CN1451942A - 位移信息检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种位移信息检测装置，其结构为：使来自光源单元的可干涉光束照射到相对移动的衍射光栅刻度上、发生2个不同次数的衍射光，由圆弧或圆环状的曲线不等间距地排列成格子状的衍射光栅使该2个衍射光发生衍射偏转，再次照射到该衍射光栅刻度上，再次发生衍射，使这些衍射光相互重叠而发生干涉，将该干涉光导引到受光元件上，检测伴随该衍射光栅刻度的相对移动的周期信号。
Description
技术领域
本发明涉及位移信息检测装置，特别是极适合于可以利用向位移物体(光学标度)照射光时发生的衍射、高精度地求位移物体的位置信息、转动信息或移动等的位移信息的物理量的产业用计量机器等的位移信息检测装置。
背景技术
迄今，在产业用计量机器等中，为了检测物体(位移物体)的位置信息、移动量、转动量等位移信息，大多使用的是旋转编码器或线性编码器等位移信息检测装置(编码器)。
本申请人迄今为止已提案了各种应用光的衍射干涉现象检测物体的位置或速度的变化的所谓的光栅干涉方式的编码器。特别是提案了采用微次序的微细标度、通过取出由该微细标度衍射的2个光束使之发生干涉而得到分辨率远远高于几何光学式编码器的高分辨率的编码器。
这些编码器采用将2个衍射光的波面合成而生成干涉图形的结构，由于是干涉光学系统，所以，对各光学元件的加工、配置要求非常苛刻的精度。特别是标度部分和检测头部分离的所谓的机内式编码器，用户必须将标度和检测头部安装到电机或载物台等上，从而该作业在组装上的困难将成为问题。另外，在安装到实际的装置上时，随着装置本身的小型化，便要求更小型的编码器。
因此，迄今本申请人在例如特愿2001-25124中提案了利用可以修正各种光学元件的组装上的误差的修正光学系统来减轻安装时的调整误差的影响从而可以检测高精度的位移信息的编码器。
图4是利用本申请人此前提案的修正光学系统可以高精度地进行位移信息检测的编码器的光学系统的主要部分的概略图。
在图4中，从半导体激光器LD射出的光束R透过光束分离器BS的部分透过部分W，通过反射镜M1和圆环状元件CG的透过部分，照射到衍射光栅刻度(标度光栅)GT上。由标度GT衍射的反射衍射光R+、R-分别照射到圆环状元件CG的圆环状反射光栅CG1、CG2上。这里，若设衍射光栅刻度GT上的光栅间距为P1时，则圆环状反射光栅CG1、CG2的光栅间距P2按下式的关系设定。
P2＝P1/2
从局部看时，圆环状反射光栅CG1、CG2起光栅间距P2的衍射光栅的作用，向原来的方位(衍射光栅刻度GT侧)衍射，向与衍射光栅刻度光栅GT大致相同的位置照射，再次发生衍射，分别使光束相互重合沿原来的光路返回，返回到光束分离器BS。该光束分别由光束分离器BS背面的反射衍射光栅GT4向与半导体激光器LD不同的方向取出，作为干涉光束由受光元件PD4检测。使用±1次衍射光时，受光元件PD上的干涉的明暗周期，每移动衍射光栅刻度光栅GT的1个间距为4周期。
在该现有技术的例子中的编码器利用圆环状反射光栅CG1、CG2的效果对光源的波长变化修正光路偏移效果和对各光学元件的调准误差进行修正，所以，即使是将标度光栅GT和检测头(PD4)分离的编码器，安装也比较容易。另外，由于结构部件数非常少，所以，可以实现小型化、薄型化。
对于图4所示的编码器，设衍射光栅GT上的光栅间距为P1时，由于圆环状反射光栅CG1、CG2的间距P2按下式的关系设定，
P2＝P1/2
所以，特别是旋转编码器的盘标度为小直径时，如果光束照射位置偏离半径方向时，就有容易偏离设定位置的问题。
因此，特别是在使用小直径盘时，迫切希望有可以得到与半径方向的光束照射位置的偏离无关的稳定的位移信息的3光栅干涉光学系统。
发明内容
本发明就是为了解决上述问题而提出的，目的旨在提供利用可以用高分辨率得到稳定的位移信息的3光栅干涉光学系统的小型化、薄型化而可以应用于小直径盘的位移信息检测装置。
为此，本发明的特征在于：使来自光源单元的可干涉光束照射到相对移动的衍射光栅刻度上，发生2个不同次数的衍射光，由圆弧或圆环状的曲线按不等间距地排列成格子状的衍射光栅使该2个衍射光发生衍射偏转，再次照射到该衍射光栅刻度上，再次发生衍射，使这些衍射光相互重叠而发生干涉，将该干涉光导引到受光元件上，检测伴随该衍射光栅刻度的相对移动的周期信号。
本发明的其他目的和结构通过后面所述的实施例的说明即可知道。
附图说明
图1是本发明实施例1的光学结构(直接聚光)的主要部分的概略图。
图2是本发明实施例2的光学结构(透镜聚光)的主要部分的概略图。
图3是本发明实施例3的光学结构(使照射位置横向偏离的情况)的主要部分的概略图。
图4是利用现有的圆弧反射光栅的现有技术的编码器的主要部分的概略图。
具体实施方式
实施例1.
