JP4852318B2 - 変位検出装置、偏光ビームスプリッタ及び回折格子 - Google Patents
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Description
レーザビームを出射する光源を備え、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる2つの偏光ビームの干渉光の受光量に基づいて、変位を検出する変位検出装置であって、
前記2つの偏光ビームが入射される反射型の回折格子と、
前記回折格子から得られる前記2つの偏光ビームによる2つの回折光の各偏波をそれぞれ変換する2つの偏波変換素子と、
前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記2つの偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記2つの偏波変換素子にそれぞれ導く2つのミラーと、
前記レーザビームを分割して前記2つの偏光ビームを生成する偏光分割面と、前記偏光分割面により生成された前記2つの偏光ビームを前記回折格子に導き、かつ、前記干渉光を得るために前記2つの偏波変換素子からの2つの戻りビームを前記回折格子を介して前記偏光分割面に再び導く透過領域とを有し、少なくとも前記2つの偏波変換素子と一体的に設けられた偏光ビームスプリッタとを具備し、
前記回折格子は、第1のライン上に配置された第1の格子と、前記第1の格子が配置される面内で前記第1のラインに直交する第2のライン上に配置された第2の格子とを有し、前記第1の格子と前記第2の格子とが前記面内で2次元的に対称配置となるように構成され、
前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分割面は、
前記偏光ビームのうち2つの第1の偏光ビームを生成する第1の偏光分割面と、
前記偏光ビームのうち2つの第2の偏光ビームを生成する、前記第1の偏光分割面とは異なる面内に配置された第2の偏光分割面とで構成され、
前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記第1の偏光分割面により生成された前記第1の偏光ビームを前記第1の格子上に導き、前記第2の偏光分割面により生成された前記第2の偏光ビームを前記第2の格子上に導くことを特徴とする。
また、本発明によれば、第1のライン上での測定中心と、第2のライン上での測定中心とを一致させることができる。例えば単に1次元変位検出装置を2つ組み合わせてこれらを近接させることにより、2次元の変位検出装置が構成されると考えられるが、実際には2つの直交する軸上で測定中心を一致させることはできず、測定誤差が発生してしまう。本発明は、かかる問題を解決した2次元の変位検出装置である。
これにより、偏光ビームスプリッタと、2つの偏波変換素子と、2つのミラーとが一体的に設けられ、さらに組み立て精度を高く維持することができ、変位検出装置の信頼性を確保することができる。
レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる複数の偏光ビームが入射される回折格子と、前記回折格子から得られる前記複数の偏光ビームによる複数の回折光の各偏波をそれぞれ変換する複数の偏波変換素子と、前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記各偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記各偏波変換素子にそれぞれ導く複数のミラーとを備えた変位検出装置に用いられる偏光ビームスプリッタであって、
前記レーザビームを分割して前記各偏光ビームを生成する偏光分割面と、
前記偏光分割面により生成された前記各偏光ビームを回折格子に導き、かつ、前記生成された前記2つの偏光ビームの干渉光を得るために、前記各偏波変換素子からの戻りビームを、前記回折格子を介して前記偏光分割面に再び導く透過領域とを具備し、
前記回折格子が、
前記各偏光ビームのうち2つの第1の偏光ビームが入射される、第1の格子ピッチでなる第1の領域と、2つの第2の偏光ビームが入射される、前記第1の格子ピッチとは異なる第2の格子ピッチでなる第2の領域とを有し、第1のライン上に配置された第1の格子と、
前記2つの第3の偏光ビームが入射される、前記第1の格子ピッチでなる第3の領域と、前記2つの第4の偏光ビームが入射される、前記第2の格子ピッチでなる第4の領域とを有し、前記第1の格子が配置される面内で前記第1のラインに直交する第2のライン上に配置された第2の格子とを有する場合、
前記偏光分割面は、
