JPS6139289Y2 - - Google Patents

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JPS6139289Y2
JPS6139289Y2 JP18515181U JP18515181U JPS6139289Y2 JP S6139289 Y2 JPS6139289 Y2 JP S6139289Y2 JP 18515181 U JP18515181 U JP 18515181U JP 18515181 U JP18515181 U JP 18515181U JP S6139289 Y2 JPS6139289 Y2 JP S6139289Y2
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scale
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diffraction grating
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、光の干渉を用いた光学式スケール読
取装置に関し、特にスケールに位相変調形の回折
格子を用いて回折効率等を向上させた光学式スケ
ール読取装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to an optical scale reading device that uses optical interference, and more particularly to an optical scale reading device that uses a phase modulation type diffraction grating in the scale to improve diffraction efficiency and the like.

従来より、光の干渉を利用した光学式スケール
読取装置が知られている。この種の装置では、ス
ケールとしてガラス基板上に反射膜を格子状に蒸
着し、反射面と透過面が交互に配列された振幅変
調形の回折格子が用いられる。このような振幅変
調形の回折格子は、以下に示すような欠点を有し
ている。
2. Description of the Related Art Optical scale reading devices that utilize light interference are conventionally known. In this type of device, a reflection film is deposited in a grid pattern on a glass substrate as a scale, and an amplitude modulation type diffraction grating in which reflection surfaces and transmission surfaces are alternately arranged is used. Such amplitude modulation type diffraction gratings have the following drawbacks.

(1) 回折効率が低い (2) 0次、±1次回折光のうち、2光束を干渉さ
せるために、不要な回折光を除去するストツパ
等を必要とする。または、ヘツドとスケール間
隔の性能が制限される。
(1) Diffraction efficiency is low. (2) In order to cause two beams of light among the 0th order and ±1st order diffracted light to interfere, a stopper or the like is required to remove unnecessary diffracted light. Or, head and scale spacing performance is limited.

(3) ±1次回折光どおしの干渉では、分解能が1/
2になり有利であるが、干渉が生じにくい。
(3) In interference between ±1st-order diffracted lights, the resolution is 1/
2, which is advantageous, but interference is less likely to occur.

(4) 高分解能を得るための高密度格子をつくるの
が困難である。
(4) It is difficult to create a dense grid to obtain high resolution.

本考案は、このような点に鑑みてなされたもの
で、スケールとして位相変調形の回折格子を用い
ることにより上記欠点を除去した光学式スケール
読取装置を実現したものである。以下、図面を参
照して本考案を詳細に説明する。
The present invention has been made in view of these points, and has realized an optical scale reading device that eliminates the above-mentioned drawbacks by using a phase modulation type diffraction grating as a scale. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は、本考案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、例えば半導体レーザが用いられ
る。L1は、光源1の出力光を集光する第1のレ
ンズである。2は、該レンズの透過光を受けるキ
ユーブプリズムである。3は、該プリズムの通過
光を受ける1/4波長板である。L2は、該1/4波長
板の透過光を受けて集光する第2のレンズであ
る。4は、該レンズを通過した入射光を受けるス
ケールである。該スケールとしては、位相変調形
の回折格子が用いられる(詳細後述)。スケール
4に入射した光は、反射する際に多モードの回折
を生じる。この反射回折光は、レンズL2、1/4波
長板3を経てキユーブプリズム2で反射する。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a coherent light source. For example, a semiconductor laser is used as the light source. L 1 is a first lens that focuses the output light of the light source 1 . 2 is a cube prism that receives the light transmitted through the lens. 3 is a 1/4 wavelength plate that receives the light passing through the prism. L 2 is a second lens that receives the light transmitted through the quarter-wave plate and focuses the light. 4 is a scale that receives the incident light that has passed through the lens. A phase modulation type diffraction grating is used as the scale (details will be described later). The light incident on the scale 4 causes multimode diffraction when reflected. This reflected diffraction light passes through the lens L 2 and the quarter-wave plate 3 and is reflected by the cube prism 2.

