JP4153235B2 - 受発光複合ユニット及び変位検出装置 - Google Patents

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における相対移動位置を検出するための受発光複合ユニット及びその製造方法、変位検出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における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検出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７及び図８に示す。図７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８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、光を出射する光源１０２と、光源１０２から出射された光を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つの回折光を光電変換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】
光源１０２から出射された光は、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で夫々回折され、回折光となる（以下、この回折光を１回回折光と称する）。この１回回折光は夫々ミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射される。ミラー１０４ａ，１０４ｂにより反射された１回回折光は、回折格子１０１に再度照射されて再度回折される（以下、この再度回折された回折光を２回回折光と称する）。これら２本の２回回折光は、同一の光路を経てハーフミラー１０３に入射され、夫々重ね合わされて干渉し、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における図中矢印Ｘ１、Ｘ２方向の変位を検出することができる。すなわち、光学式変位測定装置１００では、回折格子１０１の移動に応じて、回折格子１０１に基づく２本の２回回折光に位相差が生じる。このため、この光学式変位測定装置１００では、フォトディテクタにより得られる干渉信号から２本の２回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９及び図１０に示す。図９は、従来の光学式変位測定装置１１０模式的に示す斜視図であり、図１０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、光を出射する光源１１２と、光源１１２から出射された光を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上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】
光源１１２から出射された光は、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、この回折格子でそれぞれ回折され、１回回折光となる。１回回折光は、それぞれ第２のミラー１１５ａ，１１５ｂにより反射される。またこの１回回折光は、回折格子１１１に再度照射されて回折され、２回回折光となる。これら２本の２回回折光は、同一の光路を経てハーフミラー１１３に入射され重ね合わされて干渉し、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における図中矢印Ｘ１、Ｘ２方向の変位を検出することができる。すなわち、この光学的変位測定装置１１０では、回折格子１１１の移動に応じて、回折格子１１１に基づく２本の２回回折光に位相差が生じる。このため、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２回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】
しかしながら、上記従来の光学式変位測定装置１００、１１０は、製造工程において、単独に製作された各光学部品を調整しながら組み立てる必要性があるため、各部品の仕上がり精度や特性のばらつきに対して精密な調整を必要とし、また複雑な工程を導入せざるを得ず、低価格化を図る上で障害となっていた。
【００１２】
また各部品の調整や締結、固定に大きなスベースを要し、装置全体の小型化を図ることができないという問題点もある。
【００１３】
更に各部品の固定時において接着剤を使用しなければならないため、周囲の環境変化に応じて接着状態が変化し、環境変化や経時変化に起因して各部品間のズレが発生するおそれもある。
【００１４】
