專利名稱:光學(xué)式位移檢測(cè)裝置的制作方法
本發(fā)明涉及光學(xué)位移檢測(cè)裝置，更詳細(xì)地說(shuō)，涉及對(duì)一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置所進(jìn)行的改良，在該裝置中，兩機(jī)件的位置關(guān)系是從在其上形成以具有一光柵的一主標(biāo)尺與在其上形成以具有一對(duì)應(yīng)于該主標(biāo)尺光柵的光柵的一指示標(biāo)尺作相對(duì)位移時(shí)所產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的信號(hào)的變化檢測(cè)出來(lái)的。
迄今，在機(jī)床和測(cè)量?jī)x表領(lǐng)域中要測(cè)量機(jī)床刀具等的進(jìn)給值時(shí)(如圖15所示)，都盛行采用這樣一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置在彼此作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的其中一個(gè)機(jī)件上安裝上一個(gè)在其上形成以具有第一光學(xué)光柵(以下簡(jiǎn)稱“第一光柵”)16的主標(biāo)尺14，在另一個(gè)機(jī)件上安裝上一個(gè)在其上形成以具有第二光學(xué)光柵(以下簡(jiǎn)稱“第二光柵”)20的指示標(biāo)尺18的滑尺，例如由光源10和準(zhǔn)直透鏡12組成的照明裝置和例如由光接收元件22組成的光電轉(zhuǎn)換裝置，由此將第一光柵16與第二光柵20相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生光量的變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后將如此檢測(cè)出的檢測(cè)信號(hào)插入并轉(zhuǎn)換成脈沖，由所附的計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)，從而可以進(jìn)行位移值的測(cè)量。
在上述檢測(cè)裝置中，例如，指示標(biāo)尺18上的第二光柵20如圖15所示可分為四相0°，90°，180°，270°，光量的變化，由前置放大器24A和24B進(jìn)行差分放大，從而使兩相檢測(cè)信號(hào)大致上可用對(duì)應(yīng)于指示標(biāo)尺18在X方向上的位移的Asinθ和Acosθ近似地表示。
在上述檢測(cè)裝置中，連同先進(jìn)的精整技術(shù)一起，都認(rèn)為需要將測(cè)量分辨率劃分得再小一些。但計(jì)數(shù)電路中施加在檢測(cè)信號(hào)的插值數(shù)目是有一定限度的，而且插值可能會(huì)引起誤差，從而要求進(jìn)一步減小檢測(cè)信號(hào)本身的間距，以便減小主標(biāo)尺14的第一光柵16的光柵間距P。迄今，光柵間距P歷來(lái)設(shè)定在20微米左右，但最近要求將光柵間距P規(guī)定為10微米或以下。
然而，隨著主標(biāo)尺14的第一光柵間距16的減少，產(chǎn)生了以下缺點(diǎn)。
更具體地說(shuō)，從設(shè)計(jì)技巧的角度出發(fā)，需要將主標(biāo)尺14與指示標(biāo)尺18之間的間隙距離g的絕對(duì)值及其容許偏差設(shè)定在某些值或高于某些值上。但當(dāng)光柵間距P的值小時(shí)，為滿足上述要求，需要采用高精度長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直透鏡12，使照明光成為令人滿意的平行光，這樣就使檢測(cè)裝置的體積變大。
另一方面，英國(guó)專利申請(qǐng)書(shū)44522/74提出過(guò)一種無(wú)需采用高精度準(zhǔn)直透鏡12可以增加間隙距離g的檢測(cè)裝置。但這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)有這樣一個(gè)缺點(diǎn)該檢測(cè)裝置用于透射式檢測(cè)裝置中時(shí)，因?yàn)樾栌萌齻€(gè)光柵，所以使用起來(lái)特別困難。
此外，在指示標(biāo)尺18上形成的第二光柵20光柵間距和對(duì)光柵的相位進(jìn)行分度具有一個(gè)缺點(diǎn)。更具體地說(shuō)，在圖15的實(shí)例中，第二光柵20是分度為四。但對(duì)垂直分度偏差δ的精確度進(jìn)行研究時(shí)，當(dāng)?shù)谝还鈻?6的光柵間距為8微米時(shí)，若第二光柵20的光柵間距也是8微米，則為使檢測(cè)信號(hào)的相位差達(dá)到90°±10°的精確度，需要采用非常小的光柵間距并將偏差δ設(shè)定在2±0.2微米。這樣就需要采用先進(jìn)的精整技術(shù)，而且在生產(chǎn)過(guò)程中降低了指示標(biāo)尺的生產(chǎn)率，從而提高生產(chǎn)成本。
另一方面，作為另一種有助于提高分辨能力的檢測(cè)裝置，有人提出過(guò)一種用以進(jìn)行光學(xué)分度的檢測(cè)裝置，該裝置根據(jù)主標(biāo)尺上形成的第一光柵間距P獲得的檢測(cè)信號(hào)的間距t是通過(guò)減小間距P例如減少到P/2獲得的。
例如，在上述美國(guó)專利申請(qǐng)44522/74中就公開(kāi)了這樣一種檢測(cè)裝置，該裝置采用三個(gè)光柵以產(chǎn)生具有間距等于主標(biāo)尺光柵間距P的1/2的檢測(cè)信號(hào)。但如前所述，該現(xiàn)有技術(shù)具有難以應(yīng)用于透射式檢測(cè)裝置的缺點(diǎn)。
此外，在圖16所示的英國(guó)專利申請(qǐng)2024416A中，提出了一種檢測(cè)裝置，該裝置主標(biāo)盤(pán)14上形成的第一光柵16上的透光部分16A與遮光部分16B之間的比值調(diào)定為1∶(2n-1)，從而使光接收元件(光電二極管)22通過(guò)其上形成以第二光柵20的指示標(biāo)尺18獲得的檢測(cè)信號(hào)，其間距為第一光柵16的間距P的1/n。
在圖16所示的檢測(cè)裝置中，第一光柵16的透光部分16A與光柵間距P之間的比值調(diào)定為1∶4，第二光柵20的間距q調(diào)定在P/2，而前置放大器24通過(guò)放大來(lái)自光電二極管22的信號(hào)得到的檢測(cè)信號(hào)的間距t為q，即為第一光柵間距P的1/2。
通過(guò)采用圖16所示的檢測(cè)裝置，必然可以獲得通過(guò)分割第一光柵16的間距P得到的間距為t的檢測(cè)信號(hào)。但由于需要將第一光柵16的透光部分16A按分割數(shù)目成比例地縮短，這實(shí)質(zhì)上等于將光柵間距進(jìn)一步縮小，特別是，從精整技術(shù)的角度來(lái)看，要制造在原來(lái)具有長(zhǎng)量程的主標(biāo)尺上形成以第一光柵16就變得困難了。此外，由于需要令人滿意的平行光線，因而需要有一個(gè)高精度長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直透鏡，從而使檢測(cè)裝置的體積變大。另外，與主標(biāo)尺的光柵間距P相比，指示標(biāo)尺的光柵間距為P/2，于是產(chǎn)生這樣的缺點(diǎn)，即當(dāng)間距P為例如10微米或以下時(shí)，指示標(biāo)尺的生產(chǎn)率低，從而提高生產(chǎn)成本。
另一方面，在上述英國(guó)專利申請(qǐng)2024416A中還敘述了這樣一個(gè)例子，其中，即使第一光柵16的透光部分16A與遮光部分16B的長(zhǎng)度比為1∶1，也能進(jìn)行光學(xué)分度。但在這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)將某一光學(xué)系統(tǒng)的有效波長(zhǎng)調(diào)定為
，第一光柵16的間距調(diào)定為P時(shí)，光柵間隙v需要滿足下式(1)的關(guān)系，因而產(chǎn)生這樣一個(gè)缺點(diǎn)使令光柵間隙v維持在某預(yù)定值的機(jī)構(gòu)部分復(fù)雜化。
v
(P2/
)/2 (1)本發(fā)明即為消除現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)而研究出來(lái)的。本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，該裝置即使當(dāng)主標(biāo)尺上形成的第一光柵的透光部分與遮光部分之間的比值為1∶1，也可進(jìn)行光學(xué)分度，而且即使在主標(biāo)尺與指示標(biāo)尺上形成的各光柵之間的一個(gè)間隙距離是一個(gè)預(yù)定值或大于某預(yù)定值，也可得出較滿意的檢測(cè)信號(hào)。
為達(dá)到上述第一目的，本發(fā)明的第一方面設(shè)想了包括下列各部分的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置;
照明裝置，包括一個(gè)相干光源;
主標(biāo)尺，在其上形成以具有光柵間距為P的第一光柵;
