JPS6126005B2 - - Google Patents
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- JPS6126005B2 JPS6126005B2 JP56075581A JP7558181A JPS6126005B2 JP S6126005 B2 JPS6126005 B2 JP S6126005B2 JP 56075581 A JP56075581 A JP 56075581A JP 7558181 A JP7558181 A JP 7558181A JP S6126005 B2 JPS6126005 B2 JP S6126005B2
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
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
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、光の干渉を利用した光学式スケール
読取装置に関する。更に詳しくは、読取装置とス
ケール間の距離に関係なく正確な移動距離が測定
できる光学式スケール読取装置に関する。
読取装置に関する。更に詳しくは、読取装置とス
ケール間の距離に関係なく正確な移動距離が測定
できる光学式スケール読取装置に関する。
本発明の目的は、前述したように読取装置とス
ケール間の距離に関係なく正確な移動距離を測定
することができる光学式スケール読取装置を提供
することにある。
ケール間の距離に関係なく正確な移動距離を測定
することができる光学式スケール読取装置を提供
することにある。
第１図は、本発明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レーザが用いられる。Ｍは、
光源１の光出力を受けるハーフミラーである。Ｌ
は、該ハーフミラーの通過光を受けるレンズであ
る。２は、反射面及び透過面が等間隔で並んだ目
盛格子をもつスケールである。レンズＬを通過し
た光は、該スケールで反射する際多モードの回折
光を生じる。これら回折光はハーフミラーＭで一
部が反射する。３は、ハーフミラーＭの反射光を
受ける光検出器である。該光検出器としては例え
ばフオトダイオードが用いられる。
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レーザが用いられる。Ｍは、
光源１の光出力を受けるハーフミラーである。Ｌ
は、該ハーフミラーの通過光を受けるレンズであ
る。２は、反射面及び透過面が等間隔で並んだ目
盛格子をもつスケールである。レンズＬを通過し
た光は、該スケールで反射する際多モードの回折
光を生じる。これら回折光はハーフミラーＭで一
部が反射する。３は、ハーフミラーＭの反射光を
受ける光検出器である。該光検出器としては例え
ばフオトダイオードが用いられる。
４は、光検出器３の出力を受けてこれを増幅、
演算、波形整形してスケール２の移動距離に対応
した信号ＰAとスケールの移動方向を示す信号ＰB
を出力する制御回路である。５は、該制御回路の
出力を受けて移動距離及び移動方向を表示する表
示器である。このように構成された装置の動作を
以下に説明する。
演算、波形整形してスケール２の移動距離に対応
した信号ＰAとスケールの移動方向を示す信号ＰB
を出力する制御回路である。５は、該制御回路の
出力を受けて移動距離及び移動方向を表示する表
示器である。このように構成された装置の動作を
以下に説明する。
光源１より放射された光束は、ハーフミラーＭ
を透過しレンズＬでスケール２上に投射される。
スケール２は、例えばガラス上にCrメツキをほ
どこし、エツチング加工によつて透過面と反射面
がスリツト状に規則正しく形成されたもので、第
２図にスケールの一例を示す。繰り返しピツチと
しては20μｍ程度である。該スケールは、反射型
の回折格子として動作し、スケールに投射した光
束は０次、±１次、±２次…の回折光として反射す
る。ここで、２次以上の回折光は光量も小さく、
光学系の絞り等で阻止することができるので無視
する。
を透過しレンズＬでスケール２上に投射される。
スケール２は、例えばガラス上にCrメツキをほ
どこし、エツチング加工によつて透過面と反射面
がスリツト状に規則正しく形成されたもので、第
２図にスケールの一例を示す。繰り返しピツチと
