JPH0579122B2 - - Google Patents

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JPH0579122B2
JPH0579122B2 JP62183797A JP18379787A JPH0579122B2 JP H0579122 B2 JPH0579122 B2 JP H0579122B2 JP 62183797 A JP62183797 A JP 62183797A JP 18379787 A JP18379787 A JP 18379787A JP H0579122 B2 JPH0579122 B2 JP H0579122B2
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light
tbj
coupler
position measuring
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Olivier Parriaux
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
    • 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
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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
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、光を出射する１個の光源とこの光
源の光進行方向に交差して滑動し、少なくとも二
つの回析した部分光束を発生する少なくとも１個
の回析格子とを有する二つの対象物の相対位置を
測定するための光電位置測定装置に関するもの
で、上記の部分光束は、干渉用の光学部品によつ
てもたらされ、干渉した部分光束は検出器によつ
て、互いに位相のずれた電気信号に変換される。
従来の技術 近年、測表及び位置測定の分野では、測定装置
の広範な開発が重大な進歩をした。測定方法の経
過や検査目的に対して、電子回路を使用して光、
磁気等の導入に基づく測定装置が開発されてい
る。光を測定用に使用している装置は、光干渉測
定装置として知られているもので、レーザー光の
波長を基準値として関係させている。この測定装
置の精度は、今日の産業技術の必要性を充分満足
しているが、多くの場合、精度を高めることがで
きても経済上の出費を要する。
磁気特性を利用した測定装置に対する例とし
て、西独特許第1270875号公開公報から、磁気測
定システムが公知である。このシステムでは、磁
気パターンと磁気ヘツドの間の相対位置を検出す
ることができるため、磁気パターンが基準寸法と
して帯状の磁気構成要素上に記録されている。し
かしながら、この測定システムでは、約0.2mmの
目盛周期で磁気構成要素上に記録できる磁気目盛
りの細かさで精度が決まる。測定信号を内挿する
ことによつておおよそ５〜10μｍの分解能を得て
いる。従つて、この測定精度は、約0.1μｍの分解
能が得られる光干渉測定装置の場合よりも約２桁
悪い。工作機械を例にとると、光干渉測定装置と
磁気測定システムの精度の間の中間精度にある測
定装置が要求される。従つて、数μｍの大きさの
格子常数になる光学回析格子を導入することがで
きる。そのような測定装置が、必要な精度とそれ
に応じたコストの間の妥協を表している。西独特
許第3316144号公報及び特公昭59−164914号公報
では、この種の装置が記載されている。
この種の装置では、回析格子が基準寸法を表し
ている。回析格子は、非常に薄い格子線条からで
きている。この格子線条は、ガラス板又は金属板
上に機械加工、光学リングラフイ、電子線リソグ
ラフイ又は類似のもので密に配列して形成されて
いる。更に、単色光を出射する光源、例えばレー
ザー光、２個の反射鏡及び光源に対している光源
の側面にあり干渉光を受光する検出器が設置され
ている。光源から出射した光線は、回析格子によ
つて回析され、透過させられる。回析格子によつ
て回析された光線はＮ次の回析光（回析光束）を
呈し、回析格子の影響のもとで光の波面に次数と
位置の積が問題となるＮ〓の値を得る。これに反
して、回析格子を直線的に通り抜けた光線は位相
の情報をもつていない。両方の光線は反射鏡によ
つて反射され、この回析格子に新たに入射し、こ
の格子から反射され、透過させるために、入射方
向にもどされる。ある光線の透過光と他の光線の
Ｎ次の回析光が空間的に選択され、相互に干渉
し、１個の検出器の中に入る。第２の光線のＮ次
数の回析光では、逆符号の値−Ｎがこの回析格子
の位相によつて生ずる。一方第光線の透過光で
は、前からあつた位相Ｎ〓のみある、従つて干渉
波は2N〓になり、これは回析格子の位相の２倍
の値に対応する。回析格子と光学系の他の部分に
関して、例えば、光源及び反射鏡に対して相対的
に動かすとすると、この回析格子が一周期動くと
干渉光は2N周期動く。
他の公知の配置では、光源から出射した光が回
析格子によつて回析され、光束は符号の異なる同
じ次数を重ね合わさり、半透明な鏡または類似の
ものがある場合、光が検出器に入射する前に互い
に干渉する。この場合、回析格子の位相によつて
回析光に大きさＮ〓と−Ｎ〓が生じる。ここでＮ
は回析次数である。従つて、干渉光は2N〓、即
