JPH08210814A - 光学式変位測定装置 - Google Patents
光学式変位測定装置Info
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- JPH08210814A JPH08210814A JP7278364A JP27836495A JPH08210814A JP H08210814 A JPH08210814 A JP H08210814A JP 7278364 A JP7278364 A JP 7278364A JP 27836495 A JP27836495 A JP 27836495A JP H08210814 A JPH08210814 A JP H08210814A
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Classifications
-
- 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
Abstract
(57)【要約】
【課題】 発光ダイオード等の面発光素子を使用して、
信頼性に優れ、スケールの取り付け誤差が生じても安定
した干渉状態が得られ、取扱容易でしかも高精度の得ら
れる光学式変位測定装置を達成すること。 【解決手段】 回折格子を有する物体との間の相対的な
変位情報を検出するための光学式変位測定装置であっ
て、該光学式変位測定装置は発散光束が出射される発光
素子と、該発光素子からの発散光束を略平行光束にする
球レンズと、該球レンズからの光束を用い、該物体の回
折格子からの２つの回折光を合波した形態の干渉光を形
成するための干渉光学系、そして該干渉光学系からの干
渉光を検出する光検出素子とを有し、該光検出素子から
の周期信号によって該物体との間の相対的な変位情報を
得ること。
信頼性に優れ、スケールの取り付け誤差が生じても安定
した干渉状態が得られ、取扱容易でしかも高精度の得ら
れる光学式変位測定装置を達成すること。 【解決手段】 回折格子を有する物体との間の相対的な
変位情報を検出するための光学式変位測定装置であっ
て、該光学式変位測定装置は発散光束が出射される発光
素子と、該発光素子からの発散光束を略平行光束にする
球レンズと、該球レンズからの光束を用い、該物体の回
折格子からの２つの回折光を合波した形態の干渉光を形
成するための干渉光学系、そして該干渉光学系からの干
渉光を検出する光検出素子とを有し、該光検出素子から
の周期信号によって該物体との間の相対的な変位情報を
得ること。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光学式変位測定装置
に関し、特に移動物体に照射された光束が回折、散乱さ
れるとき、その回折、散乱光束が物体の変位や移動速度
に応じた位相変調作用を受けることを利用した、物体の
変位や速度を測定するエンコーダ、速度センサ、加速度
センサ、長さ測定装置等に適用し得る光学式変位測定装
置に関するものである。
に関し、特に移動物体に照射された光束が回折、散乱さ
れるとき、その回折、散乱光束が物体の変位や移動速度
に応じた位相変調作用を受けることを利用した、物体の
変位や速度を測定するエンコーダ、速度センサ、加速度
センサ、長さ測定装置等に適用し得る光学式変位測定装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より高精度に物体の移動量や変位量
などを求める装置として、光を物体に照射してそこから
回折、散乱された光束の干渉を利用する、たとえば光学
式エンコーダ、レーザドップラー速度計、レーザ干渉計
等が利用されてきた。
などを求める装置として、光を物体に照射してそこから
回折、散乱された光束の干渉を利用する、たとえば光学
式エンコーダ、レーザドップラー速度計、レーザ干渉計
等が利用されてきた。
【０００３】これらの光を利用した装置の特徴は、光の
波長オーダーの高精度、高分解能が容易に得られるが、
より広い分野に応用されるには小型化（ミリオーダーの
サイズ）、干渉光学系の安定化および『取り扱いやす
さ』および耐久性等が必要である。
波長オーダーの高精度、高分解能が容易に得られるが、
より広い分野に応用されるには小型化（ミリオーダーの
サイズ）、干渉光学系の安定化および『取り扱いやす
さ』および耐久性等が必要である。
【０００４】本出願人は特開平5-340719号公報におい
て、移動物体で位相変調を受けた回折光に基づく干渉を
利用した高精度の光学式リニアエンコーダを提案してい
る。同公報では光学系が簡単で、回折光同士の干渉が安
定していて、取り扱いやすく小型化に適する光学式エン
コーダーを開示している。
て、移動物体で位相変調を受けた回折光に基づく干渉を
利用した高精度の光学式リニアエンコーダを提案してい
る。同公報では光学系が簡単で、回折光同士の干渉が安
定していて、取り扱いやすく小型化に適する光学式エン
コーダーを開示している。
【０００５】図７〜９は同公報で提案している光学式エ
ンコーダの要部概略図である。このうち図７は要部斜視
図であり、図８は要部概略図である。図７において、１
ａはレーザダイオード等の発光素子、CLはシリンドチカ
ルレンズ、ASP は非球面レンズであり、その平面側には
後記の光束分割用回折格子Ｇ１を設置している。シリン
ドリカルレンズCLと非球面レンズASP はアナモルフィッ
ク光学系を構成している。４ａは透明基板であり、この
上に後記の光束重畳用回折格子Ｇ３を設置している。２
０は相対移動する被検物体に取り付けられたスケールで
あり、この上に後記の回折格子Ｇ２を設置している。Ｇ
１は光束分割用回折格子Ｇ１（例えば格子ピッチＰ１＝
１．６μｍ），Ｇ２はスケール２０上に設置した回折格
子（例えば格子ピッチＰ２＝１．６μｍ），Ｇ３は光束
重畳用回折格子（例えば格子ピッチＰ３＝１．６μｍ）
である。
ンコーダの要部概略図である。このうち図７は要部斜視
図であり、図８は要部概略図である。図７において、１
ａはレーザダイオード等の発光素子、CLはシリンドチカ
ルレンズ、ASP は非球面レンズであり、その平面側には
後記の光束分割用回折格子Ｇ１を設置している。シリン
ドリカルレンズCLと非球面レンズASP はアナモルフィッ
ク光学系を構成している。４ａは透明基板であり、この
上に後記の光束重畳用回折格子Ｇ３を設置している。２
０は相対移動する被検物体に取り付けられたスケールで
あり、この上に後記の回折格子Ｇ２を設置している。Ｇ
１は光束分割用回折格子Ｇ１（例えば格子ピッチＰ１＝
１．６μｍ），Ｇ２はスケール２０上に設置した回折格
子（例えば格子ピッチＰ２＝１．６μｍ），Ｇ３は光束
重畳用回折格子（例えば格子ピッチＰ３＝１．６μｍ）
である。
【０００６】尚、光束重畳用回折格子Ｇ３は光束分割用
回折格子Ｇ１と同じ平面上にある。また光束重畳用回折
格子Ｇ３は４つの部分、Ｇ３ａ，Ｇ３ｂ，Ｇ３ｃ，Ｇ３
ｄにわかれており、これらは図９に示すように互いに格
子形成位置をずらしており、これによりこの部分に入射
する光束に夫々相対位相ずれπ／２を与える。ＰＤは受
光セルＰＤａ〜ＰＤｄで構成される四分割光電素子（受
光素子）である。
回折格子Ｇ１と同じ平面上にある。また光束重畳用回折
格子Ｇ３は４つの部分、Ｇ３ａ，Ｇ３ｂ，Ｇ３ｃ，Ｇ３
ｄにわかれており、これらは図９に示すように互いに格
