JP5984555B2 - Displacement detector - Google Patents

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Description

本発明は、光源から出射された光を用いた非接触センサによって被測定面の変位を検出する変位検出装置に関し、詳しくは被測定面の垂直な方向の変位を検出する技術に係わる。   The present invention relates to a displacement detection device that detects a displacement of a surface to be measured by a non-contact sensor using light emitted from a light source, and more particularly to a technique for detecting a displacement in a vertical direction of the surface to be measured.

従来から、被測定面の変位や形状を非接触で測定する装置として光を用いた変位検出装置が広く利用されている。代表的な例としては、レーザ光を被測定面に照射し、反射光の位置の変化をPSDで検出する方法がある。しかしながら、この方法では、被測定面の傾きの影響を受けやすく、感度が低く、測定範囲を広げると測定の分解能が落ちるという問題があった。   Conventionally, a displacement detection device using light has been widely used as a device for measuring the displacement and shape of a surface to be measured in a non-contact manner. As a typical example, there is a method of irradiating a surface to be measured with laser light and detecting a change in position of reflected light by PSD. However, this method has a problem in that it is easily affected by the inclination of the surface to be measured, the sensitivity is low, and the measurement resolution decreases when the measurement range is expanded.

これに対し、被測定面をミラーとしてマイケルソンの干渉計を使用する方法がある。この方法は、検出範囲が広く、直線性に優れるが、測定範囲が広がると光源の波長の変化と空気の屈折率の変化を受ける。   On the other hand, there is a method using a Michelson interferometer with the surface to be measured as a mirror. This method has a wide detection range and excellent linearity. However, when the measurement range is widened, the method receives a change in the wavelength of the light source and a change in the refractive index of the air.

一方、光源から出射した光を対物レンズで被測定面に集光し、被測定面で反射した反射光を非点光学素子で集光して受光素子に入射させて、非点収差法によりフォーカスエラー信号を生成する。そして、フォーカスエラー信号を用いてサーボ機構を駆動させ、対物レンズの焦点位置が被測定面となるように対物レンズを変位させる。このとき、対物レンズに連結部材を介して一体的に取り付けられたリニアスケールの目盛を読み取ることで、被測定面の変位を検出する方式がある(例えば、特許文献1を参照)。この方法では、被測定面の傾きの変化を受けにくく、大きな測定範囲を高い分解能で計測できるメリットがあった。   On the other hand, the light emitted from the light source is condensed on the surface to be measured by the objective lens, and the reflected light reflected by the surface to be measured is condensed by the astigmatic optical element and incident on the light receiving element, and then focused by the astigmatism method. Generate an error signal. Then, the servo mechanism is driven using the focus error signal, and the objective lens is displaced so that the focal position of the objective lens becomes the surface to be measured. At this time, there is a method of detecting the displacement of the surface to be measured by reading a scale of a linear scale that is integrally attached to the objective lens via a connecting member (for example, see Patent Document 1). This method has an advantage that it is difficult to receive a change in the inclination of the surface to be measured, and a large measurement range can be measured with high resolution.

特許文献1に開示された変位検出装置では、変位検出の高精度化を図るために、対物レンズの開口数(NA:Numerical Aperture)を大きくして被測定面に集光させるビーム径を小さくしている。例えば、被測定面に結像されるビーム径を2μm程度にすると、リニアスケールの検出精度は、数nm〜100数nm程度になる。   In the displacement detection device disclosed in Patent Document 1, in order to increase the accuracy of displacement detection, the numerical aperture (NA: Numerical Aperture) of the objective lens is increased to reduce the beam diameter focused on the surface to be measured. ing. For example, when the beam diameter formed on the surface to be measured is about 2 μm, the detection accuracy of the linear scale is about several nm to several hundred nm.

特開平5−89480号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-89480

しかしながら、従来の特許文献1に記載された変位検出装置では、例えば磁石とコイルを用いたアクチュエータ等のような駆動機構により対物レンズをその光軸方向に上下運動させている。そのため、アクチュエータの構造や質量によって対物レンズの上下運動のメカ的な応答周波数が制限されていた。その結果、特許文献1に記載された変位検出装置では、高速で振動する被測定物の計測は難しかった。また、検出点を絞れる反面、被測定物上の異物やビーム形状に近い細かな形状変化の影響を受け、大きな誤差を発生する、という問題があり、その使用条件に制約が生じてしまっていた。   However, in the conventional displacement detection apparatus described in Patent Document 1, the objective lens is moved up and down in the optical axis direction by a drive mechanism such as an actuator using a magnet and a coil. Therefore, the mechanical response frequency of the vertical movement of the objective lens is limited by the structure and mass of the actuator. As a result, with the displacement detection device described in Patent Document 1, it was difficult to measure an object to be measured that vibrates at high speed. In addition, while the detection point can be narrowed down, there is a problem that a large error occurs due to the influence of a foreign object on the object to be measured and a fine shape change close to the beam shape, and the use conditions are limited. .

本発明の目的は、高精度に被測定部材の高さ方向の変位を検出でき、高速で安定した計測が可能な変位検出装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a displacement detection device that can detect a displacement in a height direction of a member to be measured with high accuracy and can perform stable measurement at high speed.

