JP5095475B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Description

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。詳しくは、回折格子で回折された２つの回折光を再度回折格子に照射する反射光学系で、それぞれの反射光学系で結像素子の焦点距離を等しくすると共に、結像素子の焦点位置付近に回折格子と反射器を配置することで、移動位置検出方向以外への回折格子の変位の影響を抑えるものである。

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（例えば、特許文献１，２参照）。

従来の光学式変位測定装置では、可干渉光源から出射された可干渉光がビームスプリッタ等で２つの可干渉光に分割され、回折格子に照射される。回折格子に照射された２つの可干渉光は、回折格子で回折されて２つの１回回折光が生じる。２つの１回回折光は、反射光学系で反射されて同じ光路を戻り、回折格子に再度照射される。

回折格子に照射された２つの１回回折光は、回折格子で回折されて２つの２回回折光が生じる。２つの２回回折光は、２つの可干渉光と同じ光路を戻ってビームスプリッタに入射される。ビームスプリッタに入射した２つの２回回折光は、ビームスプリッタで重ね合わされ、２つの２回回折光を干渉させた干渉光が、受光素子に結像される。

このような構成の光学式変位測定装置では、可動部分の移動に応じて回折格子が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光に位相差が生じる。光学式変位測定装置では、２つの２回回折光を干渉させて干渉信号を検出し、干渉信号から２つの２回回折光の位相差を求めて、回折格子の移動位置を検出する。

従来の光学式変位測定装置では、２つの可干渉光を回折格子に結像させると共に、回折格子で回折された１回回折光を結像素子で平行光として反射器に照射し、反射器で反射された１回回折光を、同じ光路で戻して結像素子で回折格子に結像させている。

これにより、従来の光学式変位測定装置では、回折格子で回折された１回回折光が、入射したときと同じ光路で戻され、回折格子の格子面上での結像位置が変化せず、１回回折光が回折することにより生じる２回回折光の光軸がずれない。また、光路長の変化も生じない。従って、回折格子が姿勢変化しても、２つの２回回折光の干渉信号が乱れにくく、安定した検出が可能になっている。

特開２０００−８１３０８号公報 特公昭６３−３１１１２１号公報

従来の光学式変位測定装置では、回折格子に照射される可干渉光及び１回回折光を、回折格子の格子面上に結像しているため、回折格子が格子面に垂直な方向に移動する姿勢変化では、干渉させる回折光がずれ、干渉信号が小さくなり位置検出が困難になっていた。

また、従来の光学式変位測定装置では、回折格子の格子面上で結像させるため、回折格子と結像素子の距離をある程度維持しなければならなかった。更に、回折格子の格子面上で結像させるため、格子面上の異物によって干渉信号の振幅が変動するので、回折格子の外観検査を厳しく行う必要があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、回折格子の姿勢変化の影響を受けずに、高い分解能で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。

上述した課題を解決するため、本発明は、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部と、発光部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、回折格子に各可干渉光を照射し、２つの１回回折光を生じさせると共に、２つの１回回折光を回折格子により回折させて生じさせた２つの２回回折光を干渉させる照射受光光学系と、２つの可干渉光を回折格子により回折させて生じさせた２つの１回回折光をそれぞれ反射して、回折格子に２つの１回回折光を照射する反射光学系と、照射受光光学系により２つの２回回折光を干渉させた干渉光を受光して干渉信号を検出する受光部とを備え、照射受光光学系は、発光部により発光された可干渉光を集光する第１の結像素子を備えると共に、回折格子で回折された２回回折光を受光部に結像する第２の結像素子を備え、反射光学系は、回折格子により回折させて生じさせた２つの１回回折光の一方を反射して、回折格子に照射する一方の反射器と回折格子の間に第３の結像素子を備えると共に、２つの１回回折光の他方を反射して、回折格子に照射する他方の反射器と回折格子の間に第４の結像素子を備え、第３の結像素子と第４の結像素子の焦点距離が等しく、かつ、回折格子を第３の結像素子及び第４の結像素子の一方の焦点位置に配置し、一方の反射器を第３の結像素子の他方の焦点位置に配置し、他方の反射器を第４の結像素子の他方の焦点位置に配置した光学式変位測定装置である。

本発明の光学式変位測定装置では、発光部から出射された可干渉光が第１の結像素子により集光されて、平行光が回折格子の格子面に照射される。回折格子で回折された２つの１回回折光の一方は、一方の反射光学系の第３の結像素子により結像されて反射器に垂直に照射される。また、回折格子で回折された２つの１回回折光の他方は、他方の反射光学系の第４の結像素子により結像されて反射器に垂直に照射される。

従って、回折格子の姿勢変化で１回回折光の光軸がずれた場合であっても、反射された１回回折光は入射時の光に対して平行に戻り、１回回折光が回折することにより生じる２回回折光は可干渉光と略平行な光路を保ち、照射受光光学系で重ね合わされる。

本発明の光学式変位測定装置では、回折格子で回折された２つの１回回折光を再度回折格子に照射するそれぞれの反射光学系で、結像素子の焦点距離を等しくすると共に、結像素子の焦点位置付近に回折格子と反射器を配置することで、２つの２回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。

これにより、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、回折格子が格子面に垂直な方向に平行移動したり、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、本発明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。

以下、図面を参照して本発明の光学式変位測定装置の実施の形態について説明する。

＜第１の実施の形態の光学式変位測定装置の構成例＞
図１は、本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａは、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１１Ｔと、レーザ光等の可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源１２を備える。

また、光学式変位測定装置１０Ａは、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部１３と、受光部１３からの干渉信号に基づき回折格子１１Ｔの移動位置を検出する位置検出部１４を備える。

更に、光学式変位測定装置１０Ａは、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１１Ｔに照射すると共に、回折格子１１Ｔからの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて受光部１３に照射する照射受光光学系１５を備える。

また、光学式変位測定装置１０Ａは、回折格子１１Ｔからの２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１Ｔに照射する反射光学系１６，１７を備える。

図２は、本発明の各実施の形態の光学式変位測定装置で用いられる回折格子の一例を示す斜視図である。回折格子１１Ｔ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１１Ｔ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。

ここで、本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１１Ｔの面を、格子面１１ａと呼ぶ。なお、図１に示す光学式変位測定装置１０Ａでは、回折格子１１Ｔとして透過型の回折格子が用いられており、回折格子１１Ｔ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共に格子面１１ａと呼ぶ。

また、回折格子１１Ｔ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２中矢印Ｄ１，Ｄ２方向）、すなわち、回折格子１１Ｔ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２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１１Ｔ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。

この回折格子１１Ｔ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Ｄ１，Ｄ２方向、すなわち、格子ベクトル方向に移動する。

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良い。

図１に示す可干渉光源１２は発光部の一例で、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を挙げるが、駆動電流に高周波の重畳をかけたシングルモードレーザダイオードや、スーパールミネッセンスダイオード、発光ダイオードであっても良い。

受光部１３は、回折格子１１Ｔからの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させた干渉光Ｌｄの偏光状態を変換する１/４波長板１３１と、干渉光Ｌｄを４分割する光分割素子としてのビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄと、４分割された干渉光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３，Ｌｄ４において所定の偏光成分のみを透過させる偏光子１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ，１３３ｄを備える。

また、受光部１３は、ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄで４分割された干渉光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３，Ｌｄ４において、偏光子１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ，１３３ｄを透過した所定の偏光成分を受光する受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄを備える。

