光エンコーダ
【課題】本発明は、高分解能を備えると同時に、光学要素のアライメントが容易な光エンコーダを提供することを目的とする。さらに、本発明は、新規な光学要素を含むことによって従来の光エンコーダにおいて必須であった波長板や偏光板などの追加の構成を必要としないコンパクトな光エンコーダを提供することを目的とする。
【解決手段】測定対象に形成されたスケールの格子周期よりも、分岐した２つの回折光を合波する側の回折格子の格子周期を大きくすることによって、２つの回折光の集光角度を小さくする。このように構成することによって、合波する側の回折格子を設置する光軸方向の位置の許容範囲が大きくなり、アライメントが格段に容易になる。また、このように構成しても、光エンコーダの高精度な分解能を維持しうることを実証した。
【解決手段】測定対象に形成されたスケールの格子周期よりも、分岐した２つの回折光を合波する側の回折格子の格子周期を大きくすることによって、２つの回折光の集光角度を小さくする。このように構成することによって、合波する側の回折格子を設置する光軸方向の位置の許容範囲が大きくなり、アライメントが格段に容易になる。また、このように構成しても、光エンコーダの高精度な分解能を維持しうることを実証した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的に測定対象の移動量を測定する光エンコーダに関し、より詳細には、光学系の設計において自由度が大きく、光学要素の位置あわせが容易な光エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回折格子が形成されたスケールを用いて測定対象の移動量をμｍ以下のオーダーで高精度に測定する格子干渉型変位測定装置としての光エンコーダが実用化されている。一般に、光エンコーダにおいては、回折格子が形成されたスケールに対し、同一波長の２つのコヒーレント光を等しい入射角で入射させたのち、それぞれの回折光を合波干渉させた結果得られる光強度信号からスケールの移動量が導出される。特開平６−１９４１８９号公報（特許文献１）が開示する従来型の光エンコーダにおいては、光源からの光をビームスプリッタにより二分割し、分割された２つの光をスケールに入射させる構成を採用していたが、特許文献１が開示するミラーやレンズなどの光学要素からなる光学系においては、２つの光を等しい入射角で入射させるためのアライメントは容易ではなかった。加えて、特許文献１が開示する光エンコーダにおいては、ビームスプリッタにより２つの光を生成する構成を採用しているため、２つの光の光量を等しくすることができず、その結果、高い分解能の実現が難しかった。
【０００３】
この点につき、特開平６−２２９７１８号公報（特許文献２）は、光源からの光を二分割する手段として透過型の回折格子を用いることによって、光源光を等しい光量を有する＋１次および−１次回折光に分離してスケールに対して光源の光軸に対して対称に入射させる構成を開示する。さらに、特許文献２は、上述した＋１次および−１次回折光を回折格子によって合波する構成も同時に開示する。合波干渉法の原理によれば、スケールの格子周期が短いほど高精度に変位を測長できるが、分離した光を合波する側の回折格子の格子周期もこれに合わせて同様に短くするとすれば、分離した光を合波する側の回折格子の厳密な位置あわせ精度が要求されることとなる。この点につき、特許文献２は、上記光学系を構成する複数の回折格子の格子周期の関係について、何ら具体的な開示をするものではなかった。
【特許文献１】特開平６−１９４１８９号公報
【特許文献２】特開平６−２２９７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、高分解能を備えると同時に、光学要素のアライメントが容易な光エンコーダを提供することを目的とする。さらに、本発明は、新規な光学要素を含むことによって従来の光エンコーダにおいて必須であった波長板や偏光板などの追加の構成を必要としない
コンパクトな光エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、分解能を犠牲にすることなく、光学要素のアライメントの困難性を緩和することのできる光エンコーダの光学系の構成につき鋭意検討した結果、合波する側の回折格子の格子周期をスケールの格子周期よりも大きくとっても、変位の精度には関係なく合波干渉部の位置あわせが容易になることに加え、スケールに照明する光を１箇所にしても再現性のある実用的な分解能が実現しうることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００６】
すなわち、本発明によれば、回折光分岐部と回折光合波干渉部とを含む光エンコーダであって、前記回折光分岐部および前記回折光合波干渉部はプレナー型回折格子で構成され、前記回折光分岐部の回折格子周期よりも、前記回折光合波干渉部の回折格子周期の方が大きい光エンコーダが提供される。本発明においては、前記回折光合波干渉部の回折光を合波する回折格子の周期方向の幅が、干渉縞の明暗を一様に検出する長さ以下とすることが好ましい。
【０００７】
また、本発明によれば、前記回折光分岐部で回折された２つの回折光の各光路に対して１／４波長板が配設された光エンコーダが提供される。さらに本発明の別の構成によれば、前記回折光分岐部で回折された２つの回折光のうち、一方の回折光の光路に１／２波長板が配設され、さらに、前記回折光合波干渉部の後方に１／４波長板が配設された光エンコーダが提供される。
【０００８】
さらに加えて、本発明の別の構成によれば、前記回折光合波干渉部の回折光を合波する回折格子が、Ａ相の信号を生成するための第１の回折格子とＢ相の信号を生成するための第２の回折格子からなり、前記第１の回折格子の格子周期と前記第２の回折格子の格子周期は等しく、前記第１の回折格子および前記第２の回折格子の回折格子位置は、互いに周期方向に対し前記格子周期の１/８だけシフトしている、光エンコーダが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明によれば、高分解能を備えると同時に、光学要素のアライメントが容易な光エンコーダが提供される。また、本発明によれば、波長板や偏光板などの追加の構成を必要としないコンパクトな光エンコーダが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態である光エンコーダ１０の概略図を示す。なお、図１には、光エンコーダ１０の機能を説明するために矢印で光路を示している（以下、図２〜図４において同様）。本実施形態の光エンコーダ１０は、ヘリウム−ネオンレーザ、固体レーザ、半導体レーザといった光源１２から照射されるコヒーレント光を+１次回折光と−１次回折光に分岐させるための回折光分岐部Ｒと、当該分岐した回折光を合波させるための回折光合波干渉部Ｉと、合波干渉光を検出するための光検出部Ｄとを含んで構成される。
【００１２】
