JP2017161294A - Displacement measurement device - Google Patents

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勝弘 小山
Katsuhiro Koyama
勝弘 小山
冬樹 宮澤
Fuyuki Miyazawa
冬樹 宮澤
松田 勲
Isao Matsuda
勲 松田
康仁 萩原
Yasuhito Hagiwara
康仁 萩原
貴樹 浜本
Takaki Hamamoto
貴樹 浜本
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Taiyo Yuden Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a displacement measurement device with which it is possible to maintain desired measurement accuracy even when a tilt around the optical axis of a diffraction grating occurs.SOLUTION: A displacement measurement device 100 comprises a light source 12, a diffraction grating 20 on which a light from the light source 12 is incident, a photodetector 30 for receiving an interference light obtained as the light passes through the diffraction grating, and an output unit 40 for outputting a relative displacement of the diffraction grating 20 and the photodetector 30 on the basis of a signal obtained by the photodetector 30. Since only one of the diffraction grating 20 is provided, there is no reduction in the accuracy of displacement measurement even when a tilt around the optical axis occurs in relation to the diffraction grating 20 and the photodetector 30. This means that desired measurement accuracy can be maintained.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光干渉を利用した変位計測装置に関する。   The present invention relates to a displacement measuring apparatus using optical interference.

特許文献1には、光源側に近い第1回折格子と、それに対向する第2回折格子とで構成される回折格子対を備えた変位計測装置が開示されている。回折格子対では、第1回折格子による+n次回折光が第2回折格子に入射して第2回折格子から発生する−n次回折光と、第1回折格子による−n次回折光が第2回折格子に入射して第2回折格子から発生する+n次回折光との干渉光を発生する。変位計測装置は、受光部であるPDにより当該干渉光を受光し、その受光信号に基づき、第1回折格子および第2回折格子の相対変位を出力する(例えば、特許文献1参照)。   Patent Document 1 discloses a displacement measuring device including a diffraction grating pair composed of a first diffraction grating close to the light source side and a second diffraction grating facing the first diffraction grating. In the diffraction grating pair, + n-order diffracted light generated from the second diffraction grating when + n-order diffracted light from the first diffraction grating is incident on the second diffraction grating and -n-order diffracted light from the first diffraction grating are applied to the second diffraction grating. Interference light with + n-order diffracted light that is incident and generated from the second diffraction grating is generated. The displacement measuring device receives the interference light by a PD that is a light receiving unit, and outputs a relative displacement between the first diffraction grating and the second diffraction grating based on the received light signal (see, for example, Patent Document 1).

特開2015-21890号公報JP-A-2015-21890

特許文献1の装置では、第1回折格子および第2回折格子に、相対的に、光軸周りのねじれ(チルト)が発生すると、計測精度が低下するという問題がある。   The apparatus of Patent Document 1 has a problem that the measurement accuracy decreases when a twist (tilt) around the optical axis occurs in the first diffraction grating and the second diffraction grating.

本発明の目的は、回折格子の光軸周りのチルトが発生しても所望の計測精度を維持できる変位計測装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a displacement measuring apparatus that can maintain a desired measurement accuracy even when a tilt around the optical axis of a diffraction grating occurs.

上記目的を達成するため、本発明に係る変位計測装置は、光源と、回折格子と、受光部と、出力部とを具備する。
前記回折格子には、前記光源からの光が入射する
前記受光部は、前記光が前記回折格子を透過して得られる干渉光を受光する。
前記出力部は、前記受光部で得られる信号に基づき、前記回折格子と前記受光部との相対的な変位を出力する。
In order to achieve the above object, a displacement measuring apparatus according to the present invention includes a light source, a diffraction grating, a light receiving unit, and an output unit.
The light from the light source is incident on the diffraction grating. The light receiving unit receives interference light obtained by transmitting the light through the diffraction grating.
The output unit outputs a relative displacement between the diffraction grating and the light receiving unit based on a signal obtained by the light receiving unit.

この変位計測装置では、回折格子が1つのみ設けられるので、回折格子と受光部とに相対的に、光軸周りのチルトが発生しても、変位の計測精度の低下が少ない。すなわち、本発明によれば、所望の計測精度を維持できる。   In this displacement measuring apparatus, since only one diffraction grating is provided, even if a tilt around the optical axis occurs relative to the diffraction grating and the light receiving portion, there is little reduction in displacement measurement accuracy. That is, according to the present invention, desired measurement accuracy can be maintained.

