JPH01161113A - 移動量測定方法及び移動量測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測長基準尺を回折格子とし、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ッチにより精度が決定され
、安定に記憶し得るピッチは、５〜１０μｍであシ、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夛、第４図においては、１は回折格
子、２はレーザー光等の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りは、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、回折格子のピッチをｐ１回折格子１
の微小変位をΔ！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を直線的に透過した光線Ｌ２には位相
情報は含まれていない。光線Ｌ１、及びＬ２は反射＠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−ｎｎ次回先光、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
ｎ次回先光は一２π・Δｘ＊ｎ／ｐの位相情報が含まれ
ておシ、従って、干渉光には２π・ΔＸ・２ｎ／ｐの位
相情報を含むことになシ、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の１周期分の移動によって干渉光の強度
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ッタ−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
対称的に配置しである。検出器５はビームスプリッタ−
６の反射側に設けである。従って、光源２を射出した光
線りはビームスプリッタ−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Ｌｉ　ｒ　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
なった光の＋ｎｎ次回先光、１回目の回折で−ｎ次とな
った光の−ｎｎ次回先光空間的に選択する。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の方向に向かっ
て進み、ビームスプリッタ−６で反射され検出器５に入
射することになる。従って、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４
ｂ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図は更に具体的な従来例を示し、回折格子１（８は
格子線）の片側に光源２．２個の検出器５　’　＋　５
　ｂ　％　１／　ンズ系９、偏向鏡１０ｍ　、　１０ｂ
　、偏光ビームスプリッタ−７を配置し、他側にダハプ
リズム１１，１２、位相差板１３．ｆ４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
光素子であシ、レンズ系９は光源２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１
０ｍ　、　１０ｂは偏向＊１０暴への入射光と偏向鏡１
０ｂ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ｍｂ及び左廻シの円偏光にする働きをしている。

従って、光源２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１０ＩＬによｐ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Ｌ１１
Ｌ２はダハプリズム１１゜１２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ｍｂ及び左ｍｂ
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
光ビームスプリッタ−Ｔに入射する。この偏光ビームス
プリッタ−７に入射した右廻シ及び左廻りの円偏光特性
を有する光線Ｌ１＋Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ−７
を透過及び反射する。透過光及び反射光はそれぞれ直線
偏光になシ、互いに干渉し合って検出器５ｍ、及び５ｂ
に入射することになる。

検出器５ｍ、及び５ｂは２つの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５ｍ　、　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、その立ち上がシと立ち下
がシのタイミングで同図（＠）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って回折格子１の移
動量を計測できる。また、そ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４ｂ周期の移動となシ、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Ｌｌ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
の面に垂直な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
いう問題があった。また、第５図、第６図に示すように
光線り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
出信号処理系にフィードバックする等の処理系が必要で
あシ、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
く影醤を及はすため、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夛、従って、検出
分解能も回折格子ピッチの数十分の一程度が限界であシ
、これ以上の検出分解能を得ることは困難である。を九
、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シ、回転角の検出分解能を
高めるためには格子ピッ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、ホトリソグラフィー、
電子ビームリソグラフィ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
することによっ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った。

したがって、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、高分解能であシ、シかも小型の移
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＃）２回回折して生じ九、これら周
波数が互いにわずかに異なる２波長の回折光同志を光ヘ
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を検出する
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な移動が可能な第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ってそれぞれ
生成され九第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
の物体の移動量に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、従って、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、
偏光ビームスグリツタ−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ッタ−により合成される
までの、２波長のレーザーによっ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って決
定され、その位相差の検出精度を高めることによって、
回折格子のピッチ、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、１ｍは第１の物体（図示せず）上に固
定、或は一体形成によって設けられた第１の回折格子、
１ｂは第２の物体（図示せず）上に固定、或は一体形成
によって設けられ第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、３ｍ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ
、３ｆは反射鏡、５ｍ　、　５ｂは検出器、Ｔは偏光ビ
ームスプリッタ−１８ｍ１８ｂは格子線、１５は２波長
直交偏光レーザー光源、１６ｍ　、　１６ｂは偏光板、
１７ｍ　、　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りは、２つの回折格子１ｍ
　、１ｂ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、偏光ビームスグ
リツタ−Ｔに入射する。

