JP3152330B2 - 格子干渉型変位検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源からの光束を二波
に分岐してスケールの回折格子上の異なる二点に入射さ
せ、これらの点で生成された複数の光束の混合波を電気
信号として検出する格子干渉型変位検出装置に関し、ス
ケールに反射型の回折格子を用いて光学系を構成する場
合に利用できる。

【０００２】

【背景技術】従来の光電型エンコーダの高分解能化を図
ったものの一つとして、スケールにホログラフィの技術
を用いて微細なピッチ（通常、１μｍ程度）の目盛りを
形成し、その目盛りを回折格子として利用して相対変位
を高精度に検出する格子干渉型変位検出装置が知られて
いる。これは、光源からの光束を二波に分岐してスケー
ルの回折格子上の一または二つの点に入射させ、この点
で生成された複数の光束の混合波を電気信号として検出
するもので、スケールに反射型の回折格子を用いたもの
と、透過型の回折格子を用いたものとに分類できる。

【０００３】後者の透過型の回折格子を用いたものとし
て、例えば、特開平５−１９２４号公報に記載された格
子干渉型変位検出装置が知られている。この格子干渉型
変位検出装置３００は、図６に示す如く、図中左右方向
に変位可能に設けられかつその変位方向に沿って透過型
の回折格子３０２が形成されたスケール３０１と、レー
ザ光源３０３と、このレーザ光源３０３から出射された
レーザビームをその偏光方向に従って二波に分岐し各分
岐光束Ａ，Ｂをスケール３０１の回折格子３０２上の異
なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ入射させる偏光
ビームスプリッタ３０４と、各回折点Ｐ１，Ｐ２で回折
されて生成された二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１の交点位
置に配置されそれらを混合させる無偏光ビームスプリッ
タ３０５と、その混合波ＭＡ，ＭＢを電気信号に変換す
る検出器３０６Ａ，３０６Ｂとにより構成されている。

【０００４】ここで、偏光ビームスプリッタ３０４によ
り光束分岐手段が構成され、無偏光ビームスプリッタ３
０５により光束混合手段が構成されている。また、検出
器３０６Ａは、無偏光ビームスプリッタ３０５で混合さ
れた一方の混合波ＭＡの偏光方向を一致させて干渉させ
る偏光板３０７Ａと、この偏光板３０７Ａで干渉させら
れた光束を電気信号に変換する受光素子３０８Ａとによ
り構成されている。そして、検出器３０６Ｂは、無偏光
ビームスプリッタ３０５で混合された他方の混合波ＭＢ
の一偏光成分のみの位相を９０度遅らせる１／４波長板
３０９と、この１／４波長板３０９を通過した混合波Ｍ
Ｂの偏光方向を一致させて干渉させる偏光板３０７Ｂ
と、この偏光板３０７Ｂで干渉させられた光束を電気信
号に変換する受光素子３０８Ｂとにより構成されてい
る。

【０００５】このような格子干渉型変位検出装置３００
においては、レーザ光源３０３から出射されたレーザビ
ームは、偏光ビームスプリッタ３０４の偏光方向に従っ
て二波に分岐される。各分岐光束Ａ，Ｂは、それぞれス
ケール３０１の回折格子３０２上の異なる二つの回折点
Ｐ１，Ｐ２に入射される。この際、各回折点Ｐ１，Ｐ２
で各分岐光束Ａ，Ｂの１次回折光Ａ１，Ｂ１が生成され
る。これらの各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、無偏光ビーム
スプリッタ３０５上の一点に集められて混合された後、
検出器３０６Ａ，３０６Ｂによって電気信号に変換され
る。

【０００６】従って、格子干渉型変位検出装置３００で
は、スケール３０１の移動量を干渉光の明暗として検出
するに際し、互いに逆方向に位相シフトされた１次回折
光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用しているので、スケール
３０１が回折格子３０２の一ピッチ分だけ変位したとす
ると、各検出器３０６Ａ，３０６Ｂからは、二周期分の
完全正弦波信号φＡ，φＢが得られる（二回の明暗が得
られる）。このため、回折格子３０２の一ピッチを光学
的に二分割したことになるので分解能の向上が図られて
いる。例えば、回折格子３０２の一ピッチを０．５μｍ
とすると、各検出器３０６Ａ，３０６Ｂから得られる正
弦波信号φＡ，φＢは、０．２５μｍの分解能に相当す
る周期となる。

【０００７】また、一方の検出器３０６Ｂに１／４波長
板３０９を設けたので、二つの検出器３０６Ａ，３０６
Ｂから得られる正弦波信号φＡ，φＢは、互いに９０度
位相の異なるものとなり、これによりスケール３０１の
変位方向を把握できるようになっている。