5は、反射回折光によつて生じた干渉縞を受け
る受光手段である。該受光手段は、受光素子d1
d4より構成されている。PA〜PDは、各受光素子
の出力を受ける増幅器である。6は、これら増幅
器の出力を受けてスケール4の移動距離を示す信
号OUT1及び移動方向を示す信号OUT2を出力
する制御回路である。このように構成された装置
の動作を説明すれば、以下のとおりである。
5 is a light receiving means for receiving interference fringes generated by the reflected and diffracted light. The light receiving means includes light receiving elements d 1 to
It is composed of d 4 . P A to P D are amplifiers that receive the output of each light receiving element. 6 is a control circuit which receives the outputs of these amplifiers and outputs a signal OUT1 indicating the moving distance of the scale 4 and a signal OUT2 indicating the moving direction. The operation of the device configured as described above will be explained as follows.

光源1から発射された光は、レンズL1で集光
され、キユーブプリズム2に入る。キユーブプリ
ズムは、第2図に示すように全方向の偏光成分を
もつ入射αに対して、該プリズムと偏光角が一致
した成分γは全て透過させるが、それと直角方向
の偏光成分βは全て反射するという性質を有して
いる。可干渉性光源1として例えば半導体レーザ
を用いた場合、その光は50〜90%の直線偏光にな
つている。従つて、半導体レーザ光の偏光角を偏
光キユーブプリズム2の偏光角に合わせてやれ
ば、入射光の直線偏光成分は全て透過する。この
透過した直線偏光を1/4波長板3に通す。このと
き、1/4波長板3を回転させて偏光角を合わせれ
ば第3図に示すように透過光を円偏光にすること
ができる。
Light emitted from a light source 1 is focused by a lens L 1 and enters a cube prism 2 . As shown in Figure 2, the cube prism transmits all of the component γ whose polarization angle matches that of the prism for the incident α which has polarization components in all directions, but all of the polarization component β in the direction perpendicular to it is transmitted. It has the property of being reflective. When, for example, a semiconductor laser is used as the coherent light source 1, the light is 50 to 90% linearly polarized. Therefore, if the polarization angle of the semiconductor laser beam is made to match the polarization angle of the polarizing cube prism 2, all linearly polarized components of the incident light will be transmitted. This transmitted linearly polarized light is passed through a quarter wavelength plate 3. At this time, if the quarter wavelength plate 3 is rotated to match the polarization angle, the transmitted light can be made into circularly polarized light as shown in FIG.

この光を、レンズL2を介してスケール4に集
光し回折させる。第4図は、位相変調形回折格子
のの動作を示す図である。10は、ガラス基板で
ある。11は、Au、或いはAでその表面がコー
デイングされたレジストである。基板10とレジ
スト部間の凹凸深さhは、1/4に等しくなるよう
にとられる。ここでλは光の波長である。図に示
す凹凸部により位相差がλ/2であるため、0次
回折光は小さいが、±1次回折角方向は位相差が
πとなつて強め合う。このように凹凸深さhが決
められる。図中、f1は+1次回折光、f2は−1次
回折光である。12は、散乱光強度分布である。
なお、格子形状としては図に示す矩形状格子の他
に、第5図に示す3角波状位相格子を用いたもの
や、第6図に示すように正弦波状位相格子を用い
たもの、或いは3次元状の位相格子が用いられ
る。第5図に示す3角波状位相格子は、0次回折
光が小さく、±1次回折光を用いるため高分解能
である。第6図に示す正弦波状位相格子は、製造
が容易であるという特長を有する。なお、第6図
のf3は0次回折光を示す。
This light is focused on the scale 4 via the lens L2 and diffracted. FIG. 4 is a diagram showing the operation of the phase modulation type diffraction grating. 10 is a glass substrate. 11 is a resist whose surface is coated with Au or A. The depth h of the unevenness between the substrate 10 and the resist portion is set to be equal to 1/4. Here, λ is the wavelength of light. Since the phase difference is λ/2 due to the uneven portion shown in the figure, the 0th-order diffracted light is small, but in the ±1st-order diffraction angle directions, the phase difference becomes π and they become stronger. In this way, the unevenness depth h is determined. In the figure, f 1 is +1st-order diffracted light, and f 2 is -1st-order diffracted light. 12 is a scattered light intensity distribution.
In addition to the rectangular grating shown in the figure, the grating shape may be one using a triangular wave phase grating as shown in FIG. 5, one using a sine wave phase grating as shown in FIG. A dimensional phase grating is used. The triangular wave-like phase grating shown in FIG. 5 has a high resolution because the 0th order diffracted light is small and the ±1st order diffracted lights are used. The sinusoidal phase grating shown in FIG. 6 has the advantage of being easy to manufacture. Note that f 3 in FIG. 6 indicates the 0th order diffracted light.

