JP5235554B2

JP5235554B2 - 光学式変位測定装置

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Publication number: JP5235554B2
Application number: JP2008200133A
Authority: JP
Inventors: 正人今
Original assignee: DMG Mori Co Ltd; Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: JP2010038654A

Description

本発明は、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する光学式変位測定装置に関する。詳しくは、回折格子で回折された２つの回折光を再度回折格子に照射する反射光学系で、反射光を入射した光軸の方向に戻すコーナーキューブプリズムが配列されるマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーを備えることで、スケール部に異物等が付着した際の光量低下を抑えるものである。

従来から、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する装置として、回折格子を用いた光学式の変位測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、従来の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。従来の光学式変位測定装置２００は、可干渉光源２０１から出射された可干渉光Ｌａがレンズ２０２で集光され、偏光ビームスプリッタ２０３で２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割され、回折格子２０４に照射される。回折格子２０４に照射された２つの可干渉光は、回折格子２０４で回折されて２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が生じる。２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、平面ミラー２０５ａ及び１／４波長板２０５ｂを有した反射光学系２０５で反射されて同じ光路を戻り、偏光方向が変換されて回折格子２０４に再度照射される。

回折格子２０４に照射された２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、回折格子２０４で回折されて２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じる。２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同じ光路を戻って偏光ビームスプリッタ２０３に入射される。偏光ビームスプリッタ２０３に入射した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ２０３で重ね合わされ、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させた干渉光Ｌｄが、受光部２０６で受光される。

このような構成の光学式変位測定装置２００では、可動部分の移動に応じて回折格子２０４が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光に位相差が生じる。光学式変位測定装置２００では、２つの２回回折光を干渉させて干渉信号を検出し、干渉信号から２つの２回回折光の位相差を求めて、回折格子の移動位置を検出する。

従来の光学式変位測定装置２００では、反射光学系２０５が平面ミラー２０５ａで構成される。また、２つの可干渉光がそれぞれ平面ミラー２０５ａの表面に焦点を結ぶように光学系が構成されていた。

上述した課題を解決するため、本発明は、照射された光を回折する回折格子を有し、回折格子の格子ベクトル方向に相対移動するスケール部と、可干渉光を出射する発光部と、発光部により出射された可干渉光を２つの可干渉光に分割して、スケール部の回折格子に各可干渉光を照射し、２つの１回回折光を生じさせると共に、２つの１回回折光を回折格子により回折させて生じさせた２つの２回回折光を干渉させる照射受光光学系と、２つの可干渉光を回折格子により回折させて生じさせた２つの１回回折光をそれぞれ反射して、回折格子に２つの１回回折光を照射する反射光学系と、照射受光光学系により２つの２回回折光を干渉させた干渉光を受光して干渉信号を検出する受光部とを備え、反射光学系は、直角を３つ合成した頂点を持つ三角錐のプリズムで構成されるコーナーキューブプリズムが、縦横に並べて配列されるマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーを有し、入射光を反射して前記入射光の光軸の方向に戻し、反射光学系の各コーナーキューブプリズムは、スケール部に付着する可能性のある異物と同等程度の大きさである光学式変位測定装置である。

図１１及び図１２は、従来の光学式変位測定装置の課題を示す動作説明図である。従来の光学式変位測定装置２００では、偏光ビームスプリッタ２０３で分割された光路を往路と帰路で同一として、回折格子２０４で回折された回折光を偏光ビームスプリッタ２０３に戻し、干渉光を生成している。このため、反射光学系２０５で平面ミラー２０５ａを使用すると、平面ミラー２０５ａの取り付け角度がずれると、図１１に二点鎖線で示すように光が戻らない。また、平面ミラー２０５ａの取り付け位置が光軸に沿ってずれると焦点位置が変化してしまう。これにより、平面ミラーの取り付けに際しては、微妙な角度及び位置調整が必要となる。

また、従来の光学式変位測定装置２００では、反射光学系２０５が平面ミラー２０５ａで構成され、可干渉光が平面ミラー２０５ａの表面に焦点を結ぶように光学系が構成されている。このように焦点を結ぶ光学系の光路では、入射光と反射光は反転することになる。このため、回折格子２０４に付着した異物Ｄ等の影響は、回折格子２０４への入射時に受ける光の照射領域のものと、平面ミラー２０５ａで反射してから受ける光の照射領域のものがある。これにより、受光部２０６で検出される光量は、一概に異物等の大きさに対して約２倍の影響を受けることになり、回折格子２０４に異物等が付着すると、取得できる光量が低下する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、光学系の組み立て調整が容易で、かつ、スケール部に異物等が付着した際の光量低下を抑えることが可能な光学式変位測定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、照射された光を回折する回折格子を有し、回折格子の格子ベクトル方向に相対移動するスケール部と、可干渉光を出射する発光部と、発光部により出射された可干渉光を２つの可干渉光に分割して、スケール部の回折格子に各可干渉光を照射し、２つの１回回折光を生じさせると共に、２つの１回回折光を回折格子により回折させて生じさせた２つの２回回折光を干渉させる照射受光光学系と、２つの可干渉光を回折格子により回折させて生じさせた２つの１回回折光をそれぞれ反射して、回折格子に２つの１回回折光を照射する反射光学系と、照射受光光学系により２つの２回回折光を干渉させた干渉光を受光して干渉信号を検出する受光部とを備え、反射光学系は、直角を３つ合成した頂点を持つ三角錐のプリズムで構成されるコーナーキューブプリズムが、縦横に並べて配列されるマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーを有し、入射光を反射して前記入射光の光軸の方向に戻し、照射受光光学系は、発光部から光源固有の放射角で出射された可干渉光を、ビーム径が広がる所定の放射角に絞って回折格子に照射する光学素子を備える光学式変位測定装置である。

