(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
光軸に沿って相対的に移動可能に対向して設けられ、前記光源から出射された光が入射する一対の回折格子と、
前記一対の回折格子のそれぞれの回折格子素子から出射された回折光による干渉光を検出する第１の光センサと、
前記一対の回折格子から出射された非干渉光を検出する第２の光センサと、
前記第２の光センサにより得られた信号に基づき、前記第１の光センサにより得られた信号を補正する補正手段と
を具備する変位計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変位計測装置であって、
前記第２の光センサは、前記一対の回折格子を通過する０次光を検出する
変位計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の変位計測装置であって、
前記一対の回折格子のうちいずれか一方の回折格子素子は、回折格子領域と、非回折格子領域とを含み、
前記第２の光センサは、前記非回折格子領域を通過した光を前記非干渉光として検出する
変位計測装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
前記補正手段は、前記第１の光センサにより得られる前記干渉光の強度と、前記第２の光センサにより得られる前記非干渉光の強度との関係を表す式に基づき補正を行う
変位計測装置。
【請求項５】
光源から光を出射させ、
光軸に沿って相対的に移動可能に対向して設けられた一対の回折格子のそれぞれの回折格子素子から出射された回折光による干渉光を第１の光センサで検出し、
前記光源から出射された光のうち非干渉光を第２の光センサで検出し、
前記第２の光センサにより得られた信号に基づき、前記第１の光センサにより得られた信号を補正する
変位計側方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を利用した変位計測装置及び変位計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、光干渉を利用した変位計測装置が開示されている。この変位計測装置は、光源側から順に、レーザ光源、コリメータレンズ、第１の回折格子、第２の回折格子及び光センサを備えている。光センサは、第１の回折格子で回折された回折光（例えば１次）と、第１の回折格子を直進した０次光が第２の回折光で回折されて発生する回折光（例えば１次）との干渉光を検出する。この変位計測装置は、光センサで検出される干渉光の明暗による光量の変化に基づき、第１及び第２の回折格子の距離の変化、つまり計測対象となる変位を計測する（例えば、特許文献１の明細書段落［００２０］、［００２３］、［００２７］、図１〜３等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０４３３５４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、光を利用した変位計測装置では、装置の経時劣化や使用環境の温度変化等によって、例えば光源からの出射光の出力が変動する場合があり、これにより光センサによる検出値としての出力に誤差が生じるおそれがある。この場合、その光センサの出力変動が、回折格子間の変位によるものであるのか、それとも、上記不具合によるものなのかの区別がつかないため、正確な変位の計測を行うことができない。
【０００５】
本発明の目的は、変位を正確に計測することができる変位計測装置及びこれに用いられる変位計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る変位計測装置は、光源と、一対の回折格子と、第１の光センサと、第２の光センサと、補正手段とを具備する。
前記一対の回折格子には、光軸に沿って相対的に移動可能に対向して設けられ、前記光源から出射された光が入射する。
前記第１の光センサは、前記一対の回折格子のそれぞれの回折格子素子から出射された回折光による干渉光を検出する。
前記第２の光センサは、前記一対の回折格子から出射された非干渉光を検出する。
補正手段は、前記第２の光センサにより得られた信号に基づき、前記第１の光センサにより得られた信号を補正する。
【０００７】
本発明に係る変位計測方法は、光源から光を出射させることを含む。
光軸に沿って相対的に移動可能に対向して設けられた一対の回折格子のそれぞれの回折格子素子から出射された回折光による干渉光が、第１の光センサで検出される。
前記光源から出射された光のうち非干渉光が、第２の光センサで検出される。
前記第２の光センサにより得られた信号に基づき、前記第１の光センサにより得られた信号が補正される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、一対の回折格子の構造の例を示す。
