(57)【要約】【課題】光の利用効率を向上し、さらに不要光に起因するノイズの発生を防止することのできる光学式変位検出装置を提供すること。【解決手段】光学式変位検出装置１では、反射型回折格子５がメインスケール２に形成され、インデックススケール３には、受光器側透過型回折格子６が形成され、かつ、受光器側透過型回折格子６の背後に受光器７が搭載されている。光源部８０は、ＬＥＤ光源８と、コリメートレンズ９と、光源用透過型回折格子４とから構成され、光源用透過型回折格子４は、段差を介して隣接する第１のストライプと第２のストライプから出射される光の位相差によって回折光を発生させる透過型矩形格子、あるいは段差を介してストライプ状斜面が隣接することより断面が鋸歯状に形成されたブレーズ格子である。【選択図】      図１
2005016997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光器側透過型回折格子が形成されたインデックススケールと、光源部からの単色光を前記受光器側透過型回折格子に向けて反射する反射型回折格子が形成されたメインスケールとを有し、前記受光器側透過型回折格子を透過してくる光を受光器で検出することにより、前記インデックススケールと前記メインスケールの相対変位を検出する光学式変位検出装置において、
前記光源部は、発散光を出射するＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から出射したＬＥＤ光を平行光化するレンズと、該レンズから出射されたＬＥＤ光を単色光化して前記反射型回折格子に導く光源用透過型回折格子とを備え、
前記光源用透過型回折格子は、段差を介して隣接する第１のストライプと第２のストライプから出射される光の位相差によって回折光を発生させる透過型矩形格子であることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記光源用透過型回折格子を構成する基材の屈折率、前記光源用透過型回折格子の前記段差の高さ、および前記単色光の波長をそれぞれ、ｎ、Ｈおよびλとし、かつ、ｍを１以上の奇数としたときに、Ｈは、以下の式
（ｍ−０．２）λ／｛２（ｎ−１）｝＜Ｈ＜（ｍ＋０．２）λ／｛２（ｎ−１）｝
を満たしていることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項３】
受光器側透過型回折格子が形成されたインデックススケールと、光源部からの単色光を前記受光器側透過型回折格子に向けて反射する反射型回折格子が形成されたメインスケールとを有し、前記受光器側透過型回折格子を透過してくる光を受光器で検出することにより、前記インデックススケールと前記メインスケールの相対変位を検出する光学式変位検出装置において、
前記光源部は、発散光を出射するＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から出射したＬＥＤ光を平行光化するレンズと、該レンズから出射されたＬＥＤ光を単色光化して前記反射型回折格子に導く光源用透過型回折格子とを備え、
前記光源用透過型回折格子は、段差を介してストライプ状斜面が隣接することより断面が鋸歯状に形成されたブレーズ格子であることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項４】
請求項３において、前記光源用透過型回折格子を構成する基材の屈折率、前記光源用透過型回折格子の前記段差の高さ、および前記単色光の波長をそれぞれ、ｎ、Ｈおよびλとし、かつ、ｍを１以上の整数としたときに、Ｈは、以下の式
（ｍ−０．２）λ／（ｎ−１）＜Ｈ＜（ｍ＋０．２）λ／（ｎ−１）
を満たしていることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記反射型回折格子に対しては、前記光源用透過型回折格子から＋１次回折光、あるいは−１次回折光が導かれることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記光源用透過型回折格子における格子ピッチＰは、以下の式
０．０５≦λ／Ｐ≦０．３
を満たしていることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記光源用透過型回折格子は、前記ＬＥＤ光源の光軸に対して垂直に配置されていることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記光源用透過型回折格子は、前記インデックススケールと一体に形成されていることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記ＬＥＤ光源と前記光源用透過型回折格子は、ユニット化されていることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、前記ＬＥＤ光源は、発振波長が３５０ｎｍ以上であることを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかにおいて、前記単色光の波長は、前記ＬＥＤ光源の発振波長の略中心波