JP3517506B2 - 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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- JP3517506B2 JP3517506B2 JP01838496A JP1838496A JP3517506B2 JP 3517506 B2 JP3517506 B2 JP 3517506B2 JP 01838496 A JP01838496 A JP 01838496A JP 1838496 A JP1838496 A JP 1838496A JP 3517506 B2 JP3517506 B2 JP 3517506B2
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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、特に変位物体に設けた回折格子等の微細格子列
にレーザ光等の可干渉性光束を入射させ、回折格子から
の特定次数の回折光を互いに干渉させて干渉信号を生成
し、その干渉信号の明暗を計数することによって変位物
体の変位量を測定する場合に好適なものである。
に関し、特に変位物体に設けた回折格子等の微細格子列
にレーザ光等の可干渉性光束を入射させ、回折格子から
の特定次数の回折光を互いに干渉させて干渉信号を生成
し、その干渉信号の明暗を計数することによって変位物
体の変位量を測定する場合に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来よりNC工作機械等における回転物体
の回転量や回転方向等の回転情報を高精度に、例えばサ
ブミクロンの単位で測定することのできる変位測定装置
としてロータリーエンコーダがあり、各方面で使用され
ている。
の回転量や回転方向等の回転情報を高精度に、例えばサ
ブミクロンの単位で測定することのできる変位測定装置
としてロータリーエンコーダがあり、各方面で使用され
ている。
【０００３】特に、高精度で且つ高分解能のロータリー
エンコーダとして、レーザ等の可干渉性光束を回転物体
に設けられた回折格子に入射させ、その回折格子から生
ずる特定次数の回折光を互いに干渉させ、その干渉縞の
明暗を計数することにより、その移動物体の移動量や移
動方向等の移動状態を測定する回折光干渉方式のロータ
リーエンコーダが良く知られている。
エンコーダとして、レーザ等の可干渉性光束を回転物体
に設けられた回折格子に入射させ、その回折格子から生
ずる特定次数の回折光を互いに干渉させ、その干渉縞の
明暗を計数することにより、その移動物体の移動量や移
動方向等の移動状態を測定する回折光干渉方式のロータ
リーエンコーダが良く知られている。
【０００４】図４は、特公平4-62002 号公報に開示され
る光学式変位測定装置の要部概略図である。本装置は回
折光干渉方式のロータリーエンコーダである。
る光学式変位測定装置の要部概略図である。本装置は回
折光干渉方式のロータリーエンコーダである。
【０００５】同図において、３１はレーザー等の光源、
３２はコリメーターレンズ、３３〜３５、３６〜３８は
シリンドリカルレンズ、３９〜４２は反射ミラー、４３
は放射回折格子４４を有するディスク、４５、４６は1/
4 波長板でレーザー３１の直線偏光に対して、その軸が
±45°方向になるように配置されている。４７はビーム
スプリッター、４８、４９は偏光方位が互いに45°とな
るように配置された偏光板である。５０、５１は受光素
子である。
３２はコリメーターレンズ、３３〜３５、３６〜３８は
シリンドリカルレンズ、３９〜４２は反射ミラー、４３
は放射回折格子４４を有するディスク、４５、４６は1/
4 波長板でレーザー３１の直線偏光に対して、その軸が
±45°方向になるように配置されている。４７はビーム
スプリッター、４８、４９は偏光方位が互いに45°とな
るように配置された偏光板である。５０、５１は受光素
子である。
【０００６】この従来例の作用を説明する。レーザー３
１より射出した光束は、コリメーターレンズ３２、シリ
ンドリカルレンズ３３を介してディスク４３の放射回折
格子４４上を線状に照射する。その照射位置Ｍ１におけ
る回折格子のピッチをＰ、光束の波長をλとすると、±
ｍ次の反射回折光Ｌ１、Ｌ２の回折角度θm は、sinθm
＝±ｍλ／Ｐと表わされる。このｍ次の回折光束は夫
々シリンドリカルレンズ３４、３５によって略平行光束
に変換され、次いで反射ミラー３９、４０によって偏向
されて反射ミラー４１、４２に向かい、該ミラーで偏向
されてディスク４３の方向へ向かう。
１より射出した光束は、コリメーターレンズ３２、シリ
ンドリカルレンズ３３を介してディスク４３の放射回折
格子４４上を線状に照射する。その照射位置Ｍ１におけ
る回折格子のピッチをＰ、光束の波長をλとすると、±
ｍ次の反射回折光Ｌ１、Ｌ２の回折角度θm は、sinθm
＝±ｍλ／Ｐと表わされる。このｍ次の回折光束は夫
々シリンドリカルレンズ３４、３５によって略平行光束
に変換され、次いで反射ミラー３９、４０によって偏向
されて反射ミラー４１、４２に向かい、該ミラーで偏向
されてディスク４３の方向へ向かう。
【０００７】次いで２つの回折光束は1/4 波長板４５、
４６を透過して互いに逆回りの円偏光となり、シリンド
リカルレンズ３６、３７を介して、放射回折格子４４上
