JPH0428014Y2 - - Google Patents

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JPH0428014Y2
JPH0428014Y2 JP19140181U JP19140181U JPH0428014Y2 JP H0428014 Y2 JPH0428014 Y2 JP H0428014Y2 JP 19140181 U JP19140181 U JP 19140181U JP 19140181 U JP19140181 U JP 19140181U JP H0428014 Y2 JPH0428014 Y2 JP H0428014Y2
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light
lens
scale
reflected
output
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、読取ヘツドからスケールに照射され
る光が平行光束となるようにして、読取ヘツドと
スケール間の距離の如何に拘らず正確な変位を測
定することができる光学式スケール読取装置に関
する。
[Detailed description of the invention] This invention makes it possible to accurately measure displacement regardless of the distance between the reading head and the scale by making the light irradiated from the reading head to the scale a parallel beam of light. The present invention relates to an optical scale reading device.

従来より、光の干渉を利用した光学式スケール
読取装置が知られている。この種の装置は、スケ
ールとしてガラス基板上に反射膜を格子状に蒸着
したものを用いるのが普通である。第1図は、出
願人が既に提案した光学式スケール読取装置の一
実施例を示す構成図である。同図において、1は
可干渉性光源である。該光源としては、例えば半
導体レーザが用いられる。L1は、該光源の出力
光を集光する第1のレンズである。2は、該レン
ズの通過光を受ける偏光キユーブプリズムであ
る。3は、該プリズムを透過した光を受ける1/4
波長板である。L2は、該波長板の透過光を受け
る第2の集光レンズである。4は、該レンズの通
過光を受けるスケールである。該スケールは、反
射部と透過部とが規則正しく配された回折格子よ
り構成されている。
2. Description of the Related Art Optical scale reading devices that utilize light interference are conventionally known. This type of device usually uses a scale on which a reflective film is deposited in a grid pattern on a glass substrate. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an optical scale reading device already proposed by the applicant. In the figure, 1 is a coherent light source. For example, a semiconductor laser is used as the light source. L 1 is a first lens that focuses the output light of the light source. 2 is a polarizing cube prism that receives the light passing through the lens. 3 is 1/4 which receives the light transmitted through the prism
It is a wave plate. L 2 is a second condenser lens that receives the light transmitted through the wave plate. 4 is a scale that receives the light passing through the lens. The scale is composed of a diffraction grating in which reflecting parts and transmitting parts are regularly arranged.

スケール4に入射した光は、反射する際に多モ
ードの回折光を生じる。反射回折光は、レンズ
L2、1/4波長板3を経てキユーブプリズム2に入
り反射される。Aは、この反射回折光の結像部で
ある。5は、結像部Aに置かれた0次回折光除去
用のストツパである。Sは、結像部Aの後方に生
じた干渉縞である。6は、干渉縞Sを受ける受光
素子である。このように構成された装置の動作を
説明すれば、以下のとおりである。
The light incident on the scale 4 generates multimode diffracted light when reflected. The reflected and diffracted light is reflected through the lens
L 2 , passes through the quarter-wave plate 3, enters the cube prism 2, and is reflected. A is an imaging part of this reflected diffraction light. Reference numeral 5 denotes a stopper placed in the imaging section A for removing 0th order diffracted light. S is an interference fringe generated behind the imaging section A. 6 is a light receiving element that receives the interference fringes S. The operation of the device configured as described above will be explained as follows.

