JPH0385413A - 平均化回折モアレ位置検出器 - 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、工作機械等における位置計測に利用される光
学式リニＺエンコーダ、特に回折格子によるモアレ縞を
利用した位置検出器に関する。

（従来の技術） ２枚１組の回折格子を重ね合わせて得られるモアレ縞は
横方向の相対変化に敏感であり、微妙なステップでの変
位の計数測定ができるため、測長法として広く利用され
て来た。

２つの回折格子（以下、それぞれを第１格子。

第２格子と呼ぶ）は機械の相対的に変位する２つの部分
Ｃ取付けられて用いられるので、常に適当な間隙を保つ
必要がある。一方、測長の分解能を上げるために上記各
回折格子の格子ピッチを小さくしていくと、光の回折効
果の影響が大きくなる。従って、第２格子上の第１格子
の影は回折効果で薄くなり、直接のそアレ縞を高い可視
度で得ることはできなくなる。そこで、フーリエイメー
ジ（Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｉｍａｇｅ）を利用した回折モア
レカ用イられるようになった。すなわち、第１格子を位
相の揃った平行光束で照射した場合、光の回折効果によ
りその後方に、格子のピッチＰの２乗の２倍を波長λで
除した距離の整数倍の位置に格子と同じピッチを持った
光の明暗分布（手堅数倍の位置には明暗の反転した光分
布ができる）ができ、この再生された光の明暗分布をフ
ーリエイメージと言う。そして、このフーリエイメージ
が形成される位置に第２ｔｇ子を置けば、第２格子から
の回折光は２つの格子の横方向の相対変位に対して、周
期Ｐの明瞭なコントラストを持つようになり、これが回
折モアレと呼ばれるものである。この原理を利用して、
半導体製造などの微細加工におけるマスク合わせのよう
な比較的測長距離の短い用途への利用が研究されている
（たとえばＪ、　ＶＡＣ。

ＳＣ１，ＴＥＣ）ＩＮＯＬ、　１５（１９７８）の　９
８４ページ、同ＴＥＣＨＮＯＬ　８１　（１９８３）の
１２７６ページ）。

一方、測長距離を長くし、かつ格子ピッチＰを小さくし
て測長精度を高くしようとすると、フーリエイメージの
できる距！１２Ｐ’　／λは格子ピッチＰの２乗に比例
して急激に短くなるため、長い距離にわたって２枚の回
折格子をフーリエイメージのできる間隙に精度良く保持
することが困難となる。そして、格子の間隙がフーリエ
イメージのできる位置からずれると、回折光の強度が大
きく変化して位置決めが不可能となる。たとえば格子ピ
ッチＰを１μ口とし、０．６３３μ碓の波長λを用いた
とすると、格子の間１１１Ｇは、回折格子の間隙Ｇと光
の波長λとの積を回折格子のピッチＰの２乗で除して得
られるフレネル数（λ・Ｇ）／Ｐ２−２を与える　１．
６μｍに対して、十分に小さい変動の中に収められなけ
ればならない。そのため、回折モアレは一般の工作機械
等における高精度な測長法として利用できなかった。

このような事情に対し、第１格子及び第２格子の間隙変
化に影響されず、かつ横方向変位にＶ＆感な回折モアレ
信号を得て、高精度な位置検出を行なうことができる位
置検出器が本出願人によって開示されている（特開昭６
１−１７０１６号公報参照〉。

この位置検出器は、第１格子及び第２格子の有効対向面
積の各部分において、各格子間の間隙光路長を変化させ
て回折モアレ信号の平均値に相当する信号を得て、この
平均値に現われる回折格子のピッチＰの２分の１を周期
とする信号変化を用いて位置検出を行なうものである。

第７図〜第９図は、それぞれ上述した平均化回折モアレ
位置検出器の一例を示す斜視図であり、Ｏ次回行光を使
用した場合について以下説明する。

第７図において、先ず第１格子１をレーザ光ＬＢにより
照射すると共に、第１格子１の後方に置かれた第２格子
２上に階段状の段差を持つ透明な板３を取付けている。

段差を持つ透明な板３は、光学的に間隙Ｇの範囲がＧ。

からＧ。＋２Ｐ２７λになるように、高屈折率材料に階
段を付けたものであり、この段差を持つ透明な板３によ
りレーザ光ＬＢの各部分に光路差を与えるようになって
いる。

