特許 6363520 光学ユニットおよび変位計測装置

(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】6363520

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】光学ユニットおよび変位計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/38 20060101AFI20180712BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20180712BHJP

   G01B 9/02 20060101ALI20180712BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/38 A

   G01B11/00 G

   G01B9/02

【請求項の数】11

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-11272(P2015-11272)

(22)【出願日】2015年1月23日

(65)【公開番号】特開2016-136106(P2016-136106A)

(43)【公開日】2016年7月28日

【審査請求日】2017年1月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104215

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100117330

【弁理士】

【氏名又は名称】折居 章

(74)【代理人】

【識別番号】100160989

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 正好

(74)【代理人】

【識別番号】100168181

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 哲平

(74)【代理人】

【識別番号】100168745

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 彩子

(74)【代理人】

【識別番号】100170346

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 望

(74)【代理人】

【識別番号】100176131

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 慎太郎

(72)【発明者】

【氏名】小山 勝弘

(72)【発明者】

【氏名】宮澤 冬樹

(72)【発明者】

【氏名】萩原 康仁

(72)【発明者】

【氏名】浜本 貴樹

(72)【発明者】

【氏名】松田 勲

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 特開平４−１８４２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−２７８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０４７１００（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／２６− ５／３８

Ｇ０１Ｂ ９／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記第１回折格子から出射した回折光が入射することにより干渉光を生成する第２回折格子と、
対向する平行な一対の反射面とを有し、前記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、前記一対の反射面でそれぞれ反射させて前記第２回折格子に導くように構成された導光部材と、
前記導光部材の外部に設けられ、前記光源からの光を前記導光部材に導くように反射し、かつ、前記第１回折格子から出射した０次光を、前記第２回折格子の位置とは異なる位置に導くように反射する反射部材と
を具備する光学ユニット。

【請求項2】

請求項１に記載の光学ユニットであって、
前記導光部材は、前記一対の反射面以外の一側面を有し、
前記反射部材は、前記導光部材の前記一側面に取り付けられることで前記導光部材と一体で設けられる
光学ユニット。

【請求項3】

請求項１または２に記載の光学ユニットであって、
前記第１回折格子は、反射型の回折格子であり、
前記第２回折格子は、透過型の回折格子である
光学ユニット。

【請求項4】

請求項１に記載の光学ユニットであって、
前記第１回折格子および前記第２回折格子は、反射型の回折格子であり、
前記導光部材と前記第２回折格子との間に配置され、前記第２回折格子からの前記干渉光を、該干渉光を検出する検出器に導くように反射する第２の反射部材をさらに具備する
光学ユニット。

【請求項5】

光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記第１回折格子から出射した回折光が入射することにより干渉光を生成する第２回折格子と、
対向する平行な一対の反射面とを有し、前記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、前記一対の反射面でそれぞれ反射させて前記第２回折格子に導くように構成された導光部材と、
前記導光部材の外部に設けられ、前記第１回折格子から出射した０次光を、前記第２回折格子の位置とは異なる位置に導くように反射し、かつ、前記第２回折格子からの前記干渉光を、該干渉光を検出する検出器に導くように反射する反射部材と
を具備する光学ユニット。

【請求項6】

請求項５に記載の光学ユニットであって、
前記導光部材は、前記一対の反射面以外の一側面を有し、
前記反射部材は、前記導光部材の前記一側面に取り付けられることで前記導光部材と一体で設けられる
光学ユニット。

【請求項7】

請求項５または６に記載の光学ユニットであって、
前記第１回折格子は、透過型の回折格子であり、
前記第２回折格子は、反射型の回折格子である
光学ユニット。

【請求項8】

請求項５から７のうちいずれか１項に記載の光学ユニットであって、
前記第２回折格子は、反射型の回折格子であり、
前記反射部材は、
前記０次光を反射する第１の面と、
前記第１の面の反対側に設けられ、前記干渉光を反射する第２の面と
を有する
光学ユニット。

【請求項9】

光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記第１回折格子から出射した回折光が入射することにより干渉光を生成する第２回折格子と、
対向する平行な一対の反射面を有し、前記第１回折格子から出射した特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）のうち、＋ｍ次回折光を一対の反射面で反射させ、かつ、−ｍ次回折光を前記一対の反射面の間を通して、これら±ｍ次回折光を前記第２回折格子に導くように構成された光学手段と
を具備する光学ユニット。

