JPH085330A - 格子干渉型変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出系の構成を簡略化でき、装置の小型化を
図ることができるとともに、安価に製造できる格子干渉
型変位検出装置の提供。 【構成】 偏光ビームスプリッタ１４で分岐した各分岐
光束Ａ，Ｂをスケール１１の反射型の回折格子１２上の
同一回折点Ｐに入射させる手段（光束分岐手段２１）
と、スケール１１の回折格子１２上で回折されて生成さ
れた各１次回折光Ａ１，Ｂ１を同一点に集める手段（光
束混合手段３１）とに、透過型の回折格子１５を用い
た。

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同一点に入射させ、
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２−１６７４２７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１００は、図７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１０２が形成されたスケール１０１と、
レーザ光源１０３と、このレーザ光源１０３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す
る偏光ビームスプリッタ１０４と、各分岐光束Ａ，Ｂを
反射してスケール１０１上の同一回折点Ｐにそれぞれ対
称方向から入射させる一対のミラー１０５Ａ，１０５Ｂ
と、回折点Ｐで生成された二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１
を反射させる一対のミラー１０６Ａ，１０６Ｂと、その
反射光を混合させるハーフミラー（無偏光ビームスプリ
ッタ）１０７と、その混合波ＭＡ，ＭＢを電気信号に変
換する検出器１０８Ａ，１０８Ｂ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１０４およ
び一対のミラー１０５Ａ，１０５Ｂにより光束分岐手段
１０９が構成され、一対のミラー１０６Ａ，１０６Ｂお
よび無偏光ビームスプリッタ１０７により光束混合手段
１１０が構成されている。また、検出器１０８Ａは、無
偏光ビームスプリッタ１０７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１１１Ａ
と、この偏光板１１１Ａで干渉させられた光束を電気信
号に変換する受光素子１１２Ａとにより構成されてい
る。そして、検出器１０８Ｂは、無偏光ビームスプリッ
タ１０７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１１３と、この
１／４波長板１１３を通過した混合波ＭＢの偏光方向を
一致させて干渉させる偏光板１１１Ｂと、この偏光板１
１１Ｂで干渉させられた光束を電気信号に変換する受光
素子１１２Ｂ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１００
においては、レーザ光源１０３から出射されたレーザビ
ームは、偏光ビームスプリッタ１０４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、それぞれミ
ラー１０５Ａ，１０５Ｂによって反射された後、スケー
ル１０１の回折格子１０２上の同一回折点Ｐにそれぞれ
対称方向から入射される。この際、回折点Ｐ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、ミラー１０６Ａ，１０６
Ｂによって反射され、続いて、無偏光ビームスプリッタ
１０７で混合された後、検出器１０８Ａ，１０８Ｂ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１００で
は、スケール１０１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
１０１が回折格子１０２の一ピッチ分だけ変位したとす
ると、各検出器１０８Ａ，１０８Ｂ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１０２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１０２の一ピッチを０．５μｍ
とすると、各検出器１０８Ａ，１０８Ｂ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１０８Ｂに１／４波長
板１１３を設けたので、二つの検出器１０８Ａ，１０８
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１０１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１
０２をスケール１０１として用いた格子干渉型変位検出
装置１００の場合には、スケール１０１を両側（図７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１０
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８には、前述
した図７の格子干渉型変位検出装置１００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
２００が示されている。

【０００９】格子干渉型変位検出装置２００は、レーザ
光源２０３から出射したレーザビームを、偏光ビームス
プリッタ２０４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、一対のミラー２０５Ａ，２０
５Ｂによって反射させた後、スケール２０１の反射型の
回折格子２０２上の同一回折点Ｐにそれぞれ対称方向か
ら入射させるようになっている。そして、回折点Ｐで生
成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、ミラー２０５Ａ，
２０５Ｂによって反射され、続いて、無偏光ビームスプ
リッタ２０７で混合された後、検出器２０８Ａ，２０８
Ｂによって電気信号に変換されるようになっている。一
方、回折点Ｐで生成された反射光（０次光）Ａ０，Ｂ０
は、ミラー２０５Ｂ，２０５Ａによって反射された後、
偏光ビームスプリッタ２０４によりレーザ光源２０３と
は反対側に除去されるようになっている。