第７図における段差を持つ透明な板３は、光学的な距離
２Ｐ２／λの範囲を５分割しているので、５段の階段状
の構造になっている。第２′＃ｒ子２の後方に一次元状
に配列されたレンズ群４は、第２格子２において５分割
された光学的距離の異なる領域を通ってきた光束をそれ
ぞれ集光させる。レンズ群４で集光された光をそれぞれ
フォトダイオード群５により別々に検出する。その後、
演算増幅器等で構成された加算器７によりフォトダイオ
ード群５の信号を加算して変位信号を得る。

第８図において、第１格子１と第２格子２とを平行に置
き、第２格子２社ランダム光路差板９を取付ける。この
ランダム光路差板９は、レーザ光ＬＢの各部分の光路差
が２Ｐ２／λの範囲でランダムになるように凹凸を付け
られた透明板で成る。レンズ群４によりレーザ光ＬＢの
各部分は別々に拡散板ｌＯに集光され、レンズ群４の焦
点は重ならずに拡散板１０上に一列に並ぶように構成す
る。レーザ光ＬＢが集光された各部分の光束は、拡散板
ｌＯによりインコヒーレントな光となる。拡散板ｌＧに
より拡散された光は凸レンズ１１を通り、フォトダイオ
ード等の光センサ１２により検出される。拡散板１０を
用いているため、異なる間隙光路長を通ってきた光束は
相互に干渉せずに平均化される。

第９図において、第１格子１をレーザー光ＬＢに対して
垂直に置き、第２格子２を第１格子１に対して傾斜させ
て配置する。そして、各回折格子１及び２の間隙が、各
回折格子１及び２の有効対向面積において、２ｐ２／λ
の範囲を含むように調節する。各回折格子！及び２を透
過した光のうちＯ次回折先Ｌ０のみが後方に配置された
光電変換素子１３の受光面に入射して検出される。

上述した各平均化回折モアレ位置検出器では、ある位置
において得られる光量、即ち光電変換素子等で変換され
る電気信号を検知して対応する位置データを出力したり
、互いに位相の異なる複数の光量の関係から対応する位
置データを出力することによってＰｉ密に位置を検出し
ている。

しかしながら、例えば光源から発する光量が劣化したり
、何らかの原因で変化したりすると、同一位置において
も光量が一定でなくなり、検出する位置に誤差が生じて
しまう。

第１０図及び第１１図は上述した欠点を解消する平均化
回折モアレ位置検出器の光学系の一例を示す斜視図及び
処理回路の一例を示すブロック図であり、第１格子１を
レーザ光ＬＢに対して垂直に置き、第２格子２を第１格
子１に対して傾斜させて配置する。そして、第１格子１
と第２格子２の格子部２Ａ、２Ｂとの間隙が第１格子１
と第２格子２の格子部２Ａ、２Ｂとの有効対向面積にお
いて２Ｐ２７λの範囲を含むように調節する。第１格子
１及び第２格子２の格子部２＾、２Ｂを透過した光のう
ちＯ次回行先はシリンドリカルレンズ２３で集光され、
後方に配置された測定用光電変換素子１４Ａ、１４Ｂの
受光面に入射して検出される。ここで、第２Ｉ８子２の
格子部２八、２Ｂの各格子線の位相は変位方向にずれて
おり、各格子部２Ａ、２Ｂを透過した光が入射する測定
用光電変換素子１４＾、１４Ｂには第１格子１の変位に
伴って異なる位相の電気信号が発生する。

方、第１格子１の近傍には第１格子１の長手方向に細長
く光を透過する光量モニタ用透過部１７が設けられてお
り、レーザ光ＬＢの一部はこの光量モニタ用透過部１７
を透過して光量モニタ用光電変換素子１６に入射し、光
量に応じた電気信号に変換される。測定用充電変換素子
１４Ａ、１４Ｂからの電気信号ＶＡ、ＶＢが較正器１８
＾、１８Ｂにそれぞれ送出され、光量モニタ用光電変換
素子１６からの電気信号ＳＬによって較正され、信号／
位置変換器１９に送出されて位置データに変換される。

