JPH01161114A - 移動量測定方法及び移動量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測長基準尺を回折格子とし、回折光ヲ光ヘテ
ロダイン干渉させて得られたビート信号の位相により、
回折格子とその他の光学部材との相対的な移動距離を計
測する移動量測定方法及びそのための装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

長さや位置計測の分野では、従来から純機械的な物差し
、ノギス、マイクロメータ等を用いて人間の目による計
測は依然として行なわれているが、μｍ単位を問題とす
るいわゆる精密計測の領域ではこれらの測定用具はその
用をなさない。近年、測定機器の電子化が進み、電子回
路と共に光、磁気等の技術を用いた測定装置が開発され
、加工、検査に多用されている。光を用いるものの一例
としては、レーザー光の波長を基準とした光波干渉測長
器が知られている。この測長器の精度は、現在の工業水
準の要求に十分対応できるものであるが、レーザー光の
光路系の環境変化（気圧、温度、振動等）により検出精
度が劣化する問題がある他に、価格的にも高価である。

また、磁気を用いた方式として、帯状、又は棒状の磁性
体に予め寸法の基準としての磁気パタンを記録しておき
、このバタンと磁気ヘッドとの相互の位置関係を求める
磁気スケールが知られている。しかし、この方式は磁性
体に記憶できる基準バタンのピッチにより精度が決定さ
れ、安定に記憶し得るピッチは、５〜１０μｍであｐ、
測定精度は光波干渉測長器と比較して実用上２桁程度精
度が低い。一方、光波干渉測長器と磁気スケールとの中
間的な精度を有する測長装置として回折格子とレーザー
光を組み合わせた装置の実用化が進められている。

従来、この種の装置は一般に第６図、又は第７図に示す
ように構成されておシ、第６図においては、１は回折格
子、２はレーザー光等の単色光を発光する光源、３，４
は回折格子１を挾んで光源２と反対側に置かれた反射鏡
、５は干渉光を読み取るために光源２側に配置された検
出器である。

光源２から射出された光線りは、回折格子１で透過、及
び回折される。光線Ｌ１は回折格子１で回折されたｎ次
の回折光とすると、回折格子のピッチをｐ１回折格子１
の微小変位をΔＸとして光線り、には２π・Δｘｏｎ／
ｐの位相情報を含んでいる。一方、回折格子１を直線的
に透過した光線Ｌ２には位相情報は含まれていない。光
線Ｌ１１及びＬ２は反射鏡３，４でそれぞれ反射され、
往路を逆行し再び回折格子１に入射し回折、及び透過が
行なわれる。光線Ｌ！の透過光と光線Ｌ２の−ｎ次回折
光は、空間的に選択され干渉されて検出器５に入射され
る。この時、光線Ｌ２の−ｎ次回折光には一２π・ΔＸ
φｎ／ｐの位相情報が含まれておシ、従って、干渉光に
は２π・ΔＸ・２ｎ／ｐの位相情報を含むことになり、
回折格子１とその他の光源２、反射鏡３，４等の光学系
とが相対的に動くものとすれば、回折格子１０１周期分
の移動によって干渉光の強度変化は２π周期分となる。

検出分解能はｐ／２ｎとなる。

また、第７図の装置は、光源２と透過型の回折格子１と
の間にビームスプリッタ−６を配置し、２個の反射鏡３
．４を回折格子１の下側に回折格子１に対して同角度で
対称的に配置しである。検出器５はビームスプリッタ−
６の反射側に設けである。従って、光源２を射出した光
線りはビームスプリッタ−６を透過し、他の光学系に対
して移動し得る回折格子１に入射する。この回折格子１
で符号の異なるｎ次の回折光が形成され、これらを空間
的に選択して光線り、　、　ＩＩ２として反射鏡３゜４
に入射し、これらの反射鏡３，４で逆行するように反射
し、再び回折格子１に入射する。１回目の回折で＋ｎ次
となった光の＋ｎｎ次回先光、１回目の回折で−ｎ次と
なった光の−ｎｎ次回先光空間的に選択する。かくする
ことにより、これら２つの光線Ｉｊｌ　ｔ　Ｌ２の進行
方向は一致し、互いに干渉し合いながら光源２の方向に
向かって進み、ビームスプリッタ−６で反射され検出器
５に入射するととＫなる。従って、回折格子１によシ２
回回折させるととくよル、回折格子１が他の光学系に対
して１周期分の移動を行なうと、検出器５に入射する干
渉光は４π周期の強度変化を生じる。

