態において、ブロック８２０で、単一光源のアドレス指定可能な第１の組及びアドレス指定可能な第２の組における単一光源は、異なる照明ピッチに従って配置されてもよく、単一光源の動作セットを用いた照明部の動作は、単一光源の照明ピッチを選択するために、単一光源の動作セットの調整又は選択を有してもよい。
【００４５】
種々の実施形態を示して説明したが、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。
【図１】
2016099351.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
Title of Invention: ILLUMINATION PORTION FOR AN 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 a scale member, and the movement or position of the displaced scale pattern image is detected with a photodetector arrangement.  Optical encoders may utilize a self-imaging arrangement in order to detect a displacement of a scale member comprising a scale grating.  The basic principle of self-images, also known as Talbot images, is described in the paper "Fourier Images: I - The Point Source" by Cowley, J. M., and A. F. Moodie, 1957, Proc. Phys. Soc. B, 70, 486 (Non patent Literature 1), which is incorporated herein by reference.  An exemplary optical encoder utilizing self-imaging is disclosed in U.S. Pat. No. 7,608,813 (the '813 patent, Patent Literature 1), which is incorporated herein by reference in its entirety.  Similar encoders may utilize self-images generated according to Lau effect principles, in two or three grating encoder arrangements.  One example is disclosed in the paper "Optical Encoder Based on the Lau Effect" by Crespo et al., March 2000, Opt. Eng. 39(3), 817-824 (Non patent Literature 2).  Other optical encoders may utilize moire imaging techniques.  An exemplary optical encoder utilizing moire imaging techniques is disclosed in U.S. Pat. App. No. US20130161499A1 (Patent Literature 2) which is incorporated herein by reference in its entirety.
Citation List
Patent Literature
[0003]
Patent Literature 1: U.S. Pat. No. 7,608,813
Patent Literature 2: U.S. Pat. App. No. US20130161499A1
Non Patent Literature
[0004]
Non Patent Literature 1: "Fourier Images: I - The Point Source" by Cowley, J. M., and A. F. Moodie, 1957, Proc. Phys. Soc. B, 70, 486
Non Patent Literature 2: "Optical Encoder Based on the Lau Effect" by Crespo et al., March 2000, Opt. Eng. 39(3), 817-824
Summary of Invention
Technical Problem
[0005]
Typical encoder configurations such as those disclosed in the '813 patent (Patent Literature 1) rely on an illumination grating with a fixed pitch, and thus cannot utilize interchangeable illumination portion components for different pitches of illumination gratings.  In various encoder configurations it is desirable to provide a compact readhead which may be manufactured in a cost efficient manner with simple and interchangeable components.  
Solution to Problem
[0006]
An illumination portion for an optical encoder is disclosed.  The optical encoder comprises the illumination portion, a scale grating extending along a measuring axis direction and arranged to receive light from the illumination portion, and a detector configuration arranged to receive light from the scale grating.  The illumination portion comprises an addressable light source array.  The addressable light source array comprises individual sources arranged along the measuring axis direction.  The addressable light source array is configured to provide at least first and second addressable sets of the individual sources.
[0007]
In various embodiments, a method is provided for providing first and second optical position encoders. The method comprises: providing a first optical encoder which comprises a first scale grating extending along a measuring axis direction, a detector configuration, and a first instance of a first illumination portion configuration comprising an addressable light source array which comprises individual sources arranged along the measuring axis direction and which is configured to provide at least a first addressable set and a second addressable set of the individual sources; providing a second optical encoder which comprises a second scale grating different than the first scale grating, a detector configuration, and a second instance of the first illumination portion configuration;  and operating the first instance of the first illumination portion configuration to illuminate the first scale grating using the first addressable set of the individual sources in the first optical encoder and operating the second instance of the first illumination portion configuration to illuminate the second scale grating using the second addressable set of the individual sources in the second optical encoder.
[0008]
In various embodiments, a method for operating an optical position encoder is provided.  The method comprises:  providing an optical encoder which comprises a scale grating extending along a measuring axis direction, a detector configuration, and an illumination portion comprising an addressable light source array which comprises individual sources arranged along the measuring axis direction, and which is configured to provide at least a first addressable set and a second addressable set of the individual sources; and operating the illumination portion to illuminate the scale grating using an operational set of the individual sources which includes less than the an entirety of the addressable light source array.
