(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光源と、
前記光源から出射された光を第１の光束と、第２の光束に分割する光束分割部と、
前記光束分割部により分割された前記第１の光束と前記第２の光束を回折する回折格子と、
前記光束分割部により分割された前記第１の光束を前記回折格子に所定の角度で入射させる第１のミラーと、
前記光束分割部により分割された前記第２の光束を前記回折格子に所定の角度で入射させる第２のミラーと、
前記回折格子によって回折された前記第１の光束と前記第２の光束を反射させて、再び前記回折格子に入射させる回折光反射部と、
前記回折光反射部と前記回折格子の間に配置された補正レンズと、
前記回折格子によって再度回折された前記第１の光束と前記第２の光束を重ね合わせる光束結合部と、
前記光束結合部により重ね合わされた前記第１の光束及び前記第２の光束の干渉光を受光する受光部と、を備え、
前記回折光反射部は、その反射面が前記回折格子の格子面と平行に配置され、
前記補正レンズは、その中心軸が前記格子面に対して垂直となるように配置され、
前記第１の光束における前記光束分割部から前記回折格子までの光路長と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記回折格子までの光路長が、異なる長さに設定され、
前記第１の光束における前記光束分割部から前記光束結合部までの光路長と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記光束結合部までの光路長が同じ長さに設定され、
前記第１の光束の光路、又は前記第２の光束の光路のうち少なくとも一方の光路に配置され、前記第１の光束の光路長、又は前記第２の光束の光路長を調整する光路調整部を有する
変位検出装置。
【請求項２】
前記第１の光束及び前記第２の光束における前記回折格子での１回目の回折の方向が、前記格子面に対して垂直に向く
請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記補正レンズにおける一方の焦点位置は、前記格子面の上に位置し、前記補正レンズにおける他方の焦点位置は、前記回折光反射部の前記反射面の上に位置する
請求項１又は２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記第１の光束における前記光束分割部から前記回折格子までの光路長と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記回折格子までの光路長の差である光路長差の整数倍の長さ、前記回折格子から前記回折光反射部までの光路長の整数倍の長さ、前記光路長差の整数倍と前記回折格子から前記回折光反射部までの光路長の整数倍の和、前記光路長差の整数倍と前記回折格子から前記回折光反射部までの光路長の整数倍の差が、前記光源の可干渉距離以上に設定される
請求項１から３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記第１の光束における前記光束分割部から前記回折格子までの光路長と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記回折格子までの光路長の差である光路長差の整数倍の長さ、前記回折格子から前記回折光反射部までの光路長の整数倍の長さ、前記光路長差の整数倍と前記回折格子から前記回折光反射部までの光路長の整数倍の和、前記光路長差の整数倍と前記回折格子から前記回折光反射部までの光路長の整数倍の差が、前記光源が複数の干渉ピークを有する場合、前記複数の干渉ピークの間の長さと同じ、あるいは前記干渉ピークが生じない長さに設定される
請求項１から４のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記第１の光束における前記光束分割部から前記受光部までの反射の回数と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記受光部までの反射の回数が、同一、あるいは回数の差が偶数回である
請求項１から５のいずれか１項に記載の変位検出装置。
【請求項７】
前記回折格子は、格子配列の一方に沿った第１の格子ベクトルと、前記格子配列の他方に沿った第２の格子ベクトルと、を有し、
前記第１の光束が、前記回折格子によって前記第１の格子ベクトルに沿って回折され、前記回折光反射部により再び前記回折格子に入射し、再度回折が行われた際に、前記第２の格子ベクトルに沿って生成された第３の光束を反射させる第３のミラーと、
前記第２の光束が、前記回折格子によって前記第１の格子ベクトルに沿って１回回折され、前記回折光反射部により再び前記回折格子に入射し、再度回折が行われた際に、前記第２の格子ベクトルに沿って生成された第４の光束を反射させる第４のミラーと、
前記第３のミラーによって反射された前記第３の光束と、前記第４のミラーによって反射された前記第４の光束を重ね合わせる第２光束結合部と、
前記第２光束結合部により重ね合わされた前記第３の光束及び前記第４の光束の干渉光を受光する第２の受光部と、
を備えた請求項１から６のいずれかに記載の変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、格子干渉計を用いた変位検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線変位や回転変位の精密な測定を行う測定器として、周期的な明暗や凹凸を形成した格子とＬＥＤなどの光源を用いて光学的に変位計測を行う装置が広く用いられている。近年では、半導体製造装置を中心として、１ｎｍ以下の変位の計測が行える高分解能化された変位検出装置が求められている。
【０００３】
従来の、この種の変位検出装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。この特許文献１に記載された変位検出装置では、光源から照射された光を回折格子に垂直に入射させて、２つの回折光を生成している。さらに、この回折光を再び回折格子に照射させて、２回回折された回折光を生成している。そして、２つの２回回折された回折光を重ね合わせて干渉させ、干渉光を得ている。そして、干渉光を受光素子で受光することで、回折格子の変位を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の特許文献１に記載された変位検出装置では、回折格子が計測方向以外へ変位したり傾いたりした場合、計測誤差が発生する、という問題を有していた。
【０００６】
本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、回折格子が計測方向以外へ変位したり傾いたりした場合でも計測誤差を軽減することができる変位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、光源と、光束分割部と、回折格子と、第１のミラーと、第２のミラーと、回折光反射部と、補正レンズと、光束結合部と、受光部と、を備えている。光源は、光を照射する。光束分割部は、光源から出射された光を第１の光束と、第２の光束に分割する。回折格子は、光束分割部により分割された第１の光束と第２の光束を回折する。第１のミラーは、光束分割部により分割された第１の光束を回折格子に所定の角度で入射させる。第２のミラーは、光束分割部により分割された第２の光束を回折格子に所定の角度で入射させる。回折光反射部は、回折格子によって回折された第１の光束と第２の光束を反射させて、再び回折格子に入射させる。補正レンズは、回折光反射部と回折格子の間に配置されている。光束結合部は、回折格子によって再度回折された第１の光束と第２の光束を重ね合わせる。受光部は、光束結合部により重ね合わされた第１の光束及び第２の光束の干渉光を受光する。回折光反射部は、その反射面が回折格子の測定面と平行に配置されている。そして、補正レンズは、その中心軸が回折格子の測定面に対して垂直となるように配置されている。