このような構成の平均化回折モアレ位置検出器（よれば
、光源の発光量が変化したり、第１格子の透過率が変化
しても、検出する位置に誤差が生じることばない。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来の平均化回折モアレ位置検出器では、光量
モニタ用透過部１７と第１格子１との位置が離れている
ため、例えば第１格子ｉ上で部分的に透過率が変換して
いる場合や第２格子２の透過率が変換している場合には
適切な較正が不可能となる。また、光量モニタ用透過部
１７を必要とするので、全体の大きさが大きくなってし
まうという欠点があった。

本発明は上述のような事情から成されたものであり、本
発明の目的は、正確な光量モニタが常に行なえ、かつ小
型な平均化回折モアレ位置検出器を提供することにある
。

（課題を解決するための手段） 本発明は第１の回折格子と、この第１の回折格子に対し
てその横方向に変位する第２の回折格子と、前記２つの
回折格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有効対
向面積の各部分について、前記２つの回折格子の間の間
隙光路長をフレネル数２又ぼ２の整数倍に相当する光路
長の範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの回折
格子の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号の平
均値に相当する信号を得る手段とを具え、前記平均値に
現われる前記回折格子のピッチの２分の１を周期とする
信号変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変位を
高い精度で検出し得る平均化回折モアレ位置検出器に関
するものであり、本発明の上記目的は、前記第１の回折
格子及び前記第２の回折格子にて回折された各次数の回
折光のうち偶数次数の回折光を検出することによって得
られる前記回折格子の横方向の相対変位信号を、前記各
次数の回折光のうち奇数次数の回折光を検出することに
よって得られる較正信号によって較正する手段を具備す
ることによって遠戚される。

（作用） 本発明の平均化回折モアレ位置検出器は、測定用の回折
光が透過したと同一の箇所を透過した回折光を光量モニ
タ用として用いているので、光源の光量変化や回折格子
の透過率変換を適切に較正することができる。

（実施例） 先ず、本発明の原理について説明する。

２つの回折格子に位相の揃った平行光束を入射させたと
き、各次数の回折光強度は２つの回折格子の横方向の相
対変位と２つの回折格子の間隙によって変化する。回折
格子の格子定数をＰ、２つの回折格子の相対変位をｘ、
２つの回折格子の間隙をｇ、平行光束の波長をλとすれ
ば１次回折光の回折光強度Ｉは次式（１）で表わされる
。

第６図は２つの回折格子の間隙ｇをパラメータとして２
つの回折格子の相対変位Ｘと１次回折光の回折光強度■
との関係を示す特性図である。上式（１）からも明らか
なように１次回折光の回折光強度Ｉは２つの回折格子の
相対変位Ｘによって正弦波状に変化し、その位相は２つ
の回折格子の間Ｋｇに比例して移相し、２つの回折格子
の間隙ｇを周期として元の位相に戻る。従って、この信
号を２つの回折格子の間Ｋｇ・λ／２Ｐ２の範囲にわた
って積分するならば、２つの回折格子の相対変位Ｘや２
つの回折格子の間隙ｇに依存しない信号を得ることがで
きる。即ち、ある間隙範囲（Ｇ＋２Ｐ２／λ〜Ｇ）の１
次回折光の回折光強度Ｉの積分（次式（２））は２つの
回折格子の相対変位Ｘや２つの回折格子の間隙ｇに依存
しない。

このことは、この信号の増減が光源自体の光量変化や光
源から２つの回折格子を通って光電変換素子に至る光路
上の透過率の変化を表わすものといえる。この原理を利
用することにより正確な光量のモニタが可能となる。

