JP2005070053A - 変位測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 測定精度を向上できるとともに、超小型化できる変位測定装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の変位測定装置におけるリードヘッド装置20は、スケール90との間の相対変位を光学的に検出する。スケール格子パターンの画像を含むスケール光を、遮光要素を含んだ周期構造を有する位相マスク120によってフィルタリングすることによって、前記相対変位に関するより詳細な情報を取得できるから、測定精度を向上させることができる。また、従来の変位測定装置における電子光検出器の代わりに受光ファイバ130A〜Cを設け、これによって相対変位に関する情報を取り込むこととしているので、従来、電子光検出器に関連して必要だった多数の回路素子が不要となり、部品点数を著しく低減できるから、装置を超小型化できる。
【選択図】 図1
Description
前記したように、特許文献1記載の変位測定装置では、電子光検出器に接続される電気配線が長くなると、測定信号の減衰が生じてしまう。これに対して本発明では、測定信号としてのチャネル信号光を、受光ファイバを用いて伝送しているので、測定信号の減衰を効果的に防止できる。
また、特許文献1記載の変位測定装置では、電子光検出器に関連して多数の回路素子が必要となり、装置が大型になってしまうが、本発明では、測定信号としてのチャネル信号光を、そのまま受光ファイバで取り込んでいるだけなので、余分な部品は必要なく、装置を小型化できる。
これに対して、本発明では、空間位相マスクを設けることによって、受光ファイバのコア面積を大きくしてもスケール画像の解像度を高度に維持することができ、常に良好なチャネル信号光(測定信号)を取得できる。すなわち、スケール格子パターンの画像を含むスケール画像光を、さらに、遮光要素を含む周期構造を有する空間位相マスクでフィルタリングすることによって、より詳細な変位情報を含むチャネル信号光を取得できるから、受光ファイバのコア面積が大きくても、画像解像度が劣化することがない。
この構成においては、リードヘッドが、スケール格子パターンの光反射要素からの反射光としてのスケール画像光を読み取り、変位を測定する。
これによって、いわゆるテレセントリックな光学系が構成されている。制限アパーチャは、画像レンズの光軸と略平行のスケール画像光のみを通過させる。
この構成によれば、リードヘッドとスケールとの間の距離に関係なく、リードヘッドは、安定してスケール画像光を取り込める。したがって、高い測定制度を実現できる。
この構成によれば、中心ファイバを基準(中心)として、その周囲に複数の受光ファイバを等間隔に配置できるので、これらの組み付けを容易に、かつ、正確に行うことができる。そのため、前記特許文献2における問題を解決し、測定精度を著しく向上させることができる。
この構成によれば、対となった光ファイバーレシーバチャネルによって効果的にスケール画像光を受光できるから、測定精度を向上させることができる。
この構成によれば、反射面が、スケールとリードヘッドとの間の光路を90°曲げることができるから、スケールの法線方向が画像レンズの光軸方向に対して垂直であっても、正常に変位測定を行うことができる。
図1に、本発明にかかる変位測定装置の包括的な実施形態を示す。光ファイバリードヘッド装置20は、リードヘッド60、光学装置61、リング状光束形成素子としてのアキシコンレンズ62、および、スケール90を備えている。光学装置61における画像レンズ76は、スケール90の画像をリードヘッド60内に投射するために使用される。スケール90は、測定方向82に沿って長尺であり、その長さは任意である。なお、リードヘッド60および光学装置61は、合わせて本発明のリードヘッドを構成している。
リードヘッド60は、カラー50とアラインメント用の溝45を具備したフェルール40によって外装されている。リードヘッド60は、2002年11月15日付けで提出された米国特許明細書第10/298,312号、"High Accuracy Miniature Grating EncoderReadhead Using FiberOptic Receiver Channels"に記載の技術に従って形成することができる。
図2に示すように、このピンホールアパーチャ板72は、画像レンズ76から、光軸63に沿って、その焦点距離fで離間している。これにより、スケール90からの光軸63に略平行なスケール光は、画像レンズ76によってピンホールアパーチャ板72の位置に集光され、制限アパーチャ75内を通過されることにより、リードヘッド60の受光面160上に照射される。要するに、画像レンズ76からスケール90までの物体距離d0によらず、受光面160においてスケール90の画像を拡大するテレセントリックな光学系が形成されている。
なお、リードヘッド60の受光面160は、画像レンズ76から、光軸63に沿って画像距離diで離間しているものとし、また、ピンホールアパーチャ板72とリードヘッド60の受光面160との間の垂直距離をdtとする。
図2に示すように、リードヘッド60における照明ファイバ170から発せられた光は、アキシコンレンズ62によってリング状の光束251に形成される。リング状光束251は、光軸63の方向に沿って右方(図2中)に進むにつれて、その径が大きくなり、画像レンズ76の外周を囲う環状領域に配置されている環状照明レンズ78に照射される。環状照明レンズ78は、発散していく光束251を屈折させて、リング状収束照明光束252を形成し、スケール90上にリング状に照射する。なお、環状照明レンズ78のスケール90側の表面全域にわたって本発明の複数の出射位置が形成されている。本実施形態では、特に、この出射位置が、前記環状領域において連続的に隙間無く存在していることになる。