子形成位置をずらしており、これによりこの部分に入射
する光束に夫々相対位相ずれπ／２を与える。ＰＤは受
光セルＰＤａ〜ＰＤｄで構成される四分割光電素子（受
光素子）である。
【０００７】以上の構成によってこの光学式変位測定装
置は次のように動作する。発光素子１ａより射出した発
散光束ＲはシリンドリカルレンズCLによって線状に集光
する光束Ｒ’に変換される。次いで非球面レンズASP に
入射し、これによって光束Ｒ’は格子線方向には回折格
子Ｇ２近傍で集光し、格子線配列方向には略平行となる
ように非球面レンズASP の後ろ平面より出射する。その
際光束は光束分割用回折格子Ｇ１により２つの光束、即
ち直進する０次回折光束R0と＋１次回折光束R+1 に分か
れて相対移動するスケール２０に入射する。その際、夫
々の光束の中心光線はスケール上の回折格子Ｇ２上の点
Ｐ１、Ｐ２に入射する。点Ｐ１を線状に照射した光束R0
のうち回折格子Ｇ２で＋１次回折した光束R0+1は回折格
子Ｇ３で回折し、このうち−１次回折した光束R0+1-1は
回折格子Ｇ３より略垂直に射出する。
置は次のように動作する。発光素子１ａより射出した発
散光束ＲはシリンドリカルレンズCLによって線状に集光
する光束Ｒ’に変換される。次いで非球面レンズASP に
入射し、これによって光束Ｒ’は格子線方向には回折格
子Ｇ２近傍で集光し、格子線配列方向には略平行となる
ように非球面レンズASP の後ろ平面より出射する。その
際光束は光束分割用回折格子Ｇ１により２つの光束、即
ち直進する０次回折光束R0と＋１次回折光束R+1 に分か
れて相対移動するスケール２０に入射する。その際、夫
々の光束の中心光線はスケール上の回折格子Ｇ２上の点
Ｐ１、Ｐ２に入射する。点Ｐ１を線状に照射した光束R0
のうち回折格子Ｇ２で＋１次回折した光束R0+1は回折格
子Ｇ３で回折し、このうち−１次回折した光束R0+1-1は
回折格子Ｇ３より略垂直に射出する。
【０００８】光束R+1 のうち回折格子Ｇ２で−１次反射
回折した光束R+1-1 は回折格子Ｇ３に入射し、このうち
回折格子Ｇ３を直進透過する光束R+1-10は回折格子Ｇ３
より略垂直に射出する。この２つの光束R0+1-1，R+1-10
は光束重畳用回折格子Ｇ３上にて重なり、互いに波面を
重なり合わせて干渉して四分割光電素子ＰＤに入射す
る。
回折した光束R+1-1 は回折格子Ｇ３に入射し、このうち
回折格子Ｇ３を直進透過する光束R+1-10は回折格子Ｇ３
より略垂直に射出する。この２つの光束R0+1-1，R+1-10
は光束重畳用回折格子Ｇ３上にて重なり、互いに波面を
重なり合わせて干渉して四分割光電素子ＰＤに入射す
る。
【０００９】かかる光学系の配置を採用すると『スケー
ル上の回折格子Ｇ２』と『光束分割用回折格子Ｇ１、光
束重畳用回折格子Ｇ３、発光素子及び光電素子等からな
る検出ヘッド部』との相対位置ずれ（アジマス、あおり
等の角度ずれ）が生じても干渉状態が安定して、高精度
でありながら取り扱いやすいエンコーダを達成できる。
ル上の回折格子Ｇ２』と『光束分割用回折格子Ｇ１、光
束重畳用回折格子Ｇ３、発光素子及び光電素子等からな
る検出ヘッド部』との相対位置ずれ（アジマス、あおり
等の角度ずれ）が生じても干渉状態が安定して、高精度
でありながら取り扱いやすいエンコーダを達成できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来の装置では光源と
して半導体レーザーを使用しているので、干渉性に優
れ、光量が極めて大きいという利点がある反面、更なる
耐サージ特性や耐久性が求められていた。
して半導体レーザーを使用しているので、干渉性に優
れ、光量が極めて大きいという利点がある反面、更なる
耐サージ特性や耐久性が求められていた。
【００１１】一方発光ダイオード（ＬＥＤ）は耐サージ
特性及び耐久性で半導体レーザーより優れているが、Ｌ
ＥＤでは光量が不足する傾向があった。
特性及び耐久性で半導体レーザーより優れているが、Ｌ
ＥＤでは光量が不足する傾向があった。
【００１２】本発明は、先の発明の応用であり、適切に
構成した球レンズを使用することにより発光ダイオード
等の面発光素子を使用しても、十分な光量を確保しつつ
信頼性に優れ、スケールの取り付け誤差が生じても安定
した干渉状態が得られ、取扱容易でしかも高精度の得ら
れる光学式変位測定装置の提供を目的とする。
構成した球レンズを使用することにより発光ダイオード
等の面発光素子を使用しても、十分な光量を確保しつつ
信頼性に優れ、スケールの取り付け誤差が生じても安定
した干渉状態が得られ、取扱容易でしかも高精度の得ら
れる光学式変位測定装置の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の光学式変位測定
装置は、 （１−１）回折格子を有する物体との間の相対的な変位
情報を検出するための光学式変位測定装置であって、該
光学式変位測定装置は発散光束が出射される発光素子
と、該発光素子からの発散光束を略平行光束にする球レ
ンズと、該球レンズからの光束を用い、該物体の回折格
子からの２つの回折光を合波した形態の干渉光を形成す
るための干渉光学系、そして該干渉光学系からの干渉光
を検出する光検出素子とを有し、該光検出素子からの周
期信号によって該物体との間の相対的な変位情報を得る
ことを特徴としている。
装置は、 （１−１）回折格子を有する物体との間の相対的な変位
情報を検出するための光学式変位測定装置であって、該
光学式変位測定装置は発散光束が出射される発光素子
と、該発光素子からの発散光束を略平行光束にする球レ
ンズと、該球レンズからの光束を用い、該物体の回折格
子からの２つの回折光を合波した形態の干渉光を形成す
るための干渉光学系、そして該干渉光学系からの干渉光
を検出する光検出素子とを有し、該光検出素子からの周
期信号によって該物体との間の相対的な変位情報を得る
ことを特徴としている。
【００１４】（１−２）物体との間の相対的な変位情報
を検出するための光学式変位測定装置であって、該光学
式変位測定装置は発散光束が出射される発光素子と、該
発光素子からの発散光束を略平行光束にする球レンズ
と、該球レンズからの光束を用い、該物体からの２つの
変調光を合波した形態の干渉光を形成するための干渉光
学系と、該干渉光学系からの干渉光を検出する光検出素
子とを有し、該光検出素子からの周期信号によって該物
体との間の相対的な変位情報を得ることを特徴としてい
る。
を検出するための光学式変位測定装置であって、該光学
式変位測定装置は発散光束が出射される発光素子と、該
発光素子からの発散光束を略平行光束にする球レンズ
と、該球レンズからの光束を用い、該物体からの２つの
変調光を合波した形態の干渉光を形成するための干渉光
学系と、該干渉光学系からの干渉光を検出する光検出素
子とを有し、該光検出素子からの周期信号によって該物
体との間の相対的な変位情報を得ることを特徴としてい
る。
【００１５】又構成要件（１−１）又は（１−２）にお
いて、 （Ａ１）前記発光素子の発光領域の最大径は、前記球レ
ンズの直径の１０分の１以下にされていること。 （Ａ２）前記発光素子と前記球レンズとは一体的に接合
されていること。 （Ａ３）前記発光素子と前記球レンズとの間を透明樹脂
により充填されていること。特に、前記球レンズの材質
