JP2000081308A - 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、第１の結像手段４により可
干渉光Ｌａが回折格子１の格子面に結像されているとと
もに、第２の結像手段５により平行光とされ第１の干渉
光Ｌｂ１，Ｌｂ２が反射光学系３に垂直に照射されてい
る。本発明では、第１の回折光Ｌｂ１の光軸がずれた場
合であっても、反射された第１の回折光Ｌｂ１は必ず入
射したときと同じ光路を逆行し回折格子１の格子面上の
結像位置は変化せず、第１の回折光Ｌｂ１が回折するこ
とにより生じる第２の回折光Ｌｂ２の光軸がずれない。
本発明では、この光軸のずれない第２の回折光Ｌｂ２を
干渉させて、その位相差を検出し、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２５及
び図２６に示す。図２５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２６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
で回折された回折光を反射する２つのミラー１０４ａ，
１０４ｂ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
射される。回折格子１０１に照射された２本のビーム
は、この回折格子１０１でそれぞれ回折され回折光とな
る。この回折格子１０１で回折された１次回折光は、そ
れぞれミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射される。ミ
ラー１０４ａ，１０４ｂにより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で再
度回折され、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２７
及び図２８に示す。図２７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２８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で回折された回折光を反射
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でそれぞれ回折され、回
折光となる。この回折格子１１１で回折された１次回折
光は、それぞれ第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより
反射される。第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより反
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で再度回折され、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２５〜図２８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２９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３０に示
す。

【００１８】この図３０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３１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】また、本発明は、回折格子により反射され
た反射光が発光手段に戻らず、高い分解能で安定した位
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。

【００２３】

【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つの第１の回折光をそれぞれ反射して、上記回
折格子に対して各第１の回折光を照射する反射光学系
と、上記各第１の回折光が上記回折格子により回折され
て得られる２つの第２の回折光を干渉させる干渉光学系
と、干渉した２つの第２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つの第２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、上記反射光学系は、上記回折
格子に対して照射される２つの第１の回折光を、それぞ
れ対応する可干渉光の結像位置と同一位置に結像させる
第２の結像手段を有することを特徴とする。

【００２４】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の格子面上に結像する。
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、回折格子１を反射或いは透過
した第１の回折光Ｌｂ１が生じる。第２の結像手段５
は、この第１の回折光Ｌｂ１を平行光とし、反射光学系
３に垂直に照射する。反射光学系３は、第１の回折光Ｌ
ｂ１を、垂直に反射して入射された経路と同一経路を逆
行させる。第２の結像手段５は、反射された第１の回折
光Ｌｂ１を、回折格子１の格子面に結像する。このと
き、反射された第１の回折光Ｌｂ１は、上記第１の結像
手段４が可干渉光Ｌaを結像した位置に結像される。こ
の反射された第１の回折光Ｌｂ１が回折格子１によって
回折し、回折格子１を反射或いは透過した第２の回折光
Ｌｂ２が生じる。

【００２５】この光学式変位測定装置では、第１の結像
手段４により可干渉光Ｌａが回折格子１の格子面に結像
されているとともに、第２の結像手段５により平行光と
され第１の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が反射光学系３の反射
器に対して常に垂直に照射されている。従って、例え
ば、図１中Ｌｂ１′に示すように、第１の回折光Ｌｂ１
の光軸がずれた場合であっても、反射された第１の回折
光Ｌｂ１は常に入射したときと全く同じ光路を逆行し回
折格子１の格子面上の結像位置は変化せず、この第１の
回折光Ｌｂ１が回折することにより生じる第２の回折光
Ｌｂ２の光軸がずれない。また、光路長の変化も生じな
い。

【００２６】また、本発明に係る光学式変位測定装置
は、上記照射光学系が、上記２つの可干渉光の光路を上
記回折格子の格子面に垂直な方向に対して傾いた平面上
に形成し、この２つの可干渉光を上記回折格子の格子面
上の同一点に照射することを特徴とする。

【００２７】この光学式変位測定装置では、２つの可干
渉光の光路を回折格子の格子面に垂直な方向に対して傾
いた方向に形成して、この２つの可干渉光を上記回折格
子の格子面上の同一点に照射する。そして、この光学式
変位測定装置では、この２つの可干渉光により生じる２
つの２回回折光の位相差を求めて、回折格子の相対移動
位置を検出する。

【００２８】

【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。

【００２９】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、干渉
した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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Ｌ
ａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子
１１に照射するとともに回折格子１１からの２回回折光
Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて受光素子１３に照射する照
射受光光学系１５と、回折格子１１からの２つの１回回
折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射
する反射光学系１６とを備えている。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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回回折光Ｌｃ１と２回回折光Ｌ
ｃ２との位相差を求め、回折格子１１の相対移動位置を
示す位置信号を出力する。