本発明の光学式変位測定装置では、発光部から出射された可干渉光が２分割され、スケール部の回折格子に照射される。回折格子で回折された２つの１回回折光は、それぞれマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーで反射され、再度回折格子に照射される。回折格子で回折された２つの２回回折光は、照射受光光学系で重ね合わされ、干渉光が得られる。

マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーは、反射光を入射した光軸の方向に戻す機能を有しており、取り付け角度がずれても光が入射方向に戻る。また、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーは、個々のコーナーキューブプリズム毎に光が入射及び反射され、スケール部に付着した異物等の影響は、個々のコーナーキューブプリズム毎で済み、他の領域に影響を及ぼさない。

本発明の光学式変位測定装置では、反射光学系にマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーを備えることで、スケール部に付着した異物等の影響を、個々のコーナーキューブプリズム単位で受けることができるので、干渉光の光量低下を抑えることができる。

また、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーは、取り付け角度によらず、反射光を入射した光軸の方向に戻すので、組み立て調整と取り付け許容値の改善を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の光学式変位測定装置の実施の形態について説明する。

＜本発明の光学式変位測定装置の原理＞
図１は、本発明が適用される光学式変位測定装置の原理を示す構成図である。本発明が適用される光学式変位測定装置１００Ａは、工作機械等の可動部分に取り付けられ直線移動する例えば透過型の回折格子１０１Ｔと、レーザ光等の可干渉光を出射する可干渉光源１０２を備える。

光学式変位測定装置１００Ａは、可干渉光源１０２から出射された可干渉光を２分して回折格子１０１Ｔに照射すると共に、回折格子１０１Ｔで回折された回折光を干渉させる照射受光光学系１０３を備える。

照射受光光学系１０３は、可干渉光源１０２から出射された可干渉光を分割すると共に、回折格子１０１Ｔで回折された回折光を結合する偏光ビームスプリッタ１０４を備える。また、照射受光光学系１０３は、可干渉光源１０２から出射された可干渉光を絞るレンズ１０５を備える。

光学式変位測定装置１００Ａは、照射受光光学系１０３で回折格子１０１Ｔに照射され、回折格子１０１Ｔで回折された回折光を再度回折格子１０１Ｔに照射する反射光学系１０６を備える。

反射光学系１０６は、回折格子１０１Ｔで回折された回折光を、光の入射方向に向けて反射するコーナーキューブプリズム１０７を備える。また、コーナーキューブプリズム１０７で反射して往復する光路中に設けられ、偏光方向を変換する１／４波長板１０８を備える。

コーナーキューブプリズム１０７は、直角を３つ合成した頂点を持つ三角錐のプリズムで、直交した３面の内部の全反射によって、入射光が入射方向へ１８０°折り返され、反射光が必ず入射した光軸の方向に戻る機能を有する。

光学式変位測定装置１００Ａは、反射光学系１０６で回折格子１０１Ｔに再度照射されて回折格子１０１Ｔで回折され、照射受光光学系１０３で干渉させた干渉光を受光して干渉信号を生成する受光部１０９を備える。

次に、本発明が適用される光学式変位測定装置１００Ａの動作について説明する。光学式変位測定装置１００Ａは、可干渉光源１０２から出射された可干渉光Ｌａが、偏光ビームスプリッタ１０４で２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割される。偏光ビームスプリッタ１０４で反射した可干渉光Ｌａ１はＳ偏光、透過した可干渉光Ｌａ２はＰ偏光となる。偏光ビームスプリッタ１０４で分割された２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は、回折格子１０１Ｔに照射される。

回折格子１０１Ｔに照射された可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は回折され、回折格子１０１Ｔで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、１／４波長板１０８を通りコーナーキューブプリズム１０７に入射する。コーナーキューブプリズム１０７に入射した光は、入射方向へ反射され、反射光が入射した光軸の方向に戻って、１／４波長板１０８を通る。

コーナーキューブプリズム１０７で反射した１回回折光Ｌｂ１は、１／４波長板１０８を２回通ることで、Ｓ偏光がＰ偏光に変換される。また、コーナーキューブプリズム１０７で反射した１回回折光Ｌｂ２は、１／４波長板１０８を２回通ることで、Ｐ偏光がＳ偏光に変換される。

コーナーキューブプリズム１０７で反射した１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、回折格子１０１Ｔに再度照射される。回折格子１０１Ｔに照射された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は回折され、回折格子１０１Ｔで回折された２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ１０４に入射する。

