JP4722474B2 - 変位検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、変位検出装置に関する。例えば、レーザー干渉式の変位検出装置に関する。
従来、レーザー干渉式の変位検出装置が知られている（例えば、特許文献１）。
従来のレーザー干渉式変位検出装置２００は、図１１に示されるように、スケール２１０と、このスケール２１０の測長方向に沿って相対移動可能であるとともにスケール２１０に対する変位を検出する検出ヘッド部２２０と、を備えている。
スケール２１０は、測長方向である長手方向に沿って反射型の回折格子２１１を有する。
検出ヘッド部２２０は、発光受光部２３０と、光学デバイスユニット部２６０と、を備えている。
従来のレーザー干渉式変位検出装置２００は、図１１に示されるように、スケール２１０と、このスケール２１０の測長方向に沿って相対移動可能であるとともにスケール２１０に対する変位を検出する検出ヘッド部２２０と、を備えている。
スケール２１０は、測長方向である長手方向に沿って反射型の回折格子２１１を有する。
検出ヘッド部２２０は、発光受光部２３０と、光学デバイスユニット部２６０と、を備えている。
発光受光部２３０は、レーザー光（Ｌ３１）を発射する光源２４０と、スケール２１０で反射回折されてきた光の干渉光を受光する受光部２５０と、を備える。
光学デバイスユニット部２６０は、光源２４０からの光（Ｌ３１）を分波するビームスプリッタ２７０と、ビームスプリッタ２７０で分波された一方の光（Ｌ３２）をスケール２１０に向けて反射（Ｌ３４）する第１ミラー２８１と、ビームスプリッタ２７０で分波された他方の光（Ｌ３３）をスケール２１０に向けて反射（Ｌ３５）する第２ミラー２８２と、スケール２１０からの一方の反射回折光（Ｌ３６）をスケール２１０に向けて再帰反射（Ｌ３８）する第１コーナーキューブ２９１と、スケール２１０からの他方の反射回折光（Ｌ３７）をスケール２１０に向けて再帰反射（Ｌ３９）する第２コーナーキューブ２９２と、を備えている。
光学デバイスユニット部２６０は、光源２４０からの光（Ｌ３１）を分波するビームスプリッタ２７０と、ビームスプリッタ２７０で分波された一方の光（Ｌ３２）をスケール２１０に向けて反射（Ｌ３４）する第１ミラー２８１と、ビームスプリッタ２７０で分波された他方の光（Ｌ３３）をスケール２１０に向けて反射（Ｌ３５）する第２ミラー２８２と、スケール２１０からの一方の反射回折光（Ｌ３６）をスケール２１０に向けて再帰反射（Ｌ３８）する第１コーナーキューブ２９１と、スケール２１０からの他方の反射回折光（Ｌ３７）をスケール２１０に向けて再帰反射（Ｌ３９）する第２コーナーキューブ２９２と、を備えている。
以後の説明のため、スケール２１０の測長方向をｘ軸方向とし、回折格子溝方向をｙ軸方向とし、スケール２１０の法線方向をｚ方向とする（図１２参照）。
ここで、変位検出装置２００をコンパクトに構成するために、スケール２１０の測長方向に沿った中心線（ｘ軸）を挟んで、片側に発光受光部２３０、第１ミラー２８１および第２ミラー２８２が配置され、反対側に第１および第２コーナーキューブ２９１、２９２が配置される。
すなわち、第１ミラー２８１および第２ミラー２８２を介してスケール２１０に入射される光が回折格子溝に対して斜めの方向から入射することになるいわゆる円錐回折の構成がとられる。
すなわち、第１ミラー２８１および第２ミラー２８２を介してスケール２１０に入射される光が回折格子溝に対して斜めの方向から入射することになるいわゆる円錐回折の構成がとられる。
この構成において、光源２４０から発射された光Ｌ３１は、ビームスプリッタ２７０で分波された後（図１１中のＬ３２、Ｌ３３）、第１および第２ミラー２８１、２８２で反射されて（図１１中のＬ３４、Ｌ３５）、スケール２１０に入射して反射回折される。スケール２１０からの反射回折光（図１１中のＬ３６、Ｌ３７）は、第１および第２コーナーキューブ２９１、２９２により再帰反射されて（図１１中のＬ３８、Ｌ３９）、スケール２１０にて再び反射回折される（Ｌ４０、Ｌ４１）。この反射回折光Ｌ４０、Ｌ４１は、第１および第２ミラー２８１、２８２で反射されて（Ｌ４２、Ｌ４３）ビームスプリッタ２７０で合波されて、受光部２５０で受光される。
受光部２５０から出力される受光信号が所定の信号処理されることにより、スケール２１０と検出ヘッド部２２０との相対変位量が検出される。
このように、スケール２１０からの反射回折光を再帰反射させることで光学４逓倍干渉信号を得ることができ、検出分解能が高くなる。
受光部２５０から出力される受光信号が所定の信号処理されることにより、スケール２１０と検出ヘッド部２２０との相対変位量が検出される。
このように、スケール２１０からの反射回折光を再帰反射させることで光学４逓倍干渉信号を得ることができ、検出分解能が高くなる。
しかしながら、前述の構成では、スケール２１０に入射する光（Ｌ３４、Ｌ３５）が回折格子溝方向に対して斜め方向から入射され、回折光（Ｌ３６、Ｌ３７）が回折格子溝方向に対して斜め方向に射出されるいわゆる円錐回折の構成となっている。
ここで、一般に円錐回折の条件は次の式で表される。
ここで、一般に円錐回折の条件は次の式で表される。
ここで、λは光の波長（例えば６３５ｎｍ）、ｍは回折次数であり、Ｐは格子ピッチである。また、入射光（Ｌ３４）をｘｚ面に投影したときの法線からの角度α、回折光（Ｌ３６）をｘｚ面に投影したときの法線からの角度β、入射光（Ｌ３４）がｘｚ面に対してなす角（円錐角）εについては、図１２を参照。
上式より、スケール２１０が垂直軸（ｚ軸）まわりに揺動（ヨーイング）したり、ｘ軸まわりに揺動（ローリング）したりするなどにより、スケール２１０と検出ヘッド部２２０との相対姿勢が変動した場合には、入射角αおよび円錐角εが変動するので、回折角βが変動する。
図１３は、変位検出装置２００の構成の一部とともに、スケール２１０が揺動した場合における光路を表した図である。
図１３に示されるように、第２反射ミラー２８２からの入射光Ｌ３５が回折されて生じる回折光Ｌ３７の回折角βがずれると、光の光路がずれてきてしまう。すると、再帰光学光路長（Ｌ３７＋Ｌ３９）が変動することにより、位置情報のずれが生じる。また、再帰回折光がビームスプリッタに入射する位置のずれ（Ｌ４３がビームスプリッタ２７０に入射する位置のずれ）により、干渉信号が弱くなり、検出精度が低下するなどの問題が生じる。
図１３は、変位検出装置２００の構成の一部とともに、スケール２１０が揺動した場合における光路を表した図である。
図１３に示されるように、第２反射ミラー２８２からの入射光Ｌ３５が回折されて生じる回折光Ｌ３７の回折角βがずれると、光の光路がずれてきてしまう。すると、再帰光学光路長（Ｌ３７＋Ｌ３９）が変動することにより、位置情報のずれが生じる。また、再帰回折光がビームスプリッタに入射する位置のずれ（Ｌ４３がビームスプリッタ２７０に入射する位置のずれ）により、干渉信号が弱くなり、検出精度が低下するなどの問題が生じる。
本発明の目的は、スケールと検出ヘッド部との相対姿勢変動に対してロバスト性を有し、高分解能で、かつ、安定した変位検出が可能な変位検出装置を提供することにある。
本発明の変位検出装置は、回折格子を有するスケールと、前記スケールに対して相対移動可能に設けられ前記スケールに向けて可干渉光を発射するとともに前記スケールからの回折光を受光する検出ヘッド部と、を具備し、前記検出ヘッド部は、可干渉光を発射する光源と、前記光源からの光を二光束に分波する分波手段と、前記分波手段からの二光束のそれぞれに対して設けられ、前記分波手段からの光束を反射して前記スケールに入射光として入射させる光学素子と、前記スケールに入射した二光束が前記回折格子で回折されて生じる回折光のそれぞれに設けられ、前記回折光を再帰反射して前記スケールに再帰光として入射させる再帰反射手段と、を備え、前記入射光および前記再帰光は回折格子溝に対して垂直な方向から入射され、かつ、前記入射光と前記スケールの法線ベクトルとのなす角は、前記再帰光と前記スケールの法線ベクトルとのなす角よりも大きいことを特徴とする。
この構成において、検出ヘッド部からスケールに向けて可干渉光が発射される。この光がスケールの回折格子で回折されて生じた回折光が検出ヘッド部で受光され、受光信号からスケールと検出ヘッド部との相対変位が検出される。
このとき、光源から発せられた光が分波手段で二光束に分波され、これら二光束のそれぞれがスケールの回折格子で回折される。すると、各回折光が再帰反射手段によってスケールに再帰光として再帰される。再帰光がスケールにて再び回折され、再帰光が回折格子で回折されて生じた光が合波されて、干渉光が検出ヘッド部にて受光される。これにより、光学的４逓倍の干渉信号が受光され、スケールと検出ヘッド部との相対変位が高分解能で検出される。
