JP6643199B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

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変位検出装置に関する。

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等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、工作機械や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。

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、２に記載されているものがある。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入射させて、２つの斜め方向に出射する回折光を生成して、この回折光を再び回折格子に照射させて、再度回折された回折光を重ね合わせて干渉させて干渉光を得ている。そして、当該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。

一方、特許文献２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斜め方向から入射させて、垂直方向に出射する２つの１回回折光を生成している。また、この回折光を再び回折格子に照射させて、再度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。

特許第４０２３９２３号公報 特開昭６３−３１１１２１号公報

しかしながら、特許文献１及び２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に変位したり、傾斜した場合、計測誤差が発生するという問題を有していた。すなわち、特許文献１に記載された変位検出装置では、回折格子が格子面の法線方向に移動すると、光路補正用のレンズの中心軸と２つの光路の対称軸がずれるため、回折格子が傾くことにより、２つの光路の光路長に差が生じて、大きな誤差が発生する。

一方、特許文献２に記載された変位検出装置では、回折格子が格子面の法線方向に移動した時に光路補正用のレンズの中心軸と、２つの光路の対称軸にずれは生じないが、光路補正用のレンズの焦点が格子面上に配置することが規定されていないため、光路補正が微小な範囲でしか有効とならない。また、補正用の光学システム（格子面−レンズ−格子面）の横倍率が１倍でないため、回折格子が傾いた場合に、回折格子への１回目の入射点と２回目の入射点が光路の対称軸に対して非対称になり、２つの光路の光路長に差が生じ大きな誤差が発生する。また、特許文献２に記載された変位検出装置では、変位計測に利用する±ｍ次の回折光以外の次数の回折光が光路に混入して、計測誤差を引き起こしてしまうと言う問題も有していた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回折格子が計測方向以外に変位、傾斜した場合でも計測誤差を確実に軽減し、かつ、光路への不要な次数の回折光の混入を防ぐことの可能な、新規かつ改良された変位検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、回折格子の移動により被測定対象の一方向の相対移動変位を検出する変位検出装置であって、可干渉光を照射する光源と、前記光源から照射される前記可干渉光を平行光束化するコリメートレンズと、前記コリメートレンズで平行光束化されたコリメート光を２つの光束に分割する光束分割素子と、分割された前記光束のそれぞれを偏向させて所定の角度で前記回折格子に入射させる偏向ミラーと、前記光束の光路中に設けられる焦点距離の等しい２つの光路補正用レンズと、前記回折格子で１回目の回折光の光路を計測方向と垂直な方向に平行移動させて前記回折格子に再入射させる光路シフト用プリズム部と、前記光路シフト用プリズム部で平行移動され、前記回折格子で再度回折され、前記光束分割素子で重ね合わされた回折光を干渉させて受光する干渉光受光部と、干渉光強度に基づいて前記回折格子の変位情報を出力する相対位置検出器と、を備え、前記光束分割素子で２つに分割された前記光束のそれぞれは、回折角度が前記回折格子の回折面に対して略垂直となる入射角度で前記回折格子の格子面の法線を対称軸として対称となるように前記回折格子に入射され、前記２つの光路補正用レンズは、前記対称軸上に配置されており、一方の光路補正用レンズの一方の焦点が前記格子面上にあり、一方の光路補正用レンズの他方の焦点が他方の光路補正用レンズの焦点と一致するように配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、光路補正用レンズと光路シフト用プリズム部の作用によって、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。

このとき、本発明の一態様では、前記光路シフト用プリズム部は、前記光路補正用レンズの一方を通過した前記光束を所定の方向に所定の距離だけシフトさせ、偏光方向を９０度回転させることとしてもよい。

このようにすれば、回折格子が一定方向以外に変位したり、傾いた場合でも、その前後での全体の光路長の変化を最小限に抑制するので、計測誤差を軽減できる。

また、本発明の一態様では、前記所定の距離のシフト量は、０次回折光が前記干渉光受光部の開口から回避可能な距離とすることとしてもよい。

このようにすれば、不要な次数の回折光の光路への混入を防ぐことができるため、安定した高精度の変位検出が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記光路シフト用プリズム部は、裏面ミラー付１／４波長板と、１／４波長板と、ミラーと、及び偏光ビームスプリッタとを備え、前記裏面ミラー付１／４波長板と前記１／４波長板は、同じ厚さであり、かつ、互いに垂直になるように設けられ、前記偏光ビームスプリッタは、前記裏面ミラー付１／４波長板と前記１／４波長板との間に水平方向に対して４５度傾斜して設けられ、前記ミラーは、前記偏光ビームスプリッタと前記所定の距離を介して平行に設けられることとしてもよい。

このようにすれば、回折格子が変位したり、傾いた場合でも、光路補正用レンズと光路シフト用プリズム部の組み合わせで、その前後での光路長の変化をごく小さくすることができるので、計測誤差を軽減できる。