長であることを特徴とする光学式変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源としてはＬＥＤ光源を用いた光学式変位検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種精密ステージの変位検出などに利用される光学式変位検出装置としては、受光器側透過型回折格子が形成されたインデックススケールと、光源部からの単色光を受光器側透過型回折格子に向けて反射する反射型回折格子が形成されたメインスケールとを有し、受光器側透過型回折格子を透過してくる光を受光器で検出することにより、インデックススケールとメインスケールの相対変位を検出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような光学式変位検出装置において、光源部は、図５に示すように、発散光を出射するＬＥＤ光源８と、このＬＥＤ光源８から出射したＬＥＤ光を平行光化するコリメートレンズ９と、このコリメートレンズ９から出射されたＬＥＤ光を単色光化して反射型回折格子に導く光源用透過型回折格子４Ｅとを備えており、光源用透過型回折格子は、一般に、基材４０Ｅの表面に遮光部４８と透過部４９とを交互に形成したスリット状格子が用いられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２８６８１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしなながら、光学式変位検出装置の光源部８０Ｅにおいて、光源用透過型回折格子４Ｅとして、遮光部４８と透過部４９とを交互に形成したスリット状格子を用いた場合には、光が遮光部４８で遮られてしまう分、光量が半減し、光の利用効率が低いという問題点がある。また、スリット状格子では、０次光として透過する光や不要な回折光が非常に多く発生するため、この点でも、光の利用効率が低い。しかも、不要光が多いと、それが受光器に入射してノイズを発生させるので、正確な変位検出を妨げるという問題点もある。
【０００６】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、光の利用効率を向上し、さらに不要光に起因するノイズの発生を防止することのできる光学式変位検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、受光器側透過型回折格子が形成されたインデックススケールと、光源部からの単色光を前記受光器側透過型回折格子に向けて反射する反射型回折格子が形成されたメインスケールとを有し、前記受光器側透過型回折格子を透過してくる光を受光器で検出することにより、前記インデックススケールと前記メインスケールの相対変位を検出する光学式変位検出装置において、前記光源部は、発散光を出射するＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から出射したＬＥＤ光を平行光化するレンズと、該レンズから出射されたＬＥＤ光を単色光化して前記反射型回折格子に導く光源用透過型回折格子とを備え、前記光源用透過型回折格子は、段差を介して隣接する第１のストライプと第２のストライプから出射される光の位相差によって回折光を発生させる透過型矩形格子であることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、光源用透過型回折格子として、遮光部を有しない透過型矩形格子を用いたため、遮光部を備えたスリット状格子と比較して、ＬＥＤ光源から出た光に対する利用効率が高く、光の利用効率が最大で４倍にまで向上する。
【０００９】
本発明において、前記光源用透過型回折格子を構成する基材の屈折率、前記光源用透過型回折格子の前記段差の高さ、および前記単色光の波長をそれぞれ、ｎ、Ｈおよびλとし、かつ、ｍを１以上の奇数としたときに、Ｈは、以下の式
（ｍ−０．２）λ／｛２（ｎ−１）｝＜Ｈ＜（ｍ＋０．２）λ／｛２（ｎ−１）｝
を満たしていることが好ましい。このように条件設定すると、光の利用効率は、最高効率の約４０％まで向上する。また、ノイズの原因となる不要回折光の発生を抑えることができる。
【００１０】
本発明の別の形態では、受光器側透過型回折格子が形成されたインデックススケールと、光源部からの単色光を前記受光器側透過型回折格子に向けて反射する反射型回折格子が形成されたメインスケールとを有し、前記受光器側透過型回折格子を透過してくる光を受光器で検出することにより、前記インデックススケールと前記メインスケールの相対変位を検出する光学式変位検出装置において、前記光源部は、発散光を出射するＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から出射したＬＥＤ光を平行光化するレンズと、該レンズから出射されたＬＥＤ光を単色光化して前記反射型回折格子に導く光源用透過型回折格子とを備え、前記光源用透過型回折格子は、段差を介してストライプ状斜面が隣接することより断面が鋸歯状に形成されたブレーズ格子であることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、光源用透過型回折格子として、遮光部を有しないブレーズ格子を用いたため、遮光部を備えたスリット状格子と比較して、ＬＥＤ光源から出た光に対する利用効率が高く、光の利用効率が最大で８倍にまで向上する。