【０００８】ところが、このような透過型の回折格子３
０２をスケール３０１として用いた格子干渉型変位検出
装置３００の場合には、スケール３０１を両側（図６中
上下）から挟み込む状態で検出系を構成しなければなら
ないため、検出系が大型化する、あるいはスケール３０
１の取り付けの自由度が制限されてしまうという問題が
ある。これに対し、反射型の回折格子をスケールとして
用いることにより検出系の小型化やスケールの取り付け
自由度の向上を図ることが考えられる。図７には、前述
した図６の格子干渉型変位検出装置３００を単純にスケ
ールの位置で折り返した構成の格子干渉型変位検出装置
４００が示されている。

【０００９】格子干渉型変位検出装置４００は、レーザ
光源４０３から出射したレーザビームを、偏光ビームス
プリッタ４０４の偏光方向に従って二波に分岐し、これ
らの各分岐光束Ａ，Ｂを、スケール４０１の反射型の回
折格子４０２上の異なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２に入射
させるようになっている。そして、各回折点Ｐ１，Ｐ２
で生成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、無偏光ビーム
スプリッタ４０５で混合された後、検出器４０６Ａ，４
０６Ｂによって電気信号に変換されるようになってい
る。一方、各回折点Ｐ１，Ｐ２で生成された反射光（０
次光）Ａ０，Ｂ０は、それぞれ図中左右方向に除去され
るようになっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図７の格子干渉型変位検出装置４００では、光束分岐
手段を構成する偏光ビームスプリッタ４０４と、光束混
合手段を構成する無偏光ビームスプリッタ４０５とを近
接して配置しなければならないので、検出系を構成する
ことが困難であるうえ、装置が大型化してコストが増大
するという問題がある。

【００１１】本発明の目的は、検出系の構成を簡略化で
き、装置の小型化を図ることができる格子干渉型変位検
出装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、光
束分岐手段を構成する偏光ビームスプリッタを光束混合
手段に兼用させて前記目的を達成しようとするものであ
る。具体的には、本発明は、反射型の回折格子を有する
スケールと、光束を出射する光源と、この光源からの光
束を二波に分岐しかつその各分岐光束を前記スケールの
回折格子上の異なる二点に入射させる光束分岐手段と、
前記スケールの回折格子によって生成された複数の光束
を混合させる光束混合手段と、この光束混合手段によっ
て混合された混合波を電気信号に変換する２つの検出器
とを備えた格子干渉型変位検出装置であって、前記光束
分岐手段が、前記光源からの光束を互いに偏光方向が直
交する二波に分岐する偏光ビームスプリッタを含み構成
されるとともに、前記光束混合手段が、前記スケールの
回折格子上で回折された二つの光束の交点位置に配置さ
れ偏光方向に応じて一方の光束を反射させかつ他方の光
束を透過させることにより一つの混合波を生成する偏光
ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタで混合
された混合波を二波に分岐する無偏光ビームスプリッタ
とを含み構成され、前記光束分岐手段を構成する偏光ビ
ームスプリッタと前記光束混合手段を構成する偏光ビー
ムスプリッタとは、兼用され、前記２つの検出器のうち
の一方の検出器には、前記無偏光ムスプリッタで分岐さ
れた二波の混合波のうちの一方の混合波の一偏光成分の
みの位相を９０度遅らせる１／４波長板が設けられてい
ることを特徴とする。

【００１３】このような格子干渉型変位検出装置におい
ては、光源からの光束を光束分岐手段により二波に分岐
してスケールの反射型の回折格子上の異なる二点に入射
させ、これらの点で回折された二つの光束を光束混合手
段により混合し、この混合波を検出器により干渉させて
電気信号として検出することにより、スケールの変位を
把握する。この際、偏光ビームスプリッタが光束分岐手
段および光束混合手段に兼用されているので、前述した
格子干渉型変位検出装置４００（図７参照）のような光
束分岐手段を構成する偏光ビームスプリッタと光束混合
手段を構成する無偏光ビームスプリッタとを近接して配
置する場合に比べ、装置が簡略化され、装置の小型化、
コスト低減が図られる。

【００１４】そして、スケールとして反射型の回折格子
を用いているので、発光側の光学系（光源、光束分岐手
段、およびこれらを結ぶ各光路）と受光側の光学系（光
束混合手段、検出器、およびこれらを結ぶ各光路）とが
スケールの同一側に配置されるため、前述した透過型の
回折格子３０２をスケール３０１として用いた格子干渉
型変位検出装置３００（図６参照）の場合に比べ、装置
の小型化やスケールの取り付け自由度の向上が図られ、
これらにより前記目的が達成される。さらに、２つの検
出器のうち、一方の検出器に１／４波長板を設けたの
で、２つの検出器から得られる電気信号は、互いに９０
度位相の異なるものとなり、これによりスケールの変位
方向を把握することができる。