【請求項10】

光源と、
前記光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記第１回折格子から出射された回折光が入射することにより干渉光を生成する第２回折格子と、
対向する平行な一対の反射面を有し、前記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、前記一対の反射面でそれぞれ反射させて前記第２回折格子に導くように構成された導光部材と、
前記導光部材の外部に設けられ、前記光源からの光を前記導光部材に導くように反射し、かつ、前記第１回折格子から出射した０次光を、前記第２回折格子の位置とは異なる位置に導くように反射する反射部材と、
前記干渉光を検出する検出器と、
前記検出器により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の相対変位を演算する演算部と
を具備する変位計測装置。

【請求項11】

光源と、
前記光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記第１回折格子から出射された回折光が入射することにより干渉光を生成する第２回折格子と、
対向する平行な一対の反射面を有し、前記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、前記一対の反射面でそれぞれ反射させて前記第２回折格子に導くように構成された導光部材と、
前記干渉光を検出する検出器と、
前記導光部材の外部に設けられ、前記第１回折格子から出射した０次光を、前記第２回折格子の位置とは異なる位置に導くように反射し、かつ、前記第２回折格子からの前記干渉光を前記検出器に導くように反射する反射部材と、
前記検出器により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の相対変位を演算する演算部と
を具備する変位計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、干渉光を発生する光学ユニット、およびその干渉光を検出して変位を計測する変位計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１には、光干渉を利用した測長装置が開示されている。この測長装置では、光源から出射されてハーフミラーを透過した平行ビームが、回折格子に入射することにより、回折格子を透過する０次光と、±ｐ次の回折光と分かれる。これら０次光および±ｐ次回折光は、所定の位置に配置されたそれぞれのミラーで反射される。反射されたそれぞれの光は、ハーフミラーで反射されて受光素子によって受光される（例えば、特許文献１の明細書段落［００３６］、［００３７］、図１参照）。

【0003】

なお、特許文献２には、一対の回折格子の相対変位を計測する変位計測装置が開示されている。この変位計測装置では、一対の回折格子の相対変位が、一対の回折格子のうち一方の回折格子から出射される、回折光同士の干渉光の強度に対応している。したがって、その強度を検出することにより変位計測が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開2000-356509号公報

【特許文献2】国際公開第2011/043354号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の装置は、±ｐ次回折光による干渉光以外に、０次光（０次回折光）や、±ｐ次以外の次数の回折光が発生して、これを受光素子が受光してしまうおそれがある。これら計測に必要のない次数の回折光の受光は、計測精度の低下または誤計測の要因となる。
本発明の目的は、検出器に不要な光が入射すること抑制し、計測精度を高めることができる変位計測装置およびこれに含まれる光学ユニットを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る光学ユニットは、第１回折格子と、第２回折格子と、光学手段とを具備する。
前記第１回折格子には、光源からの光が入射する。
前記第２回折格子は、前記第１回折格子から出射した回折光がこの第２回折格子に入射することにより干渉光を生成する。
光学手段は、対向する平行な一対の反射面を有する。光学手段は、前記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、前記一対の反射面でそれぞれ反射させて前記第２回折格子に導くように構成される
本発明では、対向する平行な一対の反射面により±ｍ次回折光がそれぞれ反射させられ、第２回折格子に導かれる。したがって、±ｍ次以外の次数の回折光は、一対の反射面により反射されない光路を通るか、または、たとえ反射されたとしても第２回折格子に入射しない光路を通る。このように、変位計測に不要な次数の回折光が、第２回折格子の後段に設けられる検出器に入射することを抑制できるので、計測精度を高めることができる。

【0007】

前記光学手段は、前記一対の反射面を含む導光部材を有していてもよい。
すなわち、一対の反射面が導光部材と一体で構成されている。これにより、この一対の反射面を含む導光部材の製造が容易になり、また、一対の反射面の相対的の位置決めが容易になる。

【0008】

前記光学ユニットは、前記第１回折格子から出射した０次光を、前記第２回折格子の位置とは異なる位置に導くように反射する反射部材をさら具備してもよい。
これにより、計測に不要な０次光が検出器に入射されないので、計測精度を高めることができる。
前記光学ユニットは、前記導光部材と一体で設けられ、前記第１回折格子から出射した０次光を、前記第２回折格子の位置とは異なる位置に導くように反射する反射部材をさらに具備してもよい。
これにより、導光部材および反射部材の製造が容易になり、それらの相対的の位置決めが容易になる。