【００１０】また、格子干渉型変位検出装置２００と類
似した構成の検出系として、透過型の回折格子とミラー
とを平行に配置したスケールを用いることにより、前述
した図７の格子干渉型変位検出装置１００をスケールの
位置で折り返した状態の検出系も提案されている（特願
平３−１９０９３７号参照）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図８の格子干渉型変位検出装置２００では、偏光ビー
ムスプリッタ２０４で分岐された各分岐光束Ａ，Ｂを、
スケール２０１の反射型の回折格子２０２上の同一回折
点Ｐに集める手段（光束分岐手段）、および回折点Ｐで
回折されて生成された各１次回折光Ａ１，Ｂ１を無偏光
ビームスプリッタ２０７上の同一点に集める手段（光束
混合手段）として、一対のミラー２０５Ａ，２０５Ｂを
用いているので、装置が大型化するうえ、コストがかか
るという問題がある。

【００１２】また、前述した特願平３−１９０９３７号
に記載された格子干渉型変位検出装置の場合にも、光束
分岐手段および光束混合手段として一対のミラーを用い
ているので、同様な問題が生じる。

【００１３】本発明の目的は、検出系の構成を簡略化で
き、装置の小型化を図ることができるとともに、安価に
製造できる格子干渉型変位検出装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、光
束分岐手段および光束混合手段として透過型の回折格子
を用い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
上の同一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と、この偏光ビームスプリッタ
で分岐した各分岐光束を回折して前記スケールの回折格
子上の同一点に入射させる透過型の回折格子とを含み構
成されるとともに、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を回折して同一点
に集める透過型の回折格子を含み構成されていることを
特徴とする。

【００１５】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同一点に入射さ
せ、こ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、光束分岐手段および光束混合手段として透
過型の回折格子が用いられているので、前述した格子干
渉型変位検出装置２００（図８参照）のような光束分岐
手段および光束混合手段として一対のミラーを用いる場
合に比べ、装置が簡略化され、装置の小型化、コスト低
減が図られる。

【００１６】そして、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（光源、光束分岐手
段、およびこれらを結ぶ各光路）と受光側の光学系（光
束混合手段、検出器、およびこれらを結ぶ各光路）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１０２をスケール１０１として用いた格子干渉
型変位検出装置１００（図７参照）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、
これらにより前記目的が達成される。

【００１７】ここで、前記光束分岐手段を構成する透過
型の回折格子および前記光束混合手段を構成する透過型
の回折格子は、一枚の透過型の回折格子により構成され
ていることが望ましい。このような構成とすれば、装置
がさらに簡略化されるため、装置の小型化、コスト低減
がより一層図られる。

【００１８】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光束混合手段が、前記透過型の回折格子で回折
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、前述した光束分岐手段および光束混合手段として
透過型の回折格子を用いた構成が容易に実現される。

【００１９】そして、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光束混合手段が、前記透過型の回折格子で回折
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、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。このように一つ
の偏光ビームスプリッタにより光束分岐手段および光束
混合手段を兼用させれば、装置がさらに簡略化されるた
め、装置の小型化、コスト低減がより一層図られる。

【００２０】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
は、前記光源からの光束が分岐される前記偏光ビームス
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、互いに
直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるように
配置された一対の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
の点とこの点で回折された二つの光束が集まる前記偏光
ビームスプリッタ上の点との間の二つの光路の途中に、
互いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅らせる
ように配置された一対の１／４波長板が設けられている
ことを特徴とする。

【００２１】このような一対の１／４波長板が二組設け
られた構成、つまり合計四枚の１／４波長板が設けられ
た構成とすれば、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、各機器の配置構成を容易に行うこ
とが可能となるうえ、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。

【００２２】そして、前述したような１／４波長板を設
ける場合において、前記スケールの回折格子と前記透過
型の回折格子との間の各光路の途中に、兼用された一対
の１／４波長板を一組設けるようにすれば、合計二枚の
１／４波長板により前述した四枚分の１／４波長板の機
能が果たされるようになり、装置の構成が簡略化され、
コスト低減がより一層図られる。

【００２３】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、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、異なる角度とする。さ
らに、以上のような本発明の格子干渉型変位検出装置に
おいて、スケールの回折格子（反射型の回折格子）と、
光束分岐手段および光束混合手段として用いられる透過
型の回折格子とは、異なるピッチとする。

【００２４】

【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。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、この偏光ビームスプリッタ１４と
スケール１１との間にスケール１１と平行に設けられた
一枚の透過型の回折格子１５と、偏光ビームスプリッタ
１４の左上に偏光ビームスプリッタ１４と平行に設けら
れた無偏光ビームスプリッタ１６と、この無偏光ビーム
スプリッタ１６の両側に設けられた二つの検出器４１
Ａ，４１Ｂとを備えている。そして、これらのレーザ光
源１３、偏光ビームスプリッタ１４、透過型の回折格子
１５、無偏光ビームスプリッタ１６、および各検出器４
１Ａ，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。