スケール4で反射して回折する反射回折光もや
はり円偏光である。この反射回折光を、レンズ
L2で集め再び1/4波長板3に通す。透過光は、第
3図に示す出力光δと同じく前述の入射直線偏光
と90゜偏光角の異なる直線偏光となる。従つて、
今度は全ての光が反射する。この反射した回折光
は、受光手段5上に±1次回折光による干渉縞を
つくる。第1図中のS1,S2はこの干渉縞を示す。
互いに隣り合つた干渉縞S1,S2に配置された受光
素子d1〜d4は、光の明暗に応じた電気信号を発生
させている。
The reflected diffracted light reflected and diffracted by the scale 4 is also circularly polarized light. This reflected and diffracted light is passed through a lens.
It is collected at L 2 and passed through the 1/4 wavelength plate 3 again. The transmitted light, like the output light δ shown in FIG. 3, becomes linearly polarized light having a polarization angle of 90° different from the above-mentioned incident linearly polarized light. Therefore,
This time all the light is reflected. This reflected diffracted light forms interference fringes on the light receiving means 5 due to the ±1st order diffracted light. S 1 and S 2 in FIG. 1 indicate these interference fringes.
The light receiving elements d 1 to d 4 arranged in the interference fringes S 1 and S 2 adjacent to each other generate electrical signals corresponding to the brightness and darkness of the light.

今、光源1から可干渉性光が照射されている状
態で、スケール4を或る方向に移動させたとす
る。このとき、受光素子d1〜d4に入力する光は、
スケール4の格子ピツチの2倍のピツチで周期的
明暗を生じる。これら受光素子は、前述したよう
にそれぞれ90゜ずつ位相がずれた位置に取付けら
れているので、これら受光素子の出力はそれぞれ
90゜ずつ位相のずれた正弦波となる。これら出力
は、それぞれ続く増幅器A〜Dに入力する。増幅
器A〜Dは、入力信号を適当なレベルに増幅する
とともにインピーダンス変換を行う。これら増幅
器のそれぞれの出力をPA,PB,PC,PDとす
る。
Suppose now that the scale 4 is moved in a certain direction while being irradiated with coherent light from the light source 1. At this time, the light input to the light receiving elements d 1 to d 4 is
Periodic brightness and darkness are produced at twice the grid pitch of scale 4. As mentioned above, these light receiving elements are installed at positions that are out of phase by 90 degrees, so the outputs of these light receiving elements are
The result is a sine wave with a phase shift of 90 degrees. These outputs are input to subsequent amplifiers A to D, respectively. Amplifiers A to D amplify the input signal to an appropriate level and perform impedance conversion. Let the respective outputs of these amplifiers be P A , P B , P C , and P D .

制御回路6は、これらPA〜PD出力を受けてそ
の1の出力端子OUT1に(PA−PC)に対応し
たパルスを出力する。該出力端子から出力される
パルスの数は、スケール4の移動距離に対応した
ものなる。また、制御回路6の他の出力端子
OUT2からは、(PA−PC)と(PB−PD)の位
相差を利用してスケール4の移動方向を示す信号
が出力される。該信号の出力形式としては、例え
ばスケール4が右方向に移動したときを“1”
に、左方向に移動したときを“0”それぞれ対応
させることができる。或いはこの逆でもよい。出
力端子OUT1及びOUT2からの両出力を利用す
ることにより、本装置を光学式スケール読取装置
として利用することができる。
The control circuit 6 receives these P A -PD outputs and outputs a pulse corresponding to (P A -P C ) to one output terminal OUT1. The number of pulses output from the output terminal corresponds to the moving distance of the scale 4. In addition, other output terminals of the control circuit 6
From OUT2, a signal indicating the moving direction of the scale 4 is outputted using the phase difference between (P A - P C ) and (P B - P D ). For example, the output format of this signal is "1" when scale 4 moves to the right.
The movement to the left can be made to correspond to "0". Or it may be the other way around. By using both outputs from the output terminals OUT1 and OUT2, this device can be used as an optical scale reading device.

