JPH0684887B2 - 光電位置測定装置 - Google Patents
光電位置測定装置Info
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- JPH0684887B2 JPH0684887B2 JP63034126A JP3412688A JPH0684887B2 JP H0684887 B2 JPH0684887 B2 JP H0684887B2 JP 63034126 A JP63034126 A JP 63034126A JP 3412688 A JP3412688 A JP 3412688A JP H0684887 B2 JPH0684887 B2 JP H0684887B2
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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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
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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、光を出射する光源と、前記光源の出射方向
に対して垂直に移動する少なくとも回折した二つの分割
ビーム束を発生させる少なくとも一つの回折格子とを有
し、回折した分割ビーム束が二つの入射光学要素により
二つの光導波路に入射し、一つのカプラの二つの入口に
導入され、このカプラ中で干渉し、検出器により互いに
位相のずれた電気信号に変換される、二つの物体の相対
位置を測定する光電位置測定装置に関する。
に対して垂直に移動する少なくとも回折した二つの分割
ビーム束を発生させる少なくとも一つの回折格子とを有
し、回折した分割ビーム束が二つの入射光学要素により
二つの光導波路に入射し、一つのカプラの二つの入口に
導入され、このカプラ中で干渉し、検出器により互いに
位相のずれた電気信号に変換される、二つの物体の相対
位置を測定する光電位置測定装置に関する。
ドイツ特許第3316144号明細書および特開昭59-164914号
公報にはこの種の装置が開示されている。この種の装置
では、回折格子が基準目盛になっている。回折格子は非
常に狭い格子線で作製されていて、例えばガラス基板ま
たは金属基板上に機械加工、光リソグラフィ法または電
子リソグラフィ法で密に隣合わせに形成されている。更
に、この種の装置では単色光、例えばレーザー光を出射
する光源と、回折格子の光源に対向する側に干渉光を受
光する検出器が装備されている。光源から出射した光は
回折格子により回折され、この回折格子を通り抜ける。
回折格子が光学系の他の部分、例えば光源や反射鏡に対
して相対運動すると仮定すれば、干渉光は回折格子が一
周期移動すると、二周期ほど変わる。
公報にはこの種の装置が開示されている。この種の装置
では、回折格子が基準目盛になっている。回折格子は非
常に狭い格子線で作製されていて、例えばガラス基板ま
たは金属基板上に機械加工、光リソグラフィ法または電
子リソグラフィ法で密に隣合わせに形成されている。更
に、この種の装置では単色光、例えばレーザー光を出射
する光源と、回折格子の光源に対向する側に干渉光を受
光する検出器が装備されている。光源から出射した光は
回折格子により回折され、この回折格子を通り抜ける。
回折格子が光学系の他の部分、例えば光源や反射鏡に対
して相対運動すると仮定すれば、干渉光は回折格子が一
周期移動すると、二周期ほど変わる。
他の装置では、光が検出器に入射する前に、例えば半透
明な鏡を設置して、光源から出射した光束が回折格子に
より回折し、異なる符号で同じ次数の光束と重なり、相
互に干渉する。ここで、また回折格子と光学系の一部が
上に説明したように相対運動すると仮定すると、回折格
子が一周期移動する間に、干渉光は二周期変化する。
明な鏡を設置して、光源から出射した光束が回折格子に
より回折し、異なる符号で同じ次数の光束と重なり、相
互に干渉する。ここで、また回折格子と光学系の一部が
上に説明したように相対運動すると仮定すると、回折格
子が一周期移動する間に、干渉光は二周期変化する。
説明した光学装置を狭い場所に設置するには問題があ
