CN1215308C

CN1215308C - 光栅干涉型位移测量装置

Info

Publication number: CN1215308C
Application number: CNB031063438A
Authority: CN
Inventors: 大崎基弘; 富谷雅树
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: DE10308016B4; US20030160966A1; DE10308016A1; JP4077637B2; US6956654B2; CN1441224A; JP2003247867A

Abstract

使多束光线在标尺10的入射位置10A、10B或在标尺光栅12B上的衍射点错开大于标尺光栅上的光束束径的距离，同时使各光束在标尺的入射角θ和衍射角Φ大致相等。由此可使信号强度不易受到间距角偏移的影响，且可获得良好的信号。所以，在设备上的安装及装置的操作更加简便。

Description

光栅干涉型位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种光栅干涉型位移测量装置，该装置用来自可干涉光源的光束从多个方向入射到标尺，使各光束的衍射光之间产生干涉，并由此获得检测信号。尤其适合用于，测量探头部与标尺的相对位移量的直线型编码器、装有该直线型编码器的线性量规等测量器和形状测量器、内外径测量器等测量装置、以及对机床和检查设备等的移动工作台进行定位和速度控制的装置。

背景技术

利用由一定间距的光学刻度形成的标尺生成周期的检测信号的光学式编码器已经普及了。进而提出了光栅干涉型位移测量装置，作为使上述光学式编码器高分辨率化的一种装置，利用全息照相术在标尺上形成细微间距的刻度，以该刻度作为衍射光栅使光束产生衍射，并以此获得检测信号。

图1是本申请人在日本的特开平1-185415中提出的光栅干涉型位移检测装置。该位移测量装置包括标尺10和探头部20。标尺10由间距p与光源波长λ同一级别的例如1μm以下的衍射光栅形成。

探头部20包括：用于向上述衍射光栅照射波长为λ的激光束14的例如由激光二极管(LD)制成的可干涉光源(以下简称光源)32，准直透镜34，以及将由上述衍射光栅生成的多束光束的混和波进行光电转换的受光元件22A、22B、22C、偏振板28B、28C、1/4波长板30。该光栅干涉型位移检测装置随上述标尺10与探头部20的相对位移生成周期性变化的检测信号，其探头部20还包括：将来自上述光源32的激光束14分成两部分的分束镜40，使该分成两部分的激光束以同一入射角θ对称地分别入射到上述衍射光栅的同一衍射点10A的一对反光镜42A、42B。该装置将入射角θ和衍射角Φ设定得不同(Φ＜θ)，使上述分成两部分的入射光束a、b的一方0次光与另一方1次(衍射)光在上述衍射光栅上能够分离，用一对反光镜44A、44B使分离的一次光反射，用偏振片46A、46B使其偏振方向相互正交，再用分束镜48、50使其混和波分别入射到上述受光元件22A、22B、22C上。

在该位移测量装置中，光束对标尺10的入射角θ与衍射角Φ的角度不同。另外，该装置是测量标尺10和与其不同的部分(探头部20)的相对位移的装置，所以，安装在设备上时应将标尺10和探头部20安装在不同的部件上，使某一个产生位移。

但是该光学结构在探头部20与标尺10的间距角(在表示光学主要部件的图2中的纸面上的旋转方向位置关系)产生偏移时，透过光栅10的光束的出射角Φ在左右光路上的角度不同。所以，如表示改变间距角时输出信号电平与间距角的关系的实测值的图3所示，干涉时对比度降低，输出信号电平降低。因此不能充分发挥作用。

所以，若要使图1所示光学结构的光栅干涉型位移测量装置充分发挥作用，则在设备上安装时需要调整间距角，使输出信号电平最大。而且还需要调整另一个方向，所以需要调整两个方向，因而安装在设备上时费时。

另外，特开平1-185415中还记载了如图4所示的入射角θ与衍射角Φ大致相等的变形例。但是因为0次光与1次光混合，不能分离，所以不能获得良好的信号。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述常规的问题，使检测信号的强度不易受间距角偏移的影响，且能够获得良好的信号，使在设备上的安装和装置的操作简便。

本发明的光栅干涉型位移测量装置，从多个方向向标尺入射来自可干涉光源的光束，使各光束的衍射先之间产生干涉，并由此获得检测信号。该装置使多束光束在标尺光栅上的入射位置错开大于在该标尺光栅上的光束束径的距离，同时使各光束在标尺上的入射角与衍射角大致相等，并且，在1次光偏振方向的光束通过方向上设置着偏振板。以此解决了上述课题。

