特許 6322069 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】6322069

(24)【登録日】2018年4月13日

(45)【発行日】2018年5月9日

(54)【発明の名称】変位検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20180423BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/00 G

【請求項の数】5

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2014-136970(P2014-136970)

(22)【出願日】2014年7月2日

(65)【公開番号】特開2016-14600(P2016-14600A)

(43)【公開日】2016年1月28日

【審査請求日】2017年2月23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】中村 勇輔

(72)【発明者】

【氏名】見寺 祥幸

(72)【発明者】

【氏名】田宮 英明

【審査官】 三好 貴大

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２１０２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１１２４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７７７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２５７６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−００２１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１４５７３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０１Ｂ ９／００− ９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を、第１の光束及び第２の光束に分割する光束分割部と、
前記光束分割部に分割され、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第１回折格子と、
前記光束分割部に分割された第２の光束を反射させる反射部と、
前記第１回折格子で回折された後に前記被測定部材の被測定面に入射され、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の光束と、前記反射部で反射された前記第２の光束を結合する光束結合部と、
前記光束結合部によって前記第１の光束と前記第２の光束を結合することによって得られた干渉光を受光する受光部と、
前記第１の光束の、前記被測定部材と前記受光部との間の光路上に配置され、前記第１回折格子で回折された後に前記被測定部材の被測定面に入射され、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の光束を回折する透過型の第２回折格子であって、前記被測定部材のチルトによる前記第１の光束の光路長の変位をキャンセルするように配置された第２回折格子と、
前記受光部により受光した干渉光の強度に基づいて前記被測定部材の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部と
を備える変位検出装置。

【請求項2】

前記第１の光束における前記光束分割部から前記第１回折格子を介して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反射部を介して前記光束結合部までの光路長は略等しく設定されている
請求項１に記載の変位検出装置。

【請求項3】

前記第１回折格子の格子ベクトルは、前記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置される
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の光束の、前記第１回折格子及び前記第２回折格子への各々の入射角がブラッグ条件を満たし、かつ、前記光束分割部から出射された前記第１の光束が最初に前記被測定部材の被測定面に入射する際の入射角θと前記第１回折格子の格子ベクトルに対する前記第２回折格子の格子ベクトルの角度θ０とが、
θ０＝π／２−θ−ａｒｃｔａｎ［｛ｔａｎ（π／２−θ）｝／２］
を満たす
請求項２に記載の変位検出装置。

【請求項5】

さらに、前記光源と、前記光束分割部との間の光路上に配置された第３回折格子を備える
請求項１〜４のいずれか一項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関する。

【背景技術】

【0002】

従来、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、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、光を出射する光源と、光束分割部と、第１回折格子と、反射部と、光束結合部と、第２回折格子と、相対位置情報出力部とを備える。光束分割部は、光源から出射された光を、第１の光束及び第２の光束に分割する。第１回折格子は、光束分割部に分割され、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透過型の回折格子である。反射部は、光束分割部に分割された第２の光束を反射させる。光束結合部は、第１回折格子で回折された後に被測定部材の被測定面に入射され、被測定部材の被測定面によって反射された第１の光束と、反射部で反射された第２の光束を結合する。受光部は、光束結合部によって第１の光束と第２の光束とを結合することによって得られた干渉光を受光する。第２回折格子は、第１の光束の、被測定部材と受光部との間の光路上に配置され、第１回折格子で回折された後に被測定部材の被測定面に入射され、被測定部材の被測定面によって反射された第１の光束を回折する透過型の回折格子であって、被測定部材のチルトによる第１の光束の光路長の変位をキャンセルするように配置された回折格子である。相対位置情報出力部は、受光部により受光した干渉光の強度に基づいて被測定部材の被測定面の高さ方向の変位情報を出力する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、被測定部材がチルトした場合にも被測定部材の高さ方向の変位を高精度に検出でき、高速で安定した計測が可能な変位検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る変位検出装置の概略構成図である。

【図2】図２Ａは、第１回折格子の一例を示す断面図、図２Ｂは、第１回折格子の他の例を示す断面図である。

【図3】被測定部材の表面が、第１の光束の光路が形成される面に対して垂直な軸を回転軸としてチルトした場合の光路を示す図である。

【図4】被測定部材がある角度チルトする前後における第２回折格子周辺部の光束の様子を拡大して示した図である。

【図5】第２回折格子を配置した場合と配置しない場合の第１の光束の光路長を示した図である。

【図6】変位検出装置の受光部の概略構成を示す。

【図7】相対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。

【図8】被測定部材が基準位置からｚ方向へｘ／２だけ移動した場合の光路の変化を示す図である。

【図9】本発明の第２の実施形態に係る変位検出装置の概略構成図である。

【図10】本発明の第３の実施形態に係る変位検出装置の概略構成図である。

【図11】変位検出装置の第１の利用例について示す模式図である。

【図12】変位検出装置の第２の利用例について示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態に係る変位検出装置の一例を、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明の技術は、以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：光路長の変化をキャンセルする回折格子を配置した変位検出装置
１−１．構成
１−２．変位検出方法
２．第２の実施形態：光路長の変化及び光源の波長変化をキャンセルする回折格子を配置した変位検出装置
３．第３の実施形態：光路長の変化及び光源の波長変化をキャンセルする回折格子を配置した変位検出装置
３−１．構成
３−２．変位検出方法
４．変位検出装置の利用例

【0013】

《１．第１の実施形態：光路長の変化をキャンセルする回折格子を配置した変位検出装置》
［１−１．構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位検出装置の概略構成図である。本実施形態の変位検出装置１は、透過型の第１回折格子７を用いて、被測定部材５の高さ方向の変位を検出する装置である。ここで、高さ方向とは、被測定部材の被測定面５ａが平面であるとした場合に、その被測定面５ａに垂直な方向を指し、図１では、高さ方向をｚ方向として示す。図１に示すように、変位検出装置１は、光源２と、光束分割部４と、第１回折格子７と、反射部６と、受光部１０と、第２回折格子９と、相対位置情報出力部１１とを備える。

