JPH0625675B2 - 平均化回折モアレ位置検出器 - Google Patents
平均化回折モアレ位置検出器Info
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- JPH0625675B2 JPH0625675B2 JP1224016A JP22401689A JPH0625675B2 JP H0625675 B2 JPH0625675 B2 JP H0625675B2 JP 1224016 A JP1224016 A JP 1224016A JP 22401689 A JP22401689 A JP 22401689A JP H0625675 B2 JPH0625675 B2 JP H0625675B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、工作機械等における位置計測に利用される光
学式リニアエンコーダ、特に回折格子によるモアレ縞を
利用した位置検出器に関する。
学式リニアエンコーダ、特に回折格子によるモアレ縞を
利用した位置検出器に関する。
（従来の技術） ２枚１組の回折格子を重ね合わせて得られるモアレ縞は
横方向の相対変化に敏感であり、微妙なステップでの変
位の計数測定ができるため、測長法として広く利用され
て来た。
横方向の相対変化に敏感であり、微妙なステップでの変
位の計数測定ができるため、測長法として広く利用され
て来た。
２つの回折格子（以下、それぞれを第１格子，第２格子
と呼ぶ）は機械の相対的に変位する２つの部分に取付け
られて用いられるので、常に適当な間隙を保つ必要があ
る。一方、測長の分解能を上げるために上記各回折格子
の格子ピッチを小さくしていくと、光の回折効果の影響
が大きくなる。従って、第２格子上の第１格子の影は回
折効果で薄くなり、直接のモアレ縞を高い可視度で得る
ことはできなくなる。そこで、フーリエイメージ(Fouri
er Image) を利用した回折モアレが用いられるようにな
った。すなわち、第１格子を位相の揃った平行光束で照
射した場合、光の回折効果によりその後方に、格子のピ
ッチＰの２乗の２倍を波長λで除した距離の整数倍の位
置に格子と同じピッチを持った光の明暗分布（半整数倍
の位置には明暗の反転した光分布ができる）ができ、こ
の再生された光の明暗分布をフーリエイメージと言う。
そして、このフーリエイメージが形成される位置に第２
格子を置けば、第２格子からの回折光は２つの格子の横
方向の相対変位に対して、周期Ｐの明瞭なコントラスト
を持つようになり、これが回折モアレと呼ばれるもので
ある。この原理を利用して、半導体製造などの微細加工
におけるマスク合わせのような比較的測長距離の短い用
途への利用が研究されている（たとえばJ. VAC.SCI. TE
CHNOL. 15(1978)の 984ページ，同TECHNOL B1 (1983)
の1276ページ）。
と呼ぶ）は機械の相対的に変位する２つの部分に取付け
られて用いられるので、常に適当な間隙を保つ必要があ
る。一方、測長の分解能を上げるために上記各回折格子
の格子ピッチを小さくしていくと、光の回折効果の影響
が大きくなる。従って、第２格子上の第１格子の影は回
折効果で薄くなり、直接のモアレ縞を高い可視度で得る
ことはできなくなる。そこで、フーリエイメージ(Fouri
er Image) を利用した回折モアレが用いられるようにな
った。すなわち、第１格子を位相の揃った平行光束で照
射した場合、光の回折効果によりその後方に、格子のピ
ッチＰの２乗の２倍を波長λで除した距離の整数倍の位
置に格子と同じピッチを持った光の明暗分布（半整数倍
の位置には明暗の反転した光分布ができる）ができ、こ
の再生された光の明暗分布をフーリエイメージと言う。
そして、このフーリエイメージが形成される位置に第２
格子を置けば、第２格子からの回折光は２つの格子の横
方向の相対変位に対して、周期Ｐの明瞭なコントラスト
を持つようになり、これが回折モアレと呼ばれるもので
ある。この原理を利用して、半導体製造などの微細加工
におけるマスク合わせのような比較的測長距離の短い用
途への利用が研究されている（たとえばJ. VAC.SCI. TE
CHNOL. 15(1978)の 984ページ，同TECHNOL B1 (1983)
の1276ページ）。
一方、測長距離を長くし、かつ格子ピッチＰを小さくし
て測長精度を高くしようとすると、フーリエイメージの
できる距離 2P2 /λは格子ピッチＰの２乗に比例して急
激に短くなるため、長い距離にわたって２枚の回折格子
をフーリエイメージのできる間隙に精度良く保持するこ
とが困難となる。そして、格子の間隙がフーリエイメー
ジのできる位置からずれると、回折光の強度が大きく変
化して位置決めが不可能となる。たとえば格子ピッチＰ
を１μｍとし、0.633 μｍの波長λを用いたとすると、
格子の間隙Ｇは、回折格子の間隙Ｇと光の波長λとの積
を回折格子のピッチＰの２乗で除して得られるフレネル
数（λ・G)/P2 ＝２を与える 1.6μｍに対して、十分
に小さい変動の中に収められなければならない。そのた
め、回折モアレは一般の工作機械等における高精度な測
長法として利用できなかった。