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、光を照射する光源と、光束分割部と、透過型の回折格子と、反射部と、光束結合部と、受光部と、光路補正部材と、相対位置情報出力手段と、を備えている。
光束分割部は、光源から出射された光を被測定部材に入射させる第1の光束と、参照光となる第2の光束に分割する。
回折格子は、光束分割部によって分割され、かつ被測定部材の被測定面によって反射された第1の光束を回折し、回折した第1の光束を再び被測定部材の被測定面に入射させる。
反射部は、光束分割部によって分割された第2の光束を反射する。
光束結合部は、回折格子によって回折され、かつ被測定面によって再び反射された第1の光束と、反射部によって反射された第2の光束を重ね合わせる。
受光部は、光束結合部により重ね合わされた第1の光束及び第2の光束の干渉光を受光する。
光路補正部材は、光束結合部と被測定部材の間に設けられ、被測定部材がチルトして進行方向が傾いた第1の光束と、第2の光束とが、光束結合部において略平行を保つように、第1の光束の光路を補正する。
相対位置情報出力手段は、受光部により受光した干渉光の干渉信号に基づいて被測定面の高さ方向の変位情報を出力する。

In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a displacement detection device of the present invention includes a light source for irradiating light, a light beam splitting unit, a transmission type diffraction grating, a reflecting unit, and a light beam coupling unit. A light receiving portion, an optical path correction member, and a relative position information output means.
The light beam splitting unit splits the light emitted from the light source into a first light beam that enters the member to be measured and a second light beam that serves as reference light.
The diffraction grating diffracts the first light beam divided by the light beam dividing unit and reflected by the surface to be measured of the member to be measured, and again causes the diffracted first light beam to enter the surface to be measured of the member to be measured.
The reflecting unit reflects the second light beam divided by the light beam dividing unit.
The light beam coupling unit superimposes the first light beam diffracted by the diffraction grating and reflected again by the measurement surface with the second light beam reflected by the reflecting unit.
The light receiving unit receives the interference light of the first light beam and the second light beam superimposed by the light beam coupling unit.
The optical path correcting member is provided between the light beam coupling portion and the member to be measured, and the first light beam and the second light beam whose traveling direction is tilted and the traveling direction is inclined are substantially parallel at the light beam coupling portion. The optical path of the first light flux is corrected so as to keep it.
The relative position information output means outputs displacement information in the height direction of the surface to be measured based on the interference signal of the interference light received by the light receiving unit.

また、第1の光束における光束分割部から光束結合部までの光路長と、第2の光束における光束分割部から光束結合部までの光路長を略等しく設定する。   In addition, the optical path length from the light beam splitting unit to the light beam combining unit in the first light beam and the optical path length from the light beam splitting unit to the light beam combining unit in the second light beam are set to be approximately equal.

本発明の変位検出装置によれば、従来のような駆動機構を必要としないので、使用時に発生する熱を抑制できる。さらに、駆動機構を駆動させる必要が無いので、応答周波数といった問題も解消され、使用条件を広くすることができる。   According to the displacement detection device of the present invention, since a conventional driving mechanism is not required, heat generated during use can be suppressed. Furthermore, since there is no need to drive the drive mechanism, the problem of response frequency can be solved and the use conditions can be widened.

さらに、光路補正部材を設けたことで、被測定面が傾いた場合でも、干渉信号が変化し難く安定した測定を行うことができる。   Furthermore, by providing the optical path correction member, even when the surface to be measured is inclined, the interference signal hardly changes and stable measurement can be performed.

また、第1の光束の光路長と第2の光束の光路長の長さを等しく設定しているため、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長変動があったとしても、第1の光束及び第2の光束が受ける影響を等しくすることができる。その結果、気圧補正や湿度補正、温度補正を行う必要がなく、安定した計測が可能となる。   In addition, since the optical path length of the first light beam and the optical path length of the second light beam are set to be equal, even if there is a wavelength variation of the light source due to changes in atmospheric pressure, humidity, or temperature, the first light beam And the influence which the 2nd light beam receives can be made equal. As a result, it is not necessary to perform atmospheric pressure correction, humidity correction, and temperature correction, and stable measurement is possible.

本発明の変位検出装置の第1の実施の形態例の構成を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the 1st Embodiment of the displacement detection apparatus of this invention. 本発明の変位検出装置の第1の実施の形態例にかかる要部を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principal part concerning the 1st Example of the displacement detection apparatus of this invention. 本発明の変位検出装置の第1の実施の形態例にかかる相対位置情報出力手段を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the relative position information output means concerning the 1st Example of the displacement detection apparatus of this invention. 2つの照射スポットにおける高さ方向の位置が異なる方向に被測定部材がチルトした状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which the to-be-measured member tilted in the direction from which the position of the height direction in two irradiation spots differs. 2つの照射スポットを結ぶ線と略平行な線を中心に被測定部材がチルトした状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which the to-be-measured member tilted centering on the line substantially parallel to the line | wire which connects two irradiation spots. 本発明の変位検出装置の第1の実施の形態例における光路補正部材の作用について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the effect | action of the optical path correction member in the 1st Example of the displacement detection apparatus of this invention. 本発明の変位検出装置における絞り部材を示す正面図である。It is a front view which shows the aperture member in the displacement detection apparatus of this invention. 絞り部材の作用を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the effect | action of an aperture member. 本発明の変位検出装置の第2の実施の形態例の構成を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the 2nd Example of the displacement detection apparatus of this invention. 本発明の変位検出装置の第2の実施の形態例における光源周りの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure around the light source in the 2nd Example of the displacement detection apparatus of this invention. 本発明の変位検出装置の第3の実施の形態例における光源周りの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure around the light source in the 3rd Embodiment of the displacement detection apparatus of this invention. 本発明の変位検出装置の第4の実施の形態例における光源周りの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure around the light source in the 4th Example of the displacement detection apparatus of this invention.

