JPH11295029A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系を構成する部品点数を減らし、光学系
を小型化し、コストの低減を図る。 【解決手段】 可干渉性の光源と、前記光源から出射し
た光束を２つの光束に分岐するハーフミラーと、前記ハ
ーフミラーによって分岐された透過光と反射光を反射さ
せそれぞれ回折格子上の回折点に入射させる反射部材
と、前記回折格子を設け格子刻線方向と垂直方向に可動
としたスケールと、前記回折格子により回折された光束
の一方の光路に配置し光束の断面平面内位置により所望
の位相差が得られるよう複数の領域に分割された位相差
板と、前記回折格子により回折された光束を反射させ第
２のハーフミラーに入射させる反射部材と前記２つの反
射光束を合成する前記第２のハーフミラーと、前記２つ
の反射光束による干渉光をその位相差板の分割領域に対
応して複数の電気信号に変換するよう領域分割された光
電変換部材より構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変位測定装置、更
に詳しくは、回折格子により回折された２つの光束の干
渉光を光電変換部材で電気信号に変換し、回折格子の変
位を高精度に測定する装置に関し、特に、装置の部品点
数を減らし低コスト化に用いるのに適した変位測定装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の高分解能に変位を測定する装置と
して、微細ピッチの回折格子を設け、被測定物体と連動
して可動となるように設定したスケールを用い、スケー
ル上の回折格子に可干渉性の光束を照射し、回折格子に
よる回折光同士の干渉光強度変化を検出し、スケールの
変位を測定する装置が知られている。これは干渉性の光
源から出射した光束をビームスプリッターにより２光束
に分岐し、各々の光束をスケール上の回折格子に入射さ
せ、回折格子により回折した光束を別のビームスプリッ
ターにより再び合成し、干渉光強度を光電変換部材で検
出するものである。高分解能な変位の測定を行うために
は、非常に細かいピッチ（普通、光源の波長程度）の回
折格子が必要となり、一般にはレーザ光の２光束干渉に
よる干渉縞をホログラフィックに記録したものを用い
る。光学系の構成としては回折格子を透過する回折光同
士の干渉光を検出する透過型と、反射する回折光同士の
干渉光を検出する反射型の２つに大きく分類される。

【０００３】透過型の変位測定装置について図５を用い
て更に詳しく説明する。半導体レーザーに代表される可
干渉性の光源１１を出射した光束は、コリメーティング
レンズ１２により略平行光に調整され、偏光ビームスプ
リッター５１により、２光束に分岐される。分岐された
２光束は変位を測定する目的となる部材と連動して可動
するスケール１４に入射する。スケール１４にはその可
動方向に垂直な向きに刻線された回折格子１５が設けら
れており、回折格子１５に入射した２光束は、それぞれ
回折される。回折格子１５により回折された±ｍ次の回
折光（一般には回折効率の高い±１次の回折光を用い
る）は、ビームスプリッタ５２により合成され、光電変
換部材１８Ａ、１８Ｂに入射し、電気信号に変換され、
変位距離の検出に用いられる。干渉光強度は、回折格子
のピッチをｄとすると、ｄ／２の変位を１周期とする正
弦波信号となる。合成された２光束はそれぞれ偏光子１
６Ａ、１６Ｂにより直線偏光に変換され同一の偏光方向
成分同士の干渉光として光電変換部材１８Ａ、１８Ｂに
入射する。ここで、一方の光束に関しては、４分の１波
長板１７を透過させることにより、他方の干渉信号に比
較して位相が９０度ずれた信号が得られ、スケールの進
行方向の検出、及び出力信号の位相の検出に用いられ
る。例えば、回折格子のピッチを０.５μｍとすると、
出力信号は０.２５μｍを１周期とする正弦波信号とな
り、出力信号の位相を２５分割で測定すれば、０.０１
μｍの高い分解能が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
変位測定装置は、光源１１から出射した光束をその偏光
成分により２光束に分岐する偏光ビームスプリッタ５１
が必要であり、また、４分の１波長板１７を用い、直交
する偏光成分間においてπ／２の位相差を与えており、
π／２位相のずれた信号を得るために、光電変換部材１
８Ａ、１８Ｂ前面に偏光素子１６Ａ、１６Ｂを挿入し、
直交する偏光成分を取り出す必要がある。また、波長板
の位相精度は測定精度を決定するため、高分解能な変位
の測定を行うためには、位相精度の高い波長板が必要と
なる。偏光ビームスプリッタや高精度波長板のコストは
高く、また位相ずれ信号を得るためにビームスプリッタ
ーや偏光子が必要であるなど、光学系のコスト及び部品
点数が増加するという問題があった。また、波長板の位
相精度、光源の波長変動等により測定精度が低下すると
いう問題もあった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、構成部品点数を
削減し、コストを低減させるとともに、装置の小型化を
図れる変位測定装置を提供することにある。また、別の
目的として、測定精度の向上を図る変位測定装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、可干渉
性の光源と、前記光源から出射した光束を透過光と反射
光の２光束に分岐するハーフミラーと、前記ハーフミラ
ーにより分岐した２光束が入射し、微細ピッチの回折格
子が設けられ、前記回折格子の刻線方向と垂直方向に可
動としたスケールと、前記２光束の一方の光路に配置
し、光束の進行方向と垂直な断面平面内位置により所望
の位相差が得られるよう複数の位相領域に分割された位
相差板と、前記回折格子により回折された光束を合成す
る第２のハーフミラーと、合成された２光束による干渉
光を前記位相差板の位相領域に対応して、複数の電気信
号に変換するよう領域分割された光電変換部材よりな
り、前記光電変換部材からの複数の出力信号により前記
回折格子の変位を計測することを特徴としたものであ
る。

