JP2000018917A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い分解能で位置検出が可能な光学式変位測
定装置を提供する。 【解決手段】 本発明では、回折格子１の格子面に可干
渉光Ｌａが結像されているとともに受光手段３の受光面
に回折光Ｌｂが結像されている。第２の結像手段５の開
口範囲内を通過する回折光Ｌｂの光路長は、全て等し
い。従って、回折光Ｌｂの光軸がずれた場合であっても
受光手段３の受光面の結像位置は変化せず、光路長に変
化が生じない。本発明では、光路長が変化しない２つの
回折光Ｌｂを干渉させてその位相差を検出し、その位相
差に基づき回折格子１の移動位置を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械や半導体
製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する光学式
変位測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、工作機械や半導体製造装置等
の可動部分の相対移動位置を検出する装置として、回折
格子を用いた光学式の変位測定装置が知られている。

【０００３】例えば、特開昭６０−９８３０２号公報に
提案されている従来の光学式変位測定装置を、図１９及
び図２０に示す。図１９は、この従来の光学式変位測定
装置１００を模式的に示す斜視図であり、図２０は、こ
の従来の光学式変位測定装置１００を模式的に示す側面
図である。

【０００４】従来の光学式変位測定装置１００は、工作
機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及びＸ
２方向に直線移動する回折格子１０１と、可干渉光であ
るレーザ光を出射する可干渉光源１０２と、可干渉光源
１０２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割す
るとともに回折格子１０１からの２つの回折光を重ね合
わせ干渉させるハーフミラー１０３と、回折格子１０１
を透過した回折光を反射する２つのミラー１０４ａ，１
０４ｂと、干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を
生成するフォトディテクタ１０５とを備えている。

【０００５】可干渉光源１０２から出射されたレーザ光
は、ハーフミラー１０３により２本のビームに分割され
る。この２本のビームは、それぞれ回折格子１０１に照
射され、この回折格子１０１を透過した回折光がそれぞ
れミラー１０４ａ，１０４ｂに照射される。ミラー１０
４ａ，１０４ｂに反射された回折光は、回折格子１０１
に再度照射され、この回折格子１０１を透過した回折光
が同一の光路をたどりハーフミラー１０３に戻される。
ハーフミラー１０３に戻された回折光は、２本が重ね合
わせられて干渉し、フォトディテクタ１０５に照射され
る。

【０００６】このような従来の光学式変位測定装置１０
０では、回折格子１０１が図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移
動する。光学式変位測定装置１００では、この回折格子
１０１の移動に応じて、この回折格子１０１によって生
じる２つの回折光に位相差が生じる。そのため、この光
学式変位測定装置１００では、フォトディテクタ１０５
により得られる干渉信号から２本の回折光の位相差を検
出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を
測定することができる。

【０００７】また、特開昭６０−９８３０２号公報に提
案されている他の従来の光学式変位測定装置を、図２１
及び図２２に示す。図２１は、従来の光学式変位測定装
置１１０を模式的に示す斜視図であり、図２２は、従来
の光学式変位測定装置１１０を模式的に示す側面図であ
る。

【０００８】従来の光学式変位測定装置１１０は、工作
機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及びＸ
２方向に直線移動する回折格子１１１と、可干渉光であ
るレーザ光を出射する可干渉光源１１２と、可干渉光源
１１２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割す
るとともに回折格子１１１からの２つの回折光を重ね合
わせて干渉させるハーフミラー１１３と、ハーフミラー
１１３により分割された２本のビームを回折格子１１１
上の同一位置に照射する２つの第１のミラー１１４ａ，
１１４ｂと、回折格子１１１を透過した回折光を反射す
る２つの第２のミラー１１５ａ，１１５ｂと、干渉した
２つの回折光を受光して干渉信号を生成するフォトディ
テクタ１１６とを備えている。

【０００９】可干渉光源１１２から出射されたレーザ光
は、ハーフミラー１１３により２本のビームに分割され
る。この２本のビームは、それぞれ第１のミラー１１４
ａ，１１４ｂに反射されて、回折格子１１１上の同一の
位置に照射される。回折格子１１１に照射された２本の
ビームは、この回折格子１１１をそれぞれ透過し、その
回折光がそれぞれ第２のミラー１１５ａ，１１５ｂに照
射される。第２のミラー１１５ａ，１１５ｂに反射され
た回折光は、回折格子１１１に再度照射され、この回折
格子１１１を透過した回折光が同一の光路をたどりハー
フミラー１１３に戻される。ハーフミラー１１３に戻さ
れた回折光は、２本が重ね合わせられて干渉し、フォト
ディテクタ１１６に照射される。

【００１０】このような従来の光学式変位測定装置１１
０では、回折格子１１１が図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移
動する。光学式変位測定装置１１０では、この回折格子
１１１の移動に応じて、この回折格子１１１によって生
じる２つの回折光に位相差が生じる。そのため、この光
学式変位測定装置１１０では、フォトディテクタ１１６
により得られる干渉信号から２本の回折光の位相差を検
出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を
測定することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、工作
機械や産業用ロボットの高精度化にともない、例えば、
数１０ｎｍから数ｎｍといった高い分解能で位置検出が
できる光学式変位測定装置が求められるようになってき
た。

【００１２】光学式変位測定装置で高い分解能を得るた
めには大きな干渉信号を検出する必要があり、そのた
め、干渉させる２つの回折光を非常に高い精度で重ね合
わせなければならない。

【００１３】しかしながら、上述した従来の光学式変位
測定装置１００，１１０では、回折格子１０１，１１１
が本来の移動方向以外に移動したり、傾いたりしたり、
また、回折格子１０１，１１１にうねり等があると、ハ
ーフミラー１０３，１１３により重ね合わされた回折光
がずれ、急激に干渉信号が小さくなり位置検出をするこ
とが困難となってしまっていた。例えば、回折格子１０
１，１１１が、図１９〜図２２中、矢印Ａ１及び矢印Ａ
２方向への回転移動や、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２方向への
回転移動をした場合に、位置検出をすることが困難とな
っていた。

【００１４】また、上述した従来の光学式変位測定装置
１００を変形した光学式変位測定装置として、図２３に
示すような、可干渉光源１０２から出射するレーザ光を
ミラー１０４ａ，１０４ｂに結像させる第１のレンズ１
０６と、ハーフミラー１０３により重ね合わされ干渉し
た２つの回折光をフォトディテクタ１０５の受光面に結
像させる第２のレンズ１０７とを備えた光学式変位測定
装置１２０がある。

【００１５】しかしながら、この光学式変位測定装置１
２０であっても、回折格子１０１が本来の移動方向以外
に移動したり、傾いたりしたり、また、回折格子１０１
にうねり等があると、ハーフミラー１０３により重ね合
わされた回折光がずれ、急激に干渉信号が小さくなり位
置検出をすることが困難となってしまう。

【００１６】例えば、この光学式変位測定装置１２０で
は、矢印Ａ１及び矢印Ａ２方向に３０秒から１分、矢印
Ｂ１及び矢印Ｂ２方向に１０分程度の角度変化で、約２
０パーセントの干渉信号の変化が生じてしまう。また、
反射型の回折格子を用いた場合には、矢印Ｂ１及び矢印
Ｂ２方向の許容角度は、この数十分の１となり、さらに
位置検出をすることが困難となってしまう。

【００１７】ここで、特開平２−１６７４２７号公報に
提案されている従来の光学式変位測定装置を図２４に示
す。

【００１８】この図２４に示す光学式変位測定装置１３
０は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印
Ｘ１及び矢印Ｘ２方向に直線移動する回折格子１３１
と、レーザ光を出射するレーザダイオード１３２と、レ
ーザダイオード１３２から出射されたレーザ光を２本の
ビームに分割するハーフミラー１３３と、回折格子１３
１を透過した２本の回折光を受光する第１と第２の受光
素子１３４，１３５と、２本の回折光を集光する２つの
レンズ１３６，１３７とを備えている。