以下、本発明の変位検出装置の実施の形態例について、図1〜図12を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。
また、以下の説明において記載される各種のレンズは、単レンズであってもよいし、レンズ群であってもよい。
Embodiments of the displacement detection device of the present invention will be described below with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common member in each figure. The present invention is not limited to the following form.
Further, the various lenses described in the following description may be a single lens or a lens group.

1.変位検出装置の第1の実施の形態例
まず、本発明の変位検出装置の第1の実施の形態例(以下、「本例」という。)の構成を図1〜図6に従って説明する。
1. First Embodiment of Displacement Detection Device First, the configuration of a first embodiment (hereinafter referred to as “this example”) of a displacement detection device of the present invention will be described with reference to FIGS.

1−1.変位検出装置の構成例
図1は、変位検出装置の構成を示す概略構成図、図2は、変位検出装置の要部を示す説明図、図3は、変位検出装置における相対位置情報出力手段の概略構成を示すブロック図である。
1-1. Configuration Example of Displacement Detection Device FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a displacement detection device, FIG. 2 is an explanatory diagram showing a main part of the displacement detection device, and FIG. 3 is a diagram of relative position information output means in the displacement detection device. It is a block diagram which shows schematic structure.

本例の変位検出装置1は、回折格子を用いて、被測定面における垂直な方向の変位を検出することができる変位検出装置である。図1に示すように、変位検出装置1は、光源2と、光源から出射される光を2つの光束に分割する光束分割部3と、回折格子4と、反射部の一例を示すミラー6と、受光部8とを有している。また、変位検出装置1は、第1の収束レンズ5Aと、第2の収束レンズ5Bと、第1の光路補正部材7Aと、第2の光路補正部材7Bと、光束結合部14と、被測定部材9の被測定面の直交する方向、すなわち高さ方向の相対位置情報(変位情報)を出力する相対位置情報出力手段10を備えている。   The displacement detection device 1 of this example is a displacement detection device that can detect a displacement in a vertical direction on a surface to be measured using a diffraction grating. As shown in FIG. 1, the displacement detection device 1 includes a light source 2, a light beam dividing unit 3 that divides light emitted from the light source into two light beams, a diffraction grating 4, and a mirror 6 that illustrates an example of a reflecting unit. And a light receiving portion 8. Further, the displacement detection apparatus 1 includes a first convergent lens 5A, a second convergent lens 5B, a first optical path correction member 7A, a second optical path correction member 7B, a light beam coupling portion 14, and a device under measurement. Relative position information output means 10 is provided for outputting relative position information (displacement information) in the direction orthogonal to the surface to be measured of the member 9, that is, in the height direction.

光源2には、可干渉光源として、例えば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、ガスレーザ、固体レーザ、発光ダイオード等が挙げられる。   Examples of the coherent light source in the light source 2 include a laser diode, a super luminescence diode, a gas laser, a solid-state laser, and a light emitting diode.

光源2として、可干渉距離が長い光源を用いると、被測定部材9の被測定面のチルト等による物体光と参照光の光路長差の影響を受けにくくチルト許容範囲が広くなる。また、光源2の可干渉距離が短くなるほど、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぐことができ、高精度な計測をすることができる。   When a light source having a long coherence distance is used as the light source 2, the tilt tolerance is widened because the light source 2 is not easily affected by the difference in the optical path length between the object light and the reference light due to the tilt of the measurement surface of the member 9 to be measured. In addition, as the coherence distance of the light source 2 is shortened, noise due to unnecessary stray light interference can be prevented, and highly accurate measurement can be performed.

さらに、光源2として、シングルモードのレーザを用いると、波長を安定させるために、光源2の温度をコントロールすることが望ましい。また、シングルモードのレーザの光に、高周波重畳などを付加して、光の可干渉性を低下させてもよい。さらに、マルチモードのレーザを用いる場合も、ペルチェ素子等で光源2の温度をコントロールすることで、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぎ、さらに安定した計測が可能になる。   Furthermore, when a single mode laser is used as the light source 2, it is desirable to control the temperature of the light source 2 in order to stabilize the wavelength. In addition, high-frequency superimposition or the like may be added to the light of the single mode laser to reduce the coherence of the light. Further, even when a multi-mode laser is used, by controlling the temperature of the light source 2 with a Peltier element or the like, noise due to unnecessary interference of stray light can be prevented and more stable measurement can be performed.

この光源2から出射されたS偏光の光は、無偏光ビームスプリッタである光束分割部3に入射する。なお。光源2と光束分割部3の間には、コリメートレンズ等からなるレンズ11が配置されている。レンズ11は、光源2から出射された光を平行光にコリメートする。そのため、光束分割部3には、レンズ11により平行光にコリメートされた光が入射される。   The S-polarized light emitted from the light source 2 enters the light beam splitting unit 3 that is a non-polarizing beam splitter. Note that. Between the light source 2 and the light beam splitting unit 3, a lens 11 made of a collimator lens or the like is disposed. The lens 11 collimates the light emitted from the light source 2 into parallel light. Therefore, the light collimated to the parallel light by the lens 11 enters the light beam splitting unit 3.