検出分解能はＰ　／　４　ｎとカリ、第６図の例の２倍
とムＺ）。

第Ｒ図は囲（π、具体的力、従来例４・：示１．５１、
同和１格了−１（８は格子線）の片側に光源２．２個の
検出器５ａ、５ｂ、１／ンズ系９、偏向鏡１０ａ　、　
１０ｍ）、偏光ビームスプリッタ−７を配置１−２、他
側にダハプリズム１１　、１２．、位相差板１３．１４
、を配置する。光源２は発光ダイオードや半導体１ノ−
ザ−等の半導体発光米子で４５す、レンズ系９はｙ（′
：源Ｚから射出、＼れる）ＩＣ：線Ｉ、をは１・ず二丁
行光束に−Ｊ−Ｚ）／≧−めのものであ７）て、偏向［
１（ｂ八、１０ｂｉ伐側向鏡１叶−＼、の大引光Ｊ：偏
向鏡１０ｂからの出射光とが４′行に２７：るように、
これらの相対角度は９Ｏ度に設定する。

まだ、位相差板１３．１４は光源λからの面線偏光全回
折格子１に？′１１人躬ｊ大引外には、右廻り及び左廻
りの円偏光に−する働きをｌ、−（いる３、従つ丁＼）
Ｙ、源２から発光されｈ′光線丁、はレンズ系９でｊｖ
行光束とさ、１１５、偏向鏡１０乙により回折格子１の
点Ａに入射」゛る。イ」−２で、回４ノｊ格イ１に上り
回折され１、光線Ｌ１　ｇ　Ｃ２と１７、〔そわぞれ位
相差板１３，１４奢経由り、　”’Ｃ、ダハプリズム１
１．１２に入射Ｊ′る。光線Ｌｌ、しはダハプリズム１
１゜１７１で込」」力面と″Ｉ、’行力向に力面され、
位相差板１３．１４により右廻り及び左廻りの円偏光に
され、回折格子１０点ＡとＹ力向１に異なる点Ｂにｊ、
？・いてゼｊひ回折′され、更に偏向鏡１０）ｌをｆｌ
−１２＝ＣｆＩｌｌ：＞’ｅビームスプリッタ−７に入
射する１、ｃのイに１光１イ−ムスプリツタ　７　＋／
ｉ７人制し／Ｌ−右廻り及び左廻９の円偏）ｒ：　４１
．に−性を有“−９る光線■、ｉ　１　Ｃ２は、偏光ご
一５ノ、スズリック−Ｔを透過及び汐射す２）。透過光
及び反射光（伏それぞれ直線偏光、にな９、互いに干渉
１２冶っ℃検出源５ａ、及び５１−に入射）る？、とに
力、る。

検出器ｉ１及び５ｂ　は：２つの円偏光の直交Ｉ４？。

分を干渉光強度として検出ノる／＜、め、回折格子１カ
移重月−，７′ＩＴ場伯の検出ｒ、１６５ａ、５ｂの出
力Ｒ８，Ｓは、第９図（ａ）　Ｉ　（’ｈ）に示ノーよ
う（１９０度の位相差をイ」゛、夕゛る３、ｉ’Ｔ−）
２−Ｊノイ＠　ｌ′５′Ｒ１，Ｅ；　ｆ一定Ｎｙり、ル
ｔ７）ｌＪｉｔｌｃＹ１１］図（ｅ）　、　（ｄ）に示
゛支ようにニー４値化１．、／　、イＪの立、ち上がり
と立ち下が９のタイミングで同図（６）に示−丈よう姓
バ刃スｆｒ：発４ト′さ、１七、・その数分賛ｊ況Ｕ−
ることに、１、二）て回（Ｊｉ格；：１の秒１ｊ’ｌＪ
販を計測Ｃき／）。５　／Ｈ７１、イ゛の割数時に１．
ｒ：１、回１１１格イ１のＶ動方向ｔ　２　ｔｌ、　ｌ
、で、加芹ヌ（ｔ：ｊ、滅、１弾かを沃ンｊ゛−）Ｊｉ
、　ｉ・ユーユ゛い。この場ｎ−は、回折格−１１の１
周期の移動（ｔ：よりｆ渉縞の出力は、４ｂ周川１の移
、抑」となり、−イ丁の出力からパルスを■１数−４る
と１６冶個の／く）１スを得ることになる。

