JP2603305B2 - 変位測定装置 - Google Patents
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
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- General Physics & Mathematics (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〈技術分野〕 本発明は変位測定装置に関し、特に、回折格子から成
る光学式スケールを使用し、回折格子から射出する一対
の回折光同志を干渉させて得られる周期信号に基づいて
光学式スケールの変位を測定する変位測定装置に関す
る。
る光学式スケールを使用し、回折格子から射出する一対
の回折光同志を干渉させて得られる周期信号に基づいて
光学式スケールの変位を測定する変位測定装置に関す
る。
ミクロン或はサブミクロンオーダの分解能および精度
で、被検物体の変位を計測する方法として、読取りヘツ
ドに対して相対移動する回折格子板に単色の可干渉光束
を入射させ、回折格子により生じる回折光のうち２つの
特定次数の回折光を取り出して重ね合わせることにより
干渉させ、該干渉光を受光センサーで受光し、受光セン
サーからの周期的な出力信号に基づいて回折格子板の変
位を測定するエンコーダが知られている。
で、被検物体の変位を計測する方法として、読取りヘツ
ドに対して相対移動する回折格子板に単色の可干渉光束
を入射させ、回折格子により生じる回折光のうち２つの
特定次数の回折光を取り出して重ね合わせることにより
干渉させ、該干渉光を受光センサーで受光し、受光セン
サーからの周期的な出力信号に基づいて回折格子板の変
位を測定するエンコーダが知られている。
この種のエンコーダを、高分解能、高精度にする為に
は、（１）回折格子の格子ピツチを狭くする、（２）高
次の回折光を利用して２つの回折光の次数の差を大きく
する、（３）光束を回折格子で複数回回折させる等して
回折に伴い発生する一対の回折光間の位相のずれを累積
していく方法がある。
は、（１）回折格子の格子ピツチを狭くする、（２）高
次の回折光を利用して２つの回折光の次数の差を大きく
する、（３）光束を回折格子で複数回回折させる等して
回折に伴い発生する一対の回折光間の位相のずれを累積
していく方法がある。
しかしながら、格子ピツチを狭めるにしても、高次の
回折光を効率よく得るにしても、又、回折効率が良い回
折格子で光束を複数回回折させるにしても、回折格子の
性質の為に製作上相反する条件となる。従って、いずれ
かに重点を置いて構成を考えなければならない。
回折光を効率よく得るにしても、又、回折効率が良い回
折格子で光束を複数回回折させるにしても、回折格子の
性質の為に製作上相反する条件となる。従って、いずれ
かに重点を置いて構成を考えなければならない。
この為、従来から、安定して高い回折効率を得やす
く、且つ製作の容易な振幅型回折格子をスケールとして
利用し、±１次回折光を回折格子から取り出して回折格
子に再入射させることにより再回折させ、２つの再回折
光同志を干渉させるタイプの構成が多く利用されてい
る。
く、且つ製作の容易な振幅型回折格子をスケールとして
利用し、±１次回折光を回折格子から取り出して回折格
子に再入射させることにより再回折させ、２つの再回折
光同志を干渉させるタイプの構成が多く利用されてい
る。
第11図は特開昭63-75518に記載されているエンコーダ
を示す。光源１より射出した単色の平行光はビームスプ
リツタ２で光束（ａ），（ｂ）に二分割され、回折格子
５上の目標点P,Qに互いに逆方向から特定の角度θ1をも
って入射し、点Ｐで発生した＋１次回折光及び点Ｑで発
生した−１次回折光はガラススケール板の裏面に金属膜
等を蒸着して形成された鏡面M1，M2にて鏡面反射し、再
度該回折格子面上の点Ｒに各々角度θ2にて再入射す
る。点Ｐで＋１次回折を行った光束は回折格子５で再度
＋１次回折を行い、点Ｑで−１次回折を行った光束も回
折格子５で再度−１次回折を行う。そして、互いに光路
が重なり合って該回折格子面より垂直に射出し、1/4波
長板９、ビームスプリツタ10、偏光板11A,11Bを経て干
渉光束となって受光センサ8A,8Bに入射する。
を示す。光源１より射出した単色の平行光はビームスプ
リツタ２で光束（ａ），（ｂ）に二分割され、回折格子
５上の目標点P,Qに互いに逆方向から特定の角度θ1をも
って入射し、点Ｐで発生した＋１次回折光及び点Ｑで発
生した−１次回折光はガラススケール板の裏面に金属膜
等を蒸着して形成された鏡面M1，M2にて鏡面反射し、再
度該回折格子面上の点Ｒに各々角度θ2にて再入射す
る。点Ｐで＋１次回折を行った光束は回折格子５で再度
＋１次回折を行い、点Ｑで−１次回折を行った光束も回
折格子５で再度−１次回折を行う。そして、互いに光路
が重なり合って該回折格子面より垂直に射出し、1/4波
長板９、ビームスプリツタ10、偏光板11A,11Bを経て干
渉光束となって受光センサ8A,8Bに入射する。
第12図は特開昭60-98302に記載されているエンコーダ
を示す。光源１より射出した単色の平行光はビームスプ
リツタ２で２分割され、回折格子５上の目標点P,Qに、
互いに逆方向から特定の角度θ1をもって入射し点Ｐで
発生した＋１次回折光及び点Ｑで発生した−１次回折光
を各々反射鏡M1，M2で鏡面反射し、各々の回折光を再度
同一光路へもどし、点P,Qに角度θ2で入射させて再回折
させている。回折格子５の目標点P,Qで各々再回折した
回折光は元の光路を逆進し、ビームスプリツタ２で重ね
合わせられ、受光素子８に干渉光束として入射する。
を示す。光源１より射出した単色の平行光はビームスプ