の屈折率Ｎは１．７５≦Ｎ≦２．０を満たすこと。 （Ａ４）前記発光素子と前記球レンズの間にギャップが
配置されていること。特に、前記球レンズの材質の屈折
率Ｎは１．８≦Ｎ≦２．０を満たすこと。 等、を特徴としている。
いて、 （Ａ１）前記発光素子の発光領域の最大径は、前記球レ
ンズの直径の１０分の１以下にされていること。 （Ａ２）前記発光素子と前記球レンズとは一体的に接合
されていること。 （Ａ３）前記発光素子と前記球レンズとの間を透明樹脂
により充填されていること。特に、前記球レンズの材質
の屈折率Ｎは１．７５≦Ｎ≦２．０を満たすこと。 （Ａ４）前記発光素子と前記球レンズの間にギャップが
配置されていること。特に、前記球レンズの材質の屈折
率Ｎは１．８≦Ｎ≦２．０を満たすこと。 等、を特徴としている。
【００１６】（１−３）発光素子と該発光素子から発散
される光束を略平行光束にする球レンズを含む光学投光
手段と、この略平行光束を回折によって複数個の光束に
分割する第１の回折格子と、該第１の回折格子に対して
相対移動し、該第１の回折格子によって分割された光束
をさらに回折させて複数個の光束に分割すると共に、該
複数個の光束に相対移動に伴なう位相変調作用を与える
第２の回折格子と、該第２の回折格子から生じた互いに
異なる次数の複数の回折光束同士が交差する位置に配置
し、回折作用によって２つの回折光束の光路を重ねあわ
せて干渉させる第３の回折格子と、該第３の回折格子に
て重ね合わされて干渉する光束を受光する受光素子とを
有し、該受光素子からの周期信号によって該第２の回折
格子の相対移動量を計測することを特徴としている。
される光束を略平行光束にする球レンズを含む光学投光
手段と、この略平行光束を回折によって複数個の光束に
分割する第１の回折格子と、該第１の回折格子に対して
相対移動し、該第１の回折格子によって分割された光束
をさらに回折させて複数個の光束に分割すると共に、該
複数個の光束に相対移動に伴なう位相変調作用を与える
第２の回折格子と、該第２の回折格子から生じた互いに
異なる次数の複数の回折光束同士が交差する位置に配置
し、回折作用によって２つの回折光束の光路を重ねあわ
せて干渉させる第３の回折格子と、該第３の回折格子に
て重ね合わされて干渉する光束を受光する受光素子とを
有し、該受光素子からの周期信号によって該第２の回折
格子の相対移動量を計測することを特徴としている。
【００１７】特に、（１−３−１）前記球レンズが発光
素子に一体的に接合されていることを特徴としている。
素子に一体的に接合されていることを特徴としている。
【００１８】更に、本発明の光学式変位測定装置は、 （１−４）発光素子と該発光素子から発散される光束を
線状集光光束にする球レンズとアナモルフィック光学素
子とを有する光学投光手段と、この線状集光光束を回折
によって複数個の光束に分割する第１の回折格子と、該
第１の回折格子に対して相対移動し、該第１の回折格子
によって分割された光束をさらに回折させて複数個の光
束に分割すると共に、該複数個の光束に相対移動に伴な
う位相変調作用を与える第２の回折格子と、該第２の回
折格子から生じた互いに異なる次数の複数の回折光束同
士が交差する位置に配置し、回折作用によって２つの回
折光束の光路を重ねあわせて干渉させる第３の回折格子
と、該第３の回折格子にて重ね合わされて干渉する光束
を受光する受光素子とを有し、該受光素子からの周期信
号によって該第２の回折格子の相対移動量を計測するこ
とを特徴としている。
線状集光光束にする球レンズとアナモルフィック光学素
子とを有する光学投光手段と、この線状集光光束を回折
によって複数個の光束に分割する第１の回折格子と、該
第１の回折格子に対して相対移動し、該第１の回折格子
によって分割された光束をさらに回折させて複数個の光
束に分割すると共に、該複数個の光束に相対移動に伴な
う位相変調作用を与える第２の回折格子と、該第２の回
折格子から生じた互いに異なる次数の複数の回折光束同
士が交差する位置に配置し、回折作用によって２つの回
折光束の光路を重ねあわせて干渉させる第３の回折格子
と、該第３の回折格子にて重ね合わされて干渉する光束
を受光する受光素子とを有し、該受光素子からの周期信
号によって該第２の回折格子の相対移動量を計測するこ
とを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例１の要部斜
視図であり、図２（Ａ），（Ｂ）は図１の要部平面図と
要部側面図である。図中、１は面発光素子であり、例え
ば発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光部である。２は球レ
ンズで、硝材はBK7 又はＴａＦ−３（何れも商品名）で
直径は１ｍｍである。以下は硝材をＴａＦ−３（屈折
率、約１．８）として説明する。CLはシリンドリカルレ
ンズで曲率半径CLR は 2.0 mm である。Ｇ１は光束分割
用回折格子（格子ピッチＰ１＝１．６μｍ）、Ｇ２はス
ケール２０上の回折格子（格子ピッチＰ２＝１．６μ
ｍ）、Ｇ３は光束重畳用回折格子（格子ピッチＰ３＝
１．６μｍ）である。
視図であり、図２（Ａ），（Ｂ）は図１の要部平面図と
要部側面図である。図中、１は面発光素子であり、例え
ば発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光部である。２は球レ
ンズで、硝材はBK7 又はＴａＦ−３（何れも商品名）で
直径は１ｍｍである。以下は硝材をＴａＦ−３（屈折
率、約１．８）として説明する。CLはシリンドリカルレ
ンズで曲率半径CLR は 2.0 mm である。Ｇ１は光束分割
用回折格子（格子ピッチＰ１＝１．６μｍ）、Ｇ２はス
ケール２０上の回折格子（格子ピッチＰ２＝１．６μ
ｍ）、Ｇ３は光束重畳用回折格子（格子ピッチＰ３＝
１．６μｍ）である。
【００２０】尚、光束重畳用回折格子Ｇ３は光束分割用
回折格子Ｇ１と同じ平面上にある。また光束重畳用回折
格子Ｇ３は４つの部分、Ｇ３ａ，Ｇ３ｂ，Ｇ３ｃ，Ｇ３
ｄに分かれており、これらは図９に示すように互いに格
子形成位置をずらしており、これによりこの部分に入射
する光束に夫々相対位相ずれπ／２を与える。ＰＤは受
光セルＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄで構成される四
分割光電素子（受光素子）である。４は光束分割用回折
格子Ｇ１を設置している透明基板、４ａは光束重畳用回
折格子Ｇ３を設置している透明基板である。２０は相対
移動する被検物体に取り付けられたスケールであり、そ
の上に回折格子Ｇ２を設置している。
回折格子Ｇ１と同じ平面上にある。また光束重畳用回折
格子Ｇ３は４つの部分、Ｇ３ａ，Ｇ３ｂ，Ｇ３ｃ，Ｇ３
ｄに分かれており、これらは図９に示すように互いに格
子形成位置をずらしており、これによりこの部分に入射
する光束に夫々相対位相ずれπ／２を与える。ＰＤは受
光セルＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄで構成される四
分割光電素子（受光素子）である。４は光束分割用回折
格子Ｇ１を設置している透明基板、４ａは光束重畳用回
折格子Ｇ３を設置している透明基板である。２０は相対
移動する被検物体に取り付けられたスケールであり、そ
の上に回折格子Ｇ２を設置している。
【００２１】本実施例の動作を説明する。面発光素子１
