JPH01233322A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は被測定物体の回転状態や移動状態等の変位を測
定する変位測定装置に関し、特に被測定物体に連絡した
回折格子に可干渉性の光束を入射させ、該回折格子から
生ずる回折光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、この
干渉縞の位相変化を計数することにより被測定物体の変
位を求める変位測定装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より産業用工作機械における移動物体の移動量検出
やロボットアームの回転、移動、位置等の検出や回転機
構の回転量、回転速度等の検出を行う為の変位測定装置
として光電的なロータリーエンコーダーやりニアエンコ
ーダーが多く利用されている。

このうち被測定物体に回折格子設け、該回折格子より生
ずる回折光を利用して、被測定物体の移動量や回転量等
の変位量を求める回折方式の変位測定装置が種々と提案
されている。

第７図は従来の変位測定装置としてのリニアエンコーダ
ーの概略図である。同図において１はレーザ、２はコリ
メーターレンズ、３は不図示の移動物体に取付けた格子
ピッチｄの回折格子であり、例えば矢印の方向に速度Ｖ
で移動している。

５、．５２は各々属波長板、４．．４２は回折格子３の
傾きによって生ずる再回折光の軸ずれを防止する為のダ
ハプリズム、又はコーナーキューブ反射鏡、６はビーム
スプリッタ−１７１，７□は偏光板で各々偏光軸は互い
に直交しており、更に％波長板５．，５．の偏光軸と４
５度の角度をなすように配置されている。８．．８．は
各々受光素子である。

同図においてレーザ１からの光束はコリメーターレンズ
２により略平行光束となり回折格子３に入射する。回折
格子３で回折された正と負のｍ次の回折光は％波長板５
．，５．を介してコーナーキューブ反射Ｊｆ１４　＋　
、　４２で反射させて、回折格子３に再度入射し再び正
と負のｍ次の回折光となって重なり合いビームスプリッ
タ−６で２光束に分割されて偏光板７８．７□を介して
受光素子８１．８□に入射する。

ここで受光素子８．．８２に入射する光束は属波長板５
１．５□と偏光板７．、？、の組み合わせによって互い
に９０度の位相差がつけられ、回折格子３の移動方向の
弁別に用いられている。そして受光素子８．．８２で受
光される干渉縞の明暗の縞を計数することにより回折格
子３の移動量を求めている。

しかしながら同図に示す変位測定装置においては、受光
素子８．．８２により干渉光の強度変化を検出すること
により回折格子３の移動量を求めている為、例えばレー
ザ！の出力変化や回折格子３の回折効率変化があると、
受光素子８．．８２の出力変化が生じ、測定精度が低下
してくる。

又、出力波形を電気的に分割して測定器の分解能を高め
ようとする時に干渉光の強度変化による波形の乱れが障
害となってくる等の問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は回折格子からの回折光を互いに重ね合わせて形
成した干渉縞の干渉縞を充電変換して得られる信号波形
の位相変化を測定することにより、レーザの出力変化や
回折格子の回折効率変化等があっても測定精度が低下せ
ず、常に高精度な測定を可能とした変位測定装置の提供
を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 互いに周波数が異なる第１と第２の光を回折路、子に指
向し、前記第１と第２の光を前記回折格子で回折させて
第１の回折光と第２の回折光を形成し、前記第１と第２
の回折光を干渉させて所定のビート信号を得、前記第１
と第２の光の周波数差に基づく基準ビート信号に対する
前記所定のビート信号の位相変化を検出し、前記回折格
子の変位を測定する装置であって、レーザと移動可能な
第２の回折格子とを有し、前記レーザからの光を前記第
２の回折格子に入射せしめ、該第２の回折格子により前
記第１と第２の光を形成したことである。

（実施例） 第１図は本発明をリニアエンコーダーに適用したときの
第１実施例の光学系の概略図である。

同図において９は可干渉性光束を発振するレーザであり
、ゼーマン効果を利用して周波数がｆｌの光束と、周波
数がｆｌとわずかに異なる周波数ｆ２の光束の２周波の
光束を発振するゼーマンレーザで周波数ｆ、とｆ２の光
束は互いに逆回りの円偏光になっている。