偏光ビームスプリッタ１０４で反射したＳ偏光の可干渉光Ｌａ１は、Ｐ偏光となって戻ってくることで、２回回折光Ｌｃ１は偏光ビームスプリッタ１０４を透過する。一方、偏光ビームスプリッタ１０４を透過したＰ偏光の可干渉光Ｌａ２は、Ｓ偏光となって戻ってくることで、２回回折光Ｌｃ２は偏光ビームスプリッタ１０４で反射する。これにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が重ね合わされる。

偏光ビームスプリッタ１０４で重ね合わされた干渉光Ｌｄは、受光部１０９に入射され、干渉信号が生成される。

従来の光学式変位測定装置では、回折格子で回折された回折光を再度回折格子に照射する反射光学系が平面ミラーで構成され、また、光源から出射される可干渉光が平面ミラーの表面に焦点を結ぶように照射光学系が構成されていた。

光学式変位測定装置では、偏光ビームスプリッタで分割された光路を往路と帰路で同一として、回折格子で回折された回折光を偏光ビームスプリッタに戻し、干渉光を生成している。このため、反射光学系で平面ミラーを使用すると、平面ミラーの取り付け角度がずれると光が戻らず、取り付け位置が光軸に沿ってずれると焦点位置が変化してしまう。これにより、平面ミラーの取り付けに際しては、微妙な角度及び位置調整が必要となる。

これに対して、本発明が適用される光学式変位測定装置１００Ａでは、反射光学系１０６にコーナーキューブプリズム１０７を備えている。コーナーキューブプリズム１０７は、反射光を必ず入射した光軸の方向に戻すため、取り付け角度がずれても光が所定の方向に戻る。また、可干渉光源１０２から出射された光を集光しないことで、取り付け位置のずれによる焦点位置の変化が生じない。

このように、反射光学系にコーナーキューブプリズムを使用することで、組み立て調整と取り付け許容値の改善を図ることができる。

図２は、回折格子上の異物の影響を示す光路説明図である。反射光学系１０６にコーナーキューブプリズム１０７を備えた光学式変位測定装置１００Ａでは、コーナーキューブプリズム１０７に入射する入射光の光軸中心とコーナーキューブプリズム１０７の中心が合っている場合、同軸光路上に光が反射される。一方、入射光の光軸中心とコーナーキューブプリズム１０７の中心が合っていない場合でも、反射光は必ず入射した光軸の方向に戻る。但し、入射光と反射光では光軸が平行にずれる。

このため、回折格子１０１Ｔに付着した異物Ｄ等の影響は、回折格子１０１Ｔへの入射時に受ける光の照射領域のものと、コーナーキューブプリズム１０７で反射してから受ける光の照射領域のものがある。これにより、受光部１０９で検出される光量は、一概に異物等の大きさに対して約２倍の影響を受けることになり、回折格子１０１Ｔに異物が付着すると、取得できる光量が低下する。

そこで、本発明では、微小なコーナーキューブプリズムを配列したマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーを反射光学系に使用して、異物等の影響による光量低下を防ぐ。

＜第１の実施の形態の光学式変位測定装置の構成例＞
図３は、本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。第１の実施の形態の光学式変位測定装置１Ａは、工作機械等の可動部分に取り付けられ直線移動または回転するスケール部１１Ａを備える。スケール部１１Ａは、本例では透過型の回折格子１１Ｔと、回折格子１１Ｔを保護するガラス等の保護層１１Ｇ等を備える。

回折格子１１Ｔは、薄板状の素材に狭いスリットや溝等の格子が所定間隔毎に刻まれている。このような回折格子１１Ｔに入射された光は、表面に刻まれたスリット等により回折する。回折により生じる回折光は、光の入射角と格子の間隔と光の波長等で定まる方向に発生する。ここで、回折格子１１Ｔにおいて、図示しない格子が形成された方向に垂直な方向を格子ベクトル方向と呼ぶ。スケール部１１Ａは、可動部分の移動に伴って、回折格子１１Ｔの格子ベクトル方向に移動する。なお、本例では、格子が所定の間隔で平行に設けられた回折格子を用いているが、本発明では、このような格子が平行に設けられた回折格子を用いなくても良い。例えば、放射状に格子が設けられた回折格子を用いてもよい。このような放射状に格子が設けられた回折格子を用いることにより、所謂ロータリーエンコーダーとして、回転移動をする工作機械の可動部分等の位置検出を行うことができる。また、本発明では、明暗を記録した振幅型の回折格子、屈折率変化や形状変化を記録した位相型の回折格子を用いても良く、その回折格子のタイプは限られない。

光学式変位測定装置１Ａは、スケール部１１Ａに照射されるレーザ光等の可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２を備える。可干渉光源１２は発光部の一例で、例えば半導体レーザ（ＬＤ）で構成され、可干渉光Ｌａが光源固有の放射角で出射される。

光学式変位測定装置１Ａは、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２分してスケール部１１Ａに照射すると共に、スケール部１１Ａの回折格子１１Ｔで回折された回折光を干渉させる照射受光光学系１３Ａを備える。