る。この光学系は非常に規模が大きいので、かなり広い
場所を確保する必要がある。
る。この光学系は非常に規模が大きいので、かなり広い
場所を確保する必要がある。
ドイツ特許第3625327号明細書によれば、構造が単純
で、周囲の影響による乱れが大幅に排除されるため、信
頼性の仕事を与える位置測定装置が知られている。
で、周囲の影響による乱れが大幅に排除されるため、信
頼性の仕事を与える位置測定装置が知られている。
本出願人が提唱した特開昭63-37203号公報の発明の利点
は、構造がコンパクトで、集積性があり、しかも周囲の
影響に対して信頼性がある点にある。
は、構造がコンパクトで、集積性があり、しかも周囲の
影響に対して信頼性がある点にある。
この発明の課題は、冒頭に述べた類の位置測定装置にあ
って、測定方向に直交する向きに対して構造寸法を小さ
くするように、構造部材を構成することにある。
って、測定方向に直交する向きに対して構造寸法を小さ
くするように、構造部材を構成することにある。
上記の課題は、この発明により、冒頭に述べた類の位置
測定装置にあって、入射光学要素＋H1,・・・−H4がそ
れぞれ格子定数の異なる入射回折格子＋HG1,・・・−HG
4を有することによって解決されている。
測定装置にあって、入射光学要素＋H1,・・・−H4がそ
れぞれ格子定数の異なる入射回折格子＋HG1,・・・−HG
4を有することによって解決されている。
この発明による他の有利な構成は、特許請求の範囲の従
属請求項に記載されている。
属請求項に記載されている。
この発明による位置測定装置は、特に構造寸法が小さく
なることで優れている。
なることで優れている。
以下、実施例により図面に基づきこの発明を更に詳しく
説明する。ここで、第１図や第２〜４図は幾何学的な対
応が正規な寸法ではなく、肉眼で差異が見えるように誇
張して歪めて描いてあることを明確に指摘しておく必要
がある。。集積光学の分野の専門家はこの発明の知識で
寸法や位置の対応を実際のものに難なく変換できる。こ
の基礎の下に、光束の経路や回折像も光学的に正確では
なくて、ただ象徴的にしか示してない。
説明する。ここで、第１図や第２〜４図は幾何学的な対
応が正規な寸法ではなく、肉眼で差異が見えるように誇
張して歪めて描いてあることを明確に指摘しておく必要
がある。。集積光学の分野の専門家はこの発明の知識で
寸法や位置の対応を実際のものに難なく変換できる。こ
の基礎の下に、光束の経路や回折像も光学的に正確では
なくて、ただ象徴的にしか示してない。
第１図に示す位置測定装置には、基板S1に対する位置を
測定する回折格子G1が設けてある。
測定する回折格子G1が設けてある。
半導体レーザー光源L1の光束は回折格子G1で回折し、同
じ次数であるが逆符号の分割ビーム束＋m1と−m1が生じ
る。
じ次数であるが逆符号の分割ビーム束＋m1と−m1が生じ
る。
分割ビーム束＋m1と−m1は基板S1に入射する。この基板
S1上には、二つの入射光学要素＋H1と−H1,二つの光導
波路＋LWL1と−LWL1,一つのカプラTBJ1および三つの検
出器＋D1,D1,−D1がある。この実施例では上記の構成要
素は基板S1の上に集積光学回路にして集積されている。
S1上には、二つの入射光学要素＋H1と−H1,二つの光導
波路＋LWL1と−LWL1,一つのカプラTBJ1および三つの検
出器＋D1,D1,−D1がある。この実施例では上記の構成要
素は基板S1の上に集積光学回路にして集積されている。
入射光学要素＋H1と−H1は、前記特開昭63-37203号公報
で述べた所謂断熱ホーンとして形成されている。両方の
入射光学要素＋H1と−H1は回折格子G1の長手方向に向
き、測定方向に延びる対称線に垂直に、しかも測定方向
に向け基板S1上で位置をずらして配設されている。入射
光学要素＋H1と−H1は入射回折格子＋HG1と−HG1を有
し、この回折格子の線条は回折格子G1の回折格子の線と
同じ方向に向いている。しかし、両者の差異は入射回折
格子＋HG1と−HG1の格子定数が互いに相違する点にあ
る。入射回折格子＋HG1と−HG1の格子定数の相違は回折
した分割ビーム束＋m1と−m1の入射条件が異なるために
必要である。
で述べた所謂断熱ホーンとして形成されている。両方の
入射光学要素＋H1と−H1は回折格子G1の長手方向に向
き、測定方向に延びる対称線に垂直に、しかも測定方向