光源１２から照射されるコヒーレント光は、反射型回折格子として構成されるスケール１４の周期方向に対して垂直に入射したのち、＋１次と−1次に回折される。この＋１次および−１次の２つの回折光ａおよびｂはスケール１４の相対的な変位に対応した位相差をもっており、回折光合波干渉部Ｉにおいて合波されると同時に干渉して、その干渉光強度が光検出部Ｄにより検出される。この信号より、スケール１４の相対的変位量を測定することができる。なお、図１においては、スケール１４からの０次光（直進光）は図示されていないが、必要に応じて遮断されているものとする（以下、図２〜図４において同様）。
【００１３】
本実施形態においては、スケール１４は、移動ステージ１５によって移動自在とされており、移動方向Ｍに垂直な格子構造を有するプレナー型の回折格子として構成されており、光源１２からの入射光が入射方向に対して回折角θをもって対称に回折されるように配置されている。ただし、実際の構成にあっては、スケール１４からの戻り光が光源１２に直接戻らないように、回折方向と垂直方向の角度を、９０°からわずかにずらすことが好ましい。
【００１４】
スケール１４に反射して回折した２つの回折光ａおよびｂは、それぞれ回折格子１６ａおよび回折格子１６ｂに入射する。回折格子１６ａおよび１６ｂは、いずれもスケール１４と同じ格子周期の回折格子として構成されており、スケール１４の周期方向と回折格子１６ａ、１６ｂの周期方向とが平行になるように、２つの回折格子１６ａ、１６ｂが配置される。このように構成されるため、２つの回折光ａおよびｂは、それぞれ、回折格子１６ａおよび１６ｂを通過後、平行な２つのビームａ’およびｂ’になる。すなわち、本実施形態においては、スケール１４と回折格子１６ａおよび１６ｂによって回折光分岐部Ｒが構成される。
【００１５】
次に分岐して平行光となったビームａ’およびｂ’は、それぞれが位相調節装置として用いられる１／４波長板１８ａおよび１８ｂを経たのち、回折格子２０によって回折され、集光する。回折格子２０は、スケール１４、回折格子１６ａ、１６ｂの周期方向とその周期方向が平行となるように配置されている。ここで、１／４波長板１８ａおよび１８ｂの光軸は、ビームａ’およびｂ’の偏光方向に対しそれぞれ＋４５°および−４５°の角度をなして配置されており、ビームａ’およびｂ’は、それぞれ１／４波長板１８ａおよび１８ｂを経たのち、右回り円偏光ａ”および左回り円偏光ｂ”となったのち、回折格子２０によって回折される。回折した２つのビームａ”およびｂ”が集光して重なる位置に回折格子２２が配設されており、回折格子２２によって合波され干渉を生じる。回折格子２２は、スケール１４、回折格子１６ａ、１６ｂ、および回折格子２０の周期方向とその周期方向が平行となるように配置されている。すなわち、本実施形態においては、回折格子２０と回折格子２２によって回折光合波干渉部Ｉが構成される。
【００１６】
次に、合波干渉された合波干渉光ｃは、干渉縞の明暗が一様な部分を取り出すために配設されたスリット２４によって回折方向のビーム幅を制限されたのち、一部は、ハーフミラーもしくはビームスプリッタによって構成される透過・反射板２６を通過して偏光板２８に入射し、この偏光板２８によって回折光a、ｂの偏光と同じ方向かもしくはこれと４５°ずれた偏光成分が取り出され、Ａ／Ｂ相信号として光検出器３０によって検出される。また、他の一部は、透過・反射板２６で反射されたのち偏光板２８に入射し、この偏光板２８によって検出器３０で検出したＡ／Ｂ相信号の偏光とは４５°偏光がずれた偏光成分が取り出され、Ａ／Ｂ相信号として光検出器３２によって検出される。すなわち、本実施形態においては、透過・反射板２６、偏光板２８、光検出器３０、３２によって光検出部Ｄが構成される。
【００１７】
なお、光検出部Ｄにおいて検出される２つのＡ／Ｂ相信号は、スケール１４の移動方向Ｍに対し９０°位相がずれた正弦波信号として検出される。移動ステージ１５の所定の移動方向に対して、位相が９０°遅れる側の検出信号をＢ相信号、基準となる検出信号をＡ相信号と決めれば良く、Ａ相信号、Ｂ相信号は固定的なものではなく、Ａ／Ｂ相信号の相互の位相差が９０°になっていることが重要である。Ａ相信号およびＢ相信号は、この２つの信号を用いることによって、移動方向等を含めたスケール１４の変位が高精度に測定される。以上、本実施形態の光エンコーダ１０の物理的構成をその機能とともに説明してきたが、さらに、本実施形態の光エンコーダ１０の特徴について以下説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の光エンコーダ１０においては、光を分岐、集光、および干渉させる手段がすべてプレナー型回折格子によって構成されている。このように構成することによって、従来のレンズやミラーなどを用いた光学系に比べてそのアライメントが格段に容易になる。すなわち、所望の光路を設計するにあたって、上述したスケール１４、回折格子１６、回折格子２０および回折格子２２について格子周期を設計するだけで一義的に所望の光路が実現できる。本実施形態の光エンコーダ１０においては、スケール１４の格子周期と回折格子１６の格子周期が等しくなるように設計されているため、スケール１４に反射して回折した２つの回折光ａおよびｂは、それぞれ回折格子１６ａおよび回折格子１６ｂによって自動的に平行光ａ’ｂ’になる。本実施形態においては、このように分岐した２つの回折光を回折して平行光にする構成を採用することによって、光エンコーダ１０の光学系を光源１２の光軸に対して対称に構築することが可能となることに加え、回折光分岐部Ｒと回折光合波干渉部Ｉとの離間距離Ｓを自由に設計することが可能となるため、装置設計における自由度が増大する。
【００１９】
さらに、本実施形態の光エンコーダ１０は、以下に説明する特徴を有する。従来、分岐させた２つの回折光を合波させる構成においては、回折光を分岐する側の回折格子の格子周期と回折光を合波させる側の回折格子の格子周期が等しくなるように設計することが常識とされていた。これは、通常、できるだけ周期を短くした方がコンパクトに機器を構成できると同時に、同じ周期の回折格子で平行ビームａ’、ｂ’を回折させた方が、空間的な位相の平均的な乱れを少なくでき、波面収差の少ないビームａ”、ｂ”を用いて合波させることにより高精度な合波干渉信号を得ることを企図するからである。しかしながら、本発明者は、光エンコーダ１０のアライメントについて検討した結果、図１に示す光エンコーダ１０において、回折光分岐部Ｒを構成するスケール１４、回折格子１６の格子周期と、回折光合波干渉部Ｉを構成する回折格子２０、２２の格子周期をあえて異ならしめるという着想を得、実際に、両者の格子周期を異ならしめて回折格子２２のアライメント精度を緩和させても、検出信号が劣化することなく高精度な変位を測定できることを実証した。
【００２０】
