JPH05215515A - 変位検出装置 - Google Patents

変位検出装置

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JPH05215515A
JPH05215515A JP4046263A JP4626392A JPH05215515A JP H05215515 A JPH05215515 A JP H05215515A JP 4046263 A JP4046263 A JP 4046263A JP 4626392 A JP4626392 A JP 4626392A JP H05215515 A JPH05215515 A JP H05215515A
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    • 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
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    • 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

Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動物体の変位情報を高精度に測定すること
のできる変位検出装置を得ること。 【構成】 物体１０１面上に半導体レーザ１から放射さ
れるコヒーレントな光束を入射させ、該物体を介した２
つの光束を干渉させて検出手段５で検出し、該検出手段
で得られた信号を用いて該物体の変位情報を求める際、
物体面が該半導体レーザの活性層面２に略平行となるよ
うに半導体レーザを配置し、該２つの光束が該半導体レ
ーザの活性層面から２方向に出射した光束であり、更に
該２光束を物体面に指向する手段を有すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は変位検出装置に関し、例
えば移動する物体（ステージ、ベルト、紙等）や流体等
（以下「移動物体」と称する。）にレーザー光を照射
し、該移動物体の移動速度に応じてドップラーシフトを
受けた散乱光の周波数の変位を検出することにより、又
は移動物体に取付けた移動スケール面上の回折格子に可
干渉性光束を入射させ、該回折格子で回折した特定次数
の回折光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、干渉縞の
明暗の縞を計数することによって移動物体の変位量や移
動物体の移動速度を非接触で測定するようにした変位検
出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より移動物体の移動速度を非接触且
つ高精度に測定する方式にアクティブ方式とパッシブ方
式がある。
【０００３】このうちパッシブ方式を用いた移動量検出
計には、例えばビデオカメラで得られた画像を利用した
方式がある。この方式では結像レンズにより移動物体の
画像をイメージセンサー上に結像し、電気信号に変換し
て特徴注出し、その特徴点をフレーム間で比較すること
により移動物体の移動量を検出している。
【０００４】この方法は基本的に結像レンズとイメージ
センサーを含む処理回路から成り立っているため、装置
全体の小型化には限界があり、数十ｃｍオーダーの直方
体よりは小さくするのが難しい。
【０００５】更には検出精度も結像レンズの結像特性と
イメージセンサーの画素サイズで決るため、サブμｍ以
下の高精度な検出が難しい。
【０００６】一方、アクティブ方式を用いた移動量検出
計としては、図８に示すような回折格子干渉の原理を用
いたリニアエンコーダがある。
【０００７】同図においてレーザー７からの可干渉性光
束をコリメーターレンズ（不図示）によって略平行光束
とし、ビームスプリッター８に入射させ、面８ａで透過
光束と反射光束の２つの光束に分割している。そしてビ
ームスプリッター８からの反射光束と透過光束を反射鏡
９ａ，９ｂで反射させて移動物体１０１上の回折格子６
に入射させる際、対象とする回折格子６からの±ｍ次回
折光が回折格子６から略垂直に反射するように入射させ
ている。
【０００８】即ち、回折格子６の格子ピッチをＰ、可干
渉性光束の波長をλ、ｍを整数とし、可干渉性光束の回
折格子６への入射角度をθm としたとき、 θm ≒ｓｉｎ-1（ｍλ／Ｐ） となるように入射させている。そして回折格子６から略
垂直に射出した±ｍ次回折光を重ね合わせて検出手段１
０に入射させている。
【０００９】このとき検出手段１０では干渉した光が検
出される。即ち、検出手段１０では回折格子６の移動状
態に応じた干渉縞の明暗の数（パルス）が検出される。
