JPH1038517A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

光学式変位測定装置

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JPH1038517A
JPH1038517A JP19331796A JP19331796A JPH1038517A JP H1038517 A JPH1038517 A JP H1038517A JP 19331796 A JP19331796 A JP 19331796A JP 19331796 A JP19331796 A JP 19331796A JP H1038517 A JPH1038517 A JP H1038517A
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JP
Japan
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light
diffraction grating
parallel
grating
light beam
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JP19331796A
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English (en)
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誠 ▲高▼宮
Makoto Takamiya
Akira Ishizuka
公 石塚
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Canon Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回折格子を設けたスケールにアジマスや回転
方向の取付ズレが生じても、回折光の合波光束に受光面
上で空間的な干渉縞が発生しないようにした光学的変位
測定装置を提供する。 【解決手段】 回折格子G1に1光束をスポット投影する
投光手段1,2,3と、この光束投影位置からの複数の回折
光を、複数の回折光が共に平行光束でかつ互いに平行と
なる形態で合波する合波光学系3,5a,5b,6とを有し、合
波された状態で得られる干渉光束を受光する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光学式変位測定装置
に関する。本発明は特に、物体に光を照射した際に発生
する回折、干渉により、干渉光束が変調されることを利
用したエンコーダに良好に適用できるものである。
【0002】
【従来の技術】従来より光を物体に照射して高精度に物
体の移動や変位などの物理量を求める装置として、たと
えば光学式エンコーダ、レーザドップラー速度計、レー
ザ干渉計等が利用されている。これらの光を利用した装
置の特徴は、高精度、高分解能であり、最近では、より
広い分野に応用されるために更なる小型化が必要になっ
てきている。
【0003】このような装置では、特開昭62ー121
314号公報に示されるような、回折格子を3枚使った
エンコーダを小型化したものや、特開平3−27981
2号公報に示されるような、このような装置を同時に高
精度で簡易小型化したもの等が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来例に示したような
エンコーダは小型化、高精度化が図られているが、以下
のような課題が存在する。
【0005】これらに開示された装置では、発光源から
射出された光を左右に2分割、叉はそれ以上に光路を分
割して移動回折格子に入射させ、それぞれから得られた
回折光の干渉光を光電素子で受光している。このような
構成では、干渉させる為に合波用の回折格子で合成した
光束間に傾きがあると、光電素子の受光面上に縞が発生
する。この場合、干渉光の時間的な強弱変化において、
この縞の存在によって受光面上の干渉領域毎に互いの位
相が異なってしまう。
【0006】従って、合波する光束間の傾きの発生を厳
密に防止し、受光面上での干渉状態をすべて等しく一定