て測長精度を高くしようとすると、フーリエイメージの
できる距離 2P2 /λは格子ピッチＰの２乗に比例して急
激に短くなるため、長い距離にわたって２枚の回折格子
をフーリエイメージのできる間隙に精度良く保持するこ
とが困難となる。そして、格子の間隙がフーリエイメー
ジのできる位置からずれると、回折光の強度が大きく変
化して位置決めが不可能となる。たとえば格子ピッチＰ
を１μｍとし、0.633 μｍの波長λを用いたとすると、
格子の間隙Ｇは、回折格子の間隙Ｇと光の波長λとの積
を回折格子のピッチＰの２乗で除して得られるフレネル
数（λ・G)/P2 ＝２を与える 1.6μｍに対して、十分
に小さい変動の中に収められなければならない。そのた
め、回折モアレは一般の工作機械等における高精度な測
長法として利用できなかった。
このような事情に対し、第１格子及び第２格子の間隙変
化に影響されず、かつ横方向変位に敏感な回折モアレ信
号を得て、高精度な位置検出を行なうことができる位置
検出器が本出願人によって開示されている（特開昭61-1
7016号公報参照）。この位置検出器は、第１格子及び第
２格子の有効対向面積の各部分において、各格子間の間
隙光路長を変化させて回折モアレ信号の平均値に相当す
る信号を得て、この平均値に現われる回折格子のピッチ
Ｐの２分の１を周期とする信号変化を用いて位置検出を
行なうものである。
化に影響されず、かつ横方向変位に敏感な回折モアレ信
号を得て、高精度な位置検出を行なうことができる位置
検出器が本出願人によって開示されている（特開昭61-1
7016号公報参照）。この位置検出器は、第１格子及び第
２格子の有効対向面積の各部分において、各格子間の間
隙光路長を変化させて回折モアレ信号の平均値に相当す
る信号を得て、この平均値に現われる回折格子のピッチ
Ｐの２分の１を周期とする信号変化を用いて位置検出を
行なうものである。
第７図〜第９図は、それぞれ上述した平均化回折モアレ
位置検出器の一例を示す斜視図であり、０次回折光を使
用した場合について以下説明する。
位置検出器の一例を示す斜視図であり、０次回折光を使
用した場合について以下説明する。
第７図において、先ず第１格子１をレーザ光LBにより照
射すると共に、第１格子１の後方に置かれた第２格子２
上に階段状の段差を持つ透明な板３を取付けている。段
差を持つ透明な板３は、光学的に間隙Ｇの範囲が G0 か
ら G0 + 2P2 / λになるように、高屈折率材料に階段を
付けたものであり、この段差を持つ透明な板３によりレ
ーザ光LBの各部分に光路差を与えるようになっている。
第７図における段差を持つ透明な板３は、光学的な距離
2P2 /λの範囲を５分割しているので、５段の段階状の
構造になっている。第２格子２の後方に一次元状に配列
されたレンズ群４は、第２格子２において５分割された
光学的距離の異なる領域を通ってきた光束をそれぞれ集
光させる。レンズ群４で集光された光をそれぞれフォト
ダイオード群５により別々に検出する。その後、演算増
幅器等で構成された加算器７によりフォトダイオード群
５の信号を加算して変位信号を得る。
射すると共に、第１格子１の後方に置かれた第２格子２
上に階段状の段差を持つ透明な板３を取付けている。段
差を持つ透明な板３は、光学的に間隙Ｇの範囲が G0 か
ら G0 + 2P2 / λになるように、高屈折率材料に階段を
付けたものであり、この段差を持つ透明な板３によりレ
ーザ光LBの各部分に光路差を与えるようになっている。
第７図における段差を持つ透明な板３は、光学的な距離
2P2 /λの範囲を５分割しているので、５段の段階状の
構造になっている。第２格子２の後方に一次元状に配列
されたレンズ群４は、第２格子２において５分割された
光学的距離の異なる領域を通ってきた光束をそれぞれ集
光させる。レンズ群４で集光された光をそれぞれフォト
ダイオード群５により別々に検出する。その後、演算増
幅器等で構成された加算器７によりフォトダイオード群
５の信号を加算して変位信号を得る。
第８図において、第１格子１と第２格子２とを平行に置
き、第２格子２にランダム光路差板９を取付ける。この
ランダム光路差板９は、レーザ光LBの各部分の光路差が
2P2 /λの範囲でランダムになるように凹凸を付けられ
た透明板で成る。レンズ群４によりレーザ光LBの各部分
は別々に拡散板10に集光され、レンズ群４の焦点は重な
らずに拡散板10上に一列に並ぶように構成する。レーザ
光LBが集光された各部分の光束は、拡散板10によりイン
コヒーレントな光となる。拡散板10により拡散された光
は凸レンズ11を通り、フォトダイオード等の光センサ12
により検出される。拡散板10を用いているため、異なる
間隙光路長を通ってきた光束は相互に干渉せずに平均化
される。
き、第２格子２にランダム光路差板９を取付ける。この
ランダム光路差板９は、レーザ光LBの各部分の光路差が
2P2 /λの範囲でランダムになるように凹凸を付けられ
た透明板で成る。レンズ群４によりレーザ光LBの各部分
は別々に拡散板10に集光され、レンズ群４の焦点は重な
らずに拡散板10上に一列に並ぶように構成する。レーザ
光LBが集光された各部分の光束は、拡散板10によりイン
