CN1793778A - 位移检测器 - Google Patents

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Abstract

位移检测器包括：光源(140)；分束器(170)，其用于将从光源(140)发送的光分成两束光束；反射镜(181、182)，提供给从分束器(170)发送的两束光束，用于反射这两束光束并使它们入射到标尺(110)上；和角隅棱镜(191、192)，提供给在入射到标尺(110)的两束光束被衍射光栅(111)衍射时产生的衍射光束，其中角隅棱镜(191、192)回射所述衍射光并使所述光作为回射光入射到标尺上。在入射光和标尺的法线矢量之间形成的到光栅凹槽的入射角大于在回射光和标尺的法线矢量之间形成的衍射角。

Description

位移检测器
技术领域
本发明涉及位移检测器。例如，本发明涉及激光束干涉型位移检测器。
背景技术
已知激光束干涉型位移检测器(例如，参见JP-A-4-270290)。如图11所示，相关技术的激光束干涉型位移检测器200包括：标尺210；和能够在该标尺210的长度测量方向相对移动的检测头部分220，用于检测相对标尺210的位移。
标尺210具有沿纵向(即，长度测量方向)布置的反射型衍射光栅211。检测头部分220包括光发射和接收部分230，和光学器件单元部分260。
光发射和接收部分230包括：用于发射激光束(L31)的光源240；和用于接收被标尺210反射和衍射的干涉光的光接收部分250。
光学器件单元部分260包括：分束器270；第一反射镜281；第二反射镜282；第一角隅棱镜291；第二角隅棱镜292。分束器270把从光源240发送的光(L31)分开。第一反射镜281把被分束器270分开的一光束(L32)反射(L34)到标尺210。第二反射镜282把被分束器270分开的另一光束(L33)反射(L35)到标尺210。第一角隅棱镜291把从标尺210发送的一反射和衍射光束(L36)回射(L38)到标尺210。第二角隅棱镜292把从标尺210发送的另一反射和衍射光束(L37)回射(L39)到标尺210。
为了后面的解释，术语定义如下。标尺的长度测量方向是X轴方向，衍射光栅凹槽的方向是Y轴，和标尺210的法线方向是Z轴方向，如图12所示。
在这种情况下，为了使位移检测器200紧凑，光发射和接收部分230、第一反射镜281和第二反射镜282沿标尺210的长度测量方向布置在中心线(X轴)一侧，和第一角隅棱镜291和第二角隅棱镜292布置在另一侧。
也就是说，经过第一反射镜281和第二反射镜282入射到标尺210的光束相对衍射光栅凹槽倾斜地入射。换言之，构成所谓的锥形衍射。
在这种结构中，从光源240发射的光L31被分束器270分开(在图11中的L32和L33)。然后，这样分开的光束被第一反射镜281和第二反射镜282反射(图11中的L34和L35)，然后，入射到标尺210上，并且被反射和衍射。从标尺210发送的反射和衍射的光束(图11中的L36和L37)被第一角隅棱镜291和第二角隅棱镜292回射(图11中的L38和L39)，并再次被标尺反射和衍射(L40和L41)。这些反射和衍射的光束L40、L41在第一反射镜281和第二反射镜282上反射(L42，L43)，并被分束器270合成和被光接收部分250接收。
当从光接收部分250输出的光接收信号用预定的信号处理程序处理时，标尺210和检测头部分220之间的相对位移得到检测。
当从标尺210发送的反射和衍射光被回射时，如上所述，可以获得四倍放大的光学信号，并且可以提高分辨能力。
但是，上述结构是所谓的锥形衍射，其中入射到标尺210上的光束(L34，L35)相对衍射光栅凹槽的方向倾斜地入射，并且衍射光束(L36，L37)相对衍射光栅凹槽的方向倾斜地入射。
通常，在这种情况下，锥形衍射的条件可以用下列表达式表达。
[表达式1]
        P·cosε·(sinα±sinβ)＝m·λ
        β＝sin-1{(mλ/cosε·P)-sinα}
在这个表达式中，λ是光的波长(例如，635nm)，m是衍射级，P是光栅间距。在入射光(L34)投影到X-Z平面与法线之间形成的夹角α，在衍射光(L36)投影到X-Z平面与法线之间形成的夹角β，和在入射光(L34)与X-Z之间形成的夹角ε(锥形角)，如图12所示。
根据上述表达式，在标尺210和检测头部分220之间的相对位置变化的情况下，当标尺210绕垂直轴(Z轴)偏转或标尺210绕X轴滚动时，入射角α和锥形角ε变化。因此，衍射角β变化。
图13是表示在标尺210偏转的情况下光路的示图。图13也表示位移检测器200的部分结构。
如图13所示，当从第二反射镜282发送的入射光L35衍射时产生的衍射光L37的衍射角β变化，光的光路变化。因此，回归的光学长度(L37+L39)波动和位置信息偏离。当回射和衍射光入射到分束器的位置变化时(即，当L43入射到分束器270的位置变化时)，干涉信号的强度降低，并且检测精度降低。