状態に調整しなければならない。しかしながら、回折格
子で合成された干渉光束の干渉状態を干渉領域すべてで
等しく一定状態に調整する事は非常に困難である。特に
本体分解能を向上させればさせるほど、取付誤差等の影
響で干渉状態が変動し易くなる。
【0007】この様な干渉状態の変動は、干渉縞発生時
に受光面上での干渉光の時間的な強弱変化を平均化して
検出される信号の振幅を低下させ、信号振幅を不安定な
ものとしてしまう。また、例えば合波回折格子を位相の
異なる複数の回折格子で構成し、それぞれから出射する
干渉光を個別に検出してAB相信号を得る構成の装置で
は、合波した光束間に傾きが発生するようであれば、異
なる干渉領域で得られる信号間の位相差は安定しない。
又、それぞれから検出される信号の振幅も不安定なもの
となる。
【0008】特開平3−279812号に記載されてい
る装置を例として考えた場合、特に投光手段と受光手段
とが設けられたヘッド部とスケール部の取り付け誤差に
よる干渉状態変動が問題である。回折格子が形成された
面に垂直な軸を中心とした回転が発生する様な取付誤差
が生じると回折格子の配列方向に平行な干渉縞が生じ、
回折格子が形成された面内で回折格子の配列方向に垂直
な軸を中心とした回転が発生する様な取付誤差が生じる
と、この回転軸方向に平行な干渉縞が生じる。以下で
は、回折格子が形成された面に垂直な軸を中心とした回
転取付誤差の回転角を『アジマス角(η)』と呼び、回
折格子が形成された面内で回折格子の配列方向に垂直な
軸を中心とした回転取付誤差の回転角を『回転角
(φ)』と呼ぶ事にする。
【0009】干渉させる2光束に平行光を用いた場合、
回転角方向の取付誤差があっても些少であれば干渉2光
束間の角度差は余り生じないが、極端に回転角方向にズ
レが生じると干渉状態は不安定となる。また、アジマス
角方向の取付誤差ではちょっとのズレで干渉2光束間の
角度差が付いてしまい、敏感に干渉状態が不安定とな
る。
【0010】本発明は上述従来例に鑑み、原理的に取付
誤差による干渉縞の発生を防止し、回折格子ないし検出
側の取付状態によらず常に正確に変位測定を実行できる
装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上述目的を達成するため
の第1発明は、相対変位を検出すべき物体上に設けられ
た回折格子に光束をスポット投影する投光手段と、前記
回折格子のスポット投影位置からの次数の異なる回折光
を、該次数の異なる回折光が共に平行光束でかつ互いに
平行である形態か、あるいは該次数の異なる回折光の波
面が同一曲率中心を有する形態で、互いに合波して得ら
れる干渉光束を受光する光検出手段とを有することを特
徴とする光学式変位測定装置である。
【0012】上述目的を達成するための第2発明は、相
対変位を検出すべき物体上に設けられた回折格子に光束
をスポット投影する投光手段と、前記回折格子のスポッ
ト投影位置からの次数の異なる回折光を、該次数の異な
る回折光の波面を互いにそろえた形で合波して得られる
干渉光束を受光する光検出手段とを有することを特徴と
する光学式変位測定装置である。
【0013】第3発明は更に、前記回折格子のスポット
投影位置からの次数の異なる回折光を、発散光のままあ
るいは平行光変換して、合波した形で前記光検出手段に
導く光学系を有することを特徴とする。
【0014】第4発明は更に、前記光学系内に、前記複
数の回折光の各光束それぞれに対して実質的に2枚の光
束合波用回折格子が配置され、前記実質的に2枚の光束
合波用回折格子の一方の光束透過領域内に格子配列位相
の異なる格子部分を設けたことを特徴とする。
【0015】第5、第6発明は更に、前記投光手段は前
記回折格子が実質的に焦点位置になるように配置された
レンズ系へ平行光束照射し、前記回折格子からの複数の
回折光を該レンズ系により平行光束で且つ互いに平行に
することを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係る第1の実施例
の光学式変位測定装置の光学構成を示した概略説明図で
ある。
【0017】図中、1はレーザーダイオード、2はコリ
メータレンズ、3は対物レンズである。4は移動物体側
に設けられたスケールで、回折格子G1が設けられてい