ち、回析格子の位相と同じ大きさで２倍した値を
有する。回析格子と光学系の他の部分が、すでに
説明したように、相対的に移動すると仮定する
と、回析格子が一周期移動する間に、干渉光は
2Nの周期移動する。
上記の光学配置を狭いスペースに入れるには、
回析格子に対する入射光の入射角を適切にするこ
とが必要である。しかし、この場合、回析格子に
関する光学系の相対位置が、回析格子の格子の方
向にずれているときには、位相の変化が生じる。
この変化は、回析格子の面に対して垂直な相対運
動をしたとき、生じる位相の変化に似ているの
で、測定精度は低い。光が垂直に入射すると、前
記の欠点を回避できる。しかしながら、光学系
は、非常に大きくなり、かなり広い場所を占め
る。
発明が解決しようとする問題点 この発明の課題は、上記の欠点を解消し、特に
構造が簡単で、周囲の影響による乱れを遮断し、
信頼性のある動作をする位置測定装置を提供する
ことにある。
問題点を解決するための手段 上記の課題は、この発明によつて、以下のよう
に解決されている。即ち、二つの部分光束（＋
ｍ、−ｍ）が二つの結合要素（＋Ｈ、−Ｈ）によつ
て二つの光波導体（＋LWL、−LWL）に結合し
てあり、一つの結合器（TBJ）の二つの入力端
（＋Ｅ、−Ｅ）に導入され、この結合器（TBJ）
中で干渉し、この結合器（TBJ）の出力端（＋
Ａ、Ａ、−Ａ）で互いに位相のずれた信号が検出
できることにある。
発明の効果 この発明の特に有利な事項は、構造が簡単で、
集積化することができ、環境の影響に対して安全
であることにある。
実施例と作用 図面に基づき、実施例の助けをかりて、この発
明をより詳しく説明する。
第１図に示した透過光測定装置には、光源とし
て半導体レーザＬがある。この光線に対して垂直
に回析格子Ｇが移動可能な状態で配設してある。
半導体レーザＬは例えば、図示してない或る工作
機械の固定台に取り付けてある。回析格子Ｇは、
例えば、この工作機械の同様に図示してない移動
台に取り付けてある。この固定台と移動台の間の
相対運動が工作機械の動きとして測定されなくて
はならない。この場合、この相対運動が半導体レ
ーザＬと回析格子Ｇの間の相対的なずれに対応し
ている。
半導体レーザＬの光線は回析格子Ｇのところで
回析され、同じであるが符号が逆の次数部分拘束
＋ｍと−ｍになる。
この部分光束＋ｍと−ｍは、図示してない工作
機械の固定台に同じように結合してある基板Ｓ上
に入射する。この基板Ｓ上には、二つの結合要素
＋Ｈと−Ｈ、二つの光波導体＋LWLと−LWL、
１個の結合器TBJ及び、３個の検出器＋Ｄ、Ｄ、
−Ｄがある。この実施例では、これ等の機能要素
が、基板Ｓ上に集積した光学回路の形状にして配
設してある。
第２図には、第１図に示したものと本質的に同
じ配置が示してあるが、半導体レーザＬは、基板
Ｓと同じ回析格子の側にある。この場合、反射光
測定装置に対応している。図示してある構成要素
は第１図に示したものと同じであるから、同じ引
用記号を使用する。
上記の構成要素は、フアイバーオプテツクスで
も形成することができる。もちろんこのことは、
何にも変わつた模式表示をもたらさない。従つ
て、フアイバーオプテツクスの特別な表示は行わ
ない。
部分光束＋ｍと−ｍは、結合格子＋HGと−
HGとして触角＋Ｈと−Ｈの形に形成されている
結合要素に衝突する。ヨーロツパ特許第0006052
号公報によると、結合格子の助けによつて光を集
積光学回路の導波部分に導入することは公知であ
る。
光をそれに応じて集束するには、いろいろな可
能性がある。製造技術、及びそれに応じた経費の
観点からも、常軌の出願事項では、謂る触角が使
用されている。その理由は、設計、製造とも簡単
であるからである。更に、その光学的効率が満足
できるものである。触角＋Ｈと−Ｈの形は、広い
意味で放物線で、各触角＋Ｈ又は−Ｈの内の結合
格子＋HG又は−HGの位置、回析格子の構造、
入射した平行光の向きと波長等、のような光学的
で幾何学的な事実から算出される。
触角＋Ｈと−Ｈの構造を必要に応じて設計し、
何なく作り出すことができる。
第３図には、基板Ｓ上の触角Ｈを模式的に示し
てある。狭い所は、集積されている光学系にして
同様に作成されている光波導体LML中に流れ込
んでいる。結合格子HGに対して、この格子の軸
HGaは触角ＨのＹ軸に対して一定の角度をなし、
この角度は前記の光学及び幾何学的条件に再び依
存している。結合格子HGには、まだ、二つの部
分光波＋ｍ（−ｍ）の波面Ｅ、結合格子HGの軸
HGa、結合格子HGの目盛りｇ及び触角Ｈと光波
導体LWLの面中の光波の伝播面WeとWiが模式
的に示してある。
第４図には、「三分岐結合」としても記される
謂る2x3結合器が示してある。この種の結合器−
そこでは3x2結合器であるが−の理論は、
William K.BurnsとA.Fenner Miltonによる論
文中に記述されている。即ち、「3x2チヤンネル
導波ジヤイロスコープ結合器：理論」（″
3x2channel waveguide Gyoroscope
Couplers：Theory″IEEE Journel of Quanturm
Electronics、Vol.QE−18、No.10、Oct.1982.） 半波導体＋LWLと−LWLを通り抜けて、結合
している部分光束＋ｍと−ｍが、結合器TBJの
入力端Ｅと−Ｅに供給され、そこで干渉を生じ
る。この結合器TBJは、三つの出力端＋Ａ、Ａ、
−Ａに、互いに位相のずれた信号が現れるよう
に、設計される。これ等の信号はそれぞれ120°位
