JP3068407B2 - 格子干渉型変位検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源からの光束を二波
に分岐してスケールの回折格子上の異なる二点に入射さ
せ、これらの点で生成された複数の光束の混合波を電気
信号として検出する格子干渉型変位検出装置に関し、ス
ケールに反射型の回折格子を用いて光学系を構成する場
合に利用できる。

【０００２】

【背景技術】従来の光電型エンコーダの高分解能化を図
ったものの一つとして、スケールにホログラフィの技術
を用いて微細なピッチ（通常、１μｍ程度）の目盛りを
形成し、その目盛りを回折格子として利用して相対変位
を高精度に検出する格子干渉型変位検出装置が知られて
いる。これは、光源からの光束を二波に分岐してスケー
ルの回折格子上の一または二つの点に入射させ、この点
で生成された複数の光束の混合波を電気信号として検出
するもので、スケールに反射型の回折格子を用いたもの
と、透過型の回折格子を用いたものとに分類できる。

【０００３】後者の透過型の回折格子を用いたものとし
て、例えば、特開平５−１９２４号公報に記載された格
子干渉型変位検出装置が知られている。この格子干渉型
変位検出装置３００は、図８に示す如く、図中左右方向
に変位可能に設けられかつその変位方向に沿って透過型
の回折格子３０２が形成されたスケール３０１と、レー
ザ光源３０３と、このレーザ光源３０３から出射された
レーザビームをその偏光方向に従って二波に分岐し各分
岐光束Ａ，Ｂをスケール３０１の回折格子３０２上の異
なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ入射させる偏光
ビームスプリッタ３０４と、各回折点Ｐ１，Ｐ２で回折
されて生成された二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１の交点位
置に配置されそれらを混合させる無偏光ビームスプリッ
タ３０５と、その混合波ＭＡ，ＭＢを電気信号に変換す
る検出器３０６Ａ，３０６Ｂとにより構成されている。

【０００４】ここで、偏光ビームスプリッタ３０４によ
り光束分岐手段が構成され、無偏光ビームスプリッタ３
０５により光束混合手段が構成されている。また、検出
器３０６Ａは、無偏光ビームスプリッタ３０５で混合さ
れた一方の混合波ＭＡの偏光方向を一致させて干渉させ
る偏光板３０７Ａと、この偏光板３０７Ａで干渉させら
れた光束を電気信号に変換する受光素子３０８Ａとによ
り構成されている。そして、検出器３０６Ｂは、無偏光
ビームスプリッタ３０５で混合された他方の混合波ＭＢ
の一偏光成分のみの位相を９０度遅らせる１／４波長板
３０９と、この１／４波長板３０９を通過した混合波Ｍ
Ｂの偏光方向を一致させて干渉させる偏光板３０７Ｂ
と、この偏光板３０７Ｂで干渉させられた光束を電気信
号に変換する受光素子３０８Ｂとにより構成されてい
る。

【０００５】このような格子干渉型変位検出装置３００
においては、レーザ光源３０３から出射されたレーザビ
ームは、偏光ビームスプリッタ３０４の偏光方向に従っ
て二波に分岐される。各分岐光束Ａ，Ｂは、それぞれス
ケール３０１の回折格子３０２上の異なる二つの回折点
Ｐ１，Ｐ２に入射される。この際、各回折点Ｐ１，Ｐ２
で各分岐光束Ａ，Ｂの１次回折光Ａ１，Ｂ１が生成され
る。これらの各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、無偏光ビーム
スプリッタ３０５上の一点に集められて混合された後、
検出器３０６Ａ，３０６Ｂによって電気信号に変換され
る。

【０００６】従って、格子干渉型変位検出装置３００で
は、スケール３０１の移動量を干渉光の明暗として検出
するに際し、互いに逆方向に位相シフトされた１次回折
光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用しているので、スケール
３０１が回折格子３０２の一ピッチ分だけ変位したとす
ると、各検出器３０６Ａ，３０６Ｂからは、二周期分の
完全正弦波信号φＡ，φＢが得られる（二回の明暗が得
られる）。このため、回折格子３０２の一ピッチを光学
的に二分割したことになるので分解能の向上が図られて
いる。例えば、回折格子３０２の一ピッチを０．５μｍ
とすると、各検出器３０６Ａ，３０６Ｂから得られる正
弦波信号φＡ，φＢは、０．２５μｍの分解能に相当す
る周期となる。

【０００７】また、一方の検出器３０６Ｂに１／４波長
板３０９を設けたので、二つの検出器３０６Ａ，３０６
Ｂから得られる正弦波信号φＡ，φＢは、互いに９０度
位相の異なるものとなり、これによりスケール３０１の
変位方向を把握できるようになっている。

【０００８】ところが、このような透過型の回折格子３
０２をスケール３０１として用いた格子干渉型変位検出
装置３００の場合には、スケール３０１を両側（図８中
上下）から挟み込む状態で検出系を構成しなければなら
ないため、検出系が大型化する、あるいはスケール３０
１の取り付けの自由度が制限されてしまうという問題が
ある。これに対し、反射型の回折格子をスケールとして
用いることにより検出系の小型化やスケールの取り付け
自由度の向上を図ることが考えられる。図９には、前述
した図８の格子干渉型変位検出装置３００を単純にスケ
ールの位置で折り返した構成の格子干渉型変位検出装置
４００が示されている。