コヒーレントな光となる。拡散板10により拡散された光
は凸レンズ11を通り、フォトダイオード等の光センサ12
により検出される。拡散板10を用いているため、異なる
間隙光路長を通ってきた光束は相互に干渉せずに平均化
される。
第９図において、第１格子１をレーザー光LBに対して垂
直に置き、第２格子２を第１格子１に対して傾斜させて
配置する。そして、各回折格子１及び２の間隙が、各回
折格子１及び２の有効対向面積において、 2p2/λの範
囲を含むように調節する。各回折格子１及び２を透過し
た光のうち０次回折光L0のみが後方に配置された光電変
換素子13の受光面に入射して検出される。
直に置き、第２格子２を第１格子１に対して傾斜させて
配置する。そして、各回折格子１及び２の間隙が、各回
折格子１及び２の有効対向面積において、 2p2/λの範
囲を含むように調節する。各回折格子１及び２を透過し
た光のうち０次回折光L0のみが後方に配置された光電変
換素子13の受光面に入射して検出される。
上述した各平均化回折モアレ位置検出器では、ある位置
において得られる光量，即ち光電変換素子等で変換され
る電気信号を検知して対応する位置データを出力した
り、互いに位相の異なる複数の光量の関係から対応する
位置データを出力することによって精密に位置を検出し
ている。
において得られる光量，即ち光電変換素子等で変換され
る電気信号を検知して対応する位置データを出力した
り、互いに位相の異なる複数の光量の関係から対応する
位置データを出力することによって精密に位置を検出し
ている。
しかしながら、例えば光源から発する光量が劣化した
り、何らかの原因で変化したりすると、同一位置におい
ても光量が一定でなくなり、検出する位置に誤差が生じ
てしまう。
り、何らかの原因で変化したりすると、同一位置におい
ても光量が一定でなくなり、検出する位置に誤差が生じ
てしまう。
第10図及び第11図は上述した欠点を解消する平均化回折
モアレ位置検出器の光学系の一例を示す斜視図及び処理
回路の一例を示すブロック図であり、第１格子１をレー
ザ光LBに対して垂直に置き、第２格子２を第１格子１に
対して傾斜させて配置する。そして、第１格子１と第２
格子２の格子部2A,2B との間隙が第１格子１と第２格子
２の格子部2A,2B との有効対向面積において2P2/λの範
囲を含むように調節する。第１格子１及び第２格子２の
格子部2A,2B を透過した光のうち０次回折光はシリンド
リカルレンズ23で集光され、後方に配置された測定用光
電変換素子14A,14B の受光面に入射して検出される。こ
こで、第２格子２の格子部2A,2B の各格子線の位相は変
位方向にずれており、各格子部2A,2B を透過した光が入
射する測定用光電変換素子14A,14B には第１格子１の変
位に伴って異なる位相の電気信号が発生する。一方、第
１格子１の近傍には第１格子１の長手方向に細長く光を
透過する光量モニタ用透過部17が設けられており、レー
ザ光LBの一部はこの光量モニタ用透過部17を透過して光
量モニタ用光電変換素子16に入射し、光量に応じた電気
信号に変換される。測定用光電変換素子14A,14B からの
電気信号VA,VB が較正器18A,18B にそれぞれ送出され、
光量モニタ用光電変換素子16からの電気信号SLによって
較正され、信号／位置変換器19に送出されて位置データ
に変換される。
モアレ位置検出器の光学系の一例を示す斜視図及び処理
回路の一例を示すブロック図であり、第１格子１をレー
ザ光LBに対して垂直に置き、第２格子２を第１格子１に
対して傾斜させて配置する。そして、第１格子１と第２
格子２の格子部2A,2B との間隙が第１格子１と第２格子
２の格子部2A,2B との有効対向面積において2P2/λの範
囲を含むように調節する。第１格子１及び第２格子２の
格子部2A,2B を透過した光のうち０次回折光はシリンド
リカルレンズ23で集光され、後方に配置された測定用光
電変換素子14A,14B の受光面に入射して検出される。こ
こで、第２格子２の格子部2A,2B の各格子線の位相は変
位方向にずれており、各格子部2A,2B を透過した光が入
射する測定用光電変換素子14A,14B には第１格子１の変
位に伴って異なる位相の電気信号が発生する。一方、第
１格子１の近傍には第１格子１の長手方向に細長く光を
透過する光量モニタ用透過部17が設けられており、レー
ザ光LBの一部はこの光量モニタ用透過部17を透過して光
量モニタ用光電変換素子16に入射し、光量に応じた電気
信号に変換される。測定用光電変換素子14A,14B からの
電気信号VA,VB が較正器18A,18B にそれぞれ送出され、
光量モニタ用光電変換素子16からの電気信号SLによって
較正され、信号／位置変換器19に送出されて位置データ
に変換される。
このような構成の平均化回折モアレ位置検出器によれ
ば、光源の発光量が変化したり、第１格子の透過率が変
化しても、検出する位置に誤差が生じることはない。
ば、光源の発光量が変化したり、第１格子の透過率が変
化しても、検出する位置に誤差が生じることはない。
（発明が解決しようとする課題） 上述した従来の平均化回折モアレ位置検出器では、光量
モニタ用透過部17と第１格子１との位置が離れているた