【００３７】照射受光光学系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１１
ａ上に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１
２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ
１，Ｌａ２に分離するとともに回折格子１１からの２つ
の２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて干渉させる
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を反射するとともに可干渉光Ｌ
ａ１により生じる２回回折光Ｌｃ１を反射する反射器２
３と、ハーフミラー２２により分離された他方の可干渉
光Ｌａ２を反射するとともに可干渉光Ｌａ２により生じ
る２回回折光Ｌｃ２を反射する反射器２４と、ハーフミ
ラー２２により重ね合わされた２つの２回回折光Ｌｃ
１，Ｌｃ２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２５とを有している。

【００３８】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。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μ
ｍ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。

【００３９】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。また、ハーフミラー２２には、回折格子
１１からの２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌｃ２が入
射される。このハーフミラー２２は、２つの２回回折光
Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて干渉させ、この干渉させ
た２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を、受光素子１３の
受光面１３ａに照射する。

【００４０】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１１ａ上の同一の位置に照
射する。

【００４１】また、反射器２３には、１回回折光Ｌｂ１
が回折格子１１に照射されることにより生じる２回回折
光Ｌｃ１が照射される。反射器２３は、この２回回折光
Ｌｃ１を反射して、ハーフミラー２２に照射する。ま
た、反射器２４は、１回回折光Ｌｂ２が回折格子１１に
照射されることにより生じる２回回折光Ｌｃ２が照射さ
れる。反射器２４は、この２回回折光Ｌｃ２を反射し
て、ハーフミラー２２に照射する。反射器２３及び反射
器２４には、格子面１１上の同一の位置から生じる２回
回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が照射される。

【００４２】第２の結像素子２５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２５
には、ハーフミラー２２により重ね合わされた２つの２
回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が入射される。第２の結像素子
２５は、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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。

【００４３】一方、反射光学系１６は、可干渉光Ｌａ１
により生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子
１１に照射する反射器２６と、可干渉光Ｌａ２により生
じる１回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照
射する反射器２７と、可干渉光Ｌａ１により生じる１回
回折光Ｌｂ１を平行光として上記反射器２６に照射する
第３の結像素子２８と、可干渉光Ｌａ２により生じる１
回回折光Ｌｂ２を平行光として上記反射器２７に照射す
る第４の結像素子２９とを有している。

【００４４】反射器２６には、第３の結像素子２８を通
過した１回回折光Ｌｂ１が照射される。反射器２６は、
この１回回折光Ｌｂ１が入射経路と同じ経路を逆行する
ように、この１回回折光Ｌｂ１を垂直に反射する。

【００４５】反射器２７には、第４の結像素子２９を通
過した１回回折光Ｌｂ２が照射される。反射器２７は、
この１回回折光Ｌｂ２が入射経路と同じ経路を逆行する
ように、この１回回折光Ｌｂ２を垂直に反射する。

【００４６】第３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ものである。第３の結
像素子２８には、可干渉光Ｌａ１により生じた１回回折
光Ｌｂ１が回折格子１１から入射される。また、この第
３の結像素子２８には、反射器２６により反射された１
回回折光Ｌｂ１が、回折格子１１からの入射方向と反対
の方向から入射される。第３の結像素子２８は、回折格
子１１から入射された１回回折光Ｌｂ１を平行光にして
反射器２６に照射する。また、第３の結像素子２８は、
反射器２６により垂直に反射された平行光の１回回折光
Ｌｂ１を、回折格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌ
ａ１の入射点と同一位置に、所定のビーム径で結像させ
る。

【００４７】第４の結像素子２９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２９には、可干渉光Ｌａ２により生じた１回回折
光Ｌｂ２が回折格子１１から入射される。また、この第
４の結像素子２９には、反射器２７により反射された１
回回折光Ｌｂ２が、回折格子１１からの入射方向と反対
の方向から入射される。第４の結像素子２９は、回折格
子１１から入射された１回回折光Ｌｂ２を平行光にして
反射器２７に照射する。また、第４の結像素子２９は、
反射器２７により垂直に反射された平行光の１回回折光
Ｌｂ２を、回折格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌ
ａ２の入射点と同一位置に、所定のビーム径で結像させ
る。

【００４８】このような反射光学系１６は、可干渉光Ｌ
ａ１，Ｌａ２が回折されることにより生じる１回回折光
Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射して、再度回折格子１１に照射す
る。再度回折格子１１に照射された１回回折光Ｌｂ１，
Ｌｂ２は、回折格子１１により回折する。１回回折光Ｌ
ｂ１，Ｌｂ２が回折されることにより生じる２回回折光
Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同一の光
路を逆行して、照射受光光学系１５のハーフミラー２２
に照射される。

【００４９】可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２、１回回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路順を図４
に示し、各光の光路について説明する。なお、この図４
に示す光路は、模式的なものであり、各光の光軸を限定
するものではない。

【００５０】可干渉光源１２から出射された１つの可干
渉光Ｌａは、第１の結像素子２１を通過して、ハーフミ
ラー２２により２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割さ
れる。