以上説明したように本発明によれば、回折格子の位置や姿勢が変化しても計測誤差を大幅に軽減することができる。また、不要な次数の回折光の光路への混入を防ぐことができるため、安定した高精度の変位検出が可能になる。

（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成の概略を示す概略構成図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置に備わる回折格子の一例を示す平面図であり、（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置における相対位置検出器を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置における一方の光路補正用レンズの配置を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置における２つの光路補正用のレンズの配置を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置における他方の光路補正用のレンズの配置を示す説明図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における第１の光束の光路を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における0次光の光路を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における第２の光束の光路を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における光路補正用のレンズによる作用の一態様の説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における光路補正用のレンズによる作用の他の態様の説明図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置における光路補正用のレンズによる作用の他の態様を説明する詳細図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また、以下の説明において記載される各種レンズは、所定の結像性能を持っていれば、その形態は、どのようなものでもよく、球面や非球面の単レンズ、レンズ群、あるいは結像機能を持った回折格子でもよい。

まず、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成について、図面を使用しながら説明する。図１（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成の概略を示す概略構成図であり、図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の平面図であり、図１（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の正面図であり、図１（Ｃ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の側面図である。

本発明の一実施形態に係る変位検出装置１は、工作機械や半導体製造装置等の可動部分に設置される回折格子１１の一方向の相対移動変位（図１に示すＸ方向）を検出する装置である。本実施形態の変位検出装置１は、光源２と、コリメータレンズ３と、偏光ビームスプリッタ７と、ビーム偏向用の複数のミラー４、５、６、８、９、１３、１５、２１と、回折格子１１と、光路保護用のカバーガラス１２と、焦点距離の等しい２つの光路補正用レンズ１４、２０と、光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）と、干渉光受光部分２２Ａ（２２〜３０）とを備える。

光源２は、可干渉距離の制限された可干渉光を出射する。光源２としては、マルチモードの半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオード等の可干渉光源であるが、可干渉距離が比較的短い光源を使用する。ただし、光源２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。

コリメータレンズ３は、光源２から照射される可干渉光からなる発散ビームを平行光束化してコリメートビームとする。すなわち、光源２から出射した発散する光ビームは、コリメートレンズ３によってコリメートビームに変換される。

なお、光源２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、光源を離れた場所に設置し、光ファイバを用いて光を伝搬させて、光ファイバの出射端を図１に示された光源２の位置に置くようにしてもよい。このときも、光ファイバを出射した発散する光ビームは、コリメートレンズによってコリメートビームに変換される。また、光源からのビームが直線偏光の場合は、光ファイバには、偏波保持ファイバ等の偏波面を保持できるものを用いる。

偏光ビームスプリッタ７は、コリメートレンズ３で平行光束化されたコリメート光を強度の等しい２つのビーム（光束Ｌｆ１、光束Ｌｆ２）に分割する光束分割素子として機能する。本実施形態では、偏光ビームスプリッタ７は、反射側の光束を光束Ｌｆ１、透過側の光束を光束Ｌｆ２としてコリメート光を分割する。偏向ミラー８、９は、分割された２つの光束ビームＬｆ１、Ｌｆ２を偏向して、回折格子１１に所定の角度で入射させる。

このように、コリメートレンズ３でコリメートビームに変換された光線は、反射面となるミラー４、５、６で反射され、偏光ビームスプリッタ７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７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２の光軸周りの角度を特定の方向にする必要はない。何れの場合も、偏光ビームスプリッタ７で光線は、透過側と反射側へ強度比１：１で分割される。

回折格子１１の格子構造は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に沿って周期的に変化する構造とする。具体的には、回折格子１１の構造は、図２（Ｂ）に示した通り、基板１１ｂの上に突起構造１１ａ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２（Ａ）に示した通り、突起構造１１ａは、同じ断面形状のままＸ軸と垂直なＹ方向に延伸した構造となっている。突起構造１１ａの断面形状は、±ｍ次回折光の強度が最大となるように最適化されている。本実施形態では、光束Ｌｆ１、Ｌｆ２の入射角度は、ｍ次回折光の角度が回折格子１１の格子面の法線方向からわずかに異なる角度とし、２ｍ次回折光が光源２に戻らないようにする。また、Ｘ軸方向から見た入射角度は、回折格子１１の格子面に垂直になるようにする。さらに、Ｙ軸方向から見た入射角度は、格子面の法線に対して左右対称とする。

光路補正用レンズ１４、２０は、光束の光路中に設けられる。具体的には、光路補正用レンズ１４は、光束Ｌｆ１、光束Ｌｆ２の光路中に設けられ、Ｙ軸方向から見た場合の光束Ｌｆ１、光束Ｌｆ２の対称軸とレンズ１４の中心軸を一致させる。また、光路補正用レンズ１４の一方の焦点が回折格子１１の格子面と一致するように配置される。