【０００７】また、請求光２に記載の発明は、可干渉性
の光源と、前記光源から出射した光束を透過光と反射光
の２光束に分岐するハーフミラーと、前記ハーフミラー
により分岐した２光束が入射し、微細ピッチの回折格子
が設けられ、前記回折格子の刻線方向と垂直方向に可動
としたスケールと、前記２光束の一方の光路に配置し、
光束の進行方向と垂直な断面平面内位置により所望の位
相差が得られるよう複数の位相領域に分割された位相差
板と、前記位相差板と同一の光路に設けられた位相変調
可能な液晶デバイスと、前記回折格子により回折された
光束を合成する第２のハーフミラーと、合成された２光
束による干渉光を前記位相差板の位相領域に対応して、
複数の電気信号に変換するよう領域分割された光電変換
部材よりなり、前記光電変換部材からの複数の出力信号
により前記回折格子の変位を計測することを特徴とした
ものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の変位測定装置に関
して、好適な実施形態を挙げ、図を用いて説明する。

【０００９】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態を説明する図である。可干渉性の光源１１か
ら出射した光束はコリメーティングレンズ１２により平
行光にされ、ハーフミラー１３により透過光と反射光に
分岐される。両光束とも回折格子１５が設けられたスケ
ール１４に入射する。回折格子１５による±１次回折光
を用い、ハーフミラー１６で合成し干渉させている。こ
こで、回折光のうち一方の光束は位相差板１７を透過し
所望の位相変調を受ける。以下に光学系の構成部品につ
いてさらに詳しく説明する。

【００１０】スケール１４は、回折格子１５の刻線方向
と直交する方向に可動とし、被測定物体と連動して動く
ように設定されている。従って、スケール１４の変位を
計測することにより、被測定物の変位を計測することが
できる。

【００１１】回折格子１５による１次回折光には、回折
格子１５の位置により位相項２πｄ／Ｄ（ｄ：回折格子
の変位、Ｄ：回折格子ピッチ）が重畳され、回折方向の
違いにより正負逆の位相項が重畳される。従って、±１
次回折光同士の干渉光強度はスケール１４の変位に伴っ
て正弦波状に変化し、スケール１４が回折格子２分の１
ピッチ変位するのを１周期とする正弦波信号となる。

【００１２】回折格子１５による回折光のうち、一方の
光束は、位相差板１７を透過し光束の進行方向に垂直な
断面位置に応じてステップ状の位相変調を受ける。位相
差板１７は、例えば図２（ａ）に示すようにステップ状
に位相の異なる位相領域２１、２２に分割されており、
ガラス基板上の一方の領域に透明薄膜を形成することに
より作成できる。例えば、π／２の位相差を与えるため
には、（ｎ−１．０）ｔ＝λ／４（ｎ：薄膜屈折率、
ｔ：膜厚、λ：波長）の式を満たす透明薄膜を形成する
ことにより作成できる。図に示した０、π／２等は、そ
の領域の相対位相差を示している。また、図に示した点
線は光束の断面形状の一例を示している。

【００１３】両回折光は、ハーフミラー１６で合成され
干渉し、干渉光強度は光電変換部材１８により電気信号
に変換される。光電変換部材の受光面は位相差板のそれ
ぞれの位相領域に対応して分割されており、それぞれの
受光面の光強度を電気信号に変換することができる。

【００１４】図には記載していないが、光電変換部材の
受光面を分割する替わりに、干渉光をハーフミラーで分
割し、位相差板の位相領域に対応した位置に配置した２
個の光電変換部材によりそれぞれの干渉光を検出するこ
ともできる。

