專利名稱：光柵干涉型位移測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光柵干涉型位移測量裝置，該裝置用來自可干涉光源的光束從多個方向入射到標尺，使各光束的衍射光之間產生干涉，并由此獲得檢測信號。尤其適合用于，測量探頭部與標尺的相對位移量的直線型編碼器、裝有該直線型編碼器的線性量規(guī)等測量器和形狀測量器、內外徑測量器等測量裝置、以及對機床和檢查設備等的移動工作臺進行定位和速度控制的裝置。


圖1是本申請人在日本的特開平1-185415中提出的光柵干涉型位移檢測裝置。該位移測量裝置包括標尺10和探頭部20。標尺10由間距p與光源波長λ同一級別的例如1μm以下的衍射光柵形成。
探頭部20包括用于向上述衍射光柵照射波長為λ的激光束14的例如由激光二極管(LD)制成的可干涉光源(以下簡稱光源)32，準直透鏡34，以及將由上述衍射光柵生成的多束光束的混和波進行光電轉換的受光元件22A、22B、22C、偏振板28B、28C、1/4波長板30。該光柵干涉型位移檢測裝置隨上述標尺10與探頭部20的相對位移生成周期性變化的檢測信號，其探頭部20還包括將來自上述光源32的激光束14分成兩部分的分束鏡40，使該分成兩部分的激光束以同一入射角θ對稱地分別入射到上述衍射光柵的同一衍射點10A的一對反光鏡42A、42B。該裝置將入射角θ和衍射角Φ設定得不同(Φ＜θ)，使上述分成兩部分的入射光束a、b的一方0次光與另一方1次(衍射)光在上述衍射光柵上能夠分離，用一對反光鏡44A、44B使分離的一次光反射，用偏振片46A、46B使其偏振方向相互正交，再用分束鏡48、50使其混和波分別入射到上述受光元件22A、22B、22C上。
在該位移測量裝置中，光束對標尺10的入射角θ與衍射角Φ的角度不同。另外，該裝置是測量標尺10和與其不同的部分(探頭部20)的相對位移的裝置，所以，安裝在設備上時應將標尺10和探頭部20安裝在不同的部件上，使某一個產生位移。
但是該光學結構在探頭部20與標尺10的間距角(在表示光學主要部件的圖2中的紙面上的旋轉方向位置關系)產生偏移時，透過光柵10的光束的出射角Φ在左右光路上的角度不同。所以，如表示改變間距角時輸出信號電平與間距角的關系的實測值的圖3所示，干涉時對比度降低，輸出信號電平降低。因此不能充分發(fā)揮作用。
所以，若要使圖1所示光學結構的光柵干涉型位移測量裝置充分發(fā)揮作用，則在設備上安裝時需要調整間距角，使輸出信號電平最大。而且還需要調整另一個方向，所以需要調整兩個方向，因而安裝在設備上時費時。
另外，特開平1-185415中還記載了如圖4所示的入射角θ與衍射角Φ大致相等的變形例。但是因為0次光與1次光混合，不能分離，所以不能獲得良好的信號。
本發(fā)明的光柵干涉型位移測量裝置，從多個方向向標尺入射來自可干涉光源的光束，使各光束的衍射光之間產生干涉，并由此獲得檢測信號。該裝置使多束光束在標尺光柵上的入射位置錯開大于在該標尺光柵上的光束束徑的距離，同時使各光束在標尺上的入射角與衍射角大致相等，以此解決了上述課題。
另外，通過錯開在標尺表面的入射位置使上述多束光束在標尺光柵上的入射位置錯開大于在標尺光柵上的光束束徑的距離。
或者，在光束入射到標尺表面的一點后前進至標尺光柵的玻璃厚度時使上述多束光束在標尺光柵上的入射位置錯開大于在標尺光柵上的光束束徑的距離。
另外，設置了限制入射到上述標尺的光束束徑的開口，確保0次光與1次衍射光的分離。
另外，設置了對上述多束光束的透過標尺的透射光進行遮光的部件，確保0次光與1次衍射光的分離。
本發(fā)明可使由標尺與檢測器的安裝角度差所產生的檢測信號效率的降低變小，不需要安裝時的相同位置的調整。安裝設備時的位置關系精度可用只需安裝基準面的加工精度得到滿足，不但安裝簡單而且還不需要特殊的調整部件，結構簡單部件數少。
