JPH0318720A - 変位測定装置 - 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】 ［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
フ型回折格予て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，例えば実公開６
１−３９２８９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
．Ａ文などの反射膜を蒸着して光学式スケールを構或し
ている．そして、この光学式スケール１ロ０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
フ型回折格子で生した回折光同志を干渉させて干渉縞を
形成し，この干渉編を光電変換することにより光学式ス
ケールｌＯロ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かでき
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Ｗｉ３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か変化する。そ
の結果、従来の装置ては回折光の強度か変動し、高精度
な測定か不可能となる。

［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。

この目的を達威するために，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、該光の波長を入、ｍを
整ａ（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）　Ｘ　（　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、その上に反射膜か施されたレリーフ型回折
格子か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
させるのて、反射膜の膜厚変動による回折光強度の変動
か生じない。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かできる． 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、レリーフ型回折格予て生じる回折
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
かできるので、±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
かでき、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ｒｌ
１図であり、第１図（Ａ）は本測定装ｎに用いる光学式
スケールの４ＩＩｒ＆を示す断面図てあり、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は矩形状の溝か周期
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ｌ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ｌ，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ｌ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ｌの光束入射側の基
板而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ｌの屈折率をｎ、溝の深さをｈ、入射する
光束の波長を入とすると，ｙｔの底部３ｌで反射した光
束Ｅ１と、溝の上部３２て反射した光束Ｅ２は、次の（
１）式と（２）式て表わされる。

Ｅ，＝ａＸｅｘｐ　［ｉ　（ωｔ＋２π／入（Ｌ＋２ｎ
ｈ））　］・・・・−（１）Ｅ２　＝ａｘｅｘｐ　　［
　ｉ　　（ωｔ．＋２πＬ／入）】・・・・−（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，Ｏ次
反射回折光の強度Ｉ。（ｈ）は、 ＩＯ　　（ｈ）　＝ｌ　Ｅｌ　＋Ｅ２　１　”　＝：２
ａ”｛１＋ＣＯＳ　　（４ｎπｈ／入）　｝−（３）て
あり．Ｉ．（０）＝４ａ’で正規化すれば、ｉｏ（ｈ）
　＝　（　ｌ　＋　ＣＯＳ　（４ｎ　ｗ　ｈ　／入）｝
／２−（４）となる。

レリーフ型回折格子のデューテイ（ｙ１底部３ｌ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Ｗ．＝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Ｉｔ（ｈ）は、各々（５）式で表わされる。

１．（ｈ）＝　（１−ｘｏ　　（ｂ））／２＝　（１−
ＣＯＳ　（　４　ｎ　πｈ　／入）　）　／４−（５）
第３図に、ｎ＝１．５．　　入＝　０．７８井ｍ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或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）ができるた
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
折光の強度変動か少ないほうか望ましい。この時、１次
回折光の強度変動をｌＯ％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０．１０ｇｍから
０．１６ｇｍの間もしくは、０．：ｌｆＢｔｍから０．
４２μｍの間・・・になっていればよい。１次回折光の
強度変動か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。

ＩＩ＋ｃＯｓ　−’　（　　０．８）／２π≦２ｎｈ／
入≦（ｍ＋Ｉ）−ＣＯＳ　　’（−０．８）／２π−（
　６　）ここで、ｍはｍ＝ｏ，１，２．３・・・である
。

（６）式においてＣＯＳ″″’　（−　０．８）　＝　
２．４９８ｒａｄた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　）　Ｘ　（ｓ／２＋０．１９９）≦ｈ≦（
　λ／ｎ）×｛（謙＋１）／２−０．１９９１−（　７
　）（７）式のように溝深さｈを決めてやれば、回折光
の強度変動か小さく抑えられて、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か上記（７〉式を満たすように、入＝　
０．７８ｐ　ｍ、ｎ　＝　１．５　，　ｈ　＝０．１３
ｇｍ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
、ｔ５１図（Ｂ）に基づいて詳しく述べる． 第１図（Ｂ）において、１０はマルチモート半導体レー
ザー、１１はコリメーターレンズ，１２はビームスプリ
ッター、１：１１　，１３２．１３：ｌは反射鏡、１５
は受光素子である。レーザーｌＯを出射した光束はコリ
メーターレンズｌ１によってほぼ平行な光束となり、ビ
ームスプリッタ−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１：１１，　１：１２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か反射回折されて生じる
ー１次回折光と光束Ｂか反射回折されて生じる＋１次回
折光とか基板面に垂直な方向（法線方向）に出射する。

０＝Ｓｉｎ−’（入／ｐ）＝・（８） ここで、入はレーザーｌＯの波長ｐはレリーフ型回折格
子ｌ４のピッチ（溝の配列周期）である．この±１次の
反射回折光は反射鏡ｌ３３て反射されて光学式スケール
ｌ（１０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次の回折光か再び＋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、一方一１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，ビームスプリッター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ｌ５に入射して，光電
変換される。±ｌ次の回折光の移送は、回折格子が１ピ
ッチ動くと，±２πたけ変化するゆ受光素子ｌ５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ピッチ動くと，受光素子ｌ５から
は、４個の正弦波信号が得られる．たとえば、回折格子
ｌ４のピッチｐ？：１．６ｐｍとすれば受光素子ｌ５か
ら０．４４ｍ周期の正弦波信号か得られる。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ｌ
Ｏ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ｌの屈折率ｎ＝１．５．　　レリーフ型回折格
子の溝深さｈ＝０．１３ｐｍ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
力信号か得られ，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、等角度ピッチで周期的な溝を刻んた
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か，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，±ｌ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かできる．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
イプの装置を構威し得る。

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か適用で
きる。

［発明の効果］ 以上，本発明では、その上に反射膜か施されたレリーフ
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。 ｌ ．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 ｌ２・・・ビームスプリッター １３１〜１３３−・・反射鏡 ｌ５・・・受光素子 ＋００・・・光学式スケール 西 山 恵 ｏ，’；ｂ　　　　ｏヲ 嘱夕ざ％ｍ ０Ｉ！＋− Ｏク

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。