JPH06229718A - 格子干渉型変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学要素のアライメントが容易でかつ二つの
光ビームの光量を等しくすることを可能とし、もって高
分解能特性を得ることを可能とした格子干渉型変位測定
装置を提供することを目的とする。 【構成】 回折格子が形成されたスケール１０、このス
ケール１０に二つの光ビームを照射する光照射系２０、
および照射された二つの光ビームのスケール１０による
回折光ビームを集光し混合してその混合波を受光する光
検出系３０を有し、スケール１０の光照射系２０および
光検出系３０に対する相対変位に応じて周期的に変化す
る検出信号を出力する格子干渉型変位測定装置であっ
て、光照射系２０は、半導体レーザ２１の出力光ビーム
を二分割する手段として回折格子２３を用いている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回折格子が形成された
スケールを用いて光学的に変位測定を行う格子干渉型変
位測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】格子干渉型変位測定装置は、スケールに
回折格子を用いることにより高分解能化を図った光電型
エンコーダの一種である。回折格子には、一つの光源か
らの光ビームが２分割されて照射される。二つの光ビー
ム入射によりスケールから得られる二つの回折光ビーム
は集光され、更にビームスプリッタ等によって二つの回
折光ビームは互いに半分ずつに分けられて混合される。
この混合波が受光素子により受光されるようになってい
る。

【０００３】このような構成として、スケールが光照射
系および光検出系に対して相対的に変位すると、光検出
系には干渉による明暗に対応して周期的に変化する検出
信号が得られる。この検出信号周期によって変位量を測
定することができる。通常光検出系のビームスプリッタ
で二分されて混合された２系統の混合波の光路には、そ
の一方に１／４波長板等が挿入され、互いに位相のずれ
た２系統の検出信号を得る。この２系統の検出信号の位
相差によって、スケールの移動方向が検出できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】干渉格子型変位測定装
置では、回折格子が形成されたスケールに対して同一波
長の二つの光ビームを同じ入射角で入射させることが必
要である。このため半導体レーザ等の光源光をビームス
プリッタにより二分割することが行われる。しかし、ビ
ームスプリッタを用いて二分割した光ビームをスケール
に対して同じ入射角で入射させるためには、各光学要素
のアライメントを極めて高精度に行うことが必要にな
る。即ちビームスプリッタに対して斜め方向から光源光
を入射させ、二分された光ビームを対称的にスケールに
入射させることが必要である。このため光学系が非対称
となり、光学要素のアライメントは容易ではない。

【０００５】また、二分割される光ビームは一定の光量
比となることが望まれるが、ビームスプリッタではその
半透膜の特性によって光ビームの分割比が決まり、分割
比を一定にすることが難しいという難点がある。スケー
ルから得られた二つの光ビームを混合，干渉させるため
にも、通常ビームスプリッタが用いられる。したがって
この光検出系に関しても上述した光照射系と同様の問題
がある。これらの問題は、回折格子を用いた格子干渉型
変位測定装置の出力信号特性を劣化させる原因となる。
即ち、スケールから得られる二つの出力回折光ビームは
等量ずつ混合，干渉させることが高分解能特性を得る上
で重要であるが、上述した従来の構成では良好な出力信
号特性が得られず、従って十分な高分解能特性を得るこ
とが難しい。

【０００６】本発明は上記した事情を考慮してなされた
もので、光学要素のアライメントが容易でかつ用いられ
る二つの光ビームの光量を等しくすることを可能とし、
もって高分解能特性を得ることを可能とした格子干渉型
変位測定装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、回折格子が形
成されたスケールと、このスケールに二つの光ビームを
照射する光照射系と、前記二つの光ビームの前記スケー
ルによる回折光ビームを集光し混合してその混合波を受
光する光検出系とを有し、前記スケールの前記光照射系
および光検出系に対する相対変位に応じて周期的に変化
する検出信号を出力する格子干渉型変位測定装置におい
て、前記光照射系は、光源と、この光源からの一本の光
ビームを前記スケールに入射する二つの光ビームに分割
するための回折格子とを有することを特徴としている。
本発明はまた、上述した格子干渉型変位測定装置におい
て、光検出系における回折光ビームの集光手段として前
記スケールと平行配置された回折格子を用いたことを特
徴としている。