め、例えば第１格子１上で部分的に透過率が変換してい
る場合や第２格子２の透過率が変換している場合には適
切な較正が不可能となる。また、光量モニタ用透過部17
を必要とするので、全体の大きさが大きくなってしまう
という欠点があった。
モニタ用透過部17と第１格子１との位置が離れているた
め、例えば第１格子１上で部分的に透過率が変換してい
る場合や第２格子２の透過率が変換している場合には適
切な較正が不可能となる。また、光量モニタ用透過部17
を必要とするので、全体の大きさが大きくなってしまう
という欠点があった。
本発明は上述のような事情から成されたものであり、本
発明の目的は、正確な光量モニタが常に行なえ、かつ小
型な平均化回折モアレ位置検出器を提供することにあ
る。
発明の目的は、正確な光量モニタが常に行なえ、かつ小
型な平均化回折モアレ位置検出器を提供することにあ
る。
（課題を解決するための手段） 本発明は第１の回折格子と、この第１の回折格子に対し
てその横方向に変位する第２の回折格子と、前記２つの
回折格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有効対
向面積の各部分について、前記２つの回折格子の間の間
隙光路長をフレネル数２又は２の整数倍に相当する光路
長の範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの回折
格子の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号の平
均値に相当する信号を得る手段とを具え、前記平均値に
現われる前記回折格子のピッチの２分の１を周期とする
信号変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変位を
高い精度で検出し得る平均化回折モアレ位置検出器に関
するものであり、本発明の上記目的は、前記第１の回折
格子及び前記第２の回折格子にて回折された各次数の回
折光のうち偶数次数の回折光を検出することによって得
られる前記回折格子の横方向の相対変位信号を、前記各
次数の回折光のうち奇数次数の回折光を検出することに
よって得られる較正信号によって較正する手段を具備す
ることによって達成される。
てその横方向に変位する第２の回折格子と、前記２つの
回折格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有効対
向面積の各部分について、前記２つの回折格子の間の間
隙光路長をフレネル数２又は２の整数倍に相当する光路
長の範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの回折
格子の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号の平
均値に相当する信号を得る手段とを具え、前記平均値に
現われる前記回折格子のピッチの２分の１を周期とする
信号変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変位を
高い精度で検出し得る平均化回折モアレ位置検出器に関
するものであり、本発明の上記目的は、前記第１の回折
格子及び前記第２の回折格子にて回折された各次数の回
折光のうち偶数次数の回折光を検出することによって得
られる前記回折格子の横方向の相対変位信号を、前記各
次数の回折光のうち奇数次数の回折光を検出することに
よって得られる較正信号によって較正する手段を具備す
ることによって達成される。
（作用） 本発明の平均化回折モアレ位置検出器は、測定用の回折
光が透過したと同一の箇所を透過した回折光を光量モニ
タ用として用いているので、光源の光量変化や回折格子
の透過率変換を適切に較正することができる。
光が透過したと同一の箇所を透過した回折光を光量モニ
タ用として用いているので、光源の光量変化や回折格子
の透過率変換を適切に較正することができる。
（実施例） 先ず、本発明の原理について説明する。
２つの回折格子に位相の揃った平行光束を入射させたと
き、各次数の回折光強度は２つの回折格子の横方向の相
対変位と２つの回折格子の間隙によって変化する。回折
格子の格子定数をＰ，２つの回折格子の相対変位をｘ，
２つの回折格子の間隙をｇ，平行光束の波長をλとすれ
ば１次回折光の回折光強度Ｉは次式(1) で表わされる。
き、各次数の回折光強度は２つの回折格子の横方向の相
対変位と２つの回折格子の間隙によって変化する。回折
格子の格子定数をＰ，２つの回折格子の相対変位をｘ，
２つの回折格子の間隙をｇ，平行光束の波長をλとすれ
ば１次回折光の回折光強度Ｉは次式(1) で表わされる。
第６図は２つの回折格子の間隙ｇをパラメータとして２
つの回折格子の相対変位ｘと１次回折光の回折光強度Ｉ
との関係を示す特性図である。上式(1) からも明らかな
ように１次回折光の回折光強度Ｉは２つの回折格子の相
対変位ｘによって正弦波状に変化し、その位相は２つの
回折格子の間隙ｇに比例して移相し、２つの回折格子の
間隙ｇを周期として元の位相に戻る。従って、この信号
を２つの回折格子の間隙g＝λ/2P2の範囲にわたって積
分するならば、２つの回折格子の相対変位ｘや２つの回