第１図は本発明の平均化回折モアレ位置検出器の光学系
の一例を第１Ｏ図に対応させて示す斜視図であり、同一
構成箇所は同符号を付して説明を省略する。第１格子１
及び第２格子２を透過した光のうちＯ次回行光及び±１
次回折光がシリンドリカルレンズ２３でそれぞれ集光さ
れ、後方に配置された対応する測定用光電変換素子１４
及び光量モニタ用光電変換素子１５の受光面に入射して
検出される。ここで、０次回折光に対応する測定用光電
変換素子１４で発生する電気信号は、各回折格子１及び
２の間隙には依存せず、各回折格子１及び２の相対変位
によって変化し、同時に光源の光量変化や各回折格子１
及び２の透過率の変化によっても変化する。一方、±１
次回折光に対応する光量モニタ用光電変換素子１５で発
生する電気信号は、各回折格子１及び２の間隙や相対変
位には依存せず、光源の光量変化や各回折格子１及び２
の透過率によって変化する。従って、測定用充電変換素
子１４で発生する電気信号のうち光源の光量変化や各回
折格子１及び２の透過率の変化による成分を光量モニタ
用光電変換素子１５で発生す゛る電気信号の変化により
排除して、各回折格子ｌ及び２の相対変位による成分の
みを取出すことにより、正確な変位検出を行なうことが
できる。

第２図及び第３図は本発明の平均化回折モアレ位置検出
器の別の一例を光学系及び処理回路を第１Ｏ図及び第１
１図に対応させて示す斜視図及びブロック図であり、同
一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。第１格子
１及び第２格子２の格子部２Ａ、２Ｂを透過した光のう
ち０次回行光及び±１次回折光がシリンドリカルレンズ
２３でそれぞれ集光され、後方に配置された対応する測
定用光電変換素子１４＾、１４Ｂ及び光量モニタ用光電
変換素子１５Ａ、１５Ｂの受光面に入射して検出される
。ここで、Ｏ次回行光に対応する測定用光電変換素子１
４＾、１４Ｂで発生する各電気信号は、各回折格子１及
び２の相対変位に伴って所定の位相差をもって変化し、
同時に光源の光量変化や各回折格子１及び２の透過率の
変化によっても変化する。一方、±１次回折光に対応す
る光量モニタ用光電変換素子１５八、１５Ｂで発生する
電気信号は、各回折格子１及び２の間隙や相対変位には
依存せず、光源の光量変化や各回折格子１及び２の透過
率によって変化する。光量モニタ用光電変換素子１５Ａ
に入射する光は測定用光電変換素子１４Ａに入射する光
と同、即ち第１格子１．第２ｉ子２の格子部２＾及びシ
リンドリカルレンズ２３を透過して来た光であるため、
測定用光電変換素子１４Ａで発生する電気信号中の変位
信号以外の成分を極めて正確に検出することができる。

これは光量モニタ用光電変換素子１５Ｂについても同様
である。従って、測定用光電変換素子１４＾、１４Ｂか
らの電気信号ＶＡ、ＶＢが較正器Ｉ８＾、１８Ｂにそれ
ぞれ送出され、光量モニタ用光電変換素子１５＾、１５
Ｂからの電気信号Ｓ八、ＳＢによってそれぞれ外乱成分
（光源光量の変化や各回折格子１，２の透過率の変化に
よる成分）が取除かれ較正されるので、正確な位置デー
タを得ることができる。

第４図は第２図に示す平均化回折モアレ位置検出器の調
整状態が良好な場合の、各回折格子１，２の相対変位Ｘ
と測定用光電変換素子１４Ａ、１４Ｂに入射する回折光
の強度■い、Ｉｖａ及び光量モニタ用充電変換素子１５
Ａ、１５Ｂに入射する回折光の強度ｉｓ＾。

ｒｓａとの関係を示す特性図である。測定用光電変換素
子１４Ａ、１４Ｂに入射する回折光の強度ＩＶＡＩＩＶ
ＩＩは次式（３）で表わされ、光量モニタ用充電変換素
子１５Ａ、１５Ｂに入射する回折光の強度ＩＳＡ＋ＩＳ
Ｂは次式（４）で表わされる。