【図３】図３は、一対の回折格子間の距離である変位と、干渉光の干渉明度との関係のシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図４】図４Ａ及びＢは、第１及び第２のＰＤのそれぞれの出力の相関のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】図５は、変位計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第１のＰＤの信号を補正するための光学系として、図１に示す光学系とは別の光学系を示す。
【図７】図７は、溝の深さがそれぞれ異なる回折格子について、その深さと、１次回折光の強度との関係を示す実測のグラフである。
【図８】図８は、図７に関して回折格子の評価のために用いられたハードウェア構成及びその条件等を示す。
【図９】図９は、図７に示した測定サンプルのうち、溝深さ４７３μmを持つ回折格子を含むいくつかのサンプルをピックアップし、それらについて０次光と１次光との強度比をそれぞれ示した表である。
【図１０】図１０は、変位計測装置の構成を示し、図１に示す光学系及びこれを収容する筐体を示す断面図である。
【図１１】図１１は、この変位計測装置を保持するホルダを示す平面図である。
【図１２】図１２は、それを主軸方向で見た側面図である。
【図１３】図１３は、固定具でホルダが固定される状態を示す。
【図１４】図１４は、図１３においてホルダと計測対象物との固定に、さらに永久磁石を用いる例を示す。
【図１５】図１５Ａは、ホルダの第１及び第２の部材の間にスペーサが設けられた状態のホルダの、主軸方向で見た側面図である。図１５Ｂは、それに直交する方向で見たホルダの側面図である。
【図１６】図１６は、他の実施形態に係る変位計測装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上述した発明の形態によれば、非干渉光を検出する第２の光センサが備えられることにより、第２の光センサで得られた信号を利用して、前記第１の光センサにより得られた信号が補正される。これにより、光源の出力変動が発生する場合であっても、変位を正確に計測することが可能となる。
【００１０】
前記第２の光センサは、前記一対の回折格子を通過する０次光を検出してもよい。一対の回折格子を透過する０次光を検出すればよいので、第２の光センサの配置設計が容易になる。
【００１１】
前記一対の回折格子のうちいずれか一方の回折格子素子は、回折格子領域と、非回折格子領域とを含み、前記第２の光センサは、前記非回折格子領域を通過した光を前記非干渉光として検出してもよい。
【００１２】
前記補正手段は、前記第１の光センサにより得られる前記干渉光の強度と、前記第２の光センサにより得られる前記非干渉光の強度との関係を表す式に基づき補正を行ってもよい。これにより、演算によって、光源の出力変動を求めることができる。
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本技術の実施形態を説明する。
【００１４】
［変位計測装置の基本的構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。
【００１５】
変位計測装置１０は、ＬＤ（Laser Diode）１２、コリメータレンズ１４、一対の回折格子２０、第１のＰＤ（Photo Detector）３１及び第２のＰＤ３２を備える。
【００１６】
ＬＤ１２は、レーザ光を出射する光源である。ＬＤ１２は、図示しないドライバにより駆動される。
【００１７】
コリメータレンズ１４は、ＬＤ１２からの出射された光１３を平行光１５にする。
【００１８】
一対の回折格子２０には、ＬＤ１２からの光が入射され、回折光を出射する。一対の回折格子２０は、第１の回折格子（回折格子素子）２０１及び第２の回折格子（回折格子素子）２０２によって構成される。第１の回折格子２０１及び第２の回折格子２０２は、光軸に沿って相対的に移動可能に対向して配置されている。第１の回折格子２０１は、入射した平行光１５を直進光２４と回折光２２に分けて進行させる。第２の回折格子２０２は、直進光２４を、さらに直進光２４と回折光２６に分けて進行させる。
【００１９】
第１の回折格子２０１を経由した平行光１５は、実際には、平行光１５と同方向に進行する０次光、すなわち０次回折光と、この０次光に対して回折角を有する±ｎ次光、すなわち±ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）に分かれて進行する。
【００２０】
ここでは便宜上、第１の回折格子２０１及び第２の回折格子２０２を経由した後に、平行光１５と同方向に進行する０次光をまとめて直進光２４と表現している。また、第１の回折格子２０１による＋１次光であって第２の回折格子２０２を経由した後も同方向に進行する光を回折光２２としている。さらに、第１の回折格子２０１を経由した０次光、すなわち直進光２４のうち、第２の回折格子２０２を経由した＋１次光を、回折光２６と表現している。
【００２１】
なお、本実施形態では、＋１次光を利用することとしているが、他の所定次数の回折光を利用して、以下に説明する変位の計測が行われてもよい。また、実際には、図１に示す以外にも多数の回折光が存在するが、以下の説明を容易にするため、図示を省略している。これらのことは、後述する他の実施形態以降の説明についても同様である。