发明内容
本发明的目的是提供位移检测器，其相对标尺和检测头部分之间相对位置变化、具有稳定性能；高分辨能力；并且其可以稳定地检测位移。
本发明提供位移检测器，包括：具有衍射光栅的标尺；和检测头，其布置成能够相对标尺相对移动，将干涉光发射到标尺并接收从标尺发送的衍射光，检测头包括：发射干涉光的光源；分光部件，用于将从光源发送的光分成两束光束；光学元件，其被布置成用于从分光部件发送的两束光束的每一束，用于反射从分光部件发送的光束和使光束入射到标尺上作为入射光；和回射器，其被布置成用于在入射到标尺上的两束光束被衍射光栅衍射时产生的每束衍射光束，用于回射所述衍射光并使该光入射到标尺上作为回射光，其中入射光和回射光沿垂直于衍射光栅凹槽的方向入射，和在入射光和标尺的法线矢量之间形成的夹角大于在回射光和标尺的法线矢量之间的夹角。
在这种结构中，检测头部分发射干涉光到标尺。该光被标尺的衍射光栅衍射。从而所衍射的光被检测头部分接收。从该光接收信号，可以检测标尺和检测头部分之间的相对位移。
此时，从光源发射的光被分光部件分成两束光束。这些光束分别被标尺的衍射光栅衍射。然后，每束衍射光束被回射器返回到标尺作为回射光。回射光再次被标尺衍射。在回射光被衍射光栅衍射时产生的光束被合成，并且干涉光被检测头部分接收。由于前述原因，接收光学放大四倍的干涉信号，并且标尺和检测头部分之间的相对位移可以用高分辨能力检测。
在这种情况下，入射光和回射光沿垂直于衍射光栅凹槽的方向入射到标尺上。因此，例如，与锥形衍射的情况相比较，可能减小由标尺偏转造成的衍射光沿入射方向的变化。结果，可能减小由标尺偏转造成的两束光束的每一束的光路长度的变化。因此，例如，相对标尺的偏转可以稳定检测精度。
另外，当减小由标尺偏转造成的衍射光沿入射方向的变化时，可能精确地合成两束干涉光束。因此，可以保证干涉光的信号效率，并可以保持高的检测精度。
当入射光和回射光沿垂直于衍射光栅凹槽的方向入射时，与锥形衍射的情况相比，可以提高衍射效率。那么，被接收的干涉光的数量可以增加。从而，可以提高检测精度。
因为入射光的入射角增加，从而入射光的入射角(在入射光和标尺的法线矢量之间形成的夹角)可以大于回射光的入射角，可能减小由于标尺偏转造成的衍射角的变化。在后面会详细地描述该内容。即，减小由于标尺偏转造成的两束光束每一束的光路长度的变化，相对标尺的偏转可以稳定检测精度。
如上所述，当抑制沿入射方向衍射光的变化相对由于标尺偏转造成的标尺和检测头部分的相对位置的变化时，可以稳定检测精度，并且可以精确地检测标尺和检测头之间的相对位移。
在这种结构中，标尺的衍射光栅可以是透射型衍射光栅或反射型衍射光栅。
在本发明中，标尺包括反射型衍射光栅，光学元件和回射器分布置在垂直于衍射光栅的平面上，光学元件布置在比回射器更靠近标尺的一侧。
在这种结构中，因为使用反射型衍射光栅，光学元件和回射器必须布置在标尺的反射面侧。但是，当光学元件布置在标尺的一侧和回射器布置在与标尺分离这侧，光学元件和回射器可以布置在标尺的反射面侧，不会造成任何问题。
当光学元件布置在标尺这侧时，可能增加入射光的入射角。结果，可以减小由于标尺偏转造成的衍射角的变化。那么，可以减小两束光束的每一束的光路长度变化。因此，相对标尺偏转可以稳定检测精度。
因为光学元件和回射器布置在垂直于衍射光栅凹槽的平面，光学元件和回射器布置在相同的平面。因此，可以减小检测头部分的宽度。因此，例如，检测头部分的宽度可以与标尺的宽度一致。结果，位移检测器可以做得薄而紧凑。
在这种情况下，光学元件布置在比回射器更靠近标尺这侧。这种装置从标尺到光学元件的距离短于从标尺到回射器的距离。
在这种结构中，因为期望回射光的光路长度尽可能短，所以回射器可以尽可能靠近标尺布置，当然，在这种情况下，回射器可以布置成比反射镜更靠近标尺。但是，因为为了抑制由于标尺偏转造成的衍射角的变化，需要增加入射光的入射角，当光学元件布置在标尺这侧时，可以容易布局组件。
在本发明中，分光部件是偏振分束器，相对于偏振分束器的偏振方向偏振45°的一部分入射光透过偏振分束器，另一部分入射光被偏振分束器反射，从而所述光被分别分成偏振方向相互垂直的两束光束。检测头部分包括相位推延片，在该相位推延片上，在从光源发射并在偏振分束器上反射的光的偏振方向旋转的条件下，光入射到反射型衍射光栅，当该入射光被反射型衍射光栅反射和衍射时获得光的偏振方向再次旋转，从而光可以形成基本上垂直于偏振分束器偏振方向的偏振光。反射型衍射光栅优选由具有偏振特性的薄金属膜构成，其中在保持偏振方向的条件下入射光被反射和衍射。
在这种结构中，从光源发送的光入射到偏振分束器上，相对偏振分束器的偏振方向偏振45°。
然后，光被分成两束光束。一束光束的偏振方向平行于偏振分束器的偏振方向。该光束在下文中称为P波。另一束光束的偏振方向垂直于分束器的偏振方向。该光束在下文中称为S波。
