JP4953661B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、光電式エンコーダに係る。特に、メインスケールと受光素子の間に、レンズとアパーチャが挿入されたテレセントリック光学系を持つ光電式エンコーダの改良に関する。

特許文献１に記載されているように、図１に示す如く、メインスケール２０と、受光部３０を構成する例えば受光素子アレイ３４の間に、レンズ４２、及び、テレセントリック光学絞りとしてのアパーチャ４４からなるレンズ光学系（テレセントリック光学系）４０を挿入して、図２に示す如く、レンズ４２とメインスケール２０のスケール２１及び受光素子アレイ３４上の受光素子３５間の距離ａ、ｂを調整することにより、倍率設定ができるようにされた光電式エンコーダが考えられている。図１において、１０は光源、ｆはレンズ４２の焦点距離である。

このテレセントリック光学系４０を用いた光電式エンコーダでは、メインスケール２０上の像をレンズ光学系（４２、４４）を通して受光素子アレイ３４上に投影させる。ここで、アパーチャ４４をレンズ４２の焦点位置に配置することで、メインスケール２０とレンズ４２間の距離（ギャップ）が変動しても、レンズ４２とアパーチャ４４と受光素子アレイ３４の位置関係が変動しなければ、受光素子アレイ３４上に結像される像の倍率変動を抑えることができる。

又、特許文献２には、シャインプルーフの条件を利用してレチクル投影光学系の側方の狭い隙間からウェハ上に入射することが記載されている。

特開２００４−２６４２９５号公報 特開平１０−８２６１１号公報

しかしながら、特許文献１のようなテレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダを反射型で構成する場合、図３に示すようにアパーチャ４４が中心部に形成されたハーフミラー４６を挿入すると、ハーフミラー４６を２回通過して受光素子３４に到達する光量が（１／２）×（１／２）＝（１／４）に減少してしまい、到達光量を確保しようとすると、光源１０への供給電流が４倍必要になる。又、光軸がメインスケール２０の表面に対して垂直になるので、光学系が小型化できない。図において、１２は、光源１０から出た光を平行光線化するためのコリメートレンズである。

一方、図４のように、光軸を斜めにすると、図５のように、中心部と端部でエアギャップが異なってしまい、たとえば中央で合焦させると上下でピンボケを生じて、受光面全域でコントラストを確保することができず、信号検出効率が低下してしまうという問題点を有していた。

なお、シャインプルーフの条件をテレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダに用いることは、考えられていなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、光軸を傾けて光学系を小型化しても、像面全体でピントが合うようにして、コントラストの低下を防ぐことを課題とする。

本発明は、メインスケールと受光素子の間に、レンズ光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系とすると共に、前記メインスケールの表面、レンズの主面、及び、受光素子の像面の３者を延長した面が一箇所で交わるシャインプルーフの関係となるように配置したことにより、前記課題を解決したものである。

又、前記メインスケールの表面とレンズ主面がなす角度と、レンズ主面と受光素子の像面がなす角度を同じとしたものである。

本発明は、又、メインスケールと受光素子の間に、レンズ光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系であって、第１のレンズと受光素子の間に、少なくとも第２のレンズを、その焦点が前記第１のレンズの焦点位置に来るように挿入したレンズ光学系とすると共に、前記メインスケールの表面、前記第１のレンズの焦点と前記第２のレンズの焦点を含み、且つ、光軸に対して垂直な焦点面、及び、受光素子の像面の３者を延長した面が１箇所で交わるシャインプルーフの関係となるようにして、倍率も補正できるようにしたものである。

又、前記メインスケールの表面と焦点面がなす角度と、焦点面と受光素子の像面がなす角度を同じとしたものである。

又、前記レンズ光学系を両側テレセントリック光学系にしたものである。

本発明によれば、図６に示す如く、被写体面、レンズ主面、像面の３者を延長した面が１箇所で交われば、像面全体でピントが合うというシャインプルーフの条件を満足するので、像面全体でピントが合う。従って、光軸を傾けて光学系を小型化しても、コントラストの低下を防ぐことができる。

なお、図６のＡ’点とＢ’点の倍率は異なり、被写体が歪んで写るが、第１のレンズと第２のレンズを、お互いの焦点を一致させて連結したレンズ光学系とした場合は、倍率を補正して、被写体の歪みを防ぐこともできる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

第１の参考形態は、図７に示す如く、スケール２０上の被写体面、レンズ４２の主面、及び、受光素子３４上の像面が、シャインプルーフの条件を満足し、且つ、被写体面とレンズ主面のなす角度θ₁と、レンズ主面と像面のなす角度θ₂が一致するように、スケール２０、レンズ４２、及び、受光素子３４を配置したものである。

