(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉光が照射され、この可干渉光に対して格子ベクトルに平行な方向に相対移動し、この可干渉光を回折する回折格子と、
上記可干渉光を発光する発光手段と、
上記発光手段により発光された可干渉光を２つの可干渉光に分割するハーフミラーを備え、上記回折格子に対して各可干渉光を照射する照射光学系と、
上記各可干渉光が上記回折格子により回折されて得られる２つの回折光を重ね合わせ干渉させるハーフミラーを備えた干渉光学系と、
上記干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を検出する受光手段と、
上記受光手段が検出した干渉信号から上記２つの回折光の位相差を求めて、上記回折格子の相対移動位置を検出する位置検出手段とを備え、
上記発光手段は、上記２つの可干渉光の上記受光手段までの光路長の差を上記受光手段において上記干渉信号の変調率の変化として検出することが可能な可干渉性を有する可干渉光を発光し、
上記照射光学系のハーフミラー及び上記干渉光学系のハーフミラーは、上記干渉信号の変調率が最大となる位置に調整され、
上記照射光学系は、上記２つの可干渉光の光路を上記回折格子の格子面に垂直かつ格子ベクトルに平行な平面に対して傾いた平面上に形成し、この２つの可干渉光を上記回折格子の格子面上の同一点に照射することを特徴とする光学式変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する光学式変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する装置として、回折格子を用いた光学式の変位測定装置が知られている。
【０００３】
例えば、特開昭６０−９８３０２号公報に提案されている従来の光学式変位測定装置を、図１６及び図１７に示す。図１６は、この従来の光学式変位測定装置１００を模式的に示す斜視図であり、図１７は、この従来の光学式変位測定装置１００を模式的に示す側面図である。
【０００４】
従来の光学式変位測定装置１００は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及びＸ２方向に直線移動する回折格子１０１と、可干渉光であるレーザ光を出射する可干渉光源１０２と、可干渉光源１０２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割するとともに回折格子１０１からの２つの回折光を重ね合わせ干渉させるハーフミラー１０３と、回折格子１０１で回折された回折光を反射する２つのミラー１０４ａ，１０４ｂと、干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を生成するフォトディテクタ１０５とを備えている。
【０００５】
可干渉光源１０２から出射されたレーザ光は、ハーフミラー１０３により２本のビームに分割される。この２本のビームは、それぞれ回折格子１０１に照射される。回折格子１０１に照射された２本のビームは、この回折格子１０１でそれぞれ回折され回折光となる。この回折格子１０１で回折した１次回折光は、それぞれミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射される。ミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射された回折光は、回折格子１０１に再度照射され、この回折格子１０１で再度回折され、同一の光路をたどりハーフミラー１０３に戻される。ハーフミラー１０３に戻された回折光は、２本が重ね合わせられて干渉し、フォトディテクタ１０５に照射される。
【０００６】
このような従来の光学式変位測定装置１００では、回折格子１０１が図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。光学式変位測定装置１００では、この回折格子１０１の移動に応じて、この回折格子１０１によって生じる２つの回折光に位相差が生じる。そのため、この光学式変位測定装置１００では、フォトディテクタ１０５により得られる干渉信号から２本の回折光の位相差を検出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を測定することができる。
【０００７】
また、特開昭６０−９８３０２号公報に提案されている他の従来の光学式変位測定装置を、図１８及び図１９に示す。図１８は、従来の光学式変位測定装置１１０を模式的に示す斜視図であり、図１９は、従来の光学式変位測定装置１１０を模式的に示す側面図である。
【０００８】
従来の光学式変位測定装置１１０は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及びＸ２方向に直線移動する回折格子１１１と、可干渉光であるレーザ光を出射する可干渉光源１１２と、可干渉光源１１２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割するとともに回折格子１１１からの２つの回折光を重ね合わせて干渉させるハーフミラー１１３と、ハーフミラー１１３により分割された２本のビームを回折格子１１１上の同一位置に照射する２つの第１のミラー１１４ａ，１１４ｂと、回折格子１１１で回折された１次回折光を反射する２つの第２のミラー１１５ａ，１１５ｂと、干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を生成するフォトディテクタ１１６とを備えている。
【０００９】
可干渉光源１１２から出射されたレーザ光は、ハーフミラー１１３により２本のビームに分割される。この２本のビームは、それぞれ第１のミラー１１４ａ，１１４ｂに反射されて、回折格子１１１上の同一の位置に照射される。回折格子１１１に照射された２本のビームは、この回折格子１１１でそれぞれ回折され、回折光となる。この回折格子１１１で回折された１次回折光は、それぞれ第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより反射される。第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより反射された回折光は、回折格子１１１に再度照射され、この回折格子１１１で再度回折され、回折光が同一の光路をたどりハーフミラー１１３に戻される。ハーフミラー１１３に戻された回折光は、２本が重ね合わせられて干渉し、フォトディテクタ１１６に照射される。
【００１０】
このような従来の光学式変位測定装置１１０では、回折格子１１１が図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。光学式変位測定装置１１０では、この回折格子１１１の移動に応じて、この回折格子１１１によって生じる２つの回折光に位相差が生じる。そのため、この光学式変位測定装置１１０では、フォトディテクタ１１６により得られる干渉信号から２本の回折光の位相差を検出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を測定することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、工作機械や産業用ロボットの高精度化にともない、例えば、数１０ｎｍから数ｎｍといった高い分解能で位置検出ができる光学式変位測定装置が求められるようになってきた。
【００１２】
このような高い分解能で位置検出ができる光学式変位測定装置が、特開平１−１８５４１５号公報に提案されている。ここで、特開平１−１８５４１５号公報に提案されている従来の光学式変位測定装置を図２０に示す。
【００１３】
この図２０に示す光学式変位測定装置１４０は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及び矢印Ｘ２方向に直線移動する透過型の回折格子１４１と、レーザ光を出射するレーザダイオード１４２と、レーザダイオード１４２から出射されたレーザ光を平行光にするコリメータレンズ１４３と、平行光とされたレーザ光を２本のビームに分割する第１のハーフミラー１４４と、分割された各ビームをそれぞれ反射して回折格子１４１に照射する一対の第１のミラー１４５ａ，１４５ｂと、回折格子１４１を透過した２本のビームにより生じる各回折光をそれぞれ反射する一対の第２のミラー１４６ａ，１４６ｂと、この一対の第２のミラー１４６ａ，１４６ｂが反射した各回折光の偏光方向を互いに直交させる一対の偏光子１４７ａ，１４７ｂと、２つの回折光を重ね合わせる第２のハーフミラー１４８と、この第２のハーフミラー１４８により重ね合わされた２つの回折光を受光する第１の受光素子１４９と、第２のハーフミラー１４８により重ね合わされた回折光をさらに２つのビームに分離する第３のハーフミラー１５０と、第３のハーフミラー１５０により分離された各ビームをそれぞれ受光する第２の受光素子１５１及び第３の受光素子１５２とを備えている。