１/４波長板１３１は、干渉光Ｌｄを円偏光に変換する。ビームスプリッタ１３２ａは、１/４波長板１３１を通過した干渉光Ｌｄが入射し、入射した干渉光Ｌｄの一部を反射して干渉光Ｌｄ１を発生させると共に、入射した干渉光Ｌｄの残部を透過させる。

ビームスプリッタ１３２ｂは、ビームスプリッタ１３２ａの後段に配置され、ビームスプリッタ１３２ａを通過した干渉光Ｌｄが入射し、入射した干渉光Ｌｄの一部を反射して干渉光Ｌｄ２を発生させると共に、入射した干渉光Ｌｄの残部を透過させる。

ビームスプリッタ１３２ｃは、ビームスプリッタ１３２ｂの後段に配置され、ビームスプリッタ１３２ｂを通過した干渉光Ｌｄが入射し、入射した干渉光Ｌｄの一部を反射して干渉光Ｌｄ３を発生させると共に、入射した干渉光Ｌｄの残部を透過させる。

ビームスプリッタ１３２ｄは、ビームスプリッタ１３２ｃの後段に配置され、ビームスプリッタ１３２ｃを通過した干渉光Ｌｄが入射し、入射した干渉光Ｌｄを全反射して干渉光Ｌｄ４を発生させる。

ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄの各反射率は、それぞれ１/４，１/３，１/２，１に設定されている。これにより、入射された干渉光Ｌｄをほぼ同一の光量で、干渉光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３，Ｌｄ４に４分割することが可能となる。

偏光子１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ，１３３ｄは、１/４波長板１３１を通過し、ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄで４分割された円偏光同士の合成波である干渉光Ｌｄのそれぞれに、異なる光学軸を持たせる。

すなわち、偏光子１３３ａは、ビームスプリッタ１３２ａで反射した干渉光Ｌｄ１について、本例では０°の偏光成分のみを透過させて、受光素子１３４ａに受光させる。偏光子１３３ｂは、ビームスプリッタ１３２ｂで反射した干渉光Ｌｄ２について、本例では４５°の偏光成分のみを透過させて、受光素子１３４ｂに受光させる。偏光子１３３ｃは、ビームスプリッタ１３２ｃで反射した干渉光Ｌｄ３について、本例では９０°の偏光成分のみを透過させて、受光素子１３４ｃに受光させる。偏光子１３３ｄは、ビームスプリッタ１３２ｄで反射した干渉光Ｌｄ４について、本例では１３５°の偏光成分のみを透過させて、受光素子１３４ｄに受光させる。

受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄは、それぞれ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。これら受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄは、受光面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。

位置検出部１４は、受光素子１３４ａ及び受光素子１３４ｂから出力される電気信号が差動増幅器１４０ａに入力され、差動増幅器１４０ａでは、受光素子１３４ａ，１３４ｂからの電気信号の差動出力が求められ、干渉信号の直流成分がキャンセルされた差動信号が出力される。

また、受光素子１３４ｃ及び受光素子１３４ｄから出力される電気信号が差動増幅器１４０ｂに入力され、差動増幅器１４０ｂでは、受光素子１３４ｃ，１３４ｄからの電気信号の差動出力が求められ、干渉信号の直流成分がキャンセルされた差動信号が出力される。

従って、受光素子１３４ａと受光素子１３４ｂ、及び受光素子１３４ｃと受光素子１３４ｄのそれぞれで、１８０°位相が異なる２つの出力の直流成分がキャンセルされた差動信号が信号処理部１４１に入力される。信号処理部１４１では、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄが生成した干渉信号に基づいて位相差が求められ、回折格子１１Ｔの相対移動位置を示す位置信号が出力される。

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を集光する第１の結像素子２１を備える。また、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２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割すると共に、回折格子１１Ｔ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偏光ビームスプリッタ２２を備える。

更に、照射受光光学系１５は、偏光ビームスプリッタ２２により分割された一方の可干渉光Ｌａ１を反射すると共に、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を備える。

また、照射受光光学系１５は、偏光ビームスプリッタ２２により分割された他方の可干渉光Ｌａ２を反射すると共に、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を備える。更に、照射受光光学系１５は、偏光ビームスプリッタ２２により重ね合わされた干渉光Ｌｄを集光する第２の結像素子２５を備える。

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。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としては、可干渉光源１２から所定の拡散角で入射された可干渉光Ｌａをコリメートしたビームとして出射するものが理想である。

第１の結像素子２１でコリメートされた可干渉光Ｌａのビーム径は、回折格子１１Ｔ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。更に、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、数百μｍ以上とするのが望ましい。

偏光ビームスプリッタ２２には、可干渉光源１２から出射され、第１の結像素子２１でコリメートされた可干渉光Ｌａが入射される。偏光ビームスプリッタ２２は、入射された可干渉光Ｌａの一部を反射して可干渉光Ｌａ１を生成し、入射された可干渉光Ｌａの残部を透過して可干渉光Ｌａ２を生成する。

また、偏光ビームスプリッタ２２には、回折格子１１Ｔからの２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌｃ２が入射される。偏光ビームスプリッタ２２は、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて干渉させ、この干渉させた干渉光Ｌｄを各受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄに照射させる。

反射器２３は、偏光ビームスプリッタ２２を反射した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１Ｔの格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２４は、偏光ビームスプリッタ２２を透過した可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１Ｔ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、偏光ビームスプリッタ２２で分割された可干渉光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。

また、反射器２３には、１回回折光Ｌｂ１が回折格子１１Ｔ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、偏光ビームスプリッタ２２に照射する。また、反射器２４は、１回回折光Ｌｂ２が回折格子１１Ｔ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、偏光ビームスプリッタ２２に照射する。反射器２３及び反射器２４には、格子面１１ａ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。

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、偏光ビームスプリッタ２２により２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が重ね合わされた干渉光Ｌｄが入射される。

第２の結像素子２５は、この重ね合わされた干渉光Ｌｄを、所定のビーム径で各受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄ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。

反射光学系１６は、可干渉光Ｌａ１が回折格子１１Ｔで回折されて生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して、再度回折格子１１Ｔに照射する反射器２６と、反射器２６で反射された１回回折光Ｌｂ１を平行光として回折格子１１Ｔに照射する第３の結像素子２７と、１回回折光Ｌｂ１の偏光状態を変換する１/４波長板２８を備える。

反射光学系１７は、可干渉光Ｌａ２が回折格子１１Ｔで回折されて生じる１回回折光Ｌｂ２を反射して、再度回折格子１１Ｔに照射する反射器２９と、反射器２９で反射された１回回折光Ｌｂ２を平行光として回折格子１１Ｔに照射する第４の結像素子３０と、１回回折光Ｌｂ２の偏光状態を変換する１/４波長板３１を備える。

反射光学系１６の反射器２６には、１/４波長板２８を通過した１回回折光Ｌｂ１が照射される。反射器２６は、反射される１回回折光Ｌｂ１が入射経路と同じ経路を戻るように、１回回折光Ｌｂ１を垂直に反射する。反射器２６に照射される１回回折光Ｌｂ１は、１/４波長板２８を通過しており、また、反射器２６で反射される１回回折光Ｌｂ１は、１/４波長板２８を再度通過するため、偏光方向が９０°変換された状態で、再度回折格子１１Ｔに照射される。

反射光学系１６の第３の結像素子２７は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなり、回折格子１１Ｔ側の焦点距離をＦ１とし、反射器２６側の焦点距離をＦ２として、回折格子１１Ｔが第３の結像素子２７の一方の焦点位置付近に配置され、反射器２６が第３の結像素子２７の他方の焦点位置付近に配置される。ここで、第３の結像素子２７の焦点距離は、Ｆ１＝Ｆ２である。