ところが、測定用光電変換素子１４Ａ、１４Ｂに入射す
る回折光の強度ＩＶＡ、ＩＶｌ！１間に光源光量や各回
折格子１．２の透過率のアンバランスが発生し、回折光
強度ＩＶＢのレベルが回折光強度■いに比べて１／ａに
なると各回折光強度ＩＶＡ　ｒ　ＩＶ＆は次式（５）と
なり、光量モニタ用光電変換素子１５Ａ、１５Ｂに入射
する回折光の強度ＩＳＡ＋ＩＳＢは次式（６）となる。

そして、このときの特性図は第５図のようになる。

このような場合、第３図示の較正器１８Ａ、１８Ｂには
例えば除算機能が含まれており、それぞれがＶＡ／ＳＡ
、ＶＢ／ＳＲを算出するので、較正後の各電気信号Ｖ八
／ＳＢ　、ＶＢ／ＳＲは次式（７）で表わされ、上記ア
ンバランスの影響が排除される。

なお、上述した各実施例においては、変位の測定用とし
てＯ次回行光を、光量モニタ用として±！次次回先光利
用したが、変位の測定用として偶数次回折光を、光量モ
ニタ用として奇数次回折光を利用することが可能である
。

（発明の効果） 以上のように本発明の平均化回折モアレ位置検出器によ
れば、正確な光量モニタを常に行なうことができるので
、位置検出精度を高めることができると共に、大きさが
小型であるので、装着可能範囲が広がる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の平均化回折モアレ位置検出器の光学系
の一例を示す斜視図、第２図及び第３図は本発明の平均
化回折モアレ位置検出器の別の一例の光学系を示す斜視
図及び処理回路を示すブロック図、第４図及び第５図は
本発明の平均化回折モアレ位置検出器における相対変位
と回折光強度との関係を示す特性図、第６図は本発明の
詳細な説明するための相対変位と回折光強度との関係を
示す特性図、第７図〜第１０図はそれぞれ従来の平均化
回折モアレ位置検出器の光学系の一例を示す斜視図、第
１１図は第１Ｏ図に示す平均化回折モアレ位置検出器の
光学系に用いられる処理回路の一例を示すブロック図で
ある。 ｌ・・・第１の回折格子、２・・・第２の回折格子、２
＾、２Ｂ・・・格子部、３・・・段差を持つ透明板、４
・・・レンズ群、５・・・フォトダイード群、７・・・
加算器、９・・・ランダム光路差板、ｌＯ・・・拡散板
、１１・・・凸レンズ、１２・・・光センサ、１３・・
・光電変換素子、１４．１４Ａ、１４Ｂ・・・測定用光
電変換素子、１５．１５Ａ、１５Ｂ、１Ｂ、・・・光量
モニタ用充電変換素子、１８＾、１８Ｂ・・・較正器、
１９・・・信号／位置変換器、２３・・・シリンドリカ
ルレンズ。 第 図 ５ 第２図 第３図 第９図 ２２９ 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の回折格子と、この第１の回折格子に対してそ
   の横方向に変位する第２の回折格子と、前記２つの回折
   格子の間に設けられた前記２つの回折格子の有効対向面
   積の各部分について、前記２つの回折格子の間の間隙光
   路長をフレネル数２又は２の整数倍に相当する光路長の
   範囲にわたって変化させる手段と、前記２つの回折格子
   の有効面積の部分にわたっての回折モアレ信号の平均値
   に相当する信号を得る手段とを具え、前記平均値に現わ
   れる前記回折格子のピッチの２分の１を周期とする信号
   変化を用いて、前記回折格子の横方向の相対変位を高い
   精度で検出し得る平均化回折モアレ位置検出器において
   、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子にて回折
   された各次数の回折光のうち偶数次数の回折光を検出す
   ることによって得られる前記回折格子の横方向の相対変
   位信号を、前記各次数の回折光のうち奇数次数の回折光
   を検出することによって得られる較正信号によって較正
   する手段を備えていることを特徴とする平均化回折モア
   レ位置検出器。 ２、前記較正手段には、前記相対変位信号を前記較正信
   号で除算する機能が含まれている請求項１に記載の平均
   化回折モアレ位置検出器。