前記2つの第1の偏光ビームと、前記2つの第2の偏光ビームとを生成する第1の偏光分割面と、
前記2つの第3の偏光ビームと、前記2つの第4の偏光ビームとを生成し、前記第1の偏光分割面とは異なる面内に配置された第2の偏光分割面とを有し、
前記透過領域は、
前記2つずつの第1、第2、第3及び第4の偏光ビームを、前記第1、第2、第3及び第4の領域にそれぞれ導き、前記各偏光ビームに対応する第1、第2、第3及び第4の干渉光を得るために、前記4つの偏波変換素子からの4つの戻りビームを前記回折格子を介して、対応する前記第1及び第2の偏光分割面に再び導く。
なお、θ1は、回折格子12への入射角を示し、θ2は、回折格子12からの回折角を示し、Λは、格子のピッチ(幅)を示し、λは、光の波長を示し、nは、回折次数を示している。
例えば、使用される環境の温度変化量を10℃とすると、一般的に使用されている波長780nmの半導体レーザの波長変動は、約3nmなので、Λ=0.55μmとし、ΔE=0.1μmとすると、ΔL<74μmにする必要がある。このΔLを調整するためには適当な可干渉距離を有する光源を使用すればよい。
B1、B2…第2の領域
M1…第1のレーザビーム
M2…第2のレーザビーム
N1…第3のレーザビーム
N2…第4のレーザビーム
L1…第1のライン
L2…第2のライン
A1、A2、B1、B2…第1の格子領域
C1、C2、D1、D2…第2の格子領域
C1、C2…第3の領域
D1、D2…第4の領域
1、2…変位検出装置
5…第1の偏光分割面
6…第2の偏光分割面
10…第1の位相検出部
11…第2の位相検出部
12、112…回折格子
20、120…光源
22、122、222…メインPBS
23、43、123、143…1/4波長板
24、44、124、144…ミラー
37…第1の受光処理系
38…第2の受光処理系
92、93、94、95…ミラー
105…偏光分割面
137…第3の受光処理系
138…第4の受光処理系
Claims (12)
- レーザビームを出射する光源を備え、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる2つの偏光ビームの干渉光の受光量に基づいて、変位を検出する変位検出装置であって、
前記2つの偏光ビームが入射される反射型の回折格子と、
前記回折格子から得られる前記2つの偏光ビームによる2つの回折光の各偏波をそれぞれ変換する2つの偏波変換素子と、
前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記2つの偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記2つの偏波変換素子にそれぞれ導く2つのミラーと、
前記レーザビームを分割して前記2つの偏光ビームを生成する偏光分割面と、前記偏光分割面により生成された前記2つの偏光ビームを前記回折格子に導き、かつ、前記干渉光を得るために前記2つの偏波変換素子からの2つの戻りビームを前記回折格子を介して前記偏光分割面に再び導く透過領域とを有し、少なくとも前記2つの偏波変換素子と一体的に設けられた偏光ビームスプリッタとを具備し、
前記回折格子は、第1のライン上に配置された第1の格子と、前記第1の格子が配置される面内で前記第1のラインに直交する第2のライン上に配置された第2の格子とを有し、前記第1の格子と前記第2の格子とが前記面内で2次元的に対称配置となるように構成され、
前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分割面は、
前記偏光ビームのうち2つの第1の偏光ビームを生成する第1の偏光分割面と、
前記偏光ビームのうち2つの第2の偏光ビームを生成する、前記第1の偏光分割面とは異なる面内に配置された第2の偏光分割面とで構成され、
前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記第1の偏光分割面により生成された前記第1の偏光ビームを前記第1の格子上に導き、前記第2の偏光分割面により生成された前記第2の偏光ビームを前記第2の格子上に導く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であって、
前記2つのミラーは、前記2つの偏波変換素子にそれぞれ一体的に設けられている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であって、
前記第1の偏光分割面と前記第2の偏光分割面とは直交するように配置されている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であって、