反射光学系１７の反射器２９には、１/４波長板３１を通過した１回回折光Ｌｂ２が照射される。反射器２９は、反射される１回回折光Ｌｂ２が入射経路と同じ経路を戻るように、１回回折光Ｌｂ２を垂直に反射する。反射器２９に照射される１回回折光Ｌｂ２は、１/４波長板３１を通過しており、また、反射器２９で反射される１回回折光Ｌｂ２は、１/４波長板３１を再度通過するため、偏光方向が９０°変換された状態で、再度回折格子１１Ｔに照射される。

反射光学系１７の第４の結像素子３０は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなり、回折格子１１Ｔ側の焦点距離をＦ３とし、反射器２９側の焦点距離をＦ４として、回折格子１１Ｔが第４の結像素子３０の一方の焦点位置付近に配置され、反射器２９が第４の結像素子３０の他方の焦点位置付近に配置される。ここで、第４の結像素子３０の焦点距離は、Ｆ３＝Ｆ４であり、かつ、第３の結像素子２７の焦点距離と第４の結像素子３０の焦点距離が等しく構成される。

このような反射光学系１６及び反射光学系１７は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２が回折格子１１Ｔで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１１Ｔに照射する。再度回折格子１１Ｔに照射された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、回折格子１１Ｔで回折される。

１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１Ｔで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と同一の光路を戻り、偏光ビームスプリッタ２２に照射される。

図３は、本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置における可干渉光及び回折光の光路を示す説明図で、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２、及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路順を図３に示して、各光の光路について説明する。なお、この図３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。

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を通過してコリメートされ、偏光ビームスプリッタ２２によりＳ偏光とＰ偏光の２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割される。

偏光ビームスプリッタ２２で反射した一方の可干渉光Ｌａ１はＳ偏光の光で、反射器２３により反射され、回折格子１１Ｔの格子面１１ａ上の所定の点Ｐに照射される。そして、この所定の点Ｐに照射された一方の可干渉光Ｌａ１が回折され、回折格子１１Ｔ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。

回折格子１１Ｔで発生した１回回折光Ｌｂ１は、反射光学系１６で第３の結像素子２７を通過して集光され、１/４波長板２８を通過して反射器２６に結像される。反射器２６に結像された１回回折光Ｌｂ１は、反射器２６により反射面に対して垂直に反射され、再び１/４波長板２８を通過し、第３の結像素子２７でコリメートされ、回折格子１１Ｔの格子面１１ａ上の所定の点Ｐに照射される。

そして、この所定の点Ｐに照射された１回回折光Ｌｂ１が回折され、回折格子１１Ｔを透過した２回回折光Ｌｃ１が生じる。この２回回折光Ｌｃ１は、可干渉光Ｌａ１と同一の光路を戻り、偏光ビームスプリッタ２２に入射する。

偏光ビームスプリッタ２２を透過した他方の可干渉光Ｌａ２はＰ偏光の光で、反射器２４により反射され、回折格子１１Ｔの格子面１１ａ上において、一方の可干渉光Ｌａ１の照射位置と同じ所定の点Ｐに照射される。そして、この所定の点Ｐに照射された他方の可干渉光Ｌａ２が回折され、回折格子１１Ｔ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。

回折格子１１Ｔで発生した１回回折光Ｌｂ２は、反射光学系１７で第４の結像素子３０を通過して集光され、１/４波長板３１を通過して反射器２９に結像される。反射器２９に結像された１回回折光Ｌｂ２は、反射器２９により反射面に対して垂直に反射され、再び１/４波長板３１を通過し、第４の結像素子３０でコリメートされ、回折格子１１Ｔの格子面１１ａ上の所定の点Ｐに照射される。

そして、この所定の点Ｐに照射された１回回折光Ｌｂ２が回折され、回折格子１１Ｔを透過した２回回折光Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ２と同一の光路を戻り、偏光ビームスプリッタ２２に入射する。

偏光ビームスプリッタ２２で反射した一方の可干渉光Ｌａ１を、回折格子１１Ｔで回折させて生じた２回回折光Ｌｃ１は、反射光学系１６で１/４波長板２８を往復通過することによって偏光方向が９０°変換される。これにより、偏光ビームスプリッタ２２に入射した２回回折光Ｌｃ１はＰ偏光の光で、偏光ビームスプリッタ２２を透過する。

これに対して、偏光ビームスプリッタ２２を透過した他方の可干渉光Ｌａ２を、回折格子１１Ｔで回折させて生じた２回回折光Ｌｃ２は、反射光学系１７で１/４波長板３１を往復通過することによって偏光方向が９０°変換される。これにより、偏光ビームスプリッタ２２に入射した２回回折光Ｌｃ２はＳ偏光の光で、偏光ビームスプリッタ２２で反射する。

従って、偏光ビームスプリッタ２２に入射した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ２２により重ね合わされて干渉する。２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させた干渉光Ｌｄは、第２の結像素子２５を通過して集光され、受光部１３に入射する。

受光部１３に入射した干渉光Ｌｄは、１/４波長板１３１を通過して偏光状態が変換され、偏光ビームスプリッタ２２で重ね合わされた２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が、互いに逆方向の円偏光に変換される。

１/４波長板１３１を通過して偏光状態が変換された干渉光Ｌｄは、ビームスプリッタ１３２ａに入射する。ビームスプリッタ１３２ａに入射した干渉光Ｌｄは、ビームスプリッタ１３２ａの反射率に応じて一部は反射し、残部はビームスプリッタ１３２ａを透過してビームスプリッタ１３２ｂに入射する。

ビームスプリッタ１３２ｂに入射した干渉光Ｌｄは、ビームスプリッタ１３２ｂの反射率に応じて一部は反射し、残部はビームスプリッタ１３２ｂを透過してビームスプリッタ１３２ｃに入射する。ビームスプリッタ１３２ｃに入射した干渉光Ｌｄは、ビームスプリッタ１３２ｃの反射率に応じて一部は反射し、残部はビームスプリッタ１３２ｃを透過してビームスプリッタ１３２ｄに入射する。ビームスプリッタ１３２ｄに入射した干渉光Ｌｄは全反射する。

ビームスプリッタ１３２ａで反射した干渉光Ｌｄ１は、偏光子１３３ａで本例では０°の偏光成分のみが透過して、受光素子１３４ａに結像される。ビームスプリッタ１３２ｂで反射した干渉光Ｌｄ２は、偏光子１３３ｂで本例では４５°の偏光成分のみが透過して、受光素子１３４ｂに結像される。ビームスプリッタ１３２ｃで反射した干渉光Ｌｄ３は、偏光子１３３ｃで本例では９０°の偏光成分のみが透過して、受光素子１３４ｃに結像される。ビームスプリッタ１３２ｄで反射した干渉光Ｌｄ４は、偏光子１３３ｄで本例では１３５°の偏光成分のみが透過して、受光素子１３４ｄに結像される。

以上のような構成の光学式変位測定装置１０Ａでは、可動部分の移動に応じて回折格子１１Ｔ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。光学式変位測定装置１０Ａ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１１Ｔの移動位置を検出する。

すなわち、偏光ビームスプリッタ２２で重ね合わせる２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の強度をＡ₁、Ａ₂、回折格子１１Ｔ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、以下の（１）式のような干渉信号の強度Ｉが得られる。

Ｉ＝Ａ₁ ²＋Ａ₂ ²＋２・Ａ₁・Ａ₂ｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋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１１Ｔが格子ベクトル方向にΛ／４移動することにより１周期分変化する。δは、重ね合わせる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。

