JPH085324A - 格子干渉型変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置の小型化を図ることができるとともに、
スケールの回折格子上の回折点での入射角と回折角とを
一致させて回折効率の向上を図ることができる格子干渉
型変位検出装置の提供。 【構成】 光源１３から出射されて光束分岐手段２１を
介してスケール１１の回折格子１２上の一つの回折点Ｐ
に至る各光束（各分岐光束Ａ，Ｂ）の光路と、この回折
点Ｐで回折されて光束混合手段３１を介して各検出器４
１Ａ，４１Ｂに至る各光束（各１次回折光Ａ１，Ｂ１）
の光路とを、スケール１１の同一側であって異なる面内
に配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源からの光束を二波
に分岐してスケールの回折格子上の同一点に入射させ、
この点で生成された複数の光束の混合波を電気信号とし
て検出する格子干渉型変位検出装置に関し、スケールに
反射型の回折格子を用いて光学系を構成する場合に利用
できる。

【０００２】

【背景技術】従来の光電型エンコーダの高分解能化を図
ったものの一つとして、スケールにホログラフィの技術
を用いて微細なピッチ（通常、１μｍ程度）の目盛りを
形成し、その目盛りを回折格子として利用して相対変位
を高精度に検出する格子干渉型変位検出装置が知られて
いる。これは、光源からの光束を二波に分岐してスケー
ルの回折格子上の一または二つの点に入射させ、この点
で生成された複数の光束の混合波を電気信号として検出
するもので、スケールに反射型の回折格子を用いたもの
と、透過型の回折格子を用いたものとに分類できる。

【０００３】後者の透過型の回折格子を用いたものとし
て、例えば、特開平２−１６７４２７号公報に記載され
た格子干渉型変位検出装置が知られている。この格子干
渉型変位検出装置１００は、図７に示す如く、図中左右
方向に変位可能に設けられかつその変位方向に沿って透
過型の回折格子１０２が形成されたスケール１０１と、
レーザ光源１０３と、このレーザ光源１０３から出射さ
れたレーザビームをその偏光方向に従って二波に分岐す
る偏光ビームスプリッタ１０４と、各分岐光束Ａ，Ｂを
反射してスケール１０１上の同一回折点Ｐにそれぞれ対
称方向から入射させる一対のミラー１０５Ａ，１０５Ｂ
と、回折点Ｐで生成された二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１
を反射させる一対のミラー１０６Ａ，１０６Ｂと、その
反射光を混合させるハーフミラー（無偏光ビームスプリ
ッタ）１０７と、その混合波ＭＡ，ＭＢを電気信号に変
換する検出器１０８Ａ，１０８Ｂとにより構成されてい
る。

【０００４】ここで、偏光ビームスプリッタ１０４およ
び一対のミラー１０５Ａ，１０５Ｂにより光束分岐手段
１０９が構成され、一対のミラー１０６Ａ，１０６Ｂお
よび無偏光ビームスプリッタ１０７により光束混合手段
１１０が構成されている。また、検出器１０８Ａは、無
偏光ビームスプリッタ１０７で混合された一方の混合波
ＭＡの偏光方向を一致させて干渉させる偏光板１１１Ａ
と、この偏光板１１１Ａで干渉させられた光束を電気信
号に変換する受光素子１１２Ａとにより構成されてい
る。そして、検出器１０８Ｂは、無偏光ビームスプリッ
タ１０７で混合された他方の混合波ＭＢの一偏光成分の
みの位相を９０度遅らせる１／４波長板１１３と、この
１／４波長板１１３を通過した混合波ＭＢの偏光方向を
一致させて干渉させる偏光板１１１Ｂと、この偏光板１
１１Ｂで干渉させられた光束を電気信号に変換する受光
素子１１２Ｂとにより構成されている。

【０００５】このような格子干渉型変位検出装置１００
においては、レーザ光源１０３から出射されたレーザビ
ームは、偏光ビームスプリッタ１０４の偏光方向に従っ
て二波に分岐される。各分岐光束Ａ，Ｂは、それぞれミ
ラー１０５Ａ，１０５Ｂによって反射された後、スケー
ル１０１の回折格子１０２上の同一回折点Ｐにそれぞれ
対称方向から入射される。この際、回折点Ｐで各分岐光
束Ａ，Ｂの１次回折光Ａ１，Ｂ１が生成される。これら
の各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、ミラー１０６Ａ，１０６
Ｂによって反射され、続いて、無偏光ビームスプリッタ
１０７で混合された後、検出器１０８Ａ，１０８Ｂによ
って電気信号に変換される。

【０００６】従って、格子干渉型変位検出装置１００で
は、スケール１０１の移動量を干渉光の明暗として検出
するに際し、互いに逆方向に位相シフトされた１次回折
光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用しているので、スケール
１０１が回折格子１０２の一ピッチ分だけ変位したとす
ると、各検出器１０８Ａ，１０８Ｂからは、二周期分の
完全正弦波信号φＡ，φＢが得られる（二回の明暗が得
られる）。このため、回折格子１０２の一ピッチを光学
的に二分割したことになるので分解能の向上が図られて
いる。例えば、回折格子１０２の一ピッチを０．５μｍ
とすると、各検出器１０８Ａ，１０８Ｂから得られる正
弦波信号φＡ，φＢは、０．２５μｍの分解能に相当す
る周期となる。

【０００７】また、一方の検出器１０８Ｂに１／４波長
板１１３を設けたので、二つの検出器１０８Ａ，１０８
Ｂから得られる正弦波信号φＡ，φＢは、互いに９０度
位相の異なるものとなり、これによりスケール１０１の
変位方向を把握できるようになっている。

