JPH07119623B2

JPH07119623B2 - 変位測定装置

Info

Publication number: JPH07119623B2
Application number: JP61005736A
Authority: JP
Inventors: 公石塚; 哲治西村; 修笠原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-01-14
Filing date: 1986-01-14
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: JPS62163921A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は変位測定装置に関し、特に円周上に例えば透光
部と反射部の格子模様を複数個、周期的に刻んだ放射格
子を回転物体に取付け、該放射格子に例えばレーザーか
らの光束を照射し、該放射格子からの回折光を利用し
て、放射格子若しくは回転物体の回転速度や回転速度の
変動量等の回転状態を光電的に検出する変位測定装置に
良好に適用できるものである。

（従来の技術）従来よりフロッピーデスクの駆動等のコンピューター機
器、プリンター等の事務機器、あるいはNC工作機械さら
にはVTRのキャプステンモーターや回転ドラム等の回転
機構の回転速度や回転速度の変動量を検出する為の手段
として光電的なロータリーエンコーダーが利用されてき
ている。

光電的なロータリーエンコーダーは例えば第３図に示す
ように回転軸30に連絡した円板35の周囲に透光部と遮光
部を等間隔に設けた、所謂メインスケール31とこれに対
応してメインスケールと等しい間隔で透光部と遮光部と
を設けた所謂固定のインデックススケール32との双方の
スケールを投光手段33と受光手段34で挟んで対向配置し
た所謂インデックススケール方式の構成を採っている。
この方法はメインスケールの回転に伴って双方のスケー
ルの透光部と遮光部の間隔に同期した信号が得られ、こ
の信号を周波数解折して回転軸の回転速度の変動を検出
している。この為、双方のスケールの透光部と遮光部と
のスケール間隔を細かくすればする程、検出精度を高め
ることができる。しかしながらスケール間隔を細かくす
ると回折光の影響で受光手段からの出力信号のS/N比が
低下し、検出精度が低下してしまう欠点があった。この
為メインスケールの透光部と遮光部の格子の総本数を固
定させ、透光部と遮光部の間隔を回折光の影響を受けな
い程度まで拡大しようとするとメインスケールの円板の
直径が増大し更に厚さも増大し装置全体が大型化し、こ
の結果被検回転物体への負荷が大きくなってくる等の欠
点があった。

又ロータリーエンコーダーには光源としてレーザーが多
く用いられている。このうちレーザーからの光速を被検
回転物体に入射させ、該被検回転物体からの光束より干
渉縞を形成し、この干渉縞を利用して被検回転物体の回
転状態を測定する場合にはレーザーの発振波長の安定性
及び干渉させるべき２光束間の光路長を厳密に設定して
おく必要がある。レーザー光源として半導体レーザーは
小型で装置全体の小型化を図るには有利であるが発振波
長が例えば温度により変動してくる。この為、半導体レ
ーザーを用いて装置全体の小型化を図ろうとすると干渉
させる２光束の光路長が変化し、測定精度を低下させる
原因となってくる。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は上述従来例の欠点に鑑み、高精度の測定が可能
でしかも被検物体の不可が小さく、装置全体の小型化が
容易であり、特に半導体レーザー等の光源を用い複数光
束による干渉縞を利用して変位測定を行う際に光源の発
振波長が多少変化しても光束間の光路長を容易に調整で
きる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）可干渉光を発生する光源と、該光源から出射し所定分割
位置で形成される複数の分割光束それぞれを集光レンズ
と該集光レンズの焦点面近傍に配置した反射平面とを有
した反射手段を用いて反射させて光路を逆行させること
により該複数の分割光束を略前記分割位置にて重ね合わ
せるように配置された光学系と、該光学系によって重ね
合わされた光束を検出する受光手段とを有し、前記分割
光束それぞれは前記光学系中の光路において相対変位測
定の対象となるべき回折格子上の略同一位置を２度経由
することによって特定次数の回折作用を付与され、該受
光手段からの出力信号を利用して前記回折格子との相対
変位情報を測定するための変位測定装置において、該複
数の分割光束間の光路長を一致させるべく該複数の分割
光束の内の少なくとも一光束に関して前記反射手段を往
復光路を変化させない方向に変位させることにより重ね
合わされるまでの光路の光路長を調整する調整手段を設
けたことである。

この他、本発明の特徴は実施例において記載されてい
る。

（実施例）第１図（Ａ）は本発明の一実施例の光学系の概略図であ
る。第１図（Ｂ）は同図（Ａ）の一部の側面図である。

本実施例ではレーザー１より放射された光束をコリメー
ターレンズ２によって平行光束とし光分割手段としての
偏光ビームスプリッター３に入射させ、略等光量の反射
光束と透過光束の２つの直線偏光の光束に分割してい
る。このうち反射した光束は1/4波長板４を経て、円偏
光とし、プリズム16,18を介した後、被測定回転物体と
連結した円板６上の放射状の回折格子が設けられている
放射格子７の位置M₁に入射させている。このとき放射格
子７からの特定次数の回折光が放射格子７から略垂直に
射出するように光束を入射させている。そして放射格子
７に入射し回折した透過回折光のうち特定次数の回折光
を反射手段８により反射させ、同一光路を逆行させ放射
格子７上の略同一位置M₁に再入射させている。そして放
射格子７により再回折された特定次数の回折光を1/4波
長板４を介して入射したときと90度偏光方位の異なる直
線偏光とし偏光ビームスプリッター３に入射させてい
る。