〔発１．ｌＦＩが解決１７ようと一１？る１ｉｆｔ題点
、１ところで、第６図の光学的配ｔ［／？おい−τ１、
光学系ヲ小Ｊ＼シ、スベ　スｉ／（ＩＭ、納ノソ）ため
にυ二、光線■２１と光線工、２の回折格イ１に対する
角度を等ｌ、７＜する必装があるが、どの場自、光学系
と回：Ｉｇｊ格子１との相）°Ｃ１位簡１が回Ｊノ１格
（１のｋｉ斡二垂直なＹ力向に移動１．、、、、　／ｉ
−場名によ、・いても回折光に・イーの移動量に対応し
たイ☆相情報が含まれ、回折格子１が格子の配列方向、
Ｊ、！［ｌ　（、、Ｘブ）向に移’１ｊＪＪｔ、＊−ｊ
！　８と同様力、干渉光の強度変化を牛じるｌ仁め、測
定精度が悪くなるという間Ｃ１点が〃Ｊつ７７Ｃ，ｉ、
／Ｉ−１第７図、第８図１ｇ蹴１ｇす７１こうに光線）
７を垂直大引、）せると上述の問題点ｔｘｔ生じないが
、］・渉先の強度変化を検出１．．　”’ＩＴ（／免）
人−め９）Ｃ４量の変＊１１、ト月ハ効率の変動等によ
り検出Ｎ度が劣化’ｔ−Ｚｌｏ　とメ′１らの変つ統擢
１ｉＥ、−ｉ／）４・、めにＵ：い／−グー光の′：Ａ
：強度′ｌＣＤ、−ニター１．．７て杉、１、［１腎１
”１１−’１処理系にフィー　ドパツク、ｊ−る等の処
理系が４１’７尺１τあり、装置が交雑化す、２′）−
・方、４・裳ミ出イｔ■号に４Ｓ、Ｉ：ノイズ成イ）荀
へんでいＸｖ　％：め光強度変動を完全ｉｃは除−人で
き力、い欠点がある１、猷、カー、検Ｈ，−１ｆｆ号の
Ｓ　／　Ｎ比は検出精度に大きく影響を及ぼすノれめ、
検出分解能向トのＣ５めに施１ノ〔いる検出信号のパル
ス変換Ｗ］は限界があり、従って、検出分解能も回折乾
ｆピッチの数十分の−・程度が１賓界−Ｃあり、？゛、
オ］−以　□゛１−の検出分解能を得２）と、とは困難
′Ｃあン）３．゛乗７′ｉ−、ロータリーｓン゛ゴーダ
−等に応用するＪ５１右、円ｔｒｉ上に回折格ｆを形成
する必要がイ］す、回転りの検出分解能を高めるかめに
は格子ビッグを細かくノ゛れげ可能であるが、機械、的
７５：ルーリングエ゛／ジン、ホトリングノフイ　−、
電子ビームリング′）フィー等によるｆ４了ライン形成
に０．１ｉＩｔ界かあＺ１カ′７め、円の径を大キくシ
て円周ｋ　Ｆｉｒ：　＜　１．、格子〉インの本μ（を
・多くする方法が考えらメするが昇（置自体が〕（が（
、化す２）という問題点がある３、さらに、上ｆｆｉシ
λ−イロノ−エンコーダー等の装置では、円盤状の回折
格子が回転することによって生ずる回折光の強度変化を
検出し、パルス信号に変換しているが、検出器、或はパ
ルス計数等に用いられている電子回路の周波数応答速度
には限界があるため、上記ロータリーエンコーダーにお
いては高速化できないという問題があった。

したがって、本発明は上述したような問題点を解決し、
回折格子を用いると共に、光源に２波長の単色光を用い
た光へテロダイン干渉法を適応し、回折光の強度信号に
代えて位相差信号を検出することによシ、従来のものよ
りも高速、高安定性、高分解能であり、しかも小型の移
動量測定方法、及びそのための移動量測定装置を提供す
ることを目的とする本のである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するためになされたもので、そ
の第一の発明の移動量測定方法は、周波数が互いにわず
かに異なる２波長の単色光を合成し光ヘテロダイ／干渉
させて基準ビート信号を生成するとともに、前記２波長
の単色光を物体上に設けた回折格子に入射させ、この回
折格子から生じる２波長の回折光を、往路を逆行させる
ような光学系により再び前記回折格子に入射させ前記回
折格子によ！ｌ１２回回折して生じた、これら周波数が
互いにわずかに異なる２波長の回折光同志を光ヘテロダ
イン干渉させ、生じた干渉光のビート信号と前記基準ビ
ート信号との位相差を検出することによって、前記物体
の移動距離を測定するようにしたものである。

また、第二の発明の移動量測定装置は、物体上に設けら
れた回折格子と、周波数が互いにわずかに異なる２波長
の単色光を発生する光源と、この光源から発せられた２
波長の単色光を合成し光ヘテロダイン干渉させて基準ビ
ート信号を生成する第一の光合成検出手段と、前記光源
から発せられた２波長の単色光を前記回折格子に所定の
角度を有した方向からそれぞれ入射させる入射角ｖｊ４
整手段と、前記回折格子から生じる２波長の回折光の往
路を逆行させ再び前記回折格子に入射させる反＝１１＝ 射光調整手段と、前記回折格子により２回回折されて生
じた２波長の回折光を合成して光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号を生成する第二の光合成検出手段と、前記第一、
第二の光合成検出手段によってそれぞれ生成された基準
ビート信号、及び光ヘテロダイン干渉ビート信号とから
位相差信号を算出処理して前記回折格子からなる物体の
移動量に換算する信号処理装置とで構成したものである
。