【００２５】偏光ビームスプリッタ１４は、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に分岐するととも
に、これらの分岐光束Ａ，Ｂがスケール１１の回折格子
１２（回折点Ｐ）上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（図中Ｋ点の位置）に配置
されこれらの１次回折光Ａ１，Ｂ１を混合するようにな
っている。

【００２６】透過型の回折格子１５は、偏光ビームスプ
リッタ１４により分岐された各分岐光束Ａ，Ｂを回折し
てスケール１１の回折格子１２上の同一回折点Ｐにそれ
ぞれ対称方向から入射させるとともに、これらの分岐光
束Ａ，Ｂがスケール１１の回折格子１２（回折点Ｐ）上
で回折されて生成された二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１を
回折して偏光ビームスプリッタ１４上の一点（図中Ｋ点
の位置）に集めるように配置されている。この透過型の
回折格子１５のピッチは、スケール１１の回折格子１２
とは、異なるピッチとなっている。

【００２７】無偏光ビームスプリッタ１６は、偏光ビー
ムスプリッタ１４により混合された二つの１次回折光Ａ
１，Ｂ１の混合波を偏光方向を変えずに二波に分岐し、
各検出器４１Ａ，４１Ｂに送るように配置されている。
ここで、偏光ビームスプリッタ１４および透過型の回折
格子１５により光束分岐手段２１が構成され、透過型の
回折格子１５、偏光ビームスプリッタ１４、および無偏
光ビームスプリッタ１６により光束混合手段３１が構成
されている。つまり、偏光ビームスプリッタ１４および
透過型の回折格子１５は、それぞれ光束分岐手段２１お
よび光束混合手段３１に兼用されている。

【００２８】検出器４１Ａは、偏光ビームスプリッタ１
４で混合された後に無偏光ビームスプリッタ１６で分岐
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、偏光ビームスプリッタ１
４で混合された後に無偏光ビームスプリッタ１６で分岐
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４３Ｂ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。

【００２９】レーザ光源１３からの光束が分岐される偏
光ビームスプリッタ１４上の点Ｒとこの点Ｒで分岐され
た各分岐光束Ａ，Ｂが透過型の回折格子１５に至る点Ｑ
１，Ｑ２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
配置されるとともに、互いに直交する方位の偏光成分の
位相を９０度遅らせるように９０度方位をずらして配置
されている。

【００３０】また、二つの１次回折光Ａ１，Ｂ１が回折
される透過型の回折格子１５上の点Ｔ１，Ｔ２とここで
回折された各１次回折光Ａ１，Ｂ１が集まる偏光ビーム
スプリッタ１４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５２Ａ，５２Ｂが設けられてい
る。これらの１／４波長板５２Ａ，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るとともに、互
いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅らせるよ
うに９０度方位をずらして配置されている。つまり、図
中左側の１／４波長板５１Ａと１／４波長板５２Ａと
が、同じ配置とされ、一方、図中右側の１／４波長板５
１Ｂと１／４波長板５２Ｂとが、同じ配置とされてい
る。

【００３１】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、偏光ビームスプリッタ１４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。

【００３２】また、分岐光束Ａとその反射光（０次光）
Ａ０とは、９０度方位をずらして配置された二つの各１
／４波長板５１Ａ，５１Ｂを通過するので、互いに直交
する方位の偏光成分の位相がそれぞれ９０度ずつ同じよ
うに遅れるようになり、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５１
Ｂを通過した後の０次光Ａ０（直線偏光）とは、偏光方
向は変化しない。そして、分岐光束Ｂとその反射光（０
次光）Ｂ０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
５１Ａを通過した後の０次光Ｂ０（直線偏光）とは、偏
光方向は変化しない。これにより、偏光ビームスプリッ
タ１４上の点Ｒでは、０次光Ａ０は透過され、０次光Ｂ
０は反射され、いずれもレーザ光源１３とは反対側に除
去される。

【００３３】図２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。

【００３４】また、図３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３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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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、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を通過して透過型の回折格子１５に
よって図中Ｑ１，Ｑ２点で回折された後、スケール１１
の回折格子１２上の同一回折点Ｐにそれぞれ対称方向か
ら入射される。この際、回折点Ｐ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，Ｂ
０が生成される。なお、回折点Ｐにおいて、各分岐光束
Ａ，Ｂの回折点Ｐへの入射角θ１と、各１次回折光Ａ
１，Ｂ１の回折角θ２とは、異なる角度となっている。

