JPS6347616A - 移動量測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、移動量測定方法に関する。この移動量測定方
法は各種のエンコーダーや、光デ・イスクシステムにお
けるトラッキング制御やシーク制御等に広く利用できる
。

（従来の技術） 光源からの光を被検体に照射し、被検体による反射光も
しくは透過光を光センサーで検知することにより、被検
体に関する物理量を測定することは、従来広く行なわれ
ており、光学的測定方式として計測上の１ジヤンルをな
している。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、従来の光学的測定方式にはない、全く新規な
光学的測定方式のひとつとして、移動量測定方法を提供
することをもって、その解決課題としている。

（問題点を解決するための手段） 以下１本発明を説明する。

本発明において、測定の対象となるのは、被検体に関す
る物理量のうち、被検体の製動１であ乙。

また、本発明の移動量測定方法によ）移動（）士を測定
される被検体は、単周期的構造の構造物である。ここに
、単周期的構造の構造物というのは、その光学的な性質
、例えば、屈折率、反射率、ｉ吸収率等が、単−周期、
すなわち、一定のピッチで、繰返し変化しているものを
いう。このような構造物としては、例えば、リニヤエン
コーダーにおけるスケールや、ロータリーエンコーダー
における符号円板をあげることができる。あるいは、光
ディスクも、これを、半径方向にみるときは、トラック
配列により、光学的性質が、単周期に変化しているので
、本明細書中にいう単周期的構造の構造物の１例として
あげることができる。また、構造物における単一周期は
、照射光に顕著な回折現象を生じさせる程度の微小なも
のである。

さて、本発明の特徴の一端は、被検体としての上記の如
き構造物に対し、単色の点状光源からの発散性の光束を
照射する点にある。

単色の点状光源というのは、まず第１に、その発する光
の波長が、特定の波長に定まっていることを意味する。

第２に、点状光源は、その発光面積が極めて小さいため
に、被検体としての構造巧の単周期的構造のピッチに対
し１点光源と見なし得るような光源を意味する。

従って、単色の点状光源の具体的な例としては、レーザ
ー光源からの光をレンズで集束させて得られる集光部や
、あるいは、半導体レーザー、さらには、上記集光部や
、半導体レーザーの発光部にピンホールを配したもの等
をあげることができる。

本発明の実施に使用しうる、単色の点状光源のひとつの
好適な例は、出願人が先に提案したマスク半導体レーザ
ーである（昭和６１年７月２９日出願）。マスク半導体
レーザーは、半導体レーザーの放射光を遮断するマスク
層を半導体レーザーの射出面に形成したのち、半導体レ
ーザーの出力光自体のエネルギーによって、マスク層の
一部を除去ないし透明化してピンホールを形成したもの
、すなわち、ピンホールの形成されたマスクを有する半
導体レーザーである。

さて、本発明の他の特徴として、被検体たる構造物と、
点状光源と１元センサーの位置関係の調整により、構造
物の単周期的構造に対応する拡大的な、影絵的回折パタ
ーンを、光センサーの位置に発生せしめることをあげる
ことができる。影絵的回折パターンは勿論、構造物によ
る反射光もしくは透過光によって生成される。

影絵的回折パターンについては、後に詳述するが、簡単
にいうと、特殊な回折パターンであって点状光源と、被
検体である単周期的構造の構造物と、パターンの発生面
とが、所定の位置関係をみたすときに、発生する。上記
位置関係はまた、発散性の光束の波長、構造物における
単周期的構造のピッチにより規定される。このような影
絵的回折パター７は、それ自体、単周期的な構造を有し
。

構造物における単周期的構造と対応する。

影絵的回折パターンは、それが回折パターンであるにも
かかわらず、それらのうちのあるものは、あたかも、点
光源で構造物を照射したときの、影絵パターンに合致す
るので、影絵的回折パターンと呼ばれるのである。

影絵的回折パターンの存在は、従来全く知られておらず
、発明者らにより初めて、その存在が、理論的に、また
実験的に確認されたものである。

影絵的回折パターンが発生している状態において、被検
体たる構造物が、照明光束を横切る方向へ移動すると、
それに応じて、影絵的回折パターンは、上記発生面上を
移動する。影絵的回折パターンは、拡大的であるので、
その移動速度は、被検体の移動速度に拡大倍率すなわち
、点状光源から発生面あるいは光センサーまでの距離と
、点状光源から、被検体たる構造物までの距離の比をか
けたものとなる。

そこで、上記発生面上に光センサーを配備して上記影絵
的回折パターンの移動量を検知することにより、被検体
としての構造物の移動量を知ることができ、必要とあら
ば、さらに、微分演算を施すことにより構造物の移動速
度や、加速度を知ることもできる。

