JP3501529B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents
光学式変位測定装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光学式変位測定装置に関
し、特に移動物体に設けた回折格子に照射された光束が
回折、散乱されるとき、その回折、散乱光束が物体の変
位や移動速度に応じた位相変調作用を受けることを利用
した、物体の変位や速度を測定するエンコーダ、速度セ
ンサ、加速度センサ、長さ測定装置等に好適に適用し得
るものである。
し、特に移動物体に設けた回折格子に照射された光束が
回折、散乱されるとき、その回折、散乱光束が物体の変
位や移動速度に応じた位相変調作用を受けることを利用
した、物体の変位や速度を測定するエンコーダ、速度セ
ンサ、加速度センサ、長さ測定装置等に好適に適用し得
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より高精度に物体の移動量や変位量
などを求める装置として光を物体に設けた回折格子に照
射してそこから回折、散乱された光束の干渉を利用す
る、たとえば光学式エンコーダ、レーザドップラー速度
計、レーザ干渉計等の光学式変位測定装置が利用されて
きた。
などを求める装置として光を物体に設けた回折格子に照
射してそこから回折、散乱された光束の干渉を利用す
る、たとえば光学式エンコーダ、レーザドップラー速度
計、レーザ干渉計等の光学式変位測定装置が利用されて
きた。
【０００３】これらの光の干渉を利用した光学式変位測
定装置の特徴は、光の波長オーダーの高精度、高分解能
が得られることであるが、より広い分野に応用するには
装置の小型化（ミリオーダーのサイズ）、干渉光学系の
安定化、『取り扱いやすさ』および耐久性の向上が必要
である。
定装置の特徴は、光の波長オーダーの高精度、高分解能
が得られることであるが、より広い分野に応用するには
装置の小型化（ミリオーダーのサイズ）、干渉光学系の
安定化、『取り扱いやすさ』および耐久性の向上が必要
である。
【０００４】光学式変位測定装置として小型化を図った
ものが例えば実開平1-180615号公報、 特開昭62-121314
号公報、 特開平3-279812号公報で提案されている。
ものが例えば実開平1-180615号公報、 特開昭62-121314
号公報、 特開平3-279812号公報で提案されている。
【０００５】図１６は、実開平1-180615号公報に開示さ
れた光学エンコーダの説明図である。同図において光源
４２から発散された光束は、基板４６の穴４６Ａを通
り、スリットアレイ１４によって線状光線アレイに変換
され、メインスケール４０上の格子に照射される。そし
て、その底面１２から反射される光束によってインデッ
クス格子１６上にスケール４０の格子が投影され、両者
の幾何学的重なりによって基板４６上の受光素子４８へ
入射する光量が変調されることを測定原理としている。
この原理によると小型化できるが、分解能には限界があ
る。
れた光学エンコーダの説明図である。同図において光源
４２から発散された光束は、基板４６の穴４６Ａを通
り、スリットアレイ１４によって線状光線アレイに変換
され、メインスケール４０上の格子に照射される。そし
て、その底面１２から反射される光束によってインデッ
クス格子１６上にスケール４０の格子が投影され、両者
の幾何学的重なりによって基板４６上の受光素子４８へ
入射する光量が変調されることを測定原理としている。
この原理によると小型化できるが、分解能には限界があ
る。
【０００６】図１７は、特開昭62-121314 号公報に開示
された光学式エンコーダの説明図であり、回折格子を３
枚使ったエンコーダの基本光学系（英国特許公開公報第
1474049 号）を小型化するための１つの有効な改善構成
例である。同図において発光素子５１から発散された光
束は、レンズ５２によって平行光束にされ、インデック
ススケールＡ上の格子ＧＫ（Ａ）を透過する際に回折さ
れ、３方向に向かう回折光束を生じる。
された光学式エンコーダの説明図であり、回折格子を３
枚使ったエンコーダの基本光学系（英国特許公開公報第
1474049 号）を小型化するための１つの有効な改善構成
例である。同図において発光素子５１から発散された光
束は、レンズ５２によって平行光束にされ、インデック
ススケールＡ上の格子ＧＫ（Ａ）を透過する際に回折さ
れ、３方向に向かう回折光束を生じる。
【０００７】次いでスケールＢの格子ＧＫ（Ｂ）にて各
々の光束が回折され、相対移動による位相変調を受けて
インデックス格子Ａ上の格子ＧＫ（Ａ）に戻されて、イ
ンデックス格子４による回折により３組の干渉光束が発
生し、異なる方位に設けた受光素子へ入射する。この構
成により、小型化と高分解能を両立させている。
々の光束が回折され、相対移動による位相変調を受けて
インデックス格子Ａ上の格子ＧＫ（Ａ）に戻されて、イ
ンデックス格子４による回折により３組の干渉光束が発
生し、異なる方位に設けた受光素子へ入射する。この構
成により、小型化と高分解能を両立させている。
【０００８】図１８は、特開平3-279812号公報に開示さ
れたよる光学式エンコーダの説明図であり、高精度と簡
易小型化にするために有効な例である。図中、６１は発
光素子、６２はレンズ、６３、６４は回折格子、６５ａ
は受光素子である。
れたよる光学式エンコーダの説明図であり、高精度と簡
易小型化にするために有効な例である。図中、６１は発
光素子、６２はレンズ、６３、６４は回折格子、６５ａ
は受光素子である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
の光学式変位測定装置はいずれも小型化、高精度化され
ているが、共通して以下のような課題が存在する。
の光学式変位測定装置はいずれも小型化、高精度化され
ているが、共通して以下のような課題が存在する。
【００１０】これらは何れも発光素子から射出された
光を左右に２分割、叉はそれ以上に分割し、その干渉光
束を受光素子で受光している。しかし、回折格子で回折
された複数の光束の干渉状態をすべて等しく、一定状態
に調整する事は非常に困難である。その結果、領域が異
なる部分から得られる干渉信号の振幅と位相差は安定し
ない。
光を左右に２分割、叉はそれ以上に分割し、その干渉光
束を受光素子で受光している。しかし、回折格子で回折
された複数の光束の干渉状態をすべて等しく、一定状態
に調整する事は非常に困難である。その結果、領域が異
なる部分から得られる干渉信号の振幅と位相差は安定し
ない。
【００１１】また同一の干渉光束内で分割される光束
も本体分解能を向上させればさせるほど、取付誤差等の
影響で干渉状態が変動し易くなり、各相から出力される
位相差が不安定になる。よって、この様な構成をとる限
り、高分解能の変位測定装置を構成するのは実用上困難
である。
も本体分解能を向上させればさせるほど、取付誤差等の
影響で干渉状態が変動し易くなり、各相から出力される
位相差が不安定になる。よって、この様な構成をとる限
り、高分解能の変位測定装置を構成するのは実用上困難
である。
【００１２】発光源が拡がりを持っている場合、平行
光を作り出す事は困難である。
光を作り出す事は困難である。
【００１３】以下では図１８に示す従来の光学式エンコ
ーダーの様な３枚の回折格子を使用する場合、投光手
段、受光手段、第１の回折格子と第３の回折格子とが設
けられたヘッド部と被測定物体に取り付けられ、第２の
回折格子を有するスケール部との相対的な取り付け誤差
によって発生する干渉状態の変動について説明する。
ーダーの様な３枚の回折格子を使用する場合、投光手
