JPH0638050B2 - 格子干渉型変位検出装置 - Google Patents

格子干渉型変位検出装置

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JPH0638050B2
JPH0638050B2 JP63011234A JP1123488A JPH0638050B2 JP H0638050 B2 JPH0638050 B2 JP H0638050B2 JP 63011234 A JP63011234 A JP 63011234A JP 1123488 A JP1123488 A JP 1123488A JP H0638050 B2 JPH0638050 B2 JP H0638050B2
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light
diffraction
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diffraction grating
scale
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暢久 西沖
龍夫 板橋
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Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は、格子干渉型変位検出装置に係り、特に、半導
体レーザを光源としてX−Yテーブル等に組込む際に用
いるのに好適な、回折格子が形成されたスケールと、前
記回折格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格子
によつて生成された複数の光束の混合波を光電変換する
受光素子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器
の相対変位に応じて、周期的に変化する検出信号を生成
する格子干渉型変位検出装置の改良に関する。
【従来の技術】
一定ピツチの光学的な目盛の形成されたスケールを用い
て、周期的な検出信号を生成する光電型エンコーダが普
及している。この光電型エンコーダの分解能は、光学格
子の幅及びピツチと、光電変換後の信号を分割する電子
回路の特性により定まる。一般に、光学格子は、エツチ
ング法により製造されるので、4μm前後の光学格子が
最終測定精度上限界に近く、又、電子回路も大幅なコス
トアツプを伴わない範囲で用いるとなると、最終的な分
解能は1μm前後であり、これを更に高精度化するのは
困難であつた。 一方、光電型エンコーダが普及するにつれて、より高分
解能で高精度な検出信号を生成するものが求められてい
る。 光電型エンコーダの高分解能化を図つたものの1つとし
て、スケールにホログラフイの技術を用いて微細なピツ
チ(通常1μm程度)の目盛を形成し、その目盛を回折
格子として積極的に回折を生じさせて検出信号を得る格
子干渉型変位検出装置が提案されている。 第3図は、特開昭47−10034で提案された格子干
渉型変位検出装置を示すものである。この格子干渉型変
位検出装置は、ピツチd の回折格子が形成されたスケー
ル10と、該回折格子に光束としてのレーザビーム14
(波長λ)を照射するHe−Neレーザ光源12と、前
記回折格子によつて生成された0次と1次の回折光(光
束)をそれぞれ反射するミラー16、18と、ミラー1
8で反射された1次光の0次光と、ミラー16で反射さ
れた0次光の1次光との混合波を3分するビームスプリ
ツタ(粗い回折格子)20と、該ビームスプリツタ20
で3分された混合波をそれぞれ光電変換する受光素子2
2A、22B、22Cとを含んで構成されている。ここ
で、前記スケール10を除く各要素は、検出器を構成し
ている。 なお、第3図において、0次光及び1次光の光路中にそ
れぞれ挿入された偏光子24、26の偏光方向は、互い
に直交するように設定されており、受光素子22Aで干
渉縞が生じないようにされている。従つて、この受光素
子22Aでは、干渉縞ではなく、単なる和信号が得られ
るので、参照レベルとする。 又、受光素子22Bの直前には干渉縞生成用の検光子2
8Bが配置され、この受光素子22Bからは干渉縞によ
る検出信号Bが生成される。 又、受光素子22Cの直前には1/4波長板30と検光
子28Cが配置され、この受光素子22Cからは、検出
信号Bと90゜位相の異なる検出信号Cが生成される。 ここで、レーザビーム14の入射角θと、1次光の回折
角φとは、次式で関係付けられる。 d( sinθ+ sinφ)=λ ………(1) このような格子干渉型変位検出装置によれば、例えばス
ケール10をホログラム方式言で製造することによつ
て、1μm以下の光学格子を形成することができるの
で、0.01μmの分解能を達成することも可能であ
る。 一方、これらの検出装置においては、X−Yテーブル等