光束分割部3は、コリメートされた光を物体光である第1の光束L1と、参照光である第2の光束L2に分割する。第1の光束L1は、被測定部材9に照射され、第2の光束L2は、ミラー6に照射される。また、光束分割部3と被測定部材9の間には、第1の収束レンズ5Aが配置され、光束分割部3とミラー6の間には、第2の収束レンズ5Bが配置されている。   The light beam splitting unit 3 splits the collimated light into a first light beam L1 that is object light and a second light beam L2 that is reference light. The first light beam L1 is applied to the member 9 to be measured, and the second light beam L2 is applied to the mirror 6. Further, a first convergent lens 5A is disposed between the light beam splitting unit 3 and the member 9 to be measured, and a second convergent lens 5B is disposed between the light beam splitting unit 3 and the mirror 6.

図1Bに示すように、第1の収束レンズ5A及び第2の収束レンズ5Bは、後述する第1の方向X及び光軸方向Zで形成される平面内において曲率を有するシリンドリカルレンズである。そして、第1の収束レンズ5A及び第2の収束レンズ5Bは、第1の光束L1及び第2の光束L2を第1の方向Xのみ集光することができる。そして、第1の収束レンズ5Aは、第1の光束L1を平行光から収束光に収束し、第2の収束レンズ5Bは、第2の光束L2を平行光から収束光に収束する。   As shown in FIG. 1B, the first converging lens 5A and the second converging lens 5B are cylindrical lenses having a curvature in a plane formed by a first direction X and an optical axis direction Z described later. The first converging lens 5A and the second converging lens 5B can condense the first light beam L1 and the second light beam L2 only in the first direction X. The first converging lens 5A converges the first light beam L1 from the parallel light to the converging light, and the second converging lens 5B converges the second light beam L2 from the parallel light to the converging light.

なお、本例では、第1の収束レンズ5A及び第2の収束レンズ5Bとしてシリンドリカルレンズを用いた例を説明したが、これに限定されるものではない。第1の収束レンズ5A及び第2の収束レンズ5Bとしては、第1の光束L1及び第2の光束L2を所定の方向のみに収束し、平行光から収束光へ変換できるものであればよい。   In this example, the example in which cylindrical lenses are used as the first converging lens 5A and the second converging lens 5B has been described. However, the present invention is not limited to this. The first converging lens 5A and the second converging lens 5B are not particularly limited as long as they can converge the first light beam L1 and the second light beam L2 only in a predetermined direction and convert the parallel light into convergent light.

また、光源2と光束分割部3との間に偏光板を設けてもよい。これにより、それぞれの偏光に対して直行した偏光成分としてわずかに存在する漏れ光、ノイズを除去することができる。   A polarizing plate may be provided between the light source 2 and the light beam splitting unit 3. As a result, it is possible to remove leakage light and noise that are slightly present as polarization components orthogonal to each polarization.

光束分割部3によって分割された2つの光束L1及びL2のうち第1の光束L1は、被測定部材9の被測定面における第1の照射スポットP1に入射する。被測定部材9は、第1の照射スポットP1に入射した第1の光束L1を反射し回折格子4に入射させる。   Of the two light beams L1 and L2 divided by the light beam splitting unit 3, the first light beam L1 is incident on the first irradiation spot P1 on the surface to be measured of the member 9 to be measured. The member to be measured 9 reflects the first light beam L1 incident on the first irradiation spot P1 and makes it incident on the diffraction grating 4.

さらに、被測定部材9と対向する位置には、ミラー6が配置されている。ミラー6には、光束分割部3によって分割された第2の光束L2が照射される。第2の光束L2は、ミラー6の反射面における反射側第1の照射スポットS1に入射する。ミラー6は、被測定部材9と同様に、入射した第2の光束L2を反射し、回折格子4に入射させる。   Further, a mirror 6 is disposed at a position facing the member to be measured 9. The mirror 6 is irradiated with the second light beam L2 split by the light beam splitting unit 3. The second light beam L2 is incident on the reflection-side first irradiation spot S1 on the reflection surface of the mirror 6. Similar to the member 9 to be measured, the mirror 6 reflects the incident second light beam L2 and makes it incident on the diffraction grating 4.

回折格子4は、透過型の回折格子である。この回折格子4で回折された第1の光束L1は、被測定部材9の被測定面における第1の照射スポットP1と異なる第2の照射スポットP2に入射する。また、被測定部材9は、回折格子4によって回折され、かつ第2の照射スポットP2に入射した第1の光束L1を反射し、偏光ビームスプリッタである光束結合部14へ入射させる。被測定部材9と光束結合部14との間には、第1の光路補正部材7Aと、位相板12が配置されている。   The diffraction grating 4 is a transmission type diffraction grating. The first light beam L1 diffracted by the diffraction grating 4 is incident on a second irradiation spot P2 different from the first irradiation spot P1 on the surface to be measured of the member 9 to be measured. In addition, the member to be measured 9 reflects the first light beam L1 diffracted by the diffraction grating 4 and incident on the second irradiation spot P2, and makes it incident on the light beam coupling unit 14 which is a polarization beam splitter. A first optical path correction member 7A and a phase plate 12 are disposed between the member to be measured 9 and the light beam coupling portion 14.

