特許 5984554 変位検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5984554

(24)【登録日】2016年8月12日

(45)【発行日】2016年9月6日

(54)【発明の名称】変位検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20160823BHJP

   G01B 9/02 20060101ALI20160823BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/00 G

   G01B9/02

【請求項の数】5

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2012-165188(P2012-165188)

(22)【出願日】2012年7月25日

(65)【公開番号】特開2014-25765(P2014-25765A)

(43)【公開日】2014年2月6日

【審査請求日】2015年2月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000146847

【氏名又は名称】ＤＭＧ森精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000925

【氏名又は名称】特許業務法人信友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒田 明博

(72)【発明者】

【氏名】田宮 英明

【審査官】 岸 智史

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０３８０９４８１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７３２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５７８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３００５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２４７８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０１８９１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−１１／３０

(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被測定部材に入射させる第１の光束と、参照光となる第２の光束に分割する光束分割部と、
前記光束分割部によって分割され、かつ前記被測定部材の被測定面によって反射された前記第１の光束を回折し、回折した前記第１の光束を再び前記被測定部材の被測定面に入射させる透過型の回折格子と、
前記光束分割部によって分割された前記第２の光束を反射する反射部と、
前記回折格子によって回折され、かつ前記被測定部材の被測定面で反射された前記第１の光束を、前記被測定部材の被測定面に反射させて前記回折格子に再び入射させる戻り用反射部と、
前記被測定部材と前記戻り用反射部の間に設けられ、前記被測定部材がチルトして進行方向が傾いた前記第１の光束を前記戻り用反射部の反射面に対して略垂直に入射させるように、前記第１の光束の光路を補正する光路補正部材と、
前記戻り用反射部から戻った前記第１の光束と、前記反射部によって反射された前記第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、
前記受光部により受光した干渉光の干渉信号に基づいて前記被測定面の高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力手段と、
を備えた変位検出装置。

【請求項2】

前記光路補正部材は、前記第１の光束の進行方向である光軸方向と、前記光軸方向及び前記回折格子の格子ベクトルの方向と直交する変位方向とで形成される平面内において前記第１の光束の進行方向を調整する
請求項１に記載の変位検出装置。

【請求項3】

前記光路補正部材は、前記平面内において曲率を有し、前記第１の光束を前記変位方向へのみ集光する
請求項２に記載の変位検出装置。

【請求項4】

前記被測定部材がチルトして進行方向が傾いた前記第１の光束と、前記被測定部材がチルトしていない時における通常の進行方向の前記第１の光束と、を前記平面内において前記光軸方向に延ばした際、進行方向が傾いた前記第１の光束と通常の進行方向の前記第１の光束が交わる仮称点の近傍に前記光路補正部材の焦点位置が位置する
請求項２又は３に記載の変位検出装置。

【請求項5】

前記光路補正部材は、シリンドリカルレンズである
請求項１〜４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、光源から出射された光を用いた非接触センサによって被測定面の変位を検出する変位検出装置に関し、詳しくは被測定面の垂直な方向の変位を検出する技術に係わる。

【背景技術】

【0002】

従来から、被測定面の変位や形状を非接触で測定する装置として光を用いた変位検出装置が広く利用されている。代表的な例としては、レーザ光を被測定面に照射し、反射光の位置の変化をＰＳＤで検出する方法がある。しかしながら、この方法では、被測定面の傾きの影響を受けやすく、感度が低く、測定範囲を広げると測定の分解能が落ちるという問題があった。

【0003】

これに対し、被測定面をミラーとしてマイケルソンの干渉計を使用する方法がある。この方法は、検出範囲が広く、直線性に優れるが、測定範囲が広がると光源の波長の変化と空気の屈折率の変化を受ける。

【0004】

一方、光源から出射した光を対物レンズで被測定面に集光し、被測定面で反射した反射光を非点光学素子で集光して受光素子に入射させて、非点収差法によりフォーカスエラー信号を生成する。そして、フォーカスエラー信号を用いてサーボ機構を駆動させ、対物レンズの焦点位置が被測定面となるように対物レンズを変位させる。このとき、対物レンズに連結部材を介して一体的に取り付けられたリニアスケールの目盛を読み取ることで、被測定面の変位を検出する方式がある（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、被測定面の傾きの変化を受けにくく、大きな測定範囲を高い分解能で計測できるメリットがあった。

【0005】

特許文献１に開示された変位検出装置では、変位検出の高精度化を図るために、対物レンズの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を大きくして被測定面に集光させるビーム径を小さくしている。例えば、被測定面に結像されるビーム径を２μｍ程度にすると、リニアスケールの検出精度は、数ｎｍ〜１００数ｎｍ程度になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平５−８９４８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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、例えば磁石とコイルを用いたアクチュエータ等のような駆動機構により対物レンズをその光軸方向に上下運動させている。そのため、アクチュエータの構造や質量によって対物レンズの上下運動のメカ的な応答周波数が制限されていた。その結果、特許文献１に記載された変位検出装置では、高速で振動する被測定物の計測は難しかった。また、検出点を絞れる反面、被測定物上の異物やビーム形状に近い細かな形状変化の影響を受け、大きな誤差を発生する、という問題があり、その使用条件に制約が生じてしまっていた。

【0008】

本発明の目的は、高精度に被測定部材の高さ方向の変位を検出でき、高速で安定した計測が可能な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】

【0009】

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、光を照射する光源と、光束分割部と、透過型の回折格子と、反射部と、戻り用反射部と、光路補正部材と、光束結合部と、受光部と、相対位置情報出力手段と、を備えている。
光束分割部は、光源から出射された光を被測定部材に入射させる第１の光束と、参照光となる第２の光束に分割する。
回折格子は、光束分割部によって分割され、かつ被測定部材の被測定面によって反射された第１の光束を回折し、回折した第１の光束を再び被測定部材の被測定面に入射させる。
反射部は、光束分割部によって分割された第２の光束を反射する。
戻り用反射部は、回折格子によって回折され、かつ被測定部材の被測定面で反射された第１の光束を、被測定部材の被測定面に反射させて回折格子に再び入射させる。
光路補正部材は、被測定部材と戻り用反射部の間に設けられ、被測定部材がチルトして進行方向が傾いた第１の光束を戻り用反射部の反射面に対して略垂直に入射させるように、第１の光束の光路を補正する。
光束結合部は、戻り用反射部から戻った第１の光束と、反射部によって反射された第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。
相対位置情報出力手段は、受光部により受光した干渉光の干渉信号に基づいて被測定面の高さ方向の変位情報を出力する。

【0010】

また、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を略等しく設定する。

【発明の効果】

【0011】

本発明の変位検出装置によれば、従来のような駆動機構を必要としないので、使用時に発生する熱を抑制できる。さらに、駆動機構を駆動させる必要が無いので、応答周波数といった問題も解消され、使用条件を広くすることができる。

【0012】

さらに、光路補正部材を設けたことで、被測定面が傾いた場合でも、干渉信号が変化し難く安定した測定を行うことができる。

【0013】

また、第１の光束の光路長と第２の光束の光路長の長さを等しく設定しているため、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長変動があったとしても、第１の光束及び第２の光束が受ける影響を等しくすることができる。その結果、気圧補正や湿度補正、温度補正を行う必要がなく、安定した計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例の構成を示す概略構成図である。

