JPH032520A - 位置検出器 - 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】 ［発明の利用分野］ 本発明は、回折格子を用いた位置検出器に関する。

［発明の背景］ 従来、ミクロン・ツー１〜ル（ｐ、　ｍ　）単位の直線
変位量を計測する手段として、２枚の透過型回折格子を
重ね合わせたいわゆるモアＩノ・スケールか広く用いら
れられている。このような技術を開示する公知例として
は、例えばジャーナル　オツフィジノクス　イ一二サイ
エンティフィック　インスツルメン１へ　１９７２第５
巻第１９３頁（、Ｉｏｕｒｎａ１、　　ｏｆｐｈｙｓ］
ｃｓ　　Ｅ　　：　　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　　丁ｒ＋
ｓ１．ｒｕｍＣｎｔ１９７２　　Ｖｏｌ、５．ｐ１９３
）がある。その−・例を第」図に示す。光源］からの光
はコリメータレンズ２によって平行光とされ、周期８１
ｔ　ｍ程度の格子溝が形成されている主スケール；３を
照射する。

この主スケール３と同一周期の格子溝を有するインテッ
クス・スケール４が主スケール；３に向い合うように配
置されていて、両スケール格子溝の幾何的関係に応して
前記照射光は通過したり、遮蔽されたりする。透過した
光は集光レンズ５により集光され、光電変換素子６に入
射してその光強度に応した電気信号に変換される。格子
溝周期が８μｍ程度のスケールを用いた場合、主スケー
ル３の移動に伴なって８μｍを一周期とした正弦状の信
号となり、この信号の山数を計数することにより主スケ
ールの移動量を計測することができる。

第２図は前記透過型スケール３の代わりに反射型回折格
子を用いる場合の一例である。光源１からの光はコリメ
ータレンズ２によって平行光とされ、反射型スケール７
に対し斜めに入射する。その結果、反射型スゲ−ルアの
格子溝の反射部分にあたった光は反射されるが、透過部
にあたった光は透過するか、または吸収されてしまうた
め、反射光束の断面は明暗の縞状となっている。そして
、この縞は反射スケール７の移動と共に移動する。

この縞状反射光は集光レンズ５と反射鏡８の組み合わせ
により再び来た光路を逆もどりする。この逆もどりした
縞状反射光は反射スケール７の移動と共に移動するが、
反射鏡８によりその移動方向は反転している。この光は
再度反射スケール７の反射溝部分で反射され、レンズ２
、ハーフミラ−９を介して光電素子６に入射する。光電
素子６に入射する光強度は反射スケール７の移動と共に
正弦状の明暗となるが、」二記したように反射鏡８で反
射されて逆もどりする光は反射スケール７と反対方向に
移動するため、その周期は格子溝ピッチの］／２となる
。すなわち、変位感度は第１図のものに比Ａ：２倍にな
る。

」二記した２種類のモアレ・スケールでは、格子溝スケ
ールを単に明暗のスリ２１〜列としてしか用いておらず
、格子の回折現象を利用しているわけではない。そのた
め光源１どして簡単な白色光を用いることができる反面
、変位感度を向Ｊ−すへくスケールの格子ピントを小さ
くすると逆に光の回折現象が無視できなくなり、たかだ
か５μｍ程度までしか格子ピンチを小さくできない欠点
がある。

上記の型式のモアレ・スケールと異なり、格子溝スケー
ルの回折光の干渉を利用したものが考えられている。例
えば、オプティックス　アンドスペク］−ロスコピ第１
３巻第２９５頁（０ｐｔｉｃｓ＆　５ｐｅｃｔｒｏｓｃ
ｏｐｙＶｏ１．１３　、　　ｐ　２９５　）に記載され
ている。第３図は、その例を示すものである。

単色の点光源］からの光はコリメータ・レンズ２により
平行光とされた後にビームスプリッタ１］に斜めに入射
し、その分割面において透過する光ａと反射する光すの
２つに分割される。それぞれの光は反射型回折格子１ｏ
に斜めに入射し、回折される。反射回折光の方向は、回
折格子１０の格子定数ｄ、入射角および入射波長λによ
って決定され、それらを適当に選ぶと入射した方向へ回
折させることが可能である。この場合回折光は負の次数
を持つものとなる。