もう一方の光路補正用レンズ２０は、Ｙ軸方向に光路がシフトした光束Ｌｆ１、Ｌｆ２の作る平面（平面Ｐ２）と同じ平面上にあり、Ｙ軸方向から見た場合、光路補正用レンズ２０の中心軸が光路補正用レンズ１４の中心軸を平面Ｐ２に投影されたものと一致するようにする。このことにより、レンズ２０の中心軸と、前述した光束Ｌｆ１、Ｌｆ２の対称軸を光路に沿って延長したものが一致することになる。また、光路補正用レンズ１４と光路補正用レンズ２０は、焦点距離の等しいものを使用し、これらの凸側の焦点が一致するように配置され、光路補正用レンズ２０のもう一方の焦点が回折格子１１の格子面上に来るように配置される。

光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）は、回折格子１１で１回目の回折光の光路を計測方向と垂直な方向に平行移動させて当該回折格子１１に再入射させる機能を有する。具体的には、光路シフト用プリズム部１６Ａは、レンズ１４を通過した光束Ｌｆ１、Ｌｆ２を計測方向と垂直方向となるＹ軸方向に所定の距離だけシフトさせ、偏光方向を９０度回転させる。シフト量は、０次回折光が干渉光受光部２２Ａ（２２〜３０）の開口から外れるだけの回避可能な距離とする。

光路シフト用プリズム部１６Ａは、図１（Ｃ）に示すように、裏面ミラー付１／４波長板１６と、１／４波長板１９と、ミラー１７と、及び偏光ビームスプリッタ１８とを備える。本実施形態では、裏面ミラー付１／４波長板１６と１／４波長板１９は、同じ厚さであり、かつ、互いに垂直になるように設けられる。また、偏光ビームスプリッタ１８は、裏面ミラー付１／４波長板１６と１／４波長板１９との間の境界部分に水平方向に対して４５度傾斜して設けられ、ミラー１７は、当該偏光ビームスプリッタ１８と所定の距離を介して平行に設けられる。なお、光路シフト用プリズム部１６Ａの機能や動作等の詳細な説明は、後述する。

干渉光受光部２２Ａは、光路シフト用プリズム部１６Ａで平行移動され、回折格子１１で再度回折され、偏光ビームスプリッタ７で重ね合わされた回折光を干渉させて受光する機能を有する。干渉光受光部２２Ａは、図１（Ａ）に示すように、レンズ２２と、１／４波長板２３と、無偏光ビームスプリッタ２４と、偏光ビームスプリッタ２５、２６と、フォトダイオード２７、２８、２９、３０とを備える。

光束Ｌｆ１、Ｌｆ２は、偏光ビームスプリッタ７で再度重ね合わされた後、共通の光路を通って、干渉光受光部２２Ａに進入する。重ね合わされた光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２は、レンズ２２を通過し、フォトダイオード２７、２８、２９、３０上でビームが適当な大きさになるように絞られる。レンズ２２を通過後、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２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２３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。

また、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２は、回折格子１１で２度回折されているので、回折格子１１がＸ軸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）。このように、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つの光の位相差に従って回転する直線偏光の光とみなすことができる。このため、１／４波長板２３を通過後、重ね合わされた光束は、回折格子１１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。

重ねあわされた光束は、無偏光ビームスプリッタ２４で分割され、一方は、偏光ビームスプリッタ２５、もう一方は、偏光ビームスプリッタ２６に向かう。偏光ビームスプリッタ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２７、Ｐ偏光成分は、フォトダイオード２８で受光される。フォトダイオード２７、２８で受光される光量をそれぞれＩ_２７、Ｉ_２８とすると、各光量Ｉ_２７、Ｉ_２８は、下記の式（１）、式（２）の通りとなる。

回折格子１１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、フォトダイオード２７、２８からは、当該干渉信号に比例した電流信号が出力される。フォトダイオード２７、２８から得られる信号は、位相が互いに１８０°異なる反転信号となることが前述の式（１）及び式（２）より分かる。

無偏光ビームスプリッタ２４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２６に入射する。偏光ビームスプリッタ２６で光束が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２９、Ｐ偏光成分は、フォトダイオード３０で受光される。フォトダイオード２９、フォトダイオード３０で受光される光量をＩ_２９、Ｉ_３０とすると、以下の式（３）及び式（４）の通りとなる。

Ｉ_２７とＩ_２８は、ｓｉｎθの対であるのに対して、Ｉ_２９とＩ_３０は、９０°位相のずれたｃｏｓθの対となっている。Ｉ_２７とＩ_２８、Ｉ_２９とＩ_３０は、互いに反転信号となっており、減算することにより、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、減算することにより、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１１がＸ方向の左右どちら側に動いているかの識別をすることが可能となる。