【図2】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる要部を示す説明図である。

【図3】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる相対位置情報出力手段を示すブロック図である。

【図4】２つの照射スポットにおける高さ方向の位置が異なる方向に被測定部材がチルトした状態を示す説明図である。

【図5】２つの照射スポットを結ぶ線と略平行な線を中心に被測定部材がチルトした状態を示す説明図である。

【図6】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例における光路補正部材の作用について示す説明図である。

【図7】本発明の変位検出装置の第２の実施の形態例の構成を示す概略構成図である。

【図8】本発明の変位検出装置の第２の実施の形態例における光源周りの構成を示す説明図である。

【図9】本発明の変位検出装置の第３の実施の形態例における光源周りの構成を示す説明図である。

【図10】本発明の変位検出装置の第４の実施の形態例における光源周りの構成を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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１０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。

【0016】

１．変位検出装置の第１の実施の形態例
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６に従って説明する。

【0017】

１−１．変位検出装置の構成例
図１は、変位検出装置の構成を示す概略構成図、図２は、変位検出装置の要部を示す説明図、図３は、変位検出装置における相対位置情報出力手段の概略構成を示すブロック図である。

【0018】

本例の変位検出装置１は、回折格子を用いて、被測定面における垂直な方向の変位を検出することができる変位検出装置である。図１に示すように、変位検出装置１は、光源２と、光源から出射される光を２つの光束に分割する光束分割部３と、回折格子４と、反射部の一例を示すミラー６と、受光部８とを有している。また、変位検出装置１は、戻り用反射部を示す第１の戻り用反射ミラー５Ａと、第２の戻り用反射ミラー５Ｂと、第１の光路補正部材７Ａと、第２の光路補正部材７Ｂと、被測定部材９の被測定面の直交する方向、すなわち高さ方向の相対位置情報（変位情報）を出力する相対位置情報出力手段１０を備えている。

【0019】

光源２には、可干渉光源として、例えばレーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオード、ガスレーザ、固体レーザ、発光ダイオード等が挙げられる。

【0020】

光源２として、可干渉距離が長い光源を用いると、被測定部材９の被測定面のチルト等による物体光と参照光の光路長差の影響を受けにくくチルト許容範囲が広くなる。また、光源２の可干渉距離が短くなるほど、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぐことができ、高精度な計測をすることができる。

【0021】

さらに、光源２として、シングルモードのレーザを用いると、波長を安定させるために、光源２の温度をコントロールすることが望ましい。また、シングルモードのレーザの光に、高周波重畳などを付加して、光の可干渉性を低下させてもよい。さらに、マルチモードのレーザを用いる場合も、ペルチェ素子等で光源２の温度をコントロールすることで、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぎ、さらに安定した計測が可能になる。

【0022】

この光源２から出射された光は、偏光ビームスプリッタである光束分割部３に入射する。なお。光源２と光束分割部３の間には、コリメートレンズ等からなるレンズ１１が配置されている。レンズ１１は、光源２から出射された光を平行光にコリメートする。そのため、光束分割部３には、レンズ１１により平行光にコリメートされた光が入射される。

【0023】

光束分割部３は、コリメートされた光を物体光である第１の光束Ｌ１と、参照光である第２の光束Ｌ２に分割する。第１の光束Ｌ１は、被測定部材９に照射され、第２の光束Ｌ２は、ミラー６に照射される。また、光束分割部３は、例えば、光源２からの光のうち、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する。

【0024】

また、光源２と光束分割部３との間に偏光板を設けてもよい。これにより、それぞれの偏光に対して直行した偏光成分としてわずかに存在する漏れ光、ノイズを除去することができる。

【0025】

光束分割部３によって分割された２つの光束Ｌ１及びＬ２のうち第１の光束Ｌ１は、被測定部材９の被測定面における第１の照射スポットＰ１に入射する。被測定部材９は、第１の照射スポットＰ１に入射した第１の光束Ｌ１を反射し回折格子４に入射させる。

【0026】

さらに、被測定部材９と対向する位置には、ミラー６が配置されている。ミラー６には、光束分割部３によって分割された第２の光束Ｌ２が照射される。第２の光束Ｌ２は、ミラー６の反射面における反射側第１の照射スポットＳ１に入射する。ミラー６は、被測定部材９と同様に、入射した第２の光束Ｌ２を反射し回折格子４に入射させる。

【0027】

回折格子４は、透過型の回折格子である。この回折格子４で回折された第１の光束Ｌ１は、被測定部材９の被測定面における第１の照射スポットＰ１と異なる第２の照射スポットＰ２に入射する。また、被測定部材９は、回折格子４によって回折され、かつ第２の照射スポットＰ２に入射した第１の光束Ｌ１を反射し、第１の戻り用反射ミラー５Ａに入射させる。被測定部材９と第１の戻り用反射ミラー５Ａとの間には、第１の光路補正部材７Ａと、第１の位相板１２が配置されている。

【0028】

同様に、回折格子４で回折された第２の光束Ｌ２は、ミラー６の反射面における反射側第１の照射スポットＳ１と異なる反射側第２の照射スポットＳ２に入射する。そして、ミラー６は、回折格子４によって回折され、かつ反射側第２の照射スポットＳ２に入射した第２の光束Ｌ２を反射し、第２の戻り用反射ミラー５Ｂに入射させる。また、ミラー６と第２の戻り用反射ミラー５Ｂとの間には、第２の光路補正部材７Ｂと、第２の位相板１３が配置されている。

【0029】

第１の位相板１２及び第２の位相板１３は、それぞれ１／４波長板等から構成されている。図１Ｂに示すように、第１の光路補正部材７Ａ及び第２の光路補正部材７Ｂは、所定の方向のみに曲率を有するシリンドリカルレンズから構成されている。また、第１の光路補正部材７Ａ及び第２の光路補正部材７Ｂの詳細な構成については、後述する。

【0030】

なお、本例では、第１の位相板１２を第１の戻り用反射ミラー５Ａと被測定部材９との間に配置し、第２の位相板１３を第２の戻り用反射ミラー５Ｂとミラー６との間に配置した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１の位相板１２を被測定部材９と光束分割部３の間に設け、第２の位相板１３をミラー６と光束分割部３の間に設けてもよい。

【0031】

第１の戻り用反射ミラー５Ａは、第１の光束Ｌ１に対して略垂直に配置されている。また、第２の戻り用反射ミラー５Ｂは、第２の光束Ｌ２に対して略垂直に配置されている。そのため、第１の戻り用反射ミラー５Ａ及び第２の戻り用反射ミラー５Ｂは、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を入射したときと同じ光路で被測定部材９及びミラー６に戻す。

【0032】

さらに、第１の戻り用反射ミラー５Ａ及び第２の戻り用反射ミラー５Ｂは、第１の光束Ｌ１の光路長と、第２の光束Ｌ２の光路長が等しくなるように配置される。第１の戻り用反射ミラー５Ａ及び第２の戻り用反射ミラー５Ｂを設けたことで、変位検出装置１を製造する際に、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。その結果、気圧や湿度や温度の変化による光源２の波長変動の影響を受けにくくすることができる。

