JP2560513C - - Google Patents
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- JP2560513C JP2560513C JP2560513C JP 2560513 C JP2560513 C JP 2560513C JP 2560513 C JP2560513 C JP 2560513C
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- diffraction
- diffraction grating
- light
- gratings
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
光の回折及び干渉を利用し、高精度な測定が可能なエンコーダに関するもので
ある。
〔従来の技術〕
従来,この種のエンコーダとして、例えば特開昭63−309816号公報の
ものが知られており、具体的には、第6図に示す如き構成を有している。
レーザーダイオード60から発する可干渉(コヒーレント)光は、集光レンズ61
により集光光束を生成し、偏光ビームスプリッター62によりP,S偏光した2光
束に分割される。そして、各偏光光は反射鏡63a,63bでそれぞれ反射され、所
定の等しい入射角を持って、透過型の回折格子64に達する。
この回折格子64は、測定方向に沿って所定のピッチを有し、この測定方向に沿
って移動可能に設けられている。
ここで、集光レンズ61は、偏光ビームスプリッター62,反射鏡63a,63bを介
した各光束を、回折格子64上で集光するように構成されている。
さて、所定の等しい入射角を持って回折格子64を交差した各光束は、この回折
格子64によって、この回折格子64のピッチ方向と直交した方向に回折し、回折角
の変化を補正するためのレンズ65によって平行光束となる。
ここで、回折角の変化を補正するためのレンズ65は、レーザーダイオード60の
温度変化による出力光の波長変動によって、回折角が変化した場合でも、この回
折角の変化による影響をキャンセルするように機能している。すなわち回折角が
変化した際にも、レンズ65は、回折格子64を所定の2方向を照明する2光束を同
一方向に指向させながら平行光束化を図り、この両平行光束が常に重なり合うよ
うに構成されている。
その後、レンズ65を介した平行光束は、1/4波長板66を介することによって
円偏光となり、ビームスプリッター67により2分割される。そして、分割された
各光束は、偏光板68a,68bを介して光検出器69a,69bにて光電検出され、測
定方向における回折格子64の移動に応じた受光素子69a,69bの出力信号に基づ
いて回折格子64の移動量を、2つの出力信号の位相差に基づいて移動回折格子の
移動方向を検出することができる。
従って、以上にて述べたエンコーダは、回折角の変化を補正するためのレンズ
65の配置により、回折角が変化した際にも、光検出器で干渉光が常に検出できる
ため高精度な測定が行えるものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記の如き従来技術においては、レーザーダイオード60の温度変化に伴う波長
変動による移動回折格子64の回折角変化を補正用のレンズ65の配置によって補正
している。
しかしながら、この補正用のレンズ65と移動回折格子64との焦点合わせ,光軸
合わせ等の調整が面倒かつ難しい。
また、この装置は、上述の如く、光源の波長変動に対する回折角の変化には有
利であるものの、透過型の移動回折格子64が第6図中の上下方向での変動に対す
る補正が不十分である。
すなわち、この変動によって、検出器69a,69b上に達する2つの回折光の射
出方向が変化すると共に補正用のレンズ65を介した検出光の集光状態が変化する
ため、検出器69a,69bの検出面での干渉状態が大きく変化する。この結果、検
出器で検出される出力信号が不安定となる恐れがある。
また、位相差の異なる2つ以上の正弦波状の出力信号を得て回折格子44の移
動方向を弁別するために、偏光ビームスプリッター,波長板,ビームスプリッタ
ー,偏光板等の複数の光学部品を使用している。
このため、部品点数が多くなるのみならず、光学的な構成も複雑となり、さら
には、これらの調整が難しくなる。この結果、装置の大型化を招くことは勿論の
こと、製造上のコストの増大を招く恐れがある。
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な構成か
つ製造上の調整も極めて簡単にもかかわらず,温度変化による光源の波長変動及
びスケールの機械的変動に対する干渉光の干渉状態の変化を極めて小さく抑えら
れる高精度な測定が可能な回折干渉型エンコーダを安価に提供することを目的と
している。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は上記の目的を達成するために、具体的には第2A図に示す如く、平行
に並設されるとともに互いに等しい周期的なピッチを有する第1回折及び第2回
折格子(30,40)と、該第1及び第2回折格子(30,40)を該第1回折格子(30)側か
らコヒーレントな平行光束Lを垂直照射する平行光束供給手段(1,2)と、前記第
1及び第2回折格子(30,40)の回折作用によって前記第1回折格子(30)と前記第
2回折格子(40)との距離だけ隔てた第1の位置と第2の位置とで交差する回折光
同士を干渉させるために,前記第1の位置と前記第2の位置とに対応して前記第
1回折格子(30)とは独立にそれぞれ少なくとも1つ設けられるとともに,前記第
1及び第2回折格子(30,40)と平行かつ同方向に等しい周期的なピッチで形成さ
れる回折格子要素(31a,31b)を有する第3回折格子と、前記第3回折格子の各回
折格子要素(31a,31b)毎に発生する回折干渉光の内で所定の1つの回折干渉光の
みをそれぞれ独立に光電検出する光検出手段(5a,5b)とを有し、
前記第3回折格子の回折格子要素(31a,31b)の各々は、前記光検出手段(5a,5b)
により独立に検出される前記回折干渉光の検出信号間に相対的な位相差を与える
ために、前記ピッチ方向で相対的に所定の距離を置いて設けられ、
前記第1及び第3回折格子(30,31a,31b)に対する前記第2回折格子(40)の前記
ピッチ方向での相対移動量を検出するものである。
また、前記第2回折格子(40)は反射型の回折格子で形成され、前記第1及び第
3回折格子(30,31a,31b)は同一部材の同一平面上に一体を成すように設けても良
い。
〔作用〕
上記の如く、本発明は、互いに同方向に等しい周期的なピッチで形成された第
1,第2及び第3回折格子を等間隔かつ平行に並設するとともに、該第3回折格
子が2つの回折格子要素を少なくとも有するように形成し、平行光束を第1回折
格子側から垂直照射し、第1〜第3回折格子による回折作用によって、第3回折
格子の回折格子要素毎に生成される所定の1つの回折干渉光のみを光検出器で独
立に検出するようにしたものである。
具体的には、第1A図に示す如く、平行光束Lがスケール3の第1回折格子30
を垂直照射することにより、θn方向には−n次回折光L(-n)が発生し、垂直方
向には0次回折光L(0)が発生する。 ここで、0次光を境にして右側のn次回
折光を+n次回折光、左側のものを−n次回折光とする。
