JP2650645C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】 本発明は、光学装置に関し、特に直交する偏光方位を有する２つの直線偏光光
束間の相互位相変化に伴う干渉光強度の変化を所定の位相で取り出す為の、例え
ば変位物体の変位情報（移動速度，移動方向，回転速度，回転方向等）を光電的
に検出する光学式エンコーダー等に適用したときに最適な光学装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】 従来より、互いに直交する偏光方位を有する２つの直線偏光光束間の相互位相
変化に伴う干渉光強度の変化を所定の位相で取り出す為の光学装置が、例えば特
公昭５５−９６４１号公報や、特開昭４８−６７５９号公報等で提案されている
。同公報では干渉計より得られた直交する偏光方位を有する２つの直線偏光光束
に対し、それぞれに４５°の傾きを有する検光子を透過させてそれぞれの４５°
成分を取り出し干渉させている。 【０００３】 又この様な光学装置では、９０°位相の異なる干渉光を得る為に、入射する２
光束の一方に平行で他方に垂直な光学軸を有する１／４波長板を透過させる形態
を用いていた。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、この様な光学装置では、取り出す偏光方位成分は直線偏光それ
ぞれに４５°を成す偏光方位成分だけに実質限定されるという問題点があった。 【０００５】 本発明は、直交する偏光方位を有する２つの直線偏光光束から干渉光束を形成
するに際し、取り出す偏光方位の選択が自由な光学装置を提供することを目的と
する。 【０００６】 【課題を解決するための手段】 本発明の光学装置は、 (1-1)直交する偏光方位を有する２つの直線偏光光束の合波光束が通過する位
置に前記２光束のいずれかの偏光方位に対して偏光軸を４５°傾けて設けられた
１／４波長板と、該１／４波長板を通過した光束を分割したそれぞれの分割光束
から所定の偏光方位成分を選択するための別々の偏光方位選択手段とを有するこ
とを特徴としている。 【０００７】 特に、前記偏光方位選択手段は偏光板を有することを特徴としている。 【０００８】 【発明の実施の形態】 図１は本発明の光学装置をロータリーエンコーダに適用したときの一実施形態
の概略図である。 【０００９】 同図において、１はレーザー等の可干渉性の光源、２はコリメーターレンズ、
３は偏光ビームスプリッターで、レーザー１からの直線偏光に対して、その偏光
軸が４５°となるように配置されている。４₁，４₂，４₃は各々１／４波長板で
、各々、偏光ビームスプリッター３の、反射及び透過光束の直線偏光に対して、
各々の偏光軸が４５°となるように配置されている。すなわち、１／４波長板４
₁は偏光ビームスプリッター３の反射光束の直線偏光方位に対してその偏光 軸が４５°となるように配置され、１／４波長板４₂は偏光ビームスプリッター
３の透過光束の直線偏光方位に対してその偏光軸が４５°となるように配置され
ている。また１／４波長板４₃は、偏光ビームスプリッター３の透過あるいは反
射光束のいずれかの偏光方位に対してその偏光軸が４５°となるように配置され
ている。５は反射鏡である。 【００１０】 ６₁，６₂，６₁′，６₂′は各々シリンドリカルレンズ、７，７′は反射鏡であ
る。８は円板上に例えば透光部と反射部の格子模様を等角度で設けたスケールを
形成する放射格子、９は不図示の被検回転物体の回転軸である。１０はビームス
プリッター、１１，１１′は偏光板で、偏光方位が互いに４５°になるように配
置されている。１２，１２′は受光素子である。 【００１１】 レーザー１より放射された光束は、コリメーターレンズ２によって略平行光束
