JPH04142425A - Two-axis linear encoder - Google Patents
Two-axis linear encoderInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［発明の目的］
（産業上の利用分野）
この発明は光の干渉を利用して例えばＸＹテーブルのＸ
−Ｙ方向の微少変位を測定する二軸リニアエンコーダに
関する。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) This invention uses optical interference to
-Relates to a two-axis linear encoder that measures minute displacements in the Y direction.
（従来の技術）
一般に変位測定装置として、コヒーレントなレーザ光を
利用して、その反射、回折、干渉等により測定物の微小
変位を測定することができるものがある。この様な変位
測定装置としては、例えば、光源から出た一つのレーザ
光を二つに分割しそれぞれ別の経路を通した後に干渉さ
せて、その位相差によって生じた干渉縞を観測して測定
物の変位を測定するマイケルソンタイプの干渉計や、変
化から第２からなるスケールにレーザ光を照射してその
スケールからの回折光の干渉縞を測定することによって
測定物の変位を検出するリニアエンフーダなどがある。(Prior Art) Generally, some displacement measuring devices are capable of measuring minute displacements of a measurement object by utilizing coherent laser light and its reflection, diffraction, interference, and the like. Such a displacement measurement device, for example, splits a single laser beam emitted from a light source into two, passes each through a different path, and then causes them to interfere, and the interference fringes produced by the phase difference are observed and measured. A Michelson type interferometer measures the displacement of an object, and a linear interferometer detects the displacement of an object by irradiating a laser beam onto a second scale and measuring the interference fringes of the diffracted light from the scale. There are enfuders, etc.
これら光学手段を利用した変位測定装置の精度は極めて
高く、例えば歪みゲージを用いた歪み計等では不可能な
範囲の精密測定ができる。Displacement measuring devices using these optical means have extremely high accuracy, and can perform precise measurements in a range that is impossible with strain meters using strain gauges, for example.
ところで、光学を利用した従来の変位測定装置は一方向
の移動量しか測定できない。例えば、ＸＹテーブルのＸ
方向とＹ方向の変位を測定したいときには、Ｘ軸方向の
変位を測定する装置と、Ｙ軸方向の変位を測定する装置
とを必要とする。By the way, conventional displacement measuring devices using optics can only measure the amount of movement in one direction. For example,
When it is desired to measure the displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction, a device for measuring the displacement in the X-axis direction and a device for measuring the displacement in the Y-axis direction are required.
つまり、二方向の変位の測定を行うためには２つの測定
装置を設置しなければならないので、これら測定装置を
設置するためにかなりのスペースを要することとなり、
特に顕微鏡等に用いる小型ＸＹテーブルの変位を測定す
る場合には好ましいことではない。In other words, in order to measure displacement in two directions, two measuring devices must be installed, which requires a considerable amount of space.
This is particularly undesirable when measuring the displacement of a small XY table used in a microscope or the like.
（発明が解決しようとする課題）
このように従来の変位測定装置は一つの装置で一方向の
変位しか測定できなかった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, the conventional displacement measuring device could only measure displacement in one direction with one device.
この発明は上記課題を解決するために成されたもので、
一つの装置で二方向の移動量を測定できるような二軸リ
ニアエンコーダを提供することを目的とする。This invention was made to solve the above problems,
It is an object of the present invention to provide a two-axis linear encoder that can measure the amount of movement in two directions with one device.
