專利名稱：光學(xué)式編碼器和編碼器用標(biāo)尺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)式編碼器和編碼器用標(biāo)尺，特別是涉及利用隨著標(biāo)尺的移動(dòng)的衍射干涉圖案的變化來(lái)檢測(cè)標(biāo)尺的移動(dòng)量的光學(xué)式編碼器，和光學(xué)式編碼器中所使用的編碼器用標(biāo)尺。
全息圖標(biāo)尺把光波面以全息圖的形式直接記錄在刻度面上，其制作方法原理上可以實(shí)現(xiàn)光波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的最小的刻度間距。全息圖編碼器利用記錄在此一標(biāo)尺上的全息圖引起的衍射光干涉現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)位移，具有各種方式的直線編碼器中最高的分辨率和精度。
如以下說(shuō)明的，全息圖編碼器在檢測(cè)原理上利用衍射光的干涉現(xiàn)象，全息圖標(biāo)尺可以作為衍射光柵處理。圖9中示出衍射光柵(全息圖標(biāo)尺)引起的衍射的情形。一般來(lái)說(shuō)，衍射光柵產(chǎn)生0級(jí)衍射光、±1級(jí)衍射光等多個(gè)級(jí)的衍射光，但是在位移檢測(cè)中只利用±1級(jí)衍射光的干涉。P是衍射光柵的間距，也就是全息圖標(biāo)尺的刻度間距。
為了理解檢測(cè)原理，參照?qǐng)D10考慮以θ0入射于衍射光柵的光線的+M級(jí)衍射光與+N級(jí)衍射光的干涉。θN是+N級(jí)衍射光的衍射角，θM是+M級(jí)衍射光的衍射角。衍射角與入射角θ0的關(guān)系由下式給出。λ是光源的波長(zhǎng)。sinθN-sinθ0=NλP]]>sinθM-sinθ0=MλP]]>此外，把干涉的各光波的振幅取為相同時(shí)的Q點(diǎn)處的光的強(qiáng)度I由下式給出。I=2A2{1+cos2πλ[Δ+(N-M)λPx]}]]>此式表示如果使衍射光柵沿X方向或-X方向移動(dòng)，則Q點(diǎn)處的光強(qiáng)度I以x＝P/(N-M)的周期正弦波狀地變化。全息圖編碼器的檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)利用此一現(xiàn)象。例如，在使±1級(jí)衍射光干涉的檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)中，如果使標(biāo)尺移動(dòng)刻度1間距量，則光的強(qiáng)度正弦波狀地完全變化2周期量。也就是說(shuō)，在此一場(chǎng)合，標(biāo)尺的刻度間距P光學(xué)上一分為二，基本分辨率成為2倍。此外，通過(guò)在后級(jí)的內(nèi)插電路中電氣地分割對(duì)此一光的強(qiáng)度變化進(jìn)行光電變換所得到的電氣信號(hào)，可以得到超過(guò)基本分辨率的高分辨率。
再者，關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的全息圖編碼器的細(xì)節(jié)，在例如“用全息圖標(biāo)尺的超高精度光電式直線編碼器”，富谷雅、大崎基弘，《光技術(shù)接觸》，Vol.38，№6(2000)第368～376中記載。
可是，在上述現(xiàn)有技術(shù)的全息圖編碼器中，存在著檢測(cè)信號(hào)的噪聲很大這樣的重大問(wèn)題。其原因在于除了靠全息圖標(biāo)尺干涉產(chǎn)生的±1級(jí)衍射光之外，還發(fā)生不希望的衍射光(例如，0級(jí)衍射光或2級(jí)以上的高級(jí)衍射光)。雖然在檢測(cè)器上配置了檢測(cè)±1級(jí)衍射光的干涉圖案用的透射狹縫，但是0級(jí)衍射光或2次以上的高級(jí)衍射光也能透過(guò)透射狹縫而同時(shí)入射于光檢測(cè)器，這成為產(chǎn)生噪聲的原因。如果噪聲加大則前述正弦波信號(hào)的振幅變化的檢測(cè)將變得困難，系統(tǒng)對(duì)位移的靈敏度降低。結(jié)果，位移測(cè)定的分辨率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述情況而作成，本發(fā)明的目的在于提供一種降低檢測(cè)信號(hào)的噪聲，能夠以高分辨率來(lái)檢測(cè)標(biāo)尺的移動(dòng)量的光學(xué)式編碼器和編碼器用標(biāo)尺。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的光學(xué)式編碼器，包括衍射所入射的激光并且使規(guī)定級(jí)的衍射光的偏振方向有選擇地旋轉(zhuǎn)到規(guī)定偏振方向的光學(xué)各向異性部位所形成的標(biāo)尺，和包括把激光照射于該標(biāo)尺的光源、從透射前述標(biāo)尺或靠前述標(biāo)尺所反射的衍射光分離前述規(guī)定偏振方向的偏振分量的偏振光分離機(jī)構(gòu)以及檢測(cè)所分離的偏振分量引起的干涉圖案的規(guī)定位置處的光強(qiáng)度的光強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，配置成能夠相對(duì)移動(dòng)或相對(duì)旋轉(zhuǎn)的光學(xué)傳感器部分，以及基于靠該光學(xué)傳感器部分所檢測(cè)的光強(qiáng)度的變化來(lái)運(yùn)算前述標(biāo)尺的移動(dòng)量的移動(dòng)量運(yùn)算裝置。