本参考形態においては、θ₁＝θ₂なので、像の光学倍率
Ｍ＝tanθ₂／tanθ₁＝１
の１倍光学系となる。

特にθ₁＝θ₂＝４５°の時は、θ₁＋θ₂＝９０°になり、組立が容易である。

又、図８に示す本発明の第１実施形態のように、レンズ４２の焦点位置にアパーチャ４４を配設したテレセントリック光学系４０にすることができる。

又、図９に示す第２実施形態のように、θ₁≠θ₂として、Ｍ倍光学系とすることもできる。

次に、図１０を参照して、第２の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、焦点面４６の反対側に、レンズ４２（第１のレンズとも称する）と同じ第２のレンズ４８を、その焦点が第１のレンズ４２の焦点に来るように逆向きに挿入したレンズ光学系５０とし、被写体面、第１のレンズ４２と第２のレンズ４８の焦点を含み、且つ、光軸に対して垂直な面（焦点面と称する）面、及び、像面がシャインプルーフの条件を満足すると共に、被写体面とアパーチャ面のなす角度θ₁と、アパーチャ面と像面の
なす角度θ₂が一致するように、スケール２０、レンズ光学系５０、及び、受光素子３４
を配置したものである。

本参考形態においては、入側の第１のレンズ４２と出側の第２のレンズ４８が同じ物であるため、第１のレンズ４２で発生する収差を第２のレンズ４８でほぼ完全に逆補正することができ、収差をほぼ完全にキャンセルして、信号検出効率を大きく改善することができる。

又、第２のレンズ４８の焦点が第１のレンズ４２の焦点に来るように挿入されているので、第２のレンズ４８を出た光は平行光となり、第１の参考形態に比べて像の台形歪み（倍率）が補正される。

特にθ₁＝θ₂＝４５°の時は、θ₁＋θ₂＝９０°になり、組立が容易である。

又、図１１に示す本発明の第３実施形態のように、レンズ光学系５０を、第１のレンズ４２と第２のレンズ４８の焦点位置にアパーチャ４４を配設した両側テレセントリック光学系５１にすることもできる。

又、図１２に示す第４実施形態のように、θ₁≠θ₂として、Ｍ倍光学系とすることもできる。この場合、入側レンズ４２と出側レンズ４８が違う物となるので、収差を取り切れない恐れがあるが、ギャップ方向の組立許容範囲は拡大できる。

ここで、２つのレンズを、お互いの焦点を一致させて連結したレンズ光学系において、２つのレンズの焦点を含み、且つ、光軸に対して垂直な焦点面をレンズ系の主面としてシャインプルーフの原理を適用する理由を述べる。図１３のような、入側レンズ４２の焦点距離がｆ₁、出側レンズ４８の焦点距離がｆ₂のレンズ光学系５０において、物体を傾けた際の像のピント位置ｓ₂’を考える。

（ｉ）ｓ₁＝−ｆ₁（光軸上）の時：
ｓ₂’＝ｆ₂
（ii）ｓ₁≠−ｆ₁（光軸外）の時：
（１／ｓ₁’）＝（１／ｓ₁）＋（１／ｆ₁）
より、
ｓ₁’＝ｓ₁ｆ₁／（ｓ₁＋ｆ₁）
よって、出側レンズ４８にとっての物体位置は、
ｓ₂＝−（ｆ₁＋ｆ₂−ｓ₁’）＝−（ｓ₁ｆ₂＋ｆ₁ ²＋ｆ₁ｆ₂）／（ｓ₁＋ｆ₁）

従って、
（１／ｓ₂’）＝（１／ｓ₂）＋（１／ｆ₂）より
ｓ₂’＝｛ｆ₂（ｓ₁ｆ₂＋ｆ₁ ²＋ｆ₁ｆ₂）｝／ｆ₁ ²
＝（ｆ₂ ²／ｆ₁ ²）・ｓ₁＋ｆ₂＋（ｆ₂ ²／ｆ₁ ²）・ｆ₁
ｓ₂’−ｆ₂＝（ｆ₂ ²／ｆ₁ ²）（ｓ₁＋ｆ₁）

図１３より、
Δｘ’＝（ｆ₂ ²／ｆ₁ ²）・Δｘ …（１）

ここで、物体の高さをｙ、像の高さをｙ’とすると、
ｙ’＝βｙ＝−（ｆ₂／ｆ₁）・ｙ

今、ｙ＝θ₁Δｘとおくと、（１）式より
ｙ’＝βｙ＝−（ｆ₂／ｆ₁）・ｙ
＝−（ｆ₂／ｆ₁）・θ₁Δｘ
＝−（ｆ₂／ｆ₁）・θ₁・（ｆ₁ ²／ｆ₂ ²）・Δｘ’
＝−θ₁・（ｆ₁／ｆ₂）・Δｘ’

よって、物体面をθ₁傾けた場合、像面をθ₁・（ｆ₁／ｆ₂）傾けると、全面にピントが合うこととなる。又、このことから、物体面と像面の延長線の交点は焦点面４６に来ることとなる。