【００１４】
第１のハーフミラー１４４により分割された２本の可干渉光は、その入射角が第１のミラー１４５ａ，１４５ｂにより調整され、それぞれθとなっている。また、この２本の可干渉光は、回折格子１４１の格子面上の同一点に入射している。入射角θで照射された可干渉光により生じる回折光は、その回折角が、それぞれφとなっている。この光学式変位測定装置１４０では、入射角と回折角とが異なっているため、例えば、一方の可干渉光により生じる回折光に、この一方の可干渉光により生じる０次光又は他方の可干渉光により生じる１次光が混入しない。従って、この光学式変位測定装置１４０では、安定した回折光の検出をすることができる。
【００１５】
しかしながら、この光学式変位測定装置１４０では、２つの可干渉光がそれぞれ回折格子１４１の格子面上の同一点に入射され、それぞれの２つの可干渉光の入射角が同一となっている。そのため、図２１に示すように、一方の可干渉光が回折格子１４１に照射された際に生じる反射光が、他方の可干渉光の入射経路を逆行し、レーザダイオード１４２に入射してしまう。
【００１６】
一般に、レーザダイオードは、戻り光に敏感であり、戻り光があると発振が不安定となりノイズが発生したり、出射するレーザ光の波長が不安定となる。そのため、この光学式変位測定装置１４０では、レーザダイオード１４２に反射光が戻ってしまうため、干渉信号のＳ／Ｎ比の低下や、安定性の低下が生じる。
【００１７】
また、回折格子が反射型の場合には、反射光＝０次光となる。そのため、回折効率の低い回折格子を用いた場合には、大量のレーザ光がレーザダイオードに戻ってしまうため、安定した干渉信号を得ることが困難となる。
【００１８】
本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、高い分解能で安定した位置検出が可能な光学式変位測定装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光学式変位測定装置は、可干渉光が照射され、この可干渉光に対して格子ベクトルに平行な方向に相対移動し、この可干渉光を回折する回折格子と、上記可干渉光を発光する発光手段と、上記発光手段により発光された可干渉光を２つの可干渉光に分割するハーフミラーを備え、上記回折格子に対して各可干渉光を照射する照射光学系と、上記各可干渉光が上記回折格子により回折されて得られる２つの回折光を重ね合わせ干渉させるハーフミラーを備えた干渉光学系と、上記干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を検出する受光手段と、上記受光手段が検出した干渉信号から上記２つの回折光の位相差を求めて、上記回折格子の相対移動位置を検出する位置検出手段とを備え、上記発光手段は、上記２つの可干渉光の上記受光手段までの光路長の差を上記受光手段において上記干渉信号の変調率の変化として検出することが可能な可干渉性を有する可干渉光を発光し、上記照射光学系のハーフミラー及び上記干渉光学系のハーフミラーは、上記干渉信号の変調率が最大となる位置に調整され、上記照射光学系は、上記２つの可干渉光の光路を上記回折格子の格子面に垂直かつ格子ベクトルに平行な平面に対して傾いた平面上に形成し、この２つの可干渉光を上記回折格子の格子面上の同一点に照射することを特徴とする。
【００２０】
この光学式変位測定装置では、２つの可干渉光の光路を回折格子の格子面に垂直な方向に対して傾いた方向に形成して、この２つの可干渉光を上記回折格子の格子面上の同一点に照射する。そして、この光学式変位測定装置では、この２つの可干渉光により生じる２つの回折光の位相差を求めて、回折格子の相対移動位置を検出する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した実施の形態として、回折格子を用いて工作機械等の可動部分の位置検出を行う光学式変位測定装置について説明する。
【００２２】
まず、本発明を適用した実施の形態の光学式変位測定装置を説明するにあたり、この光学式変位測定装置で用いる回折格子について説明する。
【００２３】
図１に示すように、回折格子１１は、例えば薄板状の形状を有しており、その表面に狭いスリットや溝等の格子が所定間隔毎に刻まれている。このような回折格子１１に入射された光は、表面に刻まれたスリット等により回折する。回折により生じる回折光は、格子の間隔と光の波長で定まる方向に発生する。
【００２４】
ここで、回折格子１１の格子が形成されている面を、格子面１１ａと呼ぶ。なお、回折格子１１が透過型の場合には、可干渉光が入射される面と回折光が発生する面とをともに格子面１１ａと呼ぶ。また、回折格子１１の格子が形成された方向（図１中矢印Ｃ１，Ｃ２方向）、すなわち、格子の透過率や反射率、溝の深さ等の変化の方向を表す格子ベクトルに対して垂直な方向であって且つ格子面１１ａに平行な方向を、格子方向と呼ぶ。格子が形成された方向に垂直な方向であり且つ格子面１１ａに平行な方向（図１中矢印Ｄ１，Ｄ２方向）、すなわち、回折格子１１の格子ベクトルに対して平行な方向を、格子ベクトル方向と呼ぶ。また、格子面１１ａに垂直な方向（図１中矢印Ｅ１，Ｅ２方向）、すなわち、格子方向に垂直な方向であり且つ格子ベクトル方向に垂直な方向を、法線ベクトル方向と呼ぶ。
【００２５】
このような回折格子１１は、工作機械等の可動部分に取り付けられ、この可動部分の移動にともなって、図１中矢印Ｄ１，Ｄ２方向、すなわち、格子ベクトル方向に移動する。
【００２６】
なお、本発明では、回折格子の種類は限定されず、機械的に溝等が形成されたもののみならず、例えば、感光性樹脂に干渉縞を焼き付けて作成したものであってもよい。
【００２７】
つぎに、反射型の回折格子１１を用いて本発明を適用した第１の実施の形態の光学式変位測定装置について説明する。
【００２８】
図２に、この第１の実施の形態の光学式変位測定装置の模式的な斜視図を示す。
【００２９】
ここで、回折格子１１の格子面１１ａ上の格子ベクトル方向に平行な１つの仮想的な直線を直線ｎとする。また、直線ｎを含み法線ベクトルに平行な仮想的な面を、基準面ｍ１とする。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がγとなっている仮想的な面を、傾斜面ｍ２とする。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がδとなっている仮想的な面を、傾斜面ｍ３とする。また、傾斜面ｍ２と傾斜面ｍ３は、回折格子１１の格子面１１ａに対し、同一面側にあるものとする。
【００３０】
図３に、この傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図を示す。図４に、回折格子１１に入射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図を示す。図５に、傾斜面ｍ３上に配置された構成要素をこの傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図を示す。
【００３１】
光学式変位測定装置４０は、図２及び図３に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射する照射光学系４１とを備えている。
【００３２】
可干渉光源１２は、レーザ光等の可干渉光を発光する素子である。この可干渉光源１２は、例えば、可干渉距離が数百μｍ程度のレーザ光を発光するマルチモードの半導体レーザ等からなるものである。
【００３３】
照射光学系４１は、干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分離するハーフミラー２２と、ハーフミラー２２により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射する反射器２３と、ハーフミラー２２により分離された他方の可干渉光Ｌａ２を反射する反射器２４とを有している。