指示標(biāo)尺，在其上形成以具有光柵間距q＝P/n(n為等于或大于2的整數(shù))的第二光柵;和一個(gè)光接收元件，用以對(duì)透過(guò)第一和第二光柵的照明光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;
在該位移檢測(cè)裝置中，間距為P/n的檢測(cè)信號(hào)是按主標(biāo)尺與指示標(biāo)尺之間的相對(duì)位移產(chǎn)生的。
在本發(fā)明第一方面的一個(gè)特定形式中，當(dāng)考慮到光接收元件而將光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際光譜的中心波長(zhǎng)調(diào)定為
時(shí)，第一和第二光柵之間的間隙距離基本上調(diào)定為mq2/
(m是1或大于1的整數(shù))。
在本發(fā)明第一方面的另一個(gè)特定形式中，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際光譜的中心波長(zhǎng)，考慮到光接收元件，被調(diào)定在
時(shí)，第二光柵的光柵間距設(shè)定為P/2，第一和第二光柵之間的間隙則調(diào)定為大體上等于或大于2q/
。
在本發(fā)明第一方面的另一個(gè)特定形式中，光源是一個(gè)激光二極管。
在本發(fā)明第一方面的又另一個(gè)特定形式中，第一光柵的透光或反光部分與遮光或吸收光的部分之間的比值調(diào)定為大體上第于1∶1。
在本發(fā)明第一方面的又另一個(gè)特定形式中，第二光柵的透光部分與遮光部分之間的比值調(diào)定為大體上等于1∶1。
在光學(xué)式移位檢測(cè)裝置中，通常，如果第一光柵對(duì)照明光的透射系數(shù)或反射系數(shù)不能用簡(jiǎn)單的正弦函數(shù)表示時(shí)，則要精確分析例示的透射通過(guò)第一光柵的光的變化是有困難的，因此，本專利申請(qǐng)的發(fā)明人在制造各種條件下所用的檢測(cè)裝置時(shí)觀察了諸檢測(cè)信號(hào)的狀態(tài)。
本發(fā)明的第一方面即基于上述觀察結(jié)果發(fā)明出來(lái)的。將第一光柵的光柵間距調(diào)定在P值，第二光柵的光柵間距調(diào)定在P/n(n為2或大于2的整數(shù))，這些第一和第二光柵都由相干光源照射，而間距為P/n的檢測(cè)信號(hào)則是按主標(biāo)尺與指示標(biāo)尺之間的相對(duì)位移產(chǎn)生的。這樣，即使當(dāng)主標(biāo)尺上形成的第一光柵的透光或反光部分與遮光或光吸收部分之間的比值調(diào)定在大體上等于1∶1，也可以進(jìn)行光學(xué)分度，從而方便了主標(biāo)尺的制造。此外，即使當(dāng)主標(biāo)尺和指示標(biāo)尺上形成的各光柵之間所形成的光柵間距被調(diào)定在某預(yù)定值或大于某預(yù)定值，也能獲得相對(duì)來(lái)說(shuō)令人滿意的檢測(cè)信號(hào)，因而可將光柵間距調(diào)定的寬些，從而方便了機(jī)械部分的制造。
本發(fā)明的第二目的是提供一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，該裝置無(wú)需要用高精度長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直透鏡，而且指示標(biāo)尺不難精整。
為實(shí)現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明的第二方面設(shè)想了包括下列各部分的一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置漫射性光源，用以照明主標(biāo)尺而無(wú)需采用準(zhǔn)直透鏡;
主標(biāo)尺，安置在距漫射性光源有一個(gè)間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為P的第一光柵;
指示標(biāo)尺，安置在距第一光柵有一個(gè)間隙距離v的間隙分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距q＝(u+v)P/u的第二光柵;及光接收元件，用以當(dāng)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)，漫射性光源使第一光柵的象與第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
在本發(fā)明第二方面的一個(gè)特定形式中，該漫射性光源是一個(gè)點(diǎn)光源。
在本發(fā)明第二方面的另一個(gè)特定形式中，該點(diǎn)光源是一個(gè)激光二極管。
在本發(fā)明第二方面的又一個(gè)特定形式中，該點(diǎn)光源是電激光二極管在其發(fā)光部分前面設(shè)置用以控制發(fā)散角的例如半球面透鏡的透鏡而形成的。
在本發(fā)明第二方面的又另一個(gè)特定形式中，該漫射性光源是一個(gè)定向于第一光柵的光柵寬度方向上照射的線性光源。
在發(fā)明第二方面的又另一個(gè)特定形式中，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的光敏性光譜的波長(zhǎng)平均值被調(diào)定為
時(shí)，間隙v被調(diào)定為v≌unP2/(
u-nP2)其中n為
u/P2或小于
u/P2的自然數(shù)。
本發(fā)明除第二目的之外還具有第三目的，即提供一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其中可采用兩個(gè)光柵進(jìn)行分度為二的光學(xué)分度。
為實(shí)現(xiàn)上述第三目的，本發(fā)明的第三方面設(shè)想包括下列各部分的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置漫射性光源，用以照射主標(biāo)尺而無(wú)需使用準(zhǔn)直透鏡;
主標(biāo)尺，安置在距漫射性光源有一個(gè)間隙距離U的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為P的第一光柵;
指示標(biāo)尺，安置在距第一光柵有一個(gè)間隙距離V的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為q＝(u+v)P/(2u)的第二光柵;
光接收元件，用以當(dāng)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)，漫射性光源使第一光柵的象與第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
在本發(fā)明第三方面的一個(gè)特定形式中，漫射性光源是一個(gè)點(diǎn)光源。
在本發(fā)明第三方面的另一個(gè)特定形式中，該點(diǎn)光源是一個(gè)激光二極管。
在本發(fā)明第三方面的又一個(gè)特定形式中，該點(diǎn)光源是由激光二極管在其發(fā)光部分前面設(shè)置用以控制發(fā)散角的例如半球面透鏡的透鏡而形成的。
在本發(fā)明第三方面的又另一個(gè)具體形式中，該漫射性光源是一個(gè)定向于在第一光柵寬度方向上照射的線性光源。
在本發(fā)明第三方面的又另一個(gè)特定形式中，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的光敏性光譜的波長(zhǎng)平均值被調(diào)定為
時(shí)，間隙距離v被調(diào)定為v≌u(n-0.5)P2/｛
u-(n-0.5)P2｝(n為等于或小于
u/P2+0.5的自然數(shù))。
下面介紹本發(fā)明第二和第三方面的檢測(cè)原理。
如圖1所示，漫射性光源30(例如點(diǎn)光源)配置在光柵間距為P的第一光柵16前面，與第一光柵16相距一個(gè)間隙距離u。這時(shí)，放大了的第一光柵16的象表面上在屏幕S上距第一光柵16一個(gè)間隙距離V處形成。但事實(shí)上，由于衍射的影響，象的形狀發(fā)生很大的變化的。
為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，第一光柵16的光振幅透射系數(shù)用下式(2)表示，并將在下面示出根據(jù)《光學(xué)原理》(馬克斯·波恩與埃密爾·沃耳夫著，帕卡門(mén)出版社1980第六版)第383頁(yè)的菲涅耳衍射理論對(duì)象在屏幕S上在間隙距離v的分配g(x)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。
f(x)＝1+cos(2πx/P)……(2)這里，考慮到漫射性光源30的發(fā)光光譜和光接收元件波長(zhǎng)靈敏度，將在此光學(xué)系統(tǒng)中光譜的波長(zhǎng)平均值的一波長(zhǎng)調(diào)定為
，并取n為自然數(shù)(1或大于1的整數(shù))。
首先，當(dāng)間隙距離v大致上等于下式(3)表示的v/(n)時(shí)，除比例常數(shù)外，下式(4)中所示的關(guān)系成立。