同様に、回折格子4で回折された第2の光束L2は、ミラー6の反射面における反射側第1の照射スポットS1と異なる反射側第2の照射スポットS2に入射する。そして、ミラー6は、回折格子4で回折され、かつ反射側第2の照射スポットS2に入射した第2の光束L2を反射し、光束結合部14に入射させる。また、ミラー6と光束結合部14との間には、第2の光路補正部材7Bと、ダミーガラス13が配置されている。   Similarly, the second light beam L2 diffracted by the diffraction grating 4 is incident on a reflection-side second irradiation spot S2 different from the reflection-side first irradiation spot S1 on the reflection surface of the mirror 6. The mirror 6 reflects the second light beam L2 diffracted by the diffraction grating 4 and incident on the reflection-side second irradiation spot S2, and causes the light beam coupling portion 14 to enter. Further, a second optical path correction member 7B and a dummy glass 13 are disposed between the mirror 6 and the light beam coupling portion 14.

位相板12は、1/2波長板から構成されている。また、ダミーガラス13としては、屈折率が位相板12の屈折率に近いものが用いられる。また、このダミーガラス13の厚さは、位相板12の厚さとほぼ等しく設定されている。これにより、第1の光束L1の光路長と第2の光束L2の光路長をほぼ等しくすることができる。   The phase plate 12 is composed of a half-wave plate. Further, as the dummy glass 13, a glass having a refractive index close to that of the phase plate 12 is used. Further, the thickness of the dummy glass 13 is set substantially equal to the thickness of the phase plate 12. Thereby, the optical path length of the 1st light beam L1 and the optical path length of the 2nd light beam L2 can be made substantially equal.

図1Cに示すように、第1の光路補正部材7A及び第2の光路補正部材7Bは、後述する第1の方向Xと光軸方向Zで形成される平面M1のみに曲率を有するシリンドリカルレンズから構成されている。また、第1の光路補正部材7A及び第2の光路補正部材7Bの詳細な構成については、後述する。   As shown in FIG. 1C, the first optical path correction member 7A and the second optical path correction member 7B are cylindrical lenses having a curvature only in a plane M1 formed in a first direction X and an optical axis direction Z, which will be described later. It is configured. Detailed configurations of the first optical path correction member 7A and the second optical path correction member 7B will be described later.

回折格子4は、被測定部材9の被測定面に対して略直角、すなわち回折格子4の回折面と被測定部材9の被測定面で形成される角度がほぼ90°となるように配置されている。   The diffraction grating 4 is arranged so that it is substantially perpendicular to the surface to be measured of the member 9 to be measured, that is, the angle formed by the diffraction surface of the diffraction grating 4 and the surface to be measured of the member 9 to be measured is approximately 90 °. ing.

なお、回折格子4における被測定部材9に対する配置する精度は、変位検出装置1に要求する測定精度によって種々設定されるものである。すなわち、変位検出装置1に高い精度を要求する場合、回折格子4を被測定部材9の被測定面に対して90°±0.5°の範囲に配置することが好ましい。これに対し、回折格子を被測定部材の被測定面に対して90°から±2°の範囲で配置しても、変位検出装置1を工作機械等の低精度の測定に用いる場合には、十分である。   The accuracy with which the diffraction grating 4 is arranged with respect to the member 9 to be measured is variously set according to the measurement accuracy required for the displacement detection device 1. That is, when high accuracy is required for the displacement detection device 1, it is preferable to arrange the diffraction grating 4 in a range of 90 ° ± 0.5 ° with respect to the surface to be measured of the member 9 to be measured. On the other hand, even when the diffraction grating is arranged in the range of 90 ° to ± 2 ° with respect to the measurement surface of the member to be measured, when the displacement detection device 1 is used for low-precision measurement of a machine tool or the like, It is enough.

ここで、図2を参照して本例の変位検出装置1の要部について説明する。
図2には、変位検出装置1の要部を示す説明図である。
Here, with reference to FIG. 2, the principal part of the displacement detection apparatus 1 of this example is demonstrated.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a main part of the displacement detection device 1.

図2に示すように、回折格子4は、被測定部材9に対して略垂直に配置されている。そのため、被測定部材9の第1の照射スポットP1に入射角θaで入射した第1の光束L1は、回折格子4に対して入射角π/2−θaで入射する。さらに、第1の光束L1は、被測定部材9の第2の照射スポットP2に入射角θbで入射する。   As shown in FIG. 2, the diffraction grating 4 is disposed substantially perpendicular to the member 9 to be measured. Therefore, the first light beam L1 incident on the first irradiation spot P1 of the measured member 9 at the incident angle θa is incident on the diffraction grating 4 at the incident angle π / 2−θa. Further, the first light beam L1 is incident on the second irradiation spot P2 of the measured member 9 at an incident angle θb.

また、回折格子4の格子ピッチΛは、回折角が回折格子4への入射角とほぼ等しくなるように設定されることが好ましい。すなわち、回折格子4の格子ピッチΛは、上述したように被測定部材9への一回目の入射角をθa、二回目の入射角をθb、波長をλとすると、次の式1を満たす。
[式1]
Λ=nλ/(sin(π/2−θa)+sin(π/2−θb))
なお、nは、正の次数である。
The grating pitch Λ of the diffraction grating 4 is preferably set so that the diffraction angle is substantially equal to the incident angle to the diffraction grating 4. That is, as described above, the grating pitch Λ of the diffraction grating 4 satisfies the following expression 1 where θa is the first incident angle to the member 9 to be measured, θb is the second incident angle, and λ is the wavelength.
[Formula 1]
Λ = nλ / (sin (π / 2−θa) + sin (π / 2−θb))
Note that n is a positive order.