すなわち、本実施形態の光エンコーダ１０において、回折光合波干渉部Ｉの格子周期は、回折光分岐部Ｒの周期格子よりも大きくなるように設計されている。このように構成することによって、測定精度の向上を企図して回折光分岐部Ｒの格子周期を短くすることに伴い、非常に大きくならざるを得ないスケール１４の回折角度θに対し回折格子２０、２２の格子周期を回折光分岐部Ｒの格子周期よりも大きくなるように設計することで、回折格子２０で回折されて回折格子２２に集光・合波されるビームａ”、ｂ”の集光角度θ”を小さくすることが可能となる。その結果、集光角度θ”が小さいほど、集光ビームａ”、ｂ”の光軸方向に重なる領域が広がるので、回折格子２２を設置する光軸方向の位置の許容範囲が大きくなり、光エンコーダ１０のアライメントが格段に容易になる。すなわち、本発明によれば、測定精度を犠牲にすることなく再現性のある位置あわせが可能な、極めて実用的な測長器が構築される。
【００２１】
以上、本発明を図１に示す実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であることはいうまでもない。以下、図２および図３にそれを例示して説明する。
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施形態である光エンコーダ４０を示す。図２においては、図１に示した光エンコーダ１０と共通する構成要素について同じ符号を用い、また、光エンコーダ１０について既述した部分ついてはその説明を省略するものとする（以下、図３および図４においても同様）。
【００２３】
第２の実施形態である光エンコーダ４０においては、ビームａ’が位相変調装置として用いられる１／２波長板４２を経ることによって直線偏光の回折光の偏光が９０°回転させられたのち回折格子２０に入射する一方、ビームｂ’はそのまま回折格子２０に入射する。その結果、ビームａ’およびビームｂ’の２つの回折光の偏光方向が直交するように構成されている。さらに、第２の実施形態である光エンコーダ４０においては、回折格子２２による合波干渉光が、その偏光方向と４５°の角度をなしている１／４波長板４４を経たのち、一部は、透過・反射板２６を通過して偏光板２８に入射し、この偏光板２８によって回折光ａ、ｂの偏光と同じ方向かもしくはこれと４５°ずれた偏光成分が取り出され、Ａ／Ｂ相信号として光検出器３０によって検出される。また、他の一部は、透過・反射板２６で反射されたのち偏光板２８に入射し、この偏光板２８によって光の回折光と４５°偏光がずれた偏光成分が取り出され、Ａ／Ｂ相信号として光検出器３２によって検出される。この場合も、光検出器３０，３２において検出される２つのＡ／Ｂ相信号は、スケール１４の移動方向Ｍに対し相互に９０°位相がずれた２つの正弦波信号として検出される。このようにして、光エンコーダ４０は、図１に示した光エンコーダ１０と同様に高精度なリニア変位計として機能する。なお、本発明における回折光分岐部は、図１および図２に示した構成に限定されるものではないことに留意されたい。この点につき、さらに、本発明の第３の実施形態として図３を参照して説明する。
【００２４】
図３は、本発明の第３の実施形態である光エンコーダ５０を示す。本発明は、図１および図２に示したように、光源１２からの光をスケールに直接的に垂直入射させるものに限定されるものではなく、図３に示されるように、光源１２からの光を透過型の回折格子５２に対して垂直入射させ、分岐した２つの回折光をスケール５４上の離間した２点に入射させ、そこからの回折光を回折光合波干渉部Ｉにおいて合波干渉させる構成をも含む概念である。なお、図３においては、その説明の便宜のため、１／２波長板および１／４波長板を省略しているが、第１および第２の実施形態について上述したように、ビームａ’、ビームｂ’、およびビームｃの光路上の所定の位置に１／２波長板もしくは１／４波長板が適宜配設されることを理解されたい。
【００２５】
さらに、本発明の第４の実施形態を、図４を参照して説明する。図４は、本発明の第４の実施形態である光エンコーダ６０を示す。図４に示されるように、光エンコーダ６０においては、上述した第１〜第３の実施形態において用いられていた１／２波長板、１／４波長板、偏光板など、Ａ／Ｂ相信号を生成するための追加の構成を必要としない。本実施形態においては、回折格子６２が、Ａ／Ｂ相信号生成の機能を併せもつ。以下、本実施形態における回折格子６２について図５を参照して以下説明する。
【００２６】
図５は、本実施形態における回折格子６２とその後方に配置される透過・反射板２６とを示す概略図である。回折格子６２は、Ａ／Ｂ相信号生成用の回折格子ＡとＡ／Ｂ相信号生成用の回折格子Ｂという２つの回折格子から構成されており、回折格子Ａと回折格子Ｂとは、両者の共通する周期構造方向Ｘに対して垂直方向に距離ｄをもって離間して配置されている。回折格子Ａと回折格子Ｂは、同じ格子周期Ｐを有しており、且つ、回折格子Ａと回折格子Ｂとは、その回折格子位置が、格子周期Ｐの1／８だけずれて配置されている。回折格子Ａと回折格子Ｂがこのように配置されている結果、回折格子Ａで合波干渉された光強度と回折格子Ｂで合波干渉された光強度は、互いに９０°だけ位相がずれた正弦波状のＡ／Ｂ相信号となる。
【００２７】
回折格子Ａを経た合波干渉光は、図示しないスリットを経て、透過・反射板２６の透過部ｔを通過したのち、図示しない光検出器によってＡ／Ｂ相信号として検出される一方、回折格子Ｂを経た合波干渉光は、透過・反射板２６の反射部ｒで反射されたのち、図示しない光検出器によってＡ／Ｂ相信号として検出される。本実施形態においては、回折格子Ａからの合波干渉光と回折格子Ｂからの合波干渉光が互いに混入しないようにするため、回折格子Ａと回折格子Ｂとの離間距離ｄを１００〜１５０μｍとすることが好ましい。
【００２８】
図４には、回折格子６２の後方にスリット２４を配置する構成を示したが、本実施形態においては、図５に示した回折格子６２の横幅Ｗを、スリット２４の開口部の幅と同じ大きさにすることによって、干渉光強度が一様に変化する領域を選択することができ、その結果、スリット２４を省略することができる。なお、この構成は、上述した第４の実施形態に限らず、図１〜図３に示した実施形態における回折格子２２についても同様に適用することができることはいうまでもない。すなわち、回折格子２２の格子構造が作製されている領域の横幅を、スリット２４の開口部の幅と同じ大きさにすることによってスリット２４を省略することができる。
【００２９】
さらに、本実施形態においては、回折格子Ａおよび回折格子Ｂのそれぞれの配置位置方向に対応するように２分割された受光器を用いて、Ａ相、Ｂ相に対応する信号を直接検出するようにすれば、透過・反射板２６を省略することができ、光エンコーダ６０をさらにコンパクトな構成にすることが可能となる。
【００３０】
