JPH0615977B2 - 格子干渉型変位計 - Google Patents
格子干渉型変位計Info
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- JPH0615977B2 JPH0615977B2 JP32258888A JP32258888A JPH0615977B2 JP H0615977 B2 JPH0615977 B2 JP H0615977B2 JP 32258888 A JP32258888 A JP 32258888A JP 32258888 A JP32258888 A JP 32258888A JP H0615977 B2 JPH0615977 B2 JP H0615977B2
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Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Description
本発明は、格子干渉型変位計に係り、特に、スケール表
面の表面度が悪い場合でも、安定した干渉を保つことが
可能な格子干渉型変位計に関する。
面の表面度が悪い場合でも、安定した干渉を保つことが
可能な格子干渉型変位計に関する。
一定ピツチの光学的な目盛が形成されたスケールを用い
て、周期的な検出信号を生成する光電型エンコーダが普
及している。この光電型エンコーダの分解能は、光学格
子の幅及びピツチと、光電変換後の信号を分割する電子
回路の特性により定まる。一般に、光学格子は、エツチ
ング法により製造されるので、４μｍ前後の光学格子が
最終測定精度上限界に近く、又、電子回路も大幅なコス
トアツプを伴わない範囲で用いるとなると、最終的な分
解能は１μｍ前後であり、これを更に高精度化するのは
困難であつた。 一方、光電型エンコーダが普及するにつれて、より高分
解能で高精度な検出信号を生成するものが求められてい
る。 光電型エンコーダの高分解能化を図つたものの１つとし
て、スケールにホログラフイの技術を用いて微細なピツ
チ（通常１μｍ程度）の目盛を形成し、その目盛を回折
格子として積極的に回折を生じさせて検出信号を得る格
子干渉型変位計が提案されている。 第３図は、特開昭４７−１００３４で提案された格子干
渉型変位計を示すものである。この格子干渉型変位計
は、ピツチd の回折格子１０Ａが形成されたスケール
と、該回折格子１０Ａに光束としてのレーザビーム１４
（波長λ）を照射するＨe −Ｎe レーザ光源１２と、前
記回折格子１０Ａによつて生成された０次と１次の回折
光（光束）をそれぞれ反射するミラー１６、１８と、１
次側ミラー１８で反射された１次光の０次光と、０次側
ミラー１６で反射された０次光の１次光との混合波を３
分するビームスプリツタ（粗い回折格子）２０と、該ビ
ームスプリツタ２０で３分された混合波をそれぞれ光電
変換する受光素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとを含んで構
成されている。ここで、前記スケールを除く各要素は、
検出器を構成している。 なお、第３図において、０次光及び１次光の光路中にそ
れぞれ挿入された偏光子２４、２６の偏光方向は、互い
に直交するように設定されており、３分された中央の混
合波を受光する受光素子２２Ａでは干渉縞が生じないよ
うにされている。従つて、この受光素子２２Ａでは、干
渉縞ではなく、単なる和信号が得られるので、参照信号
Ｖｒとする。 又、受光素子２２Ｂの直前には干渉縞生成用の検光子２
８Ｂが配置され、この受光素子２８Ｂからは干渉縞によ
るＡｓ相検出信号φＡが生成される。 又、受光素子２２Ｃの直前には１／４波長板３０と検光
子２８Ｃが配置され、この受光素子２２Ｃからは、前記
Ａ相検出信号φＡと９０゜位相の異なるＢ相検出信号φ
Ｂが生成される。 ここで、レーザビーム１４の入射角θと、１次光の回折
角φとは、次式で関係付けられる。 d（ sinθ＋ sinφ）＝λ ………（１） このような格子干渉型変位計によれば、例えば回折格子
１０Ａをホログラム方式で製造することによつて、１μ
ｍ以下の光学格子を形成することができるので、０．０
１μｍの分解能を達成することも可能である。