これらの信号は、回折格子１１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。

フォトダイオード２７、２８、２９、３０からの信号は、図３に示す相対位置検出器４０へ送られる。次に、相対位置検出器４０の動作について図３を用いて説明する。

相対位置検出器４０は、干渉光受光部２２Ａで受光した干渉光の強度に基づいて回折格子１１の変位情報を出力する機能を有する。具体的には、相対位置検出器４０では、まず、フォトダイオード２７、２８、２９、３０からの信号を電流電圧変換器４５で電流電圧変換する。電流電圧変換器４５で電流電圧変換後の電圧信号をそれぞれ、Ｖ２７、Ｖ２８、Ｖ２９、Ｖ３０とすると、第１の差動増幅器４１ａで（Ｖ２７−Ｖ２８）×α、第２の差動増幅器４１ｂで（Ｖ２９−Ｖ３０）×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４２ａ、４２ｂの入力可能レンジに合わせて設定する。

差動増幅器４１ａ、４１ｂで差動増幅されて得られた２つの信号は、Ａ／Ｄ変換器４２ａ、４２ｂ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４３で演算処理が行われる。波形補正処理部４３、インクリメンタル信号発生器４４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、及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１１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。

本実施形態では、光路補正用レンズ１４、２０の作用により、回折格子１１が変位したり、傾いた場合でも、誤差の発生を軽減することができる。また、２つの光束Ｌｆ１、Ｌｆ２とも光路補正用レンズ１４、２０の両方を通過するため、これら光路補正用レンズ１４、２０の焦点距離のバラつきの影響を受けにくいという利点もある。以下、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の光路補正用レンズの配置について、図面を使用しながら説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における一方の光路補正用レンズの配置を示す説明図であり、図５は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における２つの光路補正用のレンズの配置を示す説明図であり、図６は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における他方の光路補正用のレンズの配置を示す説明図である。なお、図５は、回折格子１１と２つの光路補正用レンズ１４、２０をＸ軸方向から見た図であり、ミラー１３、１５での反射を省略し、光路シフト用プリズム部１６Ａを簡略化して示しており、回折格子１１、光路補正用レンズ１４、２０の位置関係のみを説明する図である。

光束は、図４に示すように、Ｙ軸方向から見た場合、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２が左右対称となるように、ｈ点に角度θ１で入射する。光束Ｌｆ１の入射点Ｉと光束Ｌｆ２の入射点ｈは、必ずしも一致させる必要はないが、回折格子１１の表面の凹凸の影響を受けにくくするため、なるべく近付けることが好ましい。入射点Ｉ、ｈが離れていると、回折格子１１がＸ方向に移動した場合、格子面の凹凸により、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の光路長差に変化が生じ、干渉信号に格子面の凹凸情報が重畳してしまい、誤差が生じるからである。図４に示す対称軸Ａ１は、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の対称軸を示しており、図１（Ａ）で示した平面Ｐ１上にあり、光路補正用レンズ１４の中心軸とこの対称軸を一致させる。また、光路補正用レンズ１４の一方の焦点と回折格子１１の格子面を一致させる。

光路補正用レンズ１４、２０は、図５に示すように、光路補正用レンズ１４、２０の凸側の焦点を一致させ、光路補正用レンズ２０のもう一方の焦点を回折格子１１の格子表面に一致させる。光路補正用レンズ１４、２０と回折格子１１の間、光路補正用レンズ１４と光路補正用レンズ２０の間には、ガラスが挿入されているため、焦点位置については、ガラスが挿入されたことによる位置シフトを考慮する。

光路補正用レンズ２０の中心軸は、光路補正用レンズ１４のある平面Ｐ１（図１（Ａ）参照）からＬＮ間（図７（Ｂ）参照）の距離分だけＹ軸方向にシフトした平面Ｐ２（図１（Ａ）参照）上にあり、図６に示すように、図４の正面図方向（Ｙ軸方向）から見た場合、中心軸が光路補正用レンズ１４の中心軸Ａ１を平面Ｐ２に投影したものＡ２に一致するようにする。このことにより、光路補正用レンズ２０の中心軸と前述した光束Ｌｆ１、Ｌｆ２の対称軸を光路に沿って延長したものが一致することになる。

次に、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における第１の光束Ｌｆ１の光路について、図面を使用しながら説明する。図７（Ａ）乃至（Ｄ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における第１の光束の光路を示す図であり、図7（Ａ）は、背面図、図7（Ｂ）は、平面図、図7（Ｃ）は、正面図、図７（Ｄ）は、側面図である。