となり、偏光ビームスプリッター３に入射する。偏光ビームスプリッター３は、
その方位が、レーザー１の直線偏光方位に対して４５°となるように配置されて
おりレーザー１からの光束を略等しい光量の反射光束と透過光束に分割する。分
割された２つの光束は各々１／４波長板４₁及び４₂を通過後、円偏光となる。こ
のうち、透過光束はシリンドリカルレンズ６₁を介して、放射格子８上の位置Ｍ₁
上に線状照射される。 【００１２】 一方、反射光束は、反射鏡５及びシリンドリカルレンズ６₁′を介して、放射
格子８上の位置Ｍ₂上に線状照射される。ここで、シリンドリカルレンズ６₁，６
₁′は光束を放射格子８の放射方向と直交する方向に線状照射するように必要に
応じて配置されている。このように線状照射することにより、放射格子８上での
光束の照射部分に相当する透光部と反射部の格子模様のピッチ誤差を軽減するこ
とができる。また、放射格子８上の照射位置Ｍ₁とＭ₂は、不図示の被検回転物体
の回転中心に対して略点対称な位置関係となるように設定されている。 【００１３】 放射格子８に入射した光束は、放射格子８の格子模様によって反射回折され る。いま、光束の照射位置における格子模様のピッチをｐとすれば、ｍ次の反射
回折光Ｌ，Ｌ′の回折角度θ_mは、次の（１）式で表される。 【００１４】 sin θ_m＝ｍλ／ｐ ・・・・・・（１）ここで、λは光束の波長である。 【００１５】 いま、放射格子８が、角速度ωで回転しているとし、放射格子８の回転中心か
ら、照射位置Ｍ₁，Ｍ₂までの距離をｒとすると、照射位置Ｍ₁，Ｍ₂での周速度は
ｖ＝ｒωとなる。 【００１６】 【外１】 と図２のようになる。そして反射回折光Ｌ及びＬ′の周波数は、次式で表わされ
る量Δｆ及びΔｆ′だけ、所謂ドップラーシフトを受ける。 ここで・はベクトルの内積を表わす。 【００１７】 そして、シリンドリカルレンズ６₂，６₂′を介して、反射鏡７，７′で位置Ｍ
₁，Ｍ₂を再照射する。そうすると位置Ｍ₁，Ｍ₂で再び回折されこのときのｍ次の
反射回折光束は、元の光路を戻るが、再回折時に再び（２）式で表わされ る量のドップラーシフトを受ける。この為位置Ｍ₁で再回折されて元の光路を戻
る光束は、周波数２Δｆのドップラーシフトを受け、位置Ｍ₂で再回折されて元
の光路を戻る光束は周波数−２Δｆのドップラーシフトを受ける。 【００１８】 ここで位置Ｍ₁で再回折されて元の光路を戻る光束は、１／４波長板４₂を再び
透過すると、その方位が入射時とは９０度回転した直線偏光ＬＭ₁となり、偏光
ビームスプリッター３で反射される。また位置Ｍ₂で再回折されて元の光路を戻
る光束も、１／４波長板４₁を再び透過すると、その方位が入射時とは９０度回
転した直線偏光ＬＭ₂となり、偏光ビームスプリッター３を透過する。位置Ｍ₁，
Ｍ₂で再回折された２つの直線偏光光束は、重なり合い、合波光束となる。偏光
ビームスプリッター３を通過した２つの直線偏光光束ＬＭ₁又はＬＭ₂はいずれか
の光束ＬＭ₁又はＬＭ₂の偏光方位に対して偏光軸を４５°傾けた１／４波長板４
₃を通って、ビームスプリッター１０で２光束に分割され所定の偏光方位成分を
選択するための偏光方位選択手段としての偏光板１１，１１′を透過して受光素
子１２，１２′に入射する。 【００１９】 このように周波数２Δｆ及び周波数−２Δｆのドップラーシフトを受けた２つ
の光束が重なり合うため、受光素子１２，１２′の出力信号の周波数は、２Δｆ
−（−２Δｆ）＝４Δｆとなる。つまり、受光素子１２，１２′の出力信号の周
波数Ｆは、Ｆ＝４Δｆ＝４ｒωsin θ_m／λとなり、（１）式の回折条件の式か
ら、Ｆ＝４ｍｒω／ｐとなる。放射格子８の格子模様の総本数をＮ、等角度ピッ