照射受光光学系１３Ａは、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを、偏光成分が異なる２つの光に分割すると共に、回折格子１１Ｔで回折された偏光成分が異なる２つの回折光を重ね合わせる偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４を備える。また、照射受光光学系１３Ａは、可干渉光源１２から光源固有の放射角で出射された可干渉光を絞る光学素子としてのレンズ１５ａを備える。更に、照射受光光学系１３Ａは、偏光ビームスプリッタ１４で重ね合わされた干渉光Ｌｄを絞るレンズ１５ｂを備える。

偏光ビームスプリッタ１４は、可干渉光源１２から出射され、レンズ１５ａで絞られた可干渉光Ｌａが入射され、可干渉光源１２からの入射光がＰ成分とＳ成分に分割され、Ｓ偏光の光は反射され、Ｐ偏光の光は透過される。ここで、可干渉光源１２からの光が直線偏光であれば、偏光方向を４５°傾けて偏光ビームスプリッタ１４に入射させれば、分割される光の強度は等しくなる。偏光ビームスプリッタ１４へ戻ったＳ偏光の回折光は反射され、Ｐ偏光の回折光は透過されて、２つの回折光が重ね合わされる。

光学式変位測定装置１Ａは、照射受光光学系１３Ａでスケール部１１Ａに照射され、スケール部１１Ａの回折格子１１Ｔで回折された回折光を再度スケール部１１Ａに照射する反射光学系１６を備える。

反射光学系１６は、回折格子１１Ｔで回折された２つの回折光を、それぞれ光の入射方向に向けて反射するマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂを備える。また、一方のマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａで反射して往復する光路中に設けられ、偏光方向を変換する１／４波長板１８ａを備える。更に、他方のマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ｂで反射して往復する光路中に設けられ、偏光方向を変換する１／４波長板１８ｂを備える。なお、回折格子１１Ｔとして、放射状に格子が設けられた回折格子が用いられる構成では、円弧状に並ぶ格子に光が照射されるように、照射受光光学系１３Ａ及び反射光学系１６で光照射角度及び反射角度を円弧に沿って変えれば良い。

図４は、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーの一例を示す平面図である。マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂは、直角を３つ合成した頂点を持つ三角錐のプリズムで構成されるマイクロコーナーキューブプリズム１７ｐの集合体である。マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂは、入射される光のビーム領域Ｒに対して所定の割合で微小なマイクロコーナーキューブプリズム１７ｐが、縦横に並べて配列される。そして、各マイクロコーナーキューブプリズム１７ｐにおいて、直交した３面の内部の全反射によって、入射光が入射方向へ１８０°折り返され、反射光が必ず入射した光軸の方向に戻る機能を有する。

図３に戻り、１／４波長板１８ａは、光学軸を光の偏光方向に対して４５°傾けて配置され、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａで反射されてスケール部１１Ａに戻るＳ偏光の光がＰ偏光に変換される。

これにより、可干渉光源１２から出射され、偏光ビームスプリッタ１４で反射されたＳ偏光の光は、所定の光路を往復して回折格子１１Ｔで２回回折される。そして、１／４波長板１８ａを２回通過することでＰ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１４に戻り、偏光ビームスプリッタ１４を透過する。

同様に、１／４波長板１８ｂは、光学軸を光の偏光方向に対して４５°傾けて配置され、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ｂで反射されてスケール部１１Ａに戻るＰ偏光の光がＳ偏光に変換される。

これにより、可干渉光源１２から出射され、偏光ビームスプリッタ１４を透過したＰ偏光の光は、所定の光路を往復して回折格子１１Ｔで２回回折される。そして、１／４波長板１８ｂを２回通過することでＳ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１４に戻り、偏光ビームスプリッタ１４で反射する。

従って、可干渉光源１２から出射され、偏光ビームスプリッタ１４で分割されたＳ偏光の光とＰ偏光の光は、それぞれ所定の光路を通りスケール部１１Ａの回折格子１１Ｔで回折され、偏光ビームスプリッタ１４に戻って重ね合わされる。

光学式変位測定装置１Ａは、反射光学系１６でスケール部１１Ａに再度照射されて回折格子１１Ｔで回折され、照射受光光学系１３Ａで干渉させた干渉光を受光して干渉信号を生成する受光部１９を備える。

受光部１９は、偏光ビームスプリッタ１４で重ね合わされ、レンズ１５ｂで絞られた干渉光Ｌｄを分割するビームスプリッタ（ＢＳ）２０を備える。ビームスプリッタ２０は、所定の透過率（反射率）を有したハーフミラー等で構成され、偏光ビームスプリッタ１４で重ね合わされた光が２分割される。

受光部１９は、ビームスプリッタ２０で反射されて入射する光の偏光方向に対して４５°傾けられ、入射された光を偏光成分が異なる２つの光に分割する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２１と、偏光ビームスプリッタ２１で反射された光が入射する光電変換器（ＰＤ）２２ａと、偏光ビームスプリッタ２１を透過した光が入射する光電変換器（ＰＤ）２２ｂを備える。