前記受光部は、前記受光部は、前記回折格子から出射される回折光のうち、nを自然数として、+n次回折光と−n次回折光による干渉光を受光するように構成されていてもよい。
これにより、変位計測装置の光学的な設計が容易となる。
The light receiving unit may be configured to receive interference light by + n-order diffracted light and -n-order diffracted light, where n is a natural number among diffracted light emitted from the diffraction grating.
This facilitates optical design of the displacement measuring device.

前記出力部は、前記受光部から直接出力されたサイン波信号を取得してもよい。
これにより、サイン波信号を意図的に形成する必要がなく、演算部として高価なICを用いる必要もない。
The output unit may acquire a sine wave signal directly output from the light receiving unit.
Thereby, it is not necessary to intentionally form a sine wave signal, and it is not necessary to use an expensive IC as the arithmetic unit.

前記回折格子は、前記干渉光の干渉縞を構成する複数の明部および複数の暗部のうち、これら明部および暗部の配列方向における1つの明部の幅が、前記配列方向における前記受光部の幅以上となるように設定された格子ピッチを有していてもよい。   The diffraction grating has a width of one bright part in the arrangement direction of the bright part and the dark part among the plurality of bright parts and the plurality of dark parts constituting the interference fringes of the interference light. You may have the grating | lattice pitch set so that it might become more than a width | variety.

前記受光部は、複数の受光部で構成され、前記格子ピッチは、前記配列方向における前記1つの明部の幅が、前記配列方向における前記複数の受光部の全体の幅以上となるように設定されていてもよい。   The light receiving unit is composed of a plurality of light receiving units, and the grating pitch is set such that the width of the one bright portion in the arrangement direction is equal to or larger than the entire width of the plurality of light receiving units in the arrangement direction. May be.

前記受光部は、前記干渉光を形成する2つの回折光の光軸同士が交わる位置に受光面が位置するように配置されていてもよい。
これにより、受光部は高い強度の信号を得ることができるため、SN比を上げ、計測精度を高めることができる。
The light receiving unit may be arranged such that a light receiving surface is located at a position where optical axes of two diffracted lights forming the interference light intersect.
Thereby, since a light-receiving part can obtain a high intensity | strength signal, it can raise SN ratio and can improve a measurement precision.

以上、本発明によれば、回折格子の光軸周りのチルトが発生しても所望の計測精度を維持できる。   As described above, according to the present invention, a desired measurement accuracy can be maintained even when a tilt around the optical axis of the diffraction grating occurs.

図1は、本発明の第1実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic optical system configuration of a displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. PDの受光部(受光面)と、それに入射する干渉光を重ねて示した図である。It is the figure which overlapped and showed the light-receiving part (light-receiving surface) of PD, and the interference light which injects into it. 図3Aは、本実施形態についてのリサージュ波形を示し、図3Bは、装置Aについてのリサージュ波形を示す。FIG. 3A shows a Lissajous waveform for this embodiment, and FIG. 3B shows a Lissajous waveform for apparatus A. 図4は、回折格子とPDとの配置関係を説明するための光学系を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an optical system for explaining the positional relationship between the diffraction grating and the PD. 図5Aは、本発明の第2実施形態に係る変位計測装置において、複数の受光部、例えば3つの受光部を有するPDを示す。図5Bは、図5Aに示すPDで得られる信号(出力部に入力される信号)を示す。FIG. 5A shows a PD having a plurality of light receiving parts, for example, three light receiving parts, in the displacement measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5B shows a signal (signal input to the output unit) obtained by the PD shown in FIG. 5A. 図6Aは、回折格子の格子ピッチおよびPDの受光部サイズのバリエーション例を示す。図6Bは、それら受光部により得られる信号を示す。FIG. 6A shows a variation example of the grating pitch of the diffraction grating and the size of the light receiving portion of the PD. FIG. 6B shows signals obtained by these light receiving units. 図7Aは、回折格子の格子ピッチおよびPDの受光部サイズのバリエーション例を示す。図7Bは、それら受光部により得られる信号を示す。FIG. 7A shows a variation example of the grating pitch of the diffraction grating and the size of the light receiving portion of the PD. FIG. 7B shows signals obtained by these light receiving units. 図8は、本発明の第3実施形態に係る変位計測装置を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a displacement measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.

1.第1実施形態   1. First embodiment

1.1)変位計測装置   1.1) Displacement measuring device

図1は、本発明の第1実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic optical system configuration of a displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.