因此，当偏振方向被相位推延片旋转时，例如，所分开的S波变成P波。
从而所分开的两束光束入射到反射型衍射光栅，并且被反射和衍射。但是，因为反射型衍射光栅由具有衍射特性的金属膜构成，当保持偏振方向时，所述两束光束被反射和衍射，即，两束光束被反射和衍射，同时它们保持在P波状态。
由反射型衍射光栅反射和衍射的一束光束入射到偏振分束器上，同时它保持在P波状态，而另一束光束的偏振方向被相位推延片旋转，光束变成与偏振分束器的偏振方向成直角的偏振光束，并入射到偏振分束器上。
然后，一束光束照原状透过偏振分束器，而另一束光束被偏振分束器反射。因此，两束光束沿相同方向传递。
如上所述，被偏振分束器分开并且被反射型衍射光栅反射和衍射的两束光束最终沿相同的方向传递。因此，光的使用效率高，并且可以提高接收干涉光的强度。因此，检测精度可以提高到最高。
在这种情况下，金属薄膜构成的反射型衍射光栅的实例是铝、铬和金。
在本发明中，优选检测头部分包括布置在反射型衍射光栅的反射面侧的玻璃件。
在这种结构中，玻璃件设置在反射型衍射光栅的反射面侧，只有满足布鲁斯角特(Brewster’s)角的偏振光透过玻璃件。因此，入射到所述反射衍射光栅的光的偏振方向可以非常精确地相同。
附图说明
图1是本发明的位移检测器第一实施例的布置图。
图2是第一实施例的局部透视图。
图3是在光以一定入射角入射的条件下、在标尺偏转(偏转角2′)的情况下入射角和衍射角变化的曲线图，其中横坐标轴表示在标尺上的入射角，纵坐标轴表示衍射角变化(Δθdiff)。
图4是入射角和衍射效率的曲线图，其中横坐标轴表示在标尺上的入射角，纵坐标轴表示以一定入射角的衍射效率。
图5是本发明的位移检测器第二实施例的结构图。
图6是在第二实施例中偏振分束器(polarization beams splitter)和两相位推延片之间位置关系的透视图。
图7是第二实施例的光接收部分布置变化的改型实例图。
图8是本发明的位移检测器第三实施例的布置图。
图9是在第三实施例中偏振分束器和两相位推延片之间位置关系的透视图。
图10是本发明的位移检测器的改型实施例1的示图。
图11是相关技术的位移检测器的布置图。
图12是表示在相关技术的位移检测器中，入射角、锥形角和衍射角的关系。
图13是表示在相关技术的位移检测器中，由于标尺的偏转光路变化的情况。
具体实施例方式
本发明的实施例在附图中示出，下面参照附图中与组件相关的附图标记解释本发明。
[第一实施例]
下面解释本发明的位移检测器的第一实施例。
图1是本发明的位移检测器第一实施例的布置图。
位移检测器100包括标尺110和检测头部分120。
标尺110水平布置，从而它可以沿长度测量方向的纵向滑动。在这种情况下，为了便于解释，标尺110的纵向(长度测量方向)定义为X轴，标尺110的法线方向定义为Z轴，标尺110的横向(垂直于图1表面的方向)定义为Y轴。
反射型衍射光栅111布置在标尺110表面的纵向(X轴方向)，与检测头部分120相对。
具有偏振特性的金属薄膜被蒸汽沉积在衍射光栅111的表面。因此，在保持入射光的偏振方向不变的条件下，光被衍射光栅111反射和衍射。在这种结构中，金属薄膜的实例是铝、铬和金。
衍射光栅111的间距P是满足布拉格(Bragg’s)衍射条件的光栅周期。在使用的光波长是在从可见光区到近红外区范围的情况下，光栅间距的实例是0.4μm-1.0μm。满足上述布拉格衍射条件的衍射光栅111相对偏振光(该偏振光在下文中称为P波)呈现高衍射效率，其偏转方向是在X-Z平面。
检测头部分120包括反发射和接收部分130，和光学器件单元部分160。
光发射和接收部分130包括：光源部分140；和光接收部分150。光源部分140经过光学器件单元部分160发射激光束(干涉光)L1到标尺110。光接收部分150接收被标尺110的衍射光栅111衍射并且被光学器件单元部分160合成的光L15。
光源部分140包括：光源141，其为激光二极管；和透镜142。光源140的发光方向平行于标尺110的长度测量方向，即，光源140的发光方向是水平的。从光源140发射的光(L1)是45°偏振光。
从激光源141发射的光(L1)是从可见光区到近红外区范围的干涉光。例如，从激光源141发射的光(L1)是红外激光束，其波长是在650nm附近。
光接收部分150包括：分波部分151，用于将被衍射光栅111衍射并且然后被光学器件单元部分160合成的光(L15)分成四束光波(L19-L22)；和四个光电二极管156A-156D，用于接收光的四束分开的光束(L19-L22)。
分波部分151包括：非偏振分束器(non-polarizing beam splitter)152；偏振分束器153；偏振分束器154；和相位推延片155。非偏振分束器152把被光学器件单元部分160合成的光(L15)分成两束光束(L17，L18)。偏振分束器153进一步将从非偏振分束器152发送的一束光束(L17)分成两束光束(L19，L20)。偏振分束器154进一步将从非偏振分束器152发送的另一光束(L18)分成两束光束(L21，L22)。相位推延片155布置在非偏振分束器152和偏振分束器154之间。