リツタ２で２分割され、回折格子５上の目標点P,Qに、
互いに逆方向から特定の角度θ1をもって入射し点Ｐで
発生した＋１次回折光及び点Ｑで発生した−１次回折光
を各々反射鏡M1，M2で鏡面反射し、各々の回折光を再度
同一光路へもどし、点P,Qに角度θ2で入射させて再回折
させている。回折格子５の目標点P,Qで各々再回折した
回折光は元の光路を逆進し、ビームスプリツタ２で重ね
合わせられ、受光素子８に干渉光束として入射する。
この様な従来のエンコーダでは、＋１次回折光が再回
折するまでの光路と−１次回折光が再回折するまでの光
路が異なっている為、回折格子をガラス基板上に形成し
たスケースを用いる場合、ガラス基板の厚さや屈折率に
むらがあると＋１次回折光と−１次回折光の光路長差が
スケールの検出位置に応じて変化する。従って、両光路
を通る回折光間に位相の変化が発生し測定誤差となる。
折するまでの光路と−１次回折光が再回折するまでの光
路が異なっている為、回折格子をガラス基板上に形成し
たスケースを用いる場合、ガラス基板の厚さや屈折率に
むらがあると＋１次回折光と−１次回折光の光路長差が
スケールの検出位置に応じて変化する。従って、両光路
を通る回折光間に位相の変化が発生し測定誤差となる。
〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の欠点を解消し、測定誤差
の小さい変位測定装置を提供することにある。
の小さい変位測定装置を提供することにある。
上記目的を達成する為に、本発明に係る変位測定装置
は、光学式スケールを回折格子で形成し、該回折格子に
光束を入射させ、該を回折格子で発生する一対の回折光
を反射光学系により該回折格子に再入射させて回折せし
め、該回折格子から射出する一対の再回折光同志を重畳
した状態で光検出器に導き、該光検出器からの出力信号
の変化に基づいて前記光学式スケールの変位を測定する
変位測定装置において、前記一対の回折光を前記回折格
子のほぼ同一位置からことなる方向へ射出するｍ次とｎ
次の回折光とし、該ｍ次とｎ次の回折光の光路が互いに
共通になる様に前記反射光学系を配置したことを特徴と
している。
は、光学式スケールを回折格子で形成し、該回折格子に
光束を入射させ、該を回折格子で発生する一対の回折光
を反射光学系により該回折格子に再入射させて回折せし
め、該回折格子から射出する一対の再回折光同志を重畳
した状態で光検出器に導き、該光検出器からの出力信号
の変化に基づいて前記光学式スケールの変位を測定する
変位測定装置において、前記一対の回折光を前記回折格
子のほぼ同一位置からことなる方向へ射出するｍ次とｎ
次の回折光とし、該ｍ次とｎ次の回折光の光路が互いに
共通になる様に前記反射光学系を配置したことを特徴と
している。
本発明の更なる特徴と具体的形態は後述する実施例に
記載されている。
記載されている。
〈実施例〉 以下に本発明の変位測定装置に関して詳述するが、回
折格子で発生する回折光の種類を明確にする為に、図面
及び説明において次の記号を使用することにする。
折格子で発生する回折光の種類を明確にする為に、図面
及び説明において次の記号を使用することにする。
（１）−１（ａ）：光束（ａ）が回折格子で一回回折さ
れて生じた−１次の回折光 （２）−１×２（ａ）：−１（ａ）の回折光が回折格子
で更に回折されて生じた−１次の再回折光 （３）＋１（ｂ）：光束（ｂ）が回折格子で一回回折さ
れて生じた＋１次の回折光 （４）＋１×２（ｂ）：＋１（ｂ）の回折光が回折格子
で更に回折されて生じた＋１次の再回折光 （５）＋１（ａ）：光束（ａ）が回折格子の一回回折さ
れて生じた＋１次の回折光 （６）＋１×２（ａ）：＋１（ａ）の回折光が回折格子
で更に回折されて生じた＋１次の再回折光 第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す概略構
成図である。
れて生じた−１次の回折光 （２）−１×２（ａ）：−１（ａ）の回折光が回折格子
で更に回折されて生じた−１次の再回折光 （３）＋１（ｂ）：光束（ｂ）が回折格子で一回回折さ
れて生じた＋１次の回折光 （４）＋１×２（ｂ）：＋１（ｂ）の回折光が回折格子
で更に回折されて生じた＋１次の再回折光 （５）＋１（ａ）：光束（ａ）が回折格子の一回回折さ
れて生じた＋１次の回折光 （６）＋１×２（ａ）：＋１（ａ）の回折光が回折格子
で更に回折されて生じた＋１次の再回折光 第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す概略構
成図である。
第１図及び第２図中、回折格子５が光学式スケールと
して作用するものであり、ガラス基板上にクロム等を蒸
着して振幅型の回折格子が形成されている。そして、こ
のスケールは可動ステージなどの被検物体に取付けられ
て、図中矢印方向に並進移動する。従って、第１図及び
第２図の変位測定装置はリニアエンコーダとして使用で
きる。
して作用するものであり、ガラス基板上にクロム等を蒸
着して振幅型の回折格子が形成されている。そして、こ
のスケールは可動ステージなどの被検物体に取付けられ
て、図中矢印方向に並進移動する。従って、第１図及び
第２図の変位測定装置はリニアエンコーダとして使用で
きる。
第１図において、可干渉性光束を発する単色光源１
（例えばレーザ）より射出した平行光束は、ビームスプ
リツタ２により２分割される。一方の透過した光束
（ａ）はミラー３により反射され、回折格子５上の点０
に入射角度θ1で入射し、他方の反射した光束（ｂ）は
ミラー４により反射され、光束（ｂ）同様点０に入射角
度θ1で入射する。光束（ａ）による−１次の回折光−
１（ａ）は回折格子５から角度θ2で射出し、ミラー７
で反射されミラー６に向けられる。次にこの光束−１