v≌vl(n)＝u(n-0.5)P2/｛
u(n-0.5)P2｝……(3)
g(x)＝gl(x)≌4+cos〔4πux/｛(u+v)/P｝……(4)另一方面，當(dāng)間隙距離v大致上等于下式(5)表示的v2(n)時(shí)，除比例常數(shù)外，下式(6)中所示的關(guān)系成立。
v≌v2(n)＝unP2/(
u-nP2)……(5)g(x)＝g2(x)≌1+cos〔2πux/｛(u+v)P｝〕……(6)從(3)和(4)式可知，只要在該處間隙距離v接近vl(n)的屏幕S上給出光柵間距q＝(u+v)P/(2u)的第二光柵，就可以獲得測(cè)定信號(hào)。此象對(duì)該表面上的象具有光柵間距為1/2，且具有如此值得注意的特性，即當(dāng)?shù)谝还鈻?6位移一個(gè)間距P時(shí)，檢測(cè)信號(hào)就發(fā)生兩個(gè)間距的變化。
另一方面，從(5)和(6)式可知，只要在該處間隙距離v接近v2(n)的屏幕S上給出光柵間距q＝(u+v)P/u的第二光柵，就可獲得測(cè)定信號(hào)。由于此象與該表面上的象大小相當(dāng)，因而當(dāng)?shù)谝还鈻?6位移一個(gè)間距P時(shí)，檢測(cè)信號(hào)就發(fā)生一個(gè)間距的變化。
迄今還沒(méi)有對(duì)本發(fā)明的檢測(cè)裝置進(jìn)行過(guò)深入的研究，因?yàn)閺膩?lái)還沒(méi)有過(guò)一種檢測(cè)裝置作為其漫射性光源30，特別是作為其點(diǎn)光源30在具有一種小的發(fā)光部分但具有大的輸出，且在光柵間距P大時(shí)，上述檢測(cè)裝置的必要性則變低。今天，技術(shù)背景變了，作為點(diǎn)光源極其理想的激光二極管的價(jià)格降低了，并在光柵間距P變得非常小時(shí)作為解決存在的一些問(wèn)題的必要性，本發(fā)明的發(fā)明人在研究了上述諸多問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了上述(4)和(6)式，并肯定了上述檢測(cè)裝置的實(shí)用性。
本發(fā)明的第二方面即基于上述研究結(jié)果的第一光柵的光柵間距調(diào)定為P，第二光柵的光柵間距q調(diào)定為(u+v)P/u(u是漫射性光源與第一光柵之間的間隙距離，v是第一和第二光柵之間的間隙距離)，采用散射光源而無(wú)需用準(zhǔn)直透鏡照射在其上而形成以具有第一光柵的主標(biāo)尺，從而對(duì)由于第一光柵的象與第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。因此，點(diǎn)光源或線性光源實(shí)際上可被用作漫射性光源，而且無(wú)需使用高精度和長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直透鏡。此外，指示標(biāo)尺的間距可比過(guò)去取得大些，從而便于進(jìn)行指示標(biāo)尺的制造和精整工作。
本發(fā)明的第三方面也是以上述研究結(jié)果為基礎(chǔ)的。第一光柵的光柵間距調(diào)定為P，第二光柵的光柵間距q調(diào)定為(u+v)P/(2u)，采用漫射性光源而無(wú)需用準(zhǔn)直透鏡照射在其上形成以具有第一光柵的主標(biāo)尺，從而對(duì)由于第一光柵的象與第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這樣做的結(jié)果，采用兩個(gè)光柵可以進(jìn)一步達(dá)到分度為2的光學(xué)分度。
附帶說(shuō)一下，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的第一方面，主標(biāo)尺上第一光柵的間距調(diào)定為P，指示標(biāo)尺上第二光柵的間距調(diào)定為P/n(n為等于或大于2的整數(shù))且獲得間距為P/n的檢測(cè)信號(hào)時(shí)，透光或反光部分與遮光部分之間的比值調(diào)定為1∶1。但第一光柵除具有間距為P的基本諧波分量之外還具有間距為P/n的較高次諧波分量，因此可以推定，由于較高次諧波分量的象與第二光柵重疊，因此可以獲得檢測(cè)信號(hào)。以下事實(shí)證實(shí)了這一點(diǎn)當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)定為
時(shí)，光柵間隙可通過(guò)將(P/n)2/
乘以某一整數(shù)而獲得，則在大致此一位置上可獲得對(duì)比度良好的信號(hào)。
假設(shè)有一個(gè)間距為P的光柵F1(x)，舉例說(shuō)，透光或反光部分與遮光部分之間的比值如同第一光柵一樣精確地調(diào)定到1∶1，且若對(duì)此進(jìn)行傅立葉分析，則得出下列方程，常數(shù)除外。
F1(x)＝1/2+0.6sin(2π×/P)+0.2sin(3.2π×/P)+0.1sin(5.2π×/P)+……因此顯然，F(xiàn)1(x)除包括基本諧波外，還包括諸如三次和五次諧波之類(lèi)的較高次諧波。
同樣，假設(shè)，在第一光柵中，透光或反光部分與遮光部分之間的比值調(diào)定為5∶7，且當(dāng)進(jìn)行傅立葉分析時(shí)，可以認(rèn)為包括了二次和四次諧波之類(lèi)的較高次諧波。
通常，第一光柵是使其透光或反光部分與遮光烹部分之間的比值為1∶1進(jìn)行制造的。然而從制造工藝的方面來(lái)看，可變性存在，而比值1∶1是不能實(shí)現(xiàn)的。在這方面，可以想象，諧波包括了所有的較高次諧波，且上述檢測(cè)裝置利用了這些較高次諧波分量。
但這種測(cè)定裝置需用高精度和長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直透鏡以使照明光成為令人滿意的平行光束。因此，出現(xiàn)了上述缺點(diǎn)，以致檢測(cè)裝置的體積變大。
此外，隨著光學(xué)分度的增加，指示標(biāo)尺上第二光柵的間距應(yīng)劃分得更小。對(duì)指示標(biāo)尺來(lái)說(shuō)，由于它與主標(biāo)尺不同，只要有若干毫米就足夠了，間距小并不造成實(shí)質(zhì)性的障礙，但這樣一個(gè)問(wèn)題仍然存在著隨著間距劃分得越小，指示標(biāo)尺的生產(chǎn)率下降。
同樣，當(dāng)指示標(biāo)尺上第二光柵的間距調(diào)定為P/(2n)且要獲取間距為P/(2n)的檢測(cè)信號(hào)時(shí)，情況也是如此。在這種情況下，對(duì)比度良好的信號(hào)可在主要在光柵間隙是通過(guò)將(P/n)2/
乘以某一整數(shù)的一半而獲得的位置上獲得的。
因此，本發(fā)明的第四目的是提供一種光學(xué)式檢測(cè)裝置，該裝置的光學(xué)分度可以無(wú)需使用高精度和長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行，而其指示標(biāo)尺可易于制造。
為達(dá)到上述第四目的，本發(fā)明的第四方面設(shè)想包括有下列各部分的，光學(xué)式位移檢測(cè)裝置-漫射性光源;
-主標(biāo)尺，安置在距漫射性光源有一段間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為P且包括較高次諧波分量的第一光柵;
-指示標(biāo)尺，安置在與第一光柵有一段間隙距離v的間隔分離的位置上，當(dāng)Q＝P/m(m是等于或大于2的整數(shù))時(shí)在其上形成以具有光柵間距q≌(u+v)Q/u的第二光柵;和一光接收元件，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)因漫射性光源使第一光柵的象與第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生間距為Q的檢測(cè)信號(hào)。
在本發(fā)明第四方面的一個(gè)特定形式中，漫射性光源是一個(gè)點(diǎn)光源。
在本發(fā)明第四方面的另一個(gè)特定形式中，該點(diǎn)光源是一個(gè)激光二極管。
在本發(fā)明第四方面的又一個(gè)特定形式中，該點(diǎn)光源是通過(guò)在激光二極管的發(fā)光部分前面設(shè)置用以控制發(fā)散角的例如半球面透鏡一透鏡而形成的。
在本發(fā)明第四方面的又另一個(gè)特定形式中，該漫射光源是一個(gè)定向于第一光柵寬度方向上照射的線性光源。
在本發(fā)明第四方面的又另一個(gè)特定形式中，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光敏性光譜的波長(zhǎng)平均值調(diào)定為
，此外，此系統(tǒng)的放大率M被定義為M≌(u+v)/u時(shí)，間隙距離v調(diào)定為v≌nMQ2/
(n為等于或大于1的整數(shù))。
本發(fā)明的第五目的是提供一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，該裝置的光學(xué)多重分度，除第四目的之外，是采用兩個(gè)光柵進(jìn)行的。