折格子の間隙ｇに依存しない信号を得ることができる。
即ち、ある間隙範囲(G+2P2/λ〜G)の１次回折光の回折
光強度Ｉの積分（次式(2) ）は２つの回折格子の相対変
位ｘや２つの回折格子の間隙ｇに依存しない。
つの回折格子の相対変位ｘと１次回折光の回折光強度Ｉ
との関係を示す特性図である。上式(1) からも明らかな
ように１次回折光の回折光強度Ｉは２つの回折格子の相
対変位ｘによって正弦波状に変化し、その位相は２つの
回折格子の間隙ｇに比例して移相し、２つの回折格子の
間隙ｇを周期として元の位相に戻る。従って、この信号
を２つの回折格子の間隙g＝λ/2P2の範囲にわたって積
分するならば、２つの回折格子の相対変位ｘや２つの回
折格子の間隙ｇに依存しない信号を得ることができる。
即ち、ある間隙範囲(G+2P2/λ〜G)の１次回折光の回折
光強度Ｉの積分（次式(2) ）は２つの回折格子の相対変
位ｘや２つの回折格子の間隙ｇに依存しない。
このことは、この信号の増減が光源自体の光量変化や光
源から２つの回折格子を通って光電変換素子に至る光路
上の透過率の変化を表わすものといえる。この原理を利
用することにより正確な光量のモニタが可能となる。
源から２つの回折格子を通って光電変換素子に至る光路
上の透過率の変化を表わすものといえる。この原理を利
用することにより正確な光量のモニタが可能となる。
第１図は本発明の平均化回折モアレ位置検出器の光学系
の一例を第10図に対応させて示す斜視図であり、同一構
成箇所は同符号を付して説明を省略する。第１格子１及
び第２格子２を透過した光のうち０次回折光及び±１次
回折光がシリンドリカルレンズ23でそれぞれ集光され、
後方に配置された対応する測定用光電変換素子14及び光
量モニタ用光電変換素子15の受光面に入射して検出され
る。ここで、０次回折光に対応する測定用光電変換素子
14で発生する電気信号は、各回折格子１及び２の間隙に
は依存せず、各回折格子１及び２の相対変位によって変
化し、同時に光源の光量変化や各回折格子１及び２の透
過率の変化によっても変化する。一方、±１次回折光に
対応する光量モニタ用光電変換素子15で発生する電気信
号は、各回折格子１及び２の間隙や相対変位には依存せ
ず、光源の光量変化や各回折格子１及び２の透過率によ
って変化する。従って、測定用光電変換素子14で発生す
る電気信号のうち光源の光量変化や各回折格子１及び２
の透過率の変化による成分を光量モニタ用光電変革素子
15で発生する電気信号の変化により排除して、各回折格
子１及び２の相対変位による成分のみを取出すことによ
り、正確な変位検出を行なうことができる。
の一例を第10図に対応させて示す斜視図であり、同一構
成箇所は同符号を付して説明を省略する。第１格子１及
び第２格子２を透過した光のうち０次回折光及び±１次
回折光がシリンドリカルレンズ23でそれぞれ集光され、
後方に配置された対応する測定用光電変換素子14及び光
量モニタ用光電変換素子15の受光面に入射して検出され
る。ここで、０次回折光に対応する測定用光電変換素子
14で発生する電気信号は、各回折格子１及び２の間隙に
は依存せず、各回折格子１及び２の相対変位によって変
化し、同時に光源の光量変化や各回折格子１及び２の透
過率の変化によっても変化する。一方、±１次回折光に
対応する光量モニタ用光電変換素子15で発生する電気信
号は、各回折格子１及び２の間隙や相対変位には依存せ
ず、光源の光量変化や各回折格子１及び２の透過率によ
って変化する。従って、測定用光電変換素子14で発生す
る電気信号のうち光源の光量変化や各回折格子１及び２
の透過率の変化による成分を光量モニタ用光電変革素子
15で発生する電気信号の変化により排除して、各回折格
子１及び２の相対変位による成分のみを取出すことによ
り、正確な変位検出を行なうことができる。
第２図及び第３図は本発明の平均化回折モアレ位置検出
器の別の一例を光学系及び処理回路を第10図及び第11図
に対応させて示す斜視図及びブロック図であり、同一構
成箇所は同符号を付して説明を省略する。第１格子１及
び第２格子２の格子部2A,2B を透過した光のうち０次回
折光及び±１次回折光がシリンドリカルレンズ23でそれ
ぞれ集光され、後方に配置された対応する測定用光電変
換素子14A,14B 及び光量モニタ用光電変換素子15A,15B
の受光面に入射して検出される。ここで、０次回折光に
対応する測定用光電変換素子14A,14B で発生する各電気
信号は、各回折格子１及び２の相対変位に伴って所定の
位相差をもって変化し、同時に光源の光量変化や各回折
格子１及び２の透過率の変化によっても変化する。一
方、±１次回折光に対応する光量モニタ用光電変換素子
15A,15B で発生する電気信号は、各回折格子１及び２の
間隙や相対変位には依存せず、光源の光量変化や各回折
格子１及び２の透過率によって変化する。光量モニタ用
光電変換素子15A に入射する光は測定用光電変換素子14
A に入射する光と同一、即ち第１格子１，第２格子２の
格子部2A及びシリンドリカルレンズ23を透過して来た光
であるため、測定用光電変換素子14A で発生する電気信
号中の変位信号以外の成分を極めて正確に検出すること