各偏光子１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ，１３３ｄを透過した干渉光Ｌｄ１、Ｌｄ２、Ｌｄ３、Ｌｄ４の強度は、それぞれ以下の式（２）〜（５）で表される。

Ｂ＋Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋δ）・・・ （２）
Ｂ＋Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋９０°＋δ）・・・（３）
Ｂ＋Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋１８０°＋δ）・・・（４）
Ｂ＋Ａｃｏｓ（４・Ｋ・ｘ＋２７０°＋δ）・・・（５）
ここで、
Ｂ＝１/４（Ａ₁ ²＋Ａ₂ ²）、
Ａ＝１/２・Ａ₁・Ａ₂
である。

式（２）は、偏光子１３３ａを透過した干渉光Ｌｄ１の強度を表し、式（３）は、偏光子１３３ｂを透過した干渉光Ｌｄ２の強度を表し、式（４）は、偏光子１３３ｃを透過した干渉光Ｌｄ３の強度を表し、式（５）は、偏光子１３３ｄを透過した干渉光Ｌｄ４の強度を表す。

各受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄでは、上述の式で表される強度の干渉光を光電変換して干渉信号を生成することとなる。

ここで、式（２）と式（４）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（３）と式（５）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１１Ｔの移動方向を検知するための信号を得ることができる。

図４及び図５は、回折格子の変位と光路の関係を示す動作説明図である。図４に示すように、回折格子１１Ｔ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４の矢印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４の矢印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。

図４では、反射光学系１６での光路を例に示しており、格子面１１ａが傾いて１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角が変化すると、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４に破線で示すように、その光路が変化する。なお、反射光学系１７でも同様の光路となる。

本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａ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でコリメートして平行光を回折格子１１Ｔの格子面１１ａに照射している。

また、第３の結像素子２７の焦点位置付近に反射器２６が配置され、第３の結像素子２７が、１回回折光Ｌｂ１を反射器２６に結像させて常に垂直に照射していると共に、反射器２６で反射された１回回折光Ｌｂ１をコリメートして、平行光を回折格子１１Ｔに照射している。

更に、図１に示すように、第３の結像素子２７の回折格子１１Ｔ側の焦点距離Ｆ１と、第３の結像素子２７の反射器２６側の焦点距離Ｆ２が略等しく構成されている。

同様に、第４の結像素子３０の焦点位置付近に反射器２９が配置され、第４の結像素子３０が、１回回折光Ｌｂ２を反射器２９に結像させて常に垂直に照射していると共に、反射器２９で反射された１回回折光Ｌｂ２をコリメートして、平行光を回折格子１１Ｔに照射している。

また、図１に示すように、第４の結像素子３０の回折格子１１Ｔ側の焦点距離Ｆ３と、第４の結像素子３０の反射器２９側の焦点距離Ｆ４が略等しく構成されている。

このため、反射器２６または反射器２９により反射された各１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、回折格子１１Ｔが傾いて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戻り回折格子１１Ｔ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１０Ａ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１１Ｔ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。

一方、図５に示すように、回折格子１１Ｔが、Ｚ方向に平行にシフトした場合でも、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は平行光で、可干渉光Ｌａ１と２回回折光Ｌｃ１及び可干渉光Ｌａ２とＬｃ２が、略平行な光路を保つ。また。光路長の変化もない。

これにより、本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａでは、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が互いにずれることなく偏光ビームスプリッタ２２で重なり合わされる。そのため、回折格子１１Ｔ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、図４に示すように回折格子１１Ｔが傾いたり、図示しないが回折格子１１Ｔにうねり等があった場合であっても、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄが検出する干渉信号が低下しない。

また、図５に示すように、回折格子１１ＴがＺ方向に平行にシフトした場合でも、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄが検出する干渉信号が低下しない。従って、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａ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、光学式変位測定装置１０Ａ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。

更に、光学式変位測定装置１０Ａでは、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を偏光ビームスプリッタ２２で重ね合わせた干渉光Ｌｄを、第２の結像素子２５を用いて受光面に結像させれば、受光面におけるビームのケラレが生じない。

なお、一列に配置されたビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄで干渉光Ｌｄを４分割する構成では、第２の結像素子２５と各ビームスプリッタとの距離の違いに応じて、各ビームスプリッタから第２の結像素子２５の焦点位置までの距離が異なる。

このため、ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄで４分割された干渉光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３，Ｌｄ４を受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄに結合させる構成では、各受光素子の受光面位置を、各ビームスプリッタから第２の結像素子２５の焦点位置までの距離に合わせてずらして配置する。これにより、各受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄの受光面でビームのケラレが生じないようにすることができる。

また、光学式変位測定装置１０Ａ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。

このため、光学式変位測定装置１０Ａ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偏光ビームスプリッタ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。

また、光学式変位測定装置１０Ａでは、可干渉光の分割及び２回回折光の干渉に偏光ビームスプリッタ２２を用いることにより、回折格子１１Ｔ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。

＜第２の実施の形態の光学式変位測定装置の構成例＞
図６は、本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。なお、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、上述した第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａ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。

本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｂは、反射型の回折格子１１Ｒを備えると共に、第１の結像素子２１と偏光ビームスプリッタ２２との間に第１の非点光学素子５１を備え、偏光ビームスプリッタ２２と第２の結像素子２５との間に第２の非点光学素子５２を備える。

第１の非点光学素子５１は、第１の結像素子２１でコリメートされた可干渉光Ｌａを、断面の一の方向は集光し、他の方向は非集光で透過させて、偏光ビームスプリッタ２２で分割された可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を、回折格子１１Ｒの格子面１１ａに結像させる。

第２の非点光学素子５２は、格子面１１ａに結像され、回折格子１１Ｒで回折されて、所定の角度で広がる２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が偏光ビームスプリッタ２２で重ねられた干渉光Ｌｄを、断面の一の方向は集光し、他の方向は非集光で透過させてコリメートする。

図７は、非点光学素子の一例を示す斜視図である。第１の非点光学素子５１及び第２の非点光学素子５２は、例えば、図７（ａ）に示すようにシリンドリカルレンズである。また、図７（ｂ）に示すフレネルレンズであっても良いし、図７（ｃ）に示すホログラムレンズであっても良い。

図８は、第２の実施の形態の光学式変位測定装置における回折格子面での像形状の一例を示す説明図である。第１の非点光学素子５１で可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を結像する方向は、図８（ａ）に示すように、回折格子１１Ｒの格子ベクトルＤ１、Ｄ２方向の軸に対して直交する方向に結像させても良い。また、第１の非点光学素子５１を可干渉光Ｌａの光軸を軸にして回転させることで、図８（ｂ）に示すように、回折格子１１Ｒの格子ベクトルＤ１、Ｄ２方向の軸に対して平行に結像させても良いし、図８（ｃ）に示すように、任意の角度を持たせても良い。

次に、本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｂの作用効果について説明する。ここで、回折格子１１Ｒに照射される可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２において、第１の非点光学素子５１で結像されない方向に関しては平行光である。平行光を回折格子１１Ｒに照射した場合の作用効果は、上述した第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａでの説明と同じため、ここでの説明は省略する。

照射受光光学系１５では、第１の非点光学素子５１の焦点距離を、反射光学系１６の第３の結像素子２７及び反射光学系１７の第４の結像素子３０の焦点距離と一致させ、第１の非点光学素子５１の焦点位置付近に回折格子１１Ｒが配置される。

回折格子１１Ｒに照射される可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２において、第１の非点光学素子５１で結像する方向のビーム形状は、回折格子１１Ｒの格子面１１ａ上で、楕円の像になる。そして、回折格子１１Ｒで回折されて１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２が生じる。