なお、構造物が、照明光束を横切るように移動する、と
は１点状光源と構造物との最短距離が略一定に保たれる
ようにして構造物が移動することを意味し、その際の構
造物の移動方向は、単周期的構造における周期方向に直
交する方向をのぞく方向であり、−船釣には、上記周期
方向に平行もしくは略平行な方向である。

なお、上述の説明から明らかなように、影絵的回折パタ
ーンを、光センサーの位置に発生せしめるとは、光セン
サーが、影絵的回折パターンの発生面上に位置するよう
にすることを意味し、発生面上に光センサーを配するこ
と、あるいは、あらかじめ設定条件を調整して、光セン
サーの配置位置に装置して発生面位置を選択することを
意味する。

（作　用） 以下、影絵的回折パターンにつき、説明する。

第４図は、影絵的回折パターンを、透過光により生成さ
せる場合における、点状光源、構造麹、影絵的回折パタ
ーンの発生面上をモデル化して示している。

図中、符号Ｑは点状光源を理想化した点光源、符号Ｇは
、被検体たる単周期的構造の構造物をモデル化した回折
格子、符号Ｓは１発生面に対応するスクリーンを示す。

回折格子Ｇにおけるスリットの長手方向は１図面に直交
する方向である。

また、回折格子Ｇにおけるスリット幅をεＯとし、格子
のピッチ（単周期的構造における周期に対応する）を、
図のごとくξ０とする。また、回折格子Ｇに一致させて
１図の如くξ軸をとり、スクリーンＳに一致させて、Ｘ
軸をとる。

また、点光源Ｑから、回折格子Ｇに垂線をおろし、その
垂線と回折格子Ｇとの交点および、上記垂線の延長とス
クリーンＳとの交点（Ｐａ点）をもって、ξ軸および、
Ｘ軸の原点とする。

さらに、点光源Ｑと回折格子Ｇとの間の距離を図の如＜
ト、回折格子ＧとスクリーンＳとの間の距離をｂとする
。

さて１点光源Ｑを発光させて、回折格子Ｇを照射すると
、点光源Ｑからの光は球面波となって回折格子Ｇに到達
し、回折格子Ｇの、各スリットからは、２次波が発生し
て、スクリーンＳに向って伝播する。

そこで、スクリーンＳ上の任意の点Ｐにおける光の波動
量ｕ　（Ｐ）を考えてみると、この波動量Ｕω）は、回
折格子Ｇの各スリットからの２次波の波動量の和で与え
られる。この和は１次の積分で与えられることが知られ
ている（例えば、久保田広著、波動光学、Ｐ２４４　）
。

Ｏ この（１）式において、θは、第４図に示すように。

任意のスリン）Ｔにおける球面波の法線方向と。

線分子Ｐとのなす角を示す。魚θは、インクリネイショ
ンファクターと呼ばれる。

またｕＱは、回折格子Ｇが存在しない場合に。

点光源Ｑかもの光が直接Ｐ点に致達したと考えたときの
波動量である。さらに、βは、第４図に示す、光路ＱＴ
ｏＰｏの光路長（ｂｏ＋　ｂ）と、光路ＱＴＰの光路長
との差であり、ｄσはスリットＴの位置数、ｉは虚数単
位である。また、ｆは、距離の次元をも９つパラメータ
ーであり、 で定義される。

さて、本発明の具体的な実施状況にあっては、ｂｕｂｏ
＞ξ０なる条件が満足される。このような条件下では、
上記θは、略Ｏに近く、インクリネイシーンファクター
魚θミ１とすることができる。

また、光路長差βは、第４図い示す角α、γを用いると
、 と表すことができる。スリットＴの、ξ座標をξとする
と、 ｂｌ であるから、これらを用いると、（３）はであることを
考慮すると、良い近似において、と書くことができる。

さらに、 −ｔ　　　　　ｂ。

ｂ　　　ｂ＋ｂ（１ によって、新たなパラメーターＸを導入し、（４）式％
式％ 魚θご１なる条件のもとで（５）式を用いて（１）式を
書き直すと、 ｆ となる。ここで、ξはスリットのピッチξ０の整数倍す
なわちｎξ０であるとし、またスリットの幅εＯが、格
子のピッチξ０に比して、ε０（ξ０であるとすると、
積分を和におきかえることができて、となる。この式で
は整数ｎはＯからｎＱまでとしであるが、これは、　−
ｎｌからｎ２までとしてもよい。