さて回折して入射光の光路を逆にたどった２つの光ａ、
ｂ′はそれぞれ再びビームスプリッタ１ｊにより２分割
される。ビームスプリッタＩＩを透過したａ′とｂ′の
光はレンズ２、ハーフミラ−９を介して光電素子６に入
射する。この２つの光は可干渉であるため干渉し、光強
度に明暗を生しる。回折格子１０の格子溝］／２本分の
ｈ’ｔｉ　雑ｄ／２だけ変位すると電気信号は一周期の
正弦波を生ずる。この型式のものでは回折現象を利用し
ているため、光源としては可干渉なものであることが必
要であるが、格子定数を小さくすることができ、高感度
な位置検出器を得ることが可能である。

しかし、第３図の形式のものを実施する上で次のような
欠点がある。すなわち、（］）作動距離（物がぶつから
ない空間のきよりで、回折格子１０とビームスプリツタ
１コ間の距離をいう）を比較的大きくとりたい場合（例
えば、１０ｍｍ程度）には必然的に回折格子上に照射さ
れる２光京間の距離りが大きくなり、一定の移動距離を
検出するにはそれだけ長い回折格子が必要となること。

（２）光源からの入射光をビームスプリッタにより分割
しており、その透過光はビームスプリッタの傾き角に影
響されないが、反射光はその傾き角に依存するため、回
折格子１０からの反射回折光が良く干渉するようビーム
スプリッタ」１と光源１、レンズ２等の光学軸を厳密に
アライメン１−する必要があり、逆にこの回折格子１０
が移動した場合には光学系が狂いやすいこと。そして、
（３）お互いに干渉させる光が回折格子］０の異なった
２つの部分によって回折された光どうしであるため、良
好な干渉性を得るためには特に均一な格子溝性能を有す
る回折格子が必要となり、また格子」二のゴミやキズの
影響を受けやすいこと、等。

さらにまた、光源として良く知られているガスレーザを
用いると回折格子への入射角度が変動する等の問題もあ
った。

［発明の目的］ 本発明は、上述した従来の欠点を解消した位置検出器を
提供するものである。

［発明の実施例］ 最初に、本発明の基本原理を第４図により詳しく説明す
る。

単色の点光源Ｊからの光はコリメータ・レンズ２により
平行光とされ、反射型回折格子１０の格子溝平面に垂直
に入射させる。そうすると、入射波長と格子定数ｄから
定まる方向にＲ１，Ｒ２のそれぞれ正負次数の回折光が
反射される。この場合、多数の次数の回折光が存在する
が、ここではただ−組の同一次数の光に注目する。さて
１回折光Ｒ１，，Ｒ２はお互いに平行な反射面Ｍｌ、Ｍ
２によって反射された後にビームスプリッタ１１に入射
し、透過する回折光Ｒ土と反射される回折光Ｒ２は同一
方向に進行して干渉し合い、光電素子６に入射する。そ
の干渉は回折格子］Ｏ上の折点とビームスプリッタ１１
によって再び合成されるまでの光路長の差によって生じ
、回折格子］−〇を移動させるｄ／２　（ｄは格子定数
）を周期として正弦状の信号が得られる。

以上説明したように１本発明では回折格子に垂直入射し
た光のそれぞれ正負同次数の光どうしを干渉させること
に特徴があり、その結果、」二連した従来の欠点を解消
することが可能となる。すなわち、回折現象を利用して
いるため格子定数ｄを極めて小さく、たとえばｄ二０．
８７ｊ　ｍ位のものも用いることができ、それだけ高感
度な位置検出が可能である。また回折格子に垂直入射さ
せるこから光学系のアライメントが容易であり、さらに
直交格子溝を形成しである回折格子を用いることにより
、ＸＹ二次元の位置検出が可能となる。これについては
詳しく後述する。第４図では本発明の原理的構成を反射
型回折格子の例で説明しているが、これを透過型回折格
子とすることも当然可能である。