【００１９】この光学式変位測定装置１３０では、回折
格子１３１の回折面或いは屈折面に焦点がくるように、
第１と第２のレンズ１３６，１３７を配置している。こ
のため、第１と第２の受光素子１３４，１３５に照射さ
れる回折光が常に平行となり、例えば、回折格子１３１
が傾いたり、この回折格子１３１にうねりがあった場合
であっても、干渉信号の変動が小さくなる。

【００２０】しかしながら、この光学式変位測定装置１
３０では、保持されるのは２つの回折光の平行であり、
例えば、回折格子１３１が傾いた場合、図２５に示すよ
うに、均一な干渉が保たれているのはあくまで２つのビ
ームの重なった図中斜線で示す部分である。従って、こ
の２つのビームが重なった部分以外は、回折光は干渉せ
ず、干渉信号が小さくなる。また、２つの回折光が完全
な平行ビームではなく、何らかの収差を含む場合には、
ビームが重なった部分も均一な干渉が保たれず、干渉信
号が小さくなる。

【００２１】本発明は、このような実情を鑑みてなされ
たものであり、高い分解能での位置検出が可能な光学式
変位測定装置を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明に係る光学式変位測定装置は、可干渉光が
照射され、この可干渉光に対して格子ベクトルに平行な
方向に相対移動し、この可干渉光を回折する回折格子
と、可干渉光を発光する発光手段と、上記発光手段によ
り発光された可干渉光を２つの可干渉光に分割して、上
記回折格子に対して各可干渉光を照射する照射光学系
と、上記各可干渉光が上記回折格子により回折されて得
られる２つの回折光を干渉させる干渉光学系と、干渉し
た２つの回折光を受光して干渉信号を検出する受光手段
と、上記受光手段が検出した干渉信号から上記２つの回
折光の位相差を求めて、上記回折格子の相対移動位置を
検出する位置検出手段とを備え、上記照射光学系は、上
記回折格子に対して照射される２つの可干渉光を、この
回折格子の格子面に結像させる第１の結像手段を有し、
上記干渉光学系は、上記受光手段が受光する干渉された
２つの回折光を、この受光手段の受光面に結像させる第
２の結像手段を有することを特徴とする。

【００２３】この光学式変位測定装置では、例えば図１
に示すように、発光手段２が発光した可干渉光Ｌａを、
第１の結像手段４が回折格子１の格子面に結像する。回
折格子１の格子面に結像された可干渉光Ｌａがこの回折
格子１によって回折し、反射或いは透過した回折光Ｌｂ
が生じる。第２の結像手段５は、この回折光Ｌｂを受光
手段３の受光面に結像する。

【００２４】この光学式変位測定装置では、回折格子１
の格子面に可干渉光Ｌａが結像されているとともに受光
手段３の受光面に回折光Ｌｂが結像されているため、第
２の結像手段５の開口範囲内を通過する回折光Ｌｂの光
路長が常に等しくなる。従って、回折光Ｌｂの光軸がず
れた場合であっても受光手段３の受光面の結像位置は変
化せず、光路長に変化が生じない。

【００２５】

【発明の実施の形態】まず、本発明を適用した第１の実
施の形態の光学式変位測定装置について説明する。

【００２６】本発明の第１の実施の形態の光学式変位測
定装置１０は、図２に示すように、工作機械等の可動部
分に取り付けられ直線移動する回折格子１１と、レーザ
光等の可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、２つ
の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が干渉した干渉光を受光して干
渉信号を生成する受光素子１３と、受光素子１３からの
干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する位
置検出部１４と、可干渉光源１２から出射された可干渉
光Ｌａを回折格子１１に照射する照射光学系１５と、回
折格子１１からの２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉さ
せて受光素子１３に照射する受光光学系１６とを備えて
いる。

【００２７】回折格子１１は、図３に示すように、例え
ば薄板状の形状を有しており、その表面に狭いスリット
や溝等の格子が所定間隔毎に刻まれている。このような
回折格子１１に入射された光は、表面に刻まれたスリッ
ト等により回折する。回折により生じる回折光は、格子
の間隔と光の波長で定まる方向に発生する。

【００２８】ここで、発明の実施の形態を説明するにあ
たり、格子が形成されている回折格子１１の面を、格子
面１１ａと呼ぶ。なお、回折格子１１が透過型の場合に
は、可干渉光が入射される面と回折光が発生する面とを
ともに格子面１１ａと呼ぶ。また、回折格子１１の格子
が形成された方向（図３中矢印Ｃ１，Ｃ２方向）、すな
わち、格子の透過率や反射率、溝の深さ等の変化の方向
を表す格子ベクトルに対して垂直な方向であって且つ格
子面１１ａに平行な方向を、格子方向と呼ぶ。格子が形
成された方向に垂直な方向であり且つ格子面１１ａに平
行な方向（図３中矢印Ｄ１，Ｄ２方向）、すなわち、回
折格子１１の格子ベクトルに対して平行な方向を、格子
ベクトル方向と呼ぶ。また、格子面１１ａに垂直な方向
（図３中矢印Ｅ１，Ｅ２方向）、すなわち、格子方向に
垂直な方向であり且つ格子ベクトル方向に垂直な方向
を、法線ベクトル方向と呼ぶ。なお、これら回折格子１
１の各方向については、本発明の第１の実施の形態のみ
ならず、他の実施の形態においても同様に呼ぶものとす
る。

【００２９】この回折格子１１は、工作機械等の可動部
分に取り付けられ、この可動部分の移動にともなって、
図２中矢印Ｘ１，Ｘ２方向、すなわち、格子ベクトル方
向に移動する。

【００３０】なお、本発明では、回折格子の種類は限定
されず、機械的に溝等が形成されたもののみならず、例
えば、感光性樹脂に干渉縞を焼き付けて作成したもので
あってもよい。

【００３１】可干渉光源１２は、レーザ光等の可干渉光
を発光する素子である。この可干渉光源１２は、例え
ば、可干渉距離が数百μｍ程度のレーザ光を発光するマ
ルチモードの半導体レーザ等からなるものである。

【００３２】受光素子１３は、受光面１３ａに対して照
射された光を、その光量に応じた電気信号に変換する光
電変換素子であり、例えば、フォトディテクタ等からな
るものである。この受光素子１３は、受光面１３ａに対
して照射される干渉光を受光して、その光量に応じた干
渉信号を生成する。

【００３３】位置検出部１４は、受光素子１３が生成し
た干渉信号に基づき、２つの回折光の位相差を求め、回
折格子１１の相対移動位置を示す位置信号を出力する。

【００３４】照射光学系１５は、可干渉光源１２から出
射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上
に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１２か
ら出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌ
ａ２に分離するハーフミラー２２と、ハーフミラー２２
により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射する反射
器２３と、ハーフミラー２２により分離された他方の可
干渉光Ｌａ２を反射する反射器２４とを有している。

【００３５】第１の結像素子２１は、所定の開口数を有
するレンズ等の光学素子からなるものである。第１の結
像素子２１には、可干渉光源１２から出射された可干渉
光Ｌａが入射される。第１の結像素子２１は、入射され
た可干渉光Ｌａを所定のビーム径で回折格子１１の格子
面１１ａに結像させる。結像されたビーム径は、回折格
子１１が回折光を発生させるのに十分な格子数を含む大
きさが望ましい。また、そのビーム径は、格子面１１ａ
上のゴミや傷の影響を受けないような大きさが望まし
い。例えば、そのビーム径は、第１の結像素子２１の開
口数等を変えることにより調整することができ、例え
ば、数十μｍ以上とするのが望ましい。また、結像点
は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はな
く、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が格子
面１１ａ上に位置するようにしてもよい。