への組込みが要求されているが、光源が、形状が大きく
且つ発熱量の大きいHe−Neレーザ光源12では、組
込みは困難であり、又、発熱による誤差発生の恐れもあ
るので、光源として、第4図に示す如く、レーザダイオ
ード32とコリメータレンズ34を組合わせて用いるこ
とが検討されてきた。
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、レーザダイオード32においては、波長
が温度によつて変動するという問題あり、例えば波長λ
が設計値λからλ−Δλに変動すると、第4図に示
した如く、1次光の回折角が(1)式により明らかなよ
うに小さくなり(φ→φ′)、ミラー18で反射された
1次光の0次光(1−0次光)と、ミラー16で反射さ
れた0次光の1次光(0−1次光)の方向がずれて干渉
縞が変動し、検出信号が生成されなくなつてしまう。 又、従来の検出装置の構造では、第4図に破線で示す如
く、スケール10の表面による反射光が、そのまま受光
素子22A〜22Cに入射するため、S/N比が悪化す
るという問題もあつた。 以上のような問題のうち、光源の波長変動にかかわら
ず、常に干渉縞を発生することができるものとして、出
願人は特開昭61−12016で、ミラーを、回折点を
曲率中心とする凹面鏡とすることを提案しているが、直
線反射光に関しては、問題は解決されていなかった。 又、光源の波長変動及び直接反射光の問題を共に解決で
きるものとして、出願人は特願昭62−230487
で、回折点2カ所に離して設け、この異なる回折点でほ
ぼ対称に回折させた光を干渉させて検出信号を得ること
を提案しているが、回折点間隔が離れているため、回折
格子面の傾きを光路差として検出してしまうという問題
点を生じていた。
【発明の目的】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、光源の波長変化によつて検出信号が変動すること
なく、S/N比の良い検出信号が得られ、且つ、回折格
子面の傾きによる誤差を生じることのない格子干渉型変
位検出装置を提供することを目的とする。
【問題点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、前記回折
格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格子によっ
て生成された複数の光束の混合波を光電変換する受光素
子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器の相対
変位に応じて、周期的に変化する検出信号を生成する格
子干渉型変位検出装置において、前記光源からの光束を
2分する光分割手段、該2分された光束を同一の入射角
でそれぞれ対称に前記回折格子上の同一の回折点に入射
させる光反射手段、及び、該回折点で対称に生成された
回折光を、互いに直交する偏光方向とした後、再び混合
する光混合手段を前記検出器に備えると共に、前記回折
格子での前記2分された光束の一方の0次光と他方の回
折光とが分離できる程度に入射角と回折角とを異ならせ
て設定し、分離された回折光の前記光混合手段による混
合波を前記受光素子で光電変換して検出信号を得るよう
にして、前記目的を達成したものである。
【作用】
本発明においては、光源からの光束を光分割手段(例え
ばハーフミラー)で2分し、該2分された光束を光反射
手段(例えばミラー)により同一の入射角でそれぞれ対
称に回折格子上の同一の回折点に入射させるようにして
いる。従つて、光源の波長が変化しても、共に対称に回
折角が小さくなるので、受光素子に入射する方向と位置
はほぼ一定であり、安定した干渉を起こすことができ、
検出信号は安定である。又、スケール表面での反射光が
直接受光素子に入射することがないので、S/N比の良
い検出信号が得られる。更に、同一回折点で回折させて
いるので、回折格子面の傾きによる誤差を生じることが
ない。 又、入射角と回折角を異ならせて設定しているので、0
次光と回折光が混合せず、良好な検出信号が得られる。 更に、前記回折点で対称に生成された回折光を、互いに
直交する偏光方向とした後、再び混合するようにしてい
るので、変位検出に適した適切な混合波が得られる。
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。 本実施例は、第1図に示す如く、回折格子が形成された
スケール10と、前記回折格子に波長λのレーザビーム
14を照射する、レーザダイオード32及びコリメータ
レンズ34からなる光源31、及び、前記回折格子によ
つて生成された複数の光束の混合波を光電変換する受光
素子22A、22B、22C、検光子28B、28C、
1/4波長板30を含む検出器とを備え、前記スケール
10と検出器の相対変位に応じて周期的に変化する検出
信号を生成する格子干渉型変位検出装置において、前記
光源31からのレーザビーム14を2分するハーフミラ