[0009]
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.
Brief Description of Drawings
[0010]
[Fig. 1]
FIGURE 1 is a partially schematic exploded diagram of a prior art optical self-imaging encoder configuration.
[Fig. 2]
FIGURE 2 is a partially schematic exploded diagram of an optical self-imaging encoder configuration.
[Fig. 3A]
FIGURES 3A is a diagram of an embodiment of an illumination portion for an optical encoder.
[Fig. 3B]
FIGURES 3B is a diagram of an embodiment of an illumination portion for an optical encoder.
[Fig. 3C]
FIGURES 3C is a diagram of an embodiment of an illumination portion for an optical encoder.
[Fig. 4]
FIGURE 4 is a diagram of an embodiment of an illumination portion for an optical encoder.
[Fig. 5]
FIGURE 5 is a diagram of an embodiment of an illumination portion for an optical encoder.
[Fig. 6A]
FIGURES 6A is diagram of an embodiment of an illumination portion for an optical encoder.
[Fig. 6B]
FIGURES 6B is diagram of an embodiment of an illumination portion for an optical encoder.
[Fig. 6C]
FIGURES 6C is diagram of an embodiment of an illumination portion for an optical encoder.
[Fig. 7]
FIGURE 7 is a flow diagram of a method for operating an optical encoder.
[Fig. 8]
FIGURE 8 is a flow diagram of a method for operating an optical encoder.
Description of Embodiments
[0011]
FIGURE 1 is a partially schematic exploded diagram of a prior art optical self-imaging encoder configuration 100.  Certain aspects of the encoder configuration 100 are similar to encoder configurations described in the '813 patent and may be understood by analogy.  As shown in FIGURE 1, the encoder configuration 100 includes a scale grating 110, an illumination portion 160 and a detector configuration 125.  The illumination portion 160 comprises a light source 130, a lens 140 and an illumination grating 150.  The scale grating 110 is separated from the illumination portion 160 by a source gap distance Zs.  The detector configuration 125 is separated from the scale grating 110 by a distance Zi.  In some embodiments, the light source 130 is an LED.
[0012]
FIGURE 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 grating 110, with the X direction parallel to the intended measuring axis direction MA 82 (e.g., perpendicular to elongated pattern elements of the scale grating 110).  The Z direction is normal to the plane of the scale grating 110.
[0013]
In operation, light 131 emitted from the light source 130 is partially or fully collimated by the lens 140, over a beam area sufficient to illuminate the scale grating 110.  The light 131 passes through the grating structure of the illumination grating 150 to provide an array of partially coherent illumination sources at the grating openings, selected to illuminate the scale grating 110 according to known self-imaging illumination principles.  When the scale grating 110 is illuminated, it outputs a spatially modulated light pattern (e.g., interference fringe light from diffracted orders, in some embodiments) as scale light 132 to the detector configuration 125.  The encoder configuration 100 is configured according to known methods such that several diffracted orders interact to produce a self-image (e.g., a Talbot image or a Fresnel image) at the plane of the detector configuration 125.
[0014]
In various applications, the detector configuration 125 and the illumination portion 160 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 grating 110 by a bearing system, according to known techniques.  The scale grating 110 may be attached to a moving stage, or a gauge spindle, or the like, in various applications.  The configuration shown in FIGURE 1 is a transmissive configuration.  The scale grating 110 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 illumination portion 160 and the detector configuration 125 are arranged on the same side of the scale grating 110, and positioned for angled illumination and reflection if necessary, according to known techniques.
[0015]
It should be appreciated that the encoder configuration 100 may be utilized in a Lau effect encoder configuration.  In some embodiments incorporating a Lau effect encoder configuration, the lens 140 may be eliminated, as such configurations do not require a highly collimated light source.
