JP2603338B2 - 変位測定装置 - Google Patents

変位測定装置

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【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は変位測定装置に関し、特に透明基板上にレリ
ーフ型回折格子を形成した光学式スケールの変位をレリ
ーフ型回折格子で生じる回折光を利用して測定する変位
測定装置に関する。
[従来技術] 従来、この種の変位測定装置としては、例えば実公昭
61−39289号公報に開示してあるような装置が知られて
いる。この装置はガラス基板上に周期的な溝を形成して
レリーフ型の回折格子とし、周期的な溝表面にAu、Alな
どの反射膜を蒸着して光学式スケールを構成している。
そして、この光学式スケール100を、第4図に示す如く
レリーフ型回折格子の上方から照明しレリーフ型回折格
子で生じた回折光同志を干渉させて干渉縞を形成し、こ
の干渉縞を光電変換することにより光学式スケール100
の変位を測定している。
このようなレリーフ型回折格子は溝の高さを適宜定め
てやることで零次反射回折光(正反射光)の強度を弱
め、測定に用いる高次反射回折光の強度を強めることが
できるので極めて有効である。
しかしながら、第4図に示す如く、レリーフ型回折格
子の溝表面に反射膜3を蒸着すると、蒸着された膜の厚
さの変動によって、溝の形状や溝の深さが変化する。そ
の結果、従来の装置では回折光の強度が変動し、高精度
な測定が不可能となる。
[発明の概要] 本発明は上記従来の問題点を解消し、高精度な測定を
行なうことが可能な変位測定装置を提供することを目的
としている。
この目的を達成するために、本発明の変位測定装置
は、透明基板の一方の基板面上にレリーフ型回折格子を
形成した光学式スケールを光で照明し、該レリーフ型回
折格子で生じた回折光を用いて干渉光を形成し、該干渉
光を光電変換することにより該光学式スケールの変位を
測定する装置において、該レリーフ型回折格子上に形成
した反射膜と、該透明基板の他方の基板面側から該光学
式スケールを照明して該回折光を生じせしめる照明手段
とを有し、該透明基板の屈折率をn、該光の波長をλ、
mを整数(m≧0)とした時に、該レリーフ型回折格子
の溝の深さhが、 (λ/n)×(m/2+0.199)≦h≦(λ/n)× {(m+1)/2−0.199} なる条件を満たすように装置が構成されている。
本発明では、その上に反射膜が施されたレリーフ型回
折格子が形成されている基板面とは反対側の基板面側か
ら光を照射し、レリーフ型回折格子によって回折光を発
生させるので、反射膜の膜厚変動による回折光強度の変
動が生じない。従って、極めて高精度に光学式スケール
の変位を測定することができる。
更に、本発明では、レリーフ型回折格子の溝の深さh
が上記条件を満たすように設定されるため、反射膜の膜
厚変動以外の他の要因によりレリーフ型回折格子の溝の
深さが少々変化しても、レリーフ型回折格子で生じる回
折光の強度変動を小さく抑えることが可能になる。又、
上記条件に従えば特に1次回折光の強度を大きくするこ
とができるので、±1次回折光を用いて干渉光を形成す
ることにより、光学式スケールの変位に応じて生じる干
渉光の明暗変化の比(ビジビリテイー)を大きくするこ
とができ、測定感度を向上させることが可能になる。
本発明の変位測定装置は、予め決めた方向に並進移動
する所謂リニアスケールの変位、或は所定の軸を回転軸
として回転する所謂ロータリースケールの変位等様々な
光学式スケールの読み取りに用いることができる。
本発明の更なる特徴と具体的形態は、以下に示す実施
例に記載されている。
[実施例] 第1図(A)、(B)は本発明の一実施例を示す説明
図であり、第1図(A)は本測定装置に用いる光学式ス
ケールの構成を示す断面図であり、第1図(B)は本測
定装置の構成を示す概略図である。
第1図(A),(B)において、1は矩形状の溝が周
期的に刻まれて成るレリーフ型回折格子を有する光透過
性基板、2は光透過性基板1の一方の基板面の表面に蒸
着された反射防止膜、3は反射膜で、他方の基板面に刻
まれた矩形状の溝面(レリーフ型回折格子の格子面)に
蒸着されている。そして、これらの部材1,2,3で光学式
スケール100が構成されている。
本実施例では、光学式スケール100に対して反射防止
膜2が形成された一方の基板面側から光束が入射し、光
透過性基板1の内部を透過して、反射膜3が蒸着された
レリーフ型回折格子に達し、反射回折される。従って、
反射膜3の膜厚とは無関係に一定光量の反射回折光は生