【0009】

前記第１回折格子は、反射型の回折格子であり、前記第２回折格子は、透過型の回折格子であってもよい。

【0010】

前記第１回折格子は、透過型の回折格子であり、前記第２回折格子は、反射型の回折格子であってもよい。

【0011】

前記第１回折格子および第２回折格子は、透過型の回折格子であってもよい。

【0012】

前記第２回折格子は、反射型の回折格子である場合、前記反射部材は、前記０次光を反射する第１の面と、前記第１の面の反対側に設けられ、前記第２回折格子により生成された前記干渉光を反射する第２の面とを有していてもよい。
第１回折格子からの０次光を反射する機能、および第２回折格子からの干渉光を反射する機能を、１つの反射部材で兼用でき、光学ユニットの小型化に寄与する。

【0013】

本発明の他の形態に係る光学ユニットは、上述の第１回折格子および第２回折格子と、以下の光学手段を具備する。
前記光学手段は、対向する平行な一対の反射面を有する。前記光学手段は、前記第１回折格子から出射した特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）のうち、＋ｍ次回折光を一対の反射面で反射させるように構成される。また、前記光学手段は、−ｍ次回折光を前記一対の反射面の間を通して、これら±ｍ次回折光を前記第２回折格子に導くように構成される。

【0014】

本発明の一形態に係る変位計測装置は、光源と、上述した光学ユニットと、検出器と、演算部とを具備する。
前記検出器は、前記干渉光を検出する。
前記演算部は、前記検出器により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の相対変位を演算するように構成される。

【発明の効果】

【0015】

以上、本発明によれば、検出器に不要な光が入射すること抑制し、計測精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットを備える変位計測装置を示す斜視図である。

【図2】図２は、図１においてｚ軸方向から見た変位計測装置を示す。

【図3】図３、第１回折格子および第２回折格子の構造として、格子溝の深さと、回折効率との関係を示すシミュレーションによるグラフである。

【図4】図４は、図３のうち、０次光のみの回折効率を示すミュレーションによるグラフである。

【図5】図５Ａは、第２の実施形態に係る光学ユニットにおける第２の回折格子の格子パターン領域を示す。図５Ｂは、第２の実施形態に係るＰＤの受光領域を示す。

【図6】図６は、ＰＤにより得られる検出信号（電圧信号）の実測のグラフである。

【図7】図７は、比較例に係る変位計測装置え得られる３相の検出信号（電圧信号）の実測のグラフである。

【図8】図８は、本発明の第３の実施形態に係る光学ユニットを備える変位計測装置を示す斜視図である。

【図9】図９は、本発明の第４の実施形態に係る変位計測装置の光学ユニットの構成を示す。

【図10】図１０は、本発明の第５の実施形態に係る光学ユニットを備える変位計測装置の構成を示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

【0018】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットを備える変位計測装置を示す斜視図である。図２は、図１においてｚ軸方向から見た変位計測装置を示す。この変位計測装置１００Ａは、光源１２、光学ユニット５０、およびＰＤ（光検出器：Photo Detector（または、Photo Diode））４０を備える。図２では、光源１２、コリメートレンズ１４およびアパーチャ部材１６の図示が省略されている。

【0019】

光源１２は、ＬＤ（Laser Diode）またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図示しないドライバにより駆動される。光源１２は、例えば400nm〜900nmで設定される中心波長を持つレーザ光を発生する発光素子であるが、もちろんこのような構成に限られない。

【0020】

光学ユニット５０は、例えば、コリメートレンズ１４、アパーチャ部材１６、第１回折格子２１、プリズムミラー３５、光学部材３０、および第２回折格子２２を備える。光学部材３０は、「光学手段」の一部または全部を構成する。

【0021】

コリメートレンズ１４は、光源１２から出射された光を平行光にする。少なくともこれら光源１２およびコリメートレンズ１４により、平行光を発生する光学系が構成される。アパーチャ部材１６は、コリメートレンズ１４から出射された光のビーム径を所定のビーム径に絞る機能を有する。コリメートレンズ１４やアパーチャ部材１６は、原理的には無くても構わない。