為達(dá)到上述第五目的，本發(fā)明的第五方面設(shè)想包括有下列各部分的一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置-漫射性光源;
-主標(biāo)尺，安置在距漫射性光源有一段間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為P且具有較高次諧波分量的第一光柵;
-指主標(biāo)尺，安置在距第一光柵有一段距離v的間隔分離的位置上，當(dāng)Q＝P/m時(shí)在其上形成以具有光柵間距q(u+v)Q/(2u)(m是等于或大于2的整數(shù))的第二光柵;和-光接收元件，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)因漫射性光源使第一光柵的象與第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生間距為Q/2的檢測(cè)定號(hào)。
在本發(fā)明第五方面的一個(gè)特定形式中，漫射性光源是一個(gè)點(diǎn)光源。
在本發(fā)明第五方面的另一個(gè)特定形式中，該點(diǎn)光源是一個(gè)激光二極管。
在本發(fā)明第五方面的又一個(gè)特定形式中，該點(diǎn)光源是通過(guò)在激光二極管發(fā)光部分前面設(shè)置用以控制發(fā)散角的例如半球面透鏡的透鏡而形成的。
在本發(fā)明第五方面的又另一個(gè)特定形式中，漫射性光源是一個(gè)定向于第一光柵寬度方向上照射的線性光源。
在本發(fā)明第五方面的又另一個(gè)特定形式中，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光敏性光譜的波長(zhǎng)平均值調(diào)定為
時(shí)，距離v調(diào)定為v≌(n-1/2)MQ2/
(n是等于或大于1的整數(shù))，此外，該系統(tǒng)的放大率M以M＝(u+v)/u表示。
下面將敘述本發(fā)明第四和第五方面的原理。
參看圖1。當(dāng)假設(shè)第一光柵16具有m次諧波(m是等于或大于2的整數(shù))的較高次諧波分量時(shí)，可以想象，具有一光柵間距為Q(假設(shè)Q＝P/m)的光柵，來(lái)代替第一光柵。這時(shí)，間距為Q的放大了的光柵的象表面上在屏幕S上距第一光柵16一個(gè)間隔距離V處形成。但事實(shí)上，象的光量分布是隨u和v值而發(fā)生很大的變化。
為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，用下式(7)表示間距為Q的光柵光的振幅透射系數(shù)f(x)，并在下面示出根據(jù)上述菲涅耳衍射理論計(jì)算在屏幕S上在間隙距離v處的象分布的結(jié)果。
T(x)＝1+cos(2πx/Q)……(7)這里考慮到由漫射性光源30發(fā)出的光譜和光接收元件的波長(zhǎng)靈敏度，將在此光學(xué)系統(tǒng)中的光譜的波長(zhǎng)平均值的一波長(zhǎng)，調(diào)定為
，n調(diào)定為自然數(shù)(等于或大于1的整數(shù))，第一光柵的放大率以M＝(u+v)/u定義之。
首先，當(dāng)間隙距離v大致上等于下式(8)所表示的v1(n)時(shí)，下式(9)所示關(guān)系式成立，比例常數(shù)除外。
v≌vl(n)＝(n-0.5)MQ2/
……(8)g(x)≡gl(x)≌4+cos〔4xux/｛(u+v)Q｝〕 ……(9)(8)式與下式等效v≌vl(n)＝u(n-0.5)Q2/｛
u-(n-0.5)Q2｝但若v變化，gl(x)的變化沒(méi)有那么大。因此(8)式不是那么嚴(yán)密。
另一方面，當(dāng)間隙距離v大致上等于下式(10)表式的v2(n)時(shí)，下式(11)所示的關(guān)系式成立，比例常數(shù)則例外。
v≌v2(n)＝n(MQ2/
……(10)g(x)≡g2(x)≌1+cos〔2πux/｛(u+v)P｝〕 ……(11)從(8)和(9)式發(fā)現(xiàn)，通過(guò)配置以具光柵間距q＝(u+v)P/(2u)的第二光柵，在屏幕S上在間隙距離v靠近v1(n)的地方可以獲得一個(gè)測(cè)定信號(hào)。此象對(duì)表面上的象具有光柵間距為1/2，且具有值得注意的特性，即當(dāng)令第一光柵16位移一段間距Q即P/m時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的變化相當(dāng)于兩個(gè)間距的值。
另一方面，從(10)和(11)式發(fā)現(xiàn)，通過(guò)配置以具光柵間距q＝(u+v)Q/u第二光柵，在屏幕上間隙距離V靠近v2(n)的地方可獲得一個(gè)測(cè)定信號(hào)。由于此象與表面上的象大小相當(dāng)，因而當(dāng)令第一光柵位移一段距離Q即P/m時(shí)，測(cè)定信號(hào)就發(fā)生相當(dāng)于一個(gè)間距的值的變化。
附帶說(shuō)一下，具有各種間距的波形出現(xiàn)在屏幕S上，對(duì)應(yīng)于第一光柵的較高次諧波分量。但可以想象，第二光柵對(duì)由該較高次諧波分量來(lái)的特定分量進(jìn)行濾波。
本發(fā)明的第四方面是以上述研究結(jié)果為基礎(chǔ)的。第一光柵的光柵間距調(diào)定為P，第二光柵的光柵間距q調(diào)定為(u+v)Q/u(Q＝P/m)，在其上形成以第一光柵的主標(biāo)尺由漫射性光源照射，并對(duì)第一光柵的較高次諧波分量的象與第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生間距為Q的檢測(cè)信號(hào)。因此，由于點(diǎn)光源和線性光源實(shí)際上可被用作漫射性光源，因而不需用高精度和長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直透鏡。此外，第二光柵的間距可制造得比以往的大，因而指示標(biāo)尺制造起來(lái)很容易。
本發(fā)明的第五方面也是基于上述研究結(jié)果的。第一光柵的光柵間距調(diào)定為P，第二光柵的光柵間距q調(diào)定為(u+v)Q/(2u)，在其上形成以第一光柵的主標(biāo)尺由漫射性光源照射，從而對(duì)第一光柵較高次諧波分量的象與第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，由此產(chǎn)生間距為Q/2的檢測(cè)信號(hào)。因此，還可以采用該兩個(gè)光柵實(shí)現(xiàn)光學(xué)多重分度。
參照附圖在研究下面的說(shuō)明書(shū)就不難清礎(chǔ)理解本發(fā)明的本質(zhì)、其它目的和優(yōu)點(diǎn)，附圖中，同樣的編號(hào)表示相同或類(lèi)似的部件，其中圖1是說(shuō)明本發(fā)明檢測(cè)原理的示意圖;
圖2是本發(fā)明光學(xué)式位移檢測(cè)裝置第一實(shí)施例的配置方式透視圖;
圖3是說(shuō)明測(cè)定信號(hào)的信號(hào)對(duì)比度的示意圖;
圖4(A)和4(B)是表示用第一實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果的曲線圖;
圖5是表示本發(fā)明第二實(shí)施例配置方式的剖視圖;
圖6是表示本發(fā)明第三實(shí)施例配置方式的剖視圖;
圖7是表示本發(fā)明第四實(shí)施例配置方式的剖視圖;
圖8是表示本發(fā)明第五實(shí)施例配置方式的剖視圖;
圖9是說(shuō)明本發(fā)明第五實(shí)施例所采用的線性光源配置方式的正視圖;
圖10是從圖9沿Ⅹ-Ⅹ線截取的橫向剖視圖;
圖11是說(shuō)明本發(fā)明第六實(shí)施例配置方式的剖面圖;
圖12是說(shuō)明本發(fā)明第七實(shí)施例配置方式的剖視圖;
圖13是說(shuō)明本發(fā)明第八實(shí)施例配置方式的剖視圖;
圖14是說(shuō)明本發(fā)明第九實(shí)施例配置方式的剖視圖;
圖15是普通光學(xué)式位移檢測(cè)裝置一個(gè)實(shí)例配置方式的透視圖;
圖16是普通光學(xué)式位移檢測(cè)裝置另一個(gè)實(shí)例配置方式的剖視圖。
下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的一些實(shí)施例。
如圖2所示，本發(fā)明的第一實(shí)施例包括照明裝置，具有大體上平行的光通量，由激光二極管32的相干光源和準(zhǔn)直透鏡33組成;
主標(biāo)尺14，在其上形成以第一光柵16，其中，透光部分16A與遮光部分16B之間的比值大致調(diào)定為1∶1，光柵間距調(diào)定為P。
指示標(biāo)尺18，在其上形成以具有兩個(gè)分度彼此的相位移為90度的第二光柵20，其中，透光部分與遮光部分之間的比值大體上調(diào)定為1∶1，光柵間距調(diào)定為q;
兩個(gè)光電二極管22，是對(duì)應(yīng)于第二光柵的分度措施而設(shè)置的，用以對(duì)透過(guò)第一光柵16和第二光柵20的照明光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;和兩前置放大器24，用以分別放大來(lái)自光電二極管22的輸出，并輸出間距調(diào)定為t彼此在相位上移動(dòng)了90度的檢測(cè)信號(hào)A和B。