【０００８】なお本明細書における「集光」は、二つの
光ビームを一点に集めるという意味で用いられており、
各光ビーム自体のビーム径が絞られる場合と絞られない
場合を含む。

【０００９】

【作用】本発明においては、光源からの光ビームを二分
割する手段として回折格子を用いている。ビーム分割用
の回折格子をスケールに平行に配置して、これに対して
光源からの光ビームを垂直に入射すれば、その＋１次回
折光ビームと−１次回折光ビームをスケールに入射する
二つの光ビームとして用いることができる。即ち光源か
らの光ビームを分割する回折格子とスケールとを平行配
置し、かつ光源からの光ビームが回折格子に垂直に入射
するように配置することができるので、光照射系が光源
を中心に対称的になり、従って光学要素のアライメント
は容易である。また、スケールへの入射光ビームは回折
格子の＋１次回折光と−１次回折光であるから、光量が
等しくなる。以上により、極めて高分解能の格子干渉型
変位測定装置が得られる。

【００１０】光検出系における回折光ビームの集光手段
として回折格子を用いた場合にも、同様の理由で格子干
渉型変位測定装置の高分解能化が図られる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例に係る格子干渉型
変位測定装置の構成である。スケール１０はこの実施例
では透過型の回折格子により構成されている。このスケ
ールの一方側に光照射系２０、他方側にスケールを透過
回折して得られた光ビームを検出する光検出系３０が配
置されている。

【００１２】光照射系２０は、光源としての半導体レー
ザ２１、この半導体レーザ２１の出力光ビームを平行光
にするコリメータ２２、およびコリメータ２２を通った
光ビームを二分割するための回折格子２３により構成さ
れている。回折格子２３はスケール１０と平行配置され
ており、半導体レーザ２１はこれらに対して垂直の光ビ
ームを出力するように配置されている。回折格子２３に
より二分割されてスケール１０に入射される光ビームＢ
01，Ｂo2は具体的には、＋１次回折光と−１次回折光で
ある。０次回折光は当然あるが、これは測定動作に関係
しないので、図では示していない。

【００１３】光検出系３０は、入射光ビームＢ01，Ｂ02
によりそれぞれスケール１０から得られる回折光ビーム
Ｂ11，Ｂ12を集光する凸レンズ３１、集光した二つの光
ビームをそれぞれ半分ずつ透過と反射させて、透過光と
反射光を干渉させて混合するハーフミラー３２、これに
より得られる二つの混合波Ｂ21，Ｂ22を受光するフォト
ダイオード３３，３５を有する。一方のフォトダイオー
ド３５側には１／４波長板３４が挿入されている。この
実施例では、スケール１０から得られる回折光ビームＢ
11，Ｂ12はスケール１０に対して垂直、即ち回折角９０
°となっている。この回折角は、用いる光源光波長、ビ
ーム分割用の回折格子２３およびスケール１０の格子定
数により決まる。

【００１４】この様な構成として、スケール１０を光照
射系２０および光検出系３０に対して、図に矢印Ａで示
すように相対的に移動させることにより、フォトダイオ
ード３３，３５からはスケール１０の格子ピッチにより
周波数が決まる正弦波状検出信号が得られ、その周期か
ら変位量を測定することができる。また、二つのフォト
ダイオード３３，３５から得られる検出信号は、１／４
波長板３４によって互いに９０°位相がずれたものとな
り、両者を比較することよって、スケールの変位方向を
判定することができる。

【００１５】この実施例によると、図から明らかなよう
に、半導体レーザ２１からの光ビームはスケール１０に
対して垂直であって、１／４波長板３４を除く光学系が
スケール１０に対する垂線に関して対称となっている。
従って光学要素のアライメントは容易である。またビー
ム分割が回折格子２３によりなされ、その±１次光がス
ケールへの二つの入射光ビームとして用いられるから、
二つの入射光ビームの光量は完全に等しくなる。以上に
より、高分解能特性が得られる。