５１，５□、５３はイ波長板、７．．７２は紙面に対し
て４５°方位におかれた偏光板、８．。

８２は受光素子、±ｎはビームスプリッタ−１１１は偏
光ビームスプリッタ−１１２，，１２２は折り返し用の
反射鏡、１３は端面結像型の屈折率分布型の光学部材で
、一方の端に反射膜１４が施されている。光学部材１３
と反射膜１４により反射光学系２０を構成している。

本実施例では２周波発掘用のゼーマンレーザ９からの光
束はイ波長板５１を透過することによって紙面に水平な
方向の直Ｍ偏光と、垂直な方向の直線偏光になる。そし
てビームスプリッタ−±ｎによってこの２種類の光の一
部が偏光板７、を介して受光素子８Ｉに入射する。偏光
板７．の偏光方位は２種類の光の夫々の偏光方向に対し
て４５°方向に設定されているので、受光素子８１から
は周波数ｆ１とｆ２のビート信号であるｆ、−ｆ２の周
波数の信号が得られる。一方、ビームスプリッタ−±ｎ
を透過した光束は偏光ビームスプリッタ−１１に入り、
紙面に水平な直線偏光である周波数ｆ、の光束は反射し
、紙面に垂直な直線偏光である周波数ｆ、の光束は透過
する。モして％波長板５２．５３を透過して円偏光とな
り、反射鏡１２．．１２□で反射させて回折格子３に入
射させる際、対象とする回折格子３からのｍ次回折光が
回折格子３から略垂直に反射するように入射させている
。

即ち、回折格子３の格子ピッチをＰ、可干渉性光束の波
長をλ、ｍを整数とし、可干渉性光束の回折格子３への
入射角度をθ、としたとき０ｍ　　”ｒｓ　　１　　ｎ
−’　（ｍ入／　Ｐ　）　　　−−−−−−−−−・−
（＋）となるように入射させている。

そして、回折格子３から略垂直に射出したｍ次回折光を
光学部材１３に入射させている。光学部材１３の焦点面
近傍には反射膜１４が施されているので、入射した光束
は反射膜１４で反射した後、元の光路を戻り光学部材１
３から射出し、再度回折格子３に入射する。

そして回折格子３で再度回折されたｍ次の反射回折光は
元の光路を戻り、反射鏡１２．．１２□で反射し、イ波
長板５２．５３を透過し、偏光ビームスプリッタ−１１
に再入射する。

このとき再回折光は嵐波長板５゜、５３を往復している
ので、偏光ビームスプリッタ−１１で最初に反射した光
束は次に漏光ビームスプリッタ−１１に再入射するとき
は偏光ビームスプリッタ−１１に対して偏光方位が９０
度累々っている為、偏光ビームスプリッタ−１１を透過
するようになる。逆に偏光ビームスプリッタ−１１を最
初に透過した光束は毎入射したとき反射されるようにな
る。

こうして偏光ビームスプリッタ−１１で２つの再回折光
が重なり合い、干渉縞を形成して偏光板７□を介して受
光素子８□に入射する。そして受光素子８２からは回折
格子３の移動に伴って位相変化を受けた、周波数ｆ１と
ｆ２のビート信号が得られる。

今、回折格子３が第１図の矢印の方向にＸだけ移動した
とすると、第１図において周波数ｆ１の光束の位相は回
折格子３で２後回折されているので４ｍπｘ　／　Ｐだ
け遅れる。一方、周波数ｆ２の光束の位相は４　ｍ　ｔ
ｔ　ｘ　／　Ｐだけ進む。即ち、偏光ビームスプリッタ
−１１を通過して、偏光板７２に入る２つの光束は（２
）　、　（３）式のようになる。