在此一光學(xué)式編碼器中，在檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)中，從光源照射于標(biāo)尺的激光靠在標(biāo)尺上所形成的光學(xué)各向異性部位來(lái)衍射。此時(shí)規(guī)定級(jí)的衍射光的偏振方向有選擇地旋轉(zhuǎn)到規(guī)定偏振方向。偏振光分離機(jī)構(gòu)從透射標(biāo)尺或靠標(biāo)尺所反射的衍射光分離前述規(guī)定偏振方向的偏振分量，也就是規(guī)定級(jí)的衍射光，光強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)所分離的衍射光引起的干涉圖案的規(guī)定位置處的光強(qiáng)度。
在光學(xué)傳感器部分中上述檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)和標(biāo)尺配置成能夠相對(duì)移動(dòng)或相對(duì)旋轉(zhuǎn)，如果檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)與標(biāo)尺相對(duì)移動(dòng)或相對(duì)旋轉(zhuǎn)則衍射干涉圖案變化，靠光強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)所檢測(cè)的光強(qiáng)度變化。然后，移動(dòng)量運(yùn)算裝置基于靠光強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)所檢測(cè)的光強(qiáng)度的變化來(lái)運(yùn)算標(biāo)尺的移動(dòng)量。例如，在靠光強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)所檢測(cè)的光強(qiáng)度周期性變化的場(chǎng)合，可以把該光強(qiáng)度的變化周期與標(biāo)尺的衍射間距相關(guān)聯(lián)地運(yùn)算標(biāo)尺的移動(dòng)量。
這樣一來(lái)，在本發(fā)明的光學(xué)式編碼器中，在激光被在標(biāo)尺上所形成的光學(xué)各向異性部位所衍射之際，規(guī)定級(jí)的衍射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，由于僅偏振方向旋轉(zhuǎn)的衍射光的干涉光靠光檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)，所以可以得到噪聲降低了的檢測(cè)信號(hào)，可以以高分辨率來(lái)檢測(cè)標(biāo)尺移動(dòng)量。
作為上述光學(xué)式編碼器的光源，面發(fā)光激光器是最好的。在把面發(fā)光激光器用于光源的場(chǎng)合，由于可以把光束直徑的大小抑制成比較小，所以不需要準(zhǔn)直透鏡或聚光透鏡而零件數(shù)減少，進(jìn)而可以謀求裝置的小型化。
作為偏振光分離機(jī)構(gòu)可以用從入射光中使規(guī)定偏振方向的直線偏振光分量通過(guò)的偏振片或偏振濾光片等起偏鏡。
光學(xué)式編碼器中所使用的編碼器用標(biāo)尺，是衍射所入射的激光并且使規(guī)定級(jí)的衍射光的偏振方向有選擇地旋轉(zhuǎn)到規(guī)定方向的光學(xué)各向異性部位所形成的。
在標(biāo)尺上所形成的光學(xué)各向異性部位可以取為具有通過(guò)光照射所引發(fā)的光引發(fā)各向異性的部位。光引發(fā)各向異性中有光引發(fā)雙重折射和光引發(fā)二色性。此一光學(xué)各向異性部位可以例如通過(guò)對(duì)含有在側(cè)鏈上有光異性化基的高分子化合物(包括高分子液晶)的記錄材料，或者含有使光異性化分子分散的高分子化合物的記錄材料進(jìn)行光照射引發(fā)雙重折射而形成的。
作為高分子化合物最好是在側(cè)鏈上有偶氮苯骨架，更好是在主鏈上有芳香族烴基，特別好是由下述一般式(1)所表示的聚酯。