[0016]
FIGURE 2 is a partially schematic exploded diagram of an optical self-imaging encoder configuration 200.  Elements of the encoder configuration 200 numbered 2XX are similar or identical to elements numbered 1XX in FIGURE 1 and may be understood by analogy.  As shown in FIGURE 2, the encoder configuration 200 includes a scale grating 210, an illumination portion 260 and a detector configuration 225.  The illumination portion 260 comprises an addressable light source array 265.  The addressable light source array 265 comprises individual sources 265n arranged along the measuring axis direction 82.  In some embodiments, the individual sources 265n may be LED sources.  The scale grating 210 extends along the measuring axis direction 82 and is arranged to receive light 231 from the illumination portion 260.  The scale grating comprises a scale pitch PSF.  The scale grating 210 is separated from the illumination portion 260 by a source gap distance Zs.  The detector configuration 225 is separated from the scale grating 210 by a distance Zi and is arranged to receive light 232 from the scale grating 210.  The detector configuration 225 comprises detector portions 226n which are arranged according to a detector pitch Pd which corresponds to a pitch of the spatially modulated light 232.  The optical encoder 200 includes no light blocking element between the addressable light source array 265 and the scale grating 210.
[0017]
As will be shown in FIGURES 3A-3C, 4, 5 and 6A-6C, in various embodiments, the addressable light source array 265 comprises at least a first addressable set and a second addressable set of the individual sources 265n.
[0018]
In some embodiments, the individual sources 265n may include LEDs configured with a strip shape elongated along a direction transverse to the measuring axis direction and having a narrow dimension along the measuring axis direction, and reflective elements proximate to a substrate of the LEDs.  Exemplary individual sources which may be suitable for the illumination portion 260 are manufactured by InfiniLED of Cork, Ireland.  It should be appreciated that each of the individual sources 265n may be a continuous strip-like source or may be constructed with point sources (e.g., micro LEDs) arranged in a strip-shaped zone.
[0019]
While the optical self-imaging encoder configuration 200 is a transmissive type of encoder configuration, it should be appreciated that the illumination portion 260 may be suitably adapted to a reflective type of encoder configuration.  Additionally, the illumination portion 260 may also be suitably adapted to a moire imaging type of encoder configuration, such as that disclosed in U.S. Pat. App. No. US20130161499A1 (Patent Literature 2).
[0020]
FIGURES 3A-3C are diagrams of an embodiment of an illumination portion 360 for an optical encoder showing three exemplary states.  The illumination portion 360 is similar to the illumination portion 260 and may be incorporated in the encoder configuration 200.  The illumination portion 360 comprises an addressable light source array 365.  The addressable light source array 365 comprises individual sources 365n arranged along the measuring axis direction MA, 82.
[0021]
In the embodiment shown in FIGURE 3A, each of the individual sources 365n is activated as a first addressable set 366a, as indicated by a fill pattern.  In this state, the activated individual sources are located according to an illumination pitch P1.
[0022]
In the embodiment shown in FIGURE 3B, a second addressable set 366b of the individual sources 365n is activated, as indicated by a fill pattern.  In this state, the second addressable set 366b is a subset of individual sources of the addressable light source array 365 which are located according to an illumination pitch 2*P1.
[0023]
In the embodiment shown in FIGURE 3C, a third addressable set 366c of the individual sources 365n is activated, as indicated by a fill pattern.  In this state, the third addressable set 366c is a subset of individual sources of the addressable light source array 365 which are located according to an illumination pitch 3*P1.
[0024]
In the embodiments shown in FIGURES 3A-3C, the illumination portion 360 may be arranged in an optical encoder which is not shown (e.g., the encoder configuration 200).  The illumination portion 360 may be configured to use an operational set of the individual sources 365n (e.g., one of the first, second and third addressable sets 366a, 366b or 366c).  The individual sources of an operational set may be periodically spaced according to an illumination pitch PMI along the measuring axis direction.  The scale grating 210 may have a scale pitch PSF along the measuring axis direction.  A detector configuration (e.g., the detector configuration 225 of FIGURE 2) may comprise a set of optical detector portions having a detector pitch Pd along the measuring axis direction 82 which match a pitch of self-image fringes located at a plane proximate to the detector configuration.  For each of the sets of the individual sources 366a, 366b and 366c, the illumination pitch PMI satisfies the expression 
PMI = Pd*PSF/(Pd - PSF).    Eq. 1.