しては20μｍ程度である。該スケールは、反射型
の回折格子として動作し、スケールに投射した光
束は０次、±１次、±２次…の回折光として反射す
る。ここで、２次以上の回折光は光量も小さく、
光学系の絞り等で阻止することができるので無視
する。
スケール２上で反射した０次及び±１次回折光
は、レンズＬを透過しハーフミラーＭで反射して
光検出器３に入射する。第３図に、光検出器の一
構成を示す。同図より明らかなように、この光検
出器はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに４分割されており、それ
ぞれ干渉縞ピツチと同一のピツチのスリツト状感
光部で構成されている。かつ、これら分割された
Ａ〜Ｄの各感光部は干渉縞に対して位相がそれぞ
れ０゜，90゜，180゜，270゜となるように構成さ
れている。光検出器３上では、各回折光により干
渉縞が生じる。±１次回折光は、スケール２と読
取りヘツドの相対的な移動によりその光の位相が
変化する。このため、干渉縞が光検出器３上を移
動する。
は、レンズＬを透過しハーフミラーＭで反射して
光検出器３に入射する。第３図に、光検出器の一
構成を示す。同図より明らかなように、この光検
出器はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに４分割されており、それ
ぞれ干渉縞ピツチと同一のピツチのスリツト状感
光部で構成されている。かつ、これら分割された
Ａ〜Ｄの各感光部は干渉縞に対して位相がそれぞ
れ０゜，90゜，180゜，270゜となるように構成さ
れている。光検出器３上では、各回折光により干
渉縞が生じる。±１次回折光は、スケール２と読
取りヘツドの相対的な移動によりその光の位相が
変化する。このため、干渉縞が光検出器３上を移
動する。
光検出器３の出力は、続く制御回路４に入力す
る。制御回路４は、光検出器３のＡ〜Ｄ各感光部
のとれぞれ90゜ずつ位相の異なる出力ＶA，ＶB，
ＶC，ＶDを受けて（ＶA−ＶC）と（ＶB−ＶD）を
演算する。（ＶA−ＶC）からはスケール２の移動
距離に対応した信号ＰAがつくられ波形整形され
て出力される。一方、（ＶA−ＶC）と（ＶB−Ｖ
D）の両方の位相差を利用してスケール２の移動
方向を示す信号ＰBがつくられて出力される。ＰB
信号の出力形式としては、例えばＸ軸（第１図参
照）に対して正方向に移動したときを“１”に、
負方向に移動したときを“０”に対応させること
ができる。あるいは、この逆でもよい。これら、
ＰA，ＰB信号は表示器５に送られて計数されて表
示される。上述の説明では、光検出器３の分割数
を４にとつたが４に限る必要はなく２以上であれ
ばよい。２以上あれば、位相の異なる２つの信号
を得ることができるので、スケール２の移動距離
及び移動方向を知ることができる。ところで、レ
ンズＬとスケール２間の距離（以下、作動距離と
いう）ｈが変動すると干渉縞のピツチが変化する
ため誤差となる。出願人は、作動距離ｈが測定に
影響を及ぼさない各パラメータの関係を求めるこ
とができた。以下にそれを説明する。
る。制御回路４は、光検出器３のＡ〜Ｄ各感光部
のとれぞれ90゜ずつ位相の異なる出力ＶA，ＶB，
ＶC，ＶDを受けて（ＶA−ＶC）と（ＶB−ＶD）を
演算する。（ＶA−ＶC）からはスケール２の移動
距離に対応した信号ＰAがつくられ波形整形され
て出力される。一方、（ＶA−ＶC）と（ＶB−Ｖ
D）の両方の位相差を利用してスケール２の移動
方向を示す信号ＰBがつくられて出力される。ＰB
信号の出力形式としては、例えばＸ軸（第１図参
照）に対して正方向に移動したときを“１”に、
負方向に移動したときを“０”に対応させること
ができる。あるいは、この逆でもよい。これら、
ＰA，ＰB信号は表示器５に送られて計数されて表
示される。上述の説明では、光検出器３の分割数
を４にとつたが４に限る必要はなく２以上であれ
ばよい。２以上あれば、位相の異なる２つの信号
を得ることができるので、スケール２の移動距離
及び移動方向を知ることができる。ところで、レ
ンズＬとスケール２間の距離（以下、作動距離と
いう）ｈが変動すると干渉縞のピツチが変化する
ため誤差となる。出願人は、作動距離ｈが測定に
影響を及ぼさない各パラメータの関係を求めるこ
とができた。以下にそれを説明する。
先ず、各パラメータを以下のように定義する。
ｈ：スケール２の反射面のＹ座標（作動距離）