一般式(1) 一般式(1)中，X表示氰基、甲基、甲氧基、或硝基，Y表示二價(jià)連接基(bivalent coupling group)如氧基(oxy group)、羰基(carbonyl group)、或者磺?；?sulfonyl group)，L和m表示2至18的整數(shù)，n表示5至500的整數(shù)。
上述光學(xué)各向異性部位例如可以通過(guò)偏振光全息圖記錄來(lái)形成。


圖1是表示根據(jù)第1實(shí)施例的光學(xué)式編碼器的構(gòu)成的概略圖。
圖2是說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的全息圖的衍射原理的透視圖。
圖3A是表示偏振光全息圖的記錄方法的透視圖，圖3B是說(shuō)明圖3A中所記錄的偏振光全息圖引起的衍射原理的透視圖，圖3C是表示p偏振光入射于透射型標(biāo)尺的場(chǎng)合的衍射光的偏振光分布之一例的概略圖。
圖4A是表示在透射型標(biāo)尺的制作中使用的記錄介質(zhì)的層構(gòu)成的剖視圖，圖4B是表示反射型標(biāo)尺的制作中使用的記錄介質(zhì)的層構(gòu)成的剖視圖。
圖5是表示通過(guò)偏振光全息圖記錄來(lái)制作標(biāo)尺用的光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成的沿光軸的剖視圖。
圖6是表示根據(jù)第2實(shí)施例的光學(xué)式編碼器的構(gòu)成的概略圖。
圖7是表示p偏振光入射于反射型標(biāo)尺的場(chǎng)合的衍射光的偏振光分布之一例的概略圖。
圖8是表示偏振光全息圖的另一種記錄方法的透視圖。
圖9是表示衍射光柵(全息圖標(biāo)尺)引起的衍射的情形的圖。
圖10是說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的全息圖編碼器的檢測(cè)原理的說(shuō)明圖。
透射型標(biāo)尺12，將后述的記錄層側(cè)配置成使激光大體上垂直地入射，并且使其構(gòu)成為能夠經(jīng)由靠驅(qū)動(dòng)裝置22所控制的未畫(huà)出的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿標(biāo)尺的縱長(zhǎng)方向的箭頭A的方向移動(dòng)。此外，光檢測(cè)器18連接于基于其檢測(cè)信號(hào)來(lái)運(yùn)算移動(dòng)量的移動(dòng)量運(yùn)算裝置20。移動(dòng)量運(yùn)算裝置20可以由例如備有CPU、ROM、RAM的個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)構(gòu)成。
激光源10由可以從基片表面發(fā)射出激光的面發(fā)光激光器來(lái)構(gòu)成。面發(fā)光激光器由于能夠通過(guò)開(kāi)口形狀的設(shè)計(jì)把光束直徑的大小抑制成比較小，所以不需要準(zhǔn)直透鏡或聚光透鏡，從而有利于裝置的小型化、低成本化。例如，可以最好是用IEEE Photon.Techonl.Lett.，11，1539(1999)中所述的面發(fā)光激光器等。
記錄在透射型標(biāo)尺12上的偏振光全息圖作為衍射光柵使用。這里，與現(xiàn)有技術(shù)的全息圖的衍射原理相比較地說(shuō)明偏振光全息圖的衍射原理?，F(xiàn)有技術(shù)的紀(jì)錄全息圖過(guò)程如圖2中所示，把相干的兩個(gè)光波的干涉條紋照射于光敏介質(zhì)，記錄與此一光強(qiáng)度分布相對(duì)應(yīng)的折射率變化或吸收率變化。而在此一場(chǎng)合，為了提高干涉條紋的對(duì)比度，兩個(gè)光波的偏振光被設(shè)定成同一方位的直線偏振光。在此一全息圖中，入射光不改變其偏振方向地被衍射。
另一方面，在記錄偏振光全息圖的場(chǎng)合，如圖3(A)中所示，相互正交的偏振狀態(tài)的兩個(gè)光波(例如與紙面平行的p偏振光和與之正交的s偏振光)照射在表現(xiàn)出光引發(fā)各向異性(維格特效應(yīng))的偏振光光敏介質(zhì)。此時(shí)，雖然在介質(zhì)中不產(chǎn)生兩個(gè)光波引起的干涉條紋，但是形成兩個(gè)光波的電場(chǎng)向量的合成引起的空間偏振光分布，根據(jù)此一空間偏振光分布發(fā)現(xiàn)光引發(fā)各向異性，并記錄之。這即形成偏振光全息圖。另外，關(guān)于偏振光全息照相的細(xì)節(jié)，在T.Todorov，L.Nikilova，和N.Tomova，Appl.Opt.23，4309(1984)等中記載著。