〔発明の構成コ
（課題を解決するための手段および作用）この発明の第
１の手段は、非点収差を持つ測定光を出射する光源と、
上記測定光を集光する集光レンズと、集光された測定光
の第１の無線に溝方向を直交させて設けられた第１の変
化から第２と、集光された測定光の第１の無線と垂直な
第２の無線に溝方向を直交させて設けられた第２の変化
から第２と、上記第１の変化から第２からの＋ｎｎ次回
先光−ｎ次回折光の干渉の変化から第１の変化から第２
の溝方向と交差する方向の移動量を検出する第１の検出
器と、上記第２の変化から第２からの＋ｎｎ次回折光の
干渉の変化から第２の溝方向と交差する方向の移動量を
検出する第２の検出器とを具備することを特徴とする。[Configuration of the Invention (Means and Effects for Solving the Problems) A first means of the invention includes a light source that emits measurement light having astigmatism;
a condensing lens that condenses the measurement light; The interference of the +nnth order forward light-nth order diffracted light from the second change provided in the second radio perpendicular to the first radio with the groove direction orthogonal to the second and the second change from the first change. From change to 1st change to 2nd
a first detector that detects the amount of movement in the direction crossing the groove direction; and a movement amount in the direction crossing the second groove direction from the change in the interference of the +nn-order diffracted light from the second change. and a second detector for detecting.
この発明の第２の手段は、測定光を出射する光源と、上
記測定光に非点収差を生じさせる光学系と、上記測定光
を集光する集光レンズと、集光された測定光のｊ＠１の
無線に溝方向を直交させて設けられた第１の変化から第
２と、集光された測定光の第１の無線と垂直な第２の無
線に溝方向を直交させて設けられた第２の変化から第２
と、上記第１の変化から第２からの＋ｎｎ次回折光の変
化から第１の変化から第２の溝方向と交差する方向の移
動量を検出する第１の検出器と、上記第２の変化から第
２からの＋ｎｎ次回先光−ｎ次回折光の干渉の干渉の変
化から第２の溝方向と交差する方向の移動量を検出する
第２の検出器とを具備することを特徴とする。A second means of the invention includes a light source that emits measurement light, an optical system that causes astigmatism in the measurement light, a condenser lens that condenses the measurement light, and a condenser lens that condenses the measurement light. A first change is provided with the groove direction perpendicular to the radio of j@1, and a second change is provided with the groove direction perpendicular to the first radio of the focused measurement light. from the second change
and a first detector for detecting the amount of movement in the direction intersecting the second groove direction from the first change to the second change in the +nn-order diffracted light from the first change, and the second change. and a second detector that detects the amount of movement in the direction intersecting the second groove direction from the change in the interference of the +nnth order forward light-nth order diffracted light from the second.
この様な構成によれば、一つの装置で、直交する二軸方
向の変位を別々に測定することができる。With this configuration, displacements in two orthogonal axes can be measured separately with one device.
（実施例）
以下この発明の第１の実施例を第１図、第２図を参照し
て説明する。(Embodiment) A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.
この発明の二軸エンコーダは光源として半導体レーザを
用いている。半導体レーザから出射されるレーザ光には
非点収差があり、レンズで集光しても一点には収束しな
い。すなわち、第２図に示すように半導体レーザ１から
発振されたレーザ光２をレンズ３で集光すると、まず、
このレンズ３から距離Ｓ１の位置に第１の無線Ｆ１を生
じ、その後レンズから距離Ｓ２の位置に第２の無線Ｆ２
を生じる。第１、第２の無線Ｆ、、Ｆ２は共にレーザ光
２の主光線４に垂直で、互いに直交関係にある。そして
、この無線Ｆ、、Ｆ２間の距離（Ｓ２−５．）が上記半
導体レーザ１の非点隔差となる。The biaxial encoder of this invention uses a semiconductor laser as a light source. Laser light emitted from a semiconductor laser has astigmatism, and even if it is focused by a lens, it will not converge to one point. That is, as shown in FIG. 2, when the laser beam 2 oscillated from the semiconductor laser 1 is focused by the lens 3, first,
A first radio F1 is generated at a distance S1 from the lens 3, and then a second radio F2 is generated at a distance S2 from the lens.
occurs. The first and second radios F, , F2 are both perpendicular to the principal ray 4 of the laser beam 2 and are orthogonal to each other. The distance (S2-5.) between the radios F, , F2 becomes the astigmatism difference of the semiconductor laser 1.