本実施例では偏光ビームスプリッター３から反射手段８
に至る特定次数の回折光の往復光路を同一としている。
第２図は第１図で示した反射手段の一実施例の説明図で
ある。

同図においては反射鏡40を集光レンズ41の略焦点面上に
配置し、集光レンズ41に平行に入射してきた特定次数の
回折光のみをマスク42の開口部43を通過させ反射鏡40で
反射させた後、元の光路を逆戻りするようにしている。
そして、その他の次数の回折光をマスク42により遮光し
ている。反射手段としては、この他第２図に示す機能と
同一のものであれば、例えばキャッツアイ光学系等どの
ような構成のものでも良い。このような光学系を用いれ
ば例えばレーザーの発振波長が変化し、回折角が多少変
化しても略同じ光路で戻すことができる特徴がある。

又、キャッツアイ光学系に、屈折率分布型レンズ、例え
ば日本板硝子社製のセルフォックマイクロレンズ（商品
名）等を適用し、その両端平面な点に着目して片面に反
射膜を設けることにより、構成が簡便で且つ又生産性に
富む光学素子として本発明に有効に適用することができ
る。

第１図に戻り偏光ビームスプリッター３で分割された２
つの光束のうち透過した光束は1/4波長板５を介し円偏
光とし、プリズム17,19を介した後円板６上の放射格子
７上の位置M₁と回転軸50に対して略点対称の位置M₂に入
射させている。そして放射格子７に入射し回折した透過
回折光のうち特定次数の回折光を前述の反射手段８と同
様の反射手段９により同一光路を逆行させて、放射格子
７の略同一位置M₂に再入射させている。そして放射格子
７より再回折された特定次数の回折光を1/4波長板５を
介し入射したときとは90度偏光方位の異なる直線偏光と
し偏光ビームスプリッター３に入射させている。

このとき、透過光束も前述の反射光束と同様に偏光ビー
ムスプリッター３から反射手段９に至る特定次数の回折
光の往復光路を同一としている。そして反射手段８を介
し入射してきた回折光と重なり合わせた後、1/4波長板1
0を介し円偏光とし、光分割器11で２つの光束に分割
し、各々の光束を互いの偏光方位を45度傾けて配置した
偏光板12,13を介し双方の光束に90度の位相差を付けた
直線偏光として各々の受光手段14,15に入射させてい
る。そして受光手段14,15により形成された２光束の干
渉縞の強度を検出している。

本実施例では偏光ビームスプリッター３を２つの光束の
放射格子７上への入射点M₁,M₂を結ぶ線上の放射格子７
に対する略垂直２等分線上に若しくはその略２等分線に
直交する方向に配置して、２つの光束間の光路長を等し
くしている。

本実施例において被測定回転物体が放射格子７の１ピッ
チ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相は2mπだけ変化
する。同様に放射格子７により再回折されたｎ次の回折
光の位相は2nπだけ変化する。これにより全体として受
光手段からは（2m−2n）個の正弦波形が得られる。本実
施例ではこのときの正弦波形を検出することにより回転
量を測定している。

例えば回折格子のピッチが3.2μｍ、回折光として１次
及び−１次を利用したとすれば回転物体がピッチの3.2
μｍ分だけ回転したとき受光素子からは４個の正弦波形
が得られる。即ち正弦波形１個当りの分解能として回折
格子の１ピッチの1/4の3.2/4＝0.8μｍが得られる。

しかしながら、例えば光源であるレーザーの発振波長λ
が温度等の影響によりΔλ変動したとすると、２光束の
位相ずれΔφは、２光束間の光路長差をｄとしたときとなる。

受光手段から出力される周期信号を例えば電気分割によ
りｘ分割して数値化したとすればレーザーの発振波長の
変動による２光束間の位相ずれΔφはなる不等式を満たせば略影響しなくなる。

例えばλ＝780mn,Δλ＝0.3nm（モードホップによる）,
x＝４とするととなる本実施例では前記条件を満たすように調整手段を
設けて２光束間の光路長が略等しくなるように調整して
いる。