変位計測装置100は、光源12、コリメータレンズ14、回折格子20、受光部として機能するPD(Photo Detector)30、出力部40を備える。   The displacement measuring apparatus 100 includes a light source 12, a collimator lens 14, a diffraction grating 20, a PD (Photo Detector) 30 functioning as a light receiving unit, and an output unit 40.

光源12は、LD(Laser Diode)、あるいはLED(Light Emitting Diode)であり、図示しないドライバにより駆動される。   The light source 12 is an LD (Laser Diode) or an LED (Light Emitting Diode), and is driven by a driver (not shown).

コリメータレンズ14は、光源12から出射された光を平行光15にする。少なくともこれら光源12及びコリメータレンズ14により、平行光を発生する光学系が構成される。光源12とコリメータレンズ14との間に、アパーチャが設けられていてもよい。   The collimator lens 14 turns the light emitted from the light source 12 into parallel light 15. At least the light source 12 and the collimator lens 14 constitute an optical system that generates parallel light. An aperture may be provided between the light source 12 and the collimator lens 14.

回折格子20は、透過型のものが用いられる。回折格子20には、光源12及びコリメータレンズ14からの光が入射され、複数の回折光を出射する。複数の回折光(±n次回折光、nは自然数)のうち、例えば、+n次回折光と−n次回折光による干渉光が生成され、PD30は、その干渉光を受光する位置に配置されている。典型的には、PD30は、+1次回折光と−1次回折光による干渉光を受光する。   The diffraction grating 20 is a transmission type. Light from the light source 12 and the collimator lens 14 enters the diffraction grating 20 and emits a plurality of diffracted lights. Among a plurality of diffracted lights (± nth order diffracted light, n is a natural number), for example, interference light is generated by + nth order diffracted light and −nth order diffracted light, and the PD 30 is arranged at a position for receiving the interference light. Typically, the PD 30 receives interference light caused by + 1st order diffracted light and −1st order diffracted light.

例えば+1次と+2次の回折光による干渉光、−1次と−2次の回折光による干渉光、あるいは、±2次回折光による干渉光などが、PD30の受光対象であってもよい。すなわち、回折格子20を出射した回折光の光軸が、回折格子20から離れた位置で交差するような回折光が用いられればよい。実際には、図1に示す以外にも多数の回折光が存在するが、説明を容易にするため、それらの図示を省略している。   For example, the interference light by the + 1st order and + 2nd order diffracted light, the interference light by the −1st order and −2nd order diffracted light, or the interference light by ± 2nd order diffracted light may be received by the PD 30. That is, it is only necessary to use diffracted light such that the optical axes of the diffracted light emitted from the diffraction grating 20 intersect at a position away from the diffraction grating 20. Actually, there are many diffracted lights other than those shown in FIG. 1, but they are not shown for easy explanation.

回折格子20は、図1においてy方向に沿った溝である複数の格子線を有する。格子線のピッチ(格子ピッチ)Pは特に限定されないが、例えば50μm〜500μmである。より好ましくは、100μm〜300μmとされる。   The diffraction grating 20 has a plurality of grating lines which are grooves along the y direction in FIG. The pitch of the lattice lines (lattice pitch) P is not particularly limited, but is, for example, 50 μm to 500 μm. More preferably, it is set to 100 μm to 300 μm.

本実施形態に係る変位計測装置100は、これら格子線の配列方向であるx方向における、回折格子20の並進変位、つまりx方向における回折格子20とPD30との相対変位を計測対象としている。   The displacement measuring apparatus 100 according to the present embodiment uses the translational displacement of the diffraction grating 20 in the x direction, which is the arrangement direction of these grating lines, that is, the relative displacement between the diffraction grating 20 and the PD 30 in the x direction.

本明細書では、主光軸方向(z方向)に直交する2軸をx、y軸と定めている。上述したように、各回折格子20の格子線に沿う方向をy方向とし、格子線の配列方向をx方向としている。   In this specification, two axes orthogonal to the main optical axis direction (z direction) are defined as x and y axes. As described above, the direction along the grating lines of each diffraction grating 20 is the y direction, and the arrangement direction of the grating lines is the x direction.