て、周期的な検出信号を生成する光電型エンコーダが普
及している。この光電型エンコーダの分解能は、光学格
子の幅及びピツチと、光電変換後の信号を分割する電子
回路の特性により定まる。一般に、光学格子は、エツチ
ング法により製造されるので、４μｍ前後の光学格子が
最終測定精度上限界に近く、又、電子回路も大幅なコス
トアツプを伴わない範囲で用いるとなると、最終的な分
解能は１μｍ前後であり、これを更に高精度化するのは
困難であつた。 一方、光電型エンコーダが普及するにつれて、より高分
解能で高精度な検出信号を生成するものが求められてい
る。 光電型エンコーダの高分解能化を図つたものの１つとし
て、スケールにホログラフイの技術を用いて微細なピツ
チ（通常１μｍ程度）の目盛を形成し、その目盛を回折
格子として積極的に回折を生じさせて検出信号を得る格
子干渉型変位計が提案されている。 第３図は、特開昭４７−１００３４で提案された格子干
渉型変位計を示すものである。この格子干渉型変位計
は、ピツチd の回折格子１０Ａが形成されたスケール
と、該回折格子１０Ａに光束としてのレーザビーム１４
（波長λ）を照射するＨe −Ｎe レーザ光源１２と、前
記回折格子１０Ａによつて生成された０次と１次の回折
光（光束）をそれぞれ反射するミラー１６、１８と、１
次側ミラー１８で反射された１次光の０次光と、０次側
ミラー１６で反射された０次光の１次光との混合波を３
分するビームスプリツタ（粗い回折格子）２０と、該ビ
ームスプリツタ２０で３分された混合波をそれぞれ光電
変換する受光素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとを含んで構
成されている。ここで、前記スケールを除く各要素は、
検出器を構成している。 なお、第３図において、０次光及び１次光の光路中にそ
れぞれ挿入された偏光子２４、２６の偏光方向は、互い
に直交するように設定されており、３分された中央の混
合波を受光する受光素子２２Ａでは干渉縞が生じないよ
うにされている。従つて、この受光素子２２Ａでは、干
渉縞ではなく、単なる和信号が得られるので、参照信号
Ｖｒとする。 又、受光素子２２Ｂの直前には干渉縞生成用の検光子２
８Ｂが配置され、この受光素子２８Ｂからは干渉縞によ
るＡｓ相検出信号φＡが生成される。 又、受光素子２２Ｃの直前には１／４波長板３０と検光
子２８Ｃが配置され、この受光素子２２Ｃからは、前記
Ａ相検出信号φＡと９０゜位相の異なるＢ相検出信号φ
Ｂが生成される。 ここで、レーザビーム１４の入射角θと、１次光の回折
角φとは、次式で関係付けられる。 d（ sinθ＋ sinφ）＝λ ………（１） このような格子干渉型変位計によれば、例えば回折格子
１０Ａをホログラム方式で製造することによつて、１μ
ｍ以下の光学格子を形成することができるので、０．０
１μｍの分解能を達成することも可能である。
しかしながら、前記回折格子１０Ａが形成されたスケー
ル１０のガラス表面の平面度が悪いと、第３図に示した
ような透過型の格子干渉型変位計の場合、第４図（スケ
ール下面の平面度不良の場合）に矢印Ａで示す如く、屈
折角に差が生じて光束が曲つてしまい、受光素子２２
Ｂ、２２Ｃに入射する２本の光の進行方向は互いに傾斜
し、その方向に直交する光波面は縞状に合成された状態
となり、ビームの重合断面全面に均一な光の干渉を得る
ことができなかつた。そのために従来はスケールの平面
度を５μｍ／１００mm以下に保持しなければならない
上、他の要因によつて光軸方向が傾斜した場合信号が検
出できないという問題点を有していた。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、スケール表面の平面度不良や傾き、ピツチング等
による影響を少なくして、安定した干渉信号を得ること
ができることが可能な格子干渉型変位計を提供すること
を課題とする。
ル１０のガラス表面の平面度が悪いと、第３図に示した
ような透過型の格子干渉型変位計の場合、第４図（スケ
ール下面の平面度不良の場合）に矢印Ａで示す如く、屈
折角に差が生じて光束が曲つてしまい、受光素子２２
Ｂ、２２Ｃに入射する２本の光の進行方向は互いに傾斜
し、その方向に直交する光波面は縞状に合成された状態