じることになる。又、光透過性基板1の光束反射側の基
板面に反射防止膜を施しているので、入射光束の光量損
失は微小である。
光透過性基板1の屈折率をn、溝の深さをh、入射す
る光束の波長をλとすると、溝の底部31で反射した光束
E1と、溝の上部32で反射した光束E2は、次の(1)式と
(2)式で表わされる。
E1=a×exp[i{ωt+2π/λ(L+2nh)}]……
(1) E2=a×exp[i(ωt+2πL/λ) ……(2) ここで、aは入射光束の振幅、ωは入射光束の角周波
数、Lは回折格子の部分を除いた光路長(光源から溝上
部32に到る光路長)である。正反射光、すなわち、0次
反射回折光の強度I0(h)は、 I0(h)=|E1+E2|2=2a2 {1+COS(4nπh/λ)} ……(3) であり、I0(0)=4a2で正規化すれば、 I0(h)={1+COS(4nπh/λ)}/2 ……(4) となる。
レリーフ型回折格子のデユーテイ(溝底部31と溝上部
32の溝の配列方向に関する幅の比)を50%、すなわち、
第1図(A)でW1=W2とすれば、反射回折光はほとんど
±1次回折光とみなせるから、±1次回折光の強度I
1(h)は、各々(5)式で表わされる。
I1(h)={1−I0(h)}/2 ={1−COS(4nπh/λ)}/4 ……(5) 第3図に、n=1.5、λ=0.78μmのときの、溝深さ
hに対する、1次回折光の回折効率を例示する。
±1次回折光で干渉光を形成する変位量測定装置で
は、1次回折光の強度(±1次回折光の総光量)ができ
るだけ大きく且つレリーフ型回折格子が変位した時の1
次回折光の強度変動が少ないほうが望ましい。この時、
1次回折光の強度変動を10%以内に押える条件は、第2
図に例示したような場合には溝深さhが0.10μmから0.
16μmの間もしくは、0.36μmから0.42μmの間…にな
っていればよい。1次回折光の強度変動が10%以内とい
う条件を、一般式で表わすと、(5)式に基づいて
(6)式のように示すことができる。
m+COS-1(−0.8)/2π≦2nh/λ≦(m+1) −COS-1(−0.8)/2π ……(6) ここで、mはm=0,1,2,3…である。(6)式におい
てCOS-1(−0.8)=2.498radだから回折光の強度変動を
抑えるための溝深さhの条件として、(7)式が得られ
る。
(λ/n)×(m/2+0.199)≦h≦(λ/n)× {(m+1)/2−0.199} ……(7) (7)式のように溝深さhを決めてやれば、回折光の
強度変動が小さく抑えられて、受光素子から安定した出
力信号を得ることが可能になる。
本実施例では、光学式スケール100のレリーフ型回折
格子の溝深さhが上記(7)式を満たすように、λ=0.
78μm、n=1.5、h=0.13μmとすることにより、精
度良く変位測定が行なえるようにしている。本実施例に
おける変位測定装置に関して、第1図(B)に基づいて
詳しく述べる。
第1図(B)において、10はマルチモード半導体レー
ザー、11はコリメーターレンズ、12はビームスプリツタ
ー、131,132,133は反射鏡、15は受光素子である。レー
ザー10を出射した光束はコリメーターレンズ11によって
ほぼ平行な光束となり、ビームスプリツター12で透過光
束Aと反射光束Bと2分割される。透過光束Aと反射光
束Bは各々の光路に配した反射鏡131、132で反射され
て、光学式スケール100の同一個所に入射する。このと
き、回折格子に対する入射角θ(基板1の基板面法線と
成す角)を(8)式の如くすれば、光束Aが反射回折さ
れて生じる−1次回折光と光束Bが反射回折されて生じ
る+1次回折光とが基板面に垂直な方向(法線方向)に
出射する。
θ=Sin-1(λ/p) ……(8) ここで、λはレーザー10の波長pはレリーフ型回折格
子14のピツチ(溝の配列周期)である。この±1次の反
射回折光は反射鏡133で反射されて光学式スケール100に
向けられ、光学式スケール100を再照射する。この再照
射により、+1次の回折光が再び+1次の回折を受けて
+1次再回折光となり、光束Bの光路(元の光路)へ向
けられ、一方−1次の回折光が再び−1次の回折を受け
て−1次回折光となり、光束Aの光路(元の光路)へ向
けられる。
こうして±1次の回折を2度ずつうけた光束A,Bが、
ビームスプリツター12を介して重畳せしめられ、互いに
干渉して干渉光を形成する。そして、この干渉光が受光
素子15に入射して、光電変換される。±1次の回折光の
移送は、回折格子が1ピツチ動くと、±2πだけ変化す
る。受光素子15には、±1次の回折を2度ずつ受けた光
による干渉光が入射するので、回折格子が1ピツチ動く