なお、本発明におけるプレナー型回折格子は、フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーで作製したマスクパターンを用いて、軟質ガラス、パイレックス（登録商標）、石英ガラス、ゼロ膨張ガラスなどの基板を直接エッチングしたり、または、石英ガラス、シリコンなどで作製した金型を用いてレプリカ(複製)を作製して、その周期構造を形成することが可能であり、また、これを反射型回折格子として作製する場合には、これらの回折格子の表面に誘電体多層膜や反射金属膜などの光反射膜をコーティングするか、もしくは、基板に、誘電体多層膜や反射金属膜などの光反射膜をコーティングした上に、上述した材料で周期構造を形成することによって作製することができる。また、本発明においては、第１〜第４の実施形態における回折格子１６および回折格子２０をブレーズ回折格子とすることができる。回折格子１６および回折格子２０にブレーズ回折格子を採用することによって回折効率が向上し、光の利用効率が高くなるので、低出力の小型で安価な半導体レーザを用いることができ、コンパクトな装置を構成することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の光エンコーダについて、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
【００３２】
（実施例１）
図１に示した第１の実施形態である光エンコーダ１０を下記の条件で実際に構築して性能評価を行った。本実施例においては、スケール１４および回折格子１６に1200本/mm（周期：0.833μm）の回折格子を用い、回折格子２０および回折格子２２に110本/mm（周期：0.909μm）の回折格子を用いた。なお、スリット２４の開口幅を100μmとした。なお、本実施例においては、光源１２には、635nmの半導体レーザを用い、移動ステージ１５にピエゾステージを用いて、スケール１４を約10nmステップで移動させた。光検出器には、Ｓｉフォトダイオードを用いた（以下、実施例２についても同様）。
【００３３】
図６にＡ相とＢ相の出力信号を示し、これをリサージュ図形にしたものを図７に示す。図６に示される正弦波信号の１周期は、スケール周期の半分の0.4166μmに相当し、約４０分割で0.01μmの分解能であり、これ以下のｎｍオーダの分解能が得られることが示された。
【００３４】
（実施例２）
図４に示した第４の実施形態である光エンコーダ６０を下記の条件で実際に構築して性能評価を行った。本実施例においては、スケール１４および回折格子１６に1200本/mm（周期：0.833μm）の回折格子を用い、回折格子２０に110本/mm（周期：0.909μm）の回折格子を用いた。また、回折格子６２の回折格子Ａおよび回折格子Ｂにいずれも110本/mm（周期：0.909μm）の回折格子を用い、且つ、回折格子Ａと回折格子Ｂの間隙ｄを150μmとした。なお、スリット１４の開口幅を100μmとした。
【００３５】
図８にＡ相とＢ相の出力信号を示し、これをリサージュ図形にしたものを図９に示す。図８に示される正弦波信号の1周期は、スケール周期の半分の0.4166μmに相当し、約40分割で0.01μmの分解能であり、これ以下のnmオーダの分解能が得られることが示された。
【００３６】
併せて、図４に示した構成からスリット１４を除去し、回折格子６２（回折格子Ａおよび回折格子Ｂ）の格子幅Ｗを100μｍにして、上述したのと同様に測定を行った。その結果、スリット１４を除去したにもかかわらず同等の高分解能が得られることが示された。これらの回折格子に対する実際の集光角度：θ”は、使用波長をλ、回折格子の周期をＰとすると、θ”=sin-1（λ/Ｐ）で表される。すなわち、使用波長を0.635μmとすると、周期が0.833μm（1200本/ｍｍ）、1.6μm（625本/ｍｍ）、3.33μm（300本/ｍｍ）、9.09μm（110本/ｍｍ）の回折格子に対する集光角度：θ”は、それぞれ、49.7°、23.4°、11.0°、4°となる。よって、回折格子の周期が大きくなるにつれて、ほぼ比例的に位置合わせ精度が緩和できることがわかる
【００３７】
また、回折格子２０および回折格子６２に300本/mm（周期：3.33μm）を用いた場合については、110本/mmに比較すると合波位置に合わせる精度が厳しくなるものの、625本/ｍｍ（周期：1.6μm）の回折格子では再現性の良い位置合わせが難しかったのに対して、この300本/mmの回折格子では、再現性のある位置あわせが充分に可能であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上、説明したように、本発明によれば、高分解能を備えると同時に、光学要素のアライメントが容易な光エンコーダが提供される。また、本発明によれば、波長板や偏光板などの追加の構成を必要としないコンパクトな光エンコーダが提供される。本発明の光エンコーダは、光学装置のコンパクト化および製造コストの低減化に資することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態である光エンコーダの概略図。
【図２】本発明の第２の実施形態である光エンコーダの概略図。
【図３】本発明の第３の実施形態である光エンコーダの概略図。
【図４】本発明の第４の実施形態である光エンコーダの概略図。
【図５】本発明の第４の実施形態である光エンコーダにおける回折格子とその後方に配置される透過・反射板とを示す概略図。
【図６】実施例１の光エンコーダのＡ相とＢ相の出力信号を示す図。
【図７】実施例１の光エンコーダの出力信号の一周期分をリサージュ図形にした図。
【図８】実施例４の光エンコーダのＡ相とＢ相の出力信号を示す図。
【図９】実施例４の光エンコーダの出力信号の一周期分をリサージュ図形にした図。
【符号の説明】
【００４０】
１０…光エンコーダ、１２…光源、１４…スケール、１５…移動ステージ、１６…回折格子、１８…１／４波長板、２０…回折格子、２２…回折格子、２４…スリット、２６…透過・反射板、２８…偏光板、３０…光検出器、３２…光検出器、４０…光エンコーダ、４２…１／２波長板、４４…１／４波長板、５０…光エンコーダ、５２…回折格子、５４…スケール、６０…光エンコーダ、６２…回折格子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的に測定対象の移動量を測定する光エンコーダに関し、より詳細には、光学系の設計において自由度が大きく、光学要素の位置あわせが容易な光エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回折格子が形成されたスケールを用いて測定対象の移動量をμｍ以下のオーダーで高精度に測定する格子干渉型変位測定装置としての光エンコーダが実用化されている。一般に、光エンコーダにおいては、回折格子が形成されたスケールに対し、同一波長の２つのコヒーレント光を等しい入射角で入射させたのち、それぞれの回折光を合波干渉させた結果得られる光強度信号からスケールの移動量が導出される。特開平６−１９４１８９号公報（特許文献１）が開示する従来型の光エンコーダにおいては、光源からの光をビームスプリッタにより二分割し、分割された２つの光をスケールに入射させる構成を採用していたが、特許文献１が開示するミラーやレンズなどの光学要素からなる光学系においては、２つの光を等しい入射角で入射させるためのアライメントは容易ではなかった。加えて、特許文献１が開示する光エンコーダにおいては、ビームスプリッタにより２つの光を生成する構成を採用しているため、２つの光の光量を等しくすることができず、その結果、高い分解能の実現が難しかった。