回折格子4への入射角と回折角が等しくなる場合、第1の照射スポットP1と第2の照射スポットP2は、回折格子4に対して対称に構成することができる。そして、式1は、次の式2と示すことができる。
[式2]
2Λsinθ=nλ
なお、θは、回折格子4への入射角及び回折角である。
すなわち、ブラッグ条件を満たすことができ、回折格子4によって回折される回折光を強めることが可能となる。
When the incident angle to the diffraction grating 4 is equal to the diffraction angle, the first irradiation spot P1 and the second irradiation spot P2 can be configured symmetrically with respect to the diffraction grating 4. And Formula 1 can be shown as the following Formula 2.
[Formula 2]
2Λsin θ = nλ
Note that θ is an incident angle and a diffraction angle to the diffraction grating 4.
That is, the Bragg condition can be satisfied, and the diffracted light diffracted by the diffraction grating 4 can be strengthened.

また、図2に示すように、被測定部材9が高さ方向にxだけ移動すると、被測定部材9の測定面に照射される第1の光束L1は、第1の照射スポットP1から第1の照射スポットP1’に移動する。また、被測定部材9の第1の照射スポットP1’に反射された第1の光束L1は、回折格子4の回折位置T1から回折位置T1’に移動する。さらに、回折格子4によって1回目の回折が行われた第1の光束L1は、被測定部材9の第2の照射スポットP2から第2の照射スポットP2’に移動する。   As shown in FIG. 2, when the member 9 to be measured moves by x in the height direction, the first light beam L1 irradiated on the measurement surface of the member 9 to be measured is changed from the first irradiation spot P1 to the first. To the irradiation spot P1 ′. Further, the first light beam L1 reflected by the first irradiation spot P1 'of the member 9 to be measured moves from the diffraction position T1 of the diffraction grating 4 to the diffraction position T1'. Further, the first light beam L1 diffracted for the first time by the diffraction grating 4 moves from the second irradiation spot P2 of the member to be measured 9 to the second irradiation spot P2 '.

すなわち、第1の光束L1は、光路AP1T1P2Eから光路AP1’T1’P2’Eと変わる。ここで、被測定部材9が高さ方向にxだけ移動しても被測定部材9に対する第1の光束L1の入射角は、変化しないため、角度θ1=角度θ2=角度θ3が成り立つ。また、被測定部材9における第1の照射スポットP1から高さ方向へ垂直に延ばした線、いわゆる垂線と、被測定部材9が高さ方向へxだけ移動したときの第1の光束L1の光路AP1’T1’P2’Eが交わる点をHとする。さらに、被測定部材9における第2の照射スポットP2から高さ方向へ垂直に延ばした線、いわゆる垂線と、被測定部材9が高さ方向へxだけ移動したときの第1の光束L1の光路AP1’T1’P2’Eが交わる点をGとする。   That is, the first light beam L1 changes from the optical path AP1T1P2E to the optical path AP1'T1'P2'E. Here, since the incident angle of the first light beam L1 with respect to the measured member 9 does not change even if the measured member 9 moves by x in the height direction, the angle θ1 = the angle θ2 = the angle θ3 holds. Further, a line extending vertically from the first irradiation spot P1 in the measured member 9 in the height direction, a so-called perpendicular, and the optical path of the first light beam L1 when the measured member 9 moves by x in the height direction. Let H be the point where AP1'T1'P2'E intersects. Further, a line extending vertically from the second irradiation spot P2 in the measured member 9 in the height direction, a so-called perpendicular line, and an optical path of the first light beam L1 when the measured member 9 moves by x in the height direction. Let G be the point where AP1'T1'P2'E intersects.

ここで、第1の照射スポットP1から第1の照射スポットP1’までの長さと、第1の照射スポットP1’から点Hまでの長さは等しい。さらに、回折格子4は、被測定部材9に対して略垂直に配置されているため、第1の照射スポットP1から高さ方向へ略垂直に延びる垂線と回折格子4の回折面が平行である。そのため、第1の照射スポットP1から回折位置T1までの長さと、点Hから回折位置T1’までの長さは、等しくなる。   Here, the length from the first irradiation spot P1 to the first irradiation spot P1 'is equal to the length from the first irradiation spot P1' to the point H. Furthermore, since the diffraction grating 4 is disposed substantially perpendicular to the member 9 to be measured, the perpendicular extending substantially perpendicular to the height direction from the first irradiation spot P1 and the diffraction surface of the diffraction grating 4 are parallel. . Therefore, the length from the first irradiation spot P1 to the diffraction position T1 is equal to the length from the point H to the diffraction position T1 '.

同様に、第2の照射スポットP2から第2の照射スポットP2’までの長さと、第2の照射スポットP2’から点Gまでの長さは等しく、回折位置T1から第2の照射スポットP2までの長さと、回折位置T1’から点Gまでの長さは、等しい。その結果、第1の光束L1の光路長は、被測定部材9が高さ方向に変位しても、常に一定となる。すなわち、第1の光束L1の光路長は、変化しない。そして、被測定部材9が高さ方向に変位すると、第1の光束L1が回折格子4に入射する位置だけが変化する。   Similarly, the length from the second irradiation spot P2 to the second irradiation spot P2 ′ is equal to the length from the second irradiation spot P2 ′ to the point G, and from the diffraction position T1 to the second irradiation spot P2. And the length from the diffraction position T1 ′ to the point G are equal. As a result, the optical path length of the first light beam L1 is always constant even when the member 9 to be measured is displaced in the height direction. That is, the optical path length of the first light beam L1 does not change. When the member 9 to be measured is displaced in the height direction, only the position where the first light beam L1 enters the diffraction grating 4 changes.