〔作用〕

本発明は回折格子の移動量、即ち、物体の移動量を、ビ
ート信号の位相変化として連続的に検出するものでおる
。そして、そのビート信号の位相は回折光の強度変動に
は影響されることがなく、従って、本発明では光源の強
度変化や回折格子の回折効率の変化等に起因する検出誤
差が生じることがない。また、本発明では移動量の検出
分解能は位相差の検出精度によって決定され、その位相
差の検出精度を高めることによって、回折格子のピッチ
、或は格子の本数等を代えることなく物体の移動量の検
出分解能が容易に高められる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係る移動量測定装置の第１実施例を示
すものである。なお、第６図ないし第８図と同一の符号
は同一の部材を示すものとする。

第１図において、１５は周波数が互いにわずかに異なり
かつ偏光面が互いに直交する２波長の単色光を発する２
波長直交偏光レーザー光源である。

ここで、偏光面が互いに直交するｐ偏光、Ｓ偏光のレー
ザー光の周波数をそれぞれｆ、　、　ｆ＊とする。

従って、光ヘテロダイン干渉ビート周波数Δｆ＝ｌｆｘ
−ｆｘｌ　　となる。７ａ、７ｂは偏光ビームスプリッ
タ−１１６ａ　、　１６ｂは偏光板、１７ａ　、　１７
ｂは集光レンズである。

この第１実施例の装置では、２波長直交偏光レーザー光
源１５から発したレーザー光りの一部をビームスプリッ
タ−６を介して透過光として取シ出し、その取ｐ出した
レーザー光を集光レンズ１７ｍで集光し、偏光板１６ｍ
を用いて光へテロダイン干渉させ、検出器５ａで検出し
、基準ビート信号とする。一方、２波長直交偏光レーザ
ー光源１５から発した光の一部は、ビームスプリッタ−
６を介して反射され、他の光学系に対して移動し得る回
折格子１に回折格子面に垂直な法線方向（Ｙ方向）から
入射する。この回折格子１で符号の異なる同次数の回折
光が形成され、これらを空間的に選択して光線Ｌ３　、
　Ｌ４として偏光ビームスプリッタ−７＊、７ｂを介し
て反射鏡３，４に入射する。

ここで、光線り、　、　Ｌ４は、往路を逆行するように
反射鏡３，４で反射され、再び回折格子１に入射する。

偏光ビームスプリッタ−７ａ　、　７ｂはレーザー光の
偏光方向によって、水平偏光レーザー光（ｐ偏光）と垂
直偏光レーザー光（［偏光）に分離する光学素子であり
、従って、レーザー光Ｌ３は、偏光ビームスプリッタ−
γ龜を透過するｐ偏光のレーザー光（周波数ｆ１　）と
なり、回折格子１へ再度入射する。これとは逆に、レー
ザー光Ｌ４は偏光ビームスプリッタ−７ｂによｐ反射す
るａ偏光のレーザー光（周波数ｆｔ　　）となり、同様
に回折格子１へ再度入射する。再度、回折格子１に入射
した、これらレーザー光り、　、　Ｌ４は回折格子１に
より再び回折され、符号の異なる同次数の回折光が回折
格子面に垂直な法線方向において光学的に合成され、ビ
ームスプリッタ−６を透過し、集光レンズ１７ｂで集光
され、偏光板１６ｂにより光ヘテロダイン干渉光となバ
検出器５ｂにより回折光ビート、信号として検出する。

従って、検出器５ｍで検出した基準ビート信号と検出器
５ｂで検出した回折光ビート信号との位相差を検出する
ことによυ、回折格子１の移動量を計測できる。

ここで、例えば回折格子１の格子ピッチをＰ１周波数ｆ
ｌ　＋　１２のレーザー光の波長をそれぞれλｌ、λ、
とし、回折格子１の格子ラインに画直なピッチ方向（Ｘ
方向）の移動量をΔＸとしてｎ次回新党の光ヘテロダイ
ン干渉光を検出する場合を考えると、移動量ΔＸに対し
検出器５ｂにより検出されるレーザー光Ｌ３の光路長変
化量は、回折格子１により２回回折されているため、２
・ΔＸ・ｓｉｎθｎ１だけ長くなる。これとは逆に、レ
ーザー光Ｌ４の光路長変化量は、同様に２・Δｘ−８ｉ
ＩＩθｎ２だけ短くなる。ここで、θｎｌ　、θｎ２　
　は、それぞれ波長λｌ、λ２のｎ次回折角であり、 ｓｉｎθｎ１＝ｎ”λｔ　／　Ｐ　　　　　　　　　　
　　（１）ｓｉｎθｎ２”ｎ”λｚ　／　Ｐ　　　　　
　　　　　　　（２）の関係がある。