で照射位置Ｍ１のディスク回転中心に対して略対称な位
置Ｍ２を再度線状に照射する。
４６を透過して互いに逆回りの円偏光となり、シリンド
リカルレンズ３６、３７を介して、放射回折格子４４上
で照射位置Ｍ１のディスク回転中心に対して略対称な位
置Ｍ２を再度線状に照射する。
【０００８】照射位置Ｍ２への各回折光の入射角は、そ
のｍ次反射回折角θm と等しくなるように反射ミラー４
１、４２、シリンドリカルレンズ３６、３７を配置して
おり、２つの回折光は照射位置Ｍ２で反射回折すると互
いに重なり合ってシリンドリカルレンズ３８へ向かう。
この時２つの回折光は再び直線偏光となるが、その偏光
方位は放射回折格子４４の回転に伴って変化する。
のｍ次反射回折角θm と等しくなるように反射ミラー４
１、４２、シリンドリカルレンズ３６、３７を配置して
おり、２つの回折光は照射位置Ｍ２で反射回折すると互
いに重なり合ってシリンドリカルレンズ３８へ向かう。
この時２つの回折光は再び直線偏光となるが、その偏光
方位は放射回折格子４４の回転に伴って変化する。
【０００９】シリンドリカルレンズ３８へ向かう光束
は、これを透過して再び略平行な光束となり、次いでビ
ームスプリッター４７で２光束に分割され、偏光板４
８、４９を透過して受光素子５０、５１に入射する。
は、これを透過して再び略平行な光束となり、次いでビ
ームスプリッター４７で２光束に分割され、偏光板４
８、４９を透過して受光素子５０、５１に入射する。
【００１０】この時、ディスク４３上の放射回折格子４
４の１周の本数をＮ、ディスク４３の回転角度をθとす
ると、照射位置Ｍ１、Ｍ２で夫々２回回折した±ｍ次の
回折光の位相は、０次光の位相に対して±２ｍＮθのず
れが生ずるもので、照射位置Ｍ２で反射回折して重なり
合った光束は、２ｍ−（−２ｍ）＝４ｍＮθの位相変化
を有することになる。従って、放射回折格子４４の１ピ
ッチ分（θ＝２π／Ｎ）だけディスク４３が回転する間
に４ｍ回の明暗変化を検出することができる。また、偏
光板４８、４９は、偏光方位が互いに45°異なるように
配置されているので、受光素子５０、５１の出力信号間
に９０°の位相差を与えることができ、これによってデ
ィスクの回転方向を判別することができる。
４の１周の本数をＮ、ディスク４３の回転角度をθとす
ると、照射位置Ｍ１、Ｍ２で夫々２回回折した±ｍ次の
回折光の位相は、０次光の位相に対して±２ｍＮθのず
れが生ずるもので、照射位置Ｍ２で反射回折して重なり
合った光束は、２ｍ−（−２ｍ）＝４ｍＮθの位相変化
を有することになる。従って、放射回折格子４４の１ピ
ッチ分（θ＝２π／Ｎ）だけディスク４３が回転する間
に４ｍ回の明暗変化を検出することができる。また、偏
光板４８、４９は、偏光方位が互いに45°異なるように
配置されているので、受光素子５０、５１の出力信号間
に９０°の位相差を与えることができ、これによってデ
ィスクの回転方向を判別することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従来の光学式変位測定
装置においては環境温度の変動による光源からの光束の
波長変動やディスクとその他の要素の間に取り付け誤差
に起因する偏心が存在すると照射位置Ｍ１，Ｍ２におけ
る回折角θm が変化し、この回折角θm の誤差が２つの
回折光の重なりによって形成される干渉信号のコントラ
スト低下をまねく。
装置においては環境温度の変動による光源からの光束の
波長変動やディスクとその他の要素の間に取り付け誤差
に起因する偏心が存在すると照射位置Ｍ１，Ｍ２におけ
る回折角θm が変化し、この回折角θm の誤差が２つの
回折光の重なりによって形成される干渉信号のコントラ
スト低下をまねく。
【００１２】又、従来の光学式変位測定装置は放射回折
格子の１ピッチ分の変位に対して４ｍ回の明暗変化を発
生しているが、さらに高分解能の光学式変位測定装置の
出現が望まれている。
格子の１ピッチ分の変位に対して４ｍ回の明暗変化を発
生しているが、さらに高分解能の光学式変位測定装置の
出現が望まれている。
【００１３】本発明は、可干渉性光束を変位物体に設け
た回折格子に照射し、それによって得られる干渉信号か
ら変位物体の変位量を検出する「検出ユニット」と「デ
ィスク」を分離して構成する組み込みタイプの光学式変
位測定装置において、環境温度の変動による光源からの
光束の波長変動があってもまた検出ユニットとディスク
の相対位置関係に誤差があっても、良好なる干渉状態及
び測定精度が得られ、変位物体の変位量を高分解能で測
定する光学式変位測定装置の提供を目的とする。
た回折格子に照射し、それによって得られる干渉信号か
ら変位物体の変位量を検出する「検出ユニット」と「デ
ィスク」を分離して構成する組み込みタイプの光学式変
位測定装置において、環境温度の変動による光源からの
光束の波長変動があってもまた検出ユニットとディスク
の相対位置関係に誤差があっても、良好なる干渉状態及
び測定精度が得られ、変位物体の変位量を高分解能で測
定する光学式変位測定装置の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学式
変位測定装置は、光源手段からの光束を第１光束分割手
段で第１、第２光束の２つに分離して回転しているディ
スク上の放射回折格子上の点Ｄ１に入射させ、該点Ｄ１
からの第１、第２光束に基づく所定次数の２つの回折光
を夫々集光光学系とその焦点面近傍に反射面を有し入射
方向と同一の方向に入射光束を反射する作用を持つ第１