る。5a、5bはブレーズド回折格子、6は格子位相が
λ/4づつずれた4つの格子領域を持つ光束合波用の回
折格子、7は回折格子6の4つの格子領域に対応した4
つの受光領域を設けた4分割センサーである。
【0018】レーザーダイオード1から射出した発散光
束は、コリメータレンズ2にて平行光束となり、スケー
ル4上の回折格子G1との距離を焦点位置fに合わされ
たレンズ3によって集光されて回折格子G1上に点照射
される。この回折格子G1は、±1次回折光を特に強く
反射回折する様に、格子高さが実質的に4分の1波長に
構成された位相型回折格子となっている。このとき、レ
ーザー波長をλ、レーザー平行光束の径をaとすると、
回折格子G1上でのビームウエストω1は、 ω1=1.273×λ×|f|/a となる。この回折格子G1上でのビームウエストω1
は、回折格子G1の格子ピッチpに対し、数本以上にな
るようにレーザー平行光束の径aと焦点位置fを選択し
ている。
【0019】回折格子G1上に照射された光束は反射回
折され、±1次回折光を出射する。
【0020】このとき±1次回折光光軸の回折角θは、
次式より得られる。
【0021】psinθ=λ この±1次回折光は再び回折格子G1との距離が焦点位
置fに合わされたレンズを透過し、互いに光軸が平行な
2つの平行光束となる。この光学系により、スケールが
格子形成面に沿って回転移動しても回折格子G1より得
られた±1次の回折光が共に平行光束でかつ光軸も平行
となる光学系を実現する。
【0022】2つの平行光束は、それぞれ光学系全体の
光軸方向に偏向されるように配置された等ピッチのブレ
ーズド回折格子5a、5bにより偏向され、偏向光束の
交叉位置に配置された、ブレーズド回折格子5a、5b
と等しいピッチでしかも2光束透過領域内で格子位相が
λ/4づつずれた4つの格子領域を持つ回折格子6によ
り、波面を揃えて合波される。
【0023】そしてそれぞれの4つの格子領域それぞれ
で合波された光束を受光する位置に各受光領域を配置さ
れた4分割センサー7により受光される。4分割センサ
ー7からは、スケール4の移動に伴って各受光領域より
互いに1/4周期位相差を持つ4つの正弦波信号が得ら
れるようになっている。この4信号を不図示の信号処理
系で処理してスケール4の移動量と移動方向の情報を得
る。このような信号処理についてはすでに知られてお
り、よって詳細は省略する。
【0024】このように2つの平行光束を波面を揃えて
合波する光学系として、1光束に対して2枚の回折格子
を配置し、2枚の回折格子のいずれかの光束透過領域内
に格子配列位相の異なる部分を設けることにより、例え
ば、1/4波長板と偏向プリズムの組み合わせのような
複雑な光学構成を取ることなく、位相ズレ信号を発生さ
せることができ、簡単な構成で高精度検出を可能とす
る。
【0025】ここで、本実施例においてスケール4がア
ジマス方向に回転した場合を考える。
【0026】図2は、スケール4にアジマス方向の取付
ズレがある時の光路図である。
【0027】図からわかるように、スケール4にアジマ
ス角ηの取付ズレがあると、±1次回折光は回折格子上
から、取付ずれのない状態(点線)よりもアジマス角方
向にそれぞれずれて、発散しながら出射する。
【0028】この2つの発散光束はレンズ3で透過偏向
されるが、回折格子G1はレンズ3の焦点位置に合わさ
れているため、アジマス角ηがどうであっても、必ず互
いに光軸が平行な2つの平行光束となる。これによりブ
レーズド回折格子5a、5bと回折格子6によって合波
された状態でも、2光束間に若干の位置ずれは発生して
も、2光束の光軸は平行なままである。即ち、取付ズレ
のアジマス角ηの値に関わらず、合波された2光束間に
角度ズレは発生せず、4分割センサー7の受光面上では
空間的な干渉縞の発生がない。
【0029】図3は、スケール4に回転方向の取付ズレ
がある時の光路図である。
【0030】図からわかるように、スケール4に回転角
φの取付ズレがあると、±1次回折光の光軸のレンズ3
光軸に対してなす角(見かけ上の回折角)は±1次でそ
れぞれ異なることになる。各見かけ上の回折角θ±2φ
は次式により得られる。
【0031】p(sinθ±sinφ)=λ この見かけ上の回折角が異なる±1次回折光は、回折格