【０００８】ところが、このような透過型の回折格子１
０２をスケール１０１として用いた格子干渉型変位検出
装置１００の場合には、スケール１０１を両側（図７中
上下）から挟み込む状態で検出系を構成しなければなら
ないため、検出系が大型化する、あるいはスケール１０
１の取り付けの自由度が制限されてしまうという問題が
ある。これに対し、反射型の回折格子をスケールとして
用いることにより検出系の小型化やスケールの取り付け
自由度の向上を図ることが考えられる。図８には、前述
した図７の格子干渉型変位検出装置１００を単純にスケ
ールの位置で折り返した構成の格子干渉型変位検出装置
２００が示されている。

【０００９】格子干渉型変位検出装置２００は、レーザ
光源２０３から出射したレーザビームを、偏光ビームス
プリッタ２０４の偏光方向に従って二波に分岐し、これ
らの各分岐光束Ａ，Ｂを、一対のミラー２０５Ａ，２０
５Ｂによって反射させた後、スケール２０１の反射型の
回折格子２０２上の同一回折点Ｐにそれぞれ対称方向か
ら入射させるようになっている。そして、回折点Ｐで生
成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、ミラー２０５Ａ，
２０５Ｂによって反射され、続いて、無偏光ビームスプ
リッタ２０７で混合された後、検出器２０８Ａ，２０８
Ｂによって電気信号に変換されるようになっている。一
方、回折点Ｐで生成された反射光（０次光）Ａ０，Ｂ０
は、ミラー２０５Ｂ，２０５Ａによって反射された後、
偏光ビームスプリッタ２０４によりレーザ光源２０３と
は反対側に除去されるようになっている。

【００１０】また、格子干渉型変位検出装置２００と類
似した構成の検出系として、透過型の回折格子とミラー
とを平行に配置したスケールを用いることにより、前述
した図７の格子干渉型変位検出装置１００をスケールの
位置で折り返した状態の検出系も提案されている（特願
平３−１９０９３７号参照）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図８の格子干渉型変位検出装置２００では、検出系を
構成するにあたって、スケール２０１の回折格子２０２
上の回折点Ｐに入射される各分岐光束Ａ，Ｂの入射角θ
１と、これらの各分岐光束Ａ，Ｂが回折点Ｐで回折され
て生成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とを
一致させることができないので、回折の効率が最大とな
る検出系を構成することができないという問題がある。

【００１２】つまり、格子干渉型変位検出装置２００に
おいて、入射角θ１と回折角θ２とを一致させようとす
ると、変位の検出に不要な０次光Ａ０，Ｂ０を除去する
ことができないうえ、検出器２０８Ｂとレーザ光源２０
３との設置位置が一致してしまうため、機器の配置構成
を行うことができないという問題がある。また、前述し
た特願平３−１９０９３７号に記載された格子干渉型変
位検出装置の場合にも、スケールの回折格子上の回折点
での入射角と回折角とを一致させると、同様な問題が生
じるため、回折の効率が最大となる検出系を構成するこ
とができない。

【００１３】本発明の目的は、装置の小型化を図ること
ができるとともに、スケールの回折格子上の回折点での
入射角と回折角とを一致させて回折効率の向上を図るこ
とができる格子干渉型変位検出装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、発
光側（光源のある側）の光学系と受光側（受光素子のあ
る側）の光学系とを異なる面内に配置して前記目的を達
成しようとするものである。具体的には、本発明は、反
射型の回折格子を有するスケールと、光束を出射する光
源と、この光源からの光束を二波に分岐しかつその各分
岐光束を前記スケールの回折格子上の同一点に入射させ
る光束分岐手段と、前記スケールの回折格子によって生
成された複数の光束を混合させる光束混合手段と、この
光束混合手段によって混合された混合波を電気信号に変
換する検出器とを備えた格子干渉型変位検出装置であっ
て、前記光源から出射されて前記光束分岐手段を介して
前記スケールの回折格子上に至る各光束の光路と、前記
スケールの回折格子上で回折されて前記光束混合手段を
介して前記検出器に至る各光束の光路とを、前記スケー
ルの同一側であって異なる面内に配置したことを特徴と
する。

【００１５】このような格子干渉型変位検出装置におい
ては、光源からの光束を光束分岐手段により二波に分岐
してスケールの反射型の回折格子上の同一点に入射さ
せ、この点で回折された二つの光束を光束混合手段によ
り混合し、この混合波を検出器により干渉させて電気信
号として検出することにより、スケールの変位を把握す
る。この際、発光側の光学系、すなわち光源から出射さ
れて光束分岐手段を介してスケールの回折格子上に至る
各光束の光路と、受光側の光学系、すなわちスケールの
回折格子上で回折されて光束混合手段を介して検出器に
至る各光束の光路とが、異なる面内に配置されているの
で、発光側の光学系を構成する各機器と受光側の光学系
を構成する各機器との配置位置が干渉することはなく、
各機器の配置構成の自由度が向上する。

【００１６】このため、スケールの回折格子上の回折点
に入射される各分岐光束の入射角と、これらの各分岐光
束が回折点で回折されて生成された各１次回折光の回折
角とを一致させることが可能となり、これにより回折効
率の向上を図ることが可能となる。なお、本発明におい
ては、必ずしもこれらの入射角と回折角とを一致させる
必要はない。また、スケールとして反射型の回折格子を
用いているので、発光側の光学系と受光側の光学系とが
スケールの同一側に配置されるため、前述した透過型の
回折格子１０２をスケール１０１として用いた格子干渉
型変位検出装置１００（図７参照）の場合に比べ、装置
の小型化やスケールの取り付け自由度の向上が図られ
る。

