JP4399179B2 - 光学式変位検出装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式変位検出装置および方法に関し、特に、ミスアライメントに対して減少された感度で、回折格子の相対変位を検知するのに光ビームの干渉を利用する光学式変位検出装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式変位検出装置、すなわち光学式エンコーダは、実用的な高精度測定のために、これらのタイプの装置の設計者によって直面されている最重要課題のいくつかを克服することができるものとされている。光学式変位検出装置が例えばサブミクロンの分解能および精度での格子表面変位の高精度測定に使用されるならば、非常に高いレベルでそのような測定のいかなる歪も有効に排除または減衰させる必要がある。現在の光学式変位検出装置は、所望のレベルの精度および分解能でのそれらの測定値からある歪またはパラメータ変動の影響を経済的かつ実際に排除するかまたはかなり減少させることができない。そのような装置を使用する間に頻繁に遭遇する問題のうち、回折角における関連した変化、変化された光路、および異なる長さの２つの光路において起こる波長の数の変化などの問題が、測定を実行するのに使用される光源の波長の変化から生じ、それらは相対位相、干渉パターンに影響を与える。
【０００３】
他の問題は、非常に小さい格子周期に関連する。高い測定分解能を達成するために、できる限り短い格子周期ｄのスケール格子を使用することが好ましい。その下限値は、光源の波長λによって、式ｄ＞λ／２に従い、設定される。しかしながら、特別な設計対策が実施されない場合、そのような短いスケール格子周期を使用するエンコーダは、十分なヨー精度に調整することは非常に難しく、据え付ける間、高価な装置または過度の時間と注意が要求される。ヨーミスアライメントは、格子に平行な平面における格子に相対する光学読み取りヘッドの回転である。
【０００４】
ヨーミスアライメントのために、スケールから生じる所望の出力ビームは、もはや平行でなく、そして関連「歪」干渉縞が生成される。歪干渉縞周期が干渉ビームによって照らされる検知器領域の直径に対して非常に小さいならば、いくつかの歪縞周期が検知器領域内にあてはまるから、格子の動きによる信号の所望の変調は、非常に減衰し、そして、検知器信号は、これらの歪縞の一定な平均された強度となる傾向になるであろう。実用タイプの光学検知器と前述したλ／２限界値に近づく格子周期を使用するときにこの効果を達成するために、ヨーミスアライメントは、特別な設計対策なしに、０．１milliradiansより小さくしなければならない。このようなアライメント要求は、多数のユーザや用途に対して非実用的である。そのようなヨー問題を克服するために、U.S.P No.5,079,418（Dieter）およびU.S.P No.4,930,895（Nishimura）に示されるように、光学式エンコーダの光路上に再帰反射器を組み込むことが知られている。しかしながら、再帰反射器のそのような配置は、同時に、コンパクトで経済的な光学読み取りヘッドの設計およびパッケージと、光源の波長より大きい格子周期または小さい格子周期のいずれの工作物に対する汎用性と、ヨー以外のミスアライメントを含む各種パラメータ変動に対する測定不感知性とを考慮していなかった。こられの設計要素の全ては同時に考慮される必要があり、現在所望される測定分解能と精度を確実に達成するために、適切な代替案が選択される必要がある。
【０００５】
特に、動的位置ミスアライメントを含むパラメータ変動は、光学式変位検出装置における重要な誤差源である。ここで、動的ミスアライメントまたは変動は、一期間に亘り、一つの変位位置と他の変位位置の間または同じ変位位置で起こる調整部品またはパラメータにおける変化を意味する。実用化で導入される可能な動的位置ミスアライメントおよび変動の範囲の中では、読み取りヘッドと格子間のギャップ、ピッチ（格子に平行で測定軸に直角な軸周りの回転）、ヨー、ロール（測定軸に平行な軸周りの回転）における変化、および光源の波長における変動である。U.S.P No.5,146,085（Ishizuka）および前述の米国特許'895の両者は、ピッチに関連した誤差に比較的に不感知である光学読み取りヘッド構成を開示する。しかしながら、上記の同時考慮で言及した他の設計要素の考慮との組み合わせにおいて再帰反射器の位置決めを考慮するとき、これらの構成は、用途は広くないが、十分に強固なものである。従って、読み取りヘッドと格子の相対ピッチに関連する誤差感度は、実際の高分解能エンコーダ設計と用途において減少させるのが最も難しい誤差源のいくつかとして残る。
【０００６】
さらに、上記米国特許'085および'895の構成は、光ビームの発生に使用される光源のへの光ビームの反射によって生成される問題を持ち込み、光源の波長における不安定性に通じる。また、これらの構成は、光学検知器に利用可能な光を減衰させ、かつ検知器と使用されるための構成を制限または禁止するおよび／または比較的高いシステム電力所要量を課する偏光子を必要とし、用途上それらの使用を複雑にしたり、制限したりする。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１８９１７
【特許文献２】
特開２０００−６５５２９
【特許文献３】
特開２０００−８１３０８
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、コンパクトで経済的な設計とパッケージに適し、光源の波長より大きいおよび小さい両方の格子周期に適用するのに十分な汎用性を有し、実質的に同時に少なくとも動的ヨーおよびピッチミスアライメントを含む各種パラメータ変動に対して不感知である光学読み取りヘッド構成に向けられる。いくつかの構成は、また、検知器に利用可能な光の減衰を避けたり制限し、かつ／または光源への光ビームの反射を避ける。
【０００９】
すなわち、本発明は、コンパクトで経済的かつ汎用性がある構成を有する従来の光学式変位検出装置の不利を克服し、使用される光源の波長より大きいおよび未満の両方の格子周期に適用可能であって、実質的に同時に、少なくとも動的ヨーとピッチミスアライメントを含む各種パラメータの変動に対して不感知である光学式変位検出装置および方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、測定軸に沿って形成された格子を有するスケールの前記測定軸に沿った相対変位を測定するための光学式変位検出装置であって、スプリット光ビーム入力部と、２つ以上の光ビーム指向要素と、２つ以上の再帰反射要素と、光検出器とを備え、前記スプリット光ビーム入力部は、２つのスプリット光ビームをそれぞれの光路に沿って入力するように位置決めされ、前記２つ以上の光ビーム指向要素は、２つのスプリット光ビームをそれぞれの光路に沿って受け入れ、前記２つのスプリット光ビームをそれぞれの収束光路に沿って前記スケール格子上の第１ゾーンに向けて導くように位置決めされ、前記２つのスプリット光ビームは、第１ゾーンから、前記２つ以上の再帰反射器に入るように分岐するそれぞれの光路に沿って２つの回折光ビームを生じ、前記２つ以上の再帰反射要素は、前記第１ゾーンからの２つの回折光ビームを受け入れ、２つの再帰反射された光ビームをそれぞれの収束光路に沿って前記スケール格子上の第２ゾーンに向けて再帰反射するように位置決めされ、前記２つの再帰反射された光ビームは、第２ゾーンからのそれぞれの光路に沿って２つの後の回折光ビームを生じ、前記それぞれの光路はそれぞれの光ビーム指向要素によって受け入れられるように分岐し、共有ゾーンに入るように導かれ、前記光検出器は、前記共有ゾーンから生じる少なくとも１つの照明特性を検出し、該検出された少なくとも１つの照明特性は前記スケールの相対変位を求めるのに使用されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記目的を達成するため、測定軸に沿って形成された格子を有するスケールの前記測定軸に沿った相対変位を測定するための光学式変位検出方法であって、光源から光ビームを光ビームスプリッティング要素に伝送し、２つのスプリット光ビームを生成し、前記２つのスプリット光ビームを、それぞれの収束光路に沿って前記スケール格子上の第１ゾーンに向けて導き、前記２つのスプリット光ビームを回折し、２つの回折光ビームを、それぞれの再帰反射器に入るように分岐するそれぞれの光路に沿って生成し、前記２つの回折光ビームを２つの再帰反射ビームとして、それぞれの収束光路に沿って前記スケール格子上の第２ゾーンに向けて再帰反射し、前記２つの再帰反射ビームを回折し、２つの後の回折光ビームを、前記第２ゾーンから、それぞれの光ビーム指向要素によって受け入れられるように分岐するそれぞれの光路に沿って生成し、前記２つの後の回折光ビームを共有ゾーンに入るように導き、前記共有ゾーンから生じる少なくとも１つの照明特性を検出し、前記検出された前記少なくとも１つの照明特性は、前記スケールの相対変位を求めるのに使用可能であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
本発明は、コンパクトで比較的経済的に構成し、そして実質的に同時に少なくとも動的ヨーとピッチミスアライメントを含む各種パラメータの変動に対して不感知である高分解能変位検出装置すなわち光学式エンコーダを提供する。この構成は、使用される光源の波長より大きいおよび未満の両方の格子周期に適用可能である十分な汎用性を有する。
【００１４】
図１は、第１の従来の光学式変位検出装置における光路の側面図である。図中の光線の分離は、明快にするために誇張されている。相対変位軸および／または測定軸方向１０１が示されている。入力光線１００ａおよび１００ｂが源であるビームが読み取りヘッド格子１０２に向けて伝送される。読み取りヘッド格子１０２は、透過型回折格子である。光線追跡処理は位置１１０で開始され、該位置は入力光線１００ａおよび１００ｂが同じ光学位相を有する波面である。波面における光線の開始点は、システムを通して追跡されたときに、両方の光線が同一の出力検出点１０６に到達するように、選択される。
【００１５】
光線１００ａは、偏光点Ｘ４で回折されて、光線ｎ４、選択された回折次数を生成する。光線ｎ４は、反射点Ｘ５でスケール表面１０４から回折され、回折光線ｎ５を形成する。回折光線ｎ５は、スケール表面１０４と読み取りヘッド格子１０２の間のギャップ（隙間）に伝送される。次に、回折光線ｎ５は、読み取りヘッド格子１０２を通して伝送点Ｘ６に伝送され、出力検出点１０６に伝送される０次の伝送光線ｎ６を生成する。同様に、入力光線１００ｂは、読み取りヘッド格子１０２を通して伝送点Ｘ１に伝送されて０次の伝送光線ｎ１を生成し、次に、この伝送光線ｎ１は、読み取りヘッド格子１０２とスケール表面１０４の間のギャップ（隙間）に伝送される。光線ｎ１は、反射点Ｘ２でスケール表面１０４から回折されて、光線ｎ２、選択された回折次数（diffraction order）を生成する。光線ｎ２は、偏光点Ｘ３で読み取りヘッド格子１０２から回折され、光線Ｎ３を生成する。次に、光線ｎ３は、出力検出点１０６に伝送される光線ｎ６と平行またはほぼ平行な方向に伝送される。偏光点Ｘ１およびＸ４は同一の点としてもよいし、偏光点Ｘ３およびＸ６は同一の点としてもよい。
【００１６】
図１に示す従来の構成は、動的ミスアライメントの影響を克服するための改良がない状態で存在する基本的な問題を明らかにしようとする。請求の範囲に記載されている発明の１つの主目的は、静的および動的ミスアライメントの様々な組み合わせを排除する一方、正確な出力ビーム信号と関連する測定値を提供することにある。本発明によって克服すべき動的ミスアライメントの潜在源の中には、目標物に対する変位検知装置の移動中における軸受欠点によるミスアライメントと、格子の表面のそりおよびうねりから生じるミスアライメントによるミスアライメントとがある。そりおよびうねりは、例えば、装着部材の表面歪に従う測定スケールから生じると同様に、測定スケールおよび／または測定スケールを目標物または中間装着部材に付着する接着層の厚さ変化から生じる。図１は、読み取りヘッド格子１０２および／または角度１０８で測定軸方向１０１に対して平行な初期または理想表面から上げられたスケール表面１０４を示す。角度１０８は、光学式変位検出装置に対するスケール表面１０４の動的ピッチミスアライメントを表す。
【００１７】
例えば反射点Ｘ２とＸ５間の高さにおける変化を生成する歪、熱変形、または変位による角度１０８の動的ピッチミスアライメントは、光線が格子と交差する点Ｘ１−Ｘ６の位置を変えるであろう。光線が格子と交差する位置の変化は、２つの光線ｎ３とｎ６の間の位相差における変化を生成し、これは、測定軸方向１０１に沿ったスケール表面１０４の対象とする変位による位相差におけるいかなる変化とも区別できないであろう。誤差は、スケール表面１０４の変位の連続した測定値の間で遭遇する動的ミスアライメントの大きさに比例するであろう。代替構成には、図１に示す従来技術の構成を有する装置で測定を行うときに生じる動的ミスアライメントから生成されるそのような誤りを克服することが要求される。
【００１８】
図２は、第２の従来の米国特許'085に開示されている光学式変位検出装置の側面を示す概略図である。図２において、符号１はレーザダイオードを備える光源を示し、符号２はコリメータレンズを示し、符号９は偏光ビームスプリッタを示し、符号５は線形スケールまたは回転スケール上に形成されたピッチＰを有する回折格子を示し、符号６１および６２はミラーを示し、符号７Ａおよび７Ｂは１／４波長板を示し、符号６は非偏光ビームスプリッタを示し、符号７１および７２は偏光子（偏光板または偏光ビームスプリッタなど）を示し、符号８１および８２は受光素子を示す。光源１から照射された波長λのレーザビームは、コリメータレンズ２によって収束され、平行光ビームが偏光ビームスプリッタ９に入射し、それによって、それは偏光方位が互いに直交する２つの光ビームＲ１およびＲ２に分割される。光ビームＲ１は、偏光ビームスプリッタ９によって反射されたＳ偏光であり、光ビームＲ２は、ミラー６２を介して形成された光学路Ｌ２に沿って進む。光ビームＲ１およびＲ２は、１／４波長板７Ａおよび７Ｂを通過し、その後、それらはθo=θb=sin-1(λ/2P)の入射角で回折格子５上の位置Ｐ１に入射し、光ビームＲ１およびＲ２は回折格子５によって反射され、回折されて得られる。光ビームＲ１の＋１次回折光（Ｒ１＋）および光ビームＲ２の１次回折光（Ｒ２）は、それぞれ、１／４波長板７Ａおよび７Ｂを通して、元の光路Ｌ１およびＬ２に向けて進む。光路Ｌ１に沿って逆に進む＋１次回折光と光路Ｌ２に沿って逆に進む１次回折光は、それぞれ、ミラー６１および６２によって反射され、偏光ビームスプリッタ９に導かれ、偏光ビームスプリッタ９によって一方が他方へ再び重ね合わされる。＋１次回折光は１／４波長板７Ａの作用によってＳ偏光にされ、それによって、これらの光ビームは、損失なしで互いに重なる一方、偏光ビームスプリッタ９から現れる。重なり合った２つの光ビームは、１／４波長板５３を通過して円偏光になる。
【００１９】
この後、光ビームは非偏光ビームスプリッタ６によって光量が等しい２つの光ビームに分けられる。特定の偏光成分のみが偏光素子７２の使用によって分離されて２つの光ビームの１つから取り出され、受光素子８２に入射させられ、特定の偏光成分のみが偏光素子７１の使用によって分離されて他方の光ビームから取り出され、受光素子８１に入射させられる。周期信号が、それぞれスケールの変位に一致させて受光素子８２および８１から出力される。周期信号は、当業者に知られている方法に従った「求積法」で出力される。図２に示す構成の構造と操作は、さらに詳細に米国特許'085に記載されている。
【００２０】
図２に示す従来の構成は、実質的に、図１に関して前述した動的ピッチミスアライメント感度を排除する。しかしながら、上記構成には好ましくない制限がある。この構成は、ヨー感度を減少させるための手段を含んでいない。ヨーミスアライメントに関して、スケールから戻る出力ビームはもはや平行ではなく、光検出仕組みによって提供される信号は小さいヨーミスアライメントで大きな誤差を生成する。従って、上記構成は強固でなく、設置と使用において好ましくないレベルの対処を必要とする。これは、前述したように、回折格子５のピッチＰが小さくされるときに特に事実である。さらに、０次ビームは、位置Ｐ１での反射によって反対の光路に交差する。従って、交差ビームは、望まれずに、上述した望ましい回折ビームに結合される。上記交差ビームからの光は、偏光ビームスプリッタ９の効果によって、それぞれの光路から取り除かれる必要がある。従って、上記構成は、いくつかの状況で望まれていないエンコーダ読み取りヘッド製作および／または組立制約を課す偏光子を使用しなければならない。また、光エネルギは消費される。さらに、開示されている構成は平面上に置かれ、スケールに垂直である。従って、反射されて回折された光の一部は、光源に戻され、光源の不安定性を起こす。さらに、波長λと格子ピッチＰは、いくつかの状況で望まれていないエンコーダ読み取りヘッドパッケージおよびサイズ制約を課す入射角を完全に決定する。代替構成にはそのような好ましくない制限を克服することが要求される。
【００２１】
図３は、米国特許'085に開示されている第３の従来の光学式変位検出装置を概要的に示す側面図である。図３において、符号１は半導体レーザを示し、符号２はコリメータレンズを示し、符号９は偏光ビームスプリッタを示し、符号５はピッチＰの回折格子を有する光学スケールを示し、符号６１および６２は反射ミラーを示し、符号８Ａおよび８Ｂは１／４波長板を示し、符号６はビームスプリッタを示し、符号７１および７２は偏光軸が互いに４５の角度を形成する偏光板を示す。符号８１および８２は、光電子的に干渉縞を変換する受光素子を示す。符号１１は反射フィルム１２を担持する指数分布型棒状レンズを示し、それらは共に反射要素２０を構成し、反射要素２０に入射された光は実質的に光路に沿って戻される。半導体レーザ１からのコヒーレント光ビームはコリメータレンズ２によって平行にされて偏光ビームスプリッタ９に入射し、それによって、光ビームは偏光が互いに直交する伝送されたおよび反射された光ビームに分割される。伝送されたおよび反射された光ビームは、それぞれ、１／４波長板８Ａおよび８Ｂを通して円偏光になり、反射ミラー６２および６１によって反射され、位置Ｐ１で光学スケール５に間接的に入射させられるので、光学スケール５からのｍ次回折光が光学スケール５の格子表面から垂直に実質的に現れる。すなわち、各光ビームは、θm〜sin 1(mλ/P)となるように、光学スケール５に入射させられる。ここで、Ｐは格子ピッチ、λは半導体レーザからの光の波長、ｍは整数、θｍは光ビームから回折格子表面に対する垂線までの入射角である。回折格子から垂直に実質的に現れる回折光は、共通の光路を形成し、回折光が元の光路に沿って戻るように反射される反射要素２０に入射し、反射ミラー６１および６２によって反射され、１／４波長板８Ａおよび８Ｂを通して伝送され、再び偏光ビームスプリッタ９に入射する。回折光は偏光ビームスプリッタ９から重ねられて現れ、１／４波長板５３を通して互いに反対の方向の円偏光にされる。
【００２２】
この後、重ねられた光は、それぞれ、ビームスプリッタ６によって２つの光ビームに分けられ、偏光板７２および７１を通して直線偏光にされ、次いで、受光素子８２および８１に入射される。周期信号が、それぞれ、スケールの変位に一致して、受光素子８２および８１から出力される。周期信号は、当業者に知られている方法に従った「求積法」での出力である。受光された光は、一度は反射要素２０に入射する前に、もう一度はその後で、ｍ次光として光学スケール５によって２度回折されているので、格子が１ピッチ増分値で動くとき、周期信号は４ｍの周期を受ける。図３に示す構成の構造と動作は、米国特許'895により詳細に記述されている。
【００２３】
図３に示す従来技術の構成は、実質的に、図１に関して前述した動的ピッチミスアライメント感度を排除する。さらに、上記構成は、実質的に、再帰反射器の１つのタイプである反射要素２０の効果を通して、ヨー感度を排除する。それにもかかわらず、上記構成には、１つの追加された主要制約と同様に、図２に関して前述した他の好ましくない制約の全てがある。上記追加された主要制約は、上記構成が光の波長λより小さい格子ピッチＰで動作しないことである。すなわち、この状況において、必要な式θm〜sin 1(mλ/P)の式に対する解法はない。さらに、上記構成が動作可能であるときでさえ、０次ビームおよび位置Ｐ１での反射による反対の光路への「交差」ビームと、回折光は、別の方法で、反射要素２０へおよびそれからの共通路上で混ぜられる。従って、「交差」ビームは、望まれずに、望ましい回折光と結合される。交差ビームからの光は、偏光ビームスプリッタ９の効果によってそれぞれの光路から取り除かれる必要がある。従って、上記構成は、いくつかの状況で望まれていないエンコーダ読取ヘッド製作および／または組み立て制約を課す偏光子を使用しなければならない。光エネルギは、また、消費される。さらに、開示された構成は、スケールに垂直な平面上に置かれる。従って、反射および回折光の一部は光源に戻され、光源の不安定性を招く。さらに、波長λおよび格子ピッチＰは入射角を決定し、この入射角は、いくつかの状況で求められていないエンコーダ読取ヘッドパッケージおよびサイズ制約を課す。全ての代替構成は、そのような望ましくない制限を克服することが要求される。
【００２４】
以下に述べる本発明の原理による様々な具体例においては、本発明を説明し明確にするために必要である、動作可能な光ビームおよび／または光路のみが示される。しかしながら、評価すべきは、以下の各種ビームスプリット要素および格子は、本発明による各種操作可能な光路構成から失われる各種の他のスプリットビームおよび／または回折光ビーム次数を増加させる。このような失われた光路および／またはビームは、全般に、特定の実施形態における光源波長の乱れまたは交差光に対するそれらの可能性を除いて、示されないかまたは議論されない。従って、簡素化、明確化のために、「光ビーム（light beam）」または「光路（light path）」などの用語は、他の方法で示されない場合、ここでは、本発明の原理による共有ゾーンで最終的に検出される光を導く動作可能な光ビームまたは動作可能な光路を引用するのに用いられる。本発明による様々な具体例において提示される各種の他の失われた光路および／またはビームは、当業者には明らかであろう。以下に述べられ請求された動作可能な光路および／またはビームに加えて、そのような失われた光路および／またはビームは、それらが詳細に示されているか否かに関わらず、本発明による様々な実施形態において示されることを理解されるべきである。