（ａ）はミラー６で反射され、点０にもどされる。光束
（ｂ）による＋１次回折光＋１（ｂ）回折格子５から角
度θ2で射出し、ミラー６で反射されミラー７に指向さ
れる。次にこの光束＋１（ｂ）はミラー７で反射され点
０にもどされる。ここで、ミラー6,7から成る反射光学
系は両光束−１（ａ），＋１（ｂ）が共通の光路上を互
いに逆向きに進行して角度θ2にて点０に再入射する様
に配置してある。
（例えばレーザ）より射出した平行光束は、ビームスプ
リツタ２により２分割される。一方の透過した光束
（ａ）はミラー３により反射され、回折格子５上の点０
に入射角度θ1で入射し、他方の反射した光束（ｂ）は
ミラー４により反射され、光束（ｂ）同様点０に入射角
度θ1で入射する。光束（ａ）による−１次の回折光−
１（ａ）は回折格子５から角度θ2で射出し、ミラー７
で反射されミラー６に向けられる。次にこの光束−１
（ａ）はミラー６で反射され、点０にもどされる。光束
（ｂ）による＋１次回折光＋１（ｂ）回折格子５から角
度θ2で射出し、ミラー６で反射されミラー７に指向さ
れる。次にこの光束＋１（ｂ）はミラー７で反射され点
０にもどされる。ここで、ミラー6,7から成る反射光学
系は両光束−１（ａ），＋１（ｂ）が共通の光路上を互
いに逆向きに進行して角度θ2にて点０に再入射する様
に配置してある。
光束−１（ａ）は再度−１次回折光として回折する事
で回折格子５上の点０より回折格子５の端子面に対して
垂直に射出する再回折光−１×２（ａ）となる。また、
光束＋１（ｂ）は再度＋１次回折光として回折する事で
回折格子５上の点０より回折格子板５の格子面に対して
垂直に射出する再回折光＋１×２（ｂ）となる。光束−
１×２（ａ）と光束＋１×２（ｂ）は光路が重なり合っ
ているので互いに干渉し、干渉光となって受光センサ８
に入射する。光束−１×２（ａ）は−１次の回折を２回
行っているので回折格子５の相対移動量ｘ当り位相がφ
a遅れる。これを式で示すと次の様になる。
で回折格子５上の点０より回折格子５の端子面に対して
垂直に射出する再回折光−１×２（ａ）となる。また、
光束＋１（ｂ）は再度＋１次回折光として回折する事で
回折格子５上の点０より回折格子板５の格子面に対して
垂直に射出する再回折光＋１×２（ｂ）となる。光束−
１×２（ａ）と光束＋１×２（ｂ）は光路が重なり合っ
ているので互いに干渉し、干渉光となって受光センサ８
に入射する。光束−１×２（ａ）は−１次の回折を２回
行っているので回折格子５の相対移動量ｘ当り位相がφ
a遅れる。これを式で示すと次の様になる。
但しＰは回折格子５のピツチで、移動量ｘと同一の単位
系で示す。同様に光束＋１×２（ｂ）は回折格子５の相
対移動量ｘ当たり位相がφb進む。従って、 という式で示すことができる。両光束−１×２（ａ）と
＋１×２（ｂ）を干渉させると、4x/p周期の正弦波信号
が得られる。
系で示す。同様に光束＋１×２（ｂ）は回折格子５の相
対移動量ｘ当たり位相がφb進む。従って、 という式で示すことができる。両光束−１×２（ａ）と
＋１×２（ｂ）を干渉させると、4x/p周期の正弦波信号
が得られる。
本実施例では、回折格子５を厚みむらのあるガラス板
上に形成しても、＋１次の回折光＋１（ｂ）の光路と−
１次の回折光−１（ａ）の光路が共通である為ガラス基
板の厚さが変っても２光束間の位相差に影響しない。従
って、測定誤差の小さな変位測定を行うことができる。
上に形成しても、＋１次の回折光＋１（ｂ）の光路と−
１次の回折光−１（ａ）の光路が共通である為ガラス基
板の厚さが変っても２光束間の位相差に影響しない。従
って、測定誤差の小さな変位測定を行うことができる。
又、本実施例では光束−１（ａ）と光束＋１（ｂ）の
光路を、２枚のミラーを用いて設定しているので、第２
図に示すように、環境温度等の変動に伴って光源の波長
が変動し、その結果回折角がθ2からθ2′に変化して点
線のごとき光路がずれる。（但し、第２図は光路のずれ
を極端に拡大して描いてある。）この為、光束−１
（ａ）の回折格子５への再入射点Ｐ及び光束＋１（ｂ）
の回折格子５への再入射点Ｑは図示される様にわずかに
ずれる。しかし、再入射角がθ2′になるから再回折光
−１×２（ａ）と＋１×２（ｂ）は回折格子５の回折格
子面に対し垂直に射出する。従って、光束−１（ａ）、
光束＋１（ｂ）の光路を短く設定すれば光路のずれは問
題にならない。結局、光源の波長が変化して回折角が変
化しても干渉させる回折光束−１×２（ｂ）、＋１×２
（ａ）間の角度差が生じないから、受光センサ16にて得
られる干渉信号の振幅が殆ど低下しない。
光路を、２枚のミラーを用いて設定しているので、第２
図に示すように、環境温度等の変動に伴って光源の波長
が変動し、その結果回折角がθ2からθ2′に変化して点
線のごとき光路がずれる。（但し、第２図は光路のずれ
を極端に拡大して描いてある。）この為、光束−１
（ａ）の回折格子５への再入射点Ｐ及び光束＋１（ｂ）
の回折格子５への再入射点Ｑは図示される様にわずかに
ずれる。しかし、再入射角がθ2′になるから再回折光
−１×２（ａ）と＋１×２（ｂ）は回折格子５の回折格
子面に対し垂直に射出する。従って、光束−１（ａ）、
光束＋１（ｂ）の光路を短く設定すれば光路のずれは問
題にならない。結局、光源の波長が変化して回折角が変
化しても干渉させる回折光束−１×２（ｂ）、＋１×２
（ａ）間の角度差が生じないから、受光センサ16にて得
られる干渉信号の振幅が殆ど低下しない。
第３図及び第４図は、本発明の第２実施例を示す概略
構成図である。
構成図である。
第３図において、単色光源１より射出した平行光束
（ａ）は回折格子５上の点０に格子面に対して垂直に入
射する。回折格子５で発生する＋１次の回折光＋１
（ａ）は角度θ1で回折格子５から射出し、ミラー７で