このとき、光源から発せられた光が分波手段で二光束に分波され、これら二光束のそれぞれがスケールの回折格子で回折される。すると、各回折光が再帰反射手段によってスケールに再帰光として再帰される。再帰光がスケールにて再び回折され、再帰光が回折格子で回折されて生じた光が合波されて、干渉光が検出ヘッド部にて受光される。これにより、光学的４逓倍の干渉信号が受光され、スケールと検出ヘッド部との相対変位が高分解能で検出される。
ここで、入射光と再帰光とを回折格子溝に対して垂直な方向からスケールに入射させるので、例えば円錐回折の場合に比べて、スケールの揺動による回折光の出射方向の変動を小さくすることができる。その結果、スケールの揺動に伴う二光束の光路長変動が少なくなるので、例えばスケールの揺動に対して検出精度を安定させることができる。
さらに、スケールの揺動による回折光の出射方向の変動が小さくなれば、二つの干渉光を精度よく合波させることができるので、干渉光の信号効率を確保でき、検出精度を保つことができる。
入射光と再帰光とを回折格子溝に対して垂直な方向から入射させると、円錐回折の場合に比べて回折効率を高くすることができる。すると、受光できる干渉光の光量が多くなるので、検出精度を向上させることができる。
さらに、スケールの揺動による回折光の出射方向の変動が小さくなれば、二つの干渉光を精度よく合波させることができるので、干渉光の信号効率を確保でき、検出精度を保つことができる。
入射光と再帰光とを回折格子溝に対して垂直な方向から入射させると、円錐回折の場合に比べて回折効率を高くすることができる。すると、受光できる干渉光の光量が多くなるので、検出精度を向上させることができる。
また、入射光の入射角（入射光とスケールの法線ベクトルとがなす角）の方が、再帰光の入射角より大きくなるようにし、入射光の入射角を大きくとるので、スケールの揺動による回折角変動を小さくすることができる（詳細については後述する）。すなわち、スケールの揺動に伴う二光束の光路長変動が少なくなるので、スケールの揺動に対して検出精度を安定させることができる。
このように、スケールの揺動などスケールと検出ヘッド部との相対姿勢の変動に対して回折光の出射方向変動を抑えることにより検出精度が安定し、スケールと検出ヘッドとの相対変位を正確に検出できる変位検出装置とすることができる。
このように、スケールの揺動などスケールと検出ヘッド部との相対姿勢の変動に対して回折光の出射方向変動を抑えることにより検出精度が安定し、スケールと検出ヘッドとの相対変位を正確に検出できる変位検出装置とすることができる。
なお、スケールの回折格子は、透過型の回折格子でも反射型の回折格子であってもよい。
本発明では、前記スケールは、反射型の回折格子を有し、前記光学素子および前記再帰反射手段は、前記回折格子溝に垂直な面内に配置され、前記光学素子は前記再帰反射手段よりも前記スケールの側に配設されていることが好ましい。
このような構成において、反射型の回折格子であるので、スケールの反射面側に光学素子も再帰反射手段も配置しなければならないところ、光学素子をスケール側に配置し、再帰反射手段をスケールから離間する側に配設することにより、光学素子および再帰反射手段をともに互いに障害となることなくスケールの反射面側に配置することができる。
光学素子がスケール側に配置されることにより、入射光の入射角を自ずと大きくすることができ、その結果、スケールの揺動による回折角変動を小さくすることができる。すると、スケールの揺動に伴う二光束の光路長変動が少なくなるので、スケールの揺動に対して検出精度を安定させることができる。
光学素子および再帰反射手段が回折格子溝に垂直な面内に配置されることにより、光学素子と再帰反射手段とが同一面内に配置されることになるので、検出ヘッド部の幅を狭くでき、例えばスケールの幅内に収めることができる。その結果、変位検出装置を薄型でコンパクトな構成とすることができる。
光学素子がスケール側に配置されることにより、入射光の入射角を自ずと大きくすることができ、その結果、スケールの揺動による回折角変動を小さくすることができる。すると、スケールの揺動に伴う二光束の光路長変動が少なくなるので、スケールの揺動に対して検出精度を安定させることができる。
光学素子および再帰反射手段が回折格子溝に垂直な面内に配置されることにより、光学素子と再帰反射手段とが同一面内に配置されることになるので、検出ヘッド部の幅を狭くでき、例えばスケールの幅内に収めることができる。その結果、変位検出装置を薄型でコンパクトな構成とすることができる。
ここで、光学素子が再帰反射手段よりもスケールの側に配置されているとは、スケールから光学素子までの距離が、スケールから再帰反射手段までの距離よりも短いことをいう。
なお、構成上可能な限り、再帰光の光路長は短い方がいいので、再帰反射手段をできる限りスケールに近づけるようにしてもよく、この場合には、再帰反射手段が反射ミラーよりもスケールに近くなることになってももちろんよい。ただし、スケールの揺動等による回折角変動を抑えるために入射光の入射角を大きくとる都合上、光学素子をスケール側に配置すれば、レイアウトが容易である。
なお、構成上可能な限り、再帰光の光路長は短い方がいいので、再帰反射手段をできる限りスケールに近づけるようにしてもよく、この場合には、再帰反射手段が反射ミラーよりもスケールに近くなることになってももちろんよい。ただし、スケールの揺動等による回折角変動を抑えるために入射光の入射角を大きくとる都合上、光学素子をスケール側に配置すれば、レイアウトが容易である。
本発明では、前記分波手段は、偏光ビームスプリッタであってこの偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して４５度の偏光である入射光の一部を透過させかつ一部を反射させて互いに直交する偏光方向を有する二光束に分波し、前記検出ヘッド部は、前記光源から発射されて前記偏光ビームスプリッタにて反射された光の偏光方向を回転させた状態で前記反射型回折格子に入射させるとともにこの入射光が前記反射型回折格子にて反射回折された光の偏光方向を再度回転させて前記偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して略直角の偏光にする位相差板を備え、前記反射型の回折格子は、偏光方向を維持した状態で入射光を反射回折する偏光特性を有する金属薄膜で形成されていることが好ましい。
この構成において、光源からの光が偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して４５度偏光で偏光ビームスプリッタに入射する。
すると、偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して平行な偏光方向の光（以下、Ｐ波という）と、偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して直交する偏光方向の光（以下、Ｓ波という）に分波される。
分波された光のうちＳ波は位相差板によってその偏光方向が回転されて例えばＰ波となる。
そして、分波された二光束が反射型回折格子に入射して反射回折されるところ、反射型回折格子は偏光特性を有する金属膜で形成されているので、偏光方向を維持した状態で反射回折され、すなわち二光束はＰ波の状態で反射回折される。
反射型回折格子にて反射回折された光のうち一方はそのままＰ波で偏光ビームスプリッタに入射し、他方は位相差板にて偏光方向が回転され、偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して直角の偏光となって偏光ビームスプリッタに入射する。
すると、一方はそのまま偏光ビームスプリッタを透過し、他方は偏光ビームスプリッタで反射されるので、二つの光束は同じ方向へ進行することになる。
このように偏光ビームスプリッタで分波されて反射型回折格子で反射回折された二光束がすべて最終的に同じ方向に進行することとなるので、光の利用効率がよく、干渉光の受光強度を高められるので、検出精度を最大限に高めることができる。
すると、偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して平行な偏光方向の光（以下、Ｐ波という）と、偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して直交する偏光方向の光（以下、Ｓ波という）に分波される。