となり、ビームの重合断面全面に均一な光の干渉を得る
ことができなかつた。そのために従来はスケールの平面
度を５μｍ／１００mm以下に保持しなければならない
上、他の要因によつて光軸方向が傾斜した場合信号が検
出できないという問題点を有していた。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、スケール表面の平面度不良や傾き、ピツチング等
による影響を少なくして、安定した干渉信号を得ること
ができることが可能な格子干渉型変位計を提供すること
を課題とする。
本発明は、回折格子が形成されたスケールと、前記回折
格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格子によつ
て生成された複数の光束の混合波を光電変換する受光素
子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器の相対
変位に応じて、周期的に変化する検出信号を生成する格
子干渉型変位計において、前記光源からの光束を分割し
て前記回折格子に入射する光学要素と、前記回折格子を
透過した各０次光をそれぞれ同じ方向に返して回折格子
に再入射するための複数の反射手段とを備え、該複数の
反射手段から再入射される０次反射光により回折格子で
それぞれ生成され１次回折光を混合することにより、前
記課題を達成したものである。
格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格子によつ
て生成された複数の光束の混合波を光電変換する受光素
子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器の相対
変位に応じて、周期的に変化する検出信号を生成する格
子干渉型変位計において、前記光源からの光束を分割し
て前記回折格子に入射する光学要素と、前記回折格子を
透過した各０次光をそれぞれ同じ方向に返して回折格子
に再入射するための複数の反射手段とを備え、該複数の
反射手段から再入射される０次反射光により回折格子で
それぞれ生成され１次回折光を混合することにより、前
記課題を達成したものである。
従来、スケール表面の平面度不良やスケールの傾きによ
り屈折角（透過型の場合）や回折角（反射型の場合）に
差が生じた場合、受光素子２２Ｂ、２２Ｃに入射する２
本の光の進行方向は互いに傾斜し、その方向に直交する
光波面は縞状に合成された状態となり、ビームの重合断
面全面に均一な光の干渉を得ることができなかつた。そ
のためにスケールの平面度を高精度に保持しなければな
らない上、他の要因によつて、両ビームの相対的進行方
向が傾斜した場合、信号が検出できないことがあり、測
定誤差が発生するという問題があつた。ところで、前出
第４図に示した如く、スケール１０を透過した０次光
も、回折格子１０Ａで回折した１次光と同じように平面
度の影響を受けており、回折効率の点で、０次光の光量
（８０％程度）は、１次光の光量（２０％程度）よりも
非常に大きい。本発明は、この点に着目してなされたも
ので、第２図に示す如く、回折格子（１０）を透過した
０次光を、例えば直角プリズム４０や、コーナーキユー
ブ、キヤツツアイ等の三角プリズムを用いて同じ方向に
返して回折格子に再入射することで、回折格子によつて
生成された複数の光束が各々の設計上の進行方向に対し
て平行に進むようにしたので、スケールの平面度が１５
μｍ／１００mm以上であつても、安定した干渉信号を得
ることができるようになつた。又、他の要因によつて光
軸が傾斜しても安定した信号が得られるようになつた。 このようにして、スケール表面の平面度不良やスケール
取付け時のアライメント変動によるピツチング（傾き）
によらず、回折後の光束を常に同じ方向に進ませること
ができ、安定した干渉を保つことが可能となる。このよ
うにして、光学系をより安定なものにすれば、スケール
表面の平面度不良やピツチング等の影響が少なくなり、
より安定した信号を得ることができる。従つて、使用ス
ケールの平面度や取付け時のアライメントの許容値が向
上し、安価なスケールを使用することができ、アライメ
ントを簡単なものとすることができる。更に、光源から
照射された光束が光源に戻らないので、レーザダイオー