【００１５】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光源からの光束が分岐される前記偏光ビームス
プリッタ上の点と各分岐光束が入射される前記スケール
の回折格子上の点との間の二つの光路の途中に、互いに
直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるように
配置された一対の１／４波長板が設けられるとともに、
前記各分岐光束が入射される前記スケールの回折格子上
の点とこの点で回折された二つの光束が集まる前記偏光
ビームスプリッタ上の点との間の二つの光路の途中に、
互いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅らせる
ように配置された一対の１／４波長板が設けられている
ことを特徴とする。なお、ここでは、前記スケールの回
折格子に入射される各分岐光束の入射角と、これらの各
分岐光束が前記スケールの回折格子上で回折されて生成
された各１次回折光の回折角とは、異なる角度とする。

【００１６】このような一対の１／４波長板が二組設け
られた構成、つまり合計四枚の１／４波長板が設けられ
た構成とすれば、無偏光ビームスプリッタを偏光ビーム
スプリッタに対してレーザ光源とは反対側に配置するこ
とができるため、レーザ光源と検出器とを離して設置す
ることが可能となり、各機器の配置構成を容易に行うこ
とが可能となるうえ、装置の小型化が可能となり、さら
に各機器の熱的干渉（検出器に対する光源の熱の影響
等）が抑えられる。

【００１７】そして、前述したような１／４波長板を設
ける場合において、前記スケールの回折格子と前記偏光
ビームスプリッタとの間の各光路の途中に、兼用された
一対の１／４波長板を一組設けるようにすれば、合計二
枚の１／４波長板により前述した四枚分の１／４波長板
の機能が果たされるようになり、装置の構成が簡略化さ
れ、コスト低減がより一層図られる。

【００１８】さらに、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記スケールの回折格子に入射される各分岐光束の
入射角と、これらの各分岐光束が前記スケールの回折格
子上で回折されて生成された各１次回折光の回折角と
が、一致するように構成されるとともに、前記スケール
の回折格子と前記偏光ビームスプリッタとの間の二つの
光路の途中に、互いに直交する方位の偏光成分の位相を
９０度遅らせるように配置された一対の１／４波長板が
設けられていることを特徴とする。

【００１９】このような構成とすれば、入射角と回折角
とが一致しているので、スケールでの回折の効率が最大
となり、Ｓ／Ｎ比が向上されるとともに、１／４波長板
が設けられているので、レーザ光源と検出器とを離して
設置することが可能となり、各機器の配置構成の容易
化、装置の小型化、各機器の熱的干渉の抑制が確保され
る。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説
明する。 〔第一実施例〕図１には、本発明の第一実施例である格
子干渉型変位検出装置１０が示されている。格子干渉型
変位検出装置１０は、図中左右方向に変位可能に設けら
れかつその変位方向に沿って反射型の回折格子１２が形
成されたスケール１１と、図中左上に設けられたレーザ
ビームを出射するレーザ光源１３と、図中略中央にスケ
ール１１に対して直角をなすように設けられた偏光ビー
ムスプリッタ１４と、偏光ビームスプリッタ１４の右上
に偏光ビームスプリッタ１４と平行に設けられた無偏光
ビームスプリッタ１５と、この無偏光ビームスプリッタ
１５の両側に設けられた二つの検出器４１Ａ，４１Ｂと
を備えている。そして、これらのレーザ光源１３、偏光
ビームスプリッタ１４、無偏光ビームスプリッタ１５、
および各検出器４１Ａ，４１Ｂは、スケール１１に対し
て全て同じ側（図中上側）に設けられている。

【００２１】偏光ビームスプリッタ１４は、図中Ｒ点の
位置でレーザ光源１３からのレーザビームを互いに偏光
方向が直交する二つの分岐光束Ａ，Ｂに分岐するととも
に、これらの分岐光束Ａ，Ｂがスケール１１の回折格子
１２（回折点Ｐ１，Ｐ２）上で回折されて生成された二
つの１次回折光Ａ１，Ｂ１の交点位置（図中Ｒ点の位
置）に配置されこれらの１次回折光Ａ１，Ｂ１を混合す
るようになっている。

【００２２】無偏光ビームスプリッタ１５は、偏光ビー
ムスプリッタ１４により混合された二つの１次回折光Ａ
１，Ｂ１の混合波を偏光方向を変えずに二波に分岐し、
各検出器４１Ａ，４１Ｂに送るように配置されている。
ここで、偏光ビームスプリッタ１４により光束分岐手段
２１が構成され、偏光ビームスプリッタ１４、および無
偏光ビームスプリッタ１５により光束混合手段３１が構
成されている。つまり、偏光ビームスプリッタ１４は、
光束分岐手段２１および光束混合手段３１に兼用されて
いる。