【００５１】ハーフミラー２２を透過した一方の可干渉
光Ｌａ１は、反射器２３により反射され、回折格子１１
の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、
この所定の点Ｐに結像された一方の可干渉光Ｌａ１が回
折し、例えば、回折格子１１を透過した１回回折光Ｌｂ
１が生じる。この１回回折光Ｌｂ１は、この所定の点Ｐ
から発生する。発生した１回回折光Ｌｂ１は、第３の結
像素子２８を通過して平行光となり、反射器２６に照射
される。反射器２６に照射された１回回折光Ｌｂ１は、
この反射器２６により垂直に反射され、第３の結像素子
２８を逆方向から再度通過して、回折格子１１の格子面
１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定
の点Ｐに結像された１回回折光Ｌｂ１が回折し、例え
ば、回折格子１１で回折した２回回折光Ｌｃ１が生じ
る。この２回回折光Ｌｃ１は、可干渉光Ｌａ１と同一の
光路を逆行し、ハーフミラー２２に入射する。

【００５２】また、ハーフミラー２２により反射された
他方の可干渉光Ｌａ２は、反射器２４により反射され、
回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像され
る。そして、この所定の点Ｐに結像された一方の可干渉
光Ｌａ２が回折し、例えば、回折格子１１を透過した１
回回折光Ｌｂ２が生じる。この１回回折光Ｌｂ２は、こ
の所定の点Ｐから発生する。発生した１回回折光Ｌｂ２
は、第４の結像素子２９を通過して平行光となり、反射
器２７に照射される。反射器２７に照射された１回回折
光Ｌｂ２は、この反射器２７により垂直に反射され、第
４の結像素子２９を逆方向から再度通過して、回折格子
１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そし
て、この所定の点Ｐに結像された１回回折光Ｌｂ２が回
折し、例えば、回折格子１１で回折した２回回折光Ｌｃ
２が生じる。この２回回折光Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ２
と同一の光路を逆行し、ハーフミラー２２に入射する。

【００５３】ハーフミラー２２に入射した２回回折光Ｌ
ｃ１は、このハーフミラー２２に反射される。また、ハ
ーフミラー２２に入射した２回回折光Ｌｃ２は、このハ
ーフミラー２２を透過する。２つの２回回折光Ｌｃ１，
Ｌｃ２は、このハーフミラー２２により重ね合わされ、
干渉する。干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２
は、第２の結像素子２５を通過して、受光素子１３の受
光面１３ａ上に結像される。

【００５４】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２回回折光Ｌ
ｃ１，Ｌｃ２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２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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２
回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１
１の移動位置を検出する。

【００５５】ここで、例えば、図２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２中矢印Ｘ３方向）に移動し、他
端が法線ベクトル方向の他方向（例えば、図２中矢印Ｘ
４方向）に移動して、格子面１１ａが傾いたとする。こ
の場合、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角
が変化する。そのため、反射光学系１６内を通過する際
の各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光軸が変化する。例え
ば、各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が、図２中点線で示す
ように、その光路が変化する。

【００５６】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３の結像素子２８及び第４の結像素子
２９が、それぞれの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を平行光
として各反射器２６，２７を常に垂直に照射している。
このため、反射器２６又は反射器２７により反射された
各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、その光軸がずれた場合
であっても、必ず、入射したときと同じ光路を逆行し回
折格子１１の格子面１１ａ上の同一の入射点に入射す
る。従って、光学式変位測定装置１０では、１回回折光
Ｌｂ１，Ｌｂ２により生じる２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２
が、回折格子１１が傾いた場合であっても常に同一の光
路を通過することとなる。また、光路長の変化もない。

【００５７】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２回回折光Ｌ
ｃ１，Ｌｃ２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。

【００５８】また、光学式変位測定装置１０では、第２
の結像素子２５を用いて２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受
光面１３ａに結像させれば、ビームのケラレが生じず、
さらに、高精度に位置検出ができる。

【００５９】また、この光学式変位測定装置１０では、
第１の結像素子２１及び第２の結像素子２５の開口を大
きくすることにより、回折格子１１と照射受光光学系１
５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。また、この光学式変位測定装置１０では、第３の結
像素子２８及び第４の結像素子２９の開口を大きくする
ことにより、回折格子１１と反射光学系１６との間隔を
大きくすることができ、設計が簡易となる。

【００６０】また、光学式変位測定装置１０では、可干
渉光Ｌａ１（及び２回回折光Ｌｃ１）と可干渉光Ｌａ２
（及び２回回折光Ｌｃ２）との光路長を等しくし、１回
回折光Ｌｂ１と１回回折光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を生じな
くすることができる。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２
２の位置を調整することにより、各光路長の差を数１０
μｍ以下に抑えることができる。