【００１２】
本発明において、前記光源用透過型回折格子を構成する基材の屈折率、前記光源用透過型回折格子の前記段差の高さ、および前記単色光の波長をそれぞれ、ｎ、Ｈおよびλとし、かつ、ｍを１以上の整数としたときに、Ｈは、以下の式
（ｍ−０．２）λ／（ｎ−１）＜Ｈ＜（ｍ＋０．２）λ／（ｎ−１）
を満たしていることが好ましい。このように条件設定すると、光の利用効率は、スカラー理論上は最高効率の１００％まで向上する。また、ノイズの原因となる不要回折光の発生を抑えることができる。
【００１３】
本発明において、前記反射型回折格子に対しては、前記光源用透過型回折格子から＋１次回折光、あるいは−１次回折光が導かれることが好ましい。
【００１４】
本発明において、前記光源用透過型回折格子における格子ピッチＰは、以下の式
０．０５≦λ／Ｐ≦０．３
を満たしていることが好ましい。このように構成すると、メインスケールとインデックススケールとが傾いた場合でも、信号低下を最小限に抑えることができる。
【００１５】
本発明において、前記光源用透過型回折格子は、前記ＬＥＤ光源の光軸に対して垂直に配置されていることが好ましい。このように構成すると、斜め入射に起因する不要回折光の発生を抑えることができるので、ノイズを低減することができる。
【００１６】
本発明において、前記光源用透過型回折格子は、前記インデックススケールと一体に形成されていることが好ましい。このように構成すると、部品点数の削減、および調整作業の簡略化を図ることができるので、コストを低減することができる。
【００１７】
本発明において、前記ＬＥＤ光源と前記光源用透過型回折格子は、ユニット化されていることが好ましい。このように構成すると、部品点数の削減、および調整作業の簡略化を図ることができるので、コストを低減することができる。
【００１８】
本発明において、前記ＬＥＤ光源は、発振波長が３５０ｎｍ以上であることが好ましい。このように構成すると、人体に悪影響を及ぼす低波長の光が漏れないので、安全である。
【００１９】
本発明において、前記単色光の波長は、前記ＬＥＤ光源の発振波長の略中心波長であることが好ましい。このように構成すると、ＬＥＤ光源から出射された光を有効に利用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
［実施の形態１］
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明を適用した光学式変位検出装置の構成図、インデックススケール側の透過型回折格子の説明図、および受光器の説明図である。
【００２２】
図１（Ａ）に示す光学式変位検出装置１では、光源部８０の側から出射された光をインデックススケール３に向けて反射する反射型回折格子５がメインスケール２に形成され、インデックススケール３には、受光器側透過型回折格子６が形成され、かつ、受光器側透過型回折格子６の背後に受光器７が搭載されている。
【００２３】
ここで、光源部８０は、発散光を出射するＬＥＤ光源８と、このＬＥＤ光源８から出射された光を平行光化するコリメートレンズ９と、コリメートレンズ９からメインスケール２に到る光路上に配置された光源用透過型回折格子４とから構成されている。このため、ＬＥＤ光源８から出射されたＬＥＤ光は、光源用透過型回折格子４によって単色光化されてメインスケール２の反射型回折格子５に導かれる。
【００２４】
インデックススケール３の側において、受光器側透過型回折格子６は、図１（Ｂ）に示すように、位相が９０°ずつずれた４つの回折格子６１、６２、６３、６４から構成され、図１（Ｃ）に示すように、受光器７は、１チップ受光素子が４分割されたものである。
【００２５】
このように構成した光学式変位検出装置１の検出原理については、すでに周知であるため、その詳細な説明を省略するが、メインスケール２を固定ステージ（図示せず）に固定しておく一方、インデックススケール３を可動ステージ（図示せせず）に搭載しておく。そして、可動ステージが変位した際、光源部８０の側からの単色光を反射型回折格子５で反射させ、インデックススケール３側の受光器側透過型回折格子６を透過した光を受光器７で検出し、それにより、インデックススケール３がメインスケール２に対してどのように変位したかを検出する。例えば、４分割された各受光器７から出力された光電変換信号から、正弦波状の第１相の検出信号と、第２相の検出信号を生成し、これをデジタル処理して解析することにより、その変位量を高精度、高分解能かつ高速で検出できる。
【００２６】
（光源部の構成）
図２は、本発明の実施の形態１に係る光学式変位検出装置における光源部の構成を示す説明図である。
【００２７】
このように構成した光学式変位検出装置１の光源部８０において、本形態では、ＬＥＤ光源８、コリメートレンズ９、および光源用透過型回折格子４は、光源ユニット８０Ａとしてユニット化され、かつ、この光源ユニット８０Ａにおいて、光源用透過型回折格子４は、ＬＥＤ光源８の光軸に対して垂直に配置されている。