段、受光手段、第１の回折格子と第３の回折格子とが設
けられたヘッド部と被測定物体に取り付けられ、第２の
回折格子を有するスケール部との相対的な取り付け誤差
によって発生する干渉状態の変動について説明する。
【００１４】図１９は３格子型の光学式変位測定装置の
要部概略図である。図中、１は発光素子、３は受光素
子、２０は被検移動物体に設置したスケールである。Ｇ
１は光束分割用の回折格子、Ｇ２はスケールに設置され
た回折格子、Ｇ３は光束重畳用の回折格子である。３つ
の回折格子のピッチは同じで、以後回折格子のピッチを
Ｐと表示する。
要部概略図である。図中、１は発光素子、３は受光素
子、２０は被検移動物体に設置したスケールである。Ｇ
１は光束分割用の回折格子、Ｇ２はスケールに設置され
た回折格子、Ｇ３は光束重畳用の回折格子である。３つ
の回折格子のピッチは同じで、以後回折格子のピッチを
Ｐと表示する。
【００１５】この部分の動作を説明する。発光素子１か
ら出射した光束は回折格子Ｇ１で透過回折を受け、複数
の光に分かれる。そのうち０次回折光Ｒ0 は直進してが
スケール２０に入射し、回折格子Ｇ２に入射する（その
中心光線は点Ｐ１に入射する）。この光束はここで反射
回折を受けて複数の光束に分かれる。同時にこれらの光
束はスケールの移動△ｘによって＋２π△ｘ／Ｐの位相
変調を受ける。これらの光束のうちの＋１次回折光Ｒ0+
1 が回折格子Ｇ３に向かい、回折格子Ｇ３に入射する
（その中心光線は点Ｏ３に入射する）。この光束はここ
で透過回折を受けて再び複数の光束に分かれ、そのうち
の−１次回折光Ｒ0+1-1 が回折格子Ｇ３から垂直に出射
する。この光束は＋２π△ｘ／Ｐの位相のずれを有して
いる。
ら出射した光束は回折格子Ｇ１で透過回折を受け、複数
の光に分かれる。そのうち０次回折光Ｒ0 は直進してが
スケール２０に入射し、回折格子Ｇ２に入射する（その
中心光線は点Ｐ１に入射する）。この光束はここで反射
回折を受けて複数の光束に分かれる。同時にこれらの光
束はスケールの移動△ｘによって＋２π△ｘ／Ｐの位相
変調を受ける。これらの光束のうちの＋１次回折光Ｒ0+
1 が回折格子Ｇ３に向かい、回折格子Ｇ３に入射する
（その中心光線は点Ｏ３に入射する）。この光束はここ
で透過回折を受けて再び複数の光束に分かれ、そのうち
の−１次回折光Ｒ0+1-1 が回折格子Ｇ３から垂直に出射
する。この光束は＋２π△ｘ／Ｐの位相のずれを有して
いる。
【００１６】一方、回折格子Ｇ１で回折した光のうち＋
１次回折光Ｒ+1は斜めに進んでスケール２０に入射する
（その中心光線は点Ｐ２に入射する）。この光束はここ
で反射回折を受けて複数の光束に分かれる。同時にこれ
らの光束はスケールの移動△ｘによって−２π△ｘ／Ｐ
の位相変調を受ける。これらの光束のうちの−１次回折
光Ｒ+1-1が回折格子Ｇ３に向かい、ここで透過回折を受
けて再び複数の光束に分かれ、そのうちの０次回折光Ｒ
+1-10 が回折格子Ｇ３から垂直に出射する。この光束は
−２π△ｘ／Ｐの位相のずれを有している。
１次回折光Ｒ+1は斜めに進んでスケール２０に入射する
（その中心光線は点Ｐ２に入射する）。この光束はここ
で反射回折を受けて複数の光束に分かれる。同時にこれ
らの光束はスケールの移動△ｘによって−２π△ｘ／Ｐ
の位相変調を受ける。これらの光束のうちの−１次回折
光Ｒ+1-1が回折格子Ｇ３に向かい、ここで透過回折を受
けて再び複数の光束に分かれ、そのうちの０次回折光Ｒ
+1-10 が回折格子Ｇ３から垂直に出射する。この光束は
−２π△ｘ／Ｐの位相のずれを有している。
【００１７】回折格子Ｇ３から垂直に出射する２つの光
束は夫々＋２π△ｘ／Ｐと−２π△ｘ／Ｐの位相のずれ
をもっているので、２つの光束が干渉すると４π△ｘ／
Ｐの位相差が生じる。従って△ｘ＝Ｐ／２、即ち回折格
子Ｇ２の１／２ピッチの移動で１周期の明暗が発生す
る。この明暗を受光素子３からの信号でもってカウント
してスケール２０の移動量を測定している。
束は夫々＋２π△ｘ／Ｐと−２π△ｘ／Ｐの位相のずれ
をもっているので、２つの光束が干渉すると４π△ｘ／
Ｐの位相差が生じる。従って△ｘ＝Ｐ／２、即ち回折格
子Ｇ２の１／２ピッチの移動で１周期の明暗が発生す
る。この明暗を受光素子３からの信号でもってカウント
してスケール２０の移動量を測定している。
【００１８】図１９は３つの回折格子が理想的な配置で
設定されている図である。この配置に於いてＸＹＺ座標
系を図１９に図示するように設定する。即ち原点を回折
格子Ｇ２面内に、Ｘ軸は格子配列方向に、Ｙ軸は格子線
方向に、Ｚ軸はＸ，Ｙ軸に直交して設ける。この理想的
配置においてはＸ−Ｙ平面は回折格子Ｇ２面である。
尚、３つの回折格子は夫々の格子線方向及び格子配列方
向が一致しているので、以後格子線方向はＹ方向、格子
配列方向はＸ方向と呼ぶこととする。
設定されている図である。この配置に於いてＸＹＺ座標
系を図１９に図示するように設定する。即ち原点を回折
格子Ｇ２面内に、Ｘ軸は格子配列方向に、Ｙ軸は格子線
方向に、Ｚ軸はＸ，Ｙ軸に直交して設ける。この理想的
配置においてはＸ−Ｙ平面は回折格子Ｇ２面である。
尚、３つの回折格子は夫々の格子線方向及び格子配列方
向が一致しているので、以後格子線方向はＹ方向、格子
配列方向はＸ方向と呼ぶこととする。
【００１９】図１９の理想的配置に対して回折格子Ｇ２
の取付誤差は、３軸Ｘ，Ｙ，及びＺ軸の回りの回転とし
て発生する。本明細書においてはＹ軸を軸とする回折格
子Ｇ２の回転取付誤差を『カイテン角（φ）』と、また
Ｚ軸を軸とする回折格子Ｇ２の回転取付誤差を『アジマ
ス角（η）』と呼ぶ事にする。
の取付誤差は、３軸Ｘ，Ｙ，及びＺ軸の回りの回転とし
て発生する。本明細書においてはＹ軸を軸とする回折格
子Ｇ２の回転取付誤差を『カイテン角（φ）』と、また
Ｚ軸を軸とする回折格子Ｇ２の回転取付誤差を『アジマ
ス角（η）』と呼ぶ事にする。
【００２０】３格子型の光学式変位測定装置の場合、図
１０に示すアジマス角ηの取付誤差によって干渉２光
束、Ｒ0+1-1 とＲ+1-10 の角度差θは図１２の様にな
り、図１１に示すカイテン角の取付誤差により干渉２光
束の角度差は図１３の様になる。平行光を用いた場合、
図１１のカイテン角の取付誤差について、干渉２光束の
角度差はあまり生じないが（取付誤差の1/100 以下）、
図１０のアジマス角の取付誤差があれば干渉２光束の角
度差が図１２の様に大きくつき、干渉状態が不安定とな
ってしまう。例えば回折格子のピッチが1.6 μm で、光
の波長が0.78μm 、センサの大きさが１mm×１mmの場
合、アジマス角が４０秒程度の時、２光束の角度差が同
じ４０秒程度となり、受光素子３上ではピッチ２mmの干
渉縞が現れ、出力が１０％減少する。
１０に示すアジマス角ηの取付誤差によって干渉２光
束、Ｒ0+1-1 とＲ+1-10 の角度差θは図１２の様にな
り、図１１に示すカイテン角の取付誤差により干渉２光
束の角度差は図１３の様になる。平行光を用いた場合、
図１１のカイテン角の取付誤差について、干渉２光束の
角度差はあまり生じないが（取付誤差の1/100 以下）、
図１０のアジマス角の取付誤差があれば干渉２光束の角
度差が図１２の様に大きくつき、干渉状態が不安定とな
ってしまう。例えば回折格子のピッチが1.6 μm で、光
の波長が0.78μm 、センサの大きさが１mm×１mmの場
合、アジマス角が４０秒程度の時、２光束の角度差が同
じ４０秒程度となり、受光素子３上ではピッチ２mmの干
渉縞が現れ、出力が１０％減少する。
【００２１】この様な問題を解消するには、点光源から
射出される光束や面光源から射出される光束を特定の光
束とすることが考えられる。しかしながら点光源から射