【0033】

また、第１の戻り用反射ミラー５Ａによって被測定部材９に戻された第１の光束Ｌ１は、被測定部材９の第２の照射スポットＰ２で反射して、再び回折格子４に入射する。そして、第１の光束Ｌ１は、回折格子４によって２回目の回折が行われる。２回目の回折が行われた第１の光束Ｌ１は、被測定部材９に反射されて、光束分割部３に戻る。なお、第２の光束Ｌ２も第１の光束Ｌ１と同様に、回折格子４及びミラー６を介して光束分割部３に戻る。

【0034】

また、回折格子４は、被測定部材９の被測定面に対して略直角、すなわち回折格子４の回折面と被測定部材９の被測定面で形成される角度がほぼ９０°となるように配置されている。

【0035】

なお、回折格子４における被測定部材９に対する配置する精度は、変位検出装置１に要求する測定精度によって種々設定されるものである。すなわち、変位検出装置１に高い精度を要求する場合、回折格子４を被測定部材９の被測定面に対して９０°±０．５°の範囲に配置することが好ましい。これに対し、回折格子を被測定部材の被測定面に対して９０°から±２°の範囲で配置しても、変位検出装置１を工作機械等の低精度の測定に用いる場合には、十分である。

【0036】

ここで、図２を参照して本例の変位検出装置１の要部について説明する。
図２には、変位検出装置１の要部を示す説明図である。

【0037】

図２に示すように、回折格子４は、被測定部材９に対して略垂直に配置されている。そのため、被測定部材９の第１の照射スポットＰ１に入射角θａで入射した第１の光束Ｌ１は、回折格子４に対して入射角π／２−θａで入射する。さらに、第１の光束Ｌ１は、被測定部材９の第２の照射スポットＰ２に入射角θｂで入射する。

【0038】

また、回折格子４の格子ピッチΛは、回折角が回折格子４への入射角とほぼ等しくなるように設定されることが好ましい。すなわち、回折格子４の格子ピッチΛは、上述したように被測定部材９への一回目の入射角をθａ、二回目の入射角をθｂ、波長をλとすると、次の式１を満たす。
［式１］
Λ＝ｎλ／（ｓｉｎ（π／２−θａ）＋ｓｉｎ（π／２−θｂ））
なお、ｎは、正の次数である。

【0039】

回折格子４への入射角と回折角が等しくなる場合、第１の照射スポットＰ１と第２の照射スポットＰ２は、回折格子４に対して対称に構成することができる。そして、式１は、次の式２と示すことができる。
［式２］
２Λｓｉｎθ＝ｎλ
なお、θは、回折格子４への入射角及び回折角である。
すなわち、ブラッグ条件を満たすことができ、回折格子４によって回折される回折光を強めることが可能となる。

【0040】

また、角度θ２で被測定部材９に入射した第１の光束Ｌ１は、上述したように、被測定部材９により反射され、第１の光路補正部材７Ａ及び第１の位相板１２を介して第１の戻り用反射ミラー５Ａに入射する（図１Ａ参照）。そして、第１の戻り用反射ミラー５Ａで反射されて、行きと同じ光路をたどり、再び被測定部材９の第２の照射スポットＰ２に入射角θｂで入射される。

【0041】

さらに、被測定部材９によって反射した第１の光束Ｌ１は、回折格子４に角度π／２−θｂで再び入射する。なお、第１の光束Ｌ１における２回目の回折は、式２の条件により回折角π／２−θａで回折される。そして、回折格子４によって回折された第１の光束Ｌ１は、再び被測定部材９の第１の照射スポットＰ１に入射角θａで入射される。そのため、被測定部材９によって反射された戻りの第１の光束Ｌ１の光路が、光束分割部３によって分割された行きの第１の光束Ｌ１の光路と重なり合う。

【0042】

また、図２に示すように、被測定部材９が高さ方向にｘだけ移動すると、被測定部材９の測定面に照射される第１の光束Ｌ１は、第１の照射スポットＰ１から第１の照射スポットＰ１’に移動する。また、被測定部材９の第１の照射スポットＰ１’に反射された第１の光束Ｌ１は、回折格子４の回折位置Ｔ１から回折位置Ｔ１’に移動する。さらに、回折格子４によって１回目の回折が行われた第１の光束Ｌ１は、被測定部材９の第２の照射スポットＰ２から第２の照射スポットＰ２’に移動する。

【0043】

すなわち、第１の光束Ｌ１は、光路ＡＰ１Ｔ１Ｐ２Ｅから光路ＡＰ１’Ｔ１’Ｐ２’Ｅと変わる。ここで、被測定部材９が高さ方向にｘだけ移動しても被測定部材９に対する第１の光束Ｌ１の入射角は、変化しないため、角度θ１＝角度θ２＝角度θ３が成り立つ。また、被測定部材９における第１の照射スポットＰ１から高さ方向へ垂直に延ばした線、いわゆる垂線と、被測定部材９が高さ方向へｘだけ移動したときの第１の光束Ｌ１の光路ＡＰ１’Ｔ１’Ｐ２’Ｅが交わる点をＨとする。さらに、被測定部材９における第２の照射スポットＰ２から高さ方向へ垂直に延ばした線、いわゆる垂線と、被測定部材９が高さ方向へｘだけ移動したときの第１の光束Ｌ１の光路ＡＰ１’Ｔ１’Ｐ２’Ｅが交わる点をＧとする。

【0044】

ここで、第１の照射スポットＰ１から第１の照射スポットＰ１’までの長さと、第１の照射スポットＰ１’から点Ｈまでの長さは等しい。さらに、回折格子４は、被測定部材９に対して略垂直に配置されているため、第１の照射スポットＰ１から高さ方向へ略垂直に延びる垂線と回折格子４の回折面が平行である。そのため、第１の照射スポットＰ１から回折位置Ｔ１までの長さと、点Ｈから回折位置Ｔ１’までの長さは、等しくなる。

【0045】

同様に、第２の照射スポットＰ２から第２の照射スポットＰ２’までの長さと、第２の照射スポットＰ２’から点Ｇまでの長さは等しく、回折位置Ｔ１から第２の照射スポットＰ２までの長さと、回折位置Ｔ１’から点Ｇまでの長さは、等しい。その結果、第１の光束Ｌ１の光路長は、被測定部材９が高さ方向に変位しても、常に一定となる。すなわち、第１の光束Ｌ１の光路長は、変化しない。そして、被測定部材９が高さ方向に変位すると、第１の光束Ｌ１が回折格子４に入射する位置だけが変化する。

【0046】

ここで、回折格子４は、被測定部材９の被測定面に対して略直角に配置されているため、回折位置Ｔ１と回折位置Ｔ１’の間隔は、被測定部材９の移動量ｘの２倍の２ｘとなる。すなわち、回折格子４上を移動する第１の光束Ｌ１の移動量は、被測定部材９を移動した際の２倍の２ｘとなる。そのため、被測定部材９が高さ方向へｘだけ移動すると、第１の光束Ｌ１は、２Ｋｘの位相が加わる。Ｋは、２π／Λで示される波数である。また、本例の変位検出装置１によれば、第１の光束Ｌ１を行きと帰りで２回回折している。そのため、２回回折された第１の光束Ｌ１には、４Ｋｘの位相が加わる。