此一偏振光全息圖與現(xiàn)有技術(shù)的全息圖同樣地作為衍射光柵起作用而衍射入射光，并且僅使單數(shù)級(jí)的衍射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。例如，如圖3(B)中所示，如令入射的激光為s偏振光，則偏振光全息圖引起的±1級(jí)衍射光成為與入射光的偏振方向90°正交的p偏振光，0級(jí)衍射光、±2級(jí)衍射光仍為s偏振光。通常，3級(jí)以上的高級(jí)偏振光可以忽略不計(jì)。像這樣作用因衍射光的級(jí)而異的理由在F.Lagugne Labarthet，P.Rochon，A.Natansohn，Appl.Phys.Lett.，Vol.75，№10，1377(1999)等中詳細(xì)說(shuō)明。
因而，如圖3(C)中所示，如果采用p偏振光入射于±1級(jí)衍射光的衍射效率分別為30％地偏振光全息圖所記錄的透射型標(biāo)尺12，則為p偏振光的0級(jí)衍射光和為s偏振光的±1級(jí)衍射光將大體上均等地輸出。
偏振片14具有與從激光源10所輸出的激光的偏振方向正交的透射軸方位，僅偏振方向被偏振光全息圖旋轉(zhuǎn)了90°的±1級(jí)衍射光透射過(guò)偏光片14。
在狹縫片16上，以與因偏振光全息圖引起的±1級(jí)衍射光的干涉所形成的光強(qiáng)度圖案(衍射干涉圖案)相對(duì)應(yīng)的間距形成狹縫。借此，只有所生成的衍射干涉圖案的特定部分才能通過(guò)狹縫而入射于光檢測(cè)器，檢測(cè)強(qiáng)度提高。
在光檢測(cè)器18上形成與上述狹縫片16的各狹縫相對(duì)應(yīng)的多個(gè)受光區(qū)。通過(guò)把受光區(qū)的形狀取為與狹縫相對(duì)應(yīng)的形狀，光強(qiáng)度的檢測(cè)效率得到提高。透射型標(biāo)尺的制作透射型標(biāo)尺12如圖4(A)中所示，可以在玻璃基片等透明基片24一方的表面上，采用能夠表現(xiàn)出光引發(fā)各向異性(雙重折射或二色性)并且記錄、保持所引發(fā)的各向異性的由偏振光光敏介質(zhì)構(gòu)成的記錄層26所形成的記錄介質(zhì)，在此一記錄介質(zhì)的記錄層26是為記錄偏振光全息圖而制作。
作為構(gòu)成記錄層26的偏振光光敏介質(zhì)，最好是使光引發(fā)雙重折射大且可以得到高的衍射效率，記錄穩(wěn)定性又好的具有偶氮苯骨架的高分子(以下稱為“偶氮聚合物”)。如果直線偏振光照射于偶氮苯，則沿此一直線偏振光的偏振方向排列的偶氮苯如下述所示表現(xiàn)出反式-順式-反式的光異性化循環(huán)。 在反式體沿與偏振方向正交的方向緩和的場(chǎng)合，尚未被光激勵(lì)而穩(wěn)定地停留于該方位。這樣一來(lái)，偶氮苯沿與照射光的偏振方向正交的方向取向反式體。通過(guò)此一取向引發(fā)雙重折射和二色性。在偶氮聚合物中也是，如下述式中所示的在主鏈上有芳香族烴基且在側(cè)鏈上有偶氮苯骨架的聚酯因?yàn)榫哂刑貏e高的光引發(fā)雙重折射和穩(wěn)定性，故作為記錄層的構(gòu)成材料是最佳的。 上述式中，X表示氰基、甲基、甲氧基、或硝基，Y表示二價(jià)連接基(bivalentcoupling group)如氧基(oxy group)、羰基(carbonyl group)、或者磺酰基(sulfonyl group)。此外，1和m表示2至18的整數(shù)，較佳的是4至10的整數(shù)，n表示5至500的整數(shù)，較佳的是10至100的整數(shù)。
接下來(lái)，在以下示出采用圖5中所示的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)制作標(biāo)尺的例子。在激光源70中用波長(zhǎng)515nm的氬離子激光器，靠第一準(zhǔn)直透鏡71、第二準(zhǔn)直透鏡72使從激光源70所輸出的激光成為口徑大的平行光，入射于偏振光分束鏡74，把入射光分離成相互正交的偏振狀態(tài)的兩束光波(例如具有像s偏振光和p偏振光那樣相互正交的直線偏振光)?？糠瓷溏R76反射反射光(例如s偏振光)，并和透射光(例如p偏振光)一起照射于作為記錄層26厚度為10μm的偶氮聚合物層的記錄介質(zhì)78，并記錄偏振光全息圖。再者，偶氮聚合物層的厚度可以根據(jù)想要的全息圖衍射效率適當(dāng)變更。
偏振光全息圖記錄時(shí)的曝光能量取為1J/cm2時(shí)，對(duì)偶氮聚合物沒(méi)有敏感度的波長(zhǎng)600nm以上的激光下的衍射效率約為50％，得到最高的衍射效率。光學(xué)式編碼器的動(dòng)作接下來(lái)，就圖1中所示的光學(xué)式編碼器的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。從激光源10以具有規(guī)定的偏振方向的直線偏振光輸出的激光照射于配置在光出射側(cè)的透射型標(biāo)尺12上，被記錄在透射型標(biāo)尺12上的偏振光全息圖所衍射。衍射光當(dāng)中僅±1級(jí)衍射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。這些±1級(jí)衍射光相互干涉，在光檢測(cè)器18的受光表面上形成干涉引起的光強(qiáng)度圖案(干涉條紋)。
偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°的±1級(jí)衍射光的干涉光透射過(guò)具有與從激光源10所輸出的激光的偏振方向正交的透射軸方位的偏振片14。透射偏振片14的干涉光的一部分通過(guò)狹縫片16的各狹縫，照射于與各狹縫相對(duì)應(yīng)地形成的光檢測(cè)器18的各個(gè)受光區(qū)，照射光的強(qiáng)度靠光檢測(cè)器18來(lái)檢測(cè)。另一方面，偏振方向未旋轉(zhuǎn)的0級(jí)衍射光、±2級(jí)衍射光、以及它們的干涉光不能透射偏振片14，在到達(dá)光檢測(cè)器18檢測(cè)之前被遮斷。
如果透射型標(biāo)尺12靠驅(qū)動(dòng)裝置22經(jīng)由未畫(huà)出的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿箭頭A方向移動(dòng)，則依據(jù)前述全息圖編碼器的檢測(cè)原理，光檢測(cè)器18的各受光區(qū)所檢測(cè)的光強(qiáng)度將隨著透射型標(biāo)尺12的移動(dòng)而周期性變化，正弦波狀的檢測(cè)信號(hào)向移動(dòng)量運(yùn)算裝置20輸出。如果透射型標(biāo)尺12移動(dòng)衍射光柵1間距量則將檢測(cè)到2周期量的正弦波信號(hào)，在移動(dòng)量運(yùn)算裝置20中，基于上述檢測(cè)信號(hào)來(lái)運(yùn)算透射型標(biāo)尺12的移動(dòng)量。例如，用檢測(cè)信號(hào)的波數(shù)和衍射光柵1間距量的長(zhǎng)度可以運(yùn)算移動(dòng)量。
通過(guò)以上說(shuō)明，在根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)式編碼器中，由于靠記錄在透射型標(biāo)尺上的偏振光全息圖使±1級(jí)衍射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，并且靠偏振片遮斷不想要的噪聲光而靠光檢測(cè)器僅檢測(cè)移動(dòng)量(位移)測(cè)定所需的衍射干涉光，所以檢測(cè)信號(hào)的信噪比提高，可以以高分辨率來(lái)檢測(cè)標(biāo)尺移動(dòng)量。
此外，由于在光源中用能夠把光束直徑的大小抑制成比較小的面發(fā)光激光器，所以不需要準(zhǔn)直透鏡或聚光透鏡，可以謀求裝置的小型化、低成本化。
進(jìn)而，由于在光檢測(cè)器的入射側(cè)配置以規(guī)定間隔形成狹縫的狹縫片，所生成的衍射干涉圖案的特定部分通過(guò)狹縫入射于光檢測(cè)器，所以可以使檢測(cè)強(qiáng)度提高。此外，由于用形成了與各狹縫相對(duì)應(yīng)的多個(gè)受光區(qū)的光檢測(cè)器，所以可以高效率地檢測(cè)光強(qiáng)度。第2實(shí)施例光學(xué)式編碼器的構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的第2實(shí)施例的光學(xué)式編碼器如圖6中所示，備有輸出規(guī)定的偏振方向的直線偏振光的激光源30，在激光源30的光出射側(cè)配置著偏振光全息圖所記錄的細(xì)長(zhǎng)形的反射型標(biāo)尺32。在反射型標(biāo)尺32引起的反射光的光路上，有選擇地透射規(guī)定偏振方向的直線偏振光的偏振片34，以規(guī)定間隔形成狹縫的狹縫片36，以及檢測(cè)通過(guò)狹縫片36的激光的強(qiáng)度的光檢測(cè)器38按此一順序配置著。
激光源30由可以從基片表面發(fā)射出激光的面發(fā)光激光器來(lái)構(gòu)成，激光源30和光檢測(cè)器38單片地形成在公用基片28上。
反射型標(biāo)尺32以對(duì)該光源的光出射方向傾斜規(guī)定角度配置于激光源30上方，以便使入射光沿與入射方向不同的方向被反射，并且構(gòu)成為能夠經(jīng)由靠驅(qū)動(dòng)裝置42所控制的未畫(huà)出的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿標(biāo)尺縱長(zhǎng)方向的箭頭B移動(dòng)。此外，光檢測(cè)器38連接于基于光檢測(cè)器38的檢測(cè)信號(hào)來(lái)運(yùn)算移動(dòng)量的移動(dòng)量運(yùn)算裝置40。移動(dòng)量運(yùn)算裝置40可以由例如備有CPU、ROM、RAM的個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)構(gòu)成。