激光二極管32的波長(zhǎng)
調(diào)定在0.8微米左右。這里，
是激光二極管32的波長(zhǎng)，但通常考慮到光接收元件(光電二極管32)，
可取光學(xué)系統(tǒng)有效光譜的中心波長(zhǎng)。
當(dāng)激光二極管32安裝在遠(yuǎn)處時(shí)無(wú)需使用準(zhǔn)直透鏡33。
至于第一光柵16的間距p，可選取，例如，下列任一值8微米，20微米和40微米。
此外，第二光柵20的間距q則可選取，例如，8微米或4微米。
對(duì)本發(fā)明的評(píng)估是用第一實(shí)施例進(jìn)行的。表一列出了評(píng)估本發(fā)明所采用第一光柵16的間距P與第二光柵20的間距q的組合。表一中所示的t值是第一和第二光柵之的間隙距離V取大于P/
時(shí)所得出的檢測(cè)信號(hào)的間距。
從表一可明顯地看出，檢測(cè)信號(hào)的間距t相對(duì)于第一光柵16的間距P而變小，借此進(jìn)行了光學(xué)多重分度。表一中的n值表示P/t，即光學(xué)分度數(shù)。
表一P(微米) q(微米) n t(微米)40 8 5 820 4 5 416 8 2 816 4 4 48 4 2 4這里，即使進(jìn)行了光學(xué)分度，可以想象，由于第二光柵20的間距q等于檢測(cè)信號(hào)的間距t，因此第二光柵在制造上有困難。但對(duì)第二光柵20來(lái)說(shuō)，由于與在主標(biāo)尺14上的第一光柵要求其長(zhǎng)度要包括量程的整個(gè)長(zhǎng)度不同，因而其長(zhǎng)度只要包括光接收元件的寬度即可。因此，例如，可用電子束繪圖儀表直接繪制圖形，從而可以使第二光柵比在主標(biāo)尺上的第一光柵更易制造。
其次，再?gòu)墓鈻砰g隙距v的變化和檢測(cè)信號(hào)的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行評(píng)估。圖3是從前置放大器24可得出的檢測(cè)信號(hào)的一個(gè)例子。檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量的良好程度可根據(jù)采用直流分量DC和交流分量PP以下式(12)表示的信號(hào)對(duì)比度進(jìn)行評(píng)估。
信號(hào)對(duì)比度＝PP/DC……(12)更具體地說(shuō)，通常，直流分量DC與位移檢測(cè)過(guò)程沒(méi)有關(guān)系，其值應(yīng)小些。因此，信號(hào)對(duì)比度越大，測(cè)量可進(jìn)行得更穩(wěn)定。圖3中的虛線表示所能得出的最佳信號(hào)對(duì)比度。按照信號(hào)對(duì)比度的定義，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的信號(hào)對(duì)比度值為2。
隨著光柵間隙距離v的變化，信號(hào)對(duì)比度也發(fā)生變化。圖4(A)和4(B)示出由此而獲得的評(píng)估結(jié)果。評(píng)估的結(jié)果是與光學(xué)分度數(shù)即n為2或2以外的數(shù)有關(guān)，因而可以觀察到各種不同的傾向。圖(A)是n＝2時(shí)的情況，圖4(B)是n≠2時(shí)的情況。
n＝2時(shí)，從圖4(A)可知，信號(hào)對(duì)比度的峰值出現(xiàn)在光柵間隙距離v是通過(guò)q2/
乘以某一偶數(shù)得出的位置上。鑒于到處都不出現(xiàn)零值，因而只要光柵間隙距離v等于或大于2q2/
都可以檢測(cè)出位移量。此外，極其重要的一個(gè)特點(diǎn)是，當(dāng)光柵間隙距離v約等于或大于100q2/
時(shí)，信號(hào)對(duì)比度大致上恒定在0.5值上。因上可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于光柵間隙距離v的變化來(lái)說(shuō)，測(cè)定信號(hào)幾乎不變，因而可以制造出極其穩(wěn)定的檢測(cè)裝置。
相比之下，當(dāng)n等于2時(shí)，例如當(dāng)?shù)谝还鈻?6的光柵間距P為40微米，第二光柵20的光柵間距q為8微米(n＝5)時(shí)的組合情況下，信號(hào)對(duì)比的峰值出現(xiàn)在靠近如圖4(B)所示的光柵間隙距離v是由q2/
乘以某一整數(shù)獲得的位置，且信號(hào)對(duì)比度在其各中間部分都接近于零。因此可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將光柵間隙距離v調(diào)定到約mq2/
(m是一個(gè)正整數(shù))，且m取大值時(shí)，則即使光柵間隙距離v大于某預(yù)定值也可以制造出檢測(cè)信號(hào)對(duì)比度良好的檢測(cè)裝置。
附帶說(shuō)一下，用此第一實(shí)施例的檢測(cè)裝置評(píng)估本發(fā)明時(shí)，分度數(shù)n為2～5。但可以預(yù)料在更高的多重分度的情況下，這一點(diǎn)也同樣適用。
在第一實(shí)施例中，我們是將本發(fā)明應(yīng)用于透射式直線性位移檢測(cè)裝置上。但本發(fā)明的應(yīng)用范圍不必就局限于此，本發(fā)明同樣可應(yīng)用于如圖5第二實(shí)施例所示的那種反射式直線性位移檢測(cè)裝置上。在這種情況下，主標(biāo)尺14除采用玻璃標(biāo)尺外，還可采用不銹鋼帶等。此外，除直線性位移檢測(cè)裝置(線性編碼器)外，同樣還可適用于旋轉(zhuǎn)位移檢測(cè)裝置(旋轉(zhuǎn)編碼器)。
在上述實(shí)施例中采用了激光二極管32作為相干光源。但光源的種類(lèi)并不局限于此，除激光二極管外，還可以(例如)采用發(fā)射光譜寬度約為20毫微米的發(fā)射極管。此外，即使發(fā)光元件具有很寬的發(fā)射光譜寬度，通過(guò)另外采用干涉濾光器等來(lái)選擇波長(zhǎng)，仍可采用該發(fā)光元件作為相干光源。
下面談?wù)劚景l(fā)明第二方面的實(shí)施例。
如圖6所示，本發(fā)明的第三實(shí)施例應(yīng)用了上述(5)和(6)式所述的關(guān)系，該實(shí)施例包括-激光二極管32，用以照明主標(biāo)尺14而無(wú)需使用準(zhǔn)直透鏡;
-主標(biāo)尺14，安置在與激光二極管32相距一段間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距P的第一光柵16，光柵16上有若干縱向條紋刻度;
-指示標(biāo)尺18，安置在與第一光柵16相距一段間隙距離v的間隔分隔的位置上，在其上形成以具有光柵間距為q的第二光柵20;
兩個(gè)光接收元件22A和22B，在相位上相差0度至90度，用以對(duì)兩標(biāo)尺14和16彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)激光二極管32使第一光柵16的象與第二光柵20重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;和前置放大器24A和24B，用以分別放大來(lái)自光接收元件22A和22B的輸出。
激光二極管32可采用其發(fā)光部分的大小約為若干平方微米、波長(zhǎng)
約為0.78微米的激光二極管(例如，日立公司出品的HL-7801E激光二極管)。
第一光柵16與第二光柵20之間的間隙距離v和第二光柵20的光柵間距q適宜滿足下式所示的關(guān)系。
v≌unP2/(
u-nP2)……(13)q≌(u+v)P/u ……(14)其中，n為等于或
n/P2整數(shù)。
具體地說(shuō)，當(dāng)n＝30，且u和v都調(diào)定為4.9毫米左右，第一光柵的光柵間距P調(diào)定為8微米時(shí)，從(14)式所示的關(guān)系來(lái)看，第二光柵20的光柵間距q可調(diào)定為16微米。最后，要獲取令人滿意的信號(hào)必須精心調(diào)節(jié)激光二極管32和指示標(biāo)尺18的位置，此外，間隙距離v容許的變化值約為±0.1P2/
。
另一方面將第二光柵20的偏差δ求出信號(hào)的相應(yīng)位移時(shí)，為獲得90°±10°的相位差，該偏差δ可取4±0.4微米，因?yàn)楣鈻砰g距q為16微米。因此發(fā)現(xiàn)，在第二光柵20中，光柵間距和偏差都比普通檢測(cè)裝置的翻了一番，從而方便了第二光柵的制造。
此外，通過(guò)在x方向上減少光接收元件22A和22B的寬度可以避免主標(biāo)尺14移位時(shí)間隙u和v變化所引起的第二光柵20的間距q與象間距之間的位移的不利影響。
在本實(shí)施例的布局中，主標(biāo)尺14是在x方向上移位，從而可以從前置放大器24A和24B獲得間距t＝8微米并移位成兩相的檢測(cè)信號(hào)。換句話說(shuō)，t＝P。
在第三實(shí)施例中，實(shí)際上采用激光二極管作為點(diǎn)光源，但點(diǎn)光源的種類(lèi)并不局限于此，例如圖7所示的第四實(shí)施例，可在激光二極管的發(fā)光部分前面采用直徑為500微米的極小半球面透鏡34，供控制分散角之用。在這種情況下，來(lái)自激光二極管32照明光的分散角受到控制，從而提高了光的接收效率。