第１の光束における光束分割部から回折格子までの光路長と、第２の光束における光束分割部から回折格子までの光路長が、異なる長さに設定される。第１の光束における光束分割部から光束結合部までの光路長と、第２の光束における光束分割部から光束結合部までの光路長が同じ長さに設定される。そして、第１の光束の光路、又は第２の光束の光路のうち少なくとも一方の光路に配置され、第１の光束の光路長、又は第２の光束の光路長を調整する光路調整部を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の変位検出装置によれば、回折格子が傾きその姿勢が変化しても計測誤差を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における回折格子の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置の相対位置検出器を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における光束分割部から受光部までの光路長を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における補正レンズの作用を示す説明図であり、回折格子が傾いた状態を示す説明図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における補正レンズの作用を示す説明図であり、回折格子が傾いた状態を示す説明図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における補正レンズの作用を示す説明図であり、回折格子が高さ方向に移動した状態を示す説明図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における補正レンズの作用を示す説明図であり、回折格子が高さ方向に移動し、かつ傾いた状態を示す説明図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における補正レンズの作用を示す説明図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における補正レンズの作用を示す説明図である。
【図１１】補正レンズの光軸が回折格子の測定面に対して傾いた光学系を示す説明図であり、回折格子が傾いた状態を示す説明図である。
【図１２】補正レンズの光軸が回折格子の測定面に対して傾いた光学系を示す説明図であり、回折格子が高さ方向に移動し、かつ傾いた状態を示す説明図である。
【図１３】補正レンズの光軸が回折格子の測定面に対して傾いた光学系を示す説明図である。
【図１４】補正レンズの光軸が回折格子の測定面に対して傾いた光学系を示す説明図である。
【図１５】補正レンズの光軸が回折格子の測定面に対して傾いた光学系を示す説明図である。
【図１６】図１５の要部を拡大して示す説明図である。
【図１７】図１６の要部を拡大して示す説明図である。
【図１８】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における回折格子が傾いた場合の光路長差を示すグラフである。
【図１９】回折格子が傾いた場合の光路長差を示すグラフであり、回折角度９°の例を示すグラフである。
【図２０】本発明の第１の実施の形態例にかかる変位検出装置における受光部に到達する不要光の光路を示す説明図である。
【図２１】マルチモードの半導体レーザの特性を示すビジビリティー（干渉強度）曲線図である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
【図２３】本発明の第２の実施の形態例にかかる変位検出装置における光束分割部から受光部までの光路長を示す説明図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態例にかかる変位検出装置における光束分割部から受光部までの光路長を示す説明図である。
【図２６】本発明の第３の実施の形態例にかかる変位検出装置における受光部に到達する不要光の光路を示す説明図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
【図２８】本発明の第４の実施の形態例にかかる変位検出装置における光束分割部から受光部までの光路長を示す説明図である。
【図２９】本発明の第４の実施の形態例にかかる変位検出装置における受光部に到達する不要光の光路を示す説明図である。
【図３０】本発明の第４の実施の形態例にかかる変位検出装置における光学系の製造方法を示す説明図である。
【図３１】本発明の第５の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３２】本発明の第５の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図である。
【図３３】本発明の第５の実施の形態例にかかる変位検出装置における回折格子の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の変位検出装置の実施の形態例について、図１〜図３３を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。
また、以下の説明において記載される各種のレンズは、単レンズであってもよいし、レンズ群であってもよい。
【００１１】
１．第１の実施の形態例
１−１．変位検出装置の構成例
まず、本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）の構成を図１〜図３に従って説明する。
図１は、変位検出装置の構成を示す概略構成図、図２は、変位検出装置の回折格子の一例を示す図、図３は、変位検出装置における相対位置検出器の概略構成を示すブロック図である。また、図４は、変位検出装置の光路長を示す説明図である。
【００１２】
本例の変位検出装置１は回折格子の一方向の変位、図１の場合はＸ方向の変位を検出する装置である。
【００１３】
以下、図１〜図４を用いて説明する。
光源２から出射した発散する光ビームは、レンズ１１によってコリメートビームに変換される。光源２としては、マルチモードのレーザーダイオード、スーパールミネッセントダイオード等の可干渉光源ではあるが可干渉距離が比較的短い光源を使用する。ただし、光源としてはこれら特定の種類の光源に限定されるわけではない。ここで言う可干渉距離とは干渉光強度がピークに対しておおむね1/e2以下に低下する時の光束の光路長差である。
【００１４】
光源の位置としては、図１に示された光源２の位置に置いてもよいし、光源の発熱の影響を避けるため、光源は離れた場所に設置し、光ファイバーを用いて光を伝搬させ、光ファイバーの出射端を図１に示された光源２の位置に置いてもよい。この時も光ファイバーを出射した発散する光ビームはレンズ１１によってコリメートビームに変換される。光源からのビームが直線偏光の場合は光ファイバーには偏波保持ファイバー等の偏波面を保持できるものを用いる。
【００１５】
レンズ１１でコリメートビームに変換された光線は偏光ビームスプリッター３からなる光束分割部に入射する。光源２から出射する光が直線偏光の場合は、入射光の偏光方向が偏光ビームスプリッターの透過偏光方向（Ｐ偏光）に対して４５°になるようにする。光源２から出射する直線偏光の光を１／４波長板を用いて円偏光に変換した場合や、出射光がもともと無偏光や円偏光の場合は、光源の光軸周りの角度を特定の方向にする必要はない。いずれの場合も、偏光ビームスプリッター３で光線は透過側と反射側へ強度比１：１で分割される。