【００１５】図２（ａ）のような位相分布を持たせた場
合、それぞれの位相領域に対応する干渉光強度信号は、
お互いに９０度位相のずれた正弦波信号になり、これら
の信号を用いることによりスケールの進行方向の判定を
行い、また、信号の位相を求めることにより、回折格子
ピッチ内の変位の内挿が行え、高精度の変位の計測がで
きる。

【００１６】さらに、図２（ｂ）のような位相分布を持
たせた場合、位相領域２３、２４に対して、位相領域２
５、２６から得られる信号は、それぞれ反転信号となっ
ており、それぞれの信号の差算を行うことにより、干渉
信号のＤＣ成分の除去を行う事ができる。

【００１７】本発明は計測に必要な所定の位相ずれ信号
を得る手法に特徴があり、干渉光学系については図１に
示した構成以外に種種の構成が考えられる。

【００１８】（第２の実施形態）図３は、第２の実施形
態を示す図であり、第１の実施形態に加えて、位相変調
素子として用いる液晶デバイスを加えた点に特徴があ
る。

【００１９】図３は、本発明の第２の実施形態を説明す
る図である。可干渉性の光源１１から出射した光束はコ
リメーティングレンズ１２により平行光にされ、ハーフ
ミラー１３により透過光と反射光に分岐される。両光束
とも回折格子１５が設けられたスケール１４に入射し、
回折される。それぞれの回折光のうち±１次回折光をハ
ーフミラー１６で合成し干渉させている。

【００２０】スケール１４は、回折格子１５の刻線方向
と直交する方向に可動し、被測定物体と連動して動くよ
うに設定されている。従って、スケール１４の変位を計
測することにより、被測定物体の変位を計測することが
できる。

【００２１】回折格子１５による回折光のうち、一方の
光束は、位相差板１７を透過しビーム断面位置に応じて
ステップ状の位相変調を受ける。

【００２２】このときの位相差を９０度とすることによ
り、サイン、コサイン２相の正弦波信号が得られ、この
２つの信号からスケール停止位置での出力信号の位相を
求め、回折格子ピッチ以下の変位の内挿を行うことがで
きる。従って、２相の出力信号間の位相差が９０度から
ずれた場合、測定精度の低下をもたらす。

【００２３】位相差誤差を与える要因としては、位相差
板１７自体の位相差誤差に加えて、位相差板１７に入射
する光束の波面精度が考えられる。また、温度変化によ
る光学系の歪みや光源の波長変動などの影響も考えら
れ、光学系の部品精度、調整等の追い込みにより位相差
誤差を低減させるのには限界があり、なんらかの補正機
構があることが望ましい。

【００２４】第２の実施形態では、位相差板１７と同一
の光路に位相変調可能な液晶デバイス３１を配置してお
り、位相差誤差の補正をすることができる。

【００２５】液晶デバイス３１の一例を、図を用いて示
す。図４は液晶デバイスの断面図を示しており、透明電
極が形成されたガラス基板４１ａ、４１ｂにホモジニア
ス液晶が封入された素子を示している。上下の電極間に
電圧を印加していない場合は、ガラス基板と平行に液晶
分子がならんでおり、電極４２ａに電圧を印加すること
により、電界に沿って液晶分子が立つ様子を示してい
る。液晶には屈折率異方性があり、液晶分子長軸及び短
軸方向に平行な偏光成分間で屈折率が異なる。液晶分子
に平行な直線偏光を入射した場合、電圧印加により屈折
率が変化し、位相変調を行うことができる。

【００２６】図４ではホモジニアス配向の液晶デバイス
について説明したが、位相変調が可能な素子であれば、
ホメオトロピック型、ツイストネマティック型など各種
モードの液晶デバイスの使用が考えられる。

【００２７】位相差板の誤差、温度変化、波長変動等の
系時的変化に対応し、位相変調量を調整することによ
り、正確に９０度位相ずれ信号が得られ、出力信号の位
相測定精度が向上し、高精度な変位計測を達成する事が
できる。スケール停止時に液晶の変調電圧を変化させ、
光電変換部材からの電気信号をモニターすることによ
り、その時点で必要となる正確な位相変調量を求めるこ
とができる。

【００２８】両回折光は、ハーフミラー１６で合成され
干渉し、干渉光強度は光電変換部材１８により電気信号
に変換される。光電変換部材の受光面は位相差板１７、
液晶デバイス３１のそれぞれの位相領域に対応して分割
されており、それぞれの受光面の光強度を電気信号に変
換することができる。