【００２２】
図２は、一対の回折格子２０の構造の例を示す。第１の回折格子２０１及び第２の回折格子２０２は、実質的に同じ形状及び同じサイズを有している。これらの回折格子２０１及び２０２において、例えば溝ピッチＰは３．３μmであり、溝深さＤが４７３μmである。もちろん、これらの値に限られない。
【００２３】
第１の回折格子２０１に対する第２の回折格子２０２の移動量が、計測対象となる変位Ｘ（図１参照）である。第１の回折格子２０１及び第２の回折格子２０２の相対移動に応じて、回折光２２及び２６のそれぞれの行路（光路）差が発生する。したがって、第１の回折格子２０１による回折光２２と、第２の回折格子２０２による回折光２６との干渉光３０による干渉縞が発生する。光センサである第１のＰＤ３１は、この干渉縞の光量の変化を検出する。この干渉縞の光量変化は原理的にはサインカーブとなり、計測対象である変位Ｘに対応する。より詳細には、干渉縞のサインカーブの光量変化のうち、例えば半波長分の概ねリニアな領域が、第１のＰＤ３１で検出されることにより、そのリニアな領域に対応する変位Ｘが計測される。
【００２４】
第１のＰＤ３１には演算回路４０が接続されている。第１のＰＤ３１は、干渉光３０の干渉縞による光量変化に対応する電流を、出力信号として演算回路４０に出力する。演算回路４０は、光量変化に対応して第１のＰＤ３１から出力される電流を電圧に変換し、この電圧をＡＤ変換する。そして演算回路４０は、後述するように第２のＰＤ３２により得られた信号に基づき、演算回路４０は上記ＡＤ変換された信号を補正して、変位Ｘの値を出力する。
【００２５】
第２のＰＤ３２は、一対の回折格子２０から出射された光のうち干渉光ではない非干渉光の光量を検出する。本実施形態では、第２のＰＤ３２は、第１の回折格子２０１及び第２の回折格子２０２を通過した０次光、すなわち直進光２４を、非干渉光として検出する。非干渉光の光量は、ＬＤ１２の出力変動（つまり、ＬＤ１２からの出射光のパワーの変動）に応じた変動の特性を示す。干渉光３０は、上記したように変位Ｘに応じて変動するため、第１のＰＤ３１は、ＬＤ１２の出力変動等を検出することができない。そこで、本実施形態では、第２のＰＤ３２を設け、第２のＰＤ３２によって変位Ｘに依らない非干渉光（ここでは直進光２４）を検出することで、ＬＤ１２の出力変動を検出することができる。
【００２６】
上記演算回路４０は、第２のＰＤ３２にも接続されており、第２のＰＤ３２により得られる電流の信号が演算回路４０に入力される。演算回路４０は、入力された電流を電圧に変換し、この電圧をＡＤ変換する。
【００２７】
演算回路４０は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアを主に備える。演算回路４０は、ＭＰＵに加え、またはＭＰＵに代えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を備えていてもよい。また、演算回路４０は、物理的に分離した複数のチップパッケージや素子等で構成されていてもよい。
【００２８】
［補正手段（１）］
以上のように構成された変位計測装置１０において、例えばＬＤ１２の出力の変動があった場合でも、変位を正確に計測するための手段として、第１のＰＤ３１により得られる信号を補正する形態について説明する。以下に説明するように、演算回路４０は、第２のＰＤ３２により得られた信号に基づき、第１のＰＤ３１の信号を補正する補正手段として機能する。
【００２９】
図３は、回折格子２０１及び２０２間の距離（つまり上記変位Ｘ）と、干渉光３０の干渉明度（正規化されたもの）との関係のシミュレーションの結果を示すグラフである。干渉光３０の干渉明度（干渉光の明度）は、実質的には、第１のＰＤ３１で検出される干渉光３０の光量に対応し、上述のサイン曲線の半波長分が、このグラフに相当する。なお、このグラフで示す３つの曲線のうち、実線で示す曲線が理想値として示されている。この理想値である曲線では、変位Ｘが０μmの時の干渉明度を１％とし、また、変位Ｘが１０μmの時の干渉明度を０％として、正規化されている。
【００３０】
このグラフの例で示すように、ＬＤの出射光の出力が増加した場合は、干渉明度の曲線も増加し、正確な変位計測を行えなくなる。また、これに限られず、例えば第１のＰＤ３１の受光感度が劣化した場合でも、干渉明度の曲線が低下し、正確な変位計測ができなくなる。
【００３１】
そこで、本実施形態は、演算回路４０が第１のＰＤ３１の受光感度特性を補正することによって、上記干渉明度を理想値に近づけることができる。具体的には、以下のように補正が行われる。
【００３２】
図４Ａ及びＢは、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２のそれぞれの出力の相関のシミュレーション結果を示すグラフである。これらのグラフにおいて、第１のＰＤ３１による出力は左側に示された縦軸の干渉明度に対応し、第２のＰＤ３２の出力は右側に示された縦軸の光強度に対応する。横軸は、変位Ｘである。これらの両側の各縦軸の値、また横軸の値は、正規化されている。