１回回折光Ｌｂ１の光路を形成する反射光学系１６では、回折格子１１Ｒが第３の結像素子２７の一方の焦点位置付近に配置され、反射器２６が第３の結像素子２７の他方の焦点位置付近に配置される。

１回回折光Ｌｂ２の光路を形成する反射光学系１７では、回折格子１１Ｒが第４の結像素子３０の一方の焦点位置付近に配置され、反射器２９が第４の結像素子３０の他方の焦点位置付近に配置される。

これにより、回折格子１１Ｒで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、第３の結像素子２７及び第４の結像素子３０によってコリメートされたビームとなり、反射器２６、２９に入射される。

このとき、反射器２６、２９の反射面上でのビーム形状は、回折格子１１Ｒの格子面１１ａ上に結像された像に対し、直交した楕円の像となる。反射器２６，２９によって反射された１回回折光Ｌｂ１、Ｌｂ２は、再び第３の結像素子２７及び第４の結像素子３０を通過し、回折格子１１Ｒに結像されて、回折格子１１Ｒによって２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２を生じる。このときの回折格子１１Ｒの格子面１１ａ上でのビームの像は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の照射によるビームの像と略同じになる。

回折格子１１Ｒで回折された２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ２２によって重ね合わされ、干渉する。２つの２回回折光Ｌｃ１、Ｌｃ２が干渉した干渉光Ｌｄは、第２の非点光学素子５２によってコリメートされたビームとなり、第２の結像素子２５で集光されて、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄの受光面上に結像される。

以上のような構成の第２の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｂでも、可動部分の移動に応じて回折格子１１Ｒ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。光学式変位測定装置１０Ｂでは、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１１Ｒの移動距離を検出する。

本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｂでは、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａと同様に、回折格子１１Ｒ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１１Ｒが傾いたり、回折格子１１Ｒにうねり等があった場合であっても、受光素子が検出する干渉信号が低下しない。

また、回折格子１１Ｒが、Ｚ方向に平行にシフトした場合でも、受光素子が検出する干渉信号が低下しない。従って、光学式変位測定装置１０Ｂでも、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、光学式変位測定装置１０Ｂでも、工作機械等の稼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、安定して位置検出ができる。

更に、回折格子１１Ｒの格子面１１ａ上のビーム径を特定方向のみに絞ることができ、例えば、回折格子１１Ｒの測定方向である格子ベクトルＤ１、Ｄ２に対して平行な楕円形状のビームにすることで、回折格子１１Ｒ上の異物による干渉信号低下の影響を少なくしつつも、回折格子１１Ｒの幅を狭くすることができる。これにより、測定対象として可動部に取り付けられる回折格子のコスト削減や、質量削減が達成できる。

なお、本発明の第２の実施の形態では、反射型の回折格子１１Ｒを適用した光学式変位測定装置１０Ｂに非点光学素子を備える構成としたが、透過型の回折格子１１Ｔを適用した光学式変位測定装置に非点光学素子を備える構成としても良い。

＜第３の実施の形態の光学式変位測定装置の構成例＞
図９は、本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図、図１０は、第３の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す模式的な斜視図である。

本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｃは、反射型の回折格子１１Ｒ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。また、光学式変位測定装置１０Ｃは、格子面１１ａに垂直な方向以外の方向から、回折格子１１Ｒに対して可干渉光が照射されるようにする。

ここで、回折格子１１Ｒ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１１Ｒの格子面１１ａに対し、同一面側にあるものとする。

図１１は、傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図である。図１２は、傾斜面ｍ３上に配置された構成要素を傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図である。図１３は、回折格子に入射される可干渉光及び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正面図である。

第３の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｃは、傾斜面ｍ２に可干渉光源１２と受光部１３と照射受光光学系１５が配置される。また、光学式変位測定装置１０Ｃは、傾斜面ｍ３に反射光学系１６と反射光学系１７が配置される。

照射受光光学系１５は、第１の結像素子２１と、偏光ビームスプリッタ２２と、反射器２３，２４と、第２の結像素子２５を備える。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、可干渉光Ｌａを偏光ビームスプリッタ２２で分割した可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の光路、及び回折格子１１Ｒで回折された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、各要素が配置される。これにより、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２、及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図１３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。

反射光学系１６は、反射器２６と第３の結像素子２７と１/４波長板２８を備え、回折格子１１Ｒが第３の結像素子２７の一方の焦点位置付近に配置される。また、反射器２６が第３の結像素子２７の他方の焦点位置付近に配置される。本例では、第３の結像素子２７の回折格子１１Ｒ側の焦点距離Ｆ１と、第３の結像素子２７の反射器２６側の焦点距離Ｆ２が略等しく構成される。

反射光学系１７は、反射器２９と第４の結像素子３０と１/４波長板３１を備え、回折格子１１Ｒが第４の結像素子３０の一方の焦点位置付近に配置される。また、反射器２９が第４の結像素子３０の他方の焦点位置付近に配置される。本例では、第４の結像素子３０の回折格子１１Ｒ側の焦点距離Ｆ３と、第４の結像素子３０の反射器２９側の焦点距離Ｆ４が略等しく構成され、かつ、第３の結像素子２７の焦点距離と第４の結像素子３０の焦点距離が等しく構成される。

反射光学系１６は、回折格子１１Ｒで回折され、反射器２６で反射されて往復する１回回折光Ｌｂ１の光路が傾斜面ｍ３上に形成されるように、各要素が配置される。反射光学系１７は、回折格子１１Ｒで回折され、反射器２９で反射されて往復する１回回折光Ｌｂ２の光路が傾斜面ｍ３上に形成されるように、各要素が配置される。これにより、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、図１３に示すように、格子ベクトル方向から見た回折角及び入射角がδとなっている。

受光部１３は、１/４波長板１３１と、ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄと、偏光子１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ，１３３ｄと、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄを備える。受光部１３としてこれら要素を備える構成では、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が偏光ビームスプリッタ２２で重ねられた干渉光Ｌｄの光路が傾斜面ｍ２上に形成されるので、この光路上に、少なくとも、１/４波長板１３１と、ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄが配置される。

次に、第３の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｃの作用効果について説明する。可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａは、第１の結像素子２１でコリメートされ、偏光ビームスプリッタ２２に入射される。

偏光ビームスプリッタ２２は、入射された可干渉光Ｌａを偏光方向の異なる２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。偏光ビームスプリッタ２２で反射した可干渉光Ｌａ１はＳ偏光の光で、偏光ビームスプリッタ２２を透過した可干渉光Ｌａ２はＰ偏光の光である。

反射器２３は、偏光ビームスプリッタ２２で反射した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１Ｒの格子面１１ａの所定の位置に照射する。反射器２４は、偏光ビームスプリッタ２２を透過した可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１Ｒ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、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。

可干渉光Ｌａ１は、回折格子１１Ｒに照射されることで回折し、１回回折光Ｌｂ１が生じる。可干渉光Ｌａ２は、回折格子１１Ｒに照射されることで回折し、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１３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、図１２に示すように、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。

反射光学系１６，１７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、各要素が配置されている。また、反射光学系１６，１７の反射器２６と反射器２９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角度に配置されている。

１回回折光Ｌｂ１は、反射器２６が第３の結像素子２７の焦点位置に配置されていることで、第３の結像素子２７で反射器２６に結像される。また、反射器２６で反射された１回回折光Ｌｂ１は、第３の結像素子２７でコリメートされて、回折格子１１Ｒに照射される。