から射出した発散光束は、球レンズ２で略平行光束もし
くは弱発散光光束に変わり、シリンドリカルレンズCLに
よってスケール２０上の格子線方向に線状に集光する光
束Ｒ’に変わり、次いで透明基板４の表面に形成された
光束分割用回折格子Ｇ１によって０次透過回折する光束
R0と＋１次透過回折する光束R+1 とに分かれて射出す
る。
から射出した発散光束は、球レンズ２で略平行光束もし
くは弱発散光光束に変わり、シリンドリカルレンズCLに
よってスケール２０上の格子線方向に線状に集光する光
束Ｒ’に変わり、次いで透明基板４の表面に形成された
光束分割用回折格子Ｇ１によって０次透過回折する光束
R0と＋１次透過回折する光束R+1 とに分かれて射出す
る。
【００２２】光束分割用回折格子Ｇ１を直進した光束R0
は、スケール２０上に形成された回折格子Ｇ２上の点Ｐ
１にて反射回折されて、＋１次反射回折光R0+1を発生す
る。それと同時に、この＋１次反射回折光R0+1は回折格
子Ｇ２の相対移動によって位相変調を受ける。即ちスケ
ール２０の移動△ｘによって＋１次回折光R0+1の位相は
＋２π△ｘ／Ｐだけずれる。位相変調された＋１次回折
光R0+1は透明基板４ａの表面に形成された光束重畳用回
折格子Ｇ３に達し、ここで透過回折されて複数の光束に
分かれ、このうち−１次回折した光束R0+1-1は光束重畳
用回折格子Ｇ３面と略垂直に射出する。
は、スケール２０上に形成された回折格子Ｇ２上の点Ｐ
１にて反射回折されて、＋１次反射回折光R0+1を発生す
る。それと同時に、この＋１次反射回折光R0+1は回折格
子Ｇ２の相対移動によって位相変調を受ける。即ちスケ
ール２０の移動△ｘによって＋１次回折光R0+1の位相は
＋２π△ｘ／Ｐだけずれる。位相変調された＋１次回折
光R0+1は透明基板４ａの表面に形成された光束重畳用回
折格子Ｇ３に達し、ここで透過回折されて複数の光束に
分かれ、このうち−１次回折した光束R0+1-1は光束重畳
用回折格子Ｇ３面と略垂直に射出する。
【００２３】一方、光束分割用回折格子Ｇ１にて＋１次
回折した光束R+1 は、スケール２０上に形成された回折
格子Ｇ２上の点Ｐ２近傍に線状に集光して反射回折さ
れ、−１次回折光R+1-1 を発生する。それと同時に、こ
の−１次回折光R+1-1 は回折格子Ｇ２の相対移動によっ
て位相変調を受ける。即ちスケール２０の移動△ｘによ
って−１次回折光R+1-1 の位相は−２π△ｘ／Ｐだけず
れる。
回折した光束R+1 は、スケール２０上に形成された回折
格子Ｇ２上の点Ｐ２近傍に線状に集光して反射回折さ
れ、−１次回折光R+1-1 を発生する。それと同時に、こ
の−１次回折光R+1-1 は回折格子Ｇ２の相対移動によっ
て位相変調を受ける。即ちスケール２０の移動△ｘによ
って−１次回折光R+1-1 の位相は−２π△ｘ／Ｐだけず
れる。
【００２４】位相変調された−１次回折光R+1-1 の一部
は光束重畳用回折格子Ｇ３にて透過回折されて複数の光
束に分かれ、このうち０次回折光（直進透過光）R+1-10
は光束重畳用回折格子Ｇ３面から略垂直に射出する。
は光束重畳用回折格子Ｇ３にて透過回折されて複数の光
束に分かれ、このうち０次回折光（直進透過光）R+1-10
は光束重畳用回折格子Ｇ３面から略垂直に射出する。
【００２５】光束重畳用回折格子Ｇ３を射出する光束R0
+1-1と光束R+1-10とは光路を重ねあわして干渉光となっ
て、四分割光電素子ＰＤに入射する。このとき光束重畳
用回折格子Ｇ３の４つの部分（Ｇ３ａ〜Ｇ３ｄ）では、
夫々π／２づつの位相差が与えられるので、光束重畳用
回折格子Ｇ３で−１次回折された光束R0+1-1の波面は４
つの部分に分かれて互いにπ／２づつの相対位相ずれが
与えられて四分割光電素子ＰＤ（ＰＤａ〜ＰＤｄ）に入
射する。従って四分割光電素子ＰＤに入射する干渉光は
位相差がπ／２ずつある周期信号となり、それぞれがス
ケール２０上の回折格子Ｇ２の１／２ピッチ移動によっ
て１周期の明暗信号を発生する。
+1-1と光束R+1-10とは光路を重ねあわして干渉光となっ
て、四分割光電素子ＰＤに入射する。このとき光束重畳
用回折格子Ｇ３の４つの部分（Ｇ３ａ〜Ｇ３ｄ）では、
夫々π／２づつの位相差が与えられるので、光束重畳用
回折格子Ｇ３で−１次回折された光束R0+1-1の波面は４
つの部分に分かれて互いにπ／２づつの相対位相ずれが
与えられて四分割光電素子ＰＤ（ＰＤａ〜ＰＤｄ）に入
射する。従って四分割光電素子ＰＤに入射する干渉光は
位相差がπ／２ずつある周期信号となり、それぞれがス
ケール２０上の回折格子Ｇ２の１／２ピッチ移動によっ
て１周期の明暗信号を発生する。
【００２６】なお、面発光素子１は球レンズ２に比べて
十分小さくし、各光電素子（ＰＤａ，ＰＤｂ）に各々受
光される。この光電素子からの４つの信号をよく知られ
た信号処理手法で処理してスケール２０の変位量と変位
方向を得ている。又球レンズ２から射出される弱発散光
束は平行光束に近いように設定している。
十分小さくし、各光電素子（ＰＤａ，ＰＤｂ）に各々受
光される。この光電素子からの４つの信号をよく知られ
た信号処理手法で処理してスケール２０の変位量と変位
方向を得ている。又球レンズ２から射出される弱発散光
束は平行光束に近いように設定している。
【００２７】ここで面発光光源１は発光部が大きい程、
光量を大きくできるが面発光素子１の発光部の直径が大
きくなると球レンズの収差によって平行光束が得られに
くくなる。
光量を大きくできるが面発光素子１の発光部の直径が大
きくなると球レンズの収差によって平行光束が得られに
くくなる。
【００２８】面発光部の直径をｄとして、球レンズ直径
をＤとすると面発光素子の実用領域は、球レンズの直径
の略１／１０である。すなわち球レンズの直径を１．０
ｍｍとして、面発光素子の発光部の最大径が１００μｍ
より大きい場合は、１００μｍφより外側より射出する
光束は発散光成分となり不要光になり、無駄であるばか
りか信号光に重畳されて悪影響を与えるので、この意味
で面発光素子の発光部直径ｄを必要最小限にすることが
望ましい。さらに面発光素子の発光部より射出された光
束全体を平均的に略平行光束になるように球レンズと面
発光素子との間隔を広げることもできるが、その場合
は、球レンズで取り込める光束量が減少するので、面発
光素子の面積を大きくしても結局略平行光束として取り
出せる光量は増えない。
をＤとすると面発光素子の実用領域は、球レンズの直径
の略１／１０である。すなわち球レンズの直径を１．０
ｍｍとして、面発光素子の発光部の最大径が１００μｍ
より大きい場合は、１００μｍφより外側より射出する
光束は発散光成分となり不要光になり、無駄であるばか
りか信号光に重畳されて悪影響を与えるので、この意味
で面発光素子の発光部直径ｄを必要最小限にすることが
望ましい。さらに面発光素子の発光部より射出された光
束全体を平均的に略平行光束になるように球レンズと面
発光素子との間隔を広げることもできるが、その場合
は、球レンズで取り込める光束量が減少するので、面発
光素子の面積を大きくしても結局略平行光束として取り
出せる光量は増えない。
【００２９】ここで、球レンズの屈折率をＮとすると、
図３に示すように発光素子からの光束が球レンズによっ
て略平行光束になるように発光素子、球レンズ間の距離
Ｌを補正した場合に、屈折率Ｎの値によって球レンズに