そして、この−n次回折光L(-n)が反射スケール4の第2回折格子40を入射角
θnで照明することにより、垂直方向にn次回折光L(-n,n)が発生し、また、第
1回折格子30からの0次回折光L(0)が第2回折格子40を垂直入射することによ
り、θn方向に−n次回折光L(0,-n)が発生する。この第2回折格子40からのn
次回折光L(n,n)と0次回折光L(0,n)とがスケール3の第3回折格子31a上で
交差し、この2つの回折光はこの第3回折格子の回折格子要素31a(以下、第3
回折格子要素31aと称する。)によって再び回折する。そして、同方向に射出す
る回折光同士が干渉し、例えば第1A図に示す如く、垂直方向に生成される干渉
光I0が不図示の検出器に導かれる。
今、第1回折格子30により回折角θnでn次回折される平行光束Lの波長がシ
フトすると、例えば回折角がθnHに変化するものの、この第1回折格子30と等し
いピッチを有する第2回折格子40と第3回折格子要素31aの回折角も同じように
θnHと変化するため、この第3回折格子要素31aの回折作用により干渉する干渉
光は、I0からI1へ単に横シフトするだけで、干渉状態は常に一定に保たれる。
また、第1B図に示す如く、例えば移動スケール上に形成された第2回折格子
が点線で示す如く下方へ変動(ギャップ変動)した場合にも第1〜第3回折格子
の回折作用により得られる干渉光は、I0からI2へ単に横シフトするだけで、干
渉状態は常に一定に保たれる。
以上の如く、波長変動による回折角変化が生じた場合や第2回折格子等がピッ
チと直交した方向に変動した場合にも、第1〜第3回折格子の回折作用により干
渉する2つの検出光の射出する方向を共に等しくできるため、干渉状態が常に一
定な安定した干渉光が得られる。
さらに、本発明は、各第3回折格子要素をピッチ方向にて所定の距離だけずら
して構成するにより光電検出される回折干渉光の出力信号に所定の相対的な位相
差を与えるようにしたものである。
これにより、電気的にプッシュプル信号や方向判別信号等が容易に得られるた
め、高精度な測定を可能となる。
また、本発明は、光学部材の部品点数を必要最小限に抑えられる簡素な構成が
実現できるため、製造上の調整が容易であるのみならず、装置の軽量化、低コス
ト化等が達成できる。
〔実施例〕
第2A図は、回折格子4を反射型の回折格子で形成した場合の反射型のエンコ
ーダを示すものであり、この第2A図を参照しながら本発明の第1実施例につい
て詳述する。
図示の如く、透過スケール3とこれに対向して平行な反射型移動スケール4が
矢印方向(水平方向)に移動可能に設けられている。
透過スケール3には、第1回折格子としての回折格子30と、その回折格子30と
は独立した別の第3回折格子を構成する回折格子要素31a及び31bとが同一平面
上に形成されており、反射型移動スケール4には、第2回折格子としての回折格
子40が形成されている。そして、各スケール上に設けられている回折格子30,31
a,31b,40は、凹部と凸部との幅が等しい周期的なピッチで形成されている。
透過スケール3上の回折格子30の上方には、平行光束を供給するためのレーザ
ーダイオード1及びコリメートレンズ2が配置されている。
また、透過スケール3上の回折格子要素31a,31b(以下、回折格子31a,31
bと称する。)の上方には、この回折格子31a,31bに対応して検出器5a,5
bがそれぞれ配置されている。
まず光源として例えばレーザーダイオード1から供給されるコヒーレント(可
干渉)な光束は、コリメートレンズ2によって平行光束Lとなって、透過スケー
ル3上に形成された回折格子30に垂直に入射する。
そして、この平行光束が回折格子30を通過すると回折光が生成され、この平行
光束が透過する方向には0次光L(0)が、この0次光L(0)を挟んで左右のθ方向
にはn次光L(n),−n次光L(-n)がそれぞれ発生する。
ここで、レーザーダイオード1から供給される光束の波長をλ,回折格子30の
ピッチをP,回折格子30により生成される回折光の次数をnとすれば、回折格子
30により生成される±n次回折光の回折角θnは、次式にて一義的に与えられる
。
但し、nは整数(n:0,±1,±2……)である。このとき、n次回折光の
回折角はθn,−n次回折光の回折角はθ-nとなり、両者にはθn=−θ-nの関係
が成立するが、以下における説明を簡単にするため、±n次回折光の回折角は共
にθnとして説明する。
今、回折格子30より発生する0次光L(0),1次光L(1)及び−1次光L(-1)
とについて考える。
第2A図に示す如く、0次光L(0)は反射型移動スケール4の回折格子40に対
し垂直入射する一方で、1次光L(1)と−1次光L(-1)とは反射型移動スケール
4の回折格子40に対し互いに反対の入射角θで斜入射する。
すると、反射型移動スケール4上の回折格子40は、0次光L(0)を再回折させ
て左右のθ方向に1次光L(0,1)及び−1次光L(0,-1)を生成すると共に、1次
光L(1)を再回折させて垂直方向に−1次光L(1,-1)を生成する。また、これと
同時に、回折格子40は−1次光L(-1)を再回折させて垂直方向に1次光L(-1,1)
を生成する。
このようにして生成された回折光L(0,1)及び回折光L(1,-1)と,回折光L(0,
-1)及び回折光L(-1,1)とのそれぞれが透過スケール3と反射型移動スケール4
との間の距離(ギャップ)の分だけ離れたスケール3上の異なる位置で交差する
。
この各交差位置に対応して回折格子30とは独立に回折格子31a,31bが設けら
れており、この回折格子31a,31bは、第2B図に示す如く、反射型移動スケー
ル4の移動方向において、例えば相対的に1/4ピッチのずれを生ずるように所
定の距離だけ隔てて設けられている。
すると、この一対の回折格子31a,31b上で各々交差する回折光は、この各回
折格子31a,31bによってそれぞれ回折されて、各回折光の各次数が発生する方
向に干渉光(IA,IB,IN1〜IN4)が生成される。
ここで、本実施例では実線で示す如く格子の配列方向(ピッチ方向)と直交し
た方向に発生する2つの干渉光(IA,IB)を検出するものとする。
この干渉光IAは、回折格子31aの回折作用によって、格子の配列方向の直交
方向に発生する回折光L(0,-1)の1次光と透過方向に発生する回折光L(-1,1)の
0次光とで生成される一方、干渉光IBは、回折格子31bの回折作用によって、
格子の配列方向の直交方向に発生する回折光L(0,1)の−1次光と透過方向に発
生する回折光L(1,-1)の0次光とで生成される。
そして、これらの干渉光(IA,IB)は、回折格子31a,31bに対応して配さ
れた一対の検出器5a,5bによって光電的に検出され、反射型移動スケール
4の移動量に応じた2つの正弦波状の出力信号A,Bが得られる。
このとき、2つの出力信号A,Bの相対位相差は、上述の如く回折格子31a,
31bが第2回折格子の移動方向において相対的に1/4ピッチのずれを生ずるよ
うに設けられているため、90°ズレた状態となる。
従って、この相対的に位相がズレた状態の2つの出力信号A,Bに基づいて反
射型移動スケール4の移動方向の弁別及び移動量を検出することができる。
ここで、本実施例の如く第2回折格子40を有する移動スケール4を反射型で構
成した場合、透過スケール3に入射する平行光束と、この透過スケール3を射出