ここで、回折格子4は、被測定部材9の被測定面に対して略直角に配置されているため、回折位置T1と回折位置T1’の間隔は、被測定部材9の移動量xの2倍の2xとなる。すなわち、回折格子4上を移動する第1の光束L1の移動量は、被測定部材9を移動した際の2倍の2xとなる。そのため、被測定部材9が高さ方向へxだけ移動すると、第1の光束L1は、2Kxの位相が加わる。Kは、2π/Λで示される波数である。   Here, since the diffraction grating 4 is disposed substantially perpendicular to the surface to be measured of the member 9 to be measured, the distance between the diffraction position T1 and the diffraction position T1 ′ is 2 of the movement amount x of the member 9 to be measured. Double 2x. That is, the amount of movement of the first light beam L1 that moves on the diffraction grating 4 is 2x, which is twice that when the member to be measured 9 is moved. Therefore, when the member 9 to be measured moves by x in the height direction, the phase of 2Kx is added to the first light beam L1. K is a wave number represented by 2π / Λ.

なお、ミラー6なお、ミラー6は、固定されているため、第2の光束L2の光路は変化しない。   In addition, since the mirror 6 is fixed, the optical path of the second light beam L2 does not change.

また、図1Aに示すように、光束結合部14は、被測定部材9及びミラー6から再び反射された第1の光束L1及び第2の光束L2を重ね合わせて、受光部8に照射する。さらに、光束結合部14と受光部8との光路上には、例えば1/4波長板等からなる受光側位相板17が配置されている。   Further, as shown in FIG. 1A, the light beam combining unit 14 superimposes the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected again from the member 9 to be measured and the mirror 6 and irradiates the light receiving unit 8. Further, on the optical path between the light beam coupling portion 14 and the light receiving portion 8, a light receiving side phase plate 17 made of, for example, a quarter wavelength plate or the like is disposed.

ここで、光束分割部3から被測定部材9及び回折格子4を介して光束結合部14までの光路長と、光束分割部3からミラー6及び回折格子4を介して光束結合部14までの光路長は、略等しく設定されている。すなわち、第1の光束L1と第2の光束L2の光路長を等しく設定したため、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長変動があったとしても、第1の光束L1及び第2の光束L2が受ける影響を等しくすることができる。その結果、気圧補正や湿度補正、温度補正を行う必要がなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。   Here, the optical path length from the light beam splitting unit 3 to the light beam coupling unit 14 via the member to be measured 9 and the diffraction grating 4, and the optical path from the light beam splitting unit 3 to the light beam coupling unit 14 via the mirror 6 and the diffraction grating 4. The lengths are set approximately equal. That is, since the optical path lengths of the first light beam L1 and the second light beam L2 are set to be equal, even if there is a wavelength variation of the light source due to changes in atmospheric pressure, humidity, or temperature, the first light beam L1 and the second light beam L2 Can be equally affected. As a result, there is no need to perform atmospheric pressure correction, humidity correction, and temperature correction, and stable measurement can be performed regardless of the surrounding environment.

受光部8は、光を分割する無偏光ビームスプリッタ16と、第1の偏光ビームスプリッタ18と、第2の偏光ビームスプリッタ19とを有している。   The light receiving unit 8 includes a non-polarizing beam splitter 16 that divides light, a first polarizing beam splitter 18, and a second polarizing beam splitter 19.

第1の偏光ビームスプリッタ18における光の出射口側には、第1の受光素子33と、第2の受光素子34が設けられている。第2の偏光ビームスプリッタ19は、第1の偏光ビームスプリッタ18に対して45度傾くように配置されている。また、第2の偏光ビームスプリッタ19における光の出射口側には、第3の受光素子35と、第4の受光素子36が設けられている。   A first light receiving element 33 and a second light receiving element 34 are provided on the light exit side of the first polarizing beam splitter 18. The second polarizing beam splitter 19 is disposed so as to be inclined by 45 degrees with respect to the first polarizing beam splitter 18. A third light receiving element 35 and a fourth light receiving element 36 are provided on the light exit side of the second polarizing beam splitter 19.

これら第1の偏光ビームスプリッタ18及び第2の偏光ビームスプリッタ19は、s偏光成分を有する干渉光を反射させ、p偏光成分を有する干渉光を透過させて、光を分割するものである。   The first polarizing beam splitter 18 and the second polarizing beam splitter 19 reflect the interference light having the s-polarized component and transmit the interference light having the p-polarized component to split the light.

そして、受光部8には、相対位置情報出力手段10が接続されている。図3に示すように、相対位置情報出力手段10は第1の差動増幅器61aと、第2の差動増幅器61bと、第1のA/D変換器62aと、第2のA/D変換器62bと、波形補正処理部63と、インクリメンタル信号発生器64とを有している。   A relative position information output unit 10 is connected to the light receiving unit 8. As shown in FIG. 3, the relative position information output means 10 includes a first differential amplifier 61a, a second differential amplifier 61b, a first A / D converter 62a, and a second A / D converter. 62b, a waveform correction processing unit 63, and an incremental signal generator 64.