反射されてミラー６へ指向される。そしてミラー６で反
射された後点０にもどされる。回折格子５で発生する−
１次の回折光−１（ａ）は角度θ1で回折格子５から射
出し、ミラー６で反射されてミラー７へ指向される。そ
してミラー７で反射された後点０にもどされる。即ちミ
ラー６とミラー７より成る反射光学系で両光束＋１
（ａ），−１（ａ）は共通の光路上を互いに逆向きに進
行して、各々角度θ1で点０に再入射する。
（ａ）は回折格子５上の点０に格子面に対して垂直に入
射する。回折格子５で発生する＋１次の回折光＋１
（ａ）は角度θ1で回折格子５から射出し、ミラー７で
反射されてミラー６へ指向される。そしてミラー６で反
射された後点０にもどされる。回折格子５で発生する−
１次の回折光−１（ａ）は角度θ1で回折格子５から射
出し、ミラー６で反射されてミラー７へ指向される。そ
してミラー７で反射された後点０にもどされる。即ちミ
ラー６とミラー７より成る反射光学系で両光束＋１
（ａ），−１（ａ）は共通の光路上を互いに逆向きに進
行して、各々角度θ1で点０に再入射する。
光束−１（ａ）は、再度回折格子５で−１次の回折を
行い点０より回折格子５の格子面法線方向に対し角度−
θ2で射出する光束−１×２（ａ）となる。一方光束＋
１（ａ）は、再度回折格子５で＋１次の回折を行い点０
より回折格子５の格子面法線方向に対し角度＋θ2で射
出する光束＋１×２（ａ）となる。２つの再回折光−１
×２（ａ）と＋１×２（ａ）は回折格子５の格子面法線
をはさんで逆方向に角度θ2で射出するから、光束＋１
×２（ａ）はミラー４を経て、及び光束−１×２（ａ）
はミラー３を経てビームスプリツター２へ向けられる。
そして、このビームスプリツタ２で互いに光路を重ね合
わされ、受光センサ８へ入射する。
行い点０より回折格子５の格子面法線方向に対し角度−
θ2で射出する光束−１×２（ａ）となる。一方光束＋
１（ａ）は、再度回折格子５で＋１次の回折を行い点０
より回折格子５の格子面法線方向に対し角度＋θ2で射
出する光束＋１×２（ａ）となる。２つの再回折光−１
×２（ａ）と＋１×２（ａ）は回折格子５の格子面法線
をはさんで逆方向に角度θ2で射出するから、光束＋１
×２（ａ）はミラー４を経て、及び光束−１×２（ａ）
はミラー３を経てビームスプリツター２へ向けられる。
そして、このビームスプリツタ２で互いに光路を重ね合
わされ、受光センサ８へ入射する。
本実施例においても、前記実施例同様のミラー６とミ
ラー７より成る反射光学系により２つの回折光の光路
（即ち一度回折されて再び回折するまでの光路）を共通
化している為、測定誤差が小さくなる。
ラー７より成る反射光学系により２つの回折光の光路
（即ち一度回折されて再び回折するまでの光路）を共通
化している為、測定誤差が小さくなる。
本実施例でも第４図に示すように環境温度等の変動に
伴って光源の波長が変動し、その結果回折光の回折角が
θ1からθ1′及びθ2からθ2′に変化し、点線のごとく
光路がずれる。（但し第４図は光路のずれを拡大して書
いてある。）しかし再回折光＋１×２（ａ）及び−１×
２（ａ）の光路は点０を通る回折格子面の法線に対して
対称にずれるから、ビームスプリツタ９から射出する２
光束は常に重なったままである。一般に、光路を短くす
れば受光センサの受光面の大きさに比べて入射光束の位
置ずれが無視できる程小さくなる為、光源の波長の変化
によって回折角が変化しても受光センサ16にて得られる
干渉信号の振幅は低下しない。
伴って光源の波長が変動し、その結果回折光の回折角が
θ1からθ1′及びθ2からθ2′に変化し、点線のごとく
光路がずれる。（但し第４図は光路のずれを拡大して書
いてある。）しかし再回折光＋１×２（ａ）及び−１×
２（ａ）の光路は点０を通る回折格子面の法線に対して
対称にずれるから、ビームスプリツタ９から射出する２
光束は常に重なったままである。一般に、光路を短くす
れば受光センサの受光面の大きさに比べて入射光束の位
置ずれが無視できる程小さくなる為、光源の波長の変化
によって回折角が変化しても受光センサ16にて得られる
干渉信号の振幅は低下しない。
前記実施例とは異なり、本実施例では最初の回折時に
＋１次回折光＋１（ａ）と−１次回折光−１（ａ）を１
本の光束より得る為、干渉光の強度が２倍に成るという
特長がある。
＋１次回折光＋１（ａ）と−１次回折光−１（ａ）を１
本の光束より得る為、干渉光の強度が２倍に成るという
特長がある。
上記第１及び第２実施例で示した変位測定装置は、透
過回折光を用いて干渉光（干渉縞）を形成するタイプの
ものであったが、反射回折光を用いて干渉光を形成する
構成も、例えば第５図及び第６図に示す様に実施でき
る。尚、第５図と第６図に示す実施例は、ミラー６とミ
ラー７より成る反射光学系が光源８側に設けられている
点を除いて前述の実施例と同じ構成を備えており、測定
原理も前述の実施例と同じである。従って、第５図と第
６図の装置の構成、作用に関しての説明は省略すること
にする。
過回折光を用いて干渉光（干渉縞）を形成するタイプの
ものであったが、反射回折光を用いて干渉光を形成する
構成も、例えば第５図及び第６図に示す様に実施でき
る。尚、第５図と第６図に示す実施例は、ミラー６とミ
ラー７より成る反射光学系が光源８側に設けられている
点を除いて前述の実施例と同じ構成を備えており、測定
原理も前述の実施例と同じである。従って、第５図と第
６図の装置の構成、作用に関しての説明は省略すること
にする。
リニアエンコーダやロータリーエンコーダなどの変位
測定装置では、被検物体の変位方向、即ち光学式スケー
ルの変位方向の判別を行うことが重要な機能の１つであ
る。この方向判別の為、光学式スケールからの光信号を
用いて位相差（例えば90°）のある２相の信号を得るこ