ができる。これは光量モニタ用光電変換素子15B につい
ても同様である。従って、測定用光電変換素子14A,14B
からの電気信号VA,VB が較正器18A,18B にそれぞれ送出
され、光量モニタ用光電変換素子15A,15B からの電気信
号SA,SB によってそれぞれ外乱成分（光源光量の変化や
各回折格子1,2 の透過率の変化による成分）が取除かれ
較正されるので、正確な位置データを得ることができ
る。
器の別の一例を光学系及び処理回路を第10図及び第11図
に対応させて示す斜視図及びブロック図であり、同一構
成箇所は同符号を付して説明を省略する。第１格子１及
び第２格子２の格子部2A,2B を透過した光のうち０次回
折光及び±１次回折光がシリンドリカルレンズ23でそれ
ぞれ集光され、後方に配置された対応する測定用光電変
換素子14A,14B 及び光量モニタ用光電変換素子15A,15B
の受光面に入射して検出される。ここで、０次回折光に
対応する測定用光電変換素子14A,14B で発生する各電気
信号は、各回折格子１及び２の相対変位に伴って所定の
位相差をもって変化し、同時に光源の光量変化や各回折
格子１及び２の透過率の変化によっても変化する。一
方、±１次回折光に対応する光量モニタ用光電変換素子
15A,15B で発生する電気信号は、各回折格子１及び２の
間隙や相対変位には依存せず、光源の光量変化や各回折
格子１及び２の透過率によって変化する。光量モニタ用
光電変換素子15A に入射する光は測定用光電変換素子14
A に入射する光と同一、即ち第１格子１，第２格子２の
格子部2A及びシリンドリカルレンズ23を透過して来た光
であるため、測定用光電変換素子14A で発生する電気信
号中の変位信号以外の成分を極めて正確に検出すること
ができる。これは光量モニタ用光電変換素子15B につい
ても同様である。従って、測定用光電変換素子14A,14B
からの電気信号VA,VB が較正器18A,18B にそれぞれ送出
され、光量モニタ用光電変換素子15A,15B からの電気信
号SA,SB によってそれぞれ外乱成分（光源光量の変化や
各回折格子1,2 の透過率の変化による成分）が取除かれ
較正されるので、正確な位置データを得ることができ
る。
第４図は第２図に示す平均化回折モアレ位置検出器の調
整状態が良好な場合の、各回折格子1,2 の相対変位ｘと
測定用光電変換素子14A,14B に入射する回折光の強度I
VA,IVB 及び光量モニタ用光電変換素子15A,15B に入射
する回折光の強度ISA,ISB との関係を示す特性図であ
る。測定用光電変換素子14A,14B に入射する回折光の強
度IVA,IVB は次式(3) で表わされ、光量モニタ用光電変
換素子15A,15B に入射する回折光の強度ISA,ISB は次式
(4) で表わされる。
整状態が良好な場合の、各回折格子1,2 の相対変位ｘと
測定用光電変換素子14A,14B に入射する回折光の強度I
VA,IVB 及び光量モニタ用光電変換素子15A,15B に入射
する回折光の強度ISA,ISB との関係を示す特性図であ
る。測定用光電変換素子14A,14B に入射する回折光の強
度IVA,IVB は次式(3) で表わされ、光量モニタ用光電変
換素子15A,15B に入射する回折光の強度ISA,ISB は次式
(4) で表わされる。
ところが、測定用光電変換素子14A,14B に入射する回折
光の強度IVA,IVB 間に光源光量や各回折格子1,2 の透過
率のアンバランスが発生し、回折光強度IVB のレベルが
回折光強度IVA に比べて1/a になると各回折光強度IVA,
IVB は次式(5) となり、光量モニタ用光電変換素子15A,
15B に入射する回折光の強度ISA,ISB は次式(6) とな
る。そして、このときの特性図は第５図のようになる。
光の強度IVA,IVB 間に光源光量や各回折格子1,2 の透過
率のアンバランスが発生し、回折光強度IVB のレベルが
回折光強度IVA に比べて1/a になると各回折光強度IVA,
IVB は次式(5) となり、光量モニタ用光電変換素子15A,
15B に入射する回折光の強度ISA,ISB は次式(6) とな
る。そして、このときの特性図は第５図のようになる。
このような場合、第３図示の較正器18A,18B には例えば
除算機能が含まれており、それぞれがVA/SA,VB/SB が算
出するので、較正後の各電気信号VA/SA,VB/SB は次式
(7) で表わされ、上記アンバランスの影響が排除され
る。
除算機能が含まれており、それぞれがVA/SA,VB/SB が算
出するので、較正後の各電気信号VA/SA,VB/SB は次式
(7) で表わされ、上記アンバランスの影響が排除され
る。
なお、上述した各実施例においては、変位の測定用とし
て０次回折光を、光量モニタ用として±１次回折光を利
用したが、変位の測定用として偶数次回折光を、光量モ
ニタ用として奇数次回折光を利用することが可能であ
る。
て０次回折光を、光量モニタ用として±１次回折光を利
用したが、変位の測定用として偶数次回折光を、光量モ
ニタ用として奇数次回折光を利用することが可能であ
る。
（発明の効果） 以上のように本発明の平均化回折モアレ位置検出器によ