【００１６】
偏光ビームスプリッター３の反射側へ出射したＳ偏光の光束Ｌ１は１／４波長板１２で円偏光に変換される。光束Ｌ１はミラー１３で反射され、回折格子４に［式１］を満たす角度で入射される。
［式１］
0006732543.tif 000002
Λ：格子ピッチ  λ：入射光の波長
θ：入射角度（格子の法線から光線向けて角度を測った時、反時計まわりを正とする。）
光束１は回折格子４で回折され、−1次光が回折格子４の格子面に対して垂直な方向に出射する。
【００１７】
図２Ｂは回折格子４の断面構造を示している。基板４ｂの上に突起構造４ａがｘ方向に一定の周期Λで並んだ構造となっている。また、図２Ａに示した通り、突起構造４ａは同じ断面形状のままｘ軸と垂直な方向に延伸した構造となっている。突起構造４ａの断面形状は±１回折光の強度が最大となるように最適化される。
【００１８】
偏光ビームスプリッター３の透過側へ出射したＰ偏光の光束Ｌ２は、偏光ビームスプリッター３と偏光ビームスプリッター１６の間に置かれた１／２波長板１５を通過し、Ｐ偏光からＳ偏光に変換される。Ｓ偏光に変換された光束Ｌ２は偏光ビームスプリッター１６で反射され、１／４波長板１７を通過し円偏光に変換される。光束Ｌ２はミラー１８で反射され、回折格子４に［式２］を満たす角度で入射される。
［式２］
0006732543.tif 000003
光束Ｌ２は回折格子４で回折され、＋１次光が回折格子４の格子面に垂直な方向へ出射する。
【００１９】
光束Ｌ１と光束Ｌ２の回折格子４上の入射点は、ほぼ同一点となるようにする。図１では光束１と光束２の光路を別々に説明するために光路の説明のために、光束１と光束２の回折格子４の入射点が異なるように図示しているが、入射点はなるべく近付けるようにする。
【００２０】
偏光ビームスプリッター３、偏光ビームスプリッター１６、ミラー１３，１８は光束１の偏光ビームスプリッター３の分割面からミラー６までの光路長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）に比べ、光束２の偏光ビームスプリッター３の分割面からミラー６までの光路長（Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６＋Ｌ７）がΔＬだけ長くなるように配置される。（図４参照）
【００２１】
光束１と光束２は回折格子４の格子面に垂直に立てた軸に対して左右対称に入射させる。したがって、Ｌ１＝Ｌ５、Ｌ２＝Ｌ６、Ｌ３＝Ｌ７となるので、Ｌ４＝ΔＬとなる。ここで言う光路長とは単なる距離ではなく光線が通過する距離に光線が通過する物質の屈折率をかけたものである。光路長差は偏光ビームスプリッター３と偏光ビームスプリッター１６の間隔で調整することができる。
【００２２】
回折格子４で回折した光束１と光束２は、ほぼ重なった状態で、回折格子が傾いた場合に光束１、光束２の光路を補正する補正レンズ７を通過し、ミラー６からなる回折光反射部で反射し、元の光路を逆戻りする。レンズ７の中心軸は回折格子４の格子面に垂直となるようにし、光束１、光束２のミラー１３、ミラー１８から回折格子４までの光路の対称軸と一致させる。
【００２３】
また、レンズ７の一方の焦点位置は回折格子４の格子面上に、もう一方の焦点位置はミラー６の反射面上に位置するように配置される。（レンズ７の働きは後述）
【００２４】
光束１は回折格子４で再度回折して、１／４波長板１２を通過する、光束２は回折格子４で再度回折して、１／４波長板１７を通過する。
【００２５】
１／４波長板１２を再度通過した光束１は円偏光からＰ偏光に変換され偏光ビームスプリッター３を通過し、ミラー１４で反射され、ミラー１４と偏光ビームスプリッター９の間に配置された、１／２波長板１９を通過し、Ｐ偏光からＳ偏光に変換される。Ｓ偏光に変換された光束１は偏光ビームスプリッター９からなる光束結合部で反射され受光部８へ向かう。
【００２６】
一方、１／４波長板１７を再度通過した光束２は円偏光からＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター１６および偏光ビームスプリッター９を通過し、受光部８へ向かう。
【００２７】
ミラー１４および偏光ビームスプリッター９は、光束１の偏光ビームスプリッター３の分割面から偏光ビームスプリッター９の分割面までの光路長（Ｌ８＋Ｌ９）が光束２の偏光ビームスプリッター１６の分割面から偏光ビームスプリッター９の分割面までの光路長（Ｌ１０）よりΔＬだけ長くなるように配置される（Ｌ８＋Ｌ９＝Ｌ１０＋ΔＬ）。光路長差はミラー１４と偏光ビームスプリッター９の間隔によって調整することができる。
【００２８】
以上より、光束１の偏光ビームスプリッター３の分割面で分割されてから偏光ビームスプリッター９の分割面で光束２と重ね合わされるまでの光路長と光束２の偏光ビームスプリッター３の分割面で分割されてから偏光ビームスプリッター９の分割面で光束１と重ね合わされるまでの光路長は等しくなる（２×Ｌ１＋２×Ｌ２＋２×Ｌ３＋Ｌ８＋Ｌ９＝Ｌ４＋２×Ｌ５＋２×Ｌ６＋２×Ｌ７＋Ｌ１０）。
上記の説明より、偏光ビームスプリッター９の分割面で重ねあわされた光束１と光束２の光路長が等しくなることがわかる。
【００２９】
重ねあわされた光束１と光束２はレンズ２１を通過し、フォトダイオード３３，３４，３５，３６上でビームが適当な大きさになるように絞られる。
【００３０】
レンズ２１を通過後、光束１と光束２は、光学軸が偏光方向に対して４５°傾けられている１／４波長板２２を通過し、偏光面が互いに反対方向に回転する円偏光に変換される。
【００３１】
また、光束１と光束２は回折格子４で２回回折されているので、回折格子４がｘ方向に移動した場合、それぞれ＋２Ｋｘ、−２Ｋｘだけ位相が変化する。（Ｋ＝２π／Λ：格子定数）
【００３２】
互いに逆方向に回転する円偏光の光を重ね合わせた光は、２つの光の位相差にしたがって回転する直線偏光の光とみなすことができる。したがって、１／４波長板２２を通過後、重ねあわされた光束は回折格子がｘだけ移動すると偏光面が２Ｋｘ（ラジアン）回転する直線偏光とみなすことができる。
【００３３】
重ねあわされた光束は無偏光ビームスプリッター２３で分割され、一方は偏光ビームスプリッター２４、もう一方は１偏光ビームスプリッター２５に向かう。
【００３４】
偏光ビームスプリッター２４で光束はＳ偏光成分とＰ偏光成分に分割され、Ｓ偏光成分はフォトダイオード３３、Ｐ偏光成分はフォトダイオード３４で受光される。
フォトダイオード３３、フォトダイオード３４で受光される光量をI33、I34とすると、以下の通りとなる。
［式３］
0006732543.tif 000004
δは初期位相。
回折格子４がｘ方向に移動すると、正弦波状に変動する干渉信号が得られる。フォトダイオードからはこれに比例した電流信号が出力される。フォトダイオード３３、フォトダイオード３４から得られる信号は位相が１８０°異なる反転信号となることが分かる。
【００３５】
無偏光ビームスプリッター２３で分割されたもう一方の光束は光軸周りに４５°回転された偏光ビームスプリッター２５に入射する。偏光ビームスプリッター２５で光束はＳ偏光成分とＰ偏光成分に分割され、Ｓ偏光成分はフォトダイオード３５、Ｐ偏光成分はフォトダイオード３６で受光される。
フォトダイオード３５、フォトダイオード３６で受光される光量をＩ35、Ｉ36とすると、以下の通りとなる。
［式４］
0006732543.tif 000005
となる。
【００３６】
Ｉ33とＩ34はＳＩＮθの対であるのに対して、Ｉ35とＩ36は９０°位相のずれたＣＯＳθの対となっている。Ｉ33とＩ34、Ｉ35とＩ36はお互いに反転信号となっており、引き算することにより信号の直流成分の変動をキャンセルすることができる。また、引き算することにより９０°位相のずれたＳＩＮθ、ＣＯＳθの一対の信号が作られるため、一般によく知られている方法により、回折格子４がｘ方向の左右どちら側に動いているかの弁別をすることが可能となる。