[0025]
The illumination portion 360 offers the advantage of a reduced number of elements in an encoder readhead, providing a more compact single element for an illumination portion, rather than a light source, lens and illumination grating such as the light source 130, the lens 140 and the illumination grating 150 of the illumination portion 160 shown in FIGURE 1.  This reduces manufacturing costs when manufacturing encoders with a variety of parameters such as scale pitch.  In various encoder configurations, the illumination pitch PMI of an addressable set of individual sources may be selected according to a combination of values for the detector pitch Pd and the scale pitch PSF as expressed in Eq. 1.
[0026]
The source gap distance Zs and the distance Zi shown in FIGURE 2 also depend on the values in Eq. 1.  In some embodiments, the illumination portion 260 outputs light with a wavelength λ and Zs satisfies the expression
Zs = 2*PMI*PSF/λ.    Eq. 2.
[0027]
In some embodiments, the distance Zi satisfies the expression
Zi = ZS*PSF/(PMI-PSF).    Eq. 3. 
[0028]
In an exemplary embodiment for a state of the illumination portion 360, individual sources of the first addressable set 366a may be located according to a value of the illumination pitch P1 which is 24 μm.  The scale pitch PSF may be 8 μm, the detector pitch Pd may be 12 μm, the source gap may be 948 μm and the distance Zi may be 474 μm.  In another exemplary embodiment for a state of the illumination portion 360, individual sources of the second addressable set 366b may be located according to a value of the illumination pitch 2*P1 which is 48 μm.  The scale pitch PSF may be 20 μm, the detector pitch Pd may be 34.3 μm, the source gap may be 4.74 mm and the distance Zi may be 3.39 mm.  
[0029]
It should be appreciated that in some embodiments, the sets of individual sources 366a, 366b and 366c may comprise individual sources which are individually addressable.  However, in other embodiments, the sets of individual sources 366a, 366b and 366c may only be addressable as a group, i.e., they may be connected to one another by conductors, or programmable switches, and addressed together through the same input for simplicity.
[0030]
It should be appreciated that in alternative embodiments, an illumination portion may be constructed which comprises two sets of addressable individual sources arranged at different pitches by interleaving the two sets.  This may be advantageous in that it allows for two pitches which are not integer multiples of a single value, as opposed to the pitches of the sets of individual sources 366a, 366b and 366c.
[0031]
FIGURE 4 is a diagram of an embodiment of an illumination portion 460 for an optical encoder.  The illumination portion 460 is similar to the illumination portion 260.  The illumination portion 460 comprises an addressable light source array 465.  The addressable light source array 465 comprises individual sources 465n arranged along the measuring axis direction 82.  The addressable light source array is configured to provide a first addressable set 466a of the individual sources 465n and a second addressable set 466b of the individual sources 465n.  The first addressable set 466a comprises individual sources located according to an illumination pitch P1.  The second addressable set 466a comprises individual sources located according to an illumination pitch P2.  
[0032]
In the state shown in FIGURE 4, the first addressable set 466a is shown with individual sources which are activated, as indicated with a fill pattern, and the second addressable set 466b is shown with individual sources which are not activated, as indicated by an absence of a fill pattern.  In this state, the illumination portion 460 is configured for use with a first encoder configuration.  Alternatively, in another state, the second addressable set 466b may be activated while the first addressable set 466a is not activated, in order to configure the illumination portion 460 for use with a second encoder configuration which requires illumination with a different pitch.  It should be appreciated that the illumination portion 460 should be aligned with a detector configuration such that whichever addressable set of individual sources is used in the encoder configuration is centered with respect to the detector configuration.
[0033]
FIGURE 5 is a diagram of an embodiment of an illumination portion 560 for an optical encoder.  The addressable light source array 565 comprises individual sources 565n arranged along the measuring axis direction 82.  The illumination portion 560 is analogous to the illumination portion 260, but it is configured for use in a multi-track encoder system comprising a first scale grating and a second scale grating having different scale grating pitches.  The illumination portion 560 comprises an addressable light source array 565.  The addressable light source array 565 comprises individual sources 565n arranged along the measuring axis direction 82.  The addressable light source array is configured to provide a first addressable set 566a of the individual sources 565n and a second addressable set 566b of the individual sources 565n.  The first addressable set 566a comprises individual sources located according to an illumination pitch P1.  The second addressable set 566b comprises individual sources located according to an illumination pitch P2.  
