JPH0235248B2 - - Google Patents
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- JPH0235248B2 JPH0235248B2 JP58205956A JP20595683A JPH0235248B2 JP H0235248 B2 JPH0235248 B2 JP H0235248B2 JP 58205956 A JP58205956 A JP 58205956A JP 20595683 A JP20595683 A JP 20595683A JP H0235248 B2 JPH0235248 B2 JP H0235248B2
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- Japan
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- diffraction grating
- light
- measuring device
- displacement measuring
- light source
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 18
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 17
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
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-
- 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
- G01B2290/30—Grating as beam-splitter
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、光の干渉を利用してスケールの移動
を検出するようにした光学式変位測定装置の改良
に関するものである。
を検出するようにした光学式変位測定装置の改良
に関するものである。
背景技術とその問題点
従来、移動する回折格子の位置変化を光の干渉
を利用して検出するようにした光学式変位測定装
置には以下のような２種類の干渉計が使用されて
いる。
を利用して検出するようにした光学式変位測定装
置には以下のような２種類の干渉計が使用されて
いる。
その１つは特開昭47−10034号公報に示されて
いるような構成のもので、この干渉計は第１図に
示されるようにスケールとして使用される回折格
子１、一対のミラー２，３、可干渉性光源４およ
びフオトデイテクタ５を含んでおり、入射光６に
基き移動信号を作成する２つの干渉光のうちの一
方は１次もしくは高次モードの回折光７Ａから成
り、他方は０次モードの回折光７Ｂから成つてい
る。
いるような構成のもので、この干渉計は第１図に
示されるようにスケールとして使用される回折格
子１、一対のミラー２，３、可干渉性光源４およ
びフオトデイテクタ５を含んでおり、入射光６に
基き移動信号を作成する２つの干渉光のうちの一
方は１次もしくは高次モードの回折光７Ａから成
り、他方は０次モードの回折光７Ｂから成つてい
る。
この干渉計はスケールとして使用される回折格
子の移動方向と直交する２方向の変位には無関係
に、その回折格子の格子ベクトル方法のみの変位
を検出する性質を有し、回折光間の角度180゜以内
と大きくとることができるため後述の他のものよ
りも格子のピツチが細くとれるので分解能を上げ
易い利点を備えている。また検出信号は回折格子
として体積型のホログラム等の高効率の格子を使
用できることから後述のものよりも大きくとれ、
不要の回折光等による悪影響を防げるので第１図
において入射光６の約半分の量を信号光として得
ることができる。
子の移動方向と直交する２方向の変位には無関係
に、その回折格子の格子ベクトル方法のみの変位
を検出する性質を有し、回折光間の角度180゜以内
と大きくとることができるため後述の他のものよ
りも格子のピツチが細くとれるので分解能を上げ
易い利点を備えている。また検出信号は回折格子
として体積型のホログラム等の高効率の格子を使
用できることから後述のものよりも大きくとれ、
不要の回折光等による悪影響を防げるので第１図
において入射光６の約半分の量を信号光として得
ることができる。
しかしながらこの干渉計の欠点は、光源４から
の入射光の波長の変化に弱く波長の変化がそのま
ま測定誤差として表れ易いことである。例えば第
２図に示すように、光源４からの入射光６の波長
が変化すると０次モードの光の方向７Ｂは変化し
ないが１次モードの光の方向はその影響を受けて
実線位置７Ａから点線位置７A′へ変化し、これ
に伴い回転角Ｗも変化するようになる。よつて干