【０００９】格子干渉型変位検出装置４００は、レーザ
光源４０３から出射したレーザビームを、偏光ビームス
プリッタ４０４の偏光方向に従って二波に分岐し、これ
らの各分岐光束Ａ，Ｂを、スケール４０１の反射型の回
折格子４０２上の異なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２に入射
させるようになっている。そして、各回折点Ｐ１，Ｐ２
で生成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、無偏光ビーム
スプリッタ４０５で混合された後、検出器４０６Ａ，４
０６Ｂによって電気信号に変換されるようになってい
る。一方、各回折点Ｐ１，Ｐ２で生成された反射光（０
次光）Ａ０，Ｂ０は、それぞれ図中左右方向に除去され
るようになっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図９の格子干渉型変位検出装置４００では、検出系を
構成するにあたって、スケール４０１の回折格子４０２
上の各回折点Ｐ１，Ｐ２に入射される各分岐光束Ａ，Ｂ
の入射角θ１と、これらの各分岐光束Ａ，Ｂが各回折点
Ｐ１，Ｐ２で回折されて生成された各１次回折光Ａ１，
Ｂ１の回折角θ２とを一致させることができないので、
回折の効率が最大となる検出系を構成することができな
いという問題がある。つまり、格子干渉型変位検出装置
４００において、入射角θ１と回折角θ２とを一致させ
ようとすると、検出器４０６Ａとレーザ光源４０３との
設置位置が一致してしまうため、機器の配置構成を行う
ことができないという問題がある。

【００１１】本発明の目的は、装置の小型化を図ること
ができるとともに、スケールの回折格子上の回折点での
入射角と回折角とを一致させて回折効率の向上を図るこ
とができる格子干渉型変位検出装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、発
光側（光源のある側）の光学系と受光側（受光素子のあ
る側）の光学系とを異なる面内に配置して前記目的を達
成しようとするものである。具体的には、本発明は、反
射型の回折格子を有するスケールと、光束を出射する光
源と、この光源からの光束を二波に分岐しかつその各分
岐光束を前記スケールの回折格子上の異なる二点に入射
させる光束分岐手段と、前記スケールの回折格子によっ
て生成された複数の光束を混合させる光束混合手段と、
この光束混合手段によって混合された混合波を電気信号
に変換する検出器とを備えた格子干渉型変位検出装置で
あって、前記光源から出射されて前記光束分岐手段を介
して前記スケールの回折格子上に至る各光束の光路と、
前記スケールの回折格子上で回折されて前記光束混合手
段を介して前記検出器に至る各光束の光路とを、前記ス
ケールの同一側であって異なる面内に配置したことを特
徴とする。

【００１３】このような格子干渉型変位検出装置におい
ては、光源からの光束を光束分岐手段により二波に分岐
してスケールの反射型の回折格子上の異なる二点に入射
させ、これらの点で回折された二つの光束を光束混合手
段により混合し、この混合波を検出器により干渉させて
電気信号として検出することにより、スケールの変位を
把握する。この際、発光側の光学系、すなわち光源から
出射されて光束分岐手段を介してスケールの回折格子上
に至る各光束の光路と、受光側の光学系、すなわちスケ
ールの回折格子上で回折されて光束混合手段を介して検
出器に至る各光束の光路とが、異なる面内に配置されて
いるので、発光側の光学系を構成する各機器と受光側の
光学系を構成する各機器との配置位置が干渉することは
なく、各機器の配置構成の自由度が向上する。

【００１４】このため、スケールの回折格子上の回折点
に入射される各分岐光束の入射角と、これらの各分岐光
束が回折点で回折されて生成された各１次回折光の回折
角とを一致させることが可能となり、これにより回折効
率の向上を図ることが可能となる。なお、本発明におい
ては、必ずしもこれらの入射角と回折角とを一致させる
必要はない。また、スケールとして反射型の回折格子を
用いているので、発光側の光学系と受光側の光学系とが
スケールの同一側に配置されるため、前述した透過型の
回折格子３０２をスケール３０１として用いた格子干渉
型変位検出装置３００（図８参照）の場合に比べ、装置
の小型化やスケールの取り付け自由度の向上が図られ
る。

【００１５】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光束分岐手段が、前記光源からの光束を互いに
偏光方向が直交する二波に分岐する偏光ビームスプリッ
タを含み構成され、前記光束混合手段が、前記スケール
の回折格子上で回折された二つの光束の交点位置に配置
され各々の光束を分岐させて一方の光束の反射光と他方
の光束の透過光とを混合させることにより二つの混合波
を生成する無偏光ビームスプリッタを含み構成されてい
ることを特徴とする。このような構成、すなわち光源か
らの光束の分岐に偏光ビームスプリッタを用いかつ二つ
の１次回折光の混合に無偏光ビームスプリッタを用いた
構成とすることにより、前述した発光側の光学系と受光
側の光学系とを異なる面内に配置した構成が容易に実現
される。

【００１６】そして、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光束分岐手段が、前記光源からの光束を互いに
偏光方向が直交する二波に分岐する偏光ビームスプリッ
タを含み構成され、前記光束混合手段が、前記スケール
の回折格子上で回折された二つの光束の交点位置に配置
され偏光方向に応じて一方の光束を反射させかつ他方の
光束を透過させることにより一つの混合波を生成する偏
光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタで混
合された混合波を二波に分岐する無偏光ビームスプリッ
タとを含み構成されていることを特徴とする。このよう
な構成、すなわち光源からの光束の分岐に偏光ビームス
プリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏光ビ
ームスプリッタを用いた構成とすることにより、前述し
た発光側の光学系と受光側の光学系とを異なる面内に配
置した構成が容易に実現される。