[0034]
In the state shown in FIGURE 5, the first addressable set 566a is shown with individual sources which are activated, as indicated with a fill pattern, and the second addressable set 566b is shown with individual sources which are not activated, as indicated by an absence of a fill pattern.  In this state, the illumination portion 560 is configured for use with the first scale grating.  In another state, the second addressable set 566b may be activated for use with the second scale grating.  The illumination portion 560 may be operated to provide illumination for the first and second scale grating, e.g., time modulated, or simultaneously depending on the optical layout of the encoder configuration.
[0035]
FIGURES 6A-6C are diagrams of an embodiment of an illumination portion 660 for an optical encoder showing three exemplary states.  The illumination portion 660 is arranged in an optical encoder which is not shown.  The illumination portion 660 is similar to the illumination portion 260.  The illumination portion 660 comprises an addressable light source array 665.  The addressable light source array 665 comprises individual sources 665n arranged along the measuring axis direction 82.  The illumination portion 660 is configured in one state to use the entirety of the individual sources 665n, and in other states to use an operational set of the individual sources 665n which is approximately centered relative to the detector configuration along the measuring axis direction and which excludes at least one individual source proximate to an end of the addressable light source array.
[0036]
In the embodiment shown in FIGURE 6A, each of the individual sources 665n is activated as a first operational set 666a, as indicated by a fill pattern.  In this state, the activated individual sources of the first operational set 666a are located within a dimension W1 which corresponds to a dimension of a field of view of a detector configuration along the measuring axis direction 82.
[0037]
In the embodiment shown in FIGURE 6B, a second operational set 666b of the individual sources 665n is activated, as indicated by a fill pattern.  In this state, the second operational set 666b is a subset of individual sources of the addressable light source array 665 which are located within a dimension W2 which corresponds to a dimension of a field of view of a detector configuration along the measuring axis direction 82.  The dimension W2 is smaller than the dimension W1 shown in FIGURE 6A.  Thus, as will be described in more detail below, the state shown in FIGURE 6B is more suitable for a detector configuration with a smaller field of view than that of FIGURE 6A because a self-image provided by an encoder configuration utilizing this state of the illumination portion 660 will have a smaller dimension along the measuring axis direction which more efficiently covers the detector configuration while eliminating or reducing stray light from a portion of the self-image which is outside of the detector configuration.  This offers the advantage of lower power consumption in such an encoder configuration.  The illumination portion 660 may therefore be used in a variety of encoder configurations with detector configurations having differing sizes of a field of view along the measuring axis direction 82 which may also reduce manufacturing costs in producing a variety of configurations.  Conventional encoder configurations utilizing moire imaging techniques require a larger source gap distance in order to fill a larger field of view of a detector configuration.  The illumination portion 660 allows for the capability to fill a larger field of view of a detector configuration with a smaller source gap distance.
[0038]
In the embodiment shown in FIGURE 6C, a third operational set 666c of the individual sources 665n is activated, as indicated by a fill pattern.  In this state, the third operational set 666c is a subset of individual sources of the addressable light source array 665 which are located within a dimension W2, which is the same size as the operational set 666b shown in FIGURE 6B.  The operational set of the individual sources 666c is located off center relative to the addressable light source array.  More specifically, the activated individual sources in FIGURE 6C are offset by a value Δx along the measuring axis direction relative to the "centered" position of the second operational set 666b shown in FIGURE 6B.  Assembly costs may be reduced as sets of the individual sources may be activated or deactivated along the measuring axis direction as necessary to correct alignment with respect to a detector configuration in lieu of mechanically aligning the entire illumination portion 660 during assembly.
[0039]
FIGURE 7 is a flow diagram 700 of a method for operating an optical encoder.  At a block 710, a first optical encoder is provided which comprises a first scale grating extending along a measuring axis direction, a detector configuration, and a first instance of a first illumination portion configuration comprising an addressable light source array which comprises individual sources arranged along the measuring axis direction and which is configured to provide at least a first addressable set and a second addressable set of the individual sources.  At a block 720, a second optical encoder is provided which comprises a second scale grating different than the first scale grating, a detector configuration, and a second instance of the first illumination portion configuration.  At a block 730, a first instance of the first illumination portion configuration operated to illuminate the first scale grating using the first addressable set of the individual sources in the first optical encoder and the second instance of the first illumination portion configuration is operated to illuminate the second scale grating using the second addressable set of the individual sources in the second optical encoder.  For example, the illumination portion 360 may be operated in a first encoder requiring an illumination pitch P1 using the first set of addressable individual sources 366a and it may be operated in a second encoder requiring an illumination pitch 2*P1 using the second set of addressable individual sources 366b.  As another example, the illumination portion 660 may be operated in a first encoder requiring a field of view corresponding to illumination with a width W1 provided by the first addressable set of individual sources 666a, and it may be operated in a second encoder requiring a field of view corresponding to illumination with a width W2 provided by the second addressable set of individual sources 666b.