【００１７】そして、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光束分岐手段が、前記光源からの光束を互いに
偏光方向が直交する二波に分岐する偏光ビームスプリッ
タを含み構成され、前記光束混合手段が、前記スケール
の回折格子上で回折された二つの光束の交点位置に配置
され偏光方向に応じて一方の光束を反射させかつ他方の
光束を透過させることにより一つの混合波を生成する偏
光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタで混
合された混合波を二波に分岐する無偏光ビームスプリッ
タとを含み構成されていることを特徴とする。このよう
な構成、すなわち光源からの光束の分岐に偏光ビームス
プリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏光ビ
ームスプリッタを用いた構成とすることにより、前述し
た発光側の光学系と受光側の光学系とを異なる面内に配
置した構成が容易に実現される。

【００１８】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前述したような光源からの光束の分岐に偏光ビーム
スプリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏光
ビームスプリッタを用いる場合において、前記光束分岐
手段を構成する偏光ビームスプリッタと前記光束混合手
段を構成する偏光ビームスプリッタとが、兼用されてい
ることを特徴とする。このように一枚の偏光ビームスプ
リッタを光束分岐手段および光束混合手段に兼用させて
おけば、装置が簡略化されるため、装置の小型化、コス
ト低減が図られる。

【００１９】さらに、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前述したような光源からの光束の分岐に偏光ビーム
スプリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏光
ビームスプリッタを用いる場合において、前記光源から
の光束が分岐される前記光束分岐手段の偏光ビームスプ
リッタ上の点と各分岐光束が入射される前記スケールの
回折格子上の点との間の二つの光路の途中に、それぞれ
同じ方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるように配置
された一対の１／４波長板が設けられるとともに、前記
各分岐光束が入射される前記スケールの回折格子上の点
とこの点で回折された二つの光束が集まる前記光束混合
手段の偏光ビームスプリッタ上の点との間の二つの光路
の途中に、それぞれ同じ方位の偏光成分の位相を９０度
遅らせるように配置された一対の１／４波長板が設けら
れていることを特徴とする。

【００２０】このような１／４波長板を設けた構成とす
れば、偏光ビームスプリッタで混合された混合波を二波
に分岐する無偏光ビームスプリッタを、偏光ビームスプ
リッタに対してレーザ光源とは反対側に配置することが
できるため、レーザ光源と検出器とを離して設置するこ
とが可能となり、各機器の配置構成の自由度がより向上
されるうえ、装置の小型化が可能となり、さらに各機器
の熱的干渉（検出器に対する光源の熱の影響等）が抑え
られる。

【００２１】また、以上のような本発明の格子干渉型変
位検出装置を構成するに際しては、スケールの回折格子
に入射される各分岐光束の入射角と、これらの各分岐光
束がスケールの回折格子上で回折されて生成された各１
次回折光の回折角とは、一致させてもよく、あるいは異
なる角度としてもよい。しかし、これらの入射角と回折
角とは一致させておくことが好ましく、そうすることで
回折の効率が最大となるうえ、装置の小型化がより一層
図られる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説
明する。 〔第一実施例〕図１および図２には、本発明の第一実施
例である格子干渉型変位検出装置１０が示されている。
図１（Ａ）は格子干渉型変位検出装置１０の発光側の構
成図、図１（Ｂ）は受光側の構成図、図２は格子干渉型
変位検出装置１０の発光側および受光側の各光路の配置
状態を示す概略斜視図である。また、図１（Ａ）および
図１（Ｂ）は、いずれも図２中の矢印Ｙの方向から見た
状態である。

【００２３】図１（Ａ）において、格子干渉型変位検出
装置１０は、図中左右方向に変位可能に設けられかつそ
の変位方向に沿って反射型の回折格子１２が形成された
スケール１１と、図中右上に設けられたレーザビームを
出射するレーザ光源１３と、図中略中央にスケール１１
に対して直角をなすように設けられた偏光ビームスプリ
ッタ１４と、偏光ビームスプリッタ１４の両側に左右対
称に設けられた一対のミラー１５Ａ，１５Ｂとを備えて
いる。

【００２４】これらのレーザ光源１３、偏光ビームスプ
リッタ１４、および一対のミラー１５Ａ，１５Ｂなどに
より構成される格子干渉型変位検出装置１０の発光側の
各光路は、図２中手前側に位置する第一の面２０内に配
置されている。この第一の面２０は、スケール１１の変
位方向（図２中Ｘ方向）に沿いかつスケール１１の回折
格子１２の法線を含む面Ｎと所定の角度φをなすように
配置されている。

【００２５】図１（Ｂ）において、格子干渉型変位検出
装置１０は、図中略中央に配置された前記偏光ビームス
プリッタ１４と、この偏光ビームスプリッタ１４の両側
に左右対称に設けられた一対のミラー１６Ａ，１６Ｂ
と、偏光ビームスプリッタ１４の左上に偏光ビームスプ
リッタ１４と平行に設けられた無偏光ビームスプリッタ
１７と、この無偏光ビームスプリッタ１７の両側に設け
られた二つの検出器４１Ａ，４１Ｂとを備えている。

【００２６】これらの偏光ビームスプリッタ１４、一対
のミラー１６Ａ，１６Ｂ、無偏光ビームスプリッタ１
７、および検出器４１Ａ，４１Ｂなどにより構成される
格子干渉型変位検出装置１０の受光側の各光路は、図２
中奥側に位置する第二の面３０内に配置されている。こ
の第二の面３０は、回折格子１２の法線を含む面Ｎと所
定の角度φをなすように配置され、回折格子１２の法線
を含む面Ｎに対して前述した第一の面２０と対称をなし
ている。