【００２５】
図４は、本発明の第１実施形態に従った光学式変位検出装置構成の三次元概念図である。第１実施形態は、包括的な実施形態として述べられ、図４に示す特定の例示的な要素を含むかもしれない。次の議論の包括部分は、多数の構成を示しており、それらは、要素と特定要素からのサイズと図４に示すサイズとの組み合わせにおいて異なる。従って、図４は次の議論の総括部分の意味および意図に関して制限するものとして解釈されるべきではない。
【００２６】
図４は、エンコーダ読取ヘッド構成４００を示す。この実施形態は、様々なミスアライメントおよび動的ミスアライメントに実質的に鈍感であるが、エンコーダ読取ヘッドにおいて簡素で経済的な方法で様々な光学部品を位置決めし、製作し、組み立てすることに対して十分なフレキシビリティを提供する実用的な構成である。エンコーダ読取ヘッドは、スプリット光ビーム入力部４１０、光ビーム指向要素４２０および４２１、再帰反射器４４０および４４１、共有ゾーン４５０、および１つ以上の電源および／または信号接続部４６１を有する光検出器４６０を含む。また、上記構成は、スケール格子４３０、格子スケール上の第１ゾーン４３１、および格子スケール上の第２ゾーン４３２を含む。
【００２７】
図４に示す実施形態において、スプリット光ビーム入力部４１０は、光源４１２およびビームスプリッティング要素４１５を含む。光源４１２は、コヒーレント光を放射し、そして様々な実施形態において、光源４１２はコリメーティング要素を含み、平行光を放射する。本発明による様々な実施形態において、光源４１２は、遠隔にある光源から光を伝送するファイバオプティクス要素、若しくはエンコーダ読取ヘッドに含まれる発光ダイオードまたはレーザダイオードであってもよい。様々な実施形態において、レーザダイオードが、放射光のより長い干渉長のため使用される。様々な実施形態において、垂直空洞表面放射レーザダイオードが放射波長のより優れた温度安定性のため使用される。ビームスプリティング要素４１５は、光源４１２からの光ビーム４０１を受光し、周知の光学原理に従って、２つのスプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂをそれぞれの光路にそれぞれ沿って生成し、それらをエンコーダ読取ヘッド構成４００の残り部分に入力する。
【００２８】
図４に示す実施形態において、ビームスプリティング要素４１５は、光ビーム４０１によって照射される第１の部分を有する読取ヘッド格子として概念的に描かれている。しかしながら、この実施形態と他の様々実施形態において、光ビーム４０１によって照射されるビームスプリティング要素４１５は、より一般的には、現在公知または後に開発されるライトビームスプリッティング要素、またはこれらの組み合わせを表すことを意図し、これは適切に配置された「半銀メッキ」ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタまたはそれらの一部、若しくは１つの格子または複数の格子などの一部など、以下に述べられ図１１および図１２に示される構成を含み、本発明の原理に従いスプリット光ビームを生成するように動作可能である。
【００２９】
さらに、様々な実施形態において、公知の光学的小型化、組立技術に従って、スプリット光ビーム入力部４１０は、光源４１２およびビームスプリッティング要素４１５を分割要素として識別することが困難またはできないように、光源、コリメーション、ビームスプリッティングおよび偏光機能を単一の一体的光要素または組立部品に組み込む。
【００３０】
スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、ビーム指向要素４２０および４２１によってそれぞれの光路に沿って導かれるので、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは格子スケール上の第１ゾーン４３１近傍に収束する。図４に示す実施形態および他の様々実施形態において、光ビーム指向要素４２０および４２１は例えば平面鏡としてそれぞれ表され、各平面鏡はそれぞれスプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂを各平面鏡の第１部分から一度反射する。しかしながら、より一般的には、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂによって照射される光ビーム指向要素４２０および４２１のそれぞれは、公知または後に開発される光ビーム指向要素または要素の組み合わせでもよく、それらは、適切に配置されたミラーおよび／または格子の一部または複数の格子などであり、１つ以上の反射器または偏光子を通して、光ビーム４０１ａおよび４０１ｂをそれぞれの光路に沿って導いて第１ゾーン４３１近傍に収束するように動作可能である。
【００３１】
第１ゾーン４３１は、光ビーム４０１ａおよび４０１ｂが名目上調整されたスケール格子４３０上で照射する光点を制限する測定軸方向１０１に沿った寸法を有するスケール格子４３０の名目上の平面上の名目上のゾーンである。一般に、ピッチミスアライメントおよび動的ピッチミスアライメントに関する誤差を最小にするための本発明による各種エンコーダ読取装置構成の能力は、測定軸方向１０１に沿って第１ゾーンの寸法が減少するのに応じて改善される。従って、測定軸方向１０１に沿った第１ゾーンの寸法は、ピッチミスアライメントおよび動的ピッチミスアライメントに関する誤差を減少することと本発明による特定の実施形態の他の設計目的を達成することの間の適切なバランスを一般に提供する。様々な実施形態において、測定軸方向１０１に沿った第１ゾーンの寸法は、例えば、以下に図２４（ａ）〜（ｃ）を参照して述べるように、様々な回折されたおよび反射された光ビームとエンコーダ読取ヘッドの各種要素との間のクリアランスを提供するように、より長い。他の様々な実施形態において、測定軸方向１０１に沿った第１ゾーンの寸法は、測定軸方向１０１に沿った名目上のスポット長の４倍に等しいか小さい。次に、例えば名目上のスポット長について図１６を参照しながら述べる。静的および動的ピッチミスアライメントに対する感度は、第１ゾーン４３１上のスポット間の距離に主に関連する。従って、本発明の原理に従って光ビーム４０１ａおよび４０１ｂが第１ゾーン４３１における名目上調整されたスケール格子４３０上を照射した場合でも、設計上の選択または各種ミスアライメントにより、光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、スケール格子４３０上を照射する前そして第１ゾーン近傍に収束した後の小さい距離で実際に分岐する。
【００３２】
光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは第１ゾーン４３１に入射し、それぞれ回折された光ビーム４０２ａおよび４０２ｂを発生し、回折された光ビームは、第１ゾーン近傍で分岐されるそれぞれの光路に沿って回折されたそれぞれの回折次数のものである。再帰反射器４４０および４４１は、それらのそれぞれの光路に沿ってそれぞれ回折された光ビーム４０２ａおよび４０２ｂを受光する。光ビーム４０１ａおよび４０１ｂがスケール格子４３０上を照射する前そして第１ゾーン近傍に収束した後の小さい距離で実際に分岐する場合、本発明の原理によれば、回折された光ビーム４０２ａおよび４０２ｂが再帰反射器４４０および４４１によって受光されるようにそれぞれの光路に沿って第１ゾーン近傍で分岐するにも拘らず、補足的な方法で、回折された光ビーム４０２ａおよび４０２ｂは、実際にスケール格子４３０から離れる後そして第１ゾーン近傍で分岐する前に小さい距離で収束する。
【００３３】
再帰反射器４４０および４４１は、それぞれ、回折された光ビーム４０２ａおよび４０２ｂを、それぞれの光路に沿って受光し、それらを光ビーム４０２arおよび４０２brとして反射する。従って、本発明の原理によれば、光ビーム４０２arおよび４０２brの光路は、回折された光ビーム４０２ａおよび４０２ｂの光路に平行である。その結果、本発明の原理によれば、例示的なエンコーダ読取ヘッド構成は、実質的に、ヨーミスアライメントと動的ヨーミスアライメントに関連する誤差を感知しない。図４に示す再帰反射器４４０および４４１は、典型的なコーナキューブタイプの再帰反射器によって表される。しかしながら、キャッツアイタイプの再帰反射器、またはいかなる公知または後に開発されるタイプの再帰反射器は、本発明の原理に従って操作可能であれば、使用されるかもしれない。
【００３４】
様々な実施形態において、回折された光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに関する再帰反射器４４０および４４１の位置に応じて、光ビーム４０２arおよび４０２brの光路は、それぞれ、オフセット、すなわち図４に示すように測定軸方向１０１を交差する方向、または測定軸方向１０１に沿った方向、または両方の方向に、回折された光ビーム４０２aおよび４０２ｂから分離される。そのようなオフセットは、本発明による様々な実施形態における光源への再入射および光源不安定性の発生を防止し、また、本発明による様々な実施形態において「交差ビーム」を排除することを助ける。従って、図１および２を参照して前述した従来技術の構成において提示されたこれらの問題は、例示したエンコーダ読取ヘッド構成４００において、そして、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対する再帰反射器４４０および４４１の配置によるそのようなビーム分離オフセットを含む本発明による様々な他の実施形態において、それぞれ、避けられるかもしれない。本発明によるそのような実施形態は偏光子を含む必要はなく、従って、いくつかの状況における求められていないエンコーダ読取ヘッド製作および／または組立の制約が避けられる。しかしながら、偏光子は、例えば、特定の実施形態における特定の光検出器４６０との互換性を望まれるとき、オプションでそのような実施形態に含まれてもよい。
【００３５】
いかなる場合でも、光ビーム４０２arおよび４０２brは、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂの光路に平行な光路に沿って再帰反射され、従って、第１ゾーン４３１近傍の光ビーム４０１ａおよび４０１ｂの収束と同様の形態で第２ゾーン４３２近傍で収束する。
【００３６】
第２ゾーン４３２は、第１ゾーン４３１と同様に、光ビーム４０１arおよび４０１brが名目上調整されたスケール格子４３０上で照射する光点を制限する測定軸方向１０１に沿った寸法を有するスケール格子４３０の名目上の平面上の名目上のゾーンである。ピッチミスアライメントおよび動的ピッチミスアライメントに関する誤差を最小にするための本発明による様々なエンコーダ読取装置構成の第２ゾーン４３２に関連する設計上の考慮すべき事項と能力は、第１ゾーン４３１に関して前述したものと同様である。測定軸方向１０１に沿った第２ゾーン４３２の寸法は、第１ゾーン４３１の寸法と類似して決定される。前述したように、様々な実施形態において、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対する再帰反射器４４０および４４１の位置に応じて、光ビーム４０２arおよび４０２brの光路は、それぞれ、オフセット、すなわち、図４に示すように測定軸方向１０１を交差する方向に回折された光ビーム４０２ａおよび４０２ｂから分離される。このような場合、第２ゾーンは第１ゾーン４３１に類似する寸法を有し、図４に示すように測定軸方向１０１に交差する方向に第１ゾーン４３１からオフセットされ、光ビーム４０２arおよび４０２brの光路のオフセットに対応する。より一般的には、様々な実施形態において、第２ゾーン４３２は、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対する光ビーム４０２arおよび４０２brの光路のいかなるオフセットと同じ方向に第１ゾーン４３１からオフセットされる。さらに、本発明による様々な実施形態において、光ビーム４０２arおよび４０２brの光路は、完全にまたは部分的に、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂの光路と重なるかもしれず、そして、そのような場合、第２ゾーン４３２は、同様に、完全にまたは部分的に、第１ゾーン４３１に重なるかもしれない。
【００３７】
再帰反射された光ビーム４０２arおよび４０２brは第２ゾーン４３２に入射し、それぞれ、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを発生し、それらは第１ゾーン４３１近傍での光ビーム４０２ａおよび４０２ｂの分岐と同様の形態で第２ゾーン４３２近傍で分岐するそれぞれの光路に沿ってそれぞれの回折次数で回折されたものである。そして、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、光ビーム指向要素４２０および４２１によって導かれ、その結果、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、ビームスプリッティング要素４１５近傍で収束される。
【００３８】
図４に示す実施形態および様々な他の実施形態において、光ビーム指向要素４２０および４２１は模範的な平面ミラーとして表され、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、それぞれ、照射され、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂによって照射される第１部分を有する同一平面ミラーの第２部分から一度反射される。しかしながら、前述したように、本発明による様々な実施形態において、光ビーム４０２arおよび４０２brは、完全にまたは部分的に、回折光ビーム４０２aおよび４０２ｂの光路に重なり、そして、そのような場合、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂの光路は、完全にまたは部分的に、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂの光路に重なるかもしれない。そのような場合、前述した各平面ミラーの第２および第１部分は、同様に、完全にまたは部分的に重なる。より一般的には、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂによって照射される光ビーム指向要素４２０および４２１は、ビームスプリッティング要素４１５近傍で収束するように１つ以上の反射器または偏光子を介して操作可能であって後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂに導く適切に配置されたミラーおよび／または格子または多段の格子などの部分など、公知またの後に開発される光ビーム指向要素または要素の組み合わせでもよい。
【００３９】
ビームスプリッティング要素４１５は、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを受光し、図４に示すように、公知の光学原理に従い後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを共用ゾーン４５０において一直線または一直線に近い状態になるに少なくとも１つのビームを反射または回折する。そして、一直線またはほぼ一直線にされた後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、適切に選択された光検出器４６０に入射する。
【００４０】
図４および他の様々な図に示すように、ビームスプリッティング要素４１５は概念的に読取ヘッド格子要素として表され、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂはそれぞれ光ビーム４０１によって照射される第１部分を有する同一の読取ヘッド格子要素の第２部分を照射する。さらに、図４において、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、部分的に、共有ゾーン４５０において一直線にされて示されている。典型的な読取ヘッド格子要素の構造および動作は、本図と一致し、以下に、図１１（ｂ）または（ｃ）を参照して述べる。しかしながら、本実施形態および他の様々な実施形態において、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂによって照射されるビームスプリッティング要素４１５は、より一般的には、公知または後に開発されるライトビームスプリッティング要素または要素の組み合わせを表すことを意図し、これは適切に配置された「半銀メッキ」ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタまたはそれらの一部、若しくは１つの格子または多重格子などの一部など、以下に述べられ図１１（ａ）〜（ｅ）および図１２（ａ）〜（ｄ）に示される構成を含み、本発明の原理に従いスプリット光ビームを生成するように動作可能である。
【００４１】
後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを共有ゾーン４５０において一直線またはほぼ一直線の状態にする様々な代替方法は、それぞれの適切に選択された光検出器の動作と同様に、当業者にとっては明らかであろう。また、各種ビーム配列および検出技術の適用可能な記述は、さらに以下の関連した記述に含まれていると同様に、図１および２と米国特許'895、'085および'833の記述に含まれている。共有ゾーン４５０において一直線または部分的に一直線にされたビームは、エンコーダ読取ヘッドとスケール格子４３０の間の相対変位に一致しながら周期的に変化する共有ゾーンにおける照明特性をもたらす。共有ゾーン４５０における一直線または部分的に一直線にされたビームは、それぞれスケール４３０によって２度回折され、一度は反射要素４４０または４４１に入射する前に、一度はその後に、そして、格子スケール４３０が１ピッチ増分によって移動されるとき、共有ゾーンにおける照明特性は、４周期的サイクルを受ける。
【００４２】
本発明による様々な実施形態において、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂからの光のある部分は、ビームスプリッティング要素４１５の動作によって失われるかもしれない。そのような消失した光は、象徴的に、図４に示す消失した光４９９によって示される。しかしながら、ここで述べたように光源４１２の安定性の可能外乱を除いて、そのような消失した光は、本発明の動作に重要でない。前述したように、一般に、消失された光は、それが特定の実施形態において光源外乱または交差光に関連していない場合、ここでは議論されない。
【００４３】
図４に示す実施形態および他の様々な実施形態において、ビーム４０１ａ，４０１ｂ，４０３ａおよび４０３ｂに関連する典型的なビーム路は、測定軸方向１０１に平行に配置された平面から離れてそれぞれの第１方向に傾き、スケール格子４３０の名目上の平面に垂直である。しかしながら、本発明の原理による他の様々な実施形態において、同時にコンパクト設計およびパッケージを容易にするとともに、これらの傾斜は、様々な実施形態において示されるより大きくまたは小さくすることができ、それでも好ましくない各種光ビームの混合または交差を防止することができる。
【００４４】
図５は本発明の２実施形態に係る光学式変位検出装置の三次元的概念図である。図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ、図５に示す光学式変位検出装置の側面図、上面図および端面図である。図５および図６（ａ）〜（ｃ）において、明らかに一致する要素および／または同一の符号を有する要素は、別段指示されていない場合、図４を参照して前述したように配置され動作する。図４を参照した全般的な議論は、別段指示されていない場合、図５および図６（ａ）〜（ｃ）に対して対応する態様で適用される。さらに、図５および図６（ａ）〜（ｃ）において、前述した全般または特定の要素に明らかに対応するいくつかの要素の符号は、それらの配置および動作が既に明らかであり、図５および図６（ａ）〜（ｃ）を参照してさらに述べられないから、省略される。逆に、図５および図６（ａ）〜（ｃ）において、関連する記述があるかまたは図５および図６（ａ）〜（ｃ）が要素を明確にするのに役立つ場合、要素の符号は一般的に繰り返され、付加される。
【００４５】
図５および図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態は、各種ミスアライメントおよび動的ミスアライメントを実質的に感知しない実際の構成であり、まだエンコーダ読取ヘッドにおいてコンパクトで経済的な方法で各種光学要素を位置決めし、製作し、組み立てるための実質的なフレキシビリティを供給する。図５は、レーザダイオード光源４１２Ａおよびビームスプリッタ４１５Ｘを含むスプリット光ビーム入力部４１０、格子ピッチＰを有するスケール格子４３０、共有ゾーン４５０、および、１つ以上の電源および信号コネクタ４６１を有する光検出アセンブリ４６０Ａ（象徴的に示す）を強調する。様々な実施形態において、ピッチＰは０．４μｍに選択されている。しかしながら、様々な実施形態において、ピッチＰは、０．４μｍ未満から数ミクロンまでの範囲から選択してもよい。
【００４６】
レーザダイオード光源４２１Ａは電力を受けてコヒーレント光を放射し、そして様々な実施形態において、集積コリメート要素を含み、平行光を放射する。様々な実施形態において、レーザダイオード光源４１２Ａは、６３５ｎｍの波長を有する光を放射するように選択され、他の様々な実施形態においては、４０５ｎｍの波長を有する光を放射するように選択されるが、いかなる有用な波長が用いられてもよい。様々な実施形態において、垂直空洞表面放射レーザダイオードがレーザダイオード光源４１２Ａに使用される。ビームスプリッタ要素４１５Ｘは、レーザダイオード光源４１２Ａからの光ビーム４０１を受光し、公知の光学原理に従って２つのスプットビーム４０１ａおよび４０１ｂを生成する。