渉すべき２つの光ビームの間の方向が変化するの
で干渉計がくずれて検出信号の変調率が低下し遂
には干渉信号を得るのが不可能になる。
の入射光の波長の変化に弱く波長の変化がそのま
ま測定誤差として表れ易いことである。例えば第
２図に示すように、光源４からの入射光６の波長
が変化すると０次モードの光の方向７Ｂは変化し
ないが１次モードの光の方向はその影響を受けて
実線位置７Ａから点線位置７A′へ変化し、これ
に伴い回転角Ｗも変化するようになる。よつて干
渉すべき２つの光ビームの間の方向が変化するの
で干渉計がくずれて検出信号の変調率が低下し遂
には干渉信号を得るのが不可能になる。
またこの干渉計は第３図に示すように、回折格
子１を格子ベクトルと直交する上下方向に対して
(A)位置から(B)位置へ移動しても測定誤差が生じな
いという性質を有しているが、回折格子１が移動
して(B)位置にあると２つの光ビームが干渉を始め
るまでの光路長に変化を来たして光路差ｌを生ず
るようになるので、Δλの波長変化が生じたとす
るとＤ＝（Δλ／λ）（ｌ／λ）・２・Ｐの測定誤差
を生ずるようになる。（なお、λは光源波長、Ｐ
は格子ピツチである） よつてこの測定誤差を避けるには回折格子１の
位置を固定すればよいが、このようにすると回折
格子１の位置移動によつて回折格子１の上下動に
因る光路長の変化をキヤンセルさせるという性質
を充分に利用することができなくなるため、実用
上波長の不安定な光源を用いることができなくな
る。このためこの干渉計を使用した変位測定装置
では波長安定性に優れたHe−Neレーザ等が光源
として採用されている。しかしHe−Neレーザは
発熱量が多いため熱膨張時の影響を避ける関係で
光源と干渉計とは分離して構成する必要があり、
測定装置が大型化すると共に調整が難かしいとい
う問題が生じるので実用上大変不便となる。
子１を格子ベクトルと直交する上下方向に対して
(A)位置から(B)位置へ移動しても測定誤差が生じな
いという性質を有しているが、回折格子１が移動
して(B)位置にあると２つの光ビームが干渉を始め
るまでの光路長に変化を来たして光路差ｌを生ず
るようになるので、Δλの波長変化が生じたとす
るとＤ＝（Δλ／λ）（ｌ／λ）・２・Ｐの測定誤差
を生ずるようになる。（なお、λは光源波長、Ｐ
は格子ピツチである） よつてこの測定誤差を避けるには回折格子１の
位置を固定すればよいが、このようにすると回折
格子１の位置移動によつて回折格子１の上下動に
因る光路長の変化をキヤンセルさせるという性質
を充分に利用することができなくなるため、実用
上波長の不安定な光源を用いることができなくな
る。このためこの干渉計を使用した変位測定装置
では波長安定性に優れたHe−Neレーザ等が光源
として採用されている。しかしHe−Neレーザは
発熱量が多いため熱膨張時の影響を避ける関係で
光源と干渉計とは分離して構成する必要があり、
測定装置が大型化すると共に調整が難かしいとい
う問題が生じるので実用上大変不便となる。
一方その他のものとしては特開昭57−190202号
公報、特開昭57−190203号公報および実開昭57−
81510号公報に示されているような構成の干渉計
が知られている。これらが上記第１の干渉計と異
なつている点は、第１のものが１次もしくは高次
モードの回折光と０次モードの回折光との間の干
渉を利用して移動検出を行つているのに対し、こ
れら第２のものはプラスとマイナスの同次回折光
同士の干渉を利用して移動検出を行うという点に
ある。第４図はこれら第２の干渉計の構成を示す
もので第１図と同一部分は同一番号で示し、８は
ハーフミラーである。
公報、特開昭57−190203号公報および実開昭57−
81510号公報に示されているような構成の干渉計
が知られている。これらが上記第１の干渉計と異
なつている点は、第１のものが１次もしくは高次
モードの回折光と０次モードの回折光との間の干
渉を利用して移動検出を行つているのに対し、こ
れら第２のものはプラスとマイナスの同次回折光
同士の干渉を利用して移動検出を行うという点に
ある。第４図はこれら第２の干渉計の構成を示す
もので第１図と同一部分は同一番号で示し、８は
ハーフミラーである。
これら第２のものは干渉用ビームがいずれも回
折光であるために、光源４からの光の波長が変化
しても変化前の実線位置および変化後の点線位置
で示されるように回折光７Ａ，７Ｂは共に回転角
変化を起こすような経路を通るので、２つのビー
ムの通過経路の長さを一致させておけば第１のも
のと異なつて検出信号が劣化したり、測定誤差が
生じにくいという利点を有し、しかもそれと同様
に回折格子１が格子ベクトルと直交する上下方向
に移動しても測定誤差を生ずることはない。
折光であるために、光源４からの光の波長が変化
しても変化前の実線位置および変化後の点線位置
で示されるように回折光７Ａ，７Ｂは共に回転角