【００２７】そして、以上に述べたレーザ光源１３、偏
光ビームスプリッタ１４、各ミラー１５Ａ，１５Ｂ，１
６Ａ，１６Ｂ、無偏光ビームスプリッタ１７、および各
検出器４１Ａ，４１Ｂは、スケール１１に対して全て同
じ側（図中上側）に設けられている。

【００２８】偏光ビームスプリッタ１４は、図１（Ａ）
および図１（Ｂ）の紙面直交方向に延びて繋がってお
り、第一の面２０および第二の面３０の両方の面を横切
るように配置されている。そして、図１（Ａ）に示すよ
うに、図中Ｒ点の位置でレーザ光源１３からのレーザビ
ームを互いに偏光方向が直交する二つの分岐光束Ａ，Ｂ
に分岐するとともに、図１（Ｂ）に示すように、これら
の分岐光束Ａ，Ｂがスケール１１の回折格子１２（回折
点Ｐ）上で回折されて生成された二つの１次回折光Ａ
１，Ｂ１の交点位置（図中Ｋ点の位置）に配置されこれ
らの１次回折光Ａ１，Ｂ１を混合するようになってい
る。

【００２９】一対のミラー１５Ａ，１５Ｂは、図１
（Ａ）に示すように、偏光ビームスプリッタ１４により
図中Ｒ点で分岐された各分岐光束Ａ，Ｂをスケール１１
の回折格子１２上の同一回折点Ｐにそれぞれ対称方向か
ら入射させるように配置されている。また、一対のミラ
ー１６Ａ，１６Ｂは、図１（Ｂ）に示すように、各分岐
光束Ａ，Ｂがスケール１１の回折格子１２（回折点Ｐ）
上で回折されて生成された二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１
を偏光ビームスプリッタ１４上の一点（図中Ｋ点の位
置）に集めるように配置されている。

【００３０】無偏光ビームスプリッタ１７は、図１
（Ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッタ１４により
混合された二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１の混合波を偏光
方向を変えずに二波に分岐し、各検出器４１Ａ，４１Ｂ
に送るように配置されている。ここで、偏光ビームスプ
リッタ１４および一対のミラー１５Ａ，１５Ｂにより光
束分岐手段２１が構成され、一対のミラー１６Ａ，１６
Ｂ、偏光ビームスプリッタ１４、および無偏光ビームス
プリッタ１７により光束混合手段３１が構成されてい
る。つまり、偏光ビームスプリッタ１４は、光束分岐手
段２１および光束混合手段３１に兼用されている。

【００３１】検出器４１Ａは、偏光ビームスプリッタ１
４で混合された後に無偏光ビームスプリッタ１７で分岐
された一方の混合波の一偏光成分のみの位相を９０度遅
らせる１／４波長板４２と、この１／４波長板４２を通
過した混合波の偏光方向を一致させて干渉させる偏光板
４３Ａと、この偏光板４３Ａで干渉させられた光束を電
気信号に変換する受光素子４４Ａとにより構成されてい
る。そして、検出器４１Ｂは、偏光ビームスプリッタ１
４で混合された後に無偏光ビームスプリッタ１７で分岐
された他方の混合波の偏光方向を一致させて干渉させる
偏光板４３Ｂと、この偏光板４３Ｂで干渉させられた光
束を電気信号に変換する受光素子４４Ｂとにより構成さ
れている。

【００３２】図１（Ａ）において、偏光ビームスプリッ
タ１４で分岐された各分岐光束Ａ，Ｂが反射される各ミ
ラー１５Ａ，１５Ｂ上の点とこれらの点で反射された各
分岐光束Ａ，Ｂが入射されるスケール１１の回折格子１
２上の回折点Ｐとの間の二つの光路の途中には、一対の
１／４波長板５１Ａ，５１Ｂが設けられている。これら
の１／４波長板５１Ａ，５１Ｂは、各分岐光束Ａ，Ｂ
（直線偏光）の偏光方向に対して４５度位相遅れの方位
を傾けて配置されるとともに、それぞれ同じ方位の偏光
成分の位相を９０度遅らせるように同じ方位に配置され
ている。

【００３３】また、図１（Ｂ）において、スケール１１
の回折格子１２上の回折点Ｐとこの回折点Ｐで回折され
て生成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１が各ミラー１６
Ａ，１６Ｂに至る点との間の二つの光路の途中には、一
対の１／４波長板５２Ａ，５２Ｂが設けられている。こ
れらの１／４波長板５２Ａ，５２Ｂも、前述した１／４
波長板５１Ａ，５１Ｂと同様な配置となっており、各分
岐光束Ａ，Ｂ（直線偏光）の偏光方向に対して４５度位
相遅れの方位を傾けて配置されるとともに、それぞれ同
じ方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるように同じ方
位に配置されている。つまり、四つの１／４波長板５１
Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂは、全て同じ方位の偏光成
分の位相を９０度遅らせるように同じ方位に配置されて
いる。