【００６１】なお、以上本発明の第１の実施の形態の光
学式変位測定装置１０では、可干渉光Ｌａ１と可干渉光
Ｌａ２とを、回折格子１１の格子面１１ａの同一の点に
入射している。例えば、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ
２とを、同一の入射点Ｐに入射している。しかしなが
ら、この第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０で
は、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、回折格子１
１の格子面１１ａの同一の点に入射せず、異なる点に入
射しても良い。例えば、図５に示すように、可干渉光Ｌ
ａ１と可干渉光Ｌａ２とを、格子ベクトル方向に所定量
離したＰ′とＰ′′に入射しても良い。

【００６２】このように可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ
２との入射位置をずらした光学式変位測定装置１０であ
っても、ほぼ同様の効果を有することができる。

【００６３】さらに、この場合、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受光光学系１
５及び反射光学系１６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。なお、入射点間の距離が長い場合には、Ｘ３，Ｘ４
方向に傾いたときは受光面１３ａ上の結像位置が多少ず
れてしまうので、この入射点間の距離は、短い方が好ま
しい。

【００６４】また、光学式変位測定装置１０では、格子
ベクトル方向に所定量離して可干渉光Ｌａ１と可干渉光
Ｌａ２とを入射することのみならず、図６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６中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６中Ｘ４方向）に移動して、格子面１１
ａ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。

【００６５】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。

【００６６】図７に、この第２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。

【００６７】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。

【００６８】図８に、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。

【００６９】本発明の第２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。

【００７０】光学式変位測定装置４０は、図７及び図８
に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２
と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光し
て干渉信号を生成する受光素子１３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に照射するとともに、回
折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わ
せて受光素子１３に照射する照射受光光学系４１とを備
えている。

【００７１】照射受光光学系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を偏光方向の直交する２つ
の可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分離するとともに、偏光方
向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合
わせる偏光ビームスプリッタ４３と、偏光ビームスプリ
ッタ４３により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射
するとともに回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反
射する反射器２３と、偏光ビームスプリッタ４３により
分離された他方の可干渉光Ｌａ２を反射するとともに２
回回折光Ｌｃ２を反射する反射器２４と、偏光ビームス
プリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する
２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光素子１３の受光
面１３ａに結像させる第２の結像素子２５と、偏光ビー
ムスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交
する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の同一の偏光方向
の成分を取り出す偏光板４６とを有している。

【００７２】この照射受光光学系４１は、通過する可干
渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路及び通過する２回回
折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図
９に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角及び
回折角がγとなっている。

【００７３】可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌ
ａは、照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３
に対して、偏光方向を４５度傾けて入射される。

【００７４】偏光ビームスプリッタ４３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Ｌ
ａ１，Ｌａ２に分割する。照射受光光学系４１の偏光ビ
ームスプリッタ４３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。

【００７５】また、偏光ビームスプリッタ４３には、回
折格子１１により２回回折された、２回回折光Ｌｃ１，
Ｌｃ２が入射される。ここで、２回回折光Ｌｃ１は、元
々はＰ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２によ
り偏光方向が９０度回転させられＳ偏光の光となってい
る。同様に、２回回折光Ｌｃ２は、元々はＳ偏光の光で
あるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０
度回転させられＰ偏光の光となっている。従って、この
偏光ビームスプリッタ４３は、Ｓ偏光の光である２回回
折光Ｌｃ１を反射し、Ｐ偏光の光である２回回折光Ｌｃ
２を透過して、これら２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２
を重ね合わせる。

【００７６】反射器２３は、偏光ビームスプリッタ４３
を透過した可干渉光Ｌａ１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。また、反射器２
３は、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射し
て、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。

【００７７】反射器２４は、偏光ビームスプリッタ４３
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。また、回
折格子１１からの２回回折光Ｌｃ２を反射して、偏光ビ
ームスプリッタ４３に照射する。

【００７８】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。

【００７９】偏光板４６は、偏光ビームスプリッタ４３
により重ね合わされたＳ偏光の光である２回回折光Ｌｃ
１とＰ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２とが透過する。
この偏光板４６は、２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌ
ｃ２に対して、それぞれの光の偏光方向が４５度の成分
を透過して、互いに同一の偏光方向の光とする。

【００８０】受光素子１３は、この偏光板４６を透過し
た２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光する。

【００８１】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、１回回折光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Ｌａ２が回折し、１
回回折光Ｌｂ２が生じる。１回回折光Ｌｂ１と１回回折
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１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が生じる。ま
た、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の傾斜面ｍ３
上における回折角は、βとなっている。なお、１回回折
光Ｌｂ１と１回回折光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。

【００８２】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、反射光学系４２を備えている。

【００８３】反射光学系４２は、可干渉光Ｌａ１により
生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子１１に
照射する反射器２６と、可干渉光Ｌａ２により生じる１
回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する
反射器２７と、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光
Ｌｂ１を平行光として上記反射器２６に照射する第３の
結像素子２８と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折
光Ｌｂ２を平行光として上記反射器２７に照射する第４
の結像素子２９と、１回回折光Ｌｂ１の光路上に設けら
れた１／４波長板４４と、１回回折光Ｌｂ２の光路上に
設けられた１／４波長板４５とを有している。