記錄在反射型標(biāo)尺32上的偏振光全息圖，在作為衍射光柵起作用而衍射入射光，并且在僅使單數(shù)級(jí)的衍射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°這一點(diǎn)上與透射型標(biāo)尺的場(chǎng)合相同，如令入射的激光為p偏振光，則偏振光全息圖引起的±1級(jí)衍射光成為與入射光的偏振方向90°正交的s偏振光，0級(jí)衍射光、±2級(jí)衍射光仍然是p偏振光。例如，如圖7中所示，如果采用p偏振光入射于±1級(jí)衍射光的衍射效率分別為30％地偏振光全息圖所記錄的反射型標(biāo)尺32，則p偏振光的0級(jí)衍射光和s偏振光的±1級(jí)衍射光將大體上均等地輸出。
偏振片34備有與從激光源30所輸出的激光的偏振方向正交的透射軸方位。此外，在狹縫片36上，以與因偏振光全息圖引起的±1級(jí)衍射光的干涉所形成的光強(qiáng)度圖案相對(duì)應(yīng)的間距形成狹縫，并在光檢測(cè)器38上形成與此一狹縫片36的各狹縫相對(duì)應(yīng)的多個(gè)受光區(qū)。反射型標(biāo)尺的制作反射型標(biāo)尺32如圖4(B)中所示，在金屬等反射構(gòu)件46一方的表面上，采用能夠表現(xiàn)出光引發(fā)各向異性并且記錄、保持所引發(fā)的各向異性的由偏振光光敏介質(zhì)構(gòu)成的記錄層48所形成的記錄介質(zhì)，在此一記錄介質(zhì)的記錄層48是為記錄偏振光全息圖而制作。從反射型標(biāo)尺32的記錄層48一側(cè)所入射的激光，通過(guò)記錄層48被反射構(gòu)件46的表面所反射，再次通過(guò)記錄層48而射出。作為構(gòu)成記錄層48的記錄材料，與透射型標(biāo)尺同樣最好是偶氮聚合物。此外，通過(guò)與透射型標(biāo)尺的場(chǎng)合同樣的方法，可以把偏振光全息圖記錄于由偶氮聚合物構(gòu)成的記錄層48。光學(xué)式編碼器的動(dòng)作接下來(lái)，就圖6中所示的光學(xué)式編碼器的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。從激光源30以具有規(guī)定的偏振方向的直線偏振光輸出的激光照射于配置在光出射側(cè)的反射型標(biāo)尺32上，被記錄在反射型標(biāo)尺32上的偏振光全息圖所衍射。衍射光當(dāng)中僅±1級(jí)衍射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。這些±1級(jí)衍射光相互干涉，在光檢測(cè)器38的受光表面上形成干涉產(chǎn)生的光強(qiáng)度圖案(干涉條紋)。
偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°的±1級(jí)衍射光的干涉光透射過(guò)具有與從激光源30所輸出的激光的偏振方向正交的透射軸方位的偏振片34。透射偏振片34的干涉光的一部分通過(guò)狹縫片36的各狹縫，照射于與各狹縫相對(duì)應(yīng)地所形成的光檢測(cè)器38的各個(gè)受光區(qū)，靠光檢測(cè)器38來(lái)檢測(cè)照射光的強(qiáng)度。另一方面，偏振方向未旋轉(zhuǎn)的0級(jí)衍射光、±2級(jí)衍射光、以及它們的干涉光不能透射偏振片34，在到達(dá)光檢測(cè)器38來(lái)檢測(cè)之前被遮斷。
如果反射型標(biāo)尺32靠驅(qū)動(dòng)裝置42經(jīng)由未畫(huà)出的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿箭頭B方向移動(dòng)，則光檢測(cè)器38的各受光區(qū)所檢測(cè)的光強(qiáng)度將隨著反射型標(biāo)尺32的移動(dòng)而周期性變化，正弦波狀的檢測(cè)信號(hào)向移動(dòng)量運(yùn)算裝置40輸出。在移動(dòng)量運(yùn)算裝置40中，基于上述檢測(cè)信號(hào)來(lái)運(yùn)算反射型標(biāo)尺32的移動(dòng)量。
通過(guò)以上說(shuō)明，在根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)式編碼器中，由于±1級(jí)衍射光的偏振方向靠記錄在反射型標(biāo)尺上的偏振光全息圖旋轉(zhuǎn)90°，并且靠偏振片遮斷不需要的噪聲光而靠光檢測(cè)器僅檢測(cè)移動(dòng)量(位移)測(cè)定所需要的衍射干涉光，所以檢測(cè)信號(hào)的信噪比提高，可以以高分辨率來(lái)檢測(cè)標(biāo)尺移動(dòng)量。
此外，由于在光源中用能夠把光束直徑的大小抑制成比較小的面發(fā)光激光器，所以不需要準(zhǔn)直透鏡或聚光透鏡，并且可以把面發(fā)光激光器和光檢測(cè)器在公用基片上單片地形成，進(jìn)而可以謀求裝置的小型化、低成本化。
進(jìn)而，由于在光檢測(cè)器的光入射一側(cè)配置以規(guī)定間隔形成狹縫的狹縫片，所生成的衍射干涉圖案的特定部分通過(guò)狹縫而入射于光檢測(cè)器，所以可以提高檢測(cè)強(qiáng)度。此外，由于用形成了與各狹縫相對(duì)應(yīng)的多個(gè)受光區(qū)的光檢測(cè)器，所以可以高效率地檢測(cè)光強(qiáng)度。