出される光束や面光源から射出される光束を所望の光束
状態に変換する為には、複雑な光学系もしくは光学素子
が必要であった。
射出される光束や面光源から射出される光束を特定の光
束とすることが考えられる。しかしながら点光源から射
出される光束や面光源から射出される光束を所望の光束
状態に変換する為には、複雑な光学系もしくは光学素子
が必要であった。
【００２２】本発明の目的は、従来の光学式変位測定装
置を改良し、簡単な構成であって精度の安定した取扱い
易い光学式変位測定装置を提供することである。
置を改良し、簡単な構成であって精度の安定した取扱い
易い光学式変位測定装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学式
変位測定装置は、レーザー光源と前記レーザー光源から
射出された光束の集束、発散状態を変換する光学素子
と、前記変換された光束を複数の光束に分割する第１の
回折格子と、前記第１の回折格子で分割された複数の光
束を変調する第２の回折格子が設けられた変位可能なス
ケールと、前記スケールから得られた複数の変調光束同
士を合成し、干渉光束を得るための第３の回折格子と、
該干渉光束を受光する受光手段と、を有し、前記レーザ
ー光源から射出される光束は前記第１の回折格子の格子
線配列方向の長さが前記第１の回折格子の格子線方向よ
りも長くなるよう配置されたことを特徴としている。請
求項２の発明は、請求項１の発明において前記第１の回
折格子により分割された２光束を該第３の回折格子で合
成するまでの過程で、該第２の回折格子から該第３の回
折格子までの分離された２光束の光路長を夫々Ｌ１，Ｌ
２とするとき、前記投光手段は前記第１の回折格子の格
子線の方向のみに関して該第１の回折格子から分離され
た２光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ１＋Ｌ２）／２
の位置に対応する領域において集束するように光束の集
束・発散状態を変換することを特徴としている。請求項
３の発明は、請求項１又は２の発明において前記レーザ
ー光源は発光素子と前記光学素子との間に開口を有する
遮光マスク有することを特徴としている。請求項４の発
明は、１、２又は３の発明において前記光学素子は前記
第２の回折格子の格子線方向に収束するように配置され
たことを特徴としている。
変位測定装置は、レーザー光源と前記レーザー光源から
射出された光束の集束、発散状態を変換する光学素子
と、前記変換された光束を複数の光束に分割する第１の
回折格子と、前記第１の回折格子で分割された複数の光
束を変調する第２の回折格子が設けられた変位可能なス
ケールと、前記スケールから得られた複数の変調光束同
士を合成し、干渉光束を得るための第３の回折格子と、
該干渉光束を受光する受光手段と、を有し、前記レーザ
ー光源から射出される光束は前記第１の回折格子の格子
線配列方向の長さが前記第１の回折格子の格子線方向よ
りも長くなるよう配置されたことを特徴としている。請
求項２の発明は、請求項１の発明において前記第１の回
折格子により分割された２光束を該第３の回折格子で合
成するまでの過程で、該第２の回折格子から該第３の回
折格子までの分離された２光束の光路長を夫々Ｌ１，Ｌ
２とするとき、前記投光手段は前記第１の回折格子の格
子線の方向のみに関して該第１の回折格子から分離され
た２光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ１＋Ｌ２）／２
の位置に対応する領域において集束するように光束の集
束・発散状態を変換することを特徴としている。請求項
３の発明は、請求項１又は２の発明において前記レーザ
ー光源は発光素子と前記光学素子との間に開口を有する
遮光マスク有することを特徴としている。請求項４の発
明は、１、２又は３の発明において前記光学素子は前記
第２の回折格子の格子線方向に収束するように配置され
たことを特徴としている。
【００２４】 請求項５の発明の光学式変位測定装置
は、発光素子から射出された光束の集束、発散状態を変
換する光学素子と光束を分割する第１の回折格子とから
成る投光手段、該投光手段からの光を変調する第２の回
折格子が設けられた変調手段、そして該変調手段からの
変調光同士を合成し、干渉光束を得る第３の回折格子と
該干渉光束を受光する受光素子とから成る受光手段とを
有する光学式変位測定装置において、前記第１の回折格
子により分割された２光束を該第３の回折格子で合成す
るまでの過程で、該第２の回折格子から該第３の回折格
子までの分離された２光束の光路長を夫々Ｌ 1 ，Ｌ 2 と
するとき、前記投光手段は前記第１の回折格子の格子線
の方向のみに関して該第１の回折格子から分離された２
光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ 1 ＋Ｌ 2 ）／２の位
置に対応する領域において集束するように光束の集束・
発散状態を変換することを特徴としている。
は、発光素子から射出された光束の集束、発散状態を変
換する光学素子と光束を分割する第１の回折格子とから
成る投光手段、該投光手段からの光を変調する第２の回
折格子が設けられた変調手段、そして該変調手段からの
変調光同士を合成し、干渉光束を得る第３の回折格子と
該干渉光束を受光する受光素子とから成る受光手段とを
有する光学式変位測定装置において、前記第１の回折格
子により分割された２光束を該第３の回折格子で合成す
るまでの過程で、該第２の回折格子から該第３の回折格
子までの分離された２光束の光路長を夫々Ｌ 1 ，Ｌ 2 と
するとき、前記投光手段は前記第１の回折格子の格子線
の方向のみに関して該第１の回折格子から分離された２
光束の各々に沿って、光路長が（Ｌ 1 ＋Ｌ 2 ）／２の位
置に対応する領域において集束するように光束の集束・
発散状態を変換することを特徴としている。
【００２５】
【実施例】図１は本発明の実施例１の要部斜視図であ
り、図２はその要部概略図であり、図３は実施例１の発
光部の形状図である。図中、１は発光素子であり、所謂
面発光レーザより構成し、その形状は図３に示す形状で
ある。３は受光素子、Ｇ１は発散光束を分割するための
回折格子（第１の回折格子）、Ｇ２は被測定物体に設置
されたスケール２０に設置している回折格子（第２の回
折格子）、Ｇ３は光束を重畳するための回折格子（第３
の回折格子）、４は発光素子から射出した光束をＹ方向
に集光するシリンドリカルレンズである。
り、図２はその要部概略図であり、図３は実施例１の発
光部の形状図である。図中、１は発光素子であり、所謂
面発光レーザより構成し、その形状は図３に示す形状で
ある。３は受光素子、Ｇ１は発散光束を分割するための
回折格子（第１の回折格子）、Ｇ２は被測定物体に設置
されたスケール２０に設置している回折格子（第２の回
折格子）、Ｇ３は光束を重畳するための回折格子（第３
の回折格子）、４は発光素子から射出した光束をＹ方向
に集光するシリンドリカルレンズである。
【００２６】発行素子１とシリンドリカルレンズ４、そ
して第１の回折格子Ｇ１は投光手段の一要素を構成し、
第２の回折格子Ｇ２は変調手段の一要素を構成し、第３
の回折格子Ｇ３と受光素子３は受光手段の一要素を構成
している。なお、投光手段と受光手段はヘッド部の一要
素を構成している。
して第１の回折格子Ｇ１は投光手段の一要素を構成し、
第２の回折格子Ｇ２は変調手段の一要素を構成し、第３
の回折格子Ｇ３と受光素子３は受光手段の一要素を構成
している。なお、投光手段と受光手段はヘッド部の一要
素を構成している。
【００２７】次に実施例の動作についてを説明する。発
光素子１から射出する光束は発光素子が面発光レーザで