に向け基板S1上で位置をずらして配設されている。入射
光学要素＋H1と−H1は入射回折格子＋HG1と−HG1を有
し、この回折格子の線条は回折格子G1の回折格子の線と
同じ方向に向いている。しかし、両者の差異は入射回折
格子＋HG1と−HG1の格子定数が互いに相違する点にあ
る。入射回折格子＋HG1と−HG1の格子定数の相違は回折
した分割ビーム束＋m1と−m1の入射条件が異なるために
必要である。
上記の処置によりこの発明の位置測定装置は測定方向に
垂直な向きに、前記特開昭63-37203号公報の発明の実施
例よりかなり小さい寸法を有することになる。
垂直な向きに、前記特開昭63-37203号公報の発明の実施
例よりかなり小さい寸法を有することになる。
同じ利点は第２図の装置でも生じる。構成部品は第１図
と同じであるから、それ等にただ図面番号に対応する添
字のみを付け加える。半導体レーザー光源L2は分割ビー
ム束＋m2と−m2を発生させる回折格子G2を照明する。こ
れ等の分割ビーム束は基板S2上で両入射光学要素＋H2と
−H2に入射する。入射光学要素＋H2は入射回折格子＋HG
2を有し、この回折格子の格子定数は第二入射光学要素
−H2の構成要素である入射回折格子−H2の格子定数とは
異なる。この実施例の特異性は、入射回折格子＋HG2を
有する入射光学要素＋H2が入射回折格子−HG2を有する
入射光学要素−H2とは異なる面（ここでは低い面）内に
ある点である。入射回折格子＋HG2と−HG2およびそれ等
に属する光導波路＋LWL2と−LWL2は両者が互いに影響し
ないように構成される。カプラTBJ2では、分割ビーム束
＋m2と−m2が周知のように干渉し、カプラTBJ2の出口を
経由して検出器＋D2,D2と−D2に導入される。
と同じであるから、それ等にただ図面番号に対応する添
字のみを付け加える。半導体レーザー光源L2は分割ビー
ム束＋m2と−m2を発生させる回折格子G2を照明する。こ
れ等の分割ビーム束は基板S2上で両入射光学要素＋H2と
−H2に入射する。入射光学要素＋H2は入射回折格子＋HG
2を有し、この回折格子の格子定数は第二入射光学要素
−H2の構成要素である入射回折格子−H2の格子定数とは
異なる。この実施例の特異性は、入射回折格子＋HG2を
有する入射光学要素＋H2が入射回折格子−HG2を有する
入射光学要素−H2とは異なる面（ここでは低い面）内に
ある点である。入射回折格子＋HG2と−HG2およびそれ等
に属する光導波路＋LWL2と−LWL2は両者が互いに影響し
ないように構成される。カプラTBJ2では、分割ビーム束
＋m2と−m2が周知のように干渉し、カプラTBJ2の出口を
経由して検出器＋D2,D2と−D2に導入される。
第３図に示す実施例では、二つの入射光学要素＋H3と−
H3がそれぞれ入射回折格子＋HG3と−HG3を有し、これ等
の格子定数は再び異なる。入射光学要素＋H3と−H3は面
内で回折格子G3に平行であり、相前後して揃っている。
入射光学要素−H3からカプラTBJ3に通じる光導波路−LW
L3は他方の入射光学要素＋H3の傍を通り、カプラTBJ3中
で入射光学要素＋H3からカプラTBJ3に通じる光導波路＋
LWL3に合致する。これ等のカプラTBJ3の出口は検出器＋
D3,D3と−D3に通じる。カプラTBJ3は三つの出口で互い
に位相のずれた信号が出力するように構成されている。
これ等の信号は互いに120°位相がずれているか、ある
いは二つの出口で正弦関数と余弦関数を表す信号が出力
し、第三の出口に基準信号が出力してもよい。それ等の
出口の信号も同じように光導波路によって検出器に導入
され、電気信号に変換され、次いで電子評価回路に導入
される。
H3がそれぞれ入射回折格子＋HG3と−HG3を有し、これ等
の格子定数は再び異なる。入射光学要素＋H3と−H3は面
内で回折格子G3に平行であり、相前後して揃っている。
入射光学要素−H3からカプラTBJ3に通じる光導波路−LW
L3は他方の入射光学要素＋H3の傍を通り、カプラTBJ3中
で入射光学要素＋H3からカプラTBJ3に通じる光導波路＋
LWL3に合致する。これ等のカプラTBJ3の出口は検出器＋
D3,D3と−D3に通じる。カプラTBJ3は三つの出口で互い
に位相のずれた信号が出力するように構成されている。
これ等の信号は互いに120°位相がずれているか、ある
いは二つの出口で正弦関数と余弦関数を表す信号が出力
し、第三の出口に基準信号が出力してもよい。それ等の