チをΔφとすれば、ｐ＝ｒΔφ，Δφ＝２π／Ｎより、 Ｆ＝２ｍＮω／π ・・・・・・（３） となる。いま、時間Δｔの間での受光素子の出力信号の波数をｎ、Δｔの間での
放射格子８の回転角をθとすれば、ｎ＝ＦΔｔ，θ＝ωΔｔより、 ｎ＝２ｍＮθ／π ・・・・・・（４） となり、受光素子の出力信号波形の波数ｎをカウントすることによって、放射格
子８の回転角θを、（４）式によって求めることができる。 【００２０】 ところで、回転角度を検出する際、回転方向が検出出来れば更に好ましい。そ
のため本実施形態においては、従来の光電式ロータリーエンコーダーなどにおい
て公知のように、複数個の受光素子を用意して、互いの信号の位相が９０度ずれ
るように配置し、回転に伴う９０度位相差信号から、回転方向を示す信号を取り
出す方式を用いている。 【００２１】 本実施形態においては、２つの受光素子１２，１２′で得られる出力信号間の
９０°の位相ずれをつけており、これを偏光ビームスプリッター３と、１／４波
長板４₃及び偏光板１１，１１′を組み合わせて作り出している。 【００２２】 図６は図１の偏光ビームスプリッター３以降の本発明の光学装置を構成する各
要素４₃，１０，１１，１１′の光学的作用を示す摸式図である。 【００２３】 すなわち、図６に示すように放射格子８上の位置Ｍ₁，Ｍ₂で再回折されて元の
光路を戻る直線偏光光束ＬＭ₁，ＬＭ₂は偏光ビームスプリッター３で各々反射及
び透過されて重なり合い、合波光束となり、２光束ＬＭ₁，ＬＭ₂のいずれかの偏
光方位に対して偏光軸を４５°傾けた１／４波長板４₃を透過することによって
右回りの円偏光ＴＭ₁と左回りの円偏光ＴＭ₂となる。 【００２４】 この２つの円偏光ＴＭ₁，ＴＭ₂が重なり合うと、一部偏光成分が相殺された結
果的に所定方向に偏光面を有する直線偏光ＴＬとなる。 【００２５】 このときの直線偏光ＴＬの偏光方位は放射格子８の回転に伴って変化する。そ
してこの直線偏光ＴＬをハーフミラー１０で２つの光束ＴＬ₁，ＴＬ₂に分割して
各々所定の偏光方位成分を選択する為の偏光方位選択手段としての偏光板１１，
１１′に導光している。 【００２６】 そして分割した２つの光束ＴＬ₁，ＴＬ₂を偏光板１１，１１′を介して一定の
振動方向の成分だけとしてこの成分だけを受光素子１２，１２′で受光してい る。このとき受光素子１２，１２′からは初めて放射格子８の回転に伴う明暗信
号Ｓ₁，Ｓ₂が得られる。 【００２７】 本実施形態では２つの偏光板１１，１１′の方位を互いに４５°ずらしており
、これにより受光素子１２，１２′から互いに９０°位相がずれた明暗信号Ｓ₁
，Ｓ₂を得ている。 【００２８】 そして図１に示すように例えば受光素子１２，１２′の出力信号を波形整形し
、回転方向を検出した後カウンターに積算し、回転角度を求めている。 【００２９】 図３は図１の放射格子８と２つの光束の放射格子８上の照射位置Ｍ₁，Ｍ₂と被
検回転物体の回転中心との説明図である。 【００３０】 本実施形態においては放射格子８の中心と被検回転物体の回転中心に対して略
点対称の２点Ｍ₁，Ｍ₂を測定点とすることにより放射格子８の中心と、被検回転
体の回転中心との偏心の影響を軽減している。 【００３１】 すなわち、放射格子８の中心と、回転中心とを完全に一致させることは機構上
困難であり、両者の偏心は避けられない。たとえば、図３に示すように、放射格
子８の中心Ｏと、回転中心Ｏ′との間に、偏心量がａだけあったとき、回転中心
から距離ｒの位置にある測定点Ｍ₁でのドップラー周波数シフトは、偏心がない
ときとくらべて、ｒ／（ｒ＋ａ）から、ｒ／（ｒ−ａ）まで変化する。 【００３２】 一方、このとき位置Ｍ₁と、回転中心に対して点対称な位置にある測定点Ｍ₂で