Ｅ、　　＝　　ａ、　　ｅｘｐ　　［ｉ（２ｗｆ、ｔ　
　＋　　４ｎ＋ｙｒｘ　　／　　Ｐ　　＋　φ　１）］
・・・・・・・・・・・・（２） Ｅ２　＝　　ａ２　ｅｘｐ［１（２ｙｒｆ、ｔ　　−４
ａ＋ｙｒｘ　　／　　Ｐ　　＋　φ２）コ・・・・・・
・・・・−（３） ここで、φ１．φ２はレーザ９を出てからの光路長に基
く位相で、回折格子３の移動によっては変化しない位相
である。

偏光板７□は４５’方位に設定されているので、偏光板
７２を透過して受光素子８□に入る光束は（４）式のよ
うになる。

Ｅ　＝　Ｅ、ｃｏｓ４５°＋　Ｅ、ｃｏｓ４５’−１／
（”ｆ（εＩ　”Ｅ２）・−−−−−−−−（４） 従って、受光素子８２の出力Ｉ２は（５）式のようにな
る Ｉ２−１ε１２ ＝　　Ｉ／２　　［ａ、’　　＋　　　　２”　　＋　
　２ａ、ａ　２ｃｏｓ　　（２π　（ｆ、−ｆ、）ｔ＋
　８ｔｙｒｘ　／　Ｐ＋φ、−φ、　）　］−（５）一
方、受光素子８１の出力！１は １、＝　１７２　［ａ、２＋　ａ２２　＋　２ａ、ａ２
ｃｏｓ　（２ＦＥ　（ｆ、−ｆ２）ｔ◆φ、′−φ２’
　　）　］　　　　　・・・（６）である。

（５）　、　（６）式においてφ１−φ２．φ１′−φ
２′は回折格子３の移動によっては変化しない項である
。

本実施例では回折格子３の移動量Ｘをレーザ９から射出
する２種類の光の互いの周波数のビート信号の位相変化
として測定している。このとき受光素子８．の出力！、
を基準のビート信号とし、受光素子８２の出力１２の基
準ビート信号に対する位相変化を位相計１５で測定し、
回折格子３の移動量Ｘを求めている。

例えば、回折格子３のピッチ３．２μｍ、回折光として
１次（ｍ・１）を利用したとして、受光素子８□の出力
■２の位相変化が±ｎあったときの回折格子３の移動１
ｔｘは（８πｘ／３．２）　ｘ　１８０’／　ｒｅ　−
１’より、Ｘ　＝　０．００２　ａ　ｍとなる。

即ち、本実施例では１°の移動変化の測定により、回折
格子３の移動量０．００２μｍ１即ち２ｎｍの検出かで
゛きる。

このように本実施例では回折格子３の移動量を、ヘテロ
ダイン検出による干渉光のビート信号の位相変化として
検出している為、高蹟度な測定が可能である。又、ビー
ト信号の位相変化測定を行う為、レーザの出力変化や回
折格子３の回折効率変化があっても測定精度に影響を与
えず、又、回折格子３の移動方向も位相変化の正負とし
て判別することができる等の特長を有している。

第２図、第３図は各々本発明の第２．第３実施例の光学
系の概略図である。第２．第３図において第１図で示し
た要素と同一要素には同符番な付しである。

第２図に示す第２実施例においては変調手段としては第
１図の第１実施例と同様のレーザな用いている。

第２実施例では偏光ビームスプリッタ−１１で分離され
た周波数ｆ、、ｆ２の２つの光束を第１図に示す実施例
と同様に回折格子３に（１）式で表わされる角度θ、で
入射させている。そして回折格子３で発生するｍ次の透
過回折光が垂直な方向に透過するようにしている。この
とき±ｍ次の透過回折光が重なり合った位置に４５’方
位の偏光板７２と受光素子８２を配置している。回折格
子３の移動に伴って受光素子８２から周波数ｆ、−ｆ２
のビート信号が位相変化した信号として得られる。