反射手段を介して再度点Ｄ１に入射させ、該点Ｄ１から
の第１、第２光束に基づく所定次数の２つの回折光を該
第１光束分割手段で重ね合わせた後、中継光学系を介し
て第２光束分割手段に入射させて第１、第２光束に基づ
く２つの回折光に分離して該放射回折格子上の該点Ｄ１
と前記ディスクの回転中心に対して略点対称の位置で且
つ前記中継光学系に対して共役関係にある点Ｄ２に入射
させ、該点Ｄ２で回折した第１、第２光束に基づく所定
次数の２つの回折光を夫々集光光学系とその焦点面近傍
に反射面を有し入射方向と同一の方向に入射光束を反射
する作用を持つ第２反射手段を介して再度点Ｄ２に入射
させ、該点Ｄ２からの第１、第２光束に基づく所定次数
の２つの回折光を該第２光束分割手段で重ね合わせた
後、干渉手段により該第１光束と第２光束を干渉させて
干渉光束を形成し、該干渉光束を受光手段が受光するこ
とにより該ディスクの回転情報を検出していることを特
徴としている。
変位測定装置は、光源手段からの光束を第１光束分割手
段で第１、第２光束の２つに分離して回転しているディ
スク上の放射回折格子上の点Ｄ１に入射させ、該点Ｄ１
からの第１、第２光束に基づく所定次数の２つの回折光
を夫々集光光学系とその焦点面近傍に反射面を有し入射
方向と同一の方向に入射光束を反射する作用を持つ第１
反射手段を介して再度点Ｄ１に入射させ、該点Ｄ１から
の第１、第２光束に基づく所定次数の２つの回折光を該
第１光束分割手段で重ね合わせた後、中継光学系を介し
て第２光束分割手段に入射させて第１、第２光束に基づ
く２つの回折光に分離して該放射回折格子上の該点Ｄ１
と前記ディスクの回転中心に対して略点対称の位置で且
つ前記中継光学系に対して共役関係にある点Ｄ２に入射
させ、該点Ｄ２で回折した第１、第２光束に基づく所定
次数の２つの回折光を夫々集光光学系とその焦点面近傍
に反射面を有し入射方向と同一の方向に入射光束を反射
する作用を持つ第２反射手段を介して再度点Ｄ２に入射
させ、該点Ｄ２からの第１、第２光束に基づく所定次数
の２つの回折光を該第２光束分割手段で重ね合わせた
後、干渉手段により該第１光束と第２光束を干渉させて
干渉光束を形成し、該干渉光束を受光手段が受光するこ
とにより該ディスクの回転情報を検出していることを特
徴としている。
【００１５】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て前記光源手段、前記第１及び第２光束分割手段、前記
第１及び第２反射手段、前記中継光学系、前記干渉手
段、前記受光手段を１つの筐体内に収納してユニットを
構成していることを特徴としている。
て前記光源手段、前記第１及び第２光束分割手段、前記
第１及び第２反射手段、前記中継光学系、前記干渉手
段、前記受光手段を１つの筐体内に収納してユニットを
構成していることを特徴としている。
【００１６】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において前記第１光束分割手段は偏光ビームスプリッテ
ィング膜を有し、前記偏光ビームスプリッティング膜に
対して第１の光束は透過、第２の光束は反射することを
特徴としている。
において前記第１光束分割手段は偏光ビームスプリッテ
ィング膜を有し、前記偏光ビームスプリッティング膜に
対して第１の光束は透過、第２の光束は反射することを
特徴としている。
【００１７】請求項４の発明は、請求項１又は２の発明
において前記第２光束分割手段は偏光ビームスプリッテ
ィング膜を有し、前記偏光ビームスプリッティング膜に
対して第１の光束は透過、第２の光束は反射することを
特徴としている。
において前記第２光束分割手段は偏光ビームスプリッテ
ィング膜を有し、前記偏光ビームスプリッティング膜に
対して第１の光束は透過、第２の光束は反射することを
特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１、図２は本発明の光学式変位
測定装置の実施形態の要部概略図である。本実施形態は
回折光干渉方式のロータリーエンコーダである。図１は
光学系の平面図であり、図２はその側面図である。
測定装置の実施形態の要部概略図である。本実施形態は
回折光干渉方式のロータリーエンコーダである。図１は
光学系の平面図であり、図２はその側面図である。
【００１９】図中、１は光源であり、可干渉性光束を放
射する半導体レーザで構成している。２はコリメータレ
ンズであり、半導体レーザ１からの光束を略平行光に変
換する。光源１、コリメータレンズ２等は光源手段の一
要素を構成している。
射する半導体レーザで構成している。２はコリメータレ
ンズであり、半導体レーザ１からの光束を略平行光に変
換する。光源１、コリメータレンズ２等は光源手段の一
要素を構成している。
【００２０】３、３’は夫々第１、第２光束分割手段で
あり、ケスタープリズムで構成しており、その内部分割
面に偏光ビームスプリッティング膜５、５’を備えてい
る。７、７’はミラー、９、９’、１０、１０’は1/4
波長板、１５、１６は夫々第１反射手段、１５’、１
６’は夫々第２反射手段である。第１、第２反射手段は
集光光学系とその焦点面近傍に反射面を有していて、入
射方向と同じ方向に光束を反射させる作用を持つ。
あり、ケスタープリズムで構成しており、その内部分割
面に偏光ビームスプリッティング膜５、５’を備えてい
る。７、７’はミラー、９、９’、１０、１０’は1/4
波長板、１５、１６は夫々第１反射手段、１５’、１