の周波数シフトは、位置Ｍ₁での変化とは逆に、ｒ／ｒ−ａからｒ／ｒ＋ａまで
変化するから、位置Ｍ₁とＭ₂の２点を同時に測定することによって、偏心の影響
を軽減している。 【００３３】 また本実施形態においては例えば従来から使用されているインデックススケー ル方式の光電式ロータリーエンコーダーでは、前述の（４）式に対応する、受光
素子からの出力信号の波数ｎと、メインスケールの総本数Ｎと、回転角θとの関
係は、 ｎ＝Ｎθ／２π ・・・・・・（５） であるから、波数１個あたりの回転角Δθは、 Δθ＝２π／Ｎ（ラジアン）・・・・・・（６） である。これに対して、本実施形態では、（４）式から、 Δθ＝π／２ｍＮ（ラジアン）・・・・・・（７） である。 【００３４】 従って、本実施形態によれば、同じ分割数のスケールを用いても従来例に比べ
て４ｍ倍の精度で回転角度の検出が出来ることになる。 【００３５】 また、従来の光電式ロータリーエンコーダーにおいては、透光部と遮光部の間
隔は、光の回折の影響を考慮すると、１０μｍ程度が限度である。 【００３６】 いま、回転角度検出精度として、例えば３０秒を得るためには、従来例では、
メインスケールの分割数として前述の（６）式から、 Ｎ＝３６０×６０×６０／３０＝43,200 だけ必要である。そこで、メインスケール最外周での透光部、遮光部の間隔を１
０μｍとすれば、メインスケールの直径は、 0.01ｍｍ×43,200／π＝137.5 ｍｍ 必要になる。 【００３７】 しかるに、本実施形態によれば、従来例と同じ回転角の検出精度を得るために
は、放射格子の分割数は１／４ｍでよい。±１次の回折光を用いたｍ＝１の場合
、３０秒の回転角検出精度を得るための放射格子８の格子の分割数は、 43,200／４＝10,800 でよい。そして本実施形態においてレーザーの回折光を用いれば透光部と反射部 の間隔は狭くてよいので、たとえば、これを４μｍとすると、放射格子の直径は
、 0.004 ｍｍ×10,800／π＝13.75 ｍｍ でよいことになる。すなわち、本実施形態によれば従来のインデックススケール
方式の光電式ロータリーエンコーダーと同等の回転角検出精度を得る形状として
は、１／１０以下の大きさでよいことになる。従って、被検回転物体への負荷も
、従来例とくらべて、はるかに小さくなり、正確な測定が行える。 【００３８】 図４は、本発明の光学装置をロータリーエンコーダに適用したときの他の実施
形態の一部分の概略図であり、図１の放射格子８に光束が入射する付近部分を示
している。同図において各要素に付された番号は図１で示したものと同じ要素を
示す。放射格子８の位置Ｍ₁及びＭ₂に入射した光束の±ｍ次の透過回折光をシリ
ンドリカルレンズ６₂，６₂′、反射鏡７，７′を介して、放射格子８に再度入射
させ、元の光路に戻すことにより図１に示した実施形態と同様の効果を得ている
。 【００３９】 図５は、本発明の光学装置をロータリーエンコーダに適用したときの放射格子
８近傍を示す更に別の実施形態の概略図である。 【００４０】 図５において１３及び１３′は各々コーナーキューブ反射鏡である。放射格子
８の位置Ｍ₁及びＭ₂に入射した光束の±ｍ次の反射（あるいは図４のように透過
でもよい。）回折光を、シリンドリカルレンズ６₂，６₂′を介して、コーナーキ
ューブ反射鏡で元の光路に戻し、図１に示した実施形態と同様の効果を得ている
。放射格子８の中心と、被検回転物体の回転中心とが偏心している場合、場所に
よって、放射格子８の透光部及び反射部の間隔が変化するため、回折光Ｌ及びＬ
′の回折角が変化することになる。 【００４１】 また、図１の実施形態において、光源１としては、半導体レーザーが、その小