【0014】

光源２は、例えば半導体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、発光ダイオード等を用いることができる。

【0015】

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５の被測定面５ａのチルト等による物体光と参照光と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。

【0016】

さらに、光源２として、シングルモードのレーザを用いた場合、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、光源２として、マルチモードのレーザを用いた場合も、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。

【0017】

なお、光源２の数は、１つに限定されるものではなく、複数の光源２を配置して互いの光りを重ね合わせることで光量を増加させてもよい。

【0018】

この光源２から出射された光Ｌは、光束分割部４に入射する。なお。光源２と光束分割部４の間には、コリメートレンズ等からなるレンズ３が配置されている。レンズ３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４には、レンズ３により平行光にコリメートされた光が入射される。その他、光源２と光束分割部４との間に、被測定部材５に集光したり、後述する受光部１０の受光素子に集光したりするようなレンズを配置してもよい。

【0019】

光束分割部４は、コリメートされた光を物体光となる第１の光束Ｌ１と、参照光となる第２の光束Ｌ２とに分割する。第１の光束Ｌ１は、被測定部材５に照射され、第２の光束Ｌ２は、参照光用の反射部６に照射される。光束分割部４としては、例えば、偏光ビームスプリッタやハーフミラーを用いることができる。

【0020】

本実施形態では、光束分割部４として偏光ビームスプリッタを用いる例とする。したがって、本実施形態の光束分割部４は、入射した光のうちｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過するため、光束分割部４で分割された第１の光束Ｌ１はｐ偏光となり、第２の光束Ｌ２はｓ偏光となる。

【0021】

また、光源２と光束分割部４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。

【0022】

本実施形態の変位検出装置１では、図１に示す位置に配置した被測定部材５の被測定面５ａに垂直な高さ方向（すなわち、図１に示すｚ方向）における被測定部材５の変位を検出する。なお、本実施形態の変位検出装置１で変位検出が可能な被測定部材５としては、ミラーが挙げられる。その他、例えばガラス基板の面、シリコンウェハの面、反射膜の表面、反射膜の中層面など、光を反射できる面を備えていれば被測定部材５とすることができ、それらの表面高さを測定することができる。

【0023】

被測定部材５は、光束分割部４で分割された第１の光束Ｌ１を反射し、第１回折格子７に入射させると共に、第１回折格子７によって回折された第１の光束Ｌ１を再度反射して光束結合部８に入射させる位置に配置されている。

【0024】

第１回折格子７は、透過型の回折格子であり、その格子ベクトルｇ１が被測定部材５の被測定面５ａに対して略直角、すなわち第１回折格子７の回折面と被測定部材５の被測定面５ａ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。ここで、格子ベクトルｇ１は、図１に示すように、第１回折格子７の格子パターンが並ぶ方向と平行な方向を指す。

【0025】

なお、第１回折格子７における被測定部材５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、第１回折格子７を被測定部材５の被測定面５ａ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、第１回折格子７を被測定部材５の被測定面５ａ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。

【0026】

また、第１回折格子７には被測定部材５の被測定面５ａで反射された第１の光束Ｌ１が入射し、第１回折格子７に入射した第１の光束Ｌ１は第１回折格子７によって回折される。この第１回折格子７の格子ピッチｄ１は、回折角が第１回折格子７への入射角とほぼ等しくなるように設定されてもよく、また等しくなくてもよい。第１回折格子７の格子ピッチｄ１は、第１の光束Ｌ１の被測定面５ａへの一回目の入射時における入射角をθ１、第１の光束Ｌ１の被測定面５ａへの２回目の入射時における入射角をθ２、波長をλとすると、以下に示すブラッグの条件式を満たす値に設定することが好ましい。
［式１］
ｄ１＝ｎλ／（ｓｉｎ（π／２−θ１）＋ｓｉｎ（π／２−θ２））
ここで、ｎは、正の次数である。

【0027】

なお、上述したように、第１回折格子７は、その格子ベクトルｇ１が被測定部材５の被測定面５ａに対して直角（９０°）となるように配置されているため、第１の光束Ｌ１の第１回折格子７への入射角はπ／２−θ１となる。

【0028】

ここで、第１回折格子７として適用可能な回折格子の例を説明する。図２Ａは、第１回折格子７の一例を示す断面図、図２Ｂは、第１回折格子７の他の例を示す断面図である。

【0029】

図２Ａに示す第１回折格子７Ａは、略透明なガラス基板７ａの一面に例えばクロム（Ｃｒ）からなる格子部７ｂを形成したものである。一般的に、格子部７ｂは、ガラス基板７ａの一面にクロム等の薄膜を真空蒸着によって形成されるため、その厚みは、１μｍ以下である。

【0030】

図２Ｂに示す第１回折格子７Ｂは、写真乾板を用いた、いわゆるボリュームタイプのホログラムである。吸収型のホログラムを用いてもよいが、ここでは位相型のホログラムについて説明する。この第１回折格子７Ｂにおける格子部７ｃは、例えば次のようにして形成される。

【0031】

まず、ガラス基板７ａの一面に光に感光する銀塩の乳剤を塗布し、干渉縞を露光し、現像後、漂白する。これにより、格子部７ｃには、銀の粒子が残っている箇所７ｄと、残っていない箇所７ｅが形成される。ここで、銀の粒子が残っている箇所７ｄは、屈折率が高く、銀の粒子が残っていない箇所７ｅは、屈折率が低くなる。すなわち、位相型のホログラムである。また、材料として写真乾板の代わりにホログラム記録用フォトポリマーを使用してもよい。