【００２８】
また、本形態では、図２に示すように、光源用透過型回折格子４として、段差４１を介して隣接する第１のストライプ４２と第２のストライプ４３から出射される光の位相差によって回折光を発生させる透過型矩形格子が用いられている。
【００２９】
ここで、光源用透過型回折格子４を構成する透明な基材４０の屈折率、光源用透過型回折格子４の段差４１の高さ、および反射型回折格子５に導かれて変位計測に用いられる単色光Ｌの波長をそれぞれ、ｎ、Ｈおよびλとし、かつ、ｍを１以上の奇数としたときに、Ｈは、以下の式
（ｍ−０．２）λ／｛２（ｎ−１）｝＜Ｈ＜（ｍ＋０．２）λ／｛２（ｎ−１）｝
を満たしている。なお、ｍは、変位検出に用いる回折光の次数を決定し、例えば、図２に示すように、＋１次回折光あるいは−１次回折光を用いる場合には、ｍは１に設定される。また、＋３次回折光あるいは−３次回折光を用いる場合には、ｍは３に設定される。
【００３０】
また、光源用透過型回折格子４における格子ピッチＰは、以下の式
０．０５≦λ／Ｐ≦０．３
を満たしている。従って、メインスケール２とインデックススケール３とが傾いた場合でも、信号低下を最小限に抑えることができる。
【００３１】
さらに、反射型回折格子５に対しては、光源用透過型回折格子４から＋１次回折光が導かれて変位に検出に用いられるように、反射型回折格子５、および光源ユニット８０Ａの位置や向きが設定されている。
【００３２】
本形態において、光源用透過型回折格子４から単色光化されてメインスケール２の反射型回折格子５に導かれる単色光Ｌは、ＬＥＤ光源８として用いたＬＥＤの発振波長の略中心波長である。従って、ＬＥＤ光源８から出射された光を有効に利用することができる。
【００３３】
また、ＬＥＤ光源８は、発振波長が３５０ｎｍ以上のＬＥＤである。このため、人体に悪影響を及ぼすような低波長の光の漏れ、すなわち、紫外光の漏れを防止できるので、安全である。
【００３４】
（本形態の主な効果）
このように構成した光学式変位検出装置１では、光源用透過型回折格子４として、遮光部を有しない透過型矩形格子を用いたため、ＬＥＤ光源８から出た光に対する利用効率が高く、遮光部を備えたスリット状格子と比較して、光の利用効率が最大で４倍まで向上する。
【００３５】
しかも、光源用透過型回折格子４を構成する基材４０の屈折率、光源用透過型回折格子４の段差４１の高さ、および変位検出に用いる単色光Ｌの波長をそれぞれ、ｎ、Ｈおよびλとし、かつ、ｍを１以上の奇数としたときに、Ｈを、以下の式
（ｍ−０．２）λ／２（ｎ−１）＜Ｈ＜（ｍ＋０．２）λ／２（ｎ−１）
を満たすように設定したため、ｍに対応する次数の回折光を得ることができ、光の利用効率は、スカラー理論上は最高効率の約４０％まで向上する。また、ｍについては±０．２の範囲内に限定したため、ノイズの原因となる不要回折光の発生を抑えることができる。
【００３６】
また、本形態において、ＬＥＤ光源８、コリメートレンズ９、および光源用透過型回折格子４は、光源ユニット８０Ａとしてユニット化されている。従って、部品点数の削減、および調整作業の簡略化を図ることができるので、コストを低減することができる。しかも、光源ユニット８０Ａにおいて、光源用透過型回折格子４は、ＬＥＤ光源８の光軸に対して垂直に配置されているため、光源用透過型回折格子４に斜め入射したことに起因する不要回折光の発生を抑えることができる。それ故、ノイズを低減することができる。
【００３７】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る光学式変位検出装置における光源部の構成を示す説明図である。なお、本形態の光学式変位検出装置における基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、共通する機能を有する部分は同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
【００３８】
図３に示すように、本形態でも、実施の形態１と同様、光源部８０は、コリメートレンズ９、および光源用透過型回折格子４は、光源ユニット８０Ａとしてユニット化され、かつ、この光源ユニット８０Ａにおいて、光源用透過型回折格子４は、ＬＥＤ光源８の光軸に対して垂直に配置されている。
【００３９】
また、本形態では、光源用透過型回折格子４として、段差４５を介してストライプ状斜面４４が隣接することより断面が鋸歯状に形成されたブレーズ格子が用いられている。
【００４０】
ここで、光源用透過型回折格子４を構成する透明な基材４０の屈折率、光源用透過型回折格子４の段差４５の高さ、および反射型回折格子５に導かれて変位計測に用いられる単色光Ｌの波長をそれぞれ、ｎ、Ｈおよびλとし、かつ、ｍを１以上の整数としたときに、Ｈは、以下の式
（ｍ−０．２）λ／（ｎ−１）＜Ｈ＜（ｍ＋０．２）λ／（ｎ−１）
を満たしている。なお、ｍは、変位検出に用いる回折光の次数を決定し、かつ、ストライプ状斜面４４の向きは、回折次数の極性を決定する。従って、例えば、図３に示す向きにストライプ状斜面４４を形成した場合に、図３に示すように＋１次回折光を用いる場合には、ｍは１に設定される。また、＋３次回折光を用いる場合には、ｍは３に設定される。