图1是将本发明应用于旋转编码器时的实施例1的光学系统的主要部分的概略图。
在本实施例中，表示的是适当地改变光栅间距的圆弧状反射衍射光栅和通过将光束聚光照射到光栅刻度上的稳定的光栅干涉型编码器。
在图1中，从半导体激光器LD射出的光束R由透镜L1聚光后作为聚光光束透过具有反射膜和部分透过窗W的光束分离器BS的部分透过窗W，入射到反射镜M1和圆环状元件(圆弧光栅元件基板)CG的透过部分CGT上。
透过该用户光栅元件基板CG的透过部分CGT的光束大致以点状照射到在旋转编码器中使用的放射状的衍射光栅刻度GT上的点S1上，在此发生反射衍射。
在本实施例中，为了大致以点状照射光栅刻度GT，由透镜(平行光管透镜)L1赋予直接聚光特性，以斜入射进行照射。这时的±1次的反射衍射光R+、R-从衍射光栅刻度GT以发散光束射出，透过设置在各个光路中的1/8波片QZ1、QZ2后，分别照射到光栅间距随着向外侧(半径方向的外侧)而变细的圆弧衍射光栅CG1、CG2上。
这里，该圆弧衍射光栅CG1、CG2通过适当地改变光栅间距而配置，由该圆弧衍射光栅(圆环状反射光栅)CG1、CG2再次衍射反射的特定次数的衍射光再次以大致点状照射到半径方向与衍射光栅刻度GT上的点S1有微小不同的点S2上，并进而发生衍射。
在本实施例的旋转编码器中，光束的照射位置在点S1和点S2上半径方向有微小的不同，所以，在点S2上再次被衍射(第3次)的2光束的光轴方位将发生若干偏离。但是，由于两者的光束都是将点S2作为假想点光源时的发散光束，所以，2光束的球面状的波面都是一致的，在2光束共存的区域中的干涉状态非常稳定。
在衍射光栅刻度GT上的点S2再次被衍射的2光束分别使光束的大部分相互重叠，通过透过部分CGT和反射镜M1，由透镜L2赋予聚光特性后返回到光束分离器BS。
另外，这2个再次衍射光束进而往复透过使光学轴偏离90度配置的1/8波片QZ1、QZ2，所以，成为绕向相互相反的圆偏振光束，以矢量方式合成偏振状态时，将与+1次衍射光和-1次衍射光的相位差相应地成为使偏振面旋转的线偏振光。
并且，导引到光束分离器BS上的光束由记录在反射面上的交错状相位光栅GT4发生反射衍射，分离为4个光束，经过由使偏振面在其受光面的前面朝向不同的方位的4个偏振元件POL41、POL42、POL43、POL44构成的偏振单元POL4后，由4个受光元件PD41、PD42、PD43、PD44构成的受光单元(受光元件阵列)PD4进行检测。
使用±1次衍射光时，由受光单元PD4得到的干涉的明暗周期的变化，每移动标度光栅GT的1个间距为4周期。另外，由受光单元PD4的4个受光元件得到的明暗周期信号是正弦波，它们的相位相互偏离。
如果使上述4个偏振元件的方位相互各偏离45度，相位将偏离90度。在本实施例中，受光元件的光束为4个，但是，通常有2个或3个就行了。
如上所述，在本实施例中，通过将适当地改变间距的圆弧状等的反射衍射光栅CG1、CG2配合以大致以点状照射放射状光栅刻度GT的条件，构成最适合于小型而稳定的高分辨率的3光栅干涉型编码器的光学系统。
特别是在本实施例中采用使衍射光栅刻度GT上的圆弧状衍射光栅不是等间距而是适当地改变间距的圆弧状等的反射衍射光栅，并进而通过与适当的照射条件配合，构成小型的高分辨率的编码器光学系统。
在本实施例中，改变光栅刻度GT的光栅间距时，衍射光的衍射角发生变化，从而入射到圆弧状反射衍射光栅CG1、CG2上的位置将偏离。因此，通过适当地配置圆弧状反射衍射光栅CG1、CG2的光栅间距的间隔，使反射衍射光在原来的方位射出。
例如，作为圆弧状反射衍射光栅，这与将反射型衍射光栅反射镜、反射型菲涅尔透镜、反射型波带片配置成使其焦距与到光栅刻度GT的间隔大致相等的情况是等价的。