【００１０】同図のリニアエンコーダは該検出パルスを
用いて移動物体１０１の移動速度、移動方向等の移動状
態を検出している。
【００１１】このアクティブ方式の移動量検出計は、サ
ブμｍ以下の高精度な位置変化の検出が可能であるが、
半導体レーザーやミラー等を用いて構成しているため、
数ｃｍの直方体以下のサイズにはすることが難しい。
【００１２】図９は図８の各要素を集積化し、移動量検
出計として装置全体を小型化したときの要部概略図であ
る。同図において１１は半導体レーザーの活性層、１２
ａ，１２ｂはミラー、１３ａ，１３ｂ，１３ｃは各々レ
ーザ光を平面波に変換するレンズ、６は回折格子、１４
は検出手段である。動作原理は図８と同様である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】図９に示す移動量検出
計は半導体レーザー７の活性層１１が紙面に平行に成っ
ており、更に検出手段１４の受光面が紙面に平行方向に
設定されている。
【００１４】このような構成では部品数が多いこともあ
って装置が大型化するという問題点があった。
【００１５】又、このような構成において半導体レーザ
ーから射出するレーザー光束は紙面に垂直な方向に大き
く光束が広がり、反対に紙面に平行方向には広がり方が
少ない。
【００１６】図１０は半導体レーザーの活性層から射出
するレーザー光束の説明図である。同図において半導体
レーザー７の活性層２の射出方向に垂直な断面での寸法
は、通常、厚み方向はサブμｍ、横方向の寸法は数μｍ
となっている。従ってレーザー光は回折のため、断面形
状とは逆に活性層に垂直な方向（厚み方向）に大きく広
がり、平行方向には余り広がらない。
【００１７】この為、図９で示す移動量検出計では紙面
に垂直方向に光束が大きく広がる為、回折格子６の格子
列方向６ｃと直角方向である格子幅から、光束がはみ出
し回折効率が低下してくるという問題点があった。
【００１８】又、回折格子６により回折した光束は、紙
面に垂直方向に広がりながらレンズ１３ｃにより集光さ
れ、検出手段１４に入射するが、検出手段１４の受光面
の方向がレーザー光の進行方向と平行なため、検出手段
１４が受けるエネルギー効率が悪く、Ｓ／Ｎ比が低下
し、検出分解能が低下してくるという問題点があった。
【００１９】このようなレーザー光の広がりを抑えるた
めには図９において、紙面に垂直方向に屈折力を持たせ
る等の手段が考えられるが、これは製作上大変困難であ
る。
【００２０】本発明は半導体レーザーの活性層の位置関
係を適切に設定し、特に構成をコンパクト化した変位検
出装置の提供を第１の目的とする。
【００２１】本発明は光エネルギーの受光効率を高め移
動物体の移動情報の検出感度を向上させ、高精度な検出
が可能な変位検出装置の提供を第２の目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明の変位検出装置
は、物体面上に半導体レーザから放射されるコヒーレン
トな光束を入射させ、該物体を介した２つの光束を干渉
させて検出手段で検出し、該検出手段で得られた信号を
用いて該物体の変位情報を求める際、物体面が該半導体
レーザの活性層面に略平行となるように半導体レーザを
配置し、該２つの光束が該半導体レーザの活性層面から
２方向に出射した光束であり、更に該２光束を物体面に
指向する手段を有することを特徴としている。
【００２３】特に本発明では、前記２つの光束の出射方
向が前記物体面上の回折格子の格子配列方向に略平行な
方向に出射し、それぞれミラーによって反射して前記回
折格子上に入射するようにしたことや、前記２つの光束
を前記物体面の同じ位置に同じ入射角で入射させている
ことや、前記検出手段は前記物体に関して設けた回折格
子で回折された所定次数の回折光を検出していること
や、前記検出手段は前記物体で散乱された散乱光を検出
していること等を特徴としている。
【００２４】
【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図、図２
は図１のＡ方向から見た概略図、図３は図１の回折格子
６の説明図である。
【００２５】図１において１は半導体レーザー、２は半
導体レーザ１の活性層、４ａ，４ｂは活性層２により発
生したレーザー光を空間上の１点に偏向させるミラー、
６は移動物体１０１上にある周期的構造を持つ回折格
子、５は回折格子６からの回折光を受光する検出手段で
ある。
【００２６】活性層２の面は回折格子６の面に対して略
平行に配置されている。又検出手段５の受光面は半導体
レーザー１の活性層２面と略平行となるように設定して
いる。そしてミラー４ａ，４ｂからの２つのレーザー光
束が活性層２面に垂直面内で交差するように各要素を設
定している。