なお、きめが粗く光を散乱する散乱面、あるいは、光を散乱する性質を有する材料によって形成される散乱層を環状照明レンズ78の表面または内部に設けてもよい。この散乱面および散乱層は、本発明の散乱光学素子を構成する。このような散乱面、散乱層によれば、リング光束251が環状照明レンズ78を通過する際に適度に散乱され、スケール90の表面ではより均一な強度分布が得られる。
いずれの場合も、スケール90からの反射光がリードヘッド60の受光面160上における受光ファイバ130A〜Cの端部に適切に照射されるように、スケール90上の照明範囲64が調整されているものとする。
なお、受光ファイバ130〜Cの他方の端部(出力端部:図示せず)は、公知の標準的な光ファイバコネクタに接続可能となっている。
図2に示されるように、照明ファイバ170の端部は、透明な基板265から若干離れた位置に配置されている。しかし、この図示は便宜上のものに過ぎず、実際は、照明ファイバ170の端部が基板265とできる限り接近しているのが好ましい。
なお、部品の取付け・配置等を正確に行うことによって、物体距離d0を精密に調節できるような場合には、以上のテレセントリックな光学系は必ずしも必要ではなく、制限アパーチャ75を有するピンホールアパーチャ板72は省略してもよい。
画像ピッチPiとマスクピッチPmとの比率は、前記の拡大倍率Mによって決定される。例えば、拡大倍率M=1のときは、画像ピッチPiとマスクピッチPmとが一致するようになっている。また、図2において、例えば、dt=2fのときは、前記の(式1)によって拡大倍率M≒2であり、画像ピッチPiはマスクピッチPmの約2倍になる。
また、インコヒーレント照明についてのカットオフ(限界)周波数(空間周波数)は2NA/λ、一方、コヒーレント照明についてのカットオフ周波数は1.33NA/λであるから、横方向の分解能は光のコヒーレント性に依存する。
なお、本発明に従って出力される光信号を最終的に受信する光電検出器が受信できる範囲の波長の光であれば、可視光/不可視光、あるいは、インコヒーレント光/コヒーレント光の別を問わず本発明で利用することができる。
このように、格子線からの反射光によって、リードヘッド60の受光面160には、ピッチPi(前記)の輝線が画像として投影される。なお、スペースが反射光を生成しないために、前記輝線の間は暗部となっている。
そこで、本実施形態では、制限アパーチャ75の口径を適度に調節することによって、光ファイバレシーバチャネル290において受像されるスケール格子パターンの画像が所定の程度まで不鮮明化されるようにし、光ファイバレシーバチャネル290において検出される光信号がスケール90とリードヘッド60との間の相対変位に対して正弦関数的な変化を示すようにしている。
ここでは、基板265は、援用の前記第10/298,312号明細書に記載の通りにリードヘッド60に接着されている。光学装置ハウジング65の内径は、リードヘッド60の外径と僅かな公差を持っており、両者は嵌合している。また、基板265を、光学装置ハウジング65の内周に沿って環状に設けられる配置突起部66に当接させることで、取付けを容易に行うことができる。
以上の部品寸法および配置によって、3つの受光ファイバ130A〜Cの入力端部が収納される一つの円筒状空間の半径を、3mm未満、あるいは、2mm未満、さらには、1.25mm未満とすることができる。
環状照明レンズ78は、収束する照明光252の環状リングが約20°の公称ハーフアングルにてスケール90に照射されるように、従来の手法に従って設計されている。
なお、先の記述によれば、リードヘッド装置20の全体直径を、可能な限り小さく、例えば、約7mm、5mm、あるいはこれよりもさらに小さくできることが容易に理解される。したがって、ハウジング65の短尺寸法、すなわち、光軸63に垂直な方向の寸法は、5mm未満にできる。
なお、先の説明に照らせば、リードヘッド装置20の全体直径を可能な限り短く、例えば、約5mm、2.5mm、またはこれよりも短くできることが容易に理解される。したがって、ハウジング65の短尺寸法、すなわち、光軸63に垂直な方向の寸法は、2.5mm未満にできる。
なお、前記のように、レシーバチャネルアパーチャ110A〜Cの大きさが対応する位相マスク120A〜Cの、例えば、3周期分、6周期分よりも大きくなっているのでもよい。これによれば、さらに光信号の位相を安定させることができる。
つまり、レシーバチャネルアパーチャ110を渡る位相マスク120の周期数が多いほど、レシーバチャネルアパーチャ110内に入る光信号が、アパーチャ110と位相マスク120との間の相対位置に関して影響を受けにくくなる。
本実施形態では、スケール90のピッチPgは、略20μmである。なお、例えば、約4μm〜約40μmの範囲内で選択してもかまわない。本実施形態では、ピッチPgは、リードヘッド装置20の解像度に合わせて最適な値が選択されている。
なお、図4では、光源/レンズ477を単一ユニットとして示しているが、実際は各々光源を備える複数ユニットでもよい。
受光ファイバ1301〜Nは、それぞれリードヘッド60からの光信号1911〜191Nを含んでいる。光信号1911〜Nは、前記した位相信号である。