ド等の戻り光の影響を受ける光源を用いた場合でも、発
振が安定し、ノイズが少なくなる。 なお、第３図に示した従来例において、ミラー１６及び
１８を例えば直角プリズムに変更することも考えられる
が、その場合には、ミラー１８によつて反射される光が
１次回折光であり、既に光源の光量の２０％程度となつ
ているので、これを更に回折させた場合の１−１次回折
光の光量は光源光量の４％程度となつてしまうため、検
出器として高感度なものを用いたり、光源の容量を大き
くする必要がある。これに対して本発明によれば、０次
光を反射するようにしているので、０−１次回折光の光
量は光源光量の１６％程度確保でき、検出器の応答速度
を向上したり、光源を小型化することが可能である。
り屈折角（透過型の場合）や回折角（反射型の場合）に
差が生じた場合、受光素子２２Ｂ、２２Ｃに入射する２
本の光の進行方向は互いに傾斜し、その方向に直交する
光波面は縞状に合成された状態となり、ビームの重合断
面全面に均一な光の干渉を得ることができなかつた。そ
のためにスケールの平面度を高精度に保持しなければな
らない上、他の要因によつて、両ビームの相対的進行方
向が傾斜した場合、信号が検出できないことがあり、測
定誤差が発生するという問題があつた。ところで、前出
第４図に示した如く、スケール１０を透過した０次光
も、回折格子１０Ａで回折した１次光と同じように平面
度の影響を受けており、回折効率の点で、０次光の光量
（８０％程度）は、１次光の光量（２０％程度）よりも
非常に大きい。本発明は、この点に着目してなされたも
ので、第２図に示す如く、回折格子（１０）を透過した
０次光を、例えば直角プリズム４０や、コーナーキユー
ブ、キヤツツアイ等の三角プリズムを用いて同じ方向に
返して回折格子に再入射することで、回折格子によつて
生成された複数の光束が各々の設計上の進行方向に対し
て平行に進むようにしたので、スケールの平面度が１５
μｍ／１００mm以上であつても、安定した干渉信号を得
ることができるようになつた。又、他の要因によつて光
軸が傾斜しても安定した信号が得られるようになつた。 このようにして、スケール表面の平面度不良やスケール
取付け時のアライメント変動によるピツチング（傾き）
によらず、回折後の光束を常に同じ方向に進ませること
ができ、安定した干渉を保つことが可能となる。このよ
うにして、光学系をより安定なものにすれば、スケール
表面の平面度不良やピツチング等の影響が少なくなり、
より安定した信号を得ることができる。従つて、使用ス
ケールの平面度や取付け時のアライメントの許容値が向
上し、安価なスケールを使用することができ、アライメ
ントを簡単なものとすることができる。更に、光源から
照射された光束が光源に戻らないので、レーザダイオー
ド等の戻り光の影響を受ける光源を用いた場合でも、発
振が安定し、ノイズが少なくなる。 なお、第３図に示した従来例において、ミラー１６及び
１８を例えば直角プリズムに変更することも考えられる
が、その場合には、ミラー１８によつて反射される光が
１次回折光であり、既に光源の光量の２０％程度となつ
ているので、これを更に回折させた場合の１−１次回折
光の光量は光源光量の４％程度となつてしまうため、検
出器として高感度なものを用いたり、光源の容量を大き
くする必要がある。これに対して本発明によれば、０次
光を反射するようにしているので、０−１次回折光の光
量は光源光量の１６％程度確保でき、検出器の応答速度
を向上したり、光源を小型化することが可能である。
以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。 本実施例は、第１図に示す如く、前記従来例と同様の、
回折格子が形成された透過型のスケール１０と、光源と
してのレーザダイオード（ＬＤ）４２と、例えばＰＩＮ
フオトダイオードから成る受光素子２２Ａ１、２２
Ａ２、２２Ｂ、２２Ｃ、偏光板２４、２６、検光子２８
Ｂ、２８Ｃ、１／４波長板３０を含む検出器とを備え、
前記スケール１０と検出器の相対変位に応じて周期的に
変化する検出信号を生成する透過型の格子干渉型の変位
計において、前記レーザダイオード４２からのレーザビ
ーム１４を２分して前記スケール１０上の回折格子に入
射するビームスプリツタ４４と、スケール１０に対して