【0032】

このような構成を有する第１回折格子７Ｂの場合、所定の角度（入射角）で光が入射すると、所定の角度（回折角）で光が出力（回折）される。さらに、式１に示すブラッグ条件を満たすときに、第１回折格子７Ｂによって回折される回折光の出力を最大にすることができる。すなわち、第１回折格子７Ｂによって回折された回折光の光量が低下することを防ぐことができる。

【0033】

この第１回折格子７Ｂの格子部７ｃの厚みＮ１は、格子ピッチｄ１の４倍以上が好ましい。しかしながら、光が格子部７ｃで吸収されることを考慮すると、格子部７ｃの厚みＮ１は、格子ピッチｄ１の約４〜２０倍程度に設定することが好ましい。

【0034】

また、図２Ｂに示すような、ボリュームタイプのホログラムからなる第１回折格子７Ｂは、被測定部材５から反射した第１の光束Ｌ１の回折効率を高めることができ、信号のノイズを低下させることができる。

【0035】

図１に戻り、反射部６について説明する。反射部６は、図１に示すように、光束分割部４によって分割された第２の光束Ｌ２を反射し、光束結合部８に入射させる。反射部６は、第１の光束Ｌ１における光束分割部４から光束結合部８までの光路長と、第２の光束Ｌ２における光束分割部４から光束結合部８までの光路長とが等しくなるように配置される。反射部６を設けたことにより、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２における光路長、及び、光軸の角度が調整しやすくなる。これにより、気圧、湿度、温度などの環境の変化による光源２の波長変動の影響を受けにくい変位検出装置１を得ることができる。

【0036】

さらに、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長とが等しく設計されているため、気圧、湿度、温度などの環境の変化による光源２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、湿度補正、温度補正などを行う必要がなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。

【0037】

光束結合部８は、被測定部材５から反射されてきた第１の光束Ｌ１、及び、反射部６から反射されてきた第２の光束Ｌ２を重ね合わせて第２回折格子９に入射させる。光束結合部８としては、偏光ビームスプリッタを用いることができる。光束結合部８に到達した第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、互いに直交した直線偏光となっている。したがって、互いに直交した直線偏光の第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２が光束結合部８で重なり合い、その重なり合った光束が第２回折格子９に入射する。

【0038】

第２回折格子９は、透過型の回折格子で構成されており、光束結合部８で重ね合わされた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を回折して受光部１０に入射させる。第２回折格子９は、被測定部材５の被測定面５ａが、第１の光束Ｌ１の光路が形成される面に対して垂直な軸を回転軸として傾いた（チルトした）場合の第１の光束Ｌ１の光路長の変化をキャンセルするための部材である。以下に、第２回折格子９の構成について詳述する。

【0039】

図３は、被測定部材５の被測定面５ａが、第１の光束Ｌ１の光路が形成される面に対して垂直な軸を回転軸としてチルトした場合の光路を示す図である。図３において、チルトしていない時の被測定部材５と第１の光束Ｌ１の光路を二点鎖線で示しており、Δθだけチルトしたときの被測定部材５と第１の光束Ｌ１の光路を実線で示している。

【0040】

被測定部材５が、図３に示すようにΔθだけチルトした場合、第１の光束Ｌ１の入射位置がずれると共に、被測定部材５への第１の光束Ｌ１の入射角も変化する。これにより、第１の光束Ｌ１の光路が変化し、結果的に、光束分割部４から光束結合部８までの第１の光束Ｌ１の光路長が変化する。そして、このとき、第１の光束Ｌ１の被測定部材５の被測定面５ａにおける２回目の反射位置から出射される光路は、元の光路（被測定部材５がチルトしていないときの光路）に対してほぼ並行に移動する。本実施形態は、この現象を利用して、被測定部材５のチルトによる光路長の変化を、第２回折格子９を配置することでキャンセルする。

【0041】

図４は、被測定部材５がある角度チルトする前後における第２回折格子９周辺部の光束の様子を拡大して示した図である。図４では、被測定部材５がチルトしていない場合の第第１の光束Ｌ１を二点鎖線で示し、被測定部材５がチルトした場合の第１の光束Ｌ１’を実線で示している。また、図４の一点鎖線Ｓ（以下、直線Ｓ）は、第１の回折格子７の格子ベクトルｇ１と平行な線である。さらに、直線Ｓ上に回折格子が配置された場合の、第１の光束Ｌ１、Ｌ１’のそれぞれの回折光Ｌ１_Ｓ、Ｌ１’_Ｓを破線で示す。

【0042】

第１の光束Ｌ１と第１の光束Ｌ１’において、第１回折格子７への入射角と第１回折格子７からの射出角の和が一定であると近似した場合、すなわち、以下の式２が成立する場合、第１の光束Ｌ１と第１の光束Ｌ１’は平行である。
［式２］
π／２−θ＋ｓｉｎ^−１｛λ／ｄ１−ｓｉｎ（π／２−θ）｝≒Ｃｏｎｓｔ

【0043】

このとき、第１の光束Ｌ１と第１の光束Ｌ１’の第１回折格子７と平行な直線Ｓまでの光路長はほぼ等しい。第１の光束Ｌ１から第１の光束Ｌ１’の平行移動量をａとし、平行移動量ａの第２回折格子９への射影、すなわち、第１の光束Ｌ１と第２回折格子９との交点をＰ１、第１の光束Ｌ１’と第２回折格子９との交点をＰ２とした場合のＰ１−Ｐ２間の距離Ｌ（θ３）とする。そうすると、第２回折格子９が第１の光束Ｌ１及びＬ１’に直行する面から角度θ３だけチルトしている場合、Ｌ（θ３）とａは、Ｌ（θ３）・ｃｏｓθ３＝ａを満たす。しかしながら、受光部１０等は、光束の進行方向に対して直交して配置されるため、第２回折格子９が配置されない場合、受光部１０で受光される第１の光束Ｌ１と第１の光束Ｌ’とでは、光路長差Ｄが発生する。

