JP2517027B2

JP2517027B2 - 移動量測定方法及び移動量測定装置

Info

Publication number: JP2517027B2
Application number: JP62318727A
Authority: JP
Inventors: 雅則鈴木; 篤▲のぶ▼ 宇根
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPH01161113A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、測長基準尺を回折とし、１つの回折格子と
その回折格子に対して相対的移動が可能な回折格子とを
用いて回折光を光ヘテロダイン干渉させ、２つの回折格
子からそれぞれ得られる２つのビート信号の位相差によ
り、２つの回折格子間の相対的な移動距離を計測する移
動量測定方法及びそのための装置に関するものである。

〔従来の技術〕

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
るいわゆる精密計測の領域ではそ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、磁気等を技術を用いた測定装置が開発さ
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、レーザー光
の光路系の環境変化（気圧、温度、振動等）により検出
精度が劣化する問題がある他に、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ンを記録して
おき、このパタンと磁気ヘッドとの相互の位置関係を求
める磁気スケールが知られている。しかし、この方式は
磁性体に記憶できる基準パタンのピツチにより精度が決
定され、安定に記憶し得るピツチは、５〜10μｍ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。一方、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装置として回折格子とレー
ザー光を組み合わせた装置の実用化が進められている。

従来、この種の装置は一般に第４図、又は第５図に示
すように構成されており、第４図においては、１は回折
格子、２はレーザー光等ほ単色光を発光する光源、3,4
は回折格子１を挾んで光源２と反対側に置かれた反射
鏡、５は干渉光を読み取るために光源２側に配置された
検出器である。光源２から射出された光線Ｌは、回折格
子１で透過、及び回折される。光線L₁は回折格子１で回
折されたｎ次の回折光とすると、回折格子のピツチを
ｐ、回折格子１の微小変位をΔｘとして光線L₁には２π
・Δｘ・n/pの位相情報を含んでいる。一方、回折格子
１を直接的に透過した光線L₂には位相情報は含まれてい
ない。光線L₁、及びL₂は反射鏡3,4でそれぞれ反射さ
れ、往路を逆行し再び回折格子１に入射し回折、及び透
過が行われる。光線L₁の透過光と光線L₂の−ｎ次回折光
は、空間的に選択され干渉されて検出器５に入射され
る。この時、光線L₂の−ｎ次回折光には−２π・Δｘ・
n/pの位相情報が含まれており、従つて、干渉光には−
２π・Δｘ・2n/pの位相情報を含むことになり、回折格
子１とその他の光源２、反射鏡3,4等の光学系とが相対
的に動くものとすれば、回折格子１と１周期分の移動に
よつて干渉光の強度変化は2n周期分となる。検出分解能
はp/2nとなる。

また、第５図の装置は、光源２と透過型の回折格子１
との間にビームスプリツター６を配置し、２個の反射鏡
3,4を回折格子１の下側に回折格子１に対して同角度で
対称的に配置してある。検出器５はビームスプリツター
６の反射側に設けてある。従つて、光源２を射出した光
線Ｌはビームスプリツター６を透過し、他の光学系に対
して移動し得る回折格子１に入射する。この回折格子１
で符号の異なるｎ次の回折光が形成され、これらを空間
的に選択して光線L₁,L₂として反射鏡3,4に入射し、これ
らの反射鏡3,4で逆行するように反射し、再び回折格子
１に入射する。１回目の回折で＋ｎ次となつた光の＋ｎ
次回折光と、１回目の回折で−ｎ次となつた光の−ｎ次
回折光を空間的に選択する。かくすることにより、これ
ら２つの光線L₁,L₂の進行方向は一致し、互いに干渉し
合いながら光源２の方向に向かつて進み、ビームスプリ
ツター６で反射され検出器５に入射することになる。従
つて、回折格子１により２回回折させることにより、回
折格子１が他の光学系に対して１周期分の移動を行う
と、検出器５に入射する干渉光は4n周期の強度変化を生
じる。検出分解能はp/4nとなり、第４図の例の２倍とな
る。