なお、前記実施形態においては、いずれも、スケール２０に対して受光素子３４を傾けて組み立てなければならず、組み立てに注意を要する。そこで、図１４を参照して、スケール２０と受光素子３４を平行に構成することが可能な、第３の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、図１０に示した第２の参考形態と同様の光電式エンコーダにおいて、図１４に示す如く、メインスケール２０側のレンズ光学系５０（第１のレンズ光学系とも称する）に加えて、受光素子３４側にも、第３、第４のレンズ６２、６８でなる第２のレンズ光学系６０を追加し、メインスケール２０の表面、第１のレンズ光学系５０の焦点面４６、及び、第３実施形態で受光素子３４があった面（仮想面と称する）の３者、及び、該仮想面、第２のレンズ光学系６０の焦点面６６、及び、受光素子３４の像面の３者が、それぞれシャインプルーフの関係を満足するようにしたものである。

本参考形態において、特にθ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝４５°とした場合には、スケール２０と受光素子３４を平行に構成することができ、組み立てが容易になると共に、スケール２０と受光素子３４がオフセットしているので、光源１０のスペースもとり易い。

又、図１５に示す本発明の第５実施形態のように、光軸と焦点面４６が交差する位置にアパーチャ４４を、また、光軸と焦点面６６が交差する位置にアパーチャ６４を配設して、両側テレセントリック光学系５１、６１にすることもできる。

なお、第１のアパーチャ４４で開口数ＮＡが規定されているので、第２のアパーチャ６４は省略することもできる。

又、前記レンズ４２、４８、６２、６８としては、高精度であるが高価な平凸レンズや両凸レンズの他、歪曲収差が大きいが安価な、球状のボールレンズ、光線をレンズ媒質内で放物線状に屈折させる、屈折率分布型の筒状のＧＲＩＮレンズ（セルフォックレンズとも称する）、又は、ドラムレンズ等の同じレンズを対で用いて、収差を相殺することもできる。

本発明は、インデックス格子と受光素子が別体とされたもの、両者が一体とされた受光素子アレイを有するもの、どちらにも適用できる。

テレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダの要部構成を示す斜視図 同じく平面図 ハーフミラーを用いた先行技術を示す光路図 光軸を設けた先行技術を示す光路図 図４の問題点を示す図 本発明の原理を示す図 第１の参考形態の要部構成を示す光路図 本発明の第１実施形態の要部構成を示す光路図 本発明の第２実施形態の要部構成を示す光路図 第２の参考形態の要部構成を示す光路図 本発明の第３実施形態の要部構成を示す光路図 本発明の第４実施形態の要部構成を示す光路図 両側テレセントリック光学系へのシャインプルーフの原理の適用法を示す光路図 第３の参考形態の要部構成を示す光路図 本発明の第５実施形態の要部構成を示す光路図

符号の説明

１０…光源
２０…メインスケール
３０…受光部
３４…受光素子
４０…テレセントリック光学系
４２、４８、６２、６８…レンズ
４４、６４…アパーチャ
４６、６６…焦点面
５０、６０…レンズ光学系
５１、６１…両側テレセントリック光学系

Claims (10)

1. メインスケールと受光素子の間に、レンズ光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、
   前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系とすると共に、
   前記メインスケールの表面、レンズの主面、及び、受光素子の像面の３者を延長した面が１箇所で交わるシャインプルーフの関係となるように配置したことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記メインスケールの表面とレンズ主面がなす角度と、レンズ主面と受光素子の像面がなす角度を同じとしたことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
3. 前記メインスケールの表面とレンズ主面がなす角度と、レンズ主面と受光素子の像面がなす角度が４５°であることを特徴とする請求項２に記載の光電式エンコーダ。
4. メインスケールと受光素子の間に、レンズ光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、
   前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系であって、第１のレンズと受光素子の間に、少なくとも第２のレンズを、その焦点が前記第１のレンズの焦点に来るように挿入したレンズ光学系とすると共に、
   前記メインスケールの表面、前記第１のレンズの焦点と前記第２のレンズの焦点とを含み、且つ、光軸に対して垂直な焦点面、及び、受光素子の像面の３者を延長した面が１箇所で交わるシャインプルーフの関係となるようにしたことを特徴とする光電式エンコーダ。
5. 前記メインスケールの表面と前記焦点面がなす角度と、前記焦点面と受光素子の像面がなす角度を同じとしたことを特徴とする請求項４に記載の光電式エンコーダ。
6. 前記メインスケールの表面と前記焦点面がなす角度と、前記焦点面と受光素子の像面がなす角度が４５°であることを特徴とする請求項５に記載の光電式エンコーダ。
7. メインスケールと受光素子の間に、複数のレンズ光学系が挿入された光電式エンコーダであって、
   前記レンズ光学系を、レンズと、該レンズの焦点位置に配設されたアパーチャからなるテレセントリック光学系とすると共に、
   メインスケール側のレンズ光学系、及び、受光素子側のレンズ光学系が、それぞれ、シャインプルーフの関係を満足するようにしたことを特徴とする光電式エンコーダ。
8. 前記メインスケールの表面と受光素子の像面が平行であることを特徴とする請求項７に記載の光電式エンコーダ。
9. 前記レンズ光学系が、両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
10. 前記レンズ光学系を構成するレンズが、同じボールレンズ、ＧＲＩＮレンズ又はドラムレンズの対であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれかに記載の光電式エンコーダ。

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