【0044】

すなわち、第２回折格子９が配置されない場合、図４では、第１の光束Ｌ１’が第１の光束Ｌ１に対して距離Ｄだけ短い。そのため、本実施形態では、第２回折格子９により、距離Ｄを補うように第１の光路Ｌ１’を補正する。第２回折格子９を配置することによる光路長差の変化は、点Ｐ１から第１の光束Ｌ１’に対して下ろした垂線と第１の光束Ｌ１’との交点をＰ３，Ｐ４とすると、Ｐ３−Ｐ２−Ｐ４間の距離となる。この距離が先に述べた距離Ｄと等しいとき、被測定部材５がチルトした際に生じる光路長変化を低減できる。すなわち、第２回折格子９に対する入射角θ３が、以下の式３を満たすときである。
［式３］
２｛Ｌ（θ３）ｓｉｎθ３｝＝Ｄ

【0045】

ここで、Ｌ（θ３）・ｃｏｓθ３＝ａであるため、以下の式４を得る。
［式４］
ｔａｎ（θ３）＝Ｄ／２ａ

【0046】

また、Ｄ／ａ＝ｔａｎ（π／２−θ）であるため、式４は、以下の式５となる。
［式５］
ｔａｎθ３＝｛ｔａｎ（π／２−θ）｝／２
ここで、θは第１の光束Ｌ１の被測定面５ａへの入射角、π／２−θは第１の光束Ｌ１の第１回折格子７への入射角、θ３は第１の光束Ｌ１の第２回折格子９への入射角である。すなわち、式２で示される条件を満たすように第２回折格子９が配置されたとき、被測定部材５のチルトによる光路長の変位をキャンセルすることができる。

【0047】

なお、式５に示す条件は、ブラッグの条件を満たす近辺で成立するが、その範囲については限定されるものではない。例えば、被測定面５ａが基準の位置から±３度程度傾いても、傾きによって発生した光路長の変位をキャンセルすることができる。

【0048】

また、第１回折格子７及び第２回折格子９の入射角はブラッグ条件が満たされているため、第１回折格子７の格子ピッチｄ１、及び第２回折格子９の格子ピッチｄ２はそれぞれ以下の式６で表すことができる。
［式６］
ｄ１＝λ／（２×ｓｉｎ（π／２−θ））
ｄ２＝λ／（２×ｓｉｎθ３）

【0049】

そして、第１回折格子７の格子ベクトルｇ１に対する第２回折格子９の格子ベクトルｇ２の好ましい角度をθ０とすると、θ０は、以下の式７で表すことができる。
［式７］
θ０＝π／２−θ−θ３
そして、この式７を式５に代入することで、以下の式８を得ることができる。
［式８］
θ０＝π／２−θ−ａｒｃｔａｎ［｛ｔａｎ（π／２−θ）｝／２］

【0050】

したがって、第１回折格子７の格子ベクトルｇ１を被測定部材５の被測定面５ａに対して垂直に配置し、かつ、式５を満たすθ０を第２回折格子９の格子ベクトルｇ２として設定することにより、被測定部材５のチルトによる第１の光束Ｌ１の光路長の変化をキャンセルすることができる。

【0051】

このように設定された第２回折格子９において、光束分割部４から光束結合部８までの第１の光束Ｌ１の光路長の変化を補正する。図５は、第２回折格子９を配置した場合と配置しない場合の第１の光束Ｌ１の光路長を示した図である。図５の横軸は、被測定部材５の基準の位置からのチルト量（Δθ）であり、縦軸は、被測定部材５がチルトしていないときと、Δθだけチルトしたときの光路長差である。

【0052】

図５に示すように、第２回折格子９を配置しない場合には、チルト角Δθが大きくなるにつれて光路長差も大きくなっているが、第２回折格子９を配置することで、チルト角Δθが大きくなっても光路長差を低減することができる。なお、第２の光束Ｌ２は、被測定部材５の位置に関係なく常にほぼ一定の光路を辿るため、第２回折格子９は第２の光束Ｌ２の光路長には影響を及ぼさない。

【0053】

図１に戻り、変位検出装置１の受光部１０の構成について説明する。受光部１０は、第２回折格子９で回折された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を受光し、干渉させる。その干渉強度を電気的な信号に変換して、その信号を相対位置情報出力部１１に送る。

【0054】

図６に、受光部１０の概略構成を示す。図６に示すように、受光部１０は、光束結合部８で重ね合わされた第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を集光する集光レンズ１４と、光を分割するハーフミラー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。また、ハーフミラー１６と第２の偏光ビームスプリッタ１９との光路上には、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。

【0055】

第１の偏光ビームスプリッタ１８は、入射される光束の偏光方向が入射面に対して４５度傾くように配置されている。この第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。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。

【0056】

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。そして、受光部１０では、第１の受光素子３３〜第４の受光素子３６において干渉強度を電気的な信号に変換し、その信号を相対位置情報出力部１１に送る。

【0057】

相対位置情報出力部１１は、受光部１０から送られてきた信号を元に、被測定部材５のｚ方向の変位量を出力する。図７は、相対位置情報出力部１１の構成を示すブロック図である。図７に示すように、相対位置情報出力部１１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。