て良いから、上記（ＩＢ）は、良い近似において、とな
る。ここで、さらに、 とおくと、（ＩＣ）は となり、さらに、 となる。ここに、引数として入りているｎは、第４図の
Ｔｏの位置から数えたスリットの番号であって、±１．
±２．・・・であシ、ｎ（、は、実質的に、発散性の光
束で照射される最外部のスリットの番号である。

（６）式にもとづいて、Ｕψ）を算出すると、スクリ−
ンＳ上のＰ点における光強度は、１ｕ（ｐ）Ｉ”に比例
することになる。

従って、Ｘの関数としての１ｕω）１２が、回折パター
ンを与えることになる。

ここで（６）式にもとづき、スクリーンＳ上の特定の位
置におけるｕ　（１））および１ｕ（ｐ］２を求めてみ
る。

この目的のために。

ψ。＝ψａ（ｎ−ｍ）２ とおくと、（６）式は、 ｕ（ｐ）＝に−Σｅｘｐ（ｉψｎＪ　　　　　　　　（
６Ａ）ｎ−、） となるが、この式（６Ａ）においてｅｘｐ４　ｉψ１）
は複素平面上：ておける偏角ψｎの単位ベクトルをあら
れすがら、（６Ａ）式は、結局、複素平面上におけるベ
クトル和として求めることができる。

まず、ｍ＝ｏの場合を考えて見る。前述のとおり、ｍ−
４゜であるから、ｍ＝＝ｏは、ｘ＝ｏを意０を意味する
。

従ってｌｍ＝０としてＵω）、Ｉｕ（ｐ）１２　を求め
ることは、実際には、第４図におけるＰ。点での波動量
ｕ（ｐｏ）と、その相対的な光強度を求めることを意味
する。

ｍ＝ｏでは、（６Ａ）におけるψｎ−，ψｎ２である。

ｆ として見ると、ｎの値に応じてｓ　？　ｒｌ　”’　２
π・ｎ２　となるから、単位ベクトルｅｘｐ（ｉψ。）
はすべて、同方向で同じ向きとなり、実軸上にある。そ
こで、このときのｕ　（ｐ　ｏ）から得られる光強ａ　
１ｕ（ｐｏ］２を規格化して、相対強度１とする。

次に、ψｏ＝／　として見ると、ψ。＝／　・ｎ２とな
るから、単位ベクトルｅｘｐ（ｉψｎ）は、　ｎ　＝　
Ｑおよび偶数のｎに対しては、実軸上の正の向きを向く
単位ベクトルとなり、奇数のｎに対しては虚軸上の正の
向きを向く単位ベクトルとなる。

従って、（６Ａ）の和の項はｆＴに比例する量となり、
１ｕ（ｐθ月２を規格化して得られる相対強度はの、Ｉ
ｕ（ｐｏ１２の規格化きれた相対強度を表１に示す。

表　　　　　　　　　１ 同様にして、ｍ＝−のときの、ψｏ＝２π、π。

す。

表　　　　　　　　　２ 一ξ０であることを意味する。

示された相対強度が算出されているスクリーン上の位置
は、第４図において、Ｔｏに隣接するスリットの、点光
源ＱによるスクリーンＳ上の影の位置とＰｏ点との中間
点であることになる。

（６Ａ）から算出された回折パターン１ｕ（ｐ）１２の
うちで、ψ０が、特定の値をとるときのもの）よ、影絵
的回折パターンを与える。

第５図ないし第１５図に、影絵的回折パターンの例を１
１例示す。これらの各影絵的回折パターンの図において
縦軸は、光強度Ｉを、横軸ＸはスクリーンＳ上、すなわ
ち、影絵的回折パターンの発生面上におこる位置を示す
。Ｘ軸上で０点は、第４図における一Ｐａ点に対応し、
また±１の位置は、第５図に示すように、点光源Ｑから
、回折格子Ｇ上のスリットＴｏの隣接スリットＴ’＋　
＋　Ｔ−”　を通して見えるスクリーン部分をあられす
。

これらの図から明らかなように、影絵的回折パターンは
、それ自体、単周期的な構造を有している。そして、第
４図において、回折格子Ｇがξ方向へ移動すると、これ
らの影絵的回折パターンも、スクリーンＳ上をＸ方向へ
移動し、その移動速さここで、第５図の影絵的回折パタ
ーンを例にとって、前述の計算との対応を説明する。

第５図に示す影絵的パターンは、ψｏ　＝　２πという
条件で与えられている。このとき、輝線状の像Ｉｏは、
ψｏ＝２πという条件下における光強度を意味するから
、表１におけるψＧ＝２πに対応する相対強度１に対応
する。