変化を起こすような経路を通るので、２つのビー
ムの通過経路の長さを一致させておけば第１のも
のと異なつて検出信号が劣化したり、測定誤差が
生じにくいという利点を有し、しかもそれと同様
に回折格子１が格子ベクトルと直交する上下方向
に移動しても測定誤差を生ずることはない。
このためこの第２の干渉計を使用した変位測定
装置では光源として波長の不安定な半導体レーザ
等を採用することができ、半導体レーザは前記
He−Neレーザに比較して小型でしかも発熱量が
少ないという利点を有している。
装置では光源として波長の不安定な半導体レーザ
等を採用することができ、半導体レーザは前記
He−Neレーザに比較して小型でしかも発熱量が
少ないという利点を有している。
したがつて例えば半導体レーザを光源として用
いることにより光源と干渉計との一体化を計るこ
とができるので測定装置を小型化することがで
き、またこれに伴い面倒な調整を不要とすること
ができる。
いることにより光源と干渉計との一体化を計るこ
とができるので測定装置を小型化することがで
き、またこれに伴い面倒な調整を不要とすること
ができる。
しかしながらこの第２の干渉計の場合は、光源
４からの入射光に対して検出信号が大きくとれな
いという欠点がある。これはプラスとマイナスの
同次回折光間の干渉を利用している関係上、第１
の干渉計のように回折効率の良い体積型ホログラ
ムやブレーズ格子を使用することができないこと
に原因しているものである。第５図に示すように
各々２度ずつ回折させた場合には、その最大出力
（検出信号）は入射光６のパワーの20％程度であ
り、この場合は第１のものに比べ検出系の信号増
幅率を大きくとる必要があるために測定装置の応
答速度を低下させるおそれが生ずる。
４からの入射光に対して検出信号が大きくとれな
いという欠点がある。これはプラスとマイナスの
同次回折光間の干渉を利用している関係上、第１
の干渉計のように回折効率の良い体積型ホログラ
ムやブレーズ格子を使用することができないこと
に原因しているものである。第５図に示すように
各々２度ずつ回折させた場合には、その最大出力
（検出信号）は入射光６のパワーの20％程度であ
り、この場合は第１のものに比べ検出系の信号増
幅率を大きくとる必要があるために測定装置の応
答速度を低下させるおそれが生ずる。
また回折光と０次光の間の角度は90゜以下に制
限されるため格子ピツチは第１図のものよりも細
かくとれないので、回折回数が同じ場合には分解
能は上げにくくなる。さらに信号とは無関係の強
い０次光および格子の種類によつては多くの高次
光が発生し易くなるために、小型の測定装置を得
る場合の障害となるおそれがある。
限されるため格子ピツチは第１図のものよりも細
かくとれないので、回折回数が同じ場合には分解
能は上げにくくなる。さらに信号とは無関係の強
い０次光および格子の種類によつては多くの高次
光が発生し易くなるために、小型の測定装置を得
る場合の障害となるおそれがある。
発明の概要
本発明は以上の問題に対処してなされたもの
で、可干渉性光源と、この可干渉性光源から出射
したビームを２分するビームスプリツタと、２分
されたビームが入射される回折格子と、この回折
格子による２つの回折光が入射され再びこの回折
光を上記回折格子に出射する反射器と、干渉光を
検出するための検出器とを含み、上記反射器を経
て再度回折された２つの回折光を上記ビームスプ
リツタで干渉させることによりこの干渉強度を上
記検出器で測定させて回折格子の位置変化を求め
るように構成して従来欠点を除去するようにした
光学式変位測定装置を提供するものである。
で、可干渉性光源と、この可干渉性光源から出射
したビームを２分するビームスプリツタと、２分
されたビームが入射される回折格子と、この回折
格子による２つの回折光が入射され再びこの回折
光を上記回折格子に出射する反射器と、干渉光を
検出するための検出器とを含み、上記反射器を経
て再度回折された２つの回折光を上記ビームスプ
リツタで干渉させることによりこの干渉強度を上
記検出器で測定させて回折格子の位置変化を求め
るように構成して従来欠点を除去するようにした
光学式変位測定装置を提供するものである。
実施例
以下図面を参照して本発明実施例を説明する。
第６図は本発明実施例による光学式変位測定装
置を示す構成図で、１１はスケールとして使用さ
れる回折格子１２，１３は一対のミラー、２２，
２３はその他の一対のミラー、１４は可干渉性光
源、１５はフオトデテクタ、２４は上記回折格子
１１から出射した光ビームを２分するためのビー
ムスプリツタ、２５は上記回折格子１１の法線で
ある。
置を示す構成図で、１１はスケールとして使用さ
れる回折格子１２，１３は一対のミラー、２２，
２３はその他の一対のミラー、１４は可干渉性光
源、１５はフオトデテクタ、２４は上記回折格子
１１から出射した光ビームを２分するためのビー