する検出すべき干渉光とを分離するためには、透過スケール3と移動スケール4
との間隔g(ギャップ)は以下の条件を満足することが望ましい。
但し、
n:スケール3の第1回折格子31により回折する検出のためのn次回折光の次数
。
φ:平行光束径。
λ:平行光束の波長。
P:スケール3の第1回折格子31のピッチ。
さて、第2A図に示した如く、検出器(5A,5B)では、スケール3上の回
折格子(31a,31b)の格子の配列方向(ピッチ方向)と直交した方向に発生す
る回折光同士による干渉光を検出しているが、上述の如く、このピッチ方向に対
して左右のθ方向にも点線で示す如き干渉光(IN1,IN2,IN3,IN4)が発生
する。
ところが、これらの干渉光が検出器5a,5bに入射すると、ギャップ変動や
波長シフトに伴う回折角変動により検出器5a,5bにて光電変換される出力信
号A,Bの位相が大きく飛んで高精な位置検出が困難となる恐れがある。
そこで、本実施例ではスケール3上の回折格子31a,31bの格子の配列方向(
ピッチ方向)の直交方向に発生する干渉光のみを検出できるように、検出器5a
,5bは回折格子31a,31bから離れて配置されている。これにより、信頼性の
高い安定した出力信号A,Bを得ることができる。
尚、これらのノイズとなる干渉光を遮光するために、所定の開口形状を有する
絞り,円筒状の遮光部材等を配置しても良い。これにより、所定の干渉光のみを
確実に抽出できるたけでなく、検出器と透過スケール3の回折格子31a,31bの
距離を縮小できるため装置のコンパクト化が容易となる。これは、以下に述べる
実施例についても適用できる。
以上の構成によれば、レーザーダイオード1の波長変動による回折角変化及び
ギャップ変動が生じても、全て等しいピッチの3つの回折格子の回折作用により
4通りの光路上を進行して干渉する2組の検出用回折光の光路長が全て等しくな
ると共に、これらの回折光の回折角が全て等しくなるために、検出される干渉光
が単に横シフトするだけで各検出器にて光電検出される出力信号の位相は変化す
ることなく一定に保たれる。
尚、信号処理は、光電式エンコーダにおいて適用されている手法が適用できる
。例えば、信号処理をする信号処理系としては、第3図に示す如く、検出器5a
,5bより得られる出力信号A,Bを増幅させるプリアンプ10と,この各増幅信
号をパルス状に整形する波形整形回路11と,各パルス信号を2値的なパルス信号
に変換する方向弁別回路12と,この方向弁別回路を介したパルス信号を計数する
計数回路13と,パルス信号を計数による計測結果を所望の形式で表示させる表示
部14を設けることによって計測値を得ることができる。
次に、第4A図は本発明の第2実施例について示す図であり、第1図と同一の
機能を持つ部材については同じ符号を付してある。
前述した第1実施例と異なる所は、透過スケール3上には、4つの干渉光を得
るための第3回折格子が第1回折格子30を挟んで左右に2つずつで並列的に形成
されており、この各回折格子31a〜31bに対応して検出器5a〜5bが4つ設け
られている。
第4B図には透過スケール3の平面図が示されている。Pを格子のピッチ、m
を整数とするとき、図示の如く、回折格子31a,31bは測定方向に(m+1/4
)Pの距離を隔てて配置されている。
また、回折格子31aとこれと並列的に配置された回折格子31cと、回折格子31
bとこれと並列的に配置された回折格子31dとがそれぞれ測定方向において1/
4ピッチずれるようにするために、この回折格子31cと回折格子31dとが測定方
向に(m+3/4)Pの距離を隔てて配置されている。
したがって、このスケール3上の回折格子31a〜31dから垂直方向に射出する
4つの干渉光が検出器5a〜5dによって光電検出された4つの出力信号A〜D
の位相は互いに90°ずれることになる。
今、検出器5cにより光電検出される回折格子31cからの干渉光の出力信号C
を基準信号として位相を0°とすれば、この基準信号と各検出器から得られる出
力信号との相対的な位相差は、回折格子31aに対応する検出器5Aの出力信号A
では90°,回折格子31bに対応する検出器5Bの出力信号Bでは180°,回
折格子31dに対応する検出器5dの出力信号Dでは270°となる。
このため、この4つの出力信号を任意に2組ずつ組み合わせて信号処理すれば
、反射型移動スケール4の移動量及び移動方向を検出することができる。
例えば、AとDの出力信号,BとCの出力信号とにそれぞれ組み合わせて、各
組の何れか一方の信号を電気的に振幅を反転させる。すなわち、検出器40Aと40
D、検出器40Bと40Cとを電気的に逆並列で接続して2つのプッシュプル信号を
生成する。すると、この2つのプッシュプル信号の相対的位相差は90°となり
、この両者の信号に基づいて位置検出及びスケールの移動方向の弁別をすること
が好ましい。
これにより、スケール3と移動スケール6との倒れが生じても検出信号の読み
取り誤差を最小にすることができる。
このように電気的に検出誤差を補償できる構成にすれば、各スケール上に形成
されている回折格子の製造上の公差を軽減することができる。
次に、第3実施例について説明する。第5図は第3実施例の構成を示すもので
あり、第1図と同一機能を持つ部材については同じ符号を付してある。
本実施例のエンコーダは、透明な部材の移動スケール4上に透過型の回折格子
40を設けて透過型としたものである。そして、各スケール4,3A,3B上の各
回折格子40,30,31a,31bも、透過領域(あるいは反射領域)と遮光領域とが交互
に等しいピッチで形成されている振幅格子で設けられている。
そして、透過型の移動スケール4と第2透過スケール3Bとのギャップが第1
の透過スケール3Aと透過型移動スケール6とのギャップと等しくなるように、
3つのスケールは平行かつ等間隔に並設されている。
ここで、本実施例は、先に説明した第1実施例のものと基本的に同一であるた
め、詳細な説明は省略する。
尚、本実施例の場合にも、第2実施例と同様に検出用の干渉光を生成するため
の一対の回折格子を2組設け、さらにこれに対応して4つの検出器を設けても良
い。
ところで、本発明の各実施例では、例えば第2A図に示した如く、第3回折格
子31a,31bから垂直方向に射出する干渉光IA,IBを検出しているが、外側の
斜め方向に発生する干渉光IN1,IN4も移動スケールの移動情報を有しているの
で、これを検出器で検出することも可能である。
このとき、この干渉光IN1,IN4も、光源の波長変化による回折角変動及びギ
ャップの変動が生じても、常に干渉状態が一定となる。
この構成によれば、コリメートレンズ2の径が大きくなった場合にも、コンパ
クトな形状を確保することができる。
しかしながら、照明効率が高く、より安定した出力信号を確実に得るには、各
実施例で述べた如く、第3回折格子から垂直方向に射出する干渉光IA,IBを検
出することが望ましい。
尚、以上にて述べた各実施例とも、戻り光を防止するために、コリメートレン
ズ2と第1回折格子との光路間に、例えば偏光ビームスプリッターとλ/4板等
で構成される光アイソレータを配置しても良い。
また、本発明の各実施例では第1〜第3回折格子を位相格子あるいは振幅格子
で統一して構成しているが、適宜これらを組み合わせて使用しても良い。
また、本発明では、各回折格子を照明する光束径を小さくした状態でも常に安
定した干渉光の出力信号を確実に得ることができる。