光源12、コリメータレンズ14および回折格子20は、例えば筐体やフレーム等の支持構造10により一体的に支持され、PD30に対してx方向に一体的に移動可能とされる。PD30も筐体やフレーム等の別の支持構造13により支持される。これらの支持構造10および13は、例えば図示しないガイドおよび弾性部材により接続され、x方向に相対移動可能に構成されている。   The light source 12, the collimator lens 14, and the diffraction grating 20 are integrally supported by a support structure 10 such as a housing or a frame, and can be moved integrally in the x direction with respect to the PD 30. The PD 30 is also supported by another support structure 13 such as a housing or a frame. These support structures 10 and 13 are connected by a guide and an elastic member (not shown), for example, and are configured to be relatively movable in the x direction.

例えば、PD30は、出力部40を構成するICと一体的に支持されていてもよい。   For example, the PD 30 may be supported integrally with an IC that constitutes the output unit 40.

出力部40は、PD30で得られる信号を処理することで変位を出力する。出力部40は、典型的には、アナログIC、あるいはデジタルICで構成される。   The output unit 40 outputs a displacement by processing a signal obtained by the PD 30. The output unit 40 is typically composed of an analog IC or a digital IC.

出力部40は、デジタル回路で構成される場合、例えばCPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等のハードウェアを主に備える。出力部40は、CPUに加え、またはCPUに代えて、PLD(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、DSP(Digital Signal Processor)を備えていてもよい。出力部40は、物理的に分離した複数のチップパッケージや素子等で構成されていてもよい。   When the output unit 40 includes a digital circuit, the output unit 40 mainly includes hardware such as a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory). The output unit 40 may include a PLD (Programmable Logic Device) in addition to or instead of the CPU, or may include a DSP (Digital Signal Processor). The output unit 40 may be composed of a plurality of physically separated chip packages, elements, and the like.

図2は、PD30の受光部(受光面)と、それに入射する干渉光を重ねて示した図である。PD30の受光面の形状は、例えば矩形とされている。干渉光は、例えば明部と暗部とが交互にx方向に配列されて構成される。干渉光の明部のピッチaや、明部の幅bは、回折格子20の格子ピッチで決まる値である。本実施形態に係る回折格子20は、明部の幅bがPD30のx方向の幅c以上となるように設定された格子ピッチ(例えば上述した50μm〜500μm)を有する。   FIG. 2 is a diagram in which the light receiving portion (light receiving surface) of the PD 30 and the interference light incident thereon are overlapped. The light receiving surface of the PD 30 has a rectangular shape, for example. The interference light is configured, for example, by arranging bright portions and dark portions alternately in the x direction. The bright part pitch a and the bright part width b of the interference light are values determined by the grating pitch of the diffraction grating 20. The diffraction grating 20 according to the present embodiment has a grating pitch (for example, 50 μm to 500 μm described above) set so that the width b of the bright portion is equal to or larger than the width c of the PD 30 in the x direction.

回折格子20の移動に応じて、PD30で得られる干渉光の強度信号は、サイン波信号となる。したがって、出力部40は、PD30から直接出力されるサイン波信号を取得する。   The intensity signal of the interference light obtained by the PD 30 according to the movement of the diffraction grating 20 becomes a sine wave signal. Therefore, the output unit 40 acquires a sine wave signal output directly from the PD 30.

本実施形態では、1プレート方式を採用する。つまり、本実施形態に係る変位計測装置100は、1つの回折格子20を用いて、その回折格子20とPD30との相対変位を計測するものである。   In the present embodiment, a one-plate method is adopted. That is, the displacement measuring apparatus 100 according to this embodiment uses one diffraction grating 20 to measure the relative displacement between the diffraction grating 20 and the PD 30.

これに対し、一般の1プレート方式は、リニアエンコーダやロータリエンコーダのように、複数のスリットを有する1つのプレートを使用する。そして、スリットからの透過光(干渉光ではない)を光センサが受光し、そのプレートと光センサの相対変位が計測される。この場合、光センサで得られる信号は、三角波信号となる。   On the other hand, the general one-plate system uses one plate having a plurality of slits like a linear encoder or a rotary encoder. Then, the optical sensor receives transmitted light (not interference light) from the slit, and the relative displacement between the plate and the optical sensor is measured. In this case, the signal obtained by the optical sensor is a triangular wave signal.

しかし、三角波信号を処理する場合、その三角波の頂点部分を処理するための高い周波数帯域が必要となるため、回路設計が難しくなり、あるいは高価なICが必要となる。したがって、一般には、光センサでサイン波信号を得られるように光学的な要素を付加するか、または、光センサからの三角波信号を回路(演算)によりサイン波信号を生成する必要がある。   However, when processing a triangular wave signal, a high frequency band is required for processing the apex portion of the triangular wave, so that circuit design becomes difficult or an expensive IC is required. Therefore, in general, it is necessary to add an optical element so that a sine wave signal can be obtained by an optical sensor, or to generate a sine wave signal by a circuit (calculation) from a triangular wave signal from the optical sensor.