子上から、取付ずれのない状態(点線)よりも回転角方
向にそれぞれずれて、発散しながら出射する。
【0032】この2つの発散光束は、レンズ3で透過偏
向されるが、回折格子G1はレンズ3の焦点位置に合わ
されているため、回転角φがどうであっても、必ず互い
に光軸が平行な2つの平行光束となる。これによりブレ
ーズド回折格子5a、5bと回折格子6によって合波さ
れた状態でも、2光束間に若干の位置ずれは発生して
も、2光束の光軸は平行なままである。即ち、取付ズレ
の回転角φの値に関わらず、合波された2光束間に角度
ズレは発生せず、4分割センサー7の受光面上では空間
的な干渉縞の発生がない。
【0033】以上の構成を取ることにより、スケールの
取り付け精度をほとんど気にすることのない光学式変位
測定を提供することが可能となる。
【0034】図2、図3で説明したように、スケール取
付けにズレが発生した場合、合波2光束の光路は多少平
行ずれを発生するが、最終的に4つの領域の光検出器へ
2光束が到達するように、設計段階で想定されるスケー
ル取付けズレに合わせて、入射する光束の径、格子ピッ
チ、レンズ焦点距離を選択すればよく、あらゆる条件下
で対応可能な光学式変位測定装置を実現することができ
る。
【0035】また、アジマス角発生時においては、最終
的に得られる変位情報にsinη分の測定誤差が乗るこ
とになるが、これは想定されるスケール取付ズレによる
この誤差分が影響のない程度にスケール範囲、スケール
ピッチ等を選択すればよい。
【0036】第1実施例では、回折格子に入射する投光
光学系として焦点位置に合わせたレンズ系としての対物
レンズ3へ平行光束照射して、回折格子G1上に点照射
する例を示したが、対物レンズ3を投影側と受光側で分
離して構成し、このような回折格子を焦点位置に合わせ
たレンズを介さずに、直接回折格子G1上に点照射する
構成を取っても同様な効果を得る事ができる。その場
合、回折格子G1上のビームウエストは投光光学系によ
り決定されるため、回折格子G1の格子ピッチpに対す
る照射本数を高い自由度で設定することができる。
【0037】また第1実施例では、2つの平行光束を波
面を揃えて合波する偏向光学系として、1光束につき2
枚の回折格子を配置した例を示したが、プリズム系を配
置して波面を揃えて合波する偏向光学系を採用してもよ
い。
【0038】更に、第1実施例における回折格子6を一
つの格子より構成し、4分割センサー7を一つの受光面
のセンサーに置き換えた上で、第1実施例におけるレー
ザーダイオード1及びコリメータレンズ2の組とセンサ
ー7との配置を逆としても、同様にスケールの取り付け
精度をほとんど気にすることのない光学式変位測定装置
が実現される。
【0039】これを説明すると、回折格子6により分割
された2平行光束がブレーズド回折格子5a、5b及び
レンズ3を介して回折格子G1上にビームウエストを形
成し、ここから合波された状態で回折格子形成面法線方
向に発生する±1次回折光は、レンズ3で平行光束に変
換されてセンサーに入射する。この±1次回折光は第1
実施例の場合同様、レンズ3によって平行光束に変換さ
れた後は、アジマス角方向や回転角方向の取付ズレが発
生しても平行ズレのみ発生し、角度ズレは発生しない。
【0040】図4は本発明に係る他の実施例の光学式変
位測定装置の光学構成を示した概略説明図である。
【0041】前述と同様の部材には同じ符番を冠してあ
る。第1実施例と同様の部分の説明は省略する。
【0042】レンズ2で集光されて回折格子G1上にス
ポット照射された光束は反射回折され、±1次回折光を
出射する。
【0043】このとき±1次回折光光軸の回折角θは、
回折格子G1の格子ピッチをp1とすると、第1実施例
同様次式より得られる。
【0044】p1sinθ=λ この±1次回折光は、それぞれ光学系全体の光軸方向に
偏向されるように配置された格子ピッチ:p2のプレ一
ズド回折格子5a、5bにより偏向され、格子ピッチ:
p3でしかも2光束透過領域内で格子位相がλ/4づつ
ずれた4つの格子領域を持つ回折格子6により波面を揃
えて合波される。
【0045】そして、後は第1実施例と同様にそれぞれ
の4つの格子領域に対応した4分割センサー7により、
スケールの移動に伴つて1/4周期位相差を正弦波信号