また、本発明の各実施例では第2回折格子を持つスケールを移動させているが
、これを固定して第1及び第3回折格子を有するスケールを一体的に移動させて
も良い。
〔発明の効果〕
以上の如く、本発明によれば、部品点数が極めて少ない簡素な構成にもかかわ
らず、温度変化に伴う光源の波長変動及びスケールのギヤップ変動による検出用
干渉光の悪影響を除去でき、製造上での調整も極めて容易で、常に安定した所定
の出力信号を得られる高性能な回折干渉型のエンコーダを達成することができる
。
これにより、製造コストの低減を図れるのみならず、コンパクト化,軽量化が
達成できる。
また、第2回折格子を反射型とした場合には、照明系,検出系,第1及び第3
回折格子を1つのハウジングに組み込むことができるので、さらにコストの低減
及び装置のコンパクト化が期待できる。
さらに、第1及び第2実施例の如く、第2回折格子を反射型をとしながら、第
1回折格子と第3回折格子とを一体構造とすることにより、部品点数が極めて少
さくでき、また製造上の調整箇所も格段に少なくできるため、大幅なコストダウ
ンが期待できる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an encoder capable of performing high-precision measurement using light diffraction and interference. [Prior Art] Conventionally, as an encoder of this type, for example, one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-309816 is known, and specifically, has a configuration as shown in FIG. The coherent light emitted from the laser diode 60 is converted into a condensing lens 61
Generates a condensed light beam, and the light beam is split into two P and S-polarized light beams by the polarization beam splitter 62. The polarized lights are respectively reflected by the reflecting mirrors 63a and 63b, and reach the transmissive diffraction grating 64 at a predetermined equal incident angle. The diffraction grating 64 has a predetermined pitch along the measurement direction, and is provided movably along the measurement direction. Here, the condensing lens 61 is configured to condense each light beam passing through the polarizing beam splitter 62 and the reflecting mirrors 63a and 63b on the diffraction grating 64. Now, each light beam that has crossed the diffraction grating 64 with a predetermined equal incident angle is diffracted by the diffraction grating 64 in a direction orthogonal to the pitch direction of the diffraction grating 64 to correct a change in the diffraction angle. The light is converted into a parallel light beam by the lens 65. Here, the lens 65 for correcting the change in the diffraction angle is configured to cancel the influence of the change in the diffraction angle even when the diffraction angle changes due to the wavelength change of the output light due to the temperature change of the laser diode 60. It is functioning. That is, even when the diffraction angle changes, the lens 65 forms a parallel light beam while directing the two light beams illuminating the diffraction grating 64 in two predetermined directions in the same direction, so that the two parallel light beams always overlap. Have been. After that, the parallel light beam passing through the lens 65 is converted into circularly polarized light by passing through the 波長 wavelength plate 66, and is split into two by the beam splitter 67. Each split light beam is photoelectrically detected by the photodetectors 69a and 69b via the polarizing plates 68a and 68b, and is based on the output signals of the light receiving elements 69a and 69b according to the movement of the diffraction grating 64 in the measurement direction. Thus, the moving amount of the diffraction grating 64 can be detected based on the phase difference between the two output signals. Therefore, the encoder described above is a lens for correcting a change in the diffraction angle.