前記回折格子への前記偏光ビームの入射角と、該回折格子による当該偏光ビームの回折角とが等し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であって、
前記第1及び第2のレーザビームとは別に、第3及び第4のレーザビームを生成するビーム生成手段をさらに具備し、
前記回折格子は、
第1の格子ピッチでなる第1の領域と、前記第1の格子ピッチとは異なる第2の格子ピッチでなる第2の領域とを有する前記第1の格子と、
前記第1の格子ピッチでなる第3の領域と、前記第2の格子ピッチでなる第4の領域とを有する前記第2の格子とを有し、
前記偏光ビームスプリッタの前記第1の偏光分割面は、前記第1のレーザビームを分割して前記2つの第1の偏光ビームを生成し、前記第2のレーザビームを分割して前記2つの第2の偏光ビームを生成し、
前記偏光ビームスプリッタの前記第2の偏光分割面は、前記第3のレーザビームを分割して2つの第3の偏光ビームを生成し、前記第4のレーザビームを分割して2つの第4の偏光ビームを生成し、
前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記2つの第1の偏光ビーム、前記2つの第2の偏光ビーム、前記2つの第3の偏光ビーム及び前記2つの第4の偏光ビームを、前記第1、第2、第3及び第4の領域にそれぞれ導く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であって、
前記回折格子は、
前記2つの偏光ビームが入射される表面と、
前記表面に形成された格子状の反射膜と
を有するボリュームタイプのホログラムである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であって、
前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、膨張係数の絶対値が1×10−6以下のガラスで構成される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であって、
前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分割面は、互いに離れていくように前記2つの偏光ビームを生成し、
前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記偏光分割面から離れていく前記2つの偏光ビームが、互いに接近しながら前記偏光ビームスプリッタを出射するようにするための反射面を有することを特徴とする変位検出装置。 - レーザビームを出射する光源を備え、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる複数の偏光ビームのうち、2つの第1の偏光ビームの第1の干渉光の受光量及び2つの第2の偏光ビームの第2の干渉光の受光量に基づいて、2次元の変位を検出する変位検出装置であって、
第1のライン上に配置され前記2つの第1の偏光ビームが入射される第1の格子と、前記第1の格子が配置される面内で前記第1のラインに直交する第2のライン上に配置され前記2つの第2の偏光ビームが入射される第2の格子とを有し、前記第1の格子と前記第2の格子とが前記面内で2次元的に対称に配置された回折格子と、
前記回折格子から得られる前記2つの第1の偏光ビーム及び前記2つの第2の偏光ビームによる4つの回折光の各偏波をそれぞれ変換する4つの偏波変換素子と、
前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記4つの偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記4つの偏波変換素子にそれぞれ導く4つのミラーと、
前記レーザビームを分割して前記2つの第1の偏光ビームを生成する第1の偏光分割面と、前記レーザビームを分割して前記2つの第2の偏光ビームを生成する、前記第1の偏光分割面とは異なる面内に配置された第2の偏光分割面と、前記2つの第1の偏光ビームを前記第1の格子上に導くとともに、前記2つの第2の偏光ビームを前記第2の格子上に導き、前記第1及び第2の干渉光を得るために、前記4つの偏波変換素子からの4つの戻りビームを前記回折格子を介して、対応する前記第1及び第2の偏光分割面に再び導く透過領域とを有する偏光ビームスプリッタと
を具備することを特徴とする変位検出装置。 - 請求項9に記載の変位検出装置であって、
前記第1及び第2のレーザビームとは別に、第3及び第4のレーザビームを生成するビーム生成手段をさらに具備し、
前記回折格子は、
第1の格子ピッチでなる第1の領域と、前記第1の格子ピッチとは異なる第2の格子ピッチでなる第2の領域とを有する前記第1の格子と、