【００３４】従って、分岐光束Ａとその１次回折光Ａ１
とは、同じ配置とされた二つの各１／４波長板５１Ａ，
５２Ａを通過するので、一偏光成分のみの位相が１８０
度遅れるようになり、結局、１／４波長板５１Ａを通過
する前の分岐光束Ａ（直線偏光）と１／４波長板５２Ａ
を通過した後の１次回折光Ａ１（直線偏光）とは、偏光
方向が９０度回転した状態となる。そして、分岐光束Ｂ
とその１次回折光Ｂ１との関係も同様であり、１／４波
長板５１Ｂを通過する前の分岐光束Ｂ（直線偏光）と１
／４波長板５２Ｂを通過した後の１次回折光Ｂ１（直線
偏光）とは、偏光方向が９０度回転した状態となる。こ
れにより、図１（Ｂ）において、偏光ビームスプリッタ
１４上の点Ｋでは、１次回折光Ａ１は反射され、１次回
折光Ｂ１は透過され、レーザ光源１３とは反対側に向か
う一つの混合波が生成されるようになっている。

【００３５】また、分岐光束Ａとその反射光（０次光）
Ａ０とは、同じ配置とされた二つの各１／４波長板５１
Ａ，５２Ｂを通過するので、一偏光成分のみの位相が１
８０度遅れるようになり、結局、１／４波長板５１Ａを
通過する前の分岐光束Ａ（直線偏光）と１／４波長板５
２Ｂを通過した後の０次光Ａ０（直線偏光）とは、偏光
方向が９０度回転した状態となる。そして、分岐光束Ｂ
とその反射光（０次光）Ｂ０との関係も同様であり、１
／４波長板５１Ｂを通過する前の分岐光束Ｂ（直線偏
光）と１／４波長板５２Ａを通過した後の０次光Ｂ０
（直線偏光）とは、偏光方向が９０度回転した状態とな
る。これにより、図１（Ｂ）において、偏光ビームスプ
リッタ１４上の点Ｋでは、０次光Ａ０は反射され、０次
光Ｂ０は透過され、いずれも各検出器４１Ａ，４１Ｂと
は反対側（図中右側）に除去される。なお、各０次光Ａ
０，Ｂ０は、レーザ光源１３と同じ側に向かっている
が、これらは異なる面内（光源１３は第一の面２０内、
各０次光Ａ０，Ｂ０は第二の面３０内）にあるので、各
０次光Ａ０，Ｂ０は確実に除去されている。

【００３６】図３には、スケール１１の拡大断面が示さ
れている。スケール１１は、図中上側に配置されたガラ
ス１１Ａと、下側に配置されたミラー面１１Ｂと、これ
らの間に挟まれた体積位相型の回折格子（ホログラム回
折格子）１２とが積層された構造を有している。

【００３７】また、図４に示すように、回折格子１２と
ミラー面１１Ｂとの間に、隙間Ｄが形成される場合に
は、この隙間Ｄを次のように適切な寸法に調整してお
く。すなわち、図４において、入射光Ｃに対して、回折
格子１２で生成される光束は次の四種類であり、（１）
回折格子１２で回折された後にミラー面１１Ｂで反射さ
れて回折格子１２を透過する光束Ｃ１と、（２）回折格
子１２を透過した後にミラー面１１Ｂで反射されて回折
格子１２で回折される光束Ｃ２と、（３）回折格子１２
を透過した後にミラー面１１Ｂで反射されて再び回折格
子１２を透過する光束Ｃ３と、（４）回折格子１２で回
折された後にミラー面１１Ｂで反射されて再び回折格子
１２で回折される光束Ｃ４とがある。

【００３８】これらのうち光束Ｃ１，Ｃ２は、回折格子
１２で一回回折された１次回折光であるため、スケール
１１の移動によって位相変化を生じる光束である。この
ため、前述した隙間Ｄを光束の幅に対して充分に小さい
ものとする場合には、これらの光束Ｃ１，Ｃ２が干渉す
ることによって光強度を強め合うように隙間Ｄを調整す
るとともに、スケール１１のストローク中において隙間
Ｄが一定に保たれるようにしておく。また、隙間Ｄを比
較的大きくする場合（例えば、光束の幅が１ｍｍ程度の
時に隙間Ｄを３ｍｍ程度とする場合など）には、二つの
光束Ｃ１，Ｃ２のうちいずれか一方の光束のみを利用
し、他方の光束はスケール１１から出射した後に遮断す
る等して利用しないようにしてもよい。

【００３９】なお、残りの二つの光束Ｃ３，Ｃ４は、回
折格子１２で一回も回折されないか、あるいは二回回折
されるため、スケール１１の移動によって位相変化を生
じない光束であり、共に反射光（０次光）として取り扱
うことができる。また、このような回折格子１２として
は、例えば、格子ピッチが５００ｎｍ程度、レーザ光源
１３の波長が７８０ｎｍ程度のものを採用することがで
きる。

【００４０】このような第一実施例においては、以下の
ようにスケール１１の移動量が検出される。先ず、第一
の面２０内において、レーザ光源１３から出射されたレ
ーザビームは、偏光ビームスプリッタ１４の偏光方向に
従って図１（Ａ）中Ｒ点上で二波に分岐される。各分岐
光束Ａ，Ｂは、それぞれミラー１５Ａ，１５Ｂによって
反射されて１／４波長板５１Ａ，５１Ｂを通過した後、
スケール１１の回折格子１２上の同一回折点Ｐにそれぞ
れ対称方向から入射される。この際、回折点Ｐで各分岐
光束Ａ，Ｂの１次回折光Ａ１，Ｂ１および反射光（０次
光）Ａ０，Ｂ０が生成される。なお、回折点Ｐにおい
て、各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐへの入射角θ１と、各
１次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とは、一致してい
る。