第１図は上記非点隔差を持つ半導体レーザ光を適用した
二軸エンコーダの概略構成図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a two-axis encoder to which a semiconductor laser beam having the above-mentioned astigmatism is applied.
第２図と同じ構成要素には同一記号を付して説明を省略
する。Components that are the same as those in FIG. 2 are given the same symbols and their explanations will be omitted.
図中１は半導体レーザである。この半導体レーザ１から
出射されたレーザ光２は主光線４上に配置された第１の
レンズ３によって集光され、互いに離間して直交する第
１の無線Ｆ１と第２の無線Ｆ２を得る。この第１の無線
Ｆ１上には、光の反射と透過の比が略１：１である第１
の変化から第２としてのＸ変化から第２５がＸ軸方向と
溝方向を直交させて設置されている。このＸ変化から第
２５は図示しないＸＹ子テーブルＸテーブルに溝方向を
Ｘ方向と直交させて取り付けられる。In the figure, 1 is a semiconductor laser. Laser light 2 emitted from this semiconductor laser 1 is condensed by a first lens 3 disposed on a principal ray 4 to obtain a first radio F1 and a second radio F2 that are spaced apart from each other and orthogonal to each other. On this first radio F1, there is a first
From the change in X, the 25th from the X change is installed so that the X axis direction and the groove direction are perpendicular to each other. From this X change, the 25th table is attached to an XY child table (not shown) with the groove direction perpendicular to the X direction.
第２の無線Ｆ２上には、光の反射が行われない透過型の
第２の変化から第２としてのＹ変化から第２６がＹ軸方
向と溝方向を直交させて設置されている。On the second radio F2, a transmission-type second variation in which light is not reflected, a second Y variation, and a twenty-sixth are installed with the Y-axis direction and the groove direction perpendicular to each other.
このＹ変化から第２６は図示しないＸＹ子テーブルＹテ
ーブルに溝方向をＹ方向と直交させて取り付けられる。Based on this Y change, the 26th table is attached to an unillustrated XY child table Y table with the groove direction perpendicular to the Y direction.
なお、上記ＸＳＹ変化から第２５．６は上記半導体レー
ザ２の非点隔差（Ｓ２−Ｓ、）に等しい間隔で離間する
ようにＸテーブルとＹテーブルとに取着されている。In addition, from the above XSY change, No. 25.6 is attached to the X table and the Y table so as to be separated by an interval equal to the astigmatism difference (S2-S,) of the semiconductor laser 2.
Ｘ変化から第２５からの反射回折光のうち＋１次反射回
折光に１と一１次反射回折光に２は重なりあって干渉縞
を生じる。これらは上記レンズ３を通過し、主光線４に
対して４５度の角度をなして設けられたハーフミラ−７
で反射してその光路が変換され、Ｋ３の位置で集光され
る。この干渉縞の集光点に、には第１の検出器としての
第１のラインセンサ８が配置されている。そして、この
ラインセンサ８によって上記干渉縞の正弦波状の強度変
化を検出する。From the X change, among the reflected diffraction lights from the 25th order, 1 in the +1st-order reflected diffraction light and 2 in the 11th-order reflected diffraction light overlap to produce interference fringes. These pass through the lens 3, and a half mirror 7 is provided at an angle of 45 degrees with respect to the chief ray 4.
The light is reflected at K3, its optical path is changed, and the light is focused at the position K3. A first line sensor 8 as a first detector is arranged at the focal point of the interference fringes. The line sensor 8 detects sinusoidal intensity changes of the interference fringes.
また、第２の無線に配設されたＹ変化から第２６から生
じる透過回折光のうち＋１次反射回折光ｊ１と一１次反
射回折光ｊ２は重ね合わされ干渉する。これらは主光線
４上に配置された第２のレンズ９を通過し、主光線４上
にある集光点ｊ３に集光される。そして、その集光点ｊ
３の後方に配置された第２の検出器としての第２のライ
ンセンサ１０によって、その干渉によって生じる干渉縞
の強度変化を検出する。Further, among the transmitted diffracted lights generated from the 26th Y-change disposed in the second radio, the +1st-order reflected diffraction light j1 and the 11th-order reflected diffraction light j2 are superimposed and interfere with each other. These light beams pass through a second lens 9 placed on the principal ray 4 and are focused on a focal point j3 on the principal ray 4. And the focal point j
A second line sensor 10 serving as a second detector placed behind the sensor 3 detects changes in the intensity of interference fringes caused by the interference.