受光部１９は、ビームスプリッタ２０を透過した光の偏光方向に対して光学軸が４５°傾けられ、入射した光の偏光状態を変換する１／４波長板２３を備える。受光部１９は、偏光ビームスプリッタ２１に対して４５°傾けられ、ビームスプリッタ２０を透過し１／４波長板２３で偏光状態が変換された光を偏光成分が異なる２つの光に分割する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２４を備える。受光部１９は、偏光ビームスプリッタ２４で反射された光が入射する光電変換器（ＰＤ）２５ａと、偏光ビームスプリッタ２４を透過した光が入射する光電変換器（ＰＤ）２５ｂを備える。

＜第１の実施の形態の光学式変位測定装置の動作例＞
次に、各図を参照して、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１Ａの動作の一例について説明する。

可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａは、レンズ１５ａによって適当なビームに絞られ、例えば平行光化されて偏光ビームスプリッタ１４に入射して、偏光ビームスプリッタ１４で２つの光に分割される。

偏光ビームスプリッタ１４で反射された可干渉光Ｌａ１はＳ偏光、透過した可干渉光Ｌａ２はＰ偏光となる。可干渉光源１２からの光が直線偏光の光であれば、偏光方向を４５°傾けて偏光ビームスプリッタ１４に入射させれば分割される光の強度は等しくなる。

偏光ビームスプリッタ１４で反射された可干渉光Ｌａ１は、スケール部１１Ａにおいて回折格子１１ＴのＰ点に入射する。また、偏光ビームスプリッタ１４を透過した可干渉光Ｌａ２は、スケール部１１Ａにおいて回折格子１１ＴのＱ点に入射する。

スケール部１１Ａの回折格子１１Ｔに入射した２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は、以下の（１）式で示される方向に回折される。

ｓｉｎθ₁＋ｓｉｎθ₂＝ｎ・λ／Λ・・・（１）
θ₁：入射角
θ₂：回折角
Λ：格子ピッチ
λ：光の波長
ｎ：回折次数

回折格子１１Ｔにおいて、Ｐ点への入射角をθ_1P、回折角をθ_2P、Ｑ点への入射角をθ_1Q、回折角をθ_2Qとすると、図３の例では、θ_1P＝θ_2P＝θ_1Q＝θ_2Qになるように構成している。なお、回折次数はＰ点及びＱ点で同次である。

回折格子１１ＴのＰ点で回折された１回回折光Ｌｂ１は、１／４波長板１８ａを通りマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａで反射され、１／４波長板１８ａを通り再び回折格子１１ＴのＰ点に戻って回折される。上述したように、１／４波長板１８ａの光学軸は光の偏光方向に対して４５°傾けてあるので、回折格子１１ＴのＰ点に戻った１回回折光Ｌｂ１はＰ偏光となっている。

同様に、回折格子１１ＴのＱ点で回折された１回回折光Ｌｂ２は、１／４波長板１８ｂを通りマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ｂで反射され、１／４波長板１８ｂを通り再び回折格子１１ＴのＱ点に戻って回折される。回折格子１１ＴのＱ点に戻った１回回折光Ｌｂ２はＳ偏光となっている。

回折格子１１ＴのＰ点及びＱ点で再び回折された２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ１４に戻る。回折格子１１ＴのＰ点で回折された２回回折光Ｌｃ１は、Ｐ偏光になっているので偏光ビームスプリッタ１４を透過する。また、回折格子１１ＴのＱ点で回折された２回回折光Ｌｃ２は、Ｓ偏光になっているので偏光ビームスプリッタ１４で反射する。

これにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ１４で重ね合わされる。偏光ビームスプリッタ１４で重ね合わされた干渉光Ｌｄは、レンズ１５ｂによって適当なビームに絞られ、ビームスプリッタ２０で２つに分割される。

ビームスプリッタ２０で反射したＳ偏光とＰ偏光の干渉光Ｌｄは、偏光方向に対して４５°傾けられた偏光ビームスプリッタ２１に入射する。偏光ビームスプリッタ２１で反射された光は光電変換器２２ａに入射し、透過した光は光電変換器２２ｂに入射する。

光電変換器２２ａ及び光電変換器２２ｂでは、以下の（２）式に示す干渉信号が得られる。

Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋δ）・・・（２）
Ｋ＝２π／Λ
ｘ：回折格子の移動量
δ：初期位相

これにより、光電変換器２２ａと光電変換器２２ｂでは、１８０°位相の異なる信号が得られる。

ビームスプリッタ２０を透過したＳ偏光とＰ偏光の干渉光Ｌｄは、光学軸が偏光方向に対して４５°傾いた１／４波長板２３を通過し互いに逆回りの円偏光となる。互いに逆回りの円偏光の光は重ね合わされて直線偏光の光になり、偏光ビームスプリッタ２４に入射し、反射した光は光電変換器２５ａに入射し、透過した光は光電変換器２５ｂに入射する。

この直線偏光の光の偏光方向は回折格子１１ＴがＸ方向にΛ／２だけ移動すると１回転する。従って、光電変換器２５ａ，２５ｂでは、（２）式と同様な干渉信号を得ることができる。

光電変換器２５ａ，２５ｂでは１８０°位相が異なっており、また、偏光ビームスプリッタ２４は偏光ビームスプリッタ２１に対して４５°傾けてあるため、光電変換器２５ａ，２５ｂで得られる信号は、光電変換器２２ａ，２２ｂで得られる信号に対して９０°位相が異なっている。