分波された光のうちＳ波は位相差板によってその偏光方向が回転されて例えばＰ波となる。
そして、分波された二光束が反射型回折格子に入射して反射回折されるところ、反射型回折格子は偏光特性を有する金属膜で形成されているので、偏光方向を維持した状態で反射回折され、すなわち二光束はＰ波の状態で反射回折される。
反射型回折格子にて反射回折された光のうち一方はそのままＰ波で偏光ビームスプリッタに入射し、他方は位相差板にて偏光方向が回転され、偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して直角の偏光となって偏光ビームスプリッタに入射する。
すると、一方はそのまま偏光ビームスプリッタを透過し、他方は偏光ビームスプリッタで反射されるので、二つの光束は同じ方向へ進行することになる。
このように偏光ビームスプリッタで分波されて反射型回折格子で反射回折された二光束がすべて最終的に同じ方向に進行することとなるので、光の利用効率がよく、干渉光の受光強度を高められるので、検出精度を最大限に高めることができる。
ここで、前記反射型回折格子を形成する金属薄膜としては、例えば、アルミ、クロム、金などが例として挙げられる。
本発明では、前記検出ヘッド部は、前記反射型回折格子の反射面側に前記入射光に対してブルースター角に配置されたガラス部材を備えていることが好ましい。
この構成では、反射型回折格子の反射面側に入射光に対してブルースター角に配置されたガラス部材を備えているので、このガラス部材がブルースター窓として機能するので、反射型回折格子に入射する光の偏向方向を高精度に揃えることができる。
以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の変位検出装置に係る第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の変位検出装置に係る第１実施形態の構成を示す図である。
変位検出装置１００は、スケール１１０と、検出ヘッド部１２０と、を備える。
スケール１１０は、水平に配設されており、測長方向となる長手方向に沿ってスライド移動可能に設けられている。ここで、説明の都合上、スケール１１０の長手方向（測長方向）をｘ軸とし、スケール１１０の法線方向をｚ軸とし、スケール１１０の短手方向（図１の紙面に垂直方向）をｙ軸とする。
（第１実施形態）
本発明の変位検出装置に係る第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の変位検出装置に係る第１実施形態の構成を示す図である。
変位検出装置１００は、スケール１１０と、検出ヘッド部１２０と、を備える。
スケール１１０は、水平に配設されており、測長方向となる長手方向に沿ってスライド移動可能に設けられている。ここで、説明の都合上、スケール１１０の長手方向（測長方向）をｘ軸とし、スケール１１０の法線方向をｚ軸とし、スケール１１０の短手方向（図１の紙面に垂直方向）をｙ軸とする。
スケール１１０において検出ヘッド部１２０に対向する面には、長手方向（ｘ軸方向）に沿って反射型の回折格子１１１が設けられている。
回折格子１１１の表面には偏光特性を有する金属薄膜が蒸着されており、入射光の偏光方向をそのまま維持した状態で光を反射回折する。なお、このような金属薄膜としては、アルミニウム、クロム、金の薄膜が例として挙げられる。
回折格子１１１のピッチＰは、ブラッグの回折条件を満たす格子周期であり、使用する光の波長が可視域から近赤外域であれば、格子ピッチＰは０．４μｍ〜１．０μｍとすることが例として挙げられる。そして、このようにブラッグの回折条件を満たす回折格子１１１は、ｘｚ面内に振動方向を有する偏光（以下、Ｐ波と称する）に対して高い回折効率を示す。
回折格子１１１の表面には偏光特性を有する金属薄膜が蒸着されており、入射光の偏光方向をそのまま維持した状態で光を反射回折する。なお、このような金属薄膜としては、アルミニウム、クロム、金の薄膜が例として挙げられる。
回折格子１１１のピッチＰは、ブラッグの回折条件を満たす格子周期であり、使用する光の波長が可視域から近赤外域であれば、格子ピッチＰは０．４μｍ〜１．０μｍとすることが例として挙げられる。そして、このようにブラッグの回折条件を満たす回折格子１１１は、ｘｚ面内に振動方向を有する偏光（以下、Ｐ波と称する）に対して高い回折効率を示す。
検出ヘッド部１２０は、発光受光部１３０と、光学デバイスユニット部１６０と、を備える。
発光受光部１３０は、光学デバイスユニット部１６０を介してスケール１１０に向けてレーザー光（可干渉光）Ｌ１を発射する光源部１４０と、スケール１１０の回折格子１１１で回折されて光学デバイスユニット部１６０を介して合波された光Ｌ１５を受光する受光部１５０と、を備える。
光源部１４０は、レーザーダイオードである光源１４１およびレンズ１４２によって構成され、光源部１４０の光発射方向はスケール１１０の測長方向と平行（すなわち水平方向）であり、光源部１４０からの光（Ｌ１）は４５度偏光である。
レーザー光源１４１からの光（Ｌ１）は、可視域から近赤外域の可干渉光とし、例えば赤色レーザー光（波長６５０ｎｍ近傍）とすることが例として挙げられる。
発光受光部１３０は、光学デバイスユニット部１６０を介してスケール１１０に向けてレーザー光（可干渉光）Ｌ１を発射する光源部１４０と、スケール１１０の回折格子１１１で回折されて光学デバイスユニット部１６０を介して合波された光Ｌ１５を受光する受光部１５０と、を備える。
光源部１４０は、レーザーダイオードである光源１４１およびレンズ１４２によって構成され、光源部１４０の光発射方向はスケール１１０の測長方向と平行（すなわち水平方向）であり、光源部１４０からの光（Ｌ１）は４５度偏光である。
レーザー光源１４１からの光（Ｌ１）は、可視域から近赤外域の可干渉光とし、例えば赤色レーザー光（波長６５０ｎｍ近傍）とすることが例として挙げられる。
受光部１５０は、回折格子１１１で回折されたのち光学デバイスユニット部１６０で合波された光（Ｌ１５）を四光波（Ｌ１９〜Ｌ２２）に分波する分波部１５１と、分波された４つの光（Ｌ１９〜Ｌ２２）を受光する四つのフォトダイオード１５６Ａ〜１５６Ｄと、を備えている。
分波部１５１は、光学デバイスユニット部１６０で合波された光（Ｌ１５）を二光束（Ｌ１７、Ｌ１８）に分波する無偏光ビームスプリッタ１５２と、無偏光ビームスプリッタ１５２からの一方の光（Ｌ１７）をさらに二光束（Ｌ１９、Ｌ２０）に分波する偏光ビームスプリッタ１５３と、無偏光ビームスプリッタ１５２からの他方の光（Ｌ１８）を二光束（Ｌ２１、Ｌ２２）に分波する偏光ビームスプリッタ１５４と、無偏光ビームスプリッタ１５２と偏光ビームスプリッタ１５４との間に配置された位相差板１５５と、を備えている。
この位相差板１５５は、無偏光ビームスプリッタ１５２で分波された二光束（Ｌ１７、Ｌ１８）に９０°位相差をつけるものである。
そして、フォトダイオードとしては、偏光ビームスプリッタ１５３で分波された一方の光（Ｌ１９）を受光するフォトダイオード１５６Ａと、偏光ビームスプリッタ１５３で分波された他方の光（Ｌ２０）を受光するフォトダイオード１５６Ｂと、偏光ビームスプリッタ１５４で分波された一方の光（Ｌ２１）を受光するフォトダイオード１５６Ｃと、偏光ビームスプリッタ１５４で分波された他方の光（Ｌ２２）を受光するフォトダイオード１５６Ｄと、を備える。
そして、フォトダイオードとしては、偏光ビームスプリッタ１５３で分波された一方の光（Ｌ１９）を受光するフォトダイオード１５６Ａと、偏光ビームスプリッタ１５３で分波された他方の光（Ｌ２０）を受光するフォトダイオード１５６Ｂと、偏光ビームスプリッタ１５４で分波された一方の光（Ｌ２１）を受光するフォトダイオード１５６Ｃと、偏光ビームスプリッタ１５４で分波された他方の光（Ｌ２２）を受光するフォトダイオード１５６Ｄと、を備える。
光学デバイスユニット部１６０は、発光受光部１３０とスケール１１０との間に配置され、発光受光部１３０に対してはその位置が固定的であり、発光受光部１３０と一体的にスケール１１０に対して相対移動する。
光学デバイスユニット部１６０は、導波ミラー１６１と、偏光ビームスプリッタ（分波手段）１７０と、二枚の位相板１７５Ａ、１７５Ｂと、反射ミラー部１８０と、再帰反射部１９０と、カバーガラス１６２と、１／２波長板１６３と、を備えている。
全体の配置として、導波ミラー１６１、ビームスプリッタ１７０、反射ミラー部１８０および再帰反射部１９０は、スケール１１０の長手方向に沿った垂直面（ｘｚ面）内に配置されている。