【００８４】反射光学系４２は、上述したように２つの
１回回折光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１回回折光Ｌｂ
１，Ｌｂ２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、反射光学系４２の反射
器２６と反射器２７とは、傾斜面ｍ３上における回折角
βで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を垂直に反射
可能な位置に配置されている。

【００８５】また、１／４波長板４４は、回折格子１１
から入射するＰ偏光の光の１回回折光Ｌｂ１の偏光方向
に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回
回折光Ｌｂ１は、この１／４波長板４４を２回通過し
て、回折格子１１に結像される。そのため、Ｐ偏光の光
であった１回回折光Ｌｂ１がＳ偏光の光とされ、回折格
子１１に照射される。

【００８６】また、１／４波長板４５は、回折格子１１
から入射するＳ偏光の光の１回回折光Ｌｂ２の偏光方向
に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回
回折光Ｌｂ２は、この１／４波長板４５を２回通過し
て、回折格子１１に結像される。そのため、Ｓ偏光の光
であった１回回折光Ｌｂ２がＰ偏光の光とされ、回折格
子１１に照射される。

【００８７】このような反射光学系４２から、１回回折
光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１に入射される。この１
回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトルから見た入射角
は、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の回折角と同じく、
δとなる。また、傾斜面ｍ３上における入射角は、同様
に回折角と同じく、βとなる。

【００８８】また、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回
折することにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じ
る。この２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の格子ベクトル方向
から見た回折角は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と
同じく、γとなる。また、傾斜面ｍ２上の回折角は、同
様に可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、αとな
る。

【００８９】従って、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可
干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同光路を逆行して、偏光ビーム
スプリッタ４３に入射する。

【００９０】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。

【００９１】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２回回折光Ｌｃ
１，Ｌｃ２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２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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２回
回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１
の移動位置を検出する。

【００９２】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上に照射受光光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に
反射光学系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、照射受光光学系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。

【００９３】この光学式変位測定装置４０において、０
次回折光や反射光を照射受光光学系４１や反射光学系４
２に混入させないための条件は、以下の通りである。

【００９４】角度γと角度δが０では無く且つ角度αと
角度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Ｌ
ａ１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６
で示したように、格子方向に離して入射しても良い。

【００９５】また、角度γと角度δがともに０である場
合には、角度αと角度βとを等しくすると光路が重なる
ので、角度αと角度βとを必ず異ならせる。また、この
場合、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６で示したように、格子
方向に離して入射しても良い。

【００９６】また、角度γと角度δが０では無く且つ０
次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角α
と回折角βとが異なる場合には、図１１、図１２及び図
１３に示すように、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。この場
合、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定
距離離した場合に比べて、回折格子１１の厚みや屈折率
のむらによる影響が少なくなる。すなわち、回折格子１
１の厚みや屈折率のむらの影響による１回回折光Ｌｂ１
と１回回折光Ｌｂ２との間（或いは２回回折光Ｌｃ１と
２回回折光Ｌｃ２との間）の光路長に差が生じず、より
高精度に位置測定をすることができる。

【００９７】以下具体的に、回折格子１１に厚みのむら
があった場合の影響について説明する。

【００９８】重ね合わせる２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌ
ｃ２の強度をＡ₁，Ａ₂、回折格子１１の格子ベクトル方
向への移動量をｘ、初期位相をδとすると、受光素子１
３が検出する干渉信号の強度Ｉは、以下の式（１）に示
すようになる。 Ｉ＝Ａ₁ ²＋Ａ₂ ²＋２Ａ₁Ａ₂ｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ） ・・・（１） Ｋ＝２π／Λ（Λは格子ピッチ） この干渉信号の強度Ｉは、回折格子１１がΛ／４移動す
ることにより、１周期分変換する。δは、重ね合わせた
２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路長の差に依存す
る量である。従って、このδが変動すると、回折格子１
１が移動していなくても干渉信号Ｉが変動し、誤差要因
となる。

【００９９】例えば、図１４に示すような、ガラスの内
部に格子が設けられた透過型の回折格子に厚みのむらが
ある場合について考えてみる。ガラスの屈折率をｎと
し、レーザ光Ｌｘがガラスの一方の表面から他方の表面
まで通過する距離をＬとすると、このレーザ光Ｌｘが回
折格子を通過したときの光路長はｎＬとなる。空気の屈
折率はほぼ１であることから、レーザ光Ｌｘが回折格子
を通過する際の光路長は、このレーザ光Ｌｘが空気中を
同距離通過したときと比較して、（ｎ−１）Ｌだけ長く
なる。従って、回折格子のガラスの厚さが変化して、レ
ーザ光Ｌｘがガラスの一方の表面から他方の表面まで通
過する距離がＬ＋ΔＬ変化したとすると、その光路長は
（ｎ−１）ΔＬだけ変化することとなる。また、特に２
回回折をする場合には、ガラス層を２回通過するため、
その光路長は倍の２（ｎ−１）ΔＬだけ変化することに
なる。