【0022】

第１回折格子２１および第２回折格子２２は、共に、同じピッチＰ（図２参照）で同じ向きに形成された複数の格子線（格子溝）２１ａ、２２ａを有する。各第１回折格子２１および第２回折格子２２は、格子線２１ａ、２２ａの配列方向（図ではｘ方向）に相対的に変位することが可能に構成されている。この変位計測装置１００Ａは、その相対変位を計測する。

【0023】

第１回折格子２１は反射型の回折格子である。第１回折格子２１は、プリズムミラー３５で反射された、アパーチャ部材１６からの光を受け、回折光を出射する。この回折光には、複数の次数の回折光、つまり±１次、±２次、・・・±ｎ（ｎは自然数）次の各回折光が含まれる。また、この回折光には、第１回折格子２１で正反射で発生する０次回折光（以下、０次光と言う。）２６も含まれる。

【0024】

説明の便宜上、図２を参照してｙ軸に沿う線であって、第１回折格子２１および第２回折格子２２の中心を通る軸線に対して、図中右側に発生する回折光を正（＋）の回折光とし、左側に発生する回折光を負（−）の回折光とする。

【0025】

光学部材３０は、第１回折格子２１から出射された各次数の回折光のうち、特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光２３を反射して、第２回折格子２２に導くように構成されている。±ｍ次回折光２３は、典型的には±１次回折光であるが、例えば±２次、またはそれ以降の他の回折光であってもよい。

【0026】

光学部材３０は、例えば直方体形状の導光部材３１と、これに接続されたプリズムミラー３５とを有する。すなわち、導光部材３１とプリズムミラー３５とは一体で設けられている。

【0027】

プリズムミラー３５は、例えば導光部材３１のｙ方向の一側面に取り付けられている。プリズムミラー３５は、図１に示すように、透明部材の内部にｚ軸に対して例えば45°に配置されたミラー部３５ａを有する。したがって、プリズムミラー３５は、上述したように、アパーチャ部材１６から出射された光を第１回折格子２１に向けて直角に反射する機能を有する。また、プリズムミラー３５は、第１回折格子２１から出射された０次光２６を第２回折格子２２へ導かないように、第２回折格子２２の位置とは異なる位置、ここではアパーチャ部材１６側へ戻すように反射する反射部材として機能する。

【0028】

導光部材３１のｘ方向の両側面は、対向する平行な一対の反射面３３、３３として設けられている。この一対の反射面３３、３３に、第１回折格子２１で生成された＋ｍ次回折光２３Ａおよび−ｍ次回折光２３Ｂがそれぞれ入射し、一対の反射面３３、３３はそれらの回折光を第２回折格子２２に導く。

【0029】

一対の反射面３３、３３は、第１回折格子２１からの±ｍ次回折光２３を全反射してもよいし、部分反射してもよい。全反射するか否かは、光の波長、回折格子の構造、各光学部品の配置設計などによる。あるいは、一対の反射面３３、３３には、例えば金属膜で構成される反射膜がそれぞれ形成されていてもよい。

【0030】

導光部材３１の透明材本体が無く、一対の反射面は物理的に独立した２つのミラーであってもよい。しかし、導光部材３１の両側面が一対の反射面３３、３３として利用され、つまり導光部材３１と一対の反射面３３、３３とが一体で設けられることにより、この一対の反射面３３、３３を含む導光部材３１の製造が容易になる。また、一対の反射面３３、３３の相対的な位置決めが容易になる。

【0031】

これと同様に、導光部材３１とプリズムミラー３５とは別体であってもよいが、これらが一体で設けられることにより、光学部材３０の製造が容易になり、また、導光部材３１およびプリズムミラー３５の相対的な位置決めが容易になる。

【0032】

導光部材３１を構成する材料は、例えば石英ガラスである。しかし、他のガラスや、ガラス以外の透明材料であってもよい。例えば樹脂材料から成る透明材料が選択できる。反射面３３、３３の面精度は、光源１２が出射する光の中心波長をλ（例えばλ=633nm）とすると、λ/4以下とされることが好ましい。これら反射面３３、３３の面精度が低い場合、所望の形態の干渉光２７（後述）を得ることができず、計測精度が低下するおそれがある。

【0033】

また、反射面３３、３３の平行度（角度）は、１分以下とされ、好ましくは30秒以下とされる。反射面３３、３３の平行度も、所望の形態の干渉光２７を得るための重要な要素である。