【００４１】
また、光源用透過型回折格子４における格子ピッチＰは、以下の式
０．０５≦λ／Ｐ≦０．３
を満たしている。従って、メインスケール２とインデックススケール３とが傾いた場合でも、信号低下を最小限に抑えることができる。
【００４２】
さらに、本形態でも、実施の形態１と同様、反射型回折格子５に対しては、光源用透過型回折格子４から＋１次回折光が導かれて変位に検出に用いられるように、反射型回折格子５、および光源ユニット８０Ａの位置や向きが設定されている。また、光源用透過型回折格子４から単色光化されてメインスケール２の反射型回折格子５に導かれる単色光Ｌは、ＬＥＤ光源８として用いたＬＥＤの発振波長の略中心波長である。さらに、ＬＥＤ光源８は、発振波長が３５０ｎｍ以上のＬＥＤである。このため、人体に悪影響を及ぼすような低波長の光の漏れを防止でき、安全である。
【００４３】
このように構成した光学式変位検出装置１では、光源用透過型回折格子４として、遮光部を有しない透過型矩形格子を用いたため、ＬＥＤ光源８から出た光に対する利用効率が高く、遮光部を備えたスリット状格子と比較して、光の利用効率が最大で８倍まで向上する。
【００４４】
しかも、光源用透過型回折格子４を構成する基材４０の屈折率、光源用透過型回折格子４の段差４１の高さ、および変位検出に用いる単色光Ｌの波長をそれぞれ、ｎ、Ｈおよびλとし、かつ、ｍを１以上の整数としたときに、Ｈを、以下の式
（ｍ−０．２）λ／（ｎ−１）＜Ｈ＜（ｍ＋０．２）λ／（ｎ−１）
を満たすように設定したため、ｍに対応する次数の回折光を得ることができ、０次光や不要な回折光の発生を低く抑えることができる。従って、光の利用効率は、スカラー理論上は最高効率の１００％まで向上する。また、ｍについても±０．２の範囲内に限定したため、ノイズの原因となる不要回折光の発生を抑えることができる。
【００４５】
また、本形態において、ＬＥＤ光源８、コリメートレンズ９、および光源用透過型回折格子４は、光源ユニット８０Ａとしてユニット化されている。従って、部品点数の削減、および調整作業の簡略化を図ることができるので、コストを低減することができる。しかも、光源ユニット８０Ａにおいて、光源用透過型回折格子４は、ＬＥＤ光源８の光軸に対して垂直に配置されているため、光源用透過型回折格子４に斜め入射したことに起因する不要回折光の発生を抑えることができる。それ故、ノイズを低減することができる。
【００４６】
（その他の実施の形態）
なお、上記形態では、ＬＥＤ光源８、コリメートレンズ９、および光源用透過型回折格子４が光源ユニット８０としてユニット化されている構成であったが、図４に示すように、光源用透過型回折格子４が検出器側透過型回折格子６とともにインデックスケール３に一体に形成されている構成であってもよい。このように構成した場合も、部品点数の削減、および調整作業の簡略化を図ることができるので、コストを低減することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光学式変位検出装置では、光源部の光源用透過型回折格子として、遮光部を有しない位相格子やブレーズ格子を用いたため、遮光部を備えたスリット状格子と比較して、ＬＥＤ光源から出た光に対する利用効率を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明を適用した光学式変位検出装置の構成図、インデックススケール側の透過型回折格子の説明図、および受光器の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る光学式変位検出装置における光源部の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る光学式変位検出装置における光源部の構成を示す説明図である。
【図４】本発明の別の実施の形態に係る光学式変位検出装置の光源部およびインデックススケールの構成を示す説明図である。
【図５】従来の光学式変位検出装置における光源部の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１  光学式変位検出装置
２  メインスケール
３  インデックススケール
４  光源用透過型回折格子
５  反射型回折格子
６  受光器側透過型回折格子
７  受光器
８  光源
９  コリメートレンズ
４１、４５  段差
４２  第１のストライプ
４３  第２のストライプ
４４  ストライプ状斜面
８０  光源部
８０Ａ  光源ユニット
【図１】
2005016997.tif 000003
【図２】
2005016997.tif 000004
【図３】
2005016997.tif 000005
【図４】
2005016997.tif 000006
【図５】
2005016997.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月24日(2003.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2005016997.tif 000008