図5A、Bに示すように、リードヘッド60Aは、3つの光ファイバレシーバチャネル590A〜Cからなる第1組を備えており、これは、前記の光ファイバレシーバチャネル190A〜Cと同様に機能する。リードヘッド60Aにおいて「均衡のとれた対」を形成するため、リードヘッド60Aは、さらに、各光ファイバレシーバチャネル590A〜Cと受光範囲中心部257に対して反対側の位置に配置される3つの光ファイバレシーバチャネル590AX〜590CXからなる第2組を備えている。図中に示される数字の対1−1、2−2、3−3は、均衡のとれた対を表している。
このように、光ファイバレシーバチャネルセットは、2N=6(N=3)個の光ファイバレシーバチャネルからなるN=3対の光レシーバチャネル対を含んで構成されていることになる。ここで、各光ファイバレシーバチャネル対における2枚の位相マスクは、空間位相が等しい/空間位相に180°の差がある、のいずれか一方であるように配置される。
これらの組み立ては、例えば、以下の方法によって行われる。平坦な端部を有する前記7本のファイバを密着固定し、このファイバ束を、その後端部からフェルール540内に挿入する。続いて、位相マスクの組520を備える位相マスク部材561を、前記ファイバ束の先端に押し付けながら、フェルール540の内部に嵌め込む。位相マスク部材561の前面とフェルール540の先端面とが一致した時点で、押し込むのを止め、この状態で、位相マスク部材561とフェルール540とを接着する。
なお、照明ファイバ570のクラッディングが必要以上に大きくされているのは、照明ファイバ570の外径を他6本の受光ファイバの外径と一致させるためであり、これによって、前記したように、7本のファイバの組み立てを容易に行える。
ここで、3対あるレシーバアパーチャの各対は、スケール90とリードヘッド60AとがX軸方向に沿って相対移動する際に、互いに同一位相の光信号を受信する。
さて、照明ファイバ770はシングルモードファイバであって、マルチモードファイバとしての受光ファイバ730よりも径が小さいため、光ファイバリードヘッド装置20Aの照明光束がより小径となり、かつ、柔軟に調整できる。
また、スケール90上への照明範囲をできる限り広くするために、照明ファイバ770は、可能な限り大きいNA(開口数)を有するものが選択される。
受光ファイバ730は、照明光SLに基づく照明光850を出射する。照明光850は、受光ファイバ730の有効開口数によって決定されるハーフアングルにて発散するが、これにより、スケール90の格子上の十分な範囲に光が照射される。照明光850は、画像レンズ876を通過して、照明光852として出射され、スケール90の表面上の光軸863を中心とする略円形の範囲に照射される。この円形照射範囲に含まれる同心円形状の画像化範囲864からの反射光853は、画像レンズ876に入射され、その後、光ファイバレシーバチャネル790に画像として検出される。すなわち、反射スケール光853は、画像レンズ876を通過してスケール画像光855となり、受光面860上にスケール90のスケール格子パターンの画像を形成する。
前記各実施形態では、フェルールと装置ハウジングとは互いに別の部品として記載されているが、本発明では、両者をまとめて単一部品として製造してもよい。
60、60A…光ファイバリードヘッド
62…アキシコンレンズ
65…光学装置ハウジング
71、81…光学バッフル
75…制限アパーチャ
76…画像レンズ
78…環状照明レンズ
90…スケール
120A〜C…位相マスク
130A〜C…受光ファイバ
170…照明ファイバ
190A〜C…光ファイバレシーバチャネル
265…基板
731…中心ファイバ
870…ビームスプリッタ
1100…光屈折素子
f…焦点距離
Pg…スケール格子ピッチ
Pi…画像ピッチ
Claims (28)
- スケールと、
このスケールに光を照射する光源と、
前記スケールからの反射光および透過光の少なくともいずれかとしてのスケール画像光を受光するリードヘッドとを備え、
前記スケールが前記リードヘッドに対して相対変位する際、前記リードヘッドで受光されるスケール画像光の変化を検出することによって、前記相対変位を測定する変位測定装置において、
前記スケールは、前記相対変位方向に沿って形成されたスケール格子パターンを有し、
前記リードヘッドは、
ハウジングと、
このハウジング内に収納され、前記スケール画像光が入射される画像レンズと、
前記ハウジング内に収納され、前記画像レンズを通過した前記スケール画像光を受光する複数の光ファイバレシーバチャネルとを備え、
前記各光ファイバレシーバチャネルは、
所定ピッチをもって形成される遮光要素を含んだ周期構造を有し、また、所定の空間位相を有し、前記スケール格子パターンの画像を含む前記スケール画像光を空間的にフィルタリングする空間位相マスクと、
前記スケール画像光が前記空間位相マスクにおける所定のフィルタリング範囲においてフィルタリングされることで生成されるチャネル信号光を受光する入力端部を有する少なくとも1本の受光ファイバとを備え、
前記フィルタリング範囲は、前記各空間位相マスクの少なくとも1つの周期構造を含む範囲とされ、
前記各受光ファイバを通じて取得される前記各チャネル信号光を基に前記相対変位を測定する、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1に記載の変位測定装置において、
前記各空間位相マスクにおける前記遮光要素は、前記相対変位方向に沿って配置され、
前記各空間位相マスクが有する各空間位相の間に所望の関係が確立されるように、前記各空間位相マスクが透光性を有するマスク基板上に配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項2に記載の変位測定装置において、