そこで、本発明は上述した問題点に鑑みて提案されたものであり、その目的とするところは、低価格で小型、軽量化に適した信頼性の高い受発光複合ユニット及び変位検出装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る受発光複合ユニットは、上述の課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を、互いに偏光成分が異なる２つの光に分離して外部光学系へ出射し、当該外部光学系から反射される上記２つの光を合成して合成光を生成する偏光ビームスプリッタと、上記偏光ビームスプリッタにより生成された合成光を複数に分割する光分割手段と、上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、上記偏光手段を透過した複数の干渉光を夫々所定の位置へ導くレンズ部と、上記レンズ部により導かれた複数の干渉光を夫々光電変換して干渉信号を生成する受光手段とを備え、上記レンズ部、上記偏光手段、及び上記光分割手段を順次積層させて構成することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る変位検出装置は、上述の課題を解決するために、回折格子が配された被検査物について格子ベクトル方向の変位を干渉信号に基づいて検出する変位検出装置において、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を互いに偏光成分が異なる２つの光に分離して出射する偏光ビームスプリッタと、上記ビームスプリッタから出射された２つの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の回折光を夫々反射する反射手段と、上記反射手段により反射された上記第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の回折光を合成させて合成光を生成し、当該合成光を複数に分割する光分割手段と、上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、上記偏光手段を透過した複数の干渉光を夫々所定の位置へ導くレンズ部と、上記レンズ部により導かれた複数の干渉光を夫々光電変換して上記干渉信号を生成する受光手段とを備え、上記レンズ部、上記偏光手段、及び上記光分割手段を順次積層させて構成することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明を適用した第１の実施の形態の変位検出装置について説明する。
【００１８】
本発明の第１の実施の形態における変位検出装置１０は、図１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透過型の回折格子１１と、発光素子により発光された光を２つの光Ｌａ１，Ｌａ２に分離して出射し、回折格子１１により回折された２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を互いに干渉させて干渉信号を検出する受発光複合ユニット１２と、受発光複合ユニット１２から出射された２つの光Ｌａ１,Ｌａ２を回折格子１１に照射するとともに、回折格子１１からの２つの２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２を受発光複合ユニット１２へ導く反射部材１３ａ、１３ｂ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１４とを備えている。
【００１９】
回折格子１１は、図２に示すように、例えば薄板状の形状を有しており、その表面若しくは中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し、該回折格子１１を透過する。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。
【００２０】
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と称する。なお、回折格子１１が透過型の場合には、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２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称する。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称する。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称するものとする。
【００２１】
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、該可動部分の移動にともなって、図２中矢印Ｄ１、Ｄ２方向、すなわち格子ベクトル方向に移動する。
【００２２】
なお、本発明では回折格子の種類は限定されず、上述したように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良い。
【００２３】
反射部材１３ａは、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。この光Ｌａ１が回折格子１１により回折されることにより１回回折光Ｌｂ１が得られる。反射部材１３ｂは、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。この光Ｌａ２が回折格子１１により回折されることにより１回回折光Ｌｂ２が得られる。
【００２４】
また反射部材１３ａには、１回回折光Ｌｂ１が回折格子１１により回折されることにより生じる２回回折光Ｌｃ１が照射される。反射部材１３ａは、この２回回折光Ｌｃ１を反射して受発光複合ユニット１２に照射する。また反射部材１３ｂには、１回回折光Ｌｂ２が回折格子１１により回折されることにより生じる２回回折光Ｌｃ２が照射される。反射部材１３ｂは、この２回回折光Ｌｃ２を反射して受発光複合ユニット１２に照射する。
【００２５】