【００３８】次に、各１次回折光Ａ１，Ｂ１は、それぞ
れ透過型の回折格子１５によって図中Ｔ１，Ｔ２点で回
折されて１／４波長板５２Ａ，５２Ｂを通過する。そし
て、偏光ビームスプリッタ１４の図１中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
れる。その後、この混合波は無偏光ビームスプリッタ１
６により二波に分岐された後、検出器４１Ａ，４１Ｂに
よって電気信号に変換される。

【００３９】一方、各０次光Ａ０，Ｂ０は、それぞれ透
過型の回折格子１５によって図中Ｑ２，Ｑ１点で回折さ
れて１／４波長板５１Ｂ，５１Ａを通過する。そして、
偏光ビームスプリッタ１４の図１中Ｒ点上で０次光Ａ０
は透過され、０次光Ｂ０は反射され、これらの０次光Ａ
０，Ｂ０はレーザ光源１３とは反対側に除去される。

【００４０】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、光束分岐手段２１および光束
混合手段３１として透過型の回折格子１５が用いられて
いるので、前述した格子干渉型変位検出装置２００（図
８参照）のような光束分岐手段および光束混合手段とし
て一対のミラーを用いる場合に比べ、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。また、一枚の透過型の回折格子１５により、図１中
の四つの点Ｑ１，Ｑ２，Ｔ１，Ｔ２で各光束を回折させ
ることができるため、これらの四つの点に別体の透過型
の回折格子を設置する場合に比べ、装置をさらに簡略化
でき、装置の小型化、コスト低減を図ることができる。

【００４１】そして、偏光ビームスプリッタ１４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、このことによっても装置を簡略化できるため、
装置の小型化、コスト低減をより一層図ることができ
る。さらに、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、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１０２をスケール１０１として用いた格子
干渉型変位検出装置１００（図７参照）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。

【００４２】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１６を偏光ビームスプリッタ１４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（各検出器４１Ａ，４１Ｂに対す
るレーザ光源１３の熱の影響）を抑えることができる。
そして、このような四つの１／４波長板５１Ａ，５１
Ｂ，５２Ａ，５２Ｂの配置により、変位の検出に不要な
０次光Ａ０，Ｂ０をレーザ光源１３と反対側に確実に除
去することができる。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】〔第二実施例〕図４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。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１０と略同様な構成を有し、１
／４波長板の配置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。

【００４６】前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置
１０では、四つの１／４波長板５１Ａ，５１Ｂ，５２
Ａ，５２Ｂが設けられていたが、本第二実施例では、こ
れらの代わりに二つの１／４波長板５３Ａ，５３Ｂが設
けられている。図中左側の１／４波長板５３Ａは、透過
型の回折格子１５上の点Ｑ１とこの点Ｑ１で回折された
分岐光束Ａが入射するスケール１１の回折格子１２上の
回折点Ｐとの間の光路、および回折点Ｐとこの回折点Ｐ
で回折された１次回折光Ａ１が透過型の回折格子１５に
至る点Ｔ１との間の光路の近接する二つの光路に跨がる
ように設けられている。

【００４７】同様に図中右側の１／４波長板５３Ｂは、
透過型の回折格子１５上の点Ｑ２とこの点Ｑ２で回折さ
れた分岐光束Ｂが入射するスケール１１の回折格子１２
上の回折点Ｐとの間の光路、および回折点Ｐとこの回折
点Ｐで回折された１次回折光Ｂ１が透過型の回折格子１
５に至る点Ｔ２との間の光路の近接する二つの光路に跨
がるように設けられている。そして、これらの１／４波
長板５３Ａ，５３Ｂ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
されるとともに、互いに直交する方位の偏光成分の位相
を９０度遅らせるように９０度方位をずらして配置され
ている。

【００４８】このような第二実施例においては、１／４
波長板５３Ａが前記第一実施例の二つの１／４波長板５
１Ａ，５２Ａの機能を果たし、一方、１／４波長板５３
Ｂが前記第一実施例の二つの１／４波長板５１Ｂ，５２
Ｂの機能を果たし、その他の部分は前記第一実施例と同
様に作用する。

【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、透過型の回折格子１５が光束分岐手段
２１および光束混合手段３１として用いられているの
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という効果がある。そして、前記
第一実施例と同様に、偏光ビームスプリッタ１４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、このことによっても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。