With the arrangement of 65, even when the diffraction angle changes, the photodetector can always detect the interference light, so that high-precision measurement can be performed. [Problem to be Solved by the Invention] In the above-described conventional technology, a change in the diffraction angle of the moving diffraction grating 64 due to a wavelength change due to a temperature change of the laser diode 60 is corrected by disposing a correction lens 65. However, it is cumbersome and difficult to adjust the focus and the optical axis of the correction lens 65 and the movable diffraction grating 64. As described above, this apparatus is advantageous in changing the diffraction angle with respect to the wavelength fluctuation of the light source, but the transmission type movable diffraction grating 64 is insufficiently corrected for the fluctuation in the vertical direction in FIG. is there. That is, due to this change, the emission directions of the two diffracted lights reaching the detectors 69a and 69b change, and the state of condensing the detection light via the correction lens 65 changes. The interference state on the detection surface changes greatly. As a result, the output signal detected by the detector may become unstable. In order to obtain two or more sinusoidal output signals having different phase differences and discriminate the moving direction of the diffraction grating 44, a plurality of optical components such as a polarizing beam splitter, a wave plate, a beam splitter, and a polarizing plate are used. doing. For this reason, not only the number of parts increases, but also the optical configuration becomes complicated, and further, it is difficult to adjust them. As a result, there is a possibility that not only an increase in the size of the device but also an increase in manufacturing costs may occur. Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and has a simple configuration and extremely easy adjustment in manufacturing, but has an interference with a wavelength variation of a light source due to a temperature change and a mechanical variation of a scale. It is an object of the present invention to provide an inexpensive diffractive interference encoder capable of performing highly accurate measurement in which a change in the light interference state is extremely small. [Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention, specifically, as shown in FIG. 2A, comprises first diffraction gratings arranged in parallel and having the same periodic pitch as each other. And a second diffraction grating (30, 40); and a parallel light beam supply means (5) for vertically irradiating the first and second diffraction gratings (30, 40) with a coherent parallel light beam L from the first diffraction grating (30) side. 1,2) and a first position separated by a distance between the first diffraction grating (30) and the second diffraction grating (40) due to the diffraction action of the first and second diffraction gratings (30, 40). In order to cause the diffracted lights intersecting at the first position and the second position to interfere with each other, at least one of each of the first diffraction gratings (30) is independently provided corresponding to the first position and the second position. A diffraction provided at a periodic pitch equal to and parallel to the first and second diffraction gratings (30, 40). A third diffraction grating having grating elements (31a, 31b), and a predetermined one of the diffraction interference lights generated for each diffraction grating element (31a, 31b) of the third diffraction grating. Light detecting means (5a, 5b) for photoelectrically detecting independently, and each of the diffraction grating elements (31a, 31b) of the third diffraction grating is provided with the light detecting means (5a, 5b).
In order to give a relative phase difference between the detection signals of the diffraction interference light detected independently by the first and third diffraction gratings, the first and third diffraction gratings are provided at a relatively predetermined distance in the pitch direction. It detects a relative movement amount of the second diffraction grating (40) in the pitch direction with respect to (30, 31a, 31b). Further, the second diffraction grating (40) is formed of a reflection type diffraction grating, and the first and third diffraction gratings (30, 31a, 31b) are provided so as to be integrated on the same plane of the same member. Is also good. [Operation] As described above, according to the present invention, the first, second, and third diffraction gratings formed at the same periodic pitch in the same direction are arranged in parallel at equal intervals and in parallel with each other. Is formed so as to have at least two diffraction grating elements, and a parallel light beam is vertically irradiated from the first diffraction grating side, and is generated for each diffraction grating element of the third diffraction grating by the diffraction action of the first to third diffraction gratings. Only one predetermined diffraction interference light to be detected is independently detected by the photodetector. More specifically, as shown in FIG. 1A, the parallel light beam L is applied to the first diffraction grating 30 of the scale 3.
The by vertical irradiation, the theta n direction -n-order diffracted light L (-n) is generated, in the vertical direction zero-order diffracted light L (0) is generated. Here, the right-sided nth-order diffracted light with respect to the 0th-order light is referred to as + nth-order diffracted light, and the left-handed one is referred to as -nth-order diffracted light. By this -n-order diffracted light L (-n) illuminates the second diffraction grating 40 of the reflective scale 4 at an incident angle theta n, n order diffracted light L (-n, n) is generated in a vertical direction, Further, when the 0th-order diffracted light L (0) from the first diffraction grating 30 is perpendicularly incident on the second diffraction grating 40, -nth- order diffracted light L (0, -n) is generated in the θn direction. N from the second diffraction grating 40
The first-order diffracted light L (n, n) and the zero-order diffracted light L (0, n) intersect on the third diffraction grating 31a of the scale 3, and the two diffracted lights are the diffraction grating elements 31a of the third diffraction grating ( Hereinafter, the third
This is referred to as a diffraction grating element 31a. ). Then, interfere with diffracted light each other to emit the same direction, for example, as shown in Figure 1A, the interference light I 0 generated in a vertical direction is guided to a detector (not shown). Now, when the wavelength of the parallel light beam L diffracted at the diffraction order θ n by the n-th order by the first diffraction grating 30 shifts, for example, the diffraction angle changes to θ nH , but the first diffraction grating 30 has the same pitch as the first diffraction grating 30. Since the diffraction angles of the second diffraction grating 40 and the third diffraction grating element 31a similarly change to θ nH , the interference light that interferes due to the diffraction action of the third diffraction grating element 31a simply crosses from I 0 to I 1 . Only by shifting, the interference state is always kept constant. Also, as shown in FIG. 1B, for example, when the second diffraction grating formed on the moving scale fluctuates downward (gap fluctuation) as indicated by a dotted line, the diffraction effect is obtained by the first to third diffraction gratings. The interference light simply shifts laterally from I 0 to I 2 , and the interference state is always kept constant. As described above, even when the diffraction angle changes due to the wavelength change or when the second diffraction grating or the like changes in the direction orthogonal to the pitch, the two detection light beams that interfere with the diffraction action of the first to third diffraction gratings. Can be made equal to each other, so that stable interference light whose interference state is always constant can be obtained. Further, in the present invention, each third diffraction grating element is shifted by a predetermined distance in the pitch direction so as to give a predetermined relative phase difference to an output signal of the diffraction interference light photoelectrically detected. It is. Thus, a push-pull signal, a direction discrimination signal, and the like can be easily obtained electrically, so that highly accurate measurement can be performed. Further, according to the present invention, since a simple configuration capable of minimizing the number of components of the optical member can be realized, not only the adjustment in manufacturing is easy, but also a reduction in the weight and cost of the device can be achieved. . Embodiment FIG. 2A shows a reflection type encoder in which the diffraction grating 4 is formed by a reflection type diffraction grating. The first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2A. Will be described. As shown in the figure, a transmission scale 3 and a reflection-type moving scale 4 opposed to and parallel to the transmission scale 3 are provided so as to be movable in the direction of the arrow (horizontal direction). On the transmission scale 3, a diffraction grating 30 as a first diffraction grating and diffraction grating elements 31a and 31b constituting another third diffraction grating independent of the diffraction grating 30 are formed on the same plane. On the reflection type moving scale 4, a diffraction grating 40 as a second diffraction grating is formed. Then, the diffraction gratings 30, 31 provided on each scale
a, 31b and 40 are formed at a periodic pitch in which the widths of the concave portions and the convex portions are equal. Above the diffraction grating 30 on the transmission scale 3, a laser diode 1 and a collimating lens 2 for supplying a parallel light beam are arranged. The diffraction grating elements 31a and 31b on the transmission scale 3 (hereinafter, diffraction gratings 31a and 31b)
b. ), The detectors 5a, 5b corresponding to the diffraction gratings 31a, 31b.