【0058】

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。

【0059】

［１−２．変位検出方法］
次に、図１，図６及び図７を参照して、本実施形態の変位検出装置１を用いた変位検出方法について説明する。

【0060】

図１に示すように、光源２から出射した光は、レンズ３によりコリメートされて平行光となる。そして、レンズ３によりコリメートされた平行光は、光束分割部４に入射する。光束分割部４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４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４に分割された第１の光束Ｌ１はｐ偏光であり、第２の光束Ｌ２はｓ偏光である。

【0061】

光束分割部４で分割された光束のうち、第１の光束Ｌ１は被測定部材５の被測定面５ａにおける第１の照射スポットＰｃ１に入射角θ１で入射する。そして、被測定部材５は、第１の照射スポットＰｃ１に入射した第１の光束Ｌ１を第１回折格子７に反射させる。

【0062】

被測定部材５によって反射された第１の光束Ｌ１は第１回折格子７を透過し、第１回折格子７に回折されて被測定部材５の被測定面５ａにおける第１の照射スポットＰｃ１とは異なる第２の照射スポットＰｄ１に入射する。そして、被測定部材５は、第１回折格子７により回折され、第２の照射スポットＰｄ２に入射した第１の光束Ｌ１を光束結合部８に入射させる。

【0063】

一方、光束分割部４で分割された光束のうち、第２の光束Ｌ２は反射部６に入射する。そして、反射部６は第２の光束Ｌ２を光束結合部８に入射させる。上述したように、反射部６は、第１の光束Ｌ１における光束分割部４から光束結合部８までの光路長と、第２の光束Ｌ２における光束分割部４から光束結合部８までの光路長が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２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。

【0064】

光束結合部８に入射した第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、光束結合部８において重ね合わされて、干渉光となる。光束結合部８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は第２回折格子９に入射され、第２回折格子９によって回折されて、回折された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は受光部１０に入射される。

【0065】

本実施形態では、図３及び図５を用いて説明した原理により、被測定部材５がチルトした場合に発生する第１の光束Ｌ１の光路長の変化は、第１の光束Ｌ２が第２回折格子９に回折されることでキャンセルされる。これにより、受光部１０では、被測定部材５のｚ方向の変位量の情報のみを持った第１の光束Ｌ１を受光することができる。

【0066】

ここで、被測定部材５のｚ方向への変位によって受光部１０に入射する第１の光束Ｌ１の変化について説明する。図８は、被測定部材５が基準位置からｚ方向へｘ／２だけ移動した場合の光路の変化を示す図である。

【0067】

被測定部材５が高さ方向にｘ／２だけ移動すると、被測定部材５の被測定面５ａに照射される第１の光束Ｌ１は、第１の照射スポットＰｃ１から第２の照射スポットＰｃ２に移動する。また、被測定部材５に反射された第１の光束Ｌ１は、第１回折格子７の回折位置Ｔ１から回折位置Ｔ２に移動する。ここで、第１回折格子７は、被測定部材５の被測定面５ａ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Ｔ２の間隔は、照射スポットＰｃ１と照射スポットＰｃ２の間隔の２倍のｘとなる。すなわち、第１回折格子７上を移動する第１の光束Ｌ１の移動量は、被測定部材５を移動した際の２倍のｘとなる。

【0068】

また、第１回折格子７が被測定部材５の被測定面５ａに対して略直角に配置されているため、被測定部材５がｚ方向に変位しても、Ｐｃ２−Ｔ２間の距離と、Ｐｃ２−Ｐｃ１−Ｔ１間の距離が一定であることから、第１の光束Ｌ１の光路長は常に一定となることが分かる。すなわち、第１の光束Ｌ１の波長は、変化しない。そして、被測定部材５がｚ方向に変位すると、第１回折格子７に入射する位置だけが変化する。

【0069】

よって、回折された第１の光束Ｌ１には、Ｋｘの位相が加わる。Ｋは２π／ｄ１で示される波数である。つまり、被測定部材５がｚ方向に対してｘ／２だけ移動すると、第１の光束Ｌ１は第１回折格子７上ではｘだけ移動する。そのため、第１の光束Ｌ１にはＫｘ分の位相が加わり、１周期分の光の明暗が生じる干渉光が受光部１０によって受光される。

【0070】

そして、互いに直交した直線偏光の第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２が重なった光束Ｌａが第２回折格子９で回折される。第２回折格子９では、前述したように、被測定部材５がチルトした場合には、第１の光束Ｌ１の光路長の変化をキャンセルするように第１の光束Ｌ１を回折する。

【0071】

受光部１０では、光束Ｌａは、集光レンズ１４によって集光されて、ハーフミラー１６に照射される。ハーフミラー１６は、光束Ｌａを２つの光に分割する。ハーフミラー１６を反射した光束Ｌａは、第１の偏光ビームスプリッタ１８に入射する。

【0072】

ここで、第１の偏光ビームスプリッタ１８は、互いに偏光方向が９０度異なる第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２の偏光方向が、第１の偏光ビームスプリッタ１８の入射面に対してそれぞれ偏光方向が４５度傾くように傾けて配置されている。これにより、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の光束Ｌ２は、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によって干渉させることができる。

【0073】

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。

【0074】

第１の偏光ビームスプリッタ１８によって反射された第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２の受光素子３４によって受光される。ここで、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。

【0075】

第１の受光素子３３と第２の受光素子３４によって、Ａｃｏｓ（Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／ｄ１で示される波数である。また、ｘは、被測定部材のｚ方向への変位に起因する第１回折格子７上における第１の光束Ｌ１の移動量である。δは、初期位相を示している。ｄ１は、第１回折格子７における格子のピッチである。

【0076】

ここで、第１の受光素子３３及び第２の受光素子３４によって得られる干渉信号には、光源２の波長に関する成分が含まれていない。よって、気圧や湿度、温度の変化による光源２の波長に変動が起きても干渉強度には影響を受けない。