【００３４】
この照射光学系４１は、通過する可干渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路が傾斜面ｍ２上に形成されるように、各部材が配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は、図４に示すように、回折格子１１に対する、格子ベクトル方向から見た入射角がγとなっている。
【００３５】
第１の結像素子２１は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第１の結像素子２１には、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａが入射される。第１の結像素子２１は、入射された可干渉光Ｌａを所定のビーム径で回折格子１１の格子面１１ａに結像させる。結像されたビーム径は、回折格子１１が回折光を発生させるのに十分な格子数を含む大きさが望ましい。また、そのビーム径は、格子面１１ａ上のゴミや傷の影響を受けないような大きさが望ましい。そのビーム径は、第１の結像素子２１の開口数等を変えることにより調整することができ、例えば、数十μｍ以上とするのが望ましい。また、結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が格子面１１ａ上に位置するようにしてもよい。
【００３６】
ハーフミラー２２には、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａが第１の結像素子２１を介して入射される。このハーフミラー２２は、入射された可干渉光Ｌａの一部を透過して可干渉光Ｌａ１を生成し、入射された可干渉光Ｌａの一部を反射して可干渉光Ｌａ２を生成する。
【００３７】
反射器２３は、ハーフミラー２２を透過した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２４は、ハーフミラー２２により反射された可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。
【００３８】
反射器２３及び反射器２４は、傾斜面ｍ２上における入射角がαとなるように、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射している。なお、反射器２３及び反射器２４は、その反射面が、互いが向き合うように配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベクトル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。また、反射器２３及び反射器２４は、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の同一の位置に照射している。
【００３９】
光学式変位測定装置４０では、このような可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ１が回折し、この入射点から反射した回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ２が回折し、この入射点から反射した回折光Ｌｂ２が生じる。回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、図４に示すように、δとなっている。すなわち、傾斜面ｍ３に沿って回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が生じる。また、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２の傾斜面ｍ３上における回折角は、βとなっている。なお、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル方向における出射方向が互いに逆方向となっている。
【００４０】
また、光学式変位測定装置４０は、図２及び図５に示すように、干渉した２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、回折光Ｌｂ１及び回折光Ｌｂ２を干渉させて受光素子１３に照射する受光光学系４２とを備えている。
【００４１】
受光光学系４２は、可干渉光Ｌａ１により生じる回折光Ｌｂ１を反射する反射器２５と、可干渉光Ｌａ２により生じる回折光Ｌｂ２を反射する反射器２６と、反射器２５により反射された回折光Ｌｂ１と反射器２６により反射された回折光Ｌｂ２とを重ね合わせて干渉させるハーフミラー２７と、ハーフミラー２７により重ね合わされた２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を受光素子１３の受光面１３ａ上に結像させる第２の結像素子２８とを有している。
【００４２】
受光光学系４２は、上述したように２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折角がδとなっているため、通過する回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路が傾斜面ｍ３上に形成されるように、各部材が配置されている。また、受光光学系４２の反射器２５と反射器２６とは、傾斜面ｍ３上における回折角βで回折された回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射可能な位置に配置されている。
【００４３】
反射器２５には、可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることにより生じる回折光Ｌｂ１が照射される。反射器２５は、この回折光Ｌｂ１を反射して、ハーフミラー２７に照射する。反射器２６には、可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることにより生じる回折光Ｌｂ２が照射される。反射器２６は、この回折光Ｌｂ２を反射して、ハーフミラー２７に照射する。
【００４４】
ハーフミラー２７は、反射器２５により反射された回折光Ｌｂ１を透過し、反射器２６により反射された回折光Ｌｂ２を反射することにより、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２とを重ね合わせる。
【００４５】
第２の結像素子２８は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなる。第２の結像素子２８には、ハーフミラー２７により重ね合わされた２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が入射する。第２の結像素子２８は、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を、所定のビーム径で受光素子１３の受光面１３ａに結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面１３ａ上に位置するようにしてもよい。
【００４６】
受光素子１３は、受光面１３ａに対して照射された光を、その光量に応じた電気信号に変換する光電変換素子であり、例えば、フォトディテクタ等からなるものである。この受光素子１３は、受光面１３ａに対して照射される重ね合わされた干渉光を受光して、その光量に応じた干渉信号を生成する。
【００４７】
また、光学式変位測定装置４０は、受光素子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する図示しない位置検出部を備えている。この位置検出部は、受光素子１３が生成した干渉信号に基づき、２つの回折光の位相差を求め、回折格子１１の相対移動位置を示す位置信号を出力する。
【００４８】
このような構成の光学式変位測定装置４０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置４０では、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出する。
【００４９】