６’は夫々第２反射手段である。第１、第２反射手段は
集光光学系とその焦点面近傍に反射面を有していて、入
射方向と同じ方向に光束を反射させる作用を持つ。
【００２１】以上の各要素の内ケスタープリズム３、ミ
ラー７、1/4 波長板９、１０、第１反射手段１５、１６
等は第１の照射手段の一要素であり、ケスタープリズム
３’、ミラー７’、1/4 波長板９’、１０’、第２反射
手段１５’、１６’等は第２の照射手段の一要素であ
る。なお、第１の照射手段と第２の照射手段とは同じ構
成である。
ラー７、1/4 波長板９、１０、第１反射手段１５、１６
等は第１の照射手段の一要素であり、ケスタープリズム
３’、ミラー７’、1/4 波長板９’、１０’、第２反射
手段１５’、１６’等は第２の照射手段の一要素であ
る。なお、第１の照射手段と第２の照射手段とは同じ構
成である。
【００２２】１７はディスク１８の表面に設けられた放
射回折格子であり、そのピッチはＰである。１９、１
９’はミラー、２０は1/2 波長板、２１、２１’はレン
ズである。なお、ミラー１９、１９’、1/2 波長板２
０、レンズ２１、２１’等は中継光学系の一要素を構成
している。
射回折格子であり、そのピッチはＰである。１９、１
９’はミラー、２０は1/2 波長板、２１、２１’はレン
ズである。なお、ミラー１９、１９’、1/2 波長板２
０、レンズ２１、２１’等は中継光学系の一要素を構成
している。
【００２３】２４は１／４波長板（干渉手段）、２５は
非偏光ビームスプリッターである。２６、２７は夫々偏
光板であるが、夫々の偏光軸は互いに４５°傾いてい
る。２８、２９はセンサーである。１／４波長板２４、
非偏光ビームスプリッター２５、偏光板２６、２７、セ
ンサー２８、２９等は夫々光学系２３の一要素を構成し
ている。又、非偏光ビームスプリッター２５、偏光板２
６、２７、センサー２８、２９等は受光手段の一要素を
構成している。この受光手段は互いに９０°位相がずれ
た２相の干渉信号を生成する。
非偏光ビームスプリッターである。２６、２７は夫々偏
光板であるが、夫々の偏光軸は互いに４５°傾いてい
る。２８、２９はセンサーである。１／４波長板２４、
非偏光ビームスプリッター２５、偏光板２６、２７、セ
ンサー２８、２９等は夫々光学系２３の一要素を構成し
ている。又、非偏光ビームスプリッター２５、偏光板２
６、２７、センサー２８、２９等は受光手段の一要素を
構成している。この受光手段は互いに９０°位相がずれ
た２相の干渉信号を生成する。
【００２４】又、本実施形態において、ディスク１８は
不図示の回転物体に取り付け、その他の構成要素は１つ
の筐体中に配置して検出ユニットを構成している。
不図示の回転物体に取り付け、その他の構成要素は１つ
の筐体中に配置して検出ユニットを構成している。
【００２５】本実施形態の作用を説明する。光源（半導
体レーザ）１から放射する波長λの直線偏光の光束はコ
リメータレンズ２で略平行光に変換し、ケスタープリズ
ム（第１光束分割手段）３に入射させる。この光束は偏
光ビームスプリッティング膜５でＰ、Ｓ偏光の強度比が
１：１になるように45°に設定されて２光束に分割さ
れ、Ｐ偏光光束（第１光束）は透過し、Ｓ偏光光束（第
２光束）は反射される。この２光束に分割されたＰ、Ｓ
偏光光束の内、Ｐ偏光光束（第１光束）は、光路１１を
とって1/4 波長板９を通過後円偏光となり放射回折格子
１７の点Ｄ1 に入射角度θi で入射し、反射回折する。
ここで発生する複数の回折光のうち次数−１の回折光
（これを第１の光束とする）は予め決められた角度θm
の方向に進んで光路１３に進行する。
体レーザ）１から放射する波長λの直線偏光の光束はコ
リメータレンズ２で略平行光に変換し、ケスタープリズ
ム（第１光束分割手段）３に入射させる。この光束は偏
光ビームスプリッティング膜５でＰ、Ｓ偏光の強度比が
１：１になるように45°に設定されて２光束に分割さ
れ、Ｐ偏光光束（第１光束）は透過し、Ｓ偏光光束（第
２光束）は反射される。この２光束に分割されたＰ、Ｓ
偏光光束の内、Ｐ偏光光束（第１光束）は、光路１１を
とって1/4 波長板９を通過後円偏光となり放射回折格子
１７の点Ｄ1 に入射角度θi で入射し、反射回折する。
ここで発生する複数の回折光のうち次数−１の回折光
（これを第１の光束とする）は予め決められた角度θm
の方向に進んで光路１３に進行する。
【００２６】この入射角度θi と回折角度θm との間の
関係は、放射回折格子１７の回転方向がａ方向の時、法
線方向ｎを基準にθi が左回りの時を正、θm が右回り
の時を正として、sin θm −sin θi ＝λ／Ｐである。
関係は、放射回折格子１７の回転方向がａ方向の時、法
線方向ｎを基準にθi が左回りの時を正、θm が右回り
の時を正として、sin θm −sin θi ＝λ／Ｐである。
【００２７】光路１３を進んだ第１光束は第１反射手段
１５で反射して光路１３を逆進し、再び放射回折格子１
７上の点Ｄ1 に入射し、２回目の反射回折をする。そし
て、ここで発生する複数の回折光のうち次数−１の回折
光（これを第１光束とする）は光路１１に進行し、 1/4
波長板９を通過後Ｓ偏光となりケスタープリズム３の偏
光ビームスプリッティング膜５で反射して所定の光路１
Ｃに進行する。
１５で反射して光路１３を逆進し、再び放射回折格子１
７上の点Ｄ1 に入射し、２回目の反射回折をする。そし
て、ここで発生する複数の回折光のうち次数−１の回折