【００５０】また、前記第一実施例の四つの１／４波長
板５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂと同様な機能を果た
す二つの１／４波長板５３Ａ，５３Ｂが設けられている
ので、前記第一実施例と同様に、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うえ、０次光Ａ０，Ｂ０
を確実に除去することができる。そして、二つの１／４
波長板５３Ａ，５３Ｂにより前記第一実施例の四枚分の
１／４波長板の機能を果たすことができるので、装置の
構成を簡略化することができ、コスト低減を図ることが
できる。

【００５１】さらに、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。

【００５２】〔第三実施例〕図５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。格子干渉型変位検出装置７０は、前記第一実施例の
格子干渉型変位検出装置１０と類似の構成を有し、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１６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。

【００５３】前記第一実施例の格子干渉型変位検出装置
１０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、偏光ビームスプリッタ１４上のＫ点では、１次回折
光Ａ１が透過され、１次回折光Ｂ１が反射され、レーザ
光源１３と同じ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。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１６および各検出器４１Ａ，４１Ｂ
は、前記第一実施例とは逆側、つまり偏光ビームスプリ
ッタ１４に対してレーザ光源１３と同じ側に設けられて
いる。

【００５４】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、透過型の回折格子１５が光束
分岐手段２１および光束混合手段３１として用いられて
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という効果がある。そし
て、前記第一、第二実施例と同様に、偏光ビームスプリ
ッタ１４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、このことによっても装置を簡略化
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。また、前記第一、第二実施例と
同様に、０次光Ａ０，Ｂ０をレーザ光源１３とは反対側
に確実に除去することができる。

【００５５】さらに、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。

【００５６】〔第四実施例〕図６には、本発明の第四実
施例である格子干渉型変位検出装置８０が示されてい
る。格子干渉型変位検出装置８０は、前記第三実施例の
格子干渉型変位検出装置７０と光束混合手段３１の一部
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。

【００５７】前記第三実施例の格子干渉型変位検出装置
７０では、偏光ビームスプリッタ１４が光束分岐手段２
１および光束混合手段３１に兼用されていたが、本第四
実施例では、光束分岐手段２１に前記第三実施例の偏光
ビームスプリッタ１４よりも小さな偏光ビームスプリッ
タ８１が用いられ、光束混合手段３１には、前記第三実
施例の偏光ビームスプリッタ１４の位置に配置された無
偏光ビームスプリッタ８２が用いられている。

【００５８】このような第四実施例においては、透過型
の回折格子１５上の点Ｔ１，Ｔ２で回折されて集められ
た各１次回折光Ａ１，Ｂ１を、無偏光ビームスプリッタ
８２上のＫ点の位置で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４１
Ａ，４１Ｂに送る。

【００５９】このような第四実施例によれば、前記第
一、第二、第三実施例と同様に、透過型の回折格子１５
が光束分岐手段２１および光束混合手段３１として用い
られているので、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という効果がある。
また、前記第一、第二、第三実施例と同様に、０次光Ａ
０，Ｂ０をレーザ光源１３とは反対側に確実に除去する
ことができる。

【００６０】さらに、前記第一、第二、第三実施例と同
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。

【００６１】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、前記各実施例では、一枚の透過
型の回折格子１５により、図中の四つの点Ｑ１，Ｑ２，
Ｔ１，Ｔ２を通る各光束を回折させていたが、一枚の透
過型の回折格子１５に限定されるものではなく、例え
ば、これらの四つの点にそれぞれ別々に四枚の透過型の
回折格子を設置するようにしてもよく、あるいは点Ｑ１
およびＴ１、点Ｑ２およびＴ２という組み合わせで二枚
の透過型の回折格子を設置するようにしてもよく、点Ｔ
１およびＴ２、点Ｑ１およびＱ２という組み合わせで二
枚の透過型の回折格子を設置するようにしてもよい。

【００６２】そして、前記第一、第二、第三実施例で
は、偏光ビームスプリッタ１４が光束分岐手段２１およ
び光束混合手段３１に兼用されていたが、光束分岐手段
２１を構成する偏光ビームスプリッタ（図中Ｒ点の位
置）と、光束混合手段３１を構成する偏光ビームスプリ
ッタ（図中Ｋ点の位置）とを、別々の偏光ビームスプリ
ッタとしてもよい。

【００６３】また、前記各実施例では、スケール１１
は、図２または図３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。

