專利名稱：位移信息檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位移信息檢測裝置，特別是極適合于可以利用向位移物體(光學(xué)標(biāo)度)照射光時(shí)發(fā)生的衍射、高精度地求位移物體的位置信息、轉(zhuǎn)動信息或移動等的位移信息的物理量的產(chǎn)業(yè)用計(jì)量機(jī)器等的位移信息檢測裝置。
背景技術(shù)：
迄今，在產(chǎn)業(yè)用計(jì)量機(jī)器等中，為了檢測物體(位移物體)的位置信息、移動量、轉(zhuǎn)動量等位移信息，大多使用的是旋轉(zhuǎn)編碼器或線性編碼器等位移信息檢測裝置(編碼器)。
本申請人迄今為止已提案了各種應(yīng)用光的衍射干涉現(xiàn)象檢測物體的位置或速度的變化的所謂的光柵干涉方式的編碼器。特別是提案了采用微次序的微細(xì)標(biāo)度、通過取出由該微細(xì)標(biāo)度衍射的2個(gè)光束使之發(fā)生干涉而得到分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于幾何光學(xué)式編碼器的高分辨率的編碼器。
這些編碼器采用將2個(gè)衍射光的波面合成而生成干涉圖形的結(jié)構(gòu)，由于是干涉光學(xué)系統(tǒng)，所以，對各光學(xué)元件的加工、配置要求非常苛刻的精度。特別是標(biāo)度部分和檢測頭部分離的所謂的機(jī)內(nèi)式編碼器，用戶必須將標(biāo)度和檢測頭部安裝到電機(jī)或載物臺等上，從而該作業(yè)在組裝上的困難將成為問題。另外，在安裝到實(shí)際的裝置上時(shí)，隨著裝置本身的小型化，便要求更小型的編碼器。
因此，迄今本申請人在例如特愿2001-25124中提案了利用可以修正各種光學(xué)元件的組裝上的誤差的修正光學(xué)系統(tǒng)來減輕安裝時(shí)的調(diào)整誤差的影響從而可以檢測高精度的位移信息的編碼器。
圖4是利用本申請人此前提案的修正光學(xué)系統(tǒng)可以高精度地進(jìn)行位移信息檢測的編碼器的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分的概略圖。
在圖4中，從半導(dǎo)體激光器LD射出的光束R透過光束分離器BS的部分透過部分W，通過反射鏡M1和圓環(huán)狀元件CG的透過部分，照射到衍射光柵刻度(標(biāo)度光柵)GT上。由標(biāo)度GT衍射的反射衍射光R+、R-分別照射到圓環(huán)狀元件CG的圓環(huán)狀反射光柵CG1、CG2上。這里，若設(shè)衍射光柵刻度GT上的光柵間距為P1時(shí)，則圓環(huán)狀反射光柵CG1、CG2的光柵間距P2按下式的關(guān)系設(shè)定。
P2＝P1/2從局部看時(shí)，圓環(huán)狀反射光柵CG1、CG2起光柵間距P2的衍射光柵的作用，向原來的方位(衍射光柵刻度GT側(cè))衍射，向與衍射光柵刻度光柵GT大致相同的位置照射，再次發(fā)生衍射，分別使光束相互重合沿原來的光路返回，返回到光束分離器BS。該光束分別由光束分離器BS背面的反射衍射光柵GT4向與半導(dǎo)體激光器LD不同的方向取出，作為干涉光束由受光元件PD4檢測。使用±1次衍射光時(shí)，受光元件PD上的干涉的明暗周期，每移動衍射光柵刻度光柵GT的1個(gè)間距為4周期。
在該現(xiàn)有技術(shù)的例子中的編碼器利用圓環(huán)狀反射光柵CG1、CG2的效果對光源的波長變化修正光路偏移效果和對各光學(xué)元件的調(diào)準(zhǔn)誤差進(jìn)行修正，所以，即使是將標(biāo)度光柵GT和檢測頭(PD4)分離的編碼器，安裝也比較容易。另外，由于結(jié)構(gòu)部件數(shù)非常少，所以，可以實(shí)現(xiàn)小型化、薄型化。
對于圖4所示的編碼器，設(shè)衍射光柵GT上的光柵間距為P1時(shí)，由于圓環(huán)狀反射光柵CG1、CG2的間距P2按下式的關(guān)系設(shè)定，P2＝P1/2所以，特別是旋轉(zhuǎn)編碼器的盤標(biāo)度為小直徑時(shí)，如果光束照射位置偏離半徑方向時(shí)，就有容易偏離設(shè)定位置的問題。