と、受光素子15からは、4個の正弦波信号が得られる。
たとえば、回折格子14のピツチpを1.6μmとすれば受
光素子15から0.4μm周期の正弦波信号が得られる。従
って、受光素子15からの信号に基づいて光学式スケール
100の図中矢印方向に関する変位量が測定できる。
本実施例では、前述の通り、レリーフ型回折格子が形
成されている基板面とは反対側の基板面から、レーザー
10からの光束A,Bを光学式スケール100に入射させると共
に、光束A,Bの波長λ=0.78μm、光透過性基板1の屈
折率n=1.5、レリーフ型回折格子の溝深さh=0.13μ
mと設定しているので、レリーフ型回折格子で生じる±
1次反射回折光の強度が大きく変動することがない。従
って、回折光を干渉させ、その干渉光の明暗変化を受光
素子を介して検出して、被検物体の変位量を測定する
際、受光素子からは安定した出力信号が得られ、高精度
な測定が可能になるという効果がある。
第3図は本発明の他の実施例を示す概略図である。同
図において7は第1図(A),(B)に示す基板1と同
じ光透過性基板で、ガラスなどを円板状に加工し、一方
の基板面に、等角度ピツチで周期的な溝を刻んだレリー
フ型回折格子が形成されている。そして反射膜3を溝面
(回折格子面)に蒸着してある。
第1図(A),(B)と同じく、光透過性基板7の、
レリーフ型回折格子を形成した面とは反対側の基板面6
側から光束を入射させることによって、回転角度測定に
ついても前記実施例と同等の効果を得ることができる。
以上説明した実施例では、光学式スケールの移動量若
しくは回転量(回転角)を測定する装置を例示したが、
光学式スケールの移動速度や回転速度を測定する装置に
も本発明は適用可能である。
又、干渉光を形成するための回折光として、±1次回
折光より高次の±2次回折光を用いる構成にすれば、測
定の分解能を向上させることができる。一方、レリーフ
型回折格子からは所定次数の回折光のみを取り出して、
この回折光と他の参照光とを重畳せしめて干渉光を形成
するようにしても良く、本発明の思想の範囲内で様々な
タイプの装置を構成し得る。
同様に、レリーフ型回折格子の形態も、矩形状に限ら
ず、正弦波状や三角波状の断面形状を有するものが適用
できる。
[発明の効果] 以上、本発明では、その上に反射膜が施されたレリー
フ型回折格子が形成されている基板面とは反対側の基板
面側から光を照射し、レリーフ型回折格子で反射回折光
を発生させるようにすると共に、レリーフ型回折格子の
溝の深さを所定の値に定めることにより、レリーフ型回
折格子で生じる回折光の強度変動を小さく抑えた。従っ
て、高精度な測定を行なうことが可能な変位測定装置を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A),(B)は本発明の一実施例を示す説明
図。 第2図はレリーフ型回折格子の溝深さと回折効率の関係
を例示したグラフ図。 第3図は本発明の他の実施例を示す概略図。 第4図は従来の変位測定装置を示すための説明図。 1,7……光透過性基板 2……反射防止膜 3……反射膜 6……光束入射側基板面 10……レーザー 11……コリメーターレンズ 12……ビームスプリツター 131〜133……反射鏡 15……受光素子 100……光学式スケール
フロントページの続き (72)発明者 築地 正彰 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−233318(JP,A) 特開 昭61−10716(JP,A) 特開 平2−17413(JP,A) 実公 昭61−39289(JP,Y2)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透明基板の一方の基板面上にレリーフ型回
    折格子を形成した光学式スケールを光で照明し、該レリ
    ーフ型回折格子で生じた回折光を用いて干渉光を形成
    し、該干渉光を光電変換することにより該光学式スケー
    ルの変位を測定する装置において、該レリーフ型回折格
    子上に形成した反射膜と、該透明基板の他方の基板面側
    から該光学式スケールを照明して該回折光を生じせしめ
    る照明手段とを有し、該透明基板の屈折率をn、該光の
    波長をλ、mを整数(m≧0)とした時に、該レリーフ
    型回折格子の溝の深さhが、 (λ/n)×(m/2+0.199)≦h≦ (λ/n)×{(m+1)/2−0.199} なる条件を満たすことを特徴とする変位測定装置。
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