第２実施例では±ｍ次の回折を１回だけ受けた光束を利
用しているので、回折格子３がＸだけ移動したときの位
相変化は４ｍπｘ　／　Ｐと、第１実施例の１／２とな
っている。

第２実施例では第１図の実施例に比べて反射光学系２０
及び属波長板５２．６３が不要となり、装置全体が簡素
化されている。又、±ｍ次の回折を１回だけ受けた光束
を利用しているので光量の損失も少い等の特長を有して
いる。

第３図に示す第３実施例においては変調手段として音響
光学変調器１５．．１５□を用いて周波数ｆ、、ｆ２の
２つの光束を得ている。

この為、本実施例ではレーザ１は通常の単一・波長発振
用のレーザな用いている。この他の構成は第２図に示す
実施例と同様である。又、この単一波長発振用レーザと
してはガスレーザ、半導体レーザな使用する。特に半導
体レーザな使用すれば装置の小型化に貢献できる。

本実施例において、基準ビート信号の発生は、音響光学
変調器１５．．１５２により回折された周波数ｆ、、ｆ
、の光の周波数ｆ、−ｆ２を周波数発生器が各音響光学
変調器１５．．１５２に与える信号に基ついて求め、周
波数ｔ’＜＝ｔ＋−ｆ２）なるビート信号を電気的に形
成することにより行う。これによれば光学系を簡素化で
きる。

第４．第６図は各々本発明の第４．第５実施例の光学系
の概略図である。第５図は第４図の断面模式図である。

第４．第５実施例においては変調手段として円周上に回
折格子を回転方向に沿って形成した円板から成る回転回
折格子４１を用いて周波数ｆｌ。

ｆ２の２つの光束を得ている。

第４．第５図に示す第４実施例において４１は回転数Ω
の一定周期で回転しているスリット数又は溝数が８本の
円板状の回転回折格子、１２□。

１２２は反射鏡、４２は回転回折格子４１を回転数Ωで
回転させているモーターである。本実施例ではレーザ１
からの可干渉性光束をコリメーターレンズ２によって略
平行光束とし、回転回折格子４１に入射させる。回転回
折格子４１の光束入射位置での半径なｒ、入射位置での
周方向ピッチをＰｏ、回転回折格子４１で発生するｎ次
回杭先の回折角をφ。とすると、回転数Ωの回転回折格
子４１で発生するｎ次の回折光は（７）式で表わされる
周波数ｆ、たけドツプラーシフトするｆ、−２ｒｔｒΩ
ｓｉｎφ。／λ　　　−−−−−−−−−（７）λ：レ
ーザ１の波長 ｎ次回杭先の回折条件であるｓｉｎφ。・ｎλ／ｐ、及
びＰ、＝２πｒ　／　Ｎより、 ｆ、−ｎＮΩ　　　　　　　　　・・・・・・・−（８
）となる。

今、レーザｌの周波数をｆｏとすると、回転回折格子４
１で発生する±ｎ次の回折光の周波数は各々ｆ０＋ｆ、
、ｆ０−ｆ、にドツプラーシフトする。こうしてドツプ
ラー周波数シフトを受けた±ｎ次の回折光は反射鏡１２
．．１２．を介して回折格子３に入射する。このとき対
象とする回折格子３からのｍ次回杭先が、回折格子３か
ら略垂直に透過するように（１）式を満足するように入
射させている。

回折格子３からほぼ垂直に射出した±ｍｍ次回先光重な
り合って受光素子８３に入射する。受光素子８３からは
回折格子３の移動に伴って位相変化を受けた周波数ｆ。

十ｆｔ、ｆｏ−ｆｔのビート信号が得られる。

今、回折格子３が第４図の矢印の方向にＸだけ移動する
と第４図において周波数ｆ０＋ｆ、の光束の位相は２ｍ
πｘ／Ｐだけ遅れる。一方、周波数ｆ。−ｆｌの光束の
位相は２ｍπｘ　／　Ｐだけ進む。即ち、回折格子３に
より、はぼ垂直な方向に回折されて、受光素子８３の２
つの光束は（９）。