従って、基準ビート信号と回折光ビート信号との位相差
Δφは、 Δφ＝２ｆｆ−２’Δｚ−ｓｔａｎｌ／λｔ−（−２π
・２すｘ　＊　ｓｉｎ＃　ｎ２／λり＝４π・ΔＸ　、
　ｓｉｎθｎ＋／λｔ＋４πすｘ、ａｉｎθｎ２／λ２
）　　　（３）となり、式（３）に（１）　、　（２）
式を代入すると、Δφ＝８π＠ｎ″Δｘ／Ｐ ＝２π・Δｘ／　（ｐ／　（４ｎ）　）　　　　　　　
　　　（４）となり、位相差Δφと回折格子１の移動量
ΔＸとは直線関係にあり、位相差Δφは回折格子１の移
動量ΔｘＫ対し、Ｐ／（４ｎ）　を周期として変化する
ことになる。

第２図は、本発明に係る移動量測定装置の第２実施例を
示すものである。同図において、３１１は反射鏡、７は
偏光ビームスプリッタ−１１８ｍ、１８ｂは１／４波長
板である。

この第２実施例の装置では、２波長直交偏光レーザー光
源１５から発したレーザー光りの一部をビームスプリッ
タ−６を介して取り出し、その取シ出したレーザー光を
集光レンズ１７ａで集光し、偏光板１６ａを用いて光ヘ
テロダイン干渉させ、検出器５ａで検出し、基準ビート
信号とする。一方、２波長直交偏光レーザー光源１５か
ら発した光りの一部は、ビームスプリッタ−６ｔ−透過
し、偏光ビームスプリッタ−７に入射し、水平偏光レー
ザー光（ｐ偏光、周波数ｆ１　）と垂直偏光レーザー光
（ｓ偏光、周波数ｆｔ）Ｌｓ　とＬｓに分離される。

レーザー光Ｌ５は反射鏡３ａを介して、そしてレーザー
光Ｌ６は直接、他の光学系に対して移動し得る回折格子
１に回折格子面に垂直な法線方向（Ｙ方向）から入射す
る。この回折格子１で符号の異なる同次数の回折光が形
成され、これらを空間的に選択して１／４波長板１８ａ
　、　１８ｂを介して反射鏡３，４に入射する。ここで
、光線Ｌ５　＋　Ｌｇは、往路を逆行するように反射鏡
３，４で反射され、再び回折格子１に入射する。再度、
回折格子１に入射した光線ｒ、ｓ　ｌ　Ｌｇは、符号の
異なる同次数の回折光が回折格子面に垂直な法線方向、
すなわちＹ方向に出射し、反射鏡３１等を介して偏光ビ
ームスプリッタ−７に再入射する。この時、光線Ｌ５＋
Ｌ６は、それぞれ、１／４波長板１８ａ　、　１８ｂを
２度通過するため、偏光面が９０度可回転れている。

従って、偏光ビームスプリッタ−Ｔにおいて、光線Ｌ５
はＳ偏光のため反射し、光線Ｌ６はｐ偏光となって透過
し、光学的に合成され、集光レンズ１７ｂで集光され、
偏光板１６ｂにより光へテロダイン干渉光となり、検出
器５ｂによシ回折光ビート信号として検出する。

従って、検出器５ｍで検出した基準ビート信号と検出器
５ｂで検出した回折光ビート信号との位相差Δφを検出
することによシ、回折格子１の移動量ΔＸを計測できる
。ｎ次回先光の光へテロダイン干渉ビート信号を用いる
場合、位相差Δφと回折格子１の移動量ΔＸとの関係は
、第１実施例と同様に上記式（４）で表される。

第３図は、本発明に係る移動量測定装置の第３実施例を
示すものである。同図において、３．３ａ＋３ｂは反射
鏡、１８は１／４波長板である。

この第３実施例の装置では、２波長直交偏光レーザー光
源１５から発したレーザー光りの一部ヲビームスプリッ
タ−６を介して取り出し、その取シ出したレーザー光を
集光レンズ１７１Ｌで集光し、偏光板１６ｍを用いて光
へテロダイン干渉させ、検出器５ａで検出し、基準ビー
ト信号とする。−方、２波長直交偏光レーザー光源１５
から発した光りの一部は、ビームスプリッタ−６を透過
して、偏光ビームスプリッタ−７に入射し、水平偏光レ
ーザー光（ｐ偏光、周波数ｆｔ）Ｌ、と垂直偏光レーザ
ー光（Ｉ＋偏光、周波数ｆｚ）Ｌｇに分離される。レー
ザー光Ｌ５　、　Ｌｇは反射鏡３ａ、３ｂを介して、他
の光学系に対して移動し得る回折格子１に回折格子面に
垂直な法線方向（Ｙ方向）に対して左右対称な符号の異
なる同次数の回折角から入射する。この回折格子１で透
過回折したレーザー光Ｌ６１　Ｌｇの符号の異なる同次
数の回折光は、合成光となって１／４波長板１Ｂを介し
て反射鏡３に入射する。ここで、光線り、　、　Ｌｇの
合成回折光は、往路を逆行するように反射鏡３で反射さ
れ、再び回折格子１に入射する。再度、回折格子１に入
射した光線Ｌ５　、　Ｌ、の合成回折光は、それぞれ符
号の異なる同次数の回折光が形成され、反射鏡３＆。