光学デバイスユニット部１６０は、導波ミラー１６１と、偏光ビームスプリッタ（分波手段）１７０と、二枚の位相板１７５Ａ、１７５Ｂと、反射ミラー部１８０と、再帰反射部１９０と、カバーガラス１６２と、１／２波長板１６３と、を備えている。
全体の配置として、導波ミラー１６１、ビームスプリッタ１７０、反射ミラー部１８０および再帰反射部１９０は、スケール１１０の長手方向に沿った垂直面（ｘｚ面）内に配置されている。
導波ミラー１６１は、三角柱状のプリズムであり、光源部１４０から水平に発射された光（Ｌ１）を斜め４５°下方に向けて反射（Ｌ２）するとともにスケール１１０からの反射回折光（Ｌ１５）を反射して受光部１５０に導く。
偏光ビームスプリッタ１７０は、Ｐ波のみを透過させて、光源部１４０からのレーザー光（Ｌ１）を二光束（Ｌ３、Ｌ４）に分波する。光源部１４０からのレーザー光（Ｌ１）は４５度偏光で偏光ビームスプリッタ１７０に入射するところ、偏光ビームスプリッタ１７０にて反射されるＳ波（−ｘ方向への光Ｌ３）と、ビームスプリッタ１７０を透過するＰ波（＋ｘ方向への光Ｌ４）と、に分波される。
偏光ビームスプリッタ１７０は、Ｐ波のみを透過させて、光源部１４０からのレーザー光（Ｌ１）を二光束（Ｌ３、Ｌ４）に分波する。光源部１４０からのレーザー光（Ｌ１）は４５度偏光で偏光ビームスプリッタ１７０に入射するところ、偏光ビームスプリッタ１７０にて反射されるＳ波（−ｘ方向への光Ｌ３）と、ビームスプリッタ１７０を透過するＰ波（＋ｘ方向への光Ｌ４）と、に分波される。
二枚の位相板としては、1/2波長板１７５Ａと、1/2波長板１７５Ａと同じ屈折率を有し二光束の光路長を一致させるための透明媒体１７５Ｂと、が設けられ、1/2波長板１７５Ａは、偏光ビームスプリッタ１７０で反射されたＳ波を回転させてＰ波（Ｌ３）とし、また、スケール１１０からの反射回折光（Ｐ波）Ｌ１３を回転させてＳ波とする。
反射ミラー部１８０は、偏光ビームスプリッタ１７０で分波された一方の光（−ｘ方向への光Ｌ３）をスケール１１０に向けて反射（Ｌ５）する第１ミラー（光学素子）１８１と、偏光ビームスプリッタ１７０で分波された他方の光（＋ｘ方向への光Ｌ４）をスケール１１０に向けて反射（Ｌ６）する第２ミラー（光学素子）１８２と、を備える。
第１ミラー１８１および第２ミラー１８２にて反射された光（Ｌ５、Ｌ６）は、スケール１１０上の同一点に入射する。ただし、図１中では説明の都合上、多少ずらして描いている。
また、本実施形態においては、例えば波長λと格子周期Ｐとがλ≒１．５９Ｐを満たす条件の下で第１ミラー１８１および第２ミラー１８２で反射された光（Ｌ５、Ｌ６）がスケール１１０に入射する入射角αが６２度になるように第１ミラー１８１および第２ミラー１８２の配置角度を調整している。
第１ミラー１８１および第２ミラー１８２にて反射された光（Ｌ５、Ｌ６）は、スケール１１０上の同一点に入射する。ただし、図１中では説明の都合上、多少ずらして描いている。
また、本実施形態においては、例えば波長λと格子周期Ｐとがλ≒１．５９Ｐを満たす条件の下で第１ミラー１８１および第２ミラー１８２で反射された光（Ｌ５、Ｌ６）がスケール１１０に入射する入射角αが６２度になるように第１ミラー１８１および第２ミラー１８２の配置角度を調整している。
再帰反射部１９０は、第１ミラー１８１からの入射光（Ｌ５）がスケール１１０で反射回折された回折光（Ｌ７）を再帰反射（Ｌ９）する第１コーナーキューブ（再帰反射手段）１９１と、第２ミラー１８２からの入射光（Ｌ６）がスケール１１０で反射回折された回折光（Ｌ８）を再帰反射（Ｌ１０）する第２コーナーキューブ（再帰反射手段）１９２と、を備える。
第１コーナーキューブ１９１および第２コーナーキューブ１９２は、第１ミラー１８１および第２ミラー１８２よりもスケール１１０から離間した位置であって、かつ、偏光ビームスプリッタ１７０と第１ミラー１８１、第２ミラー１８２のそれぞれとを結ぶ線よりもスケール１１０から離間した位置に配置されている。
第１コーナーキューブ１９１および第２コーナーキューブ１９２は、第１ミラー１８１および第２ミラー１８２よりもスケール１１０から離間した位置であって、かつ、偏光ビームスプリッタ１７０と第１ミラー１８１、第２ミラー１８２のそれぞれとを結ぶ線よりもスケール１１０から離間した位置に配置されている。
第１ミラー１８１および第２ミラー１８２からスケール１１０に入射した入射光（Ｌ５、Ｌ６）が回折格子１１１で回折されて生じる回折光のうち、−１次の回折光（Ｌ７、Ｌ８）を再帰反射（Ｌ９、Ｌ１０）するように第１コーナーキューブ１９１および第２コーナーキューブ１９２が配置されている。
また、第１コーナーキューブ１９１および第２コーナーキューブ１９２の内面には、偏光特性を有する金属の膜、例えば、銀、アルミニウム等の金属膜が蒸着されており、第１、第２コーナーキューブ１９１、１９２からの再帰反射光の偏光方向は入射光の偏光方向と一致する。
また、第１コーナーキューブ１９１および第２コーナーキューブ１９２の内面には、偏光特性を有する金属の膜、例えば、銀、アルミニウム等の金属膜が蒸着されており、第１、第２コーナーキューブ１９１、１９２からの再帰反射光の偏光方向は入射光の偏光方向と一致する。
なお、本実施形態では、−１次の回折光（Ｌ７、Ｌ８）が出射される角度は４５°であり、すなわち、第１コーナーキューブ１９１および第２コーナーキューブ１９２から再帰される再帰光（Ｌ９、Ｌ１０）の入射角βは４５度である。つまり、第１および第２反射ミラー１８１、１８２からスケール１１０に入射する光（Ｌ５、Ｌ６）の入射角αの方が第１および第２コーナーキューブ１９１、１９２からスケール１１０に再帰する光（Ｌ９、Ｌ１０）の角度βよりも大きくとられている。
ここで、図２は第１実施形態の一部の斜視図であって、図２に示されるように、コーナーキューブ（１９１、１９２）によって光（Ｌ９）が再帰されるとき、再帰光（Ｌ９）の光路は、−１次の回折光（Ｌ７）に対してスケール１１０の短手方向（ｙ方向）にシフトされる。なお、図２中では、説明の都合上、カバーガラスも省略している。
カバーガラス１６２は、入射光（Ｌ５、Ｌ６）に対してブルースター角に配置されており、ブルースター窓として機能する。
１／２波長板１６３は、偏光ビームスプリッタ１７０を通過して導波ミラー１６１で反射された光の偏光方向を４５度回転させて受光部１５０に光（Ｌ１６）を入射させる。
１／２波長板１６３は、偏光ビームスプリッタ１７０を通過して導波ミラー１６１で反射された光の偏光方向を４５度回転させて受光部１５０に光（Ｌ１６）を入射させる。
このような構成において、光源部１４０から発射された光が受光部１５０で受光されるまでの光路について簡単に説明する。
光源部１４０から発射されたレーザー光Ｌ１は、導波ミラー１６１で反射（Ｌ２）されたのち、偏光ビームスプリッタ１７０で分波され（Ｌ３、Ｌ４）、第１ミラー１８１および第２ミラー１８２で反射されてスケール１１０に入射される（Ｌ５、Ｌ６）。
ここで、光源部１４０から発射される光（Ｌ１）は４５度の偏光で導波ミラー１６１に入射し、導波ミラー１６１からの反射光（Ｌ２）が偏光ビームスプリッタ１７０で分波されるとき、Ｐ波（Ｌ４）が透過し、Ｓ波が反射される。さらに、このＳ波は1/2波長板１７５ＡによってＰ波（Ｌ３）となる。そして、カバーガラス１６２はＰ波だけを透過させるので、偏光ビームスプリッタ１７０からの二光波（Ｌ３、Ｌ４）がフィルタリングされて、Ｐ波のみがスケール１１０に照射される。
光源部１４０から発射されたレーザー光Ｌ１は、導波ミラー１６１で反射（Ｌ２）されたのち、偏光ビームスプリッタ１７０で分波され（Ｌ３、Ｌ４）、第１ミラー１８１および第２ミラー１８２で反射されてスケール１１０に入射される（Ｌ５、Ｌ６）。
ここで、光源部１４０から発射される光（Ｌ１）は４５度の偏光で導波ミラー１６１に入射し、導波ミラー１６１からの反射光（Ｌ２）が偏光ビームスプリッタ１７０で分波されるとき、Ｐ波（Ｌ４）が透過し、Ｓ波が反射される。さらに、このＳ波は1/2波長板１７５ＡによってＰ波（Ｌ３）となる。そして、カバーガラス１６２はＰ波だけを透過させるので、偏光ビームスプリッタ１７０からの二光波（Ｌ３、Ｌ４）がフィルタリングされて、Ｐ波のみがスケール１１０に照射される。
この入射光（Ｌ５、Ｌ６）がスケール１１０で反射回折されて生じる−１次の回折光（Ｌ７、Ｌ８）が第１および第２コーナーキューブ１９１、１９２により再帰反射されてスケール１１０に再度入射する（Ｌ９、Ｌ１０）。この再帰光（Ｌ９、Ｌ１０）がスケール１１０で反射回折された光（Ｌ１１、Ｌ１２）が、第１および第２ミラー１８１、１８２で反射（Ｌ１３、Ｌ１４）されて偏光ビームスプリッタ１７０で合波される。