第６図は更に具体的に従来例を示し、回折格子１（８
は格子線）の片側に光源２、２個の検出器5a,5b、レン
ズ系９、偏向鏡10a,10b、偏光ビームスプリツター７を
配置し、他素にダハプリズム11,12、位相差板13,14を配
置する。光源２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２から射出さ
れる光線Ｌをほぼ平行光束にするためのものであつて、
偏向鏡10a,10bは偏向鏡10aへの入射光と偏向鏡10bから
の出射光とが平行になるように、これらの相対角度は90
度に設定する。また、位相差板13,14は光源２からの直
線偏光を回折格子１に再入射するときには、右廻り及び
左廻りの円偏光にする働きをしている。

従つて、光源２から発光された光線Ｌはレンズ系９で
平行光束とされ、偏光鏡10aにより回折格子１の点Ａに
入射する。そして、回折格子１により回折され、光線
L₁,L₂としてそれぞれ位相差板13,14を経由して、ダハプ
リズム11,12に入射する。光線L₁,L₂はダハプリズム11,1
2で入射方向と平行方向に反射され、位相差板13,14によ
り右廻り及び左廻りの円偏光にされ、回折格子１の点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10bを介して偏光ビームスプリツター７に入射する。
この偏光ビームスプリツター７に入射した右廻り及び左
廻りの円偏光特性を有する光線L₁,L₂は、偏光ビームス
プリツター７を透過又は反射する。透過光及び反射光は
それぞれ直線偏光になり、互いに干渉し合つて検出器5
a、及び5bに入射することになる。

検出器5a、及び5bは２つの円偏光の直交成分を干渉強
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5a,5bの出力Ｒ、Ｓは第２図（ａ），（ｂ）に示す
ように90度の位相差を有する。この２つの信号Ｒ、Ｓを
一定レベルの基に同図（ｃ），（ｄ）に示すように二重
化し、その立ち上がりと立ち下がりのタイミングで同図
（ｅ）に示すようにパルスを発生させ、その数を計測す
ることによつて回折格子１の移動量を計測できる。ま
た、その計測時には回折格子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16n個のパル
スを得ることになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、第４図の光学的配置において、光学系を小
さなスペースに収納するためには、光線L₁と光線L₂の回
折格子１に対する角度を等しくする必要があるが、この
場合、光学系と回折格子１との相対位置が回折格子１の
面に垂直はＹ方向に移動した場合においても回折光にそ
の移動量に対応した位相情報が含まれ、回折格子１が格
子の配列方向、即ち、Ｘ方向に移動した場合と同様な干
渉光の強度変化を生じるため、測定精度が悪くなるとい
う問題があつた。また、第５図、第６図に示すように光
線Ｌを垂直入射させると上述の問題は生じないが、干渉
光の強度変化を検出しているため光量の変動、回折効率
の変動等により検出精度が劣化する。これらの変動を補
正するためにはレーザー光の光強度をモニターして検出
信号処理系にフイードバツクする等の処理系が必要であ
り、装置が複雑化する一方、検出信号にはノイズ成分を
含んでいるため光強度変動を完全には除去できない欠点
がある。また、検出信号のS/N比は検出精度に大きく影
響を及ぼすため、検出分解能向上のために施している検
出信号のパルス変換には限界があり、従つて、検出分解
能も回折格子ピツチの数十分の一程度が限界であり、こ
れ以上の検出分解能を得ることは困難である。また、ロ
ータリーエンコーダー等に応用する場合、円周上に回折
格子を形成する必要が有り、回転角の検出分解能を高め
るためには格子ピツチを細かくすれば可能であるが、機
械的なルーリングエンジン、ホトリソグラフイー、電子
ビームリソグラフイー等による格子ライン形成には限界
があるため、円の径を大きくして円周を長くし格子ライ
ンの本数を多くする方法が考えられるが装置自体が大型
化するという問題点がある。さらに、上記ロータリーエ
ンコーダー等の装置では、円盤状の回折格子が回転する
ことによつて生ずる回折光の強度変化を検出し、パルス
信号に変換しているが、検出器、或いはパルス計数等に
用いられている電子回路の周波数応答速度には限界が有
るため、上記ロータリーエンコーダーにおいては高速化
できないという問題があつた。