ちなみに、この反射部材１３ａにより回折格子１１の格子面１１ａに照射する所定の位置と、反射部材１３ｂにより回折格子１１の格子面１１ａに照射する所定の位置とを近づけても良い。これにより、回折格子１１内の光路長の差を小さくすることができ、スケールの厚みムラ等による誤差を軽減させることができる。
【００２６】
反射光学系１４は、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、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、１回回折光Ｌｂ１の偏光状態を変える１／４波長板ＷＰ１と、１回回折光Ｌｂ２の偏光状態を変える１／４波長板ＷＰ２とを有する。
【００２７】
反射器２６には、１／４波長板ＷＰ１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、該１回回折光Ｌｂ１を垂直に反射する。ちなみに、この反射器２６に照射される１回回折光Ｌｂ１は、１／４波長板ＷＰ１を既に通過しており、またこの反射器２６を反射する１回回折光Ｌｂ１は１／４波長板ＷＰ１を再度通過するため、偏光方向が９０°回転された状態で、再度回折格子１１へ照射されることになる。
【００２８】
反射器２７には、１／４波長板ＷＰ２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、該１回回折光Ｌｂ２を垂直に反射する。ちなみに、この反射器２７に照射される１回回折光Ｌｂ２は、１／４波長板ＷＰ２を既に通過しており、またこの反射器２７を反射する１回回折光Ｌｂ２は１／４波長板ＷＰ２を再度通過するため、偏光方向が９０°回転された状態で、再度回折格子１１へ照射されることになる。
【００２９】
なおこの反射光学系１４は、上述した構成に限定されるものではなく、例えば、反射プリズムを用いて構成しても良い。図３は、反射光学系１４に反射プリズムを用いた変位検出装置１０の構成を示している。この図３において、図１と同一の構成要素、部材については説明を省略する。
【００３０】
反射プリズム３０には、１／４波長板ＷＰ３１が順次積層されている。この反射プリズム３０の反射面３０ａには、１／４波長板ＷＰ３１を通過した１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２が照射される。反射面３０ａは、この１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２が入射経路と同じ経路を逆行するように、当該１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２を垂直に反射する。ちなみに。この反射面３０ａに照射される１回回折光Ｌｂ１,Ｌｂ２は、１／４波長板ＷＰ３１を既に通過しており、またこの反射面３０ａを反射する１回回折光Ｌｂ１,Ｌｂ２は、１／４波長板ＷＰ３１を再度通過するため、偏光方向が９０°回転された状態で、再度回折格子１１へ照射されることになる。
【００３１】
次に、受発光複合ユニット１２の詳細について説明をする。受発光複合ユニット１２は、発光素子や受光素子を収容する収容部材４０と、レンズ部４１と、所定の偏光成分のみを透過させる偏光部４２（４２＿１、４２＿２、４２＿３、４２＿４）と、光の偏光状態を変化させる位相板４３と、回折格子１１に照射する光を分割し或いは回折格子１１を回折することより得られる２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２を分離するための光分岐部４４とを備える。
【００３２】
収容部材４０は、光Ｌａを出射する光源５１と、後述する干渉光を光電変換して干渉信号を生成する受光素子５２（５２＿１、５２＿２、５２＿３、５２＿４）と、光源５１を設置して電気信号を印加し或いは反射面５３ａにより光路制御を行うための半導体基板５３と、受光素子を設置して電気信号を取り出すための半導体基板５４とを有する。
【００３３】
光分岐部４４は、光源５１から出射された光Ｌａを２つの光Ｌａ１、Ｌａ２に分割して出射するとともに、反射部材１３ａ，１３ｂからの２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２を合成させて合成光Ｌｄを生成する偏光分離部５８と、偏光分離部５８から照射される合成光Ｌｄを合成光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４に分割する光分岐膜５９＿１、５９＿２、５９＿３、５９＿４とを有する。
【００３４】
光源５１は、レーザ光等の可干渉光を発光する素子である。なお、この光源５１は、例えば可干渉距離が小さなレーザ光を発光するマルチモードの半導体レーザ等であっても良い。
【００３５】
受光素子５２は、受光面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５２は、受光面に対して照射される各干渉光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４を受光して、その光量に応じた干渉信号を生成する。
【００３６】
受光素子５２により光電変換されて得られた干渉信号は、半導体基板５４を介して図示しない位置検出部により検出される。この図示しない位置検出部は、得られた干渉信号に基づいて位相差を求め、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】
