特許 5707122 光ファイバによる光受信チャネルを使用した光干渉型小型格子エンコーダのリードヘッド用基準信号発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5707122

(24)【登録日】2015年3月6日

(45)【発行日】2015年4月22日

(54)【発明の名称】光ファイバによる光受信チャネルを使用した光干渉型小型格子エンコーダのリードヘッド用基準信号発生装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20150402BHJP

   G01D 5/38 20060101ALI20150402BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/347 110B

   G01D5/347 110V

   G01D5/38 A

【請求項の数】16

【全頁数】58

(21)【出願番号】特願2010-288277(P2010-288277)

(22)【出願日】2010年12月24日

(65)【公開番号】特開2011-133482(P2011-133482A)

(43)【公開日】2011年7月7日

【審査請求日】2013年11月5日

(31)【優先権主張番号】12/646,614

(32)【優先日】2009年12月23日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】ジョセフ ダニエル トバイアソン

【審査官】 平野 真樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０３１２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０５５３６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２２７７３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／２６−５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測軸方向に沿って相互に関して移動する２つの部材の間の基準位置の指標を提供することに使用可能な光ファイバ基準信号発生部を含む光ファイバリードヘッドおよびスケール装置であって、
前記光ファイバ基準信号発生部は、
第１の光ファイバリードヘッドの少なくとも一部を含み、前記第１の光ファイバリードヘッドの少なくとも一部は、第１の分散性光源光を出力する光源と、それぞれの基準マーク信号を提供するように構成された少なくとも第１と第２の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを含み、前記第１の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルは、第１の基準マーク信号受信チャネル光ファイバと第１の基準マーク信号受信チャネル開口を含み、前記第２の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルは、第２の基準マーク信号受信光ファイバと第２の基準マーク信号受信チャネル開口を含み、
スケール部材の上で前記計測軸方向に沿って延びる第１のスケールトラックを含み、前記第１のスケールトラックは、前記第１の分散性光源光を反射して、前記第１の光ファイバリードヘッドにスケール光を供給するように構成され、前記第１のスケールトラックは、
前記計測軸の方向に沿った変位計測範囲の全体にわたって延び、前記分散性光源光により照射されたときに、前記スケール光のインクリメンタル信号光成分に寄与する第１のタイプのトラック部分を含み、前記第１のタイプのトラック部分は、格子ピッチＰＧを有し、０次反射を抑制して、前記第１の光ファイバリードヘッドの光受信面の付近の前記スケール光の前記インクリメンタル信号光成分における空間的周期的強度パターンを提供するように構成された反射性周期的位相格子を含み、前記反射性周期的位相格子は、
対応する隆起格子要素の見かけ上の位置に見かけ上中心を置く隆起スケール要素であって、前記隆起格子要素の見かけ上の位置は、前記計測軸方向に沿って、前記格子ピッチＰＧだけ相互に離間されている隆起スケール要素と、
対応する陥凹格子要素の見かけ上の位置に見かけ上中心を置く陥凹スケール要素であって、前記陥凹格子要素の見かけ上の位置は、前記計測軸方向に沿って、前記格子ピッチＰＧだけ相互に離間され、前記計測軸方向に沿って、前記隆起格子要素の見かけ上の位置から前記格子ピッチＰＧの半分だけオフセットされる陥凹スケール要素と、を含み、
前記第１のスケールトラックは、前記第１のタイプのトラック部分の中に配置され、前記分散性光源光により照射されたときに、前記スケール光の基準マーク信号光成分に寄与する少なくとも１つのゾーン格子基準マーク部分を含むゾーン格子基準マークを含み、各ゾーン格子基準マーク部分は、前記スケール光の前記基準マーク信号光成分が、前記第１の光ファイバリードヘッドが前記第１のスケールトラックに関して動作的に位置付けられたときに、前記第１の光ファイバリードヘッドの前記光受信面の付近の対応する基準マーク信号作用領域を横切って高い基準マーク信号光強度を提供するように絞られる反射光を含むように構成され、前記ゾーン格子基準マークとその少なくとも１つの対応する基準マーク信号作用領域は、前記計測軸方向に沿って再現的関係を有し、前記第１と第２の基準マーク信号受信チャネル開口は、前記少なくとも１つのゾーン格子基準マーク部分とその少なくとも１つの対応する基準マーク信号作用領域部分とのそれぞれの近接性に応じて、検出可能な異なる量のスケール光を受信し、
前記隆起格子要素の見かけ上の位置と前記陥凹格子要素の見かけ上の位置は、前記計測軸方向に沿って、前記少なくとも１つのゾーン格子基準マーク部分を通じて、前記第１のタイプのトラック部分から継続するように画定され、
前記少なくとも１つのゾーン格子基準マーク部分は、それぞれ対応する隆起格子要素の見かけ上の位置にわたって配置された複数の隆起ゾーン格子要素と、それぞれ対応する陥凹格子要素の見かけ上の位置にわたって配置された複数の陥凹ゾーン格子要素を含む反射位相格子を含み、
前記少なくとも１つのゾーン格子基準マーク部分は、少なくとも第１のゾーンと、前記第１のゾーンより前記基準マーク信号作用領域から遠い第２のゾーンを含むように構成され、
前記第１のゾーンは、前記隆起ゾーン格子要素の第１のセットと、前記陥凹第１ゾーン格子要素の第１のセットを含み、
前記隆起ゾーン格子要素の第１のセットの各要素は、前記計測軸方向に沿って、平均隆起要素幅Ｗ１Ｅを有し、
前記陥凹ゾーン格子要素の第１のセットの各要素は、前記計測軸方向に沿って、平均陥凹要素幅Ｗ１Ｇを有し、
前記第１のゾーンにおいて、前記平均隆起要素幅Ｗ１Ｅと前記平均陥凹要素幅Ｗ１Ｇのうちの長いほうが（０．５^*ＰＧ）より大きく、前記平均隆起要素幅Ｗ１Ｅと前記平均陥凹要素幅Ｗ１Ｇのうちの短いほうが（０．５^*ＰＧ）より小さく、
前記第２のゾーンは、前記隆起ゾーン格子要素の第２のセットと、前記陥凹ゾーン格子要素の第２のセットを含み、
前記隆起ゾーン格子要素の第２のセットの各要素は、前記計測軸方向に沿って、平均隆起要素幅Ｗ２Ｅを有し、
前記陥凹ゾーン格子要素の第２のセットの各要素は、前記計測軸方向に沿って、平均陥凹要素幅Ｗ２Ｇを有し、
前記第２のゾーンにおいて、前記平均隆起要素幅Ｗ２Ｅと前記平均陥凹要素幅Ｗ２Ｇのうちの長いほうが（０．５^*ＰＧ）より大きく、前記平均隆起要素幅Ｗ２Ｅと前記平均陥凹要素幅Ｗ２Ｇのうちの短いほうが（０．５^*ＰＧ）より小さく、
前記第１のゾーンにおいてＷ１Ｅ＞Ｗ１Ｇであると、前記第２のゾーンではＷ２Ｇ＞Ｗ２Ｅとなり、前記第１のゾーンにおいてＷ１Ｅ＜Ｗ１Ｇであると、前記第２のゾーンではＷ２Ｇ＜Ｗ２Ｅとなり、
前記第１と第２の基準マーク信号受信チャネル開口は、前記第１の光ファイバリードヘッドが前記第１のスケールトラックに関して動作的に位置付けられたときに、前記計測軸方向に沿って相互に最も近いその開口境界が前記計測軸方向に沿って寸法ＡＲ１２ＳＥＰによって分離され、前記計測軸方向に沿って相互に最も遠いその開口境界が前記計測軸方向に沿って総開口範囲寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮにわたるように構成され、
前記少なくとも１つの基準マーク部分は、その少なくとも１つの対応する基準マーク信号作用領域部分の２つの信号作用領域境界が、前記計測軸方向に沿って縁辺間寸法ＬＥＴＯＥＺＲＭＳＥだけ分離されるように構成され、
前記少なくとも１つの基準マーク部分と前記第１と第２の光ファイバ基準マーク信号受信チャネル開口は、ＡＲ１２ＳＥＰ＜ＬＥＴＯＥＺＲＭＳＥ＜ＡＲ１２ＳＰＡＮとなるように構成され、
前記第１の光ファイバリードヘッドが前記第１のスケールトラックに関して動作的に位置付けられたときに、前記少なくとも第１と第２の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルが、その開口から前記スケール光の一部を入力し、前記スケール光の前記入力部分を送信して、それぞれの基準マーク信号を供給し、これが前記ゾーン格子基準マークに近い信号交差領域の中の基準位置を示す
光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項2】

対応する基準マーク信号作用領域部分を通過する増強された基準マーク信号光強度は、前記対応する基準マーク信号作用領域部分にわたって増強強度分布を含み、前記２つの信号作用領域境界の各々は、前記スケール光の前記基準マーク信号光成分の強度分布が最大で前記増強強度分布の最大寄与度の８０％と、最低で前記増強強度分布のその最大寄与度の２０％の範囲内に入るように定められる、請求項１に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項3】

前記第１の分散性光源光の平均波長はλであり、
前記光ファイバリードヘッドおよびスケール装置は、前記第１の光ファイバリードヘッドの前記光受信面と前記第１のスリールトラックの平面の間に、指定された動作ギャップＺＧＡＰを有し、
前記少なくとも１つのゾーン格子基準マーク部分は、少なくとも２つのゾーンを含み、
前記少なくとも１つのゾーン格子基準マーク部分のｎ番目のゾーンは、前記計測軸の方向に沿った直径が、前記ｎ番目のゾーンについての、式

【数1】

で表される見かけ上の外側境界寸法ＺＯＮＥｎＯＢＤの最小で０．８倍、最大で１．２倍にわたる、請求項１に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項4】

前記幅Ｗ１Ｅ及びＷ２Ｅと前記幅Ｗ１Ｇ及びＷ２Ｇが、ＰＧ／２から、最大でＰＧの±２５％、最小でＰＧの±５％だけ異なる、請求項１に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項5】

前記幅Ｗ１Ｅ及びＷ２Ｅと前記幅Ｗ１Ｇ及びＷ２Ｇが、ＰＧ／２から、最大でＰＧの±２０％、最小でＰＧの±１０％だけ異なる、請求項４に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項6】

前記ゾーン格子基準マークの隣接するゾーン間の境界に最も近い隆起または陥凹ゾーン格子要素は、幅が約０．５^*ＰＧである、請求項１に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項7】

前記第１と第２の基準マーク信号受信チャネル開口は各々、それぞれの基準マーク信号受信チャネル光ファイバの端部の付近に位置付けられ、その光伝送コアエリアの一部を覆うそれぞれの開口マスクを含み、
前記それぞれの開口マスクは、前記計測軸方向に垂直でなく、隣接する開口境界から前記計測軸方向に沿って、反対側の横断方向開口縁辺に向かう開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴにわたる、少なくとも第１の横断方向開口縁辺を含む、請求項１に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項8】

前記空間的周期的強度パターンは、前記それぞれの開口マスクの１つの平面において干渉縞ピッチＦＰを有する干渉縞を含み、
前記開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴは、前記第１の光ファイバリードヘッドが前記第１のスケールトラックに関して動作的に位置付けられたときに、前記それぞれの開口マスクの前記平面において干渉縞ピッチＦＰの少なくとも１つ分にわたる、請求項７に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項9】

前記開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴは、それぞれの開口マスクの前記平面において、干渉縞ピッチＦＰの整数個分に見かけ上等しい、請求項８に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項10】

前記反対側の横断方向開口縁辺は、前記それぞれの開口マスクの第２の横断方向開口縁辺を含み、
前記第１と第２の開口縁辺は、それらの間に、前記計測軸方向に沿って開口幅寸法ＰＡＷを画定し、
前記寸法ＰＡＷは、前記測定軸方向を横断する方向に沿った各位置において定められる、請求項８に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項11】

前記寸法ＰＡＷは、前記それぞれの開口マスクの前記平面において、前記第１と第２の開口縁辺の長さの少なくとも大部分に沿って、干渉縞ピッチＦＰの整数個分に見かけ上等しく、
前記開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴは、前記それぞれの開口マスクの前記平面において、干渉縞ピッチＦＰ整数個分に見かけ上等しい、請求項１０に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項12】

前記光ファイバ基準信号発生部は、１部式ゾーン格子基準マーク構成と２区分式ゾーン格子基準マーク構成のうちの一方にしたがって構成され、
前記１部式ゾーン格子基準マーク部分は、単独ゾーン格子基準マーク部分からなり、前記単独ゾーン格子基準マーク部分は、前記計測軸方向に沿って、ＬＥＴＯＥＺＲＭＳＥにより分離される外側境界を有するゾーン格子基準マーク信号作用領域を提供するように構成され、
前記２区分式ゾーン格子基準マーク構成において、前記少なくとも１つのゾーン格子基準マーク部分が、構成Ａと構成Ｂのうちの一方に従って構成された第１と第２のゾーン格子基準マーク小区分を含み、
構成Ａにおいて、前記第１と第２の基準マーク小区分が、対応するゾーン格子基準マーク作用領域部分を提供するように構成され、この中では前記計測軸方向に沿って相互に最も近い前記ゾーン格子基準マーク信号作用領域の前記外側境界が、前記縁辺間寸法ＬＥＴＯＥＺＭＳＥによって分離され、
構成Ｂにおいて、前記第１と第２の基準マーク小区分が、対応するゾーン格子基準マーク作用領域部分を提供するように構成され、この中では前記計測軸方向に沿って相互から最も遠い前記ゾーン格子基準マーク信号作用領域の前記外側境界が、前記縁辺間寸法ＬＥＴＯＥＺＭＳＥによって分離される、請求項７に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項13】

前記光ファイバ基準信号発生部は、前記１部式基準マーク構成にしたがって構成され、
前記反対の横断方向開口縁辺は、前記それぞれの開口マスクの第２の横断方向開口縁辺を含み、
前記第１と第２の開口縁辺は、それらの間に、前記測定軸方向に沿って、開口幅寸法ＰＡＷを画定し、
前記開口幅寸法ＰＡＷは、前記計測軸方向を横断する方向に沿った各位置において画定され、前記それぞれの開口マスクの前記平面において、前記第１と第２の開口縁辺の長さの少なくとも大部分に沿って、干渉縞ピッチＦＰの整数個分に見かけ上等しく、
前記開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴは、前記それぞれの開口マスクの前記平面において、干渉縞ピッチＦＰの整数個分に見かけ上等しい、請求項１２に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項14】

前記第１の分散性光源光は、空間的にコヒーレントで単色である、請求項１に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項15】

前記空間的に周期的な強度パターンは、干渉縞ピッチＦＰを有する干渉縞を含み、
前記第１の光ファイバリードヘッドはさらに、それぞれの空間的に周期的なインクリメンタル計測信号を提供するように構成された複数のそれぞれの光ファイバインクリメンタル計測信号受信チャネルを含み、
それぞれの光ファイバインクリメンタル計測信号受信チャネルは、それぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル光ファイバと、前記光ファイバの端部の付近に配置されたそれぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル空間位相マスク部分を含み、
前記それぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル空間位相マスク部分は、それぞれの空間位相を有し、かつ、前記第１のスケールトラックから反射された前記スケール光の中に含まれる、空間的周期的強度パターンをフィルタリングするように動作できる、ピッチで配置される光ブロッキング要素を有し、
前記光ファイバリードヘッドおよびスケール装置は、それぞれの基準マーク信号は、前記少なくとも１つの基準マーク部分に近い前記信号交差領域の中の前記基準位置を、前記空間的周期的インクリメンタル計測信号の±半周期の位置再現性で示す指標を提供する、請求項１に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【請求項16】

前記光源は、光源光ファイバの前記端部を含み、
前記少なくとも第１と第２の基準マーク信号受信チャネル光ファイバと、前記それぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル光ファイバの各々は、前記光源光ファイバに平行に、その付近に配置され、
すべての光ファイバは、前記光源光ファイバと、前記第１と第２の基準マーク信号受信チャネル光ファイバを含むすべての光ファイバは、前記第１の光ファイバリードヘッドの中に配置され、
前記それぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル光ファイバの各々は、直径最大１．５ミリメートルの円筒空間の中に配置されている、請求項１５に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に変位検出光エンコーダに関し、より詳しくは、光受信素子として光ファイバを利用した小型光ファイバエンコーダのための基準信号を発生することに関する。

【背景技術】

【0002】

光ファイバによる光受信チャネルを利用した小型光ファイバ格子エンコーダは各種知られており、その例としては、米国特許第６，９０６，３１５号、第７，０５３，３６２号、第７，１２６，６９６号（以下、‘３１５号特許、‘３６２号特許、‘６９６号特許という）において開示されているものが挙げられる。これらの小型エンコーダは、好ましいいくつかの特徴、たとえば超小型、高精度、高い電気ノイズ耐性、超高速動作等を併せ持つ。

【0003】

多くの運動制御および／または位置計測その他のシステムには、ある格子スケール内の特定周期の識別に利用できる基準信号を入力するための装置が備えられている。基準信号は、格子スケールに関して固定される特徴に概して対応し、長距離の計測の基準として信号周期を計数するインクリメンタル型の変位計測システムで発生し得る位置の不確定性を除去する基準点を提供する。

【0004】

しかしながら、たとえば上記参考文献に記載されているような小型光ファイバ格子エンコーダと容易かつ経済的に組み合わせることができ、その上でも同様の好ましい特徴を備える基準信号を発生する構成は知られていない。このような基準信号を発生する構成が望ましいであろう。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

ここに記す概要は、概念の選択を簡潔な形で紹介するためのものであり、これらについては「詳細な説明」の項でさらに詳しく説明する。この概要は、請求項の主要な特徴を特定するものでも、あるいは請求項に記載された発明の技術的範囲を決定するために使用されるべきものでもない。

【0006】

簡潔にいえば、本発明は、変位計測用であって、基準位置の指標を提供するために使用できる小型光ファイバ基準信号発生部も含む小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成を提供することに関する。各種の実施形態において、スケールは、第１のレベルの０次反射率を提供する第１のタイプのトラック部分（たとえば、位相格子）と、第２のレベルの０次反射率を提供する基準マーク（たとえば、鏡面）を含むスケールトラックを有する。それぞれの光ファイバ基準信号受信チャネルはそれぞれ開口を有しており、この開口は基準マークとの近接度および／または重複度に応じて、検出可能な程度の差のある異なる量の０次反射光を受信し、これらの光基準マーク信号の間の関係によって基準位置が示される。いくつかの実施形態または構成において、本発明による基準マークは、計測軸方向に沿った長さまたは境界間距離を有し、これは、リードヘッドにおける特定の光ファイバ基準信号受信チャネル開口の寸法（たとえば、大きさと間隔）に基づいて決定され、これにより、結果として得られるそれぞれの基準マーク信号の間に望ましい関係が築かれる。

【0007】

いくつかの実施形態において、基準位置指標を供給する光ファイバリードヘッドおよびスケールトラックは、周期的なインクリメンタル計測信号を供給する光ファイバリードヘッドおよびスケールトラックとは分離されている。またいくつかの構成においては、一体化された光ファイバリードヘッドと一体化されたスケールトラックとで、基準位置指標と周期的なインクリメンタル計測信号の両方を供給する。

【0008】

いくつかの実施形態または構成において、それぞれの開口を有するそれぞれの光ファイバ基準信号受信チャネルは、より高分解能の基準マーク２次信号を発生するために使用され、前述の光基準マーク信号は、分解能の低い基準マーク１次信号として使用される。特に、幾何学的設計ルール（たとえば、大きさと間隔に関するもの）を使って、２次信号受信用チャネル開口のための空間フィルタマスクを、これらが１次信号受信用チャネルの受信領域の外で受信される干渉縞に対応する、空間的に周期的な２つの２次信号を供給するように構成する。基準マーク２次信号の空間周波数および／または変化速度は、基準マーク１次信号の有効空間周波数および／または変化速度の数倍高くてもよい。いくつかの実施形態において、基準マーク１次信号は、１００ミクロン程度の距離でハイからローに変化する。いくつかの実施形態において、基準マーク２次信号の空間周波数は２〜４ミクロン程度であり、それぞれ１８０度位相がずれる。基準マーク１次信号の「１次」交差点（これは１次基準マーク位置である）に空間的に隣接する、基準マーク２次信号の「２次」交差点を特定することができる。いくつかの実施形態において、１次交差点を使い、０．２ミクロン程度の分解能と再現性で１次基準マーク位置を特定してもよい。２次交差点を使えば、２０ナノメートル程度の分解能と再現性で２次基準マーク位置を特定できるが（１０倍の改善である）、これは、基準マーク２次信号の空間周波数がより高く、および／または信号変化速度がより速いからである。

【0009】

いくつかの実施形態または構成において、特に、一体化された光ファイバリードヘッドと一体化されたスケールトラックとで、基準位置指標と周期的なインクリメンタル計測信号の両方を供給する場合、基準マークは、周期的スケール格子トラックに埋め込まれた新規なゾーン格子基準マーク構造（たとえば、位相格子）を含んでもよく、これはインクリメンタル計測信号を供給する。各種の実施形態において、新規なゾーン格子基準マークのゾーンは、一段高い反射位相格子要素と一段低い反射位相格子要素を含んでいてもよく、これらは計測軸方向に異なる幅ＷＥＺとＷＧＺを有する（したがって、ゾーン格子基準マークの位相格子要素の「デューティ」サイクルは、周囲の周期的スケール格子の約５０：５０のデューティサイクルとは異なる）。格子要素の幅の違いは、そのゾーン格子基準マークの隣接するゾーン同士の間で「逆転」させてもよく（すなわち、デューティサイクルが逆転する）、その場合、各ゾーンは名目上、隣接するゾーンからの光とは逆の位相の反射光成分を供給する。その結果、ゾーン格子基準マークは、そのゾーン格子基準マークから反射された光の一部を集束させる効果を生むことができる。幅ＷＥＺとＷＧＺが一致する場合、一致している部分は特定の量の０次反射光を抑制し、スケール格子の場合と同様に、より多くのエネルギーを奇数次の回折光に与えるかもしれない。したがって、新規なゾーン格子基準マークは、インクリメンタル計測信号を供給する干渉縞に部分的に寄与するかもしれず、これらの信号が有意に打ち消されることがなくなる。逆に、幅ＷＥＺとＷＧＺが一致しない場合、一致していない部分は「０次」反射光に寄与するかもしれない。このような光の挙動は、有名なHuygens-Fresnelの原理として理解してもよい。特に、幅ＷＥＺとＷＧＺが一致しない部分は、公知のゾーンプレートの原理による挙動を示す光成分に寄与するかもしれない。そのため、新規のゾーン格子基準マークにより、異なるゾーンからの光は、特定の位置において組み合わされることによって相互に強め合い、また弱め合い、その結果、事実上、ゾーン格子基準マーク信号作用領域において、絞られ、すなわち集束されたスケール光が供給される。インクリメンタル計測信号を供給する干渉縞に寄与するゾーン格子基準マークからの光成分の強度の、ゾーン格子基準マーク信号作用領域に寄与する光成分に関するバランスは、幅ＷＥＺとＷＧＺのデューティサイクルを調整することによって調整してもよく、これについては、図を参照しながら詳細に説明する。

【0010】

ゾーン格子基準マーク信号作用領域は一般に、計測軸の方向に沿って見た場合、ゾーン格子基準マークより狭くてもよい。それぞれの光ファイバ基準信号受信チャネルは、それぞれの開口を有し、これらの開口は基準マーク信号作用領域との近接度および／または重複度に応じて、検出可能な差を持つ異なる量の基準マーク信号光を受信し、これらの光基準マーク信号の間の関係によって基準位置が示される。いくつかの実施形態または構成において、ゾーン格子基準マークは、対応するゾーン格子基準マーク信号作用領域の計測軸の方向に沿った長さまたは境界間距離が、リードヘッドにおける特定の光ファイバ基準信号受信チャネル開口の寸法（たとえば、大きさと間隔）に基づいて決定されるように設計され、これにより、結果として得られるそれぞれの基準マーク信号の間に望ましい関係が築かれる。