【００２７】回折格子６は図３に示すように同一ピッチ
Ｐの２つの格子部６ａ，６ｂを移動量検出方向に平行に
配列して構成している。そして格子部６ａ，６ｂを配列
方向に位相が１／８ピッチずれるようにしている。
【００２８】検出手段５は図２に示すように回折格子６
の２つの格子部６ａ，６ｂに対応させて２つの検出部５
ａ，５ｂより成っている。
【００２９】次に本実施例の動作を説明する。
【００３０】半導体レーザー１の活性層２を励起する
と、フォトンが発生し、共振器３ａ，３ｂによりその一
部が活性層２の中を繰り返し往復する。その過程で光増
幅を起し、その一部は共振器３ａ，３ｂを透過して、レ
ーザー光として発振する。レーザー光は活性層２の両側
から射出し、光線２１ａ、２１ｂとして、反射ミラー４
ａ，４ｂにより反射し回折格子６が設置してある空間上
の一点に向かう。
【００３１】このような配置にすることでビームスプリ
ッターを必要とせず、又活性層が回折格子と平行なの
で、光束の入射する面に垂直な方向の占有空間が小さく
コンパクトである。このとき光束は活性層２の厚みと垂
直方向、即ち図１で紙面内で大きく広がる。つまり回折
格子６の矢印６ｃで示す格子列方向に広がる。
【００３２】これにより光束は回折格子からはみ出るこ
となく、効率良く、回折格子に入射して回折される。よ
って回折光（即ち信号光）が増加し、これは即ち受光手
段へ入射する光束の増加となり、受光効率が向上してＳ
／Ｎ比が上り、検出精度が高くなる。
【００３３】本実施例ではミラー４ａ，４ｂで反射させ
て回折格子６に入射させる際、対象とする回折光子６か
らのｍ次回折光が回折格子６から略垂直に反射するよう
に入射させている。
【００３４】即ち、回折格子６の格子ピッチをＰ、可干
渉性光束の波長をλ、ｍを整数とし、可干渉性光束の回
折格子６への入射角度をθm としたとき、 θm ≒ｓｉｎ-1（ｍλ／Ｐ） ‥‥‥‥‥（１） となるように入射させている。
【００３５】回折格子６から略垂直に射出した±ｍ次の
２つの回折光を重ね合わせて受光手段５に入射させてい
る。このとき受光手段５の受光面が入射光束に対して垂
直となるようにして受光効率を高めている。
【００３６】本実施例において回折格子６が矢印６ｃの
方向にΔｘ移動すると、光束２１ａの回折光の位相は以
下に示す量だけ進み、反対に光束２１ｂからの回折光は
同じ量だけ遅れる。
【００３７】
【数１】 即ち、本実施例においてｍ次の回折光の位相は回折格子
が１ピッチ移動すると２ｍπだけ変化する。従って検出
手段５からは正と負のｍ次の回折を受けた光束の干渉を
受光している為、回折格子が格子の１ピッチ分移動する
と２ｍ個の正弦波信号が得られる。
【００３８】例えば回折格子６のピッチ３．２μｍ、回
折光として１次（ｍ＝１）を利用したとすれば回折格子
６が３．２μｍ移動したとき、検出手段５からは２個の
正弦波信号が得られる。即ち正弦波１個当りの分解能と
して回折格子６のピッチの１／２、即ち３．２／２＝
１．６μｍが得られる。
【００３９】以上のように本実施例で１チップ上に活性
層２の面と検出手段５の受光面とが互いに平行となるよ
うに設定している。
【００４０】又、活性層２と垂直方向の空間上に光束を
射出することにより、回折格子６に、効率良く光束が照
射し、又その回折光を検出手段５で効率良く受光し、高
いＳ／Ｎ比を得て、移動物体１０１の移動情報を高精度
に検出している。更に活性層と回折格子が略平行になる
ことで、装置もコンパクト化される。
【００４１】更に図３に示すように回折格子６を２つの
格子部６ａ，６ｂより構成し、それらの各格子部６ａ，
６ｂからの回折光を図２に示すように検出手段５の２つ
の検出部５ａ，５ｂで検出している。そして２つの検出
部５ａ，５ｂから１／４周期ずれた信号を得ることによ
り、移動物体１０１（回折格子６）の移動方向を求めて
いる。
【００４２】図４、図５、図６は各々本発明の他の実施
例２，３，４の要部概略図である。図４、図５、図６に
おいて図１で示した要素と同一要素には同符番を付して
いる。
【００４３】図４の実施例２では半導体レーザー１の活
性層２面の垂直方向の広がりを曲率を有した反射ミラー
４１ａ，４１ｂで行ない、反射光束を平行光としてい
る。これにより検出手段５面上での不要な干渉縞の発生
を防止し、信号となる干渉縞のコントラストの低下を防
止し、Ｓ／Ｎ比の向上を図っている。これらの点が図１
の実施例１と異なっており、その他の構成は同じであ
る。
【００４４】図５の実施例３では半導体レーザー１の活
性層２内に回折格子６１を形成し、活性層２面に垂直方
向の空間上の一点で活性層２から射出した２つの光束２
１ａ，２１ｂが交差するようにしている点が図１の実施
例１と異なり、その他の構成は同じである。
【００４５】図６の実施例４では半導体レーザーとして