レンズ部４１は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子である。レンズ部４１には、光源５１から出射された光Ｌａが入射される。レンズ部４１は、入射された光Ｌａを所定のビーム径で回折格子１１の格子面１１ａや、反射器２６、２７に結像させる。この第１の実施の形態においては、透過型の回折格子１１を採用しているため、出射する光Ｌａは通常反射器２６、２７に結像させる。このため、格子面１１ａ上において照射されるビーム径を大きくすることができ、ゴミや傷の影響を軽減させることが可能となる。またこのような、外部に出射する光、受光する光のビーム径を共に制御するレンズ部４１を同一パッケージ内に配置することにより、集積度を高めることができ、また作製工程を簡略化でき、装置全体の信頼性を高めることができる。
【００３８】
またレンズ部４１には、偏光部４２から出射された干渉光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４がそれぞれ入射される。レンズ部４１は、入射された各干渉光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４を受光素子５２＿１，５２＿２，５２＿３，５２＿４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、例えば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良い。また、このレンズ部４１は、ビームを収束させる場合のみならず、例えば平行光を出射させたり、或いは発散光を出射するようにしても良い。
【００３９】
ちなみに、レンズ部４１は、入射された光Ｌａの結像と、各干渉光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４の結像を１つのレンズユニットを用いて実現しているが、これに限定されることなく、例えば複数のレンズユニットを用いて実現しても良い。このレンズ部４１を構成するレンズは、入射される複数の光を所望の位置に結像させるため、様々なバリエーションの形状を適用することが可能である。例えば、各受光素子５２の間隔を狭く設定したい場合には、各干渉光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４の間隔を徐々に接近させる必要があるため、図４に示すようにレンズ部４１の形状を、受光素子５２に向かって凸になるように構成する。
【００４０】
また、光源５１と、受光素子５２との距離を短く設定する場合には、図５に示すように、レンズ部４１の形状を光源５１付近に凸になるように構成する。
【００４１】
すなわち、このレンズ部４１は、光源５１や受光素子５２の配置に基づいて、光の結像点を決定することができる。また、回路設計時においても、光源５１や受光素子の配置に自由度を持たせることが可能となり、加えて、レンズ部４１をオプションユニットとすることにより、ICの多様なスペックに対しても臨機応変に対応することができる。
【００４２】
なお、このレンズ部４１は上述した形態に限定されるものでなく、例えば、レンズ部４１と、複合プリズムとを一体化させた構成を適用しても良い。
【００４３】
この複合プリズムは、入射された光Ｌａ、並びに各干渉光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４を屈折させることにより、光路を制御するものである。複合プリズムは、レンズ部４１と相俟って上述した効果を発揮させるものであり、例えばレンズ部４１とを一体成形してモールド部品化しても良い。
【００４４】
偏光部４２＿１、４２＿２、４２＿３、４２＿４は、位相板４３から入射された各合成光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４について所定の偏光成分のみを透過させ、干渉光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４としてレンズ部４１へ出射する。各偏光部４２は４５°間隔（例えば５°、５０°、９５°、１４０°）に配置されていれば足り、偏光部４２の取り付け時の姿勢について制約を受けずに配置することができる。なお、このような偏光部４２を位相板４３とレンズ部４１の間に設けることにより、ユニット全体をコンパクトな構成にすることができる利点もある。
【００４５】
位相板４３は、偏光部４２と、光分岐部４４の間に挟み込まれるように積層される。この位相板４３は、例えば１／４波長板からなり、円偏光と直線偏光間の変換を行う。ちなみにこの位相板４３は、光源５１からレンズ４１ａを介して光Ｌａが入射される。位相板４３は、例えば直線偏光である光Ｌａを円偏光に変換して偏光分離部５８へ照射する。また、この位相板４３は、光分岐膜５９＿１、５９＿２、５９＿３、５９＿４から出射された合成光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４を受けて円偏光に変換し、上述した偏光部４２へ出射する。すなわち、光源５１からの光Ｌａの変換と光分岐膜５９からの光Ｌｄの変換とを１つの位相板４３により共用する構成を採用する。なお受発光複合ユニット１２は、この位相板４３を割愛した構成にも適用可能である。
【００４６】