前記各空間位相マスクが、前記マスク基板における前記各受光ファイバの前記各入力端部と対向する側の面に設けられることによって、
前記各空間位相マスクが、それと対応する前記各入力端部と対向される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光ファイバレシーバチャネルの各々が、前記1または複数の受光ファイバのコア面積に基づく受光範囲を有し、
前記複数の光ファイバレシーバチャネルのうち少なくとも3つの光ファイバレシーバチャネルにおける前記各受光範囲の中心が、前記画像レンズの光軸位置から同じ距離だけ隔たった位置に配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光源と前記リードヘッドとは、前記スケールに対して同じ側に配置され、
前記スケール格子パターンは、所定の反射率を有する光反射要素を含んで構成され、
前記光源から出射され、前記光反射要素において反射された後、前記画像レンズに入射される光によって、前記スケール画像光が形成される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項5に記載の変位測定装置において、
前記光源は、前記リードヘッドの前記ハウジングの内部に収納される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項6に記載の変位測定装置において、
前記各受光ファイバの前記入力端部とは反対側の出力端部には、前記入力端部で入力され前記出力端部で出力される前記チャネル信号光を検出する光検出器が設けられ、
前記光源は、前記複数の受光ファイバのうち少なくとも1の受光/発光併用ファイバにおける前記出力端部に配置され、
この出力端部から当該受光/発光併用ファイバ内に入射された前記光源からの光は、この受光/発光併用ファイバの前記入力端部から出射された後、前記画像レンズを通過されて前記スケールに照射される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項7に記載の変位測定装置において、
前記1または複数の各受光/発光併用ファイバの前記出力端部には、前記光源からの光をこの出力端部に入射するとともに、この出力端部から出力される前記チャネル信号光を、これに対応する前記光検出器に向けて出射する配光素子が設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項8に記載の変位測定装置において、
前記配光素子は、ビームスプリッタおよび光学サーキュレータのいずれか一方を含んで構成される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項5から請求項9のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光源から出射される光は、前記画像レンズの外周を包囲する環状領域に含まれる複数の出射位置から前記スケールに向けて照射される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項10に記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置は、前記画像レンズの光軸位置を重心とする正多角形の頂点位置に一致する、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項10または請求項11に記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置には、前記光源からの光を屈折させて、前記スケールに向かうにつれて前記画像レンズの光軸に近づいていく収束照明光を形成する屈折光学素子が設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項10または請求項11に記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置には、前記光源からの光を散乱させて前記スケールに照射する散乱光学素子が設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項10から請求項13のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置が、前記環状領域において連続的に隙間無く存在している、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項10から請求項14のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光源からの光を受け、前記環状領域に向かって発散していくリング状光束を形成するリング状光束形成素子と、
前記環状領域に配置され、前記リング状光束を屈折させて、前記スケールに向かうにつれて前記画像レンズの光軸に近づいていくリング状収束照明光を形成する環状屈折光学素子とが設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項15に記載の変位測定装置において、
前記リング状光束形成素子と前記環状屈折光学素子との間に、前記リング状光束の外径および前記スケール画像光の外径の少なくともいずれかを調節するための第1光学バッフルが設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項15または請求項16に記載の変位測定装置において、
