JPH076811B2 - 変位測定装置 - Google Patents

変位測定装置

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JPH076811B2
JPH076811B2 JP63180022A JP18002288A JPH076811B2 JP H076811 B2 JPH076811 B2 JP H076811B2 JP 63180022 A JP63180022 A JP 63180022A JP 18002288 A JP18002288 A JP 18002288A JP H076811 B2 JPH076811 B2 JP H076811B2
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哲治 西村
正彰 築地
公 石塚
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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、光学式リニアエンコーダや光学式ロータリー
エンコーダ等の、変位測定装置に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、例えばU.S.Pat.No.4,629,886やU.S.Pat.No.4,67
6,645に示される様に、リニアスケールにレーザ光を照
射し、リニアスケールからの光を光検出器で検出するこ
とにより、リニアスケールが取付けられた被検物体の変
位を測定する装置が知られている。
上記のU.S.Patentsが示す変位測定装置は、スケールを
回折格子で形成し、レーザ光の照射によりスケールから
射出する回折光で干渉縞を形成し、この干渉縞を光電変
換して得られる信号に基づいて被検物体若しくはスケー
ルの変位を測定するものであり、極めて分解能の高い測
定が可能である。しかしながら、被検物体の移動に伴な
いリニアスケールが有効長以上移動してしまったり、或
いは、リニアスケールが変位の方向に対してある程度以
上傾いていたり、変位方向と直交する方向にずれている
場合、読み取りヘッドと可動基板の位置関係を調整する
必要があった。
〔発明の概要〕
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであ
り、読み取りヘッドと可動基板を容易に精度良く最適位
置に追い込むことが可能な変位測定装置を提供すること
を目的とする。
上記目的を達成する為に、本発明の変位測定装置は、光
学式スケールを形成した可動基板にレーザ光を照射し、
前記光学式スケールからの回折光の干渉光を光検出器で
検出することにより前記可動基板の変位を測定する変位
測定装置において、前記レーザ光の前記可動基板への入
射位置近傍に前記レーザ光より光束径の大きい光を入射
させる発光素子と該発光素子からの光が前記可動基板で
反射した光を受光する第1の受光素子と、前記光検出器
に入射する回折光の一部を受光する第2の受光素子とを
有し、前記レーザ光と前記可動基板の位置調整の為に前
記第1の受光素子の出力信号に基づいて粗調整を行い前
記第2の受光素子の出力信号に基づいて微調整を行うこ
とを特徴としている。
本発明の更なる特徴と具体的な形態は後述する実施例に
記載されている。
〔実施例〕
第1図は本発明の変位測定装置の一実施例を示す光学系
概略図を示す。
第1図において、半導体レーザ1から可干渉性を有する
レーザ光をコリメーターレンズ2によって略平行光束と
し、偏光ビームスプリツター9に入射させ、偏光ビーム
スプリツター9で互いに偏光方向が直交するP偏光の透
過光束とS偏光の反射光束の2つの光束に分割してい
る。このときレーザー1の出射光束の偏光方向が偏光ビ
ームスプリツター9の偏光面の偏光方位に対して45度と
なるようにレーザー1の取付位置を調整している。これ
により偏光ビームスプリツター9からの透過光束と反射
光束の強度比が略1:1となるようにしている。
そして偏光ビームスプリツター9からの反射光束と透過
光束を夫々1/4波長板51,52を介して円偏光とし、又、
反射鏡101,102で反射させて、光学式スケールを成す回
折格子3に入射させた時、対象とする回折格子3からの
m次回折光が回折格子3から略垂直に反射するように入
射させている。
即ち、回折格子3の格子ピツチをP、可干渉性光束の波
長をλ、mを整数とし、可干渉性光束の回折格子3への
入射角度をθとしたとき θ sin-1(mλ/P) ……(1) となるように入射させている。
回折格子3は本測定装置の光学式スケールとなる部材で
あり、又、回折格子3は振幅型又は位相型の格子として
可動基板100上に形成されている。そして、基板100がX
方向に移動することにより回折格子3もX方向に変位す
る。
回折格子3から略垂直に射出した2つのm次回折光は光
学部材11に入射する。光学部材11の焦点面近傍には反射
膜12が施されているので、入射した光束は、反射膜12で
反射した後、元の光路を戻り光学部材11から射出し、再
度回折格子3に入射する。
そして回折格子3で再度回折されたm次の反射回折光は
元の光路を戻り、反射鏡101,102で反射し、1/4波長板5
1,52を透過し偏光ビームスプリツター9に再入射す
る。
このとき再回折光は1/4波長板51,52を往復している
為、偏光ビームスプリツター9で最初反射した光束は再