【０００３】
この点につき、特開平６−２２９７１８号公報（特許文献２）は、光源からの光を二分割する手段として透過型の回折格子を用いることによって、光源光を等しい光量を有する＋１次および−１次回折光に分離してスケールに対して光源の光軸に対して対称に入射させる構成を開示する。さらに、特許文献２は、上述した＋１次および−１次回折光を回折格子によって合波する構成も同時に開示する。合波干渉法の原理によれば、スケールの格子周期が短いほど高精度に変位を測長できるが、分離した光を合波する側の回折格子の格子周期もこれに合わせて同様に短くするとすれば、分離した光を合波する側の回折格子の厳密な位置あわせ精度が要求されることとなる。この点につき、特許文献２は、上記光学系を構成する複数の回折格子の格子周期の関係について、何ら具体的な開示をするものではなかった。
【特許文献１】特開平６−１９４１８９号公報
【特許文献２】特開平６−２２９７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、高分解能を備えると同時に、光学要素のアライメントが容易な光エンコーダを提供することを目的とする。さらに、本発明は、新規な光学要素を含むことによって従来の光エンコーダにおいて必須であった波長板や偏光板などの追加の構成を必要としない
コンパクトな光エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、分解能を犠牲にすることなく、光学要素のアライメントの困難性を緩和することのできる光エンコーダの光学系の構成につき鋭意検討した結果、合波する側の回折格子の格子周期をスケールの格子周期よりも大きくとっても、変位の精度には関係なく合波干渉部の位置あわせが容易になることに加え、スケールに照明する光を１箇所にしても再現性のある実用的な分解能が実現しうることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００６】
すなわち、本発明によれば、回折光分岐部と回折光合波干渉部とを含む光エンコーダであって、前記回折光分岐部および前記回折光合波干渉部はプレナー型回折格子で構成され、前記回折光分岐部の回折格子周期よりも、前記回折光合波干渉部の回折格子周期の方が大きい光エンコーダが提供される。本発明においては、前記回折光合波干渉部の回折光を合波する回折格子の周期方向の幅が、干渉縞の明暗を一様に検出する長さ以下とすることが好ましい。
【０００７】
また、本発明によれば、前記回折光分岐部で回折された２つの回折光の各光路に対して１／４波長板が配設された光エンコーダが提供される。さらに本発明の別の構成によれば、前記回折光分岐部で回折された２つの回折光のうち、一方の回折光の光路に１／２波長板が配設され、さらに、前記回折光合波干渉部の後方に１／４波長板が配設された光エンコーダが提供される。
【０００８】
さらに加えて、本発明の別の構成によれば、前記回折光合波干渉部の回折光を合波する回折格子が、Ａ相の信号を生成するための第１の回折格子とＢ相の信号を生成するための第２の回折格子からなり、前記第１の回折格子の格子周期と前記第２の回折格子の格子周期は等しく、前記第１の回折格子および前記第２の回折格子の回折格子位置は、互いに周期方向に対し前記格子周期の１/８だけシフトしている、光エンコーダが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明によれば、高分解能を備えると同時に、光学要素のアライメントが容易な光エンコーダが提供される。また、本発明によれば、波長板や偏光板などの追加の構成を必要としないコンパクトな光エンコーダが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態である光エンコーダ１０の概略図を示す。なお、図１には、光エンコーダ１０の機能を説明するために矢印で光路を示している（以下、図２〜図４において同様）。本実施形態の光エンコーダ１０は、ヘリウム−ネオンレーザ、固体レーザ、半導体レーザといった光源１２から照射されるコヒーレント光を+１次回折光と−１次回折光に分岐させるための回折光分岐部Ｒと、当該分岐した回折光を合波させるための回折光合波干渉部Ｉと、合波干渉光を検出するための光検出部Ｄとを含んで構成される。
【００１２】
光源１２から照射されるコヒーレント光は、反射型回折格子として構成されるスケール１４の周期方向に対して垂直に入射したのち、＋１次と−1次に回折される。この＋１次および−１次の２つの回折光ａおよびｂはスケール１４の相対的な変位に対応した位相差をもっており、回折光合波干渉部Ｉにおいて合波されると同時に干渉して、その干渉光強度が光検出部Ｄにより検出される。この信号より、スケール１４の相対的変位量を測定することができる。なお、図１においては、スケール１４からの０次光（直進光）は図示されていないが、必要に応じて遮断されているものとする（以下、図２〜図４において同様）。
【００１３】
本実施形態においては、スケール１４は、移動ステージ１５によって移動自在とされており、移動方向Ｍに垂直な格子構造を有するプレナー型の回折格子として構成されており、光源１２からの入射光が入射方向に対して回折角θをもって対称に回折されるように配置されている。ただし、実際の構成にあっては、スケール１４からの戻り光が光源１２に直接戻らないように、回折方向と垂直方向の角度を、９０°からわずかにずらすことが好ましい。
【００１４】
スケール１４に反射して回折した２つの回折光ａおよびｂは、それぞれ回折格子１６ａおよび回折格子１６ｂに入射する。回折格子１６ａおよび１６ｂは、いずれもスケール１４と同じ格子周期の回折格子として構成されており、スケール１４の周期方向と回折格子１６ａ、１６ｂの周期方向とが平行になるように、２つの回折格子１６ａ、１６ｂが配置される。このように構成されるため、２つの回折光ａおよびｂは、それぞれ、回折格子１６ａおよび１６ｂを通過後、平行な２つのビームａ’およびｂ’になる。すなわち、本実施形態においては、スケール１４と回折格子１６ａおよび１６ｂによって回折光分岐部Ｒが構成される。
【００１５】