光源1から出射された光は、続くレンズL1
集光されて偏光キユーブプリズム2に入る。キユ
ーブプリズムに入射した光のうち、該プリズムと
偏光角が一致した成分のみが該プリズムを通過す
る。光源1として半導体レーザを用いると大部分
が直線偏光なのでプリズム2を通過することがで
きる。そして、キユーブプリズム2を通過した光
は1/4波長板3に入る。該波長板3に入射した光
は、該波長板で円偏光となる。1/4波長板3を通
過した光は、レンズL2で集光され、スケール4
に照射される。スケール4に入射した光は、反射
する際に多モードの回折光を生じさせる。ここ
で、0次回折光の第1結像点をO1、+1次回折光
及び−1次回折光の結像点をP1,Q1とする。
The light emitted from the light source 1 is condensed by the subsequent lens L 1 and enters the polarizing cube prism 2 . Of the light incident on the Cube prism, only the component whose polarization angle matches that of the prism passes through the prism. When a semiconductor laser is used as the light source 1, most of the light is linearly polarized and can pass through the prism 2. The light that has passed through the Cube prism 2 enters the 1/4 wavelength plate 3. The light incident on the wave plate 3 becomes circularly polarized light at the wave plate. The light that has passed through the 1/4 wavelength plate 3 is focused by the lens L 2 , and is focused on the scale 4.
is irradiated. The light incident on the scale 4 generates multimode diffracted light when reflected. Here, the first imaging point of the 0th-order diffracted light is O1 , and the imaging points of the +1st-order diffracted light and the -1st-order diffracted light are P1 , Q1 .

スケール4によつて反射された回折光は、第1
結像点O1,P1,Q1から出たように進みレンズL2
で集光される。レンズL2を通過した光は、再び
1/4波長板3に入る。ここで、反射光は再び直線
偏光に戻される。かつその偏光角は、入射直線偏
光と90°異なるため、今度はキユーブプリズム2
に入つた反射光は、全て反射される。反射した回
折光は、結像部Aで再び結像される。図中、O2
は0次の、P2は+1次の、Q2は−1次の回折光
の結像点である。0次の回折光は、結像部Aに設
けられたストツパ5で除去され、±1次回折光は
第1図から明らかなように発散光となつて互いに
干渉し、その結果干渉縞Sが生じる。干渉縞Sを
受ける受光素子6は、多分割されたフオトダイオ
ードより構成されており、各フオトダイオードご
とに光の明暗に応じた電気信号を発生させてい
る。
The diffracted light reflected by the scale 4 is the first
The lens L 2 moves forward as if coming out from the imaging points O 1 , P 1 , Q 1
The light is focused. The light that has passed through the lens L 2 enters the quarter-wave plate 3 again. Here, the reflected light is returned to linearly polarized light. And since its polarization angle is 90° different from the incident linearly polarized light, the cube prism 2
All reflected light that enters is reflected. The reflected diffracted light is again imaged at the imaging section A. In the figure, O2
is the imaging point of the 0th-order diffracted light, P 2 is the +1st-order diffracted light, and Q 2 is the -1st-order diffracted light. The 0th-order diffracted light is removed by a stopper 5 provided in the imaging section A, and the ±1st-order diffracted lights become divergent lights and interfere with each other, as is clear from FIG. 1, resulting in interference fringes S. . The light receiving element 6 that receives the interference fringes S is composed of multi-divided photodiodes, and each photodiode generates an electric signal depending on the brightness of the light.

今、光源1から可干渉性の光が照射されている
状態で、スケール4を或る方向に移動させたとす
る。このとき、受光素子6に入力する光はスケー
ル4の移動に応じた周期的な明暗を生じさせる。
フオトダイオードを、90°ずつ位相が異なるよう
にしておけば、これらフオトダイオードはそれぞ
れ90°ずつ位相の異なつた正弦波を出力する。こ
れら各フオトダイオードの出力を、制御回路(図
示せず)で演算処理することにより、スケール4
の変位を求めることができる。
Now, assume that the scale 4 is moved in a certain direction while being irradiated with coherent light from the light source 1. At this time, the light input to the light receiving element 6 causes periodic brightness and darkness according to the movement of the scale 4.
If the photodiodes are set to have a phase difference of 90 degrees, each of these photodiodes will output a sine wave with a phase difference of 90 degrees. By processing the output of each of these photodiodes in a control circuit (not shown), the scale 4
The displacement of can be found.