【００２３】検出器４１Ａは、偏光ビームスプリッタ１
４で混合された後に無偏光ビームスプリッタ１５で分岐
された一方の混合波の一偏光成分のみの位相を９０度遅
らせる１／４波長板４２と、この１／４波長板４２を通
過した混合波の偏光方向を一致させて干渉させる偏光板
４３Ａと、この偏光板４３Ａで干渉させられた光束を電
気信号に変換する受光素子４４Ａとにより構成されてい
る。そして、検出器４１Ｂは、偏光ビームスプリッタ１
４で混合された後に無偏光ビームスプリッタ１５で分岐
された他方の混合波の偏光方向を一致させて干渉させる
偏光板４３Ｂと、この偏光板４３Ｂで干渉させられた光
束を電気信号に変換する受光素子４４Ｂとにより構成さ
れている。

【００２４】レーザ光源１３からの光束が分岐される偏
光ビームスプリッタ１４上の点Ｒとこの点Ｒで分岐され
た各分岐光束Ａ，Ｂが入射されるスケール１１の回折格
子１２上の異なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２との間の二つ
の光路の途中には、一対の１／４波長板５１Ａ，５１Ｂ
が設けられている。これらの１／４波長板５１Ａ，５１
Ｂは、各分岐光束Ａ，Ｂ（直線偏光）の偏光方向に対し
て４５度位相遅れの方位を傾けて配置されるとともに、
互いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅らせる
ように９０度方位をずらして配置されている。

【００２５】従って、分岐光束Ａとその１次回折光Ａ１
とは、１／４波長板５１Ａを二回通過するので、一偏光
成分のみの位相が１８０度遅れるようになり、結局、１
／４波長板５１Ａを通過する前の分岐光束Ａ（直線偏
光）と１／４波長板５１Ａを通過した後の１次回折光Ａ
１（直線偏光）とは、偏光方向が９０度回転した状態と
なる。そして、分岐光束Ｂとその１次回折光Ｂ１との関
係も同様であり、１／４波長板５１Ｂを通過する前の分
岐光束Ｂ（直線偏光）と１／４波長板５１Ｂを通過した
後の１次回折光Ｂ１（直線偏光）とは、偏光方向が９０
度回転した状態となる。これにより、偏光ビームスプリ
ッタ１４上の点Ｒでは、１次回折光Ａ１は透過され、１
次回折光Ｂ１は反射され、レーザ光源１３とは反対側に
向かう一つの混合波が生成されるようになっている。

【００２６】図２には、スケール１１の拡大断面が示さ
れている。スケール１１は、図中上側に配置されたガラ
ス１１Ａと、下側に配置されたミラー面１１Ｂと、これ
らの間に挟まれた体積位相型の回折格子（ホログラム回
折格子）１２とが積層された構造を有している。

【００２７】また、図３に示すように、回折格子１２と
ミラー面１１Ｂとの間に、隙間Ｄが形成される場合に
は、この隙間Ｄを次のように適切な寸法に調整してお
く。すなわち、図３において、入射光Ｃに対して、回折
格子１２で生成される光束は次の四種類であり、（１）
回折格子１２で回折された後にミラー面１１Ｂで反射さ
れて回折格子１２を透過する光束Ｃ１と、（２）回折格
子１２を透過した後にミラー面１１Ｂで反射されて回折
格子１２で回折される光束Ｃ２と、（３）回折格子１２
を透過した後にミラー面１１Ｂで反射されて再び回折格
子１２を透過する光束Ｃ３と、（４）回折格子１２で回
折された後にミラー面１１Ｂで反射されて再び回折格子
１２で回折される光束Ｃ４とがある。

【００２８】これらのうち光束Ｃ１，Ｃ２は、回折格子
１２で一回回折された１次回折光であるため、スケール
１１の移動によって位相変化を生じる光束である。この
ため、前述した隙間Ｄを光束の幅に対して充分に小さい
ものとする場合には、これらの光束Ｃ１，Ｃ２が干渉す
ることによって光強度を強め合うように隙間Ｄを調整す
るとともに、スケール１１のストローク中において隙間
Ｄが一定に保たれるようにしておく。また、隙間Ｄを比
較的大きくする場合（例えば、光束の幅が１ｍｍ程度の
時に隙間Ｄを３ｍｍ程度とする場合など）には、二つの
光束Ｃ１，Ｃ２のうちいずれか一方の光束のみを利用
し、他方の光束はスケール１１から出射した後に遮断す
る等して利用しないようにしてもよい。