【0034】

図１に示すように、導光部材３１の反射面３３、３３の、第１回折格子２１および第２回折格子２２が配列される方向（ｙ方向）の長さａ、および、それに直交する方向（ｚ方向）の長さｂは、特に限定されない。例えばａ＝5mm〜10mm、ｂ＝2mm〜5mmとされ、寸法公差は±0.1mmとされる。この場合、第１回折格子２１および第２回折格子２２の格子線のピッチは、1μm〜5μmとされ、好ましくは1.5μm〜4μm、より好ましくは2μmとされる。ｃは、光の波長、回折格子の構造、各光学部品の配置設計などによって設定される。

【0035】

第２回折格子２２は透過型の回折格子である。第２回折格子２２には、光学部材３０から出射された±ｍ次回折光２３が入射することにより、干渉光２７を生成して出射する機能を有する。具体的には、図２に示すように、＋ｍ次回折光２３Ａが第２回折格子２２に入射することにより、そのまま直進する０次光２８Ａと、±ｐ次回折光（ｐはｍを含む自然数）とが生成される。−ｍ次回折光２３Ｂも第２回折格子２２に入射することにより、同じく、そのまま直進する０次光２８Ｂと、±ｐ次回折光とが生成される。

【0036】

なお、反射型の第１回折格子２１は、主材料が透明材料で構成される回折格子の格子パターン領域の表面に金属膜が形成されるように構成されていてもよいし、または、主材料が金属で構成されていてもよい。

【0037】

図２では、第２回折格子２２から出射する０次光２８（２８Ａ、２８Ｂ）以外の回折光としての±ｐ次回折光のうち−ｍ'次回折光２５（２５Ａ、２５Ｂ）のみを示している。この「ｍ'」は、一対の反射面３３、３３で反射された回折光の次数である「ｍ」と同じ次数を意味する。説明をわかり易くするため、第１回折格子２１から出射する回折光の次数に対して、第２回折格子２２から出射する回折光の次数に「'」に形式的に付しているが、これらの次数は同じである。

【0038】

具体的には、第１回折格子２１からの＋ｍ次回折光２３Ａが、図２中、第２回折格子２２により時計回り方向に折れて＋ｍ'次回折光２５Ａが生成される。また、第１回折格子２１からの−ｍ次回折光２３Ｂが、図２中、第２回折格子２２により反時計回り方向に折れて、−ｍ'次回折光２５Ｂが生成される。＋ｍ'次回折光２５Ａと−ｍ'次回折光２５Ｂとは、同じ光路（例えばｙ方向）で生成される。言い換えると、導光部材３１の一対の平行な反射面３３、３３によって第１回折格子２１からの±ｍ次回折光２３がそれぞれ反射されることにより、第２回折格子２２では±ｍ'次回折光２５がｙ方向に沿って生成される。

【0039】

典型的には、±ｍ次回折光２３が上記したように±１次回折光である場合、±ｍ'次回折光２５も±１次回折光である。これら＋ｍ'次回折光２５Ａおよび−ｍ'次回折光２５Ｂが干渉することで、干渉光２７が生成される。

【0040】

ＰＤ４０は、第２回折格子２２から出射された干渉光２７を検出する。第１回折格子２１および第２回折格子２２が相対的にｘ方向に移動するとき、ＰＤ４０は、格子線２１ａ（２２ａ）のピッチごとに、明暗のセットを１周期とする周期性の光量（光強度に対応）を得る。その周期性を持つ波形は、典型的にはサインカーブとなる。ＰＤ４０は、例えばその波形を持つ電圧信号を出力し、図示しない回路（演算部）に出力する。

【0041】

図示しない回路は、例えばＡＤ変換器および演算回路を備える。演算回路は、上記電圧信号に応じた変位を出力するように構成される。ＡＤ変換器および／または演算回路は、ＰＤ４０に一体に設けられていてもよい。

【0042】

以上のように、本実施形態に係る光学ユニット５０を備えた変位計測装置１００Ａでは、導光部材３１に設けられた対向する平行な一対の反射面３３、３３により特定次数の回折光であるｍ次回折光がそれぞれ反射させられ、第２回折格子２２に導かれる。また、プリズムミラー３５により０次光２６がアパーチャ部材１６側へ戻される。すなわち、実質的に±ｍ次回折光２３のみが第２回折格子２２に入射し、０次光２６を含む他の次数の回折光である変位計測に不要な光が機械的に遮断される。また、０次光２８もｙ方向に対して斜めに進むのでＰＤ４０に入射しない。したがって、不要な光がＰＤ４０に入射することによるノイズの発生を実質的に無くすことができ、変位の計測精度を高めることができる。