【0047】

なお、ミラー６は、固定されているため、第２の光束Ｌ２の光路は変化しない。

【0048】

また、図１Ａに示すように、光束分割部３は、被測定部材９及びミラー６から反射されて戻ってきた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を重ね合わせて、受光部８に照射する。すなわち、本例で示す光束分割部３は、光を分割する光束分割部としての役割と、第１の光束と第２の光束を重ね合わせる光束結合部としての役割を有している。さらに、光束分割部３と受光部８との光路上には、例えば１／４波長板等からなる受光側位相板１７が配置されている。

【0049】

ここで、光束分割部３から被測定部材９及び回折格子４を介して光束分割部３に戻るまでの光路長と、光束分割部３からミラー６及び回折格子４を介して光束分割部３に戻るまでの光路長は、略等しく設定されている。すなわち、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長を等しく設定したため、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長変動があったとしても、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２が受ける影響を等しくすることができる。その結果、気圧補正や湿度補正、温度補正を行う必要がなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。

【0050】

受光部８は、光を分割する無偏光ビームスプリッタ１６と、第１の偏光ビームスプリッタ１８と、第２の偏光ビームスプリッタ１９とを有している。

【0051】

第１の偏光ビームスプリッタ１８における光の出射口側には、第１の受光素子３３と、第２の受光素子３４が設けられている。第２の偏光ビームスプリッタ１９は、第１の偏光ビームスプリッタ１８に対して４５度傾くように配置されている。また、第２の偏光ビームスプリッタ１９における光の出射口側には、第３の受光素子３５と、第４の受光素子３６が設けられている。

【0052】

これら第１の偏光ビームスプリッタ１８及び第２の偏光ビームスプリッタ１９は、ｓ偏光成分を有する干渉光を反射させ、ｐ偏光成分を有する干渉光を透過させて、光を分割するものである。

【0053】

そして、受光部８には、相対位置情報出力手段１０が接続されている。図３に示すように、相対位置情報出力手段１０は第１の差動増幅器６１ａと、第２の差動増幅器６１ｂと、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａと、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂと、波形補正処理部６３と、インクリメンタル信号発生器６４とを有している。

【0054】

第１の差動増幅器６１ａには、第１の受光素子３３及び第２の受光素子３４が接続されており、第２の差動増幅器６１ｂには、第３の受光素子３５及び第４の受光素子３６が接続されている。また、第１の差動増幅器６１ａには、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａが接続されており、第２の差動増幅器６１ｂには、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂが接続されている。そして、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａ及び第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂは、波形補正処理部６３と接続している。

【0055】

１−２．光路補正部材の構成
次に、図４〜図６を参照して第１の光路補正部材７Ａ及び第２の光路補正部材７Ｂの詳細な構成について説明する。
図４及び図５は、被測定部材９がチルトした状態を示す説明図、図６は、第１の光路補正部材７Ａの作用について示す説明図である。

【0056】

まず、図４に示すように、第１の照射スポットＰ１と第２の照射スポットＰ２における高さ方向の位置が異なる方向、例えば第１の照射スポットＰ１が第２の照射スポットＰ２よりも高さ方向で高くなる方向に被測定部材９が傾いた場合について説明する。ここで、被測定部材９の傾き角度δθが１度程度の場合、ｓｉｎθ＝θとおくことができる。そのため、回折角θ’を求める公式ｓｉｎθ’＝λ／Λ−ｓｉｎθは、θ’＝λ／Λ−θと近似でできる。

【0057】

そして、被測定部材９が角度δθで傾いた場合、被測定部材９で反射される第１の光束Ｌ１の方向が角度２δθで変化する。そのため、回折格子４への入射角は、θ―δ２θとなる。このとき、回折格子４によって回折される回折角θ’は、上述した近似式よりθ’＋２δθとなる。この第１の光束Ｌ１が再び被測定部材９に入射し反射されると、第１の光束Ｌ１の進行方向が再び２δθ変化する。そのため、被測定部材９によって再び反射する角度は、傾く前と傾く後ともθ’のままで変化しない。

【0058】

そのため、被測定部材９が第１の照射スポットＰ１と第２の照射スポットＰ２における高さ方向の位置が異なる方向に傾いても、第１の光束Ｌ１の位置が略平行にシフトするだけで進行方向は変化しない。その結果、第１の戻り用反射ミラー５Ａに入射する角度は、垂直のままであるため、第１の光束Ｌ１における行きと戻りの光路にずれが生じないため、干渉信号に変化は、生じない。

【0059】

次に、第１の照射スポットＰ１と第２の照射スポットＰ２を結ぶ線と略平行な線Ｏを中心に被測定部材９が傾いた場合について図５及び図６を参照して説明する。
図５に示すように、被測定部材９が線Ｏを中心に傾いた場合、第１の光束Ｌ１の進行方向は、変化する。ここで、被測定部材９が傾いていないときの第１の光束Ｌ１の進行方向を光軸方向Ｚとする。また、光軸方向Ｚと直交し、かつ回折格子４の格子ベクトルの方向Ｋと直交する方向を第１の方向Ｘとし、光軸方向Ｚ及び第１の方向Ｘと直交する方向を第２の方向Ｙとする。なお、第１の方向Ｘは、本発明の変位方向を示している。

【0060】

例えば、被測定部材９が線Ｏを中心に矢印＋の方向へ傾いた場合、第１の光束Ｌ１の進行方向は、光軸方向Ｚと第１の方向Ｘで形成される平面Ｍ１内において第１の方向Ｘの＋側、すなわち光線（ａ）の方向へ傾く。また、被測定部材９が線Ｏを中心に矢印−方向へ傾いた場合、第１の光束Ｌ１の進行方向は、平面Ｍ１内において第１の方向Ｘの−側、すなわち光線（ｂ）の方向へ傾く。図５に示す方向へ第１の光束Ｌ１の進行方向が傾いた場合、第１の戻り用反射ミラー５Ａへの入射角度が垂直から変化する。その結果、第１の光束Ｌ１における行きと戻りの光路にずれが生じるおそれがある。

【0061】

そのため、本例の変位検出装置１では、被測定部材９と第１の戻り用反射ミラー５Ａの間に第１の光束Ｌ１の光路を補正する第１の光路補正部材７Ａを設けている。

【0062】

図６は、第１の光路補正部材７Ａ及び第１の戻り用反射ミラー５Ａを平面Ｍ１から見た説明図である。
図６に示すように、第１の光路補正部材７Ａは、平面Ｍ１内において曲率を有している。すなわち、第１の光路補正部材７Ａは、第１の光束Ｌ１を第１の方向Ｘのみ集光することができるシリンドリカルレンズである。