【００３３】
図４Ａに示すように、第１のＰＤ３１の出力が理想値の場合において、第２のＰＤ３２の出力は略０．４％を示している。一方、図４Ｂに示すように、図４Ａに示す場合と比べ第２のＰＤ３２の出力が低下すると、それに応じて、第１のＰＤ３１の出力幅（ダイナミックレンジ）が狭められる。例えば、図４Ａにおいて、非干渉光の検出値（第２のＰＤ３２の検出値）が１／２になった場合、図４Ｂに示されているように、干渉光の検出値（第１のＰＤ３１の検出値）干渉明度は６２．５％にまで低下する。この場合、回折格子間距離がゼロであっても、回折格子間距離が４μm発生したと誤検出してしまう。
【００３４】
なお、図４Ｂにおける第１のＰＤ３１の出力の右端における干渉明度は０ではない。これに対して、図３で示した各グラフの右端における干渉明度は０となっている。両者の違いは、シミュレーションにおける入力パラメータの違いによるものである。図４Ｂの方が、図３に比べて現実に近い設定となっている。
【００３５】
図４ＡとＢを比べると、第２のＰＤ３２の出力が１／２になると、干渉明度で表される第１のＰＤ３１の出力幅が１／４になる。原理的には、図４Ａ及びＢで示した第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２の各出力の相関は、下に示す公知の式１によって決定される。
【００３６】
I = |E1+E2|2 = E012 + E022 + 2E01E02cos{(k1-k2)r +φ1−φ2} ・・・式１
I：干渉光３０の強度
E1+E2：一対の回折格子２０を通過した干渉光（回折光２２及び２６）の強度（振幅）
【００３７】
E1、E2は一対の回折格子２０から出射された回折光２６及び２２の各振幅を表す。Iは一対の回折格子２０の出射光（干渉光３０）による強度を表す。E1+E2は、振幅E1の回折光２６（第１の回折格子２０１による０次光及び第２の回折格子２０２による１次光）と、振幅E2の回折光２２（第１の回折格子２０１による１次光及び第２の回折格子２０２による０次光）との干渉光の振幅を表す。
【００３８】
また、例えば図７に示す深さ４２３ｎｍの溝を有する回折格子が使用される場合、上記０次回折光の振幅及び１次回折光の振幅は、両者とも実質的に同じ振幅となる。それ故、回折光２２及び２６の振幅と、直進光２４の振幅は実質的に同じであることから、直進光２４を第２のＰＤ３２で検出することにより、回折光２２及び２６の振幅の誤差を判断することが可能となる。
【００３９】
本実施形態では、上記式１を利用して、第１のＰＤ３１により得られた信号が補正される。なお、式１の導出方法については後述する。補正の方法としては、次に説明するような方法がある。
【００４０】
演算回路４０のメモリが、第２のＰＤ３２による出力値の基準値を予め記憶しておく。例えば、図４Ａに示した第２のＰＤ３２による出力の曲線が、基準値の集合となる。また、演算回路４０のメモリは、上記式１を演算アルゴリズムとして記憶する。これにより、演算回路４０は、第２のＰＤ３２の出力の変動に応じて、式１を利用して第１のＰＤ３１の変動（つまりその変動後の出力値）を推定することができる。
【００４１】
例えば、図４Ｂに示すように第２のＰＤ３２の出力が基準値の１／４になった場合、第１のＰＤ３１の出力幅が１／２となっていることを推定することができる。したがって、この場合は、演算回路４０は、第１のＰＤ３１の出力値を２倍とすることで、結果的に元の適正な第１のＰＤ３１の受光感度特性を得ることができる。
【００４２】
演算回路４０は、補正後は、例えばその第１のＰＤ３１の出力値の係数をメモリに記憶しておき、変位の計測の都度、その係数を用いればよい。この場合、初期設定としてはその係数が１に設定され得る。
【００４３】
補正の開始のタイミングは、この変位計測装置のユーザによる、この変位計測装置への所定の操作入力があった時でもよいし、または、演算回路４０が所定のアルゴリズムに基づいて補正を開始してもよい。
【００４４】
演算回路４０が所定のアルゴリズムに基づいて、補正を開始する場合の例として、次のような例が挙げられる。例えば演算回路４０は、第２のＰＤ３２の出力の基準値の他、第２のＰＤ３２の出力についての予め決められた、基準値とは異なる閾値を記憶する。この閾値は、基準値を挟むように、その基準値を上回る値及び下回る値の両方が設定されてもよいし、または、それら両方のうちいずれか一方が設定されてもよい。演算回路４０は、実際の第２のＰＤ３２の出力値がその閾値を超えた場合（あるいは下回った場合）、上記補正を開始すればよい。
【００４５】
以上のような変位計測装置１０の動作、ここでは主に上記補正処理について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００４６】
変位計測が開始されると、ＬＤ１２からレーザ光が出射され（ステップ１０１）、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２が、干渉光３０及び直進光２４をそれぞれ受光する（ステップ１０２）。演算回路４０は、第２のＰＤ３２から出力される検出値をメモリに記憶する（ステップ１０３）。この場合、演算回路４０は所定のサンプリング間隔で、検出値を記憶していけばよい。