【００４１】次に、第二の面３０内において、各１次回
折光Ａ１，Ｂ１は、それぞれ１／４波長板５２Ａ，５２
Ｂを通過してミラー１６Ａ，１６Ｂによって反射され
る。そして、偏光ビームスプリッタ１４の図１（Ｂ）中
Ｋ点上で１次回折光Ａ１の反射光と１次回折光Ｂ１の透
過光とが混合される。その後、この混合波は無偏光ビー
ムスプリッタ１７により二波に分岐された後、検出器４
１Ａ，４１Ｂによって電気信号に変換される。

【００４２】一方、第二の面３０内において、各０次光
Ａ０，Ｂ０は、それぞれ１／４波長板５２Ｂ，５２Ａを
通過してミラー１６Ｂ，１６Ａによって反射される。そ
して、偏光ビームスプリッタ１４の図１（Ｂ）中Ｋ点上
で０次光Ａ０は反射され、０次光Ｂ０は透過され、これ
らの０次光Ａ０，Ｂ０は検出器４１Ａ，４１Ｂとは反対
側に除去される。

【００４３】このような第一実施例によれば、次のよう
な効果がある。すなわち、レーザ光源１３から出射され
て光束分岐手段２１を介してスケール１１の回折格子１
２上の回折点Ｐに至る各光束（各分岐光束Ａ，Ｂ）の光
路が第一の面２０内に設けられ、かつ回折点Ｐで生成さ
れた各１次回折光Ａ１，Ｂ１および各０次光Ａ０，Ｂ０
の各光路が第二の面３０内に設けられているので、各分
岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐへの入射角θ１と、これらの各
分岐光束Ａ，Ｂが回折点Ｐで回折されて生成された各１
次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とを一致させることが
でき、回折効率の向上を図ることができる。

【００４４】また、これらの第一の面２０および第二の
面３０を設けた構成により、発光側の光学系を構成する
各機器（レーザ光源１３および光束分岐手段２１）と、
受光側の光学系を構成する各機器（光束混合手段３１お
よび各検出器４１Ａ，４１Ｂ）とを、互いの配置位置に
影響されることなく設置でき、各機器の配置構成の自由
度を向上できる。

【００４５】さらに、スケール１１として反射型の回折
格子１２を用いているので、発光側の光学系と受光側の
光学系とを全てスケール１１の同一側に配置でき、前述
した透過型の回折格子１０２をスケール１０１として用
いた格子干渉型変位検出装置１００（図７参照）の場合
に比べ、装置の小型化やスケールの取り付け自由度の向
上を図ることができる。

【００４６】そして、偏光ビームスプリッタ１４が光束
分岐手段２１および光束混合手段３１に兼用されている
ので、装置を簡略化できるため、装置の小型化、コスト
低減を図ることができる。

【００４７】また、四つの１／４波長板５１Ａ，５１
Ｂ，５２Ａ，５２Ｂが設けられているので、無偏光ビー
ムスプリッタ１７を偏光ビームスプリッタ１４に対して
レーザ光源１３とは反対側に配置することができるた
め、レーザ光源１３と各検出器４１Ａ，４１Ｂとを離し
て設置することができ、各機器の配置構成を容易に行う
ことができるうえ、装置の小型化を図ることができ、さ
らに各機器の熱的干渉を抑えることができる。そして、
このような四つの１／４波長板５１Ａ，５１Ｂ，５２
Ａ，５２Ｂの配置により、変位の検出に不要な０次光Ａ
０，Ｂ０を各検出器４１Ａ，４１Ｂと反対側に確実に除
去することができる。

【００４８】さらに、スケール１１の移動量を干渉光の
明暗として検出するに際し、互いに逆方向に位相シフト
された１次回折光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用している
ので、スケール１１が回折格子１２の一ピッチ分だけ変
位したとすると、各検出器４１Ａ，４１Ｂからは、二周
期分の完全正弦波信号φＡ，φＢを得ることができる
（二回の明暗を得ることができる）。このため、回折格
子１２の一ピッチを光学的に二分割したことになるの
で、分解能の向上を図ることができる。

【００４９】また、一方の検出器４１Ａに１／４波長板
４２を設けたので、二つの検出器４１Ａ，４１Ｂから得
られる正弦波信号φＡ，φＢは、互いに９０度位相の異
なるものとなり、これによりスケール１１の変位方向を
把握することができる。

【００５０】〔第二実施例〕図５には、本発明の第二実
施例である格子干渉型変位検出装置６０が示されてい
る。図５（Ａ）は格子干渉型変位検出装置６０の発光側
の構成図（第一の面２０内）、図５（Ｂ）は受光側の構
成図（第二の面３０内）である。格子干渉型変位検出装
置６０は、前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置１
０と略同様な構成を有し、四つの１／４波長板の設置の
有無と各検出器４１Ａ，４１Ｂおよび無偏光ビームスプ
リッタ１７の配置位置とが異なるのみであるので、同一
部分には同一符号を付して詳しい説明は省略し、以下に
は異なる部分のみを説明する。

【００５１】前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置
１０では、四つの１／４波長板５１Ａ，５１Ｂ，５２
Ａ，５２Ｂが設けられていたが、本第二実施例では、こ
れらに相当する１／４波長板は設けられていない。従っ
て、図５（Ｂ）において、偏光ビームスプリッタ１４上
のＫ点では、１次回折光Ａ１が透過され、１次回折光Ｂ
１が反射され、図中右上に向かう一つの混合波が生成さ
れるようになっている。このため、この混合波を分岐す
る無偏光ビームスプリッタ１７および各検出器４１Ａ，
４１Ｂは、前記第一実施例とは逆側、つまり偏光ビーム
スプリッタ１４に対してレーザ光源１３と同じ側に設け
られている。また、図５（Ｂ）において、偏光ビームス
プリッタ１４上のＫ点では、０次光Ａ０が透過され、０
次光Ｂ０が反射され、これらは各検出器４１Ａ，４１Ｂ
とは反対側に除去されるようになっている。