型・低価格・高出力という点で、最も望ましい。 【００４２】 しかるに、半導体レーザーは、周囲の温度変化によって、その発振波長が変化
することが知られている。図１の実施形態において、光源１の波長が変化すると
、回折光Ｌ及びＬ′の回折角が変化する。このとき、回折光Ｌ及びＬ′の反射鏡
として図１の７及び７′の如く平面鏡を用いると、反射鏡は所謂ティルト状態に
なって、受光素子１２，１２′の前面には、干渉縞が多数発生し、受光素子１２
，１２′の出力信号のＳ／Ｎが低下する場合がある。そこで図５の如く、反射鏡
としてコーナーキューブ反射鏡１３及び１３′を用いることにより、放射格子８
で回折された回折光Ｌ及びＬ′の回折角が上記理由で変化しても、コーナーキュ
ーブ反射鏡１３及び１３′で反射された光束を元の光路を戻すことができる。こ
れにより受光素子１２，１２′の前面で干渉縞が多数発生するのを防止し、受光
素子１２，１２′の出力信号のＳ／Ｎ比の向上を図っている。 【００４３】 尚前述した本発明をロータリーエンコーダに適用した各実施形態ではｍ次の２
つの回折光を用いた場合を示したが±ｍ次の回折光であっても又次数の異なった
２つの回折光を用いても良い。 【００４４】 又本発明をロータリーエンコーダに適用した各実施形態において放射格子の中
心と被検回転物体の回転中心との偏心誤差が無視出来、回転速度計として用いる
ならば放射格子への照射点を１箇所とし、受光素子を１つ設ければ良い。 【００４５】 【発明の効果】 以上、本発明によれば、直交する偏光方位を有する２つの直線偏光光束の合波
光束を１／４波長板を通すことによって逆回りの円偏光に変換し、この円偏光光
同士の合波状態により得られる直線偏光成分が前述直交直線偏光光束間の位相差
の変化に伴って回転し、この回転する直線偏光成分を分割し、分割された各光束
に対して、例えば別々の検光子等を用いて所定の偏光方位成分をそれぞれ選択す
る構成にしたことにより、取り出す偏光方位は偏光方位選択手段の選択方位、例
えば検光子であれば偏光軸、を回転させることで自由に選択できる。即ち、取り 出す偏光方位の選択が自由な光学装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明をロータリーエンコーダに適用したときの一実施形態の概略図 【図２】 図１の放射格子への入射光束と反射回折光のベクトル表示の説明図 【図３】 図１の放射格子の中心と回転中心との偏心を表わす説明図 【図４】 本発明をロータリーエンコーダに適用したときの他の実施形態の一部分の説明
図 【図５】 本発明をロータリーエンコーダに適用したときの他の実施形態の一部分の説明
図 【図６】 図１の一部分の説明図 【符号の説明】 １ 光源 ２ コリメーターレンズ ３ 偏光ビームスプリッター ４₁，４₂，４₃ １／４波長板 ５，７，７′ 反射鏡 ６₁，６₂，６₂′ シリンドリカルレンズ ８ 放射格子 ９ 被検回転物体の回転軸 １０ ビームスプリッター １１，１１′ 偏光板 １２，１２′ 受光素子 １３，１３′ コーナーキューブ反射鏡

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 直交する偏光方位を有する２つの直線偏光光束の合波光束が通
   過する位置に前記２光束のいずれかの偏光方位に対して偏光軸を４５°傾けて設
   けられた１／４波長板と、該１／４波長板を通過した光束を分割したそれぞれの
   分割光束から所定の偏光方位成分を選択するための別々の偏光方位選択手段とを
   有することを特徴とする光学装置。 【請求項２】 前記偏光方位選択手段は偏光板を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の光学装置。