JPS6097215A - 測長装置 - 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】 本発明は測長基準尺を回折格子とし、回折光を干渉させ
て得られる光強度により回折格子とその他の光学部材と
の相対的な移動距離を計測する測長装置に関する。長さ
や位置計測の分野では、従来から純機械的な物差し、ノ
ギス、マイクロメータ等を用いて人間の目による計測は
依然として行われているが、μｍ単位を問題とする所謂
精密計測の領域ではこれらの測定用具はその用をなさな
い。近年、測定機器の電子化が進み、電子回路と共に光
・磁気等の技術を用いた測定製筒が開発され、加工・検
査に多用されている。光を用いるものの一例としては、
レーザー光の波長を基準とした光波干渉測長器が知られ
ている。この測長器の精度は、現在の工業水準の要求に
十分対応できるものであるが、むしろ過剰な精度を有す
るとも云え価格的にも高価である。また、磁気を用いた
方式として、帯状又は棒状の磁性体に予め寸法の基準と
しての磁気パターンを記録しておき、この磁気パターン
と磁気ヘッドとの相互の位置関係をめる磁気スケールも
知られている。この方式は磁性体に記録できる基準パタ
ーンのピッチにより精度が決定され、安定に記録し得る
ピッチは５μｍ〜１０μｍのピッチであり、測定精度は
光波干渉測長器と比較して実用上２桁程度精度が低い。

そこで、光波干渉測長器と磁気スケールとの中間的な精
度を有する測長器を工作機等に付設することが要求され
、このだめの基準として数μｍ程度のピッチを持つ光学
的回折格子を用いて、精度的及び価格的に前記両者の中
間的な測長装置の実用化が進んでいる。この場合に基準
となる回折格子１は、第１図に示すように、ガラス又は
金属板に機械的なルーリングエンジン、光学的リソグラ
フィ、電子ビームリソグラフィ等を用いて極細の格子線
２が密集し７て並列するように造られている。

第２図は本件出願人に係る既提案の移動量の測定のため
の具体的な構成図を示している。回折格子１０手前側に
光源７．２個の検出器８ａ。

８ｂ、レンズ系９、偏向鏡１０ａ、１０１）、偏光ビー
ムスプリッタ１１が配置され、回折格子１の反対側にダ
ハプリズム１２ａ、１２ｂ、位相差板１３ａ、１’３ｂ
が配置されている。光源７は発光ダイオードや半導体レ
ーザー等の半導体発光素子であり、レンズ系９は光源７
から射出される光線りをほぼ平行光束にするためのもの
であって、偏向鏡１０ａ、１０ｂは偏向鏡１０ａへの入
射光と、偏向鏡１０ｂからの射出光とが平行になるよう
に、これらの相対角度は９０度に設定されている。また
、位相差板１３ａ、１３ｂは光源７からの直線偏光を回
折格子１に再入射するときに、右廻シ及び左廻りの楕円
偏光にする働きをしている。

従って、光源７から発光された光線りはレンズ系９で平
行光束とされ、偏向鏡１０ａによシ回折格子ｌの点Ａに
入射する。そして、回折格子１により回折され、回折格
子１の位相δが回折波面に加算され、入射光の初期位相
をＯとすると回折波の位相項はｅｘｐ（ｉ（ωｔ−１−
ｍδ））となる。ここでｍは回折次数であり、例えば＋
１次項と一１次項はそれぞれｅｘｐ　（ｉ　（ωｔ＋δ
））、ｅｘｐ　（ｉ　（ωを一δ））となシ、＋１次項
である光、１３ＩＴ、　１、−１次項である光線ＴＪ２
はそれぞれ位相差板１３ａ、１３ｂを経由しコーナーキ
ューブプリズム又は図示のダノ・プリズム１２ａ、１２
ｂに入射する。光ＭＬＩ、Ｌ２はダノ・ブ１）ズム１２
ａ、１２ｂで入射方向と平行方向に反射され、位相差板
１３ａ、１３ｂにより右廻り及び左廻りの円偏光にされ
、回折格子１０点ＡとＸ方向に異なる点Ｂにおいて再び
回折され、更に偏向鏡］Ｏｂを介して偏光ビームスプリ
ッタ１１に入射する。この偏光ビームスプリッタ１１に
入射した右廻り及び左廻りの楕円偏光特性を有する光線
Ｌｌ、Ｌ２は、偏光ビームスジ１ノツタ１１を透過及び
反射する。透過光及び反射光はそれぞれ直線偏光になり
、互いに干渉し合って検出器８ａ及び８ｂに入射するこ
とになる。