【０１００】このことをふまえ、例えば、図１５に示す
ように、一方のレーザ光Ｌｘ１は回折格子の厚みのむら
がない位置を透過し、他方のレーザ光Ｌｘ２は回折格子
の厚みのむらがある位置を透過する２本のレーザ光につ
いて考えるてみる。レーザ光Ｌｘ２の厚みのむらを通過
する長さを＋ΔＬとすると、２つのレーザ光Ｌｘ１，Ｌ
ｘ２の光路長の差は、（ｎ−１）ΔＬとなる。従って、
上記の式（１）で示したδが｛（ｎ−１）ΔＬ｝・２π
／λ （λは、ビームＡ，Ｂの波長）だけ変化してしま
う。２回回折をする場合には、δが｛２（ｎ−１）Δ
Ｌ｝・２π／λとなり、位置検出の誤差量は（Λ／２
λ）（ｎ−１）ΔＬとなり、例えば、Λ＝０．５５μ
ｍ、λ＝０．７８μｍ、ｎ＝１．５、ΔＬ＝１μｍとす
れば、約０．１８μｍとなる。従って、この誤差は、例
えば、ナノメータオーダの位置検出を行う場合には、か
なり大きい値となる。

【０１０１】なお、以上透過型の回折格子を例にとって
説明したが、反射型の回折格子についてもガラスにより
格子がカバーされているものであれば同様に誤差が生
じ、また、ガラスにより格子がカバーされていないもの
であれば凹凸によるレーザ光の通過距離の変化がそのま
ま光路長の変化となり誤差が生じる。

【０１０２】このように、回折格子１１に厚みのむらが
あった場合には、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との
入射点を所定距離離していると誤差が生じる。

【０１０３】そのため、この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ｍ
２上に照射光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に受光光
学系４２を配置し、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２と
を回折格子１１上の同一点に入射することにより、回折
格子１１の厚みや屈折率のむらによる誤差をするなくす
ることができ、さらに高精度に位置検出をすることがで
きる。つまり、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによ
る誤差は、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とが異なる
位置を通過するために生じるものであり、同一点を通過
する場合には生じないので、このように同一点に可干渉
光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射すれば高精度に位置
検出をすることができる。また、例えば回折格子１１が
ガラス等でカバーされているものであるときは、２つの
可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を、完全に同一の光路を通過さ
せることは困難であるが、格子面１１ａのほぼ同じ位置
に入射すれば、最も誤差を小さくすることができる。

【０１０４】可干渉光の入射角（及び２回回折光の回折
角）α，γ、１回回折光の回折角（及び１回回折光の入
射角）β，δの関係は、以下の式（２）、式（３）に示
すようになる。

【０１０５】 Ｓｉｎα＋Ｓｉｎβ＝ｍλ/ｄ ・・・（２） ｄ：回折格子のピッチ λ：光の波長 ｍ：回折次数 Ｓｉｎγ/Ｓｉｎδ ＝Ｃｏｓβ/Ｃｏｓα ・・・（３） 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。

【０１０６】なお、本発明の第２の実施の形態の光学式
変位測定装置４０では、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２
回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を反射する反射器２３，２４を
用いているが、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを同
一点に入射しない場合には、例えば、図１６に示すよう
に、反射器２３，２４を用いずに構成しても良い。

【０１０７】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。

【０１０８】図１７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。

【０１０９】ここで、直線ｎ、基準面ｍ１、傾斜面ｍ２
の関係は、上記第２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。

【０１１０】図１８に、傾斜面ｍ２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１９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。

【０１１１】本発明の第３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。

【０１１２】光学式変位測定装置５０は、図１７及び図
１８に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源
１２と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受
光して干渉信号を生成する受光素子１３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Ｌａ
１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するととも
に、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重
ね合わせて受光素子１３に照射する照射受光光学系４１
とを備えている。

【０１１３】この照射受光光学系４１は、通過する可干
渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路及び通過する２回回
折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図
１９に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角及
び回折角がγとなっている。

【０１１４】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。

【０１１５】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、１回回折光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Ｌａ２が回折し、１
回回折光Ｌｂ２が生じる。１回回折光Ｌｂ１と１回回折
光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、
図１９に示すように、δとなっている。また、１回回折
光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の傾斜面ｍ３′上における
回折角は、βとなっている。なお、１回回折光Ｌｂ１と
１回回折光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。

【０１１６】また、光学式変位測定装置５０は、図１７
及び図１８に示すように、反射光学系４２を備えてい
る。

【０１１７】反射光学系４２は、２つの１回回折光Ｌｂ
１，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１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２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、反射光学系４２の反射器２６と反射
器２７とは、傾斜面ｍ３′上における回折角βで回折さ
れた１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を垂直に反射可能な位置
に配置されている。