これに対し、本実施形態は、回折格子20で得られる干渉光を利用するため、PD30からサイン波の強度信号を出力することができる。そして、出力部40はそのサイン波信号を取得し、それを変位に変換して出力することができる。   On the other hand, since the present embodiment uses the interference light obtained by the diffraction grating 20, it is possible to output a sine wave intensity signal from the PD 30. And the output part 40 can acquire the sine wave signal, can convert it into a displacement, and can output it.

なお、出力部40は、取得した強度信号に基づき、例えばインクリメント方式やルックアップテーブル方式により変位に変換することができる。   Note that the output unit 40 can convert the displacement into displacement based on the acquired intensity signal, for example, by an increment method or a lookup table method.

以上のように、この変位計測装置100は、回折格子20が1つのみ設けられる構造を採るので、回折格子20とPD30とに相対的に、光軸周りのチルトが発生しても、変位の計測精度の低下が少ない。すなわち、本実施形態によれば、所望の計測精度を維持できる。   As described above, since the displacement measuring apparatus 100 has a structure in which only one diffraction grating 20 is provided, even if a tilt around the optical axis occurs relative to the diffraction grating 20 and the PD 30, the displacement measurement apparatus 100 has a displacement. There is little decrease in measurement accuracy. That is, according to this embodiment, desired measurement accuracy can be maintained.

また、本実施形態では、光学系の構造がシンプルであるので、当該光学系の製造が容易となる。   In the present embodiment, since the structure of the optical system is simple, the manufacture of the optical system is facilitated.

1.2)チルトが発生した状態における繰り返し計測精度   1.2) Repeated measurement accuracy when tilt occurs

本発明者らは、本実施形態に係る変位計測装置100と、上記特許文献1の第1実施形態(図1)に示された変位計測装置(以下、装置Xと言う。)とについて、チルトが発生した状態における繰り返し計測精度を、シミュレーションにより比較した。繰り返し計測とは、例えば回折格子20とPD30との相対変位の最大範囲内で、当該相対変位に対応する複数周期分のサイン波信号を取得することである。チルト角ごとに取得されたサイン波信号が、図3A、Bに示すようにリサージュ波形に変換される。   The inventors tilt the displacement measuring apparatus 100 according to the present embodiment and the displacement measuring apparatus (hereinafter referred to as apparatus X) shown in the first embodiment (FIG. 1) of Patent Document 1 above. The accuracy of repeated measurement in the state where the error occurred was compared by simulation. The repeated measurement is to acquire a sine wave signal for a plurality of periods corresponding to the relative displacement within the maximum range of the relative displacement between the diffraction grating 20 and the PD 30, for example. The sine wave signal acquired for each tilt angle is converted into a Lissajous waveform as shown in FIGS.

図3Aは、本実施形態についてのリサージュ波形を示し、図3Bは、装置Xについてのリサージュ波形を示す。こここで、本実施形態では、チルト角を0°、1°、5°とし、装置Xでは、0°、1°とした。   FIG. 3A shows a Lissajous waveform for this embodiment, and FIG. 3B shows a Lissajous waveform for device X. Here, in the present embodiment, the tilt angle is set to 0 °, 1 °, and 5 °, and in the apparatus X, the tilt angle is set to 0 ° and 1 °.

本実施形態では、図3Aに示すように、3つのチルト角でリサージュ波形に変化がなく(すべてのリサージュ波形がほぼ重なって一致しており)、繰り返し計測精度の劣化がないことがわかる。これに対し、装置Xでは、図3Bに示すように、チルトが発生すると、繰り返し計測精度が低することがわかる。リサージュ波形が真円に近いほど、繰り返し計測精度が高いことを意味する。   In this embodiment, as shown in FIG. 3A, it can be seen that there is no change in the Lissajous waveform at three tilt angles (all Lissajous waveforms are almost overlapped and coincide), and there is no degradation in the repeated measurement accuracy. On the other hand, in the apparatus X, as shown in FIG. 3B, it can be seen that when the tilt occurs, the repeated measurement accuracy is lowered. The closer the Lissajous waveform is to a perfect circle, the higher the repeat measurement accuracy.