因此，特別是在使用小直徑盤時(shí)，迫切希望有可以得到與半徑方向的光束照射位置的偏離無關(guān)的穩(wěn)定的位移信息的3光柵干涉光學(xué)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述問題而提出的，目的旨在提供利用可以用高分辨率得到穩(wěn)定的位移信息的3光柵干涉光學(xué)系統(tǒng)的小型化、薄型化而可以應(yīng)用于小直徑盤的位移信息檢測裝置。
為此，本發(fā)明的特征在于使來自光源單元的可干涉光束照射到相對移動的衍射光柵刻度上，發(fā)生2個(gè)不同次數(shù)的衍射光，由圓弧或圓環(huán)狀的曲線按不等間距地排列成格子狀的衍射光柵使該2個(gè)衍射光發(fā)生衍射偏轉(zhuǎn)，再次照射到該衍射光柵刻度上，再次發(fā)生衍射，使這些衍射光相互重疊而發(fā)生干涉，將該干涉光導(dǎo)引到受光元件上，檢測伴隨該衍射光柵刻度的相對移動的周期信號。
本發(fā)明的其他目的和結(jié)構(gòu)通過后面所述的實(shí)施例的說明即可知道。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的光學(xué)結(jié)構(gòu)(直接聚光)的主要部分的概略圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的光學(xué)結(jié)構(gòu)(透鏡聚光)的主要部分的概略圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例3的光學(xué)結(jié)構(gòu)(使照射位置橫向偏離的情況)的主要部分的概略圖。
圖4是利用現(xiàn)有的圓弧反射光柵的現(xiàn)有技術(shù)的編碼器的主要部分的概略圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1.
圖1是將本發(fā)明應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)的實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分的概略圖。
在本實(shí)施例中，表示的是適當(dāng)?shù)馗淖児鈻砰g距的圓弧狀反射衍射光柵和通過將光束聚光照射到光柵刻度上的穩(wěn)定的光柵干涉型編碼器。
在圖1中，從半導(dǎo)體激光器LD射出的光束R由透鏡L1聚光后作為聚光光束透過具有反射膜和部分透過窗W的光束分離器BS的部分透過窗W，入射到反射鏡M1和圓環(huán)狀元件(圓弧光柵元件基板)CG的透過部分CGT上。
透過該用戶光柵元件基板CG的透過部分CGT的光束大致以點(diǎn)狀照射到在旋轉(zhuǎn)編碼器中使用的放射狀的衍射光柵刻度GT上的點(diǎn)S1上，在此發(fā)生反射衍射。
在本實(shí)施例中，為了大致以點(diǎn)狀照射光柵刻度GT，由透鏡(平行光管透鏡)L1賦予直接聚光特性，以斜入射進(jìn)行照射。這時(shí)的±1次的反射衍射光R+、R-從衍射光柵刻度GT以發(fā)散光束射出，透過設(shè)置在各個(gè)光路中的1/8波片QZ1、QZ2后，分別照射到光柵間距隨著向外側(cè)(半徑方向的外側(cè))而變細(xì)的圓弧衍射光柵CG1、CG2上。
這里，該圓弧衍射光柵CG1、CG2通過適當(dāng)?shù)馗淖児鈻砰g距而配置，由該圓弧衍射光柵(圓環(huán)狀反射光柵)CG1、CG2再次衍射反射的特定次數(shù)的衍射光再次以大致點(diǎn)狀照射到半徑方向與衍射光柵刻度GT上的點(diǎn)S1有微小不同的點(diǎn)S2上，并進(jìn)而發(fā)生衍射。
在本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)編碼器中，光束的照射位置在點(diǎn)S1和點(diǎn)S2上半徑方向有微小的不同，所以，在點(diǎn)S2上再次被衍射(第3次)的2光束的光軸方位將發(fā)生若干偏離。但是，由于兩者的光束都是將點(diǎn)S2作為假想點(diǎn)光源時(shí)的發(fā)散光束，所以，2光束的球面狀的波面都是一致的，在2光束共存的區(qū)域中的干涉狀態(tài)非常穩(wěn)定。
在衍射光柵刻度GT上的點(diǎn)S2再次被衍射的2光束分別使光束的大部分相互重疊，通過透過部分CGT和反射鏡M1，由透鏡L2賦予聚光特性后返回到光束分離器BS。