３ｂを介して偏光ビームスプリッタ−７に再入射する。

この時、光線り、　、　Ｌ、の合成回折光は、それぞれ
、１／４波長板１８を２度通過するため、偏光面が９０
度可回転れている。従って、偏光ビームスプリッタ−７
において、光ｆｍ　Ｌ　ｓの回折光は８偏光となって反
射し、光線Ｌ６の回折光はｐ偏光となって透過し、光学
的に合成され、集光レンズ１７ｂで集光され、偏光板１
６ｂにより光ヘテロダイン干渉光となり、検出器５ｂに
より回折光ビート信号として検出する。

従って、検出器５ａで検出した基準ビート信号と検出器
５ｂで検出した回折光ビート信号との位相差Δφを検出
することにより、回折格子１の移動量ΔＸを計測できる
。ｎ次回先光の光ヘテロダイン干渉ビート信号を用いる
場合、位相差ｌφと回折格子１の移動量ΔＸとの関係は
、第１実施例と同様に上記式（４）で表される。

第４図は、本発明に係る移動量測定装置の更に具体的な
第４実施例を示す本のである。同図において、３．３ｍ
、３ｂ、３ｃ、４は反射鏡、８は格子線、１９は信号処
理部である。

この第４実施例の装置では、２波長直交偏光レーザー光
源１５から発したレーザー光りの一部をビームスプリッ
タ−６を介して取り出し、その取９出したレーザー光を
集光レンズ１７具で集光し、偏光板１６ｍを用いて光ヘ
テロダイン干渉させ、検出器５ａで検出し、基準ビート
信号として信号処理部１９に入力する。一方、２波長直
交偏光レーザー光源１５から発した光りの一部は、ビー
ムスプリッタ−６を透過ｌ−で、偏光ビームスグリツタ
−７に入射ｌ、２、水平偏光レーザー光（ｐ偏光、周波
数ｆ１）Ｘ、５と垂直偏光レーザー光（＋１偏光、周波
数ｆｚ）Ｌ６に分前されＺ）。ｌ／−ザー光り、。

Ｉ、ｓｉ伐ＪＳｒ躬ｉ３ｂど３ａ、　　及び３ｃを介１
．て、他の光学系に対１〜で移動１−７得る回折格子１
に回折格子面に垂直な法線方向（Ｙ一方向）に対Ｉ〜で
左右対称な符号の異なる同次数の回Ｊ３１角から入射“
する。

この回折格子１て透過回折１〜力、レーザー光り、。

■、６の符号の異ｋ、る同次数の回折光は、それぞれ１
／４波長板１８ａ　、　１８ｂ　’ｋｆｌ−Ｌで反射鏡
３，４に入射する。と−どで、光線Ｔ、５１　Ｌ＠の回
折光は、往路を逆行するように反射鏡３，４で反射され
、再び回折格−了１に入射−Ｊる。再度、回折格ト１に
入射した光線Ｌ５　、　Ｌ６の回折光は、千れぞれ符号
の異々、る同次数の回折光を形成１，２、〜射鏡３ムと
３１１、及び３ｃケ介して偏光ど一ムスブリッタ−７に
再入射する。との時、光線Ｉ、５＋Ｉｉ６の回折光は、
イれぞわ、１／４波是−板１静９１触ｆ２度通過をン）
／１″め、偏光面が９０度回転さ１１丁いる。、従でン
丁、偏光ビ　ムスプリッター７にお−ＩＡ　−Ｃ、光線
Ｌ５の回折光０：、Ｓ偏光であるのＣＩｙＩ刺し、光線
丁・６ケｊ、ｐ偏光「あるので透過１７、光学的（ｃ　
８成さＪｌ７、集光し／ズ１７ｂｆ集光さｉｔ、偏光板
１６ｂにより光へゾロダイン干渉光となり、検出に５ｂ
により回セ１光ビー　ト信号と１ヅて検出し２、信号処
理部１９に入力する。

従って、信号処理部１９１Ｆｌｉ＞いて、検出器？ｊ範
で検出した基準ビート信号とイ灸出郡５１３で検出１〜
九回折光ビー　１・信号との位相差ｌφを検出゛）゛る
ことにより、回Ｍ格子１の移動量Ａｘを・削測ｒきる。