ある為に基本的に平行光である。面発光レーザの形状が
図３に示すようにＸ方向に長く、Ｙ方向に短いので発光
素子１から射出する光束はＹ方向には幾分発散光束にな
る。この発散光束は、シリンドリカルレンズ４によって
ＹＺ面内では 回折格子Ｇ２近傍で結像する集束光束に
変換され、回折格子Ｇ１に入射する（その中心光線は回
折格子Ｇ１上の点Ｏ１に入射する）。この光束はここで
透過回折されて、０次回折光Ｒ0 、＋１次回折光Ｒ+1、
−１次回折光Ｒ-1（不図示）に３分割されて射出する。
本実施例の場合、０次回折光Ｒ0 と＋１次回折光Ｒ+1の
みを利用する。
光素子１から射出する光束は発光素子が面発光レーザで
ある為に基本的に平行光である。面発光レーザの形状が
図３に示すようにＸ方向に長く、Ｙ方向に短いので発光
素子１から射出する光束はＹ方向には幾分発散光束にな
る。この発散光束は、シリンドリカルレンズ４によって
ＹＺ面内では 回折格子Ｇ２近傍で結像する集束光束に
変換され、回折格子Ｇ１に入射する（その中心光線は回
折格子Ｇ１上の点Ｏ１に入射する）。この光束はここで
透過回折されて、０次回折光Ｒ0 、＋１次回折光Ｒ+1、
−１次回折光Ｒ-1（不図示）に３分割されて射出する。
本実施例の場合、０次回折光Ｒ0 と＋１次回折光Ｒ+1の
みを利用する。
【００２８】回折格子Ｇ１を直進した０次回折光Ｒ0
は、回折格子Ｇ２に入射する（その中心光線はの点Ｐ１
に入射する）。この光束はここで反射回折を受けて、＋
１次回折光Ｒ0+1 、−１次回折光Ｒ0-1 （不図示）に分
割されると同時に回折格子Ｇ２によって位相変調され
る。本実施例ではこの内＋１次回折光Ｒ0+1 のみを利用
する。この＋１次回折光Ｒ0+1 の位相は＋２π△ｘ／Ｐ
だけずれる。但しここで△ｘは回折格子Ｇ２の移動量で
ある。
は、回折格子Ｇ２に入射する（その中心光線はの点Ｐ１
に入射する）。この光束はここで反射回折を受けて、＋
１次回折光Ｒ0+1 、−１次回折光Ｒ0-1 （不図示）に分
割されると同時に回折格子Ｇ２によって位相変調され
る。本実施例ではこの内＋１次回折光Ｒ0+1 のみを利用
する。この＋１次回折光Ｒ0+1 の位相は＋２π△ｘ／Ｐ
だけずれる。但しここで△ｘは回折格子Ｇ２の移動量で
ある。
【００２９】＋１次回折光Ｒ0+1 は一度位置Ｃ0 でＹ方
向に集光し、次いで回折格子Ｇ３に入射する（その中心
光線は点Ｏ３に入射する）。この光束はここで透過回折
されて、０次回折光Ｒ0+10（不図示）、−１次回折光Ｒ
0+1ー1 およびその他の光束の分かれ、このうち−１次回
折光Ｒ0+1-1 は回折格子Ｇ３面から垂直に出射する。そ
して、波面の位相は＋２π△ｘ／Ｐずれている。
向に集光し、次いで回折格子Ｇ３に入射する（その中心
光線は点Ｏ３に入射する）。この光束はここで透過回折
されて、０次回折光Ｒ0+10（不図示）、−１次回折光Ｒ
0+1ー1 およびその他の光束の分かれ、このうち−１次回
折光Ｒ0+1-1 は回折格子Ｇ３面から垂直に出射する。そ
して、波面の位相は＋２π△ｘ／Ｐずれている。
【００３０】回折格子Ｇ１にて＋１次回折した光束Ｒ+1
は、一度位置Ｃ1 でＹ方向に集光して回折格子Ｇ２に入
射する（その中心光線は点Ｐ２に入射する）。この光束
はここで反射回折されて−１次回折光Ｒ+1-1、０次回折
光Ｒ+10 およびその他の光束に分かれる。本装置ではこ
の内の−１次回折光Ｒ+1-1のみを利用する。尚、ここで
反射回折した光束は同時にそれぞれ位相変調される。即
ち−１次回折光Ｒ+1-1の位相は、−２π△ｘ／Ｐだけず
れる。そして、この光束は回折格子Ｇ３に入射する（そ
の中心光線は点Ｏ３に入射する）。この光束はここで透
過回折を受ける。そのうちここで直進して回折格子Ｇ３
から垂直に出射する０次回折光Ｒ+1-10の波面の位相は
−２π△ｘ／Ｐずれている。
は、一度位置Ｃ1 でＹ方向に集光して回折格子Ｇ２に入
射する（その中心光線は点Ｐ２に入射する）。この光束
はここで反射回折されて−１次回折光Ｒ+1-1、０次回折
光Ｒ+10 およびその他の光束に分かれる。本装置ではこ
の内の−１次回折光Ｒ+1-1のみを利用する。尚、ここで
反射回折した光束は同時にそれぞれ位相変調される。即
ち−１次回折光Ｒ+1-1の位相は、−２π△ｘ／Ｐだけず
れる。そして、この光束は回折格子Ｇ３に入射する（そ
の中心光線は点Ｏ３に入射する）。この光束はここで透
過回折を受ける。そのうちここで直進して回折格子Ｇ３
から垂直に出射する０次回折光Ｒ+1-10の波面の位相は
−２π△ｘ／Ｐずれている。
【００３１】そこで回折格子Ｇ３にて光路を重ね合わさ
れた光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 は、干渉光となって受
光素子３に入射する。このときの干渉位相は、 ｛＋２π△ｘ／Ｐ｝−｛−２π△ｘ／Ｐ｝＝４π△ｘ／Ｐ となり、スケールに設置された回折格子Ｇ２が格子の配
列方向に１／２ピッチだけ移動すると１周期の明暗信号
が発生する。以上が実施例１の動作である。
れた光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 は、干渉光となって受
光素子３に入射する。このときの干渉位相は、 ｛＋２π△ｘ／Ｐ｝−｛−２π△ｘ／Ｐ｝＝４π△ｘ／Ｐ となり、スケールに設置された回折格子Ｇ２が格子の配
列方向に１／２ピッチだけ移動すると１周期の明暗信号
が発生する。以上が実施例１の動作である。
【００３２】次に図１０及び図１１に示すようにスケー
ル２０にアジムス角ηやカイテン角φの取付誤差がある
とき、回折格子Ｇ３から出射する干渉２光束の角度差θ
と、光の波長／格子のピッチ＝λ／Ｐ＝ｓとの関係を説
明する。
ル２０にアジムス角ηやカイテン角φの取付誤差がある
とき、回折格子Ｇ３から出射する干渉２光束の角度差θ
と、光の波長／格子のピッチ＝λ／Ｐ＝ｓとの関係を説
明する。
【００３３】図１０において、発光素子１から射出され
た光の内、回折格子Ｇ１に垂直に入射する光線が回折格
子Ｇｎ、（ｎ＝１〜３）に入射する際の方向ベクトルを
ｕn-1 （ｕn-1,x 、ｕn-1,y 、ｕn-1,z ）とし、ｍを回
折次数とすると、回折格子Ｇｎを透過回折したｍ次光の
方向ベクトルｕn （ｕn,x 、ｕn,y 、ｕn,z ）は以下の
関係を満たす（Ｐn,x 、Ｐn,y は回折格子Ｇｎの格子ピ
ッチＰのＸ，Ｙ方向成分である。）。
た光の内、回折格子Ｇ１に垂直に入射する光線が回折格
子Ｇｎ、（ｎ＝１〜３）に入射する際の方向ベクトルを
ｕn-1 （ｕn-1,x 、ｕn-1,y 、ｕn-1,z ）とし、ｍを回
折次数とすると、回折格子Ｇｎを透過回折したｍ次光の
方向ベクトルｕn （ｕn,x 、ｕn,y 、ｕn,z ）は以下の
関係を満たす（Ｐn,x 、Ｐn,y は回折格子Ｇｎの格子ピ
ッチＰのＸ，Ｙ方向成分である。）。
【００３４】ｕn,x ＝ｕn-1,x ＋ｍλ／Ｐn,x
ｕn,y ＝ｕn-1,y ＋ｍλ／Ｐn,y (1)
ｕn-1,x 2＋ｕn-1,y 2＋ｕn-1,z 2＝１
ｕn,x 2＋ｕn,y 2＋ｕn,z 2＝１
この関係を基礎にして、アジマス角ηとカイテン角φが
発生したときに回折格子Ｇ３を透過回折して干渉し合う
２光束、即ち光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 の角度差θを
演繹すると以下のようになる。
発生したときに回折格子Ｇ３を透過回折して干渉し合う
２光束、即ち光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ0+1-1 の角度差θを
演繹すると以下のようになる。
【００３５】θ＝ Cos-1［(2s)2・（Cos η−1)＋１］