【００５２】このような第二実施例によれば、前記第一
実施例と同様に、第一の面２０および第二の面３０が設
けられた構成となっているので、入射角θ１と回折角θ
２とを一致させることができ、回折効率の向上を図るこ
とができるうえ、発光側の光学系を構成する各機器と受
光側の光学系を構成する各機器とを互いの配置位置に影
響されることなく設置でき、各機器の配置構成の自由度
を向上できる。

【００５３】また、前記第一実施例と同様に、スケール
１１として反射型の回折格子１２を用いているので、装
置の小型化やスケールの取り付け自由度の向上を図るこ
とができるうえ、偏光ビームスプリッタ１４が光束分岐
手段２１および光束混合手段３１に兼用されているの
で、装置を簡略化できるため、装置の小型化、コスト低
減を図ることができる。

【００５４】さらに、前記第一実施例と同様に、互いに
逆方向に位相シフトされた１次回折光Ａ１，Ｂ１同士の
干渉を利用しているので、分解能の向上効果を得ること
ができるうえ、一方の検出器４１Ａに１／４波長板４２
を設けたので、スケール１１の変位方向を把握すること
ができる。

【００５５】なお、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成も含
み、例えば以下に示すような変形等も本発明に含まれる
ものである。すなわち、発光側の光学系が配置される第
一の面２０および受光側の光学系が配置される第二の面
３０は、図２に示したような配置に限定されるものでは
なく、例えば、図６（Ａ）に示すようなプリズム８１を
用いて第一の面２０および第二の面３０を折り曲げるこ
とによりプリズム８１の上側部分で第一の面２０と第二
の面３０とを平行に配置するようにしてもよく、あるい
は図６（Ｂ）に示すようなシリンドリカルレンズ８２、
図６（Ｃ）に示すような透過型の回折格子８３を用いて
同様な配置としてもよく、要するに第一の面２０と第二
の面３０とは、スケール１１の同一側であって異なる面
内に配置されていればよい。

【００５６】また、前記各実施例では、偏光ビームスプ
リッタ１４が第一の面２０および第二の面３０の両方の
面を横切るように配置され、光束分岐手段２１と光束混
合手段３１とに兼用されていたが、光束分岐手段２１を
構成する偏光ビームスプリッタと、光束混合手段３１を
構成する偏光ビームスプリッタとを別々に設けてもよ
い。しかし、これらは兼用させておくことが好ましく、
そうすることで装置の小型化、コスト低減を図ることが
できる。

【００５７】さらに、前記各実施例では、光束分岐手段
２１を構成する一対のミラー１５Ａ，１５Ｂと、光束混
合手段３１を構成する一対のミラー１６Ａ，１６Ｂと
は、別々に設けられていたが、これらは第一の面２０お
よび第二の面３０の両方の面を横切るように配置して兼
用させるようにしてもよい。つまり、ミラー１５Ａとミ
ラー１６Ａとを一体化し、ミラー１５Ｂとミラー１６Ｂ
とを一体化してもよい。また、これらの各ミラー１５
Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂの代わりにスケール１１と
平行に配置された透過型の回折格子を用いてもよい。

【００５８】また、前記各実施例では、スケール１１
は、図３または図４に示すようなガラス１１Ａと体積位
相型の回折格子（ホログラム回折格子）１２とミラー面
１１Ｂとによる積層構造となっていたが、スケール１１
はこのような構造に限定されるものではなく、例えば、
ミラーの表面に回折格子を形成したスケールなどであっ
てもよく、要するに反射型の回折格子を有するスケール
であればよい。

【００５９】そして、回折格子１２のピッチ、レーザ光
源１３の波長は、それぞれ前記各実施例で挙げられてい
た５００ｎｍ程度、７８０ｎｍ程度のものが好適である
が、このような数値に限定されるものではなく、本発明
の構成を実施できれば適宜な数値を選択してよい。

【００６０】さらに、前記各実施例では、無偏光ビーム
スプリッタ１７は、偏光ビームスプリッタ１４と平行に
設けられていたが、無偏光ビームスプリッタ１７の設置
方向は任意であり、要するに、偏光ビームスプリッタ１
４により混合された混合波を二波に分岐できればよい。

【００６１】また、前記第一実施例では、各１／４波長
板５１Ａ，５１Ｂは、一対のミラー１５Ａ，１５Ｂとス
ケール１１の回折格子１２上の回折点Ｐとの間の各光路
の途中に設けられていたが、これらは偏光ビームスプリ
ッタ１４上の点Ｒと一対のミラー１５Ａ，１５Ｂとの間
の各光路の途中に設けられていてもよい。さらに、前記
第一実施例では、各１／４波長板５２Ａ，５２Ｂは、ス
ケール１１の回折格子１２上の回折点Ｐと一対のミラー
１６Ａ，１６Ｂとの間の各光路の途中に設けられていた
が、これらは一対のミラー１６Ａ，１６Ｂと偏光ビーム
スプリッタ１４上の点Ｋとの間の各光路の途中に設けら
れていてもよい。

【００６２】そして、それぞれ図１（Ａ）および図１
（Ｂ）中の左側に配置された１／４波長板５１Ａ，５２
Ａを兼用させて一枚の１／４波長板により構成してもよ
く、同様に、それぞれ右側に配置された１／４波長板５
１Ｂ，５２Ｂを兼用させて一枚の１／４波長板により構
成してもよい。