ここで、スケール１１０の回折格子１１１には偏光特性を有する金属薄膜（例えば、アルミニウム薄膜）が蒸着されており、第１および第２コーナーキューブ１９１、１９２の内面には偏光特性を有する金属膜（例えば、銀）が蒸着されているので、スケール１１０およびコーナーキューブ１９１、１９２での反射では光の偏光方向は変化せずに保たれ、スケール１１０に入射する二光波（Ｌ５、Ｌ６）がＰ波ならば、偏光ビームスプリッタに戻る光（Ｌ１３、Ｌ１４）もＰ波のままである。
また、反射ミラー１８１、１８２で反射されて偏光ビームスプリッタ１７０へ向かう光（Ｌ１３、Ｌ１４）のうち一方（Ｌ１３）は1/2波長板１７５Ａによって偏光方向が回転されてＰ波からＳ波になるので、偏光ビームスプリッタ１７０で総て反射されることになり、他方の光（Ｌ１４）は、透明媒体１７５Ｂを介して光路長の調整は受けるが偏光方向は変化せずにＰ波のまま偏光ビームスプリッタ１７０に入射してそのまま偏光ビームスプリッタ１７０を透過する。すなわち、スケール１１０で反射回折された二光束は偏光ビームスプリッタ１７０で合波されて総て同じ方向に進行する光（Ｌ１５）となる。
また、反射ミラー１８１、１８２で反射されて偏光ビームスプリッタ１７０へ向かう光（Ｌ１３、Ｌ１４）のうち一方（Ｌ１３）は1/2波長板１７５Ａによって偏光方向が回転されてＰ波からＳ波になるので、偏光ビームスプリッタ１７０で総て反射されることになり、他方の光（Ｌ１４）は、透明媒体１７５Ｂを介して光路長の調整は受けるが偏光方向は変化せずにＰ波のまま偏光ビームスプリッタ１７０に入射してそのまま偏光ビームスプリッタ１７０を透過する。すなわち、スケール１１０で反射回折された二光束は偏光ビームスプリッタ１７０で合波されて総て同じ方向に進行する光（Ｌ１５）となる。
偏光ビームスプリッタ１７０で合波された光（Ｌ１５）は、一方がＳ波であり他方がＰ波であるところ、導波ミラー１６１で反射され、さらに１／２波長板１６３にて偏光方向が回転されることで二光束の振動方向がそれぞれ４５回転されて45度偏光と135度偏光とからなる光（Ｌ１６）になって受光部１５０に入射する。
受光部１５０では、導波ミラー１６１からの光束（Ｌ１６）がまず無偏光ビームスプリッタ１５２で分波される（Ｌ１７、Ｌ１８）。分波された光のうち一方（Ｌ１７）は偏光ビームスプリッタ１５３によってさらに分波される（Ｌ１９、Ｌ２０）。このとき、導波ミラー１６１から受光部１５０に入射する光束は４５度偏光と135度偏光とが合波された光であるので、偏光ビームスプリッタ１５３で透過光（Ｌ１９）と反射光（Ｌ２０）とに分波されるときに互いに干渉して透過光（Ｌ１９）と反射光（Ｌ２０）とでは180度の位相差を有する光となる。
この180度位相差の二光束がそれぞれフォトダイオード１５６Ａ，１５６Ｂで受光されるので、例えば、フォトダイオード１５６Ａで正弦信号（Ｓｉｎ）が得られるとすると、フォトダイオード１５６Ｂではマイナスの正弦信号（-Ｓｉｎ）が得られる。
この180度位相差の二光束がそれぞれフォトダイオード１５６Ａ，１５６Ｂで受光されるので、例えば、フォトダイオード１５６Ａで正弦信号（Ｓｉｎ）が得られるとすると、フォトダイオード１５６Ｂではマイナスの正弦信号（-Ｓｉｎ）が得られる。
また、無偏光ビームスプリッタ１５２で分波された他方の光（Ｌ１８）は、位相差板（1/2波長板）１５５で振動方向が90度回転されたのち偏光ビームスプリッタ１５４で分波されて（Ｌ２１、Ｌ２２）、それぞれの光束がフォトダイオード１５６Ｃ、１５６Ｄで受光される。そして、偏光ビームスプリッタ１５４で透過光（Ｌ２１）と反射光（Ｌ２２）とに分波されるときに互いに干渉して透過光と反射光とでは180度の位相差を有し、フォトダイオード１５６Ｃで余弦信号（Ｃｏｓ）が得られるとすると、フォトダイオード１５６Ｄではマイナスの余弦信号（-Ｃｏｓ）が得られる。
そして、フォトダイオード１５６Ａとフォトダイオード１５６Ｂとからの信号が差動増幅され、フォトダイオード１５６Ｃとフォトダイオード１５６Ｄとからの信号が差動増幅され、これら差動増幅された二つの信号からリサージュ図形が描かれる。このリサージュ図形の変化からスケール１１０と検出ヘッド部１２０との相対変位量が検出される。
次に、このような構成による作用について説明する。
第１および第２ミラー１８１、１８２で反射されてスケール１１０に入射する入射光（Ｌ５、Ｌ６）の入射角αを６２°として、−１次回折光（Ｌ７、Ｌ８）の回折角（４５°）よりも大きくしているので、スケール１１０の揺動による回折角変動が小さくなる。
また、スケール１１０への入射光（Ｌ５、Ｌ６）の入射角αを６２°としているので、回折格子１１１による回折において十分な回折強度をもった回折光（Ｌ７、Ｌ８）を得ることができる。
第１および第２ミラー１８１、１８２で反射されてスケール１１０に入射する入射光（Ｌ５、Ｌ６）の入射角αを６２°として、−１次回折光（Ｌ７、Ｌ８）の回折角（４５°）よりも大きくしているので、スケール１１０の揺動による回折角変動が小さくなる。
また、スケール１１０への入射光（Ｌ５、Ｌ６）の入射角αを６２°としているので、回折格子１１１による回折において十分な回折強度をもった回折光（Ｌ７、Ｌ８）を得ることができる。
これらの点について、図３、図４を参照して説明する。
図３は、スケール１１０への入射角（α）を横軸にとり、ある入射角（α）で光を入射させる状態でスケールが揺動（揺動角２′）した場合の回折角変動量（Δθdiff）を縦軸にとった図である。
図３より、入射角を大きくとれば、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動が小さくなることがわかる。
例えば、図１中において、スケール１１０が正規の姿勢にあるときの入射光Ｌ６からの回折光をＬ８とし、スケール１１０が揺動したときの回折光をＬ８’とすると、入射角αを大きくとることによってＬ８とＬ８’とのずれを小さくすることができる。なお、図１中では、説明の都合上、Ｌ８’を大きくずらして表現している。
図３は、スケール１１０への入射角（α）を横軸にとり、ある入射角（α）で光を入射させる状態でスケールが揺動（揺動角２′）した場合の回折角変動量（Δθdiff）を縦軸にとった図である。
図３より、入射角を大きくとれば、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動が小さくなることがわかる。
例えば、図１中において、スケール１１０が正規の姿勢にあるときの入射光Ｌ６からの回折光をＬ８とし、スケール１１０が揺動したときの回折光をＬ８’とすると、入射角αを大きくとることによってＬ８とＬ８’とのずれを小さくすることができる。なお、図１中では、説明の都合上、Ｌ８’を大きくずらして表現している。
また、図４は、スケール１１０への入射角（α）を横軸にとり、ある入射角における回折効率を縦軸にとった図である。
図４より、入射角が４５°から７０°の範囲であれば十分な回折効率であるので、強い回折光が得られるが、入射光が７０°を超えてくると、回折効率が小さくなるので回折光が弱くなることがわかる。
これら図３および図４のデータより、入射角が７０°前後であれば、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動を抑え、かつ、十分に強い回折光が得られることがわかる。この点、本実施形態では、入射角αを６２°としているので、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動が十分に小さくなり、かつ、回折光の回折強度は十分に大きくなる。
図４より、入射角が４５°から７０°の範囲であれば十分な回折効率であるので、強い回折光が得られるが、入射光が７０°を超えてくると、回折効率が小さくなるので回折光が弱くなることがわかる。
これら図３および図４のデータより、入射角が７０°前後であれば、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動を抑え、かつ、十分に強い回折光が得られることがわかる。この点、本実施形態では、入射角αを６２°としているので、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動が十分に小さくなり、かつ、回折光の回折強度は十分に大きくなる。
このように、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動が小さくなる結果、スケール１１０の揺動が多少あった場合でも、＋ｘ方向の光路長と−ｘ方向の光路長とのずれが小さくなる。すなわち、スケール１１０の多少の揺動だけでは干渉光が変化しないので、スケール１１０と検出ヘッド部１２０との相対変位が高精度に検出される。