上述した装置は、光学系にキユーブプリズムと
1/4波長板を用い、かつストツパを受光素子の直
前にもつてくることにより光量の低下を防ぎ、
S/Nを向上させることができる秀れたものであ
る。しかしながら、図に示す装置は、以下に示す
ような欠点をもつている。読取ヘツド(レンズ
L1,L2、キユーブプリズム2等で構成される部
分)とスケール4間の距離hが変動すると、結像
部Aの位置がA′部まで変動する。このため、結
像部Aに配されていたストツパ5は、A′部に生
じる0次回折光を阻止することができなくなる。
従つて、干渉縞は、±1次光と0次光とが入り混
じつたものとなるため、正確な変位量測定ができ
なくなる。以上の理由のため、読取ヘツドとスケ
ール間の距離を正確に一定に保つ必要が生じる。
The above-mentioned device uses a cube prism and a quarter-wave plate in the optical system, and also places a stopper just in front of the light receiving element to prevent a decrease in the amount of light.
This is an excellent feature that can improve S/N. However, the device shown in the figure has the following drawbacks. Reading head (lens)
When the distance h between L 1 , L 2 , the cube prism 2, etc.) and the scale 4 changes, the position of the imaging section A changes to A'. Therefore, the stopper 5 disposed at the imaging section A is no longer able to block the 0th order diffracted light generated at the A' section.
Therefore, the interference fringes are a mixture of ±1st-order light and 0th-order light, making it impossible to accurately measure the amount of displacement. For these reasons, it is necessary to keep the distance between the reading head and the scale precisely constant.

本考案は、このような点に鑑みてなされたもの
で、読取ヘツドからスケールに照射される光が平
行光束になるようにして、読取ヘツドとスケール
間の距離の如何に拘らず正確な変位を測定するこ
とができる光学式スケール読取装置を実現したも
のである。以下、図面を参照して本考案を詳細に
説明する。
The present invention was developed in view of these points, and it is possible to make accurate displacement regardless of the distance between the reading head and the scale by making the light irradiated from the reading head to the scale a parallel beam of light. This is an optical scale reading device that can perform measurements. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第2図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。第1図と同一のものは、同一の番号を付して
示す。図より明らかなように、構成は第1図に示
す装置とほぼ同一である。異なるのは、光源1の
レンズL1による像点がレンズL2の焦点位置Bに
なるように光学系が配置されている点である。こ
のような構成をとることにより、レンズL1を通
過した光はレンズL2の焦点から出たようにL2
入射する。この結果、レンズL2を通過した光は
平行光となつてスケール4に投射される。従つ
て、スケール4から反射された0次、±1次回折
光はそれぞれ平行となる。これら平行光は、レン
ズL2、1/4波長板3を経てキユーブプリズム2に
入射する。入射した回折光は、反射して結像部A
に結像する。結像部Aに設けられたストツパ5で
阻止されない±1次回折光は第2図からも明らか
なように発散光となつて互いに干渉し、干渉縞S
を生じる。本考案装置によれば、第1図装置の場
合と同様光量の低下を防ぎ、S/N比を向上させ
る外、次のような独特の効果を発生する。すなわ
ち、読取ヘツドとスケール4間の距離が変動して
も反射回折光は依然として平行光であるので、結
像部Aの位置は変動しない。従つて、ストツパ5
は読取ヘツドとスケール間の距離が変動しても常
に0次回折光を除去することができる。これによ
り、正確な変位の測定が可能となる。なお、図に
おいて、結像点P2,Q2の間隔をd、P2又はQ2
ら受光素子6までの距離をLとすると干渉縞のピ
ツチP±1は、次式で表わされる。
FIG. 2 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention. Components that are the same as those in FIG. 1 are designated with the same numbers. As is clear from the figure, the configuration is almost the same as the device shown in FIG. The difference is that the optical system is arranged so that the image point of the lens L1 of the light source 1 is at the focal point B of the lens L2 . With this configuration, the light that has passed through the lens L1 enters the lens L2 as if it were coming out of the focal point of the lens L2 . As a result, the light passing through the lens L2 becomes parallel light and is projected onto the scale 4. Therefore, the 0th-order and ±1st-order diffracted lights reflected from the scale 4 are parallel to each other. These parallel lights enter the cube prism 2 through the lens L 2 and the quarter-wave plate 3. The incident diffracted light is reflected to the imaging area A.
image is formed. As is clear from FIG. 2, the ±1st-order diffracted lights that are not blocked by the stopper 5 provided in the imaging section A become divergent lights and interfere with each other, resulting in interference fringes S.
occurs. According to the device of the present invention, in addition to preventing a decrease in the amount of light and improving the S/N ratio as in the case of the device shown in FIG. 1, the following unique effects are produced. That is, even if the distance between the reading head and the scale 4 changes, the reflected and diffracted light is still parallel light, so the position of the imaging section A does not change. Therefore, stopper 5
can always remove the 0th order diffracted light even if the distance between the reading head and the scale changes. This allows accurate displacement measurement. In the figure, if the interval between the image forming points P 2 and Q 2 is d, and the distance from P 2 or Q 2 to the light receiving element 6 is L, the pitch P± 1 of the interference fringe is expressed by the following equation.