前記第1の格子ピッチでなる第3の領域と、前記第2の格子ピッチでなる第4の領域とを有する前記第2の格子とを有し、
前記偏光ビームスプリッタの前記第1の偏光分割面は、前記第1のレーザビームを分割して前記2つの第1の偏光ビームを生成し、前記第3のレーザビームを分割して2つの第3の偏光ビームを生成し、
前記偏光ビームスプリッタの前記第2の偏光分割面は、前記第2のレーザビームを分割して前記2つの第2の偏光ビームを生成し、前記第4のレーザビームを分割して2つの第4の偏光ビームを生成し、
前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記2つの第1の偏光ビーム及び前記2つの第3の偏光ビームを前記第1及び第2の領域にそれぞれ導き、前記2つの第2の偏光ビーム及び前記2つの第4の偏光ビームを前記第3及び第4の領域にそれぞれ導くことを特徴とする変位検出装置。 - レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる複数の偏光ビームが入射される回折格子と、前記回折格子から得られる前記複数の偏光ビームによる複数の回折光の各偏波をそれぞれ変換する複数の偏波変換素子と、前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記各偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記各偏波変換素子にそれぞれ導く複数のミラーとを備えた変位検出装置に用いられる偏光ビームスプリッタであって、
前記レーザビームを分割して前記各偏光ビームを生成する偏光分割面と、
前記偏光分割面により生成された前記各偏光ビームを回折格子に導き、かつ、前記生成された前記2つの偏光ビームの干渉光を得るために、前記各偏波変換素子からの戻りビームを、前記回折格子を介して前記偏光分割面に再び導く透過領域とを具備し、
前記回折格子が、
前記各偏光ビームのうち2つの第1の偏光ビームが入射される、第1の格子ピッチでなる第1の領域と、2つの第2の偏光ビームが入射される、前記第1の格子ピッチとは異なる第2の格子ピッチでなる第2の領域とを有し、第1のライン上に配置された第1の格子と、
前記2つの第3の偏光ビームが入射される、前記第1の格子ピッチでなる第3の領域と、前記2つの第4の偏光ビームが入射される、前記第2の格子ピッチでなる第4の領域とを有し、前記第1の格子が配置される面内で前記第1のラインに直交する第2のライン上に配置された第2の格子とを有する場合、
前記偏光分割面は、
前記2つの第1の偏光ビームと、前記2つの第2の偏光ビームとを生成する第1の偏光分割面と、
前記2つの第3の偏光ビームと、前記2つの第4の偏光ビームとを生成し、前記第1の偏光分割面とは異なる面内に配置された第2の偏光分割面とを有し、
前記透過領域は、
前記2つずつの第1、第2、第3及び第4の偏光ビームを、前記第1、第2、第3及び第4の領域にそれぞれ導き、前記各偏光ビームに対応する第1、第2、第3及び第4の干渉光を得るために、前記4つの偏波変換素子からの4つの戻りビームを前記回折格子を介して、対応する前記第1及び第2の偏光分割面に再び導くことを特徴とする偏光ビームスプリッタ。 - レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたレーザビームから第1、第2、第3及び第4のレーザビームを生成するビーム生成手段とを備え、前記第1のレーザビームから分割して得られる2つの第1の偏光ビームの第1の干渉光の受光量及び前記第2のレーザビームから分割して得られる2つの第2の偏光ビームの第2の干渉光の受光量に基づいて、かつ、前記第3のレーザビームから分割して得られる2つの第3の偏光ビームの第3の干渉光の受光量及び前記第4のレーザビームから分割して得られる2つの第4の偏光ビームの第4の干渉光の受光量に基づいて、2次元の変位を検出する変位検出装置に用いられる回折格子であって、
前記2つの第1の偏光ビームが入射される、第1の格子ピッチでなる第1の領域と、前記2つの第2の偏光ビームが入射される、前記第1の格子ピッチとは異なる第2の格子ピッチでなる第2の領域とを有し、第1のライン上に配置された第1の格子と、
前記2つの第3の偏光ビームが入射される、前記第1の格子ピッチでなる第3の領域と、前記2つの第4の偏光ビームが入射される、前記第2の格子ピッチでなる第4の領域とを有し、前記第1の格子が配置される面内で前記第1のラインに直交する第2のライン上に配置された第2の格子と
を具備することを特徴とする回折格子。
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