ｎ次回新党の光へ、アロゲイン干渉ビーＨ口号を用いる
場合、位相差Δφと回折格子１の移動■ΔＸとの関係は
、第１実施例と同様に−１−、記式（４）で表３苫れる
。

第５図（ａ）Ｕ位相差（Ｎ号Δφの具体例を示１−だ図
でおり、位相差佑月Δφは回折格子の移、動Ｍ：Δ１＝
＝　−Ｐ　／　（Ｂ　ｎ）−−＋−Ｐ　／　（８ｎ　）
に対しで一１ｒ（−１１３０度）・件γ（＋１８Ｏ度）
の範囲で直線性奈示］７、？−ｉ１を周期Ｐ　／　（４
ｎ　）で繰り返り。同図←）の位相差信号に対し、で、
例え（パ３−位相差が一１１８０度から−１８０１８′
に１．φ汰１逆に−１８ｏ度から−＋−ｔｇｏ度に切り
替わ、？）タイ、ミングー′Ｃ同図（１−）に小Ｖよう
にパルスを発生さ、４Ｊ（゛、そ゛の数台１４数：ｉ’
−ＺｉＣとによってｌｉ、’ｉｊ折格子１の移動量を計
測できる。６０時の検出力解能Ｉｔｓ　Ｐ、”（４ｎ　
）となる。なお、と、の場合、回Ｊ３−ｉ格子１の移動
のＪｌ向（＋、（、位相差値の増減の方向ど対応Ｊ゛る
のＣ容易い判定で八ｚ１の″Ｃパルス計数時に位相差値
の増減を考慮し２′Ｃ加曽゛、弐友は減算かを法定すれ
ばＪ、い、。

きらに、位相差イｉ　”ｉ４１φυ、回４イ光の強Ｉ１
ｍ号と（ｒよ異なり、光源の強度変動や回折格ｆの回折
効率の変動等の外乱の影響を殆ど受けず、回折格子１の
４（動量ΔＸに出側り、７１ｉ二（ば号であり、安定し
／２−信号が得らり、　Ｚ＞　、、この＊−、ｌＩ′、
）、通電の束子回路からなる位相差信号−傍：出処理系
等によりて容易に検出分解能１度程度を達成できる。従
二）で、同図（ｅ）に示すＪｌ、うに例メ−げ、分割数
Ｎ・”　３６０として移、動量Ａｘ＝−Ｐ／（８ｎ）−
””−＋Ｐ／（８ｎ）の範囲ｋ　：％Ｏ分分割ｎ能能、
１０り２）　、即呟回折格子１の移動月ΔΣ−全検出分
解能Ｐ　／　（３６Ｏ・４ｙｉ）−１丁）ｌ炙出’ｒ　
Ｍｌぺ１２あイ゛）、。

ムらに、分割数Ｎの餉（Ｌ」−５位相！但し検出処理系
により容易に設定でき、任意の検出分解能ｒ’／’（Ｎ
・４ｎ）で回折格子１の移動量Ａｘ分傍゛出できＺ）特
徴をイタしている。

力こ」子、上ｉ己の第１・・−第４の実於ｄ苓ｌに、」
、・いＣ−、ｆ二ｔ１２　＃’−＃ノＪ１色）ＹＪ（：
涼トｔ、　’？：　イーｊ”しも２　波Ｊｔ　＋＆交ｆ
ＱＲ光し　リ゛−先源１５を用い／ｒ二が、２波長のｊ
Ｖ色先と１，７てグジッグ（社ルカ、どの１．畜響光学
素了−を用いて生成（７た光を用いても同様の効味、を
得るととが′ＣへＺ）１．この場合、音響ソ１′二学素
子と半導体ｌ、・・　　ジ゛−とを結合ぜることにより
、２波長単色光光源のτンバクト化が可能である。さら
に、２波Ｊ婬・レージ゛−光の入射光学系に偏波面保存
）′（：ノアイバー等の光ファイバーを用いて、＃′＠
■検出光学系庫゛休と２体艮ｊ・ψ、色光光源とを分無
さ（恢両省分つ７４ツノ−゛イバーで結合さ（ノーる等
の技術を適用させ２）ことにより、移動Ｒ検出光学系を
さらにゴンバクト化”ｊ５　（（−るどとがＩｉＪ能で
ある５、 談に１−１・ｍｌの第１−第４の実施例に」、・いＩ′
：ｄｌ、微小変位計としての応用例を示したが、回折格
子１を回転可能な円盤上に設定したロータリーエンコー
ダーにも応用可能である。この場合にも同様の効果を得
ることができる。さらに、Ｎの値を適宜、設定すること
により、検出分解能を損なうことなく、格子ピッチの大
きい回折格子の使用が可能であることから、ロータリー
エンコーダーの応答回転速度の高速化が可能である。

さらにまた、回折格子１への入射光の方向、及び回折格
子１からの回折光の方向が回折格子面に垂直なＸＹ平面
に含まれる例について説明したが、回折格子１への入射
光の方向、及び回折格子からの回折光の方向として、回
折格子面に垂直なＸＹ平面に含まれない斜め入射、及び
斜め出射の２波長の回折光を光学的に合成して光ヘテロ
ダイン干渉ビート信号を検出するようにしても同様の効
果を得ることができる。