れば、正確な光量モニタを常に行なうことができるの
で、位置検出精度を高めることができると共に、大きさ
が小型であるので、装着可能範囲が広がる。
れば、正確な光量モニタを常に行なうことができるの
で、位置検出精度を高めることができると共に、大きさ
が小型であるので、装着可能範囲が広がる。
第１図は本発明の平均化回折モアレ位置検出器の光学系
の一例を示す斜視図、第２図及び第３図は本発明の平均
化回折モアレ位置検出器の別の一例の光学系を示す斜視
図及び処理回路を示すブロック図、第４図及び第５図は
本発明の平均化回折モアレ位置検出器における相対変位
と回折光強度との関係を示す特性図、第６図は本発明の
原理を説明するための相対変位と回折光強度との関係を
示す特性図、第７図〜第10図はそれぞれ従来の平均化回
折モアレ位置検出器の光学系の一例を示す斜視図、第11
図は第10図に示す平均化回折モアレ位置検出器の光学系
に用いられる処理回路の一例を示すブロック図である。 １……第１の回折格子、２……第２の回折格子、2A,2B
……格子部、３……段差を持つ透明板、４……レンズ
群、５……フォトダイード群、７……加算器、９……ラ
ンダム光路差板、10……拡散板、11……凸レンズ、12…
…光センサ、13……光電変換素子、14,14A,14B……測定
用光電変換素子、15,15A,15B,16 ……光量モニタ用光電
変換素子、18A,18B ……較正器、19……信号／位置変換
器、23……シリンドリカルレンズ。
の一例を示す斜視図、第２図及び第３図は本発明の平均
化回折モアレ位置検出器の別の一例の光学系を示す斜視
図及び処理回路を示すブロック図、第４図及び第５図は
本発明の平均化回折モアレ位置検出器における相対変位
と回折光強度との関係を示す特性図、第６図は本発明の
原理を説明するための相対変位と回折光強度との関係を
示す特性図、第７図〜第10図はそれぞれ従来の平均化回
折モアレ位置検出器の光学系の一例を示す斜視図、第11
図は第10図に示す平均化回折モアレ位置検出器の光学系
に用いられる処理回路の一例を示すブロック図である。 １……第１の回折格子、２……第２の回折格子、2A,2B
……格子部、３……段差を持つ透明板、４……レンズ
群、５……フォトダイード群、７……加算器、９……ラ
ンダム光路差板、10……拡散板、11……凸レンズ、12…
…光センサ、13……光電変換素子、14,14A,14B……測定
用光電変換素子、15,15A,15B,16 ……光量モニタ用光電
変換素子、18A,18B ……較正器、19……信号／位置変換
器、23……シリンドリカルレンズ。
Claims (2)
- 【請求項１】第１の回折格子と、この第１の回折格子に
対してその横方向に変位する第２の回折格子と、前記２
つの回折格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有
効対向面積の各部分について、前記２つの回折格子の間
の間隙光路長をフレネル数２又は２の整数倍に相当する
光路長の範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの
回折格子の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号
の平均値に相当する信号を得る手段とを具え、前記平均
値に現われる前記回折格子のピッチの２分の１を周期と
する信号変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変
位を高い精度で検出し得る平均化回折モアレ位置検出器
において、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子
にて回折された各次数の回折光のうち偶数次数の回折光
を検出することによって得られる前記回折格子の横方向
の相対変位信号を、前記各次数の回折光のうち奇数次数
の回折光を検出することによって得られる較正信号によ
って較正する手段を備えていることを特徴とする平均化
回折モアレ位置検出器。 - 【請求項２】前記較正手段には、前記相対変位信号を前
記較正信号で除算する機能が含まれている請求項１に記
載の平均化回折モアレ位置検出器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1224016A JPH0625675B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 平均化回折モアレ位置検出器 |
| US07/574,290 US5066129A (en) | 1989-08-30 | 1990-08-28 | Optical linear encoder with light quantity calabration |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1224016A JPH0625675B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 平均化回折モアレ位置検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0385413A JPH0385413A (ja) | 1991-04-10 |