[0040]
In some embodiments, the first scale grating of the first optical encoder may be spaced at a first distance Z1 from the detector configuration along a direction transverse to the measuring axis direction, and the second scale grating of the second optical encoder may be spaced at a second distance Z2 from the detector configuration along a direction transverse to the measuring axis direction.  In some embodiments, the source gap distance may vary between the first and second optical encoders as well.
[0041]
In some embodiments, the first and second optical encoders may include no light blocking element between their addressable light source array and their scale grating.
[0042]
FIGURE 8 is a flow diagram 800 of a method for operating an optical encoder.  At a block 810, an optical encoder is provided which comprises a scale grating extending along a measuring axis direction, a detector configuration, and an illumination portion comprising an addressable light source array which comprises individual sources arranged along the measuring axis direction, and which is configured to provide at least a first addressable set and a second addressable set of the individual sources.  At a block 820, the illumination portion is operated to illuminate the scale grating using an operational set of the individual sources which includes less than an entirety of the addressable light source array.
[0043]
In some embodiments, at the block 820, operating the illumination portion using the operational set of the individual sources may comprise adjusting or selecting the operational set of the individual sources to be approximately centered relative to the detector configuration along the measuring axis direction, and to exclude at least one individual source proximate to an end of the addressable light source array.  For example, as described with respect to FIGURE 6C, the operational set of the individual sources (e.g., the third addressable set 666c) may be activated or deactivated along the measuring axis direction as necessary to correct alignment with respect to a detector configuration in lieu of mechanically aligning the entire illumination portion during assembly.
[0044]
In some embodiments, at the block 820, the individual sources of the first addressable set and the second addressable set of the individual sources may be arranged according to different illumination pitches, and operating the illumination portion using the operational set of the individual sources may comprise adjusting or selecting the operational set of the individual sources to select an illumination pitch of the individual sources.
[0045]
While various embodiments 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.
[Claim 1]
An illumination portion for an optical encoder which comprises the illumination portion, a scale grating extending along a measuring axis direction and arranged to receive light from the illumination portion, and a detector configuration arranged to receive light from the scale grating, wherein:
the illumination portion comprises an addressable light source array;
the addressable light source array comprises individual sources arranged along the measuring axis direction; and
the addressable light source array is configured to provide at least first and second addressable sets of the individual sources.
[Claim 2]
The illumination portion of Claim 1, wherein the first addressable set of individual sources is an entirety of a periodic addressable array of light sources and the second addressable set of individual sources is a subset of the periodic addressable array of light sources.
[Claim 3]
The illumination portion of Claim 1, wherein the first addressable set of the individual sources is a subset of a periodic addressable array of light sources and the second addressable set of the individual sources is a subset of the periodic addressable array of light sources.
[Claim 4]
The illumination portion of Claim 1, wherein the individual sources of at least the first addressable set of the individual sources are arranged periodically along the measuring axis direction having a first pitch P1.
[Claim 5]
The illumination portion of Claim 4, wherein the individual sources of the second addressable set of the individual sources is arranged periodically along the measuring axis direction having a second pitch P2.
[Claim 6]
The illumination portion of Claim 1, wherein:
the illumination portion is arranged in the optical encoder; and
the illumination portion is configured to use an operational set of the individual sources which is approximately centered relative to the detector configuration along the measuring axis direction and which excludes at least one individual source proximate to an end of the addressable light source array.
[Claim 7]
The illumination portion of Claim 6, wherein the operational set of the individual sources is located off center relative to the addressable light source array.