このような構成において、Ｘテーブルが移動し、Ｘ変化
から第２５が１ピツチ変化する毎に、第１のラインセン
サ８が検出する±１次回折光に１、ｋ２がなす干渉縞の
位相が±２π変化する。第１のラインセンサ８が検知す
る位相の変化をｘ、Ｘ変化から第２５の溝のピッチをｔ
とすると、Ｘ変化から第２（テーブル）の移動量Ｖは（
１）式によって求めることができる。In such a configuration, each time the X table moves and the 25th changes by 1 pitch from the X change, the phase of the interference fringes formed by 1 and k2 on the ±1st-order diffracted light detected by the first line sensor 8 changes to ± Changes by 2π. The phase change detected by the first line sensor 8 is x, and the pitch of the 25th groove is t from the X change.
Then, the movement amount V of the second (table) from the change in X is (
1) It can be obtained by formula.
ｖ ｍ ｘ ｔ ／ ４π ・・・（１）式つ
まり、上記第１のラインセンサ８によってＸテブルツの
移動量を求めることができる。同様に上記第２のライン
センサ１０が検出する±１次回折光Ｊ１％Ｊ２の位相の
変化によってＹテーブルのＹ方向の移動量を求めること
ができる。ラインセンサ８，１０上には複数の平行な干
渉縞が結像されるので、この干渉縞の変化、つまり位相
変化を検出すれば、変化から第２つまりリニアスケール
のピッチの何十分の１の分解能でテーブルの移動量が測
定できる。v m x t / 4π (1) In other words, the first line sensor 8 can determine the amount of movement of the X table. Similarly, the amount of movement of the Y table in the Y direction can be determined from the change in the phase of the ±1st order diffracted light J1%J2 detected by the second line sensor 10. Since a plurality of parallel interference fringes are imaged on the line sensors 8 and 10, if a change in these interference fringes, that is, a phase change, is detected, the change will result in a change in the second, that is, a fraction of the pitch of the linear scale. The amount of table movement can be measured with resolution.
すなわち、上記構成の二軸リニアエンコーダによれば、
光源に非点隔差を生じる半導体レーザ１を用いたことに
より、第１の無線Ｆ１と第２の無線Ｆ２とにそれぞれＸ
変化から第２５とＹ変化から第２６を配置して各変化か
ら第２からの反射回折光を別々に検知することができる
。このことによって、つの測定装置でＸ方向とＹ方向の
変位を測定することができるのである。That is, according to the two-axis linear encoder with the above configuration,
By using the semiconductor laser 1 that produces an astigmatism difference as a light source, the first radio F1 and the second radio F2 each have an X
By arranging the 25th from the change and the 26th from the Y change, the reflected diffracted light from the 2nd from each change can be detected separately. This allows displacement in the X and Y directions to be measured with one measuring device.
なお、非点隔差を生じさせる方法としては第２図に示す
半導体レーザを使用する方法に限られず、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザのような非点収差を持たない光であっても、第３図
に示す光学系を用いることで非点隔差を作り出すことが
できる。Note that the method of producing an astigmatism difference is not limited to the method of using a semiconductor laser shown in FIG. Astigmatism can be created by using an optical system.