装置Xのチルト許容度は-1°〜+2°に対し、変位計測装置100のチルト許容度を例えば±5°以上であり、チルト許容度が高い。   The tilt tolerance of the device X is −1 ° to + 2 °, while the tilt tolerance of the displacement measuring device 100 is, for example, ± 5 ° or more, and the tilt tolerance is high.

1.3)計測スケールの精度(分解能)   1.3) Measurement scale accuracy (resolution)

ただし、本実施形態に係る変位計測装置100の計測スケールの精度、つまり分解能は、装置Xに比べ低くなる。分解能は、格子ピッチにより決まる。具体的には、回折の式sinθ= mλ/dより、格子ピッチdが大きいほど、入射角θは小さく、干渉光の幅(例えば図2に示した明部の幅b)は大きくなり、分解能は低くなる。すなわち、分解能は、格子ピッチとトレードオフの関係にある。   However, the accuracy of the measurement scale of the displacement measuring apparatus 100 according to the present embodiment, that is, the resolution, is lower than that of the apparatus X. The resolution is determined by the grating pitch. Specifically, from the diffraction equation sin θ = mλ / d, the larger the grating pitch d, the smaller the incident angle θ and the width of the interference light (for example, the bright portion width b shown in FIG. 2). Becomes lower. That is, the resolution has a trade-off relationship with the grating pitch.

1.4)回折格子とPDとの配置関係   1.4) Arrangement relationship between diffraction grating and PD

図4は、回折格子20とPD30との配置関係を説明するための光学系を示す。回折格子20から出射された2つの回折光の光軸同士が交わる位置(b)に、PD30の受光面が配置されるのが最適である。   FIG. 4 shows an optical system for explaining the positional relationship between the diffraction grating 20 and the PD 30. It is optimal that the light receiving surface of the PD 30 is arranged at a position (b) where the optical axes of the two diffracted lights emitted from the diffraction grating 20 intersect.

図4の下に、位置(a)〜(c)における回折光の光束同士の重なり具合を示す。通常、光束はガウシアンビームの強度分布を示すため、光束の中心、つまり光軸での光強度が最も高い。位置(a)、(c)では、2つの回折光の光束が交わっているが、位置(b)に比べると強度は低くなる。   The degree of overlap of the diffracted light beams at positions (a) to (c) is shown below FIG. Usually, since the light beam shows the intensity distribution of the Gaussian beam, the light intensity at the center of the light beam, that is, the optical axis is the highest. At positions (a) and (c), the two diffracted light beams intersect, but the intensity is lower than at position (b).

PD30が、位置(b)に配置されることにより、できるだけ高い強度の信号を得ることができ、SN比を上げ、計測精度を高めることができる。   By arranging the PD 30 at the position (b), a signal with as high an intensity as possible can be obtained, the SN ratio can be increased, and the measurement accuracy can be increased.

2.第2実施形態   2. Second embodiment

次に、本発明の第2実施形態に係る変位計測装置について説明する。これ以降の説明では、上記第1実施形態に係る変位計測装置100が含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。   Next, a displacement measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. In the following description, elements that are substantially the same with respect to members, functions, and the like included in the displacement measuring apparatus 100 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted, and is different. The explanation will be focused on.

2.1)変位計測装置の構成   2.1) Configuration of displacement measuring device

図5Aは、複数の受光部、例えば3つの受光部35A、35B、35Cを有するPD35を示す。これらの受光部35A、35B、35Cの配列方向は、回折格子20(図1参照)の格子線が並ぶ方向であるx方向である。本実施形態に係る回折格子20は、明部の幅bが各受光部35A、35B、35Cの全体の幅e以上となるように設定された格子ピッチを有する。格子ピッチは、1600μmに設定された。   FIG. 5A shows a PD 35 having a plurality of light receiving parts, for example, three light receiving parts 35A, 35B, and 35C. The arrangement direction of these light receiving portions 35A, 35B, and 35C is the x direction that is the direction in which the grating lines of the diffraction grating 20 (see FIG. 1) are arranged. The diffraction grating 20 according to the present embodiment has a grating pitch set so that the width b of the bright part is equal to or larger than the entire width e of the light receiving parts 35A, 35B, and 35C. The grating pitch was set to 1600 μm.