【００４７】
図５および図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態および他の様々な実施形態において、例示したビームスプリッタ４１５Ｘは、光ビーム４０１によって照射される第１部分を有する図１２（ｃ）または（ｄ）を参照して以下に述べるビームスプリッタの１つ、または同様の機能を提供する公知のまたは後に開発される偏光ビームスプリッタなどのビームスプリッタである。しかしながら、他の様々な実施形態において、光ビーム４０１によって照射されるビームスプリッタ４１５Ｘは、適切に配置された「半銀メッキ」ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタまたはそれらの一部など、公知のまたは後に開発されるビームスプリッタ要素または要素の組み合わせでもよく、それは、図１２（ａ）〜（ｄ）に示し以下に述べる構成を含み、本発明の原理に従ってスプリッと光ビームを生成するように動作可能なものであり、そして、また特定の実施形態のために選択された特定光検出器タイプに接続されて使用可能なものである。
【００４８】
ビームスプリッタ要素４１５Ｘは、前述したように、２つのスプッリト光ビーム４０１ａおよび４０１ｂをエンコーダ読取ヘッド５００の残り部分に入力する。さらに、図６（ａ）〜（ｃ）は、前述した一連の光ビーム４０１，４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂ，４０２ar，４０２br，４０３ａおよび４０３ｂ向けの１つの例示的な通路構成を明確にする。
【００４９】
図６（ａ）に最も良く示されるように、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、ビームスプリッタ４１５Ｘ近傍で収束する。ビームスプリッタ４１５Ｘは、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを受光し、それらをそれぞれ共有ゾーンに一直線にして反射し伝送する。さらに、ビームスプリッタ４１５Ｘは、共有ゾーンに一直線にして反射、伝送された光ビームが互いに直交偏光されるように動作する。そして、一直線上の直交偏光されたビームは、光検出アセンブリ４６０Ａに入射する。
【００５０】
図５および図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態および他の様々な実施形態において、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、光ビーム４０１によって照射される第１部分を有する同一のビームスプリッタ４１５Ｘの第２部分をそれぞれ照射する。しかしながら、他の様々な実施形態において、光ビーム４０３ａおよび４０３ｂによって照射されるビームスプリッタ／コンバイナは、適切に配置された「半銀メッキ」ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、またはそれらの一部など、公知のまたは後に開発される光ビームスプリッティング／組み合わせ要素または要素の組み合わせでもよく、それは、以下に述べる図１２（ａ）〜（ｄ）に示す構成を含み、特定の実施形態のために選択された特定タイプの光学検知器に接続されて動作可能なものである。
【００５１】
そして、一直線の直交偏光されたビームは、図５および図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態において、図２３を参照して以下に述べる光検出器４６０Ｐと同様に配置され、動作する光検出アセンブリ４６０Ａに入射する。そして、光検出アセンブリ４６０Ａは、１つ以上の信号を、１つ以上の電源および信号接続部４６１上に出力し、上記１つ以上の信号は、エンコーダ読取ヘッドに対するスケール格子４３０の変位を決定するのに用いられる。より一般的には、光検出アセンブリ４６０Ａは、光検知器に入射する直交偏光ビームの光間の相対位相を決定するのに用いられる信号を供給する公知のまたは後に開発される光検出器とすることができる。様々な代替検出手順は、当業者にとって明らかであろう。また、検出手順の有益な記述は、図１および２と米国特許'895，'085および'833に含まれる。
【００５２】
前述したように、様々な実施形態において、ビーム４０１ａ，４０１ｂ，４０３ａおよび４０３ｂに関連するビーム通路は、測定軸方向１０１に平行にかつスケール格子４３０の名目上の平面に対して垂直に配置された平面から離れてそれぞれの第１方向に傾斜し、ビーム４０２ａ，４０２ｂ，４０２arおよび４０２brに関連するビーム通路は、測定軸方向１０１に平行にかつスケール格子４３０の名目上の平面に対して垂直に配置された平面から離れた反対方向に傾斜する。説明のため、図６（ｃ）は、測定軸方向１０１に平行にかつスケール格子４３０の名目上の平面に垂直に配置された垂直平面４７５、垂直平面４７５から離れてそれぞれの第１方向に傾斜する傾斜面４７４、およびそれらの間の傾角４７３を示す。また、傾角４７３は、ここでは、角度「delta」または「δ」と呼ばれる。傾角４７３は、図６（ｃ）に示す実施形態において、示されるものより大きくまたは小さくすることができ、それでも、装置のコンパクト設計とパッケージを容易にすることができると同時に、好ましくない様々な光ビームの混合または交差を防止することができる。
【００５３】
また、垂直ビームスプリッティング高さ寸法４７１が図６（ｃ）に示され、スケール格子４３０の名目上の平面の上方、ビームスプリッタ４１５Ｘなどのビームスプリッティング要素のビームスプリッティング部分の高さに対応する。また、名目上の再帰反射器高さ寸法４７２が図６（ｃ）に示され、スケール格子４３０の名目上の平面の上方、再帰反射器４４０または４４１の反射面の最大高さに対応する。ビームスプリッティング要素がビームスプリッタ４１５Ｘ、または図１２（ａ）〜（ｄ）に示すビームスプリッタなどのビームスプリッタである本発明による実施形態において、再帰反射器高さ寸法４７２がより小さくされるときにピッチミスアライメントおよび動的ピッチミスアライメントなどに関連するそのような実施形態における誤差が比較的減少される傾向にあることが見つけられた。また、ビームスプリッティング要素が図１１（ａ）〜（ｅ）に示す読取ヘッド格子などの読取ヘッド格子である本発明による実施形態において、ビームスプリッティング高さ寸法４７１がより小さいかつ／または再帰反射器高さ寸法４７２がビームスプリッティング高さ寸法４７１に等しく近くずとき、ピッチミスアライメントおよび動的ピッチミスアライメントなどに関連する誤差が比較的減少する傾向にあることが見つけられた。
【００５４】
平面４７４および４７５、角度４７３、および高さ４７１および４７２は、他の様々実施形態における同様の番号が付されたまたは明らかに類似する平面、角度および高さの総称的に描かれたものを意味する。従って、それらの位置および値は、図６（ｃ）に示す実施形態によって限定されるものではない。より一般的には、図５および図６（ａ）〜（ｃ）の先の議論を含む新たな包括的な議論は、要素および寸法の組み合わせにおいて図５および図６（ａ）〜（ｃ）に示す特定の要素および寸法と異なる構成の符号を示す。従って、図５および図６（ａ）〜（ｃ）は、先の議論の総称的な部分の意味および意図に関して限定するものとして解釈すべきでない。
【００５５】
図７は、従来の幾何学的成分と光路方向を記述するために用いられる符号を明確にするための三次元図である。図７は１組の直交するＸ，ＹおよびＺ軸を示す。Ｘ軸は、測定軸方向１０１に平行に配置されている。Ｚ軸は、名目上配置されたスケール格子の格子表面に垂直に配置され、Ｙ軸は、名目上配置されたスケール格子の格子表面上でＸおよびＺ軸に直交して配置されている。３つの角度は単位ベクトル６０１の直交成分を示すのに使用され、それぞれは、図７に示すようなそれぞれの主軸から測定されたものである。単位ベクトル６０１とＸ軸との間に形成された角度はα、単位ベクトル６０１とＹ軸との間に形成された角度はβ、単位ベクトル６０１とＺ軸との間に形成された角度はガンマである。従って、単位ベクトル６０１のそれぞれのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸成分は、図７に示すように、それぞれ、cosα、cosβ、cosγである。これと同じ用語は本発明による様々な実施形態において様々な光ビーム通路の方向および関係を記述するのに役立つ。
【００５６】
図８は、全般的な入力光線方向とスケール格子４３０に類似する格子からの回折光線の結果的な円錐状の分布とを、図７の用語を用いて示す三次元図である。図８において、入力光線７０１は、入力角度（α，β，γ）で格子７０２上を照射し、出力角度（α１，β１，γ１）をそれぞれ有する各種回折光出力ビームが生じる。各種回折出力ビームは、図８の矢印で示すように、共に円錐７０３を規定する。格子７０２に入射するビームに対する入力角度とｎ次回折次数に対する出力角度との間の関係は、次の通りである。
【００５７】
【数１】

【００５８】
ここで、ｎは回折次数、λは波長、ｄは格子ピッチである。また、格子ピッチは、ここでは、Ｐと呼ばれる。当業者は、これらの式が、図６（ｃ）に最も良く示されているように傾角４７３が零に等しくない構成を含む、本発明の原理によるエンコーダ読取ヘッド構成の実施形態に対するエンコーダ読取部品の動作可能な配置を決定するのに使用されてもよいことを、容易に理解するであろう。
【００５９】
図９は誤差テーブル８０１を示し、それは、図１に対応する従来の光学式変位検出装置構成に対する各種動的ミスアライメントおよびドリフトに関連する誤差の大きさを項目として記入する。コラムのトップに記入された個々の動的ミスアライメントおよびドリフトは、名目上記入された列左端からの個々の初期ミスアライメントまたは偏差（また、初期「静的」ミスアライメントまたは偏差と呼ばれる）の組み合わせにおいて生じる。「ギャップ」は、名目上のスケール格子表面に対して垂直方向に沿ったエンコーダ読取ヘッドとスケール格子表面との間の分離を示す。本発明の原理によるエンコーダ読取ヘッド構成上の意図された名目上の設計面におけるスケール格子表面は、零のギャップミスアライメントを有する。
【００６０】
テーブル８０１上の全ての項目に対して、名目上の波長λは０．６３５μｍ、名目上の角度αは３８度（３８π／１８０rad）、名目上の角度βは８０度（８０π／１８０rad）、スケールの格子周期は０．４μｍである。さらに、結果は、図１に示すように、大部分、エンコーダ読取ヘッド構成に対するものであり、ここでは、図１に示す要素１０２に対応する要素が、スケール格子表面に対して１０ｍｍのビームスプリッティング高さ寸法に位置決めされ、０．８μmの格子ピッチを有する読取ヘッド格子である。テーブルの各項目は、ナノメータの変位測定誤差に対応し、変位測定誤差は、項目行の左に記入された個々の初期設置ミスアライメントが項目列のトップに記入された個々の動的ミスアライメントと組み合わされるときに現れる。各動的ミスアライメントは、基準位置測定が行われる時間と変位測定が行われる時間との間に起こるアライメントにおける変化を表す。従って、各項目は、動的ミスアライメントまたは偏差による、基準位置と変位位置との間の、エンコーダ読取ヘッド信号によって示される見掛けの変位に含まれる測定誤差である。
【００６１】
明確化させるための例として、テーブル８０１において、３０分の設置ピッチミスアライメントが与えられた場合、０．２秒の動的ロールまたはヨーミスアライメントに関係する誤差は０．０ｎｍである。同一の設置ピッチミスアライメントに対して、０．０００２５μｍの動的波長変化は１．０ｎｍの大きさの誤差を生成し、０．０１ｍｍの動的ギャップ変化は、８７．３ｎｍの誤差を生成する。この８７．３ｎｍの誤差は、測定軸に沿ったスケール格子に対するエンコーダ読取ヘッドの見かけ上の幾何学的移動の結果であり、従って、それらの設計に関係なく、多種のエンコーダ読取ヘッド構成に対して現れる誤差である。より重要なことには、本発明による各種エンコーダ読取ヘッド実施形態の比較のために、テーブル８０１の重要な側面は、この従来技術構成におけるアークのわずか２秒の動的ピッチが全ての初期アライメント状態に対して９７．０ｎｍの変位測定誤差を生成することである。前述したように、動的ピッチミスアライメントは、多くの実際のエンコーダ適用における条件を削除することが最も一般的に行われかつ／または困難なものの一つであり、よって、エンコーダ読取ヘッド設計に対する特定の重要事項である。前述したように、動的ピッチ誤差は、図２および３に示す従来技術構成によって、実質的に減少されるが、それらの構成は前述した他の制限を有する。
【００６２】
図１０は誤差テーブル９０１を示し、これは、図５および図６（ａ）〜（ｃ）に示す基礎構成に対応し、そして、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）を参照して以下に述べる、１０ｍｍのビームスプリッティング高さ寸法４７１で位置決めされているビームスプリッタ４１５Ｘおよび５ｍｍの再帰反射器高さ寸法４７２で位置決めされている再帰反射器４４０および４４１を有する基本構成により近い本発明による光学式変位検出装置に対する各種動的ミスアライメントおよびドリフトに関係する誤差の大きさを項目として記述する。テーブル９０１の全ての項目に対して、名目上の波長λは０．６３５μｍ、名目上の角度αは３８度（３８π／１８０rad）、名目上の角度βは８０度（８０π／１８０rad）、スケールの格子周期は０．４μｍである。テーブル９０１の重要な側面は、本発明による基礎を成すエンコーダ読取ヘッド実施形態が実質的に動的ピッチ誤差を排除することである。本発明による基礎を成すエンコーダ読取ヘッド実施形態は、図２および３に示す従来技術構成の様々な前述した制限を克服すると同時に、この能力を達成する。また、本発明による他の各種エンコーダ読取ヘッド実施形態は、図４，５，６（ａ）〜（ｃ），１３，１４（ａ）〜（ｃ），２１，２２（ａ）〜（ｃ），２４（ａ）〜（ｃ），２５および２６とそれらの述べた変形に対応するものを含むが、それらに限定されることはなく、図２および３に示す従来技術構成の前述した制限の少なくとも１つを克服すると同時に、実質的に動的ピッチ誤差を減少する。
【００６３】
テーブル９０１に示す最も重要な誤差は、動的波長偏差および動的ギャップ変化に対するものである。動的ギャップ変化に関連する誤差は、テーブル９０１およびテーブル８０１において同一の大きさを有し、前述されている。動的波長偏差に関連する誤差は、様々な実施形態において、より安定した光源および／または改良された温度制御を使用することによって克服されるかもしれない。しかしながら、また本発明の原理による各種エンコーダ読取ヘッド構成が動的波長偏差に関連する誤差の大きさに影響を及ぼすことが求められ、よって、それは、図１５〜２０を参照してさらに以下に述べられる。
【００６４】
図１１（ａ）〜（ｅ）は、本発明による様々なエンコーダ読取ヘッド実施形態のビームスプリッティング部分に使用可能な第１から第５読取ヘッド格子構成の動作を明確にするための三次元図である。各図は読取ヘッド格子上の仮想の隙間を示す。これらの隙間は、物理的要素ではないが、図における光ビームの通路を明確にするためのみに描かれている。
【００６５】
図１１（ａ）は、入力ビーム４０１が０次ビームの伝送によってかつ１次ビームまたはさらに高い次数の回折ビームの伝送によってスプリットビーム４０１ａおよび４０１ｂを生成するための第１格子ピッチを有する第１部分４１６を照射する構成を有する読取ヘッド格子要素４１５Ａを示す。図１１（ａ）〜（ｅ）に示すビーム４０１，４０１ａ，４０１ｂ，４０３ａおよび４０３ｂは、図４，５および６（ａ）〜（ｄ）を参照して、総括的に示され、前述されている。後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、図示するように、第１格子ピッチを有する第２部分を照射し、第２部分はビーム４０３ｂを０次ビームとして伝送しビーム４０３ｂを１次またはさらに高い次数の回折光として伝送し、ビーム４０３ａおよび４０３ｂを共有ゾーン４５０に一直線にして導く。様々な実施形態において、第１読取ヘッド格子は、その実施形態で用いられるスケール格子のピッチと同一である。読取ヘッド格子要素４１５Ａは、前述したように「交差ビーム」を防止するすなわちスプリットビーム４０１ａおよび４０１ｂからの光が共有ゾーン４５０に到達する前に共通路を共用しないエンコーダ読取ヘッド実施形態に用いてもよい。しかしながら、共有ゾーンにおける結果として生じる照明特性は、それ自身によって、相対変位の方向を示さないので、用途が制限される。この問題は、図１１（ｄ）または（ｅ）を参照して以下に述べる方法でエンコーダ読取ヘッドビームを偏光することによって改善されるかもしれないが、読取ヘッド格子要素から離れたビーム通路に偏光子を挿入し、以下に図２３を参照して述べる光検出器などの偏光検知器を用いる必要がある。
【００６６】
図１１（ｂ）は、第２部分４１７が第１部分４１６の第１格子ピッチと異なる第２格子ピッチを有することを除いて、読取ヘッド格子４１５Ａと同様に動作する構成を有する読取ヘッド格子４１５Ｂを示す。従って、ビーム４０３ａは、共有ゾーン４５０上を透過したビーム４０３ｂとわずかにそれた１次またはより高い次数の回折ビームとして回折され、共有ゾーン４５０で、干渉パターン４５１によって概念的に表される干渉パターンを発生する。干渉パターン４５１は、スケール格子変位に対応して空間的に移動する。干渉パターン４５１の移動は、求積信号を直接生成する求積アレイまたは干渉パターンの移動が高い解像度で撮像されデジタル的に解析されることを許すアレイの使用を含む、公知または現在商業的に利用可能な様々な光検出アレイによって定量的に検出することができる。
【００６７】
図１１（ｃ）は、読取ヘッド格子要素４１５Ｂと同じ結果を生成する構成を有する読取ヘッド格子要素４１５Ｃを示す。読取ヘッド格子要素４１５Ｃにおいて、第１部分４１６および第２部分４１７は同じ格子ピッチを有するが、光学くさび要素４９１が追加されている。従って、ビーム４０３ｂは、回折次数ビーム４０３ａとわずかにそれた０次ビームとして共有ゾーン４５０を透過し、共有ゾーン４５０で、干渉パターン４５１によって概念的に表される干渉パターンを発生する。
【００６８】
読取ヘッド格子要素４１５Ｂまたは４１５Ｃは、前述したように「交差ビーム」を防止する、すなわち、スプリットビーム４０１ａおよび４０１ｂから発生する光が共有ゾーン４５０に到達する前に共通路を共有しないエンコーダ読取ヘッド実施形態に用いられてもよい構成を有する。
【００６９】
図１１（ｄ）は、共有ゾーン上で直線上に整列されたビームがさらに相互に直交偏光されることを除いて、読取ヘッド格子要素４１５Ａと同じ結果を生成する読取ヘッド格子要素４１５Ｄを示す。読取ヘッド格子要素４１５Ｄにおいて、第１部分４１６および第２部分４１７は同じ格子ピッチを有するが、第１偏光子４９２および第２偏光子４９３が配置され、共有ゾーン４５０に入射する前にビーム４０３ａおよび４０３ｂが相互に直交偏光されることを保証する。読取ヘッド要素４１５Ｄは、前述したように「交差ビーム」を防止する、すなわち、スプリットビーム４０１ａおよび４０１ｂから発生する光がそれぞれ偏光子４９３および４９２に到達する前に共通路を共有しないエンコーダ読取ヘッド実施形態に用いられてもよい構成を有する。共有ゾーンにおける照明特性は、以下に図２３を参照して説明する光検出器などの偏光検知器を使用して検知してもよい。
【００７０】
図１1（ｅ）は、スプリットビーム４０１ａおよび４０１ｂがさらに相互に直交偏光されることを除いて、読取ヘッド格子要素４１５Ａと同じ結果を生成する構成を有する読取ヘッド格子要素４１５Ｅを示す。読取ヘッド格子４１５Ｅにおいて、第１部分４１６および第２部分４１７は、同じ格子ピッチを有する。第１偏光子４９４および第２偏光子４９５が配置され、結果として生じたビームが交差または共通ビーム路を共有する前に分岐ビーム４０１ａおよび４０１ｂが相互に直交偏光されることを保証する。さらに、第１偏光子４９４および第２偏光子４９５は、また、それぞれ、ビーム４０３ａおよび４０３ｂをフィルタリングし、それらがビーム４０１ａおよび４０１ｂと同じ方向に相互に直交偏光されるように配置される。スプリットビーム４０１ａおよび４０１ｂの初期偏光のため、交差ビームおよび／または共通ビーム路を共有するビームは、ビーム４０３ａおよび４０３ｂの最終フィルタリングによって取り除かれる。従って、読取ヘッド格子要素４１５Ｅは、前述したようにビームオフセットを含まないおよび／または前述したように感知できるほどの傾角を含まない構成を含む本発明によるエンコーダ読取ヘッド実施形態に使用されてもよい。共有ゾーンにおける照明特性は、以下に図２３を参照して説明する光検出器などの偏光検知器を使用して検知してもよい。
【００７１】
図１２（ａ）〜（ｄ）は、本発明による様々なエンコーダ読取ヘッド実施形態のビームスプリッティング部に使用可能な第１から第４のそれぞれのビームスプリッタ構成の動作を明確にするための三次元図である。各図はビームスプリッタの表面上の仮想開口を示す。これらの開口は、物理的要素ではなく、図中の光ビームの通路を明確にするために描かれている。図１２（ａ）〜（ｄ）に示すビームスプリッタ構成は、図１１（ａ）および（ｃ）〜（ｅ）に示す対応する読取ヘッド構成に類似する。しかしながら、図１２（ａ）〜（ｄ）において、第１部分４１６および第２部分４１７で、ビーム４０１ｂおよび４０３ａは、それぞれ、図１１（ａ）および（ｃ）〜（ｅ）に示すような水平格子表面で回折されるというよりむしろ、鉛直に配置された部分反射ビームスプリッタインタフェース４１８で反射される。各ビームスプリッタ構成は、示された類似読取ヘッド格子構成と同じ共有ゾーン４５０における結果を有し、同様に、本発明による同様のエンコーダ読取ヘッド実施形態に使用されてもよい。これらの動作は、当業者には明らかであろう。
【００７２】