【００６３】さらに、前記各実施例では、レーザ光源１
３、光束分岐手段２１、光束混合手段３１、および検出
器４１Ａ，４１Ｂなどの光学系に対してスケール１１が
変位可能に設けられていたが、スケール１１に対してこ
れらの光学系が変位するものであってもよく、あるいは
両者が共に変位するものであってもよく、要するに、ス
ケール１１と光学系とが相対変位するようになっていれ
ばよい。

【００６４】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、発
光側の光学系の各光束の光路と、受光側の光学系の各光
束の光路とが、異なる面内に配置されているので、発光
側の光学系を構成する各機器と受光側の光学系を構成す
る各機器とを互いの配置位置に影響されることなく設置
でき、各機器の配置構成の自由度を向上できるうえ、各
分岐光束の入射角と各１次回折光の回折角とを一致させ
ることができ、回折効率の向上を図ることができるとと
もに、スケールとして反射型の回折格子を用いているの
で、発光側の光学系と受光側の光学系とをスケールの同
一側に配置でき、装置の小型化やスケールの取り付け自
由度の向上を図ることができるという効果がある。

【００６５】また、光源からの光束の分岐に偏光ビーム
スプリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏光
ビームスプリッタを用いる場合において、光束分岐手段
を構成する偏光ビームスプリッタと光束混合手段を構成
する偏光ビームスプリッタとを兼用させれば、装置を簡
略化できるため、装置の小型化、コスト低減を図ること
ができるという効果がある。

【００６６】さらに、光源からの光束の分岐に偏光ビー
ムスプリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏
光ビームスプリッタを用いる場合において、各光路の途
中に１／４波長板を設けておけば、レーザ光源と検出器
とを離して設置することができるため、各機器の配置構
成の容易化、装置の小型化、各機器の熱的干渉の抑制を
図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す構成図。

【図２】前記第一実施例の異なる面（第一の面および第
二の面）の配置状態を説明する概略斜視図。

【図３】前記第一実施例のスケールの断面図。

【図４】前記第一実施例のスケールの別の断面図。

【図５】本発明の第二実施例を示す構成図。

【図６】本発明の変形例を示す概略構成図。

【図７】従来例を示す構成図。

【図８】前記従来例を単純にスケールの位置で折り返し
た検出系の構成図。

【符号の説明】

１０，６０ 格子干渉型変位検出装置 １１ スケール １２ 反射型の回折格子 １３ レーザ光源 １４ 光束分岐手段および光束混合手段に兼用された偏
光ビームスプリッタ １７ 無偏光ビームスプリッタ ２１ 光束分岐手段 ３１ 光束混合手段 ４１Ａ，４１Ｂ 検出器 ５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ １／４波長板 Ａ，Ｂ 分岐光束 Ａ１，Ｂ１ １次回折光 Ｐ 回折点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 哲郎 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株 式会社ミツトヨ内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射型の回折格子を有するスケールと、
   光束を出射する光源と、この光源からの光束を二波に分
   岐しかつその各分岐光束を前記スケールの回折格子上の
   同一点に入射させる光束分岐手段と、前記スケールの回
   折格子によって生成された複数の光束を混合させる光束
   混合手段と、この光束混合手段によって混合された混合
   波を電気信号に変換する検出器とを備えた格子干渉型変
   位検出装置であって、 前記光源から出射されて前記光束分岐手段を介して前記
   スケールの回折格子上に至る各光束の光路と、前記スケ
   ールの回折格子上で回折されて前記光束混合手段を介し
   て前記検出器に至る各光束の光路とを、前記スケールの
   同一側であって異なる面内に配置したことを特徴とする
   格子干渉型変位検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記光束分岐手段は、前記光源からの光
   束を互いに偏光方向が直交する二波に分岐する偏光ビー
   ムスプリッタを含み構成され、 前記光束混合手段は、前記スケールの回折格子上で回折
   された二つの光束の交点位置に配置され偏光方向に応じ
   て一方の光束を反射させかつ他方の光束を透過させるこ
   とにより一つの混合波を生成する偏光ビームスプリッタ
   と、この偏光ビームスプリッタで混合された混合波を二
   波に分岐する無偏光ビームスプリッタとを含み構成され
   ていることを特徴とする格子干渉型変位検出装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記光束分岐手段を構成する偏光ビーム
   スプリッタと前記光束混合手段を構成する偏光ビームス
   プリッタとは、兼用されていることを特徴とする格子干
   渉型変位検出装置。
4. 【請求項４】 請求項２または請求項３に記載した格子
   干渉型変位検出装置において、前記光源からの光束が分
   岐される前記光束分岐手段の偏光ビームスプリッタ上の
   点と各分岐光束が入射される前記スケールの回折格子上
   の点との間の二つの光路の途中には、それぞれ同じ方位
   の偏光成分の位相を９０度遅らせるように配置された一
   対の１／４波長板が設けられるとともに、 前記各分岐光束が入射される前記スケールの回折格子上
   の点とこの点で回折された二つの光束が集まる前記光束
   混合手段の偏光ビームスプリッタ上の点との間の二つの
   光路の途中には、それぞれ同じ方位の偏光成分の位相を
   ９０度遅らせるように配置された一対の１／４波長板が
   設けられていることを特徴とする格子干渉型変位検出装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれかに記載
   した格子干渉型変位検出装置において、前記スケールの
   回折格子に入射される各分岐光束の入射角と、これらの
   各分岐光束が前記スケールの回折格子上で回折されて生
   成された各１次回折光の回折角とは、一致していること
   を特徴とする格子干渉型変位検出装置。