すなわち、光源１１から出射された測定光１２をレンズ
１３に通過させた後、主光線１４１；垂直に平面側を向
けて配置されたシリンドリカルレンズ１５をさらに通過
させる。シリンドリカルレンズから出射した測定光１２
は上記シリンドリカルレンズ１５の集光方向にだけさら
に絞られるから互いに離間して直交する第１の無線Ｆ
ｌ 、第２の無線Ｆ２に収束する。この事によって半導
体レーザを用いた場合と同様に非点隔差を作り出すこと
ができる。That is, after the measurement light 12 emitted from the light source 11 passes through the lens 13, the chief ray 141 further passes through the cylindrical lens 15, which is disposed vertically with the plane side facing. Measuring light 12 emitted from the cylindrical lens
are further focused only in the condensing direction of the cylindrical lens 15, so the first radio F
l , converges on the second radio F2. This makes it possible to create an astigmatism difference in the same way as when using a semiconductor laser.
また、第３図に示す実施例において上記レンズ１３とシ
リンドリカルレンズ１５の位置を逆にしても同様な効果
を得ることができる。Further, in the embodiment shown in FIG. 3, the same effect can be obtained even if the positions of the lens 13 and the cylindrical lens 15 are reversed.
一方、上記一実施例においてはＸ、Ｙ回折路オードを配
置し、干渉により生じた光の強度変化を上記フォトダイ
オードで電気信号として検出することによって上記ＸＳ
７変化から第２５．６の変位を求めることもできる。す
なわち、＋１次回折光ｋｔ、ｊ＋はＸ、Ｙ変化から第２
５．６が１ピッチ進むと位相が１波長進み、−１次回折
光に２、ｊ２はＸ％Ｙ変化から第２５．６が１ピッチ進
むと位相が１波長遅れる。このとき、＋１次回折光に１
．１１％ １次の回折光に２、Ｊ２の位相差はそれぞ
れ２波長となるから、各フォトダイオードの出力を適当
なしきい値で２値化すれば、１ピツチの移動に対して２
個のパルスが得られることになる。On the other hand, in the above embodiment, X and Y diffraction path odes are arranged, and the photodiode detects a change in the intensity of light caused by interference as an electrical signal.
It is also possible to obtain the 25.6th displacement from the 7th change. That is, the +1st-order diffracted light kt, j+ is
When 5.6 advances by 1 pitch, the phase advances by 1 wavelength, and when 25.6 advances by 1 pitch from the -1st-order diffracted light, the phase of j2 is delayed by 1 wavelength from the X%Y change. At this time, the +1st order diffracted light has 1
．． 11% The phase difference of 2 and J2 in the first-order diffracted light is 2 wavelengths, so if the output of each photodiode is binarized with an appropriate threshold, 2 wavelengths will be generated for one pitch movement.
pulses will be obtained.
したがって、この検出信号のパルスの数をカウンタによ
って数えれば、動いた溝の数が分かるからテーブルのＸ
軸駆動源とＹ軸駆動源との作動方向より判断すれば良い
。Therefore, if you count the number of pulses of this detection signal with a counter, you can know the number of grooves that have moved, so
This can be determined based on the operating directions of the axis drive source and the Y-axis drive source.
［発明の効果］
この発明は非点隔差によって生じる二つの無線上にスリ
ットを有する第１、第２の変化から第２を設け、それら
から得られる回折光の干渉を別々に測定する事で各変化
から第２の移動量を検出することができるようにした。[Effects of the Invention] This invention provides a second change from the first and second changes that have slits on two radio waves caused by the astigmatism difference, and separately measures the interference of the diffracted light obtained from them. The second movement amount can be detected from the change.
この様な構成によれば、互いに直交する二軸方向の微小
変位が測定できるコンパクトな二軸リニアエンコーダを
得ることができる。According to such a configuration, it is possible to obtain a compact two-axis linear encoder that can measure minute displacements in two axes directions orthogonal to each other.