P±1=λL/d λ:波長 上式より、干渉縞ピツチは、読取ヘツドとスケ
ール間の距離hによらないことがわかる。また、
受光素子の配置によつて出力信号の位相をずらせ
ており、しかもスケール上の目盛格子のピツチに
対して干渉縞の間隔がレンズにより拡大されるの
で、正確に90°異なる位相のずれを実現するのが
容易である。また衝立のスリツトの製作も容易で
ある。
1 =λL/d λ: Wavelength From the above equation, it can be seen that the interference fringe pitch does not depend on the distance h between the reading head and the scale. Also,
The phase of the output signal is shifted by the arrangement of the photodetector, and the distance between the interference fringes is expanded by the lens relative to the pitch of the scale grating on the scale, achieving an accurate 90° phase shift. It is easy to It is also easy to make the slits for the screen.

また、上記のレンズの拡大率が大きいので、レ
ンズ・フオトダイオード間距離が比較的小さくて
も大きな干渉縞ピツチが得られ、装置全体の小型
化が容易である。
Furthermore, since the magnification of the above-mentioned lens is large, a large interference fringe pitch can be obtained even if the distance between the lens and the photodiode is relatively small, making it easy to downsize the entire device.

またレンズL21つで照射と干渉を行なわせる
ことができるので、部品の点数を少なくし、構成
を簡単にすることができる。したがつて、小型で
シンプルな装置が実現できる。構成が簡単なので
調整も容易である。
Furthermore, since irradiation and interference can be performed with a single lens L 2 , the number of parts can be reduced and the configuration can be simplified. Therefore, a small and simple device can be realized. Since the configuration is simple, adjustment is also easy.

またスケールに照射される平行光はレンズL2
の大きさに対応する幅の広い光束を有しており、
また干渉縞は原理的に冗長性があるので、スケー
ルの欠陥、ピツチムラやスケール上の埃、ゴミ等
があつても測定誤差となりにくい。
In addition, the parallel light irradiated to the scale is transmitted through lens L 2
It has a wide luminous flux corresponding to the size of the
Furthermore, since interference fringes have redundancy in principle, measurement errors are unlikely to occur even if there are defects in the scale, uneven pitch, dust, dirt, etc. on the scale.

また阻止手段が、スポツトに集光した点で遮光
するのでストツパなどが小さくて済み遮光が容易
である。
Further, since the blocking means blocks light at a point where the light is focused, the stopper etc. can be small and light blocking is easy.