【0077】

一方、図６に示すように、ハーフミラー１６を透過した光束Ｌａは、受光側位相板１７に入射する。互いに偏光方向が９０度異なる直線偏光である第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２からなる光束Ｌａは、受光側位相板１７を透過することにより、互いに逆回りの円偏光となる。そして、この互いに逆回りの円偏光は同一光路上にあるので、重ね合わされることにより直線偏光となり、第２の偏光ビームスプリッタ１９に入射する。

【0078】

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。

【0079】

上述したように、第２の偏光ビームスプリッタ１９に入射する直線偏光は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせによって生じている。そして、第２の偏光ビームスプリッタ１９に入射される直線偏光の偏光方向は、被測定部材５が高さ方向にｘ／２だけ移動すると１回転する。したがって、第３の受光素子３５と第４の受光素子３６でも同様に、Ａｃｏｓ（Ｋｘ＋δ’）の干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。

【0080】

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。

【0081】

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、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。

【0082】

したがって、例えば第１の受光素子３３と第２の受光素子３４で得られる信号をｓｉｎ信号、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を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。

【0083】

これらの受光素子によって得られる信号は、相対位置情報出力部１１によって演算され、被測定面５ａのｚ方向への変位量がカウントされる。

【0084】

図７に示すように、例えば、本実施形態の相対位置情報出力部１１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。

【0085】

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とが補正される。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。

【0086】

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。

【0087】

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５のｚ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。

【0088】

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５のｚ方向の変位量が検出される。

【0089】

なお、本実施形態の相対位置情報出力部１１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。

【0090】

以上のように、本実施形態では、第１回折格子７をその格子ベクトルｇ１が被測定部材５の被測定面５ａに略垂直となるように配置する。これにより、被測定部材５がｚ方向に変位した場合にも、物体光である第１の光束Ｌ１の光路長が変化せず、第１の光束Ｌ１の第１回折格子７への入射位置だけが変化する。この結果、受光部１０で得られる干渉信号には、光源２の波長に関する成分が含まれない。このため、本実施形態の変位検出装置１は、気圧、湿度、温度などの環境の変化に起因した光源２の発振波長の変動による干渉強度への影響を低減することができる。

【0091】

また、本実施形態では、第２回折格子９を配置することにより、被測定部材５の被測定面５ａがチルトすることによって物体光である第１の光束Ｌ１の光路長の変化を打ち消すことができる。これにより、被測定部材５がチルトしている場合にも、被測定部材５の被測定面５ａのｚ方向の変位量をより正確に検出することができる。

【0092】

そして、本実施形態の変位検出装置１によれば、従来の変位検出装置のように、例えば磁石とコイルを用いたアクチュエータのような駆動機能が不要であるため、使用時に発生する熱を抑制できる。さらに、それらの駆動機構を駆動させる必要が無いので、応答周波数が制限される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。そして、本実施形態の変位検出装置１では、駆動機構を用いないため、高速で安定した計測が可能となる。

【0093】

ところで、光源２に半導体レーザ等を用いた場合、前述したように、光源の温度によって光源２の発振波長がわずかに変化する。この変化は第１回折格子７や第２回折格子９の回折角の変化となる。このため、第１の実施形態に係る変位検出装置１のように、物体光の光路長が被測定部材５の変位によって変わらない場合でも、光軸ずれを生じ、干渉信号の出力低下を引き起こす可能性がある。そこで、以下に、光源２の発振波長の変化による光束の傾き変化を抑制することができる変位検出装置について説明する。

【0094】

《２．第２の実施形態：光路長の変化及び光源の波長変化をキャンセルする回折格子を配置した変位検出装置》
図９は、本発明の第２の実施形態に係る変位検出装置の概略構成図である。本実施形態の変位検出装置２０は、第２の光束Ｌ２を第１回折格子７で回折させる点と、光源２の近傍に第３回折格子２１が設けられる点で、第１の実施形態に係る変位検出装置１と異なる。図９において、図１に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。

【0095】

本実施形態では、反射部２２は、第１回折格子７を挟んで被測定部材５と対向する位置に配置される。また、反射部２２は、被測定部材５と第１回折格子７の関係と同様、反射面が第１回折格子７の格子ベクトルに対してほぼ直角になるように配置されるのが好ましい。そして、反射部２２は、光束分割部４によって分割されてきた第２の光束Ｌ２を第１回折格子７に入射させると共に、第１回折格子７で回折された第２の光束Ｌ２を再び反射させて光束結合部８に入射させるように配置される。また、反射部２２は、光束分割部４から光束結合部８までの第１の光束Ｌ１の光路長と、光束分割部４から光束結合部８までの第２の光束Ｌ２の光路長とが等しくなるように配置されている。

【0096】

また、本実施形態では、光源２と光束分割部４との間に第３回折格子２１が配置されている。第３回折格子２１は、温度や湿度の変化に起因する光源２の発振波長の変化による第１回折格子７の回折角の変化と第２回折格子９の回折角の変化を打ち消すように配置される。

【0097】

また、図９に示すように、第１回折格子７への入射角をπ／２−θとし、第２回折格子９への入射角をθ３とし、第３回折格子７への入射角をθ４とした場合、それぞれの回折格子への入射条件は、ブラッグ条件をみたしている場合、次の式９で表すことができる。
［式９］
θ４＝π／２−θ−θ３

【0098】

そして、本実施形態の変位検出装置２０においても、第１の実施形態と同様にして、被測定部材５のｚ方向の変位量を検出することができる。

【0099】

本実施形態では、第１の光束Ｌ１だけを第１回折格子７で回折させるのではなく、第２の光束Ｌ２も第１の光束Ｌ１と同様に第１回折格子７で回折させる。これにより、光源２の発振波長の変化に起因した第１回折格子７での光軸ずれを、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２の両方に発生させる。これにより、光束結合部８で重ね合わせた後の第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２の傾きの変化量を合わせることができ、安定した干渉光を得ることができる。