次に分岐して平行光となったビームａ’およびｂ’は、それぞれが位相調節装置として用いられる１／４波長板１８ａおよび１８ｂを経たのち、回折格子２０によって回折され、集光する。回折格子２０は、スケール１４、回折格子１６ａ、１６ｂの周期方向とその周期方向が平行となるように配置されている。ここで、１／４波長板１８ａおよび１８ｂの光軸は、ビームａ’およびｂ’の偏光方向に対しそれぞれ＋４５°および−４５°の角度をなして配置されており、ビームａ’およびｂ’は、それぞれ１／４波長板１８ａおよび１８ｂを経たのち、右回り円偏光ａ”および左回り円偏光ｂ”となったのち、回折格子２０によって回折される。回折した２つのビームａ”およびｂ”が集光して重なる位置に回折格子２２が配設されており、回折格子２２によって合波され干渉を生じる。回折格子２２は、スケール１４、回折格子１６ａ、１６ｂ、および回折格子２０の周期方向とその周期方向が平行となるように配置されている。すなわち、本実施形態においては、回折格子２０と回折格子２２によって回折光合波干渉部Ｉが構成される。
【００１６】
次に、合波干渉された合波干渉光ｃは、干渉縞の明暗が一様な部分を取り出すために配設されたスリット２４によって回折方向のビーム幅を制限されたのち、一部は、ハーフミラーもしくはビームスプリッタによって構成される透過・反射板２６を通過して偏光板２８に入射し、この偏光板２８によって回折光a、ｂの偏光と同じ方向かもしくはこれと４５°ずれた偏光成分が取り出され、Ａ／Ｂ相信号として光検出器３０によって検出される。また、他の一部は、透過・反射板２６で反射されたのち偏光板２８に入射し、この偏光板２８によって検出器３０で検出したＡ／Ｂ相信号の偏光とは４５°偏光がずれた偏光成分が取り出され、Ａ／Ｂ相信号として光検出器３２によって検出される。すなわち、本実施形態においては、透過・反射板２６、偏光板２８、光検出器３０、３２によって光検出部Ｄが構成される。
【００１７】
なお、光検出部Ｄにおいて検出される２つのＡ／Ｂ相信号は、スケール１４の移動方向Ｍに対し９０°位相がずれた正弦波信号として検出される。移動ステージ１５の所定の移動方向に対して、位相が９０°遅れる側の検出信号をＢ相信号、基準となる検出信号をＡ相信号と決めれば良く、Ａ相信号、Ｂ相信号は固定的なものではなく、Ａ／Ｂ相信号の相互の位相差が９０°になっていることが重要である。Ａ相信号およびＢ相信号は、この２つの信号を用いることによって、移動方向等を含めたスケール１４の変位が高精度に測定される。以上、本実施形態の光エンコーダ１０の物理的構成をその機能とともに説明してきたが、さらに、本実施形態の光エンコーダ１０の特徴について以下説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の光エンコーダ１０においては、光を分岐、集光、および干渉させる手段がすべてプレナー型回折格子によって構成されている。このように構成することによって、従来のレンズやミラーなどを用いた光学系に比べてそのアライメントが格段に容易になる。すなわち、所望の光路を設計するにあたって、上述したスケール１４、回折格子１６、回折格子２０および回折格子２２について格子周期を設計するだけで一義的に所望の光路が実現できる。本実施形態の光エンコーダ１０においては、スケール１４の格子周期と回折格子１６の格子周期が等しくなるように設計されているため、スケール１４に反射して回折した２つの回折光ａおよびｂは、それぞれ回折格子１６ａおよび回折格子１６ｂによって自動的に平行光ａ’ｂ’になる。本実施形態においては、このように分岐した２つの回折光を回折して平行光にする構成を採用することによって、光エンコーダ１０の光学系を光源１２の光軸に対して対称に構築することが可能となることに加え、回折光分岐部Ｒと回折光合波干渉部Ｉとの離間距離Ｓを自由に設計することが可能となるため、装置設計における自由度が増大する。
【００１９】
さらに、本実施形態の光エンコーダ１０は、以下に説明する特徴を有する。従来、分岐させた２つの回折光を合波させる構成においては、回折光を分岐する側の回折格子の格子周期と回折光を合波させる側の回折格子の格子周期が等しくなるように設計することが常識とされていた。これは、通常、できるだけ周期を短くした方がコンパクトに機器を構成できると同時に、同じ周期の回折格子で平行ビームａ’、ｂ’を回折させた方が、空間的な位相の平均的な乱れを少なくでき、波面収差の少ないビームａ”、ｂ”を用いて合波させることにより高精度な合波干渉信号を得ることを企図するからである。しかしながら、本発明者は、光エンコーダ１０のアライメントについて検討した結果、図１に示す光エンコーダ１０において、回折光分岐部Ｒを構成するスケール１４、回折格子１６の格子周期と、回折光合波干渉部Ｉを構成する回折格子２０、２２の格子周期をあえて異ならしめるという着想を得、実際に、両者の格子周期を異ならしめて回折格子２２のアライメント精度を緩和させても、検出信号が劣化することなく高精度な変位を測定できることを実証した。
【００２０】
すなわち、本実施形態の光エンコーダ１０において、回折光合波干渉部Ｉの格子周期は、回折光分岐部Ｒの周期格子よりも大きくなるように設計されている。このように構成することによって、測定精度の向上を企図して回折光分岐部Ｒの格子周期を短くすることに伴い、非常に大きくならざるを得ないスケール１４の回折角度θに対し回折格子２０、２２の格子周期を回折光分岐部Ｒの格子周期よりも大きくなるように設計することで、回折格子２０で回折されて回折格子２２に集光・合波されるビームａ”、ｂ”の集光角度θ”を小さくすることが可能となる。その結果、集光角度θ”が小さいほど、集光ビームａ”、ｂ”の光軸方向に重なる領域が広がるので、回折格子２２を設置する光軸方向の位置の許容範囲が大きくなり、光エンコーダ１０のアライメントが格段に容易になる。すなわち、本発明によれば、測定精度を犠牲にすることなく再現性のある位置あわせが可能な、極めて実用的な測長器が構築される。
【００２１】
以上、本発明を図１に示す実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であることはいうまでもない。以下、図２および図３にそれを例示して説明する。
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施形態である光エンコーダ４０を示す。図２においては、図１に示した光エンコーダ１０と共通する構成要素について同じ符号を用い、また、光エンコーダ１０について既述した部分ついてはその説明を省略するものとする（以下、図３および図４においても同様）。
【００２３】
第２の実施形態である光エンコーダ４０においては、ビームａ’が位相変調装置として用いられる１／２波長板４２を経ることによって直線偏光の回折光の偏光が９０°回転させられたのち回折格子２０に入射する一方、ビームｂ’はそのまま回折格子２０に入射する。その結果、ビームａ’およびビームｂ’の２つの回折光の偏光方向が直交するように構成されている。さらに、第２の実施形態である光エンコーダ４０においては、回折格子２２による合波干渉光が、その偏光方向と４５°の角度をなしている１／４波長板４４を経たのち、一部は、透過・反射板２６を通過して偏光板２８に入射し、この偏光板２８によって回折光ａ、ｂの偏光と同じ方向かもしくはこれと４５°ずれた偏光成分が取り出され、Ａ／Ｂ相信号として光検出器３０によって検出される。また、他の一部は、透過・反射板２６で反射されたのち偏光板２８に入射し、この偏光板２８によって光の回折光と４５°偏光がずれた偏光成分が取り出され、Ａ／Ｂ相信号として光検出器３２によって検出される。この場合も、光検出器３０，３２において検出される２つのＡ／Ｂ相信号は、スケール１４の移動方向Ｍに対し相互に９０°位相がずれた２つの正弦波信号として検出される。このようにして、光エンコーダ４０は、図１に示した光エンコーダ１０と同様に高精度なリニア変位計として機能する。なお、本発明における回折光分岐部は、図１および図２に示した構成に限定されるものではないことに留意されたい。この点につき、さらに、本発明の第３の実施形態として図３を参照して説明する。