第3図は、本考案の他の実施例を示す構成図で
ある。同時に示す装置は、レンズL2に短焦点の
ものを使用した場合に、第3のレンズL3を図に
示す位置に設けて同様の効果をもたせたものであ
る。上述の説明では、ストツパを用いて0次回折
光を除去する場合について説明したがこれに限る
必要はない。±1次回折光のうち、何れか一方を
除去するようにしてもよい。この場合は、干渉縞
は0次光と+1次光、或いは0次光と−1次光と
の間に生じる。±1次光を除去するには、絞りが
用いられる。
FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. The device shown at the same time has a similar effect by providing a third lens L3 at the position shown in the figure when a short focal length lens L2 is used. In the above description, the case where the 0th order diffracted light is removed using a stopper has been described, but the present invention is not limited to this. Either one of the ±1st-order diffracted lights may be removed. In this case, interference fringes occur between the 0th-order light and the +1st-order light, or between the 0th-order light and the -1st-order light. An aperture is used to remove the ±1st order light.

以上、詳細に説明したように、本考案によれば
読取ヘツドからスケールに照射される光が平行光
束になるようにして、読取ヘツドとスケール間の
距離の如何に拘らず正確な変位を測定することが
できる光学式スケール読取装置を実現することが
できる。
As explained above in detail, according to the present invention, the light irradiated from the reading head to the scale becomes a parallel beam of light, so that accurate displacement can be measured regardless of the distance between the reading head and the scale. It is possible to realize an optical scale reading device that can perform

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、従来装置の一実施例を示す構成図で
ある。第2図は、本考案の一実施例を示す構成
図、第3図は他の実施例を示す構成図である。 1……光源、2……キユーブプリズム、3……
1/4波長板、4……スケール、5……ストツパ、
6……受光素子、L1,L2,L3……レンズ。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a conventional device. FIG. 2 is a block diagram showing one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment. 1... Light source, 2... Cube prism, 3...
1/4 wavelength plate, 4...scale, 5...stopper,
6... Light receiving element, L 1 , L 2 , L 3 ... Lens.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】 可干渉性光源と、 この光源の出力光を集光する第1のレンズと、 この第1のレンズの出力光を入射する偏光プリ
ズムと、 この偏光プリズムの透過光を入射する1/4波長
板と、 この1/4波長板の出力光を平行光にする第2の
レンズと、 回折格子状をなし前記第2のレンズから出力さ
れた平行光束が照射されるスケールと、 このスケールの反射回折光が前記第2のレンズ
により収束され、前記1/4波長板を通過した後前
記偏光プリズムで反射された光のうち特定モード
の回折光をその結像部付近で阻止する阻止手段
と、 この阻止手段を通過した光が発散光となつた後
結像部の後方で干渉して生じる干渉縞に対してそ
れぞれ90°づつ位相をずらして配された少なくと
も2個以上の受光素子と を具備することを特徴とする光学式スケール読取
装置。
[Claims for Utility Model Registration] A coherent light source, a first lens that condenses the output light of this light source, a polarizing prism that receives the output light of this first lens, and light transmitted through this polarizing prism. a 1/4 wavelength plate into which the light enters, a second lens that converts the output light of the 1/4 wavelength plate into parallel light, and a diffraction grating shape, on which the parallel light flux output from the second lens is irradiated. A scale, and the reflected diffracted light of this scale is converged by the second lens, and after passing through the 1/4 wavelength plate, the diffracted light of a specific mode among the light reflected by the polarizing prism is focused near its imaging area. and at least two light beams arranged with a phase shift of 90° relative to the interference fringes that are generated when the light that passes through this blocking means becomes divergent light and interferes behind the imaging section. An optical scale reading device comprising the above light receiving element.
JP19140181U 1981-12-22 1981-12-22 optical scale reader Granted JPS5896212U (en)

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JPS5896212U JPS5896212U (en) 1983-06-30
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