図１２（ａ）は、図１１（ａ）に示す読取ヘッド格子要素４１５Ａの構成に類似する構成を有するビームスプリッタ要素４１５Ｆを示す。図１２（ｂ）は、図１１（ｃ）に示す読取ヘッド格子要素４１５Ｃの構成に類似する構成に追加された光学くさび要素４９１を有するビームスプリッタ要素４１５Ｇを示す。図１２（ｃ）は、図１１（ｄ）に示す読取ヘッド格子要素４１５Ｄの構成に類似する構成において、ビーム４０３ａおよび４０３ｂが共有ゾーン４５０に入射する前に相互に直交偏光されることを保証するように配置された第１偏光子４９２および第２偏光子４９３を有するビームスプリッタ要素４１５Ｈを示す。図１２（ｄ）は、エンコーダ読取ヘッドにおいて、結果的に生じたビームが「交差」または共通ビーム路を共有する前にビーム４０１ａおよび４０１ｂが相互に直交偏光されること、結果的に生じたビームが「交差」または共通ビーム路を共有した後にビーム４０１ａおよび４０１ｂが相互に直交偏光されることを保証する図１１（ｅ）に示す読取ヘッド格子要素４１５Ｅの構成に類似する構成上に配置された第１偏光子４９４および第２偏光子４９５を有するビームスプリッタ４１５Ｊを示し、第１偏光子４９４および第２偏光子４９５は、ビーム４０３ａおよび４０３ｂをフィルタリングし、その結果、それらは、それぞれ、ビーム４０１ａおよび４０１ｂと同じ方向に相互に直交偏光される。
【００７３】
図１１（ａ）〜（ｅ）および図１２（ａ）〜（ｄ）に示す読取ヘッド格子構成の全てに関して、各要素の動作可能部分は、光ビームがぶつかる部分である。従って、様々な実施形態において、これらの部分は、それらが本発明の原理に従って、動作可能なエンコーダ読取ヘッドビーム通路に関して位置決めされる限り、より分離される、あまり分離されない、集合アセンブリまたは分割要素として提供されるなどしてもよい。
【００７４】
図１３は、本発明の第３実施形態による光学式変位検出装置構成の三次元概念図である。図１４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図１３に示す光学式変位検出装置の側面図、上面図、および端面図である。図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態は、再帰反射器４４０および４４１の位置を除いて、図５および図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態に類似する。図５および図６（ａ）〜（ｃ）を参照した全般的な議論は、別段指示されていなければ、対応する方法で、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）に適用される。従って、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）において、前述した全般のまたは特定の要素に明らかに対応するいくつかの要素の配置および動作は既に明らかにされているから、それらの要素の符号は省略される。逆に、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）において、要素の符号は、一般的には、関連する記述があるまたは図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）がそのような要素をさらに明確にするために役立つ場合、繰り返されまたは追加される。
【００７５】
図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態は、実質的には、各種ミスアライメントおよび動的ミスアライメントを感知せず、さらに、エンコーダ読取ヘッドにおいてコンパクトで経済的な方法で様々な光学部品を製作し、位置決めし、そして組み立てることに対する実質的なフレキシビリティがある実用的な構成である。図１３は、第１ゾーン４３１上のスケール格子４３０を照射するスプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂと光ビーム４０１ａおよび４０１ｂのそれぞれの照射点を経て測定軸方向１０１に平行に伸びる仮想ライン１２０１との間に形成される角度を強調する。図１３に示す角度は、図７で規定された角度αに対応する。従って、角度αは、図１４（ｃ）に最も良く表されるように、平面４７４上にある。動的ミスアライメントまたはドリフトに関する各種誤差は、角度αに対する様々な設計値に関連付けて以下にさらに述べる。
【００７６】
また、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、光ビーム４０２ａ，４０２ar，４０２ｂおよび４０２brに対して比較的短い光路長を生じる再帰反射器４４０および４４１に対する構成および／または高さを強調する。前述したように、ビームスプリティング要素が図１２（ａ）〜（ｄ）に示すビームスプリッタなどである本発明による実施形態において、ピッチアライメントおよび動的ピッチアライメントなどに関するそのような実施形態における誤差は、再帰反射器４７２高さ寸法４７２が減少されるにつれて減少される傾向があることが見つけられた。さらに、より短い光路長は、光源の波長における動的変化に対するエンコーダ読取ヘッドの感度を減少させる。また、それは、エンコーダ読取ヘッドをよりコンパクトにすることを許可する。この模範的な構成に対するビームスプリッティング高さ寸法４７１および再帰反射器高さ寸法４７２は、図１４（ａ）および（ｃ）に最も良く表されている。
【００７７】
また、図１４（ａ）は、模範的な読取ヘッド部品ハウジング１２２５の一部、および読取ヘッド部品ハウジング１２２５とスケール格子４３０の表面の間のギャップ寸法１２２０を示す。読取ヘッド構成ハウジング１２２５の一部は、図１３および図１４（ｂ），（ｃ）には示されていないので、光路はより明らかに示されるかもしれない。関連する光路を短くするために、光ビーム検出要素４２０および４２１、および再帰反射器４４０および４４１をスケールに対してどの程度近づけられるかを制限する要因は、所望の動作ギャップ寸法１２２０、および読取ヘッド部品ハウジング１２２５内の実際の壁厚さおよび実装配置である。様々な実施形態において、短い光路長およびコンパクトなエンコーダ読取ヘッドを達成するために、光ビーム指向要素４２０および４２１および／または再帰反射器４４０および４４１の底のエッジは、光路クリアランス考慮と所望の動作可能ギャップ寸法１２２０によって課される設計上の制約に対する考慮によって、読取ヘッド部品ハウジング１２２５の底近傍に動作可能に位置決めされる。より小さいギャップ寸法が様々な光路を短くして誤差を減少させ、大きなギャップ寸法が設置を簡素化することを考慮すると、様々な実施形態において、所望のギャップ寸法１２２０は、例えば１〜２ｍｍ程度になるかもしれない。
【００７８】
図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、光ビーム通路４０２ａ，４０２ar，４０２ｂおよび４０２brは、それぞれ、図１４（ａ）に最も良く表される鉛直分離角度成分１２２１と、図１４（ｃ）に最も良く表される傾角４７３（“delta”）によって、光ビーム通路４０１a，４０３a，４０１ｂおよび４０３ｂからオフセットされる。鉛直分離角度成分１２２１および傾角４７３は、図１４（ｃ）に示す仮想寸法ボックス１２３０によって強調されるように、関連するエンコーダ読取ヘッドの高さおよび／または幅を減少させるように、組み合わせて選択されてもよい。傾角４７３が減少されると、光ビーム指向要素４２０，４２１と再帰反射器４４０，４４１の間の光ビームクリアランスを維持するために、寸法ボックス６３０の高さは増す必要があり、これは増したエンコーダ読取ヘッド高さに対応する。同様に、鉛直分離角度成分１２２１が減少されると、光ビームクリアランスを維持するために、寸法ボックス６３０の幅は増す必要があり、これは増したエンコーダ読取ヘッド幅に対応する。平面４７４および４７５、角度１２２１および４７３、および高さ４７１および４７２は、一般的に、他の様々な実施形態における平面、角度、高さに類似して描かれる傾向にある。従って、それらの位置および値は、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態によって限定されることはなく、特定の用途において所望される全体のエンコーダ読取ヘッド寸法を達成するように選択される。さらに、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）は、要素および寸法のそれらの組み合わせにおいて特定の要素と示された寸法と異なる本発明によるいくつかの追加された実施形態を示す。従って、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）は、上述した教示に関して限定されるものとして解釈されることはない。
【００７９】
図１５〜２０は、図７，８を参照して前述した角度αと、図６（ｃ）および図１４（ｃ）を参照して前述した傾角“delta”に対する望ましい寸法を求めるのに有用な情報を示す。
【００８０】
図１５は、本発明による光学式変位検出装置における様々な入射ビーム角度αでの動的ギャップミスアライメントおよび波長変化に対する誤差感度データを示し、ここでは、スケール格子ピッチは０．４μｍ、光源は公称６３５ｎｍの波長を有し、ビームスプリッタはスケール格子表面上方の高さ１０ｍｍで位置決めされ、再帰反射器はスケールから再帰反射器のコーナまでの通路長が１０ｍｍになるように位置決めされ、角度αはスケール格子溝およびスケールに対して垂直である入射面にあり（すなわち、角度deltaは０度（０rad））、そして、静的ピッチミスアライメントは０．５度（０．５π／１８０rad）にセットされている。曲線１３０１は、光源波長が動的に０．２５ｎｍずつ変化するときに、角度αの様々な値で結果として生じる動的誤差を示す。曲線１３０２は、１０μｍの動的ギャップ変化があるときに、角度αの様々な値で結果として生じる動的誤差を示す。図１０を参照して前述したように、これらは、本発明による様々な実施形態における最も大きい残存する動的誤差になる傾向があり、よって、さらにこれらの動的誤差を減少させる設計値を選択するのに特に有用である。
【００８１】
波長とスケール格子ピッチの記載した組み合わせであれば、αが約５０度（５０π／１８０rad）から１０度（１０π／１８０rad）までの範囲にあるとき、関連するエンコーダ読取ヘッドは動作可能である。しかしながら、曲線１３０１および１３０２によって示されるように、読取ヘッドパラメータの記述された組み合わせに関して、αが約４０度（４０π／１８０rad）より大きいとき、動的波長変化およびギャップ変化に関連する誤差は、急速に増加する。従って、本発明による様々な実施形態において、エンコーダ読取ヘッドの部品は、αが４０度（４０π／１８０rad）以下になるように構成される。
【００８２】
図１６は、角度αに対する設計値を選択するための追加設計考慮事項を示す。図１６は、１．０ｎｍの公称直径と６３５ｎｍの波長を有するビームが、角度αの様々な値で、０．４μｍの格子ピッチを有するスケール格子に、このスケール格子の表面上方の高さ５．０ｎｍから導かれると仮定する。図１６に示すテーブルの第２列は、第１列に示す角度αと対比して再帰反射器で結果として生じる最大ビーム横断面寸法を比較するデータを示す。図１６に示すテーブルの第３列は、第１列に示す角度αと対比してスケール格子表面上方の高さ５．０ｍｍでビーム指向要素として使用されるミラー間の距離を比較するデータを示す。結果として生じる最大ビーム横断面寸法は、角度αが１０度（１０π／１８０rad）であるときの４．６ｍｍから角度αが４０度（４０π／１８０rad）であるときの０．９ｍｍまで変化する。ビーム指向ミラー間の結果として生じる距離は、角度αが１０度（１０π／１８０rad）であるときの５６．７ｍｍから角度αが４０度（４０π／１８０rad）であるときの１１．９ｍｍまで変化する。
【００８３】
本発明による様々な実施形態において１つの設計考慮事項は、再帰反射器上の点が伸ばされて再帰反射要素の開口を一杯にし、これにより、光を浪費し、および／または再帰反射器の不完全なエッジに落ちることである。他の設計考慮事項は、ビーム指向ミラー間の距離がエンコーダ読取ヘッドの全長を決定することである。４．６ｍｍのビーム横断面は、比較的大きな再帰反射器要素を要求し、比較的大きなエンコーダ読取ヘッドにする。同様に、５６．７ｍｍのミラー間距離は、比較的大きなエンコーダ読取ヘッドにする。よって、より小さい角度αが、図１５に示すように、一般的に様々な動的誤差に対する感度を減少させても、様々な実施形態において、角度αが２０度（２０π／１８０rad）以上にされ、エンコーダ読取ヘッドに対してより小さい全体サイズを可能にする。
【００８４】
図１７は、別段示されなければ、図１５を参照して前述したエンコーダパラメータに対する様々な入射ビーム角度αと様々な傾角（delta）での動的ギャップミスアライメントに対する誤差感度データを示すグラフである。動的ギャップ変化は、１０μｍである。曲線１５０１〜１５０３は、それぞれ、傾角delta=０度（０rad）、delta=１５度（１５π／１８０rad）、delta=４５度（４５π／１８０rad）に対応し、ほとんど区別が付かない。しかしながら、曲線１５０１および１５０２によって最も良く示されるように、読取ヘッドパラメータの記述された組み合わせに対して、αが約４０度（４０π／１８０rad）より大きいときに、動的ギャップ変化に関する誤差はより急速に増す。従って、本発明による様々な実施形態において、エンコーダ読取ヘッドの部品は、αが４０度（４０π／１８０rad）以下であるように構成される。
【００８５】
図１８は、６３５ｎｍに代わる公称４０５ｎｍの光源波長を除いて、図１７に示すグラフに一致するグラフである。曲線１６０１〜１６０３は、それぞれ、傾角delta=０度（０rad）、delta=１５度（１５π／１８０rad）、delta=４５度（４５π／１８０rad）に対応し、ほとんど区別が付かない。図１７に示す結果と比較すると、減少された光源波長は、読取ヘッドパラメータの記述された組み合わせに対して、ギャップ変化による動的誤差を減少させる。さらに、動的ギャップ変化に関する誤差は、角度αに対して、動作範囲の６０度（６０π／１８０rad）に向けて比較的緩やかに増す。よって、本発明による様々な実施形態において、エンコーダ読取ヘッドの部品は、αが６０度（６０π／１８０rad）以下であるように構成される。しかしながら、角度αが４５度（４５π／１８０rad）以下で波長および格子ピッチが記述したとおりであるときに、動的ギャップ変化に関する誤差が約５０ｎｍ以下の値に制限されるから、エンコーダ読取ヘッドの部品は、αが４５度（４５π／１８０rad）以下であるように構成される。
【００８６】
図１９は、別段示されていなければ、図１５を参照して前述したエンコーダパラメータに対して、様々な入射ビーム角度と様々な傾斜平面角度での動的波長ドリフトに対する誤差感度データを示すグラフである。曲線１７０１〜１７０３は、それぞれ、傾角delta=０度（０rad）、delta=１５度（１５π／１８０rad）、delta=４５度（４５π／１８０rad）に対応する。光源波長は動的に０．２５ｎｍずつ変化する。この動的光源波長変化は、実質的に、図１７および図１８を参照して前述したギャップ変化による動的誤差より大きな動的誤差を生成する。従って、エンコーダ読取ヘッドの光源が不安定性を見せるタイプである場合、高い精度のために、この感度を減少させる角度αを選択することが特に重要である。曲線１７０１および１７０２に関して、動的波長変化に関する誤差は、角度αに対して、動作範囲の４０度（４０π／１８０rad）に向けて比較的緩やかに増す。よって、本発明による様々な実施形態において、エンコーダ読取ヘッドの部品は、αが４０度（４０π／１８０rad）以下であるように構成される。しかしながら、曲線１７０３に関しては、角度delta=４５度（４５π／１８０rad）に対応し、誤差は、角度αに対してより急速に増す。よって、本発明による様々な他の実施形態において、エンコーダ読取ヘッドの部品は、αが３０度（３０π／１８０rad）以下であるように構成される。
【００８７】
図２０は、６３５ｎｍに代わる公称４０５ｎｍの光源波長を除いて、図１９に示すグラグに一致するグラフである。曲線１８０１〜１８０３は、それぞれ、傾角delta=０度（０rad）、delta=１５度（１５π／１８０rad）、delta=４５度（４５π／１８０rad）に対応し、ほとんど区別が付かない。図１９に示す結果と比較すると、減少された光源波長は、読取ヘッドパラメータの記述された組み合わせに対して、波長変化による動的誤差を減少させる。さらに、動的波長変化に関する誤差は、角度αに対して、動作範囲の６０度（６０π／１８０rad）に向けて比較的緩やかに増す。よって、本発明による様々な実施形態において、エンコーダ読取ヘッドの部品は、αが６０度（６０π／１８０rad）以下であるように構成される。しかしながら、角度αが４５度（４５π／１８０rad）以下で波長および格子ピッチが記述したとおりであるときに、波長変化に関する誤差が約１００ｎｍ以下の値に制限されるから、エンコーダ読取ヘッドの部品は、αが４５度（４５π／１８０rad）以下であるように構成される。
【００８８】
図２１は、本発明の第４実施形態による光学式変位検出装置構成の三次元概念図である。図２１に示す構成は、図６（ｃ）に示す傾角４７３が図２１に構成において零に選択されていることを除いて、図５および図６（ａ）〜（ｃ）に示す構成に類似する。傾角が零であるため、図２１に示す実施形態は、比較的狭いエンコーダ読取ヘッドを製作することを可能にする。しかしながら、傾角が零であるときに、第１ゾーン４３１で光ビーム４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａおよび４０２ｂからと第２ゾーン４３２で光ビーム４０２ar，４０２br，４０３ａおよび４０３ｂから生じる０次反射ビームは、前述したように、交差ビームになる。従って、図２１に示す構成に関して、スプリット光ビーム入力部４１０のビームスプリッティング要素４１５は、図１１（ｅ）に示す読取ヘッド格子または図１２（ｄ）に示すビームスプリッタなどのような、交差ビームを分離しまたは析出する偏光要素を組み込むべきである。さらに、光検出アセンブリ４６０は、図２３を参照して以下に述べる光検出器４６０Ｐなどの偏光要素を含むべきである。さらに、一般的には、光検出アセンブリ４６０は、光検出器に入射する直交偏光ビームの光間の相対位相を求めるのに使用可能な信号を供給する公知のまたは後に開発される光検出器とすることができる。様々な代替検出手順は、当業者には明らかであろう。また、検出手順の教示的記述は、図１および２の議論、米国特許'895，'085および'833に含まれる。
【００８９】
図２２（ａ）は、本発明の第５形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図である。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）に示す光学式変位検出装置の上面図、図２２（ｃ）は、図２２（ａ）に示す光学式変位検出装置の端面図である。図２２（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、スケール格子４３０を照射しまたはそれから回折される光ビームのそれぞれの一部が、図２２（ｂ）に示す符号が付された光ビーム部分によって最も良く示されるように、測定軸方向１０１に平行にかつ照射または回折のそれぞれの点を経て伸びる仮想ラインに関して同じ角度を形成するようにエンコーダ読取ヘッドの部品が配置されていることを除いて、図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）に示す構成に類似する。そのような構成は、前述した式（１）〜（３）に従って設計することができる。
【００９０】
そのような構成において、適切な傾角を用いると、光ビーム指向要素４２０，４２１と再帰反射器４４０，４４１は、図２２（ｃ）に最も良く示すように、ほぼ同じ高さに位置決めされ、様々な実施形態において、結果、比較的小さい全高を有する読取ヘッドになる。しかしながら、スケール格子４３０を照射しまたはそれから回折される光ビームのそれぞれが測定軸方向１０１に平行に伸びる仮想ラインに関して同じ角度を形成するため、第１ゾーン４３１における光ビーム４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａおよび４０２ｂからと第２ゾーン４３２における光ビーム４０２ar，４０２br，４０３ａおよび４０３ｂから生じる０次反射ビームは、前述したように、交差ビームになる。従って、図２２（ａ）〜（ｃ）に示す構成に関して、スプリット光ビーム入力部４１０のビームスプリッティング要素４１５は、図１１（ｅ）に示す読取ヘッド格子または図１２（ｄ）に示すビームスプリッタなどのような、交差ビームを分離しまたは析出する偏光要素を組み込むべきである。さらに、光検出アセンブリ４６０は、図２１を参照して前述したように、図２３を参照して以下に述べる光検出器４６０Ｐなどの偏光要素を含むべきである。
【００９１】
図２３は、偏光構成を含む光検出器４６０Ｐの側面図である。従って、光検出器４６０Ｐは、交差ビームを含む本発明による様々な実施形態において、有用である。より一般的には、光検出器４６０Ｐは、いかなる理由でも光ビーム４０３ａおよび４０３ｂが共有ゾーン４５０で相互に直交偏光される様々な実施形態において有用である。動作中に、直交偏光された光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、ビームスプリッティング要素４１５から共有ゾーン４５０内に光検出器４６０Ｐに向かう整列された光路に沿って放射される。ビームスプリッタ４６０６は、直交偏光された光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを２つの検波ビームに分ける。第１スプリット検波ビームは、１／４波長板４６５３および偏光子４６７１を通過して光検出器要素４６８１に向かう。第２スプリット検波ビームは、偏光子４６７２を通過して光検出器要素４６８２に向かう。偏光子４６７１および４６７２は、それぞれ、それらに到達する直交偏光されたビーム間で名目上４５度（４５π／１８０rad）の方向で配置され、さらに、相互に直交偏光された光が通過するように配置される。１／４波長板４６５３は、出力光ビームの１つを１／４波長または９０度（９０π／１８０rad）遅延させる。従って、検出器４６８１は、検出器４６８２によって検出された信号に対して９０度（９０π／１８０rad）位相がずれた信号を検出し、公知の求積信号フォーマットを１つ以上の信号ライン４６１に供給する。本発明のこの実施形態において、光検出器４６０Ｐは、１つの集積ユニットとして示されている。しかしながら、検出器の他の構成は、当業者にとっては明らかであろうように、図２３に示す構成と同じ目的を達成するのに使用されるかもしれない。