（ｌＯ）式にようになる。

ＥＩ−ａｌ　ｅＸｐ　［ｉ　（２ｙｃ　（ｆｏ＋　ｆ、
）ｔ＋２ｍｙｒｘ／Ｐ＋φ、　）　］−（９）Ｅ２”　
ａ２ｅｘｐ　［ｉ　（２ｙｚ　（ｆ、　−ｆ、）ｔ−２
ａ＋πｘ／Ｐ＋φ２　）　］−（±ｎ）ここで、φ１．
φ２はレーザ１を出てからの光路長に基く位相で、回折
格子３の移動によっては変化しない位相である。

受光素子８３の出力Ｉは、 Ｉ・ＩＥＩ　”　Ｅ２１２ 寓　［ａ、２　　＋　　　　２２　　＋　　２ａ、ａ　
２ｃｏｓ　　（４π　ｆ、ｔ＋４ｍ７ｒｘ／Ｐ＋φ１−
φ２）］／２・・・・・・・・・・−（１１） である。（ｌり式においてφ、−φ２は回折格子３の移
動によっては変化しない項である。

即ち、回折格子３の移動Ｍｘは回転回折格子４１による
ドツプラーシフトを受けたｆＯ＋ｆｌとｆ。−ｆ、のビ
ート信号、即ち、周波数２ｆ。

の信号の位相変化として検出できる。

尚、本実施例で周波数２ｆ、の基準ビート信号はモータ
４２からの信号に基づいて回転回折格子４１の回転速度
を求めることにより（り式に基づいて算出する。そして
、この結果、位相差計内部の発振回路で周波数２ｆ、の
ビート信号を電気的に発生させる。

例えば、回転回折格子４１のスリット数Ｎを±ｎ．００
０本、回転数を３０００ｒｐｍ　（５０ｒｐｓ）とする
と、回転回折格子４１による１次回折光のドップラー周
波数シフトＮ　ｆ＋は（８）式より ｆ、　−±ｎ，０００Ｘ　５０−５００　Ｋｌ、ｌとな
る。そして回折格子３のピッチ３．２μｍ、回折光とし
て１次（０１−１＞を利用したとして、受光素子８３の
出力の位相変化が１°あったときの回折格子３の移動量
Ｘは（４πｘ／３．２）Ｘ　ｔａｏ’７　πｍｌ’より
、ｘ　＝　０．００４μｍである。

即ち、１°の位相変化の測定により、回折格子３の移動
＠０．００４μｍ、即ち４ｎｍが検出できることになる
。つまり、２ｆ、＝ＩＭＨ２の基準信号に対する位相変
化を検出すれば良い。

電気的に位相を検出することは容易であり、図示する位
相差計により上記のようにｎｍオーダーの高分解能測定
が可能である。又、位相測定のため、レーザ１の出力変
化や回折格子３の回折効率変化があっても測定精度に影
響を与えない、高精度な測定が可能である。

又、回折格子３の移動方向も基準信号に対する位相変化
の正負の方向として判別できる。

第６図に示す第５実施例において６１はケスタープリズ
ム、６２はビームスプリッタ−である。第６図において
、レーザ１から出た可干渉光束はコリメーターレンズ２
によって略平行光束とし、ケスタープリズム６１に入射
する。ケスタープリズム６１によって互いに分離された
２つの光束は回転回折格子４１に入射し、回転回折格子
４１によって周波数シフトを受けた±ｎ次の透過回折光
が回折格子３に入射する。そして第４図に示す実施例と
同じく受光素子８．で回折格子３の移動によって位相変
化を受けた２ｆ、のビート信号を検出している。

一方１回転回折格子４１で反射回折された±ｎ次の回折
光はビームスプリッタ−６２で重ね合わされて受光素子
８４に入射する。受光素子８４からは２ｆ、のビート信
号が得られ、受光素子８３の信号の位相変化を検出する
ための基準信号となる。従って、回転回折格子４１の回
転数が一定でなくても、受光素子８３の位相変化信号と
受光素子８４の基準信号との位相差により、回折格子３
の移動量を正確に測定することができる。