Ｈ：レンズＬによる投射光束の結像位置のＹ座標
ｆ：レンズＬの焦点距離
Ｙd：光検出器３の受光面のＹ座標
λ：光の波長
θ：１次回折角（第１図参照）
ψ：光検出器３の受光面への入射角
ここで、Ｙdは回折光がハーフミラーＭをその
まま通過した場合の光検出器３に対応する位置の
Ｙ座標である。即ち、Ｙdは仮想検出面の座標で
ある。座標原点０はレンズＬの中心にとつてあ
る。
まま通過した場合の光検出器３に対応する位置の
Ｙ座標である。即ち、Ｙdは仮想検出面の座標で
ある。座標原点０はレンズＬの中心にとつてあ
る。
第１図より明らかなように、０次回折光の集光
点ａの座標Qa及び±１次回折光の集光点ｂ，ｃ
の座標Ｑb，Qcはそれぞれ次式で表わされる。
点ａの座標Qa及び±１次回折光の集光点ｂ，ｃ
の座標Ｑb，Qcはそれぞれ次式で表わされる。
Qa＝（０，2h−Ｈ） (1)
Ｑb（or Qc）＝（（ｈ−Ｈ）tanθ，2h−Ｈ） (2)
集光点ａ，ｂ，ｃのレンズＬによる各結像点
a′，b′，c′の座標Qa′，Ｑb′，Qc′はそれぞれ次式
で表わされる。即ち、Qa′＝（X0，Y0），Ｑb′＝
（Ｘ+1，Ｙ+1），Qc′＝（Ｘ-1′，Ｙ-1）とすれば X0＝０ (3) Y0＝−（２ｈ−Ｈ）ｆ／−（２ｈ−Ｈ）−ｆ (4) Ｘ±1＝（ｈ−Ｈ）ｔａｎθ／ｆ（ｆ−Y1）(5) Ｙ±1＝Y0 (6) 上記結像点からの光束は、光検出器面上で干渉す
る。ここで、結像点a′，b′間の間隔をｄとすると
干渉光は dsinψ＝Ｎ〓 （Ｎ；整数） (7) で強め合う。但しＹdはｄに比較して十分大きい
ものとする。干渉縞のピツチＰは、ψが十分小さ
いものとして次式で表わされる。
a′，b′，c′の座標Qa′，Ｑb′，Qc′はそれぞれ次式
で表わされる。即ち、Qa′＝（X0，Y0），Ｑb′＝
（Ｘ+1，Ｙ+1），Qc′＝（Ｘ-1′，Ｙ-1）とすれば X0＝０ (3) Y0＝−（２ｈ−Ｈ）ｆ／−（２ｈ−Ｈ）−ｆ (4) Ｘ±1＝（ｈ−Ｈ）ｔａｎθ／ｆ（ｆ−Y1）(5) Ｙ±1＝Y0 (6) 上記結像点からの光束は、光検出器面上で干渉す
る。ここで、結像点a′，b′間の間隔をｄとすると
干渉光は dsinψ＝Ｎ〓 （Ｎ；整数） (7) で強め合う。但しＹdはｄに比較して十分大きい
ものとする。干渉縞のピツチＰは、ψが十分小さ
いものとして次式で表わされる。
Ｐ＝（Ｙd−Y0）sinψ＝（Ｙd−Y0）λ／ｄ(8)
０次回折光と１次回折光の干渉縞ピツチＰ01は
次式で表わされる。
次式で表わされる。
Ｐ01＝ｆ〓／ｔａｎθ・Ｙｄ−Ｙ０／（ｈ−Ｈ）（ｆ−
Ｙ０）９ また、±１次回折光同志の干渉縞ピツチＰ±1は
次式で表わされる。
Ｙ０）９ また、±１次回折光同志の干渉縞ピツチＰ±1は
次式で表わされる。
Ｐ±1＝Ｐ01／２ （10）
(9)式は、(4)式を利用して次式のように変形する
ことができる。
ことができる。
ここで、Ｐ01をｈについて１次微分すると
ｄＰ０１／ｄｈ＝λ／ｆｔａｎθ・−（Ｙｄ−ｆ）Ｈ
−Ｙｄｆ／（ｈ−Ｈ）２（12） Ｐ01が全てのｈで（除くｈ＝Ｈ）一定であるため
にはdP01／dh＝０の条件を満たす必要がある。
従つて、（12）式より次式が成立する。
−Ｙｄｆ／（ｈ−Ｈ）２（12） Ｐ01が全てのｈで（除くｈ＝Ｈ）一定であるため
にはdP01／dh＝０の条件を満たす必要がある。
従つて、（12）式より次式が成立する。
−（Ｙd−ｆ）Ｈ−Ｙdｆ＝０ （13）
（13）式をＨについて解くと以下のとおりであ
る。
る。
Ｈ＝ｆＹｄ／ｆ−Ｙｄ （14）
ここで、Ｈの値として、（14）式を満足するよ
うな値をとると干渉縞ピツチＰ01は次式のように
なる。
うな値をとると干渉縞ピツチＰ01は次式のように
なる。
Ｐ01＝２λ／ｆｔａｎθ（Ｙd−ｆ） （15）
（15）式より明らかなように、作動距離ｈはＰ
01に影響を及ぼさない。従つて、作動距離ｈの如
何に拘らず正確なスケール移動距離を測定するこ
とができる。なお、このとき、＋１次、−１次回折
光間に生じる干渉縞のピツチＰ±1は次式で表わ
される。
01に影響を及ぼさない。従つて、作動距離ｈの如
何に拘らず正確なスケール移動距離を測定するこ
とができる。なお、このとき、＋１次、−１次回折
光間に生じる干渉縞のピツチＰ±1は次式で表わ
される。
Ｐ±1＝λ／ｆｔａｎθ（Ｙd−ｆ） （16）
実際の設計手順は以下のようにして行う。即
ち、レンズＬの焦点距離ｆ、干渉縞ピツチＰ01、
波長λ及び１次回折角θの正弦（sinθ）を予め