该相位推延片155在被非偏振分束器152分开的两束光束(L17，L18)之间形成90°的相位差。
光电二极管包括：光电二极管156A；光电二极管156B；光电二极管156C；和光电二极管156D。光电二极管156A接收被偏振分束器153分开的一束光束(L19)。光电二极管156B接收被偏振分束器153分开的另一光束(L20)。光电二极管156C接收被偏振分束器154分开的一束光束(L21)。光电二极管156D接收被偏振分束器154分开的另一光束(L22)。
光学器件单元部分160布置在光发射和接收部分130与标尺110之间，并相对光发射和接收部分130固定。光学器件单元部分160相对与光发射和接收部分130整体的标尺110相对移动。
光学器件单元部分160包括：导波镜161；偏振分束器(分光部件)170；两块相位片175A、175B；反射镜部分180；回射部分190；盖玻璃件162；和1/2波长片163。
关于整个布置，导波镜161，分束器170，反射镜部分180和回射部分190沿标尺110的纵向布置在垂直平面(XZ平面)。
导波镜161是三角杆形棱镜，向下倾斜45°反射(L2)从光源部分140水平发射的光(L1)，和反射从标尺110发送的反射和衍射光(L15)，并将光导向光接收部分150。
只有P波透过偏振分束器170。然后，偏振分束器170将从光源部分140发送的激光束(L1)分成两束光束(L3，L4)。当从光源部分140发送的激光束(L1)以45°偏振入射到偏振分束器170上时，它被分成被偏振分束器170反射的S波(沿-X方向的光L3)和透过分束器170的P波(沿+X方向的光L4)。
关于两块相位片，提供1/2波长片175A和与1/2波长片175A具有相同折射系数的透明介质175B，用于使两个光束的光路长度彼此一致。1/2波长片175A将被偏振分束器170反射的S波旋转成形成P波(L3)。另外，1/2波长片175A将从标尺110发送的反射和衍射光(P波)L13旋转形成S波。
反射镜部分180包括：第一反射镜(光学元件)181，用于将被偏振分束器170分开的一束光束(沿-X方向的光L3)反射(L5)到标尺110；和第二反射镜(光学元件)182，用于将被偏振分束器170分开的另一光束(沿+X方向的光L4)反射(L6)到标尺110。
被第一反射镜181和第二反射镜182反射的光束(L5，L6)入射到标尺110上相同点。但是，在图1中，为了方便解释，图示的点具有小位移。
在这个实施例中，调整第一反射镜181和第二反射镜182的布置角，使得入射角α可以为62°，其中在波长λ和光栅周期P满足表达式λ≈1.59P的条件下，被第一反射镜181和第二反射镜182反射的光束(L5，L6)入射到标尺110。
回射部分190包括：第一角隅棱镜(回射器)191；和第二角隅棱镜(回射器)192。第一角隅棱镜(回射器)191回射(L9)衍射光(L7)，其中从第一反射镜181发送的入射光(L5)被标尺110反射和衍射。第二角隅棱镜(回射器)192回射(L10)衍射光(L8)，其中从第二反射镜182发送的入射光(L6)被标尺110反射和衍射。
第一角隅棱镜191和第二角隅棱镜192位于比第一反射镜181和第二反射镜182更远离标尺110的位置。这些位置比分别连接偏振分束器170与第一反射镜181和第二反射镜182的连线更远离标尺110。
从第一反射镜181和第二反射镜182入射到标尺110的入射光束(L5，L6)被衍射光栅111衍射并产生衍射光束。第一角隅棱镜191和第二角隅棱镜192布置成使得在这些衍射光束中的-1级衍射光束(L7，L8)可以被回射(L9，L10)。
在第一角隅棱镜191和第二角隅棱镜192内，蒸汽沉积具有偏振特性的金属膜，例如，蒸汽沉积银或铝形成的金属膜。因此，从第一角隅棱镜191和第二角隅棱镜192发送的回射光的偏振方向与入射光的偏振方向一致。
在这种结构中，在该实施例中，-1级衍射光(L7，L8)的入射角是45°。即，从第一角隅棱镜191和第二角隅棱镜192被回射的回射光(L9，L10)的入射角β是45°。即，从第一反射镜181和第二反射镜182入射到标尺110的入射光(L5，L6)的入射角α，大于从第一角隅棱镜191和第二角隅棱镜192被回射到标尺110的回射光(L9，L10)。
图2是第一实施例的局部透视图。如图2所示，当光(L9)从角隅棱镜(191，192)被回射时，回射光(L9)的光路相对-1级衍射光(L7)沿标尺110的横向(Y方向)移动。在这种结构中，为了便于解释，图2省略盖玻璃件(cap glass member)。