【００３６】ハーフミラー２２には、可干渉光源１２か
ら出射された可干渉光Ｌａが第１の結像素子２１を介し
て入射される。このハーフミラー２２は、入射された可
干渉光Ｌａの一部を透過して可干渉光Ｌａ１を生成し、
入射された可干渉光Ｌａの一部を反射して可干渉光Ｌａ
２を生成する。

【００３７】反射器２３は、ハーフミラー２２を透過し
た可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１
１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２４は、ハ
ーフミラー２２により反射された可干渉光Ｌａ２を反射
して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射
する。反射器２３及び反射器２４は、可干渉光Ｌａ１及
び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１上の同一の位置に照射
する。

【００３８】一方、受光光学系１６は、可干渉光Ｌａ１
により生じる回折光Ｌｂ１を反射する反射器２５と、可
干渉光Ｌａ２により生じる回折光Ｌｂ２を反射する反射
器２６と、反射器２５により反射された回折光Ｌｂ１と
反射器２６により反射された回折光Ｌｂ２とを重ね合わ
せて干渉させるハーフミラー２７と、ハーフミラー２７
により重ね合わされた２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を受
光素子１３の受光面１３ａ上に結像させる第２の結像素
子２８とを有している。

【００３９】反射器２５には、可干渉光Ｌａ１が回折格
子１１に照射されることにより生じる回折光Ｌｂ１が照
射される。反射器２５は、この回折光Ｌｂ１を反射し
て、ハーフミラー２７に照射する。反射器２６は、可干
渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることにより生じ
る回折光Ｌｂ２が照射される。反射器２６は、この回折
光Ｌｂ２を反射して、ハーフミラー２７に照射する。

【００４０】ハーフミラー２７は、反射器２５により反
射された回折光Ｌｂ１を透過し、反射器２６により反射
された回折光Ｌｂ２を反射することにより、この２つの
回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２とを重ね合わせて干渉させる。

【００４１】第２の結像素子２８は、所定の開口数を有
するレンズ等の光学素子からなる。第２の結像素子２８
には、ハーフミラー２７により重ね合わされた２つの回
折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が入射する。第２の結像素子２８
は、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を、所定のビーム
径で受光素子１３の受光面１３ａに結像させる。その結
像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要は
なく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受
光面１３ａ上に位置するようにしてもよい。

【００４２】以上のような構成の光学式変位測定装置１
０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベ
クトル方向に移動することにより、２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置
１０では、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させ
て干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの回折光Ｌ
ｂ１，Ｌｂ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位
置を検出する。

【００４３】ここで、例えば、図４に示すように、回折
格子１１の格子ベクトル方向の一端が法線ベクトル方向
の一方向（例えば、図４中矢印Ｘ３方向）に移動し、他
端が法線ベクトルの他方向（例えば、図４中矢印Ｘ４方
向）に移動して、格子面１１ａが傾いたとする。この場
合、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２の回折角が変化する。
そのため、ハーフミラー２７で重ね合わされた後の２つ
の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光軸が一致しない。

【００４４】ところが、この光学式変位測定装置１０で
は、可干渉光源１２が発光した可干渉光Ｌａを、第１の
結像素子２１が回折格子１１の格子面１１ａに結像して
いるとともに、第２の結像素子２８が２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２を受光素子１３の受光面１３ａに結像してい
る。そのため、光学式変位測定装置１０では、第２の結
像素子２８の開口範囲内を通過する２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２の光路長が等しくなる。従って、２つの回折
光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光軸がずれた場合であっても、受光
面１３ａの結像位置は変化せず、光路長の変化が生じな
い。

【００４５】このことにより、本発明の第１の実施の形
態の光学式変位測定装置１０では、２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２が互いにずれることなく重なり合わされる。
そのため、回折格子１１が、格子ベクトルに平行な方向
以外に移動等した場合、例えば、回折格子１１が傾いた
り、回折格子１１にうねり等があった場合であっても、
受光素子１３が検出する干渉信号が低下しない。従っ
て、この光学式変位測定装置１０では、移動する可動部
分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することが
できる。また、この光学式変位測定装置１０では、工作
機械等の可動部分への取り付け位置の自由度が増し、ま
た、この可動部分に振動やぶれ等があっても安定して位
置検出できる。

【００４６】また、光学式変位測定装置１０では、回折
光Ｌｂ１，Ｌｂ２が受光面１３ａの同一位置に結像され
ているので、ビームのケラレが生じず、高精度に位置検
出ができる。

【００４７】また、この光学式変位測定装置１０では、
第１の結像素子２１又は第２の結像素子２８の開口を大
きくすることにより、回折格子１１と照射光学系１５或
いは受光光学系１６との間隔を大きくすることができ、
また、小型の受光素子１３を用いることができ、また、
設計が簡易となる。

【００４８】また、光学式変位測定装置１０では、可干
渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との光路長を等しくし、ま
た、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２との光路長を等しくす
ることにより、波長の変動に起因する測定誤差が生じな
くなる。そのため、この光学式変位測定装置１０では、
各光路長の調整を行うために、光路長の差を干渉縞の変
調率の変化として検出することが可能な可干渉性を有す
る可干渉光を発光する可干渉光源１２を用いても良い。
例えば、可干渉距離が数百μｍ程度の短いマルチモード
の半導体レーザを可干渉光源１２に用いれば、干渉縞の
変調率が最大となるようにハーフミラー２２，２７の位
置を調整することで、例えば、各光路長の差を数１０μ
ｍ以下に抑えることができる。

【００４９】つぎに、本発明を適用した第２の実施の形
態の光学式変位測定装置について説明する。なお、この
第２の実施の形態の光学式変位測定装置を説明するにあ
たり、上記第１の光学式変位測定装置と同一の構成要素
については、図面中に同一の符号を付けて、その詳細な
説明を省略する。また、第３の実施の形態以降について
も、それまでの実施の形態と同一の構成要素について
は、図面中に同一の符号を付けて、その詳細な説明を省
略する。

【００５０】本発明の第２の実施の形態の光学式変位測
定装置３０は、図５に示すように、工作機械等の可動部
分に取り付けられ直線移動する回折格子１１と、レーザ
光等の可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、干渉
した２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を受光して干渉信号を
生成する受光素子１３と、受光素子１３からの干渉信号
に基づき回折格子１１の移動位置を検出する位置検出部
１４と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを
回折格子１１に照射する照射光学系３１と、回折格子１
１からの２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させて受光
素子１３に照射する受光光学系３２とを備えている。

【００５１】照射光学系３１は、可干渉光源１２から出
射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上
に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１２か
ら出射された可干渉光Ｌａを２本の可干渉光Ｌａ１，Ｌ
ａ２に分離するハーフミラー２２とを有している。

【００５２】この照射光学系３１には、第１の実施の形
態の光学式変位測定装置１０で設けられていた反射器が
設けられていない。従って、可干渉光Ｌａ１と可干渉光
Ｌａ２とが、ハーフミラー２２から直接回折格子１１の
格子面１１ａに対して照射されている。そのため、回折
格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌａ１の入射点
と、回折格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌａ２の
入射点との位置が異なっている。

【００５３】受光光学系３２には、可干渉光Ｌａ１によ
り生じる回折光Ｌｂ１と可干渉光Ｌａ２により生じる回
折光Ｌｂ２とを重ね合わせて干渉させるハーフミラー２
７と、ハーフミラー２７により重ね合わされた２つの回
折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を受光素子１３の受光面１３ａ上に
結像させる第２の結像素子２８とを有している。

【００５４】ハーフミラー２７には、可干渉光Ｌａ１が
回折格子１１に照射されることにより生じる回折光Ｌｂ
１と、可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されること
により生じる回折光Ｌｂ２とが入射される。回折光Ｌｂ
１と回折光Ｌｂ２とは、それぞれ格子面１１ａ上の異な
る位置からハーフミラー２７に入射する。ハーフミラー
２７は、回折光Ｌｂ１を透過し、回折光Ｌｂ２を反射す
ることにより、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２とを重
ね合わせて干渉させる。