よる略平行光束の光線本数（光量）が変化する。図中で
球レンズ２を通って右に延びる線が略平行光束を形成す
る各光線を示している。上から下へ屈折率Ｎを減少方向
に変化させた各場合が示してある。
図３に示すように発光素子からの光束が球レンズによっ
て略平行光束になるように発光素子、球レンズ間の距離
Ｌを補正した場合に、屈折率Ｎの値によって球レンズに
よる略平行光束の光線本数（光量）が変化する。図中で
球レンズ２を通って右に延びる線が略平行光束を形成す
る各光線を示している。上から下へ屈折率Ｎを減少方向
に変化させた各場合が示してある。
【００３０】なお、発光素子は球レンズ直径の８％のサ
イズ（８０μｍ）で計算しており、面発光領域を５つの
点発光源で表わし、各点発光源からは等しい円錐内に発
散光が射出しているとして計算して図３に示している。
イズ（８０μｍ）で計算しており、面発光領域を５つの
点発光源で表わし、各点発光源からは等しい円錐内に発
散光が射出しているとして計算して図３に示している。
【００３１】球レンズの屈折率が２．０の場合の略平行
光成分の光線本数を１００％とした場合、球レンズの屈
折率が１．７５になると、断面図において略７０％にな
る。すなわち単位平面に投影される光束本数（光量）が
略５０％になる。これ以下となると光源からの光量を半
分以上ロスすることになる。
光成分の光線本数を１００％とした場合、球レンズの屈
折率が１．７５になると、断面図において略７０％にな
る。すなわち単位平面に投影される光束本数（光量）が
略５０％になる。これ以下となると光源からの光量を半
分以上ロスすることになる。
【００３２】従ってこのように、球レンズと発光素子と
の間が（屈折率１．０相当の）ギャップを介して空間に
設置されるとき、該球レンズの屈折率Ｎが １．８０≦Ｎ≦２．０ を満たす球レンズを用いると十分な光量の略平行光束が
得られる。
の間が（屈折率１．０相当の）ギャップを介して空間に
設置されるとき、該球レンズの屈折率Ｎが １．８０≦Ｎ≦２．０ を満たす球レンズを用いると十分な光量の略平行光束が
得られる。
【００３３】本実施例では屈折率略１．８の材質を硝材
とした球レンズで用いており、この範囲に含まれる。
とした球レンズで用いており、この範囲に含まれる。
【００３４】またシリンドリカルレンズCLによる集光作
用は回折格子Ｇ２の格子線方向に働くように設定してお
り、その集光位置は０次回折光R0では回折格子Ｇ２の僅
か後ろに、又、＋１次回折光R+1 では回折格子Ｇ２の僅
か手前に線状に集光することが望ましい。
用は回折格子Ｇ２の格子線方向に働くように設定してお
り、その集光位置は０次回折光R0では回折格子Ｇ２の僅
か後ろに、又、＋１次回折光R+1 では回折格子Ｇ２の僅
か手前に線状に集光することが望ましい。
【００３５】実施例１ではＬＥＤ等の面発光素子に微小
球レンズを近接配置して構成した光学投光手段を採用し
ているので、 （１−イ）ＬＥＤを光源として採用しても十分な光量の
干渉光が得られる。すなわち、面発光光源ＬＥＤを採用
してかつ良質な線状集光光束を形成するには光源の発光
面サイズが小さいほうが望ましい。しかしＬＥＤで発光
面サイズを小さくすれば半導体レーザーに比べて光量が
著しく少なくなり、干渉信号が微弱になって検出精度が
低下し、高精度の光学式変位測定装置の達成が困難とな
る。
球レンズを近接配置して構成した光学投光手段を採用し
ているので、 （１−イ）ＬＥＤを光源として採用しても十分な光量の
干渉光が得られる。すなわち、面発光光源ＬＥＤを採用
してかつ良質な線状集光光束を形成するには光源の発光
面サイズが小さいほうが望ましい。しかしＬＥＤで発光
面サイズを小さくすれば半導体レーザーに比べて光量が
著しく少なくなり、干渉信号が微弱になって検出精度が
低下し、高精度の光学式変位測定装置の達成が困難とな
る。
【００３６】しかし本実施例によればＬＥＤの発光面面
積を小さくしても球レンズを使用しているので、ＬＥＤ
より広い角度に放射される発散光束を大きい立体角で取
り込み、これを狭い角度範囲の弱発散光に変換し、さら
にこれを線状集光光等に再変換して干渉信号を得てい
る。従ってＬＥＤの発光光量を有効に利用して、S/N 比
の高い干渉信号が得られる。
積を小さくしても球レンズを使用しているので、ＬＥＤ
より広い角度に放射される発散光束を大きい立体角で取
り込み、これを狭い角度範囲の弱発散光に変換し、さら
にこれを線状集光光等に再変換して干渉信号を得てい
る。従ってＬＥＤの発光光量を有効に利用して、S/N 比
の高い干渉信号が得られる。
【００３７】（１−ロ）半導体レーザーよりも耐サージ
特性及び耐久性が優れており、光源として信頼性の高い
面発光ＬＥＤを採用したので、取り扱いやすさと光源の
高い信頼性の両立する光学式変位測定装置を実現してい
る。
特性及び耐久性が優れており、光源として信頼性の高い
面発光ＬＥＤを採用したので、取り扱いやすさと光源の
高い信頼性の両立する光学式変位測定装置を実現してい
る。
【００３８】（１−ハ）微小面発光ＬＥＤを光源として
いるので、消費電流が少なくなり、装置の発熱が少な
い。そこで、光源、受光素子、電子回路、及び回折格子
等の光学素子をミリオーダーのパッケージに一体的に結
合して小型化を追求した場合に生じ易い光源の発熱に伴
う問題（受光素子や電子回路のオフセット、暗電流、回
折格子等の熱膨張や変形）を回避できる。従って小型で
ありながら精度の安定した光学式変位測定装置を達成し
ている。
いるので、消費電流が少なくなり、装置の発熱が少な
い。そこで、光源、受光素子、電子回路、及び回折格子
等の光学素子をミリオーダーのパッケージに一体的に結
合して小型化を追求した場合に生じ易い光源の発熱に伴
う問題（受光素子や電子回路のオフセット、暗電流、回
折格子等の熱膨張や変形）を回避できる。従って小型で
ありながら精度の安定した光学式変位測定装置を達成し
ている。
【００３９】（１−ニ）球レンズに替わって通常の平凸
レンズや両凸レンズの使用も考えられるが、ミリオーダ
ーのサイズでは球レンズは、所謂ビーズ玉として多量生
産の技術が確立しており、従って通常のレンズよりも安
価に生産できる利点がある。
レンズや両凸レンズの使用も考えられるが、ミリオーダ
ーのサイズでは球レンズは、所謂ビーズ玉として多量生
産の技術が確立しており、従って通常のレンズよりも安
価に生産できる利点がある。
【００４０】以上により実施例１は高精度と取扱易さが
両立する光学式変位測定装置を達成している。
両立する光学式変位測定装置を達成している。
【００４１】図４（Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例２の
要部平面図と要部側面図である。図中、１はＬＥＤ等の
面発光素子である。２は球レンズであり、屈折率が略２
のガラスで構成しており、直径は０．５mmである。そし
て面発光素子１と球レンズ２とは接着している。その他
の構成は実施例１と同じである。
要部平面図と要部側面図である。図中、１はＬＥＤ等の
面発光素子である。２は球レンズであり、屈折率が略２
のガラスで構成しており、直径は０．５mmである。そし
て面発光素子１と球レンズ２とは接着している。その他
の構成は実施例１と同じである。
【００４２】本実施例の作用を説明する。面発光素子１
から射出した発散光束は、接合された球レンズ２の表面
で集光されて略平行光もしくは弱発散光光束Ｒに変わ