【0011】

重要な点として、本発明による光ファイバ基準信号発生部は、インクリメンタルな計測結果を提供する公知の小型光ファイバ格子エンコーダ（たとえば、‘６９６号特許で開示されているもの）と同様の望ましい特徴を提供する。たとえば、重要な点として、本発明による光ファイバ基準信号発生部は、‘６９６号特許で開示されている光干渉型光ファイバエンコーダと同様または同一の動作ギャップで使用できる。さらに、これと同程度の超小型、高精度、電気ノイズに対する高い耐性、超高速動作も提供される。本発明による小型光ファイバ基準信号発生部は、したがって、望ましい高精度小型光ファイバインクリメンタル計測エンコーダと容易かつ経済的に組み合わせることができる。

【0012】

そこで、本発明は、先行技術による光変位検出装置の欠点を克服し、超小型、高精度、経済的、高速な形態によって、新しい応用分野の可能性を開く。

【0013】

上記のような本発明の態様および付随的利点の多くは、添付の図面を見ながら以下の詳細な説明を読むことによって、本発明がよりよく理解される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明による基準信号発生装置を備える小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成の第１の実施形態の等角図である。

【図2】本発明による基準信号発生装置を備える小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成の第２の実施形態の等角図である。

【図3】本発明による基準信号発生装置を備える小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成の第３の実施形態の等角図である。

【図4】本発明による基準信号発生装置を備える小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成の第４の実施形態の等角図である。

【図5】本発明による格子および基準マーク構造の１つの例示的実施形態を示す等角図である。

【図6A】本発明による基準信号発生部の第１の実施形態の各種の態様を概略的に示す等角図である。

【図6B】本発明による基準信号発生部の第１の実施形態の各種の態様を概略的に示す等角図である。

【図7】本発明による基準信号発生部の第２の実施形態の一部を概略的に示す等角図である。

【図8】図６Ａ、図６Ｂ、図７の基準信号発生部によって発生された基準信号を示す図である。

【図9】本発明による基準信号発生部の第３の実施形態を含む、本発明による第１の一体型基準信号およびインクリメンタル信号発生部の動作の各種の態様を概略的に示す等角図である。

【図10】図９の一体型基準信号およびインクリメンタル信号発生部の一部を、さらに細部を含めて示す等角図である。

【図11】本発明による基準信号発生部の第４の実施形態を含む、本発明による第２の一体型基準信号およびインクリメンタル信号発生部の一部を示す等角図である。

【図12】図１０、図１１の一体型基準信号およびインクリメンタル信号発生部によって発生された基準信号を概略的に示す図である。

【図13】本発明の基準信号発生部の第５の実施形態の一部を示す等角図である。

【図14】図１３の基準信号発生部によって発生された基準信号を示す図である。

【図15】本発明による基準信号発生部の第６の実施形態の一部を示す等角図である。

【図16】本発明による基準信号発生部の第７の実施形態の一部を示す等角図である。

【図17A】図１６の開口マスク形態の一部に代わって使用可能な別の開口マスク構造を示す図である。

【図17B】図１６の開口マスク形態の一部に代わって使用可能な別の開口マスク構造を示す図である。

【図18】本発明による基準信号発生部の第８の実施形態の一部を示す等角図である。

【図19】本発明による１次および２次基準信号に関連付けられるかもしれない各種の信号関係を示す図である。

【図20A】図５の基準マーク構造に代わって使用可能な別の基準マーク構造を示す図である。

【図20B】図５の基準マーク構造に代わって使用可能な別の基準マーク構造を示す図である。

【図21】一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部を含む、本発明による一体型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置の等角図である。

【図22】本発明による各種の実施形態において使用可能な、汎用一体型スケール格子およびゾーン格子基準マーク構造を示す等角図である。

【図23】本発明による各種の実施形態において使用可能な一体型スケール格子およびゾーン格子基準マーク構造を含む、一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部の各種の態様を概略的に示す等角図である。

【図24】図２３の一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部の、他の各種の態様を概略的に示す等角図である。

【図25】図２３、図２４の一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部よって発生された基準信号を示す図である。

【図26】本発明による各種の実施形態において使用可能な一体型のスケール格子およびゾーン格子基準マーク装置の動作と設計の各種の面を示す概略側面図を示す図である。

【図27A】図２４の開口マスク構造の一部に代わって使用可能な別の開口マスク形態を示す図である。

【図27B】図２４の開口マスク構造の一部に代わって使用可能な別の開口マスク形態を示す図である。

【図28】２つのゾーン格子基準マーク部分を含む一体型スケール格子およびゾーン格子基準マーク構成を使用した、本発明による各種の実施形態において使用可能な一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部の各種の態様を概略的に示す等角図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１は、本発明による基準信号発生部を含む、第１の実施形態の小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成１０００の等角図である。図１に示されるように、小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成１０００は、スケール格子８０を含むスケール部材８１と、インクリメンタルリードヘッド１００と、基準マークリードヘッド２００を備える。リードヘッド１００と２００は一般に、相対的に動かないよう載置されるか、あるいは単一のユニットとして形成されて、それらの変位が同期する。

【0016】

直交ＸＹＺ座標系は、Ｙ軸がスケール格子８０のバーに平行であり、Ｚ軸がスケール格子８０の表面に垂直であり、Ｘ軸がＹ−Ｚ平面に直角であるように定義できる。計測軸８２は、Ｘ軸に平行である。動作中、スケール部材８１は計測軸８２に沿って変位するため、リードヘッド１００は、スケール格子８０を含むインクリメンタル計測スケールトラック８６に沿って変位され、リードヘッド２００は基準スケールトラック８８に沿って変位される。図１において、インクリメンタル計測スケールトラック８６と基準スケールトラック８８の間の大まかな境界線が、破線１０で示されている。図１に示される実施形態において、基準スケールトラック８８は一般に、スケール格子８０を含む。しかしながら、重要な点として、基準スケールトラック８８はまた、１つまたは複数のマークゾーン２５１を含んでいてもよく、これについては後で詳しく説明する。

【0017】

インクリメンタルリードヘッド１００は、光ファイバケーブル１９５の中に含まれる複数の光ファイバ１３０の端部を収納し、位置付けるフェルール１０１を含む先行技術による小型光ファイバリードヘッドであってもよい。各種の実施形態において、インクリメンタルリードヘッド１００は、本願で参照された参考文献に記載されている、どの種類のインクリメンタルリードヘッドを含んでいてもよい。図１の実施形態では、インクリメンタルリードヘッド１００は光干渉型リードヘッドを含み、これは上述の‘６９６号特許で詳しく説明されている。簡潔にいえば、動作中、リードヘッド１００は、光ファイバ１３０の中央のファイバから分散するコヒーレントな光源光１５０を出力し、これがスケール格子８０の照明スポット１５３を照明し、その点で反射回折されて、スケール光１５５を供給する。各種の実施形態において、スケール格子８０は０次反射を抑制するように構成された位相格子である。したがって、スケール光１５５は、主としてリードヘッド１００に反射される±１次回折光を含む。±１次回折光は、位相マスク要素１６１の光受信面１６０の付近に干渉縞の場を形成する。位相マスク要素１６１によって、光受信面１６０に複数の空間フィルタが提供され、これらの空間フィルタは外側の光ファイバ１３０の端部全体にわたって異なる空間位相を有して、複数の光ファイバインクリメンタル計測信号受信チャネルを提供しており、これは‘６９６号特許に記されている。空間フィルタにより、光ファイバインクリメンタル計測信号受信チャネルは、スケール格子８０がリードヘッド１００に関して変位されると、異なる空間位相を有する周期的な光信号（たとえば、直交信号）を出力してもよい。

【0018】

基準マークリードヘッド２００は、光ファイバケーブル２９５の中に含まれる複数の光ファイバ２３０の端部を収納し、位置付けるフェルール２０１を含んでいてもよい。各種の実施形態において、基準マークリードヘッド２００は、本発明による各種の基準信号発生部を含んでいてもよく、これについて以下に詳しく説明する。簡潔にいえば、動作中、リードヘッド２００は、光ファイバ２３０の中央のファイバから分散する光源光２５０を出力し、これがスケール格子８０および／または基準マークゾーン２５１の照明スポット２５３を照明する。各種の実施形態において、分散する光源光２５０は、有利な点として、単色で空間的にコヒーレントであり、いくつかの実施形態では時間的にコヒーレントであってもよい。一般に、スケール格子８０は、リードヘッド１００に関して先に概略が説明されたものと同様に、反射回折されたスケール光を供給し、これが干渉縞の場を生成する。しかしながら、各種の実施形態において、基準マークリードヘッド２００は位相マスク要素を備えない。すると、外側の光ファイバ２３０の端部は複数の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを提供し、変位とは無関係に、単純に干渉縞の場からほぼ一定の「平均的な」量の光を受け取る。

【0019】

前述のように、各種の実施形態において、スケール格子８０は０次反射を抑制するように構成された位相格子である。したがって、基準マークは、基準マークゾーン２５１の中に少なくとも１つの鏡面状マーク部分を使用することによって、スケール格子８０の構造および／または動作を妨害することによって形成されてもよい。このような場合、基準マークゾーン２５１が照明スポット２５３の中に位置づけられると、鏡面状基準マーク部分は０次反射を起こし、図１に示されるような分散性のスケール光２５４が供給される。その結果、リードヘッド２００が基準マークゾーン２５１にわたって変位されると、（光ファイバ基準マーク信号受信チャネルとして使用される、外側の光ファイバ２３０の端部のうちいずれか１つによって）基準信号として受信され、送信される「平均的な」干渉縞光の量と０次反射光の量は、照明スポット２５３と基準マーク部分の基準マークゾーン２５１の重複する量に応じて変調される。複数のそれぞれの光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを使って、このように変調された光基準信号を送受信することにより、基準位置を正確に判断することができ、これについて以下に詳細に説明する。

【0020】

基準マークゾーン２５１の基準マーク部分は、Ｙ軸方向に沿って幅ＷＹを有し、それらの境界は計測軸８２の方向に沿って間隔を空けて配置されていてもよく、これについて以下に詳しく説明する。幅ＷＹは一般に、基準マークゾーン２５１あるいは本明細書に記載される他の基準マークゾーンのいずれにとっても重要ではないが、リードヘッド２００の所望の位置決め誤差が基準マークスケールトラック８８の幅以内に収まることが条件となる。各種の実施形態において、計測軸８２の方向に沿った、基準マークゾーン２５１に含まれる基準マーク部分の境界の適正な間隔が、信頼性の高い、ロバストな基準信号を供給する上で重要であるかもしれず、リードヘッド２００の中に設けられるファイバの構成および／または光ファイバ基準マーク信号受信チャネル開口の特定の寸法に概して依存する場合があり、これについて以下に詳しく説明する。

【0021】

図２は、本発明による基準信号発生部を含む、小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成２０００の第２の実施形態の等角図である。小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成２０００の動作は、いくつかの点において、図１の小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成１０００の動作と同様であり、類似の番号が付与された構成要素は、以下に説明する点を除き、形態と動作において同様または同一であってもよい。図２に示されるように、小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成２０００は、スケール部材８１を含むスケール格子８０と、インクリメンタルリードヘッド１００と、基準マークリードヘッド２００とを備える。小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成２０００と、小型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置１０００との主な違いは、基準スケールトラック８８’の構造が、基準スケールトラック８８の構造と異なる点である。特に、少なくとも、基準スケールトラック８８’のうち基準マークゾーン２５１’を取り囲む部分には、分散性の光源光により照射されると有意な量の０次反射光を提供するトラック部分（たとえば、鏡面状のトラック部分）が含まれる。基準マークゾーン２５１’は、このトラック部分の中に位置づけられる。このような実施形態において、基準マークゾーン２５１’には少なくとも１つの基準マーク部分が含まれ、この部分が提供する０次反射光の量は周囲のトラック部分より有意に少ない（たとえば、０次反射を抑制するように設計された格子部分）。いくつかの実施形態において、基準マークゾーン２５１’に含まれる格子基準マーク部分は、構造において、インクリメンタルスケールトラック８６に沿って延びるスケール格子８０と同一であってもよい。１つの実施形態において、鏡面状のトラック部分は、基準スケールトラック８８’のほぼ全長にわたって延びていてもよい。

【0022】

簡潔に言えば、動作中、リードヘッド１００は、リードヘッド２００に関して固定され（たとえば、各リードヘッドを同じ取り付けブラケットの中に取り付けることによる）、スケール部材８１が計測軸８２に沿って変位すると、リードヘッド１００はインクリメンタル計測スケールトラック８６に沿って変位され、リードヘッド２００は基準スケールトラック８８’に沿って変位される。一般に、照射スポット２５３が基準スケールトラック８８’に沿って、基準マークゾーン２５１’を含まないがこれに近い位置（たとえば、破線１５で示されるものに当たる位置）に位置付けられると、基準スケールトラック８８’の鏡面状部分は強力な０次反射を起こす。以上の結果として、複数の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを提供する外側の光ファイバ２３０の端部は、変位の範囲にわたり、その０次反射からほぼ一定の「大きな」量の光を受信することになる。

【0023】

基準マークは、基準マークゾーン２５１’の中の鏡面状トラック部分の構造および／または動作を妨害することによって形成してもよい。たとえば、０次反射を抑制するように構成された格子型基準マークを基準マークゾーン２５１’の中に位置づけてもよい。このような場合、基準マークゾーン２５１’が照射スポット２５３の中に位置づけられると、格子部分の基準マークは０次反射を抑制して、±１次反射を起こし、これは図２において、基準マークゾーン２５１’の上方で分散スケール光２５５の中の分散する点線として示される。その結果、リードヘッド２００が基準マークゾーン２５１’にわたって変位されると、０次反射光の量は有意に減少する。特に、０次反射が抑制され、反射光の相当部分は、±１次および３次回折光としてリードヘッド２００から遠ざかるように偏向される。その結果、光ファイバ基準マーク信号受信チャネルとして使用される外側の光ファイバ２３０の端部のうちのいずれか特定の１つによって基準信号として送受信される光は、照射スポット２５３と基準マークゾーン２５１’の中の基準マーク部分が重複する量に応じて変調される。複数のそれぞれの光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを使って、このように変調された光基準信号を送受信することにより、基準位置を正確に判断することができ、これについて以下に詳細に説明する。

【0024】

前述のように、計測軸８２の方向に沿った、基準マークゾーン２５１’に含まれる基準マーク部分の境界の適正な間隔は、信頼性の高い、ロバストな基準信号を供給する上で重要であるかもしれず、リードヘッド２００の中に設けられるファイバの構成および／または光ファイバ基準マーク信号受信チャネル開口の特定の寸法に概して依存する場合があり、これについて以下に詳しく説明する。

【0025】

図３は、本発明による基準信号発生部を含む小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成３０００の第３の実施形態の等角図である。小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成３０００の動作は、いくつかの点において、図１の小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成１０００の動作と同様であり、類似の番号が付与された構成要素は、以下に説明する点を除き、形態と動作において同様または同一であってもよい。図３に示されるように、小型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置３０００は、スケール格子８０を含む１つのスケールトラックと基準マークゾーン３５１を有するスケール部材８１と、一体型のインクリメンタルおよび基準マークリードヘッド３００を含み、このリードヘッドを単に、一体型リードヘッド３００ともいう。スケール格子８０は、０次反射を抑制するように構成された位相格子であってもよい。基準マークゾーン３５１は、図１の基準マークゾーン２５１に関して上述したように、少なくとも１つの鏡面状の基準マーク部分を含む。一体型リードヘッド３００は、光ファイバケーブル３９５の中に含まれる複数の光ファイバ３３０の端部を収納し、位置付けるフェルール３０１を含む。各種の実施形態において、一体型リードヘッド３００は、図１０、図１１、図１２等に関して後述する、どのようなタイプの一体型リードヘッドの形態を含んでいてもよい。

【0026】

簡潔に言えば、動作中、一体型リードヘッド３００は、光ファイバ３３０の中央の１本のファイバからの分散性の光源光３５０を出力し、これはスケール格子８０の照射スポット３５３を照射する。各種の実施形態において、光源光３５０は有利な点として、単色で、空間的にコヒーレントであり、いくつかの実施形態では時間的にコヒーレントであってもよい。光源光３５０は一般に、反射回折され、スケール光３５５を供給する。スケール光３５５は±１次回折光を含み、これがリードヘッド３００へと反射されて、位相マスク要素３６１の光受信面３６０の付近に干渉縞の場を形成し、この位相マスク要素３６１は、外側の光ファイバ３３０の特定のファイバの端部全体にわたって異なる空間位相を有する位相マスク部分を使って、干渉縞を空間的にフィルタリングし、前述の原理にしたがって、複数の光ファイバインクリメンタル計測信号受信チャネルを提供する。空間フィルタリングの結果、一体型リードヘッド３００の特定の光ファイバ受信チャネルは、インクリメンタル計測信号受信チャネルを提供し、これは、スケール格子８０がリードヘッド３００に関して変位されると、異なる空間位相を有する周期的な光信号（たとえば、直交信号）を出力するかもしれない。

【0027】

図３に示される実施形態において、一体型リードヘッド３００の位相マスク要素３６１はまた、外側の光ファイバ３３０の特定のファイバの端部にわたって空間フィルタリングを行わない領域を含み、複数の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを提供し、これを使って、基準マークゾーン３５１の中の鏡面状の基準マーク部分から発生する基準信号が供給される。各種の実施形態において、図３に示すように、基準マークゾーン３５１が照射スポット３５３の中に位置づけられると、鏡面状基準マーク部分は０次反射を起こし、分散性スケール光３５４を供給する。その結果、リードヘッド３００が基準マークゾーン３５１の上で変位されると、空間フィルタリングを行わず、複数の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを提供する、特定の外側の光ファイバ３３０の端部によって基準信号として受信され、送信される「平均的な」干渉縞光と量と０次反射光の量は、照射スポット３５３と基準マークゾーン３５１が重複する量に応じて変調される。複数のそれぞれの光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを使ってこのように変調された基準信号を送受信することによって、基準位置を正確に判断することができ、これについては以下に詳しく説明する。

【0028】

一体型リードヘッド３００では、インクリメンタル変位計測に使用されるような、異なる空間位相を有する周期的光信号（たとえば、インクリメンタル計測直交信号）を継続的に出力し、同時に、一体型ヘッド３００による照射スポット３５３が基準マークゾーン３５１と重複したときに、基準マーク光信号を出力することが望ましいことがわかるはずである。したがって、各種の実施形態の例において、基準マークゾーン３５１に含まれる鏡面状の基準マーク部分の面積をできるだけ小さくし、なおかつ他の基準マークの設計上の検討項目を満たすことが有利であり、これについては以下に詳しく説明する。

【0029】

図４は、本発明による基準信号発生部を含む小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成３０００’の第４の実施形態の等角図である。小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成３０００’の動作は、多くの点において、図３の小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成３０００の動作と同様であり、類似の番号が付与された構成要素は、以下に説明する点を除き、形態と動作において同様または同一であってもよい。一般に、小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成３０００’と３０００の動作の大きな違いのみを以下に説明する。

【0030】

図４に示されるように、小型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置３０００’は、一体型リードヘッド３００およびスケール部材８１を含み、スケール部材８１はスケール格子８０および、端部領域８９の中に配置される基準マークゾーン４５１と基準マーク境界ゾーン４５１’を含む１つのスケールトラックを有する。基準マーク境界ゾーン４５１’は、格子部分であるトラック部分（たとえば、各種の実施形態において、スケール格子８０と同一）を有して、これが基準マークゾーン４５１の第１の境界を提供してもよい。スケール格子８０は、０次反射を抑制するように構成された位相格子であって、これが基準マークゾーン４５１の第２の境界を提供してもよい。基準マークゾーン４５１とスケール格子８０の間の境界は、リードヘッドおよびスケール構成３０００’によって提供されるインクリメンタル変位計測範囲の端部にほぼ対応してもよい。端部領域８９のうち、ゾーン４５１、４５１’の外側にあたる部分は一般に、鏡面状の領域を含んでもよい。

【0031】

基準マークゾーン４５１は鏡面状基準マーク部分を含んでいてもよく、これは計測軸の方向に沿って、スケール格子８０と基準マーク境界ゾーン４５１’の格子部分によって境界が定められるため、リードヘッドおよびスケール構成３０００に関して先に説明した基準マークゾーン３５１と、構造と動作の点でほぼ同様であってもよい。リードヘッドおよびスケール構成３０００と比較した場合のリードヘッドおよびスケール構成３０００’の１つの利点は、基準マークゾーン４５１が通常のインクリメンタル変位計測範囲には含まれていないことであり、そこに含まれていると、通常のインクリメンタル変位計測の精度をある程度損なう可能性がある。

【0032】

１つの実施形態において、基準マーク境界ゾーン４５１’は、基準マークゾーン４５１の鏡面部分と端部領域８９の鏡面領域によって境界が定められ、リードヘッドおよびスケール構成２０００に関して先に説明したように、基準マークゾーン２５１’と構造においてほぼ同様または同一であってもよい。このような実施形態において、基準マーク境界ゾーン４５１’を使って基準マーク２次信号を供給してもよい。特に、一体型リードヘッド３００は一般に、鏡面状端部領域８９と基準マークゾーン４５１の基準マーク部から有意な量の０次反射光を受信する。しかしながら、照射スポット３５３が基準マーク境界ゾーン４５１’の格子部と重複すると０次反射は抑制され、反射光の有意な部分が、前述の原理にしたがって、一体型リードヘッド３００から±１次および３次回折光として離れる。その結果、空間フィルタリングを行わない特定の外側の光ファイバ３３０の端部から基準信号として送受信される光の量は、照射スポット３５３が基準マーク境界ゾーン４５１’と重複する量に応じて変調される。基準境界ゾーン４５１’の中の格子部分が、後に詳しく説明する原理に従って決定される動作長さＬＥＴＯＥを有する場合、必要に応じて、２次的な基準マーク位置を正確に判断することができる。

【0033】

各種の実施形態において、基準マークゾーン４５１からの信号は、スケール部材８１に沿った基準マーク位置を判断し、また、リードヘッドおよびスケール構成３０００’のインクリメンタル変位計測範囲の端部を信号で知らせるために使用してもよい。いくつかの実施形態において、基準マーク境界ゾーン４５１’からの信号は、リードヘッドおよびスケール装置３０００’の相対的変位に関する「リミットスイッチ」として機能し、および／または相対的変位の適当な方向が提供されたとき、ある回路に基準マークゾーン４５１によって示される基準マークの位置を検出させるようにするルーチンや回路を起動させるように使用してもよい。

【0034】

図５は、本発明による格子および基準マーク構造５００の１つの例示的実施形態を示す等角図である。図１から図４と類似の番号が付与された構成要素は、同様または同一であってもよい。格子および基準マーク構造５００は、スケール部材８１の上に配置されたスケール格子８０と鏡面部分基準マーク５０−Ｍを含む。鏡面部分基準マーク５０−Ｍは、一般的な例として描かれている。図５に示されるように、スケール格子８０は、Ｙ軸方向に沿って延びる格子要素Ｅを含み、これは陥凹要素Ｇによって分離される。格子要素Ｅは、格子ピッチＰ_gにしたがって、計測軸８２に沿って周期的に配置される。計測軸８２の方向に沿って、格子要素Ｅの各々は幅Ｗ_Eを有し、陥凹要素Ｇの各々、幅Ｗ_Gを有する。格子要素Ｅはまた、Ｚ軸の方向に沿って陥凹高さＨ_Eを有する。図５に示されるスケール格子８０の具体的な実施形態は、０次反射光とすべての偶数次回折を抑制するように設計されている。これを実現するための方法は、上述の‘６９６号特許に述べられており、それ以外でも当業界では公知である。簡潔に言えば、１つの例示的実施形態において、スケール格子８０は反射位相格子として形成され、その中で、長方形の格子要素Ｅと陥凹要素Ｇの両方が反射クロームで被覆され、格子要素同士の間の陥凹高さＨ_Eによって０次反射光が干渉により打ち消し合い、その高さは、たとえば格子および基準マーク構造５００で使用される光源光の波長の１／４である。デューティサイクルが５０％である、すなわちＷ_EがＷ_Gとほぼ等しいと、０次反射光が最適に抑制され、また、残りの偶数次回折も抑制される。