求めておく。次にこれらを用いて、（15）式から
Ｙdを算出する。Ｙdが求まつた後、（14）式から
Ｈを算出する。具体例で説明する。（ｆ＝7.5mm，
Ｐ01＝100μｍ，λ＝0.78μｍ，sinθtanθ＝
0.039）にとると、Ｙd＝27mm，Ｈ＝−10.5mmとな
る。第４図は、作動距離ｈと干渉縞ピツチＰ01の
関係を示す図である。図において、横軸をｈに縦
軸をＰ01にとつてある。f1はＨ＝−12mmのとき
の、f2はＨ＝−11mmのときの、f3はＨ＝−10.5mm
のときの、f4はＨ＝−10mmのときの、f5はＨ＝−
９mmのときのそれぞれ特性図である。Ｈ＝−10.5
mmのときには、ｈの如何に拘らずＰ01は一定であ
ることがわかる。
ち、レンズＬの焦点距離ｆ、干渉縞ピツチＰ01、
波長λ及び１次回折角θの正弦（sinθ）を予め
求めておく。次にこれらを用いて、（15）式から
Ｙdを算出する。Ｙdが求まつた後、（14）式から
Ｈを算出する。具体例で説明する。（ｆ＝7.5mm，
Ｐ01＝100μｍ，λ＝0.78μｍ，sinθtanθ＝
0.039）にとると、Ｙd＝27mm，Ｈ＝−10.5mmとな
る。第４図は、作動距離ｈと干渉縞ピツチＰ01の
関係を示す図である。図において、横軸をｈに縦
軸をＰ01にとつてある。f1はＨ＝−12mmのとき
の、f2はＨ＝−11mmのときの、f3はＨ＝−10.5mm
のときの、f4はＨ＝−10mmのときの、f5はＨ＝−
９mmのときのそれぞれ特性図である。Ｈ＝−10.5
mmのときには、ｈの如何に拘らずＰ01は一定であ
ることがわかる。
以上、説明したように光検出器３上の干渉縞は
０次と１次の回折光間に生じるものと、±１次回
折光間に生じるものとがある。実際の使用にあた
つては何れか一方の回折光をストツパ等の阻止手
段によつて阻止することによりどちらか一方の種
類の干渉縞を利用する。両方の回折光を重畳させ
た場合でも使用は可能である。例えば、この場合
光検出器３上では２種の干渉縞が重畳している
が、それらのピツチは（10）式の関係があるか
ら、２種の干渉縞の光強度の谷と谷とが一致する
ような作動距離ｈで動作する。この場合は、すべ
てのｈの範囲が連続的な動作範囲とならず、0.2
〜0.5mm程度の連続動作区間が断続して存在する
ことになる。この場合でも十分実用に供すること
ができる。
０次と１次の回折光間に生じるものと、±１次回
折光間に生じるものとがある。実際の使用にあた
つては何れか一方の回折光をストツパ等の阻止手
段によつて阻止することによりどちらか一方の種
類の干渉縞を利用する。両方の回折光を重畳させ
た場合でも使用は可能である。例えば、この場合
光検出器３上では２種の干渉縞が重畳している
が、それらのピツチは（10）式の関係があるか
ら、２種の干渉縞の光強度の谷と谷とが一致する
ような作動距離ｈで動作する。この場合は、すべ
てのｈの範囲が連続的な動作範囲とならず、0.2
〜0.5mm程度の連続動作区間が断続して存在する
ことになる。この場合でも十分実用に供すること
ができる。
スケール２としては、前述したガラスにエツチ
ング加工したものの他に、ホログラフイー干渉に
より作製した回折格子状のものも同様に使用する
ことができる。この場合、目盛格子ピツチは0.5
μｍ程度も可能で0.01μｍ分解能の読み取り装置
も可能である。また、レンズL1への入射光も第
１図に示す発散光に限らない。
ング加工したものの他に、ホログラフイー干渉に
より作製した回折格子状のものも同様に使用する
ことができる。この場合、目盛格子ピツチは0.5
μｍ程度も可能で0.01μｍ分解能の読み取り装置
も可能である。また、レンズL1への入射光も第
１図に示す発散光に限らない。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば
読取装置とスケール間の距離に関係なく正確な移
動距離が測定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。
読取装置とスケール間の距離に関係なく正確な移
動距離が測定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。
第１図は、本発明の一実施例を示す構成図であ
る。第２図は、スケールの一例を示す図である。
第３図は、光検出器の構成を示す図である。第４
図は、作動距離と干渉縞ピツチの関係を示す図で