盖玻璃件162相对入射光(L5，L6)以布鲁斯特角布置。只有当P波透过盖玻璃件162时，盖玻璃件162起布鲁斯特窗的作用。
1/2波长片163将通过偏振分束器170并且在导波镜161上反射的光的偏振方向旋转45°，并且使光(L16)入射到光接收部分150。
简要解释这个结构中从光源部分140发射的光被光接收部分150接收的光路。
从光源部分140发射的激光束L1在导波镜161上反射(L2)，然后，被偏振分束器170分开(L3，L4)，在第一反射镜181和第二反射镜182上反射，并入射到标尺110上(L5，L6)。
在这种情况下，从光源部分140发射的光(L1)以偏振角45°入射到导波镜161。当在导波镜161上反射的反射光(L2)被偏振分束器170分开时，P波(L4)透射，而S波反射。另外，该S波通过1/2波长片175A变成P波(L3)。因为只有P波透过盖玻璃件，从偏振分光装置170发送的两束光(L3，L4)被过滤，只有P波照射到标尺110。
当该入射光(L5，L6)在标尺110反射和衍射时产生的-1级光衍射光(L7，L8)被第一角隅棱镜191和第二角隅棱镜192回射，并再次入射到标尺110(L9，L10)。当该回射光(L9，L10)在标尺110上反射和衍射时产生的(L11，L12)在第一反射镜181和第二反射镜182上反射(L13，L14)，并且被偏振分束器170合成。
在这种情况下，具有偏振特性的金属薄膜(例如，铝薄膜)蒸汽沉积在标尺110的衍射光栅111上。另外，具有偏振特性的金属膜(例如，银膜)蒸汽沉积在第一角隅棱镜191和第二角隅棱镜192的里面。因此，当光在标尺110和角隅棱镜191、192上反射时，光的偏振方向不变，即，事实上保持光的偏振方向。因此，当入射到标尺110上的两束光束(L5，L6)是P波时，返回到偏振分束器的光(L3，L4)保持为P波不变。
在反射镜181上反射并发送到偏振分束器170的光束(L13，L14)之一(L13)的偏振方向被1/2波长片175A旋转，光从P波变成S波。因此，所有光束在偏振分束器170上被反射。关于另一光束(L14)，尽管光路的长度经过透明介质175B调整，偏振方向没有改变，并且当光保持在P波形式时，光束入射到偏振分束器170。然后，光束透过偏振分束器170。即，在标尺110上反射和衍射的两束光束被偏振分束器170合成，并且形成沿相同方向传播的光(L15)。
关于被偏振分束器170合成的光束(L15)，一束是S波，另一束是P波。当光束在导波镜161上反射并且偏振方向被1/2波长片163旋转时，两束光束的偏转方向分别旋转45°。因此，光(L15)变成45°偏振和135°偏振的光(L16)，并且入射到光接收部分150。
在光接收部分150中，从导波镜161发送的光束(L16)首先被非偏振分束器152分开(L17，L18)。分开的光束之一(L17)进一步被偏振分束器153分开(L19，L20)。此时，在从导波镜161入射到光接收部分150的光束中，45°偏振的光波和135°偏振的光波相互合成。因此，当光束被偏振分束器153分成透射光(L19)和反射光(L20)时，这些光束相互干涉。因此，在透射光(L19)和反射光(L20)之间产生180°的相位差。
具有180°相位差的两束光束分别被光电二极管156A、156B接收。因此，例如，当通过光电二极管156A获得正弦信号(sin)时，通过光电二极管156B获得负正弦信号(-sin)。
关于被非偏振分束器152分开的另一光束(L18)，偏转方向被相位推延片(1/2波长片)155旋转90°，光束被偏振分束器154分开(L21，L22)，并且各个光束被光电二极管156C、156D接收。当光被偏振分束器154分成透射光(L21)和反射光(L22)时，两束光束相互干涉，并且在透射光和反射光之间产生180°的相位差。当通过光电二极管156C获得余弦(cos)信号时，通过光电二极管156D获得负余弦信号(-cos)。
从光电二极管156A和光电二极管156B发送的信号被差分放大，并且从光电二极管156C和光电二极管156D发送的信号被差分放大。从这两个差分放大的信号画出Lissajous图，通过在该Lissajous图中的变化，可以检测标尺110和检测头部分120之间的相对位移。
接下来，通过上面结构产生的效果在下面解释。
在第一反射镜181和第二反射镜182上反射后、入射到标尺110的入射光(L5，L6)的入射角α是62°，其大于-1级衍射光的衍射角(45°)。因此，减小由于标尺110偏转造成的衍射变化。
因为入射光(L5，L6)在标尺110上的入射角α是62°，在衍射光栅111形成的衍射中，可能获得衍射强度足够高的衍射光(L7，L8)。
参照图3和4，下面将解释这些含义。
图3是在光以一定入射角入射的条件下、在标尺偏转(偏转角2′)的情况下入射角和衍射角变化的曲线图，其中横坐标轴表示在标尺上的入射角，纵坐标轴表示衍射角变化(Δθdiff)。