り、シリンドリカルレンズCLに入射する。その後の光路
及び各要素の作用は実施例１と同じである。
から射出した発散光束は、接合された球レンズ２の表面
で集光されて略平行光もしくは弱発散光光束Ｒに変わ
り、シリンドリカルレンズCLに入射する。その後の光路
及び各要素の作用は実施例１と同じである。
【００４３】ここで前述の実施形態１と同様に面発光素
子１の発光部の直径が大きくなると球レンズの収差によ
って平行光束が得られにくくなる。
子１の発光部の直径が大きくなると球レンズの収差によ
って平行光束が得られにくくなる。
【００４４】面発光部の直径をｄとして、球レンズ直径
をＤとすると面発光素子の実用領域は、前述したように
球レンズの直径の略１／１０である。すなわち球レンズ
の直径を０．５ｍｍとして、面発光素子の発光部の最大
径が５０μｍより大きい場合は、５０μｍφより外側よ
り射出する光束は発散光成分となり不要光になり、無駄
であるばかりか信号光に重畳されて悪影響を与えるの
で、この意味で面発光素子の発光部直径ｄを必要最小限
にすることが望ましい。さらに面発光素子の発光部より
射出された光束全体を平均的に略平行光束になるように
球レンズと面発光素子との間隔を広げることもできる
が、その場合は、球レンズで取り込める光束量が減少す
るので、面発光素子の面積を大きくしても結局略平行光
束として取り出せる光量は増えない。
をＤとすると面発光素子の実用領域は、前述したように
球レンズの直径の略１／１０である。すなわち球レンズ
の直径を０．５ｍｍとして、面発光素子の発光部の最大
径が５０μｍより大きい場合は、５０μｍφより外側よ
り射出する光束は発散光成分となり不要光になり、無駄
であるばかりか信号光に重畳されて悪影響を与えるの
で、この意味で面発光素子の発光部直径ｄを必要最小限
にすることが望ましい。さらに面発光素子の発光部より
射出された光束全体を平均的に略平行光束になるように
球レンズと面発光素子との間隔を広げることもできる
が、その場合は、球レンズで取り込める光束量が減少す
るので、面発光素子の面積を大きくしても結局略平行光
束として取り出せる光量は増えない。
【００４５】ここで、球レンズの屈折率をＮとすると、
図５に示すように発光素子からの光束が球レンズによっ
て略平行光束になるように発光素子、球レンズ間の距離
Ｌを補正した場合に、屈折率Ｎの値によって球レンズに
よる略平行光束の光束本数（光量）が変化する。図中で
球レンズ２を通って右に延びる線が略平行光束を形成す
る各光線を示している。上から下へ屈折率Ｎを減少方向
に変化させた各場合が示してある。
図５に示すように発光素子からの光束が球レンズによっ
て略平行光束になるように発光素子、球レンズ間の距離
Ｌを補正した場合に、屈折率Ｎの値によって球レンズに
よる略平行光束の光束本数（光量）が変化する。図中で
球レンズ２を通って右に延びる線が略平行光束を形成す
る各光線を示している。上から下へ屈折率Ｎを減少方向
に変化させた各場合が示してある。
【００４６】なお、発光素子は球レンズ直径の８％のサ
イズ（４０μｍ）で計算しており、面発光領域を５つの
点発光源で表わし、各点発光源からは等しい円錐内に発
散光が射出しているとし、発光素子、球レンズ間に接着
樹脂に一般的な値である屈折率１．５相当の接着樹脂を
充填した場合の光束を計算して図５に示している。
イズ（４０μｍ）で計算しており、面発光領域を５つの
点発光源で表わし、各点発光源からは等しい円錐内に発
散光が射出しているとし、発光素子、球レンズ間に接着
樹脂に一般的な値である屈折率１．５相当の接着樹脂を
充填した場合の光束を計算して図５に示している。
【００４７】接着樹脂を充填した場合は、球レンズの屈
折率が２．０の場合の略平行光成分の光束本数を１００
％とした場合、球レンズの屈折率が１．７０になると、
断面図において略７０％になる。すなわち単位平面に投
影される光束本数（光量）が略５０％になる。これ以下
となると光源からの光量を半分以上ロスすることにな
る。
折率が２．０の場合の略平行光成分の光束本数を１００
％とした場合、球レンズの屈折率が１．７０になると、
断面図において略７０％になる。すなわち単位平面に投
影される光束本数（光量）が略５０％になる。これ以下
となると光源からの光量を半分以上ロスすることにな
る。
【００４８】従ってこのように、球レンズと発光素子と
の間が透明樹脂（屈折率１．５相当の）で充填されてい
るとき、該球レンズの屈折率Ｎが １．７５≦Ｎ≦２．０ を満たす球レンズを用いると十分な光量が得られる。
の間が透明樹脂（屈折率１．５相当の）で充填されてい
るとき、該球レンズの屈折率Ｎが １．７５≦Ｎ≦２．０ を満たす球レンズを用いると十分な光量が得られる。
【００４９】実施形態２では実施形態１と異なってＬＥ
Ｄ等の面発光素子に微小球レンズを直接接合して構成し
た光学投光手段を採用しているので、 （２−イ）実施形態１に比べてさらに十分な光量の干渉
光が得られる。すなわち、ＬＥＤは一般的にＧａＡｓ等
の高屈折率材料であるために、発光素子表面から空気中
へ射出する場合の臨界角より屈折率材料である樹脂材料
中へ射出する臨界角の方が大きいので、発光素子材料中
で発生した光束の取り出し効率が良い。従って発光光量
をより有効に利用しているので実施形態１より更に高い
Ｓ／Ｎ比の干渉信号が得られる。なお、図３と図５は面
発光素子を面発光素子上の５つの点発光源で代表させて
各点発光源より円錐内に放射される光束を示している
が、図３と図５では、作図の都合で両者の本数が等しく
なっている。実際は、各点光束源より円錐内に放射され
る光束の本数（光量）は樹脂による接合をした図８のほ
うが多くなる。
Ｄ等の面発光素子に微小球レンズを直接接合して構成し
た光学投光手段を採用しているので、 （２−イ）実施形態１に比べてさらに十分な光量の干渉
光が得られる。すなわち、ＬＥＤは一般的にＧａＡｓ等
の高屈折率材料であるために、発光素子表面から空気中
へ射出する場合の臨界角より屈折率材料である樹脂材料
中へ射出する臨界角の方が大きいので、発光素子材料中
で発生した光束の取り出し効率が良い。従って発光光量
をより有効に利用しているので実施形態１より更に高い
Ｓ／Ｎ比の干渉信号が得られる。なお、図３と図５は面
発光素子を面発光素子上の５つの点発光源で代表させて
各点発光源より円錐内に放射される光束を示している
が、図３と図５では、作図の都合で両者の本数が等しく
なっている。実際は、各点光束源より円錐内に放射され
る光束の本数（光量）は樹脂による接合をした図８のほ
うが多くなる。
【００５０】しかも本実施形態の場合、とくに屈折率が
２なので、光源が球レンズに接する構成がとれる。この
場合は特に球面収差の発生が少ないので大部分の光束が
略平行光束成分になり、光のロスが少なくなり、実施形
態１より更に大きい干渉信号が得られる。
２なので、光源が球レンズに接する構成がとれる。この
場合は特に球面収差の発生が少ないので大部分の光束が
略平行光束成分になり、光のロスが少なくなり、実施形
態１より更に大きい干渉信号が得られる。
【００５１】（２−ロ）とくに屈折率が２の場合、球レ
ンズを面発光素子の凹部にあわせて直接接合することで
レンズのアライメント誤差（偏心）による光路のずれが
生じにくくなり、組み立てが容易である。
ンズを面発光素子の凹部にあわせて直接接合することで