【００３７】
これらの信号は回折格子４がｘ方向にΛ／４移動すると１周期変動する信号となるが、ＳＩＮθ、ＣＯＳθ信号からθ＝Ａｔａnθを計算することにより、Λ／４よりも小さな変位量を正確に検出することが可能となる。
【００３８】
フォトダイオード３３，３４，３５，３６からの信号は相対位置検出器１０へ送られる。
次に相対位置検出器１０の動作について図３を用いて説明する。
【００３９】
相対位置検出器１０ではフォトダイオード３３，３４，３５，３６からの信号を電流電圧変換する。電流電圧変換後の電圧信号をそれぞれ、Ｖ３３，Ｖ３４，Ｖ３５，Ｖ３６とすると第１差動増幅器６１ａで（Ｖ３３−Ｖ３４）×α、第２差動増幅器６１ｂで（Ｖ３６−Ｖ３５）×βの信号を作成する。増倍率α、βは、増幅後の二つの信号の振幅が等しくなるように、かつ、後段のＡ／Ｄ変換器の入力可能レンジに合わせて設定する。
【００４０】
差動増幅されて得られた二つの信号は、Ａ／Ｄ変換器６２ａ、６２ｂでアナログのＳＩＮ、ＣＯＳ信号からデジタル信号へと数値化され、波形補正処理部６３で演算処理が行われる。波形補正処理部６３、インクリメンタル信号発生器６４ではＤＳＰが組み込まれたプログラマブルロジックデバイス等で演算を行い、アナログ信号の乱れに起因するＳＩＮθ信号、ＣＯＳθ信号の振幅変動、オフセット変動および位相変動の補正を行う。補正された信号からθ＝Ａｔａnθを求めることにより、より正確なスケールの位置情報を生成し、必要な形式のインクリメンタル信号を発生させることができる。また、事前に取得してある回折格子の格子周期の変動により生じる誤差を演算により除いた上で、インクリメンタル信号を発生させることも可能である。
波形補正の方法については特開平０６-１６７３５４号公報、インクリメンタル信号の発生方法については特開平０８-２０１１１０号公報に具体的な構成例が述べられている。
【００４１】
次に、光束１、光束２の光路を補正するレンズ7の効果と回折光が格子面に対して垂直に出射していることの効果について図５から図１０を用いて説明する。
【００４２】
レンズ７が存在しない場合、回折格子4が傾いた場合は、光束１と光束２の光路が変化し、二つの光束の重なりがずれるため干渉信号の最大値、最小値の差（以下振幅）が小さくなる。干渉信号の振幅が小さくなると相対位置検出器１０で用いる電圧信号のＳ／Ｎ比の低下を招くことになる。また、光路の変化により二つの光束の光路長差が変化するため、このことによる干渉信号の変化も生じる。この変化は回折格子４がＸ軸方向に変位した場合の変化と区別がつかないため、Ｘ軸方向の変位の計測に於いては誤差となって現れる。
【００４３】
本例１では、図６のように一方の焦点位置が回折格子４の格子面上に、もう一方の焦点位置がミラー６の反射面上に位置するようにレンズ７が配置される。このことにより、回折格子４が傾いた場合でも、特開２０１２−２７８７号にも述べられているように、偏光ビームスプリッター９で重ね合わせられる光束１と光束２に大きなずれが生じないため、干渉信号の振幅の低下が大幅に抑えられるという効果がある。この点について図５、図６を用いて説明する。
【００４４】
回折格子４が傾くと、図５にあるように、回折光は斜線で示した光線のように傾く。図６の一点鎖線は回折格子４の傾きがない場合、破線は傾いた場合の光束の光軸を表している。レンズ７の一方の焦点が回折格子４上にあるため、回折格子４が傾いた場合でも、レンズ７を通過後の回折光の光軸がミラー６に対して常に垂直になり、ミラー６の反射前後で光路にずれが生じない。また、レンズの作用により一点鎖線と破線の光路長は常に等しいため、回折格子４の傾きによる光路長の変化も生じないことが分かる。
【００４５】
また、図５より、レンズ７のもう一方の焦点がミラー６の反射面上にあるため、レンズ７を通過した平行光束はミラー６の反射面上で一点に絞られ、ミラー６での反射前後で光束の形に変化が生じないことがわかる。
【００４６】
以上、光束１の例のみ述べたが、光束２はレンズ７の中心軸に対して光束１と対称であることから、以上の説明が同様に適用でき、光束２も回折格子４の傾きによる光路のずれ、および光路長の変化を生じないことが分かる。光束１、光束２とも回折格子４の傾きによって光路のずれおよび光路長の変化を生じないため、回折格子４が傾いた場合でも、受光部８での干渉信号に変化が生じないため、誤差が発生しないことが分かる。
【００４７】
さらに、レンズ７の中心軸が回折格子４の格子面に対して垂直であることと、回折の方向が格子面に対して垂直であることからは、以下の効果を生じる。
【００４８】
回折格子４が上下方向に動いた場合は図７のように、回折格子４への一回目の入射点、二回目の入射点ともレンズ7の中心軸からずれた位置に移動する。（この図では説明のため光束１と光束２を別々に図示している。）回折格子４への入射点がずれると、回折光の位相は、ずれ量Δｘに応じた−４ＫΔｘだけ変化するが、レンズ７の一方の焦点位置が回折格子４の格子面上に、もう一方の焦点位置がミラー６の反射面上に位置するよう配置されているため格子面⇒レンズ７⇒ミラー６⇒格子面を一つの光学系とみた場合の横倍率が1倍であるため、図１２のように、帰りの光路では、レンズ7の中心軸に対し左右対称に、同じ距離だけ入射点が移動する。このことにより、行きと帰りの位相ずれがお互いに相殺し光束の位相の変化は生じない。また、回折格子４の上下方向の移動により、光路長が長くなったり短くなったりするが、図７を見ればわかる通り、光束１と光束２の光路長が同じだけ変化するので、受光部８での干渉信号に変化が生じないため、誤差が発生しないことが分かる。
【００４９】
回折格子４が上下方向に移動し、さらに傾いた場合は図８の斜線部のように光路が変化する。図６の光束を、図９のように行きと帰りの光線をひとまとめにして考えると、回折格子４上下方向の移動がレンズ７の焦点深度の範囲程度に収まっていれば、太い一点鎖線を光軸とする平行光線がミラー６の反射面上で焦点を結んでいることと同じであると考えることができるので、レンズの作用から太い破線の範囲内では光線の光路長がほぼ等しいことが分かる。
【００５０】
この状態から回折格子４が傾いた状態を示したのが図１０である。この場合も図９と同様に行きと帰りの光束をひとまとめにして、太い一点鎖線を光軸とする、一つの光束と考えることができる。これを図６と比較すると、図１０の光軸を示している太一点鎖線が、図６の破線と同様にレンズ７を通過後にミラー６の反射面に対して垂直になる状態が保たれている範囲では、図５、図６で説明したことが同様に適用できる。
【００５１】
ただし、図１０の場合は、回折格子４の格子面の位置がレンズ７の焦点位置からずれるため誤差は０にはならないが、図９の太破線内の光線の光路長と、図１０の太破線内の光線の光路長は、ほぼ等しくなることが分かる。したがって、図１０の回折格子４が傾く前の光束と回折格子４が傾いた後の斜線部で示した光束の光路長は、ほぼ等しいと言うことができる。このことにより、受光部８での干渉信号の変化がごく小さなものとなり、上記で説明した構成を取らない場合に比べ、回折格子４が上下に移動しかつ傾いた際の誤差が大幅に低減される。
【００５２】
以上述べた効果は、レンズ７の中心軸が回折格子４の格子面に対して垂直であることと、回折の方向が格子面に対して垂直であることの二つが満たされることにより生じる。回折の方向が格子面に対して完全に垂直であることは必ずしも必要ではないが、回折方向が垂直から離れるほど、レンズ７の非軸収差の影響が大きくなるため、誤差の発生をより小さくするためには、回折方向が垂直に近いことがより望ましい。
【００５３】
以下に、図１１から図１７を用いてレンズ７の中心軸と回折光の方向が格子面に対して、垂直ではなく傾いている場合に、回折格子４が上下に移動し、かつ傾いた場合に大きな誤差が発生する理由を説明する。