とが従来より行われている。
測定装置では、被検物体の変位方向、即ち光学式スケー
ルの変位方向の判別を行うことが重要な機能の１つであ
る。この方向判別の為、光学式スケールからの光信号を
用いて位相差（例えば90°）のある２相の信号を得るこ
とが従来より行われている。
これは、光信号の偏光を利用して容易に達成される。
以下に示す実施例では、回折格子５の移動方向をも判別
可能な例を示す。
以下に示す実施例では、回折格子５の移動方向をも判別
可能な例を示す。
第７図は第１図の実施例の変形例であり、基本構成は
第１図の装置と変わらない。偏光ビームスプリツタ12に
より、光源１からの光束をＰ偏光光（ａ）とＳ偏光光
（ｂ）に２分割した後、両光束を反射光学系を用いて各
々回折格子５で２回回折させ、Ｐ偏光光（ａ）はＰ偏光
のまま1/4波長板９に入射させ、Ｓ偏光光（ｂ）はＳ偏
光のまま1/4波長板９に入射させ、各々、互いに逆向き
に回転する円偏光光とする。重なり合った干渉光束は各
光束−１×２（ａ），＋１×２（ｂ）の位相差に応じて
偏光方位が変わる直線偏光光となる。その後、干渉光束
は非偏光ビームスプリツタ10で２分割され、一方は偏光
板11Aを透過し、もう一方は偏光板11Aと偏光方位を45°
ずらした偏光板11Bを透過する。そして各干渉光束は各
々の対応する受光センサ8A,8Bに入射する。かくして各
受光センサ8A,8Bからは互いに90°の位相差を有する正
弦波信号が得られ、各受光センサ8A,8Bからの正弦波信
号の位相関係で回折格子５の移動方向が検出できる。
第１図の装置と変わらない。偏光ビームスプリツタ12に
より、光源１からの光束をＰ偏光光（ａ）とＳ偏光光
（ｂ）に２分割した後、両光束を反射光学系を用いて各
々回折格子５で２回回折させ、Ｐ偏光光（ａ）はＰ偏光
のまま1/4波長板９に入射させ、Ｓ偏光光（ｂ）はＳ偏
光のまま1/4波長板９に入射させ、各々、互いに逆向き
に回転する円偏光光とする。重なり合った干渉光束は各
光束−１×２（ａ），＋１×２（ｂ）の位相差に応じて
偏光方位が変わる直線偏光光となる。その後、干渉光束
は非偏光ビームスプリツタ10で２分割され、一方は偏光
板11Aを透過し、もう一方は偏光板11Aと偏光方位を45°
ずらした偏光板11Bを透過する。そして各干渉光束は各
々の対応する受光センサ8A,8Bに入射する。かくして各
受光センサ8A,8Bからは互いに90°の位相差を有する正
弦波信号が得られ、各受光センサ8A,8Bからの正弦波信
号の位相関係で回折格子５の移動方向が検出できる。
第８図は第３図の実施例の変形例であり、基本構成は
第３図の装置と変わらない。直線偏光光を射出する光源
１より射出した単色平行光は、回折格子５に入射し、反
射光学系により−１次回折を２回行った光源−１×２
（ａ）と＋１次回折を２回行った光束＋１×２（ａ）と
なる。そして−１×２（ａ）の再回折光を1/4波長板9,
＋１×２（ａ）の再回折光を1/4波長板９と光学軸を90
°ずらした1/4波長板を透過させ、互いに逆向きに回
転する円偏光光とする。従って、両光束−１×２（ａ）
と＋１×２（ａ）を非偏光ビームスプリツタ22で重ねる
と、２つの方向に合成された干渉光束をとり出すことが
できる。各々の合成された干渉光束は２つの互いに逆方
向に回転する円偏光の位相差即ち光束−１×２（ａ），
＋１×２（ａ）間の位相差に応じて偏光方位を変える直
線偏光光となる。後は第７図と同様に偏光板11A又は偏
光板11Bを透過させて受光センサ8A,8Bに各干渉光束を入
射させる。
第３図の装置と変わらない。直線偏光光を射出する光源
１より射出した単色平行光は、回折格子５に入射し、反
射光学系により−１次回折を２回行った光源−１×２
（ａ）と＋１次回折を２回行った光束＋１×２（ａ）と
なる。そして−１×２（ａ）の再回折光を1/4波長板9,
＋１×２（ａ）の再回折光を1/4波長板９と光学軸を90
°ずらした1/4波長板を透過させ、互いに逆向きに回
転する円偏光光とする。従って、両光束−１×２（ａ）
と＋１×２（ａ）を非偏光ビームスプリツタ22で重ねる
と、２つの方向に合成された干渉光束をとり出すことが
できる。各々の合成された干渉光束は２つの互いに逆方
向に回転する円偏光の位相差即ち光束−１×２（ａ），
＋１×２（ａ）間の位相差に応じて偏光方位を変える直
線偏光光となる。後は第７図と同様に偏光板11A又は偏
光板11Bを透過させて受光センサ8A,8Bに各干渉光束を入
射させる。
第９図は第８図の実施例の変形例であり、第８図の偏
光板11Aのかわりに偏光ビームスプリツタ13Aを、偏光板
11Bのかわりに偏光ビームスプリツタ13Bを、互いに光軸
を中心に45°回転させて取り付けて、４つの位相ずれ信
号を形成した実施例である。
光板11Aのかわりに偏光ビームスプリツタ13Aを、偏光板
11Bのかわりに偏光ビームスプリツタ13Bを、互いに光軸
を中心に45°回転させて取り付けて、４つの位相ずれ信
号を形成した実施例である。
第10図は第９図の実施例の構成をもつ光学系を２個使
用してロータリーエンコーダの検出光学系へ適用したも
ので、ビームスプリツタープリズム50によりレーザ１か
らの光束を２分割して、各々を回転デイスク板の回転軸
に対して対称な位置に配置した２つの検出光学系S1，S2
へ供給している。そして、各検出光学系は回折格子５の
各点M1，M2に光束を指向し、前述の原理に基づいて回折
格子５の変位（角度）を計測する。
用してロータリーエンコーダの検出光学系へ適用したも
ので、ビームスプリツタープリズム50によりレーザ１か
らの光束を２分割して、各々を回転デイスク板の回転軸
に対して対称な位置に配置した２つの検出光学系S1，S2
へ供給している。そして、各検出光学系は回折格子５の
各点M1，M2に光束を指向し、前述の原理に基づいて回折