また、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動が小さくなる結果、ビームスプリッタ１７０における回折光の合波が精密に行われ、十分な強度の干渉光が受光部１５０で受光される。すると、スケール１１０の揺動があった場合でも干渉光による受光信号のレベルが保たれるので、高精度な解析が可能になり、検出精度が維持される。
そして、回折格子１１１での回折光の回折効率が十分に高いので、干渉光による受光信号レベルが高くなり、検出精度が向上される。
また、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動が小さくなる結果、ビームスプリッタ１７０における回折光の合波が精密に行われ、十分な強度の干渉光が受光部１５０で受光される。すると、スケール１１０の揺動があった場合でも干渉光による受光信号のレベルが保たれるので、高精度な解析が可能になり、検出精度が維持される。
そして、回折格子１１１での回折光の回折効率が十分に高いので、干渉光による受光信号レベルが高くなり、検出精度が向上される。
このような変位検出装置によれば、次の効果を奏することができる。
（１）反射ミラー１８１、１８２がスケール１１０側に配置されることにより、入射光Ｌ５、Ｌ６の入射角αを自ずと大きくすることができ、その結果、スケール１１０の揺動による回折角変動を小さくすることができる。すなわち、スケール１１０の揺動に伴う光路長変動が少なくなるので、スケール１１０の揺動に対して検出精度を安定させることができる。
（１）反射ミラー１８１、１８２がスケール１１０側に配置されることにより、入射光Ｌ５、Ｌ６の入射角αを自ずと大きくすることができ、その結果、スケール１１０の揺動による回折角変動を小さくすることができる。すなわち、スケール１１０の揺動に伴う光路長変動が少なくなるので、スケール１１０の揺動に対して検出精度を安定させることができる。
（２）反射ミラー１８１、１８２およびコーナーキューブ１９１、１９２が回折格子溝に垂直な面内に配置されることにより、反射ミラー１８１、とコーナーキューブ１９１、１９２とが同一面内に配置されることになるので、検出ヘッド部１２０の幅を狭くして、例えばスケール１１０の幅内に収めることができる。すると、変位検出装置１００を薄型でコンパクトな構成とすることができる。
（３）1/2波長板１７５Ａ、回折格子１１１の金属薄膜およびコーナーキューブ１９１、１９２の金属膜によって光の振動方向が適切にコントロールされているので、スケール１１０で反射回折された二光束が偏光ビームスプリッタ１７０で合波される際には光束が総て同じ方向に進行する。その結果、光量損失がほとんどないので、フォトダイオード１５６Ａ〜１５６Ｄにおける受光光量を最大限に多くして、検出精度を向上させることができる。また、光量損失が無いのでその分だけレーザー光源１４１の出力を低減させることができ、その結果、消費電力の削減を図ることができる。また、ブルースター窓として機能するカバーガラス１６２が設けられているので、スケール１１０に入射する光の偏光方向を揃えることができ、その結果、検出精度を向上させることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の変位検出装置に係る第２実施形態について、図５、６を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態と同様であるが、光の偏光方向のコントロールに多少の違いがあるので、この点を中心に説明する。
次に、本発明の変位検出装置に係る第２実施形態について、図５、６を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態と同様であるが、光の偏光方向のコントロールに多少の違いがあるので、この点を中心に説明する。
図５は第２実施形態の側面図である。
図５において、光源部１４０からは斜め４５度で直接に偏光ビームスプリッタ１７０に向けて45度偏光が発射されている。
そして、偏光ビームスプリッタ１７０と反射ミラー部１８０（第１反射ミラー１８１および第２反射ミラー１８２）との間に1/2波長板１７５Ｃ、１７５Ｄが配置されている。
図５において、光源部１４０からは斜め４５度で直接に偏光ビームスプリッタ１７０に向けて45度偏光が発射されている。
そして、偏光ビームスプリッタ１７０と反射ミラー部１８０（第１反射ミラー１８１および第２反射ミラー１８２）との間に1/2波長板１７５Ｃ、１７５Ｄが配置されている。
ここで、偏光ビームスプリッタ１７０と1/2波長板１７５Ｃ、１７５Ｄとの配置関係を図６の斜視図に示す。
1/2波長板１７５Ｃは、光源部１４０からの光が偏光ビームスプリッタ１７０で分波されて生成される二光波のうちの偏光ビームスプリッタ１７０で反射されたＳ波について、その振動方向を９０度回転させてＰ波として射出させる。ただし、1/2波長板１７５Ｃの幅（奥行き長さ）は短く形成されており、スケール１１０からの反射回折光は1/2波長板１７５Ｃを通過しない。
1/2波長板１７５Ｃは、光源部１４０からの光が偏光ビームスプリッタ１７０で分波されて生成される二光波のうちの偏光ビームスプリッタ１７０で反射されたＳ波について、その振動方向を９０度回転させてＰ波として射出させる。ただし、1/2波長板１７５Ｃの幅（奥行き長さ）は短く形成されており、スケール１１０からの反射回折光は1/2波長板１７５Ｃを通過しない。
また、光源部１４０からの光が偏光ビームスプリッタ１７０で分波されて生成される二光波のうちの偏光ビームスプリッタ１７０を透過したＰ波は、1/2波長板１７５Ｄを通らずに射出されていくが、スケール１１０で反射回折されて戻ってくる経路では1/2波長板１７５Ｄを通ってＳ波となる。
また、図５において、偏光ビームスプリッタ１７０と受光部１５０との間には1/2波長板１７６が挿入されている。
受光部１５０は、偏光ビームスプリッタ１７０で合波された光を二光波に分波する偏光ビームスプリッタ１５３と、偏光ビームスプリッタ１５３で分波されたそれぞれの光を受光して受光信号を出力するフォトダイオード１５６Ｅ、１５６Ｆと、を備えている。
偏光ビームスプリッタ１５３とフォトダイオード１５６Ｅとの間には偏光板１５７Ａが配設され、偏光ビームスプリッタ１５３とフォトダイオード１５６Ｆとの間には1/2波長板１５７Ｂおよび偏光板１５７Ｃが配設されている。
受光部１５０は、偏光ビームスプリッタ１７０で合波された光を二光波に分波する偏光ビームスプリッタ１５３と、偏光ビームスプリッタ１５３で分波されたそれぞれの光を受光して受光信号を出力するフォトダイオード１５６Ｅ、１５６Ｆと、を備えている。
偏光ビームスプリッタ１５３とフォトダイオード１５６Ｅとの間には偏光板１５７Ａが配設され、偏光ビームスプリッタ１５３とフォトダイオード１５６Ｆとの間には1/2波長板１５７Ｂおよび偏光板１５７Ｃが配設されている。
このような構成において、光源部１４０から４５度偏光が射出され、この光は偏光ビームスプリッタ１７０により透過光であるＰ波と反射光であるＳ波とに分波され、さらに、反射光であるＳ波については1/2波長板１７５Ｃによって偏光方向が回転されてＰ波となる。
二つのＰ波が、反射ミラー１８１、１８２、スケール１１０およびコーナーキューブ１９１、１９２で反射あるいは反射回折される点は、上記第１実施形態と同様である。
二つのＰ波が、反射ミラー１８１、１８２、スケール１１０およびコーナーキューブ１９１、１９２で反射あるいは反射回折される点は、上記第１実施形態と同様である。
反射ミラー１８１、１８２から偏光ビームスプリッタ１７０に戻る光のうち、一方は、1/2波長板１７５Ｃを通らずにＰ波のまま偏光ビームスプリッタ１７０を透過し、他方は、1/2波長板１７５Ｄでその偏光方向が回転されてＳ波となり偏光ビームスプリッタ１７０で反射される（図６参照）。
すなわち、反射ミラー１８１、１８２から戻る二光束は、偏光ビームスプリッタ１７０によって進行方向が同じになる。
そして、偏光ビームスプリッタ１７０からの光はＰ波とＳ波とであるところ、1/2波長板１７６によって回転され、45度偏光と135度偏光とが受光部１５０に入射する。
すなわち、反射ミラー１８１、１８２から戻る二光束は、偏光ビームスプリッタ１７０によって進行方向が同じになる。
そして、偏光ビームスプリッタ１７０からの光はＰ波とＳ波とであるところ、1/2波長板１７６によって回転され、45度偏光と135度偏光とが受光部１５０に入射する。