【００１７】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前述したような光源からの光束の分岐に偏光ビーム
スプリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏光
ビームスプリッタを用いる場合において、前記光束分岐
手段を構成する偏光ビームスプリッタと前記光束混合手
段を構成する偏光ビームスプリッタとが、兼用されてい
ることを特徴とする。このように一枚の偏光ビームスプ
リッタを光束分岐手段および光束混合手段に兼用させて
おけば、装置が簡略化されるため、装置の小型化、コス
ト低減が図られる。

【００１８】さらに、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前述したような光源からの光束の分岐に偏光ビーム
スプリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏光
ビームスプリッタを用いる場合において、前記光源から
の光束が分岐される前記光束分岐手段の偏光ビームスプ
リッタ上の点と各分岐光束が入射される前記スケールの
回折格子上の点との間の二つの光路の途中に、一対の１
／４波長板が設けられるとともに、前記各分岐光束が入
射される前記スケールの回折格子上の点とこれらの点で
回折された二つの光束が集まる前記光束混合手段の偏光
ビームスプリッタ上の点との間の二つの光路の途中に、
一対の１／４波長板が設けられていることを特徴とす
る。

【００１９】このような１／４波長板を設けた構成とす
れば、偏光ビームスプリッタで混合された混合波を二波
に分岐する無偏光ビームスプリッタを、偏光ビームスプ
リッタに対してレーザ光源とは反対側に配置することが
できるため、レーザ光源と検出器とを離して設置するこ
とが可能となり、各機器の配置構成の自由度がより向上
されるうえ、装置の小型化が可能となり、さらに各機器
の熱的干渉（検出器に対する光源の熱の影響等）が抑え
られる。

【００２０】また、以上のような本発明の格子干渉型変
位検出装置を構成するに際しては、スケールの回折格子
に入射される各分岐光束の入射角と、これらの各分岐光
束がスケールの回折格子上で回折されて生成された各１
次回折光の回折角とは、一致させてもよく、あるいは異
なる角度としてもよい。しかし、これらの入射角と回折
角とは一致させておくことが好ましく、そうすることで
回折の効率が最大となるうえ、装置の小型化がより一層
図られる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説
明する。 〔第一実施例〕図１および図２には、本発明の第一実施
例である格子干渉型変位検出装置１０が示されている。
図１（Ａ）は格子干渉型変位検出装置１０の発光側の構
成図、図１（Ｂ）は受光側の構成図、図２は格子干渉型
変位検出装置１０の発光側および受光側の各光路の配置
状態を示す概略斜視図である。また、図１（Ａ）および
図１（Ｂ）は、いずれも図２中の矢印Ｙの方向から見た
状態である。

【００２２】図１（Ａ）において、格子干渉型変位検出
装置１０は、図中左右方向に変位可能に設けられかつそ
の変位方向に沿って反射型の回折格子１２が形成された
スケール１１と、図中右上に設けられたレーザビームを
出射するレーザ光源１３と、図中略中央にスケール１１
に対して直角をなすように設けられた偏光ビームスプリ
ッタ１４とを備えている。

【００２３】これらのレーザ光源１３および偏光ビーム
スプリッタ１４により形成される格子干渉型変位検出装
置１０の発光側の各光路は、図２中手前側に位置する第
一の面２０内に配置されている。この第一の面２０は、
スケール１１の変位方向（図２中Ｘ方向）に沿いかつス
ケール１１の回折格子１２の法線を含む面Ｎと所定の角
度φをなすように配置されている。

【００２４】図１（Ｂ）において、格子干渉型変位検出
装置１０は、図中略中央にスケール１１に対して直角を
なすように設けられた無偏光ビームスプリッタ１５と、
この無偏光ビームスプリッタ１５の両側に設けられた二
つの検出器４１Ａ，４１Ｂとを備えている。

【００２５】これらの無偏光ビームスプリッタ１５およ
び検出器４１Ａ，４１Ｂにより形成される格子干渉型変
位検出装置１０の受光側の各光路は、図２中奥側に位置
する第二の面３０内に配置されている。この第二の面３
０は、回折格子１２の法線を含む面Ｎと所定の角度φを
なすように配置され、回折格子１２の法線を含む面Ｎに
対して前述した第一の面２０と対称をなしている。

【００２６】そして、以上に述べたレーザ光源１３、偏
光ビームスプリッタ１４、無偏光ビームスプリッタ１
５、および各検出器４１Ａ，４１Ｂは、スケール１１に
対して全て同じ側（図中上側）に設けられている。ま
た、偏光ビームスプリッタ１４により光束分岐手段２１
が構成され、無偏光ビームスプリッタ１５により光束混
合手段３１が構成されている。

【００２７】偏光ビームスプリッタ１４は、図１（Ａ）
に示すように、図中Ｒ点の位置でレーザ光源１３からの
レーザビームを互いに偏光方向が直交する二つの分岐光
束Ａ，Ｂに分岐し、これらの分岐光束Ａ，Ｂをスケール
１１の回折格子１２上の異なる二つの回折点Ｐ１，Ｐ２
に入射角θ１で入射させるように配置されている。

【００２８】無偏光ビームスプリッタ１５は、図１
（Ｂ）に示すように、スケール１１の回折格子１２上の
各回折点Ｐ１，Ｐ２で回折された二つの１次回折光Ａ
１，Ｂ１の交点位置（図中Ｋ点の位置）に配置され、各
１次回折光Ａ１，Ｂ１をそれぞれ分岐させて一方の光束
の反射光と他方の光束の透過光とを混合させることによ
り二つの混合波を生成し、これらの混合波を各検出器４
１Ａ，４１Ｂに送るようになっている。