ムスプリツタ、２５は上記回折格子１１の法線で
ある。
以上の構成において上記可干渉性光源１４から
出射されてビームスプリツタ２４に入射された光
１６は、ミラー１２に向かう光１６Ａとミラー１
３へ向かう光１６Ｂとに２分される。各光ビーム
１６Ａ，１６Ｂは上記ミラー１２，１３を介して
法線２５を挟んで等しい角度で回折格子１１に入
射する。回折格子１１は紙面上格子ベクトルが水
平方向に向くように設置され、スケールとして用
いられる回折格子１１の変位測定方向とその格子
ベクトルの方向は一致し、上記ミラー１２を経た
光ビーム１６Ａはさらに他のミラー２２に入射さ
れるように回折されると共にミラー１３を経た光
ビーム１６Ｂはさらに他のミラー２３に入射され
るように回折される。この時各々の入射光１６
Ａ，１６Ｂの回折光１７Ａ，１７Ｂの光軸は互い
に他の入射光の光軸と一致するように回折され
る。
出射されてビームスプリツタ２４に入射された光
１６は、ミラー１２に向かう光１６Ａとミラー１
３へ向かう光１６Ｂとに２分される。各光ビーム
１６Ａ，１６Ｂは上記ミラー１２，１３を介して
法線２５を挟んで等しい角度で回折格子１１に入
射する。回折格子１１は紙面上格子ベクトルが水
平方向に向くように設置され、スケールとして用
いられる回折格子１１の変位測定方向とその格子
ベクトルの方向は一致し、上記ミラー１２を経た
光ビーム１６Ａはさらに他のミラー２２に入射さ
れるように回折されると共にミラー１３を経た光
ビーム１６Ｂはさらに他のミラー２３に入射され
るように回折される。この時各々の入射光１６
Ａ，１６Ｂの回折光１７Ａ，１７Ｂの光軸は互い
に他の入射光の光軸と一致するように回折され
る。
次にミラー２２，２３によつて反射された回折
光１７Ａ，１７Ｂは再度回折格子１１に入射する
が、ここでも再び回折されてミラー２２から入射
した回折光１７Ａはミラー１２へまたミラー２３
から入射した回折光１７Ｂはミラー１３へ各々入
射され、各々ここで反射されてビームスプリツタ
２４に戻る。そしてこのビームスプリツタ２４に
おいてミラー１２を経た光ビームの透過光とミラ
ー１３を経た光ビームの反射光の光軸が一致して
干渉が行われるので、フオトデテクタ１５によつ
てその干渉強度を検出することによりスケールと
して用いられる回折格子１１の変位測定が行われ
る。この時検出信号と回折格子の変位量とは次の
ように関係ずけられる。
光１７Ａ，１７Ｂは再度回折格子１１に入射する
が、ここでも再び回折されてミラー２２から入射
した回折光１７Ａはミラー１２へまたミラー２３
から入射した回折光１７Ｂはミラー１３へ各々入
射され、各々ここで反射されてビームスプリツタ
２４に戻る。そしてこのビームスプリツタ２４に
おいてミラー１２を経た光ビームの透過光とミラ
ー１３を経た光ビームの反射光の光軸が一致して
干渉が行われるので、フオトデテクタ１５によつ
てその干渉強度を検出することによりスケールと
して用いられる回折格子１１の変位測定が行われ
る。この時検出信号と回折格子の変位量とは次の
ように関係ずけられる。
原点上にさしかかつたミラー１２，１３を経た
２つの入射ビームの複素振幅E1，E2（時間変動項
は除く）は入射角をθとすると、 E1＝A1ei(ksin〓
２つの入射ビームの複素振幅E1，E2（時間変動項
は除く）は入射角をθとすると、 E1＝A1ei(ksin〓
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 可干渉性光源と、この可干渉性光源から出射
したビームを２分するビームスプリツタと、２分
されたビームが入射される回折格子と、この回折
格子による２つの１次回折光を再び上記回折格子
に入射させる第１の反射器と、上記回折格子によ
り再度回折された２つの１次回折光どうしを上記
ビームスプリツタにより干渉させその干渉光を検
出するための検出器とを含み、上記干渉光の干渉
強度を上記検出器で測定させて回折格子の位置変
化を検出するように構成したことを特徴とする光
学式変位測定装置。 ２ 上記回折格子に対しビームスプリツト側に位
置する第２の反射器を有することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の光学式変位測定装置。 ３ 前記回折格子が格子ベクトルの方向と測定方
向とを一致させた体積型ホログラムから成る特許
請求の範囲第１項記載の光学式変位測定装置。 ４ 前記光源として半導体レーザが使用された特
許請求の範囲第１項記載の光学式変位測定装置。 ５ 前記第１の反射器が前記回折格子の下方に配
置されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の光学式変位測定装置。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20595683A JPS6098302A (ja) | 1983-11-04 | 1983-11-04 | 光学式変位測定装置 |