另外，通过错开在标尺表面的入射位置使上述多束光束在标尺光栅上的入射位置错开大于在标尺光栅上的光束束径的距离。

或者，在光束入射到标尺表面的一点后前进至标尺光栅的玻璃厚度时使上述多束光束在标尺光栅上的入射位置错开大于在标尺光栅上的光束束径的距离。

另外，设置了限制入射到上述标尺的光束束径的开口，确保0次光与1次衍射光的分离。

另外，设置了对上述多束光束的透过标尺的透射光进行遮光的部件，确保0次光与1次衍射光的分离。

本发明可使由标尺与检测器的安装角度差所产生的检测信号效率的降低变小，不需要安装时的相同位置的调整。安装设备时的位置关系精度可用只需安装基准面的加工精度得到满足，不但安装简单而且还不需要特殊的调整部件，结构简单部件数少。

从对以下参考附图的描述中可以理解本发明的目的、特点和优点，且在各附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部分。

附图说明

图1是本申请人在特开平1-185415中提出的常规的光栅干涉型位移测量装置结构的光路图；

图2是图1所示光路的主要部件的光路图；

图3是图1所示光学结构的输出信号强度的间距角变动特性的曲线图；

图4是申请人在特开平1-185415中记载的变形例结构的光路图；

图5是本发明第一实施方案的光路图；

图6是第一实施方案的输出信号强度的间距角变动特性实例的曲线图；

图7是本发明第二实施方案的光路图。

优选实施例描述

本发明的第一实施方案如图5所示，在图4所示的与已有技术实例相同的光栅干涉型位移测量装置的基础上，为了控制入射在标尺10的光束的束径，例如在准直透镜34的出光侧设置了圆形开口60，同时设定了两条光束在标尺10上的入射位置10A、10B，使两条光束错开充分大于由该开口60的大小决定的光束束径的距离。

另外，用偏振光射束分裂器62取代分束镜40来改变入射在标尺10的两束光束的偏振方向，同时在标尺10的出光侧消除了0次光偏振方向的光束，并且在1次光偏振方向的光束通过的方向上设置了偏振板64A、64B。

图中的66A、66B、68A、68B分别是透镜和受光元件，用于从通过分束镜44A、44B的光中获得例如LD32的光量的反馈控制参照信号。70是无偏振光射束分裂器(分束镜)。74A、76A、78A分别是偏振板、透镜及受光元件，用于从通过上述分束镜70的光中获得A相信号。72B、74B、76B、78B分别为1/4波长板、偏振板、透镜及受光元件。

在本实施方案中，从LD32射出的光束通过准直透镜34后成为平行光，由开口60限制光束束径，由偏振光射束分裂器62分为两束正交的直线偏振光。

各光束被左右对称配置的反光镜42A、42B反射，以θ角入射到相隔距离大于标尺10上的光束束径的两点10A、10B上。

被标尺10衍射的±1次(衍射)光以和入射角θ相同或大致相同的衍射角Φ射出。

此时的光源波长λ、与该光源波长λ同一级别的例如1μm以下的标尺光栅间距p、入射角θ、衍射角Φ之间满足以下关系。

sinθ-sinΦ＝λ/p (1)

标尺10在图的左右方向位移了d时，各衍射光的相位分别向反方向变化d/p。使两束光产生干涉，观测错开d/2p周期的干涉光强度，以此来观测转换成光相位差的标尺的位移量。

衍射光线通过配置在透过各直线偏振成分的方位上的偏振板64A、64B。此时，成为干扰成分的透射光(0次光)从标尺以和入射角相同的θ角射出，但如前所述，因为在相隔距离大于光束束径的两点产生衍射，所以±1次光与0次先的光束不会重合。另外，由于上述偏振板64A、64B配置在对0次光遮光的位置，所以光束基本不透过。这里之所以不能完全遮光，是因为由于光源32的偏振度和偏振光射束分裂器62的偏振能使入射到偏振板64A、64B的光线不能成为完全的直线偏振光的缘故。

然后，通过偏振板64A、64B的各衍射光被左右对称配置的分束镜44A、44B反射，入射到中央的无偏振光射束分裂器70上。

此时，通过分束镜44A、44B的光通过透镜66A、66B入射到受光元件68A、68B上，成为参照信号。另外，与图1或图4所示的常规例一样，可以将受光元件68A、68B中的某个省略，只用一个代用。