从图3中可以理解，当入射角大时，由标尺110偏转造成衍射角变化减小。
例如，在图1中，在这种情况下，当标尺110在正常位置时，入射光L6的衍射光用L8表示，而当标尺110偏转时，入射光L6的衍射光用L8′表示，通过增加入射角α，可能减小L8和L8′之间的移动。在这种结构中，在图1中，为了便于解释，图示的L8′有很大移动。
在图4中，横坐标轴表示在标尺110上的入射角(α)，纵坐标轴表示以一定入射角的衍射效率。
从图4可以理解以下各方面。当入射角是在45°-70°的范围时，衍射效率非常高。因此，可能获得高强度的衍射光。但是，当入射角超过70°时，衍射效率下降。因此，衍射光的强度降低。
从图3和4所示的数据，可以理解以下各方面。当入射角接近70°时，由标尺110偏转造成的衍射角变化可以受到抑制，还有可能获得非常高的衍射光强度。在这个观察点，因为在这个实施例中入射角是62°，由标尺110的偏转造成衍射角变化明显减小，并且衍射强度明显降低。
如上所述，因为由标尺的偏转造成的衍射角变化减小，即使标尺110偏转很小，沿+X方向的光路长度与沿-X方向的光路长度之间的差减小。即，标尺110的只有很小偏转，不改变干涉光。因此，可以高精度地检测标尺110和检测头部分120之间的相对位移。
因为由标尺110的偏转造成的衍射角变化减小，所以衍射光可以被分束器170精确地合成，并且用光接收部分150可以接收非常高强度的干涉光。即，即使标尺偏转，用反射光可以保持光接收信号的强度水平，可以作出高精度的分析，并且可以保持检测精度。
因为在衍射光栅111上的衍射光的衍射效率非常高，所以用干涉光可以提高光接收信号的水平，并且可以提高检测精度。
上述位移检测器具有以下效果。
(1)因为反射镜181和反射镜182布置在标尺110这侧，所以可以增加入射光L5、L6的入射角α。结果，可以减小由标尺110的偏转造成的衍射角的变化。即，因为由标尺110的偏转造成的光路长度的变化可以较小，即使标尺110偏转，可以稳定检测精度。
(2)因为反射镜181、182和角隅棱镜191、192布置在垂直于衍射光栅凹槽的平面，所以反射镜181和角隅棱镜191、192布置在相同的平面。因此，检测头部分120的宽度可以减小。例如，检测头部分120可以容纳在标尺110的宽度中。那么，位移检测器110的厚度可以减小，即，位移检测器100可以做得很紧凑。
(3)因为光的偏转方向可以被1/2波长片175A、衍射光栅111的薄金属膜和角隅棱镜191、192的金属膜适当控制，所以当被标尺110反射和衍射的两束光束被偏振分束器170合成时，所有光束沿相同方向传播。结果，很少产生光量的损失。因此，当所接收的光量增加到光电二极管156A-156D的最大值时，可以提高检测精度。结果，可以减少电力消耗。因为提供起布鲁斯特窗作用的盖玻璃件162，所以可能按顺序安置在标尺110上的入射光的偏振方向。结果，可以提高检测精度。
[第二实施例]
接下来，参照图5和6解释本发明位移检测器的第二实施例。
第二实施例的基本结构与第一实施例的相同。但是，关于光的偏振方向的控制，在第一实施例和第二实施例之间有很小差别。因此，下面主要解释这点。
图5是第二实施例的侧视图。
在图5中，光源部分140直接将偏振光束以45°倾角发射到偏振分束器170。在偏振分束器170和反射镜部分180(第一反射镜181和第二反射镜182)之间，布置1/2波长片175C、175D。
偏振分束器170和1/2波长片175C、175D之间的位置关系在图6的透视图中示出。
1/2波长片175C以这样的方式将S波的偏转方向旋转90°，即，光源部分140的光被偏振分束器170分成两束光束，两束光束之一被偏振分束器170反射，从而发射所获得的P波。但是，1/2波长片175C的宽度(深度的长度)很窄，使得从标尺110发送的反射偏振光不能通过1/2波长片175C。
从光源部分140发送的光被偏振分束器170分开时产生的两束光束中透过偏振分束器170的P波，不通过1/2波长片175D而被发射。但是，在返回的P波通过时，被标尺110反射和衍射，P波通过1/2波长片175D并变成S波。
在图5中，1/2波长片176插入偏振分束器170和光接收部分150之间。
光接收部分150包括：偏振分束器153；光电二极管156E、156F。偏振分束器153把被偏振分束器170合成的光分成两束光束。光电二极管156E、156F接收被偏振分束器153分开的各束光束，并且用于输出光接收信号。
偏振片157A布置在偏振分束器153和光电二极管156E之间，和1/2波长片157B和偏振片157C布置在偏振分束器153和光电二极管156F之间。
在这种结构中，从光源部分140发射45°偏振光。该光被偏振分束器170分成P波和S波，所述P波是透射光束，所述S波是反射光束。另外，反射光束的S波的偏振方向被1/2波长片旋转并变成P波，所述S波是反射光束。