【0035】

Ｘ軸方向に沿って長さＬＥＴＯＥを有する鏡面部分基準マーク５０−Ｍは、スケール格子８０の中に配置されてもよい。当然、スケール格子８０は、鏡面部分基準マーク５０−Ｍのどちら側でも同相に保つべきである。各種の例示的実施形態において、鏡面部分基準マーク５０−Ｍの大きさと位置は、その境界が格子要素Ｅの同様の境界と同相になるようにする。いくつかの実施形態において、長さＬＥＴＯＥは、スケール格子８０の（Ｎ＋１／２）周期（Ｎは整数）と一致してもよい。いくつかの実施形態において、Ｎはスケール格子８０の１０〜３０周期の範囲で選ばれてもよい。しかしながら、この範囲は例にすぎず、これに限定されない。所望の長さＬＥＴＯＥを選択する際の検討項目は、以下に詳しく説明する。鏡面部分基準マーク５０−Ｍは、格子要素Ｅの平面に対応して形成されているように描かれているが、格子要素Ｇの平面に対応して形成されてもよいことがわかるであろう。各種の実施形態において、ミラー部分基準マーク５０−Ｍは、スケール格子８０を製作するときと同じステップの一部を使って製作してもよい。したがって、図５に示される基準マーク５０−Ｍの実施形態は、位相型スケール格子８０と光干渉型小型光ファイバリードヘッドを備える小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成において使用可能な基準マークを提供するための特に経済的な方法を提供する。図５に示されるように、格子および基準マーク構造５００は、鏡面部分基準マーク５０−Ｍが基準マークゾーン２５１の中に配置される、図１のリードヘッドおよびスケール構成１０００と、鏡面部分基準マーク５０−Ｍがそれぞれ基準マークゾーン３５１、４５１の中に配置される図３、図４のリードヘッドおよびスケール構成３０００、３０００’のスケールトラック８８の中で使用するのに特に適している。

【0036】

図５に示され、上で説明した格子と鏡面の特徴が果たす役割は、Ｘ軸方向に沿って延びる鏡面スケールトラック部分、および／または図４に示される端部領域８９の中に含まれる鏡面領域に埋め込まれる、長さＬＥＴＯＥの格子部分基準マークを提供するように逆転させることができる。このような格子部分基準マークとこれに関連する鏡面スケールトラック部分または鏡面領域は、スケール部材８１の上にインクリメンタル計測スケールトラックに沿ってインクリメンタル計測スケール格子を製作するときと同じステップを使って製作してもよいため、位相型インクリメンタル計測スケール格子と光干渉型小型光ファイバリードヘッドを備える小型光ファイバリードヘッドおよびスケール構成に使用機能な格子型基準マーク部分を提供するための、特に経済的な方法を提供することができる。このような、格子型基準マーク部分を有する構造は、格子型基準マーク部分が基準マークゾーン２５１’の中に位置づけられるような図２のリードヘッドおよびスケール構成２０００と、格子型基準マーク部分が基準マークゾーン４５１’の中に位置付けられるような図４のリードヘッドおよびスケール構成３０００’のスケールトラック８８’の中で使用するのに特に適している。

【0037】

図６Ａ、６Ｂは、本発明による基準信号発生部６０００の第１の実施形態の各種の態様を、図中の寸法の関係に関して概略的に示す等角図である。図６Ａにおいて、基準信号発生部６０００は基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００を備え、これは前述のように、個々のリードヘッドおよびスケール構成においてどちらが適当かに応じて、鏡面基準マーク部分か格子基準マーク部分（たとえば、図示されていないスケール部材８１の上）のいずれを含んでいてもよい一般的基準マーク５０Ａに関して動作的に位置付けられる。基準マーク５０Ａは、Ｘ軸、すなわち計測軸の方向に沿った寸法ＬＥＴＯＥ、Ｙ軸の方向に沿った寸法ＷＹ、Ｘ軸の方向に沿った中心線ＲＭＣを有する。簡潔に言えば、動作中、基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００は、中央のファイバから分散性の光源光６５０を出力し、これが図に例として光源光６５０−１、６５０−２、６５０−３で示されるように基準マーク５０Ａを照射する。各種の実施形態において、光源光６５０は、有利な点として、単色で、空間的にコヒーレントであり、いくつかの実施形態においては時間的にコヒーレントであってもよい。基準マーク５０Ａが、格子トラック部分および／またはスケールトラックによって囲まれた鏡面基準マーク部分であれば、基準マーク５０Ａは、光源光線６５０−１、６５０−２、６５０−３にそれぞれ対応する例示的なスケール光線６５４−１、６５４−２、６５４−３で示されるように、０次反射光を基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００に強力に反射する。このような場合、鏡面基準マーク部分に対応する基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥは、それが基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００により提供される光ファイバ基準マーク信号受信チャネル開口と重複するかぎり、「信号増強」領域となる。

【0038】

図６Ａに示されるように、反射された０次スケール光は、光ファイバ構成６００の端部により提供される光信号レシーバ開口の付近に基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥを発生させる。基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥの寸法は、反射されたスケール光の分散によって基準マーク５０Ａの２倍に「拡大」される。一般に、分散性の光源光を使用することにより、本明細書に記載するすべての基準マーク信号作用領域は、ゾーン格子型基準マークでないかぎり、その寸法は対応する基準マークの２倍である。基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥは、Ｘ軸方向に沿った中心線ＲＭＣ−ＳＥを有する。基準マーク５０Ａと基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥとの大きさの違いに関係なく、それぞれの中心線ＲＭＣとＲＭＣ−ＳＥは、計測軸８２に沿って整列していてもよく、同じ割合で変位してもよいことがわかるであろう。

【0039】

上記の動作の説明は、基準マーク５０Ａが鏡面基準マーク部分である（たとえば、図１、図３に示される）ことを前提としている。基準マーク５０Ａが鏡面領域またはトラック部分によって取り囲まれる格子基準マーク部分である場合（たとえば、図２に示される）、例示的な光源光線６５０−１、６５０−２、６５０−３およびこれに対応する反射された例示的スケール光線６５４−１、６５４−２、６５４−３は、通常は周囲の鏡面領域またはトラック部分（たとえば、スケールトラック８８’の鏡面部分）によって供給されるが、格子部分基準マーク５０Ａの０次反射抑制と、より高次の回折特性によって打ち消される０次光線と解釈してもよい。そのような場合、対応する基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥは、それが基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００により提供される光ファイバ基準マーク信号受信チャネル開口と重複するかぎり、「信号減少」領域となる。格子部分基準マークは、スケール格子８０と同じように整列、離間された格子バーを有するものに限定されない。より一般的には、基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００から有意な量の光源光を回折させ、および／または０次反射を有意に抑制するのであれば、どのような格子部分基準マークでも（たとえば、２次元格子等）使用できる。

【0040】

図６Ｂは、図６Ａに示される基準信号発生部６０００の中の、基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００と基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥを含む部分６０００’を示す。図６Ｂに示されるように、基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００は、光受信用ファイバ６９０Ｒ１、６９０Ｒ１’、６９０Ｒ２、６９０Ｒ２’を含んでいてもよく、それらの端部は、図のように、光基準マーク信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ１’、ＲＥＦ２、ＲＥＦ２’を送受信する基準マーク信号受信チャネル開口を提供する。他の２本のファイバ６９０Ｘ、６９０Ｘ’は、必要に応じて、任意のダミーファイバであってもよく、これは、密着パッキング方式での組立を行いやすくするために利用することができる。また、いくつかの実施形態において、２本のファイバ６９０Ｘ、６９０Ｘ’には、光信号の強度の変化、汚染作用またはその他の異常を監視するために有益となりうる光信号を受け取り、あるいはまた別の光源とするための受信開口を設けてもよい。光受信用ファイバ６９０Ｒ１、６９０Ｒ１’、６９０Ｒ２、６９０Ｒ２’は、外径がＤＲＦで、いくつかの実施形態において基準マーク信号受信チャネル開口と一致するかもしれない、および／またはそれを提供する直径ＤＲＡの光伝送コア領域を有するマルチモードファイバであってもよい。中央の光源用ファイバ６７０は、一般に分散性の光源光を放出する光源６８０を提供し、いくつかの実施形態において、光源用ファイバ６７０のシングルモードコアの端部により提供されてもよい。

【0041】

各種の実施形態において、リードヘッド光ファイバ構成を、光ファイバリードヘッド内に配置されるすべての光ファイバが、最大で１．５ミリメートル、または１．０ミリメートル、またはそれ以下の直径を有する円筒空間の中に配置されるように構成することが有利かもしれない。基準マークリードヘッド光ファイバ配置６００の１つの例示的実施形態において、光伝送コアの直径ＤＲＡは約２００ミクロンであってもよく、これはまた基準マーク信号受信チャネル開口の直径であってもよく、外径ＤＲＦは約２５０ミクロンであってもよく、中央のファイバ６７０は、同じ外径ＤＲＦとシングルモードのコアの直径、約４〜１０ミクロンであってもよい。したがって、このような実施形態において、基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００全体の直径は、７５０ミクロンの程度であってもよい。しかしながら、他の実施形態では、これより大きな、または小さなファイバおよび／または他のファイバ間隔を用いてもよいことがわかるであろう。

【0042】

図６Ｂにおいて、破線ＡＲ１Ｌ、ＡＲ１Ｒ、ＣＡＲ１は、信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ１’に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の、Ｘ軸方向に沿った、それぞれ左右の境界と中心の位置を示す。破線ＡＲ２Ｌ、ＡＲ２Ｒ、ＣＡＲ２は、信号ＲＥＦ２、ＲＥＦ２’に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の、Ｘ軸方向に沿った、それぞれ左右の境界線と中心の位置を示す。寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２は、信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ１’に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の実効中心と、信号ＲＥＦ２、ＲＥＦ２’に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の中心との間の、Ｘ軸に沿った距離を示す。寸法ＡＲ１２ＳＥＰは、境界ＡＲ１ＲとＡＲ２Ｌの間の分離距離を示す。より一般的には、本明細書において、また図１０、図１１に関して、寸法ＡＲ１２ＳＥＰは、光ファイバ装置の中に含まれる２つの基準マーク信号受信チャネル開口の内側境界の間、すなわち計測軸の方向に沿って相互に最も近い境界の間の、計測軸の方向に沿った距離を示す。寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮは、境界ＡＲ１ＬとＡＲ２Ｒの間の距離の合計を示す。より一般的には、本明細書において、また図１０、図１１に関して、寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮは、光ファイバ構成に含まれる２つの基準マーク信号受信チャネル開口の外側境界の間、すなわち、計測軸の方向に沿って相互に最も遠い境界の間の、計測軸の方向に沿った距離を示す。

【0043】

基準信号発生部６０００に関して、最も一般的な指針は、基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００と基準マーク５０Ａを、以下の関係、
ＡＲ１２ＳＥＰ＜（２^*ＬＥＴＯＥ）＜ＡＲ１２ＳＰＡＮ （式１）
が満たされ、そして、結果として得られる基準マーク信号が、基準マーク５０Ａに近い信号交差領域内において、所望の精度および／または再現性で基準点を特定するために使用できるように構成するべきである、という点であり、これについては以下に詳しく説明する。各種の実施形態において、さらに以下の関係、
（２^*ＬＥＴＯＥ）＞［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．２５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］
（２^*ＬＥＴＯＥ）＜［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．７５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］ （式２、３）
を満たす構成が有利であるかもしれない（たとえば、基準マーク信号間の、よりロバストおよび／または信頼性の高い関係を提供することによる）。各種の他の実施形態において、さらに、以下の関係、
（２^*ＬＥＴＯＥ）＞［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．４^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］
（２^*ＬＥＴＯＥ）＜［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．６^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］ （式４、５）
を満たす構成がより有利であるかもしれない。いくつかの実施形態において、寸法２^*ＬＥＴＯＥは、［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］とほぼ等しく、あるいは信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の間の中心間距離ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２とほぼ等しい場合、図８、図１２に関して後述するような基準マーク信号を提供することが最も有利であるかもしれない。

【0044】

図７は、本発明による基準信号発生部の第２の実施例の部分７０００’の等角図である。部分７０００’の設計と動作は、多くの点において、図６Ｂの部分６０００’と同様であり、６ＸＸ、７ＸＸと続く類似の番号が付与された要素（要素６９０Ｒ２と７９０Ｒ２）は、以下に記載するものを除き、形態と動作において同様または同一であってもよい。一般に、部分７０００’の設計と動作は、部分６０００’と基準信号発生部６０００に関する上記の説明に基づくものとしてもよい。したがって、部分６０００’と７０００’の動作の重要な相違点だけを以下に説明する。

【0045】

基準マークリードヘッド光ファイバ構成７００と６００の主な違いは、光ファイバ構成７００が、ＸＹ平面において異なる回転方向を有するため、Ｘ軸方向に沿って相互に近接するファイバの端が光信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ１’、ＲＥＦ２、ＲＥＦ２’（ファイバ７９０Ｒ１、７９０Ｒ１’、７９０Ｒ２、７９０Ｒ２’にそれぞれ対応する）を送受信する基準マーク信号受信チャネル開口を提供することができるという点である。部分７０００’に対応する基準信号発生部は一般に、先に式１〜５に関して概説した寸法に関する検討項目と信号に関する検討項目に従って構成されてもよい。いくつかの実施形態において、寸法２^*ＬＥＴＯＥが［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］とほぼ等しく、あるいは信号ＲＥＦ１とＲＥＦ２に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の実効中心間距離ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しい場合に、図８に関して説明するような基準マーク信号を提供することが最も有利であるかもしれない。寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２は、光ファイバ構成７００の場合のほうが光ファイバ構成６００の場合より小さいため、基準マーク信号作用領域５０Ｂ−ＳＥの寸法２^*ＬＥＴＯＥと、対応する基準マーク（明細書中では基準マーク５０Ｂとするが、図には示されていない）の対応する寸法ＬＥＴＯＥは、部分７０００’に対応する基準信号発生部ではより小さくなるように選択されることに気づくかもしれない。

【0046】

図６Ａ、図６Ｂ、図７に示されるように、基準信号発生部６０００、または部分７０００’に対応する基準信号発生部のいずれも、鏡面部分基準マークが基準マークゾーン２５１の中に位置づけられる図１のリードヘッドおよびスケール構成１０００のリードヘッド２００とスケールトラック８８に使用することに適している。いずれの構成も、格子部分基準マークが基準マークゾーン２５１’の中に位置づけられる図２のリードヘッドおよびスケール構成２０００のリードヘッド２００とスケールトラック８８’に使用することに適している。

【0047】

図８は、２つの概略信号図６０、７０であり、それぞれ、図６Ａ、図６Ｂの基準信号発生部６０００と、図７に示される部分７０００’に対応する基準信号発生部に対応する。図６Ａ、図６Ｂの基準信号発生部６０００に対応する信号図６０は、２つの基準信号と、１つの複合信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と、１つの複合信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）を、基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥ（または基準マーク５０Ａ）と基準マークリードヘッド光ファイバ構成６００の間の計測軸８２に沿った相対的な位置に関して示している。特に、点６１は、基準マーク５０Ａの中心線ＲＭＣが、図６Ｂに示される部分ＡＲ１Ｌの左に長さＬＥＴＯＥだけ変位された位置と一致する地点に対応する。したがって、基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥは、基準マーク信号受信チャネル開口とも重複せず、点６１では有意な信号は生成されない。基準マーク５０Ａが右に変位されるにつれて、基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥはＲＥＦ１とＲＥＦ１’の基準マーク信号受信チャネル開口とより大きく重複し、最終的に変位が基準マーク信号受信チャネル開口の直径（たとえば、光伝送コアの直径ＤＲＡ）と等しくなった後、点６２において最大となる。基準マーク５０Ａは引き続き右に変位されるため、その後は点６３と６３’まで信号は変化せず、これが信号交差領域の左限界となり、ここで（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）信号と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）信号は共通の数値に収束（またはここから分散）する。信号交差領域において、基準マーク５０Ａの中心線ＲＭＣが位置（ＡＲ１Ｌ＋ＬＥＴＯＥ）の右に変位されるにつれ、信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）は、基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥと、ＲＥＦ１とＲＥＦ１’基準信号受信チャネル開口の間の重複部分が減るのに合わせて減少を始める。基準マーク信号受信チャネル開口は同様の寸法を有し、基準マーク５０Ａの長さＬＥＴＯＥは基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥの寸法２^*ＬＥＴＯＥが図６Ｂに示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２とほぼ等しくなるように選択されるため、信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）は、基準マーク信号作用領域５０Ａ−ＳＥと、ＲＥＦ２とＲＥＦ２’基準マーク信号受信チャネル開口との重複が増大するにつれて、点６３’で同時に増加を開始する。点６４において、基準マーク５０Ａの中心線ＲＭＣは、ＲＥＦ１／ＲＥＦ１’基準マーク信号受信チャネル開口とＲＥＦ２／ＲＥＦ２’基準マーク信号受信チャネル開口の間に対称に位置付けられるため（図６Ｂに示される位置）、信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）は見かけ上等しくなる。その他の点６５、６５’、６６、６７における信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）の挙動も、前述の説明から類推することができる。点６５、６５’は、点６３、６３’と同様に、信号交差領域の右限界を示す。

【0048】

信号図７０は、図７に示される部分７０００’を含み、これに対応する基準信号発生部に対応しており、上述の信号図６０と同様である。すなわち、点７１は点６１と同様、等々である。したがって、点７１〜７７の信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）の挙動は、上述の説明と、図７に関する説明から類推することができる。特に、信号交差領域において、基準マーク５０Ｂの中心線ＲＭＣが位置（ＡＲ１Ｌ＋ＬＥＴＯＥ）の右に変位されるにつれ、点７３において信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）は、基準マーク信号作用領域５０Ｂ−ＳＥと、ＲＥＦ１とＲＥＦ１’基準マーク信号受信チャネル開口との重複が減少するにつれて、減少を開始する。基準マーク信号受信チャネル開口は同様の寸法を有し、基準マーク５０Ｂの長さＬＥＴＯＥは基準マーク信号作用領域５０Ｂ−ＳＥの寸法２^*ＬＥＴＯＥが図７に示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２とほぼ等しくなるように選択されるため、信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）は、基準マーク信号作用領域５０Ｂ−ＳＥと、ＲＥＦ２とＲＥＦ２’基準マーク信号受信チャネル開口との重複が増大するにつれて、点７３’で同時に増加を開始する。点７４において、基準マーク５０Ｂの中心線ＲＭＣは、ＲＥＦ１／ＲＥＦ１’基準マーク信号受信チャネル開口とＲＥＦ２／ＲＥＦ２’基準マーク信号受信チャネル開口の間に対称に位置付けられるため（図７に示される位置）、信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）は見かけ上等しくなる。信号図７０の信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）の特徴は、計測軸に沿って、信号図６０のそれより間隔が狭いことがわかるが、これは、基準マーク長さＬＥＴＯＥが信号図７０に対応する基準信号発生部においてより短く、またＲＥＦ１／ＲＥＦ１’基準マーク信号受信チャネル開口とＲＥＦ２／ＲＥＦ２’基準マーク信号受信チャネル開口の間の中心間間隔もまた小さいからである。

【0049】

各種の実施形態において、計測軸８２に沿った基準点を確実な方法で提供するために、基準位置検出回路は、この信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）が交差し、基準点と同等となる地点を特定してもよい。格子部分または鏡面部分のいずれかを基準マークとして使用する各種の実施形態において、式１〜５に関連して上述した寸法に関する検討項目と信号に関する検討項目にしたがって縁辺間長さＬＥＴＯＥを選択することにより、一般に、基準マークに近い信号交差領域の中の基準位置（たとえば、２つの各々の基準信号が等しい数値を持つ場所）を特定することに適した基準マーク信号を提供する基準信号発生構造が得られることがわかるであろう。式２と３または４と５の関係を満たすことにより、信号交差領域において、基準マーク信号の間の関係が特に高い信頼性および／またはロバスト性を持つものとなるかもしれない。信号図６０と７０に対応する基準信号発生部はそれぞれ、これらの関係を満たし、したがって、図８に示されるように最大値と最小値の間のほぼ中間の信号値において見かけ上交差する信号を含む、ロバストな信号交差領域が確実に得られる。図８に示される信号の極性は、格子領域によって取り囲まれる鏡面部分基準マークによって得られる極性に概して対応する。すべての信号は一般に、鏡面領域によって取り囲まれる格子部分基準マークについては反転される。実際には、すべての信号が一般に、コモンモードＤＣオフセットを含んでいるが、これは図８に示されていない。いずれの場合も、式１〜５に関して先に説明した寸法に関する検討項目と信号に関する検討項目にしたがって設計される、前述または後述の基準信号発生部によれば、複数のそれぞれの基準マーク信号を供給することができ、これらは、基準マークに近い信号交差領域の中で、所望の空間的周期を持つインクリメンタル計測信号の半分未満の周期で反復可能な基準位置を定義できるため、この基準マークは、インクリメンタル計測信号の特定の周期またはサイクルと、関連する特定の波長をスケールに沿って、高い信頼性で示すことができる。たとえば、４または２ミクロン未満の再現性であれば容易に達成でき、サブミクロンの再現性も、特に式２と３または４と５が満たされれば、達成できるかもしれない。

【0050】

図９および１０は、本発明の基準信号発生部の第３の実施形態を含む、本発明による一体型基準信号およびインクリメンタル信号発生部８０００（また、一体型信号発生部８０００ともいう）の動作の各種の面を概略的に示す等角図である。図９には、一体型信号発生部８０００の不可欠要素である位相マスク要素８６１が示されていないが、これは、その動作の他の面をより明確に示すためである。位相マスク８６１は、図１０に関連して以下に詳しく説明する。

【0051】

図９は、一体型信号発生部８０００の具体的な要素を示しており、ここでは、一体型リードヘッド光ファイバ構成８００（図１０に示される位相マスク要素８６１を除いている）がスケール格子８０（たとえば、スケール部材８１の上であり、図示されない）により囲まれた一般的な鏡面部分基準マーク５０Ｃに関して動作的に位置付けられている。基準マーク５０Ｃは、Ｘ軸方向に沿った寸法ＬＥＴＯＥと中心線ＲＭＣを図のように有する。簡潔に言えば、動作中、一体型リードヘッド光ファイバ構成８００は、中央のファイバにより提供される光源８８０から分散性の光源光８５０を出力し、これは基準マーク５０Ｃと周囲のスケール格子８０の照射スポット８５３を照射する。各種の実施形態において、光源光８５０は有利な点として、単色で、空間的にコヒーレントであり、いくつかの実施形態においては、時間的にコヒーレントであってもよい。スケール格子８０は、図９において中央の光線で示される反射回折された±１次スケール光８５５Ａ、８５５Ｂを提供する。±１次スケール光８５５Ａ、８５５Ｂは、それぞれ領域８５５Ａ’と８５５Ｂ’を照射し、これは光干渉領域８５６において重複して一体型リードヘッド光ファイバ構成８００の光受信面８６０の付近で干渉縞８６６を形成する。干渉縞は、前述の原理に従って、また図１０に関して以下に詳細に説明するように、光直交信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂを受信する光ファイバの端部にわたり、位相マスク要素８６１（図１０に示す）によって空間的にフィルタリングされる。

