Circular optical system based pico-scale grating encoder

To develop the next generation picometer scale linear encoder technology, we propose a grating encoder technology, Circular optical system, which outperforms conventional technologies. Conventionally, when measuring the phase change of diffracted light accompanying scale displacement, ±1st-order light is acquired and optically divided by multiple accesses to the scale, for example, to realize a quarter-period signal with 4 divisions. In the circular optical system, the light travels around the fiber optical system and accesses the same point on the scale many times, thus obtaining a very large phase shift compared to the conventional system. By introducing a frequency shifter into the circumferential optical path, the optical frequency changes slightly with each circumference. Therefore, by taking a beat signal from the incident light (reference light), a signal corresponding to the number of circuits can be selectively acquired. For example, if it is possible to acquire the optical signal after 10 cycles, the number of optical divisions can be 20, which is overwhelmingly higher than the conventional method, due in part to amplification by ±1st-order light, and we aim to develop a system to measure 1/20th of a cycle (about 25 nm) with a signal-to-noise ratio of about 1000, which can be interpolated.

次世代ピコメートルスケールのリニアエンコーダ技術を開発するため、従来技術を凌駕するGrating encoder技術であるCircular optical systemを提案している。従来、スケール変位に伴う回折光の位相変化を測定する際、±1次光を取得、スケールに複数回アクセスなどで光学分割し、例えば、分割数4の1/4周期信号を実現する。当然、スケールへのアクセス回数が増えると位相変化も回数倍大きくなる。Circular optical systemでは、光はファイバー光学系を周回しながら、何度もスケールの同一箇所にアクセスするため、従来に比べ非常に大きな位相シフト量を得ることができる。周波数シフタを周回光路に導入することで、周回ごとに光周波数が微小に変化する。よって、入射光(参照光)とのビート信号をとることで、周回数に応じた信号を選択的に取得でき る。例えば、10周後の光信号を取得可能であれば、±1次光による増幅もあり、従来の手法を圧倒的に上回る光分割数は20が達成でき、1/20周期(25 nm程度)を、内挿可能な1000程度のS/N比で計測するシステム開発を目指す。