ここで、この光学式変位測定装置４０において、回折格子１１の格子面１１ａが傾いた場合について、図６を用いて説明する。なお、この図６では、受光光学系４２を、回折格子１１を挟んで照射光学系４１の反対側に記載しているが、これは説明のため便宜的に記載したものである。実際には、反射型の回折格子１１を用いているため、照射光学系４１と受光光学系４２は、回折格子１１の検出面１１ａに対して、同一面側に配置している。
【００５０】
回折格子１１の格子ベクトル方向の一端が法線ベクトル方向の一方向（例えば、図６中矢印Ｘ３方向）に移動し、他端が法線ベクトル方向の他方向（例えば、図６中矢印Ｘ４方向に移動して、格子面１１ａが傾いたとする。この場合、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２の回折角が変化する。そのため、ハーフミラー２７で重ね合わされた後の２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光軸が一致しない。
【００５１】
ところが、この光学式変位測定装置４０では、可干渉光源１２が発光した可干渉光Ｌａを、第１の結像素子２１が回折格子１１の格子面１１ａに結像しているとともに、第２の結像素子２８が２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を受光素子１３の受光面１３ａに結像している。そのため、光学式変位測定装置４０では、第２の結像素子２８の開口範囲内を通過する２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の受光面までの光路長が等しく、且つ同一点に結像される。従って、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光軸がずれた場合であっても、受光面１３ａの結像位置は変化せず、光路長の変化が生じない。
【００５２】
このことにより、本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置４０では、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が互いにずれることなく重なり合わされる。そのため、回折格子１１が、格子ベクトルに平行な方向以外に移動等した場合、例えば、回折格子１１が傾いたり、回折格子１１にうねり等があった場合であっても、受光素子１３が検出する干渉信号が低下しない。従って、この光学式変位測定装置４０では、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。また、この光学式変位測定装置４０では、工作機械等の可動部分への取り付け位置の自由度が増し、また、この可動部分に振動やぶれ等があっても安定して位置検出できる。
【００５３】
また、光学式変位測定装置４０では、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が受光面１３ａの同一位置に結像されているので、ビームのケラレが生じず、高精度に位置検出ができる。
【００５４】
また、この光学式変位測定装置４０では、第１の結像素子２１又は第２の結像素子２８の開口を大きくすることにより、回折格子１１と照射光学系４１或いは受光光学系４２との間隔を大きくすることができ、また、小型の受光素子１３を用いることができ、また、設計が簡易となる。
【００５５】
また、光学式変位測定装置４０では、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との光路長を等しくし、また、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２との光路長を等しくすることにより、波長の変動に起因する測定誤差が生じなくなる。そのため、この光学式変位測定装置１０では、各光路長の調整を行うために、光路長の差を干渉縞の変調率の変化として検出することが可能な可干渉性を有する可干渉光を発光する可干渉光源１２を用いても良い。例えば、可干渉距離が数百μｍ程度の短いマルチモードの半導体レーザを可干渉光源１２に用いれば、干渉縞の変調率が最大となるようにハーフミラー２２，２７の位置を調整することで、例えば、各光路長の差を数１０μｍ以下に抑えることができる。
【００５６】
さらに、以上のような光学式変位測定装置４０では、基準面ｍ１に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に受光光学系４２を配置し、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１の同一点に照射することにより、可干渉光と回折光とが形成する光路を分離することができ、装置の設計の自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射光学系４１や受光光学系４２に混入させることなく、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させることができ、高精度に位置測定をすることができる。
【００５７】
ところで、このような光学式変位測定装置４０では、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを所定距離離して入射しても、０次光や反射光を照射光学系４１や受光光学系４２に混入させないようにすることができる。すなわち、この光学式変位測定装置４０では、可干渉光Ｌａ１の入射点と、可干渉光Ｌａ２の入射点とを異なる位置にすることで、０次光や反射光を照射光学系４１や受光光学系４２に混入させないようにすることができる。
【００５８】
しかしながら、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離した場合、回折格子１１に厚みや屈折率のむらがあると、互いの光路長に差が生じて、高精度に位置測定をすることが困難となる場合がある。
【００５９】
以下具体的に、回折格子１１に厚みのむらがあった場合の影響について説明する。
【００６０】
重ね合わせる２つの回折Ｌｂ１，Ｌｂ２光の強度をＡ1，Ａ2、回折格子１１の格子ベクトル方向への移動量をｘ、初期位相をδとすると、受光素子１３が検出する干渉信号の強度Ｉは、以下の式（１）に示すようになる。
Ｉ＝Ａ12＋Ａ22＋２Ａ1Ａ2ｃｏｓ（２Ｋｘ＋δ）        ・・・（１）
Ｋ＝２π／Λ  （Λは格子ピッチ）
この干渉信号の強度Ｉは、回折格子１１がΛ／２移動することにより、１周期分変化する。δは、重ね合わせた２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路長の差に依存する量である。従って、このδが変動すると、回折格子１１が移動していなくても干渉信号Ｉが変動し、誤差要因となる。
【００６１】
例えば、図７に示すような、ガラスの内部に格子が設けられた透過型の回折格子に厚みのむらがある場合について考えてみる。ガラスの屈折率をｎとし、レーザ光Ｌｘがガラスの一方の表面から他方の表面まで通過する距離をＬとすると、このレーザ光Ｌｘが回折格子を通過した場合の光路長はｎＬとなる。空気の屈折率はほぼ１であることから、レーザ光Ｌｘが回折格子を通過する際の光路長は、このレーザ光Ｌｘが空気中を同距離通過したときと比較して、（ｎ−１）Ｌだけ長くなる。従って、回折格子のガラスの厚さが変化して、レーザ光Ｌｘがガラスの一方の表面から他方の表面まで通過する距離がＬ＋ΔＬ変化したとすると、その光路長は（ｎ−１）ΔＬだけ変化することとなる。
【００６２】
このことをふまえ、例えば、図８に示すように、一方のレーザ光Ｌｘ１は回折格子の厚みのむらがない位置を透過し、他方のレーザ光Ｌｘ２は回折格子の厚みのむらがある位置を透過する２本のレーザ光について考える。レーザ光Ｌｘ２の厚みのむらを通過する長さを＋ΔＬとすると、２つのレーザ光Ｌｘ１，Ｌｘ２の光路長の差は、（ｎ−１）ΔＬとなる。従って、上記の式（１）で示したδが｛（ｎ−１）ΔＬ｝・２π／λ（λは、ビームＡ，Ｂの波長）だけ変化してしまい、干渉信号に誤差が生じる。このときの位置検出の誤差量は、（Λ／２λ）（ｎ−１）となり、例えば、Λ＝０．５５μｍ、λ＝０．７８μｍ、ｎ＝１．５、ΔＬ＝１μｍとすれば、約０．１８μｍとなる。この誤差は、例えば、ナノメータオーダの位置検出を行う場合には、かなり大きい値となる。
【００６３】
なお、以上透過型の回折格子を例にとって説明したが、反射型の回折格子についてもガラスにより格子がカバーされているものであれば同様に誤差が生じ、また、ガラスにより格子がカバーされていないものであれば凹凸によるレーザ光の通過距離の変化がそのまま光路長の変化となり誤差が生じる。