入射するときは偏光ビームスプリツター9に対して偏光
方位が90度異なり、偏光ビームスプリツター9を透過す
るようになる。逆に偏光ビームスプリツター9で最初透
過した光束は偏光ビームスプリツター9に再入射したと
き反射されるようになる。
こうして偏光ビームスプリツター9で2つの回折光を重
なり合わせビームスプリツター31と1/4波長板53を介し
た後、円偏光とし、ビームスプリツター6で2つの光束
に分割し、各々偏光板71,72を介した後、直線偏光とし
受光素子81,82に各々入射させている。
尚、(1)式の角度θは回折光が集光系20に入射し、
再度回折格子3に入射出来る程度の範囲内であれば良い
ことを示している。
本実施例においてm次の回折光の位相は回折格子が1ピ
ツチ移動すると2mπだけ変化する。従って受光素子81
82からは正と負のm次の回折を2回ずつ受けた光束の干
渉を受光している為、回折格子が格子の1ピツチ分移動
すると4m個の正弦波信号が得られる。
例えば回折格子3のピツチ3.2μm、回折光として1次
(m=1)を利用したとすれば回折格子3が3.2μm移
動したとき受光素子81,82からは4個の正弦波信号が得
られる。即ち正弦波1個当りの分解能として回折格子3
のピツチの1/4、即ち3.2/4=0.8μmが得られる。
又、1/4波長板51,52,53及び偏光板71,72の組み合わ
せによって受光素子81,82からの出力信号間に90度の位
相差をつけ、回折格子3の移動方向も判別出来るように
している。尚、単に移動量のみを測定するのであれば受
光素子は1つでも良く、又、1/4波長板53、ビームスプ
リツター6は不要である。
尚、第1図において、回折格子3の変位を測定する為の
読取りヘツドを符号Rで示している。
本実施例において、基板100上には回折格子3と共に所
定の反射部が形成されている。この様子を第2図に示
す。
第2図中、符番35で示す部分が反射部であり、回折格子
3の格子配列方向(X方向)に長く延びた線状パターン
が回折格子3に隣接して形成されている。この反射部35
は、レーザ光の基板100に対する入射位置と回折格子3
との位置関係を検出する為に設けられており、第1図に
示す発光素子33と受光素子34の組から成る反射部検出系
Mと協力して、レーザ光が回折格子3に入射する位置に
基板100があるか否かをモニターする。
第1図の発光素子33は、レーザとは異なり、人体に影響
のない光を放射する素子であり、本実施例ではLEDを使
用している。発光素子33からの光は反射部35を照射し
て、反射部35からの反射光が受光素子34で受光される。
又、発光素子33と受光素子34とから成る反射部検出系M
と前述の第1図で示す変位測定用光学系とは同一の読取
りヘツドRに格納されている。
ここでは、レーザ光の照射位置が回折格子3からはずれ
る場合に若しくはずれる手前で受光素子34で受光される
反射光の強度が所定のしきい値以下になる様、レーザ光
の照射位置と発光素子33からの光の照射位置及び回折格
子3と反射部35の配置を決めている。
従って、レーザ光が回折格子3を照射しているか否か
が、発光素子33と受光素子34の組から成る検出系の出力
信号、即ち、受光素子34による光電変換信号に基づいて
検出できる。この為、受光素子34からの信号の強度変化
をモニターし、この強度がしきい値以下となった場合、
例えばレーザ1の駆動を停止することにより、読取りヘ
ツドから外部へレーザ光が漏れるのを防ぐことができ
る。
第1図に戻り、ビームスプリツター31は偏光ビームスプ
リツター9からの光束の一部を反射し、この一部の光を
受光素子32に向ける。偏光ビームスプリツター9からの
光束は、互いに偏光方向が直交する回折光が重なり合っ
た光である為、回折格子3が移動しても強度の変化は生
じない。従って、受光素子32は回折格子3の移動に関係
なく、単に回折光の強度をモニターすることが可能であ
り、レーザ1の出力変動や、回折格子3と入射レーザ光
の相対的位置関係に依存する回折光の強度変化が検出で
きる。
この受光素子32と前述の受光素子34からの出力信号は、
例えば第3図に示す回路により処理される。第3図にお
いて、41と42は増幅器、43と44は比較器、45と46と49と
50は抵抗、47と48は基準電圧電源、51と52はLEDなどか
ら成る表示用発光素子を示す。又、53,54は比較器43,44
からの“HIGH"又は“LOW"の信号を後段の制御回路(不
図示)へ入力する為の端子であり、例えば図示する様
に、比較器44からの信号は、レーザ1の駆動回路を制御
する為に使用される。
受光素子32,34で発生する光強度に応じた電流は、増幅
器41,42および抵抗45,46により光強度に応じた電圧に変
換される。これを各々所定の基準電圧(しきい値)47,4
8と比較器43,44で比較し、強度が所定の値より大きいと
き出力端子53,54をLOW電圧とし、LED51,52を点灯させ
る。強度が所定の値より小さいときは出力端子53,54はH
IGH電圧となりLEDは消灯する。これにより、各受光素子
32,34が受光した光の強度を知ることができる。発光素
子33からの光束は径が大きく、しかも指向性がないの
で、受光素子34に入射する光の強度の変化は基板100が
本来の位置に対し多少Y方向に変位しても小さくなる。
これに対し、受光素子32に入射するレーザ光の強度は、
ビーム径が小さいこと,ほぼ平行光であること,光路が