【０１１８】このような反射光学系４２から、１回回折
光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１に入射される。この１
回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトルから見た入射角
は、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の回折角と同じく、
δとなる。また、傾斜面ｍ３′上における入射角は、同
様に回折角と同じく、βとなる。

【０１１９】また、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回
折することにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じ
る。この２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の格子ベクトル方向
から見た回折角は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と
同じく、γとなる。また、傾斜面ｍ２上の回折角は、同
様に可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、αとな
る。

【０１２０】従って、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可
干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同光路を逆行して、偏光ビーム
スプリッタ４３に入射する。

【０１２１】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。

【０１２２】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２回回折光Ｌｃ
１，Ｌｃ２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２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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２回
回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１
の移動位置を検出する。

【０１２３】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上に照射受光光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３′上
に反射光学系４２を配置することにより、可干渉光、１
回回折光、２回回折光とを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１１
ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系４１や
反射光学系４２に混入させることなく、２回回折光Ｌｃ
１，Ｌｃ２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。

【０１２４】この光学式変位測定装置５０において、０
次回折光や反射光を照射受光光学系４１や反射光学系４
２に混入させないための条件は、以下の通りである。

【０１２５】角度γと角度δが０では無く且つ角度αと
角度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Ｌ
ａ１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６
で示したように、格子方向に離して入射しても良い。

【０１２６】また、角度γと角度δがともに０である場
合には、角度αと角度βとを等しくするものとしても、
角度αと角度βとを異なるものとしてもよい。α＝βの
場合もα≠βの場合もともに、０次回折光が受光素子１
３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
６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。

【０１２７】また、角度γと角度δが０では無く且つ０
次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角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。

【０１２８】また、角度γと角度δが０では無く且つ０
次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角α
と回折角βとが異なる場合には、図２０及び図２１に示
すように、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。この場合、可干渉
光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離した
場合に比べて、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによ
る影響が少なくなる。すなわち、回折格子１１の厚みや
屈折率のむらの影響による１回回折光Ｌｂ１と１回回折
光Ｌｂ２との間（或いは２回回折光Ｌｃ１と２回回折光
Ｌｃ２との間）の光路長に差が生じず、より高精度に位
置測定をすることができる。この理由は、上述した第２
の実施の形態と同様である。

【０１２９】なお、本発明の第３の実施の形態の光学式
変位測定装置５０では、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２
回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を反射する反射器２３，２４を
用いているが、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを同
一点に入射しない場合には、例えば、図２２に示すよう
に、反射器２３，２４を用いずに、構成しても良い。

【０１３０】つぎに、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、図２３を用いて説明
する。なお、この第４の実施の形態は、上記第２の実施
の形態及び第３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２の実施の形態及び第３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。

【０１３１】光学式変位測定装置６０は、照射受光光学
系４１の第２の結像素子２５及び偏光板４６に変えて、
図２３に示すように、１／４波長板６２と、第５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６６とを用いている。なお、この第４の実施の形態の
光学式変位測定装置６０を説明するにあたり、上記第２
及び第３の実施の形態で用いていた偏光ビームスプリッ
タ４３を第１の偏光ビームスプリッタ４３と言い換え
る。

【０１３２】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とを用いている。

【０１３３】可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌ
ａは、照射受光光学系４１の第１の偏光ビームスプリッ
タ４３に対して、偏光方向が４５度傾けて入射される。
この照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３
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Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。照射受光光学
系４１の偏光ビームスプリッタ４３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。

【０１３４】また、この照射受光光学系４１の第１の偏
光ビームスプリッタ４３には、回折格子１１で２回回折
された２回回折光Ｌｃ１と、回折格子１１で２回回折さ
れた２回回折光Ｌｃ２とが入射される。ここで、２回回
折光Ｌｃ１は、元々はＰ偏光の光であるが、反射光学系
４２により偏光方向が９０度回転させられＳ偏光の光と
なっている。同様に、２回回折光Ｌｃ２は、元々はＳ偏
光の光であるが、反射光学系４２により偏光方向が９０
度回転させられＰ偏光の光となっている。従って、この
第１の偏光ビームスプリッタ４３は、Ｓ偏光の光である
２回回折光Ｌｃ１を反射し、Ｐ偏光の光である２回回折
光Ｌｃ２を透過して、これら２つの２回回折光Ｌｃ１，
Ｌｃ２を重ね合わせる。

【０１３５】重ね合わせた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌ
ｃ２は、１／４波長板６２を通過する。１／４波長板６
２は、各２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の偏光方向に対し
て、光学軸が４５度傾くように配置されている。そのた
め、各２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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。

【０１３６】互いに逆回りの円偏光の光とされた２回回
折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、第５の結像素子６３を通過す
る。

【０１３７】第５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５の結
像素子６３は、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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。

【０１３８】この第５の結像素子６３を通過した２つの
２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２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。

【０１３９】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。

【０１４０】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２回回折光Ｌｃ１，Ｌ
ｃ２は、回折格子１１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，６７ｂ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，６７
ｂ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。