另外，點(diǎn)光源還可采用介于激光二極管與發(fā)射二極管之間中間形式的高輸出發(fā)射二極管。
下面詳細(xì)敘述本發(fā)明的第五實(shí)施例。
如圖8所示，在此第五實(shí)施例中，漫射性光源采用了照射方向定向于第一光柵16寬度方向的線性光源40，例如，一個(gè)縫隙發(fā)射二極管。除四個(gè)光接收元件22A、22B、22C和22D相位移分別為0°、180°、90°和270°外，其它方面都與第三實(shí)施例的類(lèi)似，因而不再重復(fù)敘述。
當(dāng)采用普通發(fā)射二極管作為光源時(shí)，若為獲取點(diǎn)光源只是把發(fā)光部分造得很小時(shí)，則發(fā)射輸出降低，因而必須提高前置放大器的放大程度，從而使信噪比S/N變差。因此在此第五實(shí)施例中，發(fā)射二極管是作為線性光源，而不是作為點(diǎn)光源。
作為線性光源40，可采用如圖9和圖10所示的具有縫隙發(fā)光部分42的發(fā)射二極管。這種發(fā)射二極管具有這樣的結(jié)構(gòu)例如在n型GaAs的基片44上用擴(kuò)散法形成寬w約為50微米、長(zhǎng)度L約為400微米的縫隙狀p型GaAs，在基片底部表面淀積上電極薄膜46，再在基片頂部表面通過(guò)絕緣薄膜48也淀積上另一電極薄膜46。一導(dǎo)線以50表示。上述發(fā)射二極管發(fā)射出呈縫隙形的光，因而總的輸出沒(méi)有減少，所以這種發(fā)射二極管最適合作為線性光源。
如上所述，發(fā)射二極管縫隙形發(fā)光部分的縱向是定向于主標(biāo)尺14的第一光柵16的寬度方向的，因而即使發(fā)射二極管是在光柵寬度方向上照射的線性光源，在光柵的x方向上也變?yōu)辄c(diǎn)光源，從而使發(fā)射二極管基本上可起點(diǎn)光源的作用。
下面詳細(xì)敘述本發(fā)明第三方面的實(shí)施例。
本發(fā)明的第六實(shí)施例應(yīng)用上述(3)和(4)式中所述的關(guān)系，而且如圖11所示包括激光二極管32，用以照明主標(biāo)尺14而無(wú)需使用準(zhǔn)直透鏡;
主標(biāo)尺14，安置在距激光二極管32一段間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為P的第一光柵16，光柵則有若干縱向條紋刻度;
指示標(biāo)尺18，安置在距第一光柵16一段間隙距離V的間隔分離的位置上，在其上形成以具有間距為q的第二光柵20;
兩個(gè)相位移從0°至90°的光接收元件22A和22B，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)激光二極管32使第一光柵16的象與第二光柵20重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;和前置放大器24A和24B，用以分別放大來(lái)自光接收元件22A和22B的輸出。
激光二極管32可采用第三實(shí)施例中所采用的同一種。
第一光柵16與第二光柵20之間的間隙距離v和第二光柵20的光柵間距q適宜滿足下式中的關(guān)系。
v≌u(n-0.5)P2/｛
u-(n-0.5)P2｝……(15)q＝(u+v)P/(2u) ……(16)其中n是等于或小于
u/P2+0.5的自然數(shù)。
附帶說(shuō)一下，作為試驗(yàn)的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，(15)式中所示的關(guān)系無(wú)需保持得那么嚴(yán)密。
具體地說(shuō)，當(dāng)u和v調(diào)定在在5毫米左右，第一光柵間距P調(diào)定在8微米時(shí)，從(16)式所示的關(guān)系來(lái)看，第二光柵20的光柵間距q也可調(diào)定為8微米。
另一方面，要獲取90°±10°的相位差而將第二光柵20的偏差δ除以偏差δ時(shí)，該偏差δ可以是2±0.2微米，因?yàn)楣鈻砰g距是8微米。附帶說(shuō)一下，當(dāng)采用莫阿干涉條紋法時(shí)，δ調(diào)定到零，且可令指示標(biāo)尺精細(xì)地轉(zhuǎn)動(dòng)，以將光接收元件22A和22B配置在垂直方向上。
此外，通過(guò)x方向上減少光接收元件22A和22B的寬度可以避免主標(biāo)尺14移位時(shí)間隙距離u和v變化所引起第二光柵20的間距q與象間距之間的位移的不利影響。以上與第三實(shí)施例類(lèi)似。
在本實(shí)施例的布局中，即使當(dāng)主標(biāo)尺14的第一光柵16在x方向上移位一個(gè)間距P，所得出的象化相當(dāng)?shù)闹?。因此可從前置放大?4A和24B獲取間距t＝P/2且移位成兩相的檢測(cè)信號(hào)。換句話說(shuō)，進(jìn)行分度為二的光學(xué)分度。
在第六實(shí)施例中，實(shí)際上采用激光二極管作為點(diǎn)光源，但點(diǎn)光源的類(lèi)型不一定只局限于此，可采用圖7第四實(shí)施例中在激光二極管32前面設(shè)置極小球面透鏡34的方式或高輸出的發(fā)射二極管作為點(diǎn)光源。
此外，如圖8至圖10中第五實(shí)施例所示，作為漫射性光光源可采用定向在第一光柵16寬度方向上照射的線性光源40。
下面詳敘述本發(fā)明第四方面的實(shí)施例。
本發(fā)明第七實(shí)施例應(yīng)用了(10)和(11)式中所示的關(guān)系，采用了m次諧波的較高次諧波，且如圖12所示，包括激光二極管32，用以照明主標(biāo)尺面無(wú)需使用準(zhǔn)直透鏡;
主標(biāo)尺14，安置在與激光二極管2相距一段間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為P的第一光柵16，光柵16包括較高次諧波分量;
指示標(biāo)尺18，安置在與第一光柵16相距一段間隙距離v的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為q的第二光柵20;
兩個(gè)相位差從0°至90°的光接收元件22A和22B，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)激光二極管32使第一光柵16的象與第二光柵20重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;和前置放大器24A和24B，用以分別放大來(lái)自光接收元件的輸出。
這里，假設(shè)第一光柵16具有m次諧波的較高次諧波分量，且在圖12中，第一光柵是用間距Q＝P/m的光柵表示。作為第一光柵，可采用，例如，透光部分與遮光部分之間的比值調(diào)定為1∶1左右的光柵。
激光二極管32則可采用第三實(shí)施例所用的同一種。
第一光柵16與第二光柵20之間的間隙距離V和第二光柵20的光柵間距q都適宜滿足下式中所示的關(guān)系。
v≌nMQ2/
……(17)q＝(u+v)Q/u ……(18)具體地說(shuō)，當(dāng)m＝5，n＝120時(shí)，u和v都調(diào)定到5毫米左右，第一光柵的光柵間距調(diào)定到20微米(Q＝4微米)，第二光柵20的光柵間距q，從(18)式所示的關(guān)系看，可以是8微米。最后，為獲取令人滿意的信號(hào)，必須精心調(diào)節(jié)激光二極管32和指示標(biāo)尺18的位置。此外，距離v的容許變化值約為+0.2Q2/
。
另一方面，要獲取90°±10°的相位差而將第二光柵20的偏差δ除以偏差δ時(shí)，該偏差δ可以是2±0.2微米，因?yàn)楣鈻砰g距是8微米。因此，發(fā)現(xiàn)了，在第二光柵20中，光柵間距和偏差都比普通檢測(cè)裝置的翻了一番，從而方便了第二標(biāo)尺的制造。
這里，在檢測(cè)裝置是游標(biāo)式時(shí)，第二光柵的光柵間距q調(diào)定到大致等于用(18)式求出的值，無(wú)需用相位對(duì)光柵間距q進(jìn)行分度，且光柵間距q值可能比普通測(cè)定裝置的值翻一番。
此外，通過(guò)在x方向上減少光接收元件22A和22B的寬度可以避免主標(biāo)尺14移位時(shí)間隙距離u和v變化所引起的第二光柵20的間距q與象間距之間的位移的不利影響。以上與第三實(shí)施例類(lèi)似。
在此實(shí)施例的布局中，主標(biāo)尺14是在x方向上移位，因而可以從前置放大器24A和24B獲得間距t＝4微米和移位成兩相的檢測(cè)信號(hào)。換句話說(shuō)，t＝Q。當(dāng)采用這些光柵時(shí)，u＝5毫米，v≌3毫米，檢測(cè)信號(hào)的間距在放大率M＝8/5時(shí)變?yōu)?微米。換言之，應(yīng)用了m＝4的較高次諧波分量。
在第七實(shí)施例中，實(shí)際上采用激光極管32原作為點(diǎn)光源，但點(diǎn)光源的類(lèi)型不一定只局限于此，還可采用如圖7所示的第四實(shí)施例那樣，在激光二極光32發(fā)光部分前面設(shè)半球面透鏡34的方式。在這種情況下，激光二極管32照明光的發(fā)散角受到了控制，從而提高了光接收效率。但(8)式中的u值應(yīng)變換成比實(shí)際間隙距離稍大一點(diǎn)的值。
此外，作為點(diǎn)光源，還可采用高輸出的發(fā)射二極管等。