【００４７】
演算回路４０は、第２のＰＤ３２から出力される検出値の、上述の基準値からの所定の変化を監視する（ステップ１０４）。ここでは、第２のＰＤ３２による検出値の基準値を１００％とし、その第２のＰＤ３２の検出値の割合値が監視される。所定の変化があった場合とは、例えば上述したように閾値が設定され、割合値がその閾値を上回るまたは下回るなどである。
【００４８】
ステップ１０４において所定の変化がない場合、第１のＰＤ３１の出力は正常と推定されるため、演算回路４０は、その第１のＰＤ３１の出力値に応じた変位を出力する（ステップ１０５）。上述したように、ここでは演算回路４０は、係数１を第１のＰＤ３１の検出値に乗算し、変位を出力することができる。
【００４９】
一方、ステップ１０４において、第２のＰＤ３２から出力される検出値に所定の変化があった場合、演算回路４０は、その変化量に基づき（ここでは、例えば第２のＰＤ３２のその変化後の値である上記割合値に基づき）、第１のＰＤ３１の出力の係数を算出する（ステップ１０６）。上記式１によれば、演算回路４０は、その割合値を２乗演算することにより得られる値を係数として出力することができる。そして、演算回路４０は、第１のＰＤ３１の出力値に当該算出された係数を乗算し、乗算により得られる値に応じた変位を出力する（ステップ１０７）。
【００５０】
以上のように、本実施形態では、非干渉光を検出する第２のＰＤ３２が備えられることにより、演算回路４０が第２のＰＤ３２で得られた信号を利用して、第１の光ＰＤ３１により得られる信号を補正する。したがって、ＬＤ１２の出力変動が発生する場合であっても、変位を正確に計測することが可能となる。
【００５１】
本実施形態では、一対の回折格子２０を透過する０次光、すなわち直進光２４を第２のＰＤ３２により検出すればよい。したがって、図１に示した光学系のように、ＬＤ１２及び一対の回折格子２０の光軸上に第２のＰＤ３２を配置すればよいので、第２のＰＤ３２の配置設計が容易になる。
【００５２】
［補正手段（２）］
次に、ＬＤ１２の出力の変動があった場合でも、変位を正確に計測するための手段として、上記補正手段（１）の説明における光学系とは別の光学系を用いて、第１のＰＤの信号を補正する形態について説明する。図６は、その光学系を示す。
【００５３】
なお、これ以降の説明では、図１等に示した形態に係る光学系が含む素子や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００５４】
本実施形態に係る変位計測装置１１０の一対の回折格子２５は、第１の回折格子素子２０３及び第２の回折格子素子２０４で構成される。第１の回折格子素子２０３は、例えば上記第１の回折格子２０１と同じものでよい。これら回折格子素子２０３及び２０４のうちいずれか一方の回折格子素子、ここでは後段側である第２の回折格子素子２０４が、回折格子領域２０４ａと、非回折格子領域２０４ｂとを含む。非回折格子領域２０４ｂは、例えば平板状に形成され、溝を含まない領域である。
【００５５】
第１のＰＤ３３は、一対の回折格子２５から出射された干渉光３０を検出する。この干渉光３０は、第１の回折格子素子２０３で回折されて第２の回折格子素子２０４の回折格子領域２０４ａを直進して通過した回折光（例えば１次光）と、第１の回折格子素子２０３を通過して直進し回折格子領域２０４ａで回折された回折光（例えば１次光）との干渉光である。
【００５６】
第２のＰＤ３４は、一対の回折格子の第１の回折格子素子２０３及び第２の回折格子素子２０４からそれぞれ出射された、０次光以外の回折格子のうちいずれか一方の回折光、ここでは、第１の回折格子素子２０３で回折されて第２の回折格子素子２０４の非回折格子領域２０４ｂを通過して直進する回折光２７を検出する。この回折光２７は非干渉光である。
【００５７】
図１で示した実施形態と同様に、第１のＰＤ３３及び第２のＰＤ３４には図示しない演算回路４１が接続されている。演算回路４１は、第２のＰＤ３４の出力に基づいて、第１のＰＤ３３の信号を補正することで変位を出力する。第２のＰＤ３４で検出される光は非干渉光であり、一対の回折格子２５間の距離に依存しないので、演算回路４１は、第１のＰＤ３３の信号補正のために、第２のＰＤ３４の出力を用いることができる。本実施形態の補正手段（２）による補正方法は、上記補正手段（１）で説明した方法と同様である。
【００５８】
本実施形態では、非干渉光として０次光でない回折光を第２のＰＤ３４が検出することによっても、第１のＰＤ３３の受光感度特性を補正することができ、したがって、変位を正確に計測することが可能となる。
【００５９】
［式１の導出方法］
以下、上記式１の導出方法について説明する。
一般的な波動関数、ここでは調和波Eの波動関数が次の式２のように表される。
【００６０】
E(r, t) = E0sin[ωt−(kr+φ)] ・・・式２
r：波動の伝播方向
t：時間
E0：振幅
ω：周波数
k：波数（k=ω/c、c：位相速度）
φ：初期位相