【００９２】
図２４（ａ）は、本発明の第６実施形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図である。図２４（ｂ）は図２４（ａ）に示す光学式変位検出装置の上面図、図２４（ｃ）は図２４（ａ）に示す光学式変位検出装置の端面図である。図２４（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、図２２（ａ）〜（ｃ）に示す構成に類似する。エンコーダ読取ヘッドの部品は、スケール格子４３０を照射しまたはそれから回折される光ビームのそれぞれの一部が、測定軸方向１０１に平行にかつ照射または回折のそれぞれの点を経て伸びる仮想ラインに関して同じ角度を形成するように、配置されている。しかしながら、図２２（ａ）〜（ｃ）に示す構成に対して、第１ゾーン４３１および第２ゾーン４３２における光ビームの照射点は、それぞれ、図２４（ｂ）に最も良く示されるように、測定軸方向に沿って分離されている。その結果、図２４（ａ）に示すライン２２０１および２２０２によって表される０次反射通路は、光ビーム指向要素４２０，４２１および再帰反射器４４０，４４１の有効開口の外に落ち、潜在的交差ビームを排除する。従って、図２４（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、光ビーム通路または光検出器において偏光子を必要としない。しかしながら、図２２（ａ）〜（ｃ）に示す構成と同様に、そのような構成において、光ビーム指向要素４２０，４２１および再帰反射器４４０，４４１は、ほぼ同様の高さで位置決めされ、結果、様々な実施形態において比較的小さい全高を有する読取ヘッドにする。
【００９３】
図２５は、本発明の第７実施形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図である。図２５に示す構成において、光学読取ヘッド部品は、光ビーム通路４０２ａ，４０２ar，４０２ｂおよび４０２brが光ビーム通路４０１ａ，４０３ａ，４０１ｂおよび４０３ｂよりスケール格子に近くなるように位置決めされる。この構成は、交差ビームを排除する傾角で用いられるかもしれないので、構成上偏光子を必要としない。代わりに、交差ビームを排除しない傾角に対しては、スプリット光ビーム部４１０のビームスプリッティング要素４１５は、前述したように、交差ビームを析出する偏光子を含むかもしれない。
【００９４】
図２６は、本発明の第８実施形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図である。図２６に示す構成において、スケール格子４３０は透過格子であり、再帰反射器４４０，４４１は、透過した回折次数を受光するように位置決めされている。上記構成が透過した０次ビームが光ビーム指向要素４２０，４２１と再帰反射器４４０，４４１の有効開口の外に落ちるように配置されると、ライン２４０１〜２４０４によって表されるように、交差ビームは、構成から排除されるので、使用される傾角に関わらず、構成上偏光子を必要としない。代わりに、交差ビームを排除しない傾角に対しては、スプリット光ビーム部４１０のビームスプリッティング要素４１５は、前述したように、交差ビームを析出する偏光子を含むかもしれない。
【００９５】
図２７は、本発明による様々な実施形態において使用可能な第１例の透明ブロック構成を示す三次元図である。様々な光ビーム通路上の屈折効果は、図２７においては無視されているが、そのような効果に必要である調整は、当業者によって容易に理解されるであろう。図２７は、ビームスプリッティング要素４１５を提供するために、半銀メッキミラーなどを含むように製作されたインタフェースで結合されている第１ブロック部２５１０および第２ブロック部２５１５を含む透明ブロック２５００を示す。第１ブロック部２５１０は、端面２５０２および直交再帰反射面２５０４および２５０６を含み、それらは反射するように全てコーティングされている。第２ブロック部２５１５は、端面２５０３および直交再帰反射面２５０５および２５０７を含み、それらは反射するように全てコーティングされている。透明ブロック２５００は、図２１を参照して前述したビーム通路構成およびエンコーダ読取ヘッド動作特性を提供するのに使用可能である。従って、透明ブロック２５００は、また、図２１を参照して前述したように、交差ビームを析出するために、図１２（ｄ）に示すビームスプリッタなどと同等の偏光機能を提供する必要がある。様々な実施形態において、これは、ビーム４０１ａ，４０３ａ，４０１ｂおよび４０３ｂが反射される端面２５０２および２５０３の一部に相互直交偏光子を組み込むことによって達成される。
【００９６】
透明ブロック２５００は、非常にコンパクトで寸法的に安定したエンコーダ読取ヘッドアセンブリを提供するのに使用可能である。透明ブロック２５００は、個々の光学要素の各種組み合わせを共に接合しまたは共に製作することによって製作されるかもしれない。光学部品は、少数のより複雑な個々の光学要素または多数のあまり複雑でない個々の光学要素を備えるかもしれない。個々の要素は、光学部品の実用的でコンパクトで正確な製作を許す接合面（図示せず）の組み合わせに沿って結合されるかもしれない。光学部品は、さらに、様々な光源、光検出器構造および／またはエンコーダ読取ヘッド装着要素に結合されるための装着対策を組み込むかもしれない。従って、図２７に示す構成は、模範的な構成だけであり、限定する意図はない。
【００９７】
図２８は、本発明による様々な実施形態において使用可能な第２例の透明ブロック構成を示す三次元図である。図２９（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図２８に示す透明ブロック構成によって提供されるビーム通路を明確にするための側面図および端面図である。様々な光ビーム通路上の屈折効果は、全ての図に含まれている。図２８は、光ビーム４０１を透明ブロック２６００に入力するコリメイトレンズ４１３を含む光源４１２を示す。光検出器４６０が、また、示されている。透明ブロック２６００は、左半分ブロック部２６１０および右半分ブロック部２６１５を含む。上左半分部分２６１２および上右半分部分２６１７は、ビームスプリッティング要素４１５を提供するために、半銀メッキミラーなどを含むように製作されたインタフェースで結合される。左半分ブロック部２６１０は端面２６０２と直交再帰反射面２０４および２６０５の左半分を含み、それらは反射するように全てコーティングされ、そして、図２９（ａ）および（ｂ）に最も良く示されるように、共に再帰反射器４４０を備える。右半分ブロック部２６１５は端面２６０３と直交再帰反射面２６０４および２６０５の右半分を含み、それらは反射するように全てコーティングされ、そして、図２９（ａ）および（ｂ）に最も良く示されるように、共に再帰反射器４４１を備える。透明ブロック２６００は、例えば、公称の再帰反射器高さ寸法４７２が適切に選択されたときに、図５および図６（ａ）〜（ｃ）または図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）を参照して前述したビーム通路構成およびエンコーダ読取ヘッド動作特性を提供するのに使用可能である。透明ブロック２６００は、適切な非零の傾角４７３を提供する。従って、図２７に示すブロック構成に対して、交差ビームは排除され、偏光子は必要ない。
【００９８】
様々な実施形態において、透明ブロック２６００は、図１２（ｂ）を参照して前述した光学くさび要素４９１と同じ機能を提供する光回折要素（図示せず）を組み込む。光回折要素は、ビーム４０３ａおよび４０３ｂがそれぞれ単に反射される端面２６０２または２６０３の一部に組み込まれ、アレイ検出器を使用して、図１２（ｂ）を参照して述べた干渉縞パターン４５１などの干渉縞パターンを検出する光検出手順の使用を可能にする。結果生じた干渉パターンは、スケール格子変位に対応して空間的に移動する。干渉パターンの移動は、公知のおよび／または現在商業的に利用可能な各種の光検出アレイ技術によって定量的に検出することができる。様々な代替実施形態において、透明ブロック２６００に使用される光検出器４６０は、直接求積信号を生成する求積アレイの使用を含み、様々な他の実施形態において、光検出器４６０は、線形または２次元ＣＣＤアレイなどの使用を含み、干渉パターン移動が高解像度で撮像されてデジタル的に解析されることを許す。これらのアレイは、例えば接着手段によって、透明ブロック２６００に、所望の位置、方向および間隔で取り付けられ、正確で、安定し、経済的でかつコンパクトなエンコーダ読取ヘッドを提供する。
【００９９】
他の様々な実施形態において、相互直交偏光子はビーム４０３ａおよび４０３ｂおよび／または４０１ａおよび４０１ｂがそれぞれ単に反射される端面２６０２または２６０３の一部に組み込まれ、偏光子を用いる光検出手順の使用を可能にする。
【０１００】
透明ブロック２６００は、非常にコンパクトで寸法的に安定したエンコーダ読取ヘッドアセンブリを提供するのに使用可能である。透明ブロック２６００は、個々の光学要素の各種組み合わせを共に接合しまたは共に製作することによって製作されるかもしれない。ビーム４０２ａおよび／または４０２ｂは、それぞれ、面２６０５を照射して再帰反射を終了する前に、面２６０２および２６０４と２６０３および２６０４のコーナを照射するように見え、様々な実施形態において、ビーム４０２ａは、コーナを避けて連続して面２６０２および２６０４を照射する。同様に、ビーム４０２ｂは、不完全なコーナによって生じる波面収差を避けるために、コーナを避けて連続して面２６０３および２６０４を照射する。従って、図２８および図２９（ａ）および（ｂ）に示す構成は、単に模範的な構成であり、限定を意図するものではない。
【０１０１】
図３０は、本発明による様々な実施形態において使用可能な第３例の透明ブロック構成を示す三次元図である。図３１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図３０に示す透明ブロック構成によって提供されるビーム通路を明確にするための側面図および端面図である。図３０および図３１（ａ），（ｂ）に示す透明ブロック２７００は、例えば、図４を参照して前述したビーム通路構成およびエンコーダ読取ヘッド動作特性を提供するのに使用可能である。様々な光ビーム通路の屈折効果は全ての図に含まれている。
【０１０２】
図３０は、光ビーム４０１を透明ブロック２７００に入力する入力ビーム指向要素４１４を含む光源４１２を示す。光検出器４６０が、また、示されている。透明ブロック２７００は、左半分ブロック部２７１０および右半分ブロック部２７１５を含む。左半分ブロック部２７１０は、後端面２７０２、前端面２７０４および左半分直交再帰反射面２７０６および２７０７を含み、それらは反射するように全てコーティングされている。前端面２７０４および左半分直交再帰反射面２７０６および２７０７の左半分は、図３１（ａ）および（ｂ）に最も良く示されるように、共に再帰反射器４４０を備える。右半分ブロック部２７１５は、後端面２７０３、前端面２７０５および直交再帰反射面２７０６および２７０７の右半分を含み、それらは全てコーティングされている。前端面２７０５および左半分直交再帰反射面２７０６および２７０７の右半分は、図３１（ａ）および（ｂ）に最も良く示されるように、共に再帰反射器４４１を備える。透明ブロック２７００の上後端面が透過読取ヘッド格子を含み、それは、様々な実施形態において、図１１（ａ）〜（ｅ）を参照して前述した読取ヘッド格子であり、そして、ビームスプリッティング要素４１５を提供するために、分離要素としてまたは表面に一体化して製作されるかもしれない。前述したように、発明者は、ビームスプリッティング要素が図１１（ａ）〜（ｅ）に示す読取ヘッド格子などの読取ヘッド格子である本発明の実施形態において、模範的な透明ブロック２７００よって提供されるように、ビームスプリッティング高さ寸法４７１が小さくされ、かつ／または再帰反射器高さ寸法４７２がビームスプリティング高さ寸法４７１に等しくなるように近くづくのに応じて、そのような実施形態におけるピッチミスアライメントおよび動的ピッチミスアライメントなどに関する誤差が、比較的減少されることを、見つけた。
【０１０３】
透明ブロック２７００は、非零の傾角４７３を提供する。従って、図２８および図２９（ａ）および（ｂ）に示すブロック構成と同様に、交差ビームは排除され、偏光子は必要ではない。様々実施形態において、透明ブロック２７００は、図１１（ｃ）を参照して前述した光学くさび要素４９１と同じ機能を提供する光回折要素（図示せず）を組み込む。光回折要素は、ビーム４０３ａおよび４０３ｂがそれぞれ単に反射される後端面２７０２または２７０３の一部に組み込まれ、図２８および図２９（ａ）および（ｂ）を参照して述べたように、アレイ検出器を使用して干渉縞パターンを検出する光検出手順の使用を可能にする。代わりに、図１１（ｂ）に示す読取ヘッド格子が使用され、同じ効果を達成する。このような場合、光検出器４６０は、前述した干渉縞検出手順に従うアレイ検出器を含み、透明ブロック２７００に所望の位置、方向および間隔で取り付けられ、正確で、安定し、経済的でかつコンパクトなエンコーダ読取ヘッドを提供する。
【０１０４】
他の様々な実施形態において、相互直交偏光子はビーム４０３ａおよび４０３ｂおよび／または４０１ａおよび４０１ｂがそれぞれ単に反射される端面２７０２または２７０３の一部に組み込まれ、偏光子を用いる光検出手順の使用を可能にする。
【０１０５】
透明ブロック２７００は、非常にコンパクトで寸法的に安定したエンコーダ読取ヘッドアセンブリを提供するのに使用可能である。透明ブロック２７００は、個々の光学要素の各種組み合わせを共に接合しまたは共に製作することによって製作されるかもしれない。ビーム４０２ａおよび／または４０２ｂは、それぞれ、面２７０７を照射して再帰反射を終了する前に、面２７０４および２７０６と２７０５および２７０６のコーナを照射するように見え、様々な実施形態において、ビーム４０２ａは、コーナを避けて連続して面２７０４および２７０６を照射する。同様に、ビーム４０２ｂは、不完全なコーナによって生じる波面収差を避けるために、コーナを避けて連続して面２７０５および２７０６を照射する。従って、図３０および図３１（ａ）および（ｂ）に示す構成は、単に模範的な構成であり、限定を意図するものではない。
【０１０６】
図３２は、本発明の様々な実施形態による光学式変位検出装置を使用する方法のフローチャートである。方法は、ブロックＳ２８１０で開始され、光学式変位検出装置のそれぞれの光指向要素によって受光されるべきスプリット光ビームを入力する。そして、方法はブロックＳ２８２０に進み、各種光指向要素を使用してスケール格子上の第１ゾーンにスプリット光ビームを導く。好ましい実施形態において、スプリット光ビームは、名目上左右対称の通路に沿って第１ゾーンに導かれる。そして、方法は、ブロックＳ２８３０に進む。
【０１０７】
ブロックＳ２８３０において、スプリット光ビームは、それぞれスケール格子上の第1ゾーンから回折され、２つの回折ビームが分岐した通路に沿って導かれてそれぞれの再帰反射器に入力する。そして、方法はブロックＳ２８４０に進み、それぞれの再帰反射器に入力するビームを再帰反射してスケール格子上の第２ゾーンに戻す。そして、方法は、ブロックＳ２８５０に進む、スケール上の第２ゾーンに再帰反射されて戻されたビームは、それぞれスケール格子上の第２ゾーンから回折され、２つの回折ビームは、第２ゾーンから離れた後に、分岐した通路に沿って導かれる。そして、方法は、ブロックＳ２８６０に進む。
【０１０８】
ブロックＳ２８６０において、第２ゾーンから離れた後に分岐通路に沿った２つの回折ビームは、各種光指向要素を用いて、それぞれの通路に沿って共有ゾーンに導かれる。好ましい実施形態において、共有ゾーンに導かれたビームは、名目上左右対称の通路に沿って導かれる。そして、方法は、ブロックＳ２８７０に進み、共有ゾーンから生じる少なくとも１つの照明特性を検出し、その検出結果に基づいて、光学式変位検出装置に対するスケール格子の相対変位を求め、方法は終了する。
【０１０９】
図３３（ａ）は、本発明の第９実施形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図である。図３３（ｂ）は図３３（ａ）に示す光学式変位検出装置の上面図、図３３（ｃ）は図３３（ａ）に示す光学式変位検出装置の端面図である。
【０１１０】
前述したように、本発明による様々実施形態において、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対する再帰反射器４４０および４４１の位置に応じて、光ビーム４０２arおよび４０２brの光路は、それぞれ、オフセット、すなわち、図４に示すような測定軸方向１０１に対して横の方向に回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂから分けられる。そのような場合、第２ゾーンは、第１ゾーンと同様の寸法を有し、図４に示すように、一般に、測定軸方向１０１に対して横または垂直方向に第１ゾーン４３１からオフセットされ、光ビーム４０２arおよび４０２brの光路のオフセットに対応する。しかしながら、また前述したように、より一般には、様々な実施形態において、第２ゾーン４３２は、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対する光ビーム４０２arおよび４０２brの光路のオフセットと同じ方向に第１ゾーン４３１から名目上オフセットされる。図３３（ａ）〜（ｃ）は、より一般的な場合の実施形態の１つを示し、ここで、光ビーム４０２arおよび４０２brの光路は、それぞれ、測定軸方向１０１に対して一般的に横または垂直でないそれぞれのオフセット方向に回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂから意図的にオフセットまたは分離される。本発明による前述した様々なの実施形態に対して、図３３（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態は、静的および動的ピッチミスアライメントに対する感度を第１ゾーン４３１および／または第２ゾーン４３２上における点間の距離と比較的独立して最小化することを許す。
【０１１１】
図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、図２２（ａ）〜（ｃ）および図２４（ａ）〜（ｃ）に示す構成に類似し、エンコーダ読取ヘッドの部品は、スケール格子４３０を照射しまたはそれから回折される動作中の光ビームのそれぞれの一部が、測定軸方向１０１に平行にかつ照射または回折のそれぞれの点を経て伸びる仮想ラインに関して同じ角度を形成するように、配置されている。そのような構成は、前述した式（１）〜（３）に従って設計される。しかしながら、図２２（ａ）〜（ｃ）および図２４（ａ）〜（ｃ）に示す構成など、本発明による様々な他の実施形態に対して、図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成においては、光ビーム４０１ａおよび４０２arが名目上の整列されたスケール格子４３０上において光点を照射し、各光点は、一般的に測定軸方向１０１に対して横または垂直な方向に沿って名目上整列されていない。さらに、光ビーム４０１ｂおよび４０２brが名目上整列されているスケー格子４３０上において照射される各光点は、また、一般的に測定軸方向１０１に対して横または垂直な方向に沿って名目上整列されていない。むしろ、図３３（ｂ）および（ｄ）に最も良く示されるように、本発明による第９実施形態においては、光ビーム４０１ａおよび４０２ar、および光ビーム４０１ｂおよび４０２brが名目上の整列されたスケール格子４３０上においてそれぞれの光点対を照射し、各光点対はそれぞれ、一般的に測定軸方向１０１に対して横または垂直な方向に沿って名目上整列されている。このような実施形態において、以下に詳細に述べるように、静的および動的ピッチミスアライメントに対する感度は、第１ゾーン４３１および／または第２ゾーン４３２における点間の距離とほぼ独立した方法で最小化される。
【０１１２】
図３３（ａ）〜（ｃ）において、別段指示されていなければ、明らかに対応する要素および／または同様の符号を有する要素は、図５および図６（ａ）〜（ｃ）を参照して前述したように、配置され、動作する。図５および図６（ａ）〜（ｃ）を参照した全般の議論は、別段指示されていなければ、対応する方法で、図３３（ａ）〜（ｃ）に適用される。さらに、図３３（ａ）〜（ｃ）において、明らかに前述した全般のまたは特定の要素に対応するいくつかの要素の符号は、それらの配置および動作が既に明らかにされ、図３３（ａ）〜（ｃ）を参照してさらに述べないから、省略される。逆に、図３３（ａ）〜（ｃ）において、関連する記述があるかまたは図３３（ａ）〜（ｃ）がさらにその要素を明確にするのに役立つなら、要素の符号が一般的に繰り返されまたは追加される。
【０１１３】
図３３（ａ）〜（ｃ）に示す実施形態は、実質的に各種ミスアライメントおよび動的ミスアライメントに対して感知しない実用的な構成であり、しかもエンコーダ読取ヘッドにおいてコンパクトで経済的な方法で各種光学部品を設計し組み立てることに対してさらに柔軟性を提供する。図３３（ａ）に最も良く示すように、ビームスプリッタ要素４１５Ｘは、光ビーム４０１を受け入れて２つのスプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂを生成し、それらは光ビーム指向要素４２０および４２１に導かれる。光ビーム指向要素４２０および４２１は、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂをそれぞれの光路に沿って導き、その結果、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、最初に、スケール格子表面に平行でスケール格子４３０上の第１ゾーン４３１近傍にある仮想面Ｐcに向けて収束され、そして、それらがスケール格子４３０に到達するまで仮想面Ｐcから分岐される。図３３（ｂ）に最も良く示されるように、スプリット光ビーム４０１aおよび４０１ｂは、第１ゾーン４３１におけるスケール格子４３０上の光点を照射し、各光点は測定軸方向１０１に沿った名目上の分離距離ｄ１を有する。