したがつて、本発明は上述したような問題点を解決
し、回折格子を用いると共に、光源に２波長の単色光を
用いた光ヘテロダイン干渉法を適応し、回折光の強度信
号に代えて位相差信号を検出することにより、従来のも
のよりも高速、高安定性、高分解能であり、しかも小型
の移動量測定方法、及びそのための移動量測定装置を提
供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するためになされたもので、
その第一の発明の移動量測定方法は、周波数が互いにわ
ずかに異なる２波長の単色光を、第１の物体上に設けた
第１の回折格子と、前記第１の物体に対し相対的移動が
可能な第２の物体上に設けた第２の回折格子とに入射さ
せ、その第１、及び第２の回折格子から生じる２波長の
回折光を、往路を逆行させるような光学系により再び前
記第１、及び第２の回折格子に入射させ、前記第１、及
び第２の回折格子により２回回折して生じた、これら周
波数が互いにわずかに異なる２波長ほ回折光同志を光ヘ
テロダイン干渉させ、前記第１の回折格子から生成した
光ヘテロダイン干渉光から第１のビート信号を検出する
とともに、前記第２の回折格子から生成した光ヘテロダ
イン干渉光から第２のビート信号を検出し、これら第１
のビート信号と第２のビート信号との位相差、及び位相
差信号から生成した位相の周期パルス信号をカウントす
ることによって、前記第１の回折格子からなる第１の物
体に対する前記第２の回折格子からなる第２の物体の移
動距離を測定するようにしたものである。

また、第二の発明の移動量測定装置は、第１の物体上
に設けた第１の回折格子と、第２の物体上に設けられ、
前記第１の回折格子に対して相対的移動が可能な第２の
回折格子と、周波数が互いにわずかに異なる２波長の単
色光を発生する光源と、この光源から発せられた２波長
の単色光を前記第１、及び第２の回折格子に所定の角度
を有した方向からそれぞれ入射させる入射角調整手段
と、前記第１、及び第２の回折格子から生じる２波長の
回折光の往路を逆行させ、再び前記第１、及び第２の回
折格子に入射させる反射光調整手段と、前記第１、及び
第２の回折格子により２回回折されて生じた２波長の回
折光をそれぞれ合成し、前記第１の回折格子から第１の
光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成する第１の光合成
検出手段と、前記第２の回折格子から第２の光ヘテロダ
イン干渉ビート信号を生成する第２の光合成検出手段
と、前記第１、及び第２の光合成検出手段によつてそれ
ぞれ生成された第１のビート信号と第２のビート信号と
から位相差信号を算出処理し、さらに位相差信号から位
相の周期パルス信号を生成して算出処理することによっ
て、前記第１の回折格子からなる第１の物体に対する、
前記第２の回折格子からなる第２の物体の移動量を換算
する信号処理装置とで構成したものである。

〔作用〕

本発明は回折格子の移動量、即ち、物体の移動量を、
ビート信号の位相変化として連続的に検出するものであ
る。そして、そのビート信号の位相は回折光の強度変動
には影響されることがなく、従つて、本発明では光源の
強度変化や回折格子の回折効率の変化等に起因する検出
誤差が生じることがない。さらに、光ヘテロダイン干渉
により得られる２つのビート信号の検出光学系におい
て、偏光ビームスプリツターにより分離された２波長の
レーザー光が再度偏光ビームスプリツターにより合成さ
れるまでの、２波長のレーザーによつてそれぞれ生成さ
れる２つの回折格子からの光ヘテロダイン干渉光の光路
系がほとんど同じであるため、光学系素子の微小振動、
気圧、温度等の外乱の影響は位相差を検出する段階で打
ち消しあい、安定した位相差信号が得られる。また、本
発明では移動量の検出分解能は位相差の検出精度によつ
て決定され、この位相差の検出精度を高めることによつ
て、回折格子のピツチ、或いは格子の本数等を代えるこ
となく物体の移動量の検出分解能が容易に高められる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説
明する。