【００６４】
このように、回折格子１１に厚みのむらがあった場合には、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離していると誤差が生じ、例えば、ナノメータオーダの位置検出を行うことが困難となってしまう。
【００６５】
そのため、この光学式変位測定装置４０では、基準面ｍ１に対して所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に受光光学系４２を配置し、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１上の同一点に入射している。すなわち、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる誤差は、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とが異なる位置を通過するために生じるものであり、同一点を通過する場合には生じない。また、例えば回折格子１１がガラス等でカバーされているものであるときは、２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を、完全に同一の光路を通過させることは困難であるが、格子面１１ａのほぼ同じ位置に入射すれば、最も誤差を小さくすることができる。
【００６６】
なお、０次回折光や反射光を照射光学系４１や受光光学系４２に混入させないためには、入射角αと回折角βとを０次回折光が第２の結像素子２８の開口内に入らない程度に異ならせる。また、γは、回折格子１１からの反射光が第１の結像素子２１の開口内に入らない程度の角度とする。すなわち、格子面１１ａに垂直以外の方向から、可干渉光Ｌａ１，Ｌｂ２を入射する。
【００６７】
可干渉光の入射角α，γ、回折光の回折角β，δの関係は、以下の式（２）、式（３）に示すようになる。
【００６８】
Ｓｉｎα＋Ｓｉｎβ＝ｍλ/ｄ    ・・・（２）
ｄ：回折格子のピッチ
λ：光の波長
ｍ：回折次数
Ｓｉｎγ/Ｓｉｎδ  ＝Ｃｏｓβ/Ｃｏｓα  ・・・（３）
従って、α＝βの場合にはγ＝δとなり、α≠βの場合にはγ≠δとなる。
【００６９】
つぎに、透過型の回折格子１１を用いて本発明を適用した第２の実施の形態の光学式変位測定装置について説明する。なお、この第２の実施の形態の光学式変位測定装置を説明するにあたり、上記第１の光学式変位測定装置と同一の構成要素については、図面中に同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。また、第３の実施の形態以降についても、それまでの実施の形態と同一の構成要素については、図面中に同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。
【００７０】
図９に、この第２の実施の形態の光学式変位測定装置の模式的な斜視図を示す。
【００７１】
ここで、直線ｎ、基準面ｍ１、傾斜面ｍ２の関係は、上記第１の実施の形態と同様である。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がδとなっており、傾斜面ｍ２に対して格子面１１ａを挟んで反対側にある仮想的な面を傾斜面ｍ３′とする。
【００７２】
図１０に、傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を、傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図を示す。図１１に、回折格子１１に入射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図を示す。
【００７３】
本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置は、透過型の回折格子１１を備え、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置である。
【００７４】
光学式変位測定装置５０は、図９及び図１０に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射する照射光学系４１とを備えている。
【００７５】
この照射光学系４１は、通過する可干渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路が傾斜面ｍ２上に形成されるように、各部材が配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は、図１１に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角がγとなっている。
【００７６】
反射器２３は、ハーフミラー２２を透過した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２４は、ハーフミラー２２により反射された可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。反射器２３及び反射器２４は、傾斜面ｍ２上における入射角がαとなるように、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射している。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベクトル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点とは、回折格子１１上の同一点となっている。
【００７７】
光学式変位測定装置５０では、このような可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ１が回折し、この入射点を透過した回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ２が回折し、この入射点を透過した回折光Ｌｂ２が生じる。回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、図１１に示すように、δとなっている。すなわち、傾斜面ｍ３′に沿って回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が生じる。また、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２の傾斜面ｍ３′上における回折角は、βとなっている。なお、回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル方向における出射方向が互いに逆方向となっている。
【００７８】
また、光学式変位測定装置５０は、図９及び図１０に示すように、干渉した２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、回折光Ｌｂ１及び回折光Ｌｂ２を干渉させて受光素子１３に照射する受光光学系４２とを備えている。
【００７９】
受光光学系４２は、上述したように２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折角がδとなっているため、通過する回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路が傾斜面ｍ３′上に形成されるように、各部材が配置されている。また、受光光学系４２の反射器２５と反射器２６とは、傾斜面ｍ３′上における回折角βで回折された回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射可能な位置に配置されている。
【００８０】
また、光学式変位測定装置５０は、受光素子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する図示しない位置検出部を備えている。
【００８１】
このような構成の光学式変位測定装置５０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置５０では、この２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出する。
【００８２】