１回回折光Ｌｂ２は、反射器２９が第４の結像素子３０の焦点位置に配置されていることで、第４の結像素子３０で反射器２９に結像される。また、反射器２９で反射された１回回折光Ｌｂ２は、第４の結像素子３０でコリメートされて、回折格子１１Ｒに照射される。

１回回折光Ｌｂ１は、反射器２６で反射されることで、１/４波長板２８を２回通過して回折格子１１Ｒに照射される。そのため、Ｓ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ１がＰ偏光の光に変換されて、回折格子１１Ｒに照射される。

また、１回回折光Ｌｂ２は、反射器２９で反射されることで、１/４波長板３１を２回通過して回折格子１１Ｒに照射される。そのため、Ｐ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ２がＳ偏光の光に変換されて、回折格子１１Ｒに照射される。

このように、反射光学系１６，１７から、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１Ｒに照射される。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、図１３に示すように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、図１２に示すようにβとなる。

１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１Ｒに照射されると、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、図１３に示すように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、図１２に示すようにαとなる。

従って、２回回折光Ｌｃ１は、反射器２３で反射され、可干渉光Ｌａ１と同じ光路を戻って偏光ビームスプリッタ２２に入射する。また、２回回折光Ｌｃ２は、反射器２４で反射され、可干渉光Ｌａ２と同じ光路を戻って偏光ビームスプリッタ２２に入射する。

偏光ビームスプリッタ２２に入射した２回回折光Ｌｃ１はＰ偏光の光で、偏光ビームスプリッタ２２を透過する。また、偏光ビームスプリッタ２２に入射した２回回折光Ｌｃ２はＳ偏光の光で、偏光ビームスプリッタ２２で反射する。

従って、偏光ビームスプリッタ２２に入射した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ２２により重ね合わされて干渉する。２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させた干渉光Ｌｄは、第２の結像素子２５を通過して集光され、受光部１３に入射する。

以上のような構成の光学式変位測定装置１０Ｃでは、可動部分の移動に応じて回折格子１１Ｒ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。光学式変位測定装置１０Ｃ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１１Ｒの移動位置を検出する。

本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｃ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１５を配置し、傾斜面ｍ３上に反射光学系１６，１７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、回折格子１１Ｒの格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系１５や反射光学系１６，１７に混入させることなく、１回回折光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。

光学式変位測定装置１０Ｃにおいて、０次回折光や反射光を照射受光光学系１５や反射光学系１６，１７に混入させないための条件は、以下の通りである。

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に照射されない程度に入射点間の距離を離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１Ｒに照射しても良い。

また、角度γと角度δが共に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に照射されない程度に入射点間の距離を離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１Ｒに照射する。

一方、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の入射点とを回折格子１１Ｒの格子面１１ａ上で同一の位置にできる。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１１Ｒ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１１Ｒ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。

＜第４の実施の形態の光学式変位測定装置の構成例＞
図１４は、第４の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す模式的な斜視図である。第４の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｄは、透過型の回折格子１１Ｔを備え、格子面１１ａに垂直な方向以外の方向から、回折格子１１Ｔに対して可干渉光が照射されるようにする。

ここで、回折格子１１Ｔ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。傾斜面ｍ３′は、傾斜面ｍ２に対して回折格子１１Ｔの格子面１１ａを挟んで反対側の面にある。

図１５は、傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′上に配置された構成要素を傾斜面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１６は、回折格子に入射される可干渉光及び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正面図である。

第４の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｄは、傾斜面ｍ２に可干渉光源１２と受光部１３と照射受光光学系１５が配置される。また、光学式変位測定装置１０Ｄは、傾斜面ｍ３′に反射光学系１６と反射光学系１７が配置される。

照射受光光学系１５は、第１の結像素子２１と、偏光ビームスプリッタ２２と、反射器２３，２４と、第２の結像素子２５を備える。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、可干渉光Ｌａを偏光ビームスプリッタ２２で分割した可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の光路、及び回折格子１１Ｔで回折された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、各要素が配置される。これにより、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２、及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図１６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。

反射光学系１６は、反射器２６と第３の結像素子２７と１/４波長板２８を備え、回折格子１１Ｔが第３の結像素子２７の一方の焦点位置付近に配置される。また、反射器２６が第３の結像素子２７の他方の焦点位置付近に配置される。本例では、第３の結像素子２７の回折格子１１Ｔ側の焦点距離Ｆ１と、第３の結像素子２７の反射器２６側の焦点距離Ｆ２が略等しく構成される。

反射光学系１７は、反射器２９と第４の結像素子３０と１/４波長板３１を備え、回折格子１１Ｔが第４の結像素子３０の一方の焦点位置付近に配置される。また、反射器２９が第４の結像素子３０の他方の焦点位置付近に配置される。本例では、第４の結像素子３０の回折格子１１Ｔ側の焦点距離Ｆ３と、第４の結像素子３０の反射器２９側の焦点距離Ｆ４が略等しく構成され、かつ、第３の結像素子２７の焦点距離と第４の結像素子３０の焦点距離が等しく構成される。

反射光学系１６は、回折格子１１Ｔで回折され、反射器２６で反射されて往復する１回回折光Ｌｂ１の光路が傾斜面ｍ３′上に形成されるように、各要素が配置される。反射光学系１７は、回折格子１１Ｔで回折され、反射器２９で反射されて往復する１回回折光Ｌｂ２の光路が傾斜面ｍ３′上に形成されるように、各要素が配置される。これにより、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２は、図１６に示すように、格子ベクトル方向から見た回折角及び入射角がδとなっている。

受光部１３は、１/４波長板１３１と、ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄと、偏光子１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ，１３３ｄと、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄを備える。受光部１３としてこれら要素を備える構成では、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が偏光ビームスプリッタ２２で重ねられた干渉光Ｌｄの光路が傾斜面ｍ２上に形成されるので、この光路上に、少なくとも、１/４波長板１３１と、ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄが配置される。

次に、第４の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｄの作用効果について説明する。可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａは、第１の結像素子２１でコリメートされ、偏光ビームスプリッタ２２に入射される。

偏光ビームスプリッタ２２は、入射された可干渉光Ｌａを偏光方向の異なる２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。偏光ビームスプリッタ２２で反射した可干渉光Ｌａ１はＳ偏光の光で、偏光ビームスプリッタ２２を透過した可干渉光Ｌａ２はＰ偏光の光である。

反射器２３は、偏光ビームスプリッタ２２で反射した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１Ｔの格子面１１ａの所定の位置に照射する。反射器２４は、偏光ビームスプリッタ２２を透過した可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１Ｔ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、傾斜面ｍ２上における入射角が、図１５に示すように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。

可干渉光Ｌａ１は、回折格子１１Ｔに照射されることで回折し、１回回折光Ｌｂ１が生じる。可干渉光Ｌａ２は、回折格子１１Ｔに照射されることで回折し、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１６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、図１５に示すように、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。

反射光学系１６，１７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、各要素が配置されている。また、反射光学系１６，１７の反射器２６と反射器２９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角度に配置されている。

１回回折光Ｌｂ１は、反射器２６が第３の結像素子２７の焦点位置に配置されていることで、第３の結像素子２７で反射器２６に結像される。また、反射器２６で反射された１回回折光Ｌｂ１は、第３の結像素子２７でコリメートされて、回折格子１１Ｔに照射される。

１回回折光Ｌｂ２は、反射器２９が第４の結像素子３０の焦点位置に配置されていることで、第４の結像素子３０で反射器２９に結像される。また、反射器２９で反射された１回回折光Ｌｂ２は、第４の結像素子３０でコリメートされて、回折格子１１Ｔに照射される。