【００６１】
式２において、位相のうちの空間部分"−(kr+φ)"を次式３のようにαで表すと、式２は式４のように表される。
【００６２】
α(r,φ) = −(kr+φ) ・・・式３
E(r, t) = E0sin[ωt+α(r,φ)] ・・・式４
【００６３】
同じ周波数と速度で空間中に共存している次式５及び６で表される２つの波動があるとする。
【００６４】
E1 = E01sin(ωt+α1) ・・・式５
E2 = E02sin(ωt+α2) ・・・式６
【００６５】
結果的に存在する波動Eは、これらの波動の線形の重ね合わせとして次式７で表される。
【００６６】
E = E1+E2
= E01(sinωt cosα1+cosωt sinα1) + E02(sinωt cosα2+cosωt sinα2) ・・・式７
【００６７】
式７において時間依存項を分離すると、式７は次式８で表される。
【００６８】
E = (E01cosα1+E02cosα2)sinωt + (E01sinα1+E02sinα2)cosωt ・・・式８
【００６９】
式８において、括弧部分は時間に対して一定値であるので、式８は次式９及び１０で表される。
【００７０】
E0cosα= E01cosα1+E02cosα2 ・・・式９
E0sinα= E01sinα1+E02sinα2 ・・・式１０
【００７１】
sin2α+cos2α= 1であるので、式９及び１０の２乗和から、以下の式１１が導出される。したがって、式３及び式１１から式１が導出される。
【００７２】
E02 = E012 + E022 + 2E01E02cos(α2−α1) ・・・式１１
【００７３】
［回折格子の評価］
次に、上記各実施形態に係る変位計測装置において用いられる回折格子の評価について説明する。
【００７４】
図７は、溝の深さがそれぞれ異なる回折格子について、その深さと、１次回折光の強度（この回折格子への入射光に対する比）との関係を示す実測のグラフである。回折格子の溝ピッチはすべて同じ（３．３μm）とされた。回折格子の材料としては、１．４５の屈折率を持つ石英ガラスが用いられた。図８は、回折格子の評価のために用いられたハードウェア構成及びその条件等を示す。
【００７５】
図８に示すように、本発明者は、光源１１２としてHeNeレーザ（中心波長６３３nm）を用い、このレーザ光を評価対象である回折格子２００に入射させ、スクリーン１６０に照射された各回折光のうち、１次回折光の強度をＰＤ１３０を用いて測定した。回折格子２０とスクリーン１６０との距離は２０cmとされた。
【００７６】
図７に示す結果から、溝深さが４７３μmを持つ回折格子が、最も効率良く１次回折光を出射することがわかった。
【００７７】
図９は、図７に示した測定サンプルのうち、溝深さ４７３μmを持つ回折格子を含むいくつかのサンプルをピックアップし、それらについて０次光と１次光との強度比をそれぞれ示した表である。４７２nmの溝深さは、その溝の端の深さであり、４７３nmの溝深さは、その溝の中心の深さである。
【００７８】
この３．３μmの溝ピッチを有する回折格子の溝深さのうち、０次光と１次光との比が最も１に近くなる溝深さは、４７３nm（中心の溝深さ）であった。０次光と１次光との比として１に近いが得られるので、例えば図１に示した光学系において、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２によって、それぞれ１次及び０次光を容易に検出することができる。
【００７９】
［光学系を収容する筐体］
図１０は、変位計測装置１０の構成を示し、図１に示す光学系及びこれを収容する筐体５０を示す断面図である。
【００８０】
筐体５０は、光路が配置される孔部５５を有する。孔部５５は、ＬＤ１２から一対の回折格子２０までの第１の孔部５５ａと、一対の回折格子２０から第１のＰＤ３１までの第２の孔部５５ｂと、一対の回折格子２０から第２のＰＤ３２までの第３の孔部５５ｃとを含む。第１の孔部５５ａ及び第３の孔部５５ｃは、実質的に同軸上に設けられ、第２の孔部５５ｂは、その軸に対して角度を持った軸に沿って設けられている。
【００８１】
第１の孔部５５ａ及び第３の孔部５５ｃの長手方向に沿った軸を、以下では便宜的に主軸という。この主軸の方向は、一対の回折格子２０の光軸と平行となっている。
【００８２】
主軸方向における筐体５０の両端部には、実装基板５１及び５２がそれぞれ装着されている。実装基板５１にはＬＤ１２が実装され、実装基板５２の基板には第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２が実装されている。
【００８３】
筐体５０は、光源側部材５０ａと、センサ側部材５０ｂと、これらの間に設けられたバネ部５０ｃとを有する。バネ部５０ｃは、筐体５０の、対向する２つの側面にそれぞれ２つずつ切り欠き５３が設けられ、かつ、内部にスリット５４が設けられることにより形成されている。一対の回折格子２０は、そのスリット５４を挟むように筐体５０に保持されている。バネ部５０ｃによって、筐体５０が主軸方向に伸縮可能となるため、第１の回折格子２０１及び第２の回折格子２０２の相対移動が可能となり、変位計測が可能となる。