検出器８ａ及び８ｂは２つの楕円偏光の直交成分を干渉
光強度として検出するため、回折格子１が移動した場合
の検出器８　ａ　ｓ　８　ｂの出力ＩｔＳＳは、第３図
（ａ）、（ｂ）に示すように９０度の位相差を有する様
にする。この２つの信号Ｒ，Ｓを一定レベルの基に（Ｃ
）、（ｄ）に示すように図示しない回路によってそれぞ
れ二値化しその立上りと立下りのタイミングで（ｅ）に
示すようにパルス金発生させ、そのパルス数を計数する
ことによって回折格子１の移動量を計測できる。まだ、
この計数時には回折格子１の移動方向を考慮して、加算
又は減算かを決定すればよい。この場合は、回折格子１
の１周期の移動により干渉縞の出力は４Ｎ周期の移動と
なり、その出力からパルスを計数すると１６個のノくル
スを得ることになる。

第４図はその（ａ）、（ｂ）に示す２つの信号法Ｓを、
更に（Ｃ）、（ｄ）に示すように加算及び減算をして、
４５度ずつ位相の異なった信号Ｒ＋８、Ｒ，−８に作成
し、（ｅ）　〜（ｈ）に示すように二値化して、回折格
子１の１周期の移動によって（ｉ）に示すような３２個
のノくルスを発生するようにした場合の例を示している
。

ところが、長尺−の回折格子は一様に線中等を製作する
事は困難で、場所によシ回折効率が異なる事が多い。ま
た格子のよごれ等による部分的な透過率の減少も生じ得
たり、格子線中が細いと偏光条件が正規の条件からはず
れるために第５図に示す様に検出される干渉光強度が最
低値を０とする正しい正弦波とはならなくなる。

すなわち第６図に示す様に正しい信号処理ができなくな
る。図中でげ）の様なパルス列を生じるべき移動を行な
っても（ｅ）の様に不等間隔、あるいはパルスの発生が
なくなるために正しい移動距離が測定できなくなる。第
２図に示した構成例ではこの影響を軽減するために、一
方のダハプリズム１２ｂの頂点から回折光を取り出し、
その光量をライトガイド１４を介して検出器１５で検出
し、光量補正を行なうものとしている。しかし、検出器
Ｉ５で検出される光量は回折格子で１回の回折を行なっ
た光の強度であシ、実際の信号光として検出する干渉光
は２回の回折を行なった光の強度であり、回折効率の影
響度が異なる。さらに、第７図に示す様に検出器１５で
検出される光の回折格子１を透過する場所（（Ｌ’）と
、実際に干渉光として検出される回折格子への場所（ｂ
）、（Ｃ）が異なるため、概略の補正は行ない得るが、
正確な補正は行ない得ない。

本発明の目的は、上述した難点を無くし、正確な測長を
可能とする測長袋Ｎを提供することにある。以下、本発
明の装置について説明する。

第８図は本発明の実施例を示す図で第２図の従来例と異
なる点は、信号として干渉光強度を検出するために、４
ケの検出器８α〜８ｄを用いた点にある。すなわち干渉
光の検出のために無偏光ビームスプリッタ１９α〜１９
ｄ４用い図中１０ｂの反射面を反射した信号光を強度的
に４分割する。各信号光は偏光フィルタ１６α〜１６ｄ
全透過し、一定方向の偏光に選択されたＬｌ、Ｌ２は互
いに干渉し合ってそれぞれの偏光フィルタに対応した検
出器８ａ〜８ｄに入射して光電変換を受ける。偏光板の
方位角をたとえば１６αを００．１６Ｃを４５°、１６
ｂを９侭１６ｄｉ１３５°とするならば回折格子１が移
動する事によって検出器８α〜８ｄによって得られる干
渉光の強度の位相は、８ａが００８Ｃが９０゜８ｂが１
８０°８ｄが２７００になる。すなわち８ａと８ｂ、お
よび８Ｃと８ｄは得られた信号の位相差が互いに１８０
°存在する事になる。この時に上述の様に回折格子の回
折効率差やよごれの影響により一定速度で回折格子が移
動しても信号に変動を生ずる。第９図の（ｒＬ）、（ｂ
）はこの様な１８００の位相差をもち、かつ信号強度が
不安定な状態を示す。これは上記のたとえば８α、８ｂ
の信号出力、あるいは８ｃ８ｄの信号出力に対応したも
のと考えてよい。（α）、（ｂ）の出力曲線は偏光方位
角度に差をもたせて検出した信号であるため、信号変調
を受けた正弦波と考えるならば図中破線で示した中心出
力は同一である。すなわち（α）の出力より（ｂ）の出
力を減算する事により第９図の（Ｃ）に示す様なＯレベ
ルを中心値にもつ様な振巾変調された正弦波を得る事が
できる。−すなわち（Ｃ）の０レベルをしきい値として
２値化を行なって（ｄ）の様な信号が得られ、（ｄ）の
立上シ立下りをとらえる事により（ｇ）の様なパルス列
を得る事が可能であり、よって回折格子】の一定速度の
移動にともなってほぼ一定間隔のパルス列の形成が可能
である。以上の信号処理を８αと８ｂの組み合わせと、
８Ｃと８ｄの組み合わせについて行ない、第９図（Ｃ）
の信号をそれぞれの組み合わせを上述ＲおよびＳの信号
とみなし、第３図あるいは第４図の信号処理を行なって
、正確な回折格子の移動量を検出できる。また、偏向鏡
１０ｂからの反射光の分割を第１Ｏ図の様に行なう事も
可能である。すなわち半透鏡１７ａ−１７ｃｆ直列にな
らべ、１０ｂの反射光を４分割し、それぞれの光を偏光
フィルタ１６α〜１６ｄｋ通して検出器８α〜８ｄに入
射させる工４分する光の強度はほぼ等しい事が理想であ
るため、半透鏡の透過・反射率の比は１７ｃＬが１：１
．１７ｂが２＝１．１７Ｃが３：１に近い事が有利とな
る。