【００２９】検出器４１Ａは、無偏光ビームスプリッタ
１５で混合された一方の混合波の一偏光成分のみの位相
を９０度遅らせる１／４波長板４２と、この１／４波長
板４２を通過した混合波の偏光方向を一致させて干渉さ
せる偏光板４３Ａと、この偏光板４３Ａで干渉させられ
た光束を電気信号に変換する受光素子４４Ａとにより構
成されている。そして、検出器４１Ｂは、無偏光ビーム
スプリッタ１５で混合された他方の混合波の偏光方向を
一致させて干渉させる偏光板４３Ｂと、この偏光板４３
Ｂで干渉させられた光束を電気信号に変換する受光素子
４４Ｂとにより構成されている。

【００３０】図３には、スケール１１の拡大断面が示さ
れている。スケール１１は、図中上側に配置されたガラ
ス１１Ａと、下側に配置されたミラー面１１Ｂと、これ
らの間に挟まれた体積位相型の回折格子（ホログラム回
折格子）１２とが積層された構造を有している。

【００３１】また、図４に示すように、回折格子１２と
ミラー面１１Ｂとの間に、隙間Ｄが形成される場合に
は、この隙間Ｄを次のように適切な寸法に調整してお
く。すなわち、図４において、入射光Ｃに対して、回折
格子１２で生成される光束は次の四種類であり、（１）
回折格子１２で回折された後にミラー面１１Ｂで反射さ
れて回折格子１２を透過する光束Ｃ１と、（２）回折格
子１２を透過した後にミラー面１１Ｂで反射されて回折
格子１２で回折される光束Ｃ２と、（３）回折格子１２
を透過した後にミラー面１１Ｂで反射されて再び回折格
子１２を透過する光束Ｃ３と、（４）回折格子１２で回
折された後にミラー面１１Ｂで反射されて再び回折格子
１２で回折される光束Ｃ４とがある。

【００３２】これらのうち光束Ｃ１，Ｃ２は、回折格子
１２で一回回折された１次回折光であるため、スケール
１１の移動によって位相変化を生じる光束である。この
ため、前述した隙間Ｄを光束の幅に対して充分に小さい
ものとする場合には、これらの光束Ｃ１，Ｃ２が干渉す
ることによって光強度を強め合うように隙間Ｄを調整す
るとともに、スケール１１のストローク中において隙間
Ｄが一定に保たれるようにしておく。また、隙間Ｄを比
較的大きくする場合（例えば、光束の幅が１ｍｍ程度の
時に隙間Ｄを３ｍｍ程度とする場合など）には、二つの
光束Ｃ１，Ｃ２のうちいずれか一方の光束のみを利用
し、他方の光束はスケール１１から出射した後に遮断す
る等して利用しないようにしてもよい。

【００３３】なお、残りの二つの光束Ｃ３，Ｃ４は、回
折格子１２で一回も回折されないか、あるいは二回回折
されるため、スケール１１の移動によって位相変化を生
じない光束であり、共に反射光（０次光）として取り扱
うことができる。また、このような回折格子１２として
は、例えば、格子ピッチが５００ｎｍ程度、レーザ光源
１３の波長が７８０ｎｍ程度のものを採用することがで
きる。

【００３４】このような第一実施例においては、以下の
ようにスケール１１の移動量が検出される。先ず、第一
の面２０内において、レーザ光源１３から出射されたレ
ーザビームは、偏光ビームスプリッタ１４の偏光方向に
従って図１（Ａ）中Ｒ点上で二波に分岐される。各分岐
光束Ａ，Ｂは、スケール１１の回折格子１２上の異なる
二つの回折点Ｐ１，Ｐ２に入射角θ１で入射される。こ
の際、各回折点Ｐ１，Ｐ２で各分岐光束Ａ，Ｂの１次回
折光Ａ１，Ｂ１および反射光（０次光）Ａ０，Ｂ０が生
成される。なお、回折点Ｐ１，Ｐ２において、各分岐光
束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への入射角θ１と、各１次
回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とは、一致している。

【００３５】次に、第二の面３０内において、各１次回
折光Ａ１，Ｂ１は、無偏光ビームスプリッタ１５の図１
（Ｂ）中Ｋ点上に集められる。そして、このＫ点上で１
次回折光Ａ１の反射光と１次回折光Ｂ１の透過光とが混
合され、この混合波は検出器４１Ａにより干渉させられ
て電気信号に変換される。また、Ｋ点上で１次回折光Ａ
１の透過光と１次回折光Ｂ１の反射光とが混合され、こ
の混合波は検出器４１Ｂにより干渉させられて電気信号
に変換される。一方、第二の面３０内において、各０次
光Ａ０，Ｂ０は、それぞれ回折点Ｐ１，Ｐ２から図１
（Ｂ）中の左右方向に除去される。

【００３６】このような第一実施例によれば、次のよう
な効果がある。すなわち、レーザ光源１３から出射され
て光束分岐手段２１を介してスケール１１の回折格子１
２上の回折点Ｐ１，Ｐ２に至る各光束（各分岐光束Ａ，
Ｂ）の光路が第一の面２０内に設けられ、かつ回折点Ｐ
１，Ｐ２で生成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１および各
０次光Ａ０，Ｂ０の各光路が第二の面３０内に設けられ
ているので、各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への
入射角θ１と、これらの各分岐光束Ａ，Ｂが回折点Ｐ
１，Ｐ２で回折されて生成された各１次回折光Ａ１，Ｂ
１の回折角θ２とを一致させることができ、回折効率の
向上を図ることができる。