偏光ビームスプリッタ−７により、偏光方向が水平であ
るｐ偏光（周波数をｆｌ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３ｍ　、　３ｂ及び３ｃを介してレーザＸｉ　ｒ
　Ｌ２として、第１の回折格子１ａと第２の回折格子１
ｂ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１ｍ、１ｂによるレーザー光し００２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１ｍ　、　Ｈ＋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１
ｍ＋１ｂからの２波長の回折光が光学的に合成し、２つ
のレーザー光となって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
１ｍ、　１ｂ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±ｎｎ次回先光、反射鏡３ｍ＋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ッタ−７
に入射する。従って、ｐ偏光のレーザー光Ｌｌの回折光
は１／４波長板１Ｂを２度通過することによって偏光面
が９０度回転し、８偏光となって偏光ビームスプリッタ
−７に入射するため、偏光ビームスグリツタ−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
によって偏光面が９０度回転し、ｐ偏光となって偏光ビ
ームスプリッタ−７に入射するため、偏光ビームスプリ
ッタ−７を透過する。即ち、これら回折格子１ａ　、１
ｂにより２回回折されたレーザー光Ｌ１　＋　Ｌ２の透
過回折光は、偏光ビームスプリッタ−Ｔによって光学的
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２
０、反射鏡３ｅを介して取シ出し、その取シ出したレー
ザー光を集光レンズ１７Ｌで集光し、偏光板１６＆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。−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
取シ出し、その取シ出したレーザー光を集光レンズ１７
ｂ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。

従って、検出器５１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１ｍ、１ｂの格子ピッチをＰ１
周波数ｆ、、ｆｌのレーザー光の波長をそれぞれλｌ、
λ２とし、回折格子１ａに対する回折格子１ｂの格子ラ
インに垂直なピッチ方向（Ｘ方向）の移動量をΔＸとし
てｎ次回先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、す検出さ
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・Δｘ＊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−３ｉｎθｎ
２だけ短くなる。ここで、θｎｌ、θｎ２は、それぞれ
波長λ１．λ２のｎ次回折角であシ、 ｓｉｎθｎ１＝ｎ”λ１／Ｐ　　　　　　　　　　　　
　　　（１）ｓｉｎθｎ４：ｎｌｌλ２／Ｐ　　　　　
　　　　　　　　　　　（２）の関係がある。

従って、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・５ｉｆｉθｎｘ／λ１−（２π
・２・Δｘ＊５ｉｎｆ）　ｎ２／λ２）＝４π・Δｘ＠
ｓｉｎθｎ１／λ１＋４π・Δｘ＠５ｉＩｌθｎ２／λ
２）　　　（３）と寿シ、式（３）に（１）　、　（２
）式を代入すると、Δφ＝８π・ｎ・Δｘ／Ｐ ＝２π・Δｘ／　（Ｐ／　（４ｎ）　）　　　　　　　
　　　（４）となシ、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とは直線関係にあシ
、位相差Δφは回折格子１ｂの相対的移動量ΔＸに対し
、Ｐ／（４！ｌ）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、３ｍ、３
ｂ、３ｅ、３ｄ、３ｅ、３ｆ＋３ｇは反射鏡、１８ｍ　
、　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りは、２つの回折格子１ｍ
　、１ｂを均一に照射させるため、円筒レンズ１９によ
υそのビーム形状を楕円状に変えられ、偏光ビームスグ
リツタ−７に入射する。