從對以下參考附圖的描述中可以理解本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點，且在各附圖中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的部分。
優(yōu)選實施例描述本發(fā)明的第一實施方案如圖5所示，在圖4所示的與已有技術實例相同的光柵干涉型位移測量裝置的基礎上，為了控制入射在標尺10的光束的束徑，例如在準直透鏡34的出光側設置了圓形開口60，同時設定了兩條光束在標尺10上的入射位置10A、10B，使兩條光束錯開充分大于由該開口60的大小決定的光束束徑的距離。
另外，用偏振光射束分裂器62取代分束鏡40來改變入射在標尺10的兩束光束的偏振方向，同時在標尺10的出光側消除了0次光偏振方向的光束，并且在1次光偏振方向的光束通過的方向上設置了偏振板64A、64B。
圖中的66A、66B、68A、68B分別是透鏡和受光元件，用于從通過分束鏡44A、44B的光中獲得例如LD32的光量的反饋控制參照信號。70是無偏振光射束分裂器(分束鏡)。74A、76A、78A分別是偏振板、透鏡及受光元件，用于從通過上述分束鏡70的光中獲得A相信號。72B、74B、76B、78B分別為1/4波長板、偏振板、透鏡及受光元件。
在本實施方案中，從LD32射出的光束通過準直透鏡34后成為平行光，由開口60限制光束束徑，由偏振光射束分裂器62分為兩束正交的直線偏振光。
各光束被左右對稱配置的反光鏡42A、42B反射，以θ角入射到相隔距離大于標尺10上的光束束徑的兩點10A、10B上。
被標尺10衍射的±1次(衍射)光以和入射角θ相同或大致相同的衍射角Φ射出。
此時的光源波長λ、與該光源波長λ同一級別的例如1μm以下的標尺光柵間距p、入射角θ、衍射角Φ之間滿足以下關系。
sinθ-sinΦ＝λ/p (1)標尺10在圖的左右方向位移了d時，各衍射光的相位分別向反方向變化d/p。使兩束光產生干涉，觀測錯開d/2p周期的干涉光強度，以此來觀測轉換成光相位差的標尺的位移量。
衍射光線通過配置在透過各直線偏振成分的方位上的偏振板64A、64B。此時，成為干擾成分的透射光(0次光)從標尺以和入射角相同的θ角射出，但如前所述，因為在相隔距離大于光束束徑的兩點產生衍射，所以±1次光與0次光的光束不會重合。另外，由于上述偏振板64A、64B配置在對0次光遮光的位置，所以光束基本不透過。這里之所以不能完全遮光，是因為由于光源32的偏振度和偏振光射束分裂器62的偏振能使入射到偏振板64A、64B的光線不能成為完全的直線偏振光的緣故。
然后，通過偏振板64A、64B的各衍射光被左右對稱配置的分束鏡44A、44B反射，入射到中央的無偏振光射束分裂器70上。
此時，通過分束鏡44A、44B的光通過透鏡66A、66B入射到受光元件68A、68B上，成為參照信號。另外，與圖1或圖4所示的常規(guī)例一樣，可以將受光元件68A、68B中的某個省略，只用一個代用。
入射到無偏振光射束分裂器70的兩束直線偏振光分別透過一半、反射一半，經過相同的光路后射向受光元件78A、78B。
在一條光路中(圖右側的光路)，在45°方位上配置了偏振板74A，使兩束光束產生干涉，由受光元件78A將標尺位置轉換成電信號強度后輸出。
在另一條光路中(圖左側的光路)，還配置了1/4波長板72B、只將一條直線偏振光的相位延遲90°，再通過偏光板74B后產生干涉，轉換成相位相差90°的電信號。
用受光元件78A、78B對獲得的相位相差90°的兩個信號進行處理，可判定標尺的移動方向。
此時，沒被偏振板64A、64B消除的標尺的透射光(0次光)也射向受光元件。但因為光路錯開了光束束徑以上的距離，所以不會與有效光束產生干涉，因此輸出信號不會變弱。因此，成為完整的兩束光的干涉，輸出基本理想的正弦波信號。