偏光分離部５８は、例えば偏光ビームスプリッタ等からなり、光源５１から出射された光Ｌａが位相板４３を介して入射される。この偏光分離部５８は、入射された光Ｌａの一部を反射して光Ｌａ１を生成し、入射された光Ｌａの一部を透過して光Ｌａ２を生成する。なおこの偏光分離部５８は、光Ｌａ１,Ｌａ２を、偏光成分が直交するＳ偏光とＰ偏光に分割しても良い。またこの偏光分離部５８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。偏光分離部５８は、２つの２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２を重ね合わせて合成させ、該合成光Ｌｄを光分岐膜５９へ出射する。
【００４７】
光分岐膜５９＿１、５９＿２、５９＿３、５９＿４の各反射率は、夫々１／４，１／３，１／２，１に設定されている（すなわち、光分岐膜５９＿４は全反射面となっている）。このため、入射された合成光Ｌｄをほぼ同一の光量で、合成光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４に分割することが可能となる。
【００４８】
なお受発光複合ユニット１２には、上述した収容部材４０と、レンズ部４１と、偏光部４２と、位相板４３と、光分岐部４４が、同一パッケージ内に配設され独立ユニットとして構成される。またこれらの各部材は、夫々積層されて一体となるように構成されている。
【００４９】
すなわち受発光複合ユニット１２は、各部材をパッケージ化して一体構造とすることにより、精密な位置調整が容易になり、また部品の配置スペースを大きくとる必要がなくなり、変位検出装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。また、各部材を同一の収容部材内に収納することにより、環境変化や経時変化の影響を軽減させることができ、調整時のずれ等を最小限に抑えることができ、ひいては受発光複合ユニット１２全体の信頼性を高めることができる。
【００５０】
次に本発明を適用した第１の実施の形態の変位検出装置１０の動作例について説明をする。
【００５１】
先ず光源５１から出射された光Ｌａは、例えば図４に示すように半導体基板５３の反射面５３ａにより反射されてレンズ部４１へ照射される。光Ｌａは、このレンズ部４１により像変換され、例えば１／４波長板からなる位相板４３へ照射される。
【００５２】
位相板４３へ照射された光Ｌａは、該位相板４３により円偏光に変化させられる。すなわち、位相板４３を介して出射される直線偏光の光Ｌａは、光源５１から出射される光の偏光方向の如何によらず、円偏光に変化させることができる。これにより、光源５１から出射される光の偏光成分を従来技術の如く、光源５１から出射する光の偏光成分を偏光分離部５８に対してほぼ４５°にすることなく、自由に選択することも可能となる。
【００５３】
位相板４３を出射された光Ｌａは、偏光分離部５８により例えばＳ偏光とＰ偏光の光Ｌａ１、Ｌａ２に分離され、反射部材１３ａ，１３ｂを介して、回折格子１１へ入射させる。ちなみにこの回折格子１１における光Ｌａ１の入射角をθa、光Ｌａ２の入射角をθb、また１回回折光Ｌｂ１の回折角をθa´、１回回折光Ｌｂ２の回折角をθb´としたとき、以下の式（１１）、（１２）が成立する。
ｓｉｎθa＋ｓｉｎθa´＝ｍλ／ｄ （１１）
ｓｉｎθb＋ｓｉｎθb´＝ｍλ／ｄ （１２）
ｄ：回折格子のピッチ
λ：光の波長
ｍ：回折次数
１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２はそれぞれ反射器２６、２７を垂直に反射する。このとき、１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２は、１／４波長板ＷＰ１、ＷＰ２を２回通過するため、偏光方向は夫々９０°回転させられる。このため、元々Ｓ偏光であった１回回折光Ｌｂ１はＰ偏光に変換され、また元々Ｐ偏光であった１回回折光Ｌｂ２は、Ｓ偏光に変換される。
【００５４】
次に、反射器２６、２７を夫々反射した１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２は、再度回折格子１１により回折されて２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２となり、同一の光路を経て再度偏光分離部５８へ到達する。偏光分離部５８では、このＰ偏光である２回回折光Ｌｃ１と、Ｓ偏光である２回回折光Ｌｃ２とを重ね合わせて合成光Ｌｄを生成する。
【００５５】
合成光Ｌｄは光分岐膜５９＿１、５９＿２、５９＿３、５９＿４を介してＬｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４に分割される。この分割された合成光Ｌｄ１,Ｌｄ２,Ｌｄ３,Ｌｄ４は、夫々位相板４３に照射される。このとき２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２は、互いに逆周りの円偏光になる。この合成光Ｌｄを特定の偏光成分のみ透過する偏光板を通じて受光すると、この合成光Ｌｄについて、重ね合わせた２つの２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２の振幅をＡ１、Ａ２とし、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とし、またＫ＝２π／ｄ（ｄは格子ピッチ）として、１回目、２回目の回折で夫々１次の回折光を利用した場合は、特定の偏光成分を取り出すと以下の（１３）式のような干渉信号Ｉが得られる。
Ｉ＝Ａ１^２＋Ａ２^２＋２・Ａ１・Ａ２ｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋δ） （１３）
この干渉信号Ｉは、回折格子１１が格子ベクトル方向へｄ／４移動することにより１周期分変化する。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。
【００５６】
この位相板４３を出射した各合成光Ｌｄ１、Ｌｄ２、Ｌｄ３、Ｌｄ４は、夫々偏光部４２により、所定の偏光成分のみ透過させられる。各偏光部４２は、夫々４５°間隔になるように設定されているが、本例では偏光部４２＿１は０°の偏光方向のみ透過させるようにし、また偏光部４２＿２は４５°の偏光方向のみ透過させるようにし、また偏光部４２＿３は、９０°の偏光方向のみ透過させるようにし、さらに偏光部４２＿４は、１３５°の偏光方向のみ透過させるようにする。このとき各偏光部４２を透過した干渉光Ｌｄ１、Ｌｄ２、Ｌｄ３、Ｌｄ４の強度は、夫々以下の式（２１）〜（２４）で表される。
Ｂ＋Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋δ） （２１）
Ｂ＋Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋９０°＋δ） （２２）
Ｂ＋Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋１８０°＋δ） （２３）
Ｂ＋Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋２７０°＋δ） （２４）
Ｂ＝１／４（Ａ１^２＋Ａ２^２）
Ａ＝１／２・Ａ１・Ａ２
式（２１）は、偏光部４２＿１を透過した干渉光Ｌｄ１の強度を表した式であり、式（２２）は、偏光部４２＿２を透過した干渉光Ｌｄ２の強度を表した式であり、式（２３）は、偏光部４２＿３を透過した干渉光Ｌｄ３の強度を表した式であり、式（２４）は、偏光部４２＿４を透過した干渉光Ｌｄ４の強度を表した式である。これらの式で表される干渉光Ｌｄ１は、レンズ４１部を介して、受光素子５２＿１，５２＿２，５２＿３，５２＿４に結像される。すなわち各受光素子５２は、上述の式で表される干渉光Ｌｄを光電変換して干渉信号を生成することとなる。
【００５７】
式（２１）と式（２３）とを減算すると、干渉信号の直流成分を除去することができる。また式（２２）と式（２４）とを減算すると、干渉信号の直流成分を除去することができる。また減算された信号は、互いに位相が９０°異なるため、回折格子に移動方向を検知するための信号を得ることができる。
【００５８】
次に本発明を適用した第２の実施の形態の変位検出装置について説明する。第１の実施の形態における変位検出装置１０と同一の構成要素、部材については同一の番号を付して説明を引用し、本実施の形態における説明を省略する。
【００５９】
本発明の第２の実施の形態における変位検出装置７０は、図６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反射型の回折格子７１と、発光素子により発光された光を２つの光Ｌａ１，Ｌａ２に分離して出射し、回折格子７１により回折された２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を互いに干渉させて干渉信号を検出する受発光複合ユニット１２と、受発光複合ユニット１２から出射された２つの光Ｌａ１,Ｌａ２を回折格子７１に照射するとともに、回折格子７１からの２つの２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２を受発光複合ユニット１２へ導く反射部材７３ａ、７３ｂと、回折格子７１からの２つの１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２を反射して再度回折格子７１に照射する反射光学系７４とを備えている。
【００６０】
回折格子７１は、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７１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し、該回折格子７１を反射する。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。
【００６１】
なお、本発明では回折格子の種類は限定されず、上述したように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良い。
【００６２】
反射部材７３ａは、光Ｌａ１を反射して回折格子７１の格子面７１ａの所定の位置に照射する。この光Ｌａ１が回折格子７１により回折されることにより１回回折光Ｌｂ１が得られる。反射部材７３ｂは、光Ｌａ２を反射して、回折格子７１の格子面７１ａの所定の位置に照射する。この光Ｌａ２が回折格子７１により回折されることにより１回回折光Ｌｂ２が得られる。
【００６３】
また反射部材７３ａには、１回回折光Ｌｂ１が回折格子７１により回折されることにより生じる２回回折光Ｌｃ１が照射される。反射部材７３ａは、この２回回折光Ｌｃ１を反射して受発光複合ユニット１２に照射する。また反射部材７３ｂには、１回回折光Ｌｂ２が回折格子７１により回折されることにより生じる２回回折光Ｌｃ２が照射される。反射部材７３ｂは、この２回回折光Ｌｃ２を反射して受発光複合ユニット１２に照射する。
【００６４】