図７（Ｂ）に示すように、光源２の発光点となるＡ点から出射された光束は、ミラー４で反射されてから、ミラー面５、６と偏光ビームスプリッタ面７を持つプリズム内に入射する。また、ミラー４には、反射前後で偏光状態が変化しない反射膜を形成することが望ましい。このとき、光束は、ミラー面５、６で反射される。ミラー面５、６には、反射膜が形成されており、この反射膜は、反射する光束の偏光状態を変化させず、略４５度で入射する光束を反射し、略垂直で入射する膜を透過するものとする。

ミラー面５、６に部品を固定する場合は、光路部分には、空隙を持たせるか、あるいは、プリズム等を直接接着する場合は、プリズム等と同じ硝材の図示しない薄いガラスをミラー面５、６全体に貼り、その上にプリズム等をインデックスマッチングの取れた接着剤で接着する。この場合、当該反射膜は、薄いガラスが貼られた状態で前述した反射性能を持つものとする。

光束は、図７（Ｃ）に示すように、Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点→Ｅ点と通過し、偏光ビームスプリッタ面７に入射する。この面で光束のＰ偏光成分は、透過し、Ｓ偏光成分は、反射される。このときの透過光と反射光の強度比は、１：１となる。

Ｓ偏光成分（光束Ｌｆ１）は、Ｆ点→Ｇ点→Ｈ点と通過し、偏向ミラー８で回折格子１１への入射角度が所定の角度−θ１となるように偏向される。回折格子１１での回折角度をθ２とすると、θ１とθ２の関係は、以下の式（５）で表わされる。

Λ：格子ピッチ λ：入射光の波長 ｍ：回折次数
θ1：入射角度
θ2：回折角度
θ1 > 0、ｍ > 0
（格子の法線から光線向けて角度を測ったとき、反時計まわりを正とする。）

このとき、θ２は、Ｉ点→Ｊ点→Ｋ点と通過する光路が光路補正用レンズ１４の有効開口内を通過できる範囲であればよいが、光路補正用レンズ１４で発生する軸外の収差をなるべく小さくするため、０に近い値が好ましい。ｍ次光の回折角がθ２＝０の場合は、−２ｍ次光の回折角度が−θ１となるため、−２ｍ次光がＩ点→Ｈ点→Ｇ点→Ｆ点→Ｅ点→Ｄ点→Ｃ点→Ｂ点→Ａ点と光源２へと戻ってしまう。このため、本実施形態では、θ２＝０を避けて、−２ｍ次光が光源２に戻らないような角度に設定する。また、Ｘ軸方向から見た光束Ｌｆ１の入射角は、図７（Ｄ）に示すように、回折格子１１に垂直になるようにする。

回折格子１１で回折した光束Ｌｆ１は、図７（Ｃ）に示すように、Ｉ点→Ｊ点と進んでからミラー１３で反射され、光路補正用レンズ１４を通過して、その後、ミラー１５で反射され、Ｋ点→Ｌ点と通過し、光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）に入射する。

光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）に入射した光束Ｌｆ１は、図７（Ｄ）に示すように、ミラー１７で反射され、偏光ビームスプリッタ１８に入射する。この偏光ビームスプリッタ１８に対しては、光束Ｌｆ１の偏光方向がＰ偏光となるため、偏光ビームスプリッタ面１８を通過し、裏面が反射面となっている１／４波長板１９で反射されて、偏光面が９０度回転されてＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１８に再度入射する。

その後、光束Ｌｆ１は、偏光ビームスプリッタ１８で反射され、図７（Ａ）に示すように、Ｎ点→Ｏ点と進み、ミラー１５で反射されて、光路補正用レンズ１４と等しい焦点距離を持つ光路補正用レンズ２０を通過し、ミラー１３で反射され、Ｐ点→Ｑ点と進んで、回折格子１１に再び入射する。このようにして、光路は、光路補正用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）を通過後、図７（Ｂ）及び図７（Ｄ）で示す平面Ｐ１上から平面Ｐ２上にシフトする。

次に、光路を平面Ｐ１から平面Ｐ２にシフトすることの効果について、図面を使用しながら説明する。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における0次光の光路を示す図であり、図８（Ａ）は、平面図、図８（Ｂ）は、正面図である。

図８（Ｂ）において、破線で示した光路Ｉ→Ｒ’→Ｓ’→Ｔ’→Ｅ→Ｕ’→Ｖ’→Ｗ’は、回折格子１１での０次回折光の光路を示している。図８（Ａ）に示すように、この光路は、平面Ｐ１から平面Ｐ２への光路シフトが起きないため、光束を干渉光受光部２２Ａ（２２〜３０）に導くミラー２１に入射しないので、フォトダイオード２７、２８、２９、３０の受光面に混入しないことが分かる。光束Ｌｆ２でも同様にして、０次回折光の光路は、平面Ｐ１から平面Ｐ２への光路シフトが起きないため、フォトダイオード２７、２８、２９、３０の受光面に混入しないことが分かる。