が得られるようになっている。
【0046】このとき3枚の回折格子の格子ピッチp
1、p2、p3は、以下の関係を満たす。
【0047】1/p2=1/p1十1/p3 回折格子6で2つの回折光の光軸を合わせるように回折
格子間隔を設定することにより、回折格子6から出射す
る2つの回折光の波面の曲率中心を一致させることがで
きる。これにより、最終的に2つの回折光を波面を揃え
て合波する偏向光学系を実現する。
【0048】図5は、スケール4にアジマス方向の取付
ズレがある時の光路図である。
【0049】図からわかるように、スケール4にアジマ
ス角ηの取付ズレがあると、±1次回折光は回折格子上
から、取付ずれのない状態(点線)よりもアジマス角方
向にそれぞれずれて、発散しながら出射する。
【0050】この2つの発散光束は、回折格子G1がレ
ンズ2による光束集光位置に合わされているため、アジ
マス角ηがどうであっても、必ず回折格子上の照射点を
曲率中心とした波面のままとなる。これによりブレーズ
ド回折格子5a、5bと回折格子6によって合波され進
行方向を合わされた状態でも、2光束間に若干の位置ず
れは発生しても、2光束の波面の曲率中心は互いに一致
したままである。即ち、取付ズレのアジマス角ηの値に
関わらず、合波された2光束間に波面の曲率中心ズレは
発生せず、4分割センサー7の受光面上では空間的な干
渉縞の発生がない。
【0051】図6は、スケール4に回転方向の取付ズレ
がある時の光路図である。
【0052】図からわかるように、スケール4に回転角
φの取付ズレがあると、±1次回折光の光軸のレンズ2
光軸に対してなす角(見かけ上の回折角)は±1次でそ
れぞれ異なることになる。各見かけ上の回折角θ±2φ
は次式により得られる。
【0053】p1(sinθ±sinφ)=λ この見かけ上の回折角が異なる±1次回折光は、回折格
子上から、取付ずれのない状態(点線)よりも回転角方
向にそれぞれずれて、発散しながら出射する。
【0054】この2つの発散光束は、回折格子G1がレ
ンズ2による光束集光位置に合わされているため、回転
角φがどうであっても、必ず回折格子上の照射点を曲率
中心とした波面のままとなる。これによりブレーズド回
折格子5a、5bと回折格子6によって合波され進行方
向を合わされた状態でも、2光束間に若干の位置ずれは
発生しても、2光束の波面の曲率中心は互いに一致した
ままである。即ち、取付ズレの回転角φの値に関わら
ず、合波された2光束間に波面の曲率中心ズレは発生せ
ず、4分割センサー7の受光面上では空間的な干渉縞の
発生がない。
【0055】以上の構成を取ることにより、第1実施例
同様にスケールの取り付け精度をほとんど気にすること
のない光学式変位測定を提供することが可能となる。
【0056】更に、第1実施例と同様に、第2実施例に
おける回折格子6を一つの格子より構成し、4分割セン
サー7を一つの受光面のセンサーに置き換えた上で、第
1実施例におけるレーザーダイオード1及びコリメータ
レンズ2の組とセンサー7との配置を逆としても、同様
にスケールの取り付け精度をほとんど気にすることのな
い光学式変位測定装置が実現される。
【0057】その他、図4に於いて、ブレーズド回折格
子5a、5bの代わりに互いに反射面を対向させた平行
ミラーを配置することも可能である。この場合回折格子
G1と回折格子6との格子ピッチを一致させる。これに
よっても上述実施例と同様の光学系を実現することがで
きる。
【0058】
【発明の効果】以上説明したように、第1発明によれ
ば、スケールに相対的にアジマスや回転の取付ズレが発
生しても干渉状態は安定しており、常に安定した信号が
得られる。
【0059】又、第2発明によれば、スケールに相対的
にアジマスや回転の取付ズレが発生しても干渉状態は安
定しており、常に安定した信号が得られる。
【0060】第3発明によれば更に、よりアジマスや回
転に強い装置が実現される。
【0061】第4発明によれば更に、複雑な光学構成を
取ることなく位相の異なる出力信号を検出することがで
き、高精度検出を可能とする。
【0062】第5、第6発明によれば更に、簡単な光学
系でスポット投影ができるとともに、回折格子からの複