第１図は本発明に係る移動量測定装置の第１実施例を
示すものである。なお、第４図、ないし第６図と同一の
符号は同一の部材を示すものとする。

第１図において、1aは第１の物体（図示せず）上に固
定、或は一体形成によつて設けられた第１の回折格子、
1bは第２の物体（図示せず）上に固定、或いは一体形成
によつて設けられた第１の回折格子に対して相対的移動
が可能な第２の回折格子、3a,3b,3c,3d,3e,3fは反射
鏡、5a,5bは検出器、７は偏光ビームスプリツター、8a,
8bは格子線、15は２波長直交偏光レーザー光源、16a,16
bは偏光板、17a,17bは集光レンズ、18は1/4波長板、19
は円筒レンズ、20は三角状反射ミラーである。

この第１実施例の装置では、２波長直交偏光レーザー
光源15から発したレーザー光Ｌは、２つの回折格子1a,1
bを均一に照射させるため、円筒レンズ19によりそのビ
ーム形状を楕円状に変えられ、偏光ビームスプリツター
７に入射する。偏光ビームスプリツター７により、偏光
方向が水平であるｐ偏光（周波数をf₁とする）と偏光方
向が垂直であるｓ偏光（周波数をf₂とする）に分離さ
れ、それぞれ反射鏡3a,3b及び3cを介してレーザー光L₁,
L₂として、第１の回折格子1aと第２の回折格子1bとに、
その回折格子面に垂直な法線方向（Ｙ方向）に対して左
右対称はｎ次回折角の方向から入射する。この回折格子
1a,1bによるレーザー光L₁の２つのｎ次数の反射回折光
と、レーザー光L₂の２つのｎ次数の反射回折光とが回折
格子1a,1bの回折格子面に垂直な法線方向にそれぞれ出
射し、それぞれの回折格子1a,1bからの２波長の回折光
が光学的に合成し、２つのレーザー光となつて1/4波長
板18を介して反射鏡3dに入射する。

ここで、２つのレーザー光L₁,L₂は、それぞれ往路を
逆行するように反射鏡3dで反射され、再び回折格子1a,1
bに、回折格子面に垂直な法線方向から入射する。再
度、回折格子1a,1bに入射したレーザー光の±ｎ次回折
光は、反射鏡3a,3bを介して、及び反射鏡3cを介してそ
れぞれ偏光ビームスプリツター７に入射する。従つて、
ｐ偏光のレーザー光L₁の回折光は1/4波長板18を２度通
過することによつて偏光面が90度回転し、ｓ偏光となつ
て偏光ビームスプリツター７に入射するため、偏光ビー
ムスプリツター７により90度反射される。これとは逆
に、ｓ偏光のレーザー光L₂の回折光は、1/4波長板18を
２度通過することによつて偏光面が90度回転し、ｐ偏光
となつて偏光ビームスプリツター７に入射するため、偏
光ビームスプリツター７を通過する。即ち、これら回折
格子1a,1bにより２回回折されたレーザー光L₁,L₂透過回
折光は、偏光ビームスプリツター７によつて光学的に合
成される。回折格子1aからの合成回路光は、三角状反射
ミラー20、反射鏡3eを介して取り出し、この取り出した
レーザー光を集光レンズ17aで集光し、偏光板16aを用い
て光ヘテロダイン干渉させ、検出器5aで検出し、第１の
ビート信号とする。一方、回折格子1bからの合成回折光
は、三角状反射ミラー20、反射鏡3fを介して取り出し、
その取り出したレーザー光を集光レンズ17bで集光し、
偏光板16bを用いて光ヘテロダイン干渉させ、検出器5b
で検出し、第２のビート信号とする。

従つて、検出器5aで検出した第１のビート信号と検出
器5bで検出した第２のビート信号との位相差Δφを検出
することにより、第１の回折格子1aからなる第１の物体
に対する第２の回折格子1bからなる第２の物体の相対的
移動量Δｘを計測できる。

