JPS58191907A - 移動量測定方法 - 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
せて得られた光強度により、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移動量測定方法に関
するものである。

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、Ｉｉｍ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Φ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、現在の丁二業水準
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求める磁気
スケ−ルも知られている。しかし、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５ＩＬｍ−１０ｇｍ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に付設
することが要求され、このための規準として数ｇｍ程度
のビー２千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、電子ビームリングラフィ等
を用いて極細の格子線２が密集して並列するように造ら
れている。

従来、この種の装置は一般にｔｓ２図又は第３図に示す
ように構成されており、第２図においては、３はレーザ
ー光等の単色光を発光する光源。

ｌは回折格子、４．５は回折格子ｌを挟んで光源３と反
対側に置かれた反射鏡、６は干渉光を読み光源３から射
出された光線りは回折格子ｌで回折及び透過が行われる
０回折格子ｌで回折された光線Ｌｌは回折光中のＮ次の
回折光であり、回折格子ｌの位相δの影響で次数と位相
の積であるＮδが波面に記録されているが、回折格子ｌ
を直線的に透過した光ＭＩＬ２には１位相情報は含まれ
ていない。光線Ｌｌ及びＬ２は反射鏡４．５でそれぞれ
反射され、往路を逆行し再び回折格子ｌ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
次の回折光は、空間的に選択され干渉されて検出器５に
入射され、このとき光線Ｌ２の−Ｎ次回折光には、回折
格子２の位相の逆符号の−Ｎδが記録されており、光線
Ｌｌの透過光は先に記録された位相Ｎδのみが記録され
ており、干渉光は回折格子ｌの位相の２倍量の２Ｎδを
表現することになる。従って、回折格子１とその他の光
源３、反射鏡４．５等の光学系とが相対的に動くものと
すれば、回折格子ｌの１周期分の移動によって干渉光は
２Ｎ周期分の移動となる。

また第３図の装置は、光源３を射出した光線が回折格子
ｌで回折し、符号の興なる同次数の光を半透鏡７等を用
いて重ね合わせて干渉させ、検出器６に入射させるもの
である。このときに光線Ｌｌ及び光線Ｌ２のそれぞれに
記録されている回折格子１の位相δは、回折次数をＮと
してそれぞれＮδ及び−Ｎδであり、干渉光は回折格子
１の位相の２倍量の２Ｎδを表すことになる。従って、
第２図の場合と同様に、回折格子１とモの他の光学系が
相対的に動くものとすれば１回折格子１の１周期分の移
動によって干渉光は２ＮＪｉ１期の移動を行うことにな
る。

第２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。しかしこの場合
、光学系と回折格子１との相対位置が回折格子ｌの格子
線２の配列方向、即ちＸ方向に移動すると１回折格子１
の面に直交するＹ方向に移動した場合と同様な位相変化
を示し測定精度が悪くなる。また、第３図のように光線
りを垂直入射させると上述の欠点は生じないが、光学系
が大きくなり場所を広くとらなければならない問題点が
ある。

本発明の目的は、上述の欠点を除去し、回折格子を用い
ると共に、測定感度を従来のものよりも高感度とする移
動量測定方法を提供することにあり、その要旨は、回折
格子を測長基準尺として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、回折格子により符号の異なる同時の回折
光を形成し、それぞれの回折光を往路を逆行させるよう
な２つの反射鏡を用い、それぞれの回折光を再び前記回
折格子に入射させて更に符号の異なる同次の回折光を得
て、これら２つの回折光同志を干渉させ回折格子の移動
距離を測定することを特徴とする方法である。

次に本発明の方法を第４図以下に図示の実施例に基づい
て詳細に説明する。なお、第２図、第３図と同一の符号
は同一の部材を示すものとする。

第４図の実施例において、光源３と透過型の回折格子１
との間にビームスプリッタ８を配置し、２個の反射鏡４
．５を回折格子１の下側に回折格子ｌに対し同角度で対
称的に配置する。また、ビームスプリッタ８の反射側に
は検出器６を設ける。

従って、光源３を射出した光線りはビームスプリッタ８
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で符号の異なる同次数の回折
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４．５に入射し、これらの反射鏡４．
５で逆行するように反射する。即ち、回折格子ｌの位相
δが＋Ｎδと−Ｎδという形で記録された波面を有する
２本の光線Ｌ１、Ｌ２が往路を逆行するように反射する
ことになる。この光源Ｌ１、Ｌ２を反射させる反射鏡４
．５としては、ダハプリズムやコーナーキューブプリズ
ムの使用が好適である。なお、ダハプリズムやコーナー
キューブプリズムは入射方向に光を反射させる働きがあ
り、発光ダイオードや半導体レーザーの波長変化に起因
する回折角の変動が生じても測長誤差は生じない。そし
て、再び回折格子ｌに入射回折した光のうち、１回目の
回折で＋Ｎ次となった光の十Ｎ次回折光と、１回目の回
折で−Ｎ次光となった一Ｎ次回折光を空間的に選択する
。かくすることにより、これらの２つの光線Ｌｌ、　Ｌ
２の進行方向は一致し、互いに干渉し合いながら光源３
の方向に向かって進み、ビームスプリンタ８で反射され
検出器６に入射することになる。従って、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６
に入射する干渉光は４Ｎ周期の移動となり、前述した従
来例の２倍の感度で移動距離を観察し得る。また、回折
路／−１と他の光学部材との相対移動が、回折格子１の
格子線２の配列方向であるＸ方向に移動しても測定精度
に影響することがなく、更には光線を往復させて用いる
ために光学系の占めるスペースを小さくすることができ
る。