以上のように光学式変位測定装置５０では、基準面ｍ１に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３′上に受光光学系４２を配置し、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを同一点に入射することにより、可干渉光と回折光とが形成する光路を分離することができ、装置の設計の自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射光学系４１や受光光学系４２に混入させることなく、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させることができ、高精度に位置測定をすることができる。
【００８３】
なお、０次回折光や反射光を照射光学系４１や受光光学系４２に混入させないための入射角α，γ及び回折角β，δの関係は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００８４】
つぎに、本発明を適用した第３の実施の形態の光学式変位測定装置について、図１２を用いて説明する。なお、この第３の実施の形態は、上記第１の実施の形態及び第２の実施の形態の構成要素を一部変形したものであり、以下、上記第１の実施の形態及び第２の実施の形態の構成要素のうち変形していない構成要素についてはその詳細な説明を省略する。
【００８５】
第３の実施の形態の光学式変位測定装置６０は、照射光学系４１のハーフミラー２２として、偏光ビームスプリッタを用いている。以下、この第３の実施の形態の説明において、ハーフミラー２２を偏光ビームスプリッタ２２として言い換えて説明する。
【００８６】
また、この光学式変位測定装置６０は、受光光学系４２のハーフミラー２７及び第２の結像素子２８に変えて、図１２に示すように、第１の偏光ビームスプリッタ６１と、１／４波長板６２と、第３の結像素子６３と、無偏光ビームスプリッタ６４と、第２の偏光ビームスプリッタ６５と、第３の偏光ビームスプリッタ６６とを用いている。
【００８７】
また、この光学式変位測定装置６０は、受光素子１３に変えて、第１の受光素子６７ａ，６７ｂと、第２の受光素子６８ａ，６８ｂを用いている。
【００８８】
可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌａは、照射光学系４１の偏光ビームスプリッタ２２に対して、偏光方向が４５度傾けて入射される。この照射光学系４１の偏光ビームスプリッタ２２は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。照射光学系４１の偏光ビームスプリッタ２２を透過した可干渉光Ｌａ１はＰ偏光の光となり、反射した可干渉光Ｌａ２はＳ偏光の光となる。
【００８９】
受光光学系４２の第１の偏光ビームスプリッタ６１には、回折格子１１で回折された回折光Ｌｂ１と、回折格子１１で回折された回折光Ｌｂ２とが入射される。回折光Ｌｂ１はＰ偏光の光となり、回折光Ｌｂ２はＳ偏光の光となっている。この偏光ビームスプリッタ６１は、回折光Ｌｂ１を透過し、回折光Ｌｂ２を反射することによって、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を重ね合わせる。
【００９０】
重ね合わせた２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、１／４波長板６２を通過する。１／４波長板６２は、各回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の偏光方向に対して、光学軸が４５度傾いた位置に配置されている。そのため、各回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、この１／４波長板６２を通過することにより、互いに逆回りの円偏光の光となる。
【００９１】
互いに逆回りの円偏光の光とされた回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、第３の結像素子６３を通過する。
【００９２】
第３の結像素子６３は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第３の結像素子６３は、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を、所定のビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面上に位置するようにしてもよい。
【００９３】
この第３の結像素子６３を通過した２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、無偏光ビームスプリッタ６４で２つのビームに分割される。
【００９４】
分割された一方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５によりさらに偏光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、第１の受光素子６７ａ，６７ｂに照射される。また、分割された他方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５に対して４５度傾いた第３の偏光ビームスプリッタ６６によりさらに偏光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに照射される。
【００９５】
ここで、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。そのため、１／４波長板６２を通過した回折光は、回折格子１１の移動にともない回転する直線偏光の光となる。また、この直線偏光の光を偏光板等の偏光素子で互いにω度異なる偏光方向の成分を取り出した場合、その取り出した光の強度を検出した信号は、互いに２ω度位相が異なる信号となる。そのため、第１の受光素子６７ａ，６７ｂは、第２の偏光ビームスプリッタ６５により取り出された互いに９０度異なる偏光方向の光を検出するので、検出した信号の位相が互いに１８０度異なっている。従って、第１の受光素子６７ａ，６７ｂにより検出した信号の差を取ることにより、直流成分を除去した信号を検出することができる。また、これは、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに関しても同様である。
【００９６】
また、第３の偏光ビームスプリッタ６６により取り出される光は、第２の偏光ビームスプリッタ６５により取り出される光に対して、角度が４５度異なっている。そのため、第２の受光素子６８ａ，６８ｂから得られる信号は、第１の受光素子６７ａ，６７ｂから得られる信号に対して、９０度位相が異なっている。すなわち、第１の受光素子６７ａと第１の受光素子６７ｂとの検出信号の差動信号と、第２の受光素子６８ａと第２の受光素子６８ｂとの検出信号の差動信号とが、互いに９０度位相が異なっている。従って、この光学式変位測定装置６０では、互いに９０度位相が異なる回折格子１１の移動位置を示す位置信号に基づき、回折格子１１の移動方向を特定することができる。
【００９７】
以上のように、この第３の実施の形態の光学式変位測定装置６０では、回折格子１１の透過率、反射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干渉信号から除去することができる。また、この光学式変位測定装置６０では、回折格子１１の移動方向を特定することができる。
【００９８】
つぎに、本発明を適用した第４の実施の形態の光学式変位測定装置について、図１３を用いて説明する。なお、この第４の実施の形態は、上記第３の実施の形態の構成要素を一部変形したものであり、以下、上記第３の実施の形態の構成要素のうち変形をしていない構成要素についてはその詳細な説明を省略する。
【００９９】
第４の実施の形態の光学式変位測定装置７０は、照射光学系４１のハーフミラー２２に、無偏光ビームスプリッタを用いている。以下、この第４の実施の形態の説明において、ハーフミラー２２を無偏光ビームスプリッタ２２として言い換えて説明する。
【０１００】
また、この光学式変位測定装置７０は、図１３に示すように、第１の偏光ビームスプリッタ６１に入射される一方の回折光を偏光方向を９０度回転させる１／２波長板７１を備えている。
【０１０１】