下面就本發(fā)明的最佳實(shí)施例或其他實(shí)施例等進(jìn)行說(shuō)明。
在根據(jù)上述實(shí)施例的光學(xué)式編碼器中，最好是在激光源與標(biāo)尺之間配置起偏鏡。在從激光源所出射的光的偏振狀態(tài)變動(dòng)的場(chǎng)合，可以靠起偏鏡來(lái)降低此一變動(dòng)的影響，降低噪聲。此外，最好是在激光源與標(biāo)尺之間配置孔欄。由于檢測(cè)信號(hào)的振幅根據(jù)光束直徑和標(biāo)尺周期而變動(dòng)，所以在從光源所出射的激光的光束直徑變動(dòng)的場(chǎng)合，規(guī)定光束直徑的激光可以靠孔欄照射于標(biāo)尺而防止檢測(cè)信號(hào)振幅的變動(dòng)，降低噪聲。
雖然如上所述，在第1和第2實(shí)施例中，就把作為直線偏振光的激光照射于標(biāo)尺的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以把圓偏振光、橢圓偏振光照射于標(biāo)尺。在此一場(chǎng)合，用備有1/4波長(zhǎng)片的標(biāo)尺將其變換成直線偏振光。
此外，雖然在第1和第2實(shí)施例中，就分別構(gòu)成偏振片、狹縫片、以及光檢測(cè)器的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以在光檢測(cè)器的表面上粘貼偏振膜和膜狀狹縫等而整體地構(gòu)成。
此外，雖然在第1和第2實(shí)施例中，就在激光源中用面發(fā)光激光器的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以用現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)式編碼器的光源中所使用的一般激光源。
此外，雖然在第1和第2實(shí)施例中，就用直線標(biāo)尺的光學(xué)式直線編碼器進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以把本發(fā)明運(yùn)用于用對(duì)光源相對(duì)旋轉(zhuǎn)的圓盤狀標(biāo)尺來(lái)測(cè)定標(biāo)尺的旋轉(zhuǎn)量的旋轉(zhuǎn)編碼器。
此外，雖然在第1和第2實(shí)施例中，就標(biāo)尺靠驅(qū)動(dòng)裝置沿規(guī)定方向移動(dòng)的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但是只要標(biāo)尺對(duì)激光源相對(duì)地移動(dòng)就可以了，也可以固定配置標(biāo)尺而使激光源移動(dòng)。在此一場(chǎng)合，光檢測(cè)器等也有必要隨著激光源移動(dòng)，以便靠標(biāo)尺偏振調(diào)制的激光被光檢測(cè)器檢測(cè)。此外，雖然在上述中，就對(duì)一個(gè)標(biāo)尺配置包括激光源和光檢測(cè)器在內(nèi)的檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以對(duì)一個(gè)標(biāo)尺配置多個(gè)檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)。
此外，雖然在第2實(shí)施例中，就在備有反射構(gòu)件的記錄介質(zhì)的記錄層上記錄偏振光全息圖而制作反射型標(biāo)尺的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以在圖4(A)中所示的透明基片24一方的表面上，用由偏振光光敏介質(zhì)構(gòu)成的記錄層26所形成的記錄介質(zhì)，如圖8中所示，把相互正交的偏振狀態(tài)的兩個(gè)光波從不同側(cè)照射于此一記錄介質(zhì)而記錄偏振光全息圖，借此來(lái)制作反射型標(biāo)尺。
通過(guò)以上說(shuō)明，本發(fā)明的光學(xué)式編碼器和編碼器用標(biāo)尺實(shí)現(xiàn)降低檢測(cè)信號(hào)的噪聲，并可以以高分辨率來(lái)檢測(cè)標(biāo)尺移動(dòng)量這樣的效果。