図5Bは、このように構成された変位計測装置のPD35で得られる信号(出力部40に入力される信号)を示す。横軸は変位(回折格子20とPD35の相対変位)であり、縦軸が明るさ(光強度)を示す。3つの受光部35A、35B、35Cにより、信号A、B、Cがそれぞれ得られる。信号AとCの位相は180°ずれている。信号Bの位相は、AおよびCに対して90°ずれている。   FIG. 5B shows a signal (signal input to the output unit 40) obtained by the PD 35 of the displacement measuring apparatus configured as described above. The horizontal axis represents displacement (relative displacement between the diffraction grating 20 and the PD 35), and the vertical axis represents brightness (light intensity). Signals A, B, and C are obtained by the three light receiving portions 35A, 35B, and 35C, respectively. Signals A and C are 180 ° out of phase. Signal B is 90 ° out of phase with respect to A and C.

なお、図5Bには、DC信号として、A+Cの信号も載せてある。例えば出力部40が、180°異なる位相を持つ信号A、Cの和を算出することにより、当該DC信号が得られる。例えば、このDC値は、回折格子20から直進して出射する0次光の強度を含む。出力部40は、このDC信号を監視することにより、光源の状態、例えばパワー変動や、経時劣化等を監視することができる。   In FIG. 5B, an A + C signal is also included as a DC signal. For example, when the output unit 40 calculates the sum of the signals A and C having phases different by 180 °, the DC signal is obtained. For example, this DC value includes the intensity of the 0th-order light that travels straight out from the diffraction grating 20. The output unit 40 can monitor the state of the light source, for example, power fluctuation, deterioration with time, and the like by monitoring the DC signal.

2.2)回折格子の格子ピッチと受光部サイズのバリエーション   2.2) Variations in grating pitch and light receiving area size of diffraction grating

図6Aは、回折格子20の格子ピッチを図5Aのものより小さくし、かつ、それに合わせてPD36の各受光部のサイズを図5Aのものに比べ小さく例を示す。格子ピッチは、1000μmに設定された。   6A shows an example in which the grating pitch of the diffraction grating 20 is made smaller than that in FIG. 5A, and the size of each light receiving portion of the PD 36 is made smaller than that in FIG. 5A. The grating pitch was set to 1000 μm.

図6Bは、図6Aに示したPD36により得られる信号を示す。図6Bに示すように、格子ピッチを小さくした分、分解能も高くなっている。   FIG. 6B shows a signal obtained by the PD 36 shown in FIG. 6A. As shown in FIG. 6B, the resolution increases as the grating pitch is reduced.

このように、受光部のサイズを十分に小さくしても、各受光部は、多少の信号の乱れはあるものの、適切な信号を得ることができる。   As described above, even if the size of the light receiving unit is sufficiently reduced, each light receiving unit can obtain an appropriate signal although there is some signal disturbance.

図7Aは、回折格子20の格子ピッチを図5Aのものより大きくし、かつ、それに合わせてPD37の各受光部のサイズを図5Aのものに比べ大きくした例を示す。格子ピッチは、2000μmに設定された。   FIG. 7A shows an example in which the grating pitch of the diffraction grating 20 is made larger than that in FIG. 5A, and the size of each light receiving portion of the PD 37 is made larger than that in FIG. 5A. The grating pitch was set to 2000 μm.

図7Bは、図7Aに示したPD37により得られる信号を示す。図7Bに示すように、格子ピッチを大きくした分、分解能は低くなっている。また、信号Cと、A+Cの信号については、変位が0〜600μm程度の範囲の信号のみが使用可能であり、600μm以上では計測不能となっている。   FIG. 7B shows a signal obtained by the PD 37 shown in FIG. 7A. As shown in FIG. 7B, the resolution is lowered as the grating pitch is increased. As for the signals C and A + C, only signals having a displacement in the range of about 0 to 600 μm can be used, and measurement is impossible at 600 μm or more.

3.第3実施形態   3. Third embodiment

図8は、本発明の第3実施形態に係る変位計測装置を示す図である。この変位計測装置では、例えば光源12、コリメータレンズ14、およびPD30が、筐体やフレーム等の支持構造11により一体的に支持される。そして、回折格子20が、別の支持構造21により支持される。これら支持構造11、21同士が相対的に移動可能になっている。   FIG. 8 is a diagram showing a displacement measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. In this displacement measuring apparatus, for example, the light source 12, the collimator lens 14, and the PD 30 are integrally supported by a support structure 11 such as a housing or a frame. The diffraction grating 20 is supported by another support structure 21. These support structures 11 and 21 are relatively movable.