第５図は回折格子１への入射位置Ａと反射鏡４．５によ
って反射される位置Ｂとを格子線２の線方向である２方
向で異なる場所に反射させるようにしたものであり、第
４図に示すビームスプリッタ８は不要となる。また格子
線２の線幅誤差、即ちピッチむら等は、干渉光のＳ／Ｎ
比に影響を及ぼすが、より広い面積を有効に用いること
によりＳ／Ｎ比の変動を小さく抑えることが可能となる
。この際、回折格子ｌへの光源３からの入射光線と、検
出器６への回折光線のＸＹ平面内への斜影が、回折格子
ｌと垂直になっているならば、回折格子ｌの他の光学系
に対するＹ、Ｚ方向の移動に伴なう誤差が生ずることは
ない。更に、測定に直接必要のない回折格子１の面上で
の反射光線は検出器６に入射しないので、これを除去す
る光学系等が不要となる。

第６図は更に具体的な実施例を示し、回折格子１の片側
に光源３．２個の検出器６ａ、６ｂ、　レンズ系９、偏
向鏡１０ａ、ｆｏｂ、偏光ビームスプリッタ８を配置し
、他側にダハプリズム１１．１２、位相差板１３．１４
を配置する。光源３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３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度に設定する。また、位相差板１
３．１４は光源３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。

従って、光源３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により回折格子ｌの点Ａに
入射する。そして、回折格子１により回折され、光線Ｌ
１．　Ｌ２としてそれぞれ位相差４１ｙ１３．１４を経
由しダハプリズム１１．１２に入射する。光線Ｌ１、Ｌ
２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により右廻り及び左廻りの
円偏光にされ、回折格子ｌ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８に入射する。この偏光ビームスプリ
ッタ８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
リッタ８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６ａ及
び６ｂに入射することになる。

検出器６ａ及び６ｂ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ｌが移動した場合の
検出器６ａ、６ｂの出力Ｒ，Ｓは、第７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（ｃ）　、　（ｄ）に
示すように二値化し、そのケ」ニリと立下りのタイミン
グで（ｅ）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ｌ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Ａｌ１％すると１６
個のパルスを得ることになる。

第８図はその（ａ）　、　（ｂ）に示す２つの信号Ｒ１
Ｓを、更に（ｃ）　、　（ｄ）に示すように加算及び減
算Ｒ−３を作成し、（ｅ）〜（ｈ）に示すように二値化
して、回折格子ｌの１周期の移動によって（ｉ）に示す
ような３２個のパルスを発生するようにした場合の例を
示している。また、これらの信号を確実に処理するため
には、光量の変動及び回折効率の変動等を考慮する必要
があるため、本実施例では第６図に示すように、一方の
ダハプリズム１２の頂点から回折光を取り出し、その光
量をライトガイド１５を介して検出器１６で検出し信号
処理に利用している。

第９図、第１０図は、前記第４図〜第６図の実施例の±
Ｎ次の回折光の透過を応用する測長方法に対して、回折
格子ｌを反射型格子にした場合である。回折格子１を反
射型にした場合は、光学系の占めるスペースを小さくす
ることが可能となり、調整時に各部材が回折格子１に対
して一方向に配置されるために取り扱いが容易となる。

以上説明したように本発明に係る移動量測定刃７ノ、は
１回折格子で回折した光を干渉させて、その干渉光から
回折格子の相対的な移動距離を計測する場合において、
符号の異なる同次の回折光を、反射鏡を用いて回折格子
に向けて反射させ、再び得られた同次の回折光同志を干
渉させるように回折格子を２回経由させるので、従来の
干渉測定方法に比較して測定感度が高く、スペースもと
らない利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は回折格子の平面図、第２図、第３図は従来装置
の構成図、第４図以下は本発明に係る移動量測定方法の
実施例を示し、第４図、第５図、第６図は各実施例の構
成図、第７図、第８図は第６図の実施例から得られる信
号のタイムチャート図、第９図、第１０図はそれぞれ他
の実施例の構成図である。 符号１は回折格子、２は格子線、３は光源、４．５は反
射鏡、６．６ａ、６ｂは検出器、７は半透鏡、８はビー
ムスプリッタ、１０ａ、ｉｏｂは偏向鏡、１１．１２は
ダハプリズム、１３．１４は位相差板である。 ２　面 り４１ｆａ昭５８−ｉ９１９０７　（５）第４図 １１５図 第６図 第７図 １１８図 １１１９１ｉ 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回折格子な測長基準尺として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、回折格子により符号の異なる同時
   の回折光を形成し、それぞれの回折光を往路を逆行させ
   るような２つの反射鏡を用い、それぞれの回折光を再び
   前記回折格子に入射させて更に符号の異なる同次の回折
   光を得て、これら２つの回折光同志を干渉させ回折格子
   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、　前記回折格子を透過型として用いる特許請求の範
   囲第１項記載の移動量測定方法。 ３、前記回折格子を反射型として用いる特許請求の範囲
   第１項記載の移動量測定方法。