【０１１４】
図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成に従う様々な実施形態において、以下により詳細に述べるように、静的および動的ピッチミスアライメントに対する感度は、第１ゾーン４３１における光点間の分離距離ｄ１と名目上独立している。従って、１つの実施形態において、名目上の分離距離ｄ１と測定軸方向１０１に沿った第１ゾーン４３１の寸法は、様々な回折および反射光ビームとエンコーダ読取ヘッドの様々な要素の間のクリアランスを提供するように、最初に設計される。しかしながら、様々な実施形態において、名目上の分離距離ｄ１および第１ゾーン４３１の寸法は、最小信頼クリアランスを提供する最小寸法を有するようにさらに設計される。
【０１１５】
いかなる場合でも、図３３（ａ）に最も良く示されるように、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、第１ゾーン４３１から回折され、それぞれ、それぞれの回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂを生じ、それらの光回折ビームは、第１ゾーン４３１近傍の仮想面Ｐcに向けて収束するそれぞれの光路に沿ってそれぞれの回折次数で回折され、そして、それらが再帰反射器４４０および４４１に入射するまで仮想面Ｐcから分岐される。再帰反射器４４０および４４１は、それぞれ、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂをそれぞれの光路に沿って受光し、それらを光ビーム４０２arおよび４０２brとして、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂの光路に対して平行に再帰反射する。
【０１１６】
光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対して、図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成に従う様々な実施形態において、再帰反射器４４０および４４１は、再帰反射されたビーム４０２arおよび４０２brがスケール格子４３０に到達するまでに仮想面Ｐcに到達する前およびその後の両方で収束するように、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対して位置決めされ方向が定められる。図３３（ｂ）に最も良く示されるように、再帰反射されたビーム４０２arおよび４０２brは、第２ゾーン４３２におけるスケール格子４３０上の光点を照射し、各光点は測定軸方向１０１に沿った名目上の分離距離ｄ２を有する。
【０１１７】
図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成に従う様々な実施形態において、ピッチミスアライメントおよび動的ピッチミスアライメントに関する誤差を最小化する能力は、名目上の分離距離ｄ１およびｄ２が同一の値に近づくにつれて改善される。従って、様々な実施形態において、再帰反射器４４０および４４１は、さらに、名目上の分離距離ｄ２が名目上の分離距離ｄ１と同じになるように、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対して位置決めされ方向が定められる。様々な他の実施形態において、さらに以下に述べるように、再帰反射器４４０および４４１は、さらに、回折および反射光ビームとエンコーダ読取ヘッドの各種要素との間のクリアランスを維持するように、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対して位置決めされ方向が定められる。
【０１１８】
いかなる場合でも、図３３（ａ）に最も良く示されるように、再帰反射光ビーム４０２arおよび４０２brは、第２ゾーン４３２から回折され、それぞれ、それぞれの後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを生じ、それら後の光回折ビームは、第２ゾーン４３２から光ビーム指向要素４２０および４２１に向けて分岐するそれぞれの光路に沿ってそれぞれの回折次数で回折される。そして、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂがビームスプリッティング要素４１５Ｘ近傍に収束するように、光ビーム指向要素４２０および４２１によって導かれる。ビームスプリッティング要素４１５の一部が後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを受光し、公知の光学原理に従って少なくとも１つのビームを反射または回折する光ビーム指向要素として作用し、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを共有ゾーン４５０において直線上またはほぼ直線上にする。そして、前述したように、直線またはほぼ直線上にされた後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、適切に選択された光検出器４６０に入射する。様々な実施形態において、代わりのおよび／または別の光ビーム指向要素は、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを導き、公知の光学原理に従って少なくとも１つのビームを反射または回折し、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを共有ゾーン４５０において直線上またはほぼ直線上にする代わりのおよび／または別の光ビーム指向要素近傍に収束する。
【０１１９】
図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、静的および動的ピッチ感度を減少させまたは排除する。例えば、スケール格子４３０が図３３（ａ）に示すポイントＡpを通してピッチ軸周りに回転されると、小さいピッチに対して、光ビーム４０２arおよび４０３ａの光路長は、光ビーム４０１ｂおよび４０３ｂの光路長とほぼ同じ量ずつ変化する。同様に、光ビーム４０２brおよび４０３ｂの光路長は、光ビーム４０１ａおよび４０３ａの光路長とほぼ同じ量ずつ変化する。従って、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、静的または動的ピッチに関わらず、共有ゾーン４５０にほぼ同じ光位相関係で入射し、そして、潜在ピッチ誤差は減少されまたは排除される。さらに一般的には、様々な実施形態において、たとえ距離ｄ１とｄ２が異なっても、対称性がスケール格子４３０の面上で測定軸に垂直な軸に沿って距離ｄ１およびｄ２の中間点を合わせることによって維持されるならば、同様の結果が得られる。
【０１２０】
図３３（ｄ）は、図３３（ａ）〜（ｃ）に示す第９実施形態によるスケール格子４３０上に形成された名目上のスポットパターンの１例を示す上面図である。図２９（ｄ）は、光ビーム４０１ｂから生じた光点S1b、光ビーム４０２arから生じた光点S2ar、光ビーム４０１ａから生じた光点S1a、および光ビーム４０２brから生じた光点S2brを示す。一般に、図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成による様々な実施形態において、好ましくは、距離ｄ１およびｄ２はほぼ同じであり、それぞれの光点S1bおよびS2arの対、および光点S1aおよびS2brの対は、それぞれ、測定軸方向１０１に対してほぼ横または垂直である方向に沿って１直線にされる。そのような実施形態は、潜在的ピッチ誤差を減少させる。特に、発明者は、様々な実施形態において、図３３（ｄ）に示すように、距離ｄ１およびｄ２が同じであり、それぞれの光点S1bおよびS2arの対、および光点S1aおよびS2brの対が測定軸方向１０１に対して垂直である方向に沿って一直線にされ、そして、潜在的ピッチ誤差が効果的に排除されることを、求めた。ある構成において、１ｍｍより大きく４ｍｍより小さい距離ｄ１およびｄ２を有することは効果的である。
【０１２１】
図３３（ａ）〜（ｃ）に示すエンコーダ読取ヘッド構成は、また、前述したように光点位置および光ビーム通路長の所望の構成を提供することに加えて他の利点を有する。特に、図３３（ｂ）に最も良く示されるように、様々な「不必要な」反射および／または回折光ビームと様々なエンコーダ読取ヘッドの要素との間のクリアランスを維持するために、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対する再帰反射器４４０および４４１の位置および方向を決定することが可能であり、その結果、交差ビームが排除される。様々な０次反射光ビーム通路は、図３３（ｂ）において点線によって示される。０次反射光ビーム通路Z1bおよびZ1aは、再帰反射器４４０および４４１外になり、よって、排除される。再帰反射光ビーム４０２arおよび４０２brから生じた０次反射光ビームは、光ビーム指向要素４２０および４２１によって受光されてビームスプリッティング要素４１５Ｘに導かれ、結合された０次反射光ビーム通路Z3に沿って出現する。０次反射光ビーム通路Z3が検出器４６０外になり、よって、排除される。本発明によるそのような実施形態は、偏光子を含む必要がないので、いくつかの状況における不必要なエンコーダ読取ヘッド製作および／または組み立て制約を回避することができる。しかしながら、例えば、特定の実施形態における特定の光検出器４６０との互換性が望まれるように、偏光子は、オプションで、そのような実施形態に含まれるかもしれない。
【０１２２】
図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成による様々な実施形態において、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対する再帰反射器４４０および４４１のサイズおよび／または位置および／または方向の決定に応じて、様々な０次反射光ビーム通路は排除されず、結果交差ビームが生じる。そのような実施形態において、図２２（ａ）〜（ｃ）に示す構成に関して述べた偏光および検出要素は、使用されるべきである。そのような実施形態は、上述したように、まだ、第９実施形態の他の特徴および利益を保ち、よって、また上述したように、静的および動的ピッチミスアライメントを感知しないように保たれるであろう。
【０１２３】
さらに、図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成において、検知装置は、透明ブロック構造を備える。従って、光ビーム指向要素４２０および４２１は、透明材のブロックの反対面を備える。同様に、再帰反射器４４０および４４１は、透明材のブロックのそれぞれのコーナ領域を備える。より一般的には、図３３（ａ）〜（ｄ）の先の議論に含まれる全般の議論は、要素および寸法の組み合わせにおいて図３３（ａ）〜（ｄ）に示す特定の要素および寸法と異なる多数の構成を示す。従って、図３３（ａ）〜（ｄ）は、先の議論の全般部分の意味および意図に関して限定するものと解釈されるべきではない。
【０１２４】
図３４（ａ）は、本発明の第１０実施形態による光学式変位検出装置構成の様々な例における第３例の透明ブロック構成を示す三次元図である。図３４（ｂ）は図３４（ａ）に示す透明ブロック構成の側面図、図３４（ｃ）は図３４（ａ）に示す透明ブロック構成の上面図、図３４（ｄ）は図３４（ａ）に示す透明ブロック構成の端面図である。図３５（ａ）は図３４（ａ）に示す光学式変位検出装置の側面図、図３５（ｂ）は図３４（ａ）に示す光学式変位検出装置の端面図、図３５（ｃ）は図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ），（ｂ）に示す第１０実施形態によるスケール格子上に形成された名目上のスポットパターンの上面図である。
【０１２５】
図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、少なくとも２つの方法において、図３３（ａ）〜（ｄ）に示す構成に類似する。第１は、エンコーダ読取ヘッドの部品は、スケール格子４３０を照射しまたはそれから回折された動作光ビームのそれぞれの部分が測定軸方向１０１に平行で照射または回折のそれぞれの点を経て伸びる仮想ラインに関して同一の角度を形成するように、配置される。そのような構成は、前述したように、式（１）〜（３）に従って設計される。第２は、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に示す構成のビーム通路および光点構成は、同様の方法で、静的および動的ピッチミスアライメントに対して不感度である同様の測定を提供する。
【０１２６】
図３４（ａ）〜（ｄ）は、図３０および図３１（ａ），（ｂ）に示す透明ブロック２７００と同様の方法で同様の機能を提供する透明ブロック３０００を示す。さらに、図３４（ａ）〜（ｄ）において、別段指示されていなければ、明らかに対応する要素および／または同様の符号を有する要素は、図３０および図３１（ａ），（ｂ）を参照して前述したように配置され動作する。図３０および図３１（ａ），（ｂ）を参照した全般の議論は、別段指示されていなければ、同様の方法で、図３４（ａ）〜（ｄ）に適用される。さらに、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）において、前述した全般のまたは特定の要素に明らかに対応するいくつかの要素の符号は、それらの配置および動作が既に明らかにされ、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）を参照してさらに述べられることはないから、省略される。逆に、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）において、関連する記述があるかまたは図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）がさらにその要素を明確にするのに役立つなら、要素の符号が一般的に繰り返されまたは追加される。
【０１２７】
図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に示す構成において、図３４（ａ）および図３５（ａ）に最も良く示されるように、光ビーム４０１は、入力格子４１５-inによって、光ビーム４０１ａおよび４０１ｂに分岐される。光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、光ビーム指向要素４２０および４２１によって受光され、それぞれの収束光路に沿ってスケール格子４３０上の第１ゾーン４３１に向けて導かれる。１つの実施形態において、光ビーム指向要素４２０および４２１は、図３４（ｃ）に最も良く示されるように、透明ブロック３０００のそれぞれの表面である。図３３（ａ）〜（ｃ）に示す光ビーム４０１ａおよび４０１ｂに対して、本実施形態による光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、図３４（ｂ）および図３５（ａ）に最も良く示されるように、それらがスケール格子４３０に到達するまでに、仮想面Ｐcに到達する前およびその後で収束される。図３４（ｃ）および図３５（ｃ）に最も良く示されるように、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、スケール格子４３０上の第１ゾーン４３１における、測定軸方向１０１に沿った名目上の分離距離ｄ１を有する光点を照射する。
【０１２８】
これは、それぞれの分岐光路に沿って進む２つの回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂを、それらが透明ブロック３０００のそれぞれのコーナに合致する反射面によって提供される再帰反射器４４０および４４１に入射するまでに生じる。再帰反射器４４０および４４１は、２つの回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂをそれぞれの分岐光路に沿って受け入れ、それぞれ、それらを、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂの光路に平行な光ビーム４０２arおよび４０２brとして、再帰反射する。光ビーム４０２aおよび４０２ｂに対して、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に示す構成による様々な実施形態において、図３４（ｂ）および図３５（ａ）に最も良く示されるように、再帰反射器４４０および４４１すなわち透明ブロック３０００の再帰反射面は、再帰反射されたビーム４０２arおよび４０２brが最初に、スケール格子表面に平行でスケール格子４３０上の第１ゾーン４３１近傍の仮想面Ｐcに向けて収束され、仮想面Ｐcから分岐するように、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対して位置および／または方向が決定される。図３５（ｃ）に最も良く示されるように、再帰反射されたビーム４０２arおよび４０２brは、スケール格子４３０上の第２ゾーン４３２における、測定軸方向１０１に沿った名目上の分離距離ｄ２を有する光点を照射する。
【０１２９】
第２ゾーン４３２からの再帰反射されたビーム４０２arおよび４０２brは、それぞれの後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを生じる。そして、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、光ビーム指向要素４２０および４２１によって出力格子４１５-outに向けて導かれるべくそれぞれの光路に沿って進み、出力格子４１５-outは、本発明の原理に従い、少なくとも１つのビームを回折し、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを共有ゾーン４５０において一直線またはほぼ一直線にする光ビーム指向要素として動作する。本発明の原理に従う代替光路を有する様々な実施形態において、追加されたミラー（図示せず）などの代替および／または別の光ビーム指向面は、光ビーム指向要素４２０および４２１を提供する面の透明部分上に装着することができ、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを導き、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを共有ゾーン４５０において一直線またはほぼ一直線にする光ビーム指向要素近傍に収束させる追加面および／または寸法を提供する。
【０１３０】
図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ビームスプリティング要素４１５-inおよび４１５-outは、概念的に、読取ヘッド格子要素として表され、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂはそれぞれ読取ヘッド格子要素４１５-outを照射し、一方、読取ヘッド格子要素４１５-inは、光ビーム４０１によって照射される。様々な模範的な読取ヘッド要素の構造および動作は、この図に一致し、図１１（ａ）〜（ｅ）を参照して述べた。しかしながら、様々な他の実施形態において、ビームスプリッティング要素４１５-inおよび４１５-outは、１つのまたは複数の格子などの一部など、公知のおよび／または後に開発された光ビームスプリッティング要素または要素の組み合わせを意図的に表し、本発明の原理に従いスプリットおよび／または回折光ビームを生成するように動作可能である、上述し、図１１（ａ）〜（ｅ）または図１２（ａ）〜（ｄ）に示す構成を含む。
【０１３１】
図３５（ｃ）は、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｂ）に示す第１０実施形態によるスケール格子４３０上に形成された名目上のスポットパターンの一例を示す上面図である。図３５（ｃ）に示すように、光ビーム４０１ａは、名目上、スケール格子４３０において光点S1aを照射し、回折光ビーム４０２ａを生じる。ビーム４０１ｂは、名目上、スケール格子４３０において光点S1bを照射し、回折光ビーム４０２ｂを生じる。ビーム４０２brは、名目上、スケール格子４３０において光点S2brを照射し、後の回折光ビーム４０３ｂを生じる。ビーム４０２arは、名目上、スケール格子４３０において光点S2arを照射し、後の回折光ビーム４０３ａを生じる。
【０１３２】
図３３（ｄ）と同様に、図３５（ｃ）において、光点S1aおよびS1bは、第１ゾーン４３１内に位置し、第１距離ｄ１によって分離され、そして、光点S2arおよびS2brは、第２ゾーン４３２内に位置し、第１距離ｄ２によって分離されている。図３３（ｄ）と図３５（ｃ）に示すそれらの位置を比較すると、光点S1aおよびS1bの位置は逆転され、同様に光点S2arおよびS2brの位置は逆転されている。これは、第９と第１０実施形態との間の違いに起因する。しかしながら、光点の両方の組は逆転されるから、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に対する、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂ、寸法ｄ１およびｄ２、および様々な光点の位置に対する再帰反射器４４０および４４１の位置および／または方向に関する考慮は、本質的に、図３３（ａ）〜（ｄ）に示す構成に関して前述した考慮と同じである。従って、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、同様または一致する方法で、静的および動的ピッチミスアライメントに対して不感度である同様また一致する測定を提供する。