長いことなどから、基板100のY方向の変位に対して大
きく変化するので基板100へのレーザ光入射位置の最適
な範囲がせまくなる。従って、まず、受光素子34に入射
する光の強度をモニタしながら、基板100即ち回折格子
3の位置の粗調整を行い、次に受光素子32に入射する光
の強度をモニタしながら回折格子3の位置の微調整を行
うようにすれば、調整が非常に行いやすく、容易に最適
位置に基板100、即ち回折格子3を追い込み、レーザ光
を回折格子3に入射させることができる。
また、先に述べた様に受光素子34に入射する光の強度が
ある所定の値に達しないときはレーザ1の動作を停止さ
せ、ある所定の値に達したときにレーザ1を駆動するよ
うにしておけば、回折格子3がレーザ光の入射位置にな
い状態のまま不用意に電源を投入したり、或いは変位測
定中に回折格子3がその有効長以上移動したりしてもレ
ーザー光が射出されない。従って、安全である。
この制御は端子54の出力をレーザ1の駆動回路に作用さ
せ、端子54の出力がHIGH電圧のときレーザ1の発光を停
止させ、端子54の出力がLOW電圧のときレーザ1を駆動
するようにする。これにより、回折格子3がレーザ光の
入射位置にないときに、不用意に、レーザ1からレーザ
ー光が発せられることがなくなる。
又、各光強度の変化は増幅器41,42の出力電圧を直接モ
ニタしてもよいことはいうまでもない。
以上説明した動作をまとめると、次の表1の様になる。
発光素子33から基板100の反射部35へ照射する光束の入
射角度は特に限定されず、第4図(A)の様にほぼ垂直
方向から入射させてもよい。又、検出系は、第4図
(B)に示す様に発光・受光各素子がペアでパツケージ
に入れられたものでもよい。また、発光素子33は、LED
以外にも、安全性の高いものであれば何でもよいし、受
光素子34もフオトダイオード,フオトトランジスタ等特
に限定されない。
また、第3図で示した回路で得られる2つの信号の表示
は、エンコーダの読取りヘツドで表示させたり、読取り
ヘツドから得られる信号を処理するインターフエイスユ
ニツト内に表示されたりすることができるが、どこで表
示しても本発明の趣旨から外れるものではない。
また、第1図において、ビームスプリツタ31の配置はこ
の位置に限定されず、たとえば1/4波長板53とビームス
プリツタ6との間にあってもよい。
〔発明の効果〕
以上、本発明によれば、レーザ光の可動基板への入射位
置近傍に前記レーザ光より光束径の大きい光を入射させ
る発光素子と該発光素子からの光が前記可動基板で反射
した光を受光する第1の受光素子と、前記光検出器に入
射する回折光の一部を受光する第2の受光素子とを設
け、前記レーザ光と前記可動基板の位置調整の為に前記
第1の受光素子の出力信号に基づいて微調整を行い前記
第2の受光素子の出力信号に基づいて微調整を行うこと
により、読み取りヘッドと可動基板を容易に精度良く最
適位置に追い込むことが可能な変位測定装置とすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の変位測定装置の一実施例を示す光学
系概略図。 第2図は基板上の回折格子と反射部を示す上面図。 第3図は2つの受光素子からの出力信号を処理する処理
回路を示す回路図。 第4図(A),(B)は反射部検出系の変形例を示す
図。 R……読取りヘツド M……反射部検出系 1……半導体レーザ 3……回折格子 32,34……受光素子 43,44……比較器 51,52……表示用発光素子 100……可動基板
フロントページの続き (72)発明者 石塚 公 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 窪田 洋一 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−59632(JP,A) 特開 昭61−262597(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光学式スケールを形成した可動基板にレー
    ザ光を照射し、前記光学式スケールからの回折光の干渉
    光を光検出器で検出することにより前記可動基板の変位
    を測定する変位測定装置において、 前記レーザ光の前記可動基板への入射位置近傍に前記レ
    ーザ光より光束径の大きい光を入射させる発光素子と該
    発光素子からの光が前記可動基板で反射した光を受光す
    る第1の受光素子と、前記光検出器に入射する回折光の
    一部を受光する第2の受光素子とを有し、前記レーザ光
    と前記可動基板の位置調整の為に前記第1の受光素子の
    出力信号に基づいて粗調整を行い前記第2の受光素子の
    出力信号に基づいて微調整を行うことを特徴とする変位
    測定装置。
JP63180022A 1988-05-10 1988-07-18 変位測定装置 Expired - Fee Related JPH076811B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011047867A (ja) * 2009-08-28 2011-03-10 Nikon Corp スケール体、位置検出装置、ステージ装置、及び露光装置

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