【００３７】また、これらの第一の面２０および第二の
面３０を設けた構成により、発光側の光学系を構成する
各機器（レーザ光源１３および光束分岐手段２１）と、
受光側の光学系を構成する各機器（光束混合手段３１お
よび各検出器４１Ａ，４１Ｂ）とを、互いの配置位置に
影響されることなく設置でき、各機器の配置構成の自由
度を向上できる。

【００３８】そして、スケール１１として反射型の回折
格子１２を用いているので、発光側の光学系と受光側の
光学系とを全てスケール１１の同一側に配置でき、前述
した透過型の回折格子３０２をスケール３０１として用
いた格子干渉型変位検出装置３００（図８参照）の場合
に比べ、装置の小型化やスケールの取り付け自由度の向
上を図ることができる。

【００３９】さらに、スケール１１の移動量を干渉光の
明暗として検出するに際し、互いに逆方向に位相シフト
された１次回折光Ａ１，Ｂ１同士の干渉を利用している
ので、スケール１１が回折格子１２の一ピッチ分だけ変
位したとすると、各検出器４１Ａ，４１Ｂからは、二周
期分の完全正弦波信号φＡ，φＢを得ることができる
（二回の明暗を得ることができる）。このため、回折格
子１２の一ピッチを光学的に二分割したことになるの
で、分解能の向上を図ることができる。

【００４０】また、一方の検出器４１Ａに１／４波長板
４２を設けたので、二つの検出器４１Ａ，４１Ｂから得
られる正弦波信号φＡ，φＢは、互いに９０度位相の異
なるものとなり、これによりスケール１１の変位方向を
把握することができる。

【００４１】〔第二実施例〕図５には、本発明の第二実
施例である格子干渉型変位検出装置６０が示されてい
る。図５（Ａ）は格子干渉型変位検出装置６０の発光側
の構成図（第一の面２０内）、図５（Ｂ）は受光側の構
成図（第二の面３０内）である。格子干渉型変位検出装
置６０は、前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置１
０と類似した構成を有し、一部の構成が異なるのみであ
るので、同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省
略し、以下には異なる部分のみを説明する。

【００４２】前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置
１０では、光束分岐手段２１として、第一の面２０のみ
を横切るように配置された偏光ビームスプリッタ１４が
図中Ｒ点の位置に設けられていたが、本第二実施例で
は、図５（Ａ）に示すように、図中Ｒ点の位置には偏光
ビームスプリッタ６１が設けられている。この偏光ビー
ムスプリッタ６１は、第一の面２０および第二の面３０
の両方を横切るように配置されている。

【００４３】また、前記第一実施例では、光束混合手段
３１は、図中Ｋ点の位置に設けられた無偏光ビームスプ
リッタ１５により構成されていたが、本第二実施例で
は、図５（Ｂ）に示すように、図中Ｋ点の位置に設けら
れた前記偏光ビームスプリッタ６１と、この左上に偏光
ビームスプリッタ６１と平行に設けられた無偏光ビーム
スプリッタ６２とにより構成されている。つまり、偏光
ビームスプリッタ６１は、光束分岐手段２１および光束
混合手段３１に兼用されている。

【００４４】図５（Ａ）において、偏光ビームスプリッ
タ６１上の点Ｒと、この点Ｒで分岐された各分岐光束
Ａ，Ｂが入射されるスケール１１の回折格子１２上の回
折点Ｐ１，Ｐ２との間の二つの光路の途中には、一対の
１／４波長板５１Ａ，５１Ｂが設けられている。これら
の１／４波長板５１Ａ，５１Ｂは、各分岐光束Ａ，Ｂ
（直線偏光）の偏光方向に対して４５度位相遅れの方位
を傾けて配置されている。

【００４５】また、図５（Ｂ）において、スケール１１
の回折格子１２上の回折点Ｐ１，Ｐ２と、これらの回折
点Ｐ１，Ｐ２で回折されて生成された各１次回折光Ａ
１，Ｂ１が集まる偏光ビームスプリッタ６１上の点Ｋと
の間の二つの光路の途中には、一対の１／４波長板５２
Ａ，５２Ｂが設けられている。これらの１／４波長板５
２Ａ，５２Ｂも、前述した１／４波長板５１Ａ，５１Ｂ
と同様な配置となっており、各分岐光束Ａ，Ｂ（直線偏
光）の偏光方向に対して４５度位相遅れの方位を傾けて
配置されている。そして、四つの１／４波長板は、図５
（Ａ）および図５（Ｂ）において、それぞれ左側に設け
られた１／４波長板５１Ａ，５２Ａが同じ配置とされ、
かつそれぞれ右側に設けられた１／４波長板５１Ｂ，５
２Ｂが同じ配置とされている。