【００２９】なお、残りの二つの光束Ｃ３，Ｃ４は、回
折格子１２で一回も回折されないか、あるいは二回回折
されるため、スケール１１の移動によって位相変化を生
じない光束であり、共に反射光（０次光）として取り扱
うことができる。また、このような回折格子１２として
は、例えば、格子ピッチが５００ｎｍ程度、レーザ光源
１３の波長が７８０ｎｍ程度のものを採用することがで
きる。

【００３０】このような第一実施例においては、以下の
ようにスケール１１の移動量が検出される。先ず、レー
ザ光源１３から出射されたレーザビームは、偏光ビーム
スプリッタ１４の偏光方向に従って図１中Ｒ点上で二波
に分岐される。各分岐光束Ａ，Ｂは、それぞれ１／４波
長板５１Ａ，５１Ｂを通過した後、スケール１１の回折
格子１２上の異なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２に入射され
る。この際、各回折点Ｐ１，Ｐ２で各分岐光束Ａ，Ｂの
１次回折光Ａ１，Ｂ１および反射光（０次光）Ａ０，Ｂ
０が生成される。なお、各回折点Ｐ１，Ｐ２において、
各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への入射角θ１
と、各１次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とは、一致し
ている。

【００３１】次に、各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、それぞ
れ１／４波長板５１Ａ，５１Ｂを通過し、偏光ビームス
プリッタ１４上の一点（図１中Ｒ点）に至る。そして、
このＲ点で偏光ビームスプリッタ１４により１次回折光
Ａ１の透過光と１次回折光Ｂ１の反射光とが混合され
る。その後、この混合波は無偏光ビームスプリッタ１５
により二波に分岐された後、検出器４１Ａ，４１Ｂによ
って電気信号に変換される。一方、各０次光Ａ０，Ｂ０
は、各回折点Ｐ１，Ｐ２の位置でそれぞれ図中左右方向
に除去される。

【００３２】このような第一実施例によれば、次のよう
な効果がある。すなわち、偏光ビームスプリッタ１４が
光束分岐手段２１および光束混合手段３１に兼用されて
いるので、前述した格子干渉型変位検出装置４００（図
７参照）のような光束分岐手段を構成する偏光ビームス
プリッタと光束混合手段を構成する無偏光ビームスプリ
ッタとを近接して配置する場合に比べ、装置を簡略化で
きるため、装置の小型化、コスト低減を図ることができ
る。

【００３３】そして、各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，
Ｐ２への入射角θ１と、各１次回折光Ａ１，Ｂ１の回折
角θ２とが一致しているので、回折の効率を最大にする
ことができ、Ｓ／Ｎ比を向上できる。

【００３４】さらに、スケール１１として反射型の回折
格子１２を用いているので、発光側の光学系と受光側の
光学系とを全てスケール１１の同一側に配置でき、前述
した透過型の回折格子３０２をスケール３０１として用
いた格子干渉型変位検出装置３００（図６参照）の場合
に比べ、装置の小型化やスケールの取り付け自由度の向
上を図ることができる。

【００３５】また、一対の１／４波長板５１Ａ，５１Ｂ
が設けられているので、無偏光ビームスプリッタ１５を
偏光ビームスプリッタ１４に対してレーザ光源１３とは
反対側に配置することができるため、レーザ光源１３と
各検出器４１Ａ，４１Ｂとを離して設置することがで
き、各機器の配置構成を容易に行うことができるうえ、
装置の小型化を図ることができ、さらに各機器の熱的干
渉を抑えることができる。

【００３６】さらに、スケール１１の移動量を干渉光の
明暗として検出するに際し、互いに逆方向に位相シフト
された１次回折光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用している
ので、スケール１１が回折格子１２の一ピッチ分だけ変
位したとすると、各検出器４１Ａ，４１Ｂからは、二周
期分の完全正弦波信号φＡ，φＢを得ることができる
（二回の明暗を得ることができる）。このため、回折格
子１２の一ピッチを光学的に二分割したことになるの
で、分解能の向上を図ることができる。

【００３７】また、一方の検出器４１Ａに１／４波長板
４２を設けたので、二つの検出器４１Ａ，４１Ｂから得
られる正弦波信号φＡ，φＢは、互いに９０度位相の異
なるものとなり、これによりスケール１１の変位方向を
把握することができる。

【００３８】〔第二実施例〕図４には、本発明の第二実
施例である格子干渉型変位検出装置６０が示されてい
る。格子干渉型変位検出装置６０は、前記第一実施例の
格子干渉型変位検出装置１０と略同様な構成を有し、入
射角θ１と回折角θ２との関係が異なるのみであるの
で、同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略
し、以下には異なる部分のみを説明する。