【0052】

先に概略した直交信号発生動作と同時に、鏡面部分基準マーク５０Ｃが照射スポット８５３の内部に入ると、図６Ａに関して先に説明した原理に従い、分散するコヒーレントな光源光８５０を反射して、鏡面部分基準マーク５０Ｃの２倍の寸法と中心線ＲＭＣと一致する中心線ＲＭＣ−ＳＥを有する基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥを提供する。一体型基準信号およびインクリメンタル信号発生部８０００の動作に関するその他の詳しい説明は、図１０に関して以下に記す。

【0053】

図１０は、図９に示される一体型信号発生部８０００の一部８０００’を示し、この中には一体型リードヘッド光ファイバ構成８００、基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥ、位相マスク要素８６１が含まれる。位相マスク要素８６１をより明確に示すために、図１０は、光干渉領域８５６に干渉縞８６６を示していないが、前述のように、動作中にはこのような縞が発生する。図１０に示されるように、一体型リードヘッド光ファイバ構成８００は、いくつかの実施形態においては光ファイバ８７０のシングルモードコアの端部により供給される光源８８０を提供する中央光源用ファイバ８７０と、光受信用ファイバ８９０Ａ、８９０Ａ’、８９０Ｂ、８９０Ｂ’、８９０Ｒ１、８９０Ｒ２を有し、これはそれぞれ図のように、光信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂ、ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を受信する受信チャネルとなる。一体型リードヘッド光ファイバ構成８００はまた、位相マスク８２０Ａ、８２０Ｂ、８２０Ａ’、８２０Ｂ’と、ブロッキングマスク８２０ＢＲ１、８２０ＢＲ２と、開放開口マスク８２０Ｒ１、８２０Ｒ２を含む位相マスク要素８６１を備える。破線ＡＲ１Ｌ、ＡＲ１Ｒ、ＣＡＲ１は、信号ＲＥＦ１に対応する基準マーク信号受信チャネル開口のそれぞれ左右の境界と実効中心の位置を示し、破線ＡＲ２Ｌ、ＡＲ２Ｒ、ＣＡＲ２は、信号ＲＥＦ２に対応する基準マーク信号受信チャネル開口のそれぞれ左右の境界と実効中心の位置を示す。寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２は、信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の有効中心間のＸ軸に沿った距離である。寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮは、境界ＡＲ１ＬとＡＲ２Ｒの間の距離の合計を示す。図６Ｂに関して先に説明したように、一般に、本明細書では、寸法ＡＲ１２ＳＥＰは光ファイバ装置の中に含まれる２つの基準マーク信号受信チャネル開口の内側境界の間、すなわち、計測軸方向に沿って相互に最も近い境界の間の計測軸方向に沿った距離を示す。部分８０００’について、寸法ＡＲ１２ＳＥＰは境界ＡＲ１ＲとＡＲ２Ｌの間であって、ゼロであるため、混乱しないように、図１０には示さない。上記の説明から、基準マークとして格子部分または鏡面部分を使用してもよい一体型信号発生部８０００の各種の実施例において、式１〜５に関して前述した寸法に関する検討項目と信号に関する検討項目にしたがって縁辺間の長さＬＥＴＯＥを選択することにより、一般に、特に、式２と３または４と５の関係が満たされたときに、確実な基準信号発生部が提供されることがわかるであろう。

【0054】

前述の基準マーク信号受信チャネル開口の光受信領域がそれぞれの基準マーク信号受信チャネル光ファイバの端部で光伝送コア領域のみによって定められているが、一体型リードヘッド光ファイバ構成８００においては、基準マーク信号受信チャネル開口８９０Ｒ１、８９０Ｒ２は、一部がそれぞれの受信チャネル光ファイバの端部における光伝送コア領域の境界によって、また一部がそれぞれのブロッキング／開放開口マスク８２０ＢＲ１／８２０Ｒ１および８２０ＢＲ２／８２０Ｒ２によって定められることがわかるであろう。もちろん、各種の他の実施形態では、必要に応じて、同様の開口マスクで、基準マーク信号受信チャネル開口を取り囲み、画定することもできる。それぞれのブロッキング／開放開口マスク８２０ＢＲ１／８２０Ｒ１と８２０ＢＲ２／８２０Ｒ２は計測軸方向に沿って空間的に周期的な構造を含まないため、基準マーク信号受信チャネル開口８９０Ｒ１、８９０Ｒ２が受信しなかった干渉縞光は、所望の基準マーク信号を発生するのを妨げる、有意な空間周期的信号成分を発生しない。

【0055】

簡潔に言えば、動作中、位相マスク８２０Ａ、８２０Ｂ、２８０Ａ’、８２０Ｂ’は、受信面８６０に配置され、光干渉領域８５６の中の干渉縞を空間的にフィルタリングし、直交型の周期的インクリメンタル計測信号それぞれＡ、−Ａ、Ｂ、−Ｂを供給する。１つの実施形態において、位相マスク８２０Ａ、８２０Ｂ、８２０Ａ’、８２０Ｂ’は、それぞれ０、９０、１８０、２７０度の相対的空間位相を有する。計測信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂの相対的位置は例に過ぎず、限定するものではないことがわかるであろう。一般に、位相マスクは、計測信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂに関してあらゆる所望の構成となるように設定できる。位相マスク要素８６１に関係のある各種の動作および設計原理ならびにその他の空間位相配置は、本願で参照される参考文献に記載されている。

【0056】

ブロッキングマスク８２０ＢＲ１、８２０ＢＲ２と開放開口マスク８２０Ｒ１、８２０Ｒ２は光受信面８６０に配置されて、ファイバ８９０Ｒ１と８９０Ｒ２の端部をマスクし、これによって基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２が供給される。ブロッキングマスク８２０ＢＲ１、８２０ＢＲ２がない場合は、計測軸８２の方向に沿って配列される受信用ファイバ８９０Ｒ１、８９０Ｒ２の端部が、基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥの各種の位置に対して、同じ信号で応答することがわかるであろう。これに対して、マスク８２０ＢＲ１、８２０ＢＲ２、８２０Ｒ１、８２０Ｒ２の配置は、基準マーク信号受信チャネル開口を計測軸８２の方向に沿ってオフセットするようにして、所望の信号交差領域を表す基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を提供するものであり、これについて図１２を参照しながら以下に詳しく説明する。

【0057】

信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂに関して、前述のように、スケール格子８０から発生する干渉縞が一体型信号発生部８０００の動作中、継続的に存在し、前述のように、これらの直交信号を継続的に発生する。一般に、干渉縞は、鏡面部分基準マーク５０Ｃが照射スポット８５３の中に存在するときに弱まり、回折される±１次スケール光８５５Ａ、８５５Ｂの量を減少させる。さらに、位相マスク８２０Ａ、８２０Ｂ、８２０Ａ’、８２０Ｂ’は、それがその場所と重複すると、基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥの中に含められる０次反射光の一部を受け入れる。その結果、直交信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂの振幅とオフセットは一般に、基準マーク５０Ｃによって影響を受け、これは結果として得られるインクリメンタル変位計測の精度を低下させることがある。したがって、いくつかの実施形態において、信号処理（たとえば、適応振幅「ゲインコントロール」および／またはＤＣオフセット補償および／または位相補償など）を直交信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂに適用して、少なくとも部分的にそのような効果を打ち消してもよく、および／または基準マーク５０Ｃの長さＬＥＴＯＥおよび／または面積を制限して、そのような弱め合いの効果を限定してもよい。

【0058】

基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２に関して、前述のように、スケール格子８０から発生する干渉縞は、一体型信号発生部８０００の動作中、継続的に存在する。しかしながら、開放開口マスク８２０Ｒ１、８２０Ｒ２は、光受信用ファイバ８９０Ｒ１、８９０Ｒ２の端部にわたって空間フィルタリングを行わず、複数の干渉縞からの光は単純に、変位に関係なく、比較的一定の平均的な量の光を基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２に供給する。これに対して、基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥが開放開口マスク８２０Ｒ１、８２０Ｒ２の位置と重なると、その０次反射光により、重複の量に応じて基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２が有意に増大する。

【0059】

各種の実施形態において、リードヘッド光ファイバ構成を、光ファイバリードヘッド内にあるすべての光ファイバを、直径が最大で１．５ミリメートル、または１．０ミリメートルまたはそれ以下の円筒空間の中に配置するように構築することが有利かもしれない。１つの具体的な実施形態において、ファイバ８９０は、直径ＤＲＡが約２００ミクロン、外径ＤＲＦが約２５０ミクロンの光伝送コア領域を有し、中央ファイバ８７０は、同じ外径ＤＲＦと、約４〜１０ミクロンのシングルモードコア直径またはモードフィールド直径を有していてもよい。したがって、このような実施形態では、基準マークリードヘッド光ファイバ構成８００は、全体の直径が約７５０ミクロンとなるかもしれない。しかしながら、他の実施形態においては、より大きな、またはより小さなファイバおよび／またはその他のファイバ間隔も使用できることがわかるであろう。

【0060】

スケール格子８０は、約４ミクロンの格子ピッチＰ_gを有し、干渉縞８６６も同様のピッチであってもよい。基準マーク信号受信用ファイバの端部とブロッキング／開放開口マスク８２０ＢＲ１／８２０Ｒ１と８２０ＢＲ２／８２０Ｒ２により画定される基準マーク信号受信チャネル開口 は、計測軸８２の方向に沿って１００ミクロン程度の寸法を有していてもよい。基準マーク５０Ｃは、有利な点として、ある実施形態においては、約３８ミクロンの長さＬＥＴＯＥを有していてもよく、これにより、十分な基準マーク信号を十分な強度にすることとインクリメンタル計測信号への擾乱を最小化にすることとの間で最良の所望のバランスをとることができる。しかしながら、ＬＥＴＯＥに関して先に説明した寸法的な関係は例にすぎず、限定するものではない。個々の用途において、その他の設計に関する検討項目から、ＬＥＴＯＥをより小さく、またはより大きくすることが有利かもしれない。

【0061】

図１１は、本発明による基準信号発生部の第４の実施形態を含む、本発明による第２の一体型信号発生部の一部９０００’を示す等角図である。部分９０００’の設計と動作は、多くの点において、図１０の部分８０００’と同様であり、８ＸＸ、９ＸＸと続く類似の番号が付された要素（要素８２０Ｒ２と９２０Ｒ２等）は、以下に記載するものを除き、形態と動作において類似または同一であってもよい。一般に、部分９０００’の設計と動作は、部分８０００’と一体型信号発生部８０００に関する前述の説明に基づくものとしてもよい。したがって、部分８０００’と９０００’の動作の間の大きな違いのみ以下に説明する。

【0062】

図１１は、一体型リードヘッド光ファイバ構成９００と、基準マーク信号作用領域５０Ｄ−ＳＥと、位相マスク要素９６１を備える部分９０００’を示す。部分８０００’と９０００’の主な違いは、光ファイバ装置８００と９００が、ＸＹ平面において異なる回転方向を有することである。光ファイバ装置９００において、Ｘ軸方向に沿って離間される光ファイバ９９０Ｒ１、９９０Ｒ２が、基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を供給する。さらに、基準マーク信号作用領域５０Ｄ−ＳＥは、各寸法２ＬＳＥＧを有し、内側縁辺間寸法２^*ＬＥＴＯＥを有する２つの信号作用部分副領域５０Ｄ１−ＳＥと５０Ｄ２−ＳＥを含む。対応する鏡面部分基準マーク部分は、各寸法ＬＳＥＧを有し、内側縁辺間寸法ＬＥＴＯＥを有する２つの鏡面小区分または基準マーク部分である指定された５０Ｄ１、５０Ｄ２を含む指定された５０Ｄ（図示せず）であり、前述の原理に従って、２つの分離された信号作用副領域または基準マーク部分５０Ｄ１−ＳＥと５０Ｄ２−ＳＥを提供することがわかるであろう。図１１に示される特定の実施形態において、寸法２^*ＬＥＴＯＥは、２つの信号作用副領域５０Ｄ１−ＳＥと５０Ｄ２−ＳＥの内側境界間の距離に対応するが、別の実施形態においては、副領域５０Ｄ１−ＳＥと５０Ｄ２−ＳＥの関係は、これらの外側境界（内側境界ではない）の距離が同じ寸法２^*ＬＥＴＯＥに対応するようであってもよい。いずれの場合も、基準マークを、分離される２つの基準マーク小区分を含むように構成することにより、基準マークの全領域が、有利な点として、同じ全長を有する単独の部分の基準マークと比較して限定され、周期的インクリメンタル計測信号を打ち消す作用が有利に制限されるがわかるであろう。いくつかの実施形態において、基準マーク信号を適当な強度とすることと、インクリメンタル計測信号への擾乱を最小限にすることとの間で望ましいバランスをとるためには、２つの基準マーク部分の各々の計測軸方向に沿った寸法を、０．２５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）以上、０．７５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）以下とすればよい。他の各種の実施形態においては、２つの基準マーク部分の各々の計測軸方向に沿った寸法を、０．４^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）以上、０．６^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）以下としてもよい。

【0063】

これらの実施形態のいずれにおいても、式１〜５に関して先に説明した寸法に関する検討項目と信号に関する検討項目したがって縁辺間の長さＬＥＴＯＥを選択すると、一般に、特に式２と３または４と５の関係が満たされたときに、ロバストな基準信号発生部が提供される。部分９０００’に対応する一体型信号発生部によって供給される基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２は、信号交差領域において所望の信号関係を示すが、これについては図１２に関して以下に詳しく説明する。

【0064】

図９、図１０、図１１に示したように、部分９０００’に対応する基準信号発生部８０００または部分９０００’に対応する基準信号発生部のいずれも、図３、図４に示されるリードヘッドおよびスケール構成３０００、３０００’のリードヘッド３００に使用することに適している。

【0065】

図１２は、２つの概略信号図８１０、９１０を示し、これらはそれぞれ図９、図１０に示される一体型信号発生部８０００に対応し、また、図１１に示される一体型信号発生部９０００’に対応する。信号図８１０、９１０は、垂直または水平目盛りが同じではなく、実際には、すべての信号が一般にコモンモードＤＣオフセットを含み、これは図１２に示されていない。

【0066】

図９、図１０の基準信号発生部８０００に対応する信号図８１０は、２つの基準信号、信号ＲＥＦ１と信号ＲＥＦ２を、基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥ（または基準マーク５０Ｃ）と、基準マークリードヘッド光ファイバ構成８００の間の計測軸８２に沿った相対位置に関して示している。特に、点８１１は、基準マーク５０Ｃの中心線ＲＭＣ−ＳＥが、図１０において位置ＡＲ１Ｌの左に、基準マーク５０Ｃの長さＬＥＴＯＥだけ変位された位置と一致する地点に対応する。したがって、基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥは、ＲＥＦ１基準マーク信号受信チャネル開口と重複せず、点８１１では有意な信号が発生されない。基準マーク５０Ｃが、右に変位されるにつれ、基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥがＲＥＦ１基準マーク信号受信チャネル開口と重なる量が増大し、中心線ＲＭＣ−ＳＥが図１０に示される位置ＡＲ１Ｒから左にＬＥＴＯＥの距離にある位置、点８１２で最大値に達する。信号交差領域において、基準マーク５０Ｃは、点８１２から右に変位を続けると、基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥと、ＲＥＦ１基準マーク信号受信チャネル開口が重複する量が減少するため、信号ＲＥＦ１は、減少を始める。基準マーク信号作用領域５０Ｃ−ＳＥと、ＲＥＦ２基準マーク信号受信チャネル開口の重複する量が増大すると、信号ＲＥＦ２は、点８１２’から同時に増加を始める。点８１３において、基準マーク５０Ｃの中心線ＲＭＣ−ＳＥは、ＲＥＦ１基準マーク信号受信チャネル開口とＲＥＦ２基準マーク信号受信チャネル開口（図１０に示される位置にある）に沿って対称的に設置され、したがって、信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２は、見かけ上等しい。基準マーク信号受信チャネル開口は、同様の寸法を有し、基準マーク５０Ｃの長さＬＥＴＯＥは基準マーク作用領域５０Ｃ−ＳＥの寸法２^*ＬＥＴＯＥが図１０に示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しくなるように選択されるので、信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２は、信号交差領域におけるそれらの最大値と最小値のほぼ中間値で交差するため、さまざまな原因によって各信号が変動する余地が残される。他の地点８１４、８１４’、８１５での信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２の挙動は、前述の説明から類推してもよい。

【0067】

信号図９１０は、図１１に示される部分９０００’を含み、これに対応する基準信号発生部に対応する。信号図８１０は、２つの基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を基準マーク信号作用副領域５０Ｄ２−ＳＥの中心線ＲＭＣ−ＳＥ−５０Ｄ２と光ファイバ構成９００との間の計測軸８２に沿った相対位置に関して示す。中心線ＲＭＣ−ＳＥ−５０Ｄ２は、小区分の指定された５０Ｄ１も含む。２部分基準マーク５０Ｄの小区分５０Ｄ２として、本明細書で指定された対応する基準マーク小区分の中心線と一致することが分かる。点９１１は、中心線ＲＭＣ−ＳＥ−５０Ｄ２が、図１１に示される位置ＡＲ２Ｌの左に長さＬＳＥＧだけ変位された位置と一致する位置に対応する。したがって、基準マーク信号作用領域５０Ｄ２−ＳＥは、ＲＥＦ２に基準マーク信号受信チャネル開口と重ならず、点８１１において、有意な信号が発生されない。基準マーク５０Ｄが右に変位されると、基準マーク信号作用領域５０Ｄ２−ＳＥは、中心線ＲＭＣ−ＳＥ−５０Ｄ２が、図１１に示される位置ＡＲ２Ｒから左へＬＳＥＧの距離にある点９１２で最大に達するまで、ＲＥＦ２基準マーク信号受信チャネル開口と次第に重なる。信号交差領域において、基準マーク５０Ｄは、点９１２から右に変位し続けると、基準マーク信号作用領域５０Ｄ２−ＳＥとＲＥＦ２基準マーク信号受信チャネル開口の重複部分が減少するため、信号ＲＥＦ２は減少し始め、基準マーク信号作用領域５０Ｄ１−ＳＥとＲＦＥ１基準マーク信号受信チャネル開口の重複が増加すると、信号ＲＥＦ１は、点９１２’で同時に増加を始める。点９１３において、基準マーク５０Ｄは、ＲＥＦ１とＲＥＦ２の基準マーク信号受信チャネル開口の間（図１１に示される位置）に対称的に設置され、その結果、信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２は、見かけ上等しい。基準マーク信号受信チャネル開口は、同様の寸法を有し、かつ基準マーク５０Ｄの長さＬＥＴＯＥは、基準マーク信号作用領域５０Ｄ−ＳＥの寸法２^*ＬＥＴＯＥが図１１に示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しいように選択されるため、信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２は、信号交差領域におけるそれらの最大値と最小値のほぼ中間の値で交差し、その結果、各種の原因で発生するかもしれない個々の信号のばらつきの分として、十分な余裕が設けられる。これらの以外の点、９１４、９１４’および９１５における信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２の挙動は、前の説明から類推してもよい。

【0068】

点９１６〜９１８は、基準マーク５０Ｄが右に変位し続けると、ＲＥＦ２受信面に重なる副領域５Ｄ１−ＳＥによって与えられる２次ＲＥＦ２信号を示す。ただし、これらの点に対応するＲＥＦ１基準マーク信号受信チャネル以降によって与えられる相補「交差信号」がないことが分かる。図に示された信号領域の左に変位する場合に生じる類似のＲＥＦ１信号は示されていない。基準位置は、信号交差領域において、ＲＥＦ１信号とＲＥＦ２信号が等しい場合に確定されるので、点９１６〜９１８に対応する２次ＲＥＦ２信号は、基準位置が近づいていることの指標として、あるいは基準位置が検出されるべきであって、かつ、変位方向によって、遠ざかっていることの確認として使用可能な場合を除き、類似の２次ＲＥＦ１信号のように重要でない。

【0069】

より高分解能の基準マーク信号発生部
これまでに説明した基準マーク信号発生部は一般に、第１のレベルの分解能と再現性を有する１つの基準マーク信号を提供する。各種の実施形態において、第１のレベルの分解能と再現可能性は、０．２ミクロン程度である。以下の説明においては、このようにして発生された基準マーク信号を「基準マーク１次信号」と呼ぶことがある。

【0070】

利用分野によっては、上述の基準マーク１次信号と比較して、より高レベルの基準マーク位置分解能と再現性を提供する基準マーク信号を提供することが好ましいかもしれない。以下の説明において、「基準マーク２次信号」という用語を使って、改善されたレベルの分解能と再現性を提供する上記のような基準マーク信号を指すことがある。前述のような基準信号発生部は、このような基準マーク２次信号を提供する。簡潔に言えば、図１３〜１８に関して以下に説明する実施形態は一般に、式１（および／または式２、３、４または５）にしたがって設計され、図１〜１２に関して先に説明した原理を使って、基準マーク１次信号を、後述のような特徴をさらに加えて発生させるものであり、これによって基準マーク２次信号が発生される。基準マーク２次信号は、基準マーク１次信号より高い分解能と再現性で、基準マーク位置を示す（たとえば、分解能および／または再現性は約１０倍改善され、２０ナノメートル程度を実現する）。しかしながら、基準マーク２次信号は周期性を有する。そのため、１次基準マーク位置または基準マーク１次信号から得られる１次信号交差点を使って、その周期性に伴う２次基準マーク位置の不確定性の可能性を排除することになり、これについて以下に詳しく説明する。

【0071】

基準マーク１次信号だけを発生した前述の実施形態において、基準マークは、格子を含むスケールトラック（たとえば、図１の基準スケールスラック８８参照）の上に配置された鏡面状の基準マーク部分か、あるいは、鏡面状基準スケールトラック（たとえば、図２の基準スケールトラック８８’参照）の上に配置された格子型基準マーク部分を含んでいてもよい。しかしながら、基準マーク２次信号を発生するような以下の実施形では、基準マークは、鏡面状のトラック部により囲まれた格子型基準マーク部を含むことができず、その理由は以下のとおりである。

【0072】

以下の説明において、複数の図面においては、先に説明した図面の中の対応する、または同様の要素に特定の要素を関連付ける参照番号の付与方式を採用しており、これらについては、さらに説明は加えられず、類推されるべきである。この番号付与方式にしたがい、同様の末尾部分および／または形式を有する参照番号は、同様であってもよく、同様の設計および動作原理を有していてもよい（たとえば、１６８０は８８０と同様であり、５０Ｇ−ＳＥは５０Ｃ−ＳＥと同様であり、等々）。これは、図１〜１２においてしばしば使用された番号付与方式と同様である。しかしながら、そのほかに、以下に説明する図面に関しては、基準マーク「１次」信号を発生することに関する要素については、末尾部分に「Ｐ」が挿入されているかもしれない。したがって、たとえば、１６２０ＢＰＲ２という番号がつけられた要素は、同様の数字の末尾部分「２０ＢＲ２」を、「１次（ｐｒｉｍａｒｙ）」の「Ｐ」を挿入することによって変更しているため、８２０ＢＲ２という番号が振られた要素と同じかもしれない。同様に、１３９０ＰＲ１の番号の要素は、７９０Ｒ１等の番号の要素と同じかもしれない。さらに、以下に説明する図において、基準マーク「２次」信号を発生することに関する要素については、「Ｓ」が、同様の要素に使用する末尾部分に挿入されるかもしれない。たとえば、基準マーク「２次」信号を供給するために使用されるという事実を除き、１５９０ＳＲ１と番号が振られた光受信用ファイバは、同様の番号の末尾部分「９０Ｒ１」を、「２次（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）」を表す「Ｓ」を挿入することによって変更していることから、８９０Ｒ１の光受信用ファイバと同様かもしれない。