θ＝−φ− Sin-1｛s ＋ Sin［φ−Sin-1(s)］｝＋ Sin
-1｛s ＋ Sin［φ−Sin -1（s − Sinφ）］｝ ここでη、φを１度以下の微小角とし、２次までの近似
を取ると、 θ＝2s・ η (2) θ＝s・φ2 ／［(1-s2)1/2 ］ (3) となる。以上の(2) 、(3) 式によってη−s −θ、φ−
s −θの関係を求めて図示したものが、図１２及び図１
３である。
-1｛s ＋ Sin［φ−Sin -1（s − Sinφ）］｝ ここでη、φを１度以下の微小角とし、２次までの近似
を取ると、 θ＝2s・ η (2) θ＝s・φ2 ／［(1-s2)1/2 ］ (3) となる。以上の(2) 、(3) 式によってη−s −θ、φ−
s −θの関係を求めて図示したものが、図１２及び図１
３である。
【００３６】さらに、θのＸ成分及びＹ成分を求めると
２つの干渉光束の方向が判り、その結果受光素子面上に
現れる干渉縞の向きも定まる。それによれば、アジマス
角ηが発生したときの干渉２光束、即ち光束Ｒ+1-10 と
光束Ｒ0+1-1 の角度差θはＹ−Ｚ面内で生じ、受光素子
３面上には図１０に図示するような干渉縞が発生する。
又カイテン角φが発生したときの２つの干渉光束の角度
差θはＸ−Ｚ面内で生じ、受光素子３面上には図１１に
図示するような干渉縞が発生する。
２つの干渉光束の方向が判り、その結果受光素子面上に
現れる干渉縞の向きも定まる。それによれば、アジマス
角ηが発生したときの干渉２光束、即ち光束Ｒ+1-10 と
光束Ｒ0+1-1 の角度差θはＹ−Ｚ面内で生じ、受光素子
３面上には図１０に図示するような干渉縞が発生する。
又カイテン角φが発生したときの２つの干渉光束の角度
差θはＸ−Ｚ面内で生じ、受光素子３面上には図１１に
図示するような干渉縞が発生する。
【００３７】図１２（Ａ）はη−ｓ−θの関係図であ
り、図１２（Ｂ）は ｓ＝λ/ Ｐ＝0.78μm/1.6 μm ＝0.4875 の場合のη−θ図である。この場合、アジマス角η＝40
秒に対して２光束の角度差θはアジマス角と同じ４０秒
となる。
り、図１２（Ｂ）は ｓ＝λ/ Ｐ＝0.78μm/1.6 μm ＝0.4875 の場合のη−θ図である。この場合、アジマス角η＝40
秒に対して２光束の角度差θはアジマス角と同じ４０秒
となる。
【００３８】図１３（Ａ）はφ−ｓ−θの関係図であ
り、図１３（Ｂ）はｓ＝0.4875の場合のφ−θ図であ
る。この場合、カイテン角φ＝10分に対して２光束の角
度差θは約0.02分でカイテン角の2/1000で、殆ど角度差
θは無く、２つの光束は平行光と見なせる。
り、図１３（Ｂ）はｓ＝0.4875の場合のφ−θ図であ
る。この場合、カイテン角φ＝10分に対して２光束の角
度差θは約0.02分でカイテン角の2/1000で、殆ど角度差
θは無く、２つの光束は平行光と見なせる。
【００３９】以上の解析から判るように、アジマス角η
の取付誤差によって干渉２光束の角度差θはアジマス角
と同じオーダーになる。これによって受光素子３に入射
する干渉光束は受光素子３面内に図１０に示すような多
数の干渉縞を生じ、本来受光素子３全面が一様な明るさ
で回折格子Ｇ２の移動によってのみ，その明るさが一様
に変化すべきものが、多数の干渉縞が受光素子３上を横
切って移動することになり、受光素子３より得られる干
渉信号の最大値〜最小値の巾が小さくなる。
の取付誤差によって干渉２光束の角度差θはアジマス角
と同じオーダーになる。これによって受光素子３に入射
する干渉光束は受光素子３面内に図１０に示すような多
数の干渉縞を生じ、本来受光素子３全面が一様な明るさ
で回折格子Ｇ２の移動によってのみ，その明るさが一様
に変化すべきものが、多数の干渉縞が受光素子３上を横
切って移動することになり、受光素子３より得られる干
渉信号の最大値〜最小値の巾が小さくなる。
【００４０】次に平行２光束による干渉縞と、発散２光
束による干渉縞がどの様に発生するかについて説明す
る。
束による干渉縞がどの様に発生するかについて説明す
る。
【００４１】図９は平行波と球面波の干渉の違いを示し
た説明図である。図９（Ｂ）のような平行２光束干渉に
おいて、干渉縞のピッチＰF は、２光束の主光線の角度
差θと光線の波長λによって定まり、その関係は、 ＰF ＝λ/{2・Sin(θ/2）} となる。
た説明図である。図９（Ｂ）のような平行２光束干渉に
おいて、干渉縞のピッチＰF は、２光束の主光線の角度
差θと光線の波長λによって定まり、その関係は、 ＰF ＝λ/{2・Sin(θ/2）} となる。
【００４２】また図９（Ａ）のように干渉２光束が発散
球面波の場合、干渉縞のピッチＰFは干渉２光束の主光
線間の角度θに関係なく、２光束の集光点Ａ、Ｂからセ
ンサ（観測面）までの距離によって変化し、２光束の集
光点Ａ、Ｂからセンサ（観測面）までの光路長ＬA 、Ｌ
B と、光の波長λに依存している。このとき、この２光
束の集光点Ａ，Ｂからセンサ（観測面）までの光路長を
ＬA 、ＬB とすると、ＬA とＬB の差△Ｌ（△Ｌ＝ＬA
−ＬB ）が波長の整数倍のときセンサ面上で光が強め合
い（明るくなり）、波長の整数倍プラス半波長のとき光
は弱め合う（暗くなる）。図９（Ａ）中、Ａ，Ｂを結ぶ
線分の垂直２等分線とセンサ面との交点Ｐ0 においては
△Ｌは０であり、点Ｐ1 において△Ｌ＝λとなるとする
と、このＰ0 〜Ｐ1 の間隔が干渉縞のピッチＰF であ
る。
球面波の場合、干渉縞のピッチＰFは干渉２光束の主光
線間の角度θに関係なく、２光束の集光点Ａ、Ｂからセ
ンサ（観測面）までの距離によって変化し、２光束の集
光点Ａ、Ｂからセンサ（観測面）までの光路長ＬA 、Ｌ
B と、光の波長λに依存している。このとき、この２光
束の集光点Ａ，Ｂからセンサ（観測面）までの光路長を
ＬA 、ＬB とすると、ＬA とＬB の差△Ｌ（△Ｌ＝ＬA
−ＬB ）が波長の整数倍のときセンサ面上で光が強め合
い（明るくなり）、波長の整数倍プラス半波長のとき光
は弱め合う（暗くなる）。図９（Ａ）中、Ａ，Ｂを結ぶ
線分の垂直２等分線とセンサ面との交点Ｐ0 においては
△Ｌは０であり、点Ｐ1 において△Ｌ＝λとなるとする
と、このＰ0 〜Ｐ1 の間隔が干渉縞のピッチＰF であ
る。
【００４３】次に本実施例においてヘッド部とスケール
部に取付誤差を生じたときに干渉２光束がどういう状態
になるかを説明する。
部に取付誤差を生じたときに干渉２光束がどういう状態
になるかを説明する。
【００４４】本実施例において、回折格子Ｇ２に取付誤
差がある場合に、発光素子１を射出して回折格子Ｇ１に
垂直に入射する光線が回折格子Ｇ１で２つに別れ、夫々
回折格子Ｇ２のＰ１，Ｐ２で回折を受けて回折格子Ｇ３
に入射し、回折格子Ｇ３から夫々光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ
0+1-1 の中心光線として出射した際の両中心光線の交差
する位置迄の距離ＬC （交差位置）を求める。ここで交
差位置ＬC は、回折格子Ｇ３を原点とし、その符号は受
光素子３の方向をマイナス、回折格子Ｇ２の方向をプラ
スと定義する。
差がある場合に、発光素子１を射出して回折格子Ｇ１に
垂直に入射する光線が回折格子Ｇ１で２つに別れ、夫々
回折格子Ｇ２のＰ１，Ｐ２で回折を受けて回折格子Ｇ３
に入射し、回折格子Ｇ３から夫々光束Ｒ+1-10 と光束Ｒ
0+1-1 の中心光線として出射した際の両中心光線の交差
する位置迄の距離ＬC （交差位置）を求める。ここで交
差位置ＬC は、回折格子Ｇ３を原点とし、その符号は受
光素子３の方向をマイナス、回折格子Ｇ２の方向をプラ
スと定義する。
【００４５】中心光線のベクトルの変化を(1) 式によっ