【0063】

また、図５に示すように、進行方向が傾いた第１の光束Ｌ１を平面Ｍ１において光軸方向Ｚへ延ばした場合、ほぼ全ての光束は、仮想点Ｑの近傍で交わる。そして、図６に示すように、第１の光路補正部材７Ａの焦点位置は、仮想点Ｑとほぼ一致する。すなわち、第１の光路補正部材７Ａの焦点Ｆｂは、第１の光路補正部材７Ａから仮称点Ｑまでの距離とほぼ等しくなるように設定される。

【0064】

そのため、第１の光路補正部材７Ａに入射した第１の光束Ｌ１は、第１の光路補正部材７Ａによって集光され、光路が補正される。そして、第１の光束Ｌ１は、第１の光路補正部材７Ａを通過すると、第１の戻り用反射ミラー５Ａに対して垂直に入射する。したがって、第１の戻り用反射ミラー５Ａによって反射された第１の光束Ｌ１は、行きの光路と同じ光路を通って被測定部材９へ戻ることができる。

【0065】

また、図１に示すように、固定されて、面が傾きにくいミラー６側にも第２の光路補正部材７Ｂを配置させている。これにより、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路で生じる収差を等しくすることができる。その結果、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を干渉させるときの波面の差をなくし、大きな干渉信号を得ることができる。

【0066】

これにより、本例の変位検出装置１によれば、光路を補正する光路補正部材を設けたことで、被測定部材９の測定面が傾いた場合でも、干渉信号が変化し難く、安定した測定を行うことができる。

【0067】

なお、本例では、第１の光路補正部材７Ａとしてシリンドリカルレンズを用いた例を説明したが、これに限定されるものではない。第１の光路補正部材７Ａとしては、第１の光束Ｌ１を第１の方向Ｘへのみ集光させることができる光学素子ならなんでもよい。

【0068】

１−３．変位検出装置の動作
次に、図１〜図６を参照して、本例の変位検出装置１の動作について説明する。

【0069】

図１に示すように、光源から出射した光は、レンズ１１によりコリメートされて平行光となる。そして、レンズ１１によりコリメートされた平行光は、光束分割部３に入射する。光束分割部３に入射した光は、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割される。ここで、光束分割部３は、光のうちｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する。そのため、光束分割部３を透過したｐ偏光による第１の光束Ｌ１は、被測定部材９の被測定面の第１の照射スポットＰ１に入射角θで入射する。そして、第１の光束Ｌ１は、被測定部材９によって反射された回折格子４の回折位置Ｔ１に入射角π／２−θで入射する。

【0070】

回折格子４に入射した第１の光束Ｌ１は、回折格子４によって回折される、そして、回折された第１の光束Ｌ１は、再び被測定部材９に入射する。次に、再び被測定部材９に入射した第１の光束Ｌ１は、被測定部材９で反射されて、第１の位相板１２及び第１の光路補正部材７Ａを介して第１の戻り用反射ミラー５Ａに照射される。

【0071】

第１の光束Ｌ１は、第１の光路補正部材７Ａを通過することで図５及び図６に示すように、光路が補正される。また、第１の光路補正部材７Ａと第１の戻り用反射ミラー５Ａとの間には、１／４波長板である第１の位相板１２が配置されている。この１／４波長板である第１の位相板１２の光学軸は、入射する光の偏光方向に対して４５度傾けられている。そのため、、第１の光束Ｌ１は、第１の位相板１２を通過することで、ｐ偏光から円偏光に変換される。そして、第１の光束Ｌ１は、第１の戻り用反射ミラー５Ａで反射されて、第１の光路補正部材７Ａ及び第１の位相板１２を介して、行きと同じ光路で被測定部材９へ照射される。このとき、第１の光束Ｌ１は、再び第１の位相板１２を通過することで、円偏光から行きと直交した直線偏光、すなわちｓ偏光となる。

【0072】

被測定部材９へ入射した第１の光束Ｌ１は、行きと同じ光路をたどり、回折格子４によって回折され、さらに被測定部材９で反射される。被測定部材９で再び反射された第１の光束Ｌ１は、光束分割部３に照射される。

【0073】

一方、ミラー６に照射された第２の光束Ｌ２は、ミラー６で反射されて、回折格子４に照射される。そして、第１の光束Ｌ１と同様に、第２の光束Ｌ２は、回折格子４によって回折されて、再びミラー６に入射する。次に、第２の光束Ｌ２は、ミラー６によって再び反射されて、第２の位相板１３及び第２の光路補正部材７Ｂを介して第２の戻り用反射ミラー５Ｂに照射される。

【0074】

第２の光束Ｌ２は、第２の光路補正部材７Ｂを通過することで、第１の光束Ｌ１と同様に、光路が補正される。また、第２の光路補正部材７Ｂと第２の戻り用反射ミラー５Ｂとの間には、１／４波長板である第２の位相板１３が配置されている。この１／４波長板である第２の位相板１３の光学軸は、入射する光の偏光方向に対して４５度傾けられている。そのため、、第２の光束Ｌ２は、第２の位相板１３を通過することで、ｓ偏光から円偏光に変換される。そして、第２の光束Ｌ２は、第２の戻り用反射ミラー５Ｂで反射されて、第２の光路補正部材７Ｂ及び第２の位相板１３を介して、行きと同じ光路でミラー６へ照射される。このとき、第２の光束Ｌ２は、再び第２の位相板１３を通過することで、行きと直交した直線偏光、すなわちｐ偏光となる。

【0075】

ミラー６は、第１の光束Ｌ１における光束分割部３から回折格子４を介して第１の戻り用反射ミラー５Ａまでの光路長と、第２の光束Ｌ２における光束分割部３から回折格子４を介して第２の戻り用反射ミラー５Ｂまでの光路長と等しくなるように配置されている。そのため、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長変動があったとしても、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２が受ける影響を等しくすることができる。

【0076】

さらに、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を共に回折格子４に入射させて回折させている。これにより、温度変化によって回折格子４の回折角に変化が起きても、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２が受ける影響を等しくすることができる。

【0077】

上述したように、第１の光束Ｌ１は、第１の位相板１２によって行きと直交した直線偏光、すなわちｓ偏光となっており、第２の光束Ｌ２は、第２の位相板１３によって行きと直交した直線偏光ｐ偏光となっている。したがって、第１の光束Ｌ１は、光束分割部３で反射されて受光部８に照射され。また、第２の光束Ｌ２は、光束分割部３を透過して受光部８に照射される。

【0078】

光束分割部３と受光部８の間には、１／４波長板である受光側位相板１７が配置されている。また、この受光側位相板１７の光学軸は、入射する光の偏光方向に対して４５度傾けられている。光束分割部３によって重ね合わされた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、受光側位相板１７を通過することで、互いに逆回りの円偏光の光束となる。この互い逆回りの円偏光は、同一光路上にあるため、重ね合わされることにより、２つの光束Ｌ１、Ｌ２の位相差にしたがって回転する直線偏光の光束Ｌａとみなすことができる。

【0079】

光束Ｌａは、無偏光ビームスプリッタ１６に照射される。無偏光ビームスプリッタ１６は、光束Ｌａを２つの光に分割する。無偏光ビームスプリッタ１６を反射した光束Ｌａは、第１の偏光ビームスプリッタ１８に入射し、無偏光ビームスプリッタ１６を透過した光束Ｌａは、第２の偏光ビームスプリッタ１９に入射する。