差動増幅器２６では、光電変換器２２ａ，２２ｂからの電気信号を差動増幅し干渉信号のＤＣ成分をキャンセルした信号を出力する、差動増幅器２７は同様に光電変換器２５ａ，２５ｂからの電気信号を差動増幅し干渉信号のＤＣ成分をキャンセルした信号を出力する。従って、差動増幅器２６と差動増幅器２７からＡ／Ｂ相信号を得ることができ、Ａ／Ｂ相信号をインクリメンタル信号発生器２８に入力している。

＜第１の実施の形態の光学式変位測定装置の作用効果例＞
第１の実施の形態の光学式変位測定装置１Ａでは、図３の垂線Ｌに対して対称な光学系になっているため、回折格子がＹ方向に移動しても位置計測の誤差を生じない。また、Ｐ点に入射する光路とＱ点に入射する光路の光路長を等しくすることにより、光源の波長変動の影響を受けなくなる。

第１の実施の形態の光学式変位測定装置１Ａでは、反射光学系１６にマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂを備えている。マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂは、反射光を必ず入射した光軸の方向に戻すため、取り付け角度がずれても光が所定の方向に戻る。また、可干渉光源１２から出射された光を集光しないことで、取り付け位置のずれによる焦点位置の変化が生じない。

このように、反射光学系１６にマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂを使用することで、微妙な角度調整が不要となり、反射光学系１６の組み立て調整が容易となる。また、スケール部１１Ａと受光部１９の取り付けにおいても、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂからの反射光は入射した光軸方向に戻ることにより、取り付け許容値が大きくなる。

図５は、スケール部上の異物の影響を示す光路説明図、図６は、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーと異物の大きさの関係を示す平面図である。マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂを構成するマイクロコーナーキューブプリズム１７ｐは、入射される光のビーム領域Ｒに対して所定の割合で微小で、付着が想定される異物Ｄ等の大きさに対して、同等程度の大きさである。

これにより、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂでは、個々のマイクロコーナーキューブプリズム１７ｐ毎に光が入射及び反射されることになる。このため、スケール部１１Ａ上に付着した異物Ｄ等の影響は、個々のマイクロコーナーキューブプリズム１７ｐ毎で済み、他の領域に影響を及ぼさないので、受光部１９で検出される光量の低下を防ぐことができる。従って、スケール部１１Ａ上に付着する異物、回折格子１１Ｔの部分的な不良、スケール部１１Ａを構成する保護層や基材等の気泡、異物混入等の異常に対して、影響を抑えることができる。

＜第１の実施の形態の光学式変位測定装置の変形例＞
図７は、第１の実施の形態の光学式変位測定装置の変形例を示す構成図である。なお、以下の説明で、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１Ａと同じ構成の要素については、同じ番号を付して説明する。

第１の実施の形態の変形例の光学式変位測定装置１Ｂは、ビーム内の波面状態を維持して光路長を均一にする波面調整光学素子として波面調整回折格子３０を備える。波面調整回折格子３０は、スケール部１１Ａと反射光学系１６の間に設置され、スケール部１１Ａの回折格子１１Ｔで回折され、反射光学系１６で反射して往復する１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を所定の方向に回折する。

波面調整回折格子３０は、本例では回折格子１１Ｔにおける回折方向と逆方向に回折光が発生するように構成され、光路Ｌ１（Ａ）と光路Ｌ１（Ｂ）及び光路Ｌ２（Ａ）と光路Ｌ２（Ｂ）を等しくしている。

図８は、第１の実施の形態の光学式変位測定装置の他の変形例を示す構成図である。なお、以下の説明で、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１Ａと同じ構成の要素については、同じ番号を付して説明する。

第１の実施の形態の他の変形例の光学式変位測定装置１Ｃは、ビーム内の波面状態を維持して光路長を均一にする波面調整光学素子として波面調整プリズム３１を備える。波面調整プリズム３１は、スケール部１１Ａと反射光学系１６の間に設置され、スケール部１１Ａの回折格子１１Ｔで回折され、反射光学系１６で反射して往復する１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路を所定の方向に曲げる。

波面調整プリズム３１は、本例では回折格子１１Ｔにおける回折方向と逆方向に光路を曲げるように構成され、光路Ｌ１（Ａ）と光路Ｌ１（Ｂ）及び光路Ｌ２（Ａ）と光路Ｌ２（Ｂ）を等しくしている。

＜第２の実施の形態の光学式変位測定装置の構成例＞
図９は、第２の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。なお、以下の説明で、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１Ａと同じ構成の要素については、同じ番号を付して説明する。

第２の実施の形態の光学式変位測定装置１Ｄは、工作機械等の可動部分に取り付けられ直線移動するスケール部１１Ｂを備える。スケール部１１Ｂは、本例では反射型の回折格子１１Ｒと、回折格子１１Ｒを保護するガラスや樹脂等の保護層１１Ｇと、ガラスや金属等で構成される回折格子１１Ｒの基材１１Ｈ等を備える。