受光部１５０において、まず、偏光ビームスプリッタ１５３によって入射光が分波される際に、45度偏光と135度偏光とが干渉して透過光と反射光とで180度位相差の二光束に分波される。
そして、偏光ビームスプリッタ１５３からの反射光は偏光板１５７Ａを介してフォトダイオード１５６Ｅで受光され、偏光ビームスプリッタ１５３からの透過光は1/2波長板１５７Ｂおよび偏光板１５７Ｃを介してフォトダイオード１５６Ｆで受光される。このとき、フォトダイオード１５６Ｅとフォトダイオード１５６Ｆとでは90度位相差の光を受光することになり、フォトダイオード１５６Ｅでは、正弦（サイン）の受光信号が得られるとすると、フォトダイオード１５６Ｆでは余弦（コサイン）の受光信号が得られる。そして、所定の信号解析部において、フォトダイオード１５６Ｅおよび１５６Ｆからの受光信号からリサージュ図形を生成し、リサージュ図形の変化からスケール１１０と検出ヘッド部１２０との相対変位量が検出される。
そして、偏光ビームスプリッタ１５３からの反射光は偏光板１５７Ａを介してフォトダイオード１５６Ｅで受光され、偏光ビームスプリッタ１５３からの透過光は1/2波長板１５７Ｂおよび偏光板１５７Ｃを介してフォトダイオード１５６Ｆで受光される。このとき、フォトダイオード１５６Ｅとフォトダイオード１５６Ｆとでは90度位相差の光を受光することになり、フォトダイオード１５６Ｅでは、正弦（サイン）の受光信号が得られるとすると、フォトダイオード１５６Ｆでは余弦（コサイン）の受光信号が得られる。そして、所定の信号解析部において、フォトダイオード１５６Ｅおよび１５６Ｆからの受光信号からリサージュ図形を生成し、リサージュ図形の変化からスケール１１０と検出ヘッド部１２０との相対変位量が検出される。
このような第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
ここで、図５に示される第２実施形態では、受光部１５０としては90度位相差の二相信号を得る構成であるが、たとえば、図７に示されるように４相信号を得るようにしてもよい。なお、図７に示される受光部１５０の構成は、ミラー１５８を備える点を除いては第１実施形態の受光部１５０と基本的に同様である。
ここで、図５に示される第２実施形態では、受光部１５０としては90度位相差の二相信号を得る構成であるが、たとえば、図７に示されるように４相信号を得るようにしてもよい。なお、図７に示される受光部１５０の構成は、ミラー１５８を備える点を除いては第１実施形態の受光部１５０と基本的に同様である。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８を参照して説明する。
第３実施形態の基本的構成は第２実施形態と同様であるが、ビームスプリッタを無偏光ビームスプリッタ１７１とする点に違いがある。
図８において、光源部１４０からは、斜め４５度で直接に無偏光ビームスプリッタ１７１にＰ波（Ｌ２３）が発射されている。
そして、無偏光ビームスプリッタ１７１と反射ミラー（第１反射ミラー１８１および第２反射ミラー１８２）との間に二枚の位相差板（１７５Ｅ、１７５Ｆ）が設けられている。
次に、本発明の第３実施形態について図８を参照して説明する。
第３実施形態の基本的構成は第２実施形態と同様であるが、ビームスプリッタを無偏光ビームスプリッタ１７１とする点に違いがある。
図８において、光源部１４０からは、斜め４５度で直接に無偏光ビームスプリッタ１７１にＰ波（Ｌ２３）が発射されている。
そして、無偏光ビームスプリッタ１７１と反射ミラー（第１反射ミラー１８１および第２反射ミラー１８２）との間に二枚の位相差板（１７５Ｅ、１７５Ｆ）が設けられている。
位相差板としては、1/2波長板１７５Ｅと、1/2波長板１７５Ｅと同じ屈折率を有し二光束の光路長を一致させるための透明媒体１７５Ｆと、が設けられている。
ここで、無偏光ビームスプリッタ１７１と位相差板１７５Ｅ、１７５Ｆとの配置関係を図９の斜視図に示す。
光源部１４０から無偏光ビームスプリッタ１７１に入射した光（Ｌ２３）は二光束に分波（Ｌ２４、Ｌ２５）されるところ、無偏光ビームスプリッタ１７１からの二光束（Ｌ２４、Ｌ２５）はどちらも1/2波長板１７５Ｅ、１７５Ｆを通過しないで射出されて、反射ミラー１８１、１８２およびスケール１１０に向かう。
ここで、無偏光ビームスプリッタ１７１と位相差板１７５Ｅ、１７５Ｆとの配置関係を図９の斜視図に示す。
光源部１４０から無偏光ビームスプリッタ１７１に入射した光（Ｌ２３）は二光束に分波（Ｌ２４、Ｌ２５）されるところ、無偏光ビームスプリッタ１７１からの二光束（Ｌ２４、Ｌ２５）はどちらも1/2波長板１７５Ｅ、１７５Ｆを通過しないで射出されて、反射ミラー１８１、１８２およびスケール１１０に向かう。
反射ミラー１８１、１８２から無偏光ビームスプリッタ１７１に戻ってくる二光束（Ｌ３４、Ｌ３５）のうち一方（Ｌ３４）は、1/2波長板１７５Ｅで回転されてＳ波とされる。なお、反射ミラー１８１、１８２から無偏光ビームスプリッタ１７１に戻ってくる二光束（Ｌ３４、Ｌ３５）のうち他方（Ｌ３５）が透明媒体１７５Ｆを透過することにより、二光束の光路長が等しくなるように調整される。
無偏光ビームスプリッタ１７１と受光部１５０との間には1/2波長板１７６が配設されている。
なお、受光部１５０の構成については、第１実施形態あるいは第２実施形態の受光部１５０と同様の構成であればよい。
なお、受光部１５０の構成については、第１実施形態あるいは第２実施形態の受光部１５０と同様の構成であればよい。
この構成において、光源部１４０からの光（Ｌ２３）はＰ波であって無偏光ビームスプリッタ１７１で二光束（Ｌ２４、Ｌ２５）に分割されるので、無偏光ビームスプリッタ１７１からはＰ波である二光波が射出される。そして、二つのＰ波（Ｌ２４、Ｌ２５）が、反射ミラー１８１、１８２、スケール１１０、コーナーキューブ１９１、１９２で反射あるいは反射回折される点は、第１実施形態と同様である。
反射ミラー１８１、１８２から無偏光ビームスプリッタ１７１に戻る光（Ｌ３４、Ｌ３５）のうち、一方（Ｌ３４）は1/2波長板１７５Ｅによって９０度回転されてＳ波となる。
反射ミラー１８１、１８２から無偏光ビームスプリッタ１７１に戻る光（Ｌ３４、Ｌ３５）のうち、一方（Ｌ３４）は1/2波長板１７５Ｅによって９０度回転されてＳ波となる。
無偏光ビームスプリッタ１７１に戻るＰ波およびＳ波はそれぞれ無偏光ビームスプリッタ１７１により分波される。無偏光ビームスプリッタ１７１で分波されて得られる二光波の一方（Ｌ３６）が1/2波長板１７６を通って４５度偏光および１３５度偏光となって受光部１５０に入射する。受光部１５０における光の受光は第１実施形態あるいは第２実施形態で説明したのと同様であり、光を受光して得られる信号からスケール１１０と検出ヘッド部１２０との相対変位量が検出される。
このような第３実施形態によっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
このような第３実施形態によっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
（変形例１）
次に、本発明の変位検出装置に係る変形例１について図１０を参照して説明する。
変形例１の基本的構成は第３実施形態と同様であるが、変形例１は、コーナーキューブ（再帰反射手段）をスケール１１０により近づけて配置する点に特徴を有する。
図１０において、コーナーキューブ１９１、１９２は、第１実施形態〜第３実施形態に比べて、スケール１１０に近づけて配設されている。具体的には、コーナーキューブ１９１、１９２は、ビームスプリッタ１７１と反射ミラー部１８０（第１反射ミラー１８１、第２反射ミラー１８２）とを結ぶラインよりもスケール１１０側に配置されている。
このように、コーナーキューブ１９１、１９２をスケール１１０に近づけて配置することにより、光路長を短くすることができる。すると、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動がわずかにあったとしても二光束の光路長差が少なくなる。その結果、スケール１１０の揺動等があっても、スケール１１０と検出ヘッド部１２０との相対変位量を高精度に検出することができる。
次に、本発明の変位検出装置に係る変形例１について図１０を参照して説明する。
変形例１の基本的構成は第３実施形態と同様であるが、変形例１は、コーナーキューブ（再帰反射手段）をスケール１１０により近づけて配置する点に特徴を有する。
図１０において、コーナーキューブ１９１、１９２は、第１実施形態〜第３実施形態に比べて、スケール１１０に近づけて配設されている。具体的には、コーナーキューブ１９１、１９２は、ビームスプリッタ１７１と反射ミラー部１８０（第１反射ミラー１８１、第２反射ミラー１８２）とを結ぶラインよりもスケール１１０側に配置されている。