光（これを第１光束とする）は光路１１に進行し、 1/4
波長板９を通過後Ｓ偏光となりケスタープリズム３の偏
光ビームスプリッティング膜５で反射して所定の光路１
Ｃに進行する。
【００２８】他方のＳ偏光光束（第２光束）は、光路１
２をとって1/4 波長板１０を通過後円偏光となり放射回
折格子１７の点Ｄ1 に入射角度−θi で入射し、反射回
折する。ここで発生する複数の回折光のうち次数＋１の
回折光（これを第２光束とする）は予め決められた角度
−θm の方向に進んで光路１４に進行する。
２をとって1/4 波長板１０を通過後円偏光となり放射回
折格子１７の点Ｄ1 に入射角度−θi で入射し、反射回
折する。ここで発生する複数の回折光のうち次数＋１の
回折光（これを第２光束とする）は予め決められた角度
−θm の方向に進んで光路１４に進行する。
【００２９】光路１４を進んだ第２光束は第１反射手段
１６で反射して光路１４を逆進し、再び放射回折格子１
７上の点Ｄ1 に入射し、２回目の反射回折をする。そし
て、またここで発生する複数の回折光のうち次数＋１の
回折光（これを第２光束とする）は光路１２に進行し、
1/4波長板１０を通過後Ｐ偏光となりケスタープリズム
３の偏光ビームスプリッティング膜５を透過して所定の
光路１Ｃに進行する。このようにして、第１光束は次数
−１の２回回折を受けたＳ偏光光束として、又第２光束
は次数＋１次の２回回折を受けたＰ偏光光束として所定
の光路１Ｃに沿って重なって進行する。この第１、第２
光束は、1/2 波長板２０により各々偏光方位がＰ、Ｓ偏
光に変換された後、第２の照射手段に入射する。
１６で反射して光路１４を逆進し、再び放射回折格子１
７上の点Ｄ1 に入射し、２回目の反射回折をする。そし
て、またここで発生する複数の回折光のうち次数＋１の
回折光（これを第２光束とする）は光路１２に進行し、
1/4波長板１０を通過後Ｐ偏光となりケスタープリズム
３の偏光ビームスプリッティング膜５を透過して所定の
光路１Ｃに進行する。このようにして、第１光束は次数
−１の２回回折を受けたＳ偏光光束として、又第２光束
は次数＋１次の２回回折を受けたＰ偏光光束として所定
の光路１Ｃに沿って重なって進行する。この第１、第２
光束は、1/2 波長板２０により各々偏光方位がＰ、Ｓ偏
光に変換された後、第２の照射手段に入射する。
【００３０】第２の照射手段ではこれらの光束は第１の
照射手段の場合と同じく、ケスタープリズム（第２光束
分割手段）３’の偏光ビームスプリッティング膜５’で
Ｐ、Ｓ偏光の２光束に分割され、Ｐ偏光光束（第１光
束）は透過し、Ｓ偏光光束（第２光束）は反射される。
照射手段の場合と同じく、ケスタープリズム（第２光束
分割手段）３’の偏光ビームスプリッティング膜５’で
Ｐ、Ｓ偏光の２光束に分割され、Ｐ偏光光束（第１光
束）は透過し、Ｓ偏光光束（第２光束）は反射される。
【００３１】この分割された２光束の内、Ｐ偏光光束
（第１光束）は光路１１’をとって1/4 波長板９’を通
過後円偏光となり放射回折格子１７の点Ｄ1 のディスク
回転中心に対して略対称の点Ｄ2 に入射角度θi で入射
し、３回目の反射回折をする。ここで発生する複数の回
折光のうち次数−１の回折光（これを第１光束とする）
は予め決められた角度θm の方向に進んで光路１３’に
進行する。この時の入射角度θi と回折角度θm の関係
は前述の場合と同じである。
（第１光束）は光路１１’をとって1/4 波長板９’を通
過後円偏光となり放射回折格子１７の点Ｄ1 のディスク
回転中心に対して略対称の点Ｄ2 に入射角度θi で入射
し、３回目の反射回折をする。ここで発生する複数の回
折光のうち次数−１の回折光（これを第１光束とする）
は予め決められた角度θm の方向に進んで光路１３’に
進行する。この時の入射角度θi と回折角度θm の関係
は前述の場合と同じである。
【００３２】光路１３’を進んだ第１光束は第２反射手
段１５’で反射して光路１３’を逆進し、再び放射回折
格子１７上の点Ｄ2 に入射し、４回目の反射回折をす
る。そして、またここで発生する複数の回折光のうち次
数−１の回折光（これを第１光束とする）は光路１１’
に進行し、 1/4波長板９’を通過後Ｓ偏光となりケスタ
ープリズム３’の偏光ビームスプリッティング膜５’で
反射して所定の光路１Ｍに進行する。
段１５’で反射して光路１３’を逆進し、再び放射回折
格子１７上の点Ｄ2 に入射し、４回目の反射回折をす
る。そして、またここで発生する複数の回折光のうち次
数−１の回折光（これを第１光束とする）は光路１１’
に進行し、 1/4波長板９’を通過後Ｓ偏光となりケスタ
ープリズム３’の偏光ビームスプリッティング膜５’で
反射して所定の光路１Ｍに進行する。
【００３３】他方のＳ偏光光束（第２光束）は、光路１
２’をとって1/4 波長板１０’を通過後円偏光となり放
射回折格子１７上の点Ｄ2 に入射角度−θi で入射し、
３回目の反射回折をする。ここで発生する複数の回折光
のうち次数＋１の回折光（これを第２光束とする）は予
め決められた角度−θm の方向に進んで光路１４’に進
行する。
２’をとって1/4 波長板１０’を通過後円偏光となり放
射回折格子１７上の点Ｄ2 に入射角度−θi で入射し、
３回目の反射回折をする。ここで発生する複数の回折光
のうち次数＋１の回折光（これを第２光束とする）は予
め決められた角度−θm の方向に進んで光路１４’に進
行する。
【００３４】光路１４’を進んだ第２光束は第２反射手
段１６’で反射して光路１４’を逆進し、再び放射回折