光学式変位測定装置１Ｄは、スケール部１１Ｂに照射されるレーザ光等の可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２を備える。可干渉光源１２は、例えば半導体レーザ（ＬＤ）で構成され、可干渉光Ｌａが光源固有の放射角で出射される。例えば、半導体レーザの放射角は、水平方向が約８．５°、垂直方向が約３５°程度である。

光学式変位測定装置１Ｂは、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２分してスケール部１１Ｂに照射すると共に、スケール部１１Ｂの回折格子１１Ｒで回折された回折光を干渉させる照射受光光学系１３Ｂを備える。

照射受光光学系１３Ｂは、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを、偏光成分が異なる２つの光に分割すると共に、回折格子１１Ｒで回折された偏光成分が異なる２つの回折光を重ね合わせる偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４を備える。また、照射受光光学系１３Ｂは、可干渉光源１２から光源固有の放射角で出射された可干渉光を絞る光学素子としてのレンズ１５ｃを備える。なお、照射受光光学系１３Ｂは、偏光ビームスプリッタ１４で重ね合わされた干渉光Ｌｄを絞るレンズ１５ｂを備えても良い。レンズ１５ｃは、可干渉光源１２から光源固有の放射角で出射された可干渉光を、偏光ビームスプリッタ１４に入射可能で、かつビーム径が広がるような所定の放射角に絞る。

偏光ビームスプリッタ１４は、可干渉光源１２から出射され、レンズ１５ｃで絞られた直線偏光の可干渉光Ｌａが、偏光方向を４５°傾けて入射され、可干渉光源１２からの入射光がＰ成分とＳ成分に分割され、Ｓ偏光の光は反射され、Ｐ偏光の光は透過される。偏光ビームスプリッタ１４へ戻ったＳ偏光の回折光は反射され、Ｐ偏光の回折光は透過されて、２つの回折光が重ね合わされる。

光学式変位測定装置１Ｄは、照射受光光学系１３Ｂでスケール部１１Ｂに照射され、スケール部１１Ｂの回折格子１１Ｒで回折された回折光を再度スケール部１１Ｂに照射する反射光学系１６を備える。

反射光学系１６は、回折格子１１Ｒで回折された２つの回折光を、それぞれ光の入射方向に向けて反射するマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂを備える。また、一方のマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａで反射して往復する光路中に設けられ、偏光方向を変換する１／４波長板１８ａを備える。更に、他方のマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ｂで反射して往復する光路中に設けられ、偏光方向を変換する１／４波長板１８ｂを備える。

マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂは、レンズ１５ｃで絞られて所定の放射角を持ってビーム径が広がる１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が入射できる大きさを有する。マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂは、図４に示すように、入射される光のビーム領域Ｒに対して所定の割合で微小なマイクロコーナーキューブプリズム１７ｐが、縦横に並べて配列される。そして、各マイクロコーナーキューブプリズム１７ｐにおいて、直交した３面の内部の全反射によって、入射光が入射方向へ１８０°折り返され、反射光が必ず入射した光軸の方向に戻る機能を有する。これにより、所定の放射角を持ってビーム径が広がる１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が入射されると、反射光は同じ光路を戻るため集光される。

可干渉光源１２から出射され、偏光ビームスプリッタ１４で反射されたＳ偏光の光は、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａで反射することで、所定の光路を往復して回折格子１１Ｒで２回回折される。そして、光学軸を光の偏光方向に対して４５°傾けて配置された１／４波長板１８ａを２回通過することでＰ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１４に戻り、偏光ビームスプリッタ１４を透過する。

同様に、可干渉光源１２から出射され、偏光ビームスプリッタ１４を透過したＰ偏光の光は、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ｂで反射することで、所定の光路を往復して回折格子１１Ｒで２回回折される。そして、光学軸を光の偏光方向に対して４５°傾けて配置された１／４波長板１８ｂを２回通過することでＳ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１４に戻り、偏光ビームスプリッタ１４で反射する。

これにより、可干渉光源１２から出射され、偏光ビームスプリッタ１４で分割されたＳ偏光の光とＰ偏光の光は、それぞれ所定の光路を通りスケール部１１Ｂの回折格子１１Ｒで回折され、偏光ビームスプリッタ１４に戻って重ね合わされる。

光学式変位測定装置１Ｂは、反射光学系１６でスケール部１１Ｂに再度照射されて回折格子１１Ｒで回折され、照射受光光学系１３Ｂで干渉させた干渉光を受光して干渉信号を生成する受光部１９を備える。なお、受光部１９の構成は、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１Ａと同じでよい。

＜第２の実施の形態の光学式変位測定装置の動作例＞
次に、各図を参照して、第２の実施の形態の光学式変位測定装置１Ｄの動作の一例について説明する。

可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａは、レンズ１５ｃによって適当なビームに絞られ、所定の放射角で広がりながら偏光ビームスプリッタ１４に入射して、偏光ビームスプリッタ１４で２つの光に分割される。偏光ビームスプリッタ１４で反射された可干渉光Ｌａ１はＳ偏光、透過した可干渉光Ｌａ２はＰ偏光となって、スケール部１１Ｂの回折格子１１Ｒに入射する。