【００３９】前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置
１０では、各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への入
射角θ１と、各１次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とが
一致していたが、本第二実施例では、これらの入射角θ
１と回折角θ２とは異なっている。従って、図４におい
て、レーザ光源１３からの光束が二波に分岐される偏光
ビームスプリッタ１４上の点Ｒの位置と、スケール１１
の回折格子１２上の各回折点Ｐ１，Ｐ２で回折された各
１次回折光Ａ１，Ｂ１が集まる偏光ビームスプリッタ１
４上の点Ｋの位置とは、異なっている。

【００４０】また、偏光ビームスプリッタ１４とスケー
ル１１の回折格子１２との間の各光路には、前記第一実
施例の一対の１／４波長板５１Ａ，５１Ｂと同様な機能
を有する一対の１／４波長板６１Ａ，６１Ｂが設けられ
ている。つまり、図４中左側の１／４波長板６１Ａは、
レーザ光源１３からの光束が二波に分岐される偏光ビー
ムスプリッタ１４上の点Ｒと分岐光束Ａが入射するスケ
ール１１の回折格子１２上の回折点Ｐ１との間の光路、
および回折点Ｐ１とこの回折点Ｐ１で回折された１次回
折光Ａ１が偏光ビームスプリッタ１４上に至る点Ｋとの
間の光路の近接する二つの光路に跨がるように設けられ
ている。

【００４１】同様に図４中右側の１／４波長板６１Ｂ
は、レーザ光源１３からの光束が二波に分岐される偏光
ビームスプリッタ１４上の点Ｒと分岐光束Ｂが入射する
スケール１１の回折格子１２上の回折点Ｐ２との間の光
路、および回折点Ｐ２とこの回折点Ｐ２で回折された１
次回折光Ｂ１が偏光ビームスプリッタ１４上に至る点Ｋ
との間の光路の近接する二つの光路に跨がるように設け
られている。これらの１／４波長板６１Ａ，６１Ｂは、
前記第一実施例の１／４波長板５１Ａ，５１Ｂと同様
に、各分岐光束Ａ，Ｂ（直線偏光）の偏光方向に対して
４５度位相遅れの方位を傾けて配置されるとともに、互
いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるよ
うに９０度方位をずらして配置されている。

【００４２】このような第二実施例においては、各分岐
光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への入射角θ１と、各１
次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とが一致していないた
め、各１次回折光Ａ１，Ｂ１が偏光ビームスプリッタ１
４上の点Ｒではなく点Ｋに集まることを除いては、前記
第一実施例と同様に作用する。

【００４３】このような第二実施例によれば、前記第一
実施例と同様に、偏光ビームスプリッタ１４が光束分岐
手段２１および光束混合手段３１に兼用されているの
で、装置を簡略化できるため、装置の小型化、コスト低
減を図ることができるという効果がある。

【００４４】また、前記第一実施例の１／４波長板５１
Ａ，５１Ｂと同様な機能を果たす１／４波長板６１Ａ，
６１Ｂが設けられているので、前記第一実施例と同様
に、レーザ光源１３と各検出器４１Ａ，４１Ｂとを離し
て設置することができ、各機器の配置構成の容易化、装
置の小型化、各機器の熱的干渉の抑制を図ることができ
る。

【００４５】そして、１／４波長板６１Ａ，６１Ｂは、
それぞれ二つの光路に跨がるように設けられているの
で、四つの光路（偏光ビームスプリッタ１４上の点Ｒと
回折点Ｐ１との間の光路、回折点Ｐ１と偏光ビームスプ
リッタ１４上の点Ｋとの間の光路、偏光ビームスプリッ
タ１４上の点Ｒと回折点Ｐ２との間の光路、回折点Ｐ２
と偏光ビームスプリッタ１４上の点Ｋとの間の光路）に
別々に四枚の１／４波長板を設けて同様な機能を得る場
合に比べ、装置の構成を簡略化することができ、コスト
低減を図ることができる。

【００４６】さらに、前記第一実施例と同様に、互いに
逆方向に位相シフトされた１次回折光Ａ１，Ｂ１同士の
干渉を利用しているので、分解能の向上効果を得ること
ができるうえ、一方の検出器４１Ａに１／４波長板４２
を設けたので、スケール１１の変位方向を把握すること
ができる。

【００４７】〔第三実施例〕図５には、本発明の第三実
施例である格子干渉型変位検出装置７０が示されてい
る。格子干渉型変位検出装置７０は、前記第二実施例の
格子干渉型変位検出装置６０（図４参照）と略同様な構
成を有し、１／４波長板の設置の有無と各検出器４１
Ａ，４１Ｂおよび無偏光ビームスプリッタ１５の配置位
置とが異なるのみであるので、同一部分には同一符号を
付して詳しい説明は省略し、以下には異なる部分のみを
説明する。