て求め、(3) 式によって光線間の角度差θを計算し、こ
れによって交差位置ＬC を求める。Ｐ２点からＯ３点迄
の光路長Ｌ2,3 を単位長さとして表すと、回折格子Ｇ２
にアジマス角ηの取付誤差を生じたときの交差位置ＬC
は図１４に図示する様になる。即ち回折格子Ｇ２にアジ
マス角ηの取付誤差を生じると、干渉する２光束がＹ方
向に角度差を生じ、夫々の中心光線は回折格子Ｇ２の近
傍で交差している。図１４（Ｂ）はｓ＝0.4875の場合の
中心光線の交差位置ＬC の図である。この場合、交差位
置ＬC は約１．０７ｘＬ2,3 の光路長の所にある。この
交差位置は、分離した２つの光束R-1+10とR0-1+1の夫々
第２の回折格子Ｇ２から第３の回折格子Ｇ３までの光路
長を各々Ｌ1 及びＬ2 とすると略（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２に
対応する位置である（Ｌ1 は点Ｐ１から点Ｏ３までの、
又Ｌ2 は点Ｐ２から点Ｏ３までの光路長である）。
て求め、(3) 式によって光線間の角度差θを計算し、こ
れによって交差位置ＬC を求める。Ｐ２点からＯ３点迄
の光路長Ｌ2,3 を単位長さとして表すと、回折格子Ｇ２
にアジマス角ηの取付誤差を生じたときの交差位置ＬC
は図１４に図示する様になる。即ち回折格子Ｇ２にアジ
マス角ηの取付誤差を生じると、干渉する２光束がＹ方
向に角度差を生じ、夫々の中心光線は回折格子Ｇ２の近
傍で交差している。図１４（Ｂ）はｓ＝0.4875の場合の
中心光線の交差位置ＬC の図である。この場合、交差位
置ＬC は約１．０７ｘＬ2,3 の光路長の所にある。この
交差位置は、分離した２つの光束R-1+10とR0-1+1の夫々
第２の回折格子Ｇ２から第３の回折格子Ｇ３までの光路
長を各々Ｌ1 及びＬ2 とすると略（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２に
対応する位置である（Ｌ1 は点Ｐ１から点Ｏ３までの、
又Ｌ2 は点Ｐ２から点Ｏ３までの光路長である）。
【００４６】一方カイテン角φの取付誤差を生じたとき
の交差位置ＬC は図１５に図示する様になる。回折格子
Ｇ２にカイテン角φの取付誤差が生じると、干渉２光束
がＸ方向に分離するが、角度差が小さいので図１５
（Ａ）に示すように夫々の中心光線の交差点は遥か遠方
になる。図１５（Ｂ）はｓ＝0.4875の場合の中心光線の
交差位置ＬC を示す図である。
の交差位置ＬC は図１５に図示する様になる。回折格子
Ｇ２にカイテン角φの取付誤差が生じると、干渉２光束
がＸ方向に分離するが、角度差が小さいので図１５
（Ａ）に示すように夫々の中心光線の交差点は遥か遠方
になる。図１５（Ｂ）はｓ＝0.4875の場合の中心光線の
交差位置ＬC を示す図である。
【００４７】そこで、本実施例においてはヘッド部とス
ケール部に取付誤差が生じることを想定して、以下のよ
うにしてその場合の２光束の干渉状態を安定させてい
る。
ケール部に取付誤差が生じることを想定して、以下のよ
うにしてその場合の２光束の干渉状態を安定させてい
る。
【００４８】Ｘ方向に関しては発光素子１をＸ方向に長
い、所謂面発光レーザで構成して、射出光が略平行光
（略平面波）、もしくは極めて大きい曲率半径を有する
球面波となるように装置を構成している。これは図１３
から分かるように、回折格子Ｇ２にカイテン角φの取付
誤差があっても干渉２光束の角度差θはあまり付かない
が、２光束は分離してしまう。このため、この方向に２
光束が曲率半径の小さい球面波となっていると干渉縞が
立ち易くなり、干渉状態が不安定になる。ところが干渉
２光束がこの方向で平面波、もしくは平面波と見なせる
程大きい曲率半径の球面波であると２光束の角度差θが
あまり大きくならないので干渉縞が立ちにくく、干渉状
態が安定になる。そこでＸ方向、即ち格子配列方向に対
しては波面を略平面にして干渉縞が立ちにくくし、干渉
状態を安定させている。
い、所謂面発光レーザで構成して、射出光が略平行光
（略平面波）、もしくは極めて大きい曲率半径を有する
球面波となるように装置を構成している。これは図１３
から分かるように、回折格子Ｇ２にカイテン角φの取付
誤差があっても干渉２光束の角度差θはあまり付かない
が、２光束は分離してしまう。このため、この方向に２
光束が曲率半径の小さい球面波となっていると干渉縞が
立ち易くなり、干渉状態が不安定になる。ところが干渉
２光束がこの方向で平面波、もしくは平面波と見なせる
程大きい曲率半径の球面波であると２光束の角度差θが
あまり大きくならないので干渉縞が立ちにくく、干渉状
態が安定になる。そこでＸ方向、即ち格子配列方向に対
しては波面を略平面にして干渉縞が立ちにくくし、干渉
状態を安定させている。
【００４９】一方Ｙ方向に関しては発光素子１をＹ方向
に短く構成し、これによってＹ方向にはやや発散する光
束を射出させ、これをシリンドリカルレンズ４によって
Ｙ方向、即ち格子線方向に集束する光束に変換する。こ
の集束光束は回折格子Ｇ１より光路長Ｌ3 ＝（Ｌ1 ＋Ｌ
2 ）／２の距離で交差即ち集光するように設定する。こ
の集光位置Ｃ0 ，Ｃ1 は回折格子Ｇ３に対してはアジム
ス角ηのあるときの交差位置ＬC の位置と略同じにな
る。
に短く構成し、これによってＹ方向にはやや発散する光
束を射出させ、これをシリンドリカルレンズ４によって
Ｙ方向、即ち格子線方向に集束する光束に変換する。こ
の集束光束は回折格子Ｇ１より光路長Ｌ3 ＝（Ｌ1 ＋Ｌ
2 ）／２の距離で交差即ち集光するように設定する。こ
の集光位置Ｃ0 ，Ｃ1 は回折格子Ｇ３に対してはアジム
ス角ηのあるときの交差位置ＬC の位置と略同じにな
る。
【００５０】Ｙ方向に関しては図１４より明らかなよう
に、ｓ＜0.8 の領域ではアジマス角ηに関わらず２光束
の交差位置ＬC はほぼ一定である。しかし、図１２
（Ｂ）に図示されるようにアジマス角ηの取付誤差が発
生すると干渉２光束の角度差θはηに比例して発生す
る。そこで発光素子１から射出した光束がＹ方向に集光
するようにし、その集光位置Ｃ0 ，Ｃ1 を回折格子Ｇ３
から測って干渉２光束の交差位置ＬC の位置と同じにす
ると、干渉２光束の角度差θが大きくとも２つの波面が
θに関係なく重なり合い、受光素子３面上の各点におい
て干渉２光束の光路長がアジマス角ηに関係なく常に一
定になる。そこで干渉縞が立ちにくくなり、受光素子３
面上での干渉状態が略一定で安定になる。これは図９
（Ａ）において２光束の集光点をＡ，Ｂ点からＣ点に移
し干渉縞の発生を防いだことに相当する。
に、ｓ＜0.8 の領域ではアジマス角ηに関わらず２光束
の交差位置ＬC はほぼ一定である。しかし、図１２
（Ｂ）に図示されるようにアジマス角ηの取付誤差が発
生すると干渉２光束の角度差θはηに比例して発生す
る。そこで発光素子１から射出した光束がＹ方向に集光
するようにし、その集光位置Ｃ0 ，Ｃ1 を回折格子Ｇ３
から測って干渉２光束の交差位置ＬC の位置と同じにす
ると、干渉２光束の角度差θが大きくとも２つの波面が
θに関係なく重なり合い、受光素子３面上の各点におい
て干渉２光束の光路長がアジマス角ηに関係なく常に一
定になる。そこで干渉縞が立ちにくくなり、受光素子３
面上での干渉状態が略一定で安定になる。これは図９
（Ａ）において２光束の集光点をＡ，Ｂ点からＣ点に移
し干渉縞の発生を防いだことに相当する。
【００５１】もし、発光素子の発光部がＹ方向に大きい
と、集光位置Ｃ0 、Ｃ1 においても結像する発光部が大
きくなり、従って受光素子３面上に到達する干渉光は、
Ｙ方向に関してきれいな球面波とはならず、受光素子３
面上の干渉状態はアジマス角ηの変化に対し不安定にな