可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌａは、照射光学系４１の無偏光ビームスプリッタ２２に対してＳ偏光入射される。この照射光学系４１の無偏光ビームスプリッタ２２は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が同一の２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。
【０１０２】
回折格子１１で回折された回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２は、回折された時点では、その偏光方向が同一となっている。一方の回折光Ｌｂ１は、偏光方向を９０度回転させる１／２波長板７１を通過して、第１の偏光ビームスプリッタ６１に入射する。他方の回折光Ｌｂ２は、そのままの偏光方向で受光光学系４２の第１の偏光ビームスプリッタ６１に入射する。
【０１０３】
このため、受光光学系４２の第１の偏光ビームスプリッタ６１には、偏光方向が９０度異なった２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が入射されることとなる。回折光Ｌｂ１はＰ偏光となり、回折光Ｌｂ２はＳ偏光となっている。この偏光ビームスプリッタ６１は、回折光Ｌｂ１を透過し、回折光Ｌｂ２を反射することによって、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を重ね合わせる。なお、無偏光ビームスプリッタ２２にＰ偏光の可干渉光Ｌａを入射した場合には、１／２波長板７１を回折光Ｌｂ２側に設ければよい。
【０１０４】
干渉した２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、１／４波長板６２を通過する。１／４波長板６２は、各回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の偏光方向に対して、光学軸が４５度傾けられている。そのため、各回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、この１／４波長板６２を通過することにより、互いに逆回りの円偏光の光となる。
【０１０５】
互いに逆回りの円偏光の光とされた回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、第３の結像素子６３を通過する。第３の結像素子６３は、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を、所定のビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。
【０１０６】
この第３の結像素子６３を通過した２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、無偏光ビームスプリッタ６４で２つのビームに分割される。
【０１０７】
一方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５によりさらに偏光方向が直交する２つに分割され、それぞれ、第１の受光素子６７ａ，６７ｂに照射される。また、他方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５に対して４５度傾いた第３の偏光ビームスプリッタ６６によりさらに偏光方向が直交する２つに分割され、それぞれ、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに照射される。
【０１０８】
以上のように、この第４の実施の形態の光学式変位測定装置７０では、回折格子１１の透過率、反射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干渉信号から除去することができる。また、この光学式変位測定装置７０では、回折格子１１の移動方向を特定することができる。
【０１０９】
つぎに、本発明を適用した第５の実施の形態の光学式変位測定装置について、図１４を用いて説明する。なお、この第５の実施の形態は、上記第４の実施の形態の構成要素を一部変形したものであり、以下、上記第４の実施の形態の構成要素のうち変形をしていない構成要素についてはその詳細な説明を省略する。
【０１１０】
第５の実施の形態の光学式変位測定装置８０は、照射光学系４１のハーフミラー２２に、無偏光ビームスプリッタを用いている。以下、この第５の実施の形態の説明において、ハーフミラー２２を偏光ビームスプリッタ２２として言い換えて説明する。
【０１１１】
また、この光学式変位測定装置８０は、図１４に示すように、受光光学系４２の１／２波長板７１、偏光ビームスプリッタ６１、１／４波長板６２、第３の結像素子６３に変えて、第１の１／４波長板８１と、第２の１／４波長板８２と、第４の結像素子８３と、第５の結像素子８４とを用いている。
【０１１２】
可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌａは、照射光学系４１の無偏光ビームスプリッタ２２に対して入射される。この照射光学系４１の無偏光ビームスプリッタ２２は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が同一の可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。
【０１１３】
回折格子１１で回折された回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２は、回折された時点では、その偏光方向が同一となっている。一方の回折光Ｌｂ１は、そのままの偏光方向で受光光学系４２の第１の１／４波長板８１を通過する。ここで、この第１の１／４波長板８１は、入射される回折光Ｌｂ１の偏光方向に対して光学軸が４５度傾けて配置されている。従って、この一方の回折光Ｌｂ１は、所定の回転方向の円偏光の光となる。
【０１１４】
円偏光の光とされた回折光Ｌｂ１は、第４の結像素子８３を通過する。第４の結像素子８３は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第４の結像素子８３は、回折光Ｌｂ１を、所定のビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面上に位置するようにしてもよい。
【０１１５】
また、他方の回折光Ｌｂ２は、そのままの偏光方向で受光光学系４２の第２の１／４波長板８２を通過する。ここで、この第２の１／４波長板８２は、入射される回折光Ｌｂ２の偏光方向に対して光学軸が４５度傾けて配置されている。また、この第２の１／４波長板８２は、通過する他方の回折光Ｌｂ２が一方の回折光Ｌｂ１に対して逆回りの円偏光となるように、光学軸が傾けて配置されている。
【０１１６】
円偏光の光とされた回折光Ｌｂ２は、第５の結像素子８４を通過する。第５の結像素子８４は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第５の結像素子８４は、回折光Ｌｂ２を、所定のビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面上に位置するようにしてもよい。
【０１１７】
互いに逆回りの円偏光の光とされた回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、第４の結像素子８３及び第５の結像素子８４を通過して、無偏光ビームスプリッタ６４に入射する。
【０１１８】
無偏光ビームスプリッタ６４は、入射された２つの回折光Ｌｂ１と回折光Ｌｂ２とを重ね合わせて、２つのビームに分割する。
【０１１９】
分割された一方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５によりさらに偏光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、第１の受光素子６７ａ，６７ｂに照射される。また、分割された他方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５に対して４５度傾いた第３の偏光ビームスプリッタ６６によりさらに偏光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに照射される。