【0080】

上述したように、第１の偏光ビームスプリッタ１８に入射した光束Ｌａは、２つの逆回りの円偏光の第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２が重ね合わされたものである。そのため、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ１８に対してそれぞれｐ偏光成分とｓ偏光成分を有することになる。したがって、第１の偏光ビームスプリッタ１８を透過した第１の光束Ｌ１及び第２のＬ２を同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。よって、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を第１の偏光ビームスプリッタ１８よって干渉させることができる。

【0081】

同様に、第１の偏光ビームスプリッタ１８によって反射される第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ１８に対して同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。そのため、第１の偏光ビームスプリッタ１８によって干渉させることができる。

【0082】

第１の偏光ビームスプリッタ１８を透過した第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２との干渉光は、第１の受光素子３３によって受光される。また、第１の偏光ビームスプリッタ１８で反射された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２との干渉光は、第２の受光素子３４によって受光される。

【0083】

さらに、第１の偏光ビームスプリッタ１８に入射される直線偏光の偏光方向は、被測定部材９が高さ方向にΛ／４だけ移動すると１８０度回転する。ここで、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４は、互いに９０度異なる偏光方向の成分を取りだしている。そのため、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４とによって光電変換される信号は、１８０度位相の異なる信号となる。

【0084】

また、第２の偏光ビームスプリッタ１９に入射した光束Ｌａは、第２の偏光ビームスプリッタ１９によって、偏光方向が互いに直交する２つの成分に分割される。この直線偏光のｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッタ１９によって反射され、第３の受光素子３５に受光される。また、ｐ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ１９を透過し、第４の受光素子３６によって受光される。

【0085】

また、第３の受光素子３５と第４の受光素子３６とで光電変換される信号は、１８０度位相が異なる。

【0086】

ここで、図２に示すように、被測定部材９が高さ方向にｘだけ移動すると、被測定部材９の測定面に照射される第１の光束Ｌ１は、照射スポットＰ１から照射スポットＰ１’に移動する。また、被測定部材９に反射された第１の光束Ｌ１は、回折格子４の回折位置Ｔ１から回折位置Ｔ１’に移動する。ここで、回折格子４は、被測定部材９の被測定面に対して略直角に配置されているため、回折位置Ｔ１と回折位置Ｔ１’の間隔は、照射スポットＰ１と照射スポットＰ１’の間隔の２倍の２ｘとなる。すなわち、回折格子４上を移動する第１の光束Ｌ１の移動量は、被測定部材９を移動した際の２倍の２ｘとなる。

【0087】

また、本例の変位検出装置１によれば、第１の光束Ｌ１を行きと帰りで２回回折している。そのため、第１の光束Ｌ１には、４Ｋｘの位相が加わる。したがって、４回の光の明暗を受光部８によって得ることができる。

【0088】

このとき、被測定部材９が第１の受光素子３３で得られる信号Ｉ_１、第２の受光素子３４で得られる信号Ｉ_２、第３の受光素子３５で得られる信号Ｉ_３及び第４の受光素子３６で得られる信号は、例えば下記式３のようになる。
［式３］

ここで、δは、初期位相を示しており、Ｉ０は、被測定部材９から戻ってくる第１の光束Ｌ１の光量、Ｉｒは、ミラー６から戻ってくる第２の光束Ｌ２の光量を示している。

【0089】

なお、本実施形態では、第１の偏光ビームスプリッタ１８に対して、第３の受光素子３５と第４の受光素子３６に受光される光束を分割する第２の偏光ビームスプリッタ１９を４５度傾けて配置している。このため、第３の受光素子３５と第４の受光素子３６において得られる信号は、式３に示すように、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４において得られる信号に対し、９０度位相がずれている。

【0090】

したがって、第１の受光素子３３、第２の受光素子３４、第３の受光素子３５及び第４の受光素子３６から得られる信号をｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。そして、このリサージュ信号から図３Ｂに示すような位相角θを求めることができる。

【0091】

これらの受光素子によって得られる信号は、相対位置情報出力手段１０によって演算され、被測定面の変位量がカウントされる。

【0092】

図３に示すように、例えば、本例の相対位置情報出力手段１０では、まず、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４で得られた位相が互いに１８０度異なる信号を第１の差動増幅器６１ａによって、差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。

【0093】

そして、この信号は、第１のＡ／Ｄ変換器６２ａによってＡ／Ｄ変換され、波形補正処理部６３によって信号振幅とオフセットと位相が補正される。この信号は、例えばＡ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４において演算される。

【0094】

また同様に、第３の受光素子３５及び第４の受光素子３６で得られた信号は、第２の差動増幅器６１ｂによって差動増幅され、第２のＡ／Ｄ変換器６２ｂによってＡ／Ｄ変換される。そして、波形補正処理部６３により信号振幅とオフセットと位相とが補正され、Ａ相と位相が９０度異なるＢ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４から出力される。

【0095】

こうして得られた２相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定部材９の高さ方向の変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出できる。

【0096】

また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号のパルス数をカウントすることにより、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。これにより、被測定部材９の変位量が検出される。

【0097】

なお、本例の相対位置情報出力手段１０の出力する相対位置情報は、上述の２相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。

【0098】

例えば、回折格子４の格子ピッチΛを０．５５１５μｍ、波長λを７８０ｎｍ、回折格子４の入射角及び回折角を４５°に設定したとき、被測定部材９が高さ方向に０．５５１５μｍ移動する例について説明する。

【0099】

被測定部材９が高さ方向に０．５５１５μｍ移動すると、第１の光束Ｌ１は、回折格子４上を０．５５１５μｍの２倍、すなわち２ピッチ分移動する。さらに、第１の光束Ｌ１は、２回回折されるため、４回の光の明暗を受光部８によって得ることができる。すなわち、得られる信号の１周期は、０．５５１５μｍ／４＝０．１３７９μｍとなる。

【0100】

２．変位検出装置の第２の実施の形態例
次に、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置について図７，図８を参照して説明する。
図７は、変位検出装置の構成を示す概略構成図である。図８は、光源周りの構成を示す説明図である。

【0101】

この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１は、光ヘテロダイン法を用いたものである。そして、この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１と第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１が異なる点は、光源及び受光部の構成である。そのため、ここでは、光源及び受光部周りの構成について説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【0102】

図７及び図８に示すように、変位検出装置１０１は、光源１０２と、光束分割部３と、回折格子４と、ミラー６と、２つの戻り用反射ミラー５Ａ，５Ｂと、２つの光路補正部材７Ａ，７Ｂと、受光部１１１と、を有している。また、変位検出装置１０１は、被測定部材９の高さ方向の相対位置情報（変位情報）を出力する相対位置情報出力手段である信号処理回路１１２を有している。

【0103】

図８に示すように、光源１０２は、軸ゼーマンレーザからなり、周波数の異なる互いに逆周りの円偏光の光線が出射される。光源１０２から出射された光は、１／４波長板１０３に入射する。そして、この１／４波長板１０３を通過することで、光源１０２から出射された光は、互いに直交する直線偏光となる。１／４波長板１０３の出射側には、第１の偏光ビームスプリッタ１０４が配置されている。直線偏光となった光は、この第１の偏光ビームスプリッタ１０４によって分割される。