入射到无偏振光射束分裂器70的两束直线偏振光分别透过一半、反射一半，经过相同的光路后射向受光元件78A、78B。

在一条光路中(图右侧的光路)，在45°方位上配置了偏振板74A，使两束光束产生干涉，由受光元件78A将标尺位置转换成电信号强度后输出。

在另一条光路中(图左侧的光路)，还配置了1/4波长板72B、只将一条直线偏振光的相位延迟90°，再通过偏光板74B后产生干涉，转换成相位相差90°的电信号。

用受光元件78A、78B对获得的相位相差90°的两个信号进行处理，可判定标尺的移动方向。

此时，没被偏振板64A、64B消除的标尺的透射光(0次光)也射向受光元件。但因为光路错开了光束束径以上的距离，所以不会与有效光束产生干涉，因此输出信号不会变弱。因此，成为完整的两束光的干涉，输出基本理想的正弦波信号。

另外，透过左右分束镜44A、44B的光束可用于检测衍射光的强度，即，用于控制LD32的光量，使强度稳定。

图6示出了本实施方案的标尺间距角与信号强度关系的实测值。与图3相比，输出信号强度随间距角的跌落明显变小。

这样，通过使入射角θ与衍射角Φ相等或大致相等，使在发生间距角偏移时通过左右光路入射到受光元件的光束的入射角之间不易发生角度差。这是因为入射角θ与衍射角Φ之间存在(1)式的关系，θ与Φ成反比例，在θ与Φ大致相等时θ与Φ之和基本不变，通过左右光路的光束之间不易产生角度差，信号强度不易变弱。

在本实施方案中，因为设置了圆形开口60，所以可以缩小入射光束的束径，使在标尺10上的入射位置的移动量变小。另外，开口60的形状不限于圆形，而且在入射光束的束径小时，或装置大小有余时，可以省略开口60。

在本实施方案中，还使入射到标尺上的光的偏振方向不同，在其出光侧设置了偏振板64A、64B来遮挡0次光，所以能够切实地降低干扰信号的影响。另外，根据条件可用分束镜代替偏振光射束分裂器62，或省略偏振光板64A、64B。

下面参照图7详细说明本发明的第二实施方案。

在本实施方案的光栅干涉型位移测量装置中，在玻璃基板12A上形成标尺光栅12B后在上面覆盖玻璃12C而形成了标尺12，用棱镜80、82替代了第一实施方案的偏振光射束分裂器70。由此，在标尺12的表面12S(即玻璃12C的表面)的一个入射点在光束前进玻璃12C的厚度t时就会分开光束束径以上的距离入射到标尺12B上。

本实施例的其它特征与第一实施方案相同，赋予相同的标号，并省略其说明。

在本实施方案中因为多束光束入射到玻璃12C的表面的一点，所以不易产生由玻璃表面(入射侧)的波纹产生的误差。

尽管在此已经描述了本发明的优选实施例，但应当理解，在不背离所附权项的范围内可对其做出许多改变和修正。

Claims

1.一种光栅干涉型位移测量装置，向标尺入射来自可干涉光源的多束光束，使各光束的衍射光束之间产生干涉，并由此获得检测信号，其特征为，多束光束在标尺光栅的入射位置错开一定距离，该距离大于该标尺光栅上的光束束径，同时，各光束在标尺上的入射角与衍射角基本相等，并且，在1次光偏振方向的光束通过方向上设置着偏振板。

2.如权利要求1所述的光栅干涉型位移测量装置，其特征在于，通过错开在标尺表面的入射位置使上述多束光束在标尺光栅的入射位置错开大于标尺光栅上的光束束径的距离。

3.如权利要求2所述的光栅干涉型位移测量装置，其特征在于，使上述多束光线在标尺光栅的入射位置错开的部件包括偏振光射束分裂器和反光镜。

4.如权利要求1所述的光栅干涉型位移测量装置，其特征在于，在上述多束光束入射到标尺表面的一点后前进至标尺光栅的玻璃厚度时，上述多束光束在标尺光栅的入射位置错开大于标尺光栅上的光束束径的距离。

5.如权利要求4所述的光栅干涉型位移测量装置，其特征在于，使上述多束光束在标尺光栅的入射位置错开的部件是棱镜。

6.如权利要求1所述的光栅干涉型位移测量装置，其特征在于，设置了限制上述入射到标尺的光束束径的开口。

7.如权利要求6所述的光栅干涉型位移测量装置，其特征在于，上述开口为圆形。

8.如权利要求1所述的光栅干涉型位移测量装置，其特征在于，设置了对上述多束光束透过标尺的透射光进行遮光的部件。