【０１３３】
図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に示す透明ブロック３０００の特定の態様に関して、様々な０次反射光ビーム通路は排除されず、交差ビームを生じる。従って、図２２（ａ）〜（ｃ）に示す構成に関して述べた偏光および検出要素、またはそれらと同等の要素は、そのような形態を含む読取ヘッドに含まれる。しかしながら、また、光ビーム４０１ａ，４０１ｂ，４０２arおよび４０２brから生じる０次反射光ビーム通路が図３４（ａ）〜（ｄ）に示す様々な動作ビームと１直線にされないから、それらは、様々な適当な手段によって遮られ、排除され、図２２（ａ）〜（ｃ）に示す構成に関して述べた偏光および検出要素は、必要とされない。
【０１３４】
図３５（ｄ）は、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｃ）に示す透明ブロック３０００の様々な態様における交差ビームを遮断するための要素例を示す上面図である。図３５（ｄ）は、スケール格子４３０に取り付けられる透明ブロック３０００の面すなわち底面に適用される遮断要素３０１０を示す。遮断要素３０１０の広がりおよび位置は、スケール格子４３０によって回折された全ての動作光ビームが、上述したように、透明ブロック３０００の底を経て入られるが、０次反射ビームは、ブロック要素３０１０によって遮断され、入らないように、決定される。遮断要素は、好ましくは、反射せず、０次反射ビームは吸収される。様々な実施形態において、遮断要素３０１０は拡散面を有する濃い不透明なコーティングであり、適切な公知のおよび／または後に開発される方法によって透明ブロック３０００の底に適用される。遮断の他の方法、または別の０次反射ビームの排除は、当業者には明らかであろう。
【０１３５】
図３６は、透明ブロック３０００に対する入力格子４１５-in、出力格子４１５-outおよび再帰反射器４４０および４４１の一例を示すブロック図である。図３６に示すように、入力格子４１５-inは高さH1で、出力格子４１５-outは高さH２で、再帰反射器４４０および４４１の上面は高さH3である。好ましくは、高さH3は、高さH1と高さH2の間のほぼ中間である。図示したように、高さH１＝約７．８３ｍｍで、高さH2＝約１０ｍｍである場合、高さH3は約８．９２ｍｍになるであろう。
【０１３６】
図３７は、誤差テーブル８０１，９０１と同様の誤差テーブル３２０１を示し、このテーブルは、再帰反射器４４０および４４１の上面が入力格子高さH1と出力格子高さH2の間のほぼ中間である高さH3に位置決めされている、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｄ）および図３６に示す基本構成に対応する、本発明による光学式変位検出装置に対する各種動的ミスアライメントおよびドリフトに関する誤差の大きさを項目として記載する。テーブル３２０１の全ての項目については、公称波長λが０．６３５μｍ、公称角度αが３８度（３８π／１８０rad）、公称角度βが６５度（６５π／１８０rad）、スケールの格子周期が０．４μｍである。テーブル３２０１に示す結果の重要な側面は、図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ）〜（ｄ）および図３６に示す基本構成が、実質的に、上述した他の様々な実施形態と同様に、動的ピッチ誤差を排除することができることを示すことである。
【０１３７】
テーブル３２０１に示す最も重要な誤差は、動的波長偏差および動的ギャップ変化に対するものである。動的ギャップ変化に関する誤差は、前述したように、テーブル３２０１とテーブル８０１および９０１と同じ大きさを有する。動的波長偏差に関する誤差は、様々な実施形態において、より安定した光源および／または改善された温度制御を使用することによって克服されるであろう。しかしながら、図１５〜２０を参照して上述した原理による様々なエンコーダ読取ヘッド構成が動的波長偏差に関する誤差の大きさに影響を及ぼすことが見つけられた。
【０１３８】
図３８は、透明ブロック３０００に対する入力格子４１５-in、出力格子４１５-outおよび再帰反射器４４０および４４１の第２例を示すブロック図である。図３８に示す構成は、その構成が出力格子４１５-outの高さH2とほぼ等しい高さH3'の再帰反射器４４０および４４１の上面を有することを除いて、図３６に示す構成と同様である。
【０１３９】
図３９は、誤差テーブル３４０１を示し、それは図３８に示す基本構成に対応することを除いて、誤差テーブル３２０１と同様である。図３７のテーブル３２０１と同様に、図３９のテーブル３４０１は、本発明による基礎を成すエンコーダ読取ヘッド実施形態は、実質的に、動的ピッチ誤差を排除する。図３７のテーブル３２０１の場合と同様に、図３９のテーブル３４０１に示す最も重要な誤差は、動的波長偏差および動的ギャップ変化に対するものである。テーブル３４０１をテーブル３２０１と比較すると、テーブル３４０１の動的波長偏差に対する誤差は、テーブル３２０１に比してわずかに悪いことがわかる。
【０１４０】
図４０は、本発明の第１１実施形態による光学式変位検出装置において使用可能な第４例の透明ブロックを概念的に示す三次元図である。図４１（ａ）は図４０に示す透明ブロック構成の側面図、図４１（ｂ）は図４０に示す透明ブロック構成の上面図、図４１（ｃ）は図４０に示す透明ブロック構成の端面図である。図４２（ａ）は図４０の光学式変位検出装置の側面図、図４２（ｂ）は端面図である。図４２（ｃ）は図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ），（ｂ）に示す第１１実施形態によるスケール格子上に形成された名目上のスポットパターンを示す上面図である。
【０１４１】
図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、少なくとも２つの方法において、図２９（ａ）〜（ｄ）に示す構成と類似する。第１は、エンコーダ読取ヘッドの部品は、スケール格子４３０を照射しまたはそれから回折された動作光ビームのそれぞれの部分が測定軸方向１０１に平行で照射または回折のそれぞれの点を経て伸びる仮想ラインに関して同一の角度を形成するように、配置される。そのような構成は、前述したように、式（１）〜（３）に従って設計される。第２は、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）に示す構成のビーム通路および光点構成は、同様の方法で、静的および動的ピッチミスアライメントに対して不感度である同様の測定を提供する。
【０１４２】
図４０および図４１（ａ）〜（ｃ）は、図２８および図２９（ａ），（ｂ）に示す透明ブロック２６００と同様の方法で同様の機能を提供する透明ブロック３５００を示す。さらに、図４０および図４１（ａ）〜（ｃ）において、別段指示されていなければ、明らかに対応する要素および／または同様の符号を有する要素は、図２８および図２９（ａ），（ｂ）を参照して前述したように配置され動作する。図２８および図２９（ａ），（ｂ）を参照した全般の議論は、別段指示されていなければ、同様の方法で、図４０および図４１（ａ）〜（ｃ）に適用される。さらに、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）において、前述した全般のまたは特定の要素に明らかに対応するいくつかの要素の符号は、それらの配置および動作が既に明らかにされ、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）を参照してさらに述べられることはないから、省略される。逆に、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）において、関連する記述があるかまたは図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）がさらにその要素を明確にするのに役立つなら、要素の符号が一般的に繰り返されまたは追加される。
【０１４３】
図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）に示す構成において、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）に最も良く示されているように、光ビーム４０１は、ビームスプリッティング要素４１５Ｘによって光ビーム４０１ａおよび４０１ｂに分岐される。１つの実施形態において、ビームスプリッティング要素４１５Ｘは、半銀メッキミラーなどを含むように製作された透明ブロック３５００の２つのサブブロック間のインタフェースである。より一般的には、様々な実施形態において示されたスプリッティング要素４１５Ｘは、適当な公知または後に開発された光ビームスプリッティング要素または要素の組み合わせを意図的に表し、図１２（ａ）〜（ｄ）を参照して上述したそれらに限定されることはなく、透明ブロック３５００の構造およびアセンブリに組み込まれるかもしれない。
【０１４４】
ビームスプリッティング要素４１５Ｘからの光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、光ビーム指向要素４２０および４２１によって受け入れられ、それぞれの収束光路に沿ってスケール格子４３０上の第１ゾーン４３１に向けて導かれる。１つの実施形態において、光ビーム指向要素４２０および４２１は、図４１（ｂ）に最も良く示すように、透明ブロック３５００の反射面である。図３３（ａ）〜（ｃ）に示す光ビーム４０１ａおよび４０１ｂと同様に、本実施形態による光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、最初に、スケール格子表面に平行でスケール格子４３０上の第１ゾーン４３１近傍の仮想面Ｐcに向けて収束され、そして、それらがスケール格子４３０に到達するまでに仮想面Ｐcから分けられる。図４１（ｂ）に最も良く示されるように、スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、第１ゾーン４３１におけるスケール格子４３０上の光点を照射し、各光点は測定軸方向１０１に沿った名目上の分離距離ｄ１を有する。図３３（ａ）〜（ｃ）に示す構成に対し、本実施形態においては、ビーム通路４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａおよび４０２ｂのそれぞれの位置および方向が再帰反射器４４０および４４１に対するので、第２ゾーン４３２に対して第１ゾーン４３１が図４１（ｂ）および図４２（ｃ）の下部に向けられている。
【０１４５】
スプリット光ビーム４０１ａおよび４０１ｂは、第１ゾーン４３１から回折され、それぞれ、それぞれの回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂを生じ、それらの回折光ビームは、第１ゾーン４３１近傍の仮想面Ｐcに向けて収束するそれぞれの光路に沿ってそれぞれの回折次数で回折され、そして、それらが、透明ブロック３５００のそれぞれのコーナに一致する反射面によって提供される再帰反射器４４０および４４１に入射するまで仮想面Ｐcから分岐される。再帰反射器４４０および４４１は、それぞれ、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂをそれぞれの光路に沿って受け入れ、それらを光ビーム４０２arおよび４０２brとして、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂの光路に対して平行に再帰反射する。
【０１４６】
光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対して、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）に示す構成に従う様々な実施形態において、再帰反射器４４０および４４１すなわち透明ブロック３５００の反射面は、再帰反射されたビーム４０２arおよび４０２brがスケール格子４３０に到達するまでに仮想面Ｐcに到達する前およびその後の両方で収束するように、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂに対して位置決めされ方向が定められる。図４１（ｂ）に最も良く示されるように、再帰反射されたビーム４０２arおよび４０２brは、第２ゾーン４３２におけるスケール格子４３０上の光点を照射し、各光点は測定軸方向１０１に沿った名目上の分離距離ｄ２を有する。
【０１４７】
再帰反射光ビーム４０２arおよび４０２brは、第２ゾーン４３２から回折され、それぞれ、それぞれの後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを生じる。そして、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂは、光ビーム指向要素４２０および４２１によってビームスプリッティング要素４１５Ｘの一部に向けて導かれるべく、それぞれの光路に沿って進み、ビームスプリッティング要素４１５Ｘは、本発明の原理に従って、少なくとも１つのビームを反射し、後の回折光ビーム４０３ａおよび４０３ｂを共有ゾーン４５０において１直線上またはほぼ１直線上にする光ビーム指向要素として動作する。
【０１４８】
図４２（ｃ）は、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ），（ｂ）に示す第１１実施形態によるスケール格子４３０上に形成された名目上のスポットパターンの一例を示す上面図である。図４２（ｃ）に示すように、光ビーム４０１ａは、名目上、スケール格子４３０において光点S1aを照射し、回折光ビーム４０２ａを生じる。光ビーム４０１ｂは、名目上、スケール格子４３０において光点S1bを照射し、回折光ビーム４０２ｂを生じる。光ビーム４０２brは、名目上、スケール格子４３０において光点S2brを照射し、後の回折光ビーム４０３ｂを生じる。光ビーム４０２arは、名目上、スケール格子４３０において光点S2arを照射し、後の回折光ビーム４０３ａを生じる。
【０１４９】
図３３（ｄ）と同様に、図４２（ｃ）において、光点S1aおよびS1bは、第１ゾーン４３１内に位置し、第１距離ｄ１によって分離され、そして、光点S2arおよびS2brは、第２ゾーン４３２内に位置し、第１距離ｄ２によって分離されている。図３３（ｄ）および図４２（ｃ）に示すそれらの位置を比較すると、第１ゾーン４３１と第２ゾーン４３２の位置は逆転されている。これは、第１０と第１１実施形態との間の違いに起因する。それにもかかわらず、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）に対する、回折光ビーム４０２ａおよび４０２ｂ、寸法ｄ１およびｄ２、および様々な光点の位置に対する再帰反射器４４０および４４１の位置および／または方向に関する考慮は、本質的に、図３３（ａ）〜（ｄ）に示す構成に関して前述した考慮と同じである。従って、図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、同様または一致する方法で、静的および動的ピッチミスアライメントに対して不感度である同様また一致する測定を提供する。
【０１５０】
図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ）〜（ｃ）に示す透明ブロック３５００の特定の態様に関して、様々な０次反射光ビーム通路は排除されず、交差ビームを生じる。従って、図２８および図２９（ａ），（ｂ）に示す構成に関して述べた偏光および検出要素、またはそれらと同等の要素は、そのような形態を含む読取ヘッドに含まれる。しかしながら、また、光ビーム４０１ａ，４０１ｂ，４０２arおよび４０２brから生じる０次反射光ビーム通路が図４０および図４１（ａ）〜（ｃ）に示す様々な動作ビームと１直線にされないから、様々な実施形態において、それらは、図３５（ｄ）を参照して前述したように、様々な適当な手段によって遮られ、排除され、図２８および図２９（ａ），（ｂ）に示す構成に関して述べた偏光および検出要素は、必要とされない。代わりに、非偏光検出手順、および、図２８および図２９（ａ），（ｂ）を参照して前述したように光学くさび要素４９１などの様々な関連する要素が、そのような実施形態に使用されもよい。
【０１５１】
図４３は、本発明の前述した様々な実施形態による光学式変位検出装置を使用する方法のフローチャートである。図４３のフローチャートの要素は、図３２のフローチャートの要素と同様である。図４３に示すように、方法は、ブロックＳ３６１０で開始され、光学式変位検出装置のそれぞれの光指向要素によって受け入れられるべきスプリット光ビームを入力する。そして、方法はブロックＳ２８２０に進み、各種光指向要素を使用して、スプリット光ビームがそれぞれの収束光路に沿ってスケール格子上の第１ゾーンに導かれる。好ましい実施形態においては、スプリット光ビームが、名目上左右対称の収束光路に沿って第１ゾーンに導かれる。様々な実施形態においては、スプリット光ビームのそれぞれの収束光路は、スケール格子上の第１ゾーンに平行で近傍の仮想面に到達するまでに収束し、そして、スケール格子上の第１ゾーンまでのわずかな残り距離に亘って分岐する。そして、方法は、ブロックＳ３６３０に進む。
【０１５２】
ブロックＳ３６３０において、スプリット光ビームは、それぞれスケール格子上の第１ゾーンから回折され、２つの回折ビームが分岐した通路に沿って導かれてそれぞれの再帰反射器に入力するように分岐する。そして、方法はブロックＳ３６４０に進む。
【０１５３】
ブロックＳ３６４０で、それぞれの再帰反射器に入力された２つの回折ビームは、再帰反射されて２つの再帰反射ビームとしてそれぞれの収束光路に沿ってスケール格子上の第２ゾーンに向けて戻さる。様々な実施形態において、ブロックＳ３６２０で、スプリット光ビームのそれぞれの収束光路が、スケール格子上の第１ゾーンに到達するまでに収束すると、ブロックＳ３６４０で、２つの再帰反射ビームがスケール格子上の第２ゾーンに平行で近傍の仮想面に到達するまでにそれぞれの収束光路に沿ってスケール格子上の第２ゾーンに向けて戻り、そして、スケール格子上の第２ゾーンまでのわずかな残り距離に亘って分岐する。様々な他の実施形態において、ブロックＳ３６２０で、スプリット光ビームのそれぞれの収束光路がスケール格子上の第１ゾーンに平行で近傍の仮想面に到達するまでに収束し、スケール格子上の第１ゾーンまでのわずかな残り距離に亘って分岐すると、ブロックＳ３６４０で、２つの再帰反射ビームがスケール格子上の第２ゾーンに到達するまでにそれぞれの収束光路に沿ってスケール格子上の第２ゾーンに向けて戻る。そして、方法は、ブロックＳ３６５０に進む。
【０１５４】
ブロック３６５０において、スケール格子上の第２ゾーンに再帰反射されて戻ったビームは、それぞれスケール格子上の第２ゾーンから回折され、２つの後の回折ビームを生成し、それらはそれぞれの光指向要素によって受け入れられように分岐するそれぞれの光路に沿って導かれる。そして、方法は、ブロックＳ３６６０に進む。
【０１５５】
ブロックＳ３３６０において、それぞれの光指向要素は、２つの後の回折ビームをそれぞれの通路に沿って共有ゾーンに導く。好ましい実施形態において、共有ゾーンに導かれたビームは、共有ゾーン４５０において１直線上またはほぼ１直線上にするために少なくとも１つのビームを回折する光指向要素によって受け入れるまで、名目上左右対称の通路に沿って導かれる。そして、方法は、ブロックＳ３６７０に進み、共有ゾーンから生じる少なくとも１つの照明特性を検出し、その検出結果に基づいて、光学式変位検出装置に対するスケー格子の相対変位を求めることによって、方法は終了する。
【０１５６】
本発明は、上記の特定の実施形態に関連して述べられる一方、これらの特定の実施形態は、多数の代替、組み合わせ、改良および変更を提供する。１例として、本発明による様々な実施形態は、線形トランスデューサとして示されているけれども、この設計は、当業者によって、円筒および円形回転用途に使用されまたは適用されるかもしれない。別の例として、本発明は、可視スペクトル外の光波長が本発明の原理に従うスケール格子および光検出器で動作可能であれば、そのような波長を使用してもよい。従って、本発明の好ましい実施形態は、上記したように、意図的に描かれたものであって限定するものではない。様々な変更は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、行うことができる。
【０１５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定軸に沿った回折格子スケールの相対変位を決定する光学式変位検出装置すなわち光学式エンコーダ読み取りヘッドが提供される。格子は反射型で、格子ピッチはエンコーダ読み取りヘッドの光の波長未満である。
【０１５８】
本発明によれば、２つのスプリットビームをそれぞれの収束光路に沿ってスケール格子上の密な第１ゾーンへ導くことによって、動的ピッチミスアライメントに対する装置感度を減少させることができる。
【０１５９】
本発明によれば、２つの回折ビームをそれぞれの収束光路に沿ってスケール格子上の密な第２ゾーンへ導くことによって、動的ピッチミスアライメントに対する装置感度を減少させることができると同時に、ヨー感度は実質的に排除される。
【０１６０】
本発明によれば、検知装置構成は、互いに離れて傾斜しかつ測定軸に平行な２つの異なった平面上に配置される。各種の傾斜構成は、装置のコンパクトな設計とパッケージを容易にすると同時に、様々な光ビームの好ましくない混合を防ぐことができる。
【０１６１】