另外，透過左右分束鏡44A、44B的光束可用于檢測衍射光的強度，即，用于控制LD32的光量，使強度穩(wěn)定。
圖6示出了本實施方案的標尺間距角與信號強度關系的實測值。與圖3相比，輸出信號強度隨間距角的跌落明顯變小。
這樣，通過使入射角θ與衍射角Φ相等或大致相等，使在發(fā)生間距角偏移時通過左右光路入射到受光元件的光束的入射角之間不易發(fā)生角度差。這是因為入射角θ與衍射角Φ之間存在(1)式的關系，θ與Φ成反比例，在θ與Φ大致相等時θ與Φ之和基本不變，通過左右光路的光束之間不易產生角度差，信號強度不易變弱。
在本實施方案中，因為設置了圓形開口60，所以可以縮小入射光束的束徑，使在標尺10上的入射位置的移動量變小。另外，開口60的形狀不限于圓形，而且在入射光束的束徑小時，或裝置大小有余時，可以省略開口60。
在本實施方案中，還使入射到標尺上的光的偏振方向不同，在其出光側設置了偏振板64A、64B來遮擋0次光，所以能夠切實地降低干擾信號的影響。另外，根據條件可用分束鏡代替偏振光射束分裂器62，或省略偏振光板64A、64B。
下面參照圖7詳細說明本發(fā)明的第二實施方案。
在本實施方案的光柵干涉型位移測量裝置中，在玻璃基板12A上形成標尺光柵12B后在上面覆蓋玻璃12C而形成了標尺12，用棱鏡80、82替代了第一實施方案的偏振光射束分裂器70。由此，在標尺12的表面12S(即玻璃12C的表面)的一個入射點在光束前進玻璃12C的厚度t時就會分開光束束徑以上的距離入射到標尺12B上。
本實施例的其它特征與第一實施方案相同，賦予相同的標號，并省略其說明。
在本實施方案中因為多束光束入射到玻璃12C的表面的一點，所以不易產生由玻璃表面(入射側)的波紋產生的誤差。
盡管在此已經描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但應當理解，在不背離所附權項的范圍內可對其做出許多改變和修正。
權利要求
1.一種光柵干涉型位移測量裝置，向標尺入射來自可干涉光源的多束光束，使各先束的衍射光束之間產生干涉，并由此獲得檢測信號，其特征為，多束光束在標尺光柵的入射位置錯開一定距離，該距離大于該標尺光柵上的光束束徑，同時，各光束在標尺上的入射角與衍射角基本相等。
2.如權利要求1所述的光柵干涉型位移測量裝置，其特征在于，通過錯開在標尺表面的入射位置使上述多束光束在標尺光柵的入射位置錯開大于標尺光柵上的光束束徑的距離。
3.如權利要求2所述的光柵干涉型位移測量裝置，其特征在于，使上述多束光線在標尺光柵的入射位置錯開的部件包括偏振光射束分裂器和反光鏡。
4.如權利要求1所述的光柵干涉型位移測量裝置，其特征在于，在上述多束光束入射到標尺表面的一點后前進至標尺光柵的玻璃厚度時，上述多束光束在標尺光柵的入射位置錯開大于標尺光柵上的光束束徑的距離。
5.如權利要求4所述的光柵干涉型位移測量裝置，其特征在于，使上述多束光束在標尺光柵的入射位置錯開的部件是棱鏡。
6.如權利要求1所述的光柵干涉型位移測量裝置，其特征在于，設置了限制上述入射到標尺的光束束徑的開口。
7.如權利要求6所述的光柵干涉型位移測量裝置，其特征在于，上述開口為圓形。
8.如權利要求1所述的光柵干涉型位移測量裝置，其特征在于，設置了對上述多束光束透過標尺的透射光進行遮光的部件。
全文摘要
使多束光線在標尺10的入射位置10A、10B或在標尺光柵12B上的衍射點錯開大于標尺光柵上的光束束徑的距離，同時使各光束在標尺的入射角θ和衍射角Φ大致相等。由此可使信號強度不易受到間距角偏移的影響，且可獲得良好的信號。所以，在設備上的安裝及裝置的操作更加簡便。
文檔編號G01D5/36GK1441224SQ0310634
公開日2003年9月10日 申請日期2003年2月25日 優(yōu)先權日2002年2月25日
發(fā)明者大崎基弘, 富谷雅樹 申請人:株式會社三豐