レンズのアライメント誤差（偏心）による光路のずれが
生じにくくなり、組み立てが容易である。
【００５２】（２−ハ）面発光素子ＬＥＤと球レンズは
一体化されているので、環境安定性に優れる。
一体化されているので、環境安定性に優れる。
【００５３】以上により実施例２は実施例１よりも高精
度と取扱易さの点で、更にすぐれた光学式変位測定装置
を達成している。以上の実施例の他に以下に述べる構成
も可能である。
度と取扱易さの点で、更にすぐれた光学式変位測定装置
を達成している。以上の実施例の他に以下に述べる構成
も可能である。
【００５４】（３−１）前記実施例１、２では、いずれ
もシリンドリカルレンズCLによって発光素子からの光束
を線状に集光する投光光学系を採用しているが、エンコ
ーダの用途に応じて、シリンドリカルレンズCLを省略し
て弱発散光束または略平行光束のまま、スケール２０上
の回折格子Ｇ２を照明する投光光学系を採用することも
できる。
もシリンドリカルレンズCLによって発光素子からの光束
を線状に集光する投光光学系を採用しているが、エンコ
ーダの用途に応じて、シリンドリカルレンズCLを省略し
て弱発散光束または略平行光束のまま、スケール２０上
の回折格子Ｇ２を照明する投光光学系を採用することも
できる。
【００５５】（３−２）前記実施例１、２の球レンズの
大きさは任意である。
大きさは任意である。
【００５６】（３−３）前記実施例１、２の球レンズは
ラグビーボール状の楕円体でもよい。その場合は、短軸
方向（回折格子Ｇ２の格子線方向）では回折格子Ｇ２近
傍で結像する集光特性を得るようにし、長軸方向で弱発
散（略平行）特性を得るようにすれば、シリンドリカル
レンズなしで線状の集光照明が得られる。この場合は部
品点数が最小でかつＬＥＤ発光光量の利用効率がより高
くなる。
ラグビーボール状の楕円体でもよい。その場合は、短軸
方向（回折格子Ｇ２の格子線方向）では回折格子Ｇ２近
傍で結像する集光特性を得るようにし、長軸方向で弱発
散（略平行）特性を得るようにすれば、シリンドリカル
レンズなしで線状の集光照明が得られる。この場合は部
品点数が最小でかつＬＥＤ発光光量の利用効率がより高
くなる。
【００５７】（３−４）シリンドリカルレンズCLは実施
例１、２のように機械加工品を光路中に組み込んでもよ
いが、透明基板上にレプリカ成型等で形成しても良い。
又その場合はフレネルレンズ、ゾーンプレート等の回折
光学作用により同様な効果が得られるようにしてもよ
い。又光束分割用回折格子Ｇ１及び光束重畳用回折格子
Ｇ３の断面形状はブレーズド格子、ラメラ格子等にして
も良い。
例１、２のように機械加工品を光路中に組み込んでもよ
いが、透明基板上にレプリカ成型等で形成しても良い。
又その場合はフレネルレンズ、ゾーンプレート等の回折
光学作用により同様な効果が得られるようにしてもよ
い。又光束分割用回折格子Ｇ１及び光束重畳用回折格子
Ｇ３の断面形状はブレーズド格子、ラメラ格子等にして
も良い。
【００５８】（３−５）スケール２０をディスク状と
し、本実施形態１，２の回折格子Ｇ２を相対回転するデ
ィスク２０上に回転中心を放射中心とした放射状回折格
子として配置し、ディスクの相対回転変位を測定する装
置に改造することもできる。
し、本実施形態１，２の回折格子Ｇ２を相対回転するデ
ィスク２０上に回転中心を放射中心とした放射状回折格
子として配置し、ディスクの相対回転変位を測定する装
置に改造することもできる。
【００５９】図６はそのような実施形態の説明図であ
る。図中、ＯＵは図１又は図４のスケール２０部分を除
く全部材を配置した光学ユニット、ＰＵは信号処理部、
ＭＤはモータドライバ、ＭＴはモータ、ＳＦはディスク
２０及び不図示の他の被駆動部材が接続された駆動シャ
フトである。
る。図中、ＯＵは図１又は図４のスケール２０部分を除
く全部材を配置した光学ユニット、ＰＵは信号処理部、
ＭＤはモータドライバ、ＭＴはモータ、ＳＦはディスク
２０及び不図示の他の被駆動部材が接続された駆動シャ
フトである。
【００６０】前述と同様の原理で光学ユニットＯＵ中の
不図示の四分割光電素子からディスク２０の回転に伴う
周期信号が信号処理部ＰＵに送信される。信号処理部は
この周期信号からよく知られた方法でディスクの回転量
と回転方向が算出され、この算出に基づいて内蔵プログ
ラムに従いモータドライバＭＤを介してモータＭＴによ
るシャフトＳＦの駆動を制御する。
不図示の四分割光電素子からディスク２０の回転に伴う
周期信号が信号処理部ＰＵに送信される。信号処理部は
この周期信号からよく知られた方法でディスクの回転量
と回転方向が算出され、この算出に基づいて内蔵プログ
ラムに従いモータドライバＭＤを介してモータＭＴによ
るシャフトＳＦの駆動を制御する。
【００６１】
【発明の効果】本発明は以上の構成により、適切に構成
した球レンズを使用することにより発光ダイオード等の
面発光素子を使用しても、十分な光量を確保しつつ信頼
性に優れ、スケールの取り付け誤差が生じても安定した
干渉状態が得られ、取扱容易でしかも高精度の得られる
光学式変位測定装置を達成することができる。
した球レンズを使用することにより発光ダイオード等の
面発光素子を使用しても、十分な光量を確保しつつ信頼
性に優れ、スケールの取り付け誤差が生じても安定した
干渉状態が得られ、取扱容易でしかも高精度の得られる
光学式変位測定装置を達成することができる。
【図１】 本発明の実施例１の要部斜視図
【図２】 本発明の実施例１ （Ａ）要部平面図 （Ｂ）要部側面図
【図３】 本発明の実施形態１における球レンズによる
コリメート光の特性の屈折率依存性の説明図
コリメート光の特性の屈折率依存性の説明図
【図４】 本発明の実施例２ （Ａ）要部平面図 （Ｂ）要部側面図
【図５】 本発明の実施形態２における球面レンズによ
るコリメート光の特性の屈折率依存性の説明図
るコリメート光の特性の屈折率依存性の説明図
【図６】 本発明の他の実施形態の要部概略図
【図７】 従来の光学式変位測定装置の要部斜視図
【図８】 従来の光学式変位測定装置の要部概略図 （Ａ）平面図 （Ｂ）側面図
【図９】 光束重畳用回折格子の要部説明図
１ａ半導体レーザー ２ 球レンズ CL シリンドリカルレンズ ASP 非球面レンズ ４ 透明基板 ４ａ透明基板 ２０ 相対移動する被検物体に取り付けられたスケール Ｇ１ 光束分割用回折格子 Ｇ２ スケール上の回折格子 Ｇ３（Ｇ３ａ、Ｇ３ｂ、Ｇ３ｃ、Ｇ３ｄ） 光束重畳用
回折格子 ＰＤ 四分割光電素子 ＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄ 受光セル
回折格子 ＰＤ 四分割光電素子 ＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄ 受光セル
Claims (11)
- 【請求項１】 回折格子を有する物体との間の相対的な
変位情報を検出するための光学式変位測定装置であっ
て、該光学式変位測定装置は発散光束が出射される発光
素子と、該発光素子からの発散光束を略平行光束にする
球レンズと、該球レンズからの光束を用い、該物体の回
折格子からの２つの回折光を合波した形態の干渉光を形
成するための干渉光学系、そして該干渉光学系からの干
渉光を検出する光検出素子とを有し、該光検出素子から
の周期信号によって該物体との間の相対的な変位情報を
