JP3107592B2 - 移動量測定方法 - Google Patents

移動量測定方法

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JP3107592B2
JP3107592B2 JP03132856A JP13285691A JP3107592B2 JP 3107592 B2 JP3107592 B2 JP 3107592B2 JP 03132856 A JP03132856 A JP 03132856A JP 13285691 A JP13285691 A JP 13285691A JP 3107592 B2 JP3107592 B2 JP 3107592B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、移動量測定方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】周期的構造を持つ被検体に発散性の単色
光を照射し、上記被検体による反射光もしくは透過光に
より影絵パターンを発生せしめ、上記被検体の移動に伴
う影絵パターンの移動を光センサーにより検知して、上
記被検体の移動量を測定する一連の方法が知られてい
る。
【0003】当初、この方法は点状光源(発光部の大き
さが、被検体の単周期的構造のピッチに比して十分に小
さい光源)を用いるものとして提案されたが(特開昭6
3−47616号公報)、その後、線状光源を用いる方
法が提案された(特開平64−297513号公報)。
【0004】影絵パターンは、被検体の有する周期的構
造を影絵的に拡大したパターンであるが、点状光源を用
いて発生させる場合、点状光源と被検体の位置関係が一
定の条件を満足することにより発生する。
【0005】一方、線状光源を用いると、被検体の周期
構造のピッチξと、線状光源の周期構造のピッチ方向の
長さdとが、条件 0.1≦(d/ξ)≦4.0 を満足するとき影絵パターンが発生する。
【0006】被検体に照射する単色光は、当初コヒーレ
ント光であることが必要と考えられていたが、その後の
研究で、インコヒーレントな光でもアパーチュアにより
波面制限を行えば、影絵パターンを発生させ得ることが
分かった。
【0007】しかし、影絵パターンを利用した従来の移
動量測定方法では、点状光源を用いる場合、点状光源と
被検体の位置関係を設定する必要があり、線状光源を用
いる場合には線状光源の長さdに対して周期構造のピッ
チξを上記不等式を満足するように設定する必要があ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述の如
き事情に鑑みてなされたものであって、点状光源と線状
光源とを問わず、またコヒーレント光源とインコヒーレ
ント光源とを問わず、良好な影絵パターンを発生でき
る、新規な移動量測定方法の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明の移動量測定方
法は「周期的構造を持つ被検体に、光強度分布がガウス
分布に従う発散性の単色光を照射し、上記被検体による
反射光もしくは透過光により影絵パターンを発生せし
め、上記被検体の移動に伴う影絵パターンの移動を光セ
ンサーにより検知して上記被検体の移動量を測定する方
法」であって、以下の点を特徴とする。
【0010】即ち、被検体に照射する単色光の発散角を
2θ、上記反射光もしくは透過光の上記周期的構造によ
る回折角をαとするとき、θとαが 0<α/θ≦4 なる不等式を満足するようにして影絵パターンを発生さ
せる点である。
【0011】なお、被検体が周期的構造を有するとは、
被検体が照射される単色光を反射するか透過させるかに
応じて、反射率もしくは透過率が周期的に変化している
ことを言う。
【0012】
【作用】図1(a)において、符号Qは単色光を放射す
る光源を示している。この光源Qから発散角2θの光束
が放射される。符号Gは、被検体における光透過性の周
期的構造を示している。ここでは、光源Qはコヒーレン
ト光源である。
【0013】光源Qからの単色光が周期的構造Gを照射
すると、透過光は回折により0次回折光と、±1次回折
光、および更に高次の回折光に分かれる。単色光は干渉
し易く、特にコヒーレント光源が発する単色光の場合に
は、これら0次,±1次回折光等は互いに干渉しあう。
【0014】影絵パターンと呼ばれ、上記周期的構造G
を影絵的に拡大する明暗パターンは、0次回折光と±1
次回折光のように、次数が1だけ異なる回折光同志の干
渉の結果であることが、近年の研究により分かった。従
って、影絵パターンが発生するのは図1(a)において
ハッチを施した部分である。例えば、図1(a)におい
て符号B,C,Dで示す部分にスクリーンを置いてみる
と、これらの位置における0次回折光(0で示す)と±
1次回折光(±1で示す)の重なり具合、±1次回折光
と±2次回折光の重なり具合は、それぞれ図1(b)