ある。 １……光源、２……スケール、３……光検出
器、４……制御回路、５……表示器、Ｍ……ハー
フミラー、Ｌ……レンズ。
る。第２図は、スケールの一例を示す図である。
第３図は、光検出器の構成を示す図である。第４
図は、作動距離と干渉縞ピツチの関係を示す図で
ある。 １……光源、２……スケール、３……光検出
器、４……制御回路、５……表示器、Ｍ……ハー
フミラー、Ｌ……レンズ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 可干渉性光源と、該光源の光出力を受けるハ
ーフミラーと、該ハーフミラーの透過光を受ける
レンズと、該レンズの通過光を受ける反射面及び
透過面が等間隔で並んだ目盛格子をもつスケール
と、該スケールの反射回折光のうちの特定モード
回折光を阻止する手段と、前記ハーフミラーを反
射した回折光により生じる干渉縞に対してそれぞ
れ90゜ずつ位相をずらして配された少くとも２個
以上の受光素子と、該受光素子のそれぞれの出力
を受けて前記スケールの移動距離に対応したパル
ス及びその移動方向を示す信号を出力する制御回
路とにより構成されてなる光学式スケール読取装
置において、 前記レンズの中心を原点とし、該レンズの焦点
距離をｆ、前記受光素子の受光面のＹ座標をＹ
d、前記レンズの投射光束の結像位置のＹ座標を
Ｈと定義したときに、 Ｈ＝ｆＹｄ／ｆ−Ｙｄ の関係を満足するように前記各要素の位置関係が
定まつていることを特徴とする光学式スケール読
取装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56075581A JPS57190202A (en) | 1981-05-19 | 1981-05-19 | Device for reading optical scale |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56075581A JPS57190202A (en) | 1981-05-19 | 1981-05-19 | Device for reading optical scale |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57190202A JPS57190202A (en) | 1982-11-22 |
| JPS6126005B2 true JPS6126005B2 (ja) | 1986-06-18 |
Family
ID=13580296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56075581A Granted JPS57190202A (en) | 1981-05-19 | 1981-05-19 | Device for reading optical scale |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57190202A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4967072A (en) * | 1984-09-05 | 1990-10-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Interferometric rotating condition detection apparatus |
| JPS6212814A (ja) * | 1985-07-10 | 1987-01-21 | Canon Inc | ロ−タリ−エンコ−ダ− |
| GB2185314B (en) * | 1986-01-14 | 1990-09-26 | Canon Kk | Encoder |
| JP6003372B2 (ja) * | 2012-08-07 | 2016-10-05 | 富士通株式会社 | 光学式ロータリーエンコーダ及びその補正方法 |
-
1981
- 1981-05-19 JP JP56075581A patent/JPS57190202A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57190202A (en) | 1982-11-22 |
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