【0104】

例えば、直線偏光となった光のうち周波数ｆ_０を有するｐ偏光からなる第１の光束Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ１０４を透過する。そして、第１の光束Ｌ１は、第１の集光レンズ１０５Ａによって集光されて、第１の偏波保持ファイバ１０６Ａに入射する。また、直線偏光となった光のうち周波数ｆ_ｒを有するｓ偏光からなる第２の光束Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ１０４を反射する。そして、第２の光束Ｌ２は、第２の集光レンズ１０５Ｂによって集光されて、第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂに入射する。

【0105】

第１の偏波保持ファイバ１０６Ａの出射端では、出射光がｐ偏光となるように偏波軸をあわせてある。また、第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂの出射端では、出射光がｓ偏光となるように偏波軸を合わせてある。

【0106】

図７に示すように、第１の偏波保持ファイバ１０６Ａ及び第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂの出射端側には、第２の偏光ビームスプリッタ１０８が配置されている。また、第１の偏波保持ファイバ１０６Ａと第２の偏光ビームスプリッタ１０８の間には、第１のコリメートレンズ１０７Ａが配置されており、第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂと第２の偏光ビームスプリッタ１０８の間には、第２のコリメートレンズ１０７Ｂが配置されている。

【0107】

第１の偏波保持ファイバ１０６Ａを伝播した第１の光束Ｌ１は、第１の偏波保持ファイバ１０６Ａから出射されると、第１のコリメートレンズ１０７Ａによって平行光にコリメートされる。そして、平行光にコリメートされた第１の光束Ｌ１は、第２の偏光ビームスプリッタ１０８に入射する。

【0108】

また、第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂを伝播した第２の光束Ｌ２は、第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂから出射されると、第２のコリメートレンズ１０７Ｂによって平行光にコリメートされる。そして、平行光にコリメートされた第２の光束Ｌ２は、第２の偏光ビームスプリッタ１０８に入射する。

【0109】

第１の光束Ｌ１は、第２の偏光ビームスプリッタ１０８を透過し、光束分割部３に入射する。また、第２の光束Ｌ２は、第２の偏光ビームスプリッタ１０８によって反射されて光束分割部３に入射する。

【0110】

なお、光束分割部３を透過した第１の光束Ｌ１は、被測定部材９で反射されて回折格子４に入射する。そして、第１の光束Ｌ１は、回折格子４で回折されて、被測定部材９で再び反射されて、第１の光路補正部材７Ａに入射する。第１の光路補正部材７Ａに入射した第１の光束Ｌ１は、第１の光路補正部材７Ａによって光路が補正されて、第１の位相板１２を介して第１の戻り用反射ミラー５Ａに入射する。そして、第１の光束Ｌ１は、第１の戻り用反射ミラー５Ａで反射されて、行きと同じ光路で再び光束分割分３に戻る。

【0111】

また、光束分割分３を反射した第２の光束Ｌ２は、ミラー６で反射されて回折格子４に入射する。そして、第２の光束Ｌ２は、回折格子４に回折されて、ミラー６で再び反射される。反射された第２の光束Ｌ２は、第２の光路補正部材７Ｂ及び第２の位相板１３を介して第２の戻り用反射ミラー５Ｂに入射する。そして、第２の光束Ｌ２は、第２の戻り用反射ミラー５Ｂで反射されて、行きと同じ光路で再び光束分割分３に戻る。

【0112】

なお、回折格子４、第１の戻り用反射ミラー５Ａ、第２の戻り用反射ミラー５Ｂ、ミラー６、第１の光路補正部材７Ａ、第２の光路補正部材７Ｂ及び２つの位相板１２，１３の構成と働きは、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同一であるため、ここでは、その説明は、省略する。

【0113】

光束分割部３は、戻ってきた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２、すなわち２回回折された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を重ね合わせ、受光部１１１に照射する。また、光束分割部３と受光部１１１の光路上には、集光レンズ１０９と偏光板１１０が配置されている。集光レンズ１０９は、受光部１１１の受光面でビームの大半を受光できるようにビームの径を絞る。

【0114】

受光部１１１は、集光レンズ１０９及び偏光板１１０を通過して干渉した光束Ｌａを受光する。この受光部１１１には、信号処理回路１１２が接続されている。

【0115】

受光部１１１で得られる干渉信号は、例えば、下記式４で示される。
［式４］

ここで、Ｉ０は、被測定部材９から戻ってくる第１の光束Ｌ１の光量、Ｉ_ｒは、ミラー６から戻ってくる第２の光束Ｌ２の光量を示しており、ｔは時間を示している。

【0116】

受光部１１１で得られた干渉信号は、信号処理回路１１２へ送信され、信号処理回路１１２によって被測定部材９の被測定面の高さ方向の相対位置情報（変位情報）が演算される。ここで、軸ゼーマンレーザである光源１０２における周波数差ｆ_０−ｆ_ｒは、数ＭＨｚ程度であるため、式４で示される干渉信号は、ピンフォトダイオード等で容易に検出することができる。また、一定の周波数をもつ信号のため、信号処理回路１１２では、信号の振幅情報を用いずに位相差４Ｋｘを検出することが可能となる。

【0117】

その結果、この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１によれば、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１のようにｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号から位相角を求める方法よりも遙かに微弱な信号でも位相差４Ｋｘを検出することができる。これにより、被測定部材９の測定面の反射率が低い場合は、被測定部材９の測定面が粗い場合でも、確実に被測定部材９の変位を検出することが可能となる。

【0118】

さらに、受光部１１１として信号に増幅作用をもつＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）を用いれば、さらに反射率の低い面を有する被測定部材でも測定することができる。

【0119】

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置１０１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

【0120】

３．変位検出装置の第３の実施の形態例
次に、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置について図９を参照して説明する。
図９は、第３の変位検出装置にかかる光源周りの構成を示す説明図である。

【0121】

この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２０１は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１と同じく、光ヘテロダイン法を用いたものである。この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２０１と第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１が異なる点は、光源周りの構成である。そのため、ここでは、光源周りの構成について説明し、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【0122】

図９に示すように、この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２０１では、光源２０２として可干渉光源が用いられる。また、光源２０２からは、周波数ｆ_０の光が出射する。

【0123】

光源２０２と、第１の偏波保持ファイバ１０６Ａ及び第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂの間には、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０４が配置されている。この音響光学変調器２０４には、ドライバ２０３が接続されている。また、音響光学変調器２０４は、ドライバ２０３によって周波数ｆ_１の電気信号で駆動されている。そして、音響光学変調器２０４は、光源２０２から照射された光に、ドライバ２０３から印加された周波数ｆ_１を加える。

【0124】

また、音響光学変調器２０４の出射側からは、周波数ｆ_０の光と、周波数ｆ_０から周波数ｆ_１だけシフトした周波数ｆ_０＋ｆ_１の光が出射される。周波数ｆ_０の光は、第１の集光レンズ２０５Ａを介して第１の偏波保持ファイバ１０６Ａに入射し、周波数ｆ_０＋ｆ_１の光は、第２の集光レンズ２０５Ｂを介して第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂに入射する。

