JP4023923B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する光学式変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する装置として、回折格子を用いた光学式の変位測定装置が知られている。
【０００３】
例えば、特開昭６０−９８３０２号公報に提案されている従来の光学式変位測定装置を、図２５及び図２６に示す。図２５は、この従来の光学式変位測定装置１００を模式的に示す斜視図であり、図２６は、この従来の光学式変位測定装置１００を模式的に示す側面図である。
【０００４】
従来の光学式変位測定装置１００は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及びＸ２方向に直線移動する回折格子１０１と、可干渉光であるレーザ光を出射する可干渉光源１０２と、可干渉光源１０２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割するとともに回折格子１０１からの２つの回折光を重ね合わせ干渉させるハーフミラー１０３と、回折格子１０１で回折された回折光を反射する２つのミラー１０４ａ，１０４ｂと、干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を生成するフォトディテクタ１０５とを備えている。
【０００５】
可干渉光源１０２から出射されたレーザ光は、ハーフミラー１０３により２本のビームに分割される。この２本のビームは、それぞれ回折格子１０１に照射される。回折格子１０１に照射された２本のビームは、この回折格子１０１でそれぞれ回折され回折光となる。この回折格子１０１で回折された１次回折光は、それぞれミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射される。ミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射された回折光は、回折格子１０１に再度照射され、この回折格子１０１で再度回折され、同一の光路をたどりハーフミラー１０３に戻される。ハーフミラー１０３に戻された回折光は、２本が重ね合わせられて干渉し、フォトディテクタ１０５に照射される。
【０００６】
このような従来の光学式変位測定装置１００では、回折格子１０１が図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。光学式変位測定装置１００では、この回折格子１０１の移動に応じて、この回折格子１０１によって生じる２つの回折光に位相差が生じる。そのため、この光学式変位測定装置１００では、フォトディテクタ１０５により得られる干渉信号から２本の回折光の位相差を検出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を測定することができる。
【０００７】
また、特開昭６０−９８３０２号公報に提案されている他の従来の光学式変位測定装置を、図２７及び図２８に示す。図２７は、従来の光学式変位測定装置１１０を模式的に示す斜視図であり、図２８は、従来の光学式変位測定装置１１０を模式的に示す側面図である。
【０００８】
従来の光学式変位測定装置１１０は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及びＸ２方向に直線移動する回折格子１１１と、可干渉光であるレーザ光を出射する可干渉光源１１２と、可干渉光源１１２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割するとともに回折格子１１１からの２つの回折光を重ね合わせて干渉させるハーフミラー１１３と、ハーフミラー１１３により分割された２本のビームを回折格子１１１上の同一位置に照射する２つの第１のミラー１１４ａ，１１４ｂと、回折格子１１１で回折された回折光を反射する２つの第２のミラー１１５ａ，１１５ｂと、干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を生成するフォトディテクタ１１６とを備えている。
【０００９】
可干渉光源１１２から出射されたレーザ光は、ハーフミラー１１３により２本のビームに分割される。この２本のビームは、それぞれ第１のミラー１１４ａ，１１４ｂに反射されて、回折格子１１１上の同一の位置に照射される。回折格子１１１に照射された２本のビームは、この回折格子１１１でそれぞれ回折され、回折光となる。この回折格子１１１で回折された１次回折光は、それぞれ第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより反射される。第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより反射された回折光は、回折格子１１１に再度照射され、この回折格子１１１で再度回折され、回折光が同一の光路をたどりハーフミラー１１３に戻される。ハーフミラー１１３に戻された回折光は、２本が重ね合わせられて干渉し、フォトディテクタ１１６に照射される。
【００１０】
このような従来の光学式変位測定装置１１０では、回折格子１１１が図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。光学式変位測定装置１１０では、この回折格子１１１の移動に応じて、この回折格子１１１によって生じる２つの回折光に位相差が生じる。そのため、この光学式変位測定装置１１０では、フォトディテクタ１１６により得られる干渉信号から２本の回折光の位相差を検出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を測定することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、工作機械や産業用ロボットの高精度化にともない、例えば、数１０ｎｍから数ｎｍといった高い分解能で位置検出ができる光学式変位測定装置が求められるようになってきた。
【００１２】
光学式変位測定装置で高い分解能を得るためには大きな干渉信号を検出する必要があり、そのため、干渉させる２つの回折光を非常に高い精度で重ね合わせなければならない。
【００１３】
しかしながら、上述した従来の光学式変位測定装置１００，１１０では、回折格子１０１，１１１が本来の移動方向以外に移動したり、傾いたりしたり、また、回折格子１０１，１１１にうねり等があると、ハーフミラー１０３，１１３により重ね合わされた回折光がずれ、急激に干渉信号が小さくなり位置検出をすることが困難となってしまっていた。例えば、回折格子１０１，１１１が、図２５〜図２８中、矢印Ａ１及び矢印Ａ２方向への回転移動や、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２方向への回転移動をした場合に、位置検出をすることが困難となっていた。
【００１４】
また、上述した従来の光学式変位測定装置１００を変形した光学式変位測定装置として、図２９に示すような、可干渉光源１０２から出射するレーザ光をミラー１０４ａ，１０４ｂに結像させる第１のレンズ１０６と、ハーフミラー１０３により重ね合わされ干渉した２つの回折光をフォトディテクタ１０５の受光面に結像させる第２のレンズ１０７とを備えた光学式変位測定装置１２０がある。
【００１５】
しかしながら、この光学式変位測定装置１２０であっても、回折格子１０１が本来の移動方向以外に移動したり、傾いたりしたり、また、回折格子１０１にうねり等があると、ハーフミラー１０３により重ね合わされた回折光がずれ、急激に干渉信号が小さくなり位置検出をすることが困難となってしまう。
【００１６】
例えば、この光学式変位測定装置１２０では、矢印Ａ１及び矢印Ａ２方向に３０秒から１分、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２方向に１０分程度の角度変化で、約２０パーセントの干渉信号の変化が生じてしまう。また、反射型の回折格子を用いた場合には、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２方向の許容角度は、この数十分の１となり、さらに位置検出をすることが困難となってしまう。
【００１７】
ここで、特開平２−１６７４２７号公報に提案されている従来の光学式変位測定装置を図３０に示す。
【００１８】
この図３０に示す光学式変位測定装置１３０は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及び矢印Ｘ２方向に直線移動する回折格子１３１と、レーザ光を出射するレーザダイオード１３２と、レーザダイオード１３２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割するハーフミラー１３３と、回折格子１３１を透過した２本の回折光を受光する第１と第２の受光素子１３４，１３５と、２本の回折光を集光する２つのレンズ１３６，１３７とを備えている。
【００１９】
この光学式変位測定装置１３０では、回折格子１３１の回折面或いは屈折面に焦点がくるように、第１と第２のレンズ１３６，１３７を配置している。このため、第１と第２の受光素子１３４，１３５に照射される回折光が常に平行となり、例えば、回折格子１３１が傾いたり、この回折格子１３１にうねりがあった場合であっても、干渉信号の変動が小さくなる。
【００２０】
しかしながら、この光学式変位測定装置１３０では、保持されるのは２つの回折光の平行であり、例えば、回折格子１３１が傾いた場合、図３１に示すように、均一な干渉が保たれているのはあくまで２つのビームの重なった図中斜線で示す部分である。従って、この２つのビームが重なった部分以外は、回折光は干渉せず、干渉信号が小さくなる。また、２つの回折光が完全な平行ビームではなく、何らかの収差を含む場合には、ビームが重なった部分も均一な干渉が保たれず、干渉信号が小さくなる。
【００２１】
本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、高い分解能での位置検出が可能な光学式変位測定装置を提供することを目的とする。
【００２２】
また、本発明は、回折格子により反射された反射光が発光手段に戻らず、高い分解能で安定した位置検出が可能な光学式変位測定装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光学式変位測定装置は、可干渉光が照射され、この可干渉光に対して格子ベクトルに平行な方向に相対移動し、この可干渉光を回折する回折格子と、可干渉光を発光する発光手段と、上記発光手段により発光された可干渉光を２つの可干渉光に分割して、上記回折格子に対して各可干渉光を照射する照射光学系と、上記各可干渉光が上記回折格子により回折されて得られる２つの第１の回折光をそれぞれ反射して、上記回折格子に対して各第１の回折光を照射する反射光学系と、上記各第１の回折光が上記回折格子により回折されて得られる２つの第２の回折光を干渉させる干渉光学系と、干渉した２つの第２の回折光を受光して干渉信号を検出する受光手段と、上記受光手段が検出した干渉信号から上記２つの第２の回折光の位相差を求めて、上記回折格子の相対移動位置を検出する位置検出手段とを備え、上記照射光学系は、上記回折格子に対して照射される２つの可干渉光を、この回折格子の格子面に結像させる第１の結像手段を有し、上記反射光学系は、上記回折格子に対して照射される２つの第１の回折光を、それぞれ対応する可干渉光の結像位置と同一位置に結像させる第２の結像手段を有することを特徴とする。
【００２４】
この光学式変位測定装置では、例えば図１に示すように、発光手段２が発光した可干渉光Ｌａを、第１の結像手段４が回折格子１の格子面上に結像する。回折格子１の格子面に結像された可干渉光Ｌａがこの回折格子１によって回折し、回折格子１を反射或いは透過した第１の回折光Ｌｂ１が生じる。第２の結像手段５は、この第１の回折光Ｌｂ１を平行光とし、反射光学系３に垂直に照射する。反射光学系３は、第１の回折光Ｌｂ１を、垂直に反射して入射された経路と同一経路を逆行させる。第２の結像手段５は、反射された第１の回折光Ｌｂ１を、回折格子１の格子面に結像する。このとき、反射された第１の回折光Ｌｂ１は、上記第１の結像手段４が可干渉光Ｌaを結像した位置に結像される。この反射された第１の回折光Ｌｂ１が回折格子１によって回折し、回折格子１を反射或いは透過した第２の回折光Ｌｂ２が生じる。
【００２５】
この光学式変位測定装置では、第１の結像手段４により可干渉光Ｌａが回折格子１の格子面に結像されているとともに、第２の結像手段５により平行光とされ第１の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が反射光学系３の反射器に対して常に垂直に照射されている。従って、例えば、図１中Ｌｂ１′に示すように、第１の回折光Ｌｂ１の光軸がずれた場合であっても、反射された第１の回折光Ｌｂ１は常に入射したときと全く同じ光路を逆行し回折格子１の格子面上の結像位置は変化せず、この第１の回折光Ｌｂ１が回折することにより生じる第２の回折光Ｌｂ２の光軸がずれない。また、光路長の変化も生じない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明を適用した第１の実施の形態の光学式変位測定装置について説明する。
【００２９】
本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０は、図２に示すように、工作機械等の可動部分に取り付けられ直線移動する回折格子１１と、レーザ光等の可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、受光素子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する位置検出部１４と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するとともに回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて受光素子１３に照射する照射受光光学系１５と、回折格子１１からの２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する反射光学系１６とを備えている。
【００３０】
回折格子１１は、図３に示すように、例えば薄板状の形状を有しており、その表面に狭いスリットや溝等の格子が所定間隔毎に刻まれている。このような回折格子１１に入射された光は、表面に刻まれたスリット等により回折する。回折により生じる回折光は、格子の間隔と光の波長で定まる方向に発生する。
【００３１】
ここで、発明の実施の形態を説明するにあたり、格子が形成されている回折格子１１の面を、格子面１１ａと呼ぶ。なお、回折格子１１が透過型の場合には、可干渉光が入射される面と回折光が発生する面とをともに格子面１１ａと呼ぶ。また、回折格子１１の格子が形成された方向（図３中矢印Ｃ１，Ｃ２方向）、すなわち、格子の透過率や反射率、溝の深さ等の変化の方向を表す格子ベクトルに対して垂直な方向であって且つ格子面１１ａに平行な方向を、格子方向と呼ぶ。格子が形成された方向に垂直な方向であり且つ格子面１１ａに平行な方向（図３中矢印Ｄ１，Ｄ２方向）、すなわち、回折格子１１の格子ベクトルに対して平行な方向を、格子ベクトル方向と呼ぶ。また、格子面１１ａに垂直な方向（図３中矢印Ｅ１，Ｅ２方向）、すなわち、格子方向に垂直な方向であり且つ格子ベクトル方向に垂直な方向を、法線ベクトル方向と呼ぶ。なお、これら回折格子１１の各方向については、本発明の第１の実施の形態のみならず、他の実施の形態においても同様に呼ぶものとする。
【００３２】
この回折格子１１は、工作機械等の可動部分に取り付けられ、この可動部分の移動にともなって、図２中矢印Ｘ１，Ｘ２方向、すなわち、格子ベクトル方向に移動する。
【００３３】
なお、本発明では、回折格子の種類は限定されず、機械的に溝等が形成されたもののみならず、例えば、感光性樹脂に干渉縞を焼き付けて作成したものであってもよい。
【００３４】
可干渉光源１２は、レーザ光等の可干渉光を発光する素子である。この可干渉光源１２は、例えば、可干渉距離が数百μｍ程度のレーザ光を発光するマルチモードの半導体レーザ等からなるものである。
【００３５】
受光素子１３は、受光面１３ａに対して照射された光を、その光量に応じた電気信号に変換する光電変換素子であり、例えば、フォトディテクタ等からなるものである。この受光素子１３は、受光面１３ａに対して照射される干渉光を受光して、その光量に応じた干渉信号を生成する。
【００３６】
位置検出部１４は、受光素子１３が生成した干渉信号に基づき、２回回折光Ｌｃ１と２回回折光Ｌｃ２との位相差を求め、回折格子１１の相対移動位置を示す位置信号を出力する。
【００３７】
照射受光光学系１５は、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分離するとともに回折格子１１からの２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて干渉させるハーフミラー２２と、ハーフミラー２２により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射するとともに可干渉光Ｌａ１により生じる２回回折光Ｌｃ１を反射する反射器２３と、ハーフミラー２２により分離された他方の可干渉光Ｌａ２を反射するとともに可干渉光Ｌａ２により生じる２回回折光Ｌｃ２を反射する反射器２４と、ハーフミラー２２により重ね合わされた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光素子１３の受光面１３ａ上に結像させる第２の結像素子２５とを有している。
【００３８】
第１の結像素子２１は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第１の結像素子２１には、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａが入射される。第１の結像素子２１は、入射された可干渉光Ｌａを所定のビーム径で回折格子１１の格子面１１ａに結像させる。結像されたビーム径は、回折格子１１が回折光を発生させるのに十分な格子数を含む大きさが望ましい。また、そのビーム径は、格子面１１ａ上のゴミや傷の影響を受けないような大きさが望ましい。そのビーム径は、第１の結像素子２１の開口数等を変えることにより調整することができ、例えば、数十μｍ以上とするのが望ましい。また、結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が格子面１１ａ上に位置するようにしてもよい。
【００３９】
ハーフミラー２２には、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａが第１の結像素子２１を介して入射される。このハーフミラー２２は、入射された可干渉光Ｌａの一部を透過して可干渉光Ｌａ１を生成し、入射された可干渉光Ｌａの一部を反射して可干渉光Ｌａ２を生成する。また、ハーフミラー２２には、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌｃ２が入射される。このハーフミラー２２は、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて干渉させ、この干渉させた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を、受光素子１３の受光面１３ａに照射する。
【００４０】
反射器２３は、ハーフミラー２２を透過した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２４は、ハーフミラー２２により反射された可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。反射器２３及び反射器２４は、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の同一の位置に照射する。
【００４１】
また、反射器２３には、１回回折光Ｌｂ１が回折格子１１に照射されることにより生じる２回回折光Ｌｃ１が照射される。反射器２３は、この２回回折光Ｌｃ１を反射して、ハーフミラー２２に照射する。また、反射器２４は、１回回折光Ｌｂ２が回折格子１１に照射されることにより生じる２回回折光Ｌｃ２が照射される。反射器２４は、この２回回折光Ｌｃ２を反射して、ハーフミラー２２に照射する。反射器２３及び反射器２４には、格子面１１上の同一の位置から生じる２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が照射される。
【００４２】
第２の結像素子２５は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなる。第２の結像素子２５には、ハーフミラー２２により重ね合わされた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が入射される。第２の結像素子２５は、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を、所定のビーム径で受光素子１３の受光面１３ａに結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面１３ａ上に位置するようにしてもよい。
【００４３】
一方、反射光学系１６は、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２６と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２７と、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を平行光として上記反射器２６に照射する第３の結像素子２８と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を平行光として上記反射器２７に照射する第４の結像素子２９とを有している。
【００４４】
反射器２６には、第３の結像素子２８を通過した１回回折光Ｌｂ１が照射される。反射器２６は、この１回回折光Ｌｂ１が入射経路と同じ経路を逆行するように、この１回回折光Ｌｂ１を垂直に反射する。
【００４５】
反射器２７には、第４の結像素子２９を通過した１回回折光Ｌｂ２が照射される。反射器２７は、この１回回折光Ｌｂ２が入射経路と同じ経路を逆行するように、この１回回折光Ｌｂ２を垂直に反射する。
【００４６】
第３の結像素子２８は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第３の結像素子２８には、可干渉光Ｌａ１により生じた１回回折光Ｌｂ１が回折格子１１から入射される。また、この第３の結像素子２８には、反射器２６により反射された１回回折光Ｌｂ１が、回折格子１１からの入射方向と反対の方向から入射される。第３の結像素子２８は、回折格子１１から入射された１回回折光Ｌｂ１を平行光にして反射器２６に照射する。また、第３の結像素子２８は、反射器２６により垂直に反射された平行光の１回回折光Ｌｂ１を、回折格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌａ１の入射点と同一位置に、所定のビーム径で結像させる。
【００４７】
第４の結像素子２９は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第４の結像素子２９には、可干渉光Ｌａ２により生じた１回回折光Ｌｂ２が回折格子１１から入射される。また、この第４の結像素子２９には、反射器２７により反射された１回回折光Ｌｂ２が、回折格子１１からの入射方向と反対の方向から入射される。第４の結像素子２９は、回折格子１１から入射された１回回折光Ｌｂ２を平行光にして反射器２７に照射する。また、第４の結像素子２９は、反射器２７により垂直に反射された平行光の１回回折光Ｌｂ２を、回折格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌａ２の入射点と同一位置に、所定のビーム径で結像させる。
【００４８】
このような反射光学系１６は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２が回折されることにより生じる１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射して、再度回折格子１１に照射する。再度回折格子１１に照射された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、回折格子１１により回折する。１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折されることにより生じる２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同一の光路を逆行して、照射受光光学系１５のハーフミラー２２に照射される。
【００４９】
可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路順を図４に示し、各光の光路について説明する。なお、この図４に示す光路は、模式的なものであり、各光の光軸を限定するものではない。
【００５０】
可干渉光源１２から出射された１つの可干渉光Ｌａは、第１の結像素子２１を通過して、ハーフミラー２２により２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割される。
【００５１】
ハーフミラー２２を透過した一方の可干渉光Ｌａ１は、反射器２３により反射され、回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定の点Ｐに結像された一方の可干渉光Ｌａ１が回折し、例えば、回折格子１１を透過した１回回折光Ｌｂ１が生じる。この１回回折光Ｌｂ１は、この所定の点Ｐから発生する。発生した１回回折光Ｌｂ１は、第３の結像素子２８を通過して平行光となり、反射器２６に照射される。反射器２６に照射された１回回折光Ｌｂ１は、この反射器２６により垂直に反射され、第３の結像素子２８を逆方向から再度通過して、回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定の点Ｐに結像された１回回折光Ｌｂ１が回折し、例えば、回折格子１１で回折した２回回折光Ｌｃ１が生じる。この２回回折光Ｌｃ１は、可干渉光Ｌａ１と同一の光路を逆行し、ハーフミラー２２に入射する。
【００５２】
また、ハーフミラー２２により反射された他方の可干渉光Ｌａ２は、反射器２４により反射され、回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定の点Ｐに結像された一方の可干渉光Ｌａ２が回折し、例えば、回折格子１１を透過した１回回折光Ｌｂ２が生じる。この１回回折光Ｌｂ２は、この所定の点Ｐから発生する。発生した１回回折光Ｌｂ２は、第４の結像素子２９を通過して平行光となり、反射器２７に照射される。反射器２７に照射された１回回折光Ｌｂ２は、この反射器２７により垂直に反射され、第４の結像素子２９を逆方向から再度通過して、回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定の点Ｐに結像された１回回折光Ｌｂ２が回折し、例えば、回折格子１１で回折した２回回折光Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ２と同一の光路を逆行し、ハーフミラー２２に入射する。
【００５３】
ハーフミラー２２に入射した２回回折光Ｌｃ１は、このハーフミラー２２に反射される。また、ハーフミラー２２に入射した２回回折光Ｌｃ２は、このハーフミラー２２を透過する。２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、このハーフミラー２２により重ね合わされ、干渉する。干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、第２の結像素子２５を通過して、受光素子１３の受光面１３ａ上に結像される。
【００５４】
以上のような構成の光学式変位測定装置１０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置１０では、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出する。
【００５５】
ここで、例えば、図２に示すように、回折格子１１の格子ベクトル方向の一端が法線ベクトル方向の一方向（例えば、図２中矢印Ｘ３方向）に移動し、他端が法線ベクトル方向の他方向（例えば、図２中矢印Ｘ４方向）に移動して、格子面１１ａが傾いたとする。この場合、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角が変化する。そのため、反射光学系１６内を通過する際の各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光軸が変化する。例えば、各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が、図２中点線で示すように、その光路が変化する。
【００５６】
ところが、この光学式変位測定装置１０では、可干渉光源１２が発光した可干渉光Ｌａを、第１の結像素子２１が回折格子１１の格子面１１ａに結像しているとともに、第３の結像素子２８及び第４の結像素子２９が、それぞれの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を平行光として各反射器２６，２７を常に垂直に照射している。このため、反射器２６又は反射器２７により反射された各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、その光軸がずれた場合であっても、必ず、入射したときと同じ光路を逆行し回折格子１１の格子面１１ａ上の同一の入射点に入射する。従って、光学式変位測定装置１０では、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２により生じる２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が、回折格子１１が傾いた場合であっても常に同一の光路を通過することとなる。また、光路長の変化もない。
【００５７】
このことにより、本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０では、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が互いにずれることなく重なり合わされる。そのため、回折格子１１が、格子ベクトルに平行な方向以外に移動等した場合、例えば、回折格子１１が傾いたり、回折格子１１にうねり等があった場合であっても、受光素子１３が検出する干渉信号が低下しない。従って、この光学式変位測定装置１０では、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。また、この光学式変位測定装置１０では、工作機械等の可動部分への取り付け位置の自由度が増し、また、この可動部分に振動やぶれ等があっても安定して位置検出できる。
【００５８】
また、光学式変位測定装置１０では、第２の結像素子２５を用いて２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光面１３ａに結像させれば、ビームのケラレが生じず、さらに、高精度に位置検出ができる。
【００５９】
また、この光学式変位測定装置１０では、第１の結像素子２１及び第２の結像素子２５の開口を大きくすることにより、回折格子１１と照射受光光学系１５との間隔を大きくすることができ、また、小型の受光素子１３を用いることができ、また、設計が簡易となる。また、この光学式変位測定装置１０では、第３の結像素子２８及び第４の結像素子２９の開口を大きくすることにより、回折格子１１と反射光学系１６との間隔を大きくすることができ、設計が簡易となる。
【００６０】
また、光学式変位測定装置１０では、可干渉光Ｌａ１（及び２回回折光Ｌｃ１）と可干渉光Ｌａ２（及び２回回折光Ｌｃ２）との光路長を等しくし、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２との光路長を等しくすることにより、波長の変動に起因する測定誤差を生じなくすることができる。そのため、この光学式変位測定装置１０では、各光路長の調整を行うために、光路長の差を干渉縞の変調率の変化として検出することが可能な可干渉性を有する可干渉光を発光する可干渉光源１２を用いても良い。例えば、可干渉距離が数百μｍ程度の短いマルチモードの半導体レーザを可干渉光源１２に用いれば、干渉縞の変調率が最大となるようにハーフミラー２２の位置を調整することにより、各光路長の差を数１０μｍ以下に抑えることができる。
【００６１】
なお、以上本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０では、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、回折格子１１の格子面１１ａの同一の点に入射している。例えば、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、同一の入射点Ｐに入射している。しかしながら、この第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０では、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、回折格子１１の格子面１１ａの同一の点に入射せず、異なる点に入射しても良い。例えば、図５に示すように、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、格子ベクトル方向に所定量離したＰ′とＰ′′に入射しても良い。
【００６２】
このように可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射位置をずらした光学式変位測定装置１０であっても、ほぼ同様の効果を有することができる。
【００６３】
さらに、この場合、干渉させる回折光Ｌｂ以外の例えば０次回折光や反射光等が照射受光光学系１５及び反射光学系１６に混入しない。従って、測定ノイズを少なくすることができ、また、移動する可動部分の移動位置を高分解能かつ高精度に検出することができる。なお、入射点間の距離が長い場合には、Ｘ３，Ｘ４方向に傾いたときは受光面１３ａ上の結像位置が多少ずれてしまうので、この入射点間の距離は、短い方が好ましい。
【００６４】
また、光学式変位測定装置１０では、格子ベクトル方向に所定量離して可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射することのみならず、図６に示すように、格子方向に所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射してもよい。この場合、回折格子１１の格子ベクトル方向（図６中Ｘ３方向）の一端が法線ベクトル方向の一方向に移動し、他端が法線ベクトルの他方向（図６中Ｘ４方向）に移動して、格子面１１ａが傾いたとしても、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の受光素子１３の受光面１３ａ上の結像位置はずれない。
【００６５】
つぎに、反射型の回折格子１１を用いて本発明を適用した第２の実施の形態の光学式変位測定装置について説明する。なお、この第２の実施の形態の光学式変位測定装置を説明するにあたり、上記第１の光学式変位測定装置と同一の構成要素については、図面中に同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。また、第３の実施の形態以降についても、それまでの実施の形態と同一の構成要素については、図面中に同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。
【００６６】
図７に、この第２の実施の形態の光学式変位測定装置の模式的な斜視図を示す。
【００６７】
ここで、回折格子１１の格子面１１ａ上の格子ベクトル方向に平行な１つの仮想的な直線を直線ｎとする。また、直線ｎを含み法線ベクトルに平行な仮想的な面を、基準面ｍ１とする。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がγとなっている仮想的な面を、傾斜面ｍ２とする。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がδとなっている仮想的な面を、傾斜面ｍ３とする。また、傾斜面ｍ２と傾斜面ｍ３は、回折格子１１の格子面１１ａに対し、同一面側にあるものとする。
【００６８】
図８に、傾斜面ｍ２上に配置された構成要素をこの傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図を示す。図９に、回折格子１１に入射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図を示す。図１０に、傾斜面ｍ３上に配置された構成要素をこの傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図を示す。
【００６９】
本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置は、反射型の回折格子１１を備え、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置である。
【００７０】
光学式変位測定装置４０は、図７及び図８に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するとともに、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて受光素子１３に照射する照射受光光学系４１とを備えている。
【００７１】
照射受光光学系４１は、干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを偏光方向の直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分離するとともに、偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる偏光ビームスプリッタ４３と、偏光ビームスプリッタ４３により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射するとともに回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射する反射器２３と、偏光ビームスプリッタ４３により分離された他方の可干渉光Ｌａ２を反射するとともに２回回折光Ｌｃ２を反射する反射器２４と、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光素子１３の受光面１３ａに結像させる第２の結像素子２５と、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の同一の偏光方向の成分を取り出す偏光板４６とを有している。
【００７２】
この照射受光光学系４１は、通過する可干渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路及び通過する２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路が、傾斜面ｍ２上に形成されるように、各部材が配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図９に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角及び回折角がγとなっている。
【００７３】
可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌａは、照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３に対して、偏光方向を４５度傾けて入射される。
【００７４】
偏光ビームスプリッタ４３は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１はＰ偏光の光となり、反射した可干渉光Ｌａ２はＳ偏光の光となる。
【００７５】
また、偏光ビームスプリッタ４３には、回折格子１１により２回回折された、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が入射される。ここで、２回回折光Ｌｃ１は、元々はＰ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＳ偏光の光となっている。同様に、２回回折光Ｌｃ２は、元々はＳ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＰ偏光の光となっている。従って、この偏光ビームスプリッタ４３は、Ｓ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１を反射し、Ｐ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２を透過して、これら２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる。
【００７６】
反射器２３は、偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２３は、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射して、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。
【００７７】
反射器２４は、偏光ビームスプリッタ４３により反射された可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ２を反射して、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。
【００７８】
反射器２３及び反射器２４は、傾斜面ｍ２上における入射角がαとなるように、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射している。なお、反射器２３及び反射器２４は、その反射面が、互いが向き合うように配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベクトル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。また、反射器２３及び反射器２４は、格子ベクトル方向に所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射している。可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点との間の距離は、ｌとなっている。
【００７９】
偏光板４６は、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされたＳ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１とＰ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２とが透過する。この偏光板４６は、２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌｃ２に対して、それぞれの光の偏光方向が４５度の成分を透過して、互いに同一の偏光方向の光とする。
【００８０】
受光素子１３は、この偏光板４６を透過した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光する。
【００８１】
光学式変位測定装置４０では、このような可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ１が回折し、１回回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ２が回折し、１回回折光Ｌｂ２が生じる。１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、図９に示すように、δとなっている。すなわち、傾斜面ｍ３に沿って１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が生じる。また、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の傾斜面ｍ３上における回折角は、βとなっている。なお、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル方向における出射方向が互いに逆方向となっている。
【００８２】
また、光学式変位測定装置４０は、図７及び図１０に示すように、反射光学系４２を備えている。
【００８３】
反射光学系４２は、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２６と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２７と、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を平行光として上記反射器２６に照射する第３の結像素子２８と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を平行光として上記反射器２７に照射する第４の結像素子２９と、１回回折光Ｌｂ１の光路上に設けられた１／４波長板４４と、１回回折光Ｌｂ２の光路上に設けられた１／４波長板４５とを有している。
【００８４】
反射光学系４２は、上述したように２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折角がδとなっているため、通過する１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路が傾斜面ｍ３上に形成されるように、各部材が配置されている。また、反射光学系４２の反射器２６と反射器２７とは、傾斜面ｍ３上における回折角βで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を垂直に反射可能な位置に配置されている。
【００８５】
また、１／４波長板４４は、回折格子１１から入射するＰ偏光の光の１回回折光Ｌｂ１の偏光方向に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回回折光Ｌｂ１は、この１／４波長板４４を２回通過して、回折格子１１に結像される。そのため、Ｐ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ１がＳ偏光の光とされ、回折格子１１に照射される。
【００８６】
また、１／４波長板４５は、回折格子１１から入射するＳ偏光の光の１回回折光Ｌｂ２の偏光方向に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回回折光Ｌｂ２は、この１／４波長板４５を２回通過して、回折格子１１に結像される。そのため、Ｓ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ２がＰ偏光の光とされ、回折格子１１に照射される。
【００８７】
このような反射光学系４２から、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１に入射される。この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトルから見た入射角は、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の回折角と同じく、δとなる。また、傾斜面ｍ３上における入射角は、同様に回折角と同じく、βとなる。
【００８８】
また、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折することにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の格子ベクトル方向から見た回折角は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、γとなる。また、傾斜面ｍ２上の回折角は、同様に可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、αとなる。
【００８９】
従って、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同光路を逆行して、偏光ビームスプリッタ４３に入射する。
【００９０】
また、光学式変位測定装置４０は、受光素子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する図示しない位置検出部を備えている。
【００９１】
このような構成の光学式変位測定装置４０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置４０では、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出する。
【００９２】
以上のように光学式変位測定装置４０では、基準面ｍ１に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射受光光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に反射光学系４２を配置することにより、可干渉光と回折光とが形成する光路を分離することができ、装置の設計の自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系４１や受光光学系４２に混入させることなく、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させることができ、高精度に位置測定をすることができる。
【００９３】
この光学式変位測定装置４０において、０次回折光や反射光を照射受光光学系４１や反射光学系４２に混入させないための条件は、以下の通りである。
【００９４】
角度γと角度δが０では無く且つ角度αと角度βとが等しい場合には、０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射しても良いが、例えば、図６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。
【００９５】
また、角度γと角度δがともに０である場合には、角度αと角度βとを等しくすると光路が重なるので、角度αと角度βとを必ず異ならせる。また、この場合、０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射しても良いが、例えば、図６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。
【００９６】
また、角度γと角度δが０では無く且つ０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角αと回折角βとが異なる場合には、図１１、図１２及び図１３に示すように、可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点とを同一の位置としてもよい。この場合、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離した場合に比べて、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる影響が少なくなる。すなわち、回折格子１１の厚みや屈折率のむらの影響による１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２との間（或いは２回回折光Ｌｃ１と２回回折光Ｌｃ２との間）の光路長に差が生じず、より高精度に位置測定をすることができる。
【００９７】
以下具体的に、回折格子１１に厚みのむらがあった場合の影響について説明する。
【００９８】
重ね合わせる２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の強度をＡ1，Ａ2、回折格子１１の格子ベクトル方向への移動量をｘ、初期位相をδとすると、受光素子１３が検出する干渉信号の強度Ｉは、以下の式（１）に示すようになる。
Ｉ＝Ａ1 2＋Ａ2 2＋２Ａ1Ａ2ｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ） ・・・（１）
Ｋ＝２π／Λ（Λは格子ピッチ）
この干渉信号の強度Ｉは、回折格子１１がΛ／４移動することにより、１周期分変換する。δは、重ね合わせた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路長の差に依存する量である。従って、このδが変動すると、回折格子１１が移動していなくても干渉信号Ｉが変動し、誤差要因となる。
【００９９】
例えば、図１４に示すような、ガラスの内部に格子が設けられた透過型の回折格子に厚みのむらがある場合について考えてみる。ガラスの屈折率をｎとし、レーザ光Ｌｘがガラスの一方の表面から他方の表面まで通過する距離をＬとすると、このレーザ光Ｌｘが回折格子を通過したときの光路長はｎＬとなる。空気の屈折率はほぼ１であることから、レーザ光Ｌｘが回折格子を通過する際の光路長は、このレーザ光Ｌｘが空気中を同距離通過したときと比較して、（ｎ−１）Ｌだけ長くなる。従って、回折格子のガラスの厚さが変化して、レーザ光Ｌｘがガラスの一方の表面から他方の表面まで通過する距離がＬ＋ΔＬ変化したとすると、その光路長は（ｎ−１）ΔＬだけ変化することとなる。また、特に２回回折をする場合には、ガラス層を２回通過するため、その光路長は倍の２（ｎ−１）ΔＬだけ変化することになる。
【０１００】
このことをふまえ、例えば、図１５に示すように、一方のレーザ光Ｌｘ１は回折格子の厚みのむらがない位置を透過し、他方のレーザ光Ｌｘ２は回折格子の厚みのむらがある位置を透過する２本のレーザ光について考える。レーザ光Ｌｘ２の厚みのむらを通過する長さを＋ΔＬとすると、２つのレーザ光Ｌｘ１，Ｌｘ２の光路長の差は、（ｎ−１）ΔＬとなる。従って、上記の式（１）で示したδが｛（ｎ−１）ΔＬ｝・２π／λ （λは、ビームＡ，Ｂの波長）だけ変化してしまう。２回回折をする場合には、δが｛２（ｎ−１）ΔＬ｝・２π／λとなり、位置検出の誤差量は（Λ／２λ）（ｎ−１）ΔＬとなり、例えば、Λ＝０．５５μｍ、λ＝０．７８μｍ、ｎ＝１．５、ΔＬ＝１μｍとすれば、約０．１８μｍとなる。従って、この誤差は、例えば、ナノメータオーダの位置検出を行う場合には、かなり大きい値となる。
【０１０１】
なお、以上透過型の回折格子を例にとって説明したが、反射型の回折格子についてもガラスにより格子がカバーされているものであれば同様に誤差が生じ、また、ガラスにより格子がカバーされていないものであれば凹凸によるレーザ光の通過距離の変化がそのまま光路長の変化となり誤差が生じる。
【０１０２】
このように、回折格子１１に厚みのむらがあった場合には、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離していると誤差が生じる。
【０１０３】
そのため、この光学式変位測定装置４０では、基準面ｍ１に対して所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に受光光学系４２を配置し、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１上の同一点に入射することにより、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる誤差をなくすることができ、さらに高精度に位置検出をすることができる。つまり、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる誤差は、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とが異なる位置を通過するために生じるものであり、同一点を通過する場合には生じないので、このように同一点に可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射すれば高精度に位置検出をすることができる。また、例えば回折格子１１がガラス等でカバーされているものであるときは、２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を、完全に同一の光路を通過させることは困難であるが、格子面１１ａのほぼ同じ位置に入射すれば、最も誤差を小さくすることができる。
【０１０４】
可干渉光の入射角（及び２回回折光の回折角）α，γ、１回回折光の回折角（及び１回回折光の入射角）β，δの関係は、以下の式（２）、式（３）に示すようになる。
【０１０５】
Ｓｉｎα＋Ｓｉｎβ＝ｍλ/ｄ ・・・（２）
ｄ：回折格子のピッチ
λ：光の波長
ｍ：回折次数
Ｓｉｎγ/Ｓｉｎδ ＝Ｃｏｓβ/Ｃｏｓα ・・・（３）
従って、α＝βの場合にはγ＝δとなり、α≠βの場合にはγ≠δとなる。
【０１０６】
なお、本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置４０では、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を反射する反射器２３，２４を用いているが、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを同一点に入射しない場合には、例えば、図１６に示すように、反射器２３，２４を用いずに構成しても良い。
【０１０７】
つぎに、透過型の回折格子１１を用いて本発明を適用した第３の実施の形態の光学式変位測定装置について説明する。
【０１０８】
図１７に、この第３の実施の形態の光学式変位測定装置の模式的な斜視図を示す。
【０１０９】
ここで、直線ｎ、基準面ｍ１、傾斜面ｍ２の関係は、上記第２の実施の形態と同様である。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がδとなっており、傾斜面ｍ２に対して格子面１１ａを挟んで反対側にある仮想的な面を傾斜面ｍ３′とする。
【０１１０】
図１８に、傾斜面ｍ２上に配置された構成要素をこの傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図を示す。図１９に、回折格子１１に入射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図を示す。
【０１１１】
本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置は、透過型の回折格子１１を備え、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置である。
【０１１２】
光学式変位測定装置５０は、図１７及び図１８に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するとともに、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて受光素子１３に照射する照射受光光学系４１とを備えている。
【０１１３】
この照射受光光学系４１は、通過する可干渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路及び通過する２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路が、傾斜面ｍ２上に形成されるように、各部材が配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図１９に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角及び回折角がγとなっている。
【０１１４】
反射器２３及び反射器２４は、傾斜面ｍ２上における入射角がαとなるように、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射している。なお、反射器２３及び反射器２４は、その反射面が、互いが向き合うように配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベクトル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。また、反射器２３及び反射器２４は、格子ベクトル方向に所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射している。可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点との間の距離は、ｌとなっている。
【０１１５】
光学式変位測定装置５０では、このような可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ１が回折し、１回回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ２が回折し、１回回折光Ｌｂ２が生じる。１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、図１９に示すように、δとなっている。また、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の傾斜面ｍ３′上における回折角は、βとなっている。なお、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル方向における出射方向が互いに逆方向となっている。
【０１１６】
また、光学式変位測定装置５０は、図１７及び図１８に示すように、反射光学系４２を備えている。
【０１１７】
反射光学系４２は、２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折角がδとなっているため、通過する１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路が傾斜面ｍ３′上に形成されるように、各部材が配置されている。また、反射光学系４２の反射器２６と反射器２７とは、傾斜面ｍ３′上における回折角βで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を垂直に反射可能な位置に配置されている。
【０１１８】
このような反射光学系４２から、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１に入射される。この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトルから見た入射角は、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の回折角と同じく、δとなる。また、傾斜面ｍ３′上における入射角は、同様に回折角と同じく、βとなる。
【０１１９】
また、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折することにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の格子ベクトル方向から見た回折角は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、γとなる。また、傾斜面ｍ２上の回折角は、同様に可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、αとなる。
【０１２０】
従って、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同光路を逆行して、偏光ビームスプリッタ４３に入射する。
【０１２１】
また、光学式変位測定装置５０は、受光素子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する図示しない位置検出部を備えている。
【０１２２】
このような構成の光学式変位測定装置５０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置５０では、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出する。
【０１２３】
以上のように光学式変位測定装置５０では、基準面ｍ１に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射受光光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３′上に反射光学系４２を配置することにより、可干渉光、１回回折光、２回回折光とを形成する光路を分離することができ、装置の設計の自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系４１や反射光学系４２に混入させることなく、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させることができ、高精度に位置測定をすることができる。
【０１２４】
この光学式変位測定装置５０において、０次回折光や反射光を照射受光光学系４１や反射光学系４２に混入させないための条件は、以下の通りである。
【０１２５】
角度γと角度δが０では無く且つ角度αと角度βとが等しい場合には、０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射しても良いが、例えば、図６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。
【０１２６】
また、角度γと角度δがともに０である場合には、角度αと角度βとを等しくするものとしても、角度αと角度βとを異なるものとしてもよい。α＝βの場合もα≠βの場合もともに、０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射しても良いが、例えば、図６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。
【０１２７】
また、角度γと角度δが０では無く且つ０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角αと回折角βとが異なる場合には、可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点とを同一の位置としてもよい。
【０１２８】
また、角度γと角度δが０では無く且つ０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角αと回折角βとが異なる場合には、図２０及び図２１に示すように、可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点とを同一の位置としてもよい。この場合、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離した場合に比べて、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる影響が少なくなる。すなわち、回折格子１１の厚みや屈折率のむらの影響による１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２との間（或いは２回回折光Ｌｃ１と２回回折光Ｌｃ２との間）の光路長に差が生じず、より高精度に位置測定をすることができる。この理由は、上述した第２の実施の形態と同様である。
【０１２９】
なお、本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置５０では、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を反射する反射器２３，２４を用いているが、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを同一点に入射しない場合には、例えば、図２２に示すように、反射器２３，２４を用いずに、構成しても良い。
【０１３０】
つぎに、本発明を適用した第４の実施の形態の光学式変位測定装置について、図２３を用いて説明する。なお、この第４の実施の形態は、上記第２の実施の形態及び第３の実施の形態の構成要素を一部変形したものであり、以下、上記第２の実施の形態及び第３の実施の形態の構成要素のうち変形していない構成要素についてはその詳細な説明を省略する。
【０１３１】
光学式変位測定装置６０は、照射受光光学系４１の第２の結像素子２５及び偏光板４６に変えて、図２３に示すように、１／４波長板６２と、第５の結像素子６３と、無偏光ビームスプリッタ６４と、第２の偏光ビームスプリッタ６５と、第３の偏光ビームスプリッタ６６とを用いている。なお、この第４の実施の形態の光学式変位測定装置６０を説明するにあたり、上記第２及び第３の実施の形態で用いていた偏光ビームスプリッタ４３を第１の偏光ビームスプリッタ４３と言い換える。
【０１３２】
また、この光学式変位測定装置６０は、受光素子１３に変えて、第１の受光素子６７ａ，６７ｂと、第２の受光素子６８ａ，６８ｂとを用いている。
【０１３３】
可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌａは、照射受光光学系４１の第１の偏光ビームスプリッタ４３に対して、偏光方向が４５度傾けて入射される。この照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１はＰ偏光の光となり、反射した可干渉光Ｌａ２はＳ偏光の光となる。
【０１３４】
また、この照射受光光学系４１の第１の偏光ビームスプリッタ４３には、回折格子１１で２回回折された２回回折光Ｌｃ１と、回折格子１１で２回回折された２回回折光Ｌｃ２とが入射される。ここで、２回回折光Ｌｃ１は、元々はＰ偏光の光であるが、反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＳ偏光の光となっている。同様に、２回回折光Ｌｃ２は、元々はＳ偏光の光であるが、反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＰ偏光の光となっている。従って、この第１の偏光ビームスプリッタ４３は、Ｓ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１を反射し、Ｐ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２を透過して、これら２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる。
【０１３５】
重ね合わせた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、１／４波長板６２を通過する。１／４波長板６２は、各２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の偏光方向に対して、光学軸が４５度傾くように配置されている。そのため、各２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、この１／４波長板６２を通過することにより、互いに逆回りの円偏光の光となる。
【０１３６】
互いに逆回りの円偏光の光とされた２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、第５の結像素子６３を通過する。
【０１３７】
第５の結像素子６３は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第５の結像素子６３は、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を、所定のビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面上に位置するようにしてもよい。
【０１３８】
この第５の結像素子６３を通過した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、無偏光ビームスプリッタ６４で２つのビームに分割される。
【０１３９】
分割された一方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５によりさらに偏光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、第１の受光素子６７ａ，６７ｂに照射される。また、分割された他方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５に対して４５度傾いた第３の偏光ビームスプリッタ６６によりさらに偏光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに照射される。
【０１４０】
ここで、互いに逆方向に回転する円偏光の光を重ね合わせた光は、２つの光の位相差にしたがって回転する直線偏光の光とみなすことができる。そのため、１／４波長板６２を通過した２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、回折格子１１の移動にともない回転する直線偏光の光となる。また、この直線偏光の光を偏光板等の偏光素子で互いにω度異なる偏光方向の成分を取り出した場合、その取り出した光の強度を検出した信号は、互いに２ω度位相が異なる信号となる。そのため、第１の受光素子６７ａ，６７ｂは、第２の偏光ビームスプリッタ６５により取り出された互いに９０度異なる偏光方向の光を検出するので、検出した信号の位相が互いに１８０度異なっている。従って、第１の受光素子６７ａ，６７ｂにより検出した信号の差を取ることにより、直流成分を除去した信号を検出することができる。また、これは、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに関しても同様である。
【０１４１】
また、第３の偏光ビームスプリッタ６６により取り出される光は、第２の偏光ビームスプリッタ６５により取り出される光に対して、角度が４５度異なっている。そのため、第２の受光素子６８ａ，６８ｂから得られる信号は、第１の受光素子６７ａ，６７ｂから得られる信号に対して、９０度位相が異なっている。すなわち、第１の受光素子６７ａと第１の受光素子６７ｂとの検出信号の差動信号と、第２の受光素子６８ａと第２の受光素子６８ｂとの検出信号の差動信号とが、互いに９０度位相が異なっている。従って、この光学式変位測定装置６０では、から、互いに９０度位相が異なる回折格子１１の移動位置を示す位置信号に基づき、回折格子１１の移動方向を特定することができる。
【０１４２】
以上のように、この第４の実施の形態の光学式変位測定装置６０では、回折格子１１の透過率、反射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干渉信号から除去することができる。また、この光学式変位測定装置６０では、回折格子１１の移動方向を特定することができる。
【０１４３】
以上本発明を適用した第１〜第４の実施の形態の光学式変位測定装置を説明した。各実施の形態の光学式変位測定装置では、格子が所定の間隔で平行に設けられた回折格子１１を用いているが、本発明では、このような格子が平行に設けられた回折格子を用いなくても良い。例えば、図２４に示すように、放射状に格子が設けられた回折格子を用いてもよい。このような放射状に格子が設けられた回折格子を用いることにより、回転移動をする工作機械の可動部分等の位置検出を行うことができる。また、本発明では、明暗を記録した振幅型の回折格子、屈折率変化や形状変化を記録した位相型の回折格子を用いても良く、その回折格子のタイプは限られない。
【０１４４】
また、各実施の形態の光学式変位測定装置では、回折格子１１を工作機械等の可動部分に取り付けて、この回折格子１１が可動部分の移動に応じて移動する場合について説明したが、本発明では、照射受光光学系及び干渉光学系と、回折格子１１とが相対的に移動すれば良い。例えば、本発明では、回折格子が固定されていて、照射受光光学系及び干渉光学系が工作機械等の可動部分の移動に応じて移動しても良い。
【０１４５】
また、各実施の形態の光学式変位測定装置に用いられているハーフミラーやビームスプリッタ及び結像素子等は、薄膜を用いた素子やレンズ等のみに限られず、例えば、回折光学素子を用いても良い。
【０１４６】
【発明の効果】
本発明に係る光学式変位測定装置では、可干渉光が第１の結像手段により回折格子の格子面に結像しているとともに、第１の回折光が第２の結像手段により平行光とされ反射光学系の反射器に常に垂直に照射されている。従って、第１の回折光の光軸がずれた場合であっても、反射された第１の回折光は常に入射したときと全く同じ経路を逆行し回折格子１の格子面上の結像位置は変化せず、この第１の回折光が回折することにより生じる第２の回折光の光軸がずれない。また、光路長の変化も生じない。
【０１４７】
このことにより、本発明に係る光学式変位測定装置では、２つの第２の回折光が互いにずれることなく重なり合わされて干渉する。そのため、回折格子が、格子ベクトルに平行な方向以外に移動等した場合、例えば、回折格子が傾いたり、回折格子にうねり等があった場合であっても、検出する干渉信号が低下しない。従って、この光学式変位測定装置では、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。
【０１４８】
また、この光学式変位測定装置では、測定対象となる工作機械等の可動部分への取り付け位置の自由度が増し、また、この可動部分に振動やぶれ等があっても安定して測定ができる。また、この光学式変位測定装置では、第１の結像手段又は第２の結像手段の開口を大きくすることにより、回折格子と、照射受光光学系、反射光学系或いは干渉光学系との間隔を大きくすることができ、小型の受光手段を用いることができ、また、設計が簡易となり、その自由度が増す。
【０１４９】
また、この光学式変位測定装置では、干渉させる回折光以外の回折光が、照射受光光学系や干渉光学系に混入しないのでノイズを少なくすることができ、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。
【０１５０】
また、この光学式変位測定装置では、偏光ビームスプリッタを用いることにより、回折格子の透過率、反射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干渉信号から除去することができ、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図２】本発明を適用した第１の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図３】本発明の第１〜第４の実施の形態の光学式変位測定装置に用いられる回折格子の斜視図である。
【図４】上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の可干渉光及び回折光の光路について説明する為の図である。
【図５】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図６】上記回折格子に入射される可干渉光の入射点を説明する為の図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図８】上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図９】上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図である。
【図１０】 上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ３上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１１】 可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図１２】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１３】 可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ３上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１４】回折格子を通過するレーザ光の光路長を説明する為の図である。
【図１５】回折格子に厚みのむらがある場合に、この回折格子を通過する２本のレーザ光の光路長の差を説明する為の図である。
【図１６】上記第２の実施の形態の光学式変位測定装置の変形例を説明するための図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図１８】上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１９】上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図である。
【図２０】 可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図２１】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図２２】上記第３の実施の形態の光学式変位測定装置の変形例を説明するための図である。
【図２３】本発明の第４の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図２４】本発明の第１〜第４の実施の形態の光学式変位測定装置に用いられる他の回折格子を説明する為の図である。
【図２５】従来の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図２６】従来の光学式変位測定装置の側面図である。
【図２７】従来の他の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図２８】従来の他の光学式変位測定装置の側面図である。
【図２９】上記従来の光学式変位測定装置を変形例を説明する為の図である。
【図３０】従来の更に他の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図３１】上記従来の更に他の光学式変位測定装置の受光素子に照射される回折光を説明する為の図である。
【符号の説明】
１，１１ 回折格子、２ 発光手段、３ 反射手段、４ 第１の結像手段、５第２の結像手段、１０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ 光学式変位測定装置、１２ 可干渉光源、１３，６７，６８ 受光素子、２１，２５，２８，２９，６３ 結像素子、１４ 位置検出部、２６，２７ 反射器
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する光学式変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する装置として、回折格子を用いた光学式の変位測定装置が知られている。
【０００３】
例えば、特開昭６０−９８３０２号公報に提案されている従来の光学式変位測定装置を、図２５及び図２６に示す。図２５は、この従来の光学式変位測定装置１００を模式的に示す斜視図であり、図２６は、この従来の光学式変位測定装置１００を模式的に示す側面図である。
【０００４】
従来の光学式変位測定装置１００は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及びＸ２方向に直線移動する回折格子１０１と、可干渉光であるレーザ光を出射する可干渉光源１０２と、可干渉光源１０２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割するとともに回折格子１０１からの２つの回折光を重ね合わせ干渉させるハーフミラー１０３と、回折格子１０１で回折された回折光を反射する２つのミラー１０４ａ，１０４ｂと、干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を生成するフォトディテクタ１０５とを備えている。
【０００５】
可干渉光源１０２から出射されたレーザ光は、ハーフミラー１０３により２本のビームに分割される。この２本のビームは、それぞれ回折格子１０１に照射される。回折格子１０１に照射された２本のビームは、この回折格子１０１でそれぞれ回折され回折光となる。この回折格子１０１で回折された１次回折光は、それぞれミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射される。ミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射された回折光は、回折格子１０１に再度照射され、この回折格子１０１で再度回折され、同一の光路をたどりハーフミラー１０３に戻される。ハーフミラー１０３に戻された回折光は、２本が重ね合わせられて干渉し、フォトディテクタ１０５に照射される。
【０００６】
このような従来の光学式変位測定装置１００では、回折格子１０１が図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。光学式変位測定装置１００では、この回折格子１０１の移動に応じて、この回折格子１０１によって生じる２つの回折光に位相差が生じる。そのため、この光学式変位測定装置１００では、フォトディテクタ１０５により得られる干渉信号から２本の回折光の位相差を検出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を測定することができる。
【０００７】
また、特開昭６０−９８３０２号公報に提案されている他の従来の光学式変位測定装置を、図２７及び図２８に示す。図２７は、従来の光学式変位測定装置１１０を模式的に示す斜視図であり、図２８は、従来の光学式変位測定装置１１０を模式的に示す側面図である。
【０００８】
従来の光学式変位測定装置１１０は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及びＸ２方向に直線移動する回折格子１１１と、可干渉光であるレーザ光を出射する可干渉光源１１２と、可干渉光源１１２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割するとともに回折格子１１１からの２つの回折光を重ね合わせて干渉させるハーフミラー１１３と、ハーフミラー１１３により分割された２本のビームを回折格子１１１上の同一位置に照射する２つの第１のミラー１１４ａ，１１４ｂと、回折格子１１１で回折された回折光を反射する２つの第２のミラー１１５ａ，１１５ｂと、干渉した２つの回折光を受光して干渉信号を生成するフォトディテクタ１１６とを備えている。
【０００９】
可干渉光源１１２から出射されたレーザ光は、ハーフミラー１１３により２本のビームに分割される。この２本のビームは、それぞれ第１のミラー１１４ａ，１１４ｂに反射されて、回折格子１１１上の同一の位置に照射される。回折格子１１１に照射された２本のビームは、この回折格子１１１でそれぞれ回折され、回折光となる。この回折格子１１１で回折された１次回折光は、それぞれ第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより反射される。第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより反射された回折光は、回折格子１１１に再度照射され、この回折格子１１１で再度回折され、回折光が同一の光路をたどりハーフミラー１１３に戻される。ハーフミラー１１３に戻された回折光は、２本が重ね合わせられて干渉し、フォトディテクタ１１６に照射される。
【００１０】
このような従来の光学式変位測定装置１１０では、回折格子１１１が図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。光学式変位測定装置１１０では、この回折格子１１１の移動に応じて、この回折格子１１１によって生じる２つの回折光に位相差が生じる。そのため、この光学式変位測定装置１１０では、フォトディテクタ１１６により得られる干渉信号から２本の回折光の位相差を検出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を測定することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、工作機械や産業用ロボットの高精度化にともない、例えば、数１０ｎｍから数ｎｍといった高い分解能で位置検出ができる光学式変位測定装置が求められるようになってきた。
【００１２】
光学式変位測定装置で高い分解能を得るためには大きな干渉信号を検出する必要があり、そのため、干渉させる２つの回折光を非常に高い精度で重ね合わせなければならない。
【００１３】
しかしながら、上述した従来の光学式変位測定装置１００，１１０では、回折格子１０１，１１１が本来の移動方向以外に移動したり、傾いたりしたり、また、回折格子１０１，１１１にうねり等があると、ハーフミラー１０３，１１３により重ね合わされた回折光がずれ、急激に干渉信号が小さくなり位置検出をすることが困難となってしまっていた。例えば、回折格子１０１，１１１が、図２５〜図２８中、矢印Ａ１及び矢印Ａ２方向への回転移動や、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２方向への回転移動をした場合に、位置検出をすることが困難となっていた。
【００１４】
また、上述した従来の光学式変位測定装置１００を変形した光学式変位測定装置として、図２９に示すような、可干渉光源１０２から出射するレーザ光をミラー１０４ａ，１０４ｂに結像させる第１のレンズ１０６と、ハーフミラー１０３により重ね合わされ干渉した２つの回折光をフォトディテクタ１０５の受光面に結像させる第２のレンズ１０７とを備えた光学式変位測定装置１２０がある。
【００１５】
しかしながら、この光学式変位測定装置１２０であっても、回折格子１０１が本来の移動方向以外に移動したり、傾いたりしたり、また、回折格子１０１にうねり等があると、ハーフミラー１０３により重ね合わされた回折光がずれ、急激に干渉信号が小さくなり位置検出をすることが困難となってしまう。
【００１６】
例えば、この光学式変位測定装置１２０では、矢印Ａ１及び矢印Ａ２方向に３０秒から１分、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２方向に１０分程度の角度変化で、約２０パーセントの干渉信号の変化が生じてしまう。また、反射型の回折格子を用いた場合には、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２方向の許容角度は、この数十分の１となり、さらに位置検出をすることが困難となってしまう。
【００１７】
ここで、特開平２−１６７４２７号公報に提案されている従来の光学式変位測定装置を図３０に示す。
【００１８】
この図３０に示す光学式変位測定装置１３０は、工作機械等の可動部分の移動にともない図中矢印Ｘ１及び矢印Ｘ２方向に直線移動する回折格子１３１と、レーザ光を出射するレーザダイオード１３２と、レーザダイオード１３２から出射されたレーザ光を２本のビームに分割するハーフミラー１３３と、回折格子１３１を透過した２本の回折光を受光する第１と第２の受光素子１３４，１３５と、２本の回折光を集光する２つのレンズ１３６，１３７とを備えている。
【００１９】
この光学式変位測定装置１３０では、回折格子１３１の回折面或いは屈折面に焦点がくるように、第１と第２のレンズ１３６，１３７を配置している。このため、第１と第２の受光素子１３４，１３５に照射される回折光が常に平行となり、例えば、回折格子１３１が傾いたり、この回折格子１３１にうねりがあった場合であっても、干渉信号の変動が小さくなる。
【００２０】
しかしながら、この光学式変位測定装置１３０では、保持されるのは２つの回折光の平行であり、例えば、回折格子１３１が傾いた場合、図３１に示すように、均一な干渉が保たれているのはあくまで２つのビームの重なった図中斜線で示す部分である。従って、この２つのビームが重なった部分以外は、回折光は干渉せず、干渉信号が小さくなる。また、２つの回折光が完全な平行ビームではなく、何らかの収差を含む場合には、ビームが重なった部分も均一な干渉が保たれず、干渉信号が小さくなる。
【００２１】
本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、高い分解能での位置検出が可能な光学式変位測定装置を提供することを目的とする。
【００２２】
また、本発明は、回折格子により反射された反射光が発光手段に戻らず、高い分解能で安定した位置検出が可能な光学式変位測定装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光学式変位測定装置は、可干渉光が照射され、この可干渉光に対して格子ベクトルに平行な方向に相対移動し、この可干渉光を回折する回折格子と、可干渉光を発光する発光手段と、上記発光手段により発光された可干渉光を２つの可干渉光に分割して、上記回折格子に対して各可干渉光を照射する照射光学系と、上記各可干渉光が上記回折格子により回折されて得られる２つの第１の回折光をそれぞれ反射して、上記回折格子に対して各第１の回折光を照射する反射光学系と、上記各第１の回折光が上記回折格子により回折されて得られる２つの第２の回折光を干渉させる干渉光学系と、干渉した２つの第２の回折光を受光して干渉信号を検出する受光手段と、上記受光手段が検出した干渉信号から上記２つの第２の回折光の位相差を求めて、上記回折格子の相対移動位置を検出する位置検出手段とを備え、上記照射光学系は、上記回折格子に対して照射される２つの可干渉光を、この回折格子の格子面に結像させる第１の結像手段を有し、上記反射光学系は、上記回折格子に対して照射される２つの第１の回折光を、それぞれ対応する可干渉光の結像位置と同一位置に結像させる第２の結像手段を有することを特徴とする。
【００２４】
この光学式変位測定装置では、例えば図１に示すように、発光手段２が発光した可干渉光Ｌａを、第１の結像手段４が回折格子１の格子面上に結像する。回折格子１の格子面に結像された可干渉光Ｌａがこの回折格子１によって回折し、回折格子１を反射或いは透過した第１の回折光Ｌｂ１が生じる。第２の結像手段５は、この第１の回折光Ｌｂ１を平行光とし、反射光学系３に垂直に照射する。反射光学系３は、第１の回折光Ｌｂ１を、垂直に反射して入射された経路と同一経路を逆行させる。第２の結像手段５は、反射された第１の回折光Ｌｂ１を、回折格子１の格子面に結像する。このとき、反射された第１の回折光Ｌｂ１は、上記第１の結像手段４が可干渉光Ｌaを結像した位置に結像される。この反射された第１の回折光Ｌｂ１が回折格子１によって回折し、回折格子１を反射或いは透過した第２の回折光Ｌｂ２が生じる。
【００２５】
この光学式変位測定装置では、第１の結像手段４により可干渉光Ｌａが回折格子１の格子面に結像されているとともに、第２の結像手段５により平行光とされ第１の回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が反射光学系３の反射器に対して常に垂直に照射されている。従って、例えば、図１中Ｌｂ１′に示すように、第１の回折光Ｌｂ１の光軸がずれた場合であっても、反射された第１の回折光Ｌｂ１は常に入射したときと全く同じ光路を逆行し回折格子１の格子面上の結像位置は変化せず、この第１の回折光Ｌｂ１が回折することにより生じる第２の回折光Ｌｂ２の光軸がずれない。また、光路長の変化も生じない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明を適用した第１の実施の形態の光学式変位測定装置について説明する。
【００２９】
本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０は、図２に示すように、工作機械等の可動部分に取り付けられ直線移動する回折格子１１と、レーザ光等の可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、受光素子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する位置検出部１４と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するとともに回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて受光素子１３に照射する照射受光光学系１５と、回折格子１１からの２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する反射光学系１６とを備えている。
【００３０】
回折格子１１は、図３に示すように、例えば薄板状の形状を有しており、その表面に狭いスリットや溝等の格子が所定間隔毎に刻まれている。このような回折格子１１に入射された光は、表面に刻まれたスリット等により回折する。回折により生じる回折光は、格子の間隔と光の波長で定まる方向に発生する。
【００３１】
ここで、発明の実施の形態を説明するにあたり、格子が形成されている回折格子１１の面を、格子面１１ａと呼ぶ。なお、回折格子１１が透過型の場合には、可干渉光が入射される面と回折光が発生する面とをともに格子面１１ａと呼ぶ。また、回折格子１１の格子が形成された方向（図３中矢印Ｃ１，Ｃ２方向）、すなわち、格子の透過率や反射率、溝の深さ等の変化の方向を表す格子ベクトルに対して垂直な方向であって且つ格子面１１ａに平行な方向を、格子方向と呼ぶ。格子が形成された方向に垂直な方向であり且つ格子面１１ａに平行な方向（図３中矢印Ｄ１，Ｄ２方向）、すなわち、回折格子１１の格子ベクトルに対して平行な方向を、格子ベクトル方向と呼ぶ。また、格子面１１ａに垂直な方向（図３中矢印Ｅ１，Ｅ２方向）、すなわち、格子方向に垂直な方向であり且つ格子ベクトル方向に垂直な方向を、法線ベクトル方向と呼ぶ。なお、これら回折格子１１の各方向については、本発明の第１の実施の形態のみならず、他の実施の形態においても同様に呼ぶものとする。
【００３２】
この回折格子１１は、工作機械等の可動部分に取り付けられ、この可動部分の移動にともなって、図２中矢印Ｘ１，Ｘ２方向、すなわち、格子ベクトル方向に移動する。
【００３３】
なお、本発明では、回折格子の種類は限定されず、機械的に溝等が形成されたもののみならず、例えば、感光性樹脂に干渉縞を焼き付けて作成したものであってもよい。
【００３４】
可干渉光源１２は、レーザ光等の可干渉光を発光する素子である。この可干渉光源１２は、例えば、可干渉距離が数百μｍ程度のレーザ光を発光するマルチモードの半導体レーザ等からなるものである。
【００３５】
受光素子１３は、受光面１３ａに対して照射された光を、その光量に応じた電気信号に変換する光電変換素子であり、例えば、フォトディテクタ等からなるものである。この受光素子１３は、受光面１３ａに対して照射される干渉光を受光して、その光量に応じた干渉信号を生成する。
【００３６】
位置検出部１４は、受光素子１３が生成した干渉信号に基づき、２回回折光Ｌｃ１と２回回折光Ｌｃ２との位相差を求め、回折格子１１の相対移動位置を示す位置信号を出力する。
【００３７】
照射受光光学系１５は、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分離するとともに回折格子１１からの２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて干渉させるハーフミラー２２と、ハーフミラー２２により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射するとともに可干渉光Ｌａ１により生じる２回回折光Ｌｃ１を反射する反射器２３と、ハーフミラー２２により分離された他方の可干渉光Ｌａ２を反射するとともに可干渉光Ｌａ２により生じる２回回折光Ｌｃ２を反射する反射器２４と、ハーフミラー２２により重ね合わされた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光素子１３の受光面１３ａ上に結像させる第２の結像素子２５とを有している。
【００３８】
第１の結像素子２１は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第１の結像素子２１には、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａが入射される。第１の結像素子２１は、入射された可干渉光Ｌａを所定のビーム径で回折格子１１の格子面１１ａに結像させる。結像されたビーム径は、回折格子１１が回折光を発生させるのに十分な格子数を含む大きさが望ましい。また、そのビーム径は、格子面１１ａ上のゴミや傷の影響を受けないような大きさが望ましい。そのビーム径は、第１の結像素子２１の開口数等を変えることにより調整することができ、例えば、数十μｍ以上とするのが望ましい。また、結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が格子面１１ａ上に位置するようにしてもよい。
【００３９】
ハーフミラー２２には、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａが第１の結像素子２１を介して入射される。このハーフミラー２２は、入射された可干渉光Ｌａの一部を透過して可干渉光Ｌａ１を生成し、入射された可干渉光Ｌａの一部を反射して可干渉光Ｌａ２を生成する。また、ハーフミラー２２には、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌｃ２が入射される。このハーフミラー２２は、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて干渉させ、この干渉させた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を、受光素子１３の受光面１３ａに照射する。
【００４０】
反射器２３は、ハーフミラー２２を透過した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２４は、ハーフミラー２２により反射された可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。反射器２３及び反射器２４は、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の同一の位置に照射する。
【００４１】
また、反射器２３には、１回回折光Ｌｂ１が回折格子１１に照射されることにより生じる２回回折光Ｌｃ１が照射される。反射器２３は、この２回回折光Ｌｃ１を反射して、ハーフミラー２２に照射する。また、反射器２４は、１回回折光Ｌｂ２が回折格子１１に照射されることにより生じる２回回折光Ｌｃ２が照射される。反射器２４は、この２回回折光Ｌｃ２を反射して、ハーフミラー２２に照射する。反射器２３及び反射器２４には、格子面１１上の同一の位置から生じる２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が照射される。
【００４２】
第２の結像素子２５は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなる。第２の結像素子２５には、ハーフミラー２２により重ね合わされた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が入射される。第２の結像素子２５は、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を、所定のビーム径で受光素子１３の受光面１３ａに結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面１３ａ上に位置するようにしてもよい。
【００４３】
一方、反射光学系１６は、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２６と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２７と、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を平行光として上記反射器２６に照射する第３の結像素子２８と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を平行光として上記反射器２７に照射する第４の結像素子２９とを有している。
【００４４】
反射器２６には、第３の結像素子２８を通過した１回回折光Ｌｂ１が照射される。反射器２６は、この１回回折光Ｌｂ１が入射経路と同じ経路を逆行するように、この１回回折光Ｌｂ１を垂直に反射する。
【００４５】
反射器２７には、第４の結像素子２９を通過した１回回折光Ｌｂ２が照射される。反射器２７は、この１回回折光Ｌｂ２が入射経路と同じ経路を逆行するように、この１回回折光Ｌｂ２を垂直に反射する。
【００４６】
第３の結像素子２８は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第３の結像素子２８には、可干渉光Ｌａ１により生じた１回回折光Ｌｂ１が回折格子１１から入射される。また、この第３の結像素子２８には、反射器２６により反射された１回回折光Ｌｂ１が、回折格子１１からの入射方向と反対の方向から入射される。第３の結像素子２８は、回折格子１１から入射された１回回折光Ｌｂ１を平行光にして反射器２６に照射する。また、第３の結像素子２８は、反射器２６により垂直に反射された平行光の１回回折光Ｌｂ１を、回折格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌａ１の入射点と同一位置に、所定のビーム径で結像させる。
【００４７】
第４の結像素子２９は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第４の結像素子２９には、可干渉光Ｌａ２により生じた１回回折光Ｌｂ２が回折格子１１から入射される。また、この第４の結像素子２９には、反射器２７により反射された１回回折光Ｌｂ２が、回折格子１１からの入射方向と反対の方向から入射される。第４の結像素子２９は、回折格子１１から入射された１回回折光Ｌｂ２を平行光にして反射器２７に照射する。また、第４の結像素子２９は、反射器２７により垂直に反射された平行光の１回回折光Ｌｂ２を、回折格子１１の格子面１１ａ上の可干渉光Ｌａ２の入射点と同一位置に、所定のビーム径で結像させる。
【００４８】
このような反射光学系１６は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２が回折されることにより生じる１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射して、再度回折格子１１に照射する。再度回折格子１１に照射された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、回折格子１１により回折する。１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折されることにより生じる２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同一の光路を逆行して、照射受光光学系１５のハーフミラー２２に照射される。
【００４９】
可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路順を図４に示し、各光の光路について説明する。なお、この図４に示す光路は、模式的なものであり、各光の光軸を限定するものではない。
【００５０】
可干渉光源１２から出射された１つの可干渉光Ｌａは、第１の結像素子２１を通過して、ハーフミラー２２により２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割される。
【００５１】
ハーフミラー２２を透過した一方の可干渉光Ｌａ１は、反射器２３により反射され、回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定の点Ｐに結像された一方の可干渉光Ｌａ１が回折し、例えば、回折格子１１を透過した１回回折光Ｌｂ１が生じる。この１回回折光Ｌｂ１は、この所定の点Ｐから発生する。発生した１回回折光Ｌｂ１は、第３の結像素子２８を通過して平行光となり、反射器２６に照射される。反射器２６に照射された１回回折光Ｌｂ１は、この反射器２６により垂直に反射され、第３の結像素子２８を逆方向から再度通過して、回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定の点Ｐに結像された１回回折光Ｌｂ１が回折し、例えば、回折格子１１で回折した２回回折光Ｌｃ１が生じる。この２回回折光Ｌｃ１は、可干渉光Ｌａ１と同一の光路を逆行し、ハーフミラー２２に入射する。
【００５２】
また、ハーフミラー２２により反射された他方の可干渉光Ｌａ２は、反射器２４により反射され、回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定の点Ｐに結像された一方の可干渉光Ｌａ２が回折し、例えば、回折格子１１を透過した１回回折光Ｌｂ２が生じる。この１回回折光Ｌｂ２は、この所定の点Ｐから発生する。発生した１回回折光Ｌｂ２は、第４の結像素子２９を通過して平行光となり、反射器２７に照射される。反射器２７に照射された１回回折光Ｌｂ２は、この反射器２７により垂直に反射され、第４の結像素子２９を逆方向から再度通過して、回折格子１１の格子面１１ａ上の所定の点Ｐに結像される。そして、この所定の点Ｐに結像された１回回折光Ｌｂ２が回折し、例えば、回折格子１１で回折した２回回折光Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ２と同一の光路を逆行し、ハーフミラー２２に入射する。
【００５３】
ハーフミラー２２に入射した２回回折光Ｌｃ１は、このハーフミラー２２に反射される。また、ハーフミラー２２に入射した２回回折光Ｌｃ２は、このハーフミラー２２を透過する。２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、このハーフミラー２２により重ね合わされ、干渉する。干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、第２の結像素子２５を通過して、受光素子１３の受光面１３ａ上に結像される。
【００５４】
以上のような構成の光学式変位測定装置１０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置１０では、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出する。
【００５５】
ここで、例えば、図２に示すように、回折格子１１の格子ベクトル方向の一端が法線ベクトル方向の一方向（例えば、図２中矢印Ｘ３方向）に移動し、他端が法線ベクトル方向の他方向（例えば、図２中矢印Ｘ４方向）に移動して、格子面１１ａが傾いたとする。この場合、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角が変化する。そのため、反射光学系１６内を通過する際の各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光軸が変化する。例えば、各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が、図２中点線で示すように、その光路が変化する。
【００５６】
ところが、この光学式変位測定装置１０では、可干渉光源１２が発光した可干渉光Ｌａを、第１の結像素子２１が回折格子１１の格子面１１ａに結像しているとともに、第３の結像素子２８及び第４の結像素子２９が、それぞれの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を平行光として各反射器２６，２７を常に垂直に照射している。このため、反射器２６又は反射器２７により反射された各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、その光軸がずれた場合であっても、必ず、入射したときと同じ光路を逆行し回折格子１１の格子面１１ａ上の同一の入射点に入射する。従って、光学式変位測定装置１０では、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２により生じる２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が、回折格子１１が傾いた場合であっても常に同一の光路を通過することとなる。また、光路長の変化もない。
【００５７】
このことにより、本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０では、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が互いにずれることなく重なり合わされる。そのため、回折格子１１が、格子ベクトルに平行な方向以外に移動等した場合、例えば、回折格子１１が傾いたり、回折格子１１にうねり等があった場合であっても、受光素子１３が検出する干渉信号が低下しない。従って、この光学式変位測定装置１０では、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。また、この光学式変位測定装置１０では、工作機械等の可動部分への取り付け位置の自由度が増し、また、この可動部分に振動やぶれ等があっても安定して位置検出できる。
【００５８】
また、光学式変位測定装置１０では、第２の結像素子２５を用いて２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光面１３ａに結像させれば、ビームのケラレが生じず、さらに、高精度に位置検出ができる。
【００５９】
また、この光学式変位測定装置１０では、第１の結像素子２１及び第２の結像素子２５の開口を大きくすることにより、回折格子１１と照射受光光学系１５との間隔を大きくすることができ、また、小型の受光素子１３を用いることができ、また、設計が簡易となる。また、この光学式変位測定装置１０では、第３の結像素子２８及び第４の結像素子２９の開口を大きくすることにより、回折格子１１と反射光学系１６との間隔を大きくすることができ、設計が簡易となる。
【００６０】
また、光学式変位測定装置１０では、可干渉光Ｌａ１（及び２回回折光Ｌｃ１）と可干渉光Ｌａ２（及び２回回折光Ｌｃ２）との光路長を等しくし、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２との光路長を等しくすることにより、波長の変動に起因する測定誤差を生じなくすることができる。そのため、この光学式変位測定装置１０では、各光路長の調整を行うために、光路長の差を干渉縞の変調率の変化として検出することが可能な可干渉性を有する可干渉光を発光する可干渉光源１２を用いても良い。例えば、可干渉距離が数百μｍ程度の短いマルチモードの半導体レーザを可干渉光源１２に用いれば、干渉縞の変調率が最大となるようにハーフミラー２２の位置を調整することにより、各光路長の差を数１０μｍ以下に抑えることができる。
【００６１】
なお、以上本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０では、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、回折格子１１の格子面１１ａの同一の点に入射している。例えば、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、同一の入射点Ｐに入射している。しかしながら、この第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０では、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、回折格子１１の格子面１１ａの同一の点に入射せず、異なる点に入射しても良い。例えば、図５に示すように、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを、格子ベクトル方向に所定量離したＰ′とＰ′′に入射しても良い。
【００６２】
このように可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射位置をずらした光学式変位測定装置１０であっても、ほぼ同様の効果を有することができる。
【００６３】
さらに、この場合、干渉させる回折光Ｌｂ以外の例えば０次回折光や反射光等が照射受光光学系１５及び反射光学系１６に混入しない。従って、測定ノイズを少なくすることができ、また、移動する可動部分の移動位置を高分解能かつ高精度に検出することができる。なお、入射点間の距離が長い場合には、Ｘ３，Ｘ４方向に傾いたときは受光面１３ａ上の結像位置が多少ずれてしまうので、この入射点間の距離は、短い方が好ましい。
【００６４】
また、光学式変位測定装置１０では、格子ベクトル方向に所定量離して可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射することのみならず、図６に示すように、格子方向に所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射してもよい。この場合、回折格子１１の格子ベクトル方向（図６中Ｘ３方向）の一端が法線ベクトル方向の一方向に移動し、他端が法線ベクトルの他方向（図６中Ｘ４方向）に移動して、格子面１１ａが傾いたとしても、２つの回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の受光素子１３の受光面１３ａ上の結像位置はずれない。
【００６５】
つぎに、反射型の回折格子１１を用いて本発明を適用した第２の実施の形態の光学式変位測定装置について説明する。なお、この第２の実施の形態の光学式変位測定装置を説明するにあたり、上記第１の光学式変位測定装置と同一の構成要素については、図面中に同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。また、第３の実施の形態以降についても、それまでの実施の形態と同一の構成要素については、図面中に同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。
【００６６】
図７に、この第２の実施の形態の光学式変位測定装置の模式的な斜視図を示す。
【００６７】
ここで、回折格子１１の格子面１１ａ上の格子ベクトル方向に平行な１つの仮想的な直線を直線ｎとする。また、直線ｎを含み法線ベクトルに平行な仮想的な面を、基準面ｍ１とする。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がγとなっている仮想的な面を、傾斜面ｍ２とする。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がδとなっている仮想的な面を、傾斜面ｍ３とする。また、傾斜面ｍ２と傾斜面ｍ３は、回折格子１１の格子面１１ａに対し、同一面側にあるものとする。
【００６８】
図８に、傾斜面ｍ２上に配置された構成要素をこの傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図を示す。図９に、回折格子１１に入射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図を示す。図１０に、傾斜面ｍ３上に配置された構成要素をこの傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図を示す。
【００６９】
本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置は、反射型の回折格子１１を備え、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置である。
【００７０】
光学式変位測定装置４０は、図７及び図８に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するとともに、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて受光素子１３に照射する照射受光光学系４１とを備えている。
【００７１】
照射受光光学系４１は、干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを偏光方向の直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分離するとともに、偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる偏光ビームスプリッタ４３と、偏光ビームスプリッタ４３により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射するとともに回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射する反射器２３と、偏光ビームスプリッタ４３により分離された他方の可干渉光Ｌａ２を反射するとともに２回回折光Ｌｃ２を反射する反射器２４と、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光素子１３の受光面１３ａに結像させる第２の結像素子２５と、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の同一の偏光方向の成分を取り出す偏光板４６とを有している。
【００７２】
この照射受光光学系４１は、通過する可干渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路及び通過する２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路が、傾斜面ｍ２上に形成されるように、各部材が配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図９に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角及び回折角がγとなっている。
【００７３】
可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌａは、照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３に対して、偏光方向を４５度傾けて入射される。
【００７４】
偏光ビームスプリッタ４３は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１はＰ偏光の光となり、反射した可干渉光Ｌａ２はＳ偏光の光となる。
【００７５】
また、偏光ビームスプリッタ４３には、回折格子１１により２回回折された、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が入射される。ここで、２回回折光Ｌｃ１は、元々はＰ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＳ偏光の光となっている。同様に、２回回折光Ｌｃ２は、元々はＳ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＰ偏光の光となっている。従って、この偏光ビームスプリッタ４３は、Ｓ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１を反射し、Ｐ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２を透過して、これら２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる。
【００７６】
反射器２３は、偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２３は、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射して、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。
【００７７】
反射器２４は、偏光ビームスプリッタ４３により反射された可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ２を反射して、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。
【００７８】
反射器２３及び反射器２４は、傾斜面ｍ２上における入射角がαとなるように、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射している。なお、反射器２３及び反射器２４は、その反射面が、互いが向き合うように配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベクトル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。また、反射器２３及び反射器２４は、格子ベクトル方向に所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射している。可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点との間の距離は、ｌとなっている。
【００７９】
偏光板４６は、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされたＳ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１とＰ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２とが透過する。この偏光板４６は、２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌｃ２に対して、それぞれの光の偏光方向が４５度の成分を透過して、互いに同一の偏光方向の光とする。
【００８０】
受光素子１３は、この偏光板４６を透過した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光する。
【００８１】
光学式変位測定装置４０では、このような可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ１が回折し、１回回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ２が回折し、１回回折光Ｌｂ２が生じる。１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、図９に示すように、δとなっている。すなわち、傾斜面ｍ３に沿って１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が生じる。また、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の傾斜面ｍ３上における回折角は、βとなっている。なお、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル方向における出射方向が互いに逆方向となっている。
【００８２】
また、光学式変位測定装置４０は、図７及び図１０に示すように、反射光学系４２を備えている。
【００８３】
反射光学系４２は、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２６と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２７と、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を平行光として上記反射器２６に照射する第３の結像素子２８と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を平行光として上記反射器２７に照射する第４の結像素子２９と、１回回折光Ｌｂ１の光路上に設けられた１／４波長板４４と、１回回折光Ｌｂ２の光路上に設けられた１／４波長板４５とを有している。
【００８４】
反射光学系４２は、上述したように２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折角がδとなっているため、通過する１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路が傾斜面ｍ３上に形成されるように、各部材が配置されている。また、反射光学系４２の反射器２６と反射器２７とは、傾斜面ｍ３上における回折角βで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を垂直に反射可能な位置に配置されている。
【００８５】
また、１／４波長板４４は、回折格子１１から入射するＰ偏光の光の１回回折光Ｌｂ１の偏光方向に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回回折光Ｌｂ１は、この１／４波長板４４を２回通過して、回折格子１１に結像される。そのため、Ｐ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ１がＳ偏光の光とされ、回折格子１１に照射される。
【００８６】
また、１／４波長板４５は、回折格子１１から入射するＳ偏光の光の１回回折光Ｌｂ２の偏光方向に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回回折光Ｌｂ２は、この１／４波長板４５を２回通過して、回折格子１１に結像される。そのため、Ｓ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ２がＰ偏光の光とされ、回折格子１１に照射される。
【００８７】
このような反射光学系４２から、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１に入射される。この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトルから見た入射角は、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の回折角と同じく、δとなる。また、傾斜面ｍ３上における入射角は、同様に回折角と同じく、βとなる。
【００８８】
また、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折することにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の格子ベクトル方向から見た回折角は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、γとなる。また、傾斜面ｍ２上の回折角は、同様に可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、αとなる。
【００８９】
従って、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同光路を逆行して、偏光ビームスプリッタ４３に入射する。
【００９０】
また、光学式変位測定装置４０は、受光素子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する図示しない位置検出部を備えている。
【００９１】
このような構成の光学式変位測定装置４０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置４０では、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出する。
【００９２】
以上のように光学式変位測定装置４０では、基準面ｍ１に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射受光光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に反射光学系４２を配置することにより、可干渉光と回折光とが形成する光路を分離することができ、装置の設計の自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系４１や受光光学系４２に混入させることなく、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させることができ、高精度に位置測定をすることができる。
【００９３】
この光学式変位測定装置４０において、０次回折光や反射光を照射受光光学系４１や反射光学系４２に混入させないための条件は、以下の通りである。
【００９４】
角度γと角度δが０では無く且つ角度αと角度βとが等しい場合には、０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射しても良いが、例えば、図６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。
【００９５】
また、角度γと角度δがともに０である場合には、角度αと角度βとを等しくすると光路が重なるので、角度αと角度βとを必ず異ならせる。また、この場合、０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射しても良いが、例えば、図６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。
【００９６】
また、角度γと角度δが０では無く且つ０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角αと回折角βとが異なる場合には、図１１、図１２及び図１３に示すように、可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点とを同一の位置としてもよい。この場合、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離した場合に比べて、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる影響が少なくなる。すなわち、回折格子１１の厚みや屈折率のむらの影響による１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２との間（或いは２回回折光Ｌｃ１と２回回折光Ｌｃ２との間）の光路長に差が生じず、より高精度に位置測定をすることができる。
【００９７】
以下具体的に、回折格子１１に厚みのむらがあった場合の影響について説明する。
【００９８】
重ね合わせる２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の強度をＡ1，Ａ2、回折格子１１の格子ベクトル方向への移動量をｘ、初期位相をδとすると、受光素子１３が検出する干渉信号の強度Ｉは、以下の式（１）に示すようになる。
Ｉ＝Ａ1 2＋Ａ2 2＋２Ａ1Ａ2ｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ） ・・・（１）
Ｋ＝２π／Λ（Λは格子ピッチ）
この干渉信号の強度Ｉは、回折格子１１がΛ／４移動することにより、１周期分変換する。δは、重ね合わせた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路長の差に依存する量である。従って、このδが変動すると、回折格子１１が移動していなくても干渉信号Ｉが変動し、誤差要因となる。
【００９９】
例えば、図１４に示すような、ガラスの内部に格子が設けられた透過型の回折格子に厚みのむらがある場合について考えてみる。ガラスの屈折率をｎとし、レーザ光Ｌｘがガラスの一方の表面から他方の表面まで通過する距離をＬとすると、このレーザ光Ｌｘが回折格子を通過したときの光路長はｎＬとなる。空気の屈折率はほぼ１であることから、レーザ光Ｌｘが回折格子を通過する際の光路長は、このレーザ光Ｌｘが空気中を同距離通過したときと比較して、（ｎ−１）Ｌだけ長くなる。従って、回折格子のガラスの厚さが変化して、レーザ光Ｌｘがガラスの一方の表面から他方の表面まで通過する距離がＬ＋ΔＬ変化したとすると、その光路長は（ｎ−１）ΔＬだけ変化することとなる。また、特に２回回折をする場合には、ガラス層を２回通過するため、その光路長は倍の２（ｎ−１）ΔＬだけ変化することになる。
【０１００】
このことをふまえ、例えば、図１５に示すように、一方のレーザ光Ｌｘ１は回折格子の厚みのむらがない位置を透過し、他方のレーザ光Ｌｘ２は回折格子の厚みのむらがある位置を透過する２本のレーザ光について考える。レーザ光Ｌｘ２の厚みのむらを通過する長さを＋ΔＬとすると、２つのレーザ光Ｌｘ１，Ｌｘ２の光路長の差は、（ｎ−１）ΔＬとなる。従って、上記の式（１）で示したδが｛（ｎ−１）ΔＬ｝・２π／λ （λは、ビームＡ，Ｂの波長）だけ変化してしまう。２回回折をする場合には、δが｛２（ｎ−１）ΔＬ｝・２π／λとなり、位置検出の誤差量は（Λ／２λ）（ｎ−１）ΔＬとなり、例えば、Λ＝０．５５μｍ、λ＝０．７８μｍ、ｎ＝１．５、ΔＬ＝１μｍとすれば、約０．１８μｍとなる。従って、この誤差は、例えば、ナノメータオーダの位置検出を行う場合には、かなり大きい値となる。
【０１０１】
なお、以上透過型の回折格子を例にとって説明したが、反射型の回折格子についてもガラスにより格子がカバーされているものであれば同様に誤差が生じ、また、ガラスにより格子がカバーされていないものであれば凹凸によるレーザ光の通過距離の変化がそのまま光路長の変化となり誤差が生じる。
【０１０２】
このように、回折格子１１に厚みのむらがあった場合には、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離していると誤差が生じる。
【０１０３】
そのため、この光学式変位測定装置４０では、基準面ｍ１に対して所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３上に受光光学系４２を配置し、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１上の同一点に入射することにより、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる誤差をなくすることができ、さらに高精度に位置検出をすることができる。つまり、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる誤差は、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とが異なる位置を通過するために生じるものであり、同一点を通過する場合には生じないので、このように同一点に可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射すれば高精度に位置検出をすることができる。また、例えば回折格子１１がガラス等でカバーされているものであるときは、２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を、完全に同一の光路を通過させることは困難であるが、格子面１１ａのほぼ同じ位置に入射すれば、最も誤差を小さくすることができる。
【０１０４】
可干渉光の入射角（及び２回回折光の回折角）α，γ、１回回折光の回折角（及び１回回折光の入射角）β，δの関係は、以下の式（２）、式（３）に示すようになる。
【０１０５】
Ｓｉｎα＋Ｓｉｎβ＝ｍλ/ｄ ・・・（２）
ｄ：回折格子のピッチ
λ：光の波長
ｍ：回折次数
Ｓｉｎγ/Ｓｉｎδ ＝Ｃｏｓβ/Ｃｏｓα ・・・（３）
従って、α＝βの場合にはγ＝δとなり、α≠βの場合にはγ≠δとなる。
【０１０６】
なお、本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置４０では、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を反射する反射器２３，２４を用いているが、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを同一点に入射しない場合には、例えば、図１６に示すように、反射器２３，２４を用いずに構成しても良い。
【０１０７】
つぎに、透過型の回折格子１１を用いて本発明を適用した第３の実施の形態の光学式変位測定装置について説明する。
【０１０８】
図１７に、この第３の実施の形態の光学式変位測定装置の模式的な斜視図を示す。
【０１０９】
ここで、直線ｎ、基準面ｍ１、傾斜面ｍ２の関係は、上記第２の実施の形態と同様である。また、直線ｎを含み基準面ｍ１とのなす角がδとなっており、傾斜面ｍ２に対して格子面１１ａを挟んで反対側にある仮想的な面を傾斜面ｍ３′とする。
【０１１０】
図１８に、傾斜面ｍ２上に配置された構成要素をこの傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図を示す。図１９に、回折格子１１に入射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図を示す。
【０１１１】
本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置は、透過型の回折格子１１を備え、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置である。
【０１１２】
光学式変位測定装置５０は、図１７及び図１８に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光して干渉信号を生成する受光素子１３と、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するとともに、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて受光素子１３に照射する照射受光光学系４１とを備えている。
【０１１３】
この照射受光光学系４１は、通過する可干渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路及び通過する２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路が、傾斜面ｍ２上に形成されるように、各部材が配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図１９に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角及び回折角がγとなっている。
【０１１４】
反射器２３及び反射器２４は、傾斜面ｍ２上における入射角がαとなるように、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射している。なお、反射器２３及び反射器２４は、その反射面が、互いが向き合うように配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベクトル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。また、反射器２３及び反射器２４は、格子ベクトル方向に所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射している。可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点との間の距離は、ｌとなっている。
【０１１５】
光学式変位測定装置５０では、このような可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ１が回折し、１回回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ２が回折し、１回回折光Ｌｂ２が生じる。１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、図１９に示すように、δとなっている。また、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の傾斜面ｍ３′上における回折角は、βとなっている。なお、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル方向における出射方向が互いに逆方向となっている。
【０１１６】
また、光学式変位測定装置５０は、図１７及び図１８に示すように、反射光学系４２を備えている。
【０１１７】
反射光学系４２は、２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折角がδとなっているため、通過する１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路が傾斜面ｍ３′上に形成されるように、各部材が配置されている。また、反射光学系４２の反射器２６と反射器２７とは、傾斜面ｍ３′上における回折角βで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を垂直に反射可能な位置に配置されている。
【０１１８】
このような反射光学系４２から、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１に入射される。この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトルから見た入射角は、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の回折角と同じく、δとなる。また、傾斜面ｍ３′上における入射角は、同様に回折角と同じく、βとなる。
【０１１９】
また、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折することにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の格子ベクトル方向から見た回折角は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、γとなる。また、傾斜面ｍ２上の回折角は、同様に可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、αとなる。
【０１２０】
従って、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同光路を逆行して、偏光ビームスプリッタ４３に入射する。
【０１２１】
また、光学式変位測定装置５０は、受光素子１３からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する図示しない位置検出部を備えている。
【０１２２】
このような構成の光学式変位測定装置５０では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置５０では、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出する。
【０１２３】
以上のように光学式変位測定装置５０では、基準面ｍ１に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面ｍ２上に照射受光光学系４１を配置し、傾斜面ｍ３′上に反射光学系４２を配置することにより、可干渉光、１回回折光、２回回折光とを形成する光路を分離することができ、装置の設計の自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系４１や反射光学系４２に混入させることなく、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させることができ、高精度に位置測定をすることができる。
【０１２４】
この光学式変位測定装置５０において、０次回折光や反射光を照射受光光学系４１や反射光学系４２に混入させないための条件は、以下の通りである。
【０１２５】
角度γと角度δが０では無く且つ角度αと角度βとが等しい場合には、０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射しても良いが、例えば、図６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。
【０１２６】
また、角度γと角度δがともに０である場合には、角度αと角度βとを等しくするものとしても、角度αと角度βとを異なるものとしてもよい。α＝βの場合もα≠βの場合もともに、０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射点間の距離ｌを離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射する。可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、回折格子１１に対して格子ベクトル方向に離して入射しても良いが、例えば、図６で示したように、格子方向に離して入射しても良い。
【０１２７】
また、角度γと角度δが０では無く且つ０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角αと回折角βとが異なる場合には、可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点とを同一の位置としてもよい。
【０１２８】
また、角度γと角度δが０では無く且つ０次回折光が受光素子１３に照射されない程度に入射角αと回折角βとが異なる場合には、図２０及び図２１に示すように、可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点とを同一の位置としてもよい。この場合、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２との入射点を所定距離離した場合に比べて、回折格子１１の厚みや屈折率のむらによる影響が少なくなる。すなわち、回折格子１１の厚みや屈折率のむらの影響による１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２との間（或いは２回回折光Ｌｃ１と２回回折光Ｌｃ２との間）の光路長に差が生じず、より高精度に位置測定をすることができる。この理由は、上述した第２の実施の形態と同様である。
【０１２９】
なお、本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置５０では、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を反射する反射器２３，２４を用いているが、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを同一点に入射しない場合には、例えば、図２２に示すように、反射器２３，２４を用いずに、構成しても良い。
【０１３０】
つぎに、本発明を適用した第４の実施の形態の光学式変位測定装置について、図２３を用いて説明する。なお、この第４の実施の形態は、上記第２の実施の形態及び第３の実施の形態の構成要素を一部変形したものであり、以下、上記第２の実施の形態及び第３の実施の形態の構成要素のうち変形していない構成要素についてはその詳細な説明を省略する。
【０１３１】
光学式変位測定装置６０は、照射受光光学系４１の第２の結像素子２５及び偏光板４６に変えて、図２３に示すように、１／４波長板６２と、第５の結像素子６３と、無偏光ビームスプリッタ６４と、第２の偏光ビームスプリッタ６５と、第３の偏光ビームスプリッタ６６とを用いている。なお、この第４の実施の形態の光学式変位測定装置６０を説明するにあたり、上記第２及び第３の実施の形態で用いていた偏光ビームスプリッタ４３を第１の偏光ビームスプリッタ４３と言い換える。
【０１３２】
また、この光学式変位測定装置６０は、受光素子１３に変えて、第１の受光素子６７ａ，６７ｂと、第２の受光素子６８ａ，６８ｂとを用いている。
【０１３３】
可干渉光源１２から出射される可干渉光Ｌａは、照射受光光学系４１の第１の偏光ビームスプリッタ４３に対して、偏光方向が４５度傾けて入射される。この照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１はＰ偏光の光となり、反射した可干渉光Ｌａ２はＳ偏光の光となる。
【０１３４】
また、この照射受光光学系４１の第１の偏光ビームスプリッタ４３には、回折格子１１で２回回折された２回回折光Ｌｃ１と、回折格子１１で２回回折された２回回折光Ｌｃ２とが入射される。ここで、２回回折光Ｌｃ１は、元々はＰ偏光の光であるが、反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＳ偏光の光となっている。同様に、２回回折光Ｌｃ２は、元々はＳ偏光の光であるが、反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＰ偏光の光となっている。従って、この第１の偏光ビームスプリッタ４３は、Ｓ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１を反射し、Ｐ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２を透過して、これら２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる。
【０１３５】
重ね合わせた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、１／４波長板６２を通過する。１／４波長板６２は、各２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の偏光方向に対して、光学軸が４５度傾くように配置されている。そのため、各２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、この１／４波長板６２を通過することにより、互いに逆回りの円偏光の光となる。
【０１３６】
互いに逆回りの円偏光の光とされた２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、第５の結像素子６３を通過する。
【０１３７】
第５の結像素子６３は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。第５の結像素子６３は、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を、所定のビーム径で第１の受光素子６７ａ，６７ｂ及び第２の受光素子６８ａ，６８ｂの受光面に結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が受光面上に位置するようにしてもよい。
【０１３８】
この第５の結像素子６３を通過した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、無偏光ビームスプリッタ６４で２つのビームに分割される。
【０１３９】
分割された一方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５によりさらに偏光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、第１の受光素子６７ａ，６７ｂに照射される。また、分割された他方のビームは、第２の偏光ビームスプリッタ６５に対して４５度傾いた第３の偏光ビームスプリッタ６６によりさらに偏光方向が直交する２つのビームに分割され、それぞれ、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに照射される。
【０１４０】
ここで、互いに逆方向に回転する円偏光の光を重ね合わせた光は、２つの光の位相差にしたがって回転する直線偏光の光とみなすことができる。そのため、１／４波長板６２を通過した２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、回折格子１１の移動にともない回転する直線偏光の光となる。また、この直線偏光の光を偏光板等の偏光素子で互いにω度異なる偏光方向の成分を取り出した場合、その取り出した光の強度を検出した信号は、互いに２ω度位相が異なる信号となる。そのため、第１の受光素子６７ａ，６７ｂは、第２の偏光ビームスプリッタ６５により取り出された互いに９０度異なる偏光方向の光を検出するので、検出した信号の位相が互いに１８０度異なっている。従って、第１の受光素子６７ａ，６７ｂにより検出した信号の差を取ることにより、直流成分を除去した信号を検出することができる。また、これは、第２の受光素子６８ａ，６８ｂに関しても同様である。
【０１４１】
また、第３の偏光ビームスプリッタ６６により取り出される光は、第２の偏光ビームスプリッタ６５により取り出される光に対して、角度が４５度異なっている。そのため、第２の受光素子６８ａ，６８ｂから得られる信号は、第１の受光素子６７ａ，６７ｂから得られる信号に対して、９０度位相が異なっている。すなわち、第１の受光素子６７ａと第１の受光素子６７ｂとの検出信号の差動信号と、第２の受光素子６８ａと第２の受光素子６８ｂとの検出信号の差動信号とが、互いに９０度位相が異なっている。従って、この光学式変位測定装置６０では、から、互いに９０度位相が異なる回折格子１１の移動位置を示す位置信号に基づき、回折格子１１の移動方向を特定することができる。
【０１４２】
以上のように、この第４の実施の形態の光学式変位測定装置６０では、回折格子１１の透過率、反射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干渉信号から除去することができる。また、この光学式変位測定装置６０では、回折格子１１の移動方向を特定することができる。
【０１４３】
以上本発明を適用した第１〜第４の実施の形態の光学式変位測定装置を説明した。各実施の形態の光学式変位測定装置では、格子が所定の間隔で平行に設けられた回折格子１１を用いているが、本発明では、このような格子が平行に設けられた回折格子を用いなくても良い。例えば、図２４に示すように、放射状に格子が設けられた回折格子を用いてもよい。このような放射状に格子が設けられた回折格子を用いることにより、回転移動をする工作機械の可動部分等の位置検出を行うことができる。また、本発明では、明暗を記録した振幅型の回折格子、屈折率変化や形状変化を記録した位相型の回折格子を用いても良く、その回折格子のタイプは限られない。
【０１４４】
また、各実施の形態の光学式変位測定装置では、回折格子１１を工作機械等の可動部分に取り付けて、この回折格子１１が可動部分の移動に応じて移動する場合について説明したが、本発明では、照射受光光学系及び干渉光学系と、回折格子１１とが相対的に移動すれば良い。例えば、本発明では、回折格子が固定されていて、照射受光光学系及び干渉光学系が工作機械等の可動部分の移動に応じて移動しても良い。
【０１４５】
また、各実施の形態の光学式変位測定装置に用いられているハーフミラーやビームスプリッタ及び結像素子等は、薄膜を用いた素子やレンズ等のみに限られず、例えば、回折光学素子を用いても良い。
【０１４６】
【発明の効果】
本発明に係る光学式変位測定装置では、可干渉光が第１の結像手段により回折格子の格子面に結像しているとともに、第１の回折光が第２の結像手段により平行光とされ反射光学系の反射器に常に垂直に照射されている。従って、第１の回折光の光軸がずれた場合であっても、反射された第１の回折光は常に入射したときと全く同じ経路を逆行し回折格子１の格子面上の結像位置は変化せず、この第１の回折光が回折することにより生じる第２の回折光の光軸がずれない。また、光路長の変化も生じない。
【０１４７】
このことにより、本発明に係る光学式変位測定装置では、２つの第２の回折光が互いにずれることなく重なり合わされて干渉する。そのため、回折格子が、格子ベクトルに平行な方向以外に移動等した場合、例えば、回折格子が傾いたり、回折格子にうねり等があった場合であっても、検出する干渉信号が低下しない。従って、この光学式変位測定装置では、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。
【０１４８】
また、この光学式変位測定装置では、測定対象となる工作機械等の可動部分への取り付け位置の自由度が増し、また、この可動部分に振動やぶれ等があっても安定して測定ができる。また、この光学式変位測定装置では、第１の結像手段又は第２の結像手段の開口を大きくすることにより、回折格子と、照射受光光学系、反射光学系或いは干渉光学系との間隔を大きくすることができ、小型の受光手段を用いることができ、また、設計が簡易となり、その自由度が増す。
【０１４９】
また、この光学式変位測定装置では、干渉させる回折光以外の回折光が、照射受光光学系や干渉光学系に混入しないのでノイズを少なくすることができ、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。
【０１５０】
また、この光学式変位測定装置では、偏光ビームスプリッタを用いることにより、回折格子の透過率、反射率、回折効率等の影響による直流変動を、検出する干渉信号から除去することができ、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図２】本発明を適用した第１の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図３】本発明の第１〜第４の実施の形態の光学式変位測定装置に用いられる回折格子の斜視図である。
【図４】上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の可干渉光及び回折光の光路について説明する為の図である。
【図５】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図６】上記回折格子に入射される可干渉光の入射点を説明する為の図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図８】上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図９】上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図である。
【図１０】 上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ３上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１１】 可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図１２】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１３】 可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ３上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１４】回折格子を通過するレーザ光の光路長を説明する為の図である。
【図１５】回折格子に厚みのむらがある場合に、この回折格子を通過する２本のレーザ光の光路長の差を説明する為の図である。
【図１６】上記第２の実施の形態の光学式変位測定装置の変形例を説明するための図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図１８】上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図１９】上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図である。
【図２０】 可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図２１】可干渉光の入射位置を変えた上記本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′上に配置された構成要素を、この傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′に対して垂直な方向から見た側面図である。
【図２２】上記第３の実施の形態の光学式変位測定装置の変形例を説明するための図である。
【図２３】本発明の第４の実施の形態の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図２４】本発明の第１〜第４の実施の形態の光学式変位測定装置に用いられる他の回折格子を説明する為の図である。
【図２５】従来の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図２６】従来の光学式変位測定装置の側面図である。
【図２７】従来の他の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図２８】従来の他の光学式変位測定装置の側面図である。
【図２９】上記従来の光学式変位測定装置を変形例を説明する為の図である。
【図３０】従来の更に他の光学式変位測定装置を説明する為の図である。
【図３１】上記従来の更に他の光学式変位測定装置の受光素子に照射される回折光を説明する為の図である。
【符号の説明】
１，１１ 回折格子、２ 発光手段、３ 反射手段、４ 第１の結像手段、５第２の結像手段、１０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ 光学式変位測定装置、１２ 可干渉光源、１３，６７，６８ 受光素子、２１，２５，２８，２９，６３ 結像素子、１４ 位置検出部、２６，２７ 反射器
Claims (10)
- 可干渉光が照射され、この可干渉光に対して格子ベクトルに平行な方向に相対移動し、この可干渉光を回折する回折格子と、
可干渉光を発光する発光手段と、
上記発光手段により発光された可干渉光を２つの可干渉光に分割して、上記回折格子に対して各可干渉光を照射する照射光学系と、
上記各可干渉光が上記回折格子により回折されて得られる２つの第１の回折光をそれぞれ反射して、上記回折格子に対して各第１の回折光を照射する反射光学系と、
上記各第１の回折光が上記回折格子により回折されて得られる２つの第２の回折光を干渉させる干渉光学系と、
干渉した２つの第２の回折光を受光して干渉信号を検出する受光手段と、
上記受光手段が検出した干渉信号から上記２つの第２の回折光の位相差を求めて、上記回折格子の相対移動位置を検出する位置検出手段とを備え、
上記照射光学系は、上記回折格子に対して照射される２つの可干渉光を、この回折格子の格子面に結像させる第１の結像手段を有し、
上記反射光学系は、上記回折格子に対して照射される２つの第１の回折光を、それぞれ対応する可干渉光の結像位置と同一位置に結像させる第２の結像手段を有すること
を特徴とする光学式変位測定装置。 - 上記照射光学系は、格子面に垂直な方向以外の方向から、上記回折格子に対して各可干渉光を照射すること
を特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。 - 上記第１の結像手段は、上記回折格子に照射される２つの可干渉光を、上記回折格子の格子面上の格子ベクトルに垂直な方向に所定量離した位置に結像させること
を特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。 - 上記第１の結像手段は、上記回折格子に照射される２つの可干渉光を、上記回折格子の格子面上の同一位置に結像させること
を特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。 - 上記回折格子は、可干渉光の入射角と、回折光の回折角とが異なること
を特徴とする請求項４に記載の光学式変位測定装置。 - 上記干渉光学系は、上記発光手段により発光された可干渉光を、偏光方向が直交する２つの可干渉光に分離する偏光ビームスプリッタを有すること
を特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。 - 上記干渉光学系は、
偏光方向が異なる２つの第２の回折光を重ね合わせる第１の偏光ビームスプリッタと、この第１の偏光ビームスプリッタが重ね合わせた２つの第２の回折光を互いに逆方向の円偏光とする波長板と、円偏光とされた２つの第２の回折光を分割する無偏光ビームスプリッタと、分割された一方の第２の回折光を偏光方向が異なる２つの干渉光に分離する第２の偏光ビームスプリッタと、分割された他方の第２の回折光を偏光方向が異なる２つの干渉光に分離する第３の偏光ビームスプリッタとを有し、第２と第３の偏光ビームスプリッタが透過する干渉光の偏光方向が４５度異なるように設けられており、
上記位置検出手段は、
上記第２の偏光ビームスプリッタにより分離された偏光方向が異なる２つの干渉光の差動出力と、上記第３の偏光ビームスプリッタにより分離された偏光方向が異なる２つの干渉光の差動出力とを求め、上記回折格子の相対移動位置を検出すること
を特徴とする請求項６に記載の光学式変位測定装置。 - 上記回折格子は、反射型であること
を特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。 - 上記回折格子は、放射状に格子が形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。 - 上記発光手段は、光路長の差を干渉縞の変調率の変化として検出することが可能な可干渉性を有する可干渉光を発光すること
を特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。
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