る。
と、集光位置Ｃ0 、Ｃ1 においても結像する発光部が大
きくなり、従って受光素子３面上に到達する干渉光は、
Ｙ方向に関してきれいな球面波とはならず、受光素子３
面上の干渉状態はアジマス角ηの変化に対し不安定にな
る。
【００５２】本実施例のように発光部のＹ方向の大きさ
を小さくすると（Ｘ方向にはＳX ＝100 μｍ、、Ｙ方向
にはＳY ＝10μｍ程度の長方形状）、集光位置Ｃ0 、Ｃ
1 における発光部の結像サイズはＹ方向には小さくな
り、その結果受光素子３面上に到達する干渉光はきれい
な球面波となる。従って、受光素子３面上の干渉状態は
アジマス角ηの変化に対し安定になる。またＸ方向に関
してはＳX がＳY と比べてかなり大きいので（図３でＳ
X とＳY のサイズは一桁以上異なる大きさでＳXの大き
さを受光するセンサのＳX 方向の大きさ程度にすると効
果的である）、受光素子３に入射する光束は平行光に近
い弱発散光となる。従って、受光素子３面上の干渉状態
はカイテン角φの変化に対し安定になる。
を小さくすると（Ｘ方向にはＳX ＝100 μｍ、、Ｙ方向
にはＳY ＝10μｍ程度の長方形状）、集光位置Ｃ0 、Ｃ
1 における発光部の結像サイズはＹ方向には小さくな
り、その結果受光素子３面上に到達する干渉光はきれい
な球面波となる。従って、受光素子３面上の干渉状態は
アジマス角ηの変化に対し安定になる。またＸ方向に関
してはＳX がＳY と比べてかなり大きいので（図３でＳ
X とＳY のサイズは一桁以上異なる大きさでＳXの大き
さを受光するセンサのＳX 方向の大きさ程度にすると効
果的である）、受光素子３に入射する光束は平行光に近
い弱発散光となる。従って、受光素子３面上の干渉状態
はカイテン角φの変化に対し安定になる。
【００５３】以上の構成によって実施例１は次の効果を
得ている。
得ている。
【００５４】Ａ． スケール部の取付角度誤差（アジム
ス角、カイテン角）による干渉状態の変動がおきない、
精度の安定した取扱い易い光学式変位測定装置を構成す
る事ができる。
ス角、カイテン角）による干渉状態の変動がおきない、
精度の安定した取扱い易い光学式変位測定装置を構成す
る事ができる。
【００５５】Ｂ． 光学系が非常にシンプルな構成であ
り、ヘッド部が発光源、受光素子、シリンドリカルレン
ズのみで出来ているために、部品点数が少なく組立が簡
単となり、ローコストでしかも小型な光学式変位測定装
置を構成することが出来る。
り、ヘッド部が発光源、受光素子、シリンドリカルレン
ズのみで出来ているために、部品点数が少なく組立が簡
単となり、ローコストでしかも小型な光学式変位測定装
置を構成することが出来る。
【００５６】Ｃ． 発光素子を所謂面発光レーザで構成
し、その発光部をＸ方向に長くしているために、従来の
発光部が円形や正方形の光源と比べると受光素子３面上
に届く光量を多くする光学式変位測定装置を構成する事
ができる。
し、その発光部をＸ方向に長くしているために、従来の
発光部が円形や正方形の光源と比べると受光素子３面上
に届く光量を多くする光学式変位測定装置を構成する事
ができる。
【００５７】図４は本発明の実施例２の要部概略図であ
り、図５は本実施例の要部概略図であり、図６は本実施
例に使用するマスクの形状図である（図中の数値は一つ
の例である）。
り、図５は本実施例の要部概略図であり、図６は本実施
例に使用するマスクの形状図である（図中の数値は一つ
の例である）。
【００５８】本実施例は実施例１と比べて、より大きい
発光部を持つ面発光レーザより構成される発光素子１を
使用し、これに接して図６に図示するようなＹ方向には
狭く、Ｘ方向には長いマスクを設け、実質的に実施例１
に類似の光源を形成した点のみが異なっており、その他
の構成は同じである。
発光部を持つ面発光レーザより構成される発光素子１を
使用し、これに接して図６に図示するようなＹ方向には
狭く、Ｘ方向には長いマスクを設け、実質的に実施例１
に類似の光源を形成した点のみが異なっており、その他
の構成は同じである。
【００５９】本実施例より得られる効果は実施例１と同
じである。
じである。
【００６０】図７及び図８は実施例１の発光素子に替わ
って適用し得る発光素子の発光部の形状例である。
って適用し得る発光素子の発光部の形状例である。
【００６１】又フレネルレンズ、２枚のシリンドリカル
レンズ、ゾーンプレート、トーリックレンズ等の光学手
段を用いて発光部分の形状をＹ方向の長さＳY が短く、
Ｘ方向の長さＳX が長くなるように変換し、発光素子か
らの光束を集光、コリメートを行って、上記実施例１〜
２と同様な効果を得る事もできる。
レンズ、ゾーンプレート、トーリックレンズ等の光学手
段を用いて発光部分の形状をＹ方向の長さＳY が短く、
Ｘ方向の長さＳX が長くなるように変換し、発光素子か
らの光束を集光、コリメートを行って、上記実施例１〜
２と同様な効果を得る事もできる。
【００６２】
【発明の効果】本発明は以上の構成によって、
（２−１） 光学系が非常にシンプルな構成であり、ヘ
ッド部が例えば発光源、受光素子、シリンドリカルレン
ズのみでも出来るために、部品点数が少なく組立が簡単
となり、ローコストでしかも小型な光学式変位測定装置
を構成することが出来る。 （２−２） 発光素子を例えば所謂面発光レーザで構成
し、その発光部をＸ方向に長くする事により、従来の発
光部が円形や正方形の光源と比べると受光素子３面上に
届く光量を多くする事が出来る。等の効果を得ている。
ッド部が例えば発光源、受光素子、シリンドリカルレン
ズのみでも出来るために、部品点数が少なく組立が簡単
となり、ローコストでしかも小型な光学式変位測定装置
を構成することが出来る。 （２−２） 発光素子を例えば所謂面発光レーザで構成
し、その発光部をＸ方向に長くする事により、従来の発
光部が円形や正方形の光源と比べると受光素子３面上に
届く光量を多くする事が出来る。等の効果を得ている。
【図１】 本発明の実施例１の要部斜視図
【図２】 本発明の実施例１の要部概略図
（Ａ）上面図 （Ｂ）側面図
【図３】 本発明の実施例１の発光部の形状図
【図４】 本発明の実施例２の要部斜視図
【図５】 本発明の実施例２の要部概略図
（Ａ）上面図 （Ｂ）側面図
【図６】 本発明の実施例２のマスクの形状図
【図７】 本発明の実施例１に適用し得る発光部の別形
状（図中の数値は一つの例である）
状（図中の数値は一つの例である）
【図８】 本発明の実施例１に適用し得る発光部の別形
状（図中の数値は一つの例である）
状（図中の数値は一つの例である）
【図９】 平行波と球面波の干渉の違いを示した説明図
【図１０】 光学式エンコーダーにおけるヘッド部とス
ケール部にアジマス角の取付誤差があるときに発生する
受光素子上の干渉縞の説明図
ケール部にアジマス角の取付誤差があるときに発生する
受光素子上の干渉縞の説明図
【図１１】 光学式エンコーダーにおけるヘッド部とス
ケール部にカイテン角の取付誤差があるときに発生する
受光素子上の干渉縞の説明図
ケール部にカイテン角の取付誤差があるときに発生する
受光素子上の干渉縞の説明図
【図１２】 ヘッド部とスケール部にアジマス角の取付
誤差を生じたときの干渉２光束間の角度差とアジマス角
と（波長／格子のピッチ）の関係を示した説明図
誤差を生じたときの干渉２光束間の角度差とアジマス角
と（波長／格子のピッチ）の関係を示した説明図
【図１３】 ヘッド部とスケール部にカイテン角の取付
誤差を生じたときの干渉２光束間の角度差とカイテン角
と（波長／格子のピッチ）の関係を示した説明図
誤差を生じたときの干渉２光束間の角度差とカイテン角
と（波長／格子のピッチ）の関係を示した説明図
【図１４】 ヘッド部とスケール部にアジマス角の取付