得ることを特徴とする光学式変位測定装置。 - 【請求項２】 物体との間の相対的な変位情報を検出す
るための光学式変位測定装置であって、該光学式変位測
定装置は発散光束が出射される発光素子と、該発光素子
からの発散光束を略平行光束にする球レンズと、該球レ
ンズからの光束を用い、該物体からの２つの変調光を合
波した形態の干渉光を形成するための干渉光学系と、該
干渉光学系からの干渉光を検出する光検出素子とを有
し、該光検出素子からの周期信号によって該物体との間
の相対的な変位情報を得ることを特徴とする光学式変位
測定装置。 - 【請求項３】 前記発光素子の発光領域の最大径は、前
記球レンズの直径の１０分の１以下にされていることを
特徴とする請求項１又は２に記載の光学式変位測定装
置。 - 【請求項４】 前記発光素子と前記球レンズとは一体的
に接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記
載の光学式変位測定装置。 - 【請求項５】 前記発光素子と前記球レンズとの間を透
明樹脂により充填されていることを特徴とする請求項１
又は２に記載の光学式変位測定装置。 - 【請求項６】 前記球レンズの材質の屈折率Ｎは１．７
５≦Ｎ≦２．０を満たすことを特徴とする請求項５に記
載の光学式変位測定装置。 - 【請求項７】 前記発光素子と前記球レンズの間にギャ
ップが配置されていることを特徴とする請求項１又は２
に記載の光学式変位測定装置。 - 【請求項８】 前記球レンズの材質の屈折率Ｎは１．８
≦Ｎ≦２．０を満たすことを特徴とする請求項７に記載
の光学式変位測定装置。 - 【請求項９】 発光素子と該発光素子から発散される光
束を略平行光束にする球レンズを含む光学投光手段と、
この略平行光束を回折によって複数個の光束に分割する
第１の回折格子と、該第１の回折格子に対して相対移動
し、該第１の回折格子によって分割された光束をさらに
回折させて複数個の光束に分割すると共に、該複数個の
光束に相対移動に伴なう位相変調作用を与える第２の回
折格子と、該第２の回折格子から生じた互いに異なる次
数の複数の回折光束同士が交差する位置に配置し、回折
作用によって２つの回折光束の光路を重ねあわせて干渉
させる第３の回折格子と、該第３の回折格子にて重ね合
わされて干渉する光束を受光する受光素子とを有し、該
受光素子からの周期信号によって該第２の回折格子の相
対移動量を計測することを特徴とする光学式変位測定装
置。 - 【請求項１０】 前記球レンズが発光素子に一体的に接
合されていることを特徴とする請求項９の光学式変位測
定装置 - 【請求項１１】 発光素子と該発光素子から発散される
光束を線状集光光束にする球レンズとアナモルフィック
光学素子とを有する光学投光手段と、この線状集光光束
を回折によって複数個の光束に分割する第１の回折格子
と、該第１の回折格子に対して相対移動し、該第１の回
折格子によって分割された光束をさらに回折させて複数
個の光束に分割すると共に、該複数個の光束に相対移動
に伴なう位相変調作用を与える第２の回折格子と、該第
２の回折格子から生じた互いに異なる次数の複数の回折
光束同士が交差する位置に配置し、回折作用によって２
つの回折光束の光路を重ねあわせて干渉させる第３の回
折格子と、該第３の回折格子にて重ね合わされて干渉す
る光束を受光する受光素子とを有し、該受光素子からの
周期信号によって該第２の回折格子の相対移動量を計測
することを特徴とする光学式変位測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7278364A JPH08210814A (ja) | 1994-10-12 | 1995-10-02 | 光学式変位測定装置 |
| US08/949,193 US5880839A (en) | 1994-10-12 | 1997-10-14 | Optical displacement measuring apparatus including a light-emitting element and an adjacent ball lens |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-272973 | 1994-10-12 | ||
| JP27297394 | 1994-10-12 | ||
| JP7278364A JPH08210814A (ja) | 1994-10-12 | 1995-10-02 | 光学式変位測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08210814A true JPH08210814A (ja) | 1996-08-20 |
Family
ID=26550458
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7278364A Pending JPH08210814A (ja) | 1994-10-12 | 1995-10-02 | 光学式変位測定装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5880839A (ja) |
| JP (1) | JPH08210814A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002072589A (ja) * | 2000-09-04 | 2002-03-12 | Fuji Xerox Co Ltd | 画像形成装置、トナー量測定装置、およびトナー量測定方法 |
| JP2005257521A (ja) * | 2004-03-12 | 2005-09-22 | Mitsutoyo Corp | 光学式変位測定装置 |
| WO2007132602A1 (ja) * | 2006-05-12 | 2007-11-22 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | 光学式エンコーダ及びエンコーダ付モータ |
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| US6631047B2 (en) | 1997-09-22 | 2003-10-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Interference device, position detecting device, positioning device and information recording apparatus using the same |
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| JPH11351813A (ja) | 1998-06-08 | 1999-12-24 | Canon Inc | 干渉装置及びそれを用いた位置検出装置 |
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|---|---|
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
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