【００２９】位相差板１７と液晶デバイス３１の位相変
調の和を図２（ａ）のようにした場合、それぞれの位相
領域２１、２２に対応する干渉信号は、お互いに９０度
位相のずれた正弦波信号となり、これらの信号を用いる
ことにより、スケールの進行方向の判定を行うことがで
き、また、出力信号の位相を求めることにより、回折格
子ピッチ内の変位の内挿が行える。ここで、スケールの
進行方向の判定には、２相信号間の位相差の精度が高い
必要はないので、スケール移動時には、液晶デバイス３
１による位相補正の必要はない。

【００３０】さらに、図２（ｂ）のような位相分布を持
たせた場合、位相領域２３、２４に対して、位相領域２
５、２６から得られる信号は、それぞれ反転信号となっ
ており、それぞれの信号の差算を取ることにより、干渉
信号のＤＣ成分の除去を行う事ができる。

【００３１】図３では位相差板１７と液晶デバイス３１
を分離して図示しているが、位相差板１７は透明基板上
に所望の位相差を与える透明薄膜を形成したものであ
り、液晶デバイス３１を構成するガラス基板上に透明薄
膜を形成し両者を一体化することもできる。

【００３２】また、液晶デバイス３１は、その位相変調
量を印加電圧で制御することができるので、図２に示す
ように空間的に位相差を与える必要は必ずしも無く、所
望の位相差を時系列に与え、その時の光強度を計測する
こともできる。

【００３３】第１の実施形態と同様に、本発明は計測に
必要な所定の位相ずれ信号を得る手法に特徴があり、干
渉光学系については図１に示した構成以外に種種の構成
が考えられる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、レーザービームの断面
位置により位相ずれ信号を得ているため、入射光の偏光
方向、及び検出する干渉光の偏光方向は問題とならず、
高価な偏光ビームスプリッター、光電変換部材前面の偏
光子が必要なくなるなど、部品点数の削減、コストの低
下が可能となり、また光利用効率の向上が図れる。

【００３５】本発明の第２の実施形態によると、位相誤
差は液晶デバイスへの印可電圧を調整することにより小
さくでき、測定精度の向上が図れる。

【００３６】また、液晶デバイスは印可電圧によりその
位相変調量を制御できるため、時系列に位相変調量を変
調し、位相ずれ信号を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における変位測定装置
を示す構成図である。

【図２】計測に用いるコヒーレント光の断面平面におけ
る位相分布を説明する図である。

【図３】本発明の第２の実施形態における変位測定装置
を示す構成図である。

【図４】本発明の第２の実施形態に用いる液晶デバイス
を説明する断面図である。

【図５】従来の変位測定装置の一例を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１１ 光源 １４ スケール １５ 回折格子 １７ 位相差板 １８ 光電変換部材 ３１ 液晶デバイス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可干渉性の光源と、前記光源から出射し
   た光束を透過光と反射光の２光束に分岐するハーフミラ
   ーと、前記ハーフミラーにより分岐した２光束が入射
   し、微細ピッチの回折格子が設けられ、前記回折格子の
   刻線方向と垂直方向に可動としたスケールと、前記２光
   束の一方の光路に配置し、光束の進行方向と垂直な断面
   平面内位置により所望の位相差が得られるよう複数の位
   相領域に分割された位相差板と、前記回折格子により回
   折された光束を合成する第２のハーフミラーと、合成さ
   れた２光束による干渉光を前記位相差板の位相領域に対
   応して、複数の電気信号に変換するよう領域分割された
   光電変換部材よりなり、前記光電変換部材からの複数の
   出力信号により前記回折格子の変位を計測することを特
   徴とする変位測定装置。
2. 【請求項２】 可干渉性の光源と、前記光源から出射し
   た光束を透過光と反射光の２光束に分岐するハーフミラ
   ーと、前記ハーフミラーにより分岐した２光束が入射
   し、微細ピッチの回折格子が設けられ、前記回折格子の
   刻線方向と垂直方向に可動としたスケールと、前記２光
   束の一方の光路に配置し、光束の進行方向と垂直な断面
   平面内位置により所望の位相差が得られるよう複数の位
   相領域に分割された位相差板と、前記位相差板と同一の
   光路に設けられた位相変調可能な液晶デバイスと、前記
   回折格子により回折された光束を合成する第２のハーフ
   ミラーと、合成された２光束による干渉光を前記位相差
   板の位相領域に対応して、複数の電気信号に変換するよ
   う領域分割された光電変換部材よりなり、前記光電変換
   部材からの複数の出力信号により前記回折格子の変位を
   計測することを特徴とする変位測定装置。