以上説明した本考案装置は、スケールとして位
相変調形の回折格子を用いることにより、以下に
示すような特長を有する。
The device of the present invention described above has the following features by using a phase modulation type diffraction grating as a scale.

(1) 透過、吸収などの光損失が小さいため、回折
効率が大きい。
(1) Diffraction efficiency is high because optical losses such as transmission and absorption are small.

(2) 格子の構造により必要な次数の回折光のみ取
り出せるため回折効率が高い。従つて、S/N
比が向上する。
(2) Diffraction efficiency is high because only the required order of diffracted light can be extracted due to the grating structure. Therefore, S/N
ratio is improved.

(3) 干渉させる光束として、必要な次数の回折光
のみ取出せるため、不要回折光阻止のための機
構が要らない。従つて、読取ヘツドの構成が簡
単になると共に、スケールと読取ヘツド間隔の
動作領域が拡大する。
(3) Since only the required order of diffracted light can be extracted as the light beam to be interfered with, a mechanism for blocking unnecessary diffracted light is not required. Therefore, the configuration of the read head is simplified and the operating range of the scale and read head spacing is expanded.

以上、詳細に説明したように、本考案によれば
スケールとして位相変調形の回折格子を用いて、
回折効率等を向上させた光学式スケール読取装置
を実現することができる。
As explained in detail above, according to the present invention, a phase modulation type diffraction grating is used as a scale,
An optical scale reading device with improved diffraction efficiency and the like can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。第2図は、キユーブプリズムの動作を示す図
である。第3図は1/4波長板の動作を示す図であ
る。第4図乃至第6図は、位相変調形回折格子の
動作を示す図である。 1……可干渉性光源、2……キユーブプリズ
ム、3……1/4波長板、4……スケール、5……
受光手段、6……制御回路、L1,L2……レン
ズ、d1〜d4……受光素子、A〜D……増幅器、1
0……基板、11……レジスト。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the operation of the Cube prism. FIG. 3 is a diagram showing the operation of a quarter-wave plate. 4 to 6 are diagrams showing the operation of the phase modulation type diffraction grating. 1...Coherent light source, 2...Cube prism, 3...1/4 wavelength plate, 4...Scale, 5...
Light receiving means, 6...control circuit, L1 , L2 ...lens, d1 to d4 ...light receiving element, A to D...amplifier, 1
0...Substrate, 11...Resist.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 可干渉性光源を光学系を介して回折格子状をな
すスケールに照射し、照射した光が反射または透
過する際に生じる多モードの回折光のうちの特定
モードの回折光同志が干渉する際に生じる干渉縞
を受光素子で受け、これを或る一定の位相ごとに
電気信号として取出すようにした光学式スケール
読取装置において、前記スケールとして反射光の
位相差または透過光の位相差が交互に規則正しく
なるように構成された位相変調形回折格子を用い
たことを特徴とする光学式スケール読取装置。
A coherent light source is irradiated through an optical system onto a scale forming a diffraction grating, and when the irradiated light is reflected or transmitted, a specific mode of diffracted light among the multiple modes of diffracted light interferes with each other. In an optical scale reading device that receives the interference fringes generated by a light receiving element and extracts them as electrical signals at each certain phase, the phase difference of the reflected light or the phase difference of the transmitted light is alternately and regularly arranged as the scale. An optical scale reading device characterized by using a phase modulation type diffraction grating configured as follows.
JP1981185151U 1981-12-11 1981-12-11 optical scale reader Granted JPS5889810U (en)

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JPS5889810U JPS5889810U (en) 1983-06-17
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3633574A1 (en) * 1986-10-02 1988-04-14 Heidenhain Gmbh Dr Johannes LIGHT ELECTRIC ANGLE MEASURING DEVICE
JP2019211360A (en) * 2018-06-06 2019-12-12 ファナック株式会社 Encoder

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JPS5889810U (en) 1983-06-17

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