第５図は、本発明の一実施例を説明する図である。光源
１３は波長８３０ｎｍのレーザ・ダイオ−１〜を用い、
その光はコリメータレンズ２によって平行ビームされて
反射型回折格子］０に垂直に入射する。格子定数ｄを１
．６μｍの場合、正負それぞれの一次回折光は約４０°
の角度で反射回折し、ポリプリズムＲ１，Ｒ２に入射す
る。両回折光はそれぞれのポリプリズムによりもと来た
方向に対射され、再び回折格子上の１点Ｘ２に入射して
再び回折される。ここでそれぞれの光路内にはお互いに
直交した偏光軸をもつ偏光板Ｐ１゜Ｒ２が設けられてい
るため、前記Ｘ２点でのＯ次回折光はさえぎられる一方
、回折格子１０に垂直な方向に回折する両回折光はお互
いに直交した偏光面を有したままビームスプリッタ１Ｊ
に入射する。このビームスプリッタを透過した両直線偏
光は、それぞれの偏光面とさらに４５°の角度の偏光面
を有する偏光板Ｐ３を通過してお互いに可干渉な光とな
り、受光素子Ｄ１に入射する。他方、ビームスプリッタ
１１を反射した両直線偏光は偏光板Ｐ３からさらに９０
’回転した偏光面を有する偏光板Ｐ４を通過して受光素
子Ｄ２に入射する。

それぞれの受光素子Ｄｉ、Ｄ２から得られる（３号Ｓｌ
、Ｓ２は、たとえし第６図ａに示すように、回折格子の
移動量ｄ／４　（＝０．４μｍ）を周期とし、位相がお
互いに９０°ずれている正弦状の信号である。この正弦
信号の振幅中心のレヘルＩＴに対する信号の大小を比較
し、第６図すに示すごとく信号をデジタル化した後、そ
の信号の３′ｌ上がりおよび立下がりで第６図Ｃの如き
パルス信号を発生させる。これらの信号処理は既知の方
θ、で行うことができる。

以にの処理によりパルスは回折格子の移動量ｄ／　１６
　（＝Ｏ，１μｍ）ごとに発生することになり、これを
計数することにより移動量を知ることができる。本実施
例ではポリプリズム１を用いて２度回折させているが、
これは回折格子１０の移動により回折格子にわずかな傾
き等を生じても。

２つの回折光の進行方向を常に一致させ、良好な干渉を
得るためである。また２度回折させるため感度は、第４
図のものに比へ２倍となっている。

この感度に対しては回折光としてさらに多数法どうしを
干渉させることにより、高感度とすることが可能である
。またポリプリズムの代わりにキューブ・コーナ等を用
いても同し効果が得られるのは明らかである。

第７図は、本発明により二次元の位置検出を行う場合の
実施例を示す図である。回折格子１０′としてはＸ、Ｙ
方向に直角に溝が形成されているもの（直角格子）を用
い、第５図と同様、回折格子］０′に垂直にレーザビー
ムを入射する。その結果、それぞれ格子溝と直角を４つ
の方向に光は反射回折され、ポリプロリス７１丁％　Ｘ
　＋　ｌ　Ｒｘ　−＋　Ｒｙ　＋　。

Ｒｙ−に入射、反射される。ポリプリズムＲつやとＲｙ
−で反射された光は回折格子Ｉ−の１点Ｘ２に集まり、
再び垂直に回折される。他方Ｙ軸方向の光は点Ｙ２で一
致する。

このような光学系により、それぞれＸ・１「１１１．Ｙ
軸方向の回折格子の移動をそれぞれ独立した回折光の干
渉として得ることかでき、二次元の位置検出をすること
ができる。な才ダ、１図中、２′、３１′１３’、Ｓ、
、Ｄ、’、Ｓ、′、１つ２’１Ｐ３Ｐ４′はそれぞれ第
５図に示した２、１１，１３゜Ｓ、、Ｄ、、Ｓ２．Ｄ２
．ＰＪ、Ｐ、と同様のものを示し、またＰＸ＋１ＰＸ−
はＸ方向に配置した偏光板、Ｐｙ＋＋Ｐｙ−はＹ方向に
配置した偏光板を示す。