ここで、例えば回折格子1a,1bの格子ピッチをＰ、周
波数f₁,f₂のレーザー光の波長はそれぞれλ₁,λ_２と
し、回折格子1aに対する回折格子1bの格子ラインに垂直
なピツチ方向（Ｘ方向）の移動量をΔｘとしてｎ次回折
光の光ヘテロダイン干渉光を検出する場合を考えると、
移動量Δｘに対し検出器5bにより検出される光ヘテロダ
イン干渉光の１つであるレーザー光L₁の光路長変化量
は、回折格子1bにより２回回折されているため、２・Δ
ｘ・sinθn₁だけ長くなる。これとは逆に、光ヘテロダ
イン干渉光のもう１つのレーザー光L₂の光路長変化量
は、同様に２・Δｘ・sinθn₂だけ短くなる。ここで、
θn₁,θn₂は、それぞれ波長λ₁,λ_２のｎ次回折角であ
り、 sinθn₁＝ｎ・λ₁/P （１） sinθn₂＝ｎ・λ₂/P （２）の関係がある。

従つて、第１の物体からなる第１の回折格子1aを基準
回折格子として固定し、光路長変化の生じない第１の回
折格子から得られる第１のビート信号を基準ビート信号
として、第２の回折格子1bから得られる第２のビート信
号との位相差Δφを求めると、 Δφ＝２π・２・Δｘ・sinθn₁/λ_１ −（−２π・２・Δｘ・sinθn₂/λ_２）＝４π・Δｘ・sinθn₁/λ_１＋４π・Δｘ・sinθn₂/λ_２）（３）となり、次（３）の（１），（２）式を代入すると、 Δφ＝８π・ｎ・Δx/P＝２π・Δx/（P/（4n））
（４）となり、位相差Δφと回折格子1aに対する回折格子1bの
相対的移動量Δｘとは直線関係にあり、位相差Δφは回
折格子1bに相対的移動量Δｘに対し、P/（4n）を周期と
して変化することになる。

第２図は、本発明に係る移動量測定装置の更に具体的
な第２実施例を示すものである。同図において、3a,3b,
3c,3d,3e,3f,3gは反射鏡、18a,18bは1/4波長板、21は信
号処理部である。

この第２実施例の装置では、２波長直交偏光レーザー
光源15から発したレーザー光Ｌは、２つの回折格子1a,1
bから均一に照射させるため、円筒レンズ19によりその
ビーム形状を楕円状に変えられ、偏光ビームスプリツタ
ー７に入射する。偏光ビームスプリツター７により、偏
光方向が水平であるｐ偏光（周波数をf₁とする）と偏光
方向が垂直であるｓ偏光（周波数をf₂とする）に分離さ
れ、それぞれ反射鏡3a,3b、及び3cを介してレーザー光L
₁,L₂として、第１の物体（図示せず）上に設けられた第
１の回折格子1aと、前記第１の回折格子に対して相対的
に移動し得る、第２の物体（図示せず）上に設けられた
第２の回折格子1bとに、その回折格子面に垂直な法線方
向（Ｙ方向）に対して左右対称なｎ次回折角の方向から
入射する。この回折格子1a,1bにより、レーザー光L₁の
２つのｎ次数の透過回折光と、レーザー光L₂の２つのｎ
次数の透過回折光とが各回折格子1a,1bの回折格子面に
垂直な法線方向にそれぞれ出射し、レーザー光L₁による
回折格子1a,1bからの２つの透過回折光、及びレーザー
光L₂による回折格子1a,1bからの２つの透過回折光は、
それぞれ1/4波長板18a,18bを介して反射鏡3e,3dに入射
する。