【0073】

図１３は、本発明による基準信号発生部１３０００の第５の実施形態の一部の動作の各種の態様を概略的に示す等角図である。基準信号発生部１３０００は、図７に関して先に説明した原理に従って、基準マーク１次信号を発生し、図１３、図７において類似の番号が付与された要素は、以下に記載する点を除き、形態と動作において同様または同一であってもよい。図１３は、基準信号発生部１３０００の各種の要素を示し、これには、基準マークリードヘッド光ファイバ構成１３００と、基準マーク１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥと、マスク要素１３６１が含まれる。図１３に示されるように、基準マークリードヘッド光ファイバ構成１３００は、基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ１’、ＰＲＥＦ２、ＰＲＥＦ２’を送受信する光受信用ファイバ１３９０ＰＲ１、１３９０ＰＲ１’、１３９０ＰＲ２、１３９０ＰＲ２’と、基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２を送受信するファイバ１３９０ＳＲ１、１３９０ＳＲ２を含んでおり、これについて以下に詳しく説明する。

【0074】

基準マーク１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥは、図７に示される基準マーク信号作用領域５０Ｂ−ＳＥと同様または同一であってもよい。さらに、光受信用ファイバ１３９０ＰＲ１、１３９０ＰＲ１’、１３０９ＰＲ２、１３９０ＰＲ２’は、図７に示される光受信用ファイバ７９０ＰＲ１、７９０ＰＲ１’、７９０ＰＲ２、７９０ＰＲ２’と同様または同一であってもよい。したがって、これらの要素の動作と結果として得られる信号は、先に説明した原理によるものであってもよい。

【0075】

基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２を供給する光受信用ファイバ１３９０ＳＲ１、１３９０ＳＲ２を含む基準マーク２次信号受信チャネルについて、概説する。先に説明したように（たとえば図９に関する）、鏡面状基準マーク部分が格子トラック部分により囲まれていると、格子トラック部分は、反射回折された±１次スケール光を供給するかもしれず、これが重複する領域を照射することにより、マスク要素１３６１の光受信面付近の干渉領域の中に干渉縞が形成される。前の図面と同様に、図１３は、このような干渉領域１３５６−ＳＳＥを示しており、これはまた、基準マーク２次信号作用領域１３５６−ＳＳＥとも呼ばれる。干渉縞は、基準マーク１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥの付近において、０次反射光により局所的に打ち消され、あるいは占領され、先に説明した原理により、基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ１’、ＰＲＥＦ２、ＰＲＥＦ２’を発生する。

【0076】

空間フィルタマスク１３２０ＳＲ１、１３２０ＳＲ２は、マスク要素１３６１の光受信面において、光受信用ファイバ１３９０ＳＲ１、１３９０ＳＲ２の端部により提供される受信チャネル開口をマスクし、基準マーク２次信号作用領域１３５６−ＳＳＥの中の干渉縞を空間的にフィルタリングし、それぞれ空間的周期性を有する信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２を供給する。各種の実施形態において、空間フィルタマスク１３２０ＳＲ１、１３２０ＳＲ２は、干渉縞と同じピッチで配置された光ブロッキング要素を有し、相互に関して見かけ上の空間位相差１８０度で配置され、信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２を供給するのであるが、これについては図１４に関して以下に詳しく説明する。図１３とそれ以降の図に示される光ブロック要素のピッチは、必ずしも正確な縮尺ではなく、説明を目的として誇張されている可能性がある。

【0077】

信頼性の高い基準マーク１次信号（たとえば、ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ１’、ＰＲＥＦ２、ＰＲＥＦ２’）を提供するために、図６〜図１１に関してすでに概略を説明したものと同様の設計上の検討項目を適用してもよい（たとえば、ＡＰＲ１２ＳＥＰおよびＡＰＲ１２ＳＰＡＮをＡＲ１２ＳＥＰおよびＡＲ１２ＳＰＡＮと同様に扱うことなど）。信頼性の高い基準マーク２次信号（たとえば、ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２）を供給するためには、基準マーク１次信号作用領域（たとえば、領域５０Ｅ−ＳＥ）と基準マーク２次信号受信チャネル開口（たとえば、光受信用ファイバ１３９０ＳＲ１、１３９０ＳＲ２の端部により提供されるもの）の寸法および／または位置の間に、また別の設計上の関係を持たせることが望ましい。これらの関係を説明しやすくするために、図６〜図１１に関してすでに説明したものと同様の寸法のほかに、図１３では、破線ＡＳＲ１Ｌ、ＡＳＲ１ＲおよびＡＳＲ２Ｌ、ＡＳＲ２Ｒにより、光受信用ファイバ１３９０ＳＲ１、１３９０ＳＲ２によって供給される基準マーク２次信号受信チャネル開口のＸ軸方向に沿った左右の境界を示している。

【0078】

ＡＳＲ１ＲとＡＳＲ２Ｌの間に分離距離ＡＳＲ１２ＳＥＰが示されている。本発明による各種の実施形態において、基準信号発生部（たとえば、基準信号発生部１３０００）を、
ＡＳＲ１２ＳＥＰ≧２^*ＬＥＴＯＥ （式６）
のように配置することが有利である。

【0079】

この関係が示す構成とは、基準マーク１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥが、光受信用ファイバ１３９０ＳＲ１、１３９０ＳＲ２によって提供される受信チャネル開口の間に配置されて、これらが、１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥの０次反射光により大きな影響を受けずに干渉縞光から所望の信号を導き出せる、というものである。同時に、基準マーク１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥは、受信用ファイバ１３９０ＰＲ１、１３９０ＰＲ１’、１３９０ＰＲ２、１３９０ＰＲ２’によって提供される受信チャネル開口に中心が合わされていてもよく、それによって所望の基準マーク１次信号（たとえば、ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ１’、ＰＲＥＦ２、ＰＲＥＦ２’）は所望の１次信号交差領域の中で発生されることになり（図１３においては、大まかに描かれている）、これについては図１４に関して以下に詳しく説明する。上記のような所望の信号をさらに確実に発生させるために、寸法ＰＳＣＬＲの間隙を図１３に示すように設けてもよい。ＰＳＣＬＲは、基準マーク１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥが見かけ上、計測軸８２に沿った境界線の間の中央あるときの、基準マーク１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥの縁辺から、基準マーク信号２次受信チャネル開口の境界までの間隔である。したがって、各種の実施形態において、
ＡＳＲ１２ＳＥＰ＝（２^*ＬＥＴＯＥ）＋（２^*ＰＳＣＬＲ） （式７）

【0080】

各種の実施形態において、ＰＳＣＬＲはゼロより大きく、より望ましくは、少なくとも１０ミクロンであり、いくつかの実施形態では、少なくとも２５、他の実施形態では少なくとも５０ミクロンであることが好ましい。

【0081】

図１４は、本発明により発生される基準マーク１次信号を概略的に示す信号図７０’と、基準マーク２次信号を概略的に示す信号図６０’を含む図である。各種の実施形態において、信号の振幅、空間周期等は、図１４に示されるものとは異なっていてもよく、図１４のものは例にすぎず、限定するものではない。説明を目的として、信号は、図１３の基準信号発生部１３０００に対応させて説明する。特に 、図１４は、複合基準マーク１次信号（ＰＲＥＦ１＋ＰＲＥＦ１’）と（ＰＲＥＦ２＋ＰＲＥＦ２’）を示す信号図７０’を示している。信号図７０’は、図８の信号図７０と同様であり、寸法を指す名称が図１３の説明にも対応して適用される。したがって、信号図７０’は、先に説明した原則に基づいて利用できるが、相違点としては、信号交差点７４’よって示される１次基準位置が、単に基準位置の１次の、または第１の指標としてのみ扱われることである。信号交差点７４’から信号図６０’まで延びる破線によって示されるように、信号交差点７４’および／または１次基準点は、信号図６０’に示される基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１とＳＲＥＦ２に対する具体的な固定された空間的関係を有する。

【0082】

信号図６０’に示されるように、また前述のように、本発明による基準マークリードヘッド光ファイバ構成が計測軸８２に沿って、スケール上の基準マークに関して移動されるとき、基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２は空間的周期性を有し、その周期は干渉縞のピッチに対応しており、空間フィルタマスク１３２０ＳＲ１、１３２０ＳＲ２の配置により、相互に１８０度位相がずれる。信号図６０’はまた、基準マーク１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥが基準マーク２次信号に対応する受信チャネル開口と交差するとき、これは一般に、ＤＣ信号成分（たとえば、ＤＣ信号成分ＳＲＥＦ１ＤＣまたはＳＲＥＦ２ＤＣ）に寄与し、その受信チャネル開口に対応する空間的に周期性を有する信号成分に加わることを示している。しかしながら、図１４に示され、また先に述べたように、式６および／または７の関係が満たされ、基準マーク１次信号が１次信号交差領域の中にあるとき、基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２は有意なＤＣ信号成分を含んでいる必要はなく、これは、高分解能の２次基準位置を高い信頼性で決定する上で有利である。

【0083】

図１４に概略的に示すように、一般に、基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２の特定の２次信号交差領域は、１次信号交差領域より有意に狭い。図１４の信号関係は、説明を明瞭にするために概略的に示されていることがわかるであろう。実際には、各種の実施形態において、２次信号交差領域は、２次信号交差領域より１０倍単位で狭いかもしれない。したがって、実践において、２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２の特定の信号交差点６４’の位置と、これに対応する２次基準位置は、１次信号交差点７４’および／または１次基準位置より高い（たとえば、約１０倍改善）空間分解能および／または精度で判断されうる。

【0084】

特定の信号交差点６４’は一般に、その付近で発生する他の周期的信号交差点と区別がつけられないかもしれないことがわかるであろう。しかしながら、１次信号交差点７４’は、信号図６０’に示される基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２に対して特定の固定した空間関係を有し、２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２の期間のプラスマイナス半分の範囲で改善された分解能と精度を実現している。したがって、１次信号交差点７４’は、特定の２次信号交差点６４’を確実に示すかまたは識別するために使用され得る。したがって、高分解能の２次基準位置は、本発明によれば、特定の２次信号交差点６４’に基づいて、高い再現性と信頼性で判断される。高分解能の２次基準位置を判断するための信号処理方法の一例を、図１９を参照しながら以下に概説する。

【0085】

図１５は、本発明による基準信号発生部１５０００の第６の実施形態の一部分の動作における各種の態様を概略的に示す等角図である。基準信号発生部１５０００は、図１３に関して先に記した原理に従って基準マーク信号を発生し、前述の説明から類推してもよい。したがって、重要な相違点だけを以下に述べる。図１５、図１３において類似の番号が付けられた要素は、以下に記載する点を除き、形態と動作において、同様または同一であってもよい。図１３に示される基準信号発生部１３０００と比較した場合の基準信号発生部１５０００の主な違いは、基準マーク１次信号作用領域５０Ｆ−ＳＥの寸法２^*ＬＥＴＯＥが、図１３に示される１次信号作用領域５０Ｅ−ＳＥより有意に狭い点と、基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ１’、ＰＲＥＦ２、ＰＲＥＦ２’に関連付けられる受信チャネル開口がマスク要素１５６１によって規定される点である。特に、マスク要素１５６１は、ブロッキングマスク部分１５２０ＢＰＲ１、１５２０ＢＰＲ１’、１５２０ＢＰＲ２、１５２０ＢＰＲ２’と、光受信用ファイバ１５９０ＰＲ１、１５９０ＰＲ１’、１５９０ＰＲ２、１５９０ＰＲ２’の上にそれぞれ位置付けられる開口マスク部分１５２０ＰＲ１、１５２０ＰＲ１’、１５２０ＢＰＲ２、１５２０ＢＰＲ２’を含む。この形態によれば、円形の（または各種の実施形態においては、他の形状でもよい）の受信チャネル開口が得られ、その寸法と位置は、前述の原理により、基準マーク１次信号作用領域５０Ｆ−ＳＥの基準マークの所望の寸法２^*ＬＥＴＯＥを補完するように設計される。基準信号発生部１３０００と比較して、基準信号発生部１５０００は、間隙の寸法ＰＳＣＬＲがより大きくてもよく、これは前述の理由によって有利である。いくつかの実施形態において、開口マスク部１５２０ＰＲ１、１５２０ＰＲ１’、１５２０ＰＲ２、１５２０ＰＲ２’は、計測軸８２に沿って相対的に小さい寸法となるように構成し、より狭い１次信号交差領域の中で、より急峻な基準マーク１次信号変化が起こるようにしてもよい。いくつかの実施形態において、これによって、１次信号交差点７４’の分解能および／または精度を高めることができ、特定の２次信号交差領域および／または信号交差点を高い信頼性で特定することに役立ててもよい。これは特に、基準マーク２次信号の空間的周期が短い（たとえば、４ミクロン程度）であるときに有益である。上記以外の点については、基準信号発生部１５０００の設計と動作は、図１３に関して、あるいは本明細書の別の箇所に説明した類似の設計と動作に基づくものであってもよい。

【0086】

図１６は、本発明による基準信号発生部１６０００の第７の実施形態の一部分の動作の各種の態様を概略的に示す等角図である。図１３、図１５に示される実施形態と比較して、図１６に示される光ファイバ構成１６００は、ＸＹ平面において異なる回転方向を有する。その結果、基準マーク１次信号作用領域５０Ｇ−ＳＥは、２本ではなく４本のファイバの端部の間に配置され、４つの２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ１’、ＳＲＥＦ２、ＳＲＥＦ２’（それぞれファイバ１６９０ＳＲ１、１６９０ＳＲ１’、１６９０ＳＲ２、１６９０ＳＲ２’に対応する）を送受信する基準マーク２次信号受信チャネル開口を提供する。あるいは、２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ１’、ＳＲＥＦ２、ＳＲＥＦ２’に対応する受信チャネルの各々の設計原理と動作は、図１３に関して前述したものと同様である。図１６、図１３において類似の番号が付与された要素は、同様の設計原理と動作を有していてもよく、以下に別の説明がないかぎり、類推により把握されてもよい。図１６に示される実施形態において、空間フィルタマスク１６２０ＳＲ１、１６２０ＳＲ１’は、基準マーク２次信号作用領域１３５６−ＳＳＥにおける干渉縞に関して同じ空間位相を有するように配置される。したがって、２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ１’は同じ空間位相を有し、信号処理中に複合（たとえば、加算）されてもよい。空間フィルタマスク１６２０ＳＲ１、１６２０ＳＲ１’は、また、同じ空間位相を有するように配置され、これは空間フィルタマスク１６２０ＳＲ１、１６２０ＳＲ１’と約１８０度位相ずれしている。したがって、２次信号ＳＲＥＦ２、ＳＲＥＦ２’も同じ空間位相を有し、信号処理中に同様に複合されてもよい。複合２次信号は、信号図６０’に示される個々の２次信号と同様であり、同様に処理されてよい。

【0087】

基準信号発生部１６０００は、同様の信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を発生するために図１０に関して先に説明したものと類似または同一の光ファイバおよびマスク構成を使って、基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ２を発生する。図１６、図１０で類似の番号が振られた要素は、設計原理と動作の点で同様または同一であってもよい。したがって、基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ２を発生するために使用される要素の設計と動作は、前述の原理にしたがってもよい。個々の１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ２は、図１４の信号図７０’の複合１次信号に類似しており、同様に処理されてよい。

【0088】

図１７Ａ、図１７Ｂは、それぞれ図１６に示されるマスク要素１６６１の開口マスク構成の代わりに使用可能な別の開口マスク構成、１７０００Ａ、１７０００Ｂを示す。特に、図１７Ａ、図１７Ｂは、マスクのうち、基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦＦ２を発生することに関連する部分に関する別の開口マスク構成を示しており、これらを１次開口構成と呼ぶことがある。図１７Ａ、図１７Ｂ、図１６において類似の番号が付与された要素は、同様の設計原理と動作を有していてもよく、以下に特に説明しないかぎり、同様であると考えてもよい。図１７Ａ、図１７Ｂに明確に示されていないマスク要素部分は、図１６のマスク要素１６６１について描かれたものと類似または同一であってもよい。

【0089】

図１６に示されるブロッキングマスク１６２０ＢＲＰ１、開放開口マスク１６２０ＰＲ１、ブロッキングマスク１６２０ＢＰＲ２、開放開口マスク１６２０ＰＲ２の構成と比較した場合、図１７Ａの主な違いは、ブロッキングマスク１６２０ＢＰＲ１’、開放開口マスク１６２０ＰＲ１’、ブロッキングマスク１６２０ＢＰＲ２’、開放開口マスク１６２０ＰＲ２’が計測軸方向を横断する方向に延びる左右の開口縁辺を提供し、横断方向の開口縁辺は、Ｙ軸に関して角度をなすジグザグ部分を有し、横断方向の各開口縁辺が、隣接する開口の境界（たとえば、破線ＡＰＲ２Ｒによって示される境界）から、計測軸８２の方向に沿って、開口の反対側縁辺に向かって延びる１次開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴにわたる点である。代表的な寸法ＰＡＥＴは、開放開口マスク１６２０ＰＲ２’の右側縁辺についてのみ示されているが、図１７Ａの左および／または右の開口縁辺の各々に関して、同用の寸法ＰＡＥＴがあることがわかるであろう。寸法ＰＡＥＴは、各開口縁辺について同じである必要はないが、各種の実施形態において、同じであってもよい。それぞれの開口縁辺に角度をつけて、各々の寸法ＰＡＥＴを広げることにより、開放開口マスク１６２０ＰＲ１’および／または１６２０ＰＲ２’を通過する干渉縞は、空間的にフィルタリングされ、基準マーク１次信号に対して打ち消すような効果を有する周期的な光信号の振幅が、少なくとも部分的に抑制され、特に図１４に関して先に説明したように、１次信号交差領域において抑制される。各種の実施形態において、各寸法ＰＡＥＴがマスク要素の光受信面における干渉縞のピッチＦＰの少なくとも１つ分であると有利であろう。いくつかの実施形態において、各寸法ＰＡＥＴは、ＦＰの少なくとも３倍またはそれ以上であってもよい。いくつかの実施形態において、必須ではないが、各寸法ＰＡＥＴがマスク要素の光受信面における干渉縞のピッチＦＰの整数個分に名目上等しいことが有利かもしれない。図１７Ａ、図１７Ｂに示される干渉縞ピッチＦＰは、必ずしも正確な縮尺ではなく、説明のために誇張されている可能性がある。

【0090】

図１７Ａに示される構成の別の態様によれば、いくつかの実施形態において、必須ではないが、１次開口幅寸法ＰＡＷは、Ｙ軸方向に沿った開口縁辺の長さの少なくとも大部分に沿った、マスク要素の光受信面の干渉縞ピッチＦＰの整数個分に名目上等しいことが有利かもしれない。このような場合、開放開口マスク１６２０ＰＲ１’または１６２０ＰＲ２’を交差する干渉縞による打ち消し合いの光信号の寄与は、特に１次信号交差領域の付近において、より一定となる傾向があり、これは、干渉縞からのさまざまな信号による寄与より、基準マーク１次信号交差点に対する打ち消し合いの効果が小さい。１次開口幅寸法ＰＡＷは、Ｙ軸方向に沿って変化しても、あるいは一定でもよい。いずれの場合も、これは、Ｙ軸に沿った個々の位置において、計測軸８２の方向に沿った開口寸法として定義してもよい。このような設計上の特徴は、図１７Ａに示されるように、０でない１次開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴとの組み合わせで利用でき、あるいはＹ軸方向に沿って整列される直線状の開口縁辺との組み合わせにおいても有利であるかもしれない。

【0091】

図１７Ｂは、図１７Ａに関する先の説明から類推される構成を示している。特に、ブロッキングマスク１６２０ＢＰＲ１’’、開放開口マスク１６２０ＰＲ１’’、ブロッキングマスク１６２０ＢＰＲ２’’、開放開口マスク１６２０ＰＲ２’’が計測軸方向を横断する方向に延びる左右の開口縁辺を提供し、横断方向の開口縁辺は、Ｙ軸に関して角度をなし、横断方向の各開口縁辺が、隣接する開口の境界（たとえば、破線ＡＰＲ２Ｒによって示される境界）から、計測軸８２の方向に沿って、開口の反対側縁辺に向かって延びる１次開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴにわたる点である。図１７Ａの構成と比較すると、主な違いは、図１７Ｂに示される開口が、ジグザグな縁辺を有するのではなく、「回転長方形」の特徴を有する点である。それでも、図１７Ｂに示される開口は、図１７Ａに関してすでに説明した設計上の検討項目を満たす同様の寸法ＰＡＥＴ、ＰＡＷを有する。図１７Ａ、図１７Ｂに示される上記の例に基づき、開口縁辺が、１次開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴ全体にわたって曲線（直線や角度をなすものではない）のセグメントを有していても、あるいはその他の蛇行形状であってもよく、このような設計も図１７Ａに関して先に説明した設計原則を満たす。したがって、上記の例は説明のためにすぎず、限定するものではない。また、図１７Ａ、図１７Ｂに関する先の説明にしたがって設計された開口は、一般に本発明の各種の他の実施形態に使用してもよい（たとえば、図１０または図１１その他に示される基準信号開口の代わりとする）。

【0092】

図１８は、本発明による基準信号発生部１８０００の第８の実施形態の一部分を示す等角図である。基準信号発生部１８０００設計と動作は一般に、図１１に関連する基準マーク信号発生の説明に基づく２チャネル式基準マーク１次信号発生部と、図１６に関連した説明に基づく４チャンネル式基準マーク２次信号発生部とを組み合わせたものと考えられる。したがって、基準信号発生部１８０００の設計と動作は、前述の説明に基づいて広く解されてもよい。１８ＸＸと続く番号が付与された要素は、以下に記す点を除き、１６ＸＸと続く同様の番号が付与された要素と、設計原理、動作において同様または同一であっても、また、場合によっては、形態においても同様であってよい。したがって、基準信号発生部１８０００と１６０００の主な相違点だけを以下に説明する。

【0093】

基準信号発生部１８０００は、一体型光ファイバ構成１８００と、基準マーク信号作用領域５０Ｈ−ＳＥと、位相マスク要素１８６１を備える。基準マーク信号作用領域５０Ｈ−ＳＥは、２つの部分５０Ｈ１−ＳＥと５０Ｈ２−ＳＥを含む。一般に、基準マーク信号作用領域５０Ｈ−ＳＥは、図１１に示される２つの部分からなる基準マーク信号作用領域５０Ｄ−ＳＥと同様である。基準マーク信号作用領域５０Ｈ−ＳＥに関連する追加の設計に関する検討項目を以下に説明する。図１６に示される実施形態と比較すると、図１８に示される光ファイバ構成１８００は、ＸＹ平面において異なる回転方向を有し、基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ２はＸ軸方向に沿って相互に最も遠い２本のファイバ１８９０ＰＲ１と１８９０ＰＲ２により提供され、４つの基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ１’、ＳＲＥＦ２、ＳＲＥＦ２’はＸ軸方向に差って相互に最も近い４本のファイバ１８９０ＳＲ１、１８９０ＳＲ１’、１８９０ＳＲ２、１８９０Ｒ２’により提供される。それ以外は、２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ１’、ＳＲＥＦ２、ＳＲＥＦ２’に対応する受信チャネルの各々の設計原理と動作は、図１６に関して先に説明してものと同様である。特に、空間フィルタマスク１８２０ＳＲ１、１８２０ＳＲ１’は、基準マーク２次信号作用領域１８５６−ＳＳＥにおける干渉縞に関して同じ空間位相を有するように配置される。したがって、２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ１’は同じ空間位相を有し、信号処理中に複合（たとえば、加算）されてもよい。空間フィルタマスク１８２０ＳＲ１、１８２０ＳＲ１’はまた、同じ空間位相を有するように配置され、これは、空間フィルタマスク１８２０ＳＲ１、１８２０ＳＲ１’と略１８０度位相がずれている。したがって、２次信号ＳＲＥＦ２、ＳＲＥＦ２’も同じ空間位相を有し、同様に、信号処理中に複合されてもよい。複合された２次信号は、信号図６０’に示される個々の２次信号と同様であり、同様に処理されてよい。