如上所述，两束P波被反射镜181、182，标尺110和角隅棱镜191、192反射或衍射。这点与上述第一实施例相同。
两束光束从反射镜181、182返回到偏振分束器170。它们其中之一以P波形式透过偏振分束器170，而不通过1/2波长片175C。当偏振方向被1/2波长片175D旋转时，另一束变成S波，从而形成的S波被偏振分束器170反射，如图6所示。
也就是说，通过偏振分束器170，使得从反射镜181、182返回的两束光束的传播方向相同。
从偏振分束器170发送P波和S波。这些波被1/2波长片176旋转，45°偏振光和135°偏振光入射到光接收部分150。
首先，当入射光被光接收部分150中的偏振分束器153分开时，45°偏振光和135°偏振光相互干涉，并且入射光分成两束光束，其中一束是透射光束，另一束是反射光束，它们的相位差是180°。
从偏振分束器153发送的反射光经过偏振片157A被光电二极管156E接收，和从偏振分束器153发送的透射光经过1/2波长片157B和偏振片157C被光电二极管156F接收。此时，光电二极管156E接收的光相位和光电二极管156F接收的光相位彼此相差90°。因此，光电二极管156E能够接收正弦光接收信号和光电二极管156F能够接收余弦光接收信号。在预定信号分析部件中，由从光电二极管156E和光电二极管156F发送的光接收信号形成Lissajous图。通过在Lissajous图中的变化，可以检测标尺110和检测头部分120之间的相对位移。
如上所述，根据第二实施例，可以显示与第一实施例相同的操作效果。
在这种情况下，在上述第二实施例中，光接收部分150获得两个相位信号，两个相位信号之间的相位差是90°。但是，例如，可能采用图7所示获得四个相位信号的结构。如图7所示的光接收部分150的结构基本上与第一实施例的光接收部分150相同，除了在图7所示的结构中提供镜子158这点之外。
[第三实施例]
接下来，参照图8，下面将解释本发明的第三实施例。
第三实施例的基本结构与第二实施例的相同。不同点是在第三实施例中布置的分束器是非偏振分束器171。
在图8中，光源部分140相对非偏振分束器171直接发射倾斜45°角的P波(L23)。
两个相位推延片(175E，175F)设置在非偏振分束器171和反射镜(第一反射镜181和第二反射镜182)之间。
关于相位推延片，提供1/2波长片175E和折射率与1/2波长片175E相同的透明介质175F，用于使两束光束的光路长度相互一致。
图9是非偏振分束器171和相位推延片175E、175F之间的位置关系透视图。
由光源部分140入射到非偏振分束器171上的光(L23)被分成两束光束(L24，L25)。从非偏振分束器171发送的两束光束(L24，L25)没有通过1/2波长片175E、175F发射，并传播到反射镜181、182和标尺110。
两束光束(L34，L35)从反射镜181、182返回到非偏振分束器171。一束光束(L34)被1/2波长片旋转并变成S波。在这种结构中，当两束光束(L34，L35)的另一束(L35)从反射镜181、182返回非偏振分束器171时透过透明介质175F，两束光束的光路长度可以调整为彼此相等。
1/2波长片176布置在非偏振分束器171和光接收部分150之间。
在这种结构中，光接收部分150的结构可以与第一或第二实施例的光接收部分150的相同。
在这种结构中，从光源部分140发送的光(L23)是P波，并且被非偏振分束器171分成两束光束(L24，L25)。因此，是P波的两束光束从非偏振分束器171发射。这两束P波(L24，L25)被与第一实施例相同的角隅棱镜191、192反射或衍射。
从反射镜181、182返回到非偏振分束器171的两束光束(L34，L35)中的一束光束(L34)被1/2波长片175E旋转90°，并变成S波。
返回到分偏振分束器171的P波和S波分别被非偏振分束器171分开。当光被非偏振分束器171分开时获得的两束光束中的一束光束(L36)通过1/2波长片176，变成45°偏振光和135°偏振光，并入射到光接收部分150。在光接收部分150中，光以第一或第二实施例中解释的相同方式被接收。通过在接收光时获得的信号，可以检测标尺110和检测头部分120之间的相对位移。
通过该第三实施例，可以提供与第一实施例相同的操作效果。
[改型实施例1]
接下来，参照图10，下面解释本发明位移检测器的改型实施例1。
尽管改型实施例1的基本结构与第三实施例的相同，但改型实施例1中，角隅棱镜(回射器)布置成更靠近标尺110。
如图10所示，角隅棱镜191、192布置成比第一至第三实施例更靠近标尺110。尤其是，角隅棱镜191、192布置成比连接分束器171与反射镜部分180(第一反射镜181和第二反射镜182)的直线更靠近标尺110这侧。