ここで、これら４つの透過回折光は、それぞれ往路を
逆行するように反射鏡3b,3eで反射され、再び回折格子1
a,1bに、その回折格子面に垂直は法線方向から入射す
る。再度、回折格子1a,1bに入射した回折光の±ｎ次透
過回折光は、反射鏡3a,3bを介して、及び反射鏡3cを介
してそれぞれ偏光ビームスプリツター７に入射する。従
つて、ｐ偏光のレーザー光L₁の透過回折光は、1/4波長
板18bを２度通過することによつて偏光面が90度回転
し、ｓ偏光となつて偏光ビームスプリツター７に入射す
るため、偏光ビームスプリツター７により90度反射され
る。これとは逆に、ｓ偏光のレーザー光L₂の透過回折光
は、1/4波長板18aを２度通過することによつて偏光面が
90度回転し、ｐ偏光となつて偏光ビームスプリツター７
に入射するため、偏光ビームスプリツター７を透過す
る。即ち、これら回折格子1a,1bにより２回回折された
レーザー光L₁,L₂の４つの透過回折光は、偏光ビームス
プリツター７によつて光学的に合成される。回折格子1a
からの合成回折光は、三角状反射ミラー20、反射鏡3gを
介して取り出し、その取り出したレーザー光を集光レン
ズ17aで集光し、偏光板16aを用いて光ヘテロダイン干渉
させ、検出器5aで検出し、第１のビート信号として信号
処理部21に入力する。一方、回折格子1bからの合成回折
光は、三角状反射ミラー20、反射鏡3fを介して取り出
し、その取り出したレーザー光を集光レンズ17bで集光
し、偏光板16bを用いて光ヘテロダイン干渉させ、検出
器5bで検出し、第２のビート信号として信号処理部21に
入力する。

従つて、信号処理部21において、検出器5aで検出した
第１のビート信号と検出器5bで検出した第２のビート信
号との位相差Δφを検出することにより、第１の回折格
子1aに対して相対移動可能な第２の回折格子1bの移動量
Δｘを計測できる。ｎ次回折光の光ヘテロダイン干渉ビ
ート信号を用いる場合、位相差Δφと回折格子1bの相対
的移動量Δｘとの関係は、第１実施例と同様と上記式
（４）で表される。

第３図（ａ）は位相差信号Δφの具体例を示した図で
あり、位相差信号Δφは回折格子1bの移動量Δｘ＝−P/
（8n）〜＋P/（8n）に対して−π（−180度）〜＋π
（＋180度）の範囲で直線性を示し、これを周期P/（4
n）で繰り返す。同図（ａ）の位相差信号に対して、例
えば位相差が＋180度から−180度に、或は逆に−180度
から＋180度に切り代わるタイミングで同図（ｂ）に示
すようにパルス発生させ、その数を計数することによつ
て回折格子1bの移動量を計測できる。この時の検出分解
能はP/（4n）となる。なお、この場合、回折格子1bの移
動の方向は、位相差値の増減の方向と対応するので容易
に判定できるのでパルス計数時に位相差値の増減を考慮
して加算、または減算かを決定すればよい。

さらに、位相差信号Δφは回折光の強度信号とは異は
り、光源の強度変動や回折格子の回折効率の変動、ま
た、レーザー光の走行する光路系の光学素子の微小振
動、レーザー光走行雰囲気の気圧、温度等の外乱の影響
を殆ど受けず、回折格子1bの移動量Δｘにのみ比例した
信号であり、安定した信号が得られる。このため、通常
の電子回路からなる位相差信号検出処理系等によつて容
易に位相差検出分解能、１度程度を達成できる。従つ
て、同図（ｃ）に示すように、例えば、分解数Ｎ＝360
として、移動量Δｘ＝−P/（8n）〜＋P/（8n）の範囲を
360分割可能である。即ち、回折格子1bの移動量Δｘを
検出分解能P/（360・4n）で検出可能である。さらに、
分割数Ｎの値は、位相差信号検出処理系により容易に設
定でき、任意の検出分解能P/（Ｎ・4n）で回折格子1bの
移動量Δｘを検出できる特徴を有している。このこと
は、例えばロータリーエンコーダーに適用した場合、円
盤上に形成した回折格子の格子ピツチ、或は格子本数を
変えることなく、容易に小型で且つ、高精度の回転変位
検出分解能を有したロータリーエンコーダーを実現可能
であることを示している。さらに、Ｎの値を適宜、設定
することにより、検出分解能を損なうことなく、格子ピ
ツチの大きい回折格子の使用が可能であることから、ロ
ータリーエンコーダーの応答回転速度の高速化が可能で
ある。

以上説明したように、回折格子1bの格子の本数に対応
したストロークで回折格子1bの移動量を分解能P/（4n）
のパルス信号によって高速で粗く検出でき、さらにP/
（4n）のパルス信号間を位相差信号によってP/（4n）の
分解能で細かく検出できる。