第１図はこの発明の一実施例の概略構成図、第２図は同
じく非点隔差を持つ光源の光路図、第３図は同じく非点
隔差を生じさせる光学系の光路図である。
１・・・光源、３・・・第１のレンズ、５ 、Ｘ変化か
ら第２、６・・・Ｙ変化から第２、８・・・第１の検出
器、９・・・第２の検出器、Ｆｌ・・・第１の無線、Ｆ
２・・・第２の無線。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an optical path diagram of a light source having an astigmatism difference, and FIG. 3 is an optical path diagram of an optical system that similarly produces an astigmatism difference. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Light source, 3... First lens, 5, 2nd from X change, 6... 2nd from Y change, 8... 1st detector, 9... 2nd Detector, Fl...first radio, F
2...Second radio.
Claims (2)
定光を集光する集光レンズと、集光された測定光の第１
の無線に溝方向を直交させて設けられた第１の回折格子
と、集光された測定光の第１の無線と垂直な第２の無線
に溝方向を直交させて設けられた第２の回折格子と、上
記第１の回折格子からの＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光の
干渉の変化から第１の回折格子の溝方向と交差する方向
の移動量を検出する第１の検出器と、上記第２の回折格
子からの＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光の干渉の変化から
第２の回折格子の溝方向と交差する方向の移動量を検出
する第２の検出器とを具備することを特徴とする二軸リ
ニアエンコーダ。(1) A light source that emits measurement light with astigmatism, a condenser lens that condenses the measurement light, and a first
a first diffraction grating whose groove direction is orthogonal to the radio of the beam, and a second diffraction grating whose groove direction is orthogonal to the second radio which is perpendicular to the first radio of the focused measurement light. a first detector that detects the amount of movement of the first diffraction grating in a direction intersecting the groove direction from a change in interference between the diffraction grating and the +n-order diffraction light and the -n-order diffraction light from the first diffraction grating; and a second detector for detecting the amount of movement of the second diffraction grating in a direction intersecting the groove direction from a change in interference between the +n-order diffraction light and the -n-order diffraction light from the second diffraction grating. Features a two-axis linear encoder.
を生じさせる光学系と、上記測定光を集光する集光レン
ズと、集光された測定光の第１の無線に溝方向を直交さ
せて設けられた第１の回折格子と、集光された測定光の
第１の無線と垂直な第２の無線に溝方向を直交させて設
けられた第２の回折格子と、上記第１の回折格子からの
＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光の干渉の変化から第１の回
折格子の溝方向と交差する方向の移動量を検出する第１
の検出器と、上記第２の回折格子からの＋ｎ次回折光と
−ｎ次回折光の干渉の変化から第２の回折格子の溝方向
と交差する方向の移動量を検出する第２の検出器とを具
備することを特徴とする二軸リニアエンコーダ。(2) A light source that emits measurement light, an optical system that causes astigmatism in the measurement light, a condensing lens that focuses the measurement light, and a groove in the first radio of the focused measurement light. a first diffraction grating whose directions are orthogonal to each other; a second diffraction grating whose groove direction is orthogonal to a second radio which is perpendicular to the first radio of the focused measurement light; A first device that detects the amount of movement of the first diffraction grating in a direction intersecting the groove direction from a change in interference between the +n-th order diffraction light and the -n-th order diffraction light from the first diffraction grating.
and a second detector that detects the amount of movement of the second diffraction grating in a direction intersecting the groove direction from a change in interference between the +n-order diffraction light and the -n-order diffraction light from the second diffraction grating. A two-axis linear encoder characterized by comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26382290A JPH04142425A (en) | 1990-10-03 | 1990-10-03 | Two-axis linear encoder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26382290A JPH04142425A (en) | 1990-10-03 | 1990-10-03 | Two-axis linear encoder |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04142425A true JPH04142425A (en) | 1992-05-15 |
Family
ID=17394711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26382290A Pending JPH04142425A (en) | 1990-10-03 | 1990-10-03 | Two-axis linear encoder |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04142425A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009509156A (en) * | 2005-09-21 | 2009-03-05 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | System for detecting the motion of an object |
-
1990
- 1990-10-03 JP JP26382290A patent/JPH04142425A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009509156A (en) * | 2005-09-21 | 2009-03-05 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | System for detecting the motion of an object |
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