格子５の変位（角度）を計測する。
尚、本実施例において用いた回折次数はすべて±１次
であるが、一般にはｍ次とｎ次（ｍ≠ｎ）の回折光を用
いることができ、もちろん±ｍ次（ｍ＝1,2……）を用
いてもよいことは言うまでもない。
であるが、一般にはｍ次とｎ次（ｍ≠ｎ）の回折光を用
いることができ、もちろん±ｍ次（ｍ＝1,2……）を用
いてもよいことは言うまでもない。
〈発明の効果〉 以上、本発明によれば、回折格子のほぼ同一位置から
異なる方向へ射出する一対の回折光の光路が互いに共通
になる様に反射光学系を配置し、この反射光学系により
一対の回折光を回折格子に再入射させて再回折せしめ、
一対の再回折光同志を重畳した状態で光検出器に導くよ
う構成することにより、回折格子が形成されたガラス基
板、即ち光学式スケール自身の厚み変化や屈折率の変化
があっても、測定精度を劣化させることがない。
異なる方向へ射出する一対の回折光の光路が互いに共通
になる様に反射光学系を配置し、この反射光学系により
一対の回折光を回折格子に再入射させて再回折せしめ、
一対の再回折光同志を重畳した状態で光検出器に導くよ
う構成することにより、回折格子が形成されたガラス基
板、即ち光学式スケール自身の厚み変化や屈折率の変化
があっても、測定精度を劣化させることがない。
第１図は本発明の第１実施例を示す光学系構成図、 第２図は第１実施例における光源の波長変化の影響を示
す図、 第３図は本発明の実施例を示す光学系構成図、 第４図は第２実施例にける光源の波長変化の影響を示す
図、 第５図及び第６図は第１及び第２実施例における回折格
子を反射型とした時の光学系構成図。 第７図乃至第９図は第１及び第２実施例の変形例を示す
光学系概略図、 第10図は第９図に示す光学系を２組用いて構成したロー
タリーエンコーダの構成図。 第11図、第12図は従来エンコーダの光学系構成図。 １は光源 ２はビームスプリツタ 3,4はミラー ５は回折格子 6,7はミラー 8,8A,8B,8,8は受光センサ 9,は1/4波長板 10は非偏光ビームスプリツタ 11A,11Bは偏光板 12,13A,13Bは偏光ビームスプリツタ
す図、 第３図は本発明の実施例を示す光学系構成図、 第４図は第２実施例にける光源の波長変化の影響を示す
図、 第５図及び第６図は第１及び第２実施例における回折格
子を反射型とした時の光学系構成図。 第７図乃至第９図は第１及び第２実施例の変形例を示す
光学系概略図、 第10図は第９図に示す光学系を２組用いて構成したロー
タリーエンコーダの構成図。 第11図、第12図は従来エンコーダの光学系構成図。 １は光源 ２はビームスプリツタ 3,4はミラー ５は回折格子 6,7はミラー 8,8A,8B,8,8は受光センサ 9,は1/4波長板 10は非偏光ビームスプリツタ 11A,11Bは偏光板 12,13A,13Bは偏光ビームスプリツタ
フロントページの続き (72)発明者 石井 哲 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 窪田 洋一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−178613（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−65115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−231217（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−75518（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−98302（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】光学式スケールを回折格子で形成し、該回
折格子に光束を入射させ、該回折格子で発生する一対の
回折光を反射光学系により該回折格子に再入射させて回
折せしめ、該回折格子から出射する一対の再回折光同志
を重畳した状態で光検出器に導き、該光検出器からの出
力信号の変化に基づいて前記光学式スケールの変位を測
定する変位測定装置において、前記一対の回折光を前記
回折格子のほぼ同一位置から異なる方向へ射出するｍ次
とｎ次の回折光とし、該ｍ次とｎ次の回折光の光路が互
いに共通になるように前記反射光学系を配置したことを
特徴とする変位測定装置。 - 【請求項２】前記反射光学系は前記ｍ次とｎ次の回折光
の進行方向を逆向きにするように配置されていることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の変位測定装
置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63181151A JP2603305B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 変位測定装置 |
| US07/380,038 US4979826A (en) | 1988-07-19 | 1989-07-14 | Displacement measuring apparatus |
| DE3923768A DE3923768A1 (de) | 1988-07-19 | 1989-07-18 | Versetzungsmessgeraet |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63181151A JP2603305B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0231110A JPH0231110A (ja) | 1990-02-01 |