なお、上記第1,第２の実施例においては、２波長の単
色光光源としていずれも２波長直交偏光レーザー光源15
を用いたが、２波長の単色光としてブラツグセルなどの
音響光学素子を用いて生成した光を用いても同様の効果
を得ることができる。この場合、音響光学素子と半導体
レーザーとを組合わせるとにより、２波長単色光光源の
コンパクト化が可能である。さらに、２波長レーザー光
の入射光学系に偏波面保存光フアイバー等の光フアイバ
ーを用いて、移動量検出光学系本体と２波長単色光光源
とを分離させ、両者を光フアイバーで結合させる等の技
術を適用させることにより、移動量検出光学系をさらに
コンパクト化させることが可能である。

また、回折格子1a,1bへの入射光の方向、及び回折格
子1a,1bからの回折光の方向が回折格子面に垂直なXY平
面に含まれる例について説明したが、回折格子1a,1bへ
の入射光の方向、及び回折格子からの回折光の方向とし
て、回折格子面に垂直なXY平面に含まれない斜め入射、
及び斜め出射の２波長の回折光を光学的に合成して光ヘ
テロダイン干渉ビート信号を検出するようにしても同様
の効果を得ることができる。

さらに、本発明における回折格子1a,1bとしては、吸
収型回折格子、位相型回折格子のいずれかを用いてもよ
く、またバイナリー回折格子に限られず正弦波状回折格
子、フレーズ回折格子等、種々の回折格子を用いること
が可能であるし、透過型の他の反射型回折格子を用いる
ことも可能である。

さらにまた、上記第1,第２の実施例においては、２波
長のレーザー光Ｌを予め偏光ビームスプリツター７によ
り分離させ、それぞれ２つの回折格子1a,1bに入射させ
る方法について述べているが、２波長直交偏光レーザー
光源15からのレーザー光Ｌを直接、２つの回折格子1a,1
bに入射させ、回折光から光ヘテロダイン干渉光を生成
する時に、例えば符号の異なる２つの同次数の回折光か
ら所望の波長レーザー光のみを、例えば偏光ビームスプ
リツター７、偏光板16a,16b等でそれぞれ取り出し、光
ヘテロダイン干渉させてビート信号を検出しても同様の
効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明による移動量測定
方法およびその測定装置によれば、２つの回折格子に周
波数がわずかに異なる２波長の単色光をそれぞれ入射
し、それら２波長の単色光の２回の回折によつて生じる
各回折格子からの２波長の回折光を光学的に合成して光
ヘテロダイン干渉ビートを検出するようにしたので、検
出した回折光ビート信号の位相変化から位相差信号を算
出処理し、さらに位相差信号から位相の周期パルス信号
を生成して算出処理することによって移動量（即ち、物
体の移動量）を測定できる。しかも、光源の強度変動や
回折格子の回折効率の変動等に起因して回折光強度が変
動した場合であつても、回折光ビート信号の振幅が変化
するだけでビート信号の位相変化には全く影響が及ば
ず、従つて、高精度に移動量を検出することができる。
また、位相差信号が高安定であるため、位相差を例えば
１゜以下の精度で検出可能であり、高分解能を得ること
ができる。

さらに、２つの回折格子を入射光の同一ビームスポツ
トにより照射するように配置して、これら両回折格子に
よりそれぞれ生成された、２つの光ヘテロダイン干渉ビ
ート信号間の位相差を検出することにより、レーザー光
の走行する光路系における気圧、温度、或いは光学素子
の微小振動等の外乱の影響がキヤンセルされ、高安定に
両回折格子間の相対変位量を検出できる。