ちなみに、この反射部材７３ａにより回折格子７１の格子面７１ａに照射する所定の位置と、反射部材７３ｂにより回折格子７１の格子面７１ａに照射する所定の位置とが、同一位置になるように結像させる。このときビーム径は、格子面７１ａ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。またこの結像点は、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格子面７１ａ上に位置するようにしても良い。
【００６５】
反射光学系７４は、１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子７１に照射する反射器７６と、１回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子７１に照射する反射器７７と、１回回折光Ｌｂ１の偏光状態を変える１／４波長板ＷＰ７１と、１回回折光Ｌｂ２の偏光状態を変える１／４波長板ＷＰ７２とを有する。
【００６６】
反射器７６には、１／４波長板ＷＰ７１を通過した１回回折光Ｌｂ１が照射される。反射器７６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、該１回回折光Ｌｂ１を垂直に反射する。ちなみに、この反射器７６に照射される１回回折光Ｌｂ１は、１／４波長板ＷＰ７１を既に通過しており、またこの反射器７６を反射する１回回折光Ｌｂ１は１／４波長板ＷＰ７１を再度通過するため、偏光方向が９０°回転された状態で、再度回折格子７１へ照射されることになる。
【００６７】
反射器７７には、１／４波長板ＷＰ７２を通過した１回回折光Ｌｂ２が照射される。反射器７７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、該１回回折光Ｌｂ２を垂直に反射する。
【００６８】
反射器７７には、１／４波長板ＷＰ７２を通過した１回回折光Ｌｂ２が照射される。反射器７７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、該１回回折光Ｌｂ２を垂直に反射する。ちなみに、この反射器７７に照射される１回回折光Ｌｂ２は、１／４波長板ＷＰ７２を既に通過しており、またこの反射器７７を反射する１回回折光Ｌｂ２は１／４波長板ＷＰ７２を再度通過するため、偏光方向が９０°回転された状態で、再度回折格子７１へ照射されることになる。
【００６９】
この第２の実施の形態における受発光複合ユニット１２の詳細と、第２の実施の形態における動作例は、第１の実施の形態の説明を引用する。
【００７０】
すなわち、反射型の回折格子７１を用いる第２の実施の形態に係る変位検出装置７０は、受発光複合ユニット１２における各部材をパッケージ化して一体構造とすることにより、精密な位置調整が容易になり、また部品の配置スペースを大きくとる必要がなくなり、変位検出装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。また各部材を同一の収容部材内に収納することにより、環境変化や経時変化の影響を軽減させることができ、調整時のずれ等を最小限に抑えることができ、ひいては受発光複合ユニット１２全体の信頼性を高めることができる。
【００７１】
また、第２の実施の形態においても、光源５１からの光Ｌａの変換と光分岐膜５９からの光Ｌｄの変換とを１つの位相板４３により共用する構成を採用するため、寸法管理や容易となり更なる製造コストの削減を図ることが可能となる。さらにレンズユニットのデテクタ側出射面を平面でなくすることにより、デテクタと全体の形状を自由に設計できるようになる。
【００７２】
以上、本発明を適用した第１〜第２の実施の形態の変位検出装置を説明した。各実施の形態の変位検出装置では、格子が所定の間隔で平行に設けられた回折格子１１、７１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。例えばロータリエンコーダ等、放射状の格子が設けられた回折格子を用いて角度検出を行うようにしても良い。
【００７３】
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定されるものではない。
【００７４】
また、各実施の形態の変位検出装置では、回折格子１１,７１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、回折格子１１,７１と、変位検出装置とが相対的に移動すれば良いことは勿論である。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る変位検出装置及び受発光複合ユニットは、各部材をパッケージ化して一体構造とすることにより、精密な位置調整が容易になり、また部品の配置スペースを大きくとる必要がなくなり、変位検出装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。また、各部材を同一の収容部材内に収納することにより、環境変化や経時変化の影響を軽減させることができ、調整時のずれ等を最小限に抑えることができ、ひいては変位検出装置及び受発光複合ユニット全体の信頼性を高めることができる。
【００７６】
また、本発明に係る変位検出装置及び受発光複合ユニットは、光源から出射する光Ｌａや、光分岐部から出射される光をそれぞれ所定の結像点まで導くレンズ部を有する。このレンズ部を有する変位検出装置及び受発光複合ユニットは、光源や受光素子の配置に基づいて、光の結像点を決定することができる。また回路設計時においても、光源や受光素子の配置に自由度を持たせることが可能となり、加えてレンズ部をオプションユニットとすることにより、ＩＣの多様なスペックに対しても臨機応変に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る変位検出装置の構成を説明するための図である。