【００４８】前記第二実施例の格子干渉型変位検出装置
６０では、一対の１／４波長板６１Ａ，６１Ｂが設けら
れていたが、本第三実施例では、これらに相当する１／
４波長板は設けられていない。従って、偏光ビームスプ
リッタ１４上のＫ点では、１次回折光Ａ１が反射され、
１次回折光Ｂ１が透過され、レーザ光源１３と同じ側に
向かう一つの混合波が生成されるようになっている。こ
のため、この混合波を分岐する無偏光ビームスプリッタ
１５および各検出器４１Ａ，４１Ｂは、前記第二実施例
とは逆側、つまり偏光ビームスプリッタ１４に対してレ
ーザ光源１３と同じ側に設けられている。

【００４９】また、本第三実施例では、前記第二実施例
と同様に、各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への入
射角θ１と、各１次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２と
が、異なっている。

【００５０】このような第三実施例によれば、前記第
一、第二実施例と同様に、偏光ビームスプリッタ１４が
光束分岐手段２１および光束混合手段３１に兼用されて
いるので、装置を簡略化できるため、装置の小型化、コ
スト低減を図ることができるという効果がある。

【００５１】さらに、前記第一、第二実施例と同様に、
互いに逆方向に位相シフトされた１次回折光Ａ１，Ｂ１
同士の干渉を利用しているので、分解能の向上効果を得
ることができるうえ、一方の検出器４１Ａに１／４波長
板４２を設けたので、スケール１１の変位方向を把握す
ることができる。

【００５２】なお、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成も含
み、例えば以下に示すような変形等も本発明に含まれる
ものである。すなわち、前記各実施例では、スケール１
１は、図２または図３に示すようなガラス１１Ａと体積
位相型の回折格子（ホログラム回折格子）１２とミラー
面１１Ｂとによる積層構造となっていたが、スケール１
１はこのような構造に限定されるものではなく、例え
ば、ミラーの表面に回折格子を形成したスケールなどで
あってもよく、要するに反射型の回折格子を有するスケ
ールであればよい。

【００５３】そして、回折格子１２のピッチ、レーザ光
源１３の波長は、それぞれ前記各実施例で挙げられてい
た５００ｎｍ程度、７８０ｎｍ程度のものが好適である
が、このような数値に限定されるものではなく、本発明
の構成を実施できれば適宜な数値を選択してよい。

【００５４】さらに、前記各実施例では、無偏光ビーム
スプリッタ１５は、偏光ビームスプリッタ１４と平行に
設けられていたが、無偏光ビームスプリッタ１５の設置
方向は任意であり、要するに、偏光ビームスプリッタ１
４により混合された混合波を二波に分岐できればよい。

【００５５】また、前記第二実施例では、それぞれ二つ
の光路に跨がった１／４波長板６１Ａ，６１Ｂが設けら
れていたが、四つの光路（偏光ビームスプリッタ１４上
の点Ｒと回折点Ｐ１との間の光路、回折点Ｐ１と偏光ビ
ームスプリッタ１４上の点Ｋとの間の光路、偏光ビーム
スプリッタ１４上の点Ｒと回折点Ｐ２との間の光路、回
折点Ｐ２と偏光ビームスプリッタ１４上の点Ｋとの間の
光路）に別々に四枚の１／４波長板を設けて同様な機能
を得るようにしてもよい。

【００５６】さらに、前記各実施例では、レーザ光源１
３、光束分岐手段２１、光束混合手段３１、および検出
器４１Ａ，４１Ｂなどの光学系に対してスケール１１が
変位可能に設けられていたが、スケール１１に対してこ
れらの光学系が変位するものであってもよく、あるいは
両者が共に変位するものであってもよく、要するに、ス
ケール１１と光学系とが相対変位するようになっていれ
ばよい。

【００５７】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、偏
光ビームスプリッタが光束分岐手段および光束混合手段
に兼用されているので、装置を簡略化できるため、装置
の小型化、コスト低減を図ることができるという効果が
ある。

【００５８】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
に、一対の１／４波長板を二組設けた場合、つまり合計
四枚の１／４波長板を設けた場合には、無偏光ビームス
プリッタを偏光ビームスプリッタに対してレーザ光源と
は反対側に配置することができるため、レーザ光源と検
出器とを離して設置することができ、各機器の配置構成
の容易化、装置の小型化をより一層図ることができるう
え、各機器の熱的干渉を抑えることができるという効果
がある。