【００５５】以上のような構成の光学式変位測定装置３
０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベ
クトル方向に移動することにより、２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置
３０では、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させ
て干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの回折光Ｌ
ｂ１，Ｌｂ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位
置を検出する。

【００５６】ここで、例えば、図６に示すように、回折
格子１１の格子ベクトル方向の一端が法線ベクトル方向
の一方向（図６中矢印Ｘ３方向）に移動し、他端が法線
ベクトルの他方向（図６中矢印Ｘ４方向）に移動して、
格子面１１ａが傾いたとする。この場合、回折光Ｌｂ１
と回折光Ｌｂ２の回折角が変化する。そのため、ハーフ
ミラー２７で重ね合わされた後の２つの回折光Ｌｂ１，
Ｌｂ２の光軸が一致しない。

【００５７】ところが、この光学式変位測定装置３０で
は、可干渉光源１２が発光した可干渉光Ｌａを、第１の
結像素子２１が回折格子１１の格子面１１ａに結像して
いるとともに、第２の結像素子２８が２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２を受光素子１３の受光面１３ａに結像してい
る。そのため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２の回折
格子１１に対する入射位置が近接していれば、第２の結
像素子２８の開口範囲内を通過する２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２の光路長がほぼ等しくなる。従って、２つの
回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光軸がずれた場合であっても、
受光面１３ａの結像位置はほとんど変化せず、光路長の
変化が少ない。

【００５８】また、回折格子１１が図２０で示した矢印
Ａ１，Ａ２方向に傾いた場合には、第２の結像素子２８
の開口範囲内を通過する２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の
光路長は等しく、受光面１３ａの結像位置は変化しな
い。

【００５９】このことにより本発明の第２の実施の形態
の光学式変位測定装置３０では、その構成を簡便にする
ことができるとともに、移動する可動部分の移動位置
を、高分解能かつ高精度に検出することができる。

【００６０】さらに、この光学式変位測定装置３０で
は、回折格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌａ１の
入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点との位置が異なってい
る。このため、光学式変位測定装置３０では、干渉させ
る回折光Ｌｂ以外の例えば０次回折光や反射光等が照射
光学系３１や受光光学系３２に混入しない。従って、測
定ノイズを少なくすることができ、また、移動する可動
部分の移動位置を高分解能かつ高精度に検出することが
できる。

【００６１】つぎに、反射型の回折格子１１を用いて本
発明を適用した第３の実施の形態の光学式変位測定装置
について説明する。

【００６２】図７に、この第３の実施の形態の光学式変
位測定装置の模式的な斜視図を示す。

【００６３】ここで、回折格子１１の格子面１１ａ上の
格子ベクトル方向に平行な１つの仮想的な直線を直線ｎ
とする。また、直線ｎを含み法線ベクトルに平行な仮想
的な面を、基準面ｍ１とする。また、直線ｎを含み基準
面ｍ１とのなす角がγとなっている仮想的な面を、傾斜
面ｍ２とする。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす
角がδとなっている仮想的な面を、傾斜面ｍ３とする。
また、傾斜面ｍ２と傾斜面ｍ３は、回折格子１１の格子
面１１ａに対し、同一面側にあるものとする。

【００６４】図８に、この傾斜面ｍ２上に配置された構
成要素を傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図
を示す。図９に、回折格子１１に入射される可干渉光及
びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベク
トル方向から見た側面図を示す。図１０に、傾斜面ｍ３
上に配置された構成要素をこの傾斜面ｍ３に対して垂直
な方向から見た側面図を示す。

【００６５】本発明の第３の実施の形態の光学式変位測
定装置は、反射型の回折格子１１を備え、工作機械等の
可動部分の位置検出を行う装置である。

【００６６】光学式変位測定装置４０は、図７及び図１
０に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１
２と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２
つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に
照射する照射光学系４１とを備えている。

【００６７】照射光学系４１は、干渉光源１２から出射
された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上に
結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１２から
出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ
２に分離するハーフミラー２２と、ハーフミラー２２に
より分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射する反射器
２３と、ハーフミラー２２により分離された他方の可干
渉光Ｌａ２を反射する反射器２４とを有している。

【００６８】この照射光学系４１は、通過する可干渉光
Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路が傾斜面ｍ２上に形成さ
れるように、各部材が配置されている。そのため、可干
渉光Ｌａ１，Ｌａ２は、図９に示すように、格子ベクト
ル方向から見た入射角がγとなっている。

【００６９】反射器２３は、ハーフミラー２２を透過し
た可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１
１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２４は、ハ
ーフミラー２２により反射された可干渉光Ｌａ２を反射
して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射
する。

【００７０】反射器２３及び反射器２４は、傾斜面ｍ２
上における入射角がαとなるように、可干渉光Ｌａ１及
び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照
射している。なお、反射器２３及び反射器２４は、その
反射面が、互いが向き合うように配置されている。その
ため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベク
トル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。ま
た、反射器２３及び反射器２４は、格子ベクトル方向に
所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２
とを入射している。可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光
Ｌａ２の入射点との間の距離は、ｌとなっている。

【００７１】光学式変位測定装置４０では、このような
可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることにより
この可干渉光Ｌａ１が回折し、この入射点から反射した
回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ
２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光
Ｌａ２が回折し、この入射点から反射した回折光Ｌｂ２
が生じる。回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２の回折角は、格
子ベクトル方向からみた場合、図９に示すように、δと
なっている。すなわち、傾斜面ｍ３に沿って回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２が生じる。また、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ
２の傾斜面ｍ３上における回折角は、βとなっている。
なお、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル
方向における出射方向が互いに逆方向となっている。

【００７２】また、光学式変位測定装置４０は、図７及
び図１０に示すように、干渉した２つの回折光Ｌｂ１，
Ｌｂ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、
回折光Ｌｂ１及び回折光Ｌｂ２を干渉させて受光素子１
３に照射する受光光学系４２とを備えている。

【００７３】受光光学系４２は、可干渉光Ｌａ１により
生じる回折光Ｌｂ１を反射する反射器２５と、可干渉光
Ｌａ２により生じる回折光Ｌｂ２を反射する反射器２６
と、反射器２５により反射された回折光Ｌｂ１と反射器
２６により反射された回折光Ｌｂ２とを重ね合わせて干
渉させるハーフミラー２７と、ハーフミラー２７により
重ね合わされた２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を受光素子
１３の受光面１３ａ上に結像させる第２の結像素子２８
とを有している。

【００７４】受光光学系４２は、上述したように２つの
回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折
角がδとなっているため、通過する回折光Ｌｂ１，Ｌｂ
２の光路が傾斜面ｍ３上に形成されるように、各部材が
配置されている。また、受光光学系４２の反射器２５と
反射器２６とは、傾斜面ｍ３上における回折角βで回折
された回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射可能な位置に配置さ
れている。

【００７５】また、光学式変位測定装置４０は、受光素
子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置
を検出する図示しない位置検出部を備えている。

【００７６】このような構成の光学式変位測定装置４０
では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベク
トル方向に移動することにより、２つの回折光Ｌｂ１，
Ｌｂ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置４０
では、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させて干
渉信号を検出し、この干渉信号から２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置
を検出する。

【００７７】以上のように光学式変位測定装置４０で
は、基準面ｍ１に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面
ｍ２上に照射光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に受光
光学系４２を配置することにより、可干渉光と回折光と
が形成する光路を分離することができ、装置の設計の自
由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反
射光を、照射光学系４１や受光光学系４２に混入させる
ことなく、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させることがで
き、高精度に位置測定をすることができる。