出口の信号も同じように光導波路によって検出器に導入
され、電気信号に変換され、次いで電子評価回路に導入
される。
第４図に示す装置では二つの入射光学要素＋H4と−H4が
基板S4上にある。両方の構成要素は回路格子G4と同じ方
向に延びているが、測定方向に延びる回折格子G4の対称
線に垂直にずれている。
基板S4上にある。両方の構成要素は回路格子G4と同じ方
向に延びているが、測定方向に延びる回折格子G4の対称
線に垂直にずれている。
しかし、第１図の実施例とは異なり、両入射光学要素＋
H4,−H4は測定方向に互いにずれてはいない。
H4,−H4は測定方向に互いにずれてはいない。
引用記号L4が図示しいないレーザー光源から出射した光
束に付けてある。この光束L4は両方の分割ビーム束＋m4
と−m4が光束L4により照明される回折格子G4の走査視野
から同じ光路長を進む必要のあることを表すために、誇
張して大きく引き伸ばして示してある。
束に付けてある。この光束L4は両方の分割ビーム束＋m4
と−m4が光束L4により照明される回折格子G4の走査視野
から同じ光路長を進む必要のあることを表すために、誇
張して大きく引き伸ばして示してある。
一点鎖線で示す回折した分割ビーム束＋m4の光通路が示
しているように、破線で示す分割ビーム束−m4の光通路
のように、反対向きに回折する。
しているように、破線で示す分割ビーム束−m4の光通路
のように、反対向きに回折する。
この図面から、入射回折格子＋HG4と−HG4を有する入射
光学要素＋H4と−H4が測定方向に互いにずれていないこ
とが分かるが、光束L4から出た回折した両方の分割ビー
ム束＋m4と−m4は測定方向に向けて、一点鎖線または点
線の図面から分かるように、互いにずれている。
光学要素＋H4と−H4が測定方向に互いにずれていないこ
とが分かるが、光束L4から出た回折した両方の分割ビー
ム束＋m4と−m4は測定方向に向けて、一点鎖線または点
線の図面から分かるように、互いにずれている。
入射光学要素＋H4と−H4にはＺ軸で表わしてある言わば
対称線のところで遊びがあるが、これは入射回折格子＋
HG4と−HG4の格子定数に関連しない（これ等は他の実施
例のように異なっている）。
対称線のところで遊びがあるが、これは入射回折格子＋
HG4と−HG4の格子定数に関連しない（これ等は他の実施
例のように異なっている）。
第４図には、幾何学関係をより良く示すため、座標系X,
Y,Zを記入する。この座標の設定は第１〜３図にも当て
はまり、そこではこれ等の座標軸を特別に記入していな
い。この実施例では、基板S4のＸ軸の回りの捻じれが全
く影響を与えず、Ｚ軸の回りの捻じれが測定結果にほん
の僅かな最小の影響を与えるに過ぎない。何故なら、Ｚ
軸に垂直な両方の入射光学要素＋H4と−H4のずれが非常
に少なく（約100μｍ）に維持でき、ｚ軸方向には全く
ずれがないからである。
Y,Zを記入する。この座標の設定は第１〜３図にも当て
はまり、そこではこれ等の座標軸を特別に記入していな
い。この実施例では、基板S4のＸ軸の回りの捻じれが全
く影響を与えず、Ｚ軸の回りの捻じれが測定結果にほん
の僅かな最小の影響を与えるに過ぎない。何故なら、Ｚ
軸に垂直な両方の入射光学要素＋H4と−H4のずれが非常
に少なく（約100μｍ）に維持でき、ｚ軸方向には全く
ずれがないからである。
更に、基板の温度変動や振動の影響は極度に小さい。更
に、第４図の実施形状には回折格子G4を基板S4に平行に
向けると、回折した分割ビーム束＋m4と−m4が実用上カ
プラTBJ4への光学距離を有するので、可干渉距離の短い
光源を使用できる利点がある。
に、第４図の実施形状には回折格子G4を基板S4に平行に
向けると、回折した分割ビーム束＋m4と−m4が実用上カ
プラTBJ4への光学距離を有するので、可干渉距離の短い
光源を使用できる利点がある。
前記の類に属する位置測定装置では、上記のような回折
格子の移動は測定すべき機械の運動に対する一般なデジ
タル表示位置測定値に変換される。
格子の移動は測定すべき機械の運動に対する一般なデジ
タル表示位置測定値に変換される。
第１図、平行にしかも測定方向に互いに位置をずらして
配設された入射光学要素を有する位置測定装置、 第２図、異なった面内にある入射光学要素を有する位置
測定装置、 第３図、測定方向に揃った入射光学要素と曲線状に延び