b are arranged respectively. First, a coherent (coherent) light beam supplied from, for example, a laser diode 1 as a light source is converted into a parallel light beam L by a collimator lens 2 and vertically incident on a diffraction grating 30 formed on a transmission scale 3. Then, when the parallel light beam passes through the diffraction grating 30, diffracted light is generated, and in the direction in which the parallel light beam passes, the 0th-order light L (0) is interposed between the 0th-order light L (0) and right and left θ In the direction, n-order light L (n) and -n-order light L (-n) are generated. Here, if the wavelength of the light beam supplied from the laser diode 1 is λ, the pitch of the diffraction grating 30 is P, and the order of the diffracted light generated by the diffraction grating 30 is n, the diffraction grating
Diffraction angle theta n of ± n order diffracted light generated by 30 is given uniquely by the following equation. Here, n is an integer (n: 0, ± 1, ± 2 ...). At this time, the diffraction angle of the nth-order diffracted light is θ n , and the diffraction angle of the −nth- order diffracted light is θ −n , and a relationship of θ n = −θ −n is established. Therefore, the description will be made assuming that the diffraction angles of the ± n-order diffracted lights are both θn. Now, consider the 0th order light L (0), the 1st order light L (1), and the -1st order light L (-1) generated from the diffraction grating 30. As shown in FIG. 2A, the zero-order light L (0) is perpendicularly incident on the diffraction grating 40 of the reflection type moving scale 4, while the first-order light L (1) and the minus first-order light L (-1) are generated. Are obliquely incident on the diffraction grating 40 of the reflection type moving scale 4 at incident angles θ opposite to each other. Then, the diffraction grating 40 on the reflection-type moving scale 4 diffracts the zero-order light L (0) again, and in the left and right θ directions, the primary light L (0,1) and the −1st-order light L (0, −). 1) is generated, and the primary light L (1) is diffracted again to generate a −1st-order light L (1, -1) in the vertical direction. At the same time, the diffraction grating 40 re-diffracts the -1st-order light L (-1) so that the first-order light L (-1,1) in the vertical direction.
Generate The diffracted light L (0,1) and the diffracted light L (1, -1) thus generated and the diffracted light L (0,1)
-1) and the diffracted light L (-1,1) are transmitted scale 3 and reflective moving scale 4 respectively.
Intersect at different positions on the scale 3 that are separated by the distance (gap) between. Diffraction gratings 31a and 31b are provided independently of the diffraction grating 30 corresponding to the respective intersection positions. The diffraction gratings 31a and 31b are arranged in the moving direction of the reflection type moving scale 4 as shown in FIG. 2B. , For example, are separated by a predetermined distance so as to cause a relative shift of 1/4 pitch. Then, the pair of the diffraction grating 31a, the diffracted light respectively intersect on 31b, the respective diffraction grating 31a, is diffracted respectively by 31b, the interference light in the direction in which the orders of the diffracted light is generated (I A, I B , I N1 to I N4 ) are generated. In the present embodiment, and it detects the direction of arrangement of the grating as indicated by the solid line two interference light generated in a direction perpendicular to the (pitch direction) (I A, I B) . The interference light I A is the diffraction effect of the diffraction grating 31a, the diffracted light L (0, -1) generated in the direction orthogonal to the array direction of the grating of the diffracted light L (-1 generated in the primary light and the transmission direction while generated by the 0-order light of 1), the interference light I B is the diffraction effect of the diffraction grating 31b,
It is generated by the -1st-order light of the diffracted light L (0,1) generated in the direction orthogonal to the arrangement direction of the grating and the 0th-order light of the diffracted light L (1, -1) generated in the transmission direction. And these interference light (I A, I B), the diffraction grating 31a, a pair of detectors 5a disposed corresponding to 31b, is photoelectrically detected by 5b, the movement amount of the reflection type moving scale 4 Two corresponding sinusoidal output signals A and B are obtained. At this time, the relative phase difference between the two output signals A and B is determined by the diffraction grating 31a,
Since 31b is provided so as to cause a relative shift of 1/4 pitch in the moving direction of the second diffraction grating, the state is shifted by 90 °. Therefore, it is possible to detect the discrimination and the amount of movement of the moving direction of the reflective moving scale 4 based on the two output signals A and B in which the phases are relatively shifted. Here, when the moving scale 4 having the second diffraction grating 40 is configured as a reflection type as in this embodiment, the parallel light beam incident on the transmission scale 3 and the interference light emitted from the transmission scale 3 to be detected are detected. For separation, the transmission scale 3 and the moving scale 4
It is desirable that the gap g (gap) satisfy the following condition. Here, n: the order of the n-th order diffracted light for detection diffracted by the first diffraction grating 31 of the scale 3. φ: parallel light beam diameter. λ: wavelength of a parallel light beam. P: pitch of the first diffraction grating 31 of the scale 3. Now, as shown in FIG. 2A, in the detectors (5A, 5B), the diffracted lights generated in a direction orthogonal to the arrangement direction (pitch direction) of the diffraction gratings (31a, 31b) on the scale 3 are perpendicular to each other. Although the interference light is detected, as described above, interference light ( IN1 , IN2 , IN3 , IN4 ) as shown by the dotted lines is also generated in the right and left directions with respect to the pitch direction. However, when these interference lights are incident on the detectors 5a and 5b, the phases of the output signals A and B photoelectrically converted by the detectors 5a and 5b greatly jump due to a change in the diffraction angle caused by a gap change or a wavelength shift. Precise position detection may be difficult. Therefore, in the present embodiment, the arrangement direction of the gratings of the diffraction gratings 31a and 31b on the scale 3 (
Detector 5a so that only interference light generated in the orthogonal direction (pitch direction) can be detected.