また、像Ｉ±１／２は、ｍ＝１／２における、ψＯ＝２
πという条件下での光強度であるから、表２におけるψ
。＝２πに対応する相対強度１に応じている。

像Ｉｏ、Ｉ±１を見ると、これらは、点光源Ｑによる、
スリ１）　ＴＯｌＴ−１＝１の影絵そのものに一致して
いる。

また、第６図の影絵的回折パターンでは、ψ０−πであ
る。このため１例えば０点では、表１の相対値Ｏから明
らかなように、像は生じない。

第６図の影絵的回折パターンは１点光源Ｑによるスリッ
トＴｏ、Ｔ±１（第５図）の影絵パターンを、半ピッチ
分、Ｘ方向へずらしたものとなっている。

まだ、第７図に示ちれている影絵的回折パターンは、ψ
Ｇ＝−という条件で得られるものであるが、これは、図
から明らかなように、点光源Ｑによる、回折格子Ｇの、
完全な影絵パターンと合致している。このように、影絵
パターンと完全に合致するような回折パターンを含むた
め、これまで説明してきたような、回折パターンを、影
絵的回折パターンと称することは先に述べた通りである
。

ここで、再び、例として第５図の影絵的回折パターンを
とりあげて見よう。

スクリーンにあたる部位、すなわち、影絵的回折パター
ンの発生面に、光センサーを配備し１回折格子Ｇをξ方
向（第５図α左右方向）へ移動させると、それに応じて
影絵的回折パターンもＸ方向で移動するから、光センサ
ーが、保工◇、Ｉ±１７２等を受光することにより、影
絵的回折パターンの移動量を検知することができる。

このとき、第５図の影絵的回折パターンでは、像■。、
エヤ！／２１　　Ｉ創が等間隔であシ、例えば、光セン
サーが像Ｉ　−１、Ｉ　−１／２　＋　　Ｉｇ・・・の
順に、受光する場合を考えて見ると、像Ｉ−＋、Ｉｏが
受光される間に、回折格子Ｇの方は、格子部ξ０（第４
図）だげ移動する訳である。しかるに、像ニー１　＋　
Ｉ−’／　＊Ｉｏは等間隔であシ、光センサーが、像Ｉ
−１とＩ。

との間に、像ニーＶを受光することにより、回折路子の
移動量は、ξｏ７□の大きさまで高精度に検出６れるこ
とになる。

このように、用いる影絵的回折パターンによっては、被
検体たる構造物における単周期的構造のピッ゛チよりも
、さらに細かい移動量を検出できる。

例えば、影絵的回折パターンとして、第１５図に示す如
く、ψ０＝−πに対応するものを用いると、構造物にお
けるピッチの１／１ｏの移動量まで高精度に検知できる
ことになる。

さて、これまでの説明から明らかになったように、影絵
的回折パターンは、回折パターンであるｌ〇 一π等のように、特定の値をとるときに、発生する特殊
な回折パターンである。換言すれば、影絵一定の値をと
ることが必要である。

スｆ 物における単周期的構造のピッチであシ、これは構造物
に応じて一義的に定まる。またλは、点状光源から発せ
られる光の波長であるから、これは点状光源に応じて定
まる。

構造物、光センサ−（発生面）に関する位置関係を含ん
でいる。従って、例えば、第５図に示すよスｆ ＝２πなる条件を定めた場合に、点状光源と構造２ス としてｆが一義的九定まることになる。

従って、本発明を実施するには、構造物に対して、点状
光源と、光センサーの位置関係を調整して、上記ｆが満
足されるようＫするのである。

もちろん、場合てよっては、点状光源、構造物。

光センサーの王者の位置関係を定めてから、構造物にお
ける単周期的構造のピッチや１点状光源を選択すること
も可能である。

また、実験的に確かめられた顕著な事実として、影絵的
回折パターンの安定性ということがある。

すなわち、影絵的回折パターンは極めて安定しておシ、
点状光源と構造物との間の距離ｂ０が一定に保たれてお
れば、その発生面の位置すなわちｂが多少変動しても、
影絵的回折パターンは殆ど影響を受けない。

例えば、第４図で説明すると、仮に距離ｂｏが、ｌＯ龍
、距離すが９Ｑｌ！ｍとして見ると、距離ｂｏが、±ｌ
　ｍＮ程度変動しても、影絵的回折パターンは全く変動
しない。