[Claim 8]
The illumination portion of Claim 1, wherein:
the illumination portion is arranged in the optical encoder; and
the illumination portion is configured to use an operational set of the individual sources, wherein:
the individual sources of the operational set are periodically spaced according to an illumination pitch PMI along the measuring axis direction.
[Claim 9]
The illumination portion of Claim 8, wherein the individual sources include LEDs configured with a strip shape elongated along a direction transverse to the measuring axis direction and having a narrow dimension along the measuring axis direction, and reflective elements proximate to a substrate of the LEDs.
[Claim 10]
The illumination portion of Claim 8, wherein the scale grating has a scale pitch PSF along the measuring axis direction and the detector configuration comprises a set of optical detector portions having a detector pitch Pd along the measuring axis direction, and the illumination pitch PMI approximately satisfies an expression PMI = Pd*PSF/(Pd - PSF).  
[Claim 11]
The illumination portion of Claim 10, wherein the illumination portion outputs light with a wavelength λ and the illumination portion is spaced at a distance Zs from the scale grating along a direction transverse to the measuring axis direction, where the distance Zs satisfies an expression Zs = 2*PMI*PSF/λ.
[Claim 12]
The illumination portion of Claim 10, wherein the scale grating is spaced at a distance Zi from the detector configuration along a direction transverse to the measuring axis direction, where the distance Zi satisfies an expression Zi = Zs*PSF/(PMI - PSF).
[Claim 13]
The illumination portion of Claim 1, wherein the illumination portion is arranged in the optical encoder; and the optical encoder includes no light blocking element between the addressable light source array and the scale grating.
[Claim 14]
A method for providing first and second optical encoders, the method comprising:
providing a first optical encoder which comprises a first scale grating extending along a measuring axis direction, a detector configuration, and a first instance of a first illumination portion configuration comprising an addressable light source array which comprises individual sources arranged along the measuring axis direction and which is configured to provide at least a first addressable set and a second addressable set of the individual sources;
providing a second optical encoder which comprises a second scale grating different than the first scale grating, a detector configuration, and a second instance of the first illumination portion configuration;  and
operating the first instance of the first illumination portion configuration to illuminate the first scale grating using the first addressable set of the individual sources in the first optical encoder and operating the second instance of the first illumination portion configuration to illuminate the second scale grating using the second addressable set of the individual sources in the second optical encoder.
[Claim 15]
The method of claim 14, wherein:
the first scale grating of the first optical encoder is spaced at a first distance Z1 from the detector configuration along a direction transverse to the measuring axis direction; and
the second scale grating of the second optical encoder is spaced at a second distance Z2 from the detector configuration along the direction transverse to the measuring axis direction.
[Claim 16]
The method of claim 14, wherein the first and second optical encoders include no light blocking element between their addressable light source array and their scale grating.
[Claim 17]
A method for operating an optical encoder, the method comprising:
providing an optical encoder which comprises a scale grating extending along a measuring axis direction, a detector configuration, and an illumination portion comprising an addressable light source array which comprises individual sources arranged along the measuring axis direction, and which is configured to provide at least a first addressable set and a second addressable set of the individual sources; and
operating the illumination portion to illuminate the scale grating using an operational set of the individual sources which includes less than an entirety of the addressable light source array.
[Claim 18]
The method of claim 17, wherein operating the illumination portion using the operational set of the individual sources comprises adjusting or selecting the operational set of the individual sources to be approximately centered relative to the detector configuration along the measuring axis direction, and to exclude at least one individual source proximate to an end of the addressable light source array.
[Claim 19]
The method of claim 17, wherein the individual sources of the first addressable set and the second addressable set of the individual sources are arranged according to different illumination pitches, and operating the illumination portion using the operational set of the individual sources comprises adjusting or selecting the operational set of the individual sources to select an illumination pitch of the individual sources.
1. Abstract
An illumination portion for an optical encoder is disclosed.  The optical encoder comprises the illumination portion, a scale grating extending along a measuring axis direction and arranged to receive light from the illumination portion, and a detector configuration arranged to receive light from the scale grating.  The illumination portion comprises an addressable light source array.  The addressable light source array comprises individual sources arranged along the measuring axis direction.  The addressable light source array is configured to provide at least a first addressable set and a second addressable set of the individual sources.
2. Representative Drawing
Fig. 2
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