回折格子１１Ｒで回折された１回回折光Ｌｂ１は、１／４波長板１８ａを通りマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａで反射され、１／４波長板１８ａを通り再び回折格子１１Ｒに戻って回折される。１／４波長板１８ａを２回通ることで、回折格子１１Ｒに戻った１回回折光Ｌｂ１はＰ偏光となっている。また、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａは、反射光が必ず入射した光軸の方向に戻る機能を有する。これにより、所定の放射角を持ってビーム径が広がる１回回折光Ｌｂ１が入射されると、反射光は同じ光路を戻るため集光される。

同様に、回折格子１１Ｒで回折された１回回折光Ｌｂ２は、１／４波長板１８ｂを通りマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ｂで反射され、１／４波長板１８ｂを通り再び回折格子１１Ｒに戻って回折される。１／４波長板１８ｂを２回通ることで、回折格子１１Ｒに戻った１回回折光Ｌｂ２はＳ偏光となっている。また、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ｂは、反射光が必ず入射した光軸の方向に戻る機能を有する。これにより、所定の放射角を持ってビーム径が広がる１回回折光Ｌｂ２が入射されると、反射光は同じ光路を戻るため集光される。

回折格子１１Ｒで再び回折された２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ１４に戻る。回折格子１１Ｒで回折された２回回折光Ｌｃ１は、Ｐ偏光になっているので偏光ビームスプリッタ１４を透過する。また、回折格子１１Ｒで回折された２回回折光Ｌｃ２は、Ｓ偏光になっているので偏光ビームスプリッタ１４で反射する。

これにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ１４で重ね合わされる。偏光ビームスプリッタ１４で重ね合わされた干渉光Ｌｄは受光部１９に入射し、上述したように干渉信号が得られる。

＜第２の実施の形態の光学式変位測定装置の作用効果例＞
第２の実施の形態の光学式変位測定装置１Ｄでは、反射光学系１６にマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂを備えている。マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂでは、所定の放射角を持ってビーム径が広がる光が入射されると、反射光は同じ光路を戻るため集光される。

これにより、ビーム径を拡げた光（可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２）をスケール部１１Ｂに照射すると共に、マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー１７ａ，１７ｂによる戻り光（２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２）を集光して受光部１９に入射させることができる。

従って、簡単な光学系で、スケール部１１Ｂの回折格子１１Ｒに照射される光のビーム径を広げることができる。回折格子１１Ｒに照射される光のビーム径を広げることで、スケール部１１Ｂに付着した異物等の大きさに対して、光が照射される領域を広げることができ、スケール部１１Ｂに付着した異物等の影響をより一層少なくして、光量の低下を防ぐことができる。

本発明は、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置に適用される。

本発明が適用される光学式変位測定装置の原理を示す構成図である。回折格子上の異物の影響を示す光路説明図である。本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーの一例を示す平面図である。スケール部上の異物の影響を示す光路説明図である。マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーと異物の大きさの関係を示す平面図である。第１の実施の形態の光学式変位測定装置の変形例を示す構成図である。第１の実施の形態の光学式変位測定装置の他の変形例を示す構成図である。本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。従来の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。従来の光学式変位測定装置の課題を示す動作説明図である。従来の光学式変位測定装置の課題を示す動作説明図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ・・・光学式変位測定装置、１１Ａ，１１Ｂ・・・スケール部、１１Ｔ，１１Ｒ・・・回折格子、１２・・・可干渉光源、１３Ａ，１３Ｂ・・・照射受光光学系、１４・・・偏光ビームスプリッタ、１５ａ〜１５ｃ・・・レンズ、１６・・・反射光学系、１７ａ，１７ｂ・・・マイクロコーナーキューブプリズム集合ミラー、１７ｐ・・・マイクロコーナーキューブプリズム、１８ａ，１８ｂ・・・１／４波長板、１９・・・受光部

Claims

照射された光を回折する回折格子を有し、前記回折格子の格子ベクトル方向に相対移動するスケール部と、
可干渉光を出射する発光部と、
前記発光部により出射された可干渉光を２つの可干渉光に分割して、前記スケール部の前記回折格子に各可干渉光を照射し、２つの１回回折光を生じさせると共に、２つの１回回折光を前記回折格子により回折させて生じさせた２つの２回回折光を干渉させる照射受光光学系と、
２つの可干渉光を前記回折格子により回折させて生じさせた２つの１回回折光をそれぞれ反射して、前記回折格子に２つの１回回折光を照射する反射光学系と、
前記照射受光光学系により２つの２回回折光を干渉させた干渉光を受光して干渉信号を検出する受光部とを備え、
前記反射光学系は、直角を３つ合成した頂点を持つ三角錐のプリズムで構成されるコーナーキューブプリズムが、縦横に並べて配列されるマイクロコーナーキューブプリズム集合ミラーを有し、入射光を反射して前記入射光の光軸の方向に戻し、
前記照射受光光学系は、前記発光部から光源固有の放射角で出射された可干渉光を、ビーム径が広がる所定の放射角に絞って前記回折格子に照射する光学素子を備える
光学式変位測定装置。
前記回折格子は反射型である請求項１記載の光学式変位測定装置。
ビーム内の波面状態を維持して光路長を均一にする波面調整光学素子を備えた
請求項１又は２に記載の光学式変位測定装置。