このように、コーナーキューブ１９１、１９２をスケール１１０に近づけて配置することにより、光路長を短くすることができる。すると、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動がわずかにあったとしても二光束の光路長差が少なくなる。その結果、スケール１１０の揺動等があっても、スケール１１０と検出ヘッド部１２０との相対変位量を高精度に検出することができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態においては、スケールが反射型回折格子を備える場合について説明したが、スケールは透過型の回折格子を備えていてもよい。透過型回折格子を用いる場合、反射ミラーとコーナーキューブとがスケールのおもて面とうら面とで互いに反対側に配置されることになるが、その他の点については基本的に同じである。そして、透過型回折格子の場合であっても回折格子溝に対して垂直な方向から入射光を入射させるとともに、入射光の入射角を大きくとることで、スケールの揺動に伴う回折角変動を小さくすることができ、スケールの揺動等があっても、スケールと検出ヘッド部との相対変位量を高精度に検出することができる。
また、反射ミラーとコーナーキューブとを、スケールのおもて面側とうら面側とに配置すればよいので、反射ミラーとコーナーキューブとが互いに邪魔とならず、構造上のレイアウトが容易となる利点がある。
上記実施形態においては、スケールが反射型回折格子を備える場合について説明したが、スケールは透過型の回折格子を備えていてもよい。透過型回折格子を用いる場合、反射ミラーとコーナーキューブとがスケールのおもて面とうら面とで互いに反対側に配置されることになるが、その他の点については基本的に同じである。そして、透過型回折格子の場合であっても回折格子溝に対して垂直な方向から入射光を入射させるとともに、入射光の入射角を大きくとることで、スケールの揺動に伴う回折角変動を小さくすることができ、スケールの揺動等があっても、スケールと検出ヘッド部との相対変位量を高精度に検出することができる。
また、反射ミラーとコーナーキューブとを、スケールのおもて面側とうら面側とに配置すればよいので、反射ミラーとコーナーキューブとが互いに邪魔とならず、構造上のレイアウトが容易となる利点がある。
上記実施形態においては、入射光が回折された回折光をコーナーキューブで再帰させる構成について説明したが、コーナーキューブで光を再帰させずに、入射光が回折されて生じた回折光を干渉させて受光してもよい。この場合でも、入射光の入射角を大きくすることにより、回折光の回折角変動を小さくすることができ、スケールの揺動に関わりなく変位検出精度を向上させることができる。
回折格子のピッチやレーザー光の波長は上記実施形態の例に限定されず、適宜変更されもよいのはもちろんであり、反射ミラー１８１、１８２からスケール１１０に入射する入射光の入射角も適宜変更されてもよいことはもちろんである。上記実施形態においては、入射角は６２°とし、回折角を４５°として説明したが、これに限らず、入射角の方が回折角よりも大きければよく、入射角を６０〜７５度し、回折角を４０〜４５°としてもよい。例えば、波長λと格子周期Ｐとがλ≒1.63Ｐを満たすとき、入射角は６０〜７５度でよく、回折角は40〜45度とすることができる。これにより、スケール１１０の揺動に伴う回折角変動を抑え、かつ、回折効率を維持することができる。
再帰反射手段としては、コーナーキューブを利用する場合を例にして説明したが、反射ミラーであってもよいことはもちろんである。
また、光学素子としては、反射ミラーに限らず、回折格子を用いてもよい。
また、光学素子としては、反射ミラーに限らず、回折格子を用いてもよい。
上記実施形態では、検出ヘッド部に対してスケールがスライド移動する場合を例にして説明したが、スケールが固定され、検出ヘッド部がスケールに対してスライド移動してもよいことはもちろんである。
上記第１実施形態では、偏光ビームスプリッタ１７０からの光を受光部１５０に入射させる前に１／２波長板１６３を通過させることで偏光方向を回転させる場合を例に説明したが、受光部１５０の配置を導波ミラー１６１に対して紙面（図１）直交方向とする立体構成をとることで、１／２波長板１６３を備えなくても導波ミラー１６１からの反射光の偏光方向を４５度回転させることができる。これにより、部品点数を削減して、部品コストおよび組立てコストを削減することができる。
本発明は、光学式の変位検出装置に利用できる。
１００…変位検出装置、１１０…スケール、１１１…回折格子、１２０…検出ヘッド部、１３０…発光受光部、１４０…光源部、１４１…光源、１４２…レンズ、１５０…受光部、１５１…分波部、１５２…無偏光ビームスプリッタ、１５３…偏光ビームスプリッタ、１５４…偏光ビームスプリッタ、１５５…位相差板、１５６Ａ…フォトダイオード、１５６Ｂ…フォトダイオード、１５６Ｃ…フォトダイオード、１５６Ｄ…フォトダイオード、１５６Ｅ…フォトダイオード、１５６Ｆ…フォトダイオード、１５７Ａ…偏光板、１５７Ｂ…1/2波長板、１５７Ｃ…偏光板、１５８…ミラー、１６０…光学デバイスユニット部、１６１…導波ミラー、１６２…カバーガラス、１６３…１／２波長板、１７０…偏光ビームスプリッタ、１７１…無偏光ビームスプリッタ、１７５Ａ…1/2波長板、１７５Ｂ…透明媒体、１７５Ｃ…1/2波長板、１７５Ｄ…1/2波長板、１７５Ｅ…1/2波長板、１７５Ｆ…透明媒体、１７６…1/2波長板、１８０…反射ミラー部、１８１…第１反射ミラー、１８２…第２反射ミラー、１９０…再帰反射部、１９１…第１コーナーキューブ、１９２…第１コーナーキューブ、２００…変位検出装置、２１０…スケール、２１１…回折格子、２２０…検出ヘッド部、２３０…発光受光部、２４０…光源、２５０…受光部、２６０…光学デバイスユニット部、２７０…ビームスプリッタ、２８１…第１ミラー、２８２…第２ミラー、２９１…第１コーナーキューブ、２９２…第２コーナーキューブ。
Claims (4)
- 回折格子を有するスケールと、前記スケールに対して相対移動可能に設けられ前記スケールに向けて可干渉光を発射するとともに前記スケールからの回折光を受光する検出ヘッド部と、を具備し、
前記検出ヘッド部は、
可干渉光を発射する光源と、
前記光源からの光を二光束に分波する分波手段と、
前記分波手段からの二光束のそれぞれに対して設けられ、前記分波手段からの光束を反射して前記スケールに入射光として入射させる光学素子と、
前記スケールに入射した二光束が前記回折格子で回折されて生じる回折光のそれぞれに設けられ、前記回折光を再帰反射して前記スケールに再帰光として入射させる再帰反射手段と、を備え、
前記入射光および前記再帰光は回折格子溝に対して垂直な方向から入射され、かつ、前記入射光と前記スケールの法線ベクトルとのなす角は、前記再帰光と前記スケールの法線ベクトルとのなす角よりも大きい
ことを特徴とする変位検出装置。 - 請求項１に記載の変位検出装置において、
前記スケールは、反射型の回折格子を有し、
前記光学素子および前記再帰反射手段は、前記回折格子溝に垂直な面内に配置され、
前記光学素子は前記再帰反射手段よりも前記スケールの側に配設されている
ことを特徴とする変位検出装置。 - 請求項２に記載の変位検出装置において、
前記分波手段は、偏光ビームスプリッタであってこの偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して４５度の偏光である入射光の一部を透過させかつ一部を反射させて互いに直交する偏光方向を有する二光束に分波し、
前記検出ヘッド部は、前記光源から発射されて前記偏光ビームスプリッタにて反射された光の偏光方向を回転させた状態で前記反射型回折格子に入射させるとともにこの入射光が前記反射型回折格子にて反射回折された光の偏光方向を再度回転させて前記偏光ビームスプリッタの偏光方向に対して略直角の偏光にする位相差板を備え、
前記反射型の回折格子は、偏光方向を維持した状態で入射光を反射回折する偏光特性を有する金属薄膜で形成されている
ことを特徴とする変位検出装置。 - 請求項３に記載の変位検出装置において、
前記検出ヘッド部は、前記反射型回折格子の反射面側に前記入射光に対してブルースター角に配置されたガラス部材を備えている
ことを特徴とする変位検出装置。
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