【００７８】なお、０次回折光や反射光を照射光学系４
１や受光光学系４２に混入させないための条件は、以下
の通りである。

【００７９】入射角αと回折角βとが等しい場合には、
０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点
間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２
とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、
回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射し
ても良いが、例えば、図１１に示すように、格子方向に
所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２
とを入射してもよい。この場合、回折格子１１の格子ベ
クトル方向（図１１中矢印Ｘ３方向）の一端が法線ベク
トル方向の一方向に移動し、他端が法線ベクトルの他方
向（図１１中矢印Ｘ４方向）に移動して、格子面１１ａ
が傾いたとしても、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の受光
素子１３の受光面１３ａ上の結像位置はずれない。

【００８０】また、入射角αと回折角βとが異なる場合
には、可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射
点とを同一の位置としてもよい。

【００８１】可干渉光の入射角α，γ、回折光の回折角
β，δの関係は、以下の式（１）、式（２）に示すよう
になる。

【００８２】 Ｓｉｎα＋Ｓｉｎβ＝ｍλ/ｄ ・・・（１） ｄ：回折格子のピッチ λ：光の波長 ｍ：回折次数 Ｓｉｎγ/Ｓｉｎδ ＝Ｃｏｓβ/Ｃｏｓα ・・・（２） 従って、α＝βの場合にはγ＝δとなり、α≠βの場合
にはγ≠δとなる。

【００８３】つぎに、透過型の回折格子１１を用いて本
発明を適用した第４の実施の形態の光学式変位測定装置
について説明する。

【００８４】図１２に、この第４の実施の形態の光学式
変位測定装置の模式的な斜視図を示す。

【００８５】ここで、直線ｎ、基準面ｍ１、傾斜面ｍ２
の関係は、上記第３の実施の形態と同様である。また、
直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がδとなっており、
傾斜面ｍ２に対して格子面１１ａを挟んで反対側にある
仮想的な面を傾斜面ｍ３′とする。

【００８６】図１３に、傾斜面ｍ２上に配置された構成
要素を、傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方
向から見た側面図を示す。図１４に、回折格子１１に入
射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折され
る回折光を格子ベクトル方向から見た側面図を示す。

【００８７】本発明の第４の実施の形態の光学式変位測
定装置は、透過型の回折格子１１を備え、工作機械等の
可動部分の位置検出を行う装置である。

【００８８】光学式変位測定装置５０は、図１２及び図
１３に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源
１２と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを
２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１
に照射する照射光学系４１とを備えている。

【００８９】この照射光学系４１は、通過する可干渉光
Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路が傾斜面ｍ２上に形成さ
れるように、各部材が配置されている。そのため、可干
渉光Ｌａ１，Ｌａ２は、図１４に示すように、格子ベク
トル方向から見た入射角がγとなっている。

【００９０】反射器２３は、ハーフミラー２２を透過し
た可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１
１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２４は、ハ
ーフミラー２２により反射された可干渉光Ｌａ２を反射
して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射
する。反射器２３及び反射器２４は、傾斜面ｍ２上にお
ける入射角がαとなるように、可干渉光Ｌａ１及び可干
渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射して
いる。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベク
トル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。可
干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点との間
は、格子ベクトル方向に所定量離れており、その距離は
ｌとなっている。

【００９１】光学式変位測定装置５０では、このような
可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることにより
この可干渉光Ｌａ１が回折し、この入射点を透過した回
折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２
が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌ
ａ２が回折し、この入射点を透過した回折光Ｌｂ２が生
じる。回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベ
クトル方向からみた場合、図１４に示すように、δとな
っている。すなわち、傾斜面ｍ３′に沿って回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２が生じる。また、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ
２の傾斜面ｍ３′上における回折角は、βとなってい
る。なお、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２とは、格子ベク
トル方向における出射方向が互いに逆方向となってい
る。

【００９２】また、光学式変位測定装置５０は、図１２
及び図１３に示すように、干渉した２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３
と、回折光Ｌｂ１及び回折光Ｌｂ２を干渉させて受光素
子１３に照射する受光光学系４２とを備えている。

【００９３】受光光学系４２は、上述したように２つの
回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折
角がδとなっているため、通過する回折光Ｌｂ１，Ｌｂ
２の光路が傾斜面ｍ３′上に形成されるように、各部材
が配置されている。また、受光光学系４２の反射器２５
と反射器２６とは、傾斜面ｍ３′上における回折角βで
回折された回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射可能な位置に配
置されている。

【００９４】また、光学式変位測定装置５０は、受光素
子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置
を検出する図示しない位置検出部を備えている。

【００９５】このような構成の光学式変位測定装置５０
では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベク
トル方向に移動することにより、２つの回折光Ｌｂ１，
Ｌｂ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置５０
では、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させて干
渉信号を検出し、この干渉信号から２つの回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置
を検出する。

【００９６】以上のように光学式変位測定装置５０で
は、基準面ｍ１に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面
ｍ２上に照射光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３′上に受
光光学系４２を配置することにより、可干渉光と回折光
とが形成する光路を分離することができ、装置の設計の
自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や
反射光を、照射光学系４１や受光光学系４２に混入させ
ることなく、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させることが
でき、高精度に位置測定をすることができる。

【００９７】なお、０次回折光や反射光を照射光学系４
１や受光光学系４２に混入させないための入射角α，γ
及び回折角β，δの関係は、上記第３の実施の形態と同
様である。

【００９８】つぎに、本発明を適用した第５の実施の形
態の光学式変位測定装置について、図１５を用いて説明
する。なお、この第５の実施の形態は、上記第３の実施
の形態及び第４の実施の形態の構成要素を一部変形した
ものであり、以下、上記第３の実施の形態及び第４の実
施の形態の構成要素のうち変形していない構成要素につ
いてはその詳細な説明を省略する。

【００９９】第５の実施の形態の光学式変位測定装置６
０は、照射光学系４１のハーフミラー２２として、偏光
ビームスプリッタを用いている。以下、この第５の実施
の形態の説明において、ハーフミラー２２を偏光ビーム
スプリッタ２２として言い換えて説明する。

【０１００】また、この光学式変位測定装置６０は、受
光光学系４２のハーフミラー２７及び第２の結像素子２
８に変えて、図１５に示すように、第１の偏光ビームス
プリッタ６１と、１／４波長板６２と、第３の結像素子
６３と、無偏光ビームスプリッタ６４と、第２の偏光ビ
ームスプリッタ６５と、第３の偏光ビームスプリッタ６
６とを用いている。

【０１０１】また、この光学式変位測定装置６０は、受
光素子１３に変えて、第１の受光素子６７ａ，６７ｂ
と、第２の受光素子６８ａ，６８ｂを用いている。

【０１０２】可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌ
ａは、照射光学系４１の偏光ビームスプリッタ２２に対
して、偏光方向が４５度傾けて入射される。この照射光
学系４１の偏光ビームスプリッタ２２は、入射された可
干渉光Ｌａを、偏光方向が直交する２つの可干渉光Ｌａ
１，Ｌａ２に分割する。照射光学系４１の偏光ビームス
プリッタ２２を透過した可干渉光Ｌａ１はＰ偏光の光と
なり、反射した可干渉光Ｌａ２はＳ偏光の光となる。

【０１０３】受光光学系４２の第１の偏光ビームスプリ
ッタ６１には、回折格子１１で回折された回折光Ｌｂ１
と、回折格子１１で回折された回折光Ｌｂ２とが入射さ
れる。回折光Ｌｂ１はＰ偏光の光となり、回折光Ｌｂ２
はＳ偏光の光となっている。この偏光ビームスプリッタ
６１は、回折光Ｌｂ１を透過し、回折光Ｌｂ２を反射す
ることによって、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を重ね合
わせ、干渉させる。

【０１０４】干渉した２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、
１／４波長板６２を通過する。１／４波長板６２は、各
回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の偏光方向に対して、光学軸が４
５度傾いた位置に配置されている。そのため、各回折光
Ｌｂ１，Ｌｂ２は、この１／４波長板６２を通過するこ
とにより、互いに逆回りの円偏光の光となる。