【００２４】
図３は、本発明の第３の実施形態である光エンコーダ５０を示す。本発明は、図１および図２に示したように、光源１２からの光をスケールに直接的に垂直入射させるものに限定されるものではなく、図３に示されるように、光源１２からの光を透過型の回折格子５２に対して垂直入射させ、分岐した２つの回折光をスケール５４上の離間した２点に入射させ、そこからの回折光を回折光合波干渉部Ｉにおいて合波干渉させる構成をも含む概念である。なお、図３においては、その説明の便宜のため、１／２波長板および１／４波長板を省略しているが、第１および第２の実施形態について上述したように、ビームａ’、ビームｂ’、およびビームｃの光路上の所定の位置に１／２波長板もしくは１／４波長板が適宜配設されることを理解されたい。
【００２５】
さらに、本発明の第４の実施形態を、図４を参照して説明する。図４は、本発明の第４の実施形態である光エンコーダ６０を示す。図４に示されるように、光エンコーダ６０においては、上述した第１〜第３の実施形態において用いられていた１／２波長板、１／４波長板、偏光板など、Ａ／Ｂ相信号を生成するための追加の構成を必要としない。本実施形態においては、回折格子６２が、Ａ／Ｂ相信号生成の機能を併せもつ。以下、本実施形態における回折格子６２について図５を参照して以下説明する。
【００２６】
図５は、本実施形態における回折格子６２とその後方に配置される透過・反射板２６とを示す概略図である。回折格子６２は、Ａ／Ｂ相信号生成用の回折格子ＡとＡ／Ｂ相信号生成用の回折格子Ｂという２つの回折格子から構成されており、回折格子Ａと回折格子Ｂとは、両者の共通する周期構造方向Ｘに対して垂直方向に距離ｄをもって離間して配置されている。回折格子Ａと回折格子Ｂは、同じ格子周期Ｐを有しており、且つ、回折格子Ａと回折格子Ｂとは、その回折格子位置が、格子周期Ｐの1／８だけずれて配置されている。回折格子Ａと回折格子Ｂがこのように配置されている結果、回折格子Ａで合波干渉された光強度と回折格子Ｂで合波干渉された光強度は、互いに９０°だけ位相がずれた正弦波状のＡ／Ｂ相信号となる。
【００２７】
回折格子Ａを経た合波干渉光は、図示しないスリットを経て、透過・反射板２６の透過部ｔを通過したのち、図示しない光検出器によってＡ／Ｂ相信号として検出される一方、回折格子Ｂを経た合波干渉光は、透過・反射板２６の反射部ｒで反射されたのち、図示しない光検出器によってＡ／Ｂ相信号として検出される。本実施形態においては、回折格子Ａからの合波干渉光と回折格子Ｂからの合波干渉光が互いに混入しないようにするため、回折格子Ａと回折格子Ｂとの離間距離ｄを１００〜１５０μｍとすることが好ましい。
【００２８】
図４には、回折格子６２の後方にスリット２４を配置する構成を示したが、本実施形態においては、図５に示した回折格子６２の横幅Ｗを、スリット２４の開口部の幅と同じ大きさにすることによって、干渉光強度が一様に変化する領域を選択することができ、その結果、スリット２４を省略することができる。なお、この構成は、上述した第４の実施形態に限らず、図１〜図３に示した実施形態における回折格子２２についても同様に適用することができることはいうまでもない。すなわち、回折格子２２の格子構造が作製されている領域の横幅を、スリット２４の開口部の幅と同じ大きさにすることによってスリット２４を省略することができる。
【００２９】
さらに、本実施形態においては、回折格子Ａおよび回折格子Ｂのそれぞれの配置位置方向に対応するように２分割された受光器を用いて、Ａ相、Ｂ相に対応する信号を直接検出するようにすれば、透過・反射板２６を省略することができ、光エンコーダ６０をさらにコンパクトな構成にすることが可能となる。
【００３０】
なお、本発明におけるプレナー型回折格子は、フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーで作製したマスクパターンを用いて、軟質ガラス、パイレックス（登録商標）、石英ガラス、ゼロ膨張ガラスなどの基板を直接エッチングしたり、または、石英ガラス、シリコンなどで作製した金型を用いてレプリカ(複製)を作製して、その周期構造を形成することが可能であり、また、これを反射型回折格子として作製する場合には、これらの回折格子の表面に誘電体多層膜や反射金属膜などの光反射膜をコーティングするか、もしくは、基板に、誘電体多層膜や反射金属膜などの光反射膜をコーティングした上に、上述した材料で周期構造を形成することによって作製することができる。また、本発明においては、第１〜第４の実施形態における回折格子１６および回折格子２０をブレーズ回折格子とすることができる。回折格子１６および回折格子２０にブレーズ回折格子を採用することによって回折効率が向上し、光の利用効率が高くなるので、低出力の小型で安価な半導体レーザを用いることができ、コンパクトな装置を構成することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の光エンコーダについて、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
【００３２】
（実施例１）
図１に示した第１の実施形態である光エンコーダ１０を下記の条件で実際に構築して性能評価を行った。本実施例においては、スケール１４および回折格子１６に1200本/mm（周期：0.833μm）の回折格子を用い、回折格子２０および回折格子２２に110本/mm（周期：0.909μm）の回折格子を用いた。なお、スリット２４の開口幅を100μmとした。なお、本実施例においては、光源１２には、635nmの半導体レーザを用い、移動ステージ１５にピエゾステージを用いて、スケール１４を約10nmステップで移動させた。光検出器には、Ｓｉフォトダイオードを用いた（以下、実施例２についても同様）。
【００３３】
図６にＡ相とＢ相の出力信号を示し、これをリサージュ図形にしたものを図７に示す。図６に示される正弦波信号の１周期は、スケール周期の半分の0.4166μmに相当し、約４０分割で0.01μmの分解能であり、これ以下のｎｍオーダの分解能が得られることが示された。
【００３４】
（実施例２）