誤差を生じたときの干渉２光束間の交差位置とアジマス
角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図である。
誤差を生じたときの干渉２光束間の交差位置とアジマス
角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した図である。
【図１５】 ヘッド部とスケール部にカイテン角の取付
誤差を生じたときの干渉２光束間の交差位置とカイテン
角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した説明図
誤差を生じたときの干渉２光束間の交差位置とカイテン
角と（波長／格子のピッチ）の関係を示した説明図
【図１６】 従来の光学式エンコーダーの要部概略図
【図１７】 従来の光学式エンコーダーの要部概略図
【図１８】 従来の光学式エンコーダーの要部概略図
【図１９】 ３格子型の光学式変位測定装置の要部概略
図
図
１ 発光素子
３ 受光素子
４ 集光、コリメートするためのトーリックレンズ
５ 発光素子から射出された光束の内、Ｘ方向に細長い
光束をつくるためのマスク Ｇ１ 光束を分割するための回折格子 Ｇ２ 分割された光束を位相変調させる回折格子 Ｇ３ 光束を重畳するための回折格子 Ｏ１ Ｇ１へ入射する光束の中心光線がＧ１へ入射する
点 Ｐ１ Ｇ１で回折した光束の内、０次回折光束の中心光
線がＧ２へ入射する点 Ｐ２ Ｇ１で回折した光束の内、０次回折光束の中心光
線がＧ２へ入射する点 Ｏ３ Ｐ２で回折した光束の内、−１次回折光束の中心
光線がＧ３へ入射する点 Ｌ2,3 Ｏ１〜Ｐ１間もしくは、Ｐ２〜Ｏ３間の光路
長。 Ｌ1 Ｐ１〜Ｏ３間の光路長 Ｌ2 Ｐ２〜Ｏ３間の光路長 Ｌ3 Ｇ１もしくはＧ３から集光位置Ｃ0 ，Ｃ1 までの
光路長
光束をつくるためのマスク Ｇ１ 光束を分割するための回折格子 Ｇ２ 分割された光束を位相変調させる回折格子 Ｇ３ 光束を重畳するための回折格子 Ｏ１ Ｇ１へ入射する光束の中心光線がＧ１へ入射する
点 Ｐ１ Ｇ１で回折した光束の内、０次回折光束の中心光
線がＧ２へ入射する点 Ｐ２ Ｇ１で回折した光束の内、０次回折光束の中心光
線がＧ２へ入射する点 Ｏ３ Ｐ２で回折した光束の内、−１次回折光束の中心
光線がＧ３へ入射する点 Ｌ2,3 Ｏ１〜Ｐ１間もしくは、Ｐ２〜Ｏ３間の光路
長。 Ｌ1 Ｐ１〜Ｏ３間の光路長 Ｌ2 Ｐ２〜Ｏ３間の光路長 Ｌ3 Ｇ１もしくはＧ３から集光位置Ｃ0 ，Ｃ1 までの
光路長
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(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01D 5/26 - 5/38
G01B 11/00 - 11/30
Claims (5)
- 【請求項１】 レーザー光源と 前記レーザー光源 から射出された光束の集束、発散状態
を変換する光学素子と、前記変換された 光束を複数の光束に分割する第１の回折
格子と、前記第１の回折格子で分割された複数の光束を 変調する
第２の回折格子が設けられた変位可能なスケールと、 前記スケールから得られた複数の変調光束同士を合成
し、 干渉光束を得るための第３の回折格子と、 該干渉光束を受光する受光手段と、を有し、 前記レーザー光源から射出される光束は前記第１の回折
格子の格子線配列方向の長さが前記第１の回折格子の格
子線方向よりも長くなるよう配置されたことを 特徴とす
る光学式変位測定装置。 - 【請求項２】 前記第１の回折格子により分割された２
光束を該第３の回折格子で合成するまでの過程で、該第
２の回折格子から該第３の回折格子までの分離された２
光束の光路長を夫々Ｌ１，Ｌ２とするとき、 前記投光手段は前記第１の回折格子の格子線の方向のみ
に関して該第１の回折格子から分離された２光束の各々
に沿って、光路長が（Ｌ１＋Ｌ２）／２の位置に対応す
る領域において集束するように光束の集束・発散状態を
変換することを特徴とする請求項１の光学式変位測定装
置。 - 【請求項３】 前記レーザー光源は発光素子と前記光学
素子との間に開口を有する遮光マスク有することを特徴
とする請求項１または２光学式変位測定装置。 - 【請求項４】 前記光学素子は前記第２の回折格子の格
子線方向に収束するように配置されたことを特徴とする
請求項１、２または３の光学変位測定装置。 - 【請求項５】 発光素子から射出された光束の集束、発
散状態を変換する光学素子と光束を分割する第１の回折
格子とから成る投光手段、該投光手段からの光を変調す
る第２の回折格子が設けられた変調手段、そして該変調
手段からの変調光同士を合成し、干渉光束を得る第３の
回折格子と該干渉光束を受光する受光素子とから成る受
光手段とを有する光学式変位測定装置において、前記第１の回折格子により分割された２光束を該第３の
回折格子で合成するまでの過程で、該第２の回折格子か
ら該第３の回折格子までの分離された２光束の光路長を
夫々Ｌ 1 ，Ｌ 2 とするとき、 前記投光手段は前記第１の回折格子の格子線の方向のみ
に関して該第１の回折格子から分離された２光束の各々
に沿って、光路長が（Ｌ 1 ＋Ｌ 2 ）／２の位置に対応す
る領域において集束するように光束の集束・発散状態を
変換する ことを特徴とする光学式変位測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30812394A JP3501529B2 (ja) | 1994-11-16 | 1994-11-16 | 光学式変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30812394A JP3501529B2 (ja) | 1994-11-16 | 1994-11-16 | 光学式変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08145726A JPH08145726A (ja) | 1996-06-07 |
| JP3501529B2 true JP3501529B2 (ja) | 2004-03-02 |
Family
ID=17977164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30812394A Expired - Fee Related JP3501529B2 (ja) | 1994-11-16 | 1994-11-16 | 光学式変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3501529B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002243503A (ja) * | 2001-02-13 | 2002-08-28 | Nikon Corp | 光学式エンコーダ |
| JP2019211237A (ja) * | 2018-05-31 | 2019-12-12 | キヤノン株式会社 | 計測器、及び加工装置 |
| CN108917609B (zh) * | 2018-07-27 | 2020-09-11 | 广东工业大学 | 一种单轨绝对光栅尺系统 |
-
1994
- 1994-11-16 JP JP30812394A patent/JP3501529B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08145726A (ja) | 1996-06-07 |
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