| JP2603305B2 true JP2603305B2 (ja) | 1997-04-23 |
Family
ID=16095776
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63181151A Expired - Fee Related JP2603305B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 変位測定装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4979826A (ja) |
| JP (1) | JP2603305B2 (ja) |
| DE (1) | DE3923768A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110139099A (ko) * | 2010-06-21 | 2011-12-28 | 가부시키가이샤 모리 세이키 세이사쿠쇼 | 변위 검출 장치 |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5035507A (en) * | 1988-12-21 | 1991-07-30 | Mitutoyo Corporation | Grating-interference type displacement meter apparatus |
| JP2697919B2 (ja) * | 1989-09-29 | 1998-01-19 | キヤノン株式会社 | 信号内挿回路及び該回路を備えた変位測定装置 |
| JP2683117B2 (ja) * | 1989-10-31 | 1997-11-26 | キヤノン株式会社 | エンコーダー |
| EP0486050B1 (en) * | 1990-11-16 | 1998-02-04 | Canon Kabushiki Kaisha | Method and apparatus for measuring displacement |
| JP2862417B2 (ja) * | 1990-11-16 | 1999-03-03 | キヤノン株式会社 | 変位測定装置及び方法 |
| JPH05232318A (ja) * | 1991-02-19 | 1993-09-10 | Sony Magnescale Inc | 反射形ホログラムスケール |
| JP3066923B2 (ja) * | 1991-07-29 | 2000-07-17 | キヤノン株式会社 | エンコーダ及びこれを有するシステム |
| JP3109900B2 (ja) * | 1992-04-21 | 2000-11-20 | キヤノン株式会社 | 測定装置 |
| US5424829A (en) * | 1992-09-02 | 1995-06-13 | Mitutoyo Corporation | Apparatus wherein diffracted light does not return to the source |
| JP3005131B2 (ja) * | 1992-12-28 | 2000-01-31 | キヤノン株式会社 | 変位検出装置 |
| JP3144143B2 (ja) * | 1993-04-13 | 2001-03-12 | ソニー・プレシジョン・テクノロジー株式会社 | 光学式変位測定装置 |
| US5555470A (en) * | 1993-10-12 | 1996-09-10 | The Regents Of The University Of Michigan | Single wave linear interferometric force transducer |
| JP3196459B2 (ja) * | 1993-10-29 | 2001-08-06 | キヤノン株式会社 | ロータリーエンコーダ |
| US5883384A (en) * | 1996-04-16 | 1999-03-16 | Canon Kabushiki Kaisha | Rotational displacement information detection apparatus |
| US6407815B2 (en) * | 1998-07-02 | 2002-06-18 | Sony Precision Technology Inc. | Optical displacement measurement system |
| KR100531458B1 (ko) * | 1998-08-20 | 2005-11-25 | 소니 매뉴펙츄어링 시스템즈 코포레이션 | 광학식 변위측정장치 |
| JP2003255113A (ja) * | 2002-02-28 | 2003-09-10 | Canon Inc | 光分離素子およびそれを用いた光学機器 |
| US20030174343A1 (en) * | 2002-03-18 | 2003-09-18 | Mitutoyo Corporation | Optical displacement sensing device with reduced sensitivity to misalignment |
| DE102005025385B4 (de) * | 2005-04-20 | 2007-03-22 | Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh | Vakuumbeschichtungsanlage zur Beschichtung flächiger Substrate mit einer Messeinrichtung zur Transmissions- oder/und Reflexionsmessung |