また、図を用いた説明は行わないが、上記と同様に光路を辿っていくことで、１回目と２回目の入射時の光束Ｌｆ１の＋ｍ次光と光束Ｌｆ２の−ｍ次光のフォトダイオード２７、２８、２９、３０の受光面への混入、２回目の入射時の光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の０次光の光源２への再入射も、上記の光路シフトの効果で避けられることが分かる。

先に説明したように、光束Ｌｆ１の−２ｍ次と光束Ｌｆ２の２ｍ次光は、光源の方向に戻って行き、干渉光受光部２２Ａの受光素子となるフォトダイオード２７、２８、２９、３０に入射しない。光源２への入射は、先に説明した通り、θ２を適当な値にすることにより避けることができる。

このように、本実施形態では、光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）の作用により、変位計測に使用する光束Ｌｆ１の−ｍ次光、光束Ｌｆ２の＋ｍ次光以外の不要光がフォトダイオード２７、２８、２９、３０の受光面へ混入したり、光源２に再入射することを防止できる。このため、本実施形態では、不要光の受光面への混入や光源への再入射に起因するノイズの増大や誤差の発生がなく、安定して正確な測定が可能となる。

次に、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における第２の光束Ｌｆ２の光路について、図面を使用しながら説明する。図９（Ａ）乃至（Ｄ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における第２の光束の光路を示す図であり、図９（Ａ）は、背面図、図９（Ｂ）は、平面図、図９（Ｃ）は、正面図、図９（Ｄ）は、側面図である。

光源２の発光点Ａから出射された光束は、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）に示すように、Ａ点→Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点と進み、偏光ビームスプリッタ７で強度の等しい光束Ｌｆ１（Ｓ偏光成分）と光束Ｌｆ２（Ｐ偏光成分）に分割される。Ｐ偏光成分の光束Ｌｆ２は、図９（Ｃ）に示すように、ｅ点→ｆ点→ｇ点と進み、偏向ミラー９で回折格子１１への入射角度が所定の角度θ１となるように偏向される。回折格子１１での回折角度をθ２とすると、θ１とθ２の関係は、以下の式（６）で表わされる。

θ２の値の範囲は、光束Ｌｆ１と同様である。回折格子１１で回折した光束Ｌｆ２は、図９（Ｃ）に示すように、ｈ点→ｉ点と進み、ミラー１３で反射され、光路補正用レンズ１４を通過し、ミラー１５で反射されてｊ点→ｋ点と通過して、図９（Ｄ）に示すように、光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）に入射する。

光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）に入射した光束Ｌｆ２は、図９（Ｄ）に示すように、ミラー１７で反射され、偏光ビームスプリッタ１８に入射する。この偏光ビームスプリッタ１８に対しては、光束Ｌｆ２の偏光方向がＳ偏光となるため、偏光ビームスプリッタ面１８で反射され、裏面が反射面となっている１／４波長板１６で反射されて、偏光面が９０度回転されＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１８を透過する。

そして、図９（Ａ）に示すように、光束Ｌｆ２は、ｍ点→ｎ点と進んでから、ミラー１５で反射されてレンズ２０を通過し、ミラー１３で反射され、ｏ点→ｐ点と進み、回折格子１１に再び入射する。光路は、光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）を通過後、図９（Ｂ）及び図９（Ｄ）に示すように、平面Ｐ１上から平面Ｐ２上にシフトする。

光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）を通過時の光路長が等しくなるように、光路シフト用プリズム部１６Ａの形状は、設定される。例えば、１／４波長板１６、１９の厚さを等しくして、ミラー１７と偏光ビームスプリッタ面１８の斜面の傾きを４５度とする。

レンズ２０を通過後、回折格子１１に再び入射した光束Ｌｆ２は、ｐ点→ｑ点と進み、ミラー９で反射され、再び偏光ビームスプリッタ７と反射面５、６を持ったプリズムに入射し、ミラー５、６で反射され、ｒ点→ｓ点と進み、今回は、偏光がＳ偏光となっているため、偏光ビームスプリッタ７で反射され、光束Ｌｆ１と重ね合わされ、ミラー５、６で反射されｔ点→Ｕ点→Ｖ点→Ｗ点と進み、ミラー２１で反射され、干渉光受光部２２Ａのレンズ２２へと進む。そして、前述したように、干渉光受光部２２Ａのフォトダイオード２７、２８、２９、３０で受光される。

以上、第１の光路Ｌｆ１及び第２の光路Ｌｆ２の説明を行ったが、光源２からフォトダイオード２７、２８、２９、３０の受光面までの光束Ｌｆ１の光路長と、光束Ｌｆ２の光路長は、等しくする。本実施形態では、可干渉距離の比較的短い光源２を用いるため、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の光路長が等しい場合、ビジビリティ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。すなわち、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の干渉信号の振幅が最大になるように、ミラー８とミラー９の位置を調整すること等によって、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の光路長を等しくすることも可能である。