【図２】変位検出に用いる回折格子の斜視図である。
【図３】反射光学系に反射プリズムを用いる場合について説明するための図である。
【図４】受発光複合ユニットの構成図である。
【図５】受発光複合ユニットの他の構成図である。
【図６】反射型の回折格子を用いる変位検出装置について説明するための図である。
【図７】従来の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図８】従来の光学式変位測定装置の側面図である。
【図９】従来の他の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図１０】従来の他の光学式変位測定装置の側面図である。
【符号の説明】
１０ 変位検出装置、１１ 回折格子、１２ 受発光複合ユニット、１３ 反射部材、１４ 反射光学系、２６,２７ 反射器、ＷＰ１,ＷＰ２ １／４波長板、４０ 収容部材、４１ レンズ部、４２ 偏光部、４３ 位相板、４４ 光分岐部、５１ 光源、５２ 受光素子、５３,５４ 半導体基板、５８ 偏光分離部、５９ 光分岐膜

Claims (11)

1. 光を出射する光源と、
   上記光源から出射された光を、互いに偏光成分が異なる２つの光に分離して外部光学系へ出射し、当該外部光学系から反射される上記２つの光を合成して合成光を生成する偏光ビームスプリッタと、
   上記偏光ビームスプリッタにより生成された合成光を複数に分割する光分割手段と、
   上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、
   上記偏光手段を透過した複数の干渉光を夫々所定の位置へ導くレンズ部と、
   上記レンズ部により導かれた複数の干渉光を夫々光電変換して干渉信号を生成する受光手段とを備え、
   上記レンズ部、上記偏光手段、及び上記光分割手段を順次積層させて構成することを特徴とする受発光複合ユニット。
2. 上記レンズ部は、さらに上記光源と上記偏光ビームスプリッタの間に配され、上記光源から出射された光の伝搬方向を変化させること
   を特徴とする請求項１記載の受発光複合ユニット。
3. 上記レンズ部は、上記偏光手段を透過した上記複数の干渉光を結像させること
   を特徴とする請求項１記載の受発光複合ユニット。
4. 上記レンズ部は、上記受光手段に向かって凸になるように構成されていること
   を特徴とする請求項１記載の受発光複合ユニット。
5. 上記レンズ部は、上記光源と上記受光手段との距離が、上記偏光ビームスプリッタと上記光分割手段との距離より短くなるように、上記干渉光を導くこと
   を特徴とする請求項１記載の受発光複合ユニット。
6. 回折格子が配された被検査物について格子ベクトル方向の変位を干渉信号に基づいて検出する変位検出装置において、
   光を出射する光源と、
   上記光源から出射された光を互いに偏光成分が異なる２つの光に分離して出射する偏光ビームスプリッタと、
   上記ビームスプリッタから出射された２つの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の回折光を夫々反射する反射手段と、
   上記反射手段により反射された上記第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の回折光を合成させて合成光を生成し、当該合成光を複数に分割する光分割手段と、
   上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、
   上記偏光手段を透過した複数の干渉光を夫々所定の位置へ導くレンズ部と、
   上記レンズ部により導かれた複数の干渉光を夫々光電変換して上記干渉信号を生成する受光手段とを備え、
   上記レンズ部、上記偏光手段、及び上記光分割手段を順次積層させて構成することを特徴とする変位検出装置。
7. 上記レンズ部は、さらに上記光源と上記偏光ビームスプリッタの間に配され、上記光源から出射された光の伝搬方向を変化させること
   を特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
8. 上記レンズ部は、上記偏光手段を透過した上記複数の干渉光を結像させる複数のレンズユニットからなること
   を特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
9. 上記レンズ部は、複合プリズムを含む一体的なモールド部品により構成されること
   を特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
10. 上記光源と、上記偏光ビームスプリッタと、上記反射手段と、上記光分割手段と、上記偏光手段と、上記レンズ部と、上記受光手段は、同一パッケージ内に配設され独立ユニットとして構成されること
    を特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
11. 上記回折格子は、透過型或いは反射型の回折格子であること
    を特徴とする請求項６記載の変位検出装置。

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