【0094】

基準信号発生部１８０００は、ブロッキングマスク１８２０ＢＰＲ１、開放開口マスク１８２０ＰＲ１、ブロッキングマスク１８２０ＢＰＲ２、開放開口マスク１８２０ＰＲ２を含む開放開口マスク形状を使って、基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ２を発生し、これらは、図１７Ａに関して前述した設計原則に従って構成される。開口マスク形態は、信号作用副領域５０Ｈ１−ＳＥ、５０Ｈ２−ＳＥと共に機能し、これらはそれぞれの寸法２ＬＳＥＧと、内側縁辺間寸法２^*ＬＥＴＯＥを有する。信号作用副領域は、個々の寸法ＬＳＥＧを有し、内側縁辺間寸法ＬＥＴＯＥを提供する５０Ｈ１，５０Ｈ２という２つの鏡面小区分または基準マーク部分に対応する鏡面部分基準マーク（ここでは５０Ｈとする)（図示せず）によって提供される。図１８に示される特定の実施形態において、寸法２^*ＬＥＴＯＥは２つの信号作用副領域５０Ｈ１−ＳＥ、５０Ｈ２−ＳＥの内側境界間距離に対応するが、別の実施形態においては、副領域５０Ｈ１−ＳＥと５０Ｈ２−ＳＥの間の関係は、その外側境界（内側境界ではない）の間の距離が同じ寸法２^*ＬＥＴＯＥに対応するようにしてもよいことがわかるであろう。いずれの場合も、式１〜５に関して前述した寸法に関する検討項目と信号に関する検討項目にしたがって縁辺間長さＬＥＴＯＥを選択することにより、特に式２と３または４と５の関係が満たされたときに、ロバストな基準マーク１次信号発生部が提供される。一体型信号発生部１８０００により供給される基準マーク１次信号ＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ２は、図１４および図１２に関して前述したように、信号交差領域において望ましい基準マーク１次信号の関係を示す。

【0095】

基準信号発生部１６０００とは異なり、基準信号発生部１８０００においては、基準マーク２次信号受信チャネル開口は、基準マーク１次信号受信チャネル開口の間に、Ｘ軸方向に沿って配置される。このような場合、信頼性の高い基準マーク２次信号（たとえば、ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ１’、ＳＲＥＦ２、ＳＲＥＦ２’）を提供するために、基準マーク１次信号作用副領域５０Ｈ１−ＳＥと５０Ｈ２−ＳＥと、基準マーク２次信号受信チャネル開口（たとえば、ファイバ１８９０ＳＲ１、１８９０ＳＲ１’、１８９０ＳＲ２、１８９０ＳＲ２’の端部が空間フィルタマスク１８２０ＳＲ１、１８２０ＳＲ１’、１８２０ＳＲ２、１８２０ＳＲ２’とともに提供するもの等）の寸法および／または位置の間に別の設計上の関係を持たせることが望ましい。特に、式６、７はこの場合に適用されない。その代わりに、この場合、以下のような基準信号発生部（たとえば、基準信号発生部１８０００）を配置することが有利である。
ＡＳＲ１２ＳＰＡＮ≦２^*ＬＥＴＯＥ （式８）

【0096】

上記の関係に当てはまる構成は、基準マーク１次信号作用副領域５０Ｈ１−ＳＥと５０Ｈ２−ＳＥが基準マーク２次信号受信チャネル開口の外に位置付けられ、それらが、１次信号作用副領域５０Ｈ１−ＳＥと５０Ｈ２−ＳＥの０次反射光による大きな影響を受けずに、干渉縞光から望ましい信号を導き出す、というものである。同時に、基準マーク１次信号作用副領域５０Ｈ１−ＳＥと５０Ｈ２−ＳＥは、開口マスク１８２０ＰＲ１、１８２０ＰＲ２（たとえば、図１８に示される）によって提供される受信チャネル開口に関して中心に置かれてもよく、その結果、前述の原理にしたがい、所望の１次信号交差領域において、所望の基準マーク１次信号（たとえばＰＲＥＦ１、ＰＲＥＦ２’）が発生される。このような望ましい信号が確実に供給されるようにするために、間隙の寸法ＰＳＣＬＲを図１８に示されるように提供されてもよい。前述の説明からの類推により、ＰＳＣＬＲは、基準マーク１次信号作用領域（たとえば、領域５０Ｈ−ＳＥ）が名目上、計測軸８２に沿ってこれらの境界に関して中央に置かれたときの、基準マーク１次信号作用領域（または副領域）の縁辺から隣接する基準マーク２次信号受信チャネル開口の境界までの間隙である。このように、図１８に示されるものと同様の各種の実施形態において、
ＡＳＲ１２ＳＰＡＮ＝（２^*ＬＥＴＯＥ）−（２^*ＰＳＣＬＲ） （式９）
となる。

【0097】

図１８に示されるものと同様の各種の実施形態において、ＰＳＣＬＲは、ゼロより大きく、より好ましくは少なくとも１０ミクロン、いくつかの実施形態では少なくとも２５ミクロン、他の実施形態では少なくとも５０ミクロンであることが好ましい。

【0098】

図１９は、本発明による１次および２次基準信号に関連するかもしれない各種の信号関係と、これに関する信号処理の１つの方法の特定の態様を概略的に示す図である。特に、図１９の最上部と最下部は、それぞれ信号図６０’、７０’の信号部分１４３０、１４４０を再現したものであり、前述の説明に基づくものであってもよい。図１９はまた、導き出された信号図１９４０、１９３０と、概略的に示された論理信号１９４５、１９３５を示しており、これについて以下に詳しく説明する。

【0099】

信号図１９４０は、信号図１４４０の信号から導き出され、これは複合基準マーク１次信号（ＰＲＥＦ１＋ＰＲＥＦ１’）と（ＰＲＥＦ２＋ＰＲＥＦ２’）の間の差と等しい信号処理差分信号ＰＤＩＦＦを示している。信号図１９４０また、ＰＤＩＦＦの上側閾値ＰＵＴＲとＰＤＩＦＦの下側閾値ＰＬＴＲを示しており、これは、１次信号差分ＰＤＩＦＦに匹敵する上下の基準信号レベルを定める。信号処理方法の一例において、ＰＵＴＲとＰＬＴＲは、信号交差点７４’に対応し、１次基準位置とみなされるＰＤＩＦＦゼロの信号レベル１９２１に関して均等に離間される。信号処理方法の一例において、ＰＤＩＦＦの数値がＰＬＴＲとＰＵＴＲの間にある場合、１次基準位置指示信号１９４５は、ハイの状態１９４５’に切換えられ、これは、本発明によるリードヘッドが、ＰＬＴＲとＰＵＴＲの間の範囲にほぼ対応する第１の不確実範囲および／または第１の分解能レベルの中で、本発明による基準マークに近い１次基準位置に位置付けられることを示している。

【0100】

信号図１９３０は、信号図１４３０の信号から導き出され、基準マーク２次信号ＳＲＥＦ１、ＳＲＥＦ２の間の差と同等の、信号処理差分信号ＳＤＩＦＦを示している。信号図１９３０はまた、ＳＤＩＦＦの上側閾値ＳＵＴＲと、ＳＤＩＦＦの下側閾値ＳＬＴＲも示しており、これらは、２次信号差分ＳＤＩＦＦに匹敵する上下の基準信号レベルを確定する。信号処理方法一例において、ＳＵＴＲとＳＬＴＲは、信号交差点６４に対応し、２次基準位置とみなされるＳＤＩＦＦ０信号レベル１９２０に関して均等に間隔が空けられる。信号処理方法の一例において、ＳＤＩＦＦの数値がＳＬＴＲとＳＵＴＲの間にあるとき、２次基準位置指示信号１９３５は、ハイの状態１９３５’に切り換わる。本発明によるリードヘッドおよび基準マークスケールは、１次基準位置指示信号のハイの状態１９４５’を、１次基準位置指示信号のハイの状態１９３５’の１つのインスタンスである１９３６に明確に対応するのに十分な分解能と再現性で提供するように構成されてもよい。このようなハイの状態１９３５’のインスタンスが１つであることは、本発明によるリードヘッドが、本発明による基準マークに近い２次基準位置に、ＰＬＴＲとＰＵＴＲの間の範囲にほぼ対応する第２の不確実性範囲および／または第２の分解能レベルの範囲内で位置付けられていることを示していてもよい。第２の不確実性範囲および／または第２の分解能レベルは、前述の原理により、第１の不確実性範囲および／または第１の分解能レベルより有意に高いかもしれない。各種の実施形態において、ハイの状態１９３５’の１つのインスタンス１９３６の特定は、周知の方法によって、信号１９４５と１９３５の状態に基づく論理演算によって確定されてもよい。１つの実施形態においては、両方の信号が、図１９に示されるように同時にハイの状態になることによって、対応が単純に示されるかもしれない。しかしながら、他の実施形態では、対応は、より複雑な処理に基づいて得られるようになるかもしれない（たとえば、信号１９４５と１９３５の間の立ち上がりと立ち下りの関係に基づく処理等）。したがって、図１９に示される方法と信号は、例にすぎず、限定するものではない。

【0101】

１つの実施形態において、１次基準位置は、信号１９４５のみに基づき、０．２ミクロン程度の分解能と精度で確定されるかもしれない。２次基準位置は、前述のように 、信号１９４５と信号１９３５を合わせて使用することに基づいて、２０ナノメートル程度の分解能と精度で確定されるかもしれない。

【0102】

図２０Ａおよび２０Ｂはそれぞれ、別の基準マーク５０−Ｍ’、５０−Ｍ’’をそれぞれ含む２００００Ａ、２００００Ｂを示す。基準マーク構造５０−Ｍ’、５０−Ｍ’’は、各種の実施形態において、図５の基準マーク５０−Ｍの代わりに使用でき、類推により広く解されてもよい。しかしながら、基準マーク５０−Ｍと異なり、基準マーク５０−Ｍ’、５０−Ｍ’’の横方向の縁辺は、計測軸の方向を横断する方向に延び、Ｙ軸方向に対して角度がつけられた部分を有しているため、横断方向の縁辺は直線ではない。言い換えれば、基準マーク５０−Ｍ’、５０−Ｍ’’の各々の横断方向の縁辺は、横断方向の縁辺におけるそれぞれの異なる部分の計測軸の方向に沿ったそれぞれの位置が、計測軸の方向を横断する方向に沿った位置に応じて変化するように構成される。特に、計測軸方向を横切る方向に沿った位置に応じて変化する、計測軸方向に沿ったそれぞれの位置は、計測軸方向に沿った、対応する基準マーク縁辺推移ゾーンＲＭＥＴにわたる。各種の実施形態において、計測軸の方向に沿ったそれぞれの位置が、計測軸を横断する方向に沿って前後に反復的に変化すると有利であるかもしれない。動作中、このような縁辺の形状が、直線的な縁辺に伴う縁辺回折効果を抑制するために役立つかもしれない。このような縁辺回折効果により、基準マーク１次信号および／または基準マーク２次信号に、不要な不規則性が加わる可能性がある。上記のような縁辺形状を用いる場合は、寸法ＬＥＴＯＥを、第１の基準マーク縁辺推移ゾーンＲＭＥＴの中央から、動作的に対応する第２の基準マーク縁辺推移ゾーンＲＭＥＴの中央までの距離と定義すると好都合である（たとえば、図２０Ａ、図２０Ｂの寸法ＬＥＴＯＥ’、ＬＥＴＯＥ’’によって示されるものとほぼ等しい）。寸法ＬＥＴＯＥをこのように定義した状態で、基準マークを、式１〜９に関して先に説明したような望ましい条件を満たすように設計してもよい。各種の実施形態において、上記の第１と第２の基準マーク縁辺推移ゾーンの中の横断方向の縁辺が、計測軸の方向に垂直な方向に沿う対称軸に関して、第１の基準マーク部分の横断縁辺の鏡像となるように構成され、その結果として得られる基準マーク１次信号が信号交差領域の中で交差し、これもまた相対的にロバストな鏡像対象を有する傾向を有するようにすることが有利であるかもしれない。

【0103】

上記の実施形態と設計要素は、当業者にとって明白であるように、また別の、他の実施形態、改変版および変更版も示していることが明らかである。最初の例として、上記の議論では、平坦鏡面を含む鏡面方式の基準マーク部分を有する実施形態を説明したが、より一般的には、鏡面基準マーク部分の代わりに、「有意な０次反射」を発生させる基準マーク部を用いてもよい。このような「有意な０次反射」を発生させる部分は、有意な量の０次反射光を供給し、および／または有意な量の±１次回折光を妨害して、対応する基準マーク信号レベルを、隣接する「０次反射抑制」部分（たとえば、インクリメンタル計測スケール格子の一部または格子トラック部分）から得られる信号レベルと区別できるようにする表面配置を含んでいてもよい。たとえば、各種の実施形態において、「有意な０次反射」部分は、８０：２０のデューティサイクル（たとえば、図５の位相格子に近いが、Ｗ_E＝０．８^*Ｐ_g、Ｗ_G＝０．２^*Ｐ_g）または７０；３０デューティサイクルの位相格子を備えていてもよい。各種の他の実施形態において、０次反射部分は、５０：５０のデューティサイクルの位相格子を備えていてもよいが、格子バーの高さは、０次反射を抑制しない（たとえば、図５に示される位相格子に近いが、Ｈ_E＝０．５^*照明波長またはＨ_E＝０．１^*照明波長等）。別の実施形態において、０次反射部分の１つまたは複数の格子要素は、スケールの他の部分とは異なる反射率になるように製作してもよい。

【0104】

第２の例として、図６Ａ、図６Ｂ、図７に示されるような実施形態において、個別の基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ１’は冗長であり、個々の基準信号ＲＥＦ２、ＲＥＦ２’も冗長であることがわかるであろう。信号の強度および／またはアラインメント感度に関する特定の利点はこのような冗長性から得られるかもしれないが、一般に、本明細書で開示されるような、冗長信号を使用する実施形態（たとえば、冗長基準マーク１次または２次信号を使用するもの）においては、冗長信号を除去してもよく、これに関連する光ファイバ構成は、本明細書に記載したものより少ない光ファイバおよび／または基準マーク信号受信チャネルで構成してもよい。

【0105】

第３の例として、本発明の各種の実施形態では、直線的なスケールトラックを使用したが、同じまたは類似の実施形態において、それを曲線または円形のスケールトラック（たとえば、回転または角度式エンコーダ）に使用してもよい。したがって、各種の実施形態において、スケールトラックと計測軸方向という用語は、たとえば、円形または曲線トラックまたは計測軸を指すものと解釈してもよく、関連の説明を、そのような円形または曲線トラックまたは計測軸の接線部分として解釈してよい。

【0106】

さらに、開口および／または基準マークの角度をなす横方向の縁辺といった各種の特徴は、基準マーク１次信号と基準マーク２次信号の両方を提供する構成に関連して説明した。しかしながら、このような特徴はまた、基準マーク１次信号だけを供給する構成（たとえば、図６Ａ〜図１２に関して説明した各種の構成）で使用した場合も同じ利点が得られる。したがって、先に紹介した本発明の実施形態は、説明のためであり、限定するものではない。

【0107】

改良一体型基準マーク信号発生部
実施形態および／または用途によっては、高度なレベルの基準マーク位置分解能と再現性を提供するために、基準マーク１次信号と基準マーク２次信号を提供する前述の基準マーク信号発生部は、複雑さ、大きさおよび／またはコストの面から、望ましくないかもしれない。また、実施形態および／または用途によっては、１次または単独のセットの基準マーク信号だけが提供され、前述の基準マーク信号発生部より高いロバスト性および／または精度が提供されるほうが好ましいかもしれない。特に、一体型光ファイバリードヘッドと一体型スケールトラックによって基準位置指標と周期的インクリメンタル計測信号の両方が提供される実施形態では、一般的には同時に２つの基準を満たすことが好ましい。すなわち、第１の基準とは、満足できる基準マーク信号を供給するために、基準マークが基準マーク信号作用領域において、強力で局所的な基準マーク信号光成分を提供しなければならないことである。しかしながら、同時に、基準マークが空間的に周期的なインクリメンタル計測信号を打ち消さないようにしなければならない。本発明者は、上記の基準マークまたは他の先行技術による基準マークは、スケール格子８０の中に埋め込んだ場合、用途によっては、性能は容認できても、すべての用途で最大限のロバスト性と計測分解能を実現できるようには上記の二重の要求を満たすことができないことに気づいた。

【0108】

この問題は、光ファイバリードヘッドの光受信領域の制約が重要であり、利用できる設計の選択肢が限られるため（たとえば、電気光学的リードヘッドか光検出器により提供される設計のフレキシビリティに比較した場合）、特に解決が困難である。しかしながら、本発明者は、後述するような改善された「ゾーン格子」基準マーク構造によれば、後述する特定の開口構成と組み合わせることで、上記の二重の要求を、極めた細かいピッチ、高い分解能（たとえば、サブミクロン単位の分解能）の光ファイバリードヘッドとスケールについても、一体型光ファイバリードヘッドおよびスケールトラック装置で満足できることを発見した。

【0109】

図２１は、本発明による改良一体型小型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置２１０００の等角図であり、これは、改良一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部を含む。改良一体型小型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置２１０００の動作は、図３の小型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置３０００といくつかの点において同様であり、類似の番号が付与された構成要素（たとえば、３９５、１２９５等、「末尾部」が似た番号の付与された構成要素）は、以下に記載するものを除き、形態および動作の点で同様または同一であってもよい。図２１に示すように、後に詳しく説明する改良一体型小型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置２１０００は、スケールトラック８５を有するスケール部材８１を含み、スケール部材８１はスケール格子８０と、改良ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭを含む基準マークゾーン２１５１を有する。改良一体型小型光ファイバリードヘッドおよびスケール装置２１０００はまた、一体型インクリメンタルおよび基準マークリードヘッド２１００を含み、これを単純に一体型リードヘッド２１００とも呼ぶ。図２１に示すように、直交ＸＹＺ座標系は、Ｙ軸がスケール格子８０のバーに平行で、Ｚ軸はスケール格子８０の表面に対して垂直で、Ｘ軸はＹ−Ｚ平面に直角である。計測軸方向８２は、Ｘ軸に平行である。

【0110】

スケール格子８０は、スケールトラック８５の第１のタイプのトラック部分であり、計測軸方向８２に沿って計測範囲全体に及ぶように延びる。スケール格子８０は、格子ピッチＰＧを有する反射性周期性位相格子を含み、０次反射を抑制するように構成される。第２のタイプのトラック部分である改良ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、スケールトラック８５のスケール格子８０と一体化され、信号間のクロストークまたは干渉が最も小さい状態で、インクリメンタル計測信号と基準マーク信号の両方を同時に供給できる構成となっており、これについて以下に詳しく説明する。改良型領域格子基準マーク５０ＺＲＭは、少なくとも１つの領域格子基準マーク部（たとえば、各種の実施形態において１つまたは２つの部分）を含んでいてもよい。

【0111】

一体型リードヘッド２１００は、光ファイバケーブル２１９５に含まれる複数の光ファイバ２１３０の端部を格納し、位置付けるフェルール２１０１と、マスク要素２１６１を含む。各種の実施形態において、一体型リードヘッド２１００は、本明細書に記載される各種の一体型リードヘッドと同様に構成されていてもよい。各種の実施形態において、一体型リードヘッド２１００は、光干渉型リードヘッドであり、これは、本明細書で簡単に説明する原理に従って、インクリメンタル計測信号を発生するように構成され、これについては、上述の‘６９６号特許に詳しく記載されている。いくつかの実施形態において、一体型リードヘッド２１００は、図２３、図２４、図２７Ａ、図２７Ｂ、図２８等に示される一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部に関して後述する特徴を有するように構成されていると特に有利であるかもしれない。

【0112】

動作中、スケール部材８１は、計測軸８２に沿って変位し、リードヘッド２１００は、スケールトラック８５に沿って変位される。

【0113】

簡潔に言えば、動作中、スケール部材８１と一体型リードヘッド２１００は、相互に関して動作的に位置付けられ、所定の重複ギャップＺＧＡＰは、一体型リードヘッド２１００のスケール格子８０と光受信面２１６０の間に設けられる。スケール部材８１とリードヘッド２１００が計測軸方向８２に沿って相対的に移動すると、リードヘッド２１００はスケールトラック８５に沿って変位される。一体型リードヘッド２１００は、光ファイバ２１３０の中の中央のファイバから分散性の光源光２１５０を出力し、これは、スケールトラック８５の照射ポイント２１５３を照射する。各種の実施形態において、光源光２１５０は、有利な点として、単色であり、空間的にコヒーレントであり、いくつかの実施形態では時間的にコヒーレントであってもよい。光源光２１５０は一般に、反射回折されて、スケール光２１５５を供給する。

【0114】

スケール光２１５５は、２種類のスケール光成分からなると説明してもよく、すなわち、空間的周期性を有する強度パターンを有する第１のインクリメンタル信号光成分と、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭから発せられる非周期的な集束光による強度寄与を有する第２の基準マーク信号光成分である。たとえば、第１のインクリメンタル信号光成分に関して、スケール格子８０は周期的構造を有することから、±１次回折光２１５７を発生させ、これをリードヘッド２１００に反射し、これは図２１において分散する破線で概略的に示されている。マスク要素２１６１の光受信面２１６０に近い干渉縞の場から発せられる±１次回折光２１５７は、本明細書の中ですでに説明した‘６９６号特許に記載された原理に従って、複数の光ファイバインクリメンタル計測信号受信チャネルを提供するために、外側の光ファイバ２１３０のうちの特定の１つの端部に対して、異なる空間位相を有する位相マスク部分を使い、干渉縞を周期的に空間フィルタリングする。周期的空間フィルタリングの結果として、一体型リードヘッド２１００の光ファイバ受信チャネルは、スケール格子８０がリードヘッド２１００に関して変位すると、異なる空間位相（たとえば、直交信号）を有する周期的光信号を出力するかもしれない、インクリメンタル計測信号受信チャネルを提供する。ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭから発生される非周期的な集束光によって強度に寄与する第２の基準マーク信号光成分に関し、各種の実施形態において、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭが照射スポット２１５３の中に位置づけられると、ゾーン格子マーク部分は、信号を強め合うように複合する少なくとも２つの関連するマークゾーンから複合された光を生成し、光受信面２１６０またはその付近のゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥにおいて、絞られた、すなわち集束されたスケール光成分を提供する。（図２１では、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥは、説明を目的として、光受信面２１６０からの距離を誇張して、概略的に示している。）図２１の実施形態において、一体型リードヘッド２１００のマスク要素２１６１はまた、外側光ファイバ２１３０のうちの特定の１本の端部に対して、周期的な空間フィルタリングを行わないゾーンまたは開口マスクを含むため、インクリメンタル信号光成分の空間的周期の効果が拒絶または抑制され、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中の第２の基準マーク信号光成分によって信号が変化されると、これが対応するマーク信号受信チャネルによって検出される。特に、リードヘッド２１００がゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭの上で変位されると、比較的一定の量の「平均的な」第１のインクリメンタル信号光成分はほとんど変化せず、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中で集中した基準マーク信号光成分が信号を変化させ、これが基準マーク信号受信チャネルによって基準信号として送受信され、照射スポット２１５３とゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭの重複の量に応じて変調された複数の基準マーク信号として提供される。複数の基準マーク信号は、処理され、基準位置が正確に判断されることになるが、これについて以下に詳細に説明する。

【0115】

前述のように、一体型リードヘッド２１００は、一体型リードヘッド２１００による照射スポット２１５３が基準マークゾーン２１５１を通過すると、基準マーク光信号を出力するのと同時に、インクリメンタル変位計測（たとえば、インクリメンタル計測直交信号）のために使用される異なる空間位相を有する周期的光信号を継続的に出力することが重要である。さらに、細かいピッチのスケール格子８０を使用する場合は特に、インクリメンタル変位計測信号の忠実性を高めること（たとえば、サブミクロンの分解能を提供するために、正確に補間できるようにするため）が有利であり、基準マーク信号の信号対ノイズ比（たとえば、これらは、スケール格子８０の１つの特定の周期の中の基準位置を、高い信頼性とロバスト性で示すことができるようにする）をできるだけ高めることが有利である。この目的のために、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭが、設計に関する各種の検討項目を満たすことが有利であることが発見されており、これについて後述する。