【００４６】従って、分岐光束Ａとその１次回折光Ａ１
とは、同じ配置とされた二つの各１／４波長板５１Ａ，
５２Ａを通過するので、一偏光成分のみの位相が１８０
度遅れるようになり、結局、１／４波長板５１Ａを通過
する前の分岐光束Ａ（直線偏光）と１／４波長板５２Ａ
を通過した後の１次回折光Ａ１（直線偏光）とは、偏光
方向が９０度回転した状態となる。そして、分岐光束Ｂ
とその１次回折光Ｂ１との関係も同様であり、１／４波
長板５１Ｂを通過する前の分岐光束Ｂ（直線偏光）と１
／４波長板５２Ｂを通過した後の１次回折光Ｂ１（直線
偏光）とは、偏光方向が９０度回転した状態となる。こ
れにより、図５（Ｂ）において、偏光ビームスプリッタ
６１上の点Ｋでは、１次回折光Ａ１は反射され、１次回
折光Ｂ１は透過され、レーザ光源１３とは反対側に向か
う一つの混合波が生成されるようになっている。

【００４７】このような第二実施例においては、以下の
ようにスケール１１の移動量が検出される。先ず、第一
の面２０内において、レーザ光源１３から出射されたレ
ーザビームは、偏光ビームスプリッタ６１の偏光方向に
従って図５（Ａ）中Ｒ点上で二波に分岐される。各分岐
光束Ａ，Ｂは、それぞれ１／４波長板５１Ａ，５１Ｂを
通過した後に、スケール１１の回折格子１２上の異なる
二つの回折点Ｐ１，Ｐ２に入射角θ１で入射される。こ
の際、各回折点Ｐ１，Ｐ２で各分岐光束Ａ，Ｂの１次回
折光Ａ１，Ｂ１および反射光（０次光）Ａ０，Ｂ０が生
成される。なお、回折点Ｐ１，Ｐ２において、各分岐光
束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への入射角θ１と、各１次
回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とは、一致している。

【００４８】次に、第二の面３０内において、各１次回
折光Ａ１，Ｂ１は、それぞれ１／４波長板５２Ａ，５２
Ｂを通過した後に、偏光ビームスプリッタ６１の図５
（Ｂ）中Ｋ点上に集められ、このＫ点上で１次回折光Ａ
１の反射光と１次回折光Ｂ１の透過光とが混合される。
そして、この混合波は無偏光ビームスプリッタ６２で偏
光方向を変えずに二波に分岐され、各検出器４１Ａ，４
１Ｂにより干渉させられて電気信号に変換される。一
方、第二の面３０内において、各０次光Ａ０，Ｂ０は、
それぞれ回折点Ｐ１，Ｐ２から図５（Ｂ）中の左右方向
に除去される。

【００４９】このような第二実施例によれば、前記第一
実施例と同様に、第一の面２０および第二の面３０が設
けられた構成となっているので、入射角θ１と回折角θ
２とを一致させることができ、回折効率の向上を図るこ
とができるうえ、発光側の光学系を構成する各機器と受
光側の光学系を構成する各機器とを互いの配置位置に影
響されることなく設置でき、各機器の配置構成の自由度
を向上できる。

【００５０】また、前記第一実施例と同様に、スケール
１１として反射型の回折格子１２を用いているので、装
置の小型化やスケールの取り付け自由度の向上を図るこ
とができる。そして、前記第一実施例と同様に、互いに
逆方向に位相シフトされた１次回折光Ａ１，Ｂ１同士の
干渉を利用しているので、分解能の向上効果を得ること
ができるうえ、一方の検出器４１Ａに１／４波長板４２
を設けたので、スケール１１の変位方向を把握すること
ができる。

【００５１】さらに、以上のような前記第一実施例と同
様な効果に加え、偏光ビームスプリッタ６１が光束分岐
手段２１および光束混合手段３１に兼用されているの
で、装置を簡略化できるため、装置の小型化、コスト低
減を図ることができる。

【００５２】また、四つの１／４波長板５１Ａ，５１
Ｂ，５２Ａ，５２Ｂが設けられているので、無偏光ビー
ムスプリッタ６２を偏光ビームスプリッタ６１に対して
レーザ光源１３とは反対側に配置することができるた
め、レーザ光源１３と各検出器４１Ａ，４１Ｂとを離し
て設置することができ、各機器の配置構成を容易に行う
ことができるうえ、装置の小型化を図ることができ、さ
らに各機器の熱的干渉を抑えることができる。

【００５３】〔第三実施例〕図６には、本発明の第三実
施例である格子干渉型変位検出装置７０が示されてい
る。図６（Ａ）は格子干渉型変位検出装置７０の発光側
の構成図（第一の面２０内）、図６（Ｂ）は受光側の構
成図（第二の面３０内）である。格子干渉型変位検出装
置７０は、前記第二実施例の格子干渉型変位検出装置６
０と略同様な構成を有し、四つの１／４波長板の設置の
有無と各検出器４１Ａ，４１Ｂおよび無偏光ビームスプ
リッタ６２の配置位置とが異なるのみであるので、同一
部分には同一符号を付して詳しい説明は省略し、以下に
は異なる部分のみを説明する。

【００５４】前記第二実施例の格子干渉型変位検出装置
６０では、四つの１／４波長板５１Ａ，５１Ｂ，５２
Ａ，５２Ｂが設けられていたが、本第三実施例では、こ
れらに相当する１／４波長板は設けられていない。従っ
て、図６（Ｂ）において、偏光ビームスプリッタ６１上
のＫ点では、１次回折光Ａ１が透過され、１次回折光Ｂ
１が反射され、図中右上に向かう一つの混合波が生成さ
れるようになっている。このため、この混合波を分岐す
る無偏光ビームスプリッタ６２および各検出器４１Ａ，
４１Ｂは、前記第二実施例とは逆側、つまり偏光ビーム
スプリッタ６１に対してレーザ光源１３と同じ側に設け
られている。また、各０次光Ａ０，Ｂ０は、前記第二実
施例と同様に、それぞれ回折点Ｐ１，Ｐ２から図６
（Ｂ）中の左右方向に除去されるようになっている。さ
らに、前記第二実施例と同様に、回折点Ｐ１，Ｐ２にお
いて、各分岐光束Ａ，Ｂの回折点Ｐ１，Ｐ２への入射角
θ１と、各１次回折光Ａ１，Ｂ１の回折角θ２とは、一
致している。