【０１０５】互いに逆回りの円偏光の光とされた回折光
Ｌｂ１，Ｌｂ２は、第３の結像素子６３を通過する。

【０１０６】第３の結像素子６３は、所定の開口数を有
するレンズ等の光学素子からなるものである。第３の結
像素子６３は、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を、所定のビーム
径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受光素子
６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。その結像点は、
必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビ
ームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面上に
位置するようにしてもよい。

【０１０７】この第３の結像素子６３を通過した２つの
回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、無偏光ビームスプリッタ６４
で２つのビームに分割される。

【０１０８】分割された一方のビームは、第２の偏光ビ
ームスプリッタ６５によりさらに偏光方向が直交する２
つのビームに分割され、それぞれ、第１の受光素子６７
ａ，６７ｂに照射される。また、分割された他方のビー
ムは、第２の偏光ビームスプリッタ６５に対して４５度
傾いた第３の偏光ビームスプリッタ６６によりさらに偏
光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、
第２の受光素子６８ａ，６８ｂに照射される。

【０１０９】ここで、互いに逆方向に回転する円偏光の
光を重ね合わせた光は、２つの光の位相差にしたがって
回転する直線偏光の光とみなすことができる。そのた
め、１／４波長板６２を通過した回折光は、回折格子１
１の移動にともない回転する直線偏光の光となる。ま
た、この直線偏光の光を偏光板等の偏光素子で互いにω
度異なる偏光方向の成分を取り出した場合、その取り出
した光の強度を検出した信号は、互いに２ω度位相が異
なる信号となる。そのため、第１の受光素子６７ａ，６
７ｂは、第２の偏光ビームスプリッタ６５により取り出
された互いに９０度異なる偏光方向の光を検出するの
で、検出した信号の位相が互いに１８０度異なってい
る。従って、第１の受光素子６７ａ，６７ｂにより検出
した信号の差を取ることにより、直流成分を除去した信
号を検出することができる。また、これは、第２の受光
素子６８ａ，６８ｂに関しても同様である。

【０１１０】また、第３の偏光ビームスプリッタ６６に
より取り出される光は、第２の偏光ビームスプリッタ６
５により取り出される光に対して、角度が４５度異なっ
ている。そのため、第２の受光素子６８ａ，６８ｂから
得られる信号は、第１の受光素子６７ａ，６７ｂから得
られる信号に対して、９０度位相が異なっている。すな
わち、第１の受光素子６７ａと第１の受光素子６７ｂと
の検出信号の差動信号と、第２の受光素子６８ａと第２
の受光素子６８ｂとの検出信号の差動信号とが、互いに
９０度位相が異なっている。従って、この光学式変位測
定装置６０では、互いに９０度位相が異なる回折格子１
１の移動位置を示す位置信号に基づき、回折格子１１の
移動方向を特定することができる。

【０１１１】以上のように、この第５の実施の形態の光
学式変位測定装置６０では、回折格子１１の透過率、反
射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干
渉信号から除去することができる。また、この光学式変
位測定装置６０では、回折格子１１の移動方向を特定す
ることができる。

【０１１２】つぎに、本発明を適用した第６の実施の形
態の光学式変位測定装置について、図１６を用いて説明
する。なお、この第６の実施の形態は、上記第５の実施
の形態の構成要素を一部変形したものであり、以下、上
記第５の実施の形態の構成要素のうち変形をしていない
構成要素についてはその詳細な説明を省略する。

【０１１３】第６の実施の形態の光学式変位測定装置７
０は、照射光学系４１のハーフミラー２２に、無偏光ビ
ームスプリッタを用いている。以下、この第６の実施の
形態の説明において、ハーフミラー２２を無偏光ビーム
スプリッタ２２として言い換えて説明する。

【０１１４】また、この光学式変位測定装置７０は、図
１６に示すように、第１の偏光ビームスプリッタ６１に
入射される一方の回折光を偏光方向を９０度回転させる
１／２波長板７１を備えている。

【０１１５】可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌ
ａは、照射光学系４１の無偏光ビームスプリッタ２２に
対してＳ偏光入射される。この照射光学系４１の無偏光
ビームスプリッタ２２は、入射された可干渉光Ｌａを、
偏光方向が同一の２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割
する。

【０１１６】回折格子１１で回折された回折光Ｌｂ１と
回折光Ｌｂ２は、回折された時点では、その偏光方向が
同一となっている。一方の回折光Ｌｂ１は、偏光方向を
９０度回転させる１／２波長板７１を通過して、第１の
偏光ビームスプリッタ６１に入射する。他方の回折光Ｌ
ｂ２は、そのままの偏光方向で受光光学系４２の第１の
偏光ビームスプリッタ６１に入射する。

【０１１７】このため、受光光学系４２の第１の偏光ビ
ームスプリッタ６１には、偏光方向が９０度異なった２
つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が入射されることとなる。回
折光Ｌｂ１はＰ偏光となり、回折光Ｌｂ２はＳ偏光とな
っている。この偏光ビームスプリッタ６１は、回折光Ｌ
ｂ１を透過し、回折光Ｌｂ２を反射することによって、
２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を重ね合わせ、干渉させ
る。なお、無偏光ビームスプリッタ２２にＰ偏光の可干
渉光Ｌａを入射した場合には、１／２波長板７１を回折
光Ｌｂ２側に設ければよい。

【０１１８】干渉した２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、
１／４波長板６２を通過する。１／４波長板６２は、各
回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の偏光方向に対して、光学軸が４
５度傾けられている。そのため、各回折光Ｌｂ１，Ｌｂ
２は、この１／４波長板６２を通過することにより、互
いに逆回りの円偏光の光となる。

【０１１９】互いに逆回りの円偏光の光とされた回折光
Ｌｂ１，Ｌｂ２は、第３の結像素子６３を通過する。第
３の結像素子６３は、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を、所定の
ビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受
光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。

【０１２０】この第３の結像素子６３を通過した２つの
回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、無偏光ビームスプリッタ６４
で２つのビームに分割される。

【０１２１】一方のビームは、第２の偏光ビームスプリ
ッタ６５によりさらに偏光方向が直交する２つに分割さ
れ、それぞれ、第１の受光素子６７ａ，６７ｂに照射さ
れる。また、他方のビームは、第２の偏光ビームスプリ
ッタ６５に対して４５度傾いた第３の偏光ビームスプリ
ッタ６６によりさらに偏光方向が直交する２つに分割さ
れ、それぞれ、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに照射さ
れる。

【０１２２】以上のように、この第６の実施の形態の光
学式変位測定装置７０では、回折格子１１の透過率、反
射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干
渉信号から除去することができる。また、この光学式変
位測定装置７０では、回折格子１１の移動方向を特定す
ることができる。

【０１２３】つぎに、本発明を適用した第７の実施の形
態の光学式変位測定装置について、図１７を用いて説明
する。なお、この第７の実施の形態は、上記第６の実施
の形態の構成要素を一部変形したものであり、以下、上
記第６の実施の形態の構成要素のうち変形をしていない
構成要素についてはその詳細な説明を省略する。

【０１２４】第７の実施の形態の光学式変位測定装置８
０は、照射光学系４１のハーフミラー２２に、無偏光ビ
ームスプリッタを用いている。以下、この第７の実施の
形態の説明において、ハーフミラー２２を偏光ビームス
プリッタ２２として言い換えて説明する。

【０１２５】また、この光学式変位測定装置８０は、図
１７に示すように、受光光学系４２の１／２波長板７
１、偏光ビームスプリッタ６１、１／４波長板６２、第
３の結像素子６３に変えて、第１の１／４波長板８１
と、第２の１／４波長板８２と、第４の結像素子８３
と、第５の結像素子８４とを用いている。

【０１２６】可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌ
ａは、照射光学系４１の無偏光ビームスプリッタ２２に
対して入射される。この照射光学系４１の無偏光ビーム
スプリッタ２２は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方
向が同一の可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。