【0116】

図２２は、本発明による各種の実施形態において使用可能な一般的一体型スケール格子およびゾーン格子基準マーク構造２２００を示す等角図である。図２１と類似の番号が付与された構成要素は、いくつかの実施形態において同様または同一であってもよい。一般的なゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭの一部を、図２２に示す。各種の実施形態において、領域格子基準マーク５０ＺＲＭは、図２２に示される中心線ＺＲＭＣに関して対称であることが有利であるかもしれない。

【0117】

図のように、スケール部材８１の上に配置されるスケールトラック８５は、一体型スケール格子およびゾーン格子基準マーク構造２２００を含み、これは、少なくともスケール格子８０の一部と、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭを含む。ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、総合的な例として概略的に示されている（たとえば、各種の領域の要素の数は、代表的な典型例にすぎず、図面は正確な縮尺によっていないことがある）。スケール格子８０とゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭはいずれも、反射位相格子要素と、隆起要素Ｅと陥凹要素Ｇを含み、これは周知の方法で形成される。簡潔に言えば、いくつかの実施形態において、反射位相格子要素Ｅ、Ｇには、反射性クローム被覆が形成され、隆起高さＨ_Eは、隆起要素Ｅと陥凹要素Ｇの間にあり、これによって、要素ＥおよびＧから反射された光の間には干渉による打ち消し合いが行われ、０次反射光が抑制される傾向がある。たとえば、使用する光源光の高さＨ_Eは（１／４＋Ｎ／２）波長（Ｎ＝０，１，２．．）であってもよい。

【0118】

スケール格子８０の隆起および陥凹要素をそれぞれＥＳ、ＧＳと呼ぶ。隆起スケール要素ＥＳは、対応する隆起した格子要素の見かけ上の位置ＥＬに中心が置かれるように配置され、隆起した格子要素の見かけ上の位置は、計測軸方向に沿って、スケール格子ピッチのＰＧだけ相互に離間される。同様に、対応する陥凹格子要素の見かけ上の位置ＧＬに中心を合わせたスケール要素ＧＳと、陥凹格子要素の見かけ上の位置ＧＬは、計測軸方向に沿って格子ピッチＰＧだけ相互に離間され、計測軸方向８２に沿って、格子ピッチＰＧの半分だけ、隆起した格子要素の見かけ上の位置ＥＬからずれている。各種の実施形態において、スケール要素ＥＬの中心が隆起した格子要素の見かけ上の位置ＥＬにあり、陥凹したスケール要素ＧＳの中心が、陥凹した格子要素の見かけ上の位置ＧＬにあると有利である。各種の実施形態において、隆起した要素ＥＳと陥凹した要素ＧＳの幅ＷＥＳとＷＥＧは、スケール格子８０からの０次反射とすべての偶数次回折を実質的に除去するために、ほぼ等しい（また、５０：５０デューティサイクルともいう）。しかしながら、いくつかの実施形態において、加工プロセスから生じる断面形状の差について、５０：５０のデューティサイクルにより若干の補正が行われ、かつスケール格子８０からの０次反射がより抑制されるが、これは、分析および／または実験によって判断することができる。

【0119】

ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭの隆起および陥凹した要素を、それぞれＥＺ、ＧＺと呼ぶ。さらに、それらがどのゾーンに含まれるかを示すために、ＥＺとＧＺに枝番を付与する（たとえば、ＥＺ１、ＧＺ１）。ゾーンについては、以下に詳しく説明する。図２２に示すように、隆起した格子要素の見かけ上の位置ＥＬと、陥凹格子要素の見かけ上の位置ＧＬは、スケール格子８０から計測軸方向８２に沿って、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭを通過して続くように定められる。各種のゾーンの中のスケール要素の幅にばらつきがあるため、後述のように、隆起したスケール要素ＥＺは常に、対応する隆起した格子要素の見かけ上の位置ＥＬまで広がり、中心付近にあるが、いくつかの実施形態において、見かけ上の位置ＥＬの完全な中心になくてもよい。同様に、各種のゾーンの中のスケール要素の幅のばらつきにより、陥凹したスケール要素ＧＺは常に、対応する陥凹した格子要素の見かけ上の位置ＧＬまで広がり、中心付近にあるが、いくつかの実施形態において、見かけ上の位置ＧＬの完全な中心になくてもよい。しかしながら、いくつかの実施形態において、隆起または陥凹したタイプの要素ＥＺまたはＧＺの少なくとも一方は常に、対応する隆起または陥凹した位置ＥＬまたはＧＬの各々に中心点がある。たとえば、図２２には、対応する見かけ上の位置ＥＬに中心を置く隆起要素ＥＺの各々が示されている。

【0120】

隆起要素ＥＺと陥凹要素ＧＺの幅ＷＥＺ、ＷＧＺは一般に、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭの中で一般に同等ではない。これらは、慎重な判断に基づいて不均等とされており、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、一般に２つの基準を満たさなければならない。当然、第１の基準は、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭが、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中で十分に焦点の絞られた基準マーク信号光成分を提供し、前述のように、十分な基準マーク信号を提供しなければならないことである。しかしながら、同時に、ゾーン領域格子基準マーク５０ＺＲＭは、一般的に周期的なインクリメンタル計測信号を有意な程度に打ち消すべきではない。本発明者は、先行技術のゾーンプレート基準マークをスケール格子８０の中に組み込むことはできず、これらの二重の要求を満たせないことを発見した。これに対して、図のゾーン格子基準マーク構造によれば、以下に詳しく説明する特定の開口構成と共に、これらの二重の要求を、超微細、高分解能（たとえば、サブミクロン単位の分解能）の光ファイバエンコーダについても満たすことができる。特に、領域の境界を正しく規定した状態で（図２２に示される領域外側境界ＺＯＮＥ１ＯＢ、ＺＯＮＥ２ＯＢ、ＺＯＮＥ３ＯＢ）、幅ＷＥＺとＷＧＺの不均等性を選択し（たとえば、分析や実験により判断される）、２つの要求を満たしてもよい。

【0121】

幅ＷＥＺとＷＧＺが一致する場合、一致する部分は、特定の量の０次反射光を抑制し、スケール格子８０と同様に、奇数次回折光に寄与することがわかるであろう。したがって、本発明によるゾーン基準マーク５０ＺＲＭは、部分的に、インクリメンタル計測信号を提供して干渉縞に寄与し、そのような信号の有意な程度の打ち消しあいを避けるかもしれない。反対に、幅ＷＥＺとＷＧＺが一致しないかぎり、一致しない部分は、「０次」反射光に寄与する。ゾーンプレートの動作に関し、このような光は、良く知られているHuygens-Fresnel原則の点で理解されるかもしれない。したがって、当業者は、本願の開示を参照すれば、幅ＷＥＺ、ＷＧＺの一致しない部分が、周知のゾーンプレートの原理にしたがって挙動する光に寄与することがわかるであろう。そのため、本発明によるゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、さまざまなゾーンからの光に貢献し、これらは、特定の位置において複合されて強め合い、打ち消し合い、実際には、前述のように、受信面２１６０で、またはその付近で、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥにおいて、集中または集束されたスケール光成分を供給する。ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥは、一般に、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭより狭いかもしれない。しかしながら、いずれかの場合に、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭとその対応する基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥは、計測軸の方向に沿った位置において反復的な関係を有し、基準マーク信号受信チャネル開口は、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭとこれに対応する基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥとの近さに応じて、検出可能に異なる量のスケール光を受け取る。

【0122】

前述のように、本発明による各種の実施形態において、幅ＷＥＺとＷＧＺを一致しないようにするのは、集束したスケール光成分を所望の強度とし、その一方で、インクリメンタル計測信号に必要な、干渉する±１次回折スケール光から生じる所望の空間的周期性を有する光を保持するためである。ゾーン格子基準マークの設計は、図２６を参照しながら、より詳しく説明する。簡潔に言えば、いくつかの実施形態において、幅ＷＥＺ、ＷＥＧは、ＰＧ／２からＰＧ±２５％、またはＰＧ／２からＰＧ±１５％、またはＰＧ／２からＰＧ±５％等の程度に対応してもよい。いくつかの実施形態において、幅ＷＥＺとＷＧＺは、ＰＧ／２から、最大でＰＧ±２５％、最小でＰＧ±５％だけ異なり、あるいは、別の実施形態において、ＰＧ／２から、最大でＰＧ±２０％、最小でＰＧ±１０％だけ異なる。たとえば、１つの実施形態において、図２２の象徴的に表されるように、ＺＯＮＥ１において、ＷＥＺ１＝０．６５^*ＰＧとＷＧＺ１＝０．３５^*ＰＧ（つまり、６５：３５のデューティサイクル）である。ＺＯＮＥ２においては、ＺＯＮＥ１からスケール光成分と１８０度位相がずれているスケール光成分を生成するために、ＷＥＺ１１＝０．３５^*ＰＧ、ＷＧＺ１＝０．６５^*ＰＧ（つまり、３５：６５のデューティサイクル）である。ＺＯＮＥ３では、ＺＯＮＥ１からのスケール光成分と同位相のスケール光成分を生成するために、再び、ＷＥＺ１＝０．６５^*ＰＧとＷＧＺ１＝０．３５^*ＰＧ（つまり、６５：３５のデューティサイクル）である。幅ＷＥＺとＷＧＺの上の数値は例にすぎず、限定するものでない。より一般的には、いくつかの実施形態において、幅ＷＥＺは、ゾーンを通じて一定である必要はなく、幅ＷＧＺもゾーン全体を通じて一定である必要はない。あるいは、別の言い方をすれば、デューティサイクルはゾーンを通じて一定である必要はない。このような実施形態において、幅ＷＥＺとＷＧＺがそのゾーン内の平均値によって特徴付けられると、これらの平均値には、ＷＥＺとＷＧＺの数値に関して上述したＰＧ／２との差やずれがあってもよい。

【0123】

さらに、外側領域境界ＺＯＮＥ１ＯＢ、ＺＯＮＥ２ＯＢ、ＺＯＮＥ３ＯＢは、各領域からの光路の長さ（たとえば、平均光路長さ）によって、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥにおいて強め合うような干渉が生じるように選択され、これについては、図２６に関して詳しく説明する。図２２に示す実施形態において、各ゾーンの境界にある格子要素は、寸法が０．５^*ＰＧ（たとえば、スケール格子８０の対応する要素と同じ）で、隣接する要素は、一般的な隣接領域のデューティサイクルの遷移が行われるような幅を有する。しかしながら、図２２に示される構成のこの点は例にすぎず、限定するものではないことがわかるであろう。いくつかの別の実施形態において、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、２つのゾーンまたはその他の領域を有してもよい。そのような実施形態の１つを図２６に示す。ゾーン境界の位置、各ゾーン内の要素の数等は、図２６に関して以下に詳細に説明する。

【0124】

図２３は、一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部２３０００（また、一体型信号発生部２３０００ともいう）の各種の態様を概略的に示す等角図であり、本発明の各種の実施形態において使用可能な一体型スケール格子とゾーン格子基準マーク構成を含んでいる。図２１、図２２に示されるものと類似の番号が付与された構成要素（たとえば、２３５０、２１５０等、末尾部が同様のもの）は、いくつかの実施形態において同様または同一であってもよく、おそらくは類推により把握されてもよい。図２３には、マスク要素（たとえば、図２１に示されるマスク要素２１６１）が示されておらず、これは一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部２３０００の必要不可欠要素であるが、その動作の他の面を明確に説明するためである。マスク要素２３６１は、図２４に関して以下に説明する。

【0125】

図２３は、一体型信号発生構成２３０００の特定の要素を示し、たとえば、一体型リードヘッド光ファイバ構成２３００（図２４に示すものからマスク要素２３６１を除いたもの）を含み、これは、スケール格子８０（たとえば、図にないスケール部材８１の上）に取り囲まれた、概略的に示されたゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭに関して動作的に配置される。基準マーク５０ＺＲＭは、Ｘ軸方向に沿った寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）と、図のような中心線ＺＲＭＣを有する。簡潔にいえば、動作中、一体型リードヘッド光ファイバ構成２３００は、中央のファイバにより提供される光源２３８０からの分散性光源光２３５０を出力しこれは、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭと周囲のスケール格子８０を、照射スポット２３５３で照射する。各種の実施形態において、光源２３５０は、有利な点として、単色で、空間的にコヒーレントであり、いくつかの実施形態においては、時間的にコヒーレントであってもよい。スケール格子８０は、照射されると、０次反射光を抑制し、反射回折された±１次スケール光２３５５Ａ、２３５５Ｂを供給し、これは、図２３において、角度をなす回折光を示す破線で概略的に示されている。前述のように、隆起した要素と陥凹した要素の幅が、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭの中で一致すると、一致する部分は、特定の量の０次反射光を抑制し、ゾーン格子基準マークスケール光２３４５の中の一部の光を、スケール格子８０と同様に、反射回折された±１次スケール光２３５５Ａ、２３５５Ｂに加える。

【0126】

±１次スケール光２３５５Ａ、２３５５Ｂは、それぞれ領域２３５５Ａ’、２３５５Ｂ’を照射し、これらは干渉領域２３５６で重複して、一体型リードヘッド光ファイバ構成２３００の光受信面２３６０の付近で干渉縞２３６６を形成する。干渉縞は、前述の原理にしたがって光直交信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂを受け取る光ファイバの端部におけるマスク要素２３６１（図２４に示される）により、空間的にフィルタリングされ、これについて図２４に関して以下に詳しく説明する。

【0127】

先に概説したインクリメンタル直交信号発生動作と同時に、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭが照射スポット２４５３と重なると、これは、分散光源光２３５０の一部を反射し、Ｘ軸方向の寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）の、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥが得られる。前述のように、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭで隆起および陥凹要素の幅が一致しないと、このように一致しない部分は、「０次」反射光に寄与する。ゾーンプレート方式に関して、このような光は、周知のHuygens-Fresnelの原理により理解されてもよい。したがって、当業者は、本明細書の開示を読むことにより、隆起要素と陥凹要素の幅の不一致部分が、周知のゾーンプレートの原理にしたがって挙動する光に寄与する。したがって、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、領域ＺＯＮＥ１、ＺＯＮＥ２、ＺＯＮＥ３からの格子基準マークスケール光２３４５の特定の量の光に寄与し、これが光受信面２３６０に沿った特定の位置で強め合う、または打ち消し合うように複合され、光受信ン２３６０における、またはその付近のゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中で、集中または集束した光を提供する。

【0128】

前述のように、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥは一般に、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭよりＸ軸方向に沿って狭くなり、計測軸の方向に沿った位置において、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭと再現可能な関係を有する。いくつかの実施形態において、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、その中心線ＺＲＭＣに関して対象であってもよく、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中心線ＺＲＭＣ−ＳＥは、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭがリードヘッドの照射スポットのほぼ中央にあるとき、中心線ＺＲＭＣとほぼ一致するかもしれない。しかしながら、いくつかの実施形態においてゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、非対称であり、中心線ＺＲＭＣとＺＲＭＣ−ＳＥは一致しないかもしれないが、これらは依然として、計測軸方向に沿った地点においては相互に関して再現可能な関係を保つ。いずれにせよ、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中の光は、光受信面２３６０に配置された基準信号開口マスクによって受信され、基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を受ける光ファイバの端部をマスクし、基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２がゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭに近い信号交差領域の中の基準位置を示すことに、望ましい関係を有するようになり、これについて、図２４、図２５に関して以下に詳しく説明する。

【0129】

前述のように、また図２３に示すように、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中のスケール光は、２つの構成要素からなってもよい。２つの構成要素は、図２３に示されるような周期的強度分布を有するインクリメンタル信号光成分ＩＳＬＣＯＭＰと、図２３に示される略非周期的強度分布を有する基準マーク信号光成分ＲＭＳＬＣＯＭＰである。基準信号開口マスクは、空間的に周期的な強度を有するインクリメンタル信号光成分ＩＳＬＣＯＭＰを平均化するように構成され、基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２によって共有されるほぼ一定のオフセット成分となる。基準マーク信号光成分ＲＭＳＬＣＯＭＰは、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中で増強されるような光強度分布を有し、最大すなわちピーク値がゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中にあり、その最大値から減少する。いくつかの実施形態において、計測軸方向８２に沿ったゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの有効な縁辺間寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）に対応する２つの信号作用領域境界ＳＥＲＢＬ、ＳＥＲＢＲは、基準マーク信号光成分ＲＭＳＬＣＯＭＰの強度分布の全幅の半分の最大寸法に対応すると定義されてもよい。しかしながら、より一般的には、いくつかの実施形態において、２つの信号作用領域境界ＳＥＲＢＬ、ＳＥＲＢＲの各々は、スケール光の基準マーク信号光成分の強度寄与度が、最大でも増強された強度分布におけるその最大貢献度の８０％、少なくとも増強された強度分布における最大貢献度の２０％である。さらにより一般的には、いくつかの実施形態において、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの有効縁辺間寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）は、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭの設計により動作的に設計および／または調整され、その結果、信号交差領域の中の基準位置におけるその交差を決定することに関して、基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２に対して大きな影響を与える基準マーク信号光成分ＲＭＳＬＣＯＭＰの強度分布の一部の境をなす場所に対応するようになり、これについては図２５に関して以下に詳しく説明する。

【0130】

図２４は、図２３に示される一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部２３０００の一部２３０００’の各種のその他の態様を概略的に示す等角図であり、これには、一体型リードヘッド光ファイバ構成２３００と、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥと、マスク要素２３６１が含まれる。図２１〜図２３に示されるものと類似の番号が付与された構成要素（たとえば、２３５０、２１５０のように、末尾が同様の番号）は、いくつかの実施形態において同様または同一であってもよく、類推されてもよい。図２４に示すように、一体型リードヘッド光ファイバ構成２３００は、光源２３８０を提供する中央の光源用ファイバ２３７０を含み、いくつかの実施形態において光源用ファイバ２３７０のシングルモードコアの端部によって提供されてもよく、図のように、それぞれ光信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂ、ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を受け取る光受信チャネルを提供する受信用ファイバ２３９０Ａ、２３９０Ａ’、２３９０Ｂ、２３９０Ｂ’、２３９０Ｒ１、２３９０Ｒ２を含む。一体型リードヘッド光ファイバ装置２３００はまた、位相マスク２３２０Ａ、２３２０Ｂ、２３２０Ａ’、２３２０Ｂ’と、ブロックマスク部分２３２０ＢＲ１、２３２０ＢＲ２を含むマスク要素２３６１と、開放された基準信号開口マスク部分２３２０Ｒ１、２３２０Ｒ２（単に、基準信号開口２３２０Ｒ１、２３２０Ｒ２ということもある）も含む。破線ＡＲ１Ｌ、ＡＲ１Ｒ、ＣＡＲ１は、信号ＲＥＦ１に対応する基準信号開口２３２０Ｒ１の、それぞれ左右の境界と実効中心部分の位置を示し、破線ＡＲ２Ｌ、ＡＲ２Ｒ、ＣＡＲ２は、信号ＲＥＦ２に対応する基準信号開口２３２０Ｒ２の、それぞれ左右の境界と実行中心部分の位置を示す。寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２は、信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２に対応する基準信号開口の実効中心の間のＸ軸に沿った距離を示す。寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮは、境界ＡＲ１Ｌ、ＡＲ２Ｒの間に広がる距離の合計を示す。寸法ＡＲ１２ＳＥＰは、境界ＡＲ１Ｒ、ＡＲ２Ｌの間の距離を示し、図２４の実施形態では０である。

【0131】

簡潔に言えば、動作中、位相マスク２３２０Ａ、２３２０Ｂ、２３２０Ａ’、２３２０Ｂ’は、光受信面２３６０に配置され、公知の原理に従って、干渉領域２３５６の中でピッチＦＰを有する干渉縞を空間的にフィルタリングして、直交型の周期的なインクリメンタル計測信号、Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂをそれぞれ提供するように構成される。１つの実施形態において、位相マスク２３２０Ａ、２３２０Ｂ、２３２０Ａ’、２３２０Ｂ’はそれぞれ、相対的な空間位相が０、９０、１８０、２７０度である。計測信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂの相対的位置は例にすぎず、限定するものではない。一般に、位相マスクは、それぞれ光ファイバ２３９０Ａ、２３９０Ａ’、２３９０Ｂ、２３９０Ｂ’の所望のいずかからのそれぞれの計測信号Ａ，−Ａ，Ｂ，−Ｂを提供するように構成されていてもよい。マスク要素２３６１に関係する各種の動作と所望の原理ならびに別の空間位相の配置は、本明細書の別の場所において参照される参考文献の中に記載されている。

【0132】

ブロッキングマスク部２３２０ＢＲ１、２３２０ＢＲ２と基準信号開口２３２０Ｒ１、２３２０Ｒ２は、光受信面２３６０に位置付けられ、ファイバ２３９０Ｒ１、２３９０Ｒ２の端部をマスクし、基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を供給する。ブロッキングマスク２３２０ＢＲ１、２３２０ＢＲ２がない場合、計測軸８２の方向に沿って配列されるそれぞれのファイバ２３９０Ｒ１、２３９０Ｒ２の端部は、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥのいくつかの位置に対し、同じ信号で応答することになる。これに対し、マスク２３２０ＢＲ１、２３２０ＢＲ２、２３２０Ｒ１、２３２０Ｒ２の配置により、計測軸８２の方向に沿って基準マーク信号受信チャネル開口がオフセットされて配置され、所望の信号交差領域を有する基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を供給でき、これについて以下に詳しく説明する。

【0133】

前述のように、干渉領域２３５６の中で発生する干渉縞は、一体型信号発生部２３０００の動作中、継続的に存在する。しかしながら、位相マスクと異なり、基準信号開口２３２０Ｒ１、２３２０Ｒ２は、光受信用ファイバ２３９０Ｒ１、２３９０Ｒ２の端部に対して周期的な空間的フィルタリングを行わず、複数の干渉縞からの光は、変位に関係なく単純に基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２に比較的一定の平均的な量の光を提供する。反対に、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥが基準信号開口２３２０Ｒ１、２３２０Ｒ２の位置と重複すると、その集束した基準マークスケール光が、重複量に応じて、基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を有意に増大させる。

【0134】

基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥとさまざまな位置における基準信号開口２３２０Ｒ１、２３２０Ｒ２の間の重複量は、これらの地点における基準信号Ｒ１、Ｒ２の間の関係を支配する。一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部２３０００に関して、適当な基準信号Ｒ１、Ｒ２を提供するための最も一般的な設計ガイドラインは、一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部２３０００とゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭが、以下の関係、
ＡＲ１２ＳＥＰ＜（ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭ−ＳＥ））＜ＡＲ１２ＳＰＡＮ （式１０）
を満たし、結果として得られる基準マーク信号が、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭに近い信号交差領域の中で、所望の精度および／または再現性で基準位置を決定するために使用されるというものであり、これについて以下に詳しく説明する。各種の実施形態において、以下の関係、
（ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ））＞［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．２５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］
（ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ））＜［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．７５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］ （式１１、１２）
をさらに満たす構成は、有利であるかもしれない（たとえば、基準マーク信号の間に、よりロバストおよび／または信頼性の近い関係を提供することによる）。各種の他の実施形態において、以下の関係、
（ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ））＞［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．４^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］
（ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ））＜［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．６^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］ （式１３，１４）
を満たす構成が、より有利かもしれない。いくつかの実施形態において、寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）は、［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．５^*（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］とほぼ等しいか、信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の間の実効中心間距離ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２とほぼ等しく、基準マーク信号を発生することが最も有利かもしれず、これを図２５に関して以下に説明する。