再有，如圖8至10第五實(shí)施例所示的那樣，作為漫射性光源，可采用定向于第一光柵16寬度方向上照射的線性光源40。
在這種情況下，可在線性光源前面設(shè)置柱面透鏡，用以控制發(fā)散角。
另外，作為第一光柵，任何形狀的光柵，只要具有較高次諧波分量，都可采用。
下面詳細(xì)介紹本發(fā)明第五方面的實(shí)施例。
本發(fā)明的第八實(shí)施例應(yīng)用了(8)和(9)式中所示的關(guān)系，其中采用了m次諧波的較高次諧波分量，且如圖13所示，包括發(fā)射二極管32，用以照明主標(biāo)尺14而無(wú)需使用準(zhǔn)直透鏡;
主標(biāo)尺14，安置在距激光二極管32一段間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為p的第一光柵16，光柵16包括較高次諧波分量;
指示標(biāo)尺18，安置在距第一光柵16一段間隙距離V的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為q的第二光柵20;
兩個(gè)相位移從0°至90°的光接收元件22A和22B，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)，激光二極管32使第一光柵16的象與第二光柵20重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;和前置放大器24A和24B，用以分別放大分別來(lái)自光接收元件22A和22B的輸出。
這里，假設(shè)第一光柵16如第七實(shí)施例的情況一樣具有m次諧波的較高次諧波分量，且第一光柵用圖13中間距Q＝P/m的光柵表示。作為第一光柵，可采用，例如，透光部分與遮光部分的比值約為1∶1的光柵。
作為激光二極管32，可采用第三實(shí)施例中所采用同樣的一種。
第一光柵16與第二光柵20之間的間隙距離v和第二光柵20的光柵間距q都適宜滿足下式中所示的關(guān)系v≌(n-0.5)MQ2/
……(19)q＝(u+v)Q/(2u)……(20)其中n是等于或大于1的整數(shù)。
但(19)式的情況并不那么嚴(yán)密，我們發(fā)現(xiàn)，它們的關(guān)系不需要保持得那么嚴(yán)密。
具體地說(shuō)，當(dāng)m調(diào)定為2，u和v調(diào)定為5毫米左右，且第一光柵的光柵間距P調(diào)定為16微米(Q＝8微米)時(shí)，第二光柵20的光柵間距q從(20)式所示的關(guān)系可與Q一樣調(diào)定為8微米。
另一方面，要獲取90°±10°的相位差而將第二光柵20的偏差δ除以偏差δ時(shí)，該偏差δ可與第七實(shí)施例一樣取2±0.2微米 因?yàn)楣鈻砰g距q為8微米。附帶說(shuō)一下，當(dāng)應(yīng)用游標(biāo)法時(shí)，第二光柵的光柵間距q調(diào)定得應(yīng)與(20)式的值不同，且光接收元件22A和22B應(yīng)安置在彼此在相位上相差90°的位置上。
此外，通過(guò)減少光接收元件22A和22B在x方向上的寬度可以避免主標(biāo)尺14移位時(shí)，間隙距離u和v變化所引起的第二光柵20的間距q與象間距之間的位移的不利影響。以上與第三實(shí)施例類(lèi)似。
在此實(shí)施例的布局中，當(dāng)主標(biāo)尺14的第一光柵16在x方向上移位一個(gè)間距Q(即P/m)時(shí)，得出的象的變化與兩間距值相當(dāng)。因此，可從前置放大器24A和24B獲得間距t＝Q/2(這時(shí)間距＝4微米)且移位成兩相的檢測(cè)信號(hào)。換言之，進(jìn)行分度為4的光學(xué)分度。
在第八實(shí)施例中，實(shí)際上采用激光二極管32作為點(diǎn)光源，但點(diǎn)光源的型式不一定只局限于此，還可采用如圖7第四實(shí)施例所示的在激光二極管32發(fā)光部分前面設(shè)置半球面透鏡34的方式。在這種情況下，來(lái)自激光二極管的照明光的發(fā)散角受到控制，從而可以提高光接收效率。但(20)式中的u值應(yīng)變換成比實(shí)際距離稍大一點(diǎn)的值。
此外，作為點(diǎn)光源，可采用高輸出的發(fā)射二極管。
附帶說(shuō)一下，當(dāng)采用與上述相同的光柵時(shí)，u調(diào)定在3毫米左右，v調(diào)定在6毫米左右，光學(xué)系統(tǒng)中的放大率變?yōu)?，檢測(cè)信號(hào)的間距變?yōu)?/3微米。
另外，如圖8至10的第五實(shí)施例所示，作為漫射性光源，可采用定向于第一光柵16寬度方向上照射的線性光源40。
在這種情況下，在上面的實(shí)施例中，可在線性光源前面設(shè)置柱面透鏡，用以控制發(fā)散角。
另外，作為第一光柵，采用任何形狀的光柵只要具有較高次諧波分量即為可行。
附帶說(shuō)一下，在上述諸實(shí)施例中，本發(fā)明都是應(yīng)用于透射式位移測(cè)定裝置的，但本發(fā)明的應(yīng)用范圍不一定只局限于此，如圖14的第九實(shí)施例所示，本發(fā)明也適用于反射式的位移測(cè)定裝置。
此外，在上述諸實(shí)施例中，本發(fā)明都是應(yīng)用于直線性位移測(cè)定裝置，其中第二光柵系光學(xué)分度為二或二以上，但本發(fā)明的范圍不一定只局限于此，本發(fā)明同樣適用于不具有經(jīng)光學(xué)分度過(guò)的第二光柵的莫阿條紋式位移檢測(cè)裝置和旋轉(zhuǎn)式位移檢測(cè)裝置(旋轉(zhuǎn)編碼器)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括照明裝置，包括一個(gè)相干光源；主標(biāo)尺，在其上形成以具有光柵間距為P的第一光柵；指示標(biāo)尺，在其上形成以具有光柵間距q=P/n(n為等于或大于2的整數(shù))；和光接收元件，用以對(duì)透過(guò)所述第一和第二光柵照射的照明光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；其中，隨著所述主標(biāo)尺與所述指示標(biāo)尺的相對(duì)位移，產(chǎn)生間距為P/n的檢測(cè)信號(hào)。
2.如權(quán)利要求
1所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，當(dāng)考慮到所述光接收元件而將光學(xué)系統(tǒng)有效光譜的中心波長(zhǎng)調(diào)定為
時(shí)，所述第一和第二光柵之間的間隙距離調(diào)定為mq2/
左右(m為等于或大于，的整數(shù))。
3.如權(quán)利要求
1所述的光學(xué)位移檢測(cè)裝置，其特征在于，當(dāng)考慮到所述光接收元件而將光學(xué)系統(tǒng)的中心波長(zhǎng)調(diào)定為
時(shí)，所述第二光柵的光柵間距q調(diào)定為P/2，所述第一和第二光柵之間的間隙距離調(diào)定為2q2/
。
4.如權(quán)利要求
1所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光源是一個(gè)激光二極管。
5.如權(quán)利要求
1所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述第一光柵的透光部分或反光部分與遮光部分或吸收光部分之間的比值大體上為1∶1。
6.如權(quán)利要求
1所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述第二光柵的透光部分與遮光部分之間的比值大體上為1∶1。
7.一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括漫射性光源，用以照明主標(biāo)尺而不使用準(zhǔn)直透鏡;所述主標(biāo)尺，安置在距所述漫射性光源一段間隙距離u間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為p的第一光柵;指示標(biāo)盤(pán)，安置在距所述第一光柵一段間隙距離v的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距q＝(u+v)P/u的第二光柵;和光接收元件，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)所述漫射性光源使第一光柵的象與所述第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;
8.如權(quán)利要求
7所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射性光源是一個(gè)點(diǎn)光源。
9.如權(quán)利要求
8所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述點(diǎn)光源是一個(gè)激光二極管。
10.如權(quán)利要求
8所述的光學(xué)式位移測(cè)定裝置，其特征在于，所述點(diǎn)光源是在激光二極管發(fā)光部分前面設(shè)置一個(gè)用以控制發(fā)散角的透鏡形成的。
11.如權(quán)利要求