另外，這2個(gè)再次衍射光束進(jìn)而往復(fù)透過使光學(xué)軸偏離90度配置的1/8波片QZ1、QZ2，所以，成為繞向相互相反的圓偏振光束，以矢量方式合成偏振狀態(tài)時(shí)，將與+1次衍射光和-1次衍射光的相位差相應(yīng)地成為使偏振面旋轉(zhuǎn)的線偏振光。
并且，導(dǎo)引到光束分離器BS上的光束由記錄在反射面上的交錯(cuò)狀相位光柵GT4發(fā)生反射衍射，分離為4個(gè)光束，經(jīng)過由使偏振面在其受光面的前面朝向不同的方位的4個(gè)偏振元件POL41、POL42、POL43、POL44構(gòu)成的偏振單元POL4后，由4個(gè)受光元件PD41、PD42、PD43、PD44構(gòu)成的受光單元(受光元件陣列)PD4進(jìn)行檢測。
使用±1次衍射光時(shí)，由受光單元PD4得到的干涉的明暗周期的變化，每移動標(biāo)度光柵GT的1個(gè)間距為4周期。另外，由受光單元PD4的4個(gè)受光元件得到的明暗周期信號是正弦波，它們的相位相互偏離。
如果使上述4個(gè)偏振元件的方位相互各偏離45度，相位將偏離90度。在本實(shí)施例中，受光元件的光束為4個(gè)，但是，通常有2個(gè)或3個(gè)就行了。
如上所述，在本實(shí)施例中，通過將適當(dāng)?shù)馗淖冮g距的圓弧狀等的反射衍射光柵CG1、CG2配合以大致以點(diǎn)狀照射放射狀光柵刻度GT的條件，構(gòu)成最適合于小型而穩(wěn)定的高分辨率的3光柵干涉型編碼器的光學(xué)系統(tǒng)。
特別是在本實(shí)施例中采用使衍射光柵刻度GT上的圓弧狀衍射光柵不是等間距而是適當(dāng)?shù)馗淖冮g距的圓弧狀等的反射衍射光柵，并進(jìn)而通過與適當(dāng)?shù)恼丈錀l件配合，構(gòu)成小型的高分辨率的編碼器光學(xué)系統(tǒng)。
在本實(shí)施例中，改變光柵刻度GT的光柵間距時(shí)，衍射光的衍射角發(fā)生變化，從而入射到圓弧狀反射衍射光柵CG1、CG2上的位置將偏離。因此，通過適當(dāng)?shù)嘏渲脠A弧狀反射衍射光柵CG1、CG2的光柵間距的間隔，使反射衍射光在原來的方位射出。
例如，作為圓弧狀反射衍射光柵，這與將反射型衍射光柵反射鏡、反射型菲涅爾透鏡、反射型波帶片配置成使其焦距與到光柵刻度GT的間隔大致相等的情況是等價(jià)的。
例如，考慮菲涅爾反射鏡作為圓弧狀反射衍射光柵CG1、CG2時(shí)，使光柵刻度GT與該圓弧狀反射衍射光柵CG1、CG2的間隔成為該圓弧狀反射衍射光柵CG1、CG2的所謂焦距的2倍的關(guān)系。這樣，便可得到所希望的光學(xué)效果。通過使再次向光柵刻度GT入射的光路與原來的光路一致，可以總是得到穩(wěn)定的干涉信息。
在本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)編碼器的情況下，盤(放射狀盤)在半徑方向偏離時(shí)，相當(dāng)于光束入射的衍射光柵的光柵間距發(fā)生了變化，根據(jù)同樣的理由，可以得到穩(wěn)定的干涉信息。
光柵刻度GT的排列方向和圓弧狀衍射光柵CG1、CG2的光束入射位置處的光柵的排列方位在沒有安裝誤差的狀態(tài)下是完全平行的，但是，有時(shí)有一定的角度。這時(shí)，再次由光柵刻度GT衍射的±1次的光束就不完全一致，從而向不同的方位射出。
因此，光束在光柵刻度GT上的再次衍射位置聚光成點(diǎn)狀，從而從該處射出的光束的波面成為球面，擴(kuò)展著射出?！?次衍射光的主光線的光軸如上述那樣偏離，但是，由于波面是相互所共有的，所以，在總體上成為所謂的單色狀態(tài)的穩(wěn)定的干涉狀態(tài)。在本實(shí)施例中，對于其他部件的安裝誤差也有同樣的效果。
實(shí)施例2.
圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的主要部分的概略圖。
本實(shí)施例與圖1的實(shí)施例1相比，不同的地方僅在于，在反射鏡M1與圓弧光柵元件基板CG之間新設(shè)置了透鏡L3，其他結(jié)構(gòu)相同。
在本實(shí)施例中，由透鏡L1和透鏡L3對光源LD的光束進(jìn)行聚光，使之大致以點(diǎn)狀斜入射地照射到標(biāo)度光柵GT上。這樣，便可得到與實(shí)施例3.