同一の入射角θ（θφとなるようにθを設定すること
により、φはより安定する）でそれぞれ左右対称にスケ
ール１０に入射され、該スケール１０上の回折格子を通
過した各０次光をそれぞれ同じ方向に返して回折格子に
再入射するための直角プリズム４０Ａ、４０Ｂと、該直
角プリズム４０Ａ、４０Ｂから再入射される０次反射光
により、回折格子でそれぞれ生成された１次回折光をそ
れぞれ反射しつつ分離するビームスプリツタ４６Ａ、４
６Ｂと、該ビームスプリツタ４６Ａ、４６Ｂで分離され
た回折光を光電変換して参照信号Ｖr ＝（Ｖra＋Ｖrb）
÷２を得るための前記受光素子２２Ａ１、２２Ａ２と、
前記ビームスプリツタ４６Ａ、４６Ｂで反射された回折
光を再び混合するためのハーフミラー４８とを備えたも
のである。 このように、直角プリズム４０Ａ、４０Ｂを設けて、回
折格子を透過した各０次光をそれぞれ同じ方向に返して
回折格子に再入射することによつて、スケール１０の平
面度によつて屈折した光を同じ角度で再入射させるの
で、屈折の影響が相殺され、左右２本の光束の回折角φ
は常に等しくなる。従つて、スケール表面の平面度不良
やアライメント不良によるスケールのピツチング等に拘
らず、常に一定方向の１次回折光を得ることができ、安
定した干渉信号を得ることができる。 本実施例においては、回折光を、ビームスプリツタ４６
Ａ、４６Ｂを用いて１度反射した後、ハーフミラー４８
により混合する、左右対称のいわゆる多段型の構成とし
ているので、レーザダイオード４２の波長λが変化して
も、１次光の回折光φが共通であるため、各受光素子２
２Ｂ、２２Ｃに入射する方向はほぼ一定である。従つ
て、光源の波長変動や、スケール１０上のローリング及
びギヤツプ変動といつた、大きいが対称的な変動も吸収
され、このような変動の影響を受けることがない。 又、スケール１０表面での反射光も、直接受光素子に入
射することがない。 本実施例においては、回折格子を透過した０次光を反射
する手段として直角プリズムが用いられていたが、コー
ナーキユーブやキヤツツアイ等の三角プリズムを用いる
ことも可能である。この場合には、第１図の紙面と垂直
方向に回折点を横ずらしすることができる。 なお前記実施例においては、光源としてレーザダイオー
ド４２が用いられていたが、光源の種類はこれに限定さ
れない。
る。 本実施例は、第１図に示す如く、前記従来例と同様の、
回折格子が形成された透過型のスケール１０と、光源と
してのレーザダイオード（ＬＤ）４２と、例えばＰＩＮ
フオトダイオードから成る受光素子２２Ａ１、２２
Ａ２、２２Ｂ、２２Ｃ、偏光板２４、２６、検光子２８
Ｂ、２８Ｃ、１／４波長板３０を含む検出器とを備え、
前記スケール１０と検出器の相対変位に応じて周期的に
変化する検出信号を生成する透過型の格子干渉型の変位
計において、前記レーザダイオード４２からのレーザビ
ーム１４を２分して前記スケール１０上の回折格子に入
射するビームスプリツタ４４と、スケール１０に対して
同一の入射角θ（θφとなるようにθを設定すること
により、φはより安定する）でそれぞれ左右対称にスケ
ール１０に入射され、該スケール１０上の回折格子を通
過した各０次光をそれぞれ同じ方向に返して回折格子に
再入射するための直角プリズム４０Ａ、４０Ｂと、該直
角プリズム４０Ａ、４０Ｂから再入射される０次反射光
により、回折格子でそれぞれ生成された１次回折光をそ
れぞれ反射しつつ分離するビームスプリツタ４６Ａ、４
６Ｂと、該ビームスプリツタ４６Ａ、４６Ｂで分離され
た回折光を光電変換して参照信号Ｖr ＝（Ｖra＋Ｖrb）
÷２を得るための前記受光素子２２Ａ１、２２Ａ２と、
前記ビームスプリツタ４６Ａ、４６Ｂで反射された回折
光を再び混合するためのハーフミラー４８とを備えたも
のである。 このように、直角プリズム４０Ａ、４０Ｂを設けて、回
折格子を透過した各０次光をそれぞれ同じ方向に返して
回折格子に再入射することによつて、スケール１０の平
面度によつて屈折した光を同じ角度で再入射させるの
で、屈折の影響が相殺され、左右２本の光束の回折角φ
は常に等しくなる。従つて、スケール表面の平面度不良
やアライメント不良によるスケールのピツチング等に拘
らず、常に一定方向の１次回折光を得ることができ、安