10所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述用以控制發(fā)散角的透鏡是一個(gè)半球面透鏡。
12.如權(quán)利要求
7所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射性光源是一個(gè)定向于所述第一光柵寬度方向上的線性光源。
13.如權(quán)利要求
7所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的光敏性光譜的波長(zhǎng)平均值調(diào)為
時(shí)，所述間隙距離v調(diào)定為v≌unP2/(
u-nP2)其中n為等于或小于
u/P2的自然數(shù)。
14.一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括漫射性光源，用以照明主標(biāo)尺而不用準(zhǔn)直透鏡;所述主標(biāo)尺，安置在距所述漫射性光源一段間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以光柵間距為p的第一光柵，指示標(biāo)尺，安置在距所述第一光柵一段間隙距離v的間隔分離v的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距q＝(u+v)P/(2u)的第二光柵;和光接收元件，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)所述漫射性光源使所述第一光柵的象與所述第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
15.如權(quán)利要求
14所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射性光源是一個(gè)點(diǎn)光源。
16.如權(quán)利要求
15所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述點(diǎn)光源是一個(gè)激光二極管。
17.如權(quán)利要求
15所述的光學(xué)式位移測(cè)定裝置，其特征在于，所述點(diǎn)光源是在激光二極管發(fā)光部分前面設(shè)置一個(gè)用以控制分散角的透鏡形成的。
18.如權(quán)利要求
17所述的光學(xué)式位移測(cè)定裝置，其特征在于，所述用以控制發(fā)散角的透鏡是一個(gè)半球面透鏡。
19.如權(quán)利要求
14所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射光源是一個(gè)定向于所述第一光柵寬度方向上的線性光源。
20.如權(quán)利要求
14所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光敏性光譜的波長(zhǎng)平均值調(diào)定為
時(shí)，所述間隙距離v調(diào)定為v≌u(n-0.5)P2/｛
u-(n0.5)P2｝其中n是等于或
u/P2+0.5自然數(shù)。
21.一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括漫射性光源;主標(biāo)尺，安置在距所述漫射光源一段間隙距離u的間隙分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距為P且包含二次諧波分量的第一光柵;指示標(biāo)盤(pán)，安置在距所述第一光柵一段間隙距離v的間隔分離的位置上，在其上形成以具有當(dāng)O＝P/m時(shí)光柵間距q≌(u+v)Q/u的第二光柵(m為等于或大于2的整數(shù));和光接收元件，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)移動(dòng)時(shí)所述漫射性光源使所述第一光柵的象與所述第二光柵重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生間距為p的檢測(cè)信號(hào)。
22.如權(quán)利要求
21所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射性光源是一個(gè)點(diǎn)光源。
23.如權(quán)利要求
22所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射性光源是一個(gè)激光二極管。
24.如權(quán)利要求
22所述的光學(xué)式位移測(cè)定裝置，其特征在于，所述點(diǎn)光源是在激光二極管發(fā)光部分前面設(shè)置一個(gè)用以控制發(fā)散角的透鏡形成的。
25.如權(quán)利要求
24所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述用以控制發(fā)散角的透鏡是一個(gè)半球面透鏡。
26.如權(quán)利要求
21所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射光源是一個(gè)定向于所述第一光柵寬度方向上的線性光源。
27.如權(quán)利要求
21所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光敏性光譜的波長(zhǎng)平均值調(diào)定為
且所述系統(tǒng)的放大率M用M＝(u+v)/u表示時(shí)，所述間隙距離v調(diào)定為v≌nMQ2/
其中n是等于大于1的整數(shù)。
28.一種光學(xué)式位移測(cè)檢裝置，其特征在于，該裝置包括-漫射性光源;一主標(biāo)尺，安置在距所述漫射光源一段間隙距離u的間隔分離的位置上，在其上形成以具有光柵間距P包含高次諧波分量的第一光柵;一指示標(biāo)尺，安置在距所述第一光柵一段間隙距離的間隔分離的位置上，在其上形成以具有當(dāng)Q＝P/m(n為等于或第于2的整數(shù))時(shí)光柵間距q≌(u+v)Q/(2u)的第二光柵;一光接收元件，用以對(duì)兩標(biāo)尺彼此相對(duì)動(dòng)時(shí)所述漫射性光源使所述光柵的象與所述第二光重疊所引起的光量變化進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生間距為Q/2的檢測(cè)信號(hào)。
29.如權(quán)利要求
28所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射性光源是一個(gè)點(diǎn)光源。
30.如權(quán)利要求
29所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述點(diǎn)光源是一個(gè)激光二極管。
31.如權(quán)利要求
29所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述點(diǎn)光源是在一個(gè)激光二極管的發(fā)光部分前面設(shè)置一個(gè)用以控制發(fā)散角的透鏡形成的。
32.如權(quán)利要求
31所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述用以控制分散角的透鏡是一個(gè)半球面透鏡。
33.如權(quán)利要求
28所述的黨學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，所述漫射光源是一個(gè)定向于所述第一光柵寬度方向上的線性光源。
34.如權(quán)利要求
28所述的光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，其特征在于，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)光敏性光譜的波長(zhǎng)平均值調(diào)定為
且所述系統(tǒng)的放大率M以M＝(u+v)/u表示時(shí)，所述間隙距離v調(diào)定為v≌(n-1/2)MQ/
。其中n是等于1的自然數(shù)。
專利摘要
一種光學(xué)式位移檢測(cè)裝置，該裝置包括一個(gè)主標(biāo)尺和一個(gè)指示標(biāo)尺，主標(biāo)尺上形成的第一光柵的間距調(diào)定為P，指示標(biāo)尺上形成的第二光柵的間距調(diào)定為P/n，從而產(chǎn)生間距為P/n的分度檢測(cè)信號(hào)。第二光柵的間距調(diào)定為(u+v)P/u或(u+v)P/(2u)(u是漫射性光源與第一光柵之間的間隙距離，v是第一光柵與第二光柵之間的間隙距離)，從而可以無(wú)需使用準(zhǔn)直透鏡。此外還用了第一光柵的較高次諧波分量，因而將第二光柵的間距調(diào)定在大致為(u+v)Q/u或(u+v)Q(2u)(Q＝P/m，m為等于或大于2的整數(shù))從而避免將第二光柵的間距分成更小的分度。
文檔編號(hào)G01D5/36GK87106274SQ87106274
公開(kāi)日1988年2月24日 申請(qǐng)日期1987年8月15日
發(fā)明者市川宗次 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan