JP2020076593A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定部材における被測定面と平行をなす方向、被測定部材の高さ方向の変位だけでなく、被測定部材の傾きを検出することができる変位検出装置を提供することにある。【解決手段】変位検出装置１は、第１の回折格子１１と、ヘッド３と、変位出力部４とを備えている。ヘッド３は、光を照射する光源６と、光束分割部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄと、第１変位検出部５Ａと、第２変位検出部５Ｂと、を備えている。第１変位検出部５Ａは、透過型の第２の回折格子１２Ａと、光束平行分岐部４０Ａと、光束結合部５０Ａと、受光部７Ａと、検出用受光部８０Ａと、を備えている。変位出力部４は、第１変位検出部５Ａ及び第２変位検出部５Ｂの受光部７Ａ、７Ｂ及び傾き検出用受光部８０Ａ、８０Ｂが受光した情報に基づいて、被測定部材２における第１の方向Ｘの変位と、高さ方向Ｚの変位と、第１傾きの角度を算出し、出力する。【選択図】図１

Description

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する。

従来から、被測定部材の変位や姿勢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。従来の、光を用いた変位検出装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。

特許文献１には、グレーティングに検出光を照射し、グレーティングからの検出光を受光するヘッドを有する複数のエンコーダを含むエンコーダシステムの少なくとも１つのエンコーダを用いて、移動面内における移動体の位置情報を計測する技術が記載されています。

国際公開第２００８／０２６７４２号

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、複数の変位センサを用いて、光源からの光を被測定部材における複数のポイントに照射することで、被測定部材の変位を検出していたため、装置の構成が繁雑になっていた。

本発明の目的は、容易な構成で、被測定部材における被測定面と平行をなす方向、被測定部材の高さ方向の変位だけでなく、被測定部材の傾きを検出することができる変位検出装置を提供することにある。

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、被測定部材の被測定面に設けられ、被測定面と平行をなす第１格子ベクトル方向を有する第１の回折格子と、被測定部材の被測定面に対向して配置されたヘッドと、ヘッドから受信した信号に基づいて、被測定部材におけるヘッドに対する変位を算出し、出力する変位出力部と、を備えている。また、ヘッドと被測定部材は、被測定面と平行をなす方向及び被測定面と直交する高さ方向のうち少なくとも一方に、相対的に移動可能である。
ヘッドは、光を照射する光源と、光束分割部と、第１変位検出部と、第２変位検出部と、を備えている。光束分割部は、光源から照射された光を物体光である第１の光束と参照光である第２の光束に分割し、第１の光束を第１の回折格子に垂直に入射させる。第１変位検出部は、光束分割部よりも第１の回折格子の第１格子ベクトル方向の一側に配置される。第２変位検出部は、光束分割部及び第１変位検出部に対して第１の回折格子の第１格子ベクトル方向の他側に配置される。
第１変位検出部には、第１の光束が１回目に第１の回折格子に入射した際に、第１の光束における第１の回折格子の第１格子ベクトル方向の一側に向けて回折した正の次数を有する回折光が入射する。また、第２変位検出部には、第１の光束が１回目に第１の回折格子に入射した際に、第１の光束における第１の回折格子の第１格子ベクトル方向の他側に向けて回折した負の次数を有する回折光が入射する。
第１変位検出部及び第２変位検出部は、同一の構成要素を有している。
第１変位検出部及び第２変位検出部は、透過型の第２の回折格子と、物体光用反射部材と、光束平行分岐部と、参照光用反射部材と、光束結合部と、受光部と、検出用受光部と、を備えている。
第２の回折格子は、第１の回折格子により回折された第１の光束を回折し、第１の光束を再び第１の回折格子に照射する。物体光用反射部材は、第２の回折格子を透過し、回折された第１の光束を第２の回折格子に向けて反射させる。光束平行分岐部は、第１の回折格子と第２の回折格子の間に配置され、第２の回折格子により回折された第１の光束を再び第１の回折格子に入射させる際に、第１の回折格子での１回目の照射位置と異なる位置に第１の光束を入射させる。参照光用反射部材は、光束分割部により分割された第２の光束を反射する。光束係合部は、第１の回折格子と第２の回折格子により回折された第１の光束と、参照光用反射部材により反射された第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の光束と第２の光束を受光し、干渉信号を変位出力部に出力する。傾き検出用受光部は、第１の光束のうち第２の回折格子を透過した０次光を受光し、光電変換した信号を変位出力部に出力する。
また、第２変位検出部の構成要素は、第１変位検出部の構成要素に対して第１の回折格子の第１格子ベクトル方向に沿って反転して配置される。
変位出力部は、第１変位検出部及び第２変位検出部の受光部及び傾き検出用受光部が受光した情報に基づいて、ヘッドと被測定部材における第１格子ベクトル方向と平行をなす第１の方向の変位と、高さ方向の変位と、高さ方向とも直交する第２の方向を中心軸とした第１傾きの角度を算出し、出力する。

本発明の変位検出装置によれば、容易な構成で、被測定部材における被測定面と平行をなす方向の変位や被測定部材の高さ方向の変位だけでなく、被測定部材の傾きを検出することができる。

本発明の実施の形態例に係る変位検出装置における第１変位検出部及び第２変位検出部の構成を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態例に係る変位検出装置における第３変位検出部及び第４変位検出部の構成を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態例に係る変位検出装置における被測定部材及び第１の回折格子を示すもので、図３Ａは第１の回折格子を示す平面図、図３Ｂは第１の回折格子を示す断面図である。 本発明の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の回折格子と第２の回折格子の回折角度の関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態例に係る変位検出装置の第１変位検出部における相対位置情報出力部を示すブロック図である。 本発明の実施の形態例に係る変位検出装置における変位出力部の相対位置を算出する構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態例に係る変位検出装置における変位出力部の傾き算出する構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態例に係る変位検出装置における第２の回折格子の変形例を示すもので、図８Ａは第２の回折格子の変形例を示す断面図、図８Ｂは第２の回折格子の他の変形例を示す断面図である。

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８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。

１．変位検出装置の実施の形態例
まず、本発明の変位検出装置の実施の形態例（以下、「本例」という。）の構成を図１〜図３に従って説明する。

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である。図２は、変位検出装置における第１の回折格子が設けられた被測定部材を示す斜視図である。

本例の変位検出装置１は、ヘッドと被測定部材のうち少なくとも一方を移動させた際の変位（移動量）を検出する変位検出装置である。

図１及び図２に示すように、変位検出装置１は、反射型の回折格子である第１の回折格子１１が設けられた被測定部材２と、被測定部材２と対向するヘッド３と、変位出力部４とを備えている。なお、変位出力部４は、ヘッド３内に収容してもよく、あるいはヘッド３の外部に設けた携帯情報処理端末や、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）に配置してもよい。変位出力部４は、第１相対位置情報出力部４Ａと、第２相対位置情報出力部４Ｂと、第３相対位置情報出力部４Ｃと、第４相対位置情報出力部４Ｄとを有している。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、被測定部材２は、平板状に形成されている。被測定部材２の被測定面２ａには、第１の回折格子１１が設けられている。第１の回折格子１１は、第１格子ベクトル方向と、第２格子ベクトル方向を有している。第１格子ベクトル方向及び第２格子ベクトル方向は、被測定面２ａに対して平行をなす。

そして、被測定面２ａに対して平行でかつ、第１格子ベクトル方向と平行をなす方向を第１の方向Ｘとする。また、被測定面２ａに対して平行で、かつ第１方向Ｘと直交する方向を第２の方向Ｙとする。第２の方向Ｙは、第１の回折格子１１の第２格子ベクトル方向と平行をなす。さらに、被測定面２ａと直交する方向、すなわち第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとも直交する方向を第３の方向Ｚとする。すなわち、第３の方向Ｚは、被測定部材２とヘッド３が対向する高さ方向である。

ヘッド３と、被測定部材２は、第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ及び第３の方向Ｚの３方向に相対的に移動可能に構成されている。そして、本例の変位検出装置１は、第１の方向Ｘと、第３の方向Ｚと、第１の方向Ｘ及び第３の方向Ｚとも直交する第２の方向Ｙの３次元の変位情報を出力可能な変位検出装置である。さらに、変位検出装置１は、被測定部材の傾きも検出可能な変位検出装置である。

第１の回折格子１１は、複数の突起（格子）１１ａにより構成されている。複数の突起１１ａは、被測定面２ａから第３の方向Ｚに向けて突出している。この複数の突起１１ａは、第１の方向Ｘと平行をなす第１格子ベクトル方向と、第２の方向Ｙと平行をなす第２格子ベクトル方向に沿ってそれぞれ間隔を空けて格子状に配置されている。

なお、第１の回折格子１１を複数の突起１１ａにより構成した例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、被測定部材２の被測定面２ａに形成された複数の凹部によって第１の回折格子１１を構成してもよい。

第１の回折格子１１は、例えば、ガラスやシリコンの基板からなる被測定部材２に形成される。そして、第１の回折格子１１を構成する複数の突起１１ａは、例えば金やアルミニウム等の反射率の高い材料を被測定部材２の被測定面２ａに蒸着することで形成される。なお、第１の回折格子１１の格子ピッチｄ_Ｒ及び回折角度θについては、後述する。

この被測定部材２に設けた第１の回折格子１１は、ヘッド３から照射された光を回折して所定の回折角度によって再びヘッド３に戻す。

次に、ヘッド３の構成について説明する。
ヘッド３は、第１変位検出部５Ａと、第２変位検出部５Ｂと、第３変位検出部５Ｃと、第４変位検出部５Ｄと、光源６と、レンズ１６と、第１光束分割部１３Ａと、第２光束分割部１３Ｂと、第３光束分割部１３Ｃと、第４光束分割部１３Ｄと、を備えている。

第１変位検出部５Ａは、ヘッド３の第１の方向Ｘの一側に配置され、第２変位検出部５Ｂは、ヘッド３の第１の方向Ｘの他側に配置されている。また、第３変位検出部５Ｃは、ヘッド３の第２の方向Ｙの一側に配置され、第４変位検出部５Ｄは、ヘッド３の第２の方向Ｙの他側に配置されている。

第１変位検出部５Ａ、第２変位検出部５Ｂ、第３変位検出部５Ｃ及び第４変位検出部５Ｄの間には、光源６、レンズ１６、第１光束分割部１３Ａ、第２光束分割部１３Ｂ、第３光束分割部１３Ｃ及び第４光束分割部１３Ｄが配置されている。すなわち、光源６、レンズ１６、第１光束分割部１３Ａ、第２光束分割部１３Ｂ、第３光束分割部１３Ｃ及び第４光束分割部１３Ｄは、ヘッド３における第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの中心部に配置されている。

光源６には、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、発光ダイオード等が挙げられる。光源６として、可干渉距離が長い光源を用いると、被測定部材２の被測定面２ａ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６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。

さらに、光源６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６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６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。

なお、光源６の数は、１つに限定されるものではなく、複数の光源６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。また、光源６は、例えば、光軸を中心に回転した円偏光の光を出射する。

光源６から出射された光Ｌは、第４光束分割部１３Ｄに入射する。なお、光源６と第４光束分割部１３Ｄの間には、コリメートレンズ等からなるレンズ１６及びアイソレータ９が配置されている。レンズ１６は、光源６から出射された光Ｌを平行光にコリメートする。そのため、アイソレータ９及び第４光束分割部１３Ｄには、レンズ１６により平行光にコリメートされた光Ｌが入射される。

アイソレータ９は、光源６と第４光束分割部１３Ｄとの間において、レンズ１６と第４光束分割部１３Ｄの間に配置されている。アイソレータ９は、光を一方向だけ通過させ、逆方向には光を遮断する光学素子である。光源６から出射された光Ｌが直線偏光である場合、アイソレータ９によって直線偏光の向きが変わる。

これにより、後述する第１の回折格子１１によって回折された回折光のうち０次光が光源６に戻ることをアイソレータ９により抑制することができる。その結果、光源６の不要光によるモードホップ、いわゆる波長の飛びが発生することを軽減することができる。

第１光束分割部１３Ａ、第２光束分割部１３Ｂ、第３光束分割部１３Ｃ及び第４光束分割部１３Ｄは、ハーフミラー又はビームスプリッタにより構成されている。第１光束分割部１３Ａ、第２光束分割部１３Ｂ、第３光束分割部１３Ｃ及び第４光束分割部１３Ｄは、それぞれ入射した光を、反射した光と、透過する光の２つに分割する。

第１光束分割部１３Ａ、第２光束分割部１３Ｂ、第３光束分割部１３Ｃ及び第４光束分割部１３Ｄは、第３の方向Ｚにおける被測定部材２側から、第１光束分割部１３Ａ、第２光束分割部１３Ｂ、第３光束分割部１３Ｃ、第４光束分割部１３Ｄの順に配置されている。すなわち、第４光束分割部１３Ｄが光源６側に配置される。

第４光束分割部１３Ｄには、光源６から出射された光Ｌが入射する。第４光束分割部１３Ｄによって反射された光束は、第４変位検出部５Ｄで用いられる参照光である第２の光束Ｌ２Ｄとなる。第４光束分割部１３Ｄを反射した第２の光束Ｌ２Ｄは、第２の方向Ｙの他側に向けて照射される。なお、第４光束分割部１３Ｄにおける第２の方向Ｙの他側には、後述する第４変位検出部５Ｄの光束結合部５０Ｄ及び参照用ミラー１４Ｄが配置されている。そのため、第２の光束Ｌ２Ｄは、後述する第４変位検出部５Ｄの光束結合部５０Ｄ及び参照用ミラー１４Ｄに向けて照射される。また、第４光束分割部１３Ｄを透過した光は、第３光束分割部１３Ｃに入射する。

第３光束分割部１３Ｃによって反射された光束は、第３変位検出部５Ｃで用いられる参照光である第２の光束Ｌ２Ｃとなる。第３光束分割部１３Ｃを反射した第２の光束Ｌ２Ｃは、第２の方向Ｙの一側に向けて照射される。なお、第３光束分割部１３Ｃにおける第２の方向Ｙの一側には、後述する第３変位検出部５Ｃの光束結合部５０Ｃ及び参照用ミラー１４Ｃが配置されている。そのため、第２の光束Ｌ２Ｃは、後述する第３変位検出部５Ｃの光束結合部５０Ｃ及び参照用ミラー１４Ｃに向けて照射される。また、第３光束分割部１３Ｃを透過した光は、第２光束分割部１３Ｂに入射する。

第２光束分割部１３Ｂによって反射された光束は、第２変位検出部５Ｂで用いられる参照光である第２の光束Ｌ２Ｂとなる。第２光束分割部１３Ｂを反射した第２の光束Ｌ２Ｂは、第１の方向Ｘの他側に向けて照射される。なお、第２光束分割部１３Ｂの第１の方向Ｘの他側には、後述する第２変位検出部５Ｂの光束結合部５０Ｂ及び参照用ミラー１４Ｂが配置されている。そのため、第２の光束Ｌ２Ｂは、後述する第２変位検出部５Ｂの光束結合部５０Ｂ及び参照用ミラー１４Ｂに向けて照射される。また、第２光束分割部１３Ｂを透過した光は、第１光束分割部１３Ａに入射する。

第１光束分割部１３Ａによって反射された光束は、第１変位検出部５Ａで用いられる参照光である第２の光束Ｌ２Ａとなる。第１光束分割部１３Ａを反射した第２の光束Ｌ２Ａは、第１の方向Ｘの一側に向けて照射される。なお、第１光束分割部１３Ａの第１の方向Ｘの一側には、後述する第１変位検出部５Ａの光束結合部５０Ａ及び参照用ミラー１４Ａが配置されている。そのため、第２の光束Ｌ２Ａは、後述する第１変位検出部５Ａの光束結合部５０Ａ及び参照用ミラー１４Ａに向けて照射される。また、第１光束分割部１３Ａを透過した第１の光束Ｌ１は、被測定部材２、すなわち第１の回折格子１１の入射点Ｐ１１に垂直に入射する。

なお、光源６と第４光束分割部１３Ｄとの間に偏光板を設けてもよい。これにより、ｓ偏光及びｐ偏光に対して直交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。また、光束分割部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄとしてハーフミラーやビームスプリッタ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。光束分割部１３としては、例えば、偏光ビームスプリッタを用いてもよい。

さらに、光源６、レンズ１６、アイソレータ９及び４つの光束分割部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄは、第１光束分割部１３Ａを透過する光、すなわち第１の光束Ｌ１の進行方向が第３の方向Ｚと平行になるように配置される。そのため、第１光束分割部１３Ａを透過した第１の光束Ｌ１は、被測定部材２の被測定面２ａ、すなわち第１の回折格子１１に対して垂直に入射する。これにより、被測定部材２が第３の方向Ｚに変位しても第１の回折格子１１に入射される第１の光束Ｌ１の入射点Ｐ１１の位置は、第１の回折格子１１上において変化しない。

その結果、後述する変位検出部５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄによって第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの変位を検出する際に、被測定部材２における第３の方向Ｚの変位が影響することを抑制することができる。

第１の回折格子１１の入射点Ｐ１１に入射した第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１によって第１の方向Ｘに沿って正負の次数を有する２つの光束Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂと、第２の方向Ｙに沿って正負の次数を有する２つの光束Ｌ１Ｃ、Ｌ１Ｄに分けられる。

ここで、第１の回折格子１１の第１格子ベクトル方向のプラス方向（一側）へ回折した回折光を第１の方向Ｘにおける正の次数の回折光とし、マイナス方向（他側）へ回折した回折光を第１の方向Ｘにおける負の次数の回折光とする。そして、第１の方向Ｘにおける正の次数を有する回折光が第１変位検出部５Ａで用いられる物体光となり、第１の方向Ｘにおける負の次数を有する回折光が第２変位検出部５Ｂで用いられる物体光となる。

また、第１の回折格子１１の第２格子ベクトル方向のプラス方向（一側）へ回折した回折光を第２の方向Ｙにおける正の次数の回折光とし、マイナス方向（他側）へ回折した回折光を第２の方向Ｙにおける負の次数の回折光となる。そして、第２の方向Ｙにおける正の次数を有する回折光が第３変位検出部５Ｃで用いられる物体光となり、第２の方向Ｙにおける負の次数を有する回折光が第４変位検出部５Ｄで用いられる物体光となる。

第１の回折格子１１によって回折された第１の光束Ｌ１における第１の方向Ｘにおいて正の次数を有する第１の光束Ｌ１Ａは、後述する第１変位検出部５Ａの光束平行分岐部４０Ａに入射する。また、第１の回折格子１１によって回折された第１の光束Ｌ１における第１の方向Ｘにおいて負の次数を有する第１の光束Ｌ１Ｂは、後述する第２変位検出部５Ｂの光束平行分岐部４０Ｂに入射する。

さらに、第１の回折格子１１によって回折された第１の光束Ｌ１における第２の方向Ｙにおいて正の次数を有する第１の光束Ｌ１Ｃは、後述する第３変位検出部５Ｃの光束平行分岐部４０Ｃに入射する。また、第１の回折格子１１によって回折された第１の光束Ｌ１における第２の方向Ｙにおいて負の次数を有する第１の光束Ｌ１Ｄは、後述する第４変位検出部５Ｄの光束平行分岐部４０Ｄに入射する。

次に、第１変位検出部５Ａ、第２変位検出部５Ｂ、第３変位検出部５Ｃ及び第４変位検出部５Ｄについて説明する。なお、第１変位検出部５Ａ、第２変位検出部５Ｂ、第３変位検出部５Ｃ及び第４変位検出部５Ｄは、それぞれ同様の構成を有しているため、ここでは、第１変位検出部５Ａについて説明する。

図１に示すように、第１変位検出部５Ａは、第２の回折格子１２Ａと、光束平行分岐部４０Ａと、光束結合部５０Ａと、参照光用反射部材の一例を示す参照用ミラー１４Ａと、物体光用反射部材の一例を示す物体用ミラー１５Ａと、第１の位相板１７Ａと、第２の位相板１８Ａと、を有している。さらに、第１変位検出部５Ａは、受光部７Ａと、第１傾き検出用受光部８０Ａを有している。

光束平行分岐部４０Ａは、第１の回折格子１１によって回折された正の次数を有する第１の光束Ｌ１Ａが入射する位置に配置されている。光束平行分岐部４０Ａは、偏光調整位相板４２と、三角柱状のプリズムからなる反射ミラー４３と、偏光ビームスプリッタ４４により構成されている。

偏光調整位相板４２は、通過する光の偏光方向を変化させるものであり、入射した第１の光束Ｌ１の偏光状態をｓ偏光に変化させる。偏光調整位相板４２における光の出射側には、反射ミラー４３が配置されている。反射ミラー４３は、偏光調整位相板４２を通過した第１の光束Ｌ１を偏光ビームスプリッタ４４に向けて反射させる。

偏光ビームスプリッタ４４は、ｓ偏光の光を反射し、ｐ偏光の光を透過させる。偏光ビームスプリッタ４４における光を反射及び透過させる反射透過面４４ａと、反射ミラー４３の反射面は、平行に配置されている。ここで、反射ミラー４３によって反射された第１の光束Ｌ１Ａは、偏光調整位相板４２によってｓ偏光の光に偏光状態が調整されている。そのため、偏光ビームスプリッタ４４は、反射ミラー４３によって反射された第１の光束Ｌ１Ａを第２の回折格子１２Ａに向けて反射させる。

また、光束平行分岐部４０Ａの偏光ビームスプリッタ４４には、後述する第２の回折格子１２Ａ及び第１の位相板１７Ａを透過し、かつ物体用ミラー１５Ａによって反射された第１の光束Ｌ１Ａが再び入射する。なお、光束平行分岐部４０Ａに再び入射した第１の光束Ｌ１Ａの偏光方向は、ｐ偏光に変化されている。そのため、光束平行分岐部４０Ａは、再び偏光ビームスプリッタ４４に入射した第１の光束Ｌ１Ａを透過させる。そして、光束平行分岐部４０Ａを透過した第１の光束Ｌ１Ａは、再び第１の回折格子１１に入射する。

第２の回折格子１２Ａは、光束平行分岐部４０Ａを通過した第１の光束Ｌ１Ａが入射する位置に配置されている。第２の回折格子１２Ａは、その平面が第３の方向Ｚに対して傾斜して配置されている。第２の回折格子１２Ａは、光を透過させ、かつ透過した光を回折させる透過型の回折格子である。なお、第２の回折格子１２Ａの格子ピッチｄ_Ｔ及び回折角度φについては、後述する。

第２の回折格子１２Ａにおける第１の回折格子１１から入射した第１の光束Ｌ１Ａが回折して透過する方向には、物体用ミラー１５Ａが配置されている。さらに、第２の回折格子１２Ａと物体用ミラー１５Ａの間には、第１の位相板１７Ａが配置されている。

第１の位相板１７Ａは、通過する光の偏光方向を変化させるものであり、例えば、１／４波長板等から構成されている。そのため、第１の位相板１７Ａは、通過する光がｐ偏光の場合、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光に変化させる。また、通過する光が第１の向きに回転する円偏光の場合、ｓ偏光に変化させる。さらに、通過する光がｓ偏光の場合、進行方向を中心軸として第１の方向とは反対である第２の向きに回転する円偏光に変化させる。そして、通過する光が第２の向きに回転する円偏光の場合、ｐ偏光に変化させる。

第１の位相板１７Ａを透過した第１の光束Ｌ１Ａは、第１の位相板１７Ａによって偏光方向が変化されて、物体用ミラー１５Ａに入射する。物体用ミラー１５Ａは、第２の回折格子１２Ａを回折して透過し、及び第１の位相板１７Ａを透過した第１の光束Ｌ１Ａが反射面に対して垂直に入射する位置に配置されている。そして、物体用ミラー１５Ａには、第１の光束Ｌ１Ａが垂直に入射するため、物体用ミラー１５Ａは、第１の光束Ｌ１Ａを、第２の回折格子１２Ａを回折し、透過して入射する際の光路と、反射して第２の回折格子１２Ａに再び入射する光路が一致するように反射させる。

物体用ミラー１５Ａにより反射された第１の光束Ｌ１Ａは、第１の位相板１７Ａ及び第２の回折格子１２Ａを透過して再び光束平行分岐部４０Ａに入射する。光束平行分岐部４０Ａを通過した第１の光束Ｌ１Ａは、再び第１の回折格子１１に入射する。

ここで、光束平行分岐部４０Ａに再び入射した第１の光束Ｌ１Ａの偏光方向は、第１の位相板１７Ａによってｐ偏光に変化されている。そのため、光束平行分岐部４０Ａは、再び偏光ビームスプリッタ４４に入射した第１の光束Ｌ１Ａを透過させる。そして、光束平行分岐部４０Ａを透過した第１の光束Ｌ１Ａは、再び第１の回折格子１１に入射する。

ここで、光束平行分岐部４０Ａは、第１の光束Ｌ１Ａにおける第１の回折格子１１によって回折されて光束平行分岐部４０Ａに入射する光路を行き光路とする。また、第２の回折格子１２Ａによって回折された第１の光束Ｌ１Ａが光束平行分岐部４０Ａを透過してから第１の回折格子１１に入射するまでの光路を帰り光路とする。

光束平行分岐部４０Ａは、第１の光束Ｌ１Ａにおける行き光路と帰り光路が一致しないように、行き光路と帰り光路を平行に移動させている。そのため、第１の光束Ｌ１Ａにおける再び第１の回折格子１１に入射する位置は、行き光路の入射点Ｐ１１とは異なる入射点Ｐ１２Ａとなる。

さらに、第１の光束Ｌ１Ａは、行き光路と帰り光路で第１の回折格子１１と第２の回折格子１２Ａによってそれぞれ２回ずつ回折される。そして、第１の光束Ｌ１Ａは、第１の回折格子１１によって再び回折されて光束結合部５０Ａに入射する。

光束結合部５０Ａは、第１光束分割部１３Ａと参照用ミラー１４Ａの間に配置されている。光束結合部５０Ａは、例えば、偏光調整位相板と、偏光ビームスプリッタにより構成されている。

偏光調整位相板は、偏光ビームスプリッタと、第１光束分割部１３Ａの間に配置されている。偏光調整位相板は、通過する光の偏光方向を変化させるものであり、入射した第２の光束Ｌ２Ａの偏光状態をｐ偏光に変化させる。

偏光ビームスプリッタは、光束平行分岐部４０Ａの偏光ビームスプリッタ４４と同様に、ｓ偏光の光を反射し、ｐ偏光の光を透過させる。そして、偏光ビームスプリッタは、偏光調整位相板を通過したｐ偏光の第２の光束Ｌ２Ａを透過させる。光束結合部５０Ａの偏光ビームスプリッタを透過した第２の光束Ｌ２Ａは、参照用ミラー１４Ａに向かって進行する。

参照用ミラー１４Ａは、第１光束分割部１３Ａによって分割されて、光束結合部５０Ａを透過した第２の光束Ｌ２Ａの進行方向に配置されている。参照用ミラー１４Ａは、その反射面が第１光束分割部１３Ａにおける第２の光束Ｌ２Ａを照射する面及び光束結合部５０Ａの光を反射及び透過させる反射透過面と平行に配置されている。すなわち、参照用ミラー１４Ａは、その反射面に第２の光束Ｌ２Ａが垂直に入射する位置に配置される。そして、参照用ミラー１４Ａには、第２の光束Ｌ２Ａが垂直に入射するため、参照用ミラー１４Ａは、第２の光束Ｌ２Ａを、入射する際の光路と反射した後の光路が一致するように反射する。

また、光束結合部５０Ａと参照用ミラー１４Ａの間には、第２の位相板１８Ａが配置されている。第２の位相板１８Ａは、第１の位相板１７Ａと同様に、通過する光の偏光方向を変化させるものであり、例えば、１／４波長板等から構成されている。そのため、第１の位相板１７Ａは、通過する光がｐ偏光の場合、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光に変化させる。また、通過する光が第１の向きに回転する円偏光の場合、ｓ偏光に変化させる。さらに、通過する光がｓ偏光の場合、進行方向を中心軸として第１の方向とは反対である第２の向きに回転する円偏光に変化させる。そして、通過する光が第２の向きに回転する円偏光の場合、ｐ偏光に変化させる。

第１の光束Ｌ１Ａにおける第１光束分割部１３Ａから物体用ミラー１５Ａに反射されて光束結合部５０Ａに入射するまでの光路長の長さと、第２の光束Ｌ２Ａにおける第１光束分割部１３Ａから参照用ミラー１４Ａに反射されて光束結合部５０Ａに入射するまでの光路長の長さが等しくなるように、参照用ミラー１４Ａ及び物体用ミラー１５Ａが配置されている。

これにより、気圧、湿度や温度の変化によって光源６の波長変動があった場合でも、第１の光束Ｌ１Ａと第２の光束Ｌ２Ａ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、湿度補正や温度補正を行うことなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。さらに、変位検出装置１を製造する際に、第１の光束Ｌ１Ａの光路長と、第２の光束Ｌ２Ａの光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。

参照用ミラー１４Ａにより反射された第２の光束Ｌ２Ａは、行きの光路と同じ光路を通って、第２の位相板１８Ａを通過して、再び光束結合部５０Ａに入射する。ここで、第２の光束Ｌ２Ａは、第２の位相板１８Ａを２回通過することで、ｐ偏光からｓ偏光に変化されている。また、第１の光束Ｌ１Ａは、第１の位相板１７Ａを２回通過することで、ｓ偏光からｐ偏光に変化されている。

そのため、光束結合部５０Ａは、ｐ偏光の第１の光束Ｌ１Ａを受光部７Ａに向けて透過させて、ｓ偏光の第２の光束Ｌ２Ａを受光部７Ａに向けて反射させる。これにより、光束結合部５０Ａによって第１の光束Ｌ１Ａと第２の光束Ｌ２Ａを重ね合わせることができる。そして、光束結合部５０Ａによって重ね合わされた第１の光束Ｌ１Ａと第２の光束Ｌ２Ａは、受光部７Ａに向けて照射される。

受光部７Ａは、集光レンズ２１と、ハーフミラー２２と、第１の偏光ビームスプリッタ２４と、第２の偏光ビームスプリッタ２５とを有している。また、ハーフミラー２２と、第２の偏光ビームスプリッタ２５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２３が配置されている。

集光レンズ２１は、光束分割部１３からの入射された第１の光束Ｌ１Ａ及び第２の光束Ｌ２Ａを集光する。また、集光レンズ２１は、後述する第１の受光素子３１、第２の受光素子３２、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４上でビーム径が適当な大きさになるように光を集光する。ハーフミラー２２は、光を分割する。ハーフミラー２２によって分割された光は、第１の偏光ビームスプリッタ２４、又は受光側位相板２３を介して第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射する。

第１の偏光ビームスプリッタ２４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２４における光の出射口側には、第１の受光素子３１と、第２の受光素子３２が設けられている。また、第２の偏光ビームスプリッタ２５における光の出射口側には、第３の受光素子３３と、第４の受光素子３４が設けられている。

これら第１の偏光ビームスプリッタ２４及び第２の偏光ビームスプリッタ２５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。

第１の受光素子３１、第２の受光素子３２、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４は、光を受光し、干渉信号を得る。そして、受光部７Ａには、変位出力部４の第１相対位置情報出力部４Ａが接続されている。受光部７Ａは、第１の受光素子３１、第２の受光素子３２、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４が得た干渉信号を第１相対位置情報出力部４Ａに出力する。

第１傾き検出用受光部８０Ａは、第２の回折格子１２Ａの近傍に配置されている。また、第１傾き検出用受光部８０Ａは、第２の回折格子１２Ａを透過した光のうち０次光Ｌ４Ａが入射する位置に配置されている。第１傾き検出用受光部８０Ａは、第１受光素子８１と、第２受光素子８２とを有している。この第１受光素子８１と第２受光素子８２には、０次光Ｌ４Ａの照射像が結像される。

さらに、第１傾き検出用受光部８０Ａは、変位出力部４に接続されている。そして、第１傾き検出用受光部８０Ａは、第１受光素子８１及び第２受光素子８２が受光し、光電変換した信号を変位出力部４に出力する。

第２変位検出部５Ｂは、第２の回折格子１２Ｂと、参照用ミラー１４Ｂと、物体用ミラー１５Ｂと、第１の位相板１７Ｂと、第２の位相板１８Ｂと、光束平行分岐部４０Ｂと、光束結合部５０Ｂと、を備えている。さらに、第２変位検出部５Ｂは、受光部７Ｂと、第２傾き検出用受光部８０Ｂを有している。

また、第２変位検出部５Ｂを構成する第２の回折格子１２Ｂ、参照用ミラー１４Ｂ、物体用ミラー１５Ｂ、第１の位相板１７Ｂ、第２の位相板１８Ｂ、光束平行分岐部４０Ｂ、光束結合部５０Ｂ及び第２傾き検出用受光部８０Ｂは、第１変位検出部５Ａに対して第１の方向Ｘに沿って反転して配置されている。

第２変位検出部５Ｂの光束平行分岐部４０Ｂは、物体用ミラー１５Ｂによって反射され、かつ第２の回折格子１２Ｂを通過した第１の光束Ｌ１Ｂを、第１の回折格子１１における１回目の入射位置の入射点Ｐ１１と異なる入射点Ｐ１２Ｂに入射させる。なお、１回目の入射一である入射点Ｐ１１と、２回目の照射一である入射点Ｐ１２Ｂは、被測定部材２における第１の方向Ｘ上に位置している。また、光束平行分岐部４０Ｂは、第１の光束Ｌ１Ｂにおける入射点Ｐ１１から光束平行分岐部４０Ｂに入射するまでの行き光路と、光束平行分岐部４０Ｂから第１の回折格子１１の入射点Ｐ１２Ｂに入射するまでの帰り光路が一致しないように、第１の方向Ｘに平行に移動させている。

第１の回折格子１１の入射点Ｐ１２Ｂに入射した第１の光束Ｌ１Ｂは、第１の回折格子１１によって回折され、光束結合部５０Ｂによって第２の光束Ｌ２Ｂと重ね合わされて受光部７Ｂに入射する。受光部７Ｂは、得られた干渉信号を第２相対位置情報出力部４Ｂに送信する。

第２傾き検出用受光部８０Ｂは、第１受光素子８１と、第２受光素子８２とを有している。また、第２傾き検出用受光部８０Ｂは、第２の回折格子１２Ｂを透過した光のうち０次光Ｌ４Ｂが入射する位置に配置されている。第１受光素子８１と第２受光素子８２には、０次光Ｌ４Ｂの照射像が結像される。

さらに、第２傾き検出用受光部８０Ｂは、変位出力部４に接続されている。そして、傾き検出用受光部８０Ｂは、第１受光素子８１及び第２受光素子８２が受光し、光電変換した信号を変位出力部４に出力する。

また、第１傾き検出用受光部８０Ａと、第２傾き検出用受光部８０Ｂは、第１の方向Ｘに沿って間隔ＬＬ１を空けて配置されている。この第１傾き検出用受光部８０Ａと、第２傾き検出用受光部８０Ｂとの間隔ＬＬ１の情報は、予め変位出力部４に格納されている。

図２に示すように、第３変位検出部５Ｃは、第２の回折格子１２Ｃと、参照用ミラー１４Ｃと、物体用ミラー１５Ｃと、第１の位相板１７Ｃと、第２の位相板１８Ｃと、光束平行分岐部４０Ｃと、光束結合部５０Ｃと、を備えている。さらに、第３変位検出部５Ｃは、受光部７Ｃと、第３傾き検出用受光部８０Ｃを有している。また、第２の回折格子１２Ｃの格子ベクトル方向は、第２の方向Ｙと第３の方向Ｚで形成される平面上に存在する。

第３変位検出部５Ｃの光束平行分岐部４０Ｃは、物体用ミラー１５Ｃによって反射され、かつ第２の回折格子１２Ｃを通過した第１の光束Ｌ１Ｃを、第１の回折格子１１における１回目の入射位置の入射点Ｐ１１と異なる入射点Ｐ１２Ｃに入射させる。なお、１回目の入射一である入射点Ｐ１１と、２回目の照射一である入射点Ｐ１２Ｃは、被測定部材２における第２の方向Ｙ上に位置している。また、光束平行分岐部４０Ｃは、第１の光束Ｌ１Ｃにおける入射点Ｐ１１から光束平行分岐部４０Ｃに入射するまでの行き光路と、光束平行分岐部４０Ｃから第１の回折格子１１の入射点Ｐ１２Ｃに入射するまでの帰り光路が一致しないように、第２の方向Ｙに平行に移動させている。

第１の回折格子１１の入射点Ｐ１２Ｃに入射した第１の光束Ｌ１Ｃは、第１の回折格子１１によって回折され、光束結合部５０Ｃによって第２の光束Ｌ２Ｃと重ね合わされて受光部７Ｃに入射する。受光部７Ｃは、得られた干渉信号を第３相対位置情報出力部４Ｃに送信する。

第３傾き検出用受光部８０Ｃは、第１受光素子８１と、第２受光素子８２とを有している。また、第３傾き検出用受光部８０Ｃは、第２の回折格子１２Ｃを透過した光のうち０次光Ｌ４Ｃが入射する位置に配置されている。第１受光素子８１と第２受光素子８２には、０次光Ｌ４Ｃの照射像が結像される。

さらに、第３傾き検出用受光部８０Ｃは、変位出力部４に接続されている。そして、第３傾き検出用受光部８０Ｃは、第１受光素子８１及び第２受光素子８２が受光し、光電変換した信号を変位出力部４に出力する。

第４変位検出部５Ｄは、第２の回折格子１２Ｄと、参照用ミラー１４Ｄと、物体用ミラー１５Ｄと、第１の位相板１７Ｄと、第２の位相板１８Ｄと、光束平行分岐部４０Ｄと、光束結合部５０Ｄと、を備えている。さらに、第４変位検出部５Ｄは、受光部７Ｄと、第４傾き検出用受光部８０Ｄを有している。また、第２の回折格子１２Ｄの格子ベクトル方向は、第２の方向Ｙと第３の方向Ｚで形成される平面上に存在する。

また、第４変位検出部５Ｄを構成する第２の回折格子１２Ｄ、参照用ミラー１４Ｄ、物体用ミラー１５Ｄ、第１の位相板１７Ｄ、第２の位相板１８Ｄは、光束平行分岐部４０Ｄ、光束結合部５０Ｄ及び第４傾き検出用受光部８０Ｄは、第３変位検出部５Ｃに対して第２の方向Ｙに沿って反転して配置されている。

第４変位検出部５Ｄの光束平行分岐部４０Ｄは、物体用ミラー１５Ｄによって反射され、かつ第２の回折格子１２Ｄを通過した第１の光束Ｌ１Ｄを、第１の回折格子１１における１回目の入射位置の入射点Ｐ１１と異なる入射点Ｐ１２Ｄに入射させる。なお、１回目の入射一である入射点Ｐ１１と、２回目の照射一である入射点Ｐ１２Ｄは、被測定部材２における第２の方向Ｙ上に位置している。また、光束平行分岐部４０Ｄは、第１の光束Ｌ１Ｄにおける入射点Ｐ１１から光束平行分岐部４０Ｄに入射するまでの行き光路と、光束平行分岐部４０Ｄから第１の回折格子１１の入射点Ｐ１２Ｄに入射するまでの帰り光路が一致しないように、第２の方向Ｙに平行に移動させている。

第１の回折格子１１の入射点Ｐ１２Ｄに入射した第１の光束Ｌ１Ｄは、第１の回折格子１１によって回折され、光束結合部５０Ｄによって第２の光束Ｌ２Ｄと重ね合わされて受光部７Ｄに入射する。受光部７Ｄは、得られた干渉信号を第４相対位置情報出力部４Ｄに送信する。

第４傾き検出用受光部８０Ｄは、第１受光素子８１と、第２受光素子８２とを有している。また、第４傾き検出用受光部８０Ｄは、第２の回折格子１２Ｄを透過した光のうち０次光Ｌ４Ｄが入射する位置に配置されている。第１受光素子８１と第２受光素子８２には、０次光Ｌ４Ｄの照射像が結像される。

さらに、第４傾き検出用受光部８０Ｄは、変位出力部４に接続されている。そして、第４傾き検出用受光部８０Ｄは、第１受光素子８１及び第２受光素子８２が受光し、光電変換した信号を変位出力部４に出力する。

また、第３傾き検出用受光部８０Ｃと、第４傾き検出用受光部８０Ｄは、第２の方向Ｙに沿って間隔ＬＬ２を空けて配置されている。この第３傾き検出用受光部８０Ｃと、第４傾き検出用受光部８０Ｄとの間隔ＬＬ２の情報は、予め変位出力部４に格納されている。

なお、本例では、第１の回折格子１１の第１格子ベクトル方向と第２格子ベクトル方向が直交する例を説明したが、これに限定されるものではない。第１格子ベクトル方向と第２格子ベクトル方向は直交しなくてもよく、被測定部材２の被測定面２ａ上で互いに交差すればよい。そして、第１変位検出部５Ａ及び第２変位検出部５Ｂは、第１格子ベクトル方向に沿って配置され、第３変位検出部５Ｃ及び第４変位検出部５Ｄは、第２格子ベクトル方向に沿って配置される。

１−２．第１の回折格子と第２の回折格子の関係
次に、上述した構成を有する第１の回折格子１１と第２の回折格子１２Ａの関係について図４を参照して説明する。
図４は、第１の回折格子１１と第２の回折格子１２Ａの回折角度の関係を示す説明図である。

図４に示すように、第１の回折格子１１には、第１の光束Ｌ１が第３の方向Ｚに沿って垂直に入射する。なお、第１の回折格子１１の格子ベクトル方向は、第１の方向Ｘと平行をなしている。そして、第１の回折格子１１は、回折角度θで回折する。ここで、第１の光束Ｌ１Ａの波長をλ、第１の回折格子１１の格子ピッチｄ_Ｒとすると、第１の回折格子１１の回折角度θは、下記式１及び式２により算出することができる。
［式１］

［式２］

第１の回折格子１１で回折した第１の光束Ｌ１Ａは、第２の回折格子１２Ａに入射され、第２の回折格子１２Ａで回折する。このときの第２の回折格子１２Ａの格子ベクトル方向は、第１の方向Ｘと第３の方向Ｚで形成される平面上に存在する。また、第２の回折格子１２Ａの格子ベクトル方向は、第１の光束Ｌ１Ａにおける第１の回折格子１１への入射角度に対して、角度θ_Ｔで傾斜している。すなわち、第２の回折格子１２Ａの格子ベクトル方向は、第３の方向Ｚに対して角度θ_Ｔで傾斜している。

第１の光束Ｌ１Ａが第２の回折格子１２Ａに対して角度φで入射した場合、第２の回折格子１２Ａがブラッグ条件を満たせば、第２の回折格子１２Ａは、第１の光束Ｌ１Ａを回折角度φで回折する。そのため、ブラッグ条件は、次の式３及び式４を満たすように第２の回折格子１２Ａの格子ピッチｄ_Ｔ又は回折角度φを設定すればよい。なお、λは、第１の光束Ｌ１Ａの波長である。
［式３］

［式４］

第２の回折格子１２Ａがブラッグ条件を満たすことで、例えば、後述する透過型のボリュームタイプホログラムの第２の回折格子１２Ｍ（図８Ａ参照）を用いれば、非常に高い回折効率を得ることができる。しかしながら、第２の回折格子１２Ａへの入射角度φと、格子ピッチｄ_Ｔの設計に制限がかかるため、第２の回折格子１２Ａとしては、ボリュームタイプホログラムを用いずに、厚みのない透過型の回折格子を用いてもよい。厚みのない透過型の回折格子を用いることで、入射角度と回折角度の選択に自由度を持たせることができる。

第２の回折格子１２Ａがブラッグ条件を満たす場合、第２の回折格子１２Ａにより２回目（１回目は第１の回折格子１１）の回折をした第１の光束Ｌ１Ａは、物体用ミラー１５Ａによって反射されて再び第２の回折格子１２Ａに入射する。なお、図１及び図４に示すように、被測定部材２が第３の方向Ｚに変位していない場合、第１の光束Ｌ１Ａにおける第２の回折格子１２Ａに入射する入射点Ｑ１Ａの位置は、変化しない。また、被測定部材２が第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙに変位しても、第１の光束Ｌ１Ａにおける第２の回折格子１２Ａに入射する入射点Ｑ１Ａの位置は、変化しない。そして、第２の回折格子１２Ａによって３回目の回折が行われた第１の光束Ｌ１Ａは、光束平行分岐部４０Ａを通過して第１の回折格子１１に入射し、第１の回折格子１１により４回目の回折が行われる。

ここで、被測定部材２、すなわち第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに長さΔＺだけ移動した例について説明する。
図４に示すように、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッド３に接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の回折格子１１の入射点Ｐ２１に入射する時点で、第１の光束Ｌ１Ａの光路長は、長さΔＺ短くなる。

なお、第１の光束Ｌ１Ａは、被測定部材２の被測定面２ａ、すなわち第１の回折格子１１に対して垂直に入射している。そのため、被測定部材２が第３の方向Ｚに変位しても第１の回折格子１１に入射される第１の光束Ｌ１Ａの入射点Ｐ１１、Ｐ２１の位置は、第１の回折格子１１上において変化しない。

第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッド３に接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の光束Ｌ１Ａにおける第２の回折格子１２Ａに入射する位置は、入射点Ｑ１Ａから入射点Ｑ２Ａに変化する。

また、第１の光束Ｌ１Ａにおける光束平行分岐部４０Ａ内での光路長は、第１の回折格子１１が第１の方向Ｘや第３の方向Ｚに移動しても変化しない。そのため、第１の回折格子１１の入射点Ｐ２１から光束平行分岐部４０を介して第２の回折格子１２Ａの入射点Ｑ２Ａまでの光路長は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第１の回折格子１１の入射点Ｐ１１から光束平行分岐部４０Ａを介して第２の回折格子１２Ａの入射点Ｑ１Ａまでの光路長よりも長さＭ１だけ長くなる。さらに、第２の回折格子１２Ａの入射点Ｑ２Ａから物体用ミラー１５Ａまでの距離は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第２の回折格子１２Ａの入射点Ｑ１Ａから物体用ミラー１５Ａまでの光路長よりも長さＭ２だけ長くなる。

そのため、ΔＺ＝Ｍ１＋Ｍ２を満たせば、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１Ａの光路長は、一定となる。また、ΔＺ＝Ｍ１＋Ｍ２を満たす条件は、第１の回折格子１１の回折角度θと、第２の回折格子１２Ａの回折角度φから下記式５が示される。
［式５］

したがって、第１の回折格子１１の回折角度θと第２の回折格子１２Ａの回折角度φは、上記式５を満たす値に設定される。これにより、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１Ａの光路長を一定にすることができる。

なお、第１の光束Ｌ１Ａが物体用ミラー１５Ａによって反射し、光束平行分岐部４０Ａを通過した第１の回折格子１１に再び入射するまでの光路にも適用できる。さらに、第１の光束Ｌ１Ａにおける光束平行分岐部４０Ａ内での光路長は、第１の回折格子１１が第１の方向Ｘや第３の方向Ｚに移動しても変化しない。従って、第１の光束Ｌ１Ａにおける帰り光路の光路長も常に一定にすることができる。

上述したように、被測定部材２が第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙに変位しても、第１の光束Ｌ１Ａにおける第２の回折格子１２Ａに入射する入射点Ｑの位置は、変化しないため、第１の光束Ｌ１Ａの光路長を一定に保つことができる。その結果、第１の回折格子１１が第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ及び第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１Ａの光路長が変化しないため、第１の光束Ｌ１Ａの光路長と第２の光束Ｌ２Ａ（図１参照）の光路長を常に一定に保つことができる。

例えば、光源６の波長λが７９０ｎｍ、第１の回折格子１１の格子ピッチｄ_Ｒが１μｍ、第１の回折格子１１への第１の光束Ｌ１Ａの入射角度が０度、第２の回折格子１２Ａの格子ピッチｄ_Ｔの場合、第１の回折格子１１の回折角度θ≒５２．２°、第２の回折格子１２Ａの回折角度φ≒４５．９°となる。

１−３．変位出力部の構成例
次に、変位出力部４の構成例について図５〜図７を参照して説明する。
図５は、本例の変位出力部４における第１相対位置情報出力部４Ａを示すブロック図である。なお、第１相対位置情報出力部４Ａ、第２相対位置情報出力部４Ｂ、第３相対位置情報出力部４Ｃ及び第４相対位置情報出力部４Ｄは、それぞれ同様の構成を有しているため、ここでは第１相対位置情報出力部４Ａについて説明する。

図５に示すように、第１相対位置情報出力部４Ａは、第１差動増幅器６１ａと、第２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。

第１差動増幅器６１ａには、第１の受光素子３１及び第２の受光素子３２が接続されており、第２差動増幅器６１ｂには、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４が接続されている。また、第１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。また、波形補正処理部６３は、インクリメンタル信号発生器６４に接続されている。

第１差動増幅器６１ａは、第１の受光素子３１及び第２の受光素子３２から干渉信号を受信し、第２差動増幅器６１ｂは、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４から干渉信号を受信する。第１差動増幅器６１ａ及び第２差動増幅器６１ｂは、それぞれ受信した干渉信号を差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。

第１差動増幅器６１ａで差動増幅された信号は、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。

また同様に、第２差動増幅器６１ｂで差動増幅された信号は、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。

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、ヘッド３と被測定部材２との第１の方向Ｘ又は第３の方向Ｚの相対的な変位量が、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。なお、第３相対位置情報出力部４Ｃ及び第４相対位置情報出力部４Ｄでは、ヘッド３と被測定部材２との第２の方向Ｙ又は第３の方向Ｚの相対的な変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出する。

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、変位検出装置１により被測定部材２とヘッド３との相対的な変位量（移動量）が検出される。

なお、本例の第１相対位置情報出力部４Ａが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。

図６は、変位出力部４における相対位置情報を算出する構成を示すブロック図である。
また、図６に示すように、変位出力部４は、第１相対位置情報出力部４Ａ、第２相対位置情報出力部４Ｂ、第３相対位置情報出力部４Ｃ及び第４相対位置情報出力部４Ｄに接続された演算部７０を有している。

演算部７０には、第１相対位置情報出力部４Ａ、第２相対位置情報出力部４Ｂ、第３相対位置情報出力部４Ｃ及び第４相対位置情報出力部４Ｄから変位情報が出力される。そして、演算部７０は、第１相対位置情報出力部４Ａ、第２相対位置情報出力部４Ｂ、第３相対位置情報出力部４Ｃ及び第４相対位置情報出力部４Ｄから変位情報から出力された変位情報に基づいて、第１の方向Ｘと、第２の方向Ｙと、第３の方向Ｚの３次元の変位情報を出力する。

図７は、変位出力部４における傾きを算出する構成を示すブロック図である。
図７に示すように、変位出力部４は、第１傾き検出用受光部８０Ａからの信号を受信する差動増幅器８３ａと、第２傾き検出用受光部８０Ｂからの信号を受信する差動増幅器８０ｂと、第３傾き検出用受光部８０Ｃからの信号を受信する差動増幅器８０ｃと、第４傾き検出用受光部８０Ｄからの信号を受信する差動増幅器８０ｄとを有している。

さらに、変位出力部４は、第１絶対位置検出部８４ａと、第２絶対位置検出部８４ｂと、第３絶対位置検出部８４ｃと、第４絶対位置検出部８４ｄと、第１角度計算部８５と、第２角度計算部８６とを有している。

差動増幅器８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄは、それぞれ第１受光素子８１及び第２受光素子８２と、接続されている。そして、差動増幅器８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄは、第１受光素子８１と第２受光素子８２で光電変換された信号を差動増幅し、フォーカス信号を生成する。そして、差動増幅器８０ａによって生成されたフォーカス信号は、第１絶対位置検出部８４ａに出力される。

第１絶対位置検出部８４ａは、差動増幅器８０ａと演算部７０に接続されている。そして、第１絶対位置検出部８４ａは、差動増幅器８０ａからの信号と、演算部７０が演算した第３の方向Ｚの変位情報に基づいて、被測定部材２の被測定面２ａにおける第３の方向Ｚの絶対位置を演算する。同様に、第２絶対位置検出部８４ｂ、第３絶対位置検出部８４ｃ及び第４絶対位置検出部８４ｄも、同様に、被測定部材２の被測定面２ａにおける第３の方向Ｚの絶対位置を演算する。

第１絶対位置検出部８４ａと第２絶対位置検出部８４ｂは、第１角度計算部８５に接続されており、第３絶対位置検出部８４ｃと第４絶対位置検出部８４ｄは、第２角度計算部８６に接続されている。第１角度計算部８５は、第１絶対位置検出部８４ａと第２絶対位置検出部８４ｂが演算した絶対位置に基づいて、被測定部材２における第２の方向Ｙを中心軸とした第１傾きの角度Ｙθを算出する。また、第２角度計算部８６は、第３絶対位置検出部８４ｃと第４絶対位置検出部８４ｄが演算した絶対位置に基づいて、被測定部材２における第１の方向Ｘを中心軸とした第２傾きの角度Ｘθを算出する。なお、角度Ｙθ、Ｘθの算出方法については、後述する。

また、変位出力部４は、第１角度計算部８５及び第２角度計算部８６が算出した角度Ｙθ、Ｘθを演算部７０に出力し、演算した第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ及び第３の方向Ｚの変位情報を補正してもよい。

１−４．変位検出装置の動作例
次に、図１、図２、及び図４を参照して、上述した構成を有する変位検出装置１の動作例について説明する。

図１に示すように、光源６から出射した光Ｌは、レンズ１６によりコリメートされて平行光となる。レンズ１６によりコリメートされた平行光Ｌは、アイソレータ９を介して第４光束分割部１３Ｄ、第３光束分割部１３Ｃ、第２光束分割部１３Ｂ及び第１光束分割部１３Ａに入射する。

平行光Ｌは、第４光束分割部１３Ｄ、第３光束分割部１３Ｃ、第２光束分割部１３Ｂ及び第１光束分割部１３Ａによって、第１の光束Ｌ１、第２の光束Ｌ２Ａ、Ｌ２Ｂ、Ｌ２Ｃ、Ｌ２Ｄに分割される。

第１光束分割部１３Ａによって反射された第２の光束Ｌ２Ａは、第１変位検出部５Ａの光束結合部５０Ａに入射する。また、第２光束分割部１３Ｂによって反射された第２の光束Ｌ２Ｂは、第２変位検出部５Ｂの光束結合部５０Ｂに入射し、第３光束分割部１３Ｃによって反射された第２の光束Ｌ２Ｃは、第３変位検出部５Ｃの光束結合部５０Ｃに入射する。そして、第４光束分割部１３Ｄによって反射された第２の光束Ｌ２Ｄは、第４変位検出部５Ｄの光束結合部５０Ｄに入射する。

第１変位検出部５Ａの光束結合部５０Ａに入射した第２の光束Ｌ２Ａは、光束結合部５０Ａの偏光調整位相板により、ｐ偏光の光に変化する。ｐ偏光の光に変化した第２の光束Ｌ２Ａは、光束結合部５０の偏光ビームスプリッタに入射する。

上述したように、偏光ビームスプリッタは、光のうちｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する。そのため、偏光ビームスプリッタに入射した第２の光束Ｌ２Ａは、偏光ビームスプリッタを透過する。

第２の光束Ｌ２Ａは、光束結合部５０Ａを通過して第２の位相板１８Ａに照射される。第２の光束Ｌ２Ａは、ｐ偏光であるため、第２の光束Ｌ２Ａは、第２の位相板１８Ａを通過することで、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光に変化する。第２の位相板１８Ａを通過した第２の光束Ｌ２Ａは、参照用ミラー１４Ａに照射される。

参照用ミラー１４Ａに照射された第２の光束Ｌ２Ａは、参照用ミラー１４Ａで反射されて、再び第２の位相板１８Ａに照射される。このときの第２の光束Ｌ２Ａの偏光方向は、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光である。そのため、第２の光束Ｌ２Ａは、第２の位相板１８Ａによって、行きの偏光方向であるｐ偏光と直交するｓ偏光に変化する。

第２の位相板１８Ａを通過した第２の光束Ｌ２Ａは、光束結合部５０Ａの偏光ビームスプリッタに入射する。第２の光束Ｌ２Ａの偏光方向がｓ偏光であるため、第２の光束Ｌ２Ａは、光束結合部５０Ａの偏光ビームスプリッタによって反射される。

なお、第２変位検出部５Ｂに入射した第２の光束Ｌ２Ｂ、第３変位検出部５Ｃに入射した第２の光束Ｌ２Ｃ及び第４変位検出部５Ｄに入射した第２の光束Ｌ２Ｄも同様であるため、その説明は省略する。

一方、第１光束分割部１３Ａを透過した第１の光束Ｌ１は、被測定部材２の被測定面２ａ、すなわち第１の回折格子１１の入射点Ｐ１１に垂直に入射する。そして、図４に示すように、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１によって回折角度θで回折する。

第１の回折格子１１によって回折された回折光のうち、第１の方向Ｘにおいて正の次数を有する第１の光束Ｌ１Ａは、第１変位検出部５Ａの光束平行分岐部４０Ａに入射する。第１の回折格子１１によって回折された回折光のうち、第１の方向Ｘにおいて負の次数を有する第１の光束Ｌ１Ｂは、第２変位検出部５Ｂの光束平行分岐部４０Ｂに入射する。

さらに、図２に示すように、第１の回折格子１１によって回折された回折光のうち、第２の方向Ｙにおいて正の次数を有する第１の光束Ｌ１Ｃは、第３変位検出部５Ｃの光束平行分岐部４０Ｃに入射する。また、第１の回折格子１１によって回折された回折光のうち、第２の方向Ｙにおいて負の次数を有する第１の光束Ｌ１Ｄは、第４変位検出部５Ｄの光束平行分岐部４０Ｄに入射する。

第１変位検出部５Ａの光束平行分岐部４０Ａに入射した第１の光束Ｌ１Ａは、光束平行分岐部４０Ａの偏光調整位相板４２によって、偏光状態がｓ偏光に変化する。ｓ偏光に変化した第１の光束Ｌ１Ａは、反射ミラー４３によって反射されて偏光ビームスプリッタ４４に入射する。第１の光束Ｌ１Ａは、ｓ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ４４によって反射される。

光束平行分岐部４０Ａの偏光ビームスプリッタ４４を反射した第１の光束Ｌ１Ａは、第２の回折格子１２Ａに入射角度φで入射点に入射する。上述したように、第２の回折格子１２Ａは、ブラッグ条件を満たしているため、第１の光束Ｌ１Ａは、第２の回折格子１２Ａによって回折角度φで回折する。

また、第２の回折格子１２Ａを透過する光のうち０次光Ｌ４Ａ（図１参照）は、第１傾き検出用受光部８０Ａに入射する。

第２の回折格子１２Ａによって回折された第１の光束Ｌ１Ａは、物体用ミラー１５Ａに垂直に入射する。そして、第１の光束Ｌ１Ａは、再び第２の回折格子１２Ａに向けて、物体用ミラー１５Ａによって反射される。第１の光束Ｌ１Ａは、入射角度φで第２の回折格子１２Ａに入射する。このとき、第１の光束Ｌ１Ａは、行き光路と同じ第２の回折格子１２Ａにおける入射点Ｑに入射する。そして、第２の回折格子１２Ａによって３回目の回折が行われ、光束平行分岐部４０Ａの偏光ビームスプリッタ４４に入射する。

また、第２の回折格子１２Ａと物体用ミラー１５Ａの間には、第１の位相板１７Ａが配置されている。そのため、第２の回折格子１２Ａを通過した第１の光束Ｌ１Ａは、ｓ偏光であるため、第１の位相板１７Ａによって、進行方向を中心軸として第２の向きに回転する円偏光に変化する。また、物体用ミラー１５Ａを反射した第１の光束Ｌ１Ａは、第１の位相板１７Ａを再び通過することで、第２の向きに回転する円偏光からｐ偏光に変化する。

光束平行分岐部４０Ａに再び入射した第１の光束Ｌ１Ａの偏光方向は、第１の位相板１７Ａによってｐ偏光に変化されているため、第１の光束Ｌ１Ａは、光束平行分岐部４０Ａの偏光ビームスプリッタ４４を透過する。

また、光束平行分岐部４０Ａは、第１の光束Ｌ１Ａにおける行き光路と帰り光路が一致しないように、行き光路と帰り光路を平行に移動させている。そのため、第１の光束Ｌ１Ａは、光束平行分岐部４０Ａを通過して、第１の回折格子１１に入射角度θで、行き光路の入射点Ｐ１１とは異なる入射点Ｐ１２Ａに入射する。

このように、第１の回折格子１１に対する行き光路の入射点Ｐ１２Ａと帰り光路の入射点Ｐ１２Ａが異なる位置であるため、第１の回折格子１１にゴミが付着した際の影響を少なくすることができる。

次に、第１の光束Ｌ１Ａは、第１の回折格子１１で４回目の回折が行われて、光束結合部５０Ａに照射される。このときの第１の光束Ｌ１Ａの偏光方向がｐ偏光であるため、光束結合部５０Ａの偏光ビームスプリッタを透過する。そして、光束結合部５０Ａで重ね合わされ、かつ互いに直交した直線偏光の第１の光束Ｌ１Ａと第２の光束Ｌ２Ａが重なり合った光束が、受光部７Ａに照射される。

光束は、集光レンズ２１によって集光されて、ハーフミラー２２に照射される。ハーフミラー２２は、光束を２つの光に分割する。ハーフミラー２２を透過した光束は、第１の偏光ビームスプリッタ２４に入射する。

ここで、第１の偏光ビームスプリッタ２４は、互いに偏光方向が９０度異なる第１の光束Ｌ１Ａ及び第２の光束Ｌ２Ａの偏光方向が、第１の偏光ビームスプリッタ２４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Ｌ１Ａ及び第２の光束Ｌ２Ａは、第１の偏光ビームスプリッタ２４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２４を透過した第１の光束Ｌ１Ａ及び第２の光束Ｌ２Ａ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Ｌ１Ａと第２の光束Ｌ２Ａを第１の偏光ビームスプリッタ２４によって干渉させることができる。

同様に、第１の偏光ビームスプリッタ２４によって反射される第１の光束Ｌ１Ａ及び第２の光束Ｌ２Ａは、第１の偏光ビームスプリッタ２４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２４によって干渉させることができる。

第１の偏光ビームスプリッタ２４を透過した第１の光束Ｌ１Ａ及び第２の光束Ｌ２Ａとの干渉光は、第１の受光素子３１によって受光される。また、第１の偏光ビームスプリッタ２４によって反射された第１の光束Ｌ１Ａ及び第２の光束Ｌ２Ａとの干渉光は、第２の受光素子３２によって受光される。ここで、第１の受光素子３１と第２の受光素子３２とによって光電変換される干渉信号は、１８０度位相の異なる信号となる。

そして、第１の受光素子３１と第２の受光素子３２によって得られる干渉信号は、
なお、第１変位検出部５Ａの受光部７Ａは、下記式６に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ１は、干渉の振幅である。
［式６］

ここで、Ａ１は、干渉の振幅であり、Ｋ１は、２π／ｄ_Ｒで示される第１の回折格子１１の波数である。また、ｘは、第１の回折格子１１の移動量、すなわちヘッド３と被測定部材２における第１の方向Ｘへの相対的な変位量を示している。一方、Ｋ２は、２π／ｄ_Ｔで示される第２の回折格子１２Ａの波数である。ｚは、第２の回折格子１２Ａに入射する第１の光束Ｌ１Ａにおける第２の回折格子１２Ａの格子ベクトル方向の移動量を示している。なお、ｄ_Ｒは、第１の回折格子１１の格子ピッチであり、ｄ_Ｔは、第２の回折格子１２Ａの格子ピッチである。また、δは、初期位相を示している。

さらに、Ｂは、第２の回折格子１２Ａの格子ベクトル方向が第３の方向Ｚに対して傾斜角度θ_Ｔで傾斜することに伴う係数である。そして、第２の回折格子１２Ａのへの入射角度（ブラッグ条件では、回折角度も同じになる）をφとした場合、Ｂ＝ｃｏｓθ_Ｔ＋ｓｉｎθ_Ｔ×ｔａｎφで示すことができる。

ここで、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘに相対的にｘ／２だけ移動すると、第１の回折格子１１に照射される第１の光束Ｌ１の入射点は、点Ｐ１１から点Ｐ１２に第１の方向Ｘにｘ／２だけ移動する。すなわち、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１上を第１の方向Ｘにｘ／２だけ移動する。そのため、第１の光束Ｌ１には、Ｋ１ｘの位相が加わり、１周期の光の明暗が生じる干渉光が第１の受光素子３１と第２の受光素子３２によって受光される。

なお、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘや第２の方向Ｙに相対的に移動しても、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２Ａ上での入射点Ｐ１１、１２は、変化しない。そのため、第１の光束Ｌ１には、第１の回折格子１１によって回折された位相のみが加わる。

また、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚに相対的にＺ／（２×Ｂ）だけ移動すると、第２の回折格子１２Ａに照射される第１の光束Ｌ１Ａの入射点が点Ｑ１Ａから点Ｑ２Ａに第２の回折格子１２Ａの格子ベクトル方向にＺ／２だけ移動する。すなわち、第１の光束Ｌ１Ａは、第２の回折格子１２Ａ上を格子ベクトル方向にＺ／２だけ移動する。そのため、第１の光束Ｌ１Ａには、Ｋ２ｚの位相が加わり、１周期の光の明暗が生じる干渉光が第１の受光素子３１と第２の受光素子３２によって受光される。

なお、上述したように、第１の光束Ｌ１は、第３の方向Ｚと平行に第１の回折格子１１に入射する。そのため、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１に垂直に入射する。したがって、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚに相対的に移動しても、第１の光束Ｌ１における第１の回折格子１１上での入射点Ｐ１１、２１は、変化しない。そのため、第１の光束Ｌ１Ａには、第２の回折格子１２Ａによって回折された位相のみが加わる。

さらに、第１の回折格子１１の回折角度θと、第２の回折格子１２Ａの回折角度φは、上記式５を満たす値に設定されている。そのため、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚに相対的にΔＺで移動しても、ΔＺと図４に示すＭ１＋Ｍ２の和が常に０になる。その結果、第１の光束Ｌ１Ａの光路長が変化せず、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚに相対的にΔＺで移動しても、第１の光束Ｌ１Ａにおける第２の回折格子１２Ａに入射する位置だけが点Ｑ１Ａから点Ｑ２Ａに変化する。

ここで、上述したように、第１の受光素子３１及び第２の受光素子３２によって得られる干渉信号には、光源６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の波長に変動が起きても干渉強度には、影響を受けない。

一方、図１に示すように、ハーフミラー２２を反射した光束は、受光側位相板２３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Ｌ１Ａ及び第２の光束Ｌ２Ａからなる光束は、受光側位相板２３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２５に入射する。

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２５によって反射され、第３の受光素子３３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２５を透過し、第４の受光素子３４によって受光される。

上述したように、第２の偏光ビームスプリッタ２５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２５に入射される直線偏光の偏光方向は、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘに相対的にｄ_Ｒ／２だけ移動すると１／２回転する。また、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘに相対的にｄ_Ｔ／（２×Ｂ）だけ移動しても、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される直線偏光の偏光方向は、１／２回転する。

したがって、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４でも、第１の受光素子３１及び第２の受光素子３２と同様に、Ａ１×ｃｏｓ(２×Ｋ１ｘ＋２×Ｂ×Ｋ２ｚ＋δ’)の干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。

また、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４とで光電変換される信号は、１８０度位相が異なる。

なお、本例では、第１の偏光ビームスプリッタ２４に対して、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４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２５を４５度傾けて配置している。このため、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４において得られる信号は、第１の受光素子３１と第２の受光素子３２において得られる信号に対し、９０度位相がずれている。

したがって、例えば第１の受光素子３１と第２の受光素子３２で得られる信号をｓｉｎ信号、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４で得られる信号を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。

これらの受光素子によって得られる信号は、変位出力部４によって演算され、ヘッド３と被測定部材２との相対的な変位量がカウントされる。これにより、ヘッド３と被測定部材２との相対的な変位量を検出することができる。

なお、第２変位検出部５Ｂ、第３変位検出部５Ｃ及び第４変位検出部５Ｄに入射した第２の光束Ｌ２Ｂ、Ｌ２Ｃ、Ｌ２Ｄ及び第１の光束Ｌ１Ｂ、Ｌ１Ｃ、Ｌ１Ｄも同様に、光束結合部５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄで重ね合わされ、それぞれの受光部７Ｂ、７Ｃ、７Ｄに照射される。

第２変位検出部５Ｂの受光部７Ｂは、下記式７に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ２は、干渉の振幅である。
［式７］

第３変位検出部５Ｃの受光部７Ｃは、下記式８に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ３は、干渉の振幅である。ｙは、第１の回折格子１１の移動量、すなわちヘッド３と被測定部材２における第２の方向Ｙへの相対的な変位量を示している。
［式８］

第４変位検出部５Ｄの受光部７Ｄは、下記式９に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ４は、干渉の振幅である。
［式９］

上記式６と式７に示すように、第１変位検出部５Ａの受光部７Ａと、第２変位検出部５Ｂの受光部７Ｂが得られる干渉信号における第１の方向Ｘの変位情報は、正負が異なっている。また、上記式８及び式９に示すように、第３変位検出部５Ｃの受光部７Ｃと、第４変位検出部５Ｄの受光部が得られる第２の方向Ｙの変位情報は、正負が異なっている。

そのため、第１相対位置情報出力部４Ａの変位情報Ａから第２相対位置情報出力部４Ｂの変位情報Ｂを引くことで、第１の方向Ｘの変位情報のみを取り出すことができる。また、第３相対位置情報出力部４Ｃの変位情報Ｃから第４相対位置情報出力部４Ｄの変位情報Ｄを引くことで、第２の方向Ｙの変位情報のみを取り出すことができる。そして、第１相対位置情報出力部４Ａ、第２相対位置情報出力部４Ｂ、第３相対位置情報出力部４Ｃ及び第４相対位置情報出力部４Ｄの全ての変位情報Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを足し合わせることで、第３の方向Ｚの変位情報のみを取り出すことができる。

そして、図６に示すように、演算部７０は、第１相対位置情報出力部４Ａ、第２相対位置情報出力部４Ｂ、第３相対位置情報出力部４Ｃ、第４相対位置情報出力部４Ｄの全ての変位情報Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを足し合わせて、４で割ることで、ヘッド３と被測定部材２との第３の方向Ｚへの相対位置の変位情報を演算する。

また、演算部７０は、第１相対位置情報出力部４Ａの変位情報Ａから第２相対位置情報出力部４Ｂの変位情報Ｂを引き、２で割ることで、ヘッド３と被測定部材２との第１の方向Ｘの変位情報を演算する。演算部７０は、第３相対位置情報出力部４Ｃの変位情報Ｃから第４相対位置情報出力部４Ｄの変位情報Ｄを引き、２で割ることで、ヘッド３と被測定部材２との第２の方向Ｙの変位情報を演算する。

これにより、変位出力部４は、第１の方向Ｘと、第２の方向Ｙと、第３の方向Ｚの３次元の変位情報を出力する。

本例の変位検出装置１によれば、第１の回折格子１１によって回折された回折光のうち第１の方向Ｘにおける正の次数の回折光を第１変位検出部５Ａで用いて、第１の方向Ｘにおける負の次数の回折光を第２変位検出部５Ｂで用いている。さらに、第２の方向Ｙにおける正の次数の回折光を第３変位検出部５Ｃで用いて、第２の方向Ｙにおける負の次数の回折光を第４変位検出部５Ｄで用いている。これにより、変位出力部４で得られる干渉信号の出力振幅を増加させることができる。

次に、傾き検出について説明する。
被測定部材２が第３の方向Ｚの絶対位置が変化した場合、第１傾き検出用受光部８０Ａにおける第１受光素子８１及び第２受光素子８２に入射する０次光Ｌ４Ａは、原点Ｒ１Ａから第１受光素子８１側、又は第２受光素子８２側に移動する。なお、第２傾き検出用受光部８０Ｂ、第３傾き検出用受光部８０Ｃ及び第４傾き検出用受光部８０Ｄにおいても同様である。

また、被測定部材２が第２の方向Ｙを中心に傾いた場合、第１傾き検出用受光部８０Ａにおける第１受光素子８１及び第２受光素子８２に入射する０次光Ｌ４Ａは、原点Ｒ１Ａから第１受光素子８１側、又は第２受光素子８２側に移動する。同様に、第２傾き検出用受光部８０Ｂにおける第１受光素子８１及び第２受光素子８２に入射する０次光Ｌ４Ｂは、原点Ｒ１Ｂから第１受光素子８１側、又は第２受光素子８２側に移動する。

また、第１絶対位置検出部８４ａが演算した絶対位置と、第２絶対位置検出部８４ｂが演算した絶対位置に第３の方向Ｚに対してΔＺのズレが発生する。そして、第１角度計算部８５は、第１絶対位置検出部８４ａの絶対位置と第２絶対位置検出部８４ｂのずれΔＺと、第１傾き検出用受光部８０Ａと第２傾き検出用受光部８０Ｂとの間隔ＬＬ１を用いて、下記式１０から被測定部材２における第２の方向Ｙを中心軸とした第１傾きの角度Ｙθを算出する。
［式１０］

また、また、被測定部材２が第１の方向Ｘを中心に傾いた場合、第３傾き検出用受光部８０Ｃにおける第１受光素子８１及び第２受光素子８２に入射する０次光Ｌ４Ｃは、原点Ｒ１Ｃから第１受光素子８１側、又は第２受光素子８２側に移動する。同様に、第４傾き検出用受光部８０Ｄにおける第１受光素子８１及び第２受光素子８２に入射する０次光Ｌ４Ｄは、原点Ｒ１Ｄから第１受光素子８１側、又は第２受光素子８２側に移動する。

また、第３絶対位置検出部８４ｃが演算した絶対位置と、第４絶対位置検出部８４ｄが演算した絶対位置に第３の方向Ｚに対してΔＺのズレが発生する。そして、第２角度計算部８６は、第３絶対位置検出部８４ｃの絶対位置と第４絶対位置検出部８４ｄのずれΔＺと、第３傾き検出用受光部８０Ｃと第４傾き検出用受光部８０Ｄとの間隔ＬＬ２を用いて、下記式１１から被測定部材２における第１の方向Ｘを中心軸とした第２傾きの角度Ｘθを算出する。
［式１１］

このように、本例の変位検出装置１によれば、被測定部材２の被測定面２ａに対して光源６からの光を１点（入射点Ｐ１１）に照射するだけで、ヘッド３と被測定部材２との第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ及び第３の方向Ｚの３次元の変位情報だけでなく、被測定部材２の傾きも検出することができる。

なお、第１傾き検出用受光部８０Ａ、第２傾き検出用受光部８０Ｂ、第３傾き検出用受光部８０Ｃ及び第４傾き検出用受光部８０Ｄに入射する０次光Ｌ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、Ｌ４Ｄの原点Ｒ１Ａ、Ｒ１Ｂ、Ｒ１Ｃ、Ｒ１Ｄは、第１受光素子８１と第２受光素子８２の境界線に限定されるものではない。例えば、被測定部材２の被測定面２ａが第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙ、すなわち水平方向と平行をなしている状態での、０次光Ｌ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、Ｌ４Ｄが各傾き検出用受光部８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄに入射する点を原点としてもよい。

また、本例の変位検出装置１では、第１の方向Ｘの変位を検出するために、第１変位検出部５Ａと第２変位検出部５Ｂを設け、第２の方向Ｙの変位を検出するために、第３変位検出部５Ｃと第４変位検出部５Ｄを設けた例を説明した。しかしながら、第１の方向Ｘと第３の方向Ｚの変位を検出するためだけであれば、第１変位検出部５Ａと第２変位検出部５Ｂだけでよい。また、第２の方向Ｙと第３の方向Ｚの変位を検出するためだけであれば、第３変位検出部５Ｃと第４変位検出部５Ｄだけでよい。

さらに、本例の変位検出装置１では、参照光である第２の光束Ｌ２Ｌ２Ａ、Ｌ２Ｂ、Ｌ２Ｃ、Ｌ２Ｄが入射する参照用反射部材として参照用ミラー１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。上述した変位検出装置１では、光源６に波長変動が生じた場合、第１の光束Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ、Ｌ１Ｃ、Ｌ１Ｄの回折角が、第１の回折格子１１や第２の回折格子１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄによって片かする。そのため、第１の光束Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ、Ｌ１Ｃ、Ｌ１Ｄと、第２の光束Ｌ２Ａ、Ｌ２Ｂ、Ｌ２Ｃ、Ｌ２Ｄの光路長に差が発生するおそれがある。

そのため、参照用反射部材としては、例えば、物体光である第１の光束Ｌ１が入射する光学系と同様の光学系を適用してもよい。ここで、第１の方向Ｘと第３の方向Ｚの変位を検出する変位検出装置を例に挙げて説明する。まず、光束分割部は、光源から照射された光を、上述した第１の回折格子１１に入射する第１の光束と、参照用反射部材に入射する第２の光束に分割する。なお、第１の光束が入射する側の構成は、上述した変位検出装置１と同様であるため、その説明は省略する。

参照用反射部材は、反射型の参照用第１の回折格子と、２つの参照用光束平行分岐部と、２つの透過型の参照用第２の回折格子と、２つの参照用ミラーと、２つの第２の位相板とを有している。参照用第１の回折格子は、反射面が第１の方向Ｘと第３の方向Ｚで形成された平面、又は第２の方向Ｙと第３の方向Ｚで形成された平面と略平行に配置される。そして、参照用第１の回折格子には、第２の光束が垂直に入射する。この参照用第１の回折格子に入射した第２の光束は、参照用第１の回折格子により回折される。

参照用第１の回折格子は、被測定部材２に設けられた第１の回折格子１１の格子ピッチと同じ格子ピッチに設定されている。

参照用第１の回折格子により回折された第２の光束のうち、正の次数の回折光が第１変位検出部５Ａで用いられる参照光（第１参照光）となり、負の次数の回折光が第２変位検出部５Ｂで用いられる参照光（第２参照光）となる。そして、第１参照光は、２つの参照用光束平行分岐部のうち一方の参照用光束平行分岐部（第１参照用光束平行分岐部）を介して、２つの参照用第２の回折格子のうち一方の参照用第２の回折格子に入射する。また、第２参照光は、２つの参照用光束平行分岐部のうち他方の参照用光束平行分岐部（第２参照用光束平行分岐部）を介して、２つの参照用第２の回折格子のうち他方の参照用第２の回折格子に入射する。

第１参照光は、一方の参照用第２の回折格子を透過し、かつ回折されて第２の位相板を介して２つの参照用ミラーのうち一方の参照用ミラーに入射する。同様に、第２参照光は、他方の参照用第２の回折格子を透過し、かつ回折されて第２の位相板を介して２つの参照用ミラーのうち他方の参照用ミラーに入射する。なお、参照用第１の回折格子、参照用光束平行分岐部、参照用第２の回折格子、第２の位相板及び参照用ミラーの構成及び位置関係は、上述した変位検出装置１における第１の回折格子１１、光束平行分岐部４０Ａ、４０Ｂ、第２の回折格子１２Ａ、１２Ｂ、第１の位相板及び物体用ミラーと同様である。

参照用第２の回折格子は、透過型の回折格子であり、例えば、ボリュームタイプの透過型のホログラムであってもよい。また、参照用第２の回折格子の格子ピッチは、上述した第１変位検出部５Ａの第２の回折格子１２Ａ及び第２変位検出部５Ｂの第２の回折格子１２Ｂの格子ピッチと同じであることが好ましい。また、参照用第１の回折格子及び２つの参照用第２の回折格子は、ヘッド３内に機械的に固定されている。

そして、参照用ミラーにより反射された第１参照光及び第２参照光は、第２の位相板、参照用第２の回折格子及び参照用光束平行分岐部を通過して、再び参照用第１の回折格子に入射する。ここで、第１参照光及び第２参照光は、光束分割部により分割された参照用第１の回折格子に入射する１回目の入射点と異なる位置に入射する。

また、光束分割部により分割された第１の光束と第２の光束における受光部までの光路長を等しくするために、参照用ミラーによって第２の光束の光路長が調整される。

再び参照用第１の回折格子に入射した第１参照光及び第２参照光は、参照用第１の回折格子によって反射及び回折される。そして、第１参照光は、第１変位検出部５Ａの光束結合部５０Ａに入射し、第１の光束Ｌ１Ａと重なり合い、受光部７Ａに入射する。また、第２参照光は、第２変位検出部５Ｂの光束結合部５０Ｂに入射し、第１の光束Ｌ１Ｂと重なり合い、受光部７Ｂに入射する。

これにより、光源６の波長変動によって生じる物体光である第１の光束と参照光である第２の光束の光路長の差を完全にキャンセルさせることができる。その結果。第３の方向Ｚの検出誤差を完全にキャンセルすることができる。さらに、周囲の環境条件、例えば温度、気圧、湿度が変化しても第１の光束と第２の光束の光路長が常に等しくなり、安定した変位の検出が可能になる。

２．第２の回折格子の変形例
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して回折格子の変形例について説明する。
図８Ａは第２の回折格子の変形例を示す断面図、図８Ｂは第２の回折格子の他の変形例を示す断面図である。

図８Ａに示す第２の回折格子１２Ｍ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２の回折格子１２Ｍにおける格子部１２ｂは、例えば次のようにして形成される。まず、ガラス基板１２ａ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１２ｂには、銀の粒子が残っている箇所と、残っていない箇所が形成される。

ここで、銀の粒子が残っている箇所は、屈折率が高く、銀の粒子が残っていない箇所は、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。