定した干渉信号を得ることができる。 本実施例においては、回折光を、ビームスプリツタ４６
Ａ、４６Ｂを用いて１度反射した後、ハーフミラー４８
により混合する、左右対称のいわゆる多段型の構成とし
ているので、レーザダイオード４２の波長λが変化して
も、１次光の回折光φが共通であるため、各受光素子２
２Ｂ、２２Ｃに入射する方向はほぼ一定である。従つ
て、光源の波長変動や、スケール１０上のローリング及
びギヤツプ変動といつた、大きいが対称的な変動も吸収
され、このような変動の影響を受けることがない。 又、スケール１０表面での反射光も、直接受光素子に入
射することがない。 本実施例においては、回折格子を透過した０次光を反射
する手段として直角プリズムが用いられていたが、コー
ナーキユーブやキヤツツアイ等の三角プリズムを用いる
ことも可能である。この場合には、第１図の紙面と垂直
方向に回折点を横ずらしすることができる。 なお前記実施例においては、光源としてレーザダイオー
ド４２が用いられていたが、光源の種類はこれに限定さ
れない。
第１図は、本発明に係る格子干渉型変位計の実施例の構
成を示す正面図、 第２図は、本発明の原理を説明するための光路図、 第３図は、従来の格子干渉型変位計の一例の構成を示す
正面図、 第４図は、従来例において、平面度不良により光束が曲
つている状態を示す断面図である。 １０……スケール、 １０Ａ……回折格子、 １４……レーザビーム（光束）、 ４０、４０Ａ、４０Ｂ……直角プリズム、 ４２……レーザダイオード（ＬＤ）、 ４４……ビームスプリツタ、 ４８……ハーフミラー。
成を示す正面図、 第２図は、本発明の原理を説明するための光路図、 第３図は、従来の格子干渉型変位計の一例の構成を示す
正面図、 第４図は、従来例において、平面度不良により光束が曲
つている状態を示す断面図である。 １０……スケール、 １０Ａ……回折格子、 １４……レーザビーム（光束）、 ４０、４０Ａ、４０Ｂ……直角プリズム、 ４２……レーザダイオード（ＬＤ）、 ４４……ビームスプリツタ、 ４８……ハーフミラー。
Claims (1)
- 【請求項１】回折格子が形成されたスケールと、 前記回折格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格
子によつて生成された複数の光束の混合波を光電変換す
る受光素子を含む検出器とを備え、 前記スケールと検出器の相対変位に応じて、周期的に変
化する検出信号を生成する格子干渉型変位計において、 前記光源からの光束を分割して前記回折格子に入射する
光学要素と、 前記回折格子を透過した各０次光をそれぞれ同じ方向に
返して回折格子に再入射するための複数の反射手段とを
備え、 該複数の反射手段から再入射される０次反射光により回
折格子でそれぞれ生成された１次回折光を混合すること
を特徴とする格子干渉型変位計。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32258888A JPH0615977B2 (ja) | 1988-12-21 | 1988-12-21 | 格子干渉型変位計 |
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| JP32258888A JPH0615977B2 (ja) | 1988-12-21 | 1988-12-21 | 格子干渉型変位計 |
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Family Applications (1)
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-
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- 1988-12-21 JP JP32258888A patent/JPH0615977B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH02167428A (ja) | 1990-06-27 |
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