格子１７上の点Ｄ2 に入射し、４回目の反射回折をす
る。そして、またここで発生する複数の回折光のうち次
数＋１の回折光（これを第２光束とする）は光路１２’
に進行し、 1/4波長板１０’を通過後Ｐ偏光となりケス
タープリズム３’の偏光ビームスプリッティング膜５’
を透過して所定の光路１Ｍに進行する。
段１６’で反射して光路１４’を逆進し、再び放射回折
格子１７上の点Ｄ2 に入射し、４回目の反射回折をす
る。そして、またここで発生する複数の回折光のうち次
数＋１の回折光（これを第２光束とする）は光路１２’
に進行し、 1/4波長板１０’を通過後Ｐ偏光となりケス
タープリズム３’の偏光ビームスプリッティング膜５’
を透過して所定の光路１Ｍに進行する。
【００３５】このようにして、第１光束は次数−１の４
回回折を受けたＳ偏光光束として、又第２光束は次数＋
１次の４回回折を受けたＰ偏光光束として所定の光路１
Ｍに沿って重なって進行し、光学系２３へ入射する。
回回折を受けたＳ偏光光束として、又第２光束は次数＋
１次の４回回折を受けたＰ偏光光束として所定の光路１
Ｍに沿って重なって進行し、光学系２３へ入射する。
【００３６】そしてこれらの回折光束は1/4 波長板２４
を通過することにより、互いに反対方向に回転する円偏
光となるが、この２つの円偏光が重ね合わされて干渉光
束となり或る偏光方位の直線偏光となる。この直線偏光
の光束は非偏光ビームスプリッター２５により２つの光
束に分割され、各々の光束は互いの偏光軸を45°傾けて
配置した偏光板２６、２７を通過した後、夫々センサー
２８、２９で受光し互いに90°位相がずれた２相の信号
出力を発生させる。
を通過することにより、互いに反対方向に回転する円偏
光となるが、この２つの円偏光が重ね合わされて干渉光
束となり或る偏光方位の直線偏光となる。この直線偏光
の光束は非偏光ビームスプリッター２５により２つの光
束に分割され、各々の光束は互いの偏光軸を45°傾けて
配置した偏光板２６、２７を通過した後、夫々センサー
２８、２９で受光し互いに90°位相がずれた２相の信号
出力を発生させる。
【００３７】そして、ディスク１８の回転に応じて1/4
波長板２４を通過して形成される直線偏光の偏光方位は
変化し、これによってセンサー２８、２９には明暗が検
出されてディスク１８の回転角が検出できる。又、セン
サー２８からの出力とセンサー２９からの出力とは互い
に90°位相がずれているので、２相の信号出力からディ
スク１８の回転方向を検出することができる。
波長板２４を通過して形成される直線偏光の偏光方位は
変化し、これによってセンサー２８、２９には明暗が検
出されてディスク１８の回転角が検出できる。又、セン
サー２８からの出力とセンサー２９からの出力とは互い
に90°位相がずれているので、２相の信号出力からディ
スク１８の回転方向を検出することができる。
【００３８】図３は、前記の第１光束と第２光束が第１
の照射手段を通過する際に発生する不要回折光の遮断作
用の説明図である。図３(A) において、Ｐ偏光光束（第
１光束）が光路１１をとって放射回折格子１７上の点Ｄ
1 に入射して回折する際、次数０の不要回折光が発生し
光路１２に進行するが、この不要回折光は1/4 波長板１
０によりＳ偏光に変換され、ケスタープリズム３の偏光
ビームスプリッティング膜５で反射されるので、所定の
光路１Ｃに混入することはない。
の照射手段を通過する際に発生する不要回折光の遮断作
用の説明図である。図３(A) において、Ｐ偏光光束（第
１光束）が光路１１をとって放射回折格子１７上の点Ｄ
1 に入射して回折する際、次数０の不要回折光が発生し
光路１２に進行するが、この不要回折光は1/4 波長板１
０によりＳ偏光に変換され、ケスタープリズム３の偏光
ビームスプリッティング膜５で反射されるので、所定の
光路１Ｃに混入することはない。
【００３９】また、Ｐ偏光の光束が光路１１より点Ｄ1
に入射して発生する次数−１の回折光が光路１３を往復
し、再び点Ｄ1 に入射して回折する際、次数０の不要回
折光が発生する。この不要回折光の方向は光路１４と重
なるので、この不要回折光は光路１４を往復して、再び
点Ｄ1 に入射して複数の反射回折光を発生する。そのう
ち次数＋１の不要回折光の方向は光路１２と重なるの
で、この不要回折光は光路１２を進行するが、これは1/
4 波長板１０によりＳ偏光に変換されケスタープリズム
３の偏光ビームスプリッティング膜５で反射するので、
所定の光路１Ｃに混入することはない。
に入射して発生する次数−１の回折光が光路１３を往復
し、再び点Ｄ1 に入射して回折する際、次数０の不要回
折光が発生する。この不要回折光の方向は光路１４と重
なるので、この不要回折光は光路１４を往復して、再び
点Ｄ1 に入射して複数の反射回折光を発生する。そのう
ち次数＋１の不要回折光の方向は光路１２と重なるの
で、この不要回折光は光路１２を進行するが、これは1/
4 波長板１０によりＳ偏光に変換されケスタープリズム
３の偏光ビームスプリッティング膜５で反射するので、
所定の光路１Ｃに混入することはない。
【００４０】しかし、図３(B) に示すように、1/4 波長
板３０が予め決められた方向の光路上にある場合、前述
した不要回折光はＳ偏光に変換されず所定の光路１Ｃに
混入するので、この構成では不要回折光を遮断すること
はできない。
板３０が予め決められた方向の光路上にある場合、前述
した不要回折光はＳ偏光に変換されず所定の光路１Ｃに