(c)(d)に示す如くであって、回折光同志の重なり
あう部分に影絵パターンが発生する。
【0015】影絵パターンの明暗のピッチをXとする
と、これは前述のように、周期的構造のピッチξを光源
Qからの光で影絵的に拡大したものとなっている。即
ち、光源Qと周期的構造Gとの距離をa,周期的構造G
と影絵パターンとの距離をbとすると、上記ピッチX
は、(a+b)ξ/aで与えられる。
【0016】このようにして、発生した影絵パターン
は、周期的構造を有する被検体が周期的構造の繰返し方
向に変位すると、影絵的な関係を保ったまま同方向に変
位する。従って、光センサーにより、影絵パターンの変
位量Yを検出すれば、被検体自体の移動量Zは、上記変
位量Yを影絵パターンの拡大倍率で除して、Ya/(a
+b)として知ることができる。勿論、この移動量を時
間で微分する処理を行えば、被検体の移動量のみならず
移動速度や加速度をも測定できる。
【0017】図1(a)の位置B,C,Dは、周期的構
造Gから次第に遠ざかっているので、これらの位置B,
C,Dにおける影絵パターンのピッチもそれに応じて、
図1(b)(c)(d)に示すように次第に大きくなっ
ている。
【0018】図2(a)は、照射単色光の発散角に対応
する角θと回折角αに対応させて、0次回折光の強度と
1次回折光の強度の関係を示している。照射単色光の強
度分布はガウス分布に従っている。回折角αは、1義的
に定まるが、発散角は光強度分布がガウス分布に従うた
めに、一義的には決まらない。この発明では、発散角2
θは、光強度分布がピーク値の90%を与える部分を見
込む角として定義されている。
【0019】θとαの比をパラメータとし、影絵パター
ンの発生の様子をコンピューターでシミュレーション演
算した結果を図3および図4に示す。但し、このシミュ
レーションでは、図2(b)に示すように光強度分布の
ピーク値の1/eの強度部分を見込む角としてθ’を定
義し、θ’/αをパラメータとして、計算を行った。θ
はθ’と、θ=θ’/0.65の関係があるから、この
関係を用いて、結果を簡単にθに換算できる。なお、周
期的構造は光透過部と遮光部とがピッチξで配列され、
配列方向における光透過部幅と遮光部幅とが共にε=ξ
/2である場合を想定している。
【0020】図3に示す図でパラメータはθ’/αであ
り、このパラメータが1.0から次第に小さくなるに従
って、透過光の強度分布がどのように変化するかを示し
ている。図中で、光強度が細かく変化している部分が影
絵パターンである。パラメータθ’/αが1.0から次
第に小さくなると、影絵パターンのコントラストが次第
に減少し、θ’/α=0.3では、影絵パターンは全く
発生しない。光強度の大きな3つの山は、0次回折光
と、±1次回折光の強度分布であり、これらが完全に分
離して重なり合わないため、これらの干渉もなく影絵パ
ターンは発生しないのである。
【0021】影絵パターンの発生する限界におけるパラ
メータθ’/αの値は、0.38であり、これは4θ=
αのときに相当する。従って、α/θをパラメータとす
る場合には、影絵パターンの発生する上限が4であるこ
とになる。
【0022】図4ではパラメータθ’/αが1.0から
5.0まで変化するときの、透過光の強度分布の様子を
示している。パラメータθ’/αが大きくなるにつれて
影絵パターンのコントラストは相対的に小さくなってい
るが、それでも影絵パターン自体は発生しており、この
傾向はパラメータθ’/αが大きくなっても変わらな
い。従って、影絵パターンが発生する条件は、パラメー
タα/θが 0<α/θ≦4 なる不等式を満足するときであることがわかる。そし
て、この条件は単色光の波長にも、周期的構造のピッチ
ξにも依らない、極めて一般的な条件である。
【0023】上の説明では被検体に対する照射光をコヒ
ーレント光として、説明したが、LED光源からの光の
ようにインコヒーレントな光であっても、適当なアパー
チュアにより波面制限をすることにより干渉性の光とす
ることができ、このようにした光に上記条件を満足させ
ることによって、影絵パターンを発生させることができ
る。
【0024】
【実施例】図5以下に、具体的な実施例を示す。
【0025】図5は、この発明をリニアエンコーダに適
用した例である。線状光源1(LDの発光部の長手方向
を利用する)からの発散性の光を被検体としてのリニア
スケール2に照射する。照射光の発散角とリニアスケー
ルの周期的構造による回折角αが上記関係を満足するよ
うに設定されており、影絵パターンが発生する。リニア
スケール2の矢印方向への変位に伴う影絵パターンの変
位を光センサー3により検出して、移動量測定を行う。
光センサー3を光軸AX上に置くと0次光の強度が強い
ために影絵パターンのコントラストが若干弱められるの
で、光軸からはなれた破線で示す位置に置くとコントラ
ストの良い影絵パターンを検出できる。
【0026】図6は、この発明をロータリエンコーダに
適用した例である。線状光源1からの発散性の光束を、