前記リング状光束形成素子と前記環状屈折光学素子との間に、前記リング状光束の内径および前記スケール画像光の外径の少なくともいずれかを調節するための第2光学バッフルが設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項10から請求項14のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記複数の出射位置は、
前記光源としての複数の電子固体光源素子、
および、
一端部の近傍に前記光源が配置される複数の照明ファイバの他端部、
の少なくともいずれかによって構成される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項18のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記画像レンズの光軸位置には中心ファイバが配置され、
この中心ファイバは、前記光源から光の供給を受けて前記スケールに照射する照明ファイバ、および、光の伝送には何ら関与しないダミーファイバ、のいずれか一方とされ、
前記複数の受光ファイバのうち少なくとも3本の受光ファイバが、前記中心ファイバに当接するように配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項19のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記光源と前記リードヘッドとは、前記スケールを挟んで互いに反対側に配置され、
前記スケールは、透光性を有するスケール基板を備え、
前記光源から出射され、前記スケールを透過された後、前記画像レンズに入射される光によって、前記スケール画像光が形成される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項20のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記複数の光ファイバレシーバチャネルは、2N(N≧2)の光ファイバレシーバチャネルからなるN対の光ファイバレシーバチャネル対を含んで構成され、
前記各光ファイバレシーバチャネル対は、前記画像レンズの光軸位置を挟んで正反対の位置に配置される2つの光ファイバレシーバチャネルによって構成され、
前記各光ファイバレシーバチャネル対における2枚の前記空間位相マスクは、空間位相が等しい/空間位相に180°の差がある、のいずれか一方である、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項21のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記リードヘッドは、前記画像レンズと前記複数の光ファイバレシーバチャネルとの間に制限アパーチャを有する、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項22に記載の変位測定装置において、
前記制限アパーチャが、前記画像レンズから、その焦点距離だけ隔たった位置に配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項22または請求項23に記載の変位測定装置において、
前記各チャネル信号光が、前記スケールと前記リードヘッドとの間の相対変位に対して正弦関数的な変化を示すように、前記制限アパーチャの口径が設定されている、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項24のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記各空間位相マスクにおける前記フィルタリング範囲は、当該空間位相マスクの少なくとも3つの周期構造を含む範囲とされる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項25のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記各空間位相マスクにおける前記フィルタリング範囲は、当該空間位相マスクの少なくとも6つの周期構造を含む範囲とされる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項26のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記スケールは、その法線方向が前記画像レンズの光軸方向に対して垂直になるように配置され、
前記スケールと前記リードヘッドとの間には、前記スケールの法線方向および前記画像レンズの光軸方向の双方に対して45°の角度をなす法線を有する反射面が設けられる、
ことを特徴とする変位測定装置。 - 請求項1から請求項27のいずれかに記載の変位測定装置において、
前記スケールは、
平板状の基板を備え、この基板の長手方向に沿って前記スケール格子パターンが配置される、
または、
円板状の基板を備え、この基板の円周方向に沿って前記スケール格子パターンが配置される、
または、
円筒状の部材を備え、この部材の表面上、その円周方向に沿って前記スケール格子パターンが配置される、
または、
テープ状の部材を備え、この部材の表面上、その長手方向に沿って前記スケール格子パターンが配置される、
ことを特徴とする変位測定装置。
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