【０１２７】回折格子１１で回折された回折光Ｌｂ１と
回折光Ｌｂ２は、回折された時点では、その偏光方向が
同一となっている。一方の回折光Ｌｂ１は、そのままの
偏光方向で受光光学系４２の第１の１／４波長板８１を
通過する。ここで、この第１の１／４波長板８１は、入
射される回折光Ｌｂ１の偏光方向に対して光学軸が４５
度傾けて配置されている。従って、この一方の回折光Ｌ
ｂ１は、所定の回転方向の円偏光の光となる。

【０１２８】円偏光の光とされた回折光Ｌｂ１は、第４
の結像素子８３を通過する。第４の結像素子８３は、所
定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるもので
ある。第４の結像素子８３は、回折光Ｌｂ１を、所定の
ビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受
光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。その結像
点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はな
く、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光
面上に位置するようにしてもよい。

【０１２９】また、他方の回折光Ｌｂ２は、そのままの
偏光方向で受光光学系４２の第２の１／４波長板８２を
通過する。ここで、この第２の１／４波長板８２は、入
射される回折光Ｌｂ２の偏光方向に対して光学軸が４５
度傾けて配置されている。また、この第２の１／４波長
板８２は、通過する他方の回折光Ｌｂ２が一方の回折光
Ｌｂ１に対して逆回りの円偏光となるように、光学軸が
傾けて配置されている。

【０１３０】円偏光の光とされた回折光Ｌｂ２は、第５
の結像素子８４を通過する。第５の結像素子８４は、所
定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるもので
ある。第５の結像素子８４は、回折光Ｌｂ２を、所定の
ビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受
光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。その結像
点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はな
く、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光
面上に位置するようにしてもよい。

【０１３１】互いに逆回りの円偏光の光とされた回折光
Ｌｂ１，Ｌｂ２は、第４の結像素子８３及び第５の結像
素子８４を通過して、無偏光ビームスプリッタ６４に入
射する。

【０１３２】無偏光ビームスプリッタ６４は、入射され
た２つの回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２とを重ね合わせて
干渉させるとともに、２つのビームに分割する。

【０１３３】分割された一方のビームは、第２の偏光ビ
ームスプリッタ６５によりさらに偏光方向が直交する２
つのビームに分割され、それぞれ、第１の受光素子６７
ａ，６７ｂに照射される。また、分割された他方のビー
ムは、第２の偏光ビームスプリッタ６５に対して４５度
傾いた第３の偏光ビームスプリッタ６６によりさらに偏
光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、
第２の受光素子６８ａ，６８ｂに照射される。

【０１３４】以上のように、この第７の実施の形態の光
学式変位測定装置８０では、回折格子１１の透過率、反
射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干
渉信号から除去することができる。また、この光学式変
位測定装置８０では、回折格子１１の移動方向を特定す
ることができる。

【０１３５】以上本発明を適用した第１〜第７の実施の
形態の光学式変位測定装置を説明した。各実施の形態の
光学式変位測定装置では、格子が所定の間隔で平行に設
けられた回折格子１１を用いているが、本発明では、こ
のような格子が平行に設けられた回折格子を用いなくて
も良い。例えば、図１８に示すように、放射状に格子が
設けられた回折格子を用いてもよい。このような放射状
に格子が設けられた回折格子を用いることにより、回転
移動をする工作機械の可動部分等の位置検出を行うこと
ができる。また、本発明では、明暗を記録した振幅型の
回折格子、屈折率変化や形状変化を記録した位相型の回
折格子を用いても良く、その回折格子のタイプは限られ
ない。

【０１３６】また、各実施の形態の光学式変位測定装置
では、回折格子１１を工作機械等の可動部分に取り付け
て、この回折格子１１が可動部分の移動に応じて移動す
る場合について説明したが、本発明では、照射光学系及
び干渉光学系と、回折格子１１とが相対的に移動すれば
良い。例えば、本発明では、回折格子が固定されてい
て、照射光学系及び干渉光学系が工作機械等の可動部分
の移動に応じて移動しても良い。

【０１３７】また、各実施の形態の光学式変位測定装置
に用いられているハーフミラーやビームスプリッタ及び
結像素子等は、薄膜を用いた素子やレンズ等のみに限ら
れず、例えば、回折光学素子を用いても良い。

【０１３８】なお、各実施の形態の光学式変位測定装置
において、第１の結像素子２１は、回折格子１１の格子
面１１ａに対して可干渉光Ｌａを結像できる位置に配置
されていればよいため、その配置の位置や個数を限定す
るものではない。例えば、ハーフミラー（偏光ビームス
プリッタ或いは偏光ビームスプリッタ）２２により分割
された後の可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を結像するように、
結像素子を配置しても良い。

【０１３９】また、各実施の形態の光学式変位測定装置
において、第２の結像素子２８、第３の結像素子６３、
第４の結像素子８３、第５の結像素子８４は、受光素子
１３又は受光素子６７，６８の受光面に対して回折光Ｌ
ｂ１，Ｌｂ２を結像できる位置に配置されていればよい
ため、その配置の位置や個数を限定するものではない。
例えば、ハーフミラー２７や偏光ビームスプリッタ６１
により重ね合わせる前の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を結像す
るように結像素子を配置しても良し、無偏光ビームスプ
リッタ６４により分割された後の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２
を結像するように結像素子を配置しても良い。

【０１４０】

【発明の効果】本発明に係る光学式変位測定装置では、
受光手段の受光面に回折光が結像されているため、第２
の結像手段を通過する回折光の光路長が等しくなる。従
って、回折光の光軸がずれた場合であっても受光手段の
受光面の結像位置は変化せず、光路長に変化が生じな
い。

【０１４１】このことにより、本発明に係る光学式変位
測定装置では、２つの回折光が互いにずれることなく重
なり合わされ、干渉する。そのため、回折格子が、格子
ベクトルに平行な方向以外に移動等した場合、例えば、
回折格子が傾いたり、回折格子にうねり等があった場合
であっても、検出する干渉信号が低下しない。従って、
この光学式変位測定装置では、移動する可動部分の移動
位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。

【０１４２】また、この光学式変位測定装置では、測定
対象となる工作機械等の可動部分への取り付け位置の自
由度が増し、また、この可動部分に振動やぶれ等があっ
ても安定して測定ができる。また、この光学式変位測定
装置では、第１の結像手段又は第２の結像手段の開口数
を大きくすることにより、回折格子と照射光学系或いは
干渉光学系との間隔を大きくすることができ、小型の受
光手段を用いることができ、また、設計が簡易となり、
その自由度が増す。

【０１４３】また、この光学式変位測定装置では、干渉
させる回折光以外の回折光が、照射光学系や干渉光学系
に混入しないのでノイズを少なくすることができ、移動
する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出
することができる。

【０１４４】また、この光学式変位測定装置では、偏光
ビームスプリッタを用いることにより、回折格子の透過
率、反射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出
する干渉信号から除去することができ、移動する可動部
分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学式変位測定装置を説明する為の図
である。

【図２】本発明を適用した第１の実施の形態の光学式変
位測定装置を説明する為の図である。

【図３】本発明の第１〜第７の実施の形態の光学式変位
測定装置に用いられる回折格子の斜視図である。

【図４】上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測
定装置の回折格子が傾いた場合について説明する為の図
である。

【図５】本発明を適用した第２の実施の形態の光学式変
位測定装置を説明する為の図である。

【図６】上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測
定装置の回折格子が傾いた場合について説明する為の図
である。

【図７】本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装
置の斜視図である。

【図８】上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測
定装置の傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を、この傾
斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図を示す。

【図９】上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測
定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格
子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た
側面図を示す。

【図１０】上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位
測定装置の傾斜面ｍ３上に配置された構成要素を、この
傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図を示す。

【図１１】上記回折格子に入射される可干渉光の入射点
を説明する為の図である。

【図１２】本発明の第４の実施の形態の光学式変位測定
装置の斜視図である。

【図１３】上記本発明の第４の実施の形態の光学式変位
測定装置の傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′上に配置された
構成要素を、この傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して
垂直な方向から見た側面図を示す。