次に光源に半導体レーザを用いた時の実施例の効果を示
す。

もしＴ−（ｅ−Ｎｅガス１ノーザなどを光源として平行
ビームを回折格子１０に入射させた場合、レーザビーム
の出射方向が時間的に数μｒａｄ〜数］○μｒａｄゆら
ぐと云う現象を生ずる。第８図において、当初回折格子
１ｏに垂直に入射していたレーザビーム（この場合の光
路を実線とする。）が点線のように八〇だけ傾むいて入
射したとすると、コーナキューブＣ１，Ｃ２で折り返さ
れて再び回折格子に入射する位置は点Ａから点Ｂに移動
する。そうすると、＋コ次回折光の光路長は当初の実線
の場合からΔＬだけのび、逆に一１次回折光の光路長は
△Ｌだけ短かくなることになる。ここでΔ■、は近似的
に（１）式で与えられる。

ただし、ΔβはＣ１に向う実線で示した一次回折光と点
線で示したＣ］に向う一次回折光とのなす角、点Ｐは、
Ｃ１からＢへ向う点線とＡからその線へ下した垂線との
交点である。

ΔＬ＝　２　Ｔ−−ｔａｎβ×△β ｓｊ−ｎβ＝□ 例えばＬ＝＝２５ｍｍ、β＝３６°、ｍ＝１．λ＝８４
、０　ｎ　ｍ　、　’ｄ　＝　１．　、４−４　μｍ　
、　　八〇＝１．．４１Ｊｐ　ｒａｄ　とした場合、　
（２）式よりΔＬ＝０．４．４μｍとなる。

＋１次回折光の光路長が０．４４μＩｎのび、逆に一１
次回折光の光路長は０．４４μｍちぢむことになるので
、結局干渉光路長としては０．８８μｍだけ変化するこ
とになる。波長λの光路変化に検出され、検出誤差の原
因となる。この誤差の大きさは、本検出器で対象とする
検出精度と比べて無視できない量であり、ガスレーザを
光源とした場合の最大の欠点となる。

これに対して、半導体レーザの場合には、ガスレーザの
ように外部反射鏡を使用していないため、レーザ出射方
向のゆらぎは生ぜず、上記の検出誤差は生しない。

このように１本検出器の光源として半導体レーザを用い
た場合には格別の効果がある。

［発明の効果］ 以−にの説明より明らかなように、本発明によれば、移
動格子から１０ｍｍ程度離れていながら０１−μｍ単位
の位置検出が可能であり、焦点合わせの必要もない。ま
た二次元の位置検出も容易であるので、Ｘ、　Ｙ移動台
等と組合わせ、座標検出を行う測定器や、精密位置決め
が必要な各種製造機械に応用できるなど、種々なる利点
を有し、実用に供してその効果は大きい。

また光源に半導体レーザを用いる低電圧でしかも固体化
がはかれる超小形で安価な高精度位置検出器を提供する
ことができる。なお、本発明は」二記実施例で用いた具
体的数値等に限定されるものではなく、適宜設定可能で
あることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、それぞれ従来の位置検出器を示す
図、第４図は、本発明の基本的原理を説明する図、第５
図は、本発明の一実施例を示す図、第６図は、その信号
処理の一例を示す信号波形図、および第７図は、本発明
により二次元の位置検出を示す図、第８図は、光源とし
て半導体レーザとガスレーザとのちがいによる検出々器
の誤差を説明する図である。 図中、１・　点光源、２　・コリメート・レンズ、６・
・・光電素子、１０　　・回折格子、１１・・ビームス
プリッタ。 第　　１ 図 嘉　３ 図 筋４図 罰　Ｚ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザと該半導体レーザからのレーザビーム
   を回折する回折格子と該回折格子から回折された正負同
   次数の回折光同志を干渉させる干渉手段と、該干渉手段
   による干渉光を受光する受光手段からなることを特徴と
   する位置検出器。 ２、半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザビー
   ムを第１と第２の回折を得る回折格子と、該回折格子で
   回折した回折光のうち正負同次数の回折光を再度回折格
   子に入射させる光再入射手段と、第１の回折による回折
   光が上記光再入射手段を経て正負同次数の回折光を該回
   折格子で第２の回折をし、該第２の回折のうち正負同次
   数の回折光同志が干渉し該干渉による干渉光を受光する
   受光手段からなることを特徴とする位置検出器。