活性層２の厚み方向にレーザー発振する面発光型レーザ
ーを用いている。同図において２０２，２０３は共振器
でこの厚み方向に、レーザー発振する。発振光は図５と
同様に回折格子６１により回折し、回折格子６１上の一
点に向かって射出している。
【００４６】２０３は遮光面でレーザー光が検出手段５
の背面から照射するのを防止している。本実施例ではこ
れらの点が図１の実施例１と異なり、その他の構成は同
じである。
【００４７】図７は本発明の実施例５の要部概略図であ
る。
【００４８】本実施例では移動量検出計をドップラー速
度計として用いた場合を示している。基本構成は図４の
実施例２と同様であるが、反射ミラー４１ａ，４１ｂか
らの光束が移動物体６１上の散乱面（粗面）６１ｂ近傍
で集光して交差するようにしている点が異なっている。
【００４９】同図においてレーザー１から出射されたレ
ーザー光は、反射鏡４１ａ，４１ｂで反射されたのち、
速度Ｖで矢印６１ａの方向に移動している移動物体６１
に異なった方向から入射角θで２光束照射される。移動
物体６１からの散乱光は、検出手段５で検出される。こ
のとき２光束による散乱光の周波数は移動速度Ｖに比例
して各々＋Δｆ、−Δｆのドップラーシフトを受ける。
【００５０】ここで、レーザー光の波長をλとすれば周
波数変化Δｆは次の（２）式で表わすことができる。
【００５１】 Δｆ＝Ｖ・ｓｉｎ（θ）／λ ‥‥‥‥（２） ＋Δｆ、−Δｆのドップラーシフトを受けた散乱光は、
互いに干渉しあって検出手段５の受光面での明暗の変化
をもたらし、その周波数Ｆは次の（３）式で与えられ
る。
【００５２】 Ｆ＝２・Δｆ＝２・Ｖ・ｓｉｎ（θ）／λ ‥‥‥‥（３） 検出手段５で得られた信号の周波数Ｆ（以下「ドップラ
ー周波数」と呼ぶ）を測定し、（３）式から移動物体６
１の移動速度Ｖを求めている。
【００５３】この構成においても散乱面と活性層とが略
平行になるように配置して、装置構成をコンパクト化し
ている。
【００５４】
【発明の効果】本発明によれば以上のように半導体レー
ザの活性層の平面と検出手段の受光面との関係を適切に
設定して、装置構成がコンパクト化される。又更に光束
の広がり方向と格子の配列方向が一致するような配置を
とることにより、光エネルギーの受光効率を高め、移動
物体の移動情報の検出感度を向上させ、高精度な検出が
可能な変位検出装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１の要部概略図
【図２】 図１のＡ方向からの概略図
【図３】 図１の一部分の説明図
【図４】 本発明の実施例２の要部概略図
【図５】 本発明の実施例３の要部概略図
【図６】 本発明の実施例４の要部概略図
【図７】 本発明の実施例５の要部概略図
【図８】 従来のリニアエンコーダの要部概略図
【図９】 図８の各要素を集積化したときの要部概略図
【図１０】 半導体レーザーの活性層と光束の関係を示
す説明図
【符号の説明】
１ 半導体レーザー ２ 活性層 ３ａ，３ｂ 共振器 ４ａ，４ｂ ミラー ５ 検出手段 ５ａ，５ｂ 検出部 ６ 回折格子 ６ａ，６ｂ 格子部 ４１ａ，４１ｂ 曲面ミラー ６１，１０１ 移動物体

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物体面上に半導体レーザから放射される
    コヒーレントな光束を入射させ、該物体を介した２つの
    光束を干渉させて検出手段で検出し、該検出手段で得ら
    れた信号を用いて該物体の変位情報を求める際、物体面
    が該半導体レーザの活性層面に略平行となるように半導
    体レーザを配置し、該２つの光束が該半導体レーザの活
    性層面から２方向に出射した光束であり、更に該２光束
    を物体面に指向する手段を有することを特徴とする変位
    検出装置。
  2. 【請求項２】 前記２つの光束の出射方向が前記物体面
    上の回折格子の格子配列方向に略平行な方向に出射し、
    それぞれミラーによって反射して前記回折格子上に入射
    するようにしたことを特徴とする請求項１の変位検出装
    置。
  3. 【請求項３】 前記２つの光束を前記物体面の同じ位置
    に同じ入射角で入射させていることを特徴とする請求項
    １の変位検出装置。
  4. 【請求項４】 前記検出手段は前記物体に関して設けた
    回折格子で回折された所定次数の回折光を検出している
    ことを特徴とする請求項１の変位検出装置。
  5. 【請求項５】 前記検出手段は前記物体で散乱された散
    乱光を検出していることを特徴とする請求項１の変位検
    出装置。
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