【００５９】そして、前述したような１／４波長板を設
ける場合において、スケールの回折格子と偏光ビームス
プリッタとの間の各光路の途中に、兼用された一対の１
／４波長板を一組設けるようにすれば、合計二枚の１／
４波長板により前述した四枚分の１／４波長板の機能を
果たすことができるので、装置の構成を簡略化でき、コ
スト低減をより一層図ることができるという効果があ
る。

【００６０】さらに、スケールの回折格子に入射される
各分岐光束の入射角と各１次回折光の回折角とを一致さ
せかつスケールの回折格子と偏光ビームスプリッタとの
間の二つの光路の途中に一対の１／４波長板を設けた場
合には、入射角と回折角との一致により、スケールでの
回折の効率を最大にでき、Ｓ／Ｎ比を向上できるうえ、
１／４波長板の設置により、レーザ光源と検出器とを離
して設置することができ、各機器の配置構成の容易化、
装置の小型化、各機器の熱的干渉の抑制を図ることがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す構成図。

【図２】前記第一実施例のスケールの断面図。

【図３】前記第一実施例のスケールの別の断面図。

【図４】本発明の第二実施例を示す構成図。

【図５】本発明の第三実施例を示す構成図。

【図６】従来例を示す構成図。

【図７】前記従来例を単純にスケールの位置で折り返し
た検出系の構成図。

【符号の説明】

１０，６０，７０ 格子干渉型変位検出装置 １１ スケール １２ 反射型の回折格子 １３ レーザ光源 １４ 光束分岐手段および光束混合手段に兼用された偏
光ビームスプリッタ １５ 無偏光ビームスプリッタ ２１ 光束分岐手段 ３１ 光束混合手段 ４１Ａ，４１Ｂ 検出器 ５１Ａ，５１Ｂ，６１Ａ，６１Ｂ １／４波長板 Ａ，Ｂ 分岐光束 Ａ１，Ｂ１ １次回折光 Ｐ１，Ｐ２ 回折点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 哲郎 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株式会社ミツトヨ内 (56)参考文献 特開 平２−110319（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−298816（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01D 5/26 - 5/38

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射型の回折格子を有するスケールと、
   光束を出射する光源と、この光源からの光束を二波に分
   岐しかつその各分岐光束を前記スケールの回折格子上の
   異なる二点に入射させる光束分岐手段と、前記スケール
   の回折格子によって生成された複数の光束を混合させる
   光束混合手段と、この光束混合手段によって混合された
   混合波を電気信号に変換する２つの検出器とを備えた格
   子干渉型変位検出装置であって、 前記光束分岐手段は、前記光源からの光束を互いに偏光
   方向が直交する二波に分岐する偏光ビームスプリッタを
   含み構成されるとともに、 前記光束混合手段は、前記スケールの回折格子上で回折
   された二つの光束の交点位置に配置され偏光方向に応じ
   て一方の光束を反射させかつ他方の光束を透過させるこ
   とにより一つの混合波を生成する偏光ビームスプリッタ
   と、この偏光ビームスプリッタで混合された混合波を二
   波に分岐する無偏光ビームスプリッタとを含み構成さ
   れ、 前記光束分岐手段を構成する偏光ビームスプリッタと前
   記光束混合手段を構成する偏光ビームスプリッタとは、
   兼用され、 前記２つの検出器のうちの一方の検出器には、前記無偏
   光ムスプリッタで分岐された二波の混合波のうちの一方
   の混合波の一偏光成分のみの位相を９０度遅らせる１／
   ４波長板が設けられ ていることを特徴とする格子干渉型
   変位検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記光源からの光束が分岐される前記偏
   光ビームスプリッタ上の点と各分岐光束が入射される前
   記スケールの回折格子上の点との間の二つの光路の途中
   には、互いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅
   らせるように配置された一対の１／４波長板が設けられ
   るとともに、 前記各分岐光束が入射される前記スケールの回折格子上
   の点とこの点で回折された二つの光束が集まる前記偏光
   ビームスプリッタ上の点との間の二つの光路の途中に
   は、互いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅ら
   せるように配置された一対の１／４波長板が設けられて
   いることを特徴とする格子干渉型変位検出装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記スケールの回折格子と前記偏光ビー
   ムスプリッタとの間の各光路の途中には、兼用された一
   対の１／４波長板が一組設けられていることを特徴とす
   る格子干渉型変位検出装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記スケールの回折格子に入射される各
   分岐光束の入射角と、これらの各分岐光束が前記スケー
   ルの回折格子上で回折されて生成された各１次回折光の
   回折角とが、一致するように構成されるとともに、 前記スケールの回折格子と前記偏光ビームスプリッタと
   の間の二つの光路の途中には、互いに直交する方位の偏
   光成分の位相を９０度遅らせるように配置された一対の
   １／４波長板が設けられていることを特徴とする格子干
   渉型変位検出装置。