【００５４】
図１１は1回目の回折光が格子面に対して垂直な方向ではなく傾いた方向に出射している場合を示している。レンズ７の中心軸は回折光の光軸と一致させているため、回折格子の格子面に対して垂直ではなく傾いている。この場合、光束１と光束２で回折格子４での回折後の光路が異なるので、レンズ7はそれぞれに対して一つずつ必要になる。
【００５５】
図中斜線部で示したのは回折格子４が傾いた時の光路である。レンズ７の一方の焦点位置は回折格子４の格子面と一致させ、もう一方の焦点位置はミラー６の反射面と一致させている。この場合も、回折格子４が傾いた場合でも光路長の変化や２回目の回折光の光路にずれは生じない。これは、図５、図６で説明したことと同様の理由による。
【００５６】
回折格子４が上下方向に動いた場合も図７で説明したことがほぼそのまま適用でき、入射点の移動による位相変化は相殺され、光束１と光束２の光路長が同じだけ変化するので、受光部８での干渉信号に変化が生じない。
【００５７】
回折格子４が上下方向に移動し、さらに傾いた場合は図１２の斜線部のように光路が変化する。図１３のように、行きと帰りの光束をひとまとめにして考えると、図９で説明したのと同様に、回折格子４上下方向の移動がレンズ７の焦点深度の範囲程度に収まっていれば、太い破線内の光線の光路長は、ほぼ等しいと考えることができる。この状態から回折格子４が傾いた状態を同様に考えると図１４の太線内の光線の光路長は、図１０の説明の時と同様、ほぼ等しいと考えることができる。
【００５８】
ただし、この光線の光路長は回折格子４が傾く前の光路長とは異なる。図１５は図１４のひとまとめにした光線の仮想の光軸のみを示したもので、図１６は図１５の丸で囲った部分を拡大した図である。図１６から、回折格子４が上下に移動することによりレンズ７の中心軸と回折格子４の回転中心にずれが生じ、光路が図１６の丸部分を拡大した図１７の太線の部分だけ長くなっていることが分かる。この図は光束１の様子を示したものであるが、光束２は反対に光路が短くなることが容易に理解できる。したがって、回折格子４が上下方向に移動し、さらに傾いた場合は、光束１と光束２の光路長に大きな差が生じ、受光部８での干渉信号にも大きな変動が生じ、大きな誤差が発生することがわかる。
【００５９】
レンズ７の中心軸が回折格子４の格子面に対して垂直であれば、回折格子４が上下方向に移動した場合でも、回折格子４の回転中心とレンズ７の中心軸は常に一致するので、上記のような誤差は生じない。
【００６０】
以上により、回折格子４が上下方向に移動し、さらに傾いた場合にそれに伴う誤差を極力小さくするためには、レンズ７の中心軸が回折格子４の格子面に垂直で、1回目の回折光が格子面に対して垂直な方向に出射している必要があることが分かる。
【００６１】
図１８、図１９はレンズ７に焦点距離６．３ｍｍのものを用い、回折格子4の周期を１μｍ、光源２の波長を７９０ｎｍとした時に、回折格子４が傾いた場合の光束１と光束２の光路長差をシミュレーションにより計算した結果を示している。図中の回折角度とは、回折格子４の法線と回折光の角度のことである。このシミュレーションではレンズ７の中心軸と回折光の光軸は一致させてある。
【００６２】
図１８から分かるように、回折角度が０°（格子面に対して垂直方向に回折）の場合は、ΔZ（スケールの上下方向の移動）の増加により、回折格子４が傾いた場合に若干の光路長差が発生しているが、図１９の回折角度が９°の場合に比べると、発生する光路長差は大幅に小さいことが分かる。量的には約１／８に低減されていることが分かる。したがって、シミュレーション結果からも、レンズ７の中心軸が回折格子４の回折面に対して垂直であり、回折光が格子面に対して垂直な方向に出射していることの効果は明らかである。
【００６３】
次に、偏光ビームスプリッター３の分割面からミラー６までの光路長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）に比べ、光束２の偏光ビームスプリッター３の分割面から回折格子４までの光路長（Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６＋Ｌ７）がΔＬだけ長くなるように配置され、光束１の偏光ビームスプリッター３の分割面から偏光ビームスプリッター９までの光路長（Ｌ８＋Ｌ９）が光束２の偏光ビームスプリッター１６の分割面から偏光ビームスプリッター９の分割面までの光路長（Ｌ１０）よりΔＬだけ長くなるように配置されていることの効果を説明する。
【００６４】
図２０に示すように、受光部８には±１次の回折光である光束１と光束２以外の回折次数の光も到達する。これらの光は本来不要であり、これらの不要光どうし、あるいは不要光と光束１と光束２が干渉した場合は全てノイズとなり、光束１と光束２の干渉から得られるＳＩＮ、ＣＯＳ信号を歪ませ、ＳＩＮ、ＣＯＳ信号を内挿して位置情報を得る場合の誤差要因となる。
【００６５】
そこで、実施例１では、不要光どうし、不要光と光束１と光束２の光路長に差を設け、その差が光源の可干渉距離以上となるように設定することにより、これらの光どうしの干渉を抑制している。干渉しないで単に受光部に到達する不要光については、先に説明した６１ａ、６１ｂの差動増幅器で除去される。
【００６６】
表１に各回折光どうしの光路長の差を示した。
【００６７】
【表１】
0006732543.tif 000006
【００６８】
表中の項目欄で、＋１次、−１次とあるのは１回目の回折が＋１次、２回目の回折が−１次の光線であることを示している。例えば、＋１次、−１次と−１次、＋１次の交差している欄にある２ΔＬはこの二つの光線の光路長差を示している。ｎは整数で回折格子４とミラー７の間を０次光が繰り返し反射することに対応している。
【００６９】
この表から、ΔＬとＬ３が以下の条件を全て満たせば各回折光どうしの光路長が可干渉距離Δl以上になることが分かる。
[式５]
0006732543.tif 000007
ｎは表中の対応する回折光で回折格子４とミラー６の間を繰り返し往復する反射光が十分減衰するまでの反射回数。例えば１回目と２回目の回折が共に+１次の光束の偏光ビームスプリッター３の分割面から偏光ビームスプリッター９の分割面までの光路長は２Ｌ１＋２Ｌ２＋２Ｌ3＋Ｌ8＋Ｌ9となるが、２回目の回折格子への入射の際には単純な反射光（０次光）も発生し、この光はミラー６へ向かい再び回折格子へ入射することになり、以後同じことを繰り返す。このことから、ミラー６での反射回数をｎ回とすると、先ほどの光路長は２Ｌ１＋２Ｌ２＋２ｎＬ3＋Ｌ8＋Ｌ9となる。表中のｎはこの反射回数を表している。ｎ＝３で他の回折光と干渉した場合の干渉光強度が許容範囲内に収まる程度に減衰する場合はｎ＝１，２，３で上式を満たすようにする。
【００７０】
上記より、光束１の偏光ビームスプリッター３の分割面から偏光ビームスプリッター９の分割面までの光路長（Ｌ８＋Ｌ９）が光束２の偏光ビームスプリッター１６の分割面から偏光ビームスプリッター９の分割面までの光路長（Ｌ１０）よりΔＬだけ長くなるように配置されていることにより、不要光どうし、不要光と光束１と光束２の光路長に光源２の可干渉距離以上の差を設けることが可能であり、Ｌ３も同時に一定の長さに設定する必要があることが分かる。
【００７１】
上記で、＋２次光と−２次光については光路長が等しくなり干渉を抑制できないが干渉光の位相変化が４Ｋｘと光束１と光束２の位相変化量と同相となるため、信号歪の要因としては影響が小さい。
【００７２】
マルチモードの半導体レーザー等複数の発振周波数ピークを持った光源の場合、図２１のようにコヒーレンス曲線に複数のピークが現れる。グラフの縦軸は干渉光のビジビリティーで横軸は光路長差である。このような光源の場合は[式５]のΔＬ，２Ｌ３,｜ΔＬ−２ｎＬ３｜，｜２（ΔＬ−ｎＬ３）｜が図中の矢印のようにピークとピークの間の谷の部分に入るようにするか、ピークが現れない位大きな光路長差（ΔＬ  >>  ４０ｍｍ）を取る必要がある。