このように、光路長を等しくすることより、光源２の波長変動により発生する誤差をなくすことができる。本実施形態では、偏光ビームスプリッタ７の分割面で光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２を重ね合わせた後の光路長にΔａの差がある場合、光源２の波長がΔλ変化すると下記の式（７）に示すΔＥの誤差が生じる。

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。

次に、回折格子が傾いた場合の、光路補正用レンズ１４、２０の作用について、図面を使用しながら説明する。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における光路補正用のレンズによる作用の一態様の説明図である。

図１０（Ａ）は、光路補正用レンズ１４を通過する光線の光路を示しており、図中一点鎖線は、レンズの中心軸、実線は、回折格子が傾く前の光路、破線は、回折格子が傾いた後の光路を示している。図１０（Ａ）に示すように、回折格子１１が傾くことで、光路は、実線から破線へとシフト量Ｌ１ずれるが、光路補正用レンズ１４の焦点が格子面上にあるため、レンズ１４を通過後の光路は、常にレンズの中心軸に平行となる。

このため、光路シフト用プリズム部１６Ａ（１６、１７、１８、１９）を通過後、光路補正用レンズ２０に入射する光線も、図１０（Ｂ）に示すように、光路補正用レンズ２０の中心軸に平行となり、また、中心軸からのシフト量Ｌ２も、Ｌ２＝Ｌ１となる。

このことから、回折格子１１への２度目の入射角は、１回目の回折角θ２と同じになるため、２回目の回折角は、−θ１で１回目の入射角と同じになることが分かる。すなわち、Ｙ軸方向から見た場合、２回目の回折光の方向は、１回目の入射光の方向と常に一致することになる。従って、回折格子１１の傾き前後で２回目の回折後の光路（Ｑ〜Ｚ）に変化が起きないことが分かる。

また、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）において、破線で示した光路の光路長は、焦点位置からの光線がレンズを通過後光路長が全て等しくなる光路補正用レンズ１４の作用により、回折格子１１が傾く前の光路の光路長と等しい。従って、全体の光路（Ａ〜Ｚ）の光路長も変化しないことが分かる。

なお、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）では、光束Ｌｆ１の説明のみ行ったが、光束Ｌｆ２も全く同様に、２回目の回折角は、常に１回目の入射角に等しくなるため、回折格子１１の傾き前後で２回目の回折後の光路（ｑ〜ｚ）に変化が起きないことが分かる。また、全体の光路（ａ〜ｚ）の光路長も変化しない。

以上より、光路補正用レンズ１４、２０の作用により、回折格子１１が傾いた場合でも、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の全体の光路長が変化せず、２回目の回折後の受光素子までの光路に変化が起きない。従って、この２つの光束Ｌｆ１、Ｌｆ２を干渉させた場合の干渉信号に変化が生じないため、回折格子１１に傾きが生じることにより、Ｘ軸方向に動いた状態となるような誤差が生じないことがわかる。

次に、回折格子１１がZ軸方向に変位した場合の、光路補正用レンズ１４、２０の作用について、図面を使用しながら説明する。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における光路補正用のレンズによる作用の他の態様の説明図であり、図１２は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置における光路補正用のレンズによる作用の他の態様を説明する詳細図である。

回折格子１１が図１１（Ａ）に示すように、矢印方向（Ｚ軸方向）に移動した場合、光束Ｌｆ１の入射点は、ＩからＩ’に移動する。回折格子１１→光路補正用レンズ１４→光路補正用レンズ２０→回折格子１１の位置関係は、図５のようになっているため、１回目の回折格子１１への入射時の格子面を物体面、２回目の入射時の格子面を像面とみなすと、図５の光学系の横倍率は、１倍となる。また、回折格子１１がＺ軸方向に移動しても、レンズの中心軸が格子面の法線である対称軸と一致しているため、レンズ１４、２０の中心軸と対称軸がずれない。

従って、図１１（Ｂ）に示すように、光路補正用レンズ２０を通過後の２回目の回折格子１１への入射点をｈ’とすると、Ｉ’と対称軸Ａ１の間の距離をＬ３、ｈ’と対称軸Ａ２の間の距離をＬ４とすると、Ｚ軸方向に変位が一定の範囲では、Ｌ３≒Ｌ４となる。光束が回折格子１１上を移動すると、光束の位相が変化するが、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）の場合では、Ｌ３とＬ４がほぼ等しく、互いに逆方向に動くため、位相変化が相殺されて、ごく小さなものとなる。