このような構成を備える変位計測装置は、上記実施形態に係る変位計測装置100と同様に作用し、同様の効果を得ることができる。   The displacement measuring device having such a configuration acts in the same manner as the displacement measuring device 100 according to the above embodiment, and can obtain the same effect.

4.他の種々の形態   4). Various other forms

本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and other various embodiments can be realized.

例えば、上記した回折格子20は、透過型のものであったが、反射型のものが用いられてもよい。その場合、ミラーや別の光学素子を用いることにより、PDへ干渉光が導光されるようにしてもよい。図1のように、透過型の回折格子20が用いられる場合であてもよい、ミラーや別の光学素子を用いることにより、光路が途中で折れるように構成されていてもよい。   For example, the diffraction grating 20 described above is a transmissive type, but a reflective type may be used. In that case, interference light may be guided to the PD by using a mirror or another optical element. As shown in FIG. 1, a transmissive diffraction grating 20 may be used. By using a mirror or another optical element, the optical path may be bent halfway.

例えば、上記回折格子20はx方向のみに配列された格子線を有していたが、これに加え、y方向にも配列された格子線を有していてもよい。この場合、少なくともPDは、xおよびy方向の変位をそれぞれ受光する2つ以上の受光部を有し、出力部は、それら2方向の変位に応じた信号をそれぞれ出力する。   For example, the diffraction grating 20 has grating lines arranged only in the x direction, but in addition to this, the diffraction grating 20 may have grating lines arranged in the y direction. In this case, at least the PD has two or more light receiving portions that respectively receive displacements in the x and y directions, and the output portion outputs signals corresponding to the displacements in the two directions, respectively.

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも2つの特徴部分を組み合わせることも可能である。   It is also possible to combine at least two feature portions among the feature portions of each embodiment described above.

12…光源
20…回折格子
30、35、36、37…PD(受光部)
40…出力部
100…変位計測装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Light source 20 ... Diffraction grating 30,35,36,37 ... PD (light-receiving part)
40 ... Output unit 100 ... Displacement measuring device

Claims (6)

光源と、
前記光源からの光が入射する回折格子と、
前記光が前記回折格子を透過して得られる干渉光を受光する受光部と
前記受光部で得られる信号に基づき、前記回折格子と前記受光部との相対的な変位を出力する出力部と
を具備する変位計測装置。
A light source;
A diffraction grating on which light from the light source is incident;
A light receiving unit that receives interference light obtained by transmitting the light through the diffraction grating, and an output unit that outputs a relative displacement between the diffraction grating and the light receiving unit based on a signal obtained by the light receiving unit. Displacement measuring device provided.
前記受光部は、前記回折格子から出射される回折光のうち、nを自然数として、+n次回折光と−n次回折光による干渉光を受光する
請求項1に記載の変位計測装置。
The displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the light receiving unit receives interference light by + n-order diffracted light and −n-order diffracted light, where n is a natural number among diffracted light emitted from the diffraction grating.
前記出力部は、前記受光部から直接出力されたサイン波信号を取得する
請求項1または2に記載の変位計測装置。
The displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the output unit acquires a sine wave signal directly output from the light receiving unit.
前記回折格子は、前記干渉光の干渉縞を構成する複数の明部および複数の暗部のうち、これら明部および暗部の配列方向における1つの明部の幅が、前記配列方向における前記受光部の幅以上となるように設定された格子ピッチを有する
請求項1から3のうちいずれか1項に記載の変位計測装置。
The diffraction grating has a width of one bright part in the arrangement direction of the bright part and the dark part among the plurality of bright parts and the plurality of dark parts constituting the interference fringes of the interference light. The displacement measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the displacement pitch is set to be equal to or greater than the width.
前記受光部は、複数の受光部で構成され、
前記格子ピッチは、前記配列方向における前記1つの明部の幅が、前記配列方向における前記複数の受光部の全体の幅以上となるように設定される
請求項4に記載の変位計測装置。
The light receiving unit is composed of a plurality of light receiving units,
The displacement measuring apparatus according to claim 4, wherein the lattice pitch is set such that a width of the one bright portion in the arrangement direction is equal to or greater than an entire width of the plurality of light receiving portions in the arrangement direction.
前記受光部は、前記干渉光を形成する2つの回折光の光軸同士が交わる位置に受光面が位置するように配置される
請求項1から5のうちいずれか1項に記載の変位計測装置。
The displacement measuring device according to any one of claims 1 to 5, wherein the light receiving unit is disposed such that a light receiving surface is positioned at a position where optical axes of two diffracted lights forming the interference light intersect. .
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