尚、以上の各実施例では回折格子の一定方向への変位量
を測定する例について説明したが、回転物体の周囲に該
物体の回転方向に沿って形成された回折格子の回転角度
を測定する測角用のロータリーエンコーダーについても
全く同様に本発明を適用することができる。

又、回折格子に指向するレーザ光の周波数をシフトさせ
る為の手段としては、音響光学装置の他に、例えばｒＯ
ＰＴＩｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ」１１＠１１号Ｐ７１８〜
Ｐ７２０　（１９８６年１１月）に示される局波長板を
回転させる方法やＵＳＰ４，３９７，５５０に示される
可動な透明くさびを光路中に挿入させて移動させること
により光路長を変化（一方の光の）させる手段等が考え
られる。

（発明の効果） 本発明によれば変調手段を用い周波数の異なった２つの
光束を回折格子に入射させ、回折格子からの回折光を互
いに重ね合わせて形成した干渉縞の強度変化を測定する
代わりに干渉縞の位相変化を測定することにより、レー
ザの出力変化や回折格子の回折効率変化があっても測定
精度が低下することをく常に高精度な測定が可能な変位
測定装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１．第２．第３．第４．第６図は順に本発明の第１〜
第５実施例の光学系の概略図、第５図は第４図の断面模
式図、第７図は従来のリニアエンコーダーの概略図であ
る。 図中、１はレーザ、２はコリメーターレンズ、３は回折
格子、９は２周波光束を発振するレーザ、５６．５□、
５３はイ波長板、７．．７２は偏光板、８３．８□、８
．．８４は受光素子、±ｎ．６２はビームスプリッタ−
１１１は偏光ビームスプリッタ−１１２，，１２２は反
射鏡、１３は光学部材、１４は反射鏡、２０は反射光学
系、１５．．１５．は音響光学変調器、４１は回転回折
格子、４２はモーター、６１はケスタープリズムである
。 第　　４　　回

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに周波数が異なる第１と第２の光を回折格子
   に指向し、前記第１と第２の光を前記回折格子で回折さ
   せて第１の回折光と第２の回折光を形成し、前記第１と
   第２の回折光を干渉させて所定のビート信号を得、前記
   第１と第２の光の周波数差に基づく基準ビート信号に対
   する前記所定のビート信号の位相変化を検出し、前記回
   折格子の変位を測定する装置であって、レーザと移動可
   能な第２の回折格子とを有し、前記レーザからの光を前
   記第２の回折格子に入射せしめ、該第２の回折格子によ
   り前記第１と第２の光を形成したことを特徴とする変位
   測定装置。
2. （２）前記第１と第２の光は、前記第２の回折格子で生
   じた±ｎ次の透過回折光であり、前記第２の回折格子で
   生じる±ｎ次の反射回折光同志を干渉させて前記基準ビ
   ート信号を形成することを特徴とする請求項１記載の変
   位測定装置。
3. （３）前記第２の回折格子は、一定速度で回転する円板
   の円周上に該円板の回転方向に沿って形成されているこ
   とを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
4. （４）互いに周波数が異なる第１と第２の光を供給する
   手段と、前記第１と第２の光を回折格子に入射させる手
   段と、前記回折格子で生じる前記第１と第２の光の回折
   光を再度前記回折格子に入射せしめる反射手段と、前記
   第１と第２の光の再回折光を干渉させて所定のビート信
   号を形成する為の手段と、前記第１と第２の光の周波数
   差に基づく基準ビート信号を形成する手段と、前記基準
   ビート信号に対する前記所定のビート信号の位相変化を
   検出する手段とを有し、該検出手段からの出力信号に基
   づいて前記回折格子の変位を測定することを特徴とする
   変位測定装置。
5. （５）前記供給手段はゼーマンレーザから成ることを特
   徴とする請求項４記載の変位測定装置。