| JP4852318B2 (ja) * | 2006-02-20 | 2012-01-11 | 株式会社マグネスケール | 変位検出装置、偏光ビームスプリッタ及び回折格子 |
| JP4962773B2 (ja) * | 2007-02-05 | 2012-06-27 | 株式会社ニコン | エンコーダ |
| US7545507B2 (en) * | 2007-03-15 | 2009-06-09 | Agilent Technologies, Inc. | Displacement measurement system |
| US7561280B2 (en) * | 2007-03-15 | 2009-07-14 | Agilent Technologies, Inc. | Displacement measurement sensor head and system having measurement sub-beams comprising zeroth order and first order diffraction components |
| JP5095475B2 (ja) * | 2008-04-14 | 2012-12-12 | 株式会社森精機製作所 | 光学式変位測定装置 |
| US7924433B2 (en) * | 2008-09-08 | 2011-04-12 | Agilent Technologies, Inc. | Displacement measurement system and method of use |
| JP5814339B2 (ja) | 2010-03-30 | 2015-11-17 | ザイゴ コーポレーションＺｙｇｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ | 干渉計エンコーダ・システム |
| US8885172B2 (en) | 2011-02-01 | 2014-11-11 | Zygo Corporation | Interferometric heterodyne optical encoder system |
| TWI516746B (zh) | 2012-04-20 | 2016-01-11 | 賽格股份有限公司 | 在干涉編碼系統中執行非諧循環錯誤補償的方法、裝置及計算機程式產品，以及微影系統 |
| DE102013201611A1 (de) * | 2012-12-20 | 2014-07-10 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Interferometer |
| US10648797B2 (en) * | 2017-11-16 | 2020-05-12 | Quality Vision International Inc. | Multiple beam scanning system for measuring machine |
| TWI721719B (zh) * | 2019-12-19 | 2021-03-11 | 財團法人工業技術研究院 | 量測裝置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0311144B1 (en) * | 1983-11-04 | 1993-07-14 | Sony Magnescale, Inc. | Optical instrument for measuring displacement |
| JPS6375518A (ja) * | 1986-09-18 | 1988-04-05 | Tokyo Seimitsu Co Ltd | 移動量検出装置 |
| US4728193A (en) * | 1986-12-11 | 1988-03-01 | Hughes Aircraft Company | Precision automatic mask-wafer alignment system |
-
1988
- 1988-07-19 JP JP63181151A patent/JP2603305B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1989
- 1989-07-14 US US07/380,038 patent/US4979826A/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-18 DE DE3923768A patent/DE3923768A1/de active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110139099A (ko) * | 2010-06-21 | 2011-12-28 | 가부시키가이샤 모리 세이키 세이사쿠쇼 | 변위 검출 장치 |
| KR101876816B1 (ko) * | 2010-06-21 | 2018-07-10 | 디엠지 모리 가부시키가이샤 | 변위 검출 장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0231110A (ja) | 1990-02-01 |
| US4979826A (en) | 1990-12-25 |
| DE3923768A1 (de) | 1990-03-01 |
| DE3923768C2 (ja) | 1993-05-06 |
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