| EP84307484A EP0146244B2 (en) | 1983-11-04 | 1984-10-31 | Optical instrument for measuring displacement |
| DE8484307484T DE3484649D1 (de) | 1983-11-04 | 1984-10-31 | Optisches instrument zur messung einer verschiebung. |
| DE88117622T DE3486178T2 (de) | 1983-11-04 | 1984-10-31 | Optisches Instrument zur Messung einer Verschiebung. |
| EP88117622A EP0311144B1 (en) | 1983-11-04 | 1984-10-31 | Optical instrument for measuring displacement |
| US06/668,097 US4676645A (en) | 1983-11-04 | 1984-11-05 | Optical instrument for measuring displacement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20595683A JPS6098302A (ja) | 1983-11-04 | 1983-11-04 | 光学式変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6098302A JPS6098302A (ja) | 1985-06-01 |
| JPH0235248B2 true JPH0235248B2 (ja) | 1990-08-09 |
Family
ID=16515482
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20595683A Granted JPS6098302A (ja) | 1983-11-04 | 1983-11-04 | 光学式変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6098302A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6225212A (ja) * | 1985-07-26 | 1987-02-03 | Agency Of Ind Science & Technol | 相対変位量測定装置 |
| DE3700906C2 (de) * | 1986-01-14 | 1995-09-28 | Canon Kk | Verschlüßler |
| DE3700777C2 (de) * | 1986-01-14 | 1994-05-05 | Canon Kk | Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Objektes |
| JPH073344B2 (ja) * | 1987-06-15 | 1995-01-18 | キヤノン株式会社 | エンコ−ダ− |
| JPH0638050B2 (ja) * | 1988-01-21 | 1994-05-18 | 株式会社ミツトヨ | 格子干渉型変位検出装置 |
| 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 |
| US7187449B2 (en) | 2002-04-26 | 2007-03-06 | Sony Precision Technology Inc. | Light-receiving/emitting composite unit, method for manufacturing the same, and displacement detection device |
| WO2009044542A1 (ja) | 2007-10-05 | 2009-04-09 | Nikon Corporation | エンコーダ |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5781510U (ja) * | 1980-11-05 | 1982-05-20 |
-
1983
- 1983-11-04 JP JP20595683A patent/JPS6098302A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6098302A (ja) | 1985-06-01 |
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