【００１６】またこの実施例では、スケール１０から得
られる二つの光ビームＢ11，Ｂ12がスケール１０に対し
て垂直、従って二つの光ビームＢ11，Ｂ12が互いに平行
になるように設計されている。これにより、これらの光
ビームを集光し干渉させる光検出系３０の設計が容易に
なる。更にこの実施例では、スケール１０から垂直方向
に得られる二つの光ビームＢ11，Ｂ12を凸レンズ３１に
より集光し、その集光点位置にハーフミラー３２を配置
して光混合を行っている。従ってフォトダイオード３
３，３５をハーフミラー３２の近くに配置することよ
り、フォトダイオード３３，３５として受光面積の小さ
いものを用いることができる。

【００１７】図２および図３は、図１の実施例の光検出
系３０側を変形した実施例である。光照射系は図１の実
施例と同じであり、従ってこれらの図では光照射系は省
略している。図２の実施例では、スケール１０から得ら
れた光ビームＢ11，Ｂ12の集光手段として、凸レンズに
代わって回折格子３６を用いている。回折格子３６はス
ケール１０と平行に配置されている。図３の実施例で
は、光ビームを集光して干渉させる手段として、回折格
子３６と、接合面にハーフミラー３８となるプリズム３
７を用いている。これらの実施例によっても先の実施例
と同様の効果が得られる。

【００１８】図４は、スケール１０を反射型として、ス
ケール１０の一方側に光照射系２０と光検出系３０を配
置した実施例である。図１の実施例と対応する部分に図
１と同一符号を付して詳細な説明は省略する。この実施
例では、スケール１０の回折格子が形成された側の面と
反対側の面１１が反射面となっている。スケール１０で
回折され、面１１で反射された回折光ビームＢ11，Ｂ12
がスケール１０の上方にスケール１０に対して垂直に出
るように設計されている。この実施例よると、光学系が
スケール１０の一方にのみ配置される結果、光学系がよ
りコンパクトになる。

【００１９】図５は、図４の実施例を変形したもので、
スケール１０自体は透過型であるが、これと別にミラー
１２を配置して、実質的に図４と同じ反射型構成とした
実施例である。図５に示した部分以外は図４と同じであ
る。

【００２０】図６は、図４の実施例における集光用凸レ
ンズ３１の代わりに、ビーム分割用の回折格子２３をそ
のまま集光手段として用いた実施例である。これによ
り、光学系は更にコンパクトに構成できることになる。
図７は更に図６の実施例において、光ビームの混合を行
うハーフミラー３２の部分に回折格子３９を用いた実施
例である。この場合、回折格子３９による二つの光ビー
ムからの回折光ビームが一つに重なった混合波Ｂ20とし
て得られるように、格子定数が選ばれている。従って変
位方向を検出するために位相のずれた二つの光ビームを
出力するためには、この混合波Ｂ20を二つに分割するこ
とが必要である。これは容易にできる。

【００２１】図８は、図４の実施例における集光用凸レ
ンズ３１に代わって、ビーム分割用回折格子２３とは別
に集光用の回折格子４０を用いた実施例である。図９は
更に図８の実施例において、光混合を行うハーフミラー
３２の部分を図７の実施例と同様に回折格子３９で置き
換えた実施例である。

【００２２】図１０は、図９の実施例において、光混合
用の回折格子３９で、一方の０次回折光と他方の１次回
折光とが重なって二つの混合波Ｂ21，Ｂ22が得られるよ
うにした実施例である。これも、用いる光源波長と回折
格子３９に対する入射角との関係で回折格子３９の格子
定数を選ぶことにより、可能となる。

【００２３】以上では、光検出系の集光手段として凸レ
ンズを用いる実施例、その凸レンズに代わって回折格子
を用いる実施例を説明したが、更に集光手段は種々変形
して実施することができる。スケールを反射型とした場
合について、それらの実施例を図１１〜図１５に示す。
図１１は、凹面鏡４１を集光手段とした実施例である。
図１２は、特殊プリズム４２を集光手段兼光混合手段と
した実施例である。プリズム４２は上面が球面ないし円
柱面の反射面４３である貼り合わせプリズムであって、
貼り合わせ面がハーフミラー４４となっている。スケー
ル１０からの二つの光ビームＢ11，Ｂ12は、このプリズ
ム４４の上面で反射されて集光され、内部ハーフミラー
４４で混合される。