【0043】

［上記特許文献２に記載の変位計測装置との第１の実施形態との比較］
ここで、上記特許文献２に記載の実施例１に係る変位計測装置では、０次光を含む不要な次数の回折光が第２回折格子から生成されるという課題があった。そこで、本発明者らは、第１回折格子および第２回折格子の構造を変えることで、その対策をしようとした。例えば、図３、４は、第１回折格子２１および第２回折格子２２の構造として、格子線２１ａ、２２ａによる溝（格子溝）の深さＤ（図２参照）と、回折効率との関係を示すシミュレーションによるグラフである。

【0044】

縦軸の回折効率は、第２回折格子２２に入射する光の強度を１とした場合の、第２回折格子２２から出射される、０次を含む各次数の回折光の強度を表す。回折格子の格子線ピッチは4.8μmとされた。回折光の偏光方向（電場ベクトルの振動方向）は、格子線２１ａ，２２ａに沿う方向に対して直交している。

【0045】

図３では、例えば±ｍ次回折光２３（および±ｍ'次回折光２５）として、±１次回折光を、干渉光２７の生成に利用する場合を想定している。図３からわかるように、格子溝の深さＤを調整しても、いずれか１つの深さＤにおいて、０次光、２次回折光および３次回折光の回折効率を、原理上、すべて０にすることはできない。

【0046】

図４は、図３に示すグラフのうち、回折効率が0〜0.05の範囲の０次光に着目したグラフであって、かつ、その偏光方向が格子溝に直交するものと、格子溝に平行なものとの両方を示している。図４に示すように、たとえ格子溝の深さを適宜調整した場合であっても、０次光の回折効率を０にすることは、原理上、不可能である。

【0047】

これに対し、上記第１の実施形態に係る光学ユニット５０によれば、変位計測に不要な光が機械的に遮断されるので、ノイズが発生せず、計測精度を高めることができる。

【0048】

なお、第１の実施形態に係る変位計測装置１００Ａが要求される計測精度に比べて低い計測精度で足りる場面では、特許文献２に開示された変位計測装置も、もちろん要求された計測精度の範囲内で使用可能である。

【0049】

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。これ以降の説明では、上記第１の実施形態に係る変位計測装置１００Ａが含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

【0050】

図５Ａは、第２の実施形態に係る光学ユニットにおける第２の回折格子の格子パターン領域を示す。この光学ユニットの図示しない第１回折格子は、上記第１の実施形態に係る第１回折格子２１と同一形態を有する。図５Ｂは、第２の実施形態に係るＰＤの受光領域を示す。

【0051】

図５Ａに示すように、第２回折格子５２は、例えばｚ方向に配列された３つの格子パターン領域５２１、５２２、５２３を有する。各格子パターン領域５２１、５２２、５２３では、格子線５２ａのピッチはそれぞれ同一である。しかし、この第２回折格子５２は、格子線５２ａの配列（以下、格子線配列）が当該格子パターン領域ごとに格子線の配列方向（ｘ方向）に１ピッチより小さい所定距離だけシフトされるように、構成されている。具体的には、格子線配列は、１ピッチの1/3ずつシフトされている。

【0052】

一方、図５Ｂに示すように、上記第２回折格子５２の格子パターン領域５２１、５２２、５２３にそれぞれ対応するように、ＰＤ４５も、複数の受光領域として、ｚ方向に配列された３つの受光領域４５１、４５２、４５３を有する。

【0053】

第２回折格子５２において、格子パターン領域ごとに格子線配列がシフトされているので、位相が異なる複数の干渉光が生成される。ここでは、第２回折格子５２には、３つの格子パターン領域５２１、５２２、５２３が設けられ、格子線配列は１ピッチの1/3ずつシフトしている。したがって、第１回折格子２１および第２回折格子５２がｘ方向に相対的に移動するとき、第２回折格子５２により、位相が120°ずつずれた３つの干渉光が生成される。ＰＤ４５の受光領域４５１、４５２、４５３は、これら位相が異なる干渉光をそれぞれ受光する。