また第１１図に示す如く、偏向鏡１１６からの反射光を
透過・反射率の比かはぼ１：１の半透′ａ１７αを用い
、光を２分し、２分した光をさらに偏光ビームスプリン
タを用いて４つの偏光に分け、光検出器８α〜８ｄＶｃ
入射させる。

この時直線偏光に選択されて４分された干渉光はその強
度の位相差が上述の様に９０°毎である必要がある。こ
のため１１α、１１ｈの偏光ビームスプリッタは第１１
図の様に光軸と垂直な面内での配置が４５°の差をもつ
様にする必要がある。本構成例は上述の第８図および第
１０図の実施例と比較して偏光フィルタ１６α〜１６ｄ
が不要なために部品構成点数を減少する事が可能である
。この他に光を４分割する手段とし゛　て回折格子を用
いた方法等も考えられる。

以上説明した様に回折格子を長さの基準尺として、回折
光を干渉させて回折格子の移動長を測定する装置におい
て、干渉光強度を偏光を利用して９０°位相差をもつ４
つの信号とし、干渉光強度の１８０°位相差の信号を１
対として差分をとり、２組の差分を信号として処理する
ととによって、回折格子の移動距離を正確に測長する事
が可能になり、かつ回折格子の線巾のムラやよごれによ
って測長値に誤差を生ずる事がなくなる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は回折格子を示す図、第２図、第３図及び第４図
は本件出願人による既提案の測長装置を説明する為の図
、第５図、第６図及び第７図は、第１図に示す装置に於
ける測長の際の難点を説明する為の図、第８図及び第９
図は本発明に係る装置の一実施例を説明する為の図、第
１Ｏ図及び第１１図は本発明に係る装置の他の実施例を
示す図。 １・・・・・・回折格子、７・・・・・・光源、８ｃＬ
１８ｂ、８　ｃ　％　８　ｄ・・・・・・光検出器、９
・・・・・・コリメータレンズ、】０α、１ｏ　ｂ　−
・−反射面、１１４％１１ｂ・・・・・・偏光ビームス
プリッタ−，１２・・・・・・ダハプリズム又はコーナ
ーキューブ、１３・・・・・・位相差板、１６α、１６
ｂ、１６ｃ、１６ｄ・・・・・・偏光フィルター、１７
α、１７６．１７Ｃ・・・・・・半透鏡、１９α、１９
ｂ１１９Ｃ・・・・・・無偏光ビームスプリッタ−０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ＋１１　回折格子を用いて符号の異なる同次の回折光を
   形成する手段、それぞれの回折光を往路を逆行させ、そ
   れぞれの回折光を再度前記回折格子に入射させる反射手
   段、再度の入射光により形成された符号の異なる回折光
   をそれぞれ、方位角度差が４５度の４つの偏光成分に分
   割し、同位相の成分光束同志を干渉せしめる手段、各位
   相の干渉光強度を検出する手段、前記検出手段からの信
   号の内、位相差が１８０度の二つの信号の差分を検出す
   る手段を有し、前記差分検出手段からの信号を利用して
   回折格子の他の部材に対する相対的な移動距離をめるこ
   とを特徴とする測長装置。