例如，考虑菲涅尔反射镜作为圆弧状反射衍射光栅CG1、CG2时，使光栅刻度GT与该圆弧状反射衍射光栅CG1、CG2的间隔成为该圆弧状反射衍射光栅CG1、CG2的所谓焦距的2倍的关系。这样，便可得到所希望的光学效果。通过使再次向光栅刻度GT入射的光路与原来的光路一致，可以总是得到稳定的干涉信息。
在本实施例的旋转编码器的情况下，盘(放射状盘)在半径方向偏离时，相当于光束入射的衍射光栅的光栅间距发生了变化，根据同样的理由，可以得到稳定的干涉信息。
光栅刻度GT的排列方向和圆弧状衍射光栅CG1、CG2的光束入射位置处的光栅的排列方位在没有安装误差的状态下是完全平行的，但是，有时有一定的角度。这时，再次由光栅刻度GT衍射的±1次的光束就不完全一致，从而向不同的方位射出。
因此，光束在光栅刻度GT上的再次衍射位置聚光成点状，从而从该处射出的光束的波面成为球面，扩展着射出。±1次衍射光的主光线的光轴如上述那样偏离，但是，由于波面是相互所共有的，所以，在总体上成为所谓的单色状态的稳定的干涉状态。在本实施例中，对于其他部件的安装误差也有同样的效果。
实施例2.
图2是本发明实施例2的主要部分的概略图。
本实施例与图1的实施例1相比，不同的地方仅在于，在反射镜M1与圆弧光栅元件基板CG之间新设置了透镜L3，其他结构相同。
在本实施例中，由透镜L1和透镜L3对光源LD的光束进行聚光，使之大致以点状斜入射地照射到标度光栅GT上。这样，便可得到与
实施例1相同的效果。
实施例3.
图3是本发明实施例3的主要部分的概略图。
本实施例与实施例1相比，不同的地方仅在于，大致以点状照射到光栅刻度GT上时，在光栅刻度GT的移动方位(圆弧方向)偏离而照射到点S1和点S2上，取代在半径方向偏离以斜入射方式照射到点S1和点S2上，其他结构相同。这样，便可得到与实施例1相同的效果。
在上述各实施例中，也可以将光栅刻度GT采用线性标度光栅，将本发明应用于线性编码器。
利用透镜L1或透镜L3以点状照射到光栅刻度GT上的条件不必太严格，实际上光束宽度的尺寸是有限的，另外，最小聚光位置稍微偏离一点光栅刻度GT也可以。
按照以上说明的各实施例，对3光栅干涉光学系统的第2衍射光栅CG通过使用适当地改变光栅间距的圆弧状放射光栅和使光束聚光照射到标度光栅GT上，可以得到以下的效果。
即使光束照射到小直径的旋转编码器用的盘上的放射状光栅上的位置由于安装时的误差或盘的偏心而有点偏离，也可以得到稳定的光栅干涉信号。
即使光栅刻度GT的光栅间距发生变化，也可以进行稳定的检测，所以，在相同尺寸(照射半径)的盘上实现了不同的脉冲数的编码器。
即使光栅刻度的光栅间距发生变化，也可以进行稳定的检测，所以，可以很容易地实现将盘与光学检测装置分离的所谓组装型的编码器。
该圆弧状反射光栅利用EB描绘和曝光、玻璃蚀刻等半导体工艺可以很容易加工，所以，可以批量生产。
如上所述，按照本发明，可以实现利用可用高分辨率得到稳定的位移信息的3光栅干涉光学系统的小型化薄型化的可应用于小直径盘的位移信息检测装置。
Claims (4)
1.一种位移信息检测装置，其特征在于包括：
可以相对移动的衍射光栅刻度；
用可干涉光束照射上述衍射光栅刻度的照明单元，和
具有以不等间距排列的圆弧状或圆环状的曲线的衍射光栅，配置所述衍射光栅使从上述衍射光栅刻度发生的2个不同阶次的衍射光发生衍射偏转、以使之再次照射上述衍射光栅刻度。
2.按权利要求1所述的位移信息检测装置，其特征在于还包括受光单元，用于接收使再次入射到上述衍射光栅刻度上由上述衍射光栅刻度再次衍射的衍射光相互重叠而发生干涉的干涉光束。
3.按权利要求1所述的位移信息检测装置，其特征在于：上述衍射光栅由上述照明单元大致以点状照射。
4.按权利要求1所述的位移信息检测装置，其特征在于：上述衍射光栅是具有与上述衍射光栅和上述衍射光栅刻度之间的距离对应的焦距的衍射光栅透镜或菲涅尔透镜或波带片。
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