【0100】

さらに、本実施形態では、光源２の発振波長の変化による第１回折格子７の回折角の変化と第２回折格子９の回折角の変化は第３回折格子２１によってキャンセルされる。これにより、受光部１０に入射される光束の傾きの変化を抑制することができる。

【0101】

一般的に、変位検出装置を小型化するため、各光学パーツの有効径を小さく設計しなければならないが、光束の傾きが大きくなるとケラレが発生する問題があった。これに対し、本実施形態の変位検出装置２０では、光源２の発振波長が変化した場合にも、光束の傾きの変化を抑制することができるので、光学パーツの有効径を小さくした場合にもケラレを抑制することができ、変位検出装置２０をより広い温度範囲で使用することができる。

【0102】

その他、本実施形態においても、第２回折格子９を用いることにより第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0103】

《３．第３の実施形態：光路長の変化及び光源の波長変化をキャンセルする回折格子を配置した変位検出装置》
次に、本発明の第３の実施形態に係る変位検出装置について説明する。図１０は、本実施形態の変位検出装置の概略構成図である。本実施形態の変位検出装置３０は、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を２回、第１回折格子７に入射させた後に、受光部１０に入射させる点で第２の実施形態に係る変位検出装置２０と異なる。図１０において、図１及び図９に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。

【0104】

［３−１．構成］
図１０に示すように、本実施形態の変位検出装置３０では、光束分割部４と被測定部材５との間には、第１の位相板３１が配置されており、光束分割部４と反射部２２との間には第２の位相板３２が配置されている。第１の位相板３１と第２の位相板３２はそれぞれ１／４波長反等で構成されている。

【0105】

また、本実施形態の変位検出装置３０では、反射部２２に対して、光源２が配置される側とは反対側の位置の、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２の光路上に戻り用反射部３７が配置されている。さらに、本実施形態では、第２回折格子９は戻り用反射部３７と被測定部材５との間の第１の光束Ｌ１の光路上に配置されている。

【0106】

戻り用反射部３７は、第１の反射面３７ａと、第２の反射面３７ｂとを有する三角形状のミラーで構成されている。戻り用反射部３７の第１の反射面３７ａには、光束分割部４を透過した後、被測定部材５の被測定面５ａで２回反射されてきた第１の光束Ｌ１が入射する。そして、第１の反射面３７ａは、入射してきた第１の光束Ｌ１を、入射したときと同じ光路で被測定部材５側に反射させる。したがって、第１の反射面３７ａで反射された第１の光束Ｌ１は、第２回折格子９で回折され、被測定部材５の被測定面５ａで反射され、第１回折格子７で回折され、再度、被測定部材５の被測定面５ａで反射された後、第１の位相板３１を介して光束分割部４に入射する。

【0107】

戻り用反射部３７の第２の反射面３７ｂには、光束分割部４で反射された後、反射部２２の反射面で２回反射されてきた第２の光束Ｌ２が入射する。そして、第２の反射面３７ｂは、入射された第２の光束Ｌ２を、入射したときと同じ光路で反射部２２側に戻す。したがって、第２の反射面３７ｂで反射された第２の光束Ｌ２は、反射部２２の反射面で反射され、第１回折格子７で回折され、再度、反射部２２で反射された後、第２の位相板３２を介して光束分割部４に入射する。

【0108】

また、戻り用反射部３７は、光束分割部４と戻り用反射部３７との間の第１の光束Ｌ１の光路長と、第２の光束Ｌ２の光路長とが略等しくなるように配置される。戻り用反射部３７を設けることで、変位検出装置３０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、湿度、温度などの環境の変化による光源２の波長変動の影響を受けにくくすることができる。

【0109】

本実施形態では、戻り用反射部３７によって第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を反射することにより、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、第１回折格子７で２回回折されて光束分割部４に入射する。そして、光束分割部４では、戻ってきた第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を結合し、受光部１０に入射させる。すなわち、本実施形態では、光束分割部４が光束結合部８を兼ねる。

【0110】

［３−２．変位検出方法］
次に、図１０、図６及び図７を参照して、本実施形態の変位検出装置３０を用いた変位検出方法について説明する。

【0111】

図１０に示すように、光源２から出射した光は、レンズ３によりコリメートされて平行光となる。そして、レンズ３によりコリメートされた平行光は、光束分割部４に入射する。光束分割部４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４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４を透過したｐ偏光による第１の光束Ｌ１は、第１の位相板３１に照射され、光束分割部４により反射されたｓ偏光による第２の光束Ｌ２は、第２の位相板３２に照射される。

【0112】

そして、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、第１の位相板３１及び第２の位相板３２により円偏光となる。図１０に示すように、円偏光となった第１の光束Ｌ１は、被測定部材５の被測定面５ａに入射する。そして、第１の光束Ｌ１は、被測定部材５によって反射され、第１回折格子７に入射する。

【0113】

第１回折格子７に入射した第１の光束Ｌ１は第１回折格子７によって回折され、再び被測定部材５に入射する。次に、再び被測定部材５に入射した第１の光束Ｌ１は、被測定部材５で反射されて、第２回折格子９に入射され、第２回折格子９で回折された第１の光束Ｌ１は戻り用反射部３７の第１の反射面３７ａで反射される。そして、戻り用反射部３７で反射された第１の光束Ｌ１は、光束分割部４から戻り用反射部３７に到達するまでの光路と同じ光路を辿って、再度、光束分割部４に入射する。再度、光束分割部４に入射される第１の光束Ｌ１は、第１の位相板３１によって行きと直交した直線偏光、すなわち、ｓ偏光となる。