以上、ΔＬとＬ３を特定の大きさにすることにより不要な干渉を抑制することが可能であることを示した。
【００７３】
次に、偏光ビームスプリッター９の分割面で重ねあわされる光束１と光束２の光路長が等しくなっていることの効果について述べる。
【００７４】
実施例１では可干渉距離の比較的短い光源２を用いるが、光束１と光束２の光路長が等しい場合、ビジビリティー曲線のピークで干渉し大きな振幅の干渉信号を得ることができる。
【００７５】
逆に言えば、光束１と光束２の干渉信号の振幅が最大になるようにミラー１４と偏光ビームスプリッター９の間隔を調整することで、光束１と光束２の光路長を等しくすることも可能である。
【００７６】
光路長を等しくすることより、光源の波長変動により発生する誤差をなくすことができる。実施例１の場合、偏光ビームスプリッター９の分割面で光束１と光束２を重ね合わせた後の光路長にΔａの差がある場合、光源の波長がΔλ変化すると下記のΔＥの誤差が生じる。
[式６]
0006732543.tif 000008
Δλは光源の温度、気圧、湿度の変化によって生じるため、Δａが０でない場合これらの変動によってΔＥが生じ、測定結果に誤差が生じることになる。逆に、Δａ＝０であればこれらの変動に影響されない安定した測定をすることが可能になる。
【００７７】
２．変位検出装置の第２の実施の形態例
本例の変位検出装置４０は回折格子の一方向の変位を検出する装置である。図２２の場合はＸ方向の変位を検出する装置である。以下、図２２、図２３を用いて説明する。以下の説明では、第１の実施の形態例と重複する部分は説明を省略する。
【００７８】
光源の種類・位置および光源２から出射した光束がレンズ１１でコリメートビームに変換され、偏光ビームスプリッター３からなる光束分割部で分割され、一方の光束１が回折光で回折され再び偏光ビームスプリッター３に戻ってくるまでの光路は第１の実施の形態例と同様である。
【００７９】
戻ってきた光束１は偏光ビームスプリッター３を通過し、ミラー１４で反射され１／２波長板４５でＰ偏光からＳ偏光に変換され偏光ビームスプリッター４９で反射され１／４波長板４８に向かう、１／４波長板４８の裏面は反射面となっており、光束１はその面で反射され、偏光ビームスプリッター４９に戻る。光束１は１／４波長板４８を２回通過することでＳ偏光からＰ偏光に変換されており、偏光ビームスプリッター４９からなる光束結合部を通過し、受光部８へと向かう。
【００８０】
偏光ビームスプリッター３で分割されたもう一方の光束２は、偏光ビームスプリッター４１を通過し、１／４波長板４３へと向かう。１／４波長板４３の裏面は反射面となっており、光束２はその面で反射され、偏光ビームスプリッター４１に戻る。光束２は１／４波長板４３を２回通過することでＰ偏光からＳ偏光に変換されており、偏光ビームスプリッター４１で反射され、ミラー４４へと向かう。
【００８１】
ミラー４４で反射され回折格子４で回折されてから再び偏光ビームスプリッター４１に戻ってくるまでの光路は第１の実施の形態例と同様である。
【００８２】
戻ってきた光束２は偏光ビームスプリッター４１を通過し、ミラー４６で反射され１／２波長板４７でＰ偏光からＳ偏光へ変換され偏光ビームスプリッター４９で反射され、光束１と重ねあわされ受光部８へと向かう。受光部８と相対位置検出器１０の動作は第１の実施の形態例と同様である。
【００８３】
偏光ビームスプリッター３、偏光ビームスプリッター４１、ミラー１３，４４は光束１の偏光ビームスプリッター３の分割面からミラー６までの光路長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）に比べ、光束２の偏光ビームスプリッター３の分割面からミラー６までの光路長（Ｌ４＋Ｌ５×２＋Ｌ６＋Ｌ７＋Ｌ8）がΔＬだけ長くなるように配置される。光束１と光束２はレンズ７の光軸に対して左右対称に入射するため、Ｌ１＝Ｌ６、Ｌ２＝Ｌ７、Ｌ３＝Ｌ８なので、Ｌ４＋Ｌ５×２＝ΔＬとなる。
【００８４】
ミラー１４、ミラー４６、１／４波長板４８および偏光ビームスプリッター４９、は、光束１の偏光ビームスプリッター３の分割面から１／４波長板４８の裏面で反射して、偏光ビームスプリッター４９の分割面に戻るまでの光路長（Ｌ９＋Ｌ１０＋Ｌ１１×２）が光束２の偏光ビームスプリッター４１の分割面から偏光ビームスプリッター４9の分割面までの光路長（Ｌ１２＋Ｌ１３）よりΔＬだけ長くなるように配置される（Ｌ９＋Ｌ１０＋Ｌ１１×２＝Ｌ１２＋Ｌ１３＋ΔＬ）。光路長差は１／４波長板４８と偏光ビームスプリッター４９の間隔によって調整することができる。
【００８５】
ここでは省略するが第１の実施形態例と同様に不要光の光路をたどり光路長差を求めると、ΔＬの満たすべき条件は第１の実施形態例と同様[式９]になることがわかる。また、偏光ビームスプリッター４９の分割面で重ねあわされた後の光束１、光束２の光路長は等しくなるので、光路長が等しくなることによる効果は第１の実施形態例と同様である。
【００８６】
また、第２の実施形態例は第１の実施形態例に比べて以下のような利点がある。第１の実施形態例では光束１は８回の反射、光束２は７回の反射と反射の回数が異なるため、重ねあわされた後の波面が鏡の作用で左右反転している。このため、光束１、光束２の波面が左右対称でない場合、重ねあわされた波面にずれが生じ、干渉信号の低下をもたらす。
【００８７】
これに対し、第２の実施形態例では光束１、光束２とも反射の回数が９回のため、重ねあわされた後の波面の左右方向が同じになり、光束１、光束２の波面が左右対称でない場合でも、重ねあわされた波面にずれが生じないため、干渉信号は低下しない。
【００８８】
３．第３の実施形態例
本例の変位検出装置６０は回折格子の一方向の変位、図２４の場合はＸ方向の変位を検出する装置である。以下、図２４、図２５および図２６を用いて説明する。
【００８９】
光源２から出射した発散する光ビームは、レンズ１１によってコリメートビームに変換される。コリメートビームに変換された光線は偏光ビームスプリッター５０からなる光束分割部に入射する。光源２の種類・位置、偏光ビームスプリッター５０に入射する際の光線の偏光方向については、第１の実施形態例と同様である。
【００９０】
偏光ビームスプリッター５０を透過した光束１はミラー５２で反射され、回折格子４に入射する。入射角度の条件は第１の実施形態例と同様である。回折格子４で回折された光束１はレンズ７を通過し、裏面に反射面を設けた１／４波長板５３からなる回折光反射部に入射する。レンズ７の配置は第１の実施形態例と同様である。
【００９１】
１／４波長板５３の裏面で反射された光束１はＰ偏光からＳ偏光に変換され、元来た光路を逆行する。偏光ビームスプリッター５０まで戻ってきた光束１は反射され、裏面に反射面を設けた１／４波長板５１に入射する。１／４波長板５１で反射された光束１はＳ偏光からＰ偏光へ変換され、偏光ビームスプリッター５０を通過し１／２波長板５５に入射する。光束１は１／２波長板５５でＰ偏光からＳ偏光へ変換され偏光ビームスプリッター５４からなる光束結合部で反射され、受光部８へ向かう。
【００９２】
偏光ビームスプリッター５０で分割された、もう一方の光束２は１／２波長板５５に入射する。光束２は１／２波長板５５でＳ偏光からＰ偏光へ変換され偏光ビームスプリッター５４を通過する。偏光ビームスプリッター５４を通過した光束２は裏面に反射面を設けた１／４波長板５６に入射する。１／４波長板５６で反射された光束２はＰ偏光からＳ偏光へ変換され、偏光ビームスプリッター５４で反射され、さらにミラー５７で反射され、回折格子４に入射する。
【００９３】