【００６４】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。

【００６５】さらに、前記第一、第二、第三実施例で
は、無偏光ビームスプリッタ１６は、偏光ビームスプリ
ッタ１４と平行に設けられていたが、無偏光ビームスプ
リッタ１６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１４により混合された混合波を二波に分
岐できればよい。

【００６６】また、前記第一実施例では、偏光ビームス
プリッタ１４と透過型の回折格子１５との間の各光路の
途中に、四枚の１／４波長板５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，
５２Ｂが設けられ、前記第二実施例では、透過型の回折
格子１５とスケール１１の回折格子１２上の回折点Ｐと
の間の各光路の途中に、兼用された二枚の１／４波長板
５３Ａ，５３Ｂが設けられていたが、１／４波長板はこ
れらの配置に限定されるものではなく、例えば、透過型
の回折格子１５上の四つの点Ｑ１，Ｑ２，Ｔ１，Ｔ２と
スケール１１の回折格子１２上の回折点Ｐとの間の各光
路の途中に、四枚の１／４波長板を設けるようにしても
よく、要するに、偏光ビームスプリッタ１４上の点Ｒと
回折格子１２上の回折点Ｐとの間の二つの光路の途中の
いずれかの場所に一対の１／４波長板が設けられ、かつ
回折格子１２上の回折点Ｐと偏光ビームスプリッタ１４
上の点Ｋとの間の二つの光路の途中のいずれかの場所に
一対の１／４波長板が設けられていればよい。

【００６７】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。

【００６８】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、光
束分岐手段および光束混合手段として透過型の回折格子
が用いられているので、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という効果が
ある。

【００６９】また、光束分岐手段を構成する透過型の回
折格子および光束混合手段を構成する透過型の回折格子
が、一枚の透過型の回折格子により構成されている場合
には、装置をさらに簡略化できるため、装置の小型化、
コスト低減をより一層図ることができるという効果があ
る。

【００７０】さらに、一つの偏光ビームスプリッタによ
り光束分岐手段および光束混合手段を兼用させた場合に
は、このことによっても装置をさらに簡略化できるた
め、装置の小型化、コスト低減をより一層図ることがで
きるという効果がある。

【００７１】また、本発明の格子干渉型変位検出装置
に、一対の１／４波長板を二組設けた場合、つまり合計
四枚の１／４波長板を設けた場合には、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でき、各機器の配置構成
の容易化、装置の小型化をより一層図ることができるう
え、各機器の熱的干渉（検出器に対するレーザ光源の熱
の影響等）を抑えることができるという効果がある。

【００７２】そして、前述したような１／４波長板を設
ける場合において、スケールの回折格子と透過型の回折
格子との間の各光路の途中に、兼用された一対の１／４
波長板を一組設けるようにすれば、合計二枚の１／４波
長板により前述した四枚分の１／４波長板の機能を果た
すことができるので、装置の構成を簡略化でき、コスト
低減をより一層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】前記第一実施例のスケールの断面図。

【図３】前記第一実施例のスケールの別の断面図。

【図４】本発明の第二実施例を示す構成図。

【図５】本発明の第三実施例を示す構成図。

【図６】本発明の第四実施例を示す構成図。

【図７】従来例を示す構成図。

【図８】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】

１０，６０，７０，８０ 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 １４，８１ 偏光ビームスプリッタ １５ 透過型の回折格子 １６，８２ 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，５３Ａ，５３Ｂ １
／４波長板 Ａ，Ｂ 分岐光束 Ａ１，Ｂ１ １次回折光 Ｐ 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

Claims (6)

【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
   同一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
   と、この偏光ビームスプリッタで分岐した各分岐光束を
   回折して前記スケールの回折格子上の同一点に入射させ
   る透過型の回折格子とを含み構成されるとともに、 前記光束混合手段は、前記スケールの回折格子上で回折
   された二つの光束を回折して同一点に集める透過型の回
   折格子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。
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、前記光束分岐手段を構成する透過型の回
   折格子および前記光束混合手段を構成する透過型の回折
   格子は、一枚の透過型の回折格子により構成されている
   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または請求項２に記載した格子
   干渉型変位検出装置において、前記光束混合手段は、前
   記透過型の回折格子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。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載した格子
   干渉型変位検出装置において、前記光束混合手段は、前
   記透過型の回折格子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、 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、互いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅
   らせるように配置された一対の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
   の点とこの点で回折された二つの光束が集まる前記偏光
   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、互いに直交する方位の偏光成分の位相を９０度遅ら
   せるように配置された一対の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５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と前記透過型の
   回折格子との間の各光路の途中には、兼用された一対の
   １／４波長板が一組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。