混入するので、この構成では不要回折光を遮断すること
はできない。
【００４１】以上のように本実施形態は不要回折光を効
果的に遮断し、夫々４回の回折を受けた第１、第２光束
によって放射回折格子の変位を検出するので、放射回折
格子の１ピッチの変位に対して８回の明暗変化を発生す
ることになり、極めて高精度で変位物体の変位情報を検
出することが出来る。
果的に遮断し、夫々４回の回折を受けた第１、第２光束
によって放射回折格子の変位を検出するので、放射回折
格子の１ピッチの変位に対して８回の明暗変化を発生す
ることになり、極めて高精度で変位物体の変位情報を検
出することが出来る。
【００４２】本実施形態では前記の第１の照射手段で２
回回折した回折光束を光路１Ｃに沿って中継光学系によ
り第２の照射手段へ導光しているが、その際該中継光学
系は第１の照射手段で照射する点Ｄ1 を第２の照射手段
が照射する点Ｄ2 へ結像するようにしている（点Ｄ1 と
点Ｄ2 が中継光学系に対して共役関係にある）ので、こ
れにより放射回折格子１７の外周寄りと内周寄りの光束
同志の波面が一致し、前述の２光束の重ね合わせ状態を
良好にしている。
回回折した回折光束を光路１Ｃに沿って中継光学系によ
り第２の照射手段へ導光しているが、その際該中継光学
系は第１の照射手段で照射する点Ｄ1 を第２の照射手段
が照射する点Ｄ2 へ結像するようにしている（点Ｄ1 と
点Ｄ2 が中継光学系に対して共役関係にある）ので、こ
れにより放射回折格子１７の外周寄りと内周寄りの光束
同志の波面が一致し、前述の２光束の重ね合わせ状態を
良好にしている。
【００４３】また、集光光学系の焦点面近傍に反射面を
設けた第１反射手段１５、１６、第２反射手段１５’、
１６’を用いているので、環境温度変化による波長変動
やディスクの取り付け偏心による回折方向の変化が生じ
ても、前述の光路１Ｃ、光路１Ｍで２光束を略一致させ
て進行させることができるので、これにより干渉信号の
コントラストが低下するのを防ぎ、良好な干渉信号を得
ることができる。
設けた第１反射手段１５、１６、第２反射手段１５’、
１６’を用いているので、環境温度変化による波長変動
やディスクの取り付け偏心による回折方向の変化が生じ
ても、前述の光路１Ｃ、光路１Ｍで２光束を略一致させ
て進行させることができるので、これにより干渉信号の
コントラストが低下するのを防ぎ、良好な干渉信号を得
ることができる。
【００４４】そしてまた、前述の第１反射手段，第２反
射手段を第１光束及び第２光束の各々に対して独立に設
けているので、２光束の光路長差を補正して干渉信号の
コントラストが低下するのを防ぎ、良好な干渉信号を得
ることができる。
射手段を第１光束及び第２光束の各々に対して独立に設
けているので、２光束の光路長差を補正して干渉信号の
コントラストが低下するのを防ぎ、良好な干渉信号を得
ることができる。
【００４５】なお、以上の実施形態はロータリーエンコ
ーダの実施形態であったが、リニアエンコーダにおいて
も移動物体上に直線状の回折格子を設け、１つの筐体中
に基本的に実施形態１と同じ要素を設置して第１の照射
手段と第２の照射手段によって該回折格子上で所定距離
隔たった点Ｄ1 と点Ｄ2 を照射して夫々４回の回折を受
けた第１光束と第２光束を得、この２つの光束を干渉手
段で干渉させて受光手段で受光することにより該移動物
体の変位情報を高精度に検出することができる。
ーダの実施形態であったが、リニアエンコーダにおいて
も移動物体上に直線状の回折格子を設け、１つの筐体中
に基本的に実施形態１と同じ要素を設置して第１の照射
手段と第２の照射手段によって該回折格子上で所定距離
隔たった点Ｄ1 と点Ｄ2 を照射して夫々４回の回折を受
けた第１光束と第２光束を得、この２つの光束を干渉手
段で干渉させて受光手段で受光することにより該移動物
体の変位情報を高精度に検出することができる。
【００４６】
【発明の効果】本発明は以上の構成により、可干渉性光
束を変位物体に設けた回折格子に照射し、それによって
得られる干渉信号から変位物体の変位量を検出する「検
出ユニット」と「ディスク」を分離して構成する組み込
みタイプの光学式変位測定装置において、環境温度の変
動による光源からの光束の波長変動があってもまた検出
ユニットとディスクの相対位置関係に誤差があっても、
良好なる干渉状態及び測定精度が得られ、変位物体の変
位量を高分解能で測定する光学式変位測定装置を達成す
る。
束を変位物体に設けた回折格子に照射し、それによって
得られる干渉信号から変位物体の変位量を検出する「検
出ユニット」と「ディスク」を分離して構成する組み込
みタイプの光学式変位測定装置において、環境温度の変
動による光源からの光束の波長変動があってもまた検出
ユニットとディスクの相対位置関係に誤差があっても、
良好なる干渉状態及び測定精度が得られ、変位物体の変
位量を高分解能で測定する光学式変位測定装置を達成す
る。
【図１】 本発明の光学式変位測定装置の実施形態の要
部概略図（平面図）
部概略図（平面図）
【図２】 本発明の光学式変位測定装置の実施形態の要
部概略図（側面図）
部概略図（側面図）
【図３】 実施形態における不要回折光の遮断作用の説
明図
明図
【図４】 従来例の光学式変位測定装置の要部概略図
１ 光源（半導体レーザ）
１Ｃ、１Ｍ 所定の光路
２ コリメータレンズ
３、３’ 第１、第２光束分割手段（ケスタープリズ
ム） ５、５’ 偏光ビームスプリッティング膜 ７、７’ ミラー ９、９’ 1/4 波長板 １０、１０’ 1/4 波長板 １１、１２、１３、１４、１１’、１２’、１３’、１