【０１２０】
以上のように、この第５の実施の形態の光学式変位測定装置８０では、回折格子１１の透過率、反射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干渉信号から除去することができる。また、この光学式変位測定装置８０では、回折格子１１の移動方向を特定することができる。
【０１２１】
以上本発明を適用した第１〜第５の実施の形態の光学式変位測定装置を説明した。各実施の形態の光学式変位測定装置では、格子が所定の間隔で平行に設けられた回折格子１１を用いているが、本発明では、このような格子が平行に設けられた回折格子を用いなくても良い。例えば、図１５に示すように、放射状に格子が設けられた回折格子を用いてもよい。このような放射状に格子が設けられた回折格子を用いることにより、回転移動をする工作機械の可動部分等の位置検出を行うことができる。また、本発明では、明暗を記録した振幅型の回折格子、屈折率変化や形状変化を記録した位相型の回折格子を用いても良く、その回折格子のタイプは限られない。
【０１２２】
また、各実施の形態の光学式変位測定装置では、回折格子１１を工作機械等の可動部分に取り付けて、この回折格子１１が可動部分の移動に応じて移動する場合について説明したが、本発明では、照射光学系及び干渉光学系と、回折格子１１とが相対的に移動すれば良い。例えば、本発明では、回折格子が固定されていて、照射光学系及び干渉光学系が工作機械等の可動部分の移動に応じて移動しても良い。
【０１２３】
また、各実施の形態の光学式変位測定装置に用いられているハーフミラーやビームスプリッタ及び結像素子等は、薄膜を用いた素子やレンズ等のみに限られず、例えば、回折光学素子を用いても良い。
【０１２４】
なお、各実施の形態の光学式変位測定装置において、第１の結像素子２１は、回折格子１１の格子面１１ａに対して可干渉光Ｌａを結像できる位置に配置されていればよいため、その配置の位置や個数を限定するものではない。例えば、ハーフミラー（偏光ビームスプリッタ或いは偏光ビームスプリッタ）２２により分割された後の可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を結像するように、結像素子を配置しても良い。
【０１２５】
また、各実施の形態の光学式変位測定装置において、第２の結像素子２８、第３の結像素子６３、第４の結像素子８３、第５の結像素子８４は、受光素子１３又は受光素子６７，６８の受光面に対して回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を結像できる位置に配置されていればよいため、その配置の位置や個数を限定するものではない。例えば、ハーフミラー２７や偏光ビームスプリッタ６１により重ね合わせる前の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を結像するように結像素子を配置しても良し、無偏光ビームスプリッタ６４により分割された後の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を結像するように結像素子を配置しても良い。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明に係る光学式変位測定装置では、２つの可干渉光の光路を回折格子の格子面に垂直な方向に対して傾いた方向に形成して、この２つの可干渉光を上記回折格子の格子面上の同一点に照射する。そして、この光学式変位測定装置では、この２つの可干渉光により生じる２つの回折光の位相差を求めて、回折格子の相対移動位置を検出する。
【０１２７】
このことにより、本発明に係る光学式変位測定装置では、回折格子からの０次回折光や反射光を照射光学系や受光光学系に混入させることなく、回折光を重ね合わせることができるため、安定して位置検出ができる。また、本発明に係る光学式変位測定装置では、回折格子の厚みや屈折率のむらにより誤差が生じず高精度に位置測定をすることができる。
また、照射光学系、干渉光学系のそれぞれに設けられるハーフミラーが、干渉信号の変調率が最大となるように調整されていることから、波長の変動に起因する測定誤差を生じなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の光学式変位測定装置に用いられる回折格子の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図３】上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図４】上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図である。
【図５】  上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ３上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図６】上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の回折格子が傾いた場合について説明する為の図である。
【図７】回折格子を通過するレーザ光の光路長を説明する為の図である。
【図８】回折格子に厚みのむらがある場合に、この回折格子を通過する２本のレーザ光の光路長の差を説明する為の図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図１０】上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１１】上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態の受光光学系の要部斜視図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態の受光光学系の要部斜視図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態の受光光学系の要部斜視図である。
【図１５】本発明の第１〜第５の実施の形態の光学式変位測定装置に用いられる他の回折格子を説明する為の図である。
【図１６】従来の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図１７】従来の光学式変位測定装置の側面図である。
【図１８】従来の他の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図１９】従来の他の光学式変位測定装置の側面図である。
【図２０】従来の更に他の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図２１】上記従来の更に他の光学式変位測定装置の可干渉光源に戻る反射光を説明する為の図である。
【符号の説明】
１１  回折格子、４０，５０，６０，７０，８０  光学式変位測定装置、１２可干渉光源、１３，６７，６８  受光素子、２１，２８，６３，８３，８４  結像素子
【図１】
0004154038.tif 000002
【図２】
0004154038.tif 000003
【図３】
0004154038.tif 000004
【図４】
0004154038.tif 000005
【図５】
0004154038.tif 000006
【図６】
0004154038.tif 000007
【図７】
0004154038.tif 000008
【図８】
0004154038.tif 000009
【図９】
0004154038.tif 000010
【図１０】
0004154038.tif 000011
【図１１】
0004154038.tif 000012
【図１２】
0004154038.tif 000013
【図１３】
0004154038.tif 000014
【図１４】
0004154038.tif 000015
【図１５】
0004154038.tif 000016
【図１６】
0004154038.tif 000017
【図１７】
0004154038.tif 000018
【図１８】
0004154038.tif 000019
【図１９】
0004154038.tif 000020
【図２０】
0004154038.tif 000021
【図２１】
0004154038.tif 000022