光束２の入射角度の条件は第１の実施形態例と同様である。回折格子４で回折された光束２は、レンズ７を通過し、１／４波長板５３の反射面で反射され、Ｓ偏光からＰ偏光に変換され元の光路を逆行する。偏光ビームスプリッター５４に戻った光束２は偏光ビームスプリッター５４の分割面を通過し、この面で反射した光束１と重ねあわされて受光部８へと向かう。受光部８と相対位置検出器１０の動作は第１の実施形態例と同様である。
【００９４】
偏光ビームスプリッター５０、偏光ビームスプリッター５４、ミラー５２，５７は光束１の偏光ビームスプリッター５０の分割面からミラー６までの光路長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）に比べ、光束２の偏光ビームスプリッター５０の分割面からミラー６までの光路長（Ｌ５＋Ｌ６×２＋Ｌ７＋Ｌ８＋Ｌ９）がΔＬだけ長くなるように配置される。光路長は偏光ビームスプリッター５０、５４および１／４波長板５６の位置を移動することにより調整される。光束１と光束２はレンズ７の中心軸に対して左右対称に入射するため、Ｌ１＝Ｌ７、Ｌ２＝Ｌ８、Ｌ３＝Ｌ９なので、Ｌ５＋Ｌ６×２＝ΔＬとなる。
【００９５】
光束１の偏光ビームスプリッター５０の分割面から１／４波長板５１の裏面で反射して、偏光ビームスプリッター５４の分割面に達するまでの光路長（Ｌ４×２＋Ｌ５）はΔＬになるように設置される。光路長は偏光ビームスプリッター５０、５４および１／４波長板５１の位置を移動することにより調整される。
【００９６】
以上より、光束１と光束２の偏光ビームスプリッター５０の分割面で分割され、回折格子４で回折して、偏光ビームスプリッター５４の分割面まで到達するまでの光路長は等しくなる。（（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）×２＋Ｌ５＝Ｌ５＋（Ｌ６＋Ｌ７＋Ｌ８＋Ｌ９）×２）
【００９７】
第３の実施形態例では光束１と光束２以外に図２６に示す光線が受光部８に到達する。
第１、第２の実施形態例と異なり、２次光が受光部へ到達することがなくなり、２次光どうしの干渉信号の影響を受けなくなるので、干渉信号のノイズは第１、第２の実施形態例に比べより抑制される。
【００９８】
光束１と光束２の受光部８までの反射回数はともに８回で、第２の実施形態例と同様、重ねあわされた時の波面は同じになるが、実施例２に比べより少ない光学部品で構成が可能である。
【００９９】
表２に各回折光どうしの光路長の差を示した。
【０１００】
【表２】
0006732543.tif 000009
【０１０１】
ΔＬとＬ３を以下のように設定することで、光束１と光束２どうし以外の干渉を抑制することができる。
[式７]
0006732543.tif 000010
ｎは表中の対応する回折光が十分に減衰するまでの０次光の反射回数。Δlは光源の可干渉距離。
【０１０２】
４．第４の実施形態例
本例の変位検出装置８０は回折格子の一方向の変位、図２７の場合はＸ方向の変位を検出する装置である。以下、図２７、図２８を用いて説明する。以下の説明では、第１の実施形態例と重複する部分は説明を省略する。
【０１０３】
光源２から出射した発散する光ビームは、レンズ１１によってコリメートビームに変換される。コリメートビームに変換された光線は偏光ビームスプリッター９１ａからなる光束分割部に入射する。光源２の位置・種類、偏光ビームスプリッター９１ａに入射する際の光線の偏光方向については、第１の実施形態例と同様である。
【０１０４】
光源からのビームは偏光ビームスプリッター９１aで強度の等しい光束１、光束２に分割される。光束１は１／２波長板９２を通過し、偏光方向がＳ偏光からＰ偏光に変換されプリズム９３で反射され回折格子４に入射する。入射角度の条件は第１の実施形態例と同様である。
【０１０５】
回折格子４で回折された光束１はレンズ７を通過し、裏面に反射面を設けた１／４波長板９７からなる回折光反射部に入射する。レンズ７の配置は第１の実施形態例と同様である。１／４波長板９７の裏面で反射された光束１はＰ偏光からＳ偏光に変換され、元来た光路を逆行し、１／２波長板９２でＳ偏光からＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター９１ａを透過し、裏面に反射面を設けた１／４波長板９７に入射し反射される。反射された光束は、Ｐ偏光からＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター９１aで反射され、さらに偏光ビームスプリッター９１ｂからなる光束結合部で反射されて、受光部８へと向かう。
【０１０６】
偏光ビームスプリッター９１ａを通過した光束２は偏光ビームスプリッター９１ｂを通過し、裏面に反射面を設けた１／４波長板９６で反射されＰ偏光からＳ偏光に変換される。Ｓ偏光に変換された光束２は偏光ビームスプリッター９１ｂで反射され、ダミーガラス９５を通過し、プリズム９４で反射され、回折格子４に所定の角度で入射する。入射角度は第１の実施形態例と同様である。
【０１０７】
ダミーガラス９５には厚さが１／２波長板９２とほぼ同じ場合に光路長が１／２波長板９２と同じになるような硝材を使用する。
【０１０８】
回折格子４で回折された光束２はレンズ７を通過し、裏面に反射面を設けた１／４波長板９７で反射され、Ｓ偏光からＰ偏光に変換され、元の光路を逆行し、ダミーガラス９５を通過し、偏光ビームスプリッター９１ｂを通過し、光束１と重ねあわされて、受光部８に入射する。受光部８と相対位置検出器１０の動作は第１の実施形態と同様である。
【０１０９】
偏光ビームスプリッター９１ａ、偏光ビームスプリッター９１ｂ、プリズム９３，９４は光束１の偏光ビームスプリッター９１ａの分割面から裏面に反射面を設けた１／４波長板９７の反射面までの光路長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）に比べ、光束２の偏光ビームスプリッター９１ａの分割面から裏面に反射面を設けた１／４波長板９７の反射面までの光路長（Ｌ４＋Ｌ９×２＋Ｌ５＋Ｌ６＋Ｌ７）がΔＬだけ長くなるように配置される。光束１と光束２はレンズ７の中心軸に対して左右対称に入射するため、Ｌ１＝Ｌ５、Ｌ２＝Ｌ６、Ｌ３＝Ｌ７なので、Ｌ４＋Ｌ９×２＝ΔＬとなる。
【０１１０】
光束１の偏光ビームスプリッター９１ａから１／４波長板９７の裏面で反射して、偏光ビームスプリッター９１ｂに達するまでの光路長（Ｌ８×２＋Ｌ４）はΔＬになるように設置される。
【０１１１】
以上より、光束１と光束２の偏光ビームスプリッター９１ａで分割され、回折格子４で回折され、偏光ビームスプリッター９１ｂの分割面に到達するまでの光路長は等しくなる。（（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ８）×２＋Ｌ４＝Ｌ４＋（Ｌ９＋Ｌ５＋Ｌ６＋Ｌ７）×２）
【０１１２】
第４の実施形態例では光束１と光束２以外に図２９に示す光線が受光部８に到達する。
第３の実施形態例と同様、２次光が受光部へ到達することがないため、第１、第２の実施形態例に比べ、干渉信号のノイズはより抑制される。
【０１１３】
表３に各回折光どうしの光路長の差を示した。
【０１１４】
【表３】
0006732543.tif 000011
【０１１５】
ΔＬとＬ３を以下のように設定することで、光束１と光束２どうし以外の干渉を抑制することができる。
[式８]
0006732543.tif 000012
ｎは表中の対応する回折光が十分に減衰するまでの０次光の反射回数。Δlは光源の可干渉距離。
【０１１６】
この実施形態例では、光束１の受光部８までの反射回数は１１回、光束２から受光部８までの反射回数は９であるため、第１の実施形態例とは異なり、第２、第３の実施形態例と同様、重ねあわされた時の波面は同じになる。
【０１１７】
この実施形態例では図２７の通り、レンズ７以外の部品を一体として一つの部品としているため、図３０のように、これらを一体とした長い部品から切断して必要な厚さの部品を作成することが可能で、製造コストの削減が可能である。