４’ 光路 １５、１６ 第１反射手段 １５’、１６’第２反射手段 １７ 放射回折格子 １８ ディスク １９、１９’ ミラー ２０ 1/2 波長板 ２１、２１’ レンズ ２３ 光学系 ２４ 1/4 波長板（干渉手段） ２５ 非偏光ビームスプリッター ２６、２７ 偏光板 ２８、２９ センサー ３０ 1/4 波長板
ム） ５、５’ 偏光ビームスプリッティング膜 ７、７’ ミラー ９、９’ 1/4 波長板 １０、１０’ 1/4 波長板 １１、１２、１３、１４、１１’、１２’、１３’、１
４’ 光路 １５、１６ 第１反射手段 １５’、１６’第２反射手段 １７ 放射回折格子 １８ ディスク １９、１９’ ミラー ２０ 1/2 波長板 ２１、２１’ レンズ ２３ 光学系 ２４ 1/4 波長板（干渉手段） ２５ 非偏光ビームスプリッター ２６、２７ 偏光板 ２８、２９ センサー ３０ 1/4 波長板
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 11/00 - 11/30
G01D 5/26 - 5/38
Claims (4)
- 【請求項１】 光源手段からの光束を第１光束分割手段
で第１、第２光束の２つに分離して回転しているディス
ク上の放射回折格子上の点Ｄ１に入射させ、 該点Ｄ１からの第１、第２光束に基づく所定次数の２つ
の回折光を夫々集光光学系とその焦点面近傍に反射面を
有し入射方向と同一の方向に入射光束を反射する作用を
持つ第１反射手段を介して再度点Ｄ１に入射させ、 該点Ｄ１からの第１、第２光束に基づく所定次数の２つ
の回折光を該第１光束分割手段で重ね合わせた後、 中継光学系を介して第２光束分割手段に入射させて第
１、第２光束に基づく２つの回折光に分離して該放射回
折格子上の該点Ｄ１と前記ディスクの回転中心に対して
略点対称の位置で且つ前記中継光学系に対して共役関係
にある点Ｄ２に入射させ、 該点Ｄ２で回折した第１、第２光束に基づく所定次数の
２つの回折光を夫々集光光学系とその焦点面近傍に反射
面を有し入射方向と同一の方向に入射光束を反射する作
用を持つ第２反射手段を介して再度点Ｄ２に入射させ、
該点Ｄ２からの第１、第２光束に基づく所定次数の２つ
の回折光を該第２光束分割手段で重ね合わせた後、 干渉手段により該第１光束と第２光束を干渉させて干渉
光束を形成し、該干渉光束を受光手段が受光することに
より該ディスクの回転情報を検出していることを特徴と
する光学式変位測定装置。 - 【請求項２】 前記光源手段、前記第１及び第２光束分
割手段、前記第１及び第２反射手段、前記中継光学系、
前記干渉手段、前記受光手段を１つの筐体内に収納して
ユニットを構成していることを特徴とする請求項１記載
の光学式変位測定装置。 - 【請求項３】 前記第１光束分割手段は偏光ビームスプ
リッティング膜を有し、前記偏光ビームスプリッティン
グ膜に対して第１の光束は透過、第２の光束は反射する
ことを特徴とする請求項１または２の光学式変位測定装
置。 - 【請求項４】 前記第２光束分割手段は偏光ビームスプ
リッティング膜を有し、前記偏光ビームスプリッティン
グ膜に対して第１の光束は透過、第２の光束 は反射する
ことを特徴とする請求項１または２の光学式変位測定装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01838496A JP3517506B2 (ja) | 1996-01-08 | 1996-01-08 | 光学式変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01838496A JP3517506B2 (ja) | 1996-01-08 | 1996-01-08 | 光学式変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09189516A JPH09189516A (ja) | 1997-07-22 |
| JP3517506B2 true JP3517506B2 (ja) | 2004-04-12 |
Family
ID=11970230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01838496A Expired - Fee Related JP3517506B2 (ja) | 1996-01-08 | 1996-01-08 | 光学式変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3517506B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6285661B2 (ja) * | 2013-08-09 | 2018-02-28 | キヤノン株式会社 | 干渉計測装置 |
-
1996
- 1996-01-08 JP JP01838496A patent/JP3517506B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09189516A (ja) | 1997-07-22 |
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Legal Events
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