【０１４１】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、から、互いに９０度位相が異なる回折
格子１１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。

【０１４２】以上のように、この第４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。

【０１４３】以上本発明を適用した第１〜第４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２４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。

【０１４４】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、照射受光光学
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、照射受光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。

【０１４５】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。

【０１４６】

【発明の効果】本発明に係る光学式変位測定装置では、
可干渉光が第１の結像手段により回折格子の格子面に結
像しているとともに、第１の回折光が第２の結像手段に
より平行光とされ反射光学系の反射器に常に垂直に照射
されている。従って、第１の回折光の光軸がずれた場合
であっても、反射された第１の回折光は常に入射したと
きと全く同じ経路を逆行し回折格子１の格子面上の結像
位置は変化せず、この第１の回折光が回折することによ
り生じる第２の回折光の光軸がずれない。また、光路長
の変化も生じない。

【０１４７】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つの第２の回折光が互いにずれること
なく重なり合わされて干渉する。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。

【０１４８】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の結像手段の開口を
大きくすることにより、回折格子と、照射受光光学系、
反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。

【０１４９】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、照射受光光学系や干渉光
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。

【０１５０】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。

【０１５１】本発明に係る光学式変位測定装置では、２
つの可干渉光の光路を回折格子の格子面に垂直な方向に
対して傾いた方向に形成して、この２つの可干渉光を上
記回折格子の格子面上の同一点に照射する。そして、こ
の光学式変位測定装置では、この２つの可干渉光により
生じる２つの２回回折光の位相差を求めて、回折格子の
相対移動位置を検出する。

【０１５２】このことにより、本発明に係る光学式変位
測定装置では、回折格子からの０次回折光や反射光を照
射光学系や受光光学系に混入させることなく、２回回折
光を重ね合わせることができるため、安定して位置検出
ができる。また、本発明に係る光学式変位測定装置で
は、回折格子の厚みや屈折率のむらにより誤差が生じず
高精度に位置測定をすることができる。

【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４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
定装置の可干渉光及び回折光の光路について説明する為
の図である。

【図５】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第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６】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７】本発明の第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８】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である。

【図９】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
側面図である。

【図１０】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である。

【図１１】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第
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１２】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第
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である。

【図１３】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第
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である。

【図１４】回折格子を通過するレーザ光の光路長を説明
する為の図である。

【図１５】回折格子に厚みのむらがある場合に、この回
折格子を通過する２本のレーザ光の光路長の差を説明す
る為の図である。

【図１６】上記第２の実施の形態の光学式変位測定装置
の変形例を説明するための図である。

【図１７】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１８】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である。

【図１９】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
た側面図である。

【図２０】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第
３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２１】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第
３の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２及び
傾斜面ｍ３′上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ
２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図
である。

【図２２】上記第３の実施の形態の光学式変位測定装置
の変形例を説明するための図である。

【図２３】本発明の第４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２４】本発明の第１〜第４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２５】従来の光学式変位測定装置の斜視図である。

【図２６】従来の光学式変位測定装置の側面図である。

【図２７】従来の他の光学式変位測定装置の斜視図であ
る。

【図２８】従来の他の光学式変位測定装置の側面図であ
る。

【図２９】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３０】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３１】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 反射手段、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，
２５，２８，２９，６３ 結像素子、１４ 位置検出
部、２６，２７ 反射器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F003 AA03 AA13 AA16 AA20 AA21 AB02 AC03 AD01 2F065 AA02 CC17 DD03 FF48 FF51 GG06 HH04 JJ01 LL12 LL37 LL42

Claims (11)

【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つの第１の回折光をそれぞれ反射して、上記回折格
   子に対して各第１の回折光を照射する反射光学系と、 上記各第１の回折光が上記回折格子により回折されて得
   られる２つの第２の回折光を干渉させる干渉光学系と、 干渉した２つの第２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つの第２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、 上記反射光学系は、上記回折格子に対して照射される２
   つの第１の回折光を、それぞれ対応する可干渉光の結像
   位置と同一位置に結像させる第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上
   の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上
   の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】 上記干渉光学系は、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、 偏光方向が異なる２つの第２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つの第２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つの第
   ２の回折光を偏光方向が異なる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
   第２の回折光を偏光方向が異なる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６に記載の
   光学式変位測定装置。
8. 【請求項８】 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。
9. 【請求項９】 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。
10. 【請求項１０】 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。
11. 【請求項１１】 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つの第１の回折光をそれぞれ反射して、上記回折格
    子に対して各第１の回折光を照射する反射光学系と、 上記各第１の回折光が上記回折格子により回折されて得
    られる２つの第２の回折光を干渉させる干渉光学系と、 干渉した２つの第２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つの第２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２つの可干渉光の光路を上記回
    折格子の格子面に垂直な方向に対して傾いた平面上に形
    成し、この２つの可干渉光を上記回折格子の格子面上の
    同一点に照射することを特徴とする光学式変位測定装
    置。