る光導波路を有する位置測定装置、 第４図、互いに平行にずらした両入射光学要素を有する
位置測定装置。 図中引用記号： G1,G2,G3,G4……回折格子 S1,S2,S3,S4……基板 L1,L2,L3,L4……レーザー光源 ＋D1,D1,−D1,＋D2,D2,−D2,＋D3,D3,−D3,＋D4,D4,−D
4……検出器 ＋H1,−H1,＋H2,−H2,＋H3,−H3,＋H4,−H4……入射光
学要素 ＋HG1,−HG1,＋HG2,−HG2,＋HG3,−HG3,＋HG4,−HG4…
…入射回折格子 ＋LWL1,−LWL1,＋LWL2,−LWL2,＋LWL3,−LWL3,＋LWL4,
−LWL4……光導波路 TBJ1,TBJ2,TBJ3,TBJ4……カプラ
配設された入射光学要素を有する位置測定装置、 第２図、異なった面内にある入射光学要素を有する位置
測定装置、 第３図、測定方向に揃った入射光学要素と曲線状に延び
る光導波路を有する位置測定装置、 第４図、互いに平行にずらした両入射光学要素を有する
位置測定装置。 図中引用記号： G1,G2,G3,G4……回折格子 S1,S2,S3,S4……基板 L1,L2,L3,L4……レーザー光源 ＋D1,D1,−D1,＋D2,D2,−D2,＋D3,D3,−D3,＋D4,D4,−D
4……検出器 ＋H1,−H1,＋H2,−H2,＋H3,−H3,＋H4,−H4……入射光
学要素 ＋HG1,−HG1,＋HG2,−HG2,＋HG3,−HG3,＋HG4,−HG4…
…入射回折格子 ＋LWL1,−LWL1,＋LWL2,−LWL2,＋LWL3,−LWL3,＋LWL4,
−LWL4……光導波路 TBJ1,TBJ2,TBJ3,TBJ4……カプラ
Claims (7)
- 【請求項１】光を出射する光源と、前記光源の出射方向
に対して垂直に移動する少なくとも回折した二つの分割
ビーム束を発生させる少なくとも一つの回折格子とを有
し、回折した分割ビーム束が二つの入射光学要素により
二つの光導波路に入射し、一つのカプラの二つの入口に
導入され、このカプラ中で干渉し、検出器により互いに
位相のずれた電気信号に変換される二つの物体の相対位
置を測定する光電位置測定装置において、入射光学要素
（＋H1,・・・−H4）がそれぞれ格子定数の異なる入射
回折格子（＋HG1,・・・−HG4）を有することを特徴と
する光電位置測定装置。 - 【請求項２】入射回折格子（＋HG1,−HG1;＋HG4,−HG
4）はそれぞれ回折格子（G1;G4）と同じ方向に延びてい
るが、測定方向に延びる回折格子（G1;G4）の対称線に
直交する向きにず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。 - 【請求項３】入射回折格子（＋HG1,−HG1）を有する入
射光学要素（＋H1,−H1）は更に測定方向に互いにずれ
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
２項記載の光電位置測定装置。 - 【請求項４】入射回折格子（＋HG1,−HG1;＋HG4,−HG
4）はそれぞれ回折格子（G1;G4）に平行な面内に配設さ
れていることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項の
いずれか１項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項５】入射回折格子（＋HG2,・・・−HG3）はそ
れぞれ測定方向に揃った状態で延び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。 - 【請求項６】入射回折格子（＋HG2,−HG2）はそれぞれ
異なった面内で回折格子（G2）に平行に延びていること
を特徴とする特許請求の範囲第１項または第５項記載の
光電位置測定装置。 - 【請求項７】一つの面内の入射回折格子（＋HG3,−HG
3）は回折格子（G3）に平行で一方の入射回折格子（−H
G3）の光導波路（−LWL3）は他方の入射回折格子（＋HG
3）の横を通り過ぎることを特徴とする特許請求の範囲
第１項または第５項記載の光電位置測定装置。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
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