【0135】

前述の原理によると、基準信号開口２３２０Ｒ１、２３２０Ｒ２は、対応する光ファイバ２３９０Ｒ１、２３９０Ｒ２の端部に対して周期的な空間フィルタリングを行わず、インクリメンタル信号光成分の空間的に周期的な影響は、変位とともにほぼ一定の数字に平均化され、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中の基準マーク信号光成分は、対応する基準マーク信号受信チャネルによって検出される信号変化を提供する。図２４に示される実施形態において、ブロッキングマスク２３２０ＢＲ１、開放開口マスク２３２０Ｒ１、ブロッキングマスク２３２０ＢＲ２および開放開口マスク２３２０Ｒ２は、計測軸の方向を横断する方向に延びる左右の開口の縁辺を提供し、これらの横方向の開口縁辺は、ジグザグ部を有する。ジグザグ部は、Ｙ軸に関して角度がつけられ、各横方向の開口縁辺は、隣接する開口の境界（たとえば、点線ＡＲ２Ｒで示される境界）から、計測軸８２の方向に沿って、開口の反対の縁辺に向かって延びる１次開口縁辺変位寸法ＰＡＥＴに広がる。代表的な寸法ＰＡＥＴは、開放開口マスク２３２０Ｒ２の右縁辺についてのみ示されているが、図２４の左および／または右の開口縁辺の各々について、同様の寸法ＰＡＥＴが存在することがわかるであろう。寸法ＰＡＥＴは、各開口縁辺について同じである必要はないが、これらは、各種の実施形態において同じであってもよい。それぞれの開口縁辺のジグザグ部分を斜めにして、それぞれの寸法ＰＡＥＴを広げることによって、開放開口マスク２３２０Ｒ１および／または２３２０Ｒ２を通過する干渉縞は、開口の縁辺において空間的にフィルタリングされ、基準マーク信号Ｒ１、Ｒ２に対するその打ち消しあう周期的な光信号寄与の振幅が少なくとも部分的に抑制されるようになる。各種の実施形態において、各寸法ＰＡＥＴが、マスク要素２３６１の光受信面２３６０において、少なくとも干渉縞のピッチＦＰ１つ分であれば、有利であるかもしれない。いくつかの実施形態において、各寸法ＰＡＥＴは、少なくともピッチＦＰの３倍以上であるかもしれない。いくつかの実施形態においては、必須ではないが、各寸法ＰＡＥＴが見かけ上、マスク要素の光受信面において、干渉縞ピッチＦＰの整数と等しいと有利かもしれない。図２４に示される干渉縞ピッチＦＰは必ずしも正しい縮尺ではなく、説明のために誇張されている可能性がある。

【0136】

図２４に示される構成の別の態様によれば、いくつかの実施形態において、必須ではないが、１次開口幅寸法ＰＡＷが見かけ上、Ｙ軸方向に沿った開口縁辺の長さの少なくとも大部分に沿って、マスク要素の光受信面における干渉縞ピッチＦＰの整数個分に等しいことが有利かもしれない。このような場合、基準信号開口２３２０Ｒ１または２３２０Ｒ２と交差する干渉縞の、打ち消しあう光信号への寄与は、特に１次信号交差領域の付近において、より一定になる傾向があり、これは、干渉縞からの可変信号貢献より、基準マーク１次信号交差点に対して、より打ち消しあう力が小さいからである。１次開口幅寸法ＰＡＷは、Ｙ軸方向に沿って変化するか、あるいは一定であってもよい。いずれの場合も、Ｙ軸に沿った各場所において、計測軸８２の方向に沿った開放開口寸法として定義されてもよい。この設計上の特徴は、０以外の１次開口縁辺変位寸法ＰＡＥＴ（たとえば、図２４に示される）と一緒に使用しても、あるいはＹ軸方向に沿って整列される直線の開口縁辺と組み合わせても有利であるかもしれない。

【0137】

各種の実施形態において、一体的リードヘッドファイバ構造を、光ファイバリードヘッドの中に配置されるすべての光ファイバが、直径最大１．５ミリメートル、または１．０ミリメートルまたはそれ以下の円筒空間の中に配置するように構成することが有利かもしれない。１つの具体的な実施形態において、ファイバ２３９０は、約２００ミクロンの直径ＤＲＡと、約２５０ミクロンの外径ＤＲＦの光伝送コア面積を有していてもよく、中心ファイバ２３７０は、同じ外径ＤＲＦ、シングルモードのコア直径あるいはモードフィールド直径約４〜１０ミクロンであってもよい。したがって、このような実施形態において、一体型リードヘッド光ファイバ構成２３００は全体として７５０ミクロン程度の直径であってよい。しかしながら、他の実施形態においては、より大きな、またはより細い、および／または他のファイバ間隔が用いられてもよい。

【0138】

いくつかの実施形態において、格子ピッチＰＧは、約４ミクロン（あるいは、より一般的には１〜８ミクロンの範囲）であってもよく、干渉縞２３６６は、同様のピッチを有していてもよい。基準マーク信号受信チャル開口２３２０Ｒ１または２３２０Ｒ２は、計測軸の方向８２に沿って、７０ミクロン程度の寸法（たとえば、寸法ＰＡＷ）を有していてもよい。基準マーク５０ＺＲＭは、ある実施形態において約１４２ミクロン程度の長さＬＥＴＯＥ（ＺＲＭ）であってもよく、その結果、有効な寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）は、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥについて約７０〜８０ミクロンとすることができ、これによれば、十分な基準マーク信号の強度とインクリメンタル信号に対する擾乱の最大限の防止との間で、最良のバランスをとることができる。しかしながら、前述の寸法の関係の特定の実施形態は、例にすぎず、限定するものではない。たとえば、各種の用途において、他の設計上の検討項目（たとえば、格子ピッチＰＧ）は、ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭ）および／またはＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）によってはもっと小さい、または大きな寸法のほうが有利であるかも知れず、上述の各種の基準信号開口寸法。

【0139】

図２５は、概略的信号図７０’’を示す図であり、図２３、図２４の一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部２３０００に対応する、発生される基準信号を表す。信号図７０’’は、２つの基準信号、信号ＲＥＦ１と信号ＲＥＦ２を、計測軸８２に沿った基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥ（または基準マーク５０ＺＲＭ）と、一体型リードヘッド光ファイバ構成２３００の間の相対的な位置の関数として示している。特に、点７１’’は、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中心線ＺＲＭＣＳＥは、図２４に示される位置ＡＲ１Ｌの左に長さ０．５^*ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）だけ変位した位置と一致する。したがって、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥは、基準マーク信号受信チャネル開口と重複せず、点７１’’では有意な信号は発生されない。基準マーク５０ＺＲＭが右に変位すると、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥは、ＲＥＦ１基準マーク信号受信チャネル開口２３２０Ｒ１とより大きく重複し、最終的には、重複は点７２’’で最大となる。基準マーク５０ＺＲＭが引き続き右に変位を続けると、それ以上の信号の変化は点７３’’と７３’’’まで見られず（たとえば、寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）が基準信号開口２３２０Ｒ１の寸法より小さいからである）、これらの地点はＲＥＦ１信号とＲＥＦ２信号が共通の数値に収束（またはそこから分散）する信号交差領域の左限をマークする。信号交差領域において、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中心線ＺＲＭＣＳＥが位置（ＡＲ１Ｌ＋０．５^*ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ））に変位されると、信号ＲＥＦ１は、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥとＲＥＦ１基準マーク信号受信チャネル開口２３２０Ｒ１の間の重複量が減少するにつれ、減少を開始する。基準マーク信号受信チャネル開口２３２０Ｒ１と２３２０Ｒ２は、同様の寸法であり、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭが、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）が図２４に示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２とほぼ等しく設計されるため、信号ＲＥＦ２は同時に、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥとＲＥＦ２基準マーク信号受信チャネル開口２３２０Ｒ２の間の重複が増大するにつれて、点７３’’’で増加を開始する。点７４’’において、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの中心線ＺＲＭＣＳＥは、ＲＥＦ１基準マーク信号受信チャネル開口２３２０Ｒ１とＲＥＦ２基準マーク信号レシーバチャル開口 ２３２０Ｒ２の間に対称的に配置され（図２４に示される地点）、したがって、ＲＥＦ１、ＲＥＦ２は、見かけ上等しい。残りの点７５’’、７５’’’、７６’’、７７’’での信号ＲＥＦ１，ＲＥＦ２は、前述の説明から類推して把握してもよい。地点７３’’，７３’’’と類似する地点７５’’，７５’’’は、信号交差領域の右限をマークする。

【0140】

各種の例示的な実施形態において、計測軸８２に沿った基準位置をロバストな方法で設置するために、基準位置検出回路は、信号ＲＥＦ１とＲＥＦ２が交差し、基準地点と等しくなる地点を特定してもよく、これは、本明細書で開示する一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部のリードヘッドに関してゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭの位置を再現可能に関連付ける。信号図７０’’に対応する基準信号発生部は、図２５に示されるように、その最大値と最小値の間の約半分の信号値で、見かけ上交差する信号を含むロバストな信号交差領域が確実に得られる。

【0141】

図２６は、本発明による各種の実施形態で使用可能な一体型スケール格子および領域格子基準マーク配置または構造２６００の動作と設計の各種の態様を示す概略的側面図と、その結果として得られるゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥを示す図である。結果として得られるゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥと、代表的な基準信号開口２６２０Ｒ１，２６２０Ｒ２との有利な関係を説明するために、図２６はまた、図２３のマスク要素２３６１と類似したマスク要素２６６１の側面図と、Ｘ軸を中心に回転され、Ｚ軸方向に沿って整列された状態に保たれるマスク要素２６６１の平面図も示す。

【0142】

基準マーク構造２６００は図２２の基準マーク構造２２００と同様であり、類似の番号が付与された要素は、一般に、前述の説明からの類推によって把握されてもよい。たとえば、スケール格子８０の隆起要素Ｅと陥凹要素Ｇおよびゾーン格子基準マーク５０−ＺＲＭ’は、図２２に関して説明した原理に従って構成されるかもしれない。各ゾーンの格子要素に関連する設計原理がすでに説明したため、以下の説明は、主として、ゾーン格子基準マークゾーンの全体的寸法の設計原理に関する。一般性のために、図の基準マーク構造２６００は、５つのゾーンを示している。しかしながら、各種の実施形態において、分析や実験によって判断されるように、より少ない（またはより多い）ゾーンのほうが有利かもしれない。図２２は、正確な縮尺ではない可能性がある。特に、水平方向の縮尺は、明瞭を期すために、大きく誇張されている。したがって、図２２に示される角度も大きく誇張されている。実際には、多くの実施形態において、図２２に示される各種の領域の光路長は、小さな角度（たとえば、約１度またはそれ以下）となるかもしれない。

【0143】

前述のように、隆起および陥凹部ＥＺ、ＧＺの幅は、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭのさまざまなゾーンで一致しない場合、不一致の部分は、「０次」反射光に寄与する。ゾーンプレート方式により、このような光は、周知のHuygens-Fresnelの原理に基づいて理解されるかもしれない。したがって、当業者は、本願の開示を読めば、隆起および陥応部ＥＺ、ＧＺの幅の不一致部分が、周知のゾーンプレート原則にしたがって挙動する光に寄与するかしれない。したがって、ゾーン格子基準マーク５０ＺＲＭは、特定の場所において強め合うように、また弱め合うように複合されて、さまざまなゾーンからの光に寄与し、最終的に、レシーバプレーン２６６０において、またはその付近で、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥにおける絞られ、集束したスケール光を提供する。特に、どのゾーンからの光も、ゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥで、強めあうように干渉するべきである。

【0144】

図２６は、光源２６８０および／またはゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥから、各種のゾーン、ＺＯＮＥ１〜ＺＯＮＥ５に関する代表的な地点までの光路長である光路長さＯＰＬ１〜ＯＰＬ５を示している。また、光源２６８０および／またはゾーン格子基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥからそれぞれゾーンＺＯＮＥ１〜ＺＯＮＥ５のおおまかな外側境界（Ｚ’５で示す）までの光路長ＯＰＬ１ＯＢ、ＯＰＬ２ＯＢ、ＯＰＬ３ＯＢ、ＯＰＬ４ＯＢ、ＯＰＬ５ＯＢも示している。陥凹要素ＧＺは、ＺＯＮＥ１において一致しないゾーン格子光を提供し、隆起要素ＥＺは、ＺＯＮＥ２において一致しないゾーン格子光を提供する。要素ＥＺとＧＺの間の高さの差は、前述のように、光の波長λの４分の１であってもよい。我々は、このλ／４を、光路長ＯＰＬ（たとえば、ＯＰＬ１、ＯＰＳ２ＯＢ等）とは別に考える。このλ／４の光路の差を補償し、ＺＯＮＥ１とＺＯＮＥ３を行き来する光の間の強め合うような干渉を提供するために、以下の条件を満たすことができる。
２^*（ＯＰＬ２）＝２^*（ＯＰＬ１−λ／４＋λ／２） （式１５）
式中、最初のλ／４の項は、上記の高さの差を示し、λ／２は、２つの領域に関連付けられる往復の光に関する強め合うような干渉を提供する。式１５は、以下のように簡略化される。
ＯＰＬ２＝ＯＰＬ１＋λ／４ （式１６）

【0145】

ＺＯＮＥ１とＺＯＮＥ２の間の境界は、光路長ＯＰＬ１とＯＰＬ２の間の半分である光路長ＯＰＬ１ＯＢを提供する位置に確立することができる。すなわち、
ＯＰＬ１ＯＢ＝ＯＰＬ１＋λ／８ （式１７）
なる。図２６をよく見ると、
０．５^*ＺＯＮＥ１ＯＢＤ＝ｔａｎ（ｃｏｓ^-1（ＯＰＬ１／ＯＰＬ１ＯＢ））＊ＯＰＬ１ （式１８）
であり、ＯＰＬ１が指定された動作ギャップＺＧＡＰに等しいことがわかる。したがって、式１７のＯＰＬ１ＯＰの置換のために、ＯＰＬ１のＺＧＡＰを置換すると：
ＺＯＮＥ１ＯＢＤ＝２^*ｔａｎ（ｃｏｓ^-1（ＺＧＡＰ／（ＺＧＡＰ＋λ／８）））^*ＺＧＡＰ （式１９）
となる。

【0146】

式１９は、ｎ番目のＺＯＮＥｎについてより一般的に表すと、以下のようになる。

【数1】

【0147】

たとえば、ＺＧＡＰ＝５０００ミクロン、Ｌ＝０．６５０ミクロンの１つの例において、ＺＯＮＥ１ＯＢＤ、ＺＯＮＥ２ＯＢＤ、ＺＯＮＥ３ＯＢＤ、ＺＯＮＥ４ＯＢＤ、ＺＯＮＥ５ＯＢＤの数値はそれぞれ、約５７μｍ、９９μｍ、１２８μｍ、１５１μｍおよび１７２μｍである。各ゾーンにおける隆起および陥凹要素ＥＺとＧＺの数は、ほぼ上述のようにゾーン境界の位置と、格子ピッチＰＧに基づいて判断されてもよい。いくつかの実施形態において、ゾーン境界の位置に最も近い隆起または陥凹要素（たとえば、ゾーン境界の位置に広がるもの）が幅０．５^*ＰＧを有するようにすることが有利である。隣接する要素は、次に、図２２に関して前述したように、それぞれのゾーンについて、所望のデューティサイクルに対応する幅を有することになる。前述のように、各種の実施形態において、ゾーン格子基準マークは、５つのゾーンを持つ必要はなく、ゾーンはこれより多い、またはより少なくてもよく、これは、上述の境界の位置を満たしてもよい。上記の境界の位置は、例にすぎず、限定するものではない。現実において、境界の位置は、分析および／または実験に基づいて、幾分変更し、ゾーン格子信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥの有効な強度分布および／または長さＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）を調整し、あるいは、ＲＥＦ１、ＲＥＦ２の開口の０以外のＹ軸位置からの光路長が一般的に比較的わずかに長くなることを考慮して、所望の基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を提供してもよい。たとえば、いくつかの実施形態において、ＺＯＮＥｎＯＢＤの数値は、式２０により得られるＺＯＮＥｎＯＢＤの見かけ上の数値の０．８から１．２倍の範囲であってもよい。

【0148】

図２７Ａ、図２７Ｂは、それぞれ２７０００Ａと２７０００Ｂを示し、図２４に示されるマスク要素２３６１の開口マスク構成の一部の代わりに使用可能な別のマスク構成を示している。特に、図２７Ａ、図２７Ｂは、マスク要素のうち、基準マーク信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を発生することに関連する部分についての別の開口マスク構成を示している。図２７Ａ、図２７Ｂ、図２４において類似の番号が付与された要素（たとえば、数字の末尾部が類似）は、設計原理と動作が同様であってもよく、以下に特に説明しないかぎり、同様であってもよい。図２７Ａ、図２７Ｂに明確に示されていないマスク要素部分は、図２４のマスク要素２３６１について示されたものと同様または同一であっても、あるいは本願において参照される参考文献において教示される原理に従っているものでもよい。

【0149】

図２４に示されるブロッキングマスク部２３２０ＢＲ１、基準信号開口２３２０Ｒ１、ブロッキングマスク部２３２０ＢＲ２、基準信号開口２３２０Ｒ２の構成と比較して、図２７Ａの主な違いは、ブロッキングマスク部分２７２０ＢＲ１’、基準信号開口２７２０Ｒ１、ブロッキングマスク部２７２０ＢＲ２、基準信号開口２７２０Ｒ２が、計測軸方向を横断する方向に延びる開口縁辺に沿った左右のジグザグ開口縁辺が少ないことである。前述の設計原理（たとえば、寸法ＰＡＥＴとＰＡＷに関するもの）をここにも適用してもよい。

【0150】

図２７Ｂは、図２４と図２７Ａに関する先の説明から類推して把握される構成を示している。特に、ブロッキングマスク部２７２０ＢＲ１’、基準信号開口２７２０Ｒ１’、ブロッキングマスク部２７２０ＢＲ２’と基準信号開口２７２０Ｒ２’は、計測軸方向に対して横方向に延びる左右の開口縁辺を提供し、これらの横方向の開口縁辺は、Ｙ軸に関して角度をなし、各横方向の開口縁辺は、隣接する開口の境界（たとえば、点線ＡＲ２Ｒで示される境界）から、計測軸８２の方向に沿って、開口の反対の縁辺に向かって延びる、１次開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴに及ぶ。図２７Ａの構成と比較した主な違いは、図２７Ｂに示される開口が、「回転長方形」または「回転縁辺」であり、ジグザグ縁辺ではないという特徴を有することである。しかしながら、図２７Ｂに示される開口は、図２７Ａに関して前述した設計原則を満たすかもしれない同様の寸法ＰＡＥＴとＰＡＷを有する。図２７Ａ、図２７Ｂに関する上記の説明に基づき、開口縁辺は、１次開口縁辺推移寸法ＰＡＥＴにわたり、湾曲している（直線や、角度がつけられていない）、あるいは、他の方法で蛇行した形状でもよく、このような設計もまた、図２７Ａに関して前述した設計原則を満たすかもしれない。したがって、上記の例は例にすぎず、限定するものではない。また、図２７Ａ、図２７Ｂに関して説明した原則により設計された開口は、一般に、本発明の各種の他の実施形態（たとえば、図２４に示される基準信号開口の代わりに）使用してもよい。

【0151】

図２８は、本発明による各種の実施形態で使用可能な一体型インクリメンタル信号および基準信号発生部の一部２８０００’の各種の態様を概略的に示す等角図であり、これは、２つのゾーン格子基準マーク部（図示せず）を含む一体型スケール格子およびゾーン格子基準マーク構成を使用している。部分２８０００’の設計と動作は、多くの点において、図２４の部分２３０００’と同様であり、２３ＸＸ、２８ＸＸと続く番号の類似の番号が付された要素（たとえば、要素２３２０Ｒ２、２８２０Ｒ２等、末尾が同様のもの）は、以下に記載したものを除き、形態と動作において同様または同一であってもよい。一般に、部分２８０００’の設計と動作は、部分２３０００’および一体型信号発生部２３０００の前述の説明、および／または本明細書の他の部分において参照される参考文献において教示される設計原理に基づいて理解されてもよい。したがって、部分２３０００’と２８０００’の動作の大きな違いだけを以下に説明する。

【0152】

図２８は、一体型リードヘッド光ファイバ構成２８００と、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥと、格子要素２８６１を含む部分２８０００’を示している。部分２３０００’と２８０００’の間の主な相違は、光ファイバ装置２３００と２８００が、ＸＹ面に置いて異なる回転方向を持っていることである。光ファイバ装置２８００において、Ｘ軸方向に沿って離間されている光受信用ファイバ２８９０Ｒ１と２８９０Ｒ２は、基準信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ２を提供する。さらに、基準マーク信号作用領域５０ＺＲＭ−ＳＥは、個々の寸法ＬＳＥＧを有し、内側縁辺間寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）を提供する２つの作用副領域または部分５０ＺＲＭ１−ＳＥと５０ＺＲＭ２−ＳＥを含む。５０ＺＲＭ１、５０ＺＲＭ２とされる２つのゾーン格子小区分または基準マーク部分に対応するゾーン格子基準マーク（ここでは、５０ＺＲＭ（図示せず））は、前述の原則にしたがって、２つの分離したゾーン格子基準マーク信号作用副領域または小区分５０ＺＲＭ１−ＳＥと５０ＺＲＭ２−ＳＥを提供する。図２８に示される具体的な実施形態においては、寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）は２つの信号作用副領域５０ＺＲＭ１−ＳＥと５０ＺＲＭ２−ＳＥの内側境界間の距離に対応するが、別の実施形態においては、ゾーン格子基準マークは、信号作用副領域または部分５０ＺＲＭ１−ＳＥと５０ＺＲＭ２−ＳＥの関係について指定することができ、これらの外側境界（その内側境界ではない）が同じ寸法ＬＥＴＯＥ（ＺＲＭＳＥ）に対応するようにしてもよい。いずれの場合も、基準マークは、分離された２つの基準マーク副領域または部分を含むように構成されて、図２８に示されるタイプの信号作用副領域または部分５０ＺＲＭ１−ＳＥと５０ＺＲＭ２−ＳＥを設計し、これを図２８に示されるような一体型リードヘッド光ファイバ構成とともに使用することができる。

【0153】

本発明は、上述の例示的実施形態に関連して説明してきたが、上記の実施形態と設計要素は、当業者にとっては明らかであるように、その他の別の実施形態、改変版、変更版を示すものでもあることは明らかである。したがって、上述の本発明の実施形態は、説明のためのものであり、限定するものではない。各種の変更を、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、加えることができる。

【符号の説明】

【0154】

８０ スケール格子
８１ スケール部材
８２ 計測軸
８６ インクリメンタル計測スケールトラック
８８，８８’ 基準スケールトラック
８９ 端部領域
１００，２００，３００ リードヘッド
１０１，２０１，３０１ フレール
１３０，２３０，３３０ 光ファイバ
１５０，２５０，３５０，８５０ 光源光
１５３，２５３，３３５，８５３ 照射スポット
１５５，２５４，２５５，３５４，３５５，８５５ スケール光
１６０ ３６０，８６０ 光受信面
１６１，３６１，８６１ 位相マスク要素
１９５，２９５，３９５ 光ファイバケーブル
２５１，２５１’，３５１，４５１，４５１’ 基準マークゾーン
３００ 一体型インクリメンタルおよび基準マークリードヘッド
５００ 格子および基準マーク構造
６００，７００ 基準マークリードヘッド光ファイバ装置
６５０ 光源光線
６５４ スケール光線
６７０，８７０ 中央光源用ファイバ
６８０，８８０ 光源
６９０，７９０，８９０ 光受信用ファイバ
８００ 一体型リードヘッド光ファイバ構成
８２０ＢＲ ブロッキングマスク
８２０Ｒ 開放開口マスク
８２０Ａ，８２０Ａ’，８２０Ｂ，８２０Ｂ’ 位相マスク
８５６ 干渉領域
８６６ 干渉縞
１０００，２０００，３０００，３０００’光ファイバリードヘッドおよびスケール装置
６０００ 基準信号発生部
５０Ａ−ＳＥ，５０Ｂ−ＳＥ 基準マーク信号作用領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18】

【図19】

【図20A】

【図20B】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27A】

【図27B】

【図28】