本発明によれば、１つの具体例において、２つのスプリットビームがスケール格子上の第１ゾーンに到達するまで、それぞれの光路に沿って収束し、再帰反射器は、それらの再帰反射されたビームがスケール格子上の第２ゾーンに平行で近傍の仮想平面に到達するまでそれぞれの収束光路に沿って戻されて収束し、スケール格子上の第２ゾーンまでの小さい残存距離に亘り分岐するように、それらの到達した２つのビームに対して位置および方向が決定される。この配置は、装置のコンパクトな設計とパッケージを容易にすると同時に、動的ピッチミスアライメントに対する装置感度をさらに減少させる光路とスケール格子上の光点の構成を生む。
【０１６２】
本発明によれば、別の具体例において、２つのスプリットビームがスケール格子上の第１ゾーンに平行で近傍の仮想平面に到達するまでそれぞれの光路に沿って収束し、スケール格子上の第１ゾーンまでの小さい残存距離に亘り分岐し、再帰反射器は、それらの再帰反射されたビームがスケール格子上の第２ゾーンに到達するまでそれぞれの光路に沿って収束するように、それらの到達した２つのビームに対して位置および方向が決定される。この配置は、装置のコンパクトな設計とパッケージを容易にすると同時に、動的ピッチミスアライメントに対する装置感度をさらに減少させる光路とスケール格子上の光点の構成を生む。
【０１６３】
本発明によれば、分岐されて２つの再帰反射要素に入るそれぞれの光路は、それぞれ、スプリットビームの１つのみから生じる回折された光ビームを受け入れ、エンコーダ読み取りヘッドにおける偏向器の必要性を避ける。
【０１６４】
本発明によれば、２つのさらに後の回折された光ビームの光路は、それぞれ、再帰反射されたビームの一つのみから生じる後の回折された光ビームを受け入れ、エンコーダ読み取りヘッドにおける偏向器の必要性を避ける。
【０１６５】
本発明によれば、様々な具体例において、第１ゾーンに導かれた光ビームは、測定軸方向に沿った第１の距離によって分離されている光点の第１のそれぞれの対でスケール格子に影響を与え、第２ゾーンに導かれたそれぞれの光ビームは、測定軸方向に沿った第２の距離によって分離されている光点の第２のそれぞれの対でスケール格子に影響を与える。一つの具体例において、第１および第２の距離は等しくされる。さらなる具体例において、光点の第１のそれぞれの対および光点の第２のそれぞれの対は、名目上、測定軸に垂直な方向に沿って並べられる。
【０１６６】
本発明によれば、検知装置構成は、装置のコンパクトな設計とパッケージを容易にすると同時に、スプリット光ビームが、少なくとも動的ピッチ変化と波長変動に関連する誤差に対する装置の感度を減衰させる角度の範囲内で第１ゾーンを名目上照射するように配置される。
【０１６７】
本発明によれば、光ビーム指向要素は、透明材料のブロックの反対の表面を備え、要素を製作し正確に位置決めするためのコンパクトで経済的かつ強固な方法を提供する。
【０１６８】
本発明によれば、再帰反射要素は、透明材料のブロックのそれぞれのコナーを備え、再帰反射要素を製作し正確に位置決めするためのコンパクトで経済的かつ強固な方法を提供する。
【０１６９】
本発明によれば、読み取りヘッド格子は、２つのスプリットビームを生成し、検知装置構成は、読み取りヘッド格子と再帰反射器が少なくとも動的ピッチ変化と波長変動に関連する誤差に対する装置感度を減衰させる構成上にあるように配置される。
【０１７０】
本発明によれば、検知装置構成は、第１高さでの入力格子と、第２高さでの出力格子とを含み、再帰反射器は、入力格子の高さと出力格子の高さの間の中間の高さに位置する。
【０１７１】
本発明によれば、ビームスプリッタが２つのスプリットビームを生成し、検知装置構成は、ビームスプリッタと再帰反射器が少なくとも動的ピッチ変化と波長変動に関連する誤差に対する装置感度を減衰させる構成上にあるように配置される。
【０１７２】
本発明によれば、様々な具体例において、偏向構成は光学検知器に使用され、他の様々な具体例において、コンパクトな光学アレイが光学検知器に使用される。
【０１７３】
従って、本発明は、コンパクトで経済的かつ汎用性がある構成を有する従来の光学式変位検出装置の不利を克服し、使用される光源の波長より大きいおよび未満の両方の格子周期に適用可能であって、実質的に同時に、少なくとも動的ヨーとピッチミスアライメントを含む各種パラメータの変動に対して不感知である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の従来の光学式変位検出装置における光路の側面図である。
【図２】第２の従来の米国特許'085に開示されている光学式変位検出装置の側面を示す概略図である。
【図３】米国特許'085に開示されている第３の従来の光学式変位検出装置を概要的に示す側面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による光学式変位検出装置構成の三次元概念図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光学式変位検出装置の三次元的概念図である。
【図６】（ａ）は図５に示す光学式変位検出装置の側面図、（ｂ）は図５に示す光学式変位検出装置の上面図、（ｃ）は図５に示す光学式変位検出装置の端面図である。
【図７】従来の幾何学的成分と光路方向を記述するために用いられる符号とを明確にするための三次元図である。
【図８】全般的な入力光線方向とスケール格子４３０に類似する格子からの回折光線の結果的な円錐状の分布とを、図７の用語を用いて示す三次元図である。
【図９】図１に対応する従来の光学式変位検出装置構成に対する各種初期値と動的ミスアライメントおよびドリフトとに関連する誤差を示す誤差テーブルを示す図である。
【図１０】図５および図６（ａ）〜（ｃ）と図１３および図１４（ａ）〜（ｃ）に対応する従来の光学式変位検出装置構成に対する各種初期値と動的ミスアライメントおよびドリフトとに関連する誤差を示す誤差テーブルを示す図である。
【図１１】本発明による様々な実施形態に使用可能な第１から第５読取ヘッド格子構成の動作を明確にするための三次元図である。
【図１２】本発明による様々な実施形態に使用可能な第１から第４のそれぞれのビームスプリッタ構成の動作を明確にするための三次元図である。
【図１３】本発明の第３実施形態による光学式変位検出装置構成の三次元概念図である。
【図１４】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、図１３に示す光学式変位検出装置の側面図、上面図、および端面図である。
【図１５】本発明による光学式変位検出装置における様々な入射ビーム角度での動的ギャップミスアライメントおよび波長変化に対する誤差感度データを示すグラフである。
【図１６】本発明による光学式変位検出装置における様々な入射ビーム角度に対する光点長データ、読取ヘッドサイズを示すデータを示すテーブルである。
【図１７】本発明による光学式変位検出装置において６３５ｎｍの波長を使用し、様々な入射ビーム角度と様々な傾角での動的ギャップミスアライメントに対する誤差感度データを示すグラフである。
【図１８】本発明による光学式変位検出装置において４０５ｎｍの波長を使用し、様々な入射ビーム角度と様々な傾角での動的ギャップミスアライメントに対する誤差感度データを示すグラフである。
【図１９】本発明による光学式変位検出装置において６３５ｎｍの波長を使用し、様々な入射ビーム角度と様々な傾角での動的波長ドリフトに対する誤差感度データを示すグラフである。
【図２０】本発明による光学式変位検出装置において４０５ｎｍの波長を使用し、様々な入射ビーム角度と様々な傾角での動的波長ドリフトに対する誤差感度データを示すグラフである。
【図２１】本発明の第４実施形態による光学式変位検出装置構成の三次元概念図である。
【図２２】（ａ）は本発明の第５形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図、（ｂ）はその上面、（ｃ）はその端面図である。
【図２３】偏光構成を含む光検出器４６０Ｐの側面図である。
【図２４】（ａ）は本発明の第６実施形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図、（ｂ）はその上面図、（ｃ）はその端面図である。
【図２５】本発明の第７実施形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図である。
【図２６】本発明の第８実施形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図である。
【図２７】本発明による様々な実施形態において使用可能な第１例の透明ブロック構成を示す三次元図である。
【図２８】本発明による様々な実施形態において使用可能な第２例の透明ブロック構成を示す三次元図である。
【図２９】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図２８に示す透明ブロック構成の側面図および端面図である。
【図３０】本発明による様々な実施形態において使用可能な第３例の透明ブロック構成を示す三次元図である。
【図３１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図３０に示す透明ブロック構成の側面図および端面図である。
【図３２】本発明の様々な実施形態による光学式変位検出装置を使用する第１の方法のフローチャートである。
【図３３】（ａ）は本発明の第９実施形態による光学式変位検出装置構成を概念的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）に示す光学式変位検出装置の上面図、（ｃ）は（ａ）に示す光学式変位検出装置の端面図である。
【図３４】（ａ）は本発明の第１０実施形態による光学式変位検出装置構成の様々な例における第３例の透明ブロック構成を示す三次元図、（ｂ），（ｃ），（ｄ）は（ａ）に示す透明ブロック構成の側面図、上面図、端面図である。
【図３５】（ａ），（ｂ）は図３４（ａ）〜（ｄ）に示す第１０実施形態の光学式変位検出装置の側面図、端面図、（ｃ）は図３４（ａ）〜（ｄ）および図３５（ａ），（ｂ）に示す第１０実施形態によるスケール格子上に形成された名目上のスポットパターンの上面図、（ｄ）は図３４（ａ）〜（ｄ）に示す透明ブロック構成の交差ビームを遮断する要素の一例を示す上面図である。
【図３６】図３４（ａ）に示す第３例の透明ブロックの入力格子、出力格子およびコーナキューブの高さの一例を示すブロック図である。
【図３７】図３４〜図３６に示す光学式変位検出装置における様々な初期値と動的ギャップミスアライメントおよび波長変化とに関連する誤差を示す誤差テーブルである。
【図３８】図３４（ａ）に示す第３例の透明ブロックの入力格子、出力格子およびコーナキューブの高さの他の例を示すブロック図である。
【図３９】図３４，図３５および図３８に示す光学式変位検出装置における様々な初期値と動的ギャップミスアライメントおよび波長変化とに関連する誤差を示す誤差テーブルである。
【図４０】本発明の第１１実施形態による光学式変位検出装置において使用可能な第４例の透明ブロックを概念的に示す三次元図である。
【図４１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は図４０に示す透明ブロック構成の側面図、上面図、端面図である。
【図４２】（ａ），（ｂ）は図４０に示す第１１実施形態の側面図および端面図、（ｃ）は図４０、図４１（ａ）〜（ｃ）および図４２（ａ），（ｂ）に示す第１１実施形態によるスケール格子上に形成された名目上のスポットパターンを示す上面図である。
【図４３】本発明の様々な実施形態による光学式変位検出装置を使用する第２の方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
４００ エンコーダ読取ヘッド構成
４０１ａ，４０１ｂ スプリット光ビーム
４１０ スプリット光ビーム入力部
４１２ 光源
４２０，４２１ 光ビーム指向要素
４３０ スケール格子４３０
４３１ 第1ゾーン
４３２ 第2ゾーン
４４０，４４１ 再帰反射器
４５０ 共有ゾーン
４６０ 光検出器

Claims (30)

1. 測定軸に沿って形成された格子を有するスケールの前記測定軸に沿った相対変位を測定するための光学式変位検出装置であって、
   スプリット光ビーム入力部と、
   ２つ以上の光ビーム指向要素と、
   ２つ以上の再帰反射要素と、
   光検出器とを備え、
   前記スプリット光ビーム入力部は、２つのスプリット光ビームをそれぞれの光路に沿って入力するように位置決めされ、
   前記２つ以上の光ビーム指向要素は、２つのスプリット光ビームをそれぞれの光路に沿って受け入れ、前記２つのスプリット光ビームをそれぞれの収束光路に沿って前記スケール格子上の第１ゾーンに向けて導くように位置決めされ、前記２つのスプリット光ビームは、第１ゾーンから、前記２つ以上の再帰反射器に入るように分岐するそれぞれの光路に沿って２つの回折光ビームを生じ、
   前記２つ以上の再帰反射要素は、前記第１ゾーンからの２つの回折光ビームを受け入れ、２つの再帰反射された光ビームをそれぞれの収束光路に沿って前記スケール格子上の第２ゾーンに向けて再帰反射するように位置決めされ、
   前記２つの再帰反射された光ビームは、第２ゾーンからのそれぞれの光路に沿って２つの後の回折光ビームを生じ、前記それぞれの光路はそれぞれの光ビーム指向要素によって受け入れられるように分岐し、共有ゾーンに入るように導かれ、
   前記光検出器は、前記共有ゾーンから生じる少なくとも１つの照明特性を検出し、該検出された少なくとも１つの照明特性は前記スケールの相対変位を求めるのに使用されることを特徴とする光学式変位検出装置。
2. 前記光検出器は、前記スケールの相対変位を求めるのに使用される前記少なくとも１つの検出された照明特性を示す少なくとも１つの出力信号を出力することを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
3. 前記２つ以上の再帰反射器に入るように分岐するそれぞれの光路は、それぞれ、前記スプリット光ビームの一つのみから生じた１つの回折光ビームを受け入れることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
4. 前記２つ以上の光ビーム指向要素によって受け入れられるように分岐する前記第２ゾーンからのそれぞれの光路は、それぞれ、前記再帰反射された光ビームの１つのみから生じた１つの後の回折光ビームを受け入れることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
5. 前記スケール格子は、前記スプリット光ビーム入力部によって入力された光の波長より小さいピッチを有することを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
6. 前記第１ゾーンから２つの回折光ビームを生じる前記２つのスプリット光ビームは、それぞれ、名目上配置されたスケール格子上の第１ゾーン点に照射され、前記それぞれの第１ゾーン点は前記測定軸の方向に沿った第１の名目上の距離によって分離され、前記第２ゾーンからのそれぞれの光路に沿って２つの後の回折光ビームを生じる前記２つの再帰反射された光ビームは、それぞれ、名目上配置されたスケール格子上の第２ゾーン点に照射され、前記それぞれの第２ゾーン点は前記測定軸の方向に沿った第２の名目上の距離によって分離されることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
7. 前記第１の名目上の距離および前記第２の名目上の距離は、共に零であることを特徴とする請求項６記載の光学式変位検出装置。
8. 前記第１ゾーンからの２つの回折光ビームの第１の回折光ビームは、前記測定軸に沿った第１の方向に最も遠い第１ゾーン点から発生し、前記測定軸に沿った逆方向に最も遠い第２ゾーン点に照射される再帰反射光ビームとして再帰反射されることを特徴とする請求項６記載の光学式変位検出装置。
9. 前記第１の名目上の距離の中間点および前記第２の名目上の距離の中間点は、互いに前記測定軸方向にほぼ垂直に位置することを特徴とする請求項８記載の光学式変位検出装置。
10. それぞれの光ビーム指向要素によって受け入れられるように分岐する前記それぞれの光路は、それぞれ、前記スプリット光ビームの１つのみから生じる１つの回折光ビームを受け入れることを特徴とする請求項８記載の光学式変位検出装置。
11. 前記第１の名目上の距離および前記第２の名目上の距離の少なくとも１つは、１ｍｍより大きく、４ｍｍより小さいことを特徴とする請求項８記載の光学式変位検出装置。
12. 前記第１の名目上の距離および前記第２の名目上の距離は、等しいことを特徴とする請求項８記載の光学式変位検出装置。
13. 前記第１および第２ゾーンは、互いに前記測定軸に垂直な方向に沿って分離されていることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
14. 前記スプリット光ビームは、名目上、前記格子スケールの前記第１ゾーンに照射され、測定軸に平行でそれらのそれぞれの照射点を経て伸びるラインに対して６０度（６０π／１８０rad）以下１０度（１０π／１８０rad）以上の同じそれぞれの角度を形成することを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
15. 前記それぞれの角度は、４０度（４０π／１８０rad）以下２０度（２０π／１８０rad）以上であることを特徴とする請求項１４記載の光学式変位検出装置。
16. 前記それぞれの角度は、３０度（３０π／１８０rad）以下２０度（２０π／１８０rad）以上であることを特徴とする請求項１４記載の光学式変位検出装置。
17. 前記スケール格子は、前記スプリット光ビーム入力部によって入力された光の波長より小さいピッチを有することを特徴とする請求項１４記載の光学式変位検出装置。
18. 前記スケール格子のピッチは、前記光の波長の０．８倍より小さく、前記それぞれの角度は、４５度（４５π／１８０rad）以下２０度（２０π／１８０rad）以上であることを特徴とする請求項１７記載の光学式変位検出装置。
19. 前記第１ゾーンに向かうそれぞれの収束光路の少なくとも一部は、前記測定軸に平行でかつ前記スケール格子に対する名目上の位置決め面に対して垂直に配置された面から離れて第１の方向に傾斜され、前記２つ以上の再帰反射器に入るように分岐する前記第１ゾーンからのそれぞれの光路の少なくとも一部は、前記測定軸に平行でかつ前記スケール格子に対する名目上の位置決め面に対して垂直に配置された面から離れて逆方向に傾斜されていることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
20. 前記測定軸は円軌道を備え、前記スケール格子は円形軌道の少なくとも一部に沿って形成され、前記スケールは回転動作可能であり、前記スケールの角度変位を測定するのに使用可能であることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
21. 前記２つ以上の光ビーム指向要素は、それぞれ、スプリット光ビーム通路のための少なくとも１つの平面ミラー表面を備えることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
22. 前記それぞれの平面ミラー表面の第１の部分は、それぞれのスプリット光ビームを導くのに用いられ、前記それぞれの平面ミラー表面の第２の部分は、それぞれの後の回折光ビームを導くのに用いられることを特徴とする請求項２１記載の光学式変位検出装置。
23. 前記２つ以上の光ビーム指向要素は、透明材料のブロックの反対面を備えることを特徴とする請求項２１記載の光学式変位検出装置。
24. 前記２つ以上の再帰反射要素は、透明材料のブロックのそれぞれのコーナ領域を備えることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
25. 前記スプリット光ビーム入力部は、光源と、ビームスプリッタおよび入力格子の１つとを備えることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
26. 少なくとも１つの後の回折光ビームを少なくとも部分的に導き、前記共有ゾーンに入れる出力格子をさらに備え、前記スプリット光ビーム入力部は、前記入力格子を備えることを特徴とする請求項２５記載の光学式変位検出装置。
27. 前記２つ以上の再帰反射要素に対して、前記スケール格子に対する名目上の位置決め面から最も遠い反射部分が、前記入力格子および前記出力格子の高さ間のほぼ中間の高さに位置決めされることを特徴とする２６記載の光学式変位検出装置。
28. 前記光検出器は、光学アレイを備え、前記共有ゾーンから生じた前記少なくとも１つの照明特性は、前記共有ゾーンにおける干渉縞パターンから生じることを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
29. ０次反射光ビームは、動作可能光路から排除され、偏光要素は必要とされないことを特徴とする請求項１記載の光学式変位検出装置。
30. 測定軸に沿って形成された格子を有するスケールの前記測定軸に沿った相対変位を測定するための光学式変位検出方法であって、
    光源から光ビームを光ビームスプリッティング要素に伝送し、２つのスプリット光ビームを生成し、
    前記２つのスプリット光ビームを、それぞれの収束光路に沿って前記スケール格子上の第１ゾーンに向けて導き、
    前記２つのスプリット光ビームを回折し、２つの回折光ビームを、それぞれの再帰反射器に入るように分岐するそれぞれの光路に沿って生成し、
    前記２つの回折光ビームを２つの再帰反射ビームとして、それぞれの収束光路に沿って前記スケール格子上の第２ゾーンに向けて再帰反射し、
    前記２つの再帰反射ビームを回折し、２つの後の回折光ビームを、前記第２ゾーンから、それぞれの光ビーム指向要素によって受け入れられるように分岐するそれぞれの光路に沿って生成し、
    前記２つの後の回折光ビームを共有ゾーンに入るように導き、
    前記共有ゾーンから生じる少なくとも１つの照明特性を検出し、前記検出された前記少なくとも１つの照明特性は、前記スケールの相対変位を求めるのに使用可能であることを特徴とする光学式変位検出方法。

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