図４に示した第４の実施形態である光エンコーダ６０を下記の条件で実際に構築して性能評価を行った。本実施例においては、スケール１４および回折格子１６に1200本/mm（周期：0.833μm）の回折格子を用い、回折格子２０に110本/mm（周期：0.909μm）の回折格子を用いた。また、回折格子６２の回折格子Ａおよび回折格子Ｂにいずれも110本/mm（周期：0.909μm）の回折格子を用い、且つ、回折格子Ａと回折格子Ｂの間隙ｄを150μmとした。なお、スリット１４の開口幅を100μmとした。
【００３５】
図８にＡ相とＢ相の出力信号を示し、これをリサージュ図形にしたものを図９に示す。図８に示される正弦波信号の1周期は、スケール周期の半分の0.4166μmに相当し、約40分割で0.01μmの分解能であり、これ以下のnmオーダの分解能が得られることが示された。
【００３６】
併せて、図４に示した構成からスリット１４を除去し、回折格子６２（回折格子Ａおよび回折格子Ｂ）の格子幅Ｗを100μｍにして、上述したのと同様に測定を行った。その結果、スリット１４を除去したにもかかわらず同等の高分解能が得られることが示された。これらの回折格子に対する実際の集光角度：θ”は、使用波長をλ、回折格子の周期をＰとすると、θ”=sin-1（λ/Ｐ）で表される。すなわち、使用波長を0.635μmとすると、周期が0.833μm（1200本/ｍｍ）、1.6μm（625本/ｍｍ）、3.33μm（300本/ｍｍ）、9.09μm（110本/ｍｍ）の回折格子に対する集光角度：θ”は、それぞれ、49.7°、23.4°、11.0°、4°となる。よって、回折格子の周期が大きくなるにつれて、ほぼ比例的に位置合わせ精度が緩和できることがわかる
【００３７】
また、回折格子２０および回折格子６２に300本/mm（周期：3.33μm）を用いた場合については、110本/mmに比較すると合波位置に合わせる精度が厳しくなるものの、625本/ｍｍ（周期：1.6μm）の回折格子では再現性の良い位置合わせが難しかったのに対して、この300本/mmの回折格子では、再現性のある位置あわせが充分に可能であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上、説明したように、本発明によれば、高分解能を備えると同時に、光学要素のアライメントが容易な光エンコーダが提供される。また、本発明によれば、波長板や偏光板などの追加の構成を必要としないコンパクトな光エンコーダが提供される。本発明の光エンコーダは、光学装置のコンパクト化および製造コストの低減化に資することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態である光エンコーダの概略図。
【図２】本発明の第２の実施形態である光エンコーダの概略図。
【図３】本発明の第３の実施形態である光エンコーダの概略図。
【図４】本発明の第４の実施形態である光エンコーダの概略図。
【図５】本発明の第４の実施形態である光エンコーダにおける回折格子とその後方に配置される透過・反射板とを示す概略図。
【図６】実施例１の光エンコーダのＡ相とＢ相の出力信号を示す図。
【図７】実施例１の光エンコーダの出力信号の一周期分をリサージュ図形にした図。
【図８】実施例４の光エンコーダのＡ相とＢ相の出力信号を示す図。
【図９】実施例４の光エンコーダの出力信号の一周期分をリサージュ図形にした図。
【符号の説明】
【００４０】
１０…光エンコーダ、１２…光源、１４…スケール、１５…移動ステージ、１６…回折格子、１８…１／４波長板、２０…回折格子、２２…回折格子、２４…スリット、２６…透過・反射板、２８…偏光板、３０…光検出器、３２…光検出器、４０…光エンコーダ、４２…１／２波長板、４４…１／４波長板、５０…光エンコーダ、５２…回折格子、５４…スケール、６０…光エンコーダ、６２…回折格子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折光分岐部と回折光合波干渉部とを含む光エンコーダであって、
前記回折光分岐部および前記回折光合波干渉部はプレナー型回折格子で構成され、
前記回折光分岐部の回折格子周期よりも、前記回折光合波干渉部の回折格子周期の方が大きい光エンコーダ。
【請求項２】
前記回折光合波干渉部の回折光を合波する回折格子の周期方向の幅が、干渉縞の明暗を一様に検出する長さ以下である、
請求項１に記載の光エンコーダ。
【請求項３】
前記回折光分岐部で回折された２つの回折光の各光路に対して１／４波長板が配設される、
請求項１および２のいずれか1項に記載の光エンコーダ。
【請求項４】
前記回折光分岐部で回折された２つの回折光のうち、一方の回折光の光路に１／２波長板が配設され、さらに、前記回折光合波干渉部の後方に１／４波長板が配設される、
請求項１および２のいずれか1項に記載の光エンコーダ。
【請求項５】
前記回折光合波干渉部の回折光を合波する回折格子が、Ａ相の信号を生成するための第１の回折格子とＢ相の信号を生成するための第２の回折格子からなり、
前記第１の回折格子の格子周期と前記第２の回折格子の格子周期は等しく、
前記第１の回折格子および前記第２の回折格子の回折格子位置は、互いに周期方向に対し前記格子周期の１/８だけシフトしている、
請求項１および２のいずれか1項に記載の光エンコーダ。
【請求項１】
回折光分岐部と回折光合波干渉部とを含む光エンコーダであって、
前記回折光分岐部および前記回折光合波干渉部はプレナー型回折格子で構成され、
前記回折光分岐部の回折格子周期よりも、前記回折光合波干渉部の回折格子周期の方が大きい光エンコーダ。
【請求項２】
前記回折光合波干渉部の回折光を合波する回折格子の周期方向の幅が、干渉縞の明暗を一様に検出する長さ以下である、
請求項１に記載の光エンコーダ。
【請求項３】
前記回折光分岐部で回折された２つの回折光の各光路に対して１／４波長板が配設される、
請求項１および２のいずれか1項に記載の光エンコーダ。
【請求項４】
前記回折光分岐部で回折された２つの回折光のうち、一方の回折光の光路に１／２波長板が配設され、さらに、前記回折光合波干渉部の後方に１／４波長板が配設される、
請求項１および２のいずれか1項に記載の光エンコーダ。
【請求項５】
前記回折光合波干渉部の回折光を合波する回折格子が、Ａ相の信号を生成するための第１の回折格子とＢ相の信号を生成するための第２の回折格子からなり、
前記第１の回折格子の格子周期と前記第２の回折格子の格子周期は等しく、
前記第１の回折格子および前記第２の回折格子の回折格子位置は、互いに周期方向に対し前記格子周期の１/８だけシフトしている、
請求項１および２のいずれか1項に記載の光エンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２４９４５６（Ｐ２００８−２４９４５６Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９０５２５（Ｐ２００７−９０５２５）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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