【図１４】上記本発明の第４の実施の形態の光学式変位
測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折
格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見
た側面図を示す。

【図１５】本発明の第５の実施の形態の受光光学系の要
部斜視図である。

【図１６】本発明の第６の実施の形態の受光光学系の要
部斜視図である。

【図１７】本発明の第７の実施の形態の受光光学系の要
部斜視図である。

【図１８】本発明の第１〜第７の実施の形態の光学式変
位測定装置に用いられる他の回折格子を説明する為の図
である。

【図１９】従来の光学式変位測定装置の斜視図である。

【図２０】従来の光学式変位測定装置の側面図である。

【図２１】従来の他の光学式変位測定装置の斜視図であ
る。

【図２２】従来の他の光学式変位測定装置の側面図であ
る。

【図２３】上記従来の光学式変位測定装置を変形例を説
明する為の図である。

【図２４】従来の更に他の光学式変位測定装置を説明す
る為の図である。

【図２５】上記従来の更に他の光学式変位測定装置の受
光素子に照射される回折光を説明する為の図である。

【符号の説明】 １，１１ 回折格子、２ 発光手段、３ 受光手段、４
第１の結像手段、５第２の結像手段、１０，３０，４
０，５０，６０，７０，８０ 光学式変位測定装置、１
２ 可干渉光源、１３，６７，６８ 受光素子、２１，
２８，６３，８３，８４ 結像素子、１４ 位置検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F003 AA03 AA13 AA16 AA20 AA21 AB02 AD02 AD03 2F065 AA07 AA09 DD03 DD04 DD11 EE06 FF01 FF48 FF49 FF55 GG06 HH04 HH08 HH14 JJ18 LL04 LL12 LL30 LL35 LL36 LL37 LL42 QQ13 QQ25 QQ28

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可干渉光が照射され、この可干渉光に対
   して格子ベクトルに平行な方向に相対移動し、この可干
   渉光を回折する回折格子と、 可干渉光を発光する発光手段と、 上記発光手段により発光された可干渉光を２つの可干渉
   光に分割して、上記回折格子に対して各可干渉光を照射
   する照射光学系と、 上記各可干渉光が上記回折格子により回折されて得られ
   る２つの回折光を干渉させる干渉光学系と、 干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を検出する受
   光手段と、 上記受光手段が検出した干渉信号から上記２つの回折光
   の位相差を求めて、上記回折格子の相対移動位置を検出
   する位置検出手段とを備え、 上記照射光学系は、上記回折格子に対して照射される２
   つの可干渉光を、この回折格子の格子面に結像させる第
   １の結像手段を有し、 上記干渉光学系は、上記受光手段が受光する干渉された
   ２つの回折光を、この受光手段の受光面に結像させる第
   ２の結像手段を有することを特徴とする光学式変位測定
   装置。
2. 【請求項２】 上記照射光学系は、格子面に垂直な方向
   以外の方向から、上記回折格子に対して各可干渉光を照
   射することを特徴とする請求項１に記載の光学式変位測
   定装置。
3. 【請求項３】 上記第１の結像手段は、上記回折格子に
   照射される２つの可干渉光を、上記回折格子の格子面に
   対して、格子ベクトルに垂直な方向に所定量離した位置
   に結像させることを特徴とする請求項１に記載の光学式
   変位測定装置。
4. 【請求項４】 上記第１の結像手段は、上記回折格子に
   照射される２つの可干渉光を、上記回折格子の格子面に
   対して、同一位置に結像させることを特徴とする請求項
   １に記載の光学式変位測定装置。
5. 【請求項５】 上記回折格子は、可干渉光の入射角と、
   回折光の回折角とが異なることを特徴とする請求項４に
   記載の光学式変位測定装置。
6. 【請求項６】 上記照射光学系は、上記発光手段により
   発光された可干渉光を、偏光方向が直交する２つの可干
   渉光に分離する偏光ビームスプリッタを有することを特
   徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。
7. 【請求項７】 上記干渉光学系は、 偏光方向が直交する２つの回折光を重ね合わせる第１の
   偏光ビームスプリッタと、この第１の偏光ビームスプリ
   ッタが重ね合わせた２つの回折光を互いに逆方向の円偏
   光とする波長板と、円偏光とされた２つの回折光を偏光
   方向が直交する２つの干渉光に分離する第２の偏光ビー
   ムスプリッタと、円偏光とされた２つの回折光を偏光方
   向が直交する２つの干渉光に分離する第３の偏光ビーム
   スプリッタとを有し、第２と第３の偏光ビームスプリッ
   タが透過する干渉光の偏光方向が４５度異なるように設
   けられており、 上記位置検出手段は、 上記第２の偏光ビームスプリッタにより分離された偏光
   方向が異なる２つの干渉光の差動出力と、上記第３の偏
   光ビームスプリッタにより分離された偏光方向が異なる
   ２つの干渉光の差動出力とを求め、上記回折格子の相対
   移動位置を検出することを特徴とする請求項６に記載の
   光学式変位測定装置。
8. 【請求項８】 上記照射光学系は、上記発光手段が発光
   する可干渉光を、偏光方向が同一の２つの可干渉光に分
   離する無偏光ビームスプリッタを有することを特徴とす
   る請求項１に記載の光学式変位測定装置。
9. 【請求項９】 上記干渉光学系は、 偏光方向が同一の２つの回折光を偏光方向が直交する２
   つの回折光とする第１の波長板と、偏光方向が直交する
   ２つの回折光を重ね合わせる第１の偏光ビームスプリッ
   タと、この第１の偏光ビームスプリッタが重ね合わせた
   ２つの回折光を互いに逆方向の円偏光とする第２の波長
   板と、円偏光とされた２つの回折光を偏光方向が直交す
   る２つの干渉光に分離する第２の偏光ビームスプリッタ
   と、円偏光とされた２つの回折光を偏光方向が直交する
   ２つの干渉光に分離する第３のビームスプリッタとを有
   し、第２と第３の偏光ビームスプリッタが透過する干渉
   光の偏光方向が４５度異なるように設けられており、 上記位置検出手段は、 上記第２の偏光ビームスプリッタにより分離された偏光
   方向が異なる２つの干渉光の差動出力と、上記第３の偏
   光ビームスプリッタにより分離された偏光方向が異なる
   ２つの干渉光の差動出力とを求め、上記回折格子の相対
   移動位置を検出することを特徴とする請求項８に記載の
   光学式変位測定装置。
10. 【請求項１０】 上記干渉光学系は、 偏光方向が同一の２つの回折光を互いに逆方向の円偏光
    とする波長板と、円偏光とされた２つの回折光を偏光方
    向が直交する２つの干渉光に分離する第２の偏光ビーム
    スプリッタと、円偏光とされた２つの回折光を偏光方向
    が直交する２つの干渉光に分離する第３のビームスプリ
    ッタとを有し、第２と第３の偏光ビームスプリッタが透
    過する干渉光の偏光方向が４５度異なるように設けられ
    ており、 上記位置検出手段は、 上記第２の偏光ビームスプリッタにより分離された偏光
    方向が異なる２つの干渉光の差動出力と、上記第３の偏
    光ビームスプリッタにより分離された偏光方向が異なる
    ２つの干渉光の差動出力とを求め、上記回折格子の相対
    移動位置を検出することを特徴とする請求項８に記載の
    光学式変位測定装置。
11. 【請求項１１】 上記回折格子は、反射型であることを
    特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。
12. 【請求項１２】 上記回折格子は、放射状に格子が形成
    されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式変
    位測定装置。
13. 【請求項１３】 上記発光手段は、光路長の差を干渉縞
    の変調率の変化として検出することが可能な可干渉性を
    有する可干渉光を発光することを特徴とする請求項１に
    記載の光学式変位測定装置。