相がずれているが、二つの出力端＋Ａと−Ａに正
弦又は余弦関数を呈する信号が現れ、第３の出力
端Ａには、基準信号が現れる。これ等の出力端＋
Ａ、Ａ、−Ａの信号は、再び光波導体LWL（第１
図及び第２図参照）によつて検出器＋Ｄ、Ｄ、−
Ｄに導入される。この検出器によつて上記の信号
は電気信号に変換され、演算処理回路に導入され
る。回析格子Ｇの滑動は、測定しようとする工作
機械の動きに対する一般的なデジタル表示された
位置測定値に変換される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、透過光を使用した測定装置、第２図
は、反射光を使用した測定装置、第３図は、集積
光学系の結合格子、第４図は、結合器である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 光を出射する光源と、この光源の光の方向に
    対して交差して滑動できる少なくとも１個の回析
    格子とを有し、この回析格子は少なくとも二つの
    回析された部分光束を発生するためにあり、上記
    部分光束は、光学的構成要素によつて干渉させら
    れ、干渉した部分光束が検出器によつて位相のず
    れた電気信号に変換される２個の物体の相対位置
    を測定する光電位置測定装置において、 二つの部分光束（＋ｍ、−ｍ）が、二つの結合
    要素（＋Ｈ、−Ｈ）によつて二つの光波導体（＋
    LWL、−LWL）中に結合され、結合器（TBJ）
    の二つの入力端（＋Ｅ、−Ｅ）に導入され、結合
    器（TBJ）中で干渉させられ、この結合器の出
    力端（＋Ａ、Ａ、−Ａ）に位相のずれた信号を検
    出できることを特徴とする光電位置測定装置。 ２ 結合器（TBJ）には、二つの入力端（＋Ｅ、
    −Ｅ）と三つの出力端（＋Ａ、Ａ、−Ａ）があり、
    二つの部分光束（＋ｍ、−ｍ）を結合器（TBJ）
    の二つの入力端（＋Ｅ、−Ｅ）に入れるとき、三
    つの出力端（＋Ａ、Ａ、−Ａ）の少なくとも二つ
    に位相のずれた二つの信号が現れることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項記載の光電位置測定装
    置。 ３ 結合器（TBJ）の出力端（＋Ａ、−Ａ）に正
    弦又は余弦函数で表せる二つの出力信号が現れ、
    ３番目の出力端(A)に、基準信号が現れることを特
    徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
    光電位置測定装置。 ４ 三つの出力端（＋Ａ、Ａ、−Ａ）にそれぞれ
    120°位相のずれた三つの出力信号が現れることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載
    の光電位置測定装置。 ５ 結合要素はそれぞれ結合格子（＋HG、−
    HG）として触角の形（＋Ｈ、−Ｈ）に形成され
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
    載の光電位置測定装置。 ６ 触角（＋Ｈ、−Ｈ）、光波導体（LWL）及び
    結合器（TBJ）は基板(S)の上に集積した光学回
    路の形にしてまとめてあることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載の光電位置測定装置。 ７ 集積した光学回路は、検出器（＋Ｄ、Ｄ、−
    Ｄ）も包含していることを特徴とする特許請求の
    範囲第１〜６項のいずれか一項に記載の光電位置
    測定装置。 ８ 結合要素（＋Ｈ、−Ｈ）、光波導体（LWL）
    及び結合器（TBJ）はフアイバーオプテツクス
    として形成されていることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載の光電位置測定装置。 ９ 光波はレーザ(L)で形成されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項記載の光電位置測定
    装置。
JP62183797A 1986-07-26 1987-07-24 光電位置測定装置 Granted JPS6337203A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE3625327A DE3625327C1 (de) 1986-07-26 1986-07-26 Lichtelektrische Positionsmesseinrichtung
DE3625327.8 1986-07-26

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Publication Number Publication Date
JPS6337203A JPS6337203A (ja) 1988-02-17
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US (1) US4938595A (ja)
EP (1) EP0254823B1 (ja)
JP (1) JPS6337203A (ja)
AT (1) ATE52328T1 (ja)
DE (3) DE3625327C1 (ja)
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