【0125】

また、この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２０１における受光部１１１で得られる干渉信号は、例えば下記式５で示される。
［式５］

なお、ｔは、時間を示している。

【0126】

音響光学変調器２０４でシフトされる周波数ｆ_１は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１における光源１０２の周波数差ｆ_０−ｆ_ｒの数ＭＨｚよりも大きな数十ＭＨｚの値にすることができる。また、検出可能な被測定面の変位速度は、周波数ｆ_１と周波数ｆ_０−ｆ_ｒに比例する。そのため、この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２０１では、被測定部材９のより速い変位を検出することが可能となる。さらに、音響光学変調器２０４でシフトされる周波数ｆ_１の値によっては、受光部１１１として、ピンフォトダイオードよりも応答周波数が高く、増幅作用をもつＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）を用いることもできる。

【0127】

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１及び第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置２０１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１や第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１と同様の作用効果を得ることができる。

【0128】

４．変位検出装置の第４の実施の形態例
次に、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置について図１０を参照して説明する。
図１０は、第４の変位検出装置にかかる光源周りの構成を示す説明図である。

【0129】

この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置３０１は、光導波路を用いた擬似的な光ヘテロダイン法を用いたものである。この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置３０１と第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１が異なる点は、光源周りの構成である。そのため、ここでは、光源周りの構成について説明し、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【0130】

図１０に示すように、この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置３０１は、光源３０２と、駆動回路３０３と、光導波部材３０４を有している。光源３０２は、可干渉光源であり、例えばレーザダイオード等が挙げられる。

【0131】

光導波部材３０４は、Ｙ字状に分岐する光導波路３０４ｂと、一対の電極からなる光変調器３０４ａとを有している。光変調器３０４ａは、２つの分岐した光導波路３０４ｂのうち片側の光導波路に配置されている。この光変調器３０４ａには、駆動回路３０３から所定の電圧Ｖ_ｍｓｉｎ（ω_ｍｔ＋φ_０）が印加される。ここで、Ｖ_ｍは、変調電圧であり、ω_ｍは角周波数を示している。また、φ_０は、図示しない位相調整回路で調整される位相である。

【0132】

光導波路３０４ｂとしては、例えば誘電体材料であるＬｉＮｂＯ_３等を用いて作成される。また、この光導波路３０４ｂには、例えばレンズ等を用いて光源３０２から光が入射する。なお、光源３０２がレーザダイオードの場合では、光導波部材３０４を直接、光源３０２に接着し、光源３０２の出射端と光導波路３０４ｂの入射部とを直接、接触させてもよい。

【0133】

光導波路３０４ｂに入射された光は、物体光である第１の光束Ｌ１と、参照光である第２の光束Ｌ２に分割される。第１の光束Ｌ１は、２つの分岐した光導波路３０４ｂのうち光変調器３０４ａが設けられた光導波路３０４ｂを通過する。第１の光束Ｌ１の位相は、光変調器３０４ａによって電圧Ｖ_ｍｓｉｎ（ω_ｍｔ＋φ_０）が印加されることで、変調される。そして、変調された第１の光束Ｌ１は、第１の偏波保持ファイバ１０６Ａへ入射する。なお、参照光である第２の光束Ｌ２は、２つの分岐した光導波路３０４ｂのうち光変調器３０４ａが設けられていない光導波路３０４ｂを通過する。そして、第２の光束Ｌ２は、変調されることなく、第２の偏波保持ファイバ１０６Ｂへ入射する。

【0134】

ここで、物体光である第１の光束Ｌ１の振幅Ｅ_０及び参照光である第２の光束Ｌ２の振幅Ｅ_ｒは、例えば下記式６のように示される。
［式６］
Ｅ_０＝Ｅ_１ｃｏｓ（ω_０ｔ＋ｍ_ｐｓｉｎ（ω_ｍｔ＋φ_０）＋φ_１）
Ｅ_ｒ＝Ｅ_２ｃｏｓ（ω_０ｔ＋φ_２）
ここで、ｍ_ｐは位相変調指数を示しており、ω_０は光源３０２から出射された光の角周波数を示している。また、φ_１及びφ_２は、初期位相を示している。さらに、ｔは、時間、Ｅ_１及びＥ_２は電場の振幅を示している。

【0135】

また、この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置３０１における受光部１１１で得られる干渉信号は、例えば下記式７で示される。
［式７］

ここで、Ｖ_ＤＥＴは、受光部１１１で得られる電圧振幅を示しており、Ｊ_１（ｍ_ｐ）はベッセル関数である。

【0136】

この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置３０１においても、上述した第２及び第３の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１、２０１と同様に位相差４Ｋｘを検出することができる。また、光変調器３０４ａによって印加される電圧の角周波数ω_ｍは、数十ＭＨｚ以上に設定することが可能であるため、高速の変位にも適用かのうである。

【0137】

また、光導波部材３０４に設けられる光導波路３０４ｂは、非常に小型に形成することができるため、第２及び第３の施の形態例にかかる変位検出装置１０１、２０１よりも装置を大幅に小型化することが可能である。

【0138】

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１や、第２及び第３の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１、２０１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置３０１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１や第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２０１と同様の作用効果を得ることができる。

【0139】

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。

【符号の説明】

【0140】

１，１０１，２０１，３０１…変位検出装置、 ２，１０２，２０２，３０２…光源、 ３…光束分割部（光束結合部）、 ４…回折格子、 ５Ａ…第１の戻り用反射ミラー（戻り用反射部）、 ５Ｂ…第２の戻り用反射ミラー（戻り用反射部）、 ６…ミラー（反射部）、 ７Ａ…第１の光路補正部材、 ７Ｂ…第２の光路補正部材、 ８，１１１…受光部、 ９…被測定部材、 １０…相対位置情報出力手段、 １１…レンズ、 １２…第１の位相板、 １３…第２の位相板、 １６…無偏光ビームスプリッタ、 １７…受光側位相板、 １８…第１の偏光ビームスプリッタ、 １９…第２の偏光ビームスプリッタ、 ３３…第１の受光素子、 ３４…第２の受光素子、 ３５…第３の受光素子、 ３６…第４の受光素子、 ３７…絶対値用受光部、 ３７Ｃ…第５の受光素子、 ３７Ｄ…第６の受光素子、 ３８…差動比較器、 １１２…信号処理回路（相対位置情報出力手段）、 ２０４…音響光学変調器、 ３０４…光導波部材、 ３０４ａ…光変調器、 ３０４ｂ…光導波路、 Ｌ１…第１の光束、 Ｌ２…第２の光束、 Ｐ１，Ｐ１’…第１の照射スポット、 Ｐ２，Ｐ２’…第２の照射スポット、 Ｔ１，Ｔ１’…回折位置、 Λ…格子ピッチ、 Ｋ…格子ベクトルの方向、 Ｘ…第１の方向（変位方向）、 Ｙ…第２の方向、 Ｚ…光軸方向 Ｍ１…平面、 Ｑ…仮想点、 Ｆｂ…焦点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】