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)式編碼器，包括衍射所入射的激光并且使規(guī)定級(jí)的衍射光的偏振方向有選擇地旋轉(zhuǎn)到規(guī)定偏振方向的光學(xué)各向異性部位所形成的標(biāo)尺，和包括把激光照射于該標(biāo)尺的光源、從透射前述標(biāo)尺或靠前述標(biāo)尺所反射的衍射光分離前述規(guī)定偏振方向的偏振分量的偏振光分離機(jī)構(gòu)以及檢測(cè)所分離的偏振分量引起的干涉圖案的規(guī)定位置處的光強(qiáng)度的光強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，配置成能夠相對(duì)移動(dòng)或相對(duì)旋轉(zhuǎn)的光學(xué)傳感器部分，以及基于靠該光學(xué)傳感器部分所檢測(cè)的光強(qiáng)度的變化來(lái)運(yùn)算前述標(biāo)尺的移動(dòng)量的移動(dòng)量運(yùn)算裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)式編碼器，其中在前述光源中用面發(fā)光激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)式編碼器，其中前述移動(dòng)量運(yùn)算裝置在靠光強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)所檢測(cè)的光強(qiáng)度周期性變化的場(chǎng)合，把該光強(qiáng)度的變化周期與標(biāo)尺的衍射間距相關(guān)聯(lián)地運(yùn)算前述標(biāo)尺的移動(dòng)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)式編碼器，其中前述偏振光分離機(jī)構(gòu)是從入射光中使規(guī)定偏振方向的直線偏振光分量通過(guò)的起偏鏡。
5.一種編碼器用標(biāo)尺，是光學(xué)式編碼器中所使用的編碼器用標(biāo)尺，是衍射所入射的激光并且使規(guī)定級(jí)的衍射光的偏振方向有選擇地旋轉(zhuǎn)到規(guī)定方向的光學(xué)各向異性部位所形成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所使用的編碼器用標(biāo)尺，其中前述光學(xué)各向異性部位是具有通過(guò)光照射所引發(fā)的光引發(fā)各向異性的部位。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的編碼器用標(biāo)尺，其中前述光引發(fā)各向異性是光引發(fā)雙重折射。
8.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的編碼器用標(biāo)尺，其中前述光學(xué)各向異性部位是通過(guò)對(duì)含有在側(cè)鏈上有光異性化基的高分子化合物的記錄材料，或者含有使光異性化分子分散的高分子化合物的記錄材料進(jìn)行光照射引發(fā)雙重折射而形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的編碼器用標(biāo)尺，其中前述高分子化合物在側(cè)鏈上有偶氮苯骨架。
10.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的編碼器用標(biāo)尺，其中前述高分子化合物在主鏈上有芳香族烴基。
11.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的編碼器用標(biāo)尺，其中前述高分子化合物是由下述一般式(1)所表示的聚酯。一般式(1) 上述式中，X表示氰基、甲基、甲氧基、或硝基，Y表示二價(jià)連接基(bivalentcoupling group)如氧基(oxy group)、羰基(carbonyl group)、或者磺?；?sulfonylgroup)，l和m表示2至18的整數(shù)，n表示5至500的整數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的編碼器用標(biāo)尺，其中前述光學(xué)各向異性部位通過(guò)偏振光全息圖記錄來(lái)形成。
全文摘要
從激光源所輸出的激光照射于透射型標(biāo)尺，被所記錄的偏振光全息圖所衍射。衍射光當(dāng)中僅±1級(jí)衍射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。這些±1級(jí)衍射光相互干涉，在光檢測(cè)器的受光表面上形成干涉條紋?！?級(jí)衍射光的干涉光透射起偏鏡，透射光的一部分通過(guò)狹縫片的各狹縫，照射于光檢測(cè)器，照射光的強(qiáng)度被檢測(cè)。另一方面，偏振方向未旋轉(zhuǎn)的0級(jí)衍射光、±2級(jí)衍射光等不能透射起偏鏡，在靠光檢測(cè)器檢測(cè)之前被遮斷。
文檔編號(hào)C08G63/00GK1435675SQ02142198
公開(kāi)日2003年8月13日 申請(qǐng)日期2002年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月30日
發(fā)明者河野克典, 丸山達(dá)哉, 三鍋治郎, 安田晉 申請(qǐng)人:富士施樂(lè)株式會(huì)社