ー40、及び、該2分されたレーザビームを同一の入射
角θでそれぞれ対称に前記回折格子上の同一の回折点1
0Aに入射させる一対のミラー42A、42Bを前記検
出器に備えると共に、前記回折格子での前記2分された
入射ビームa 、b の一方の0次光と他方の1次(回折)
光が分離できる程度に入射角θと回折角φとを異ならせ
て設定し(φ<θ)、分離された回折光を一対のミラー
44A、44Bで反射し、偏光子46A、46Bで互い
に直交する偏光方向とした後、その混合波を、ハーフミ
ラー48、50により前記受光素子22A、22B、2
2Cにそれぞれ入射するようにしたものである。 ここで、前記ミラー44A、44B、偏光子46A、4
6B、及び、ハーフミラー48が、光混合手段を構成し
ている。 前記入射角θ及び回折角φは、例えば回折格子のピツチ
d が0.5μm、レーザビーム14の波長λが0.78
μmの場合、入射角θ=58.5゜、回折角φ=45゜
と設定されている。これは、第2図に示す例の如く、入
射角θ′と回折角φ′が近い値とされていると、0次光
と1次光とが重畳されるようになつて、検出信号のS/
N比が悪化するためである。本実施例では、入射角θと
回折角φとを大きく異ならせているので、このような問
題を生じることはない。 他の構成は従来例と同様であるので、説明は省略する。 以下、第2図を参照して、実施例の作用を説明する。 レーザダイオード32の波長λが、設計値λからλ
−Δλに変化すると、1次光a と1次光b とは、共に回
折角φ′が共通であるため、対称に回折角φ′が小さく
なる。従つて、各受光素子22A、22B、22Cに入
射する方向と位置はほぼ一定であり、検出信号は安定で
ある。又、スケール10表面での反射光も直接受光素子
に入射することがない。更に、回折点10Aが一致して
いるので、回折格子面の傾きによる誤差を生じることも
ない。更に、第2図の例とは異なり、第1図に示したよ
うに、入射角θと回折角φが大きく異なるので、0次光
と1次光が混合せず、良好な検出信号が得られる。 本実施例においては、スケール10が透過型とされてい
るので、各要素の配置の自由度が大きい。なお、本発明
の適用対象は透過型に限定されず、検出器の各構成要素
が全てスケール10に関して同一側に配置された反射型
のスケールにも同様に適用可能である。
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、光源の波長変化に
よつて検出信号が変動することがない。又、スケール面
での反射光が直接受光素子に入射することがないので、
S/N比の良い検出信号が得られる。更に、回折格子面
が傾いても誤差を生じることがない等の優れた効果を有
する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る格子干渉型変位検出装置の実施
例の構成を示す断面図、第2図は、前記実施例の作用を
説明するための断面図、第3図は、従来の格子干渉型変
位検出装置の一例の構成を示す断面図、第4図は、前記
従来例の問題点を説明するための断面図である。 10……スケール、 10A……回折点、 14……レーザビーム、 22A、22B、22C……受光素子、 28B、28C……検光子、 30……1/4波長板、 31……光源、 40、48、50……ハーフミラー、 42A、42B、44A、44B……ミラー、 a 、b ……入射ビーム、 θ……入射角、 φ……回折角、 46A、46B……偏光子。

Claims (1)

    【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、 前記回折格子に光束を照射する光源、及び、前記回折格
    子によつて生成された複数の光束の混合波を光電変換す
    る受光素子を含む検出器とを備え、 前記スケールと検出器の相対変位に応じて、周期的に変
    化する検出信号を生成する格子干渉型変位検出装置にお
    いて、 前記光源からの光束を2分する光分割手段、該2分され
    た光束を同一の入射角でそれぞれ対称に前記回折格子上
    の同一の回折点に入射させる光反射手段、及び、該回折
    点で対称に生成された回折光を、互いに直交する偏光方
    向とした後、再び混合する光混合手段を前記検出器に備
    えると共に、 前記回折格子での前記2分された光束の一方の0次光と
    他方の回折光とが分離できる程度に入射角と回折角とを
    異ならせて設定し、 分離された回折光の前記光混合手段による混合波を前記
    受光素子で光電変換して検出信号を得るようにされてい
    ることを特徴とする格子干渉型変位検出装置。
JP63011234A 1988-01-21 1988-01-21 格子干渉型変位検出装置 Expired - Lifetime JPH0638050B2 (ja)

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