当角隅棱镜191、192布置成更靠近标尺110时，可能减小光路长度。那么，即使由标尺的偏转造成衍射角度的小变化，可以减小两束光束的光路长度之间的差。结果，即使在标尺110中产生偏转，可以高精度地检测标尺110和检测头部分120之间的相对位移。
在这种结构中，应该指出，本发明不限于上述具体实施例。能够实现本发明上述目的变化和改进包括在本发明中。
在上述实施例中，标尺包括反射型衍射光栅。但是，标尺可以包括透射型衍射光栅。在使用透射型衍射光栅的情况下，反射镜和角隅棱镜相对标尺的正面和反面布置在彼此相反侧，但是，其它方面基本相同。即使在透射型衍射光栅的情况下，当入射光沿垂直方向入射到衍射光栅凹槽并且入射光的入射角很大时，可能减小由标尺的偏转造成的衍射角的变化。即使在标尺中产生偏转，可能很准确地检测标尺和检测头部分之间的相对位移。
因为反射镜和角隅棱镜可以布置在标尺的正面和反面，反射镜和角隅棱镜在布置时不会相互干涉。因此，结构中的每个组件可以容易布局。
在上述实施例中，在结构方面作出了解释，其中当入射光被衍射时获得的衍射光被角隅棱镜回射。但是，衍射光可以不被角隅棱镜回射，但是，当入射光被衍射时产生的衍射光形成干涉时，光可以被接收。即使在这种情况下，可能减小衍射光的衍射角的变化。因此，可以提高位移检测精度而不论标尺是否偏转。
当然，衍射光栅的间距和激光束的波长不限于上述具体实施例，而是可以适当地改变。当然，从反射镜181、182入射到标尺110的入射光的入射角可以适当地改变。在上述实施例的解释中，入射角是62°，衍射角是45°。但是，应该指出，本发明不限于上述具体实施例。只要入射角大于衍射角可以提供良好的效果。入射角可以是60°-75°、衍射角可以是40°-45°。例如，当波长λ和光栅周期满足λ≈1.63P时，入射角可以是60°-75°，和衍射角可以是40°-45°。由于前述原因，可能抑制由标尺110的偏转造成的衍射角的变化，可以保持衍射效率。
尽管在上面的实施例中回射器使用角隅棱镜，回射器可以使用反射镜。
另外，光学元件不限于反射镜。光学元件可以是衍射光栅。
在上述实施例中，对实例进行解释，其中标尺相对检测头部分滑动。但是，当然，检测头可以相对标尺滑动。
在上面的第一实施例中，对实例进行解释，其中当使从偏振分束器170发送的光在它入射到光接收部分150前、通过1/2波长片163时，旋转偏振方向。但是，当光接收部分150以这样的方式被三维布置时，即，光接收部分150相对导波镜161布置在垂直于附图(图1)表面方向时，即使不提供1/2波长片163，在导波镜163上的反射光的偏振方向可以旋转45°。由于前述原因，零件的数量可以减少。因此，零件成本和组装成本可以得到降低。
本发明可以应用于光学型位移检测器。
基于2004年12月24日提交的日本专利申请No.2004-373411，本发明要求外国优先权，其内容在此并入作为参考。

Claims (5)

1.一种位移检测器，包括：具有衍射光栅的标尺；和检测头，其布置成能够相对所述标尺相对地移动，发射干涉光到所述标尺和接收从所述标尺发送的衍射光，
所述检测头包括：
发射所述干涉光的光源；
分光部件，其用于将从所述光源发送的光分成两束光束；
光学元件，其被布置成用于从所述分光部件发送的两束光束的每一束，用于反射从所述分光部件发送的光束并使该光束作为入射光入射到所述标尺上；和
回射器，其被布置成用于在入射到所述标尺的两束光束被所述衍射光栅衍射时产生的每束衍射光束，用于回射所述衍射光并使该光作为回射光入射到所述标尺上，
其中，所述入射光和所述回射光沿垂直于所述衍射光栅凹槽的方向入射，在所述入射光和所述标尺的法线矢量之间形成的夹角大于在所述回射光和所述标尺的法线矢量之间形成的夹角。
2.如权利要求1所述的位移检测器，其中，所述标尺包括反射型衍射光栅，所述光学元件和所述回射器布置在垂直于所述衍射光栅凹槽的平面上，所述光学元件布置在比所述回射器更靠近所述标尺的一侧。
3.如权利要求2所述的位移检测器，其中，所述分光部件是偏振分束器，相对于该偏振分束器的偏振方向偏振45°的一部分入射光透过该偏振分束器，另一部分入射光被该偏振分束器反射，从而所述光被分别分成具有相互垂直的偏振方向的两束光束，
所述检测头部分包括相位推延片，在该相位推延片上，在从所述光源发射并且在所述偏振分束器上反射的光的偏振方向旋转的条件下，所述光入射到所述反射型衍射光栅，当该入射光被所述反射型衍射光栅反射和衍射时获得的所述光的偏振方向再次被旋转，从而所述光可以形成基本上垂直于所述偏振分束器偏振方向的偏振光，和
该反射型衍射光栅由具有如下偏振特性的薄金属膜构成，即在保持所述偏振方向的条件下，入射光被反射和衍射。
4.如权利要求3所述的位移检测器，其中所述检测头部分包括布置在所述反射型衍射光栅的反射面侧的玻璃件。
5.如权利要求2所述位移检测器，其中所述回射器被布置成比连接所述分光部件与所述光学元件的线更靠近所述标尺的一侧。
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