【0054】

図６は、このＰＤ４５により得られる検出信号（電圧信号）の実測のグラフである。位相が120°ずつずれた３相のきれいな形状の電圧信号が得られる。横軸は、第１回折格子および第２回折格子５２の変位量を示す。

【0055】

図７は、比較例に係る変位計測装置え得られる３相の検出信号（電圧信号）の実測のグラフである。比較例として、上記特許文献２に記載された実施例１に係る変位計測装置の構造を有し、かつ、第２の回折格子およびＰＤが上記の第２回折格子５２およびＰＤ４５に差し替えられた構造を有する変位計測装置を挙げる。ただしこの場合、第１の回折格子および第２の回折格子の相対変位の方向は、格子線の配列方向とされた。

【0056】

図７からわかるように、各相の信号について、１周期ごとの振幅がばらばらになっているので、第１、第２の実施形態と比較すると、高精度な変位計測を行うことができない。

【0057】

なお、この第２の実施形態に係る光学ユニットを含む変位計測装置が要求される計測精度に比べて低い計測精度で足りる場面では、特許文献２に開示された変位計測装置も、もちろん要求された計測精度の範囲内で使用可能である。

【0058】

また、第２回折格子の格子パターン領域およびＰＤの受光領域は、４つ以上設けられていてもよい。その場合、例えば４つ以上のパターン領域および受光領域は、マトリクス状に配置されていてもよい。

【0059】

また、第２回折格子が複数の格子パターン領域を有するのではなく、第１の回折格子がそれを有していてもよい。

【0060】

［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３の実施形態に係る光学ユニット５５を備える変位計測装置を示す斜視図である。

【0061】

この変位計測装置１００Ｂの光学ユニット５５は、透過型の第１回折格子２１'と、反射型の第２回折格子２２'とを備える。上記第１の実施形態では、第１回折格子２１および第２回折格子２２の配列方向がｙ方向であったが、第１回折格子２１'および第２回折格子２２'の配列方向がｚ方向とされている。

【0062】

光学部材３０は、導光部材３１と、導光部材３１および第２回折格子２２'の間に配置されたプリズムミラー３５（反射部材）とを有する。プリズムミラー３５は、例えば導光部材３１に取り付けられ、一体で設けられている。導光部材３１は、一対の反射面３３、３３を有し、第１回折格子２１'から出射される±ｍ次回折光２３（２３Ａ、２３Ｂ）を、一対の反射面３３、３３でそれぞれ反射させて第２回折格子２２'へ導く。

【0063】

プリズムミラー３５は、第１の面およびその反対側に設けられた第２の面を有する。第１の面は、第１回折格子２１'を透過してｚ方向に沿って進行する０次光２６を、第２回折格子２２'の位置とは異なる位置、ここでは、ｙ方向へ直角に反射し、ＰＤ４０が配置される側とは逆側へ進行させる。第２の面は、第２回折格子２２'で生成された±ｍ'次回折光２５（２５Ａ、２５Ｂ）が干渉して得られる干渉光２７を、ｙ方向へ直角に反射し、ＰＤ４０へ向けて進行させる。

【0064】

第２回折格子２２'で生成された＋ｍ次回折光２３Ａによる０次光は、−ｍ次回折光２３Ｂが進行してきた光路を戻る。第２回折格子２２'で生成された−ｍ次回折光２３Ｂによる０次光は、＋ｍ次回折光２３Ａが進行してきた光路を戻る。

【0065】

なお、プリズムミラー３５とＰＤ４０との間には、例えば、ＰＤ４０に集光させるコリメートレンズ１８が設けられている。

【0066】

本実施形態によれば、上記実施形態と同様に、導光部材３１の一対の反射面３３、３３が設けられることにより、変位計測に不要な光が機械的に遮断されるので、ノイズが発生せず、計測精度を高めることができる。また、第１回折格子２１'からの０次光２６を反射する機能、および第２回折格子２２'からの干渉光２７を反射する機能を、１つのプリズムミラー３５で兼用でき、光学ユニット５５の小型化に寄与する。