【００８４】
筐体５０の材質としては、金属や樹脂が用いられる。金属の場合、例えばステンレス、アルミニウム等が挙げられる。光源側部材５０ａ及びセンサ側部材５０ｂが第１の材料で形成され、バネ部５０ｃが、第１の材料のヤング率より低いヤング率を有する第２の材料で形成されていてもよい。この場合、第１の材料は金属であり、第２の材料が樹脂とされる。もちろん、第１及び第２の材料として共に異なる種類の金属が用いられもよいし、異なる種類の樹脂が用いられてもよい。
【００８５】
［変位計測装置を保持するホルダ］
図１１は、この変位計測装置を保持するホルダを示す平面図である。図１２は、それを主軸方向で見た側面図である。
【００８６】
ホルダ６０は、概略中央に開口６０ａを有し、この開口６０ａに変位計測装置１０の筐体５０が嵌め込まれている。ホルダ６０は、主軸方向で相対的にスライド可能に設けられた第１の部材６１及び第２の部材６２を有する。第１の部材６１及び第２の部材６２は、互いに向かい合う位置に設けられた凹状の切り欠き部６１ａ及び６２ａをそれぞれ有する。これらの切り欠き部６１ａ及び６２ａにより上記開口６０ａが形成される。
【００８７】
変位計測装置１０の筐体５０（ここでは図１０に示したような実装基板５１及び５２も含む）の側面が、ホルダ６０の開口６０ａの内面に当接した状態で、すなわち突き当て構造によりホルダ６０に保持されている。すなわち、バネ部５０ｃのバネ力が発生した状態、ここではバネ部５０ｃが主軸方向に所定量縮んだ状態で、筐体５０がホルダ６０に保持されている。この場合、回折格子２０１及び２０２の間に、それら回折格子２０１及び２０２が衝突しない程度のクリアランスが形成された状態で、筐体５０がホルダ６０に保持される。筐体５０がこのようにホルダ６０に保持された状態を、筐体５０の初期状態とする。後述するように、ホルダ６０の第１の部材６１及び第２の部材６２は、ネジ等の固定具により、計測対象物に直接または間接的に取り付けられることにより、上記筐体５０の初期状態が保たれる。そしてこの初期状態における一対の回折格子２０間の変位Ｘが０として設定される。
【００８８】
第１の部材６１及び第２の部材６２には、主軸方向に直交する方向における両側で、主軸方向に沿って２本のガイドシャフト６３が通っている。これにより第１の部材６１及び第２の部材６２が主軸方向に相対的に移動可能となっている。このように、主軸方向に直交する方向における両側にそれぞれガイドシャフト６３が配置されることにより、変位計測装置１０の主軸方向以外の動きを確実に規制することができる。すなわち、一対の回折格子２０の主にチルトの発生を防止することができる。チルトとは、第１の回折格子２０１及び第２の回折格子２０２の各光軸がずれて、回折格子２０１及び２０２が互いに斜めに配置される、つまりハの字状に配置される状態をいう。
【００８９】
図１３は、上記したようにネジＳ等の固定具でホルダ６０が固定される状態を示す図である。ホルダ６０の第１の部材６１及び第２の部材６２には、図１１及び１３に示すように、ネジ穴６４がそれぞれ設けられている。ネジ穴６４は第１の部材６１及び第２の部材６２にそれぞれ複数ずつ（２本ずつ）設けられるが、１本ずつ設けられていてもよい。
【００９０】
図１３に示す例では、スペーサ７１が接着剤７２により計測対象物Ｔに固定され、ホルダ６０はそのスペーサ７１にネジＳにより固定される。つまり、スペーサ７１は取り付けベースとして機能する。具体的には、第１のスペーサ７１ａに第１の部材６１が取り付けられ、第２のスペーサ７１ｂに第２の部材６２が取り付けられる。このような構成により、変位計測装置１０を保持したホルダ６０を簡単に取り付けることができ、これを交換可能とすることができる。また、このスペーサ７１も交換可能としてもよい。
【００９１】
あるいは、図１４に示すように、スペーサ７１と計測対象物Ｔとの間に永久磁石７３が設けられていてもよい。この場合、スペーサ７１と永久磁石７３とは接着剤７２により接着され、磁性体の計測対象物Ｔに永久磁石７３が吸着されることにより、ホルダ６０が計測対象物Ｔに取り付けられる。
【００９２】
このようにホルダ６０が計測対象物Ｔに取り付けられた状態で、第１の部材６１及び第２の部材６２の相対的な初期位置が決定及び維持され、また、このホルダ６０に保持された筐体５０が上述の初期状態を保つ。このホルダ６０の初期位置で、図１３に示すように、ガイドシャフト６３の長さは、ホルダ６０全体の主軸方向の長さより距離Ｙだけ長くなるように設計されている。これにより、計測対象物Ｔが主軸方向に伸張して変位した場合に、ホルダ６０の第１の部材６１及び第２の部材６２が相対移動可能となる。
【００９３】
図１３及び１４では、変位計測装置１０を保持したホルダ６０が、スペーサ７１等を介して計測対象物Ｔに取り付けられる例を示したが、スペーサ７１等がなく、ホルダ６０が直接ネジや接着剤等により計測対象物Ｔに取り付けられてもよい。
【００９４】