さらになお、本発明における回折格子１としては、吸収
型回折格子、位相凰回折格子のいずれを用いてもよく、
ま九バイナリー回折格子に限らず正弦波状回折格子、フ
レーズ回折格子等、種々の回折格子を用いることが可能
であるし、透過型の他に反射型回折格子を用いることも
可能である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明に係る移動量測定方
法およびその測定装置によれば、回折格子に周波数がわ
ずかに異なる２波長の単色光を入射し、それら２波長の
単色光の２回の回折によって生じる回折格子からの２波
長の回折光を光学的に合成して光ヘテロダイン干渉ビー
トを検出するようにしたので、検出した回折光ビート信
号の位相変化から回折格子の移動量（即ち、物体の移動
量）を測定できる。しかも、光源の強度変動や回折格子
の回折効率の変動等圧起因して回折光強度が変動した場
合であっても、回折光ビート信号の振幅が変化するだけ
でビート信号の位相変化には全く影響が及ばず、従って
、高精度に移動量を検出することができる。また、位相
差信号が高安定でおるため、位相差を例えば１°以下の
精度で検出可能であり、高分解能を得ることができる。

さらに、ロータリーエンコーダー等に適用する場合、位
相差検出による高検出分解能を利用して、検出分解能を
劣化させることなく、円盤上に配置する回折格子の本数
を少なくして装置の小型化、或は回折格子のピッチを大
きくして回転移動検出の高速化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る移動量測定方法及びその装置の第
１実施例を示す構成図、第２図は本発明の第２実施例を
示す構成図、第３図は本発明の第３実施例を示す構成図
、第４図は本発明の第４実施例を示す構成図、第５図（
ａ）〜（ｃ）は本発明の第４実施例から得られる信号の
タイムチャート図、第６図、第７図および第８図はそれ
ぞれ従来の移動量測定方法の一例を示す構成図、第９図
（ａ）〜（ｅ）は第８図の測定方法から得られる信号の
タイムチャート図である。 １・・・・回折格子、２・・−・光源、３　、３ａ。 ３ｂ、３ｃ、４・・・・反射鏡、５，５ａ、５ｂ・・・
・検出器、６・・・・ビームスプリッタ−１７，７ａ。 ７ｂ−・・拳偏光ビームスプリッタ−１８・・拳・格子
線、９・・・・レンズ系、１０ｍ　＋　１０ｂ・轡・・
偏向鏡、１１．１２・・・・ダ／・プリズム、１３．１
４Φ・・・位相差板、１５・・・・２波長直交偏光レー
ザー光源、１６ａ　、　１６ｂ・・・・偏光板、１７ｓ
Ｌ、１７ｂ−―・・集光レンズ、１８　、１８ａ。 １８ｂ・・・・１／４波長板、１９・・・・信号処理部
。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回折格子を測長基準尺として用い、該回折格子に
   単色光を入射して生じる回折光を干渉させて、他の光学
   系に対する回折格子の相対的な移動距離を求める測長装
   置において、光源に周波数が互いにわずかに異なる２波
   長の単色光を用い、前記２波長の単色光を合成し光ヘテ
   ロダイン干渉させて基準ビート信号を生成するとともに
   、前記２波長の単色光を物体上に設けられた回折格子に
   入射させ、前記回折格子から生じる２波長の回折光を、
   往路を逆行させるような光学系により再び前記回折格子
   に入射させ前記回折格子により２回回折して生じた、こ
   れら周波数が互いにわずかに異なる２波長の回折光同志
   を光ヘテロダイン干渉させ、生じた干渉光のビート信号
   と前記基準ビート信号との位相差を検出することによつ
   て、前記回折格子からなる物体の移動距離を測定するこ
   とを特徴とする移動量測定方法。
2. （２）物体上に設けられた回折格子と、周波数が互いに
   わずかに異なる２波長の単色光を発生する光源と、この
   光源から発せられた２波長の単色光を合成し光ヘテロダ
   イン干渉させて基準ビート信号を生成する第一の光合成
   検出手段と、前記光源から発せられた２波長の単色光を
   前記回折格子に所定の角度を有した方向からそれぞれ入
   射させる入射角調整手段と、前記回折格子から生じる２
   波長の回折光の往路を逆行させ再び前記回折格子に入射
   させる反射光調整手段と、前記回折格子により２回回折
   されて生じた２波長の回折光を合成して光ヘテロダイン
   干渉ビート信号を生成する第二の光合成検出手段と、前
   記第一、第二の光合成検出手段によつてそれぞれ生成さ
   れた基準ビート信号、及び光ヘテロダイン干渉ビート信
   号とから位相差信号を算出処理して前記回折格子からな
   る物体の移動量に換算する信号処理装置とを具備してな
   ることを特徴とする移動量測定装置。