【0067】

［第４の実施形態］
図９は、本発明の第４の実施形態に係る変位計測装置の光学ユニットの構成を示す。光源、ＰＤ等の図示は省略されている。

【0068】

この変位計測装置１００Ｃの光学ユニットにおける第１回折格子２１'および第２回折格子２２は、両方とも透過型の回折格子である。導光部材３１にはミラー３７（反射部材）が一体に設けられている。第１回折格子２１'から出射した０次光２６は、第２回折格子２２の位置とは異なる位置、ここでは、進行してきた光路を逆方向にこのミラー３７によって反射させられる。

【0069】

第１回折格子２１'から出射した±ｍ次回折光２３（２３Ａ、２３Ｂ）は、導光部材３１の平行な一対の反射面３３、３３によりそれぞれ反射させられ、第２回折格子２２へ導かれる。第２回折格子２２は、±ｍ'次回折光２５（２５Ａ、２５Ｂ）の干渉光２７を出射する。

【0070】

なお、ミラー３７に代えて、上記各実施形態のように直角方向（ｚ方向）に反射するプリズムミラーが設けられていてもよい。

【0071】

［第５の実施形態］
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る光学ユニットを備える変位計測装置の構成を示す。

【0072】

この変位計測装置１００Ｄの光学ユニットは、反射型の第１回折格子２１と、透過型の第２回折格子２２とを有する。導光部材８１（光学部材）は、一対の平行な反射面８３、８３を有するが、その四角形の頂角が非直角である。すなわちその形状は平行四辺形でなる。

【0073】

第１回折格子２１で生成された０次光２６は、ｚ方向に沿って直進して光源１２側に戻る。第１回折格子２１で生成された±ｍ次回折光２３のうち一方、例えば−ｍ次回折光２３Ｂは、導光部材８１の一対の反射面８３、８３のうち一方の反射面させられ、さらに、導光部材８１内を通って他方の反射面で反射させられ、第２回折格子２２に入射する。他方、＋ｍ次回折光２３Ａは、一対の反射面８３、８３の間の導光部材８１内を通り、第２回折格子２２に入射する。なお、０次光２６を反射する反射部材または吸収部材が、導光部材８１と一体または別体で設けられていてもよい。

【0074】

このような構成によっても、上記各実施形態と同様の効果が得られ、また、光源１２およびＰＤ４０を近くに配置できるので、変位計測装置１００Ｄの小型化を実現できる。
［他の種々の実施形態］

【0075】

本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

【0076】

例えば、上記第１の実施形態において、第２回折格子２２を反射型の回折格子に置き換えてもよい。つまりこの形態は、第１および第２回折格子の両方が反射型とされる形態である。この場合、導光部材と第２回折格子との間に、プリズムミラーが設けられ（図８参照）、このプリズムミラーにより、第２回折格子からの干渉光が直角に反射される。このような形態では、光源およびＰＤを近接して配置できるので、例えば共通の１つの実装基板上にそれら光源およびＰＤが実装される構成とすることができる。これにより、変位計測装置の小型化を実現できる。

【0077】

上記各実施形態では、計測対象となる変位方向は、第１回折格子２１および第２回折格子２２の格子線２１ａ、２２ａの配列方向の相対移動方向であった。しかし、上記特許文献２の技術内容と同様に、第１回折格子および第２回折格子が配列される方向に相対移動することによっても、それに応じて干渉光の強度が変わる。したがってこの場合、変位計測装置は、その強度を検出することにより、その相対変位を計測することができる。

【0078】

上記各実施形態では、導光部材３１（８１）とプリズムミラー３５（ミラー３７）とが接続されて一体に設けられていたが、これらは別体であってもよい。

【0079】

プリズムミラー３５およびミラー３７に代えて、光を吸収できる吸収部材が、導光部材３１と一体または別体で設けられてもよい。

【0080】

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。例えば、第２の実施形態に係る第２回折格子５２およびＰＤ４５が、第３または５の実施形態に適用されてもよい。

【符号の説明】

【0081】

１２…光源
２１、２１'…第１回折格子
２２、２２'、５２…第２回折格子
２３…±ｍ次回折光
２３Ａ…＋ｍ次回折光
２３Ｂ…−ｍ次回折光
２５…±ｍ'次回折光
２５Ａ…＋ｍ'次回折光
２５Ｂ…−ｍ'次回折光
２６…０次光
２７…干渉光
３０…光学部材
３１、８１…導光部材
３３、８３…反射面
３５…プリズムミラー
３５ａ…ミラー部
３７…ミラー
４０、４５…ＰＤ
５０、５５…光学ユニット
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ…変位計測装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】