【0114】

一方、光束分割部４によって分割され、第２の位相板３２によって円偏光となった第２の光束Ｌ２は、反射部２２の反射面に入射する。そして、第２の光束Ｌ２は、反射部２２によって反射され、第１回折格子７に入射する。

【0115】

第１回折格子７に入射した第２の光束Ｌ２は第１回折格子７によって回折され、再び反射部２２に入射する。次に、再び反射部２２に入射した第２の光束Ｌ２は、反射部２２で反射されて、戻り用反射部３７に入射し、戻り用反射部３７の第２の反射面３７ｂで反射される。そして、戻り用反射部３７で反射された第２の光束Ｌ２は、光束分割部４から戻り用反射部３７に到達するまでの光路と同じ光路を辿って、再度、光束分割部４に入射する。再度、光束分割部４に入射される第２の光束Ｌ２は、第２の位相板３２によって行きと直交した直線偏光、すなわち、ｐ偏光となる。

【0116】

そして、光束分割部４に入射された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、光束分割部４によって重ね合わされて受光部１０に入射する。受光部１０から後段の処理は、第１の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。

【0117】

本実施形態においても、第１の実施形態と同様、受光部１０において、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２の干渉光を得ることにより、被測定部材５のｚ方向への変位量を求めることができる。ここで、本実施形態の変位検出装置３０では、第１の光束Ｌ１を第１回折格子７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、図８を用いて説明した原理により、２Ｋｘの位相が加わる。Ｋは、第１の実施形態と同様、２π／ｄ１で示される波数である。また、ｘは、第１回折格子７上における第１の光束Ｌ１の移動量を示している。つまり、被測定部材５がｚ方向にｘ／２だけ移動すると、第１の光束Ｌ１は、第１回折格子７上では２倍のｘだけ移動する。さらに、第１の光束Ｌ１は、第１回折格子７で２回回折することで、第１の光束Ｌ１には２Ｋｘの位相が加わり、２周期分の明暗が生じる干渉光が受光部１０によって受光される。

【0118】

したがって、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４では、Ａｃｏｓ（２Ｋｘ＋δ）の干渉信号を得ることができる。また、第３の受光素子３５と第４の受光素子３６では、Ａｃｏｓ（２Ｋｘ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。

【0119】

このように、本実施形態の変位検出装置３０の第１回折格子７の格子ピッチと、第１の実施形態における変位検出装置１の第１回折格子７の格子ピッチを同じとした場合、本実施形態の変位検出装置３０は第１の実施形態の変位検出装置１と比較して２倍の分解能とすることができる。

【0120】

そして、本実施形態においても、第１の実施形態と同様、第２回折格子９が配置されていることにより、被測定部材５がチルトした場合にも、光路長の変化をキャンセルすることができる。これにより、被測定部材５のｚ方向の変位量をより正確に検出することができる。

【0121】

さらに、本実施形態においても、第２の実施形態と同様、第３回折格子２１が配置されていることにより、温度、湿度、気圧などの環境変化に起因して光源２の発振波長が変動した場合にも、光軸ずれを補正することができる。これにより、干渉強度の低下を防ぐことができる。

【0122】

《４．変位検出装置の利用例》
次に、上述した第１〜第３の実施形態に係る変位検出装置の利用例について図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は、第１の利用例について示す模式図である。図１２は、第２の利用例について示す模式図である。なお、図１１及び図１２に示す利用例における被測定部材５は、例えば、回折格子スケールを用いたものである。

【0123】

図１１に示す利用例では、被測定部材５における被測定面５ａと平行をなす第１の方向Ｘの変位検出するＸ軸用リニアエンコーダ９０１と、被測定部材５における被測定面と平行をなし、第１の方向Ｙと直交する第２の方向Ｙの変位を検出するＹ軸用リニアエンコーダ９０２が設けられている。また、被測定部材５の被測定面５ａの高さ方向（Ｚ方向）の検出するために上述した第１の実施形態の変位検出装置１を設けている。

【0124】

これにより、Ｘ軸用リニアエンコーダ９０１及びＹ軸用リニアエンコーダ９０２によって、被測定部材５のＸ軸Ｙ軸の変位を計測し、第１の実施形態の変位検出装置１によって被測定部材５の被測定面５ａの高さ方向、すなわちＺ方向の変位を検出することができる。これにより、３次元の計測が可能となる。

【0125】

図１２に示す利用例における被測定部材５Ｈは、Ｚ軸を中心に回転するものである。そして、この利用例では、被測定部材５Ｈの角度情報を検出するロータリーエンコーダ９０３と、被測定部材５の高さ方向Ｚの検出するために上述した第１の実施形態に係る変位検出装置１を設けている。この利用例では、被測定部材５Ｈの角度情報θと、Ｚ軸の変位を検出することができ、３次元の計測が可能となる。

【0126】

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。

【0127】

また、参照光用の反射部６、２２を被測定部材５の移動に連動するように移動させてもよい。すなわち、被測定部材５における高さ方向の移動量と同じ移動量だけ参照光用の反射部６、２２を移動させる。これにより、第２の光束Ｌ２に第１の光束Ｌ１と正負の異なる位相を加えることができる。

【0128】

また、上述した第１〜第３の実施形態において記載された各種のレンズは、単レンズであってもよく、また、複数のレンズで構成されたレンズ群であってもよい。

【符号の説明】

【0129】

１，２，３０…変位検出装置、２…光源、３…レンズ、４…光束分割部、５…被測定部材、６…反射部、７…第１回折格子、８…光束結合部、９…第２回折格子、１０…受光部、１１…相対位置情報出力部、１４…集光レンズ、１６…ハーフミラー、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、２１…第３回折格子、２２…反射部、３１…第１の位相板、３２…第２の位相板、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…戻り用反射部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】