【００５５】このような第三実施例によれば、前記第
一、第二実施例と同様に、第一の面２０および第二の面
３０が設けられた構成となっているので、入射角θ１と
回折角θ２とを一致させることができ、回折効率の向上
を図ることができるうえ、発光側の光学系を構成する各
機器と受光側の光学系を構成する各機器とを互いの配置
位置に影響されることなく設置でき、各機器の配置構成
の自由度を向上できる。

【００５６】また、前記第一、第二実施例と同様に、ス
ケール１１として反射型の回折格子１２を用いているの
で、装置の小型化やスケールの取り付け自由度の向上を
図ることができる。そして、前記第一、第二実施例と同
様に、互いに逆方向に位相シフトされた１次回折光Ａ
１，Ｂ１同士の干渉を利用しているので、分解能の向上
効果を得ることができるうえ、一方の検出器４１Ａに１
／４波長板４２を設けたので、スケール１１の変位方向
を把握することができる。

【００５７】さらに、前記第二実施例と同様に、偏光ビ
ームスプリッタ６１が光束分岐手段２１および光束混合
手段３１に兼用されているので、装置を簡略化できるた
め、装置の小型化、コスト低減を図ることができる。

【００５８】なお、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成も含
み、例えば以下に示すような変形等も本発明に含まれる
ものである。すなわち、発光側の光学系が配置される第
一の面２０および受光側の光学系が配置される第二の面
３０は、図２に示したような配置に限定されるものでは
なく、例えば、図７（Ａ）に示すようなプリズム８１を
用いて第一の面２０および第二の面３０を折り曲げるこ
とによりプリズム８１の上側部分で第一の面２０と第二
の面３０とを平行に配置するようにしてもよく、あるい
は図７（Ｂ）に示すようなシリンドリカルレンズ８２、
図７（Ｃ）に示すような透過型の回折格子８３を用いて
同様な配置としてもよく、要するに第一の面２０と第二
の面３０とは、スケール１１の同一側であって異なる面
内に配置されていればよい。

【００５９】また、前記第二、第三実施例では、偏光ビ
ームスプリッタ６１が第一の面２０および第二の面３０
の両方の面を横切るように配置され、光束分岐手段２１
と光束混合手段３１とに兼用されていたが、光束分岐手
段２１を構成する偏光ビームスプリッタと、光束混合手
段３１を構成する偏光ビームスプリッタとを別々に設け
てもよい。しかし、これらは兼用させておくことが好ま
しく、そうすることで装置の小型化、コスト低減を図る
ことができる。

【００６０】そして、前記第二、第三実施例では、無偏
光ビームスプリッタ６２は、偏光ビームスプリッタ６１
と平行に設けられていたが、無偏光ビームスプリッタ６
２の設置方向は任意であり、要するに、偏光ビームスプ
リッタ６１により混合された混合波を二波に分岐できれ
ばよい。

【００６１】さらに、前記各実施例では、スケール１１
は、図３または図４に示すようなガラス１１Ａと体積位
相型の回折格子（ホログラム回折格子）１２とミラー面
１１Ｂとによる積層構造となっていたが、スケール１１
はこのような構造に限定されるものではなく、例えば、
ミラーの表面に回折格子を形成したスケールなどであっ
てもよく、要するに反射型の回折格子を有するスケール
であればよい。

【００６２】そして、回折格子１２のピッチ、レーザ光
源１３の波長は、それぞれ前記各実施例で挙げられてい
た５００ｎｍ程度、７８０ｎｍ程度のものが好適である
が、このような数値に限定されるものではなく、本発明
の構成を実施できれば適宜な数値を選択してよい。

【００６３】また、前記第二実施例では、四つの１／４
波長板５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂが設けられてい
たが、図５（Ａ）および図５（Ｂ）中の左側にそれぞれ
配置された１／４波長板５１Ａ，５２Ａを兼用させて一
枚の１／４波長板により構成する、あるいは右側にそれ
ぞれ配置された１／４波長板５１Ｂ，５２Ｂを兼用させ
て一枚の１／４波長板により構成することにより同様な
機能を得るようにしてもよい。

【００６４】さらに、前記各実施例では、レーザ光源１
３、光束分岐手段２１、光束混合手段３１、および検出
器４１Ａ，４１Ｂなどの光学系に対してスケール１１が
変位可能に設けられていたが、スケール１１に対してこ
れらの光学系が変位するものであってもよく、あるいは
両者が共に変位するものであってもよく、要するに、ス
ケール１１と光学系とが相対変位するようになっていれ
ばよい。

【００６５】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、発
光側の光学系の各光束の光路と、受光側の光学系の各光
束の光路とが、異なる面内に配置されているので、発光
側の光学系を構成する各機器と受光側の光学系を構成す
る各機器とを互いの配置位置に影響されることなく設置
でき、各機器の配置構成の自由度を向上できるうえ、各
分岐光束の入射角と各１次回折光の回折角とを一致させ
ることができ、回折効率の向上を図ることができるとと
もに、スケールとして反射型の回折格子を用いているの
で、発光側の光学系と受光側の光学系とをスケールの同
一側に配置でき、装置の小型化やスケールの取り付け自
由度の向上を図ることができるという効果がある。