さらにまた、ロータリーエンコーダー等に適用する場
合、位相差検出による高検出分解能を利用して、検出分
解能を劣化させることなく、円盤上に配置する回折格子
の本数を少なくして装置の小型化、或は回折格子のピツ
チを大きくして回転移動検出の高速化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る移動量測定方法、及びその測定位
置の第１実施例を示す構成図、第２図は本発明の第２実
施例を示す構成図、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は本
発明の実施例から得られる信号のタイムチヤート図、第
４図，第５図および第６図はそれぞれ従来の移動量測定
方法の一例を示す構成図、第７図（ａ）〜（ｅ）は第６
図の測定方法から得られる信号のタイムチヤート図であ
る。 1,1a,1b……回折格子、２……光源、3,3a〜3g,4……反
射鏡、5,5a,5b……検出器、６……ビームスプリツタ
ー、７……偏光ビームスプリツター、8,8a,8b……格子
線、９……レンズ系、10a,10b……偏向鏡、11,12……ダ
ハプリズム、13,14……位相差板、15……２波長直交偏
光レーザー光源、16a,16b……偏光板、17a,17b……集光
レンズ、18a,18b……1/4波長板、19……円筒レンズ、20
……三角状反射ミラー、21……信号処理部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回折格子を測長基準尺として用い、この回
折格子に単色光を入射して生じる回折光を干渉させて、
他の光学系に対する回折格子の相対的な移動距離を求め
る測長装置において、光源に周波数が互いにわずかに異
なる２波長の単色光を用い、前記単色光を偏光ビームス
プリッターで２つの偏光に分離し、入射角調整手段を介
して所望の角度で前記２つの偏光を第１の物体上に設け
られた第１の回折格子と、前記第１の物体に対し相対的
移動が可能な第２の物体上に設けられた第２の回折格子
とに入射させ、前記第１、及び第２の回折格子から生じ
る２波長の回折光を、1/4波長板に１回通過させた往路
を逆行させるような光学系により再度、1/4波長板を通
過させて、再び前記第１、及び第２の回折格子に入射さ
せ、前記第１、及び第２の回折格子により２回回折して
生じた回折光を、前記入射角調整手段を介して前記偏光
ビームスプリッタに入射させて、周波数が互いにわずか
に異なる２波長の回折光どうしを光ヘテロダイン干渉さ
せ、前記第１の回折光から生成した光ヘテロダイン干渉
光から第１のビート信号を検出するとともに、前記第２
の回折光から生成した光ヘテロダイン干渉光から第２の
ビート信号を検出し、これら第１のビート信号と第２の
ビート信号との位相差、及び位相差信号から生成した位
相の周期パルス信号をカウントすることによって、前記
第１の回折格子からなる第１の物体に対する前記第２の
回折格子からなる第２の物体の移動距離を測定すること
を特徴とする移動量測定方法。
【請求項２】第１の物体上に設けられた第１の回折格子
と、第２の物体上に設けられ、前記第１の回折格子に対
して相対的移動が可能な第２の回折格子と、周波数が互
いにわずかに異なる２波長の単色光を発生する光源を有
し、偏光ビームスプリッタおよび入射角調整手段を、前
記光源と前記第１、及び第２の回折格子との間に設け、
前記入射角調整手段が前記第１、及び第２の回折格子お
よび前記偏光ビームスプリッターに入射する光の入射角
を設定し、前記第１、及び第２の回折格子から生じる２
波長の回折光の往路を逆行させ、再び前記第１、及び第
２の回折格子に入射させる反射光調整手段と、前記第
１、及び第２の回折格子と前記反射光調整手段との間で
回折光が２回通過するように1/4波長板を設け、前記第
１、及び第２の回折格子により２回回折されて生じた２
波長の回折光を前記入射角調整手段を介して再び前記偏
光ビームスプリッターに入射してそれぞれ合成し、前記
第１の回折格子から第１の光ヘテロダイン干渉ビート信
号を生成する第１の光合成検出手段と、前記第２の回折
格子から第２の光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成す
る第２の光合成検出手段と、前記第１、及び第２の光合
成検出手段によってそれぞれ生成された第１のビート信
号、及び第２のビート信号とから位相差信号を算出処理
し、さらに位相差信号から位相の周期パルス信号を生成
して算出処理することによって、前記第１の回折格子か
らなる第１の物体に対する、前記第２の回折格子からな
る第２の物体の移動距離を換算する信号処理装置とを具
備してなることを特徴とする移動量測定装置。