円板スケール2Aに照射して、影絵パターンを発生さ
せ、円板スケール2Aの回転伴う影絵パターンの変位を
光センサー3で検出して、円板スケール2Aの移動量
(回転量)の測定を行うことができる。
【0027】図7の例では、軸受6に軸支された回転軸
7に周期的構造として反射率が周期的に変化するパター
ン8が形成され、線状光源1からの発散光をパターン8
に照射し、発生する影絵パターンの移動を光センサー5
により検出して回転軸7の回転量を測定する。
【0028】図8の例は、図7の例の変形例であり、イ
ンコヒーレントな光源であるLED1’からの光をアパ
ーチュア1’Aにより波面制限して干渉性とし、θとα
の比が前記条件を満足するようにして影絵パターンを発
生させる。アパーチュアにおける開口形状は、例えば図
9(a)(b)(c)に示すようなスリット形状、楕円
形状、円形状等が可能である。
【0029】図7や図8の実施例の場合は、単色光を照
射される被検体部分が正の曲率を持っているため、反射
光は凸面の作用で、入射光束の発散角よりも発散角が広
がる。図10に示す例では、光源Qからの光束は発散角
2θ0をもって被検体7に照射されるが反射光束の発散
角は2θ(>2θ0)となる。この場合条件 0<α/θ≦4 を満たすのは、勿論、反射光束の発散角である。従っ
て、被検体の表面が凸面である場合には、図11に示す
ように光源Qからの光をレンズ13により平行光束14
として被検体7に照射しても良い。
【0030】なお、光強度分布がガウス分布に従うもの
でなく、一様な分布である場合にはα/θの満足する不
等式は、上記不等式の上限値を4から2.6に代えたも
のとなる。
【0031】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
移動量測定方法を提供できる。この発明では、被検体に
対して照射する単色光の発散角と回折角との関係を調整
して影絵パターンを発生させるのであるが、発散角はレ
ンズ等の光学素子の使用により簡単に調整ができるか
ら、被検体上の所定の周期的構造におうじて容易且つ確
実に影絵パターンを発生させることができ、移動量測定
が容易になる。
【0032】この発明の場合、影絵パターンを発生させ
るのに、回折角と発散角の関係を調整するので、照射光
は、光源からの光を直接照射する場合のほか、レンズを
介して照射したり、光ファイバーで導いた光を発散角を
調整して照射したりすることができ、光源装置の形態上
の自由度が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の特徴を説明するための図である。
【図2】発散角と回折角の関係を説明するための図であ
る。
【図3】この発明の特徴をなす、不等式を説明するため
の図である。
【図4】この発明の特徴をなす、不等式を説明するため
の図である。
【図5】この発明の1実施例を示す斜視図である。
【図6】この発明の別実施例を示す斜視図である。
【図7】この発明の他の実施例を示す斜視図である。
【図8】この発明の更に他の実施例を示す斜視図であ
る。
【図9】インコヒーレント光を用いる場合に波面制限を
行うアパーチュアの開口形状を3例示す図である。
【図10】被検体表面が凸面である場合の発散角を説明
するための図である。
【図11】この発明の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
Q 単色光を放射する光源 G 周期的構造
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 明渡 純 東京都新宿区早稲田3丁目18番1号・丸 茂ハイツ203号 (72)発明者 山口 友行 東京都大田区中馬込1丁目3番6号・株 式会社リコー内 (56)参考文献 特開 平4−218720(JP,A) 特開 平1−297513(JP,A) 特開 昭61−223614(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/38 G01B 11/00 - 11/30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】周期的構造を持つ被検体に、光強度分布が
    ガウス分布に従う発散性の単色光を照射し、上記被検体
    による反射光もしくは透過光により影絵パターンを発生
    せしめ、上記被検体の移動に伴う影絵パターンの移動を
    光センサーにより検知して上記被検体の移動量を測定す
    る方法において、上記単色光の発散角を2θ、上記反射
    光もしくは透過光の上記周期的構造による回折角をαと
    するとき、θとαが 0<α/θ≦4 なる不等式を満足するようにして影絵パターンを発生さ
    せることを特徴とする移動量測定方法。
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