【００６６】また、光源からの光束の分岐に偏光ビーム
スプリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏光
ビームスプリッタを用いる場合において、光束分岐手段
を構成する偏光ビームスプリッタと光束混合手段を構成
する偏光ビームスプリッタとを兼用させれば、装置を簡
略化できるため、装置の小型化、コスト低減を図ること
ができるという効果がある。

【００６７】さらに、光源からの光束の分岐に偏光ビー
ムスプリッタを用いかつ二つの１次回折光の混合にも偏
光ビームスプリッタを用いる場合において、各光路の途
中に１／４波長板を設けておけば、レーザ光源と検出器
とを離して設置することができるため、各機器の配置構
成の容易化、装置の小型化、各機器の熱的干渉の抑制を
図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す構成図。

【図２】前記第一実施例の異なる面（第一の面および第
二の面）の配置状態を説明する概略斜視図。

【図３】前記第一実施例のスケールの断面図。

【図４】前記第一実施例のスケールの別の断面図。

【図５】本発明の第二実施例を示す構成図。

【図６】本発明の第三実施例を示す構成図。

【図７】本発明の変形例を示す概略構成図。

【図８】従来例を示す構成図。

【図９】前記従来例を単純にスケールの位置で折り返し
た検出系の構成図。

【符号の説明】

１０，６０，７０ 格子干渉型変位検出装置 １１ スケール １２ 反射型の回折格子 １３ レーザ光源 １４ 偏光ビームスプリッタ １５ 無偏光ビームスプリッタ ２１ 光束分岐手段 ３１ 光束混合手段 ４１Ａ，４１Ｂ 検出器 ５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ １／４波長板 ６１ 光束分岐手段および光束混合手段に兼用された偏
光ビームスプリッタ ６２ 無偏光ビームスプリッタ Ａ，Ｂ 分岐光束 Ａ１，Ｂ１ １次回折光 Ｐ１，Ｐ２ 回折点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 哲郎 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株式会社ミツトヨ内 (56)参考文献 特開 平２−110319（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−298816（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−296722（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01D 5/38

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射型の回折格子を有するスケールと、
   光束を出射する光源と、この光源からの光束を二波に分
   岐しかつその各分岐光束を前記スケールの回折格子上の
   異なる二点に入射させる光束分岐手段と、前記スケール
   の回折格子によって生成された複数の光束を混合させる
   光束混合手段と、この光束混合手段によって混合された
   混合波を電気信号に変換する検出器とを備えた格子干渉
   型変位検出装置であって、 前記光源から出射されて前記光束分岐手段を介して前記
   スケールの回折格子上に至る各光束の光路と、前記スケ
   ールの回折格子上で回折されて前記光束混合手段を介し
   て前記検出器に至る各光束の光路とを、前記スケールの
   同一側であって異なる面内に配置したことを特徴とする
   格子干渉型変位検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記光束分岐手段は、前記光源からの光
   束を互いに偏光方向が直交する二波に分岐する偏光ビー
   ムスプリッタを含み構成され、 前記光束混合手段は、前記スケールの回折格子上で回折
   された二つの光束の交点位置に配置され各々の光束を分
   岐させて一方の光束の反射光と他方の光束の透過光とを
   混合させることにより二つの混合波を生成する無偏光ビ
   ームスプリッタを含み構成されていることを特徴とする
   格子干渉型変位検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記光束分岐手段は、前記光源からの光
   束を互いに偏光方向が直交する二波に分岐する偏光ビー
   ムスプリッタを含み構成され、 前記光束混合手段は、前記スケールの回折格子上で回折
   された二つの光束の交点位置に配置され偏光方向に応じ
   て一方の光束を反射させかつ他方の光束を透過させるこ
   とにより一つの混合波を生成する偏光ビームスプリッタ
   と、この偏光ビームスプリッタで混合された混合波を二
   波に分岐する無偏光ビームスプリッタとを含み構成され
   ていることを特徴とする格子干渉型変位検出装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載した格子干渉型変位検出
   装置において、前記光束分岐手段を構成する偏光ビーム
   スプリッタと前記光束混合手段を構成する偏光ビームス
   プリッタとは、兼用されていることを特徴とする格子干
   渉型変位検出装置。
5. 【請求項５】 請求項３または請求項４に記載した格子
   干渉型変位検出装置において、前記光源からの光束が分
   岐される前記光束分岐手段の偏光ビームスプリッタ上の
   点と各分岐光束が入射される前記スケールの回折格子上
   の点との間の二つの光路の途中には、一対の１／４波長
   板が設けられるとともに、 前記各分岐光束が入射される前記スケールの回折格子上
   の点とこれらの点で回折された二つの光束が集まる前記
   光束混合手段の偏光ビームスプリッタ上の点との間の二
   つの光路の途中には、一対の１／４波長板が設けられて
   いることを特徴とする格子干渉型変位検出装置。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５のいずれかに記載
   した格子干渉型変位検出装置において、前記スケールの
   回折格子に入射される各分岐光束の入射角と、これらの
   各分岐光束が前記スケールの回折格子上で回折されて生
   成された各１次回折光の回折角とは、一致していること
   を特徴とする格子干渉型変位検出装置。