圖3是本發(fā)明實(shí)施例3的主要部分的概略圖。
本實(shí)施例與實(shí)施例1相比，不同的地方僅在于，大致以點(diǎn)狀照射到光柵刻度GT上時(shí)，在光柵刻度GT的移動方位(圓弧方向)偏離而照射到點(diǎn)S1和點(diǎn)S2上，取代在半徑方向偏離以斜入射方式照射到點(diǎn)S1和點(diǎn)S2上，其他結(jié)構(gòu)相同。這樣，便可得到與實(shí)施例1相同的效果。
在上述各實(shí)施例中，也可以將光柵刻度GT采用線性標(biāo)度光柵，將本發(fā)明應(yīng)用于線性編碼器。
利用透鏡L1或透鏡L3以點(diǎn)狀照射到光柵刻度GT上的條件不必太嚴(yán)格，實(shí)際上光束寬度的尺寸是有限的，另外，最小聚光位置稍微偏離一點(diǎn)光柵刻度GT也可以。
按照以上說明的各實(shí)施例，對3光柵干涉光學(xué)系統(tǒng)的第2衍射光柵CG通過使用適當(dāng)?shù)馗淖児鈻砰g距的圓弧狀放射光柵和使光束聚光照射到標(biāo)度光柵GT上，可以得到以下的效果。
即使光束照射到小直徑的旋轉(zhuǎn)編碼器用的盤上的放射狀光柵上的位置由于安裝時(shí)的誤差或盤的偏心而有點(diǎn)偏離，也可以得到穩(wěn)定的光柵干涉信號。
即使光柵刻度GT的光柵間距發(fā)生變化，也可以進(jìn)行穩(wěn)定的檢測，所以，在相同尺寸(照射半徑)的盤上實(shí)現(xiàn)了不同的脈沖數(shù)的編碼器。
即使光柵刻度的光柵間距發(fā)生變化，也可以進(jìn)行穩(wěn)定的檢測，所以，可以很容易地實(shí)現(xiàn)將盤與光學(xué)檢測裝置分離的所謂組裝型的編碼器。
該圓弧狀反射光柵利用EB描繪和曝光、玻璃蝕刻等半導(dǎo)體工藝可以很容易加工，所以，可以批量生產(chǎn)。
如上所述，按照本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)利用可用高分辨率得到穩(wěn)定的位移信息的3光柵干涉光學(xué)系統(tǒng)的小型化薄型化的可應(yīng)用于小直徑盤的位移信息檢測裝置。
權(quán)利要求
1.一種位移信息檢測裝置，其特征在于包括可以相對移動的衍射光柵刻度；用可干涉光束照射上述衍射光柵刻度的照明單元，和具有以不等間距排列的圓弧狀或圓環(huán)狀的曲線的衍射光柵，配置所述衍射光柵使從上述衍射光柵刻度發(fā)生的2個(gè)不同階次的衍射光發(fā)生衍射偏轉(zhuǎn)、以使之再次照射上述衍射光柵刻度。
2.按權(quán)利要求1所述的位移信息檢測裝置，其特征在于還包括受光單元，用于接收使再次入射到上述衍射光柵刻度上由上述衍射光柵刻度再次衍射的衍射光相互重疊而發(fā)生干涉的干涉光束。
3.按權(quán)利要求1所述的位移信息檢測裝置，其特征在于上述衍射光柵由上述照明單元大致以點(diǎn)狀照射。
4.按權(quán)利要求1所述的位移信息檢測裝置，其特征在于上述衍射光柵是具有與上述衍射光柵和上述衍射光柵刻度之間的距離對應(yīng)的焦距的衍射光柵透鏡或菲涅爾透鏡或波帶片。
全文摘要
一種位移信息檢測裝置，其結(jié)構(gòu)為使來自光源單元的可干涉光束照射到相對移動的衍射光柵刻度上、發(fā)生2個(gè)不同次數(shù)的衍射光，由圓弧或圓環(huán)狀的曲線不等間距地排列成格子狀的衍射光柵使該2個(gè)衍射光發(fā)生衍射偏轉(zhuǎn)，再次照射到該衍射光柵刻度上，再次發(fā)生衍射，使這些衍射光相互重疊而發(fā)生干涉，將該干涉光導(dǎo)引到受光元件上，檢測伴隨該衍射光柵刻度的相對移動的周期信號。
文檔編號G01D5/26GK1451942SQ0311070
公開日2003年10月29日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者石塚公 申請人:佳能株式會社