１回回折光Ｌｂ１は、反射器２６で反射されることで、１/４波長板２８を２回通過して回折格子１１Ｔに照射される。そのため、Ｓ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ１がＰ偏光の光に変換されて、回折格子１１Ｔに照射される。

また、１回回折光Ｌｂ２は、反射器２９で反射されることで、１/４波長板３１を２回通過して回折格子１１Ｔに照射される。そのため、Ｐ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ２がＳ偏光の光に変換されて、回折格子１１Ｔに照射される。

このように、反射光学系１６，１７から、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１Ｔに照射される。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、図１６に示すように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、図１５に示すようにβとなる。

１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１Ｔに照射されると、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、図１６に示すように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、図１５に示すようにαとなる。

従って、２回回折光Ｌｃ１は、反射器２３で反射され、可干渉光Ｌａ１と同じ光路を戻って偏光ビームスプリッタ２２に入射する。また、２回回折光Ｌｃ２は、反射器２４で反射され、可干渉光Ｌａ２と同じ光路を戻って偏光ビームスプリッタ２２に入射する。

偏光ビームスプリッタ２２に入射した２回回折光Ｌｃ１はＰ偏光の光で、偏光ビームスプリッタ２２を透過する。また、偏光ビームスプリッタ２２に入射した２回回折光Ｌｃ２はＳ偏光の光で、偏光ビームスプリッタ２２で反射する。

従って、偏光ビームスプリッタ２２に入射した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、偏光ビームスプリッタ２２により重ね合わされて干渉する。２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させた干渉光Ｌｄは、第２の結像素子２５を通過して集光され、受光部１３に入射する。

以上のような構成の光学式変位測定装置１０Ｄでは、可動部分の移動に応じて回折格子１１Ｔ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。光学式変位測定装置１０Ｄ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１１Ｔの移動位置を検出する。

本発明の第４の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ｄ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１５を配置し、傾斜面ｍ３′上に反射光学系１６，１７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、回折格子１１Ｔの格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系１５や反射光学系１６，１７に混入させることなく、１回回折光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。

光学式変位測定装置１０Ｄにおいて、０次回折光や反射光を照射受光光学系１５や反射光学系１６，１７に混入させないための条件は、以下の通りである。

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に照射されない程度に入射点間の距離を離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１Ｔに照射しても良い。

また、角度γと角度δが共に０である場合には、角度αと角度βとを等しくしても良いし、角度αと角度βとを異ならせても良い。α＝βの場合もα≠βの場合も共に、０次回折光が受光素子に照射されない程度に入射点間の距離を離して、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１Ｔに照射する。

一方、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の入射点とを回折格子１１Ｔの格子面１１ａ上で同一の位置にできる。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１１Ｔ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１１Ｔ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。

以下具体的に、回折格子１１（Ｔ，Ｒ）に厚みのむらがあった場合の影響について説明する。上述した（１）式で、δは、重ね合わせる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（Ｔ，Ｒ）が移動していなくても干渉信号の強度Ｉが変動し、誤差要因となる。

図１７は、回折格子を通過する光の光路長を示す説明図、図１８は、厚みにむらがある回折格子を通過する２本の光の光路長の差を示す説明図である。

例えば、図１７に示すような、ガラス１１ｇの内部に格子１１ｂが設けられた透過型の回折格子１１Ｔに厚みのむらがある場合について考える。ガラス１１ｇの屈折率をｎとし、レーザ光Ｌｘがガラス１１ｇ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、レーザ光Ｌｘが回折格子１１Ｔ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１１Ｔを通過する際の光路長は、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１１Ｔのガラス１１ｇの厚さが変化して、レーザ光Ｌｘがガラス１１ｇ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、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、光路長は倍の２（ｎ−１）ΔＬだけ変化することになる。

このことを踏まえ、例えば、図１８に示すように、一方のレーザ光Ｌｘ１は回折格子１１Ｔ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１Ｔ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、上述した（１）式で示したδが｛（ｎ−１）ΔＬ｝・２π／λ（λは、レーザ光の波長）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となる。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。

なお、以上透過型の回折格子１１Ｔを例にとって説明したが、反射型の回折格子１１Ｒ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。

このように、回折格子１１（Ｔ，Ｒ）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。

そのため、この光学式変位測定装置１０Ｃ，１０Ｄ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１５を配置し、傾斜面ｍ３または傾斜面ｍ３′上に反射光学系１６，１７を配置する。そして、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを回折格子１１Ｔ，１１Ｒ上の同一点に入射することにより、回折格子１１Ｔ，１１Ｒ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、更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１１Ｔ，１１Ｒ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１１Ｔ，１１Ｒ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。

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（６）式、（７）式に示すようになる。

ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｍλ/ｄ ・・・（６）
ｄ：回折格子のピッチ
λ：光の波長
ｍ：回折次数
ｓｉｎＹ/ｓｉｎδ＝ｃｏｓβ/ｃｏｓα・・・（７）

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。

＜各実施の形態の光学式変位測定装置の変形例＞
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について説明した。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（Ｔ，Ｒ）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。

図１９は、回折格子の変形例を示す構成図で、例えば、図１９に示すように、放射状に格子が設けられた回折格子１１Ｃ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１１Ｃを用いることにより、所謂ロータリーエンコーダーとして、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。

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（Ｔ，Ｒ）を工作機械等の可動部分に取り付けて、この回折格子１１（Ｔ，Ｒ）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反射光学系と、回折格子１１（Ｔ，Ｒ）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反射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。

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。

図２０は、各実施の形態の光学式変位測定装置の変形例を示す構成図である。上述したように、各実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａ〜１０Ｄでは、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を偏光ビームスプリッタ２２で重ね合わせた干渉光Ｌｄを、第２の結像素子２５を用いて受光面に結像させており、受光面におけるビームのケラレが生じない。

これにより、干渉光Ｌｄを光ファイバ等に結合させることができ、受光部を光学式変位測定装置１０Ａ〜１０Ｄから切り離すことが可能になる。

図２０に示す変形例の光学式変位測定装置１０Ａ（１）は、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａにおいて、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄを、光ファイバ６１で測定装置本体１００に接続すると共に、可干渉光源１２を、光ファイバ６２で測定装置本体１００に接続した構成である。

変形例の光学式変位測定装置１０Ａ（１）は、可干渉光源１２と、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄと、光学素子７１等を有した光モジュール７２を備える。光モジュール７２は、可干渉光源１２から出射された可干渉光Ｌａを、レンズ等の光学素子７１で光ファイバ６２の端面に結像させて、可干渉光源１２と光ファイバ６２を光学的に結合する。

また、光モジュール７２は、光ファイバ６１から出射された干渉光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３，Ｌｄ４を、それぞれレンズ等の光学素子７１で受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄの受光面に結像させて、受光素子１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄと光ファイバ６１を光学的に結合する。

なお、一列に配置されたビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄで干渉光Ｌｄを４分割する構成では、第２の結像素子２５と各ビームスプリッタとの距離の違いに応じて、各ビームスプリッタから第２の結像素子２５の焦点位置までの距離が異なる。

このため、ビームスプリッタ１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄで４分割された干渉光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３，Ｌｄ４を光ファイバ６１に結合させる構成では、各光ファイバ６１の端面位置を、各ビームスプリッタから第２の結像素子２５の焦点位置までの距離に合わせてずらして配置する。これにより、各光ファイバ６１の端面でビームのケラレが生じないようにすることができる。