数の回折光を平行光束且つ互いに平行にできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を説明する概略説明図
【図2】スケール回転ズレ時の光路図
【図3】スケールアジマスズレ時の光路図
【図4】本発明の他の実施例を説明する概略説明図
【図5】スケール回転ズレ時の光路図
【図6】スケールアジマスズレ時の光路図
【符号の説明】
1 レーザーダイオード 2 コリメータレンズ 3 レンズ 4 スケール G1 位相型回折格子 5a、5b ブレーズド型回折格子 6 回折格子 7 4分割センサー

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 相対変位を検出すべき物体上に設けられ
    た回折格子に光束をスポット投影する投光手段と、前記
    回折格子のスポット投影位置からの次数の異なる回折光
    を、該次数の異なる回折光が共に平行光束でかつ互いに
    平行である形態か、あるいは該次数の異なる回折光の波
    面が同一曲率中心を有する形態で、互いに合波して得ら
    れる干渉光束を受光する光検出手段とを有することを特
    徴とする光学式変位測定装置。
  2. 【請求項2】 相対変位を検出すべき物体上に設けられ
    た回折格子に光束をスポット投影する投光手段と、前記
    回折格子のスポット投影位置からの次数の異なる回折光
    を、該次数の異なる回折光の波面を互いにそろえた形で
    合波して得られる干渉光束を受光する光検出手段とを有
    することを特徴とする光学式変位測定装置。
  3. 【請求項3】 更に前記回折格子のスポット投影位置か
    らの次数の異なる回折光を、発散光のままあるいは平行
    光変換して、合波した形で前記光検出手段に導く光学系
    を有することを特徴とする請求項2に記載の光学式変位
    測定装置。
  4. 【請求項4】 前記光学系内に、前記複数の回折光の各
    光束それぞれに対して実質的に2枚の光束合波用回折格
    子が配置され、前記実質的に2枚の光束合波用回折格子
    の一方の光束透過領域内に格子配列位相の異なる格子部
    分を設けたことを特徴とする請求項3に記載の光学式変
    位測定装置。
  5. 【請求項5】 前記投光手段は前記回折格子が実質的に
    焦点位置になるように配置されたレンズ系へ平行光束照
    射し、前記光学系は前記回折格子からの複数の回折光を
    該レンズ系により平行光束で且つ互いに平行にすること
    を特徴とする請求項2に記載の光学式変位測定装置。
  6. 【請求項6】 前記投光手段は前記回折格子が実質的に
    焦点位置になるように配置されたレンズ系へ平行光束照
    射し、前記回折格子からの複数の回折光を該レンズ系に
    より平行光束で且つ互いに平行にすることを特徴とする
    請求項1に記載の光学式変位測定装置。
JP19331796A 1996-07-23 1996-07-23 光学式変位測定装置 Pending JPH1038517A (ja)

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JP19331796A JPH1038517A (ja) 1996-07-23 1996-07-23 光学式変位測定装置
US08/897,548 US6005667A (en) 1996-07-23 1997-07-21 Optical displacement measurement apparatus and information recording apparatus

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JP19331796A JPH1038517A (ja) 1996-07-23 1996-07-23 光学式変位測定装置

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JP19331796A Pending JPH1038517A (ja) 1996-07-23 1996-07-23 光学式変位測定装置

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