ｉ光ビームスプリッタ−７により、偏光方向が水平であ
るｐ偏光（周波数をｆｌとする）と偏光方向が垂直であ
るＳ偏光（周波数をｆｌとする）に分離され、それぞれ
反射鏡３ａ　ｒ　３ｂｓ及び３ｃを□介してレーザー光
り、　、　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１ｍ、１ｂによ
り、レーザー光り、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１ｍ　、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１ｍ　、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１ｍ　、１ｂからの２つの透過回折光は、それぞ
れ１／４波長板１ｅａ　、　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３ｄ　、　３ｅで反射され、再び回
折格子１ａ、Ｉｂに、その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　、Ｉｂ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
リッタ−Ｔに入射する。従って、ｐ偏光のレーザー光Ｌ
１の透過回折光は、１／４波長板１８ｂを２度通過する
ことによって偏光面が９０度回転し、Ｌ偏光と々って偏
光ビームスプリッタ−７に入射するため、偏光ビームス
プリッタ−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
１８８を２度通過することによって偏光面が９０度回転
し、ｐ偏光となって偏光ビームスプリッタ−７に入射す
るため、側内ビームスプリッタ−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
ザー光り、ＩＬ２の４つの透過回折光は、偏光ビームス
プリッタ−Ｔによって光学的に合成される。回折格子１
ａ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、その取シ出したレーザー光を集
光レンズ１７ａで集光し、偏光板１６ｍ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。−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を介して取シ出し、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。

従って、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
の移動量ノＸを計測できる。ｎ次回先光の光ヘテロダイ
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ｊｘとの関係は、第１実施例と同様
に上記式（４）で表される。

第３図（１）は位相差信号Δφの具体例を示した図であ
）、位相差信号Δφは回折格子１ｂの移動量Δｘ−−ｐ
／（ｓｎ）　〜＋ｐ／（ｓｎ）に対して−π（−１８０
度）〜十π（＋１８０度）の範囲で直線性を示し、これ
を周期Ｐ／（４ｎ）で繰シ返す。同図（ａ）の位相差信
号に対して、例えば位相差が＋１８０度から一１８０度
に、或は逆に一１８０度から＋１８０度に切シ代わるタ
イミングで同図（ｂ）に示すようにパルスを発生させ、
その数を計数することによって回折格子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なシ
、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
であシ、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って容易に
位相差検出分解能、１度程度を達成できる。従って、同
図（ｅ）に示すように、例えば、分割数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
ピッチ、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、格子ピッ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。

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１
５を用いたが、２波長の単色光としてブラッグセルなど
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せることにより、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ァイバー等の光ファイ
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７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１ｍ、１ｂへの入射光の方向、及び回折
格子１ｍ、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だが、回折格子
１ｍ、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千面に含まれ
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１ｍ、１ｂとしては、
吸収型回折格子、位相型回折格子のいずれを用いてもよ
く、またバイナリ−回折格子に限ら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、透過型の他に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
長のレーザー光りを予め偏光ビームスプリッタ−７によ
り分離させ、それぞれ２つの回折格子１ｍ、ｌｂ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からのレーザー光りを直接、２つの回折格
子１ｍ　、１ｂ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のレーザー光のみを、例えば
偏光ビームスプリッタ−Ｔ１偏光板１６＆　、　１６ｂ
等でそれぞれ取υ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回の回折によって生じる各回
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回折格子の移動量（
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っても、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、従って、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シ、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ット
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、或は光学素子の微
小振動等の外乱の影響がキャンセルされ、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、或は回折格子のピッ
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、及びその測定装
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ャ
ート図、第４図、＄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）〜（
・）は第６図の測定方法から得られる信号のタイムチャ
ート図である。 １．１ａｌｂ・・−・回折格子、２・・・・光源、３，
３８〜３ｇ、４・・・・反射鏡、５．５ｍ、５ｂ・・・
・検出器、６−・・・ビームスプリッタ−１７・・・・
偏光ビームスプリッタ−１８，８ｍ、８ｂ・・・・格子
線、９・・・・レンズ系、１０ｍ、１０ｂ・・・・偏Ｕ
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、１１３ｍ　、　１６ｂ・・・・偏光板、１７ｍ　
、　１７ｂ・・―・集光レンズ、１８ｍ。 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。 特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人　山川政樹（ｔ’ｉか１名） 第１図 第３図 上 Ｎ・４ｎ 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回折格子を測長基準尺として用い、該回折格子に
   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、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、前記２波
   長の単色光を入射させ、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、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
   の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
   の位相差を検出することによつて、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。
2. （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
   対的な移動が可能な第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
   、及び第２のビート信号とから位相差信号を算出処理し
   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の物体の移動量に換算す
   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。