| JPH0625675B2 true JPH0625675B2 (ja) | 1994-04-06 |
Family
ID=16807267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1224016A Expired - Lifetime JPH0625675B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 平均化回折モアレ位置検出器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5066129A (ja) |
| JP (1) | JPH0625675B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69320716T3 (de) * | 1992-06-30 | 2011-05-19 | Canon K.K. | Gerät zur Detektion von Verschiebungsinformation |
| JP3170902B2 (ja) * | 1992-09-30 | 2001-05-28 | キヤノン株式会社 | 信号処理方法及びそれを用いたエンコーダ |
| AT404637B (de) * | 1993-01-21 | 1999-01-25 | Rsf Elektronik Gmbh | Photoelektrische positionsmesseinrichtung |
| US5410397A (en) * | 1993-02-16 | 1995-04-25 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method and apparatus for holographic wavefront diagnostics |
| US5652426A (en) * | 1993-04-19 | 1997-07-29 | Ricoh Company, Ltd. | Optical encoder having high resolution |
| KR100480623B1 (ko) * | 2002-10-18 | 2005-03-31 | 삼성전자주식회사 | 광 노이즈를 차단한 광픽업 장치 및 이를 채용한 광기록및/또는 재생장치 |
| US7126109B2 (en) * | 2004-06-14 | 2006-10-24 | Gsi Group Corporation | Encoder scale error compensation employing comparison among multiple detectors |
| JP5562076B2 (ja) * | 2010-03-10 | 2014-07-30 | キヤノン株式会社 | 光学式エンコーダおよび変位計測装置 |
| WO2013171901A1 (ja) * | 2012-05-18 | 2013-11-21 | 三菱電機株式会社 | 光学式絶対値エンコーダ |
| JP2019086390A (ja) * | 2017-11-07 | 2019-06-06 | 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 | 移動体の測位装置及びその較正方法 |
| JP7114371B2 (ja) * | 2018-07-03 | 2022-08-08 | 株式会社ミツトヨ | 光電式エンコーダの信号処理方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62157523A (ja) * | 1985-12-28 | 1987-07-13 | Aisin Warner Ltd | 光式ロ−タリエンコ−ダ |
| US4836681A (en) * | 1986-05-27 | 1989-06-06 | Lockheed Electronics Co., Inc. | Fringe pattern phase detection system |
| GB2216257B (en) * | 1988-02-26 | 1992-06-24 | Okuma Machinery Works Ltd | Optical linear encoder |
-
1989
- 1989-08-30 JP JP1224016A patent/JPH0625675B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1990
- 1990-08-28 US US07/574,290 patent/US5066129A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0385413A (ja) | 1991-04-10 |
| US5066129A (en) | 1991-11-19 |
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