このことは、本発明の実施のうえで、構造物と光センサ
ーの位置関係に高精度を要求されないことを意味し、本
発明の大きなメリットとなっている。

（実施例） 以下、具体的な実施例を説明する。

第１図に示す実施例において、１ｏは点状光源、１２は
、単周期的構造の構造物たるスケール、符号１４は、光
センサーを示す。この実施例は、リニアエンコーダーと
して、本発明を実施した例である。

すなわち、点状光源１０によって、スケール１２（光透
過性である）を発散性の光束で照射し、スケール１２を
透過した光により、影絵的回折パターンＰＴを発生せし
め、その発生面上に光センサ−１４を配する。スケール
１２が矢印方向へ移動すると、影絵的回折パターンも矢
印方向へ移動するので、その移動量を光センサ−１４で
検知することにより、スケール１２の移動量を知るので
ある。

この実施例において、点状光源１０は以下の如くして炸
裂された、マスク半導体レーザーである。

ＧａＡ３及びＡＪＧａＡｓの３元系半導体レーザー（許
容出力５ｍＷ、定格出力３ｍＷ、発振波長７８０ｎｍ）
の射出面にＳｉＯによる電気絶縁層を１５０ＯＡの淳さ
に真空蒸着する。この電気絶縁唐土に、スパッタリング
により、カーボンのマスク層を厚す８００Ａに形成する
。半導体レーザーを５ｍＷで発振させ、上記カーボンの
マスク層に０．２μｍＸ０．６μｍのピンホールを形成
する。このピンホールを通しての光出力は１．７ｍＷで
ある。

スケール１２における単周期的構造のピッチすなわちス
リット幅は０．０８ｊｌｌである。上記ピンホールは、
このピッチに対して十分に小さく、従って、点状光源１
０は、スケール１２の単周期的構造に対し、点光源とみ
なしうる。

点状光源１０によるスケールの影絵的回折パターンとし
ては、第５図の如きものを選択した。

また、点状光源１０とスケール１２との間の距離０、０
０１５６ ｂｏ＋ｂ 従って、影絵的回折パターンＰＴの発生面は、スケール
１２を介して、点状光源１０の反射側にあって、その位
置は、スケール１２か１−）　２２．８ｆｉｌの位置で
ある。この位置に光センサ−１４をおいて、影絵的回折
パターンＰＴの移動量を検出することによυ、スケール
１２の移動量を、０．０４　ｆｆ１ｌ　、＠位で検出で
きた。

第２図、第３図に、別実施例を示す。繁雑を避けるべく
、混同の虞れがないと思われるものについては、第１図
におけると同一の符号を用いである。第２図の実施例で
は、構造物は、ロータリーエンフーダーの透過型の符号
円板であり、第３図に示す実施例では、構造物１２Ｂは
、中空シリンダー状であり、透過率の単周期的な変化に
よる単周期的構造は、最大曲率方向に、形成されている
。

第１図、第２図、第３図に示す実施例とも、光センサー
は、ビンホトセンサーであり、構造物を介して、点状光
源からの発散光束の中心光軸上に配備されている。

（発明の効果） 以上、本発明によれば、新規な移動量測定方法を提供で
きる。この方法は、上記の如くに構成されているので、
単周期的構造の構造物の移動量を、極めて容易に、かつ
高精度に測定できる。

なお、上記説明では、構造物の透過光によりχ絵的回折
パターンを発生させたが、構造物による反射光で影絵的
回折パターンを発生させて移動量測定を行ないうろこと
は、いうまでもない。

また、点状光源と構造物との間に凹レンズや凸レンズを
配して、点状光源と構造物との間の距離を調整ないし切
換えるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例を要部のみ示す説明図、第
２図は、本発明の別実施例を要部のみ示す斜視図、第３
図は、本発明の他の実施例を示す図、第４図は、本発明
の詳細な説明するための図。 第５図ないし第１５図は、影絵的回折パターンの例を示
す図である。 １０・・・点状光源、１２・・・構造体（スケール）、
１４・・・元センサー、ＰＴ・・・影絵的回折パターン
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　光源からの光を被検体に照射し、上記被検体による反
   射光もしくは透過光を光センサーで検知して、上記被検
   体に関する物理量を測定する方法において、 被検体たる単周期的構造の構造物を、単色の点状光源か
   らの発散性の光束で照射し、上記点状光源、構造物、光
   センサーの位置関係の調整により、上記構造物の単周期
   的構造に対応する拡大的な影絵的回折パターンを、上記
   光センサーの位置に発生せしめ、 上記構造物の、照明光束を横切る方向への移動に伴う、
   上記影絵的回折パターンの移動量を上記光センサーによ
   り検知して、上記構造物の移動量を測定することを特徴
   とする、移動量測定方法。