, 5b are arranged apart from the diffraction gratings 31a, 31b. Thus, stable output signals A and B with high reliability can be obtained. In order to shield the interference light which becomes noise, a stop having a predetermined opening shape, a cylindrical light blocking member, or the like may be provided. Thus, not only the predetermined interference light can be reliably extracted, but also the distance between the detector and the diffraction gratings 31a and 31b of the transmission scale 3 can be reduced, so that the apparatus can be easily made compact. This can be applied to the embodiments described below. According to the above configuration, even if a change in the diffraction angle and a change in the gap due to the change in the wavelength of the laser diode 1 occur, two sets of light beams that travel on four different optical paths and interfere with each other due to the diffraction action of the three diffraction gratings having the same pitch. Since the optical path lengths of the diffracted lights for detection are all equal and the diffraction angles of these diffracted lights are all equal, the output that is photoelectrically detected by each detector simply by laterally shifting the detected interference light The phase of the signal is kept constant without change. Note that the signal processing can be performed by a method applied to the photoelectric encoder. For example, as a signal processing system for performing signal processing, as shown in FIG.
, 5b, a preamplifier 10 for amplifying the output signals A and B, a waveform shaping circuit 11 for shaping each amplified signal into a pulse, and a direction discriminating circuit 12 for converting each pulse signal into a binary pulse signal. The measurement value can be obtained by providing a counter circuit 13 for counting the pulse signal via the direction discriminating circuit and a display unit 14 for displaying the measurement result by counting the pulse signal in a desired format. Next, FIG. 4A is a view showing a second embodiment of the present invention, and members having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The difference from the first embodiment described above is that on the transmission scale 3, three third diffraction gratings for obtaining four interference lights are formed in parallel at right and left sides of the first diffraction grating 30. And four detectors 5a to 5b are provided corresponding to the respective diffraction gratings 31a to 31b. FIG. 4B is a plan view of the transmission scale 3. P is the pitch of the lattice, m
Is an integer, the diffraction gratings 31a and 31b are (m + /) in the measurement direction as shown in the figure.
) Are arranged at a distance of P. A diffraction grating 31a, a diffraction grating 31c arranged in parallel with the diffraction grating 31a,
In order that the diffraction grating 31b and the diffraction grating 31d arranged in parallel with each other are displaced by 1/4 pitch in the measurement direction, the diffraction grating 31c and the diffraction grating 31d are shifted by (m + 3/4) P in the measurement direction. They are arranged at a distance. Therefore, four output signals A to D photoelectrically detected by the detectors 5a to 5d are four interference light beams emitted vertically from the diffraction gratings 31a to 31d on the scale 3.
Are shifted by 90 ° from each other. Now, the output signal C of the interference light from the diffraction grating 31c which is photoelectrically detected by the detector 5c.
Is the reference signal and the phase is 0 °, the relative phase difference between this reference signal and the output signal obtained from each detector is the output signal A of the detector 5A corresponding to the diffraction grating 31a.
Is 90 °, the output signal B of the detector 5B corresponding to the diffraction grating 31b is 180 °, and the output signal D of the detector 5d corresponding to the diffraction grating 31d is 270 °. For this reason, if the four output signals are arbitrarily combined with each other and subjected to signal processing, the movement amount and the movement direction of the reflection-type moving scale 4 can be detected. For example, in combination with the output signals of A and D and the output signals of B and C, the amplitude of one of the signals in each set is electrically inverted. That is, the detectors 40A and 40A
D, the detectors 40B and 40C are electrically connected in anti-parallel to generate two push-pull signals. Then, the relative phase difference between the two push-pull signals becomes 90 °, and it is preferable to detect the position and discriminate the moving direction of the scale based on the two signals. Thereby, even if the scale 3 and the movable scale 6 fall, the reading error of the detection signal can be minimized. With such a configuration in which the detection error can be compensated electrically, the manufacturing tolerance of the diffraction grating formed on each scale can be reduced. Next, a third embodiment will be described. FIG. 5 shows the configuration of the third embodiment. Members having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The encoder according to the present embodiment has a transmission type diffraction grating on a transparent member moving scale 4.
40 is provided to make it a transmission type. Each of the diffraction gratings 40, 30, 31a, 31b on each of the scales 4, 3A, 3B is also provided with an amplitude grating in which transmission areas (or reflection areas) and light-shielding areas are alternately formed at the same pitch. I have. Then, the gap between the transmission type moving scale 4 and the second transmission scale 3B is made equal to the gap between the first transmission scale 3A and the transmission type moving scale 6.