変形例の光学式変位測定装置１０Ａ（１）では、工作機械等の可動部分に取り付けられる回折格子１１Ｔと、干渉光Ｌｄを得る各種光学要素を備えた測定装置本体１００と、光電変換を行う光モジュール７２を光ファイバで接続して分離することで、電気信号の処理を行う位置検出部等と光モジュール７２を近接して実装することができる。

これにより、電気通信部を短くすることができ、更に高速な位置検出ができる。なお、他の実施の形態の光学式変位測定装置でも、可干渉光源と受光素子の双方、または一方を光ファイバで接続する構成とすることができる。

図２１は、各実施の形態の光学式変位測定装置の他の変形例を示す構成図である。他の変形例の光学式変位測定装置１０Ａ（２）は、第１の実施の形態の光学式変位測定装置１０Ａにおいて、色消しレンズで構成された第１の結像素子２１ａを備えると共に、色消しレンズで構成された第３の結像素子２７ａと第４の結像素子３０ａを備える。

色消しレンズは色消し光学素子の一例で、色消しレンズは、例えば、分散の比較的小さいクラウンガラスで構成される凸レンズと、分散の大きいフリントガラスで構成される凹レンズを貼り合わせたものである。

第３の結像素子２７ａと第４の結像素子３０ａを色消しレンズで構成すれば、温度変化等による可干渉光源１２での波長変動に対する焦点位置の変動を抑えることができる。また、第１の結像素子２１ａを色消しレンズで構成すれば、温度変化等による可干渉光の波長変動に対する焦点位置の変動を抑えることができる。なお、他の実施の形態の光学式変位測定装置でも、第１の結像素子と第３の結像素子及び第４の結像素子の双方、または一方を色消しレンズで構成することができる。

本発明は、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置に適用される。

発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。 本発明の各実施の形態の光学式変位測定装置で用いられる回折格子の一例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の光学式変位測定装置における可干渉光及び回折光の光路を示す説明図である。 回折格子の変位と光路の関係を示す動作説明図である。 回折格子の変位と光路の関係を示す動作説明図である。 本発明の第２の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。 非点光学素子の一例を示す斜視図である。 第２の実施の形態の光学式変位測定装置における回折格子面での像形状の一例を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す構成図である。 第３の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す模式的な斜視図である。 傾斜面ｍ２上に配置された構成要素を傾斜面ｍ２に対して垂直な方向から見た側面図である。 傾斜面ｍ３上に配置された構成要素を傾斜面ｍ３に対して垂直な方向から見た側面図である。 回折格子に入射される可干渉光及び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正面図である。 第４の実施の形態の光学式変位測定装置の一例を示す模式的な斜視図である。 傾斜面ｍ２及び傾斜面ｍ３′上に配置された構成要素を傾斜面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。 回折格子に入射される可干渉光及び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正面図である。 回折格子を通過する光の光路長を示す説明図である。 厚みにむらがある回折格子を通過する２本の光の光路長の差を示す説明図である。 回折格子の変形例を示す構成図である。 各実施の形態の光学式変位測定装置の変形例を示す構成図である。 各実施の形態の光学式変位測定装置の他の変形例を示す構成図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ・・・光学式変位測定装置、１１Ｔ，１１Ｒ・・・回折格子、１２・・・可干渉光源、１３・・・受光部、１４・・・位置検出部、１５・・・照射受光光学系、１６，１７・・・反射光学系、２１・・・第１の結像素子、２２・・・偏光ビームスプリッタ、２３，２４・・・反射器、２５・・・第２の結像素子、２６，２９・・・反射器、２７・・・第３の結像素子，３０・・・第４の結像素子、２９，３１・・・１/４波長板

Claims (12)

1. 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部と、
   前記発光部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、前記回折格子に各可干渉光を照射し、２つの１回回折光を生じさせると共に、２つの１回回折光を前記回折格子により回折させて生じさせた２つの２回回折光を干渉させる照射受光光学系と、
   ２つの可干渉光を前記回折格子により回折させて生じさせた２つの１回回折光をそれぞれ反射して、前記回折格子に２つの１回回折光を照射する反射光学系と、
   前記照射受光光学系により２つの２回回折光を干渉させた干渉光を受光して干渉信号を検出する受光部とを備え、
   前記照射受光光学系は、前記発光部により発光された可干渉光を集光する第１の結像素子を備えると共に、前記回折格子で回折された２回回折光を前記受光部に結像する第２の結像素子を備え、
   前記反射光学系は、前記回折格子により回折させて生じさせた２つの１回回折光の一方を反射して、前記回折格子に照射する一方の反射器と前記回折格子の間に第３の結像素子を備えると共に、２つの１回回折光の他方を反射して、前記回折格子に照射する他方の反射器と前記回折格子の間に第４の結像素子を備え、
   前記第３の結像素子と前記第４の結像素子の焦点距離が等しく、かつ、前記回折格子を前記第３の結像素子及び前記第４の結像素子の一方の焦点位置に配置し、一方の前記反射器を前記第３の結像素子の他方の焦点位置に配置し、他方の前記反射器を前記第４の結像素子の他方の焦点位置に配置した光学式変位測定装置。
2. 前記第１の結像素子は、前記発光部により発光された可干渉光を平行光にする光学素子を備えた請求項１記載の光学式変位測定装置。
3. 前記照射受光光学系は、前記回折格子の格子面に垂直な方向以外の方向から、前記回折格子に対して各干渉光を照射する請求項２記載の光学式変位測定装置。
4. 前記第１の結像素子と前記回折格子の間に非点光学素子を備えた請求項２記載の光学式変位測定装置。
5. 前記非点光学素子の焦点距離を、前記第３の結像素子及び前記第４の結像素子の焦点距離と一致させ、前記第３の結像素子及び前記第４の結像素子の一方の焦点位置付近で、かつ、前記非点光学素子の焦点位置付近に前記回折格子を配置した請求項４記載の光学式変位測定装置。
6. 前記照射受光光学系は、可干渉光を偏光方向が異なる２つの可干渉光に分割すると共に、偏光方向が異なる２つの２回回折光を重ね合わせる偏光ビームスプリッタを備え、
   前記受光部は、前記偏光ビームスプリッタにより重ね合わせた２つの２回回折光を互いに逆方向の円偏光に変換する波長板と、
   円偏光に変換された２つの２回回折光を４分割する光分割素子と、
   前記光分割素子で４分割された円偏光同士の合成波それぞれに異なる光学軸を持たせる偏光子と、
   前記光分割素子で４分割され、前記偏光子で光学軸が異ならせられたそれぞれの光を受光する受光素子を備え、
   前記受光素子で電気信号に変換される２回回折光の干渉強度の差動出力を求め、前記回折格子の相対移動位置を検出する位置検出部を備えた請求項２記載の光学式変位測定装置。
7. 前記回折格子は、透過型または反射型である請求項２記載の光学式変位測定装置。
8. 前記回折格子は、放射状に格子が形成されている請求項２記載の光学式変位測定装置。
9. 前記第３及び第４の結像素子は、波長変動に対する焦点の変動を抑える色消し光学素子によって構成された請求項２記載の光学式変位測定装置。
10. 前記第１の結像素子は、可干渉光の波長変動に対する焦点の変動を抑える色消し光学素子によって構成された請求項２記載の光学式変位測定装置。
11. ２回回折光を４分割する前記光分割素子と前記受光素子の間に光ファイバを配置し、前記第２の結像素子は、２回回折光を前記光ファイバの端部に結像させる請求項２記載の光学式変位測定装置。
12. 前記発光部から出射される可干渉光を、光ファイバによって前記照射受光光学系に供給する請求項１１記載の光学式変位測定装置。

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