この状態から回折格子１１が傾いた場合を図１２で示す。図１２に示すように、回折格子１１が矢印方向に傾くと、１回目の入射のＬ’側では、光路が太線部分ＴＮ１だけ短くなり、２回目の入射のｈ’側では、太線部分ＴＮ２だけ長くなるが、Ｌ３≒Ｌ４のため、２つの太線部分の長さがほぼ等しくなって、光路長の変化は、相殺され、ごく小さなものとなる。

回折格子１１の傾きによる回折角の変化による光路の変化については、Ｚ方向の移動量が一定の範囲内であれば、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）での説明が適用できるため、２回目の回折後の光路に変化がごく僅かなものとなり、全体の光路長の変化もごく小さなものとなる。

図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）では、光束Ｌｆ１の説明のみ行ったが、光束Ｌｆ２でも全く同様に説明することができる。また、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）では、回折格子１１の矢印方向の移動に伴い、入射点の移動だけではなく、全体の光路長が変化するが、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２は、対称軸Ａ１に対して対称に入射しているため、光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２で光路長の変化量が等しくなるため、このことによる光束Ｌｆ１と光束Ｌｆ２の干渉信号の変化は起きない。

このように、本実施形態では、光路補正用レンズ１４、２０の作用により、回折格子１１がＺ軸方向に変化したり、傾いたりした場合でも、計測誤差の少ない計測が可能となる。

なお、上記のように本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、変位検出装置の構成、動作も本発明の一実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

具体的には、前述した本発明の一実施形態では、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。また、本発明の一実施形態に係る変位検出装置は、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のその他各種の変位検出装置にも適用できる。さらに、本発明の一実施形態に係る変位検出装置では、反射型の回折格子を用いた例を説明したが、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。

１ 変位検出装置、２ 光源、３ コリメータレンズ、４、５、６、１３、１５、１７、２１ ミラー、８、９ 偏向ミラー、７、１８、２５、２６ 偏光ビームスプリッタ（光束分割素子）、１１ 回折格子、１２ カバーガラス、１４、２０ 光路補正用レンズ、１６ 裏面ミラー付き１／４波長板、１６Ａ 光路シフト用プリズム部、２２ レンズ、２２Ａ 干渉光受光部、２３ １／４波長板、２４ 無偏光ビームスプリッタ、２７、２８、２９、３０ フォトダイオード、４０ 相対位置検出器、４１ 差動増幅器、４２ ＡＤコンバータ、４３ 波形補正処理部、４４ インクリメンタル信号発生器

Claims (4)

1. 回折格子の移動により被測定対象の一方向の相対移動変位を検出する変位検出装置であって、
   可干渉光を照射する光源と、
   前記光源から照射される前記可干渉光を平行光束化するコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズで平行光束化されたコリメート光を２つの光束に分割する光束分割素子と、
   分割された前記光束のそれぞれを偏向させて所定の角度で前記回折格子に入射させる偏向ミラーと、
   前記光束の光路中に設けられる焦点距離の等しい２つの光路補正用レンズと、
   前記回折格子で１回目の回折光の光路を計測方向と垂直な方向に平行移動させて前記回折格子に再入射させる光路シフト用プリズム部と、
   前記光路シフト用プリズム部で平行移動され、前記回折格子で再度回折され、前記光束分割素子で重ね合わされた回折光を干渉させて受光する干渉光受光部と、
   干渉光強度に基づいて前記回折格子の変位情報を出力する相対位置検出器と、を備え、
   前記光束分割素子で２つに分割された前記光束のそれぞれは、回折角度が前記回折格子の回折面に対して略垂直となる入射角度で前記回折格子の格子面の法線を対称軸として対称となるように前記回折格子に入射され、
   前記２つの光路補正用レンズは、前記対称軸上に配置されており、一方の光路補正用レンズの一方の焦点が前記格子面上にあり、一方の光路補正用レンズの他方の焦点が他方の光路補正用レンズの焦点と一致するように配置されていることを特徴とする変位検出装置。
2. 前記光路シフト用プリズム部は、前記光路補正用レンズの一方を通過した前記光束を所定の方向に所定の距離だけシフトさせ、偏光方向を９０度回転させることを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記所定の距離のシフト量は、０次回折光が前記干渉光受光部の開口から回避可能な距離とすることを特徴とする請求項２に記載の変位検出装置。
4. 前記光路シフト用プリズム部は、裏面ミラー付１／４波長板と、１／４波長板と、ミラーと、及び偏光ビームスプリッタとを備え、
   前記裏面ミラー付１／４波長板と前記１／４波長板は、同じ厚さであり、かつ、互いに垂直になるように設けられ、
   前記偏光ビームスプリッタは、前記裏面ミラー付１／４波長板と前記１／４波長板との間に水平方向に対して４５度傾斜して設けられ、
   前記ミラーは、前記偏光ビームスプリッタと前記所定の距離を介して平行に設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載の変位検出装置。