The three scales are arranged in parallel and at equal intervals. Here, the present embodiment is basically the same as that of the above-described first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, as in the second embodiment, two pairs of diffraction gratings for generating interference light for detection may be provided, and four detectors may be provided correspondingly. good. Incidentally, in each embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 2A, a third diffraction grating 31a, interference light I A to emit perpendicularly from 31b, but detects the I B, outside the diagonal direction Since the interference lights I N1 and I N4 generated at the time have the movement information of the movement scale, they can be detected by the detector. At this time, the interference state of the interference lights I N1 and I N4 is always constant even if the diffraction angle and the gap change due to the wavelength change of the light source. According to this configuration, even when the diameter of the collimating lens 2 becomes large, a compact shape can be ensured. However, the illumination efficiency is high, In order to ensure a more stable output signal, as described in the respective embodiments, the interference light I A to emit vertically from the third diffraction grating, it is desirable to detect the I B . In each of the embodiments described above, in order to prevent return light, an optical isolator including, for example, a polarization beam splitter and a λ / 4 plate is provided between the optical path of the collimator lens 2 and the first diffraction grating. May be arranged. In each embodiment of the present invention, the first to third diffraction gratings are unified with a phase grating or an amplitude grating, but these may be used in combination as appropriate. Further, according to the present invention, a stable output signal of interference light can always be reliably obtained even in a state where the diameter of a light beam for illuminating each diffraction grating is reduced. In each embodiment of the present invention, the scale having the second diffraction grating is moved. However, the scale having the second diffraction grating may be fixed and the scale having the first and third diffraction gratings may be integrally moved. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, despite the simple configuration with a very small number of components, the adverse effects of the interference light for detection due to the wavelength variation of the light source due to the temperature change and the gap variation of the scale are removed. This makes it possible to achieve a high-performance diffraction interference type encoder which is very easy to adjust in manufacturing and can always obtain a stable and predetermined output signal. As a result, not only can the manufacturing cost be reduced, but also the size and weight can be reduced. When the second diffraction grating is of a reflection type, the illumination system, the detection system, the first and third
Since the diffraction grating can be incorporated in one housing, further cost reduction and downsizing of the device can be expected. Furthermore, as in the first and second embodiments, the first diffraction grating and the third diffraction grating are integrated with each other while the second diffraction grating is of a reflection type, so that the number of parts can be extremely reduced. Since the number of adjustment parts in manufacturing can be significantly reduced, a significant cost reduction can be expected.
【図面の簡単な説明】
第1A図は本発明のエンコーダにおいて光源波長が変動した際の様子を示す図
である。第1B図は本発明のエンコーダにおいてギャップ変動した際の様子を示
す図である。第2A図は本発明による第1実施例の概略的構成を示す図である。
第2B図は第2A図の透過スケール3の平面図である。第3図は第1実施例の信
号処理系を示すプロック図である。第4A図は本発明による第2実施例の構成を
示す斜視図である。第4B図は第4A図の透過スケール3の平面図である。第5
図は本発明による第3実施例の概略的構成を示す図である。第6図は従来のエン
コーダの概略的構成図である。
〔主要部分の符号の説明〕
3,3A,3B,4 ……スケール
31……第1回折格子
40……第2回折格子
31a,31b,31c,31d……第3回折格子
5a,5b,5c,5d ……検出器(光検出手段)BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1A is a diagram showing a state when a light source wavelength fluctuates in the encoder of the present invention. FIG. 1B is a diagram showing a state when a gap fluctuates in the encoder of the present invention. FIG. 2A is a diagram showing a schematic configuration of a first embodiment according to the present invention.
FIG. 2B is a plan view of the transmission scale 3 of FIG. 2A. FIG. 3 is a block diagram showing a signal processing system of the first embodiment. FIG. 4A is a perspective view showing the configuration of the second embodiment according to the present invention. FIG. 4B is a plan view of the transmission scale 3 of FIG. 4A. Fifth
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a third embodiment according to the present invention. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a conventional encoder. [Description of Signs of Main Parts] 3, 3A, 3B, 4 Scale 31 First diffraction grating 40 Second diffraction grating 31a, 31b, 31c, 31d Third diffraction grating 5a, 5b, 5c, 5d Detector (light Detection means)
Claims (1)
第2回折格子と、該第1及び第2回折格子に該第1回折格子側からコヒーレント
な平行光束を垂直照射する平行光束供給手段と、前記第1及び第2回折格子の回
折作用によって前記第1回折格子と前記第2回折格子との距離だけ隔てた第1の
位置と第2の位置とで交差する回折光同士を干渉させるために,前記第1の位置
と前記第2の位置とに対応して前記第1回折格子とは独立にそれぞれ少なくとも
1つ設けられるとともに、前記第1及び第2回折格子と平行かつ同方向に等しい
周期的なピッチで形成される回折格子要素を有する第3回折格子と、前記第3回
折格子の各回折格子要素毎に発生する回折干渉光の内で所定の1つの回折干渉光
のみをそれぞれ独立に光電検出する光検出手段とを有し、 前記第3回折格子の回折格子要素の各々は、前記光検出手段により独立に受光
される前記回折干渉光の検出信号間に相対的な位相差を与えるために、前記ピッ
チ方向で相対的に所定の距離を置いて設けられ、 前記第1及び第3回折格子に対する前記第2回折格子の前記ピッチ方向での相
対移動量を検出することを特徴とする回折干渉型エンコーダ。 2)前記第2回折格子は反射型の回折格子で形成され、前記第1及び第3回折
格子は同一平面上に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の回折干渉型エンコーダ。Claims: 1) First and second diffraction gratings arranged in parallel and having the same periodic pitch as each other, and coherent from the first diffraction grating side to the first and second diffraction gratings. Parallel light beam supply means for vertically irradiating a parallel light beam; first and second positions separated by a distance between the first and second diffraction gratings by a diffraction effect of the first and second diffraction gratings In order to cause the diffracted lights intersecting with each other to interfere with each other, at least one of the first diffraction gratings is provided independently corresponding to the first position and the second position, and the first and second diffraction gratings are provided. A third diffraction grating having diffraction grating elements formed at a periodic pitch equal to and in the same direction as the second diffraction grating; and a diffraction interference light generated for each diffraction grating element of the third diffraction grating. Of one given diffraction interference light Light detecting means for photoelectrically detecting only the respective diffraction grating elements, wherein each of the diffraction grating elements of the third diffraction grating is relatively positioned between the detection signals of the diffraction interference light independently received by the light detecting means. A predetermined distance in the pitch direction so as to provide a large phase difference, and detects a relative movement amount of the second diffraction grating in the pitch direction with respect to the first and third diffraction gratings. A diffraction interference encoder. 2. The diffraction interference according to claim 1, wherein the second diffraction grating is formed by a reflection type diffraction grating, and the first and third diffraction gratings are provided on the same plane. Type encoder.
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