図１５Ａは、以上説明したホルダ６０の第１の部材６１及び第２の部材６２の間にスペーサ８０が設けられた状態のホルダ６０の、主軸方向で見た側面図である。図１５Ｂは、それに直交する方向で見たホルダ６０の側面図である。このように、第１の部材６１及び第２の部材６２の間にスペーサ８０が設けられることで、第１の部材６１及び第２の部材６２の相対的な初期位置を一定に保つことができる。したがって、筐体５０の初期状態における一対の回折格子２０間の距離も一定に維持することができる。その結果、変位計測装置１０による変位０の初期状態が確実に維持される。
【００９５】
図１６は、他の実施形態に係る変位計測装置を示す断面図である。図１０に示した実施形態と、この図１６に示した実施形態と異なる点は、筐体１５０のバネ部１５０ｃである。本実施形態に係るバネ部１５０ｃは、曲面部１５１を有する。すなわち、バネ部１５０ｃにＲが設けられている。これにより、バネ部１５０ｃに発生する応力を分散することができるので、バネ部１５０ｃの劣化を抑制し、変位計測装置の長寿命化を図ることができる。
【００９６】
この図１６に示す実施形態に係る筐体１５０における、光源側部材１５０ａ、センサ側部材１５０ｂ及びバネ部１５０ｃの材料として、上記した各種の材料を上記の趣旨で用いることができる。
【００９７】
［その他の実施形態］
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【００９８】
上記各実施形態に係る変位計測装置の光学系では、第１のＰＤ３１（３３）は、一対の回折格子２０（２５）から出射された干渉光３０を直接受ける構成であった。しかし、一対の回折格子から出射された干渉光が、ミラーで反射される等、他の光学素子を介して第１のＰＤ３１（３３）に入射するような光学系の構成であってもよい。このことは、第２のＰＤ３２（３４）についても同様であり、一対の回折格子２０（２５）から出射された光が、他の光学素子を介して第２のＰＤ３２（３４）に入射してもよい。
【００９９】
図６に示した第２の回折格子素子２０４は、平板状の非回折格子領域２０４ｂを含んでいた。しかし、非回折格子領域は、例えば第２の回折格子素子の一部に形成された開口であってもよく、その開口を通過する第１の回折格子からの回折光（非干渉光）を第２のＰＤが受光してもよい。なお、これとは逆に、入射側に配置される第１の回折格子素子が非回折格子領域を含んでいてもよい。
【０１００】
あるいは、第２の回折格子が、第１の回折格子より小さいサイズで形成され、第１の回折格子から出射して、第２の回折格子を通らないでそのまま通過した回折光（非干渉光）を、第２のＰＤが受光してもよい。なお、これとは逆に、第１の回折格子が第２の回折格子より小さいサイズで形成されていてもよい。
【０１０１】
上記実施形態では、ユーザによる変位計測装置１０（１１０）の利用時において、第１のＰＤ３１（３３）の信号の補正処理が実行された。これに加え、変位計測装置の製造時に、製造側が、上記した補正方法を用いて第１のＰＤの受光感度特性を補正してもよい。
【０１０２】
変位計測装置１０（１１０）の光源はＬＤでなくてもよく、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）でもよい。ＬＥＤは、砲弾型のものでもよい。
【０１０３】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。例えば、第１のＰＤの受光感度特性の補正手段（１）と補正手段（２）を組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１０、１１０…変位計層装置
１２…ＬＤ
２０…一対の回折格子
２０１…第１の回折格子
２０２…第２の回折格子
２０３…第１の回折格子素子
２０４…第２の回折格子素子
２０４ａ…回折格子領域
２０４ｂ…非回折格子領域
２２、２６…回折光
２４…直進光
２５…一対の回折格子
２６…回折光
３０…干渉光
３１、３３…第１のＰＤ
３２、３４…第２のＰＤ
４０、４１…演算回路
５０、１５０…筐体
５０ａ、１５０ａ…光源側部材
５０ｂ、１５０ｂ…センサ側部材
５０ｃ、１５０ｃ…バネ部
６０…ホルダ
６０ａ…開口
６１…第１の部材
６２…第２の部材
６３…ガイドシャフト
７１、８０…スペーサ
７２…接着剤
７３…永久磁石
【図１】
0005502963.tif 000002
【図２】
0005502963.tif 000003
【図３】
0005502963.tif 000004
【図４】
0005502963.tif 000005
【図５】
0005502963.tif 000006
【図６】
0005502963.tif 000007
【図７】
0005502963.tif 000008
【図８】
0005502963.tif 000009
【図９】
0005502963.tif 000010
【図１０】
0005502963.tif 000011
【図１２】
0005502963.tif 000012
【図１３】
0005502963.tif 000013
【図１４】
0005502963.tif 000014
【図１５】
0005502963.tif 000015
【図１６】
0005502963.tif 000016
【図１１】
0005502963.tif 000017