図８Ｂに示す第２の回折格子１２Ｎは、略透明なガラス基板１２ａの一面に例えばクロム（Ｃｒ）からなる格子部１２ｃを形成したものである。一般的に、格子部１２ｃは、ガラス基板１２ａ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。

また、図８Ａに示す第２の回折格子１２Ｍ及び図８Ｂに示す第２の回折格子１２Ｎにおいて、入射角度をφａ、回折角度をφｂとした場合、下記式１２のブラッグ条件を満たすとき、φａ＝φｂとなる。なお、ｎは、整数である。
［式１２］

また、図８Ａに示す第２の回折格子１２Ｍの場合、ブラッグ条件を満たすときに、第２の回折格子１２Ｍ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２の回折格子１２Ｍ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。

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。

また、光源６から放射された光Ｌの光軸、すなわち第３の方向Ｚを軸とした回転を検出するための構成を上述した変位検出装置１に加えてもよい。これにより、第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ、第３の方向Ｚの変位と、第１の方向Ｘの傾き、第２の方向Ｙの傾きと、第３の方向Ｚを軸とした回転の６軸の変位を一つの変位検出装置で検出することができる。

なお、本明細書において、「平行」及び「直交」等の単語を使用したが、これらは厳密な「平行」及び「直交」のみを意味するものではなく、「平行」及び「直交」を含み、さらにその機能を発揮し得る範囲にある、「略平行」や「略直交」の状態であってもよい。

１…変位検出装置、 ２…被測定部材、 ２ａ…被測定面、 ３…ヘッド、 ４…変位出力部、 ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ…相対位置情報出力部、 ５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ…変位検出部、 ６…光源、 ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ…受光部、 １１…第１の回折格子、 １２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ…第２の回折格子、 １３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ…光束分割部、 １４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ…参照用ミラー（参照光用反射部材）、 １５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ…物体用ミラー（物体光用反射部材）、 ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ…光束平行分岐部、 ４２…偏光調整位相板、 ４３…反射ミラー、 ４４…偏光ビームスプリッタ、 ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ…光束結合部、 ７０…演算部、 ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄ…傾き検出用受光部、 ８１…第１受光素子、 ８２…第２受光素子、 ８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ…絶対位置検出部、 ８５、８６…角度計算部、 Ｌ１、Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ、Ｌ１Ｃ、Ｌ１Ｄ…第１の光束、 Ｌ２Ａ、Ｌ２Ｂ、Ｌ２Ｃ、Ｌ２Ｄ…第２の光束、 Ｌ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、Ｌ４Ｄ…０次光

Claims (11)

1. 被測定部材の被測定面に設けられ、前記被測定面と平行をなす第１格子ベクトル方向に沿って配置された格子を有する第１の回折格子と、
   前記被測定部材の前記被測定面に対向して配置されたヘッドと、
   前記ヘッドから受信した信号に基づいて、前記被測定部材における前記ヘッドに対する変位を算出し、出力する変位出力部と、を備え、
   前記ヘッドと前記被測定部材は、前記被測定面と平行をなす方向及び前記被測定面と直交する高さ方向のうち少なくとも一方に、相対的に移動可能とし、
   前記ヘッドは、
   光を照射する光源と、
   前記光源から照射された前記光を物体光である第１の光束と参照光である第２の光束に分割し、前記第１の光束を前記第１の回折格子に垂直に入射させる光束分割部と、
   前記光束分割部よりも前記第１の回折格子の前記第１格子ベクトル方向の一側に配置された第１変位検出部と、
   前記光束分割部及び前記第１変位検出部に対して前記第１の回折格子の前記第１格子ベクトル方向の他側に配置された第２変位検出部と、を備え、
   前記第１変位検出部には、前記第１の光束が１回目に前記第１の回折格子に入射した際に、前記第１の光束における前記第１の回折格子の前記第１格子ベクトル方向の一側に向けて回折した正の次数を有する回折光が入射し、
   前記第２変位検出部には、前記第１の光束が１回目に前記第１の回折格子に入射した際に、前記第１の光束における前記第１の回折格子の前記第１格子ベクトル方向の他側に向けて回折した負の次数を有する回折光が入射し、
   前記第１変位検出部及び前記第２変位検出部は、同一の構成要素を有し、
   前記第１変位検出部及び前記第２変位検出部は、
   前記第１の回折格子により回折された前記第１の光束を回折し、前記第１の光束を再び前記第１の回折格子に照射する透過型の第２の回折格子と、
   前記第２の回折格子を透過し、回折された前記第１の光束を前記第２の回折格子に向けて反射させる物体光用反射部材と、
   前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の間に配置され、前記第２の回折格子により回折された前記第１の光束を再び前記第１の回折格子に入射させる際に、前記第１の回折格子での１回目の照射位置と異なる位置に前記第１の光束を入射させる光束平行分岐部と、
   前記光束分割部により分割された前記第２の光束を反射する参照光用反射部材と、
   前記第１の回折格子と前記第２の回折格子により回折された前記第１の光束と、前記参照光用反射部材により反射された前記第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の光束と前記第２の光束を受光し、干渉信号を前記変位出力部に出力する受光部と、
   前記第１の光束のうち前記第２の回折格子を透過した０次光を受光し、光電変換した信号を前記変位出力部に出力する傾き検出用受光部と、を備え、
   前記第２変位検出部の前記構成要素は、前記第１変位検出部の構成要素に対して前記第１の回折格子の前記第１格子ベクトル方向に沿って反転して配置され
   前記変位出力部は、前記第１変位検出部及び前記第２変位検出部の前記受光部及び前記傾き検出用受光部が受光した情報に基づいて、前記ヘッドと前記被測定部材における前記第１格子ベクトル方向と平行をなす第１の方向の変位と、前記高さ方向の変位と、前記高さ方向とも直交する第２の方向を中心軸とした第１傾きの角度を算出し、出力する
   変位検出装置。
2. 前記光束平行分岐部は、前記第１の光束における前記第１の回折格子から前記光束平行分岐部に入射する光路に対して、前記第１の光束における前記光束平行分岐部から前記第１の回折格子に入射させる光路を平行に移動させ、
   前記第１の回折格子の回折角度、前記第２の回折格子への前記第１の光束の入射角度、前記第２の回折格子の回折角度は、前記ヘッドと前記被測定部材の少なくとも一方が前記被測定面と直交する方向に変位した際の、前記第１の光束における前記光束分割部から前記第１の回折格子に入射するまでの光路長の変位量と、前記第１の光束における前記第１の回折格子から前記第２の回折格子に入射するまでの光路長の変位量が等しくなる角度である
   請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記第１の光束における前記光束分割部から前記第１の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参照光用反射部材を介して前記光束結合部までの光路長が等しい
   請求項２に記載の変位検出装置。
4. 前記第１の回折格子の回折角度θ、前記第２の回折格子への前記第１の光束の入射角度φ_１、前記第２の回折格子の回折角度φ_２は、下記式を満たすことを特徴とする
   ［式］
   

   

   請求項１から３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
5. 前記第２の回折格子の回折は、ブラッグ条件を満たすことを特徴とする
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の変位検出装置。
6. 前記変位出力部は、
   前記第１変位検出部の前記受光部からの信号と、前記第２変位検出部の前記受光部からの信号に基づいて、前記ヘッドと前記被測定部材における前記第１の方向と前記高さ方向の相対位置の変化を算出し、出力する相対位置情報出力部と、
   前記第１変位検出部の前記傾き検出用受光部からの信号に基づいて前記被測定部材における前記ヘッドに対する前記高さ方向の絶対位置を演算する第１絶対位置検出部と、
   前記第２変位検出部の前記受光部からの信号に基づいて前記被測定部材における前記ヘッドに対する前記高さ方向の絶対位置を演算する第２絶対位置検出部と、
   前記第１絶対位置検出部が演算した絶対位置と前記第２絶対位置検出部が演算した絶対位置に基づいて前記被測定部材の前記第１傾きの角度を算出する第１角度計算部と、
   を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位検出装置。
7. 前記傾き検出用受光部は、前記０次光を受光する第１受光素子及び第２受光素子を有する
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の変位検出装置。
8. 前記参照光用反射部材は、
   前記光束分割部により分割された前記第２の光束が垂直に入射し、前記第２の光束を反射し、かつ回折する参照用第１の回折格子と、
   前記参照用第１の回折格子により回折された前記第２の光束を回折し、前記第２の光束を再び前記参照用第１の回折格子に照射する透過型の２つの参照用第２の回折格子と、
   前記参照用第２の回折格子を透過し、かつ回折された前記第２の光束を前記参照用第２の回折格子に向けて反射させる２つの参照用ミラーと、
   前記参照用第１の回折格子と前記参照用第２の回折格子の間に配置され、前記参照用第２の回折格子により回折された前記第２の光束を再び前記参照用第１の回折格子に入射させる際に、前記参照用第１の回折格子での１回目の照射位置と異なる位置に前記第２の光束を入射させる２つの参照用光束平行分岐部と、を有する
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の変位検出装置。
9. 前記光束分割部から前記参照用第１の回折格子に入射し、前記参照用第１の回折格子により回折された第２の光束のうち、正の次数の回折光は、前記２つの参照用光束平行分岐部のうち一方の参照用光束平行分岐部を介して前記２つの参照用第２の回折格子のうち一方の参照用第２の回折格子に入射し、
   前記光束分割部から前記参照用第１の回折格子に入射し、前記参照用第１の回折格子により回折された第２の光束のうち、負の次数の回折光は、前記２つの参照用光束平行分岐部のうち他方の参照用光束平行分岐部を介して前記２つの参照用第２の回折格子のうち他方の参照用第２の回折格子に入射し、
   前記第２の光束における正の次数の回折光は、前記第１変位検出部の前記光束結合部により前記第１変位検出部に入射した前記第１の光束と重ね合わされ、
   前記第２の光束における負の次数の回折光は、前記第２変位検出部の前記光束結合部により前記第２変位検出部に入射した前記第２の光束と重ね合わされる
   請求項８に記載の変位検出装置。
10. 前記第１の回折格子は、前記被測定面と平行をなし、かつ前記第１格子ベクトル方向と交差する第２格子ベクトル方向に沿って配置された格子を有し、
    前記ヘッドは、
    前記光束分割部よりも前記第１の回折格子の前記第２格子ベクトル方向の一側に配置された第３変位検出部と、
    前記光束分割部及び前記第３変位検出部に対して前記第１の回折格子の前記第２格子ベクトル方向の他側に配置された第４変位検出部と、をさらに備え、
    前記第３変位検出部及び前記第４変位検出部は、前記第１変位検出部と同一の構成要素を有し、
    前記第３変位検出部の前記構成要素は、前記第２格子ベクトル方向に沿って配置され、
    前記第４変位検出部の前記構成要素は、前記第３変位検出部の前記構成要素に対して前記第１の回折格子の前記第２格子ベクトル方向に沿って反転して配置され、
    前記第３変位検出部には、前記第１の光束が１回目に前記第１の回折格子に入射した際に、前記第１の光束における前記第１の回折格子の前記第２格子ベクトル方向の一側に向けて回折した正の次数を有する回折光が入射し、
    前記第４変位検出部には、前記第１の光束が１回目に前記第１の回折格子に入射した際に、前記第１の光束における前記第１の回折格子の前記第２格子ベクトル方向の他側に向けて回折した負の次数を有する回折光が入射し、
    前記変位出力部は、
    前記第３変位検出部及び前記第４変位検出部の前記受光部及び前記傾き検出用受光部が受光した情報に基づいて、前記ヘッドと前記被測定部材における前記第２の方向の変位と、前記被測定部材における第１の方向を中心軸とした第２傾きの角度を算出し、
    前記第１変位検出部、前記第２変位検出部、前記第３変位検出部及び前記第４変位検出部の前記受光部が受光した情報に基づいて、前記ヘッドに対する前記被測定部材の前記高さ方向の変位を算出する
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の変位検出装置。
11. 前記光源と前記光束分割部の間にアイソレータを配置したことを特徴とする
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変位検出装置。

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