調整手段及びその調整方法としては、例えば（イ）反射手段8,9の一方を第１図に示す矢印Y1の如く
光軸方向に移動させる。

（ロ）第１図に点線100で囲まれる各要素を一体的に同
図の矢印Y2の如く傾動させる。

（ハ）放射格子７の近傍に楔形のプリズム18を矢印Y3の
方向に出し入れして、その厚さを変えて行う。

（ニ）放射格子７の近傍に２つ楔形のプリズム19,20を
平行平面板となるように重ね合わせ、少なくとも一方の
プリズムを矢印Y4の方向にスライドさせる。

（ホ）２枚の反射鏡、若しくは２つの反射面を有するプ
リズムを用いて一方の光路長を変える。

本発明では特に（イ）の構成をとることにより往復光路
を変化させない光路長調整が可能になり、他の光学要素
を不必要に変位させることのない簡便な調整手段が可能
になるものである。

本実施例では光分割器11により光束を２分割し各々の光
束間に90度の位相差をつけることにより回転物体の回転
方向も判別出来るようにしている。

尚、回転量のみを測定するのであれば光分割器11、偏光
板12,13及び一方の受光手段は不要である。

本実施例では回転中心に対して略点対称の２つの位置
M₁,M₂からの回折光を利用することにより回転物体の回
転中心と放射格子の中心との偏心による測定誤差を軽減
させている。

尚、本実施例に於る構成は略点対称な２点からの回折光
を利用しているわけであるが、略点対称に限らず複数の
位置からの回折光を用いることにより略同等の効果を得
ることが出来る。例えば、互いに120゜の角度を成す３
点からの回折光を利用したり、近接しない任意の２点か
らの回折光を利用するのも有効である。

更に一方の光束の回転軸中心寄りの光束要素と略点対称
な位置に入射させた他方の光束の回転軸中心寄りの光束
要素とを互いに重なり合わせ、同様に回転中心の外側寄
りの光束要素同志を重ね合わせることにより、放射格子
の外側と内側のピッチの違いより生じる波面収差の影響
を除去している。

本実施例では偏光ビームスプリッター３から反射手段8,
9に至る特定次数の回折光の往復の光路を同一とするこ
とにより、偏光ビームスプリッター３における２つの回
折光束の重なり具合を容易にし、装置全体の組立精度を
向上させている。

尚、以上の実施例において1/4波長板4,5は偏光ビームス
プリッター３又は偏光プリズム22と反射手段との間であ
ればどこに配置しても良い。

又、実施例においては透過回折光の代わりに反射回折光
を利用しても良い。

尚、本発明において使用する回折格子は、透光部と遮光
部から成る所謂振幅型の回折格子、互いに異なる屈折率
を有する部分から成る位相型の回折格子である。特に位
相型の回折格子は、例えば透明円板の円周上に凹凸のレ
リーフパターンを形成することにより作成出来、エンボ
ス、スタンパ等のプロセスにより量産が可能である。

（発明の効果）本発明によれば調整手段を用い複数の分割光束の少なく
とも一光束の光路長を変化させて複数光束間の光路長を
調整できるようにしたことにより、半導体レーザー等の
発振波長が変動する光源を用いたときの測定精度の低下
を防止でき、高精度な測定が可能になり、更に本発明に
よって装置全体の小型化が可能な変位測定装置が可能に
なった。

また調整手段が、複数の分割光束の内の少なくとも一光
束に関して反射手段を往復光路を変化させない方向に変
位させることにより重ね合わされるまでの光路の光路長
を調整する構成なので、他の光学要素を不必要に変位さ
せることのない簡便な調整手段が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学系の概略図、第２図は
第１図の一部分の説明図、第３図は従来の光電的ロータ
リーエンコーダーの説明図である。図中１はレーザー、
２はコリメーターレンズ、３は偏光ビームスプリッタ
ー、4,5,10は1/4波長板、６は円板、７は放射格子、8,9
は各々反射手段、12,13は各々偏光板、14,15は各々受光
手段である。

フロントページの続き (72)発明者笠原修神奈川県川崎市高津区下野毛770番地キヤノン株式会社玉川事業所内 (56)参考文献実開昭59−53209（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可干渉光を発生する光源と、該光源から出
射し所定分割位置で形成される複数の分割光束それぞれ
を集光レンズと該集光レンズの焦点面近傍に配置した反
射平面とを有した反射手段を用いて反射させて光路を逆
行させることにより該複数の分割光束を略前記分割位置
にて重ね合わせるように配置された光学系と、該光学系
によって重ね合わされた光束を検出する受光手段とを有
し、前記分割光束それぞれは前記光学系中の光路におい
て相対変位測定の対象となるべき回折格子上の略同一位
置を２度経由することによって特定次数の回折作用を付
与され、該受光手段からの出力信号を利用して前記回折
格子との相対変位情報を測定するための変位測定装置に
おいて、該複数の分割光束間の光路長を一致させるべく
該複数の分割光束の内の少なくとも一光束に関して前記
反射手段を往復光路を変化させない方向に変位させるこ
とにより重ね合わされるまでの光路の光路長を調整する
調整手段を設けたことを特徴とする変位測定装置。