【０１１８】
５．第５の実施形態例
本例の変位検出装置７０、７１、７２は回折格子の２方向の変位、図３１の場合はＸ方向とＹ方向の変位を同時に検出する装置である。図３１、図３２、図３３を用いて説明する。
【０１１９】
図３１は第５の実施形態例の全体を示した斜視図、図３２はＸ方向、Ｙ方向に沿った光路図、図３３は回折格子４Ａの構造を示した図である。
【０１２０】
第５の実施形態例はＸ方向とＹ方向の２次元の変位を同時に検出する装置である。回折格子４は図３３に示したように基板４ｂＡの上に、円柱状の突起４ａＡがＸ軸、Ｙ軸に沿って、等間隔Λで並んだ構造となっている。突起の形状は、円柱に限られず、その他の形状でもかまわない。突起構造４ａＡの断面形状はＸ軸、Ｙ軸に沿って回折する±１回折光の強度が最大となるように最適化される。
Ｘ軸方向の格子ベクトルを
0006732543.tif 000013
Ｙ軸方向の格子ベクトルを
0006732543.tif 000014
とする。
0006732543.tif 000015
【０１２１】
本実施形態例のＸ軸に沿った光路は、図３２の第１光学系７１に示すように、回折格子４が４Ａに代わっただけでその他は、第１の実施形態例と全く同じである。受光部８では回折格子４ＡがＸ軸方向にΔｘ変位すると、４Ｋ1Δｘ位相が変化する干渉信号が得られる。
【０１２２】
Ｙ軸方向の光路は第２光学系７２に示すように、第１光学系７１の光路で、回折格子４Ａで回折された±１次の回折光がミラー６で反射され、再度回折格子４Ａに入射された際に発生するＹ軸方向に沿った±１回折光を利用する光路となっている。第１光学系７１の光路の光束１がＹ軸方向に沿って回折された−１次光（光束１’）はミラー７３で反射され、１／４波長板７４で円偏光からＰ偏光へ変換されミラー７５で反射され、１／２波長板７６でＰ偏光からＳ偏光へ変換されて、偏光ビームスプリッター７９からなる第２光束結合部で反射されて受光部８０へ向かう。
【０１２３】
第１光学系７１の光束２がＹ軸方向に沿って回折された＋１次光（光束２’）はミラー７７で反射され、１／４波長板７８で円偏光からＰ偏光へ変換され、偏光ビームスプリッター７９を通過し、受光部８０へと向かう。
【０１２４】
光束１‘と光束２’のミラー７３、ミラー７４までの光路は、レンズ７の中心軸に対して対称になるように設定する。また、ミラー７３，７７，７５と偏光ビームスプリッター７９は光路長Ｌ１０’+ΔＬ＝Ｌ８’+Ｌ９’となるように配置される。ΔＬは第１の実施形態例と同じ条件で設定される。
【０１２５】
受光部８０の動作は受光部８と同じであるが、回折時に変化する位相が＋２Ｋｘと−２Ｋｘではなく、＋Ｋ1ｘ＋Ｋ2ｙと−Ｋ1ｘ−Ｋ2ｙになるため、受光部８０のＰＤ３３，３４，３５，３６で受光される光束１’と光束２’の干渉光の強度をI33’、I34’、I35’、I36’とすると、以下のようになる。
[式９]
0006732543.tif 000016
以上の通り、光束１’と光束２’の干渉光にはＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位の両方の位相情報が含まれている。
【０１２６】
これらの干渉信号は第２相対位置検出器８１で実施例１と同様に処理され、演算部８２でさらに処理される。演算部８２では第２相対位置検出器８１の位置情報から第１相対位置検出器１０で算出されたＸ軸方向の変位量が差し引かれる。この時、第１光学系７１の光路の干渉信号のＸ軸方向の変位に対する周期がΛ／４で、第２光学系７２の光路の干渉信号のＸ軸方向とＹ軸方向の変位に対する周期がΛ／２であることを考慮して演算を行い（分解能が異なる）、Ｙ軸方向のみの変位量を算出する。
【０１２７】
このように、実施例４では一つの光源でＸ軸、Ｙ軸の２軸方向の変位を同時に検出できる。これは、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれに対応して、第１の実施形態例の装置を２台配置するのに比べ、光源の発熱を１／２に低減でき、２つの装置を別々に固定することにより発生する個別のドリフトの影響を小さくすることができる。
【０１２８】
以上、Ｘ軸、Ｙ軸の２軸が直交する例を説明したが、二つの軸は直交している必要はなく、また、回折構造の周期Λが２軸で異なっていてもよい。
【０１２９】
なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。上述した実施の形態例では、光源から照射される光は、気体中だけでなく、液体中又は真空中の空間を飛ばして光を供給するようにしてもよい。
【０１３０】
また、上述した実施の形態例にかかる変位検出装置は、回折格子がその平面と平行をなして回転するロータリーエンコーダや、高さ方向の変位を検出する変位検出装置と組み合わせて３次元の計測を行う変位検出装置等その他各種の変位検出装置に適用できるものである。
【０１３１】
さらに、上述した実施の形態例にかかる変位検出装置では、反射型の回折格子を用いたい例を説明したが、これに限定されるものではなく、第１の光束と第２の光束が透過する透過型の回折格子を用いてもよい。
【０１３２】
なお、本明細書において、「平行」及び「直交」等の単語を使用したが、これらは厳密な「平行」及び「直交」のみを意味するものではなく、「平行」及び「直交」を含み、さらにその機能を発揮し得る範囲にある、「略平行」や「略直交」の状態であってもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１…変位検出装置、  ２…光源、  ３…偏光ビームスプリッター（光束分割部）、  ４、４Ａ…回折格子、  ４ａ…格子、  ４ａＡ…突起、  ４ｂ、４ｂＡ…基板（格子面）、  ６…ミラー（回折光反射部）、  ７…補正レンズ、  ８…受光部、  ９…偏光ビームスプリッタ（光束結合部）、  １０…相対位置検出器、  １１…レンズ、  １３…第１のミラー、  １４…ミラー（結合ミラー）、  １８…第２のミラー、  １９…１／２波長板（結合側位相板）、  ２２…１／４波長板（第１の受光側位相板）、  ２３…無偏光ビームスプリッター、２４…偏光ビームスプリッター、２５…偏光ビームスプリッタ、  ３３、３４、３５、３６…フォトダイオード、  ４８…１／４波長板（光路調整部）、  ７１…第１光学系、  ７２…第２光学系、  ７３…第３のミラー、  ７７…第４のミラー、  ７９…偏光ビームスプリッター（第２光束結合部）、  ８０…第２の受光部、  ８１…第２相対位置検出器、  ８２…演算部
【図１】
0006732543.tif 000017
【図２】
0006732543.tif 000018
【図３】
0006732543.tif 000019
【図４】
0006732543.tif 000020
【図５】
0006732543.tif 000021
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0006732543.tif 000026
【図１１】
0006732543.tif 000027
【図１２】
0006732543.tif 000028
【図１３】
0006732543.tif 000029
【図１４】
0006732543.tif 000030
【図１５】
0006732543.tif 000031
【図１６】
0006732543.tif 000032
【図１７】
0006732543.tif 000033
【図１８】
0006732543.tif 000034
【図１９】
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【図２０】
0006732543.tif 000036
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
0006732543.tif 000049