【００２４】図１３は、集光手段としてミラー４５，４
６を用いた実施例である。この場合、二つの光ビームＢ
11，Ｂ12は一点に集光されるが、これまでの実施例と異
なり、ビーム径そのものは絞られない。図１４は、図１
２の実施例におけるプリズム４２の反射面４３を平坦面
とした実施例である。図１５は、反射型の回折格子４７
を集光手段とした実施例である。これら図１４，図１５
の実施例でも、図１３の実施例と同様に集光される二つ
の光ビームの径は絞られない。

【００２５】図１６は、光照射系において、回折格子２
３により分割された光ビームＢ01，Ｂ02を更にスケール
１０と平行配置された回折格子２４を通して、スケール
１０に対して垂直に入射する光ビームＢ01′，Ｂ02′と
した実施例である。この実施例はスケール１０が反射型
であるが、光照射系２０と光検出系３０の上下関係は、
図４以下の実施例とは逆になっている。この実施例の場
合、スケール１０から得られる回折光ビームＢ11，Ｂ12
はレンズ等を用いることなく集光される。

【００２６】以上の各実施例において、ビーム分割を行
う回折格子２３として反射型を用いれば、図１７に示す
ように、光照射系２０の半導体レーザ２１、コリメータ
２２および回折格子２３の配置を反転することもでき
る。更にこの場合、光照射系２０はスケール１０の一方
に配置されているが、図１８に示すように、スケール１
０の一方に半導体レーザ２１とコリメータ２２を配置
し、スケール１０の反対側にビーム分割用回折格子２３
を配置することもできる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
源からの光ビームを二分割する手段として回折格子を用
いることにより、光学要素のアライメントが容易にな
り、また分割された二つの光ビームの光量も等しくなっ
て、高分解能特性の格子干渉型変位測定装置を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る格子干渉型変位測定
装置の要部構成を示す図である。

【図２】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置の
要部構成を示す図である。

【図３】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置の
要部構成を示す図である。

【図４】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置の
要部構成を示す図である。

【図５】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置の
要部構成を示す図である。

【図６】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置の
要部構成を示す図である。

【図７】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置の
要部構成を示す図である。

【図８】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置の
要部構成を示す図である。

【図９】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置の
要部構成を示す図である。

【図１０】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【図１１】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【図１２】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【図１３】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【図１４】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【図１５】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【図１６】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【図１７】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【図１８】 他の実施例による格子干渉型変位測定装置
の要部構成を示す図である。

【符号の説明】 １０…スケール、２０…光照射系、３０…光検出系、２
１…半導体レーザ、２２…コリメータ、２３…回折格
子、３１…凸レンズ、３２…ハーフミラー、３３，３５
…フォトダイオード、３４…１／４波長板、３６…回折
格子、３７…プリズム、１１…反射面、１２…ミラー、
３９，４０…回折格子、４２…プリズム、４３…球面反
射面、４４…ハーフミラー、４５，４６…ミラー、４７
…回折格子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回折格子が形成されたスケールと、この
   スケールに二つの光ビームを照射する光照射系と、前記
   二つの光ビームの前記スケールによる回折光ビームを集
   光し混合してその混合波を受光する光検出系とを有し、
   前記スケールの前記光照射系および光検出系に対する相
   対変位に応じて周期的に変化する検出信号を出力する格
   子干渉型変位測定装置において、 前記光照射系は、光源と、この光源からの一本の光ビー
   ムを前記スケールに入射する二つの光ビームに分割する
   ための回折格子とを有することを特徴とする格子干渉型
   変位測定装置。
2. 【請求項２】 前記光検出系における回折光ビームの集
   光手段が前記スケールと平行配置された回折格子である
   ことを特徴とする請求項１記載の格子干渉型変位測定装
   置。