第1の差動増幅器61aには、第1の受光素子33及び第2の受光素子34が接続されており、第2の差動増幅器61bには、第3の受光素子35及び第4の受光素子36が接続されている。また、第1の差動増幅器61aには、第1のA/D変換器62aが接続されており、第2の差動増幅器61bには、第2のA/D変換器62bが接続されている。そして、第1のA/D変換器62a及び第2のA/D変換器62bは、波形補正処理部63と接続している。   A first light receiving element 33 and a second light receiving element 34 are connected to the first differential amplifier 61a, and a third light receiving element 35 and a fourth light receiving element are connected to the second differential amplifier 61b. Element 36 is connected. In addition, a first A / D converter 62a is connected to the first differential amplifier 61a, and a second A / D converter 62b is connected to the second differential amplifier 61b. Yes. The first A / D converter 62 a and the second A / D converter 62 b are connected to the waveform correction processing unit 63.

1−2.光路補正部材の構成
次に、図4〜図8を参照して第1の光路補正部材7A及び第2の光路補正部材7Bの詳細な構成について説明する。
図4及び図5は、被測定部材9がチルトした状態を示す説明図、図6は、第1の光路補正部材7Aの作用について示す説明図である。
1-2. Configuration of Optical Path Correction Member Next, detailed configurations of the first optical path correction member 7A and the second optical path correction member 7B will be described with reference to FIGS.
4 and 5 are explanatory views showing a state in which the member 9 to be measured is tilted, and FIG. 6 is an explanatory view showing the operation of the first optical path correcting member 7A.

まず、図4に示すように、第1の照射スポットP1と第2の照射スポットP2における高さ方向の位置が異なる方向、例えば第1の照射スポットP1が第2の照射スポットP2よりも高さ方向で高くなる方向に被測定部材9が傾いた場合について説明する。ここで、被測定部材9の傾き角度δθが1度程度の場合、sinθ=θとおくことができる。そのため、回折角θ’を求める公式sinθ’=λ/Λ−sinθは、θ’=λ/Λ−θと近似でできる。   First, as shown in FIG. 4, the first irradiation spot P1 and the second irradiation spot P2 have different height positions, for example, the first irradiation spot P1 is higher than the second irradiation spot P2. A case where the member 9 to be measured is tilted in the direction of increasing in the direction will be described. Here, when the inclination angle δθ of the member 9 to be measured is about 1 degree, sin θ = θ can be set. Therefore, the formula sin θ ′ = λ / Λ−sin θ for obtaining the diffraction angle θ ′ can be approximated by θ ′ = λ / Λ−θ.

そして、被測定部材9が角度δθで傾いた場合、被測定部材9で反射される第1の光束L1の方向が角度2δθで変化する。そのため、回折格子4への入射角は、θ―δ2θとなる。このとき、回折格子4によって回折される回折角θ’は、上述した近似式よりθ’+2δθとなる。この第1の光束L1が再び被測定部材9に入射し反射されると、第1の光束L1の進行方向が再び2δθ変化する。そのため、被測定部材9によって再び反射する角度は、傾く前と傾く後ともθ’のままで変化しない。   When the member to be measured 9 is tilted at an angle δθ, the direction of the first light beam L1 reflected by the member to be measured 9 changes at an angle 2δθ. Therefore, the incident angle to the diffraction grating 4 is θ−δ2θ. At this time, the diffraction angle θ ′ diffracted by the diffraction grating 4 is θ ′ + 2δθ from the above approximate expression. When the first light beam L1 is incident on the member to be measured 9 and reflected again, the traveling direction of the first light beam L1 changes again by 2δθ. Therefore, the angle reflected again by the member to be measured 9 remains θ ′ before and after it is tilted and does not change.

そのため、被測定部材9が第1の照射スポットP1と第2の照射スポットP2における高さ方向の位置が異なる方向に傾いても、第1の光束L1の位置が略平行にシフトするだけで進行方向は変化しない。そのため、受光部8へ入射する第1の光束L1と第2の光束L2を略平行に保つことができ、第1の光束L1と第2の光束L2を重ね合わせて干渉させることができる。   For this reason, even if the member 9 to be measured is tilted in different directions in the height direction in the first irradiation spot P1 and the second irradiation spot P2, only the position of the first light beam L1 is shifted substantially in parallel. The direction does not change. Therefore, the first light beam L1 and the second light beam L2 incident on the light receiving unit 8 can be kept substantially parallel, and the first light beam L1 and the second light beam L2 can be superimposed and interfere with each other.

次に、第1の照射スポットP1と第2の照射スポットP2を結ぶ線と略平行な線Oを中心に被測定部材9が傾いた場合について図5及び図6を参照して説明する。
図5に示すように、被測定部材9が線Oを中心に傾いた場合、第1の光束L1の進行方向は、変化する。ここで、被測定部材9が傾いていないときの第1の光束L1の進行方向を光軸方向Zとする。また、光軸方向Zと直交し、かつ回折格子4の格子ベクトルの方向Kと直交する方向を第1の方向Xとし、光軸方向Z及び第1の方向Xと直交する方向を第2の方向Yとする。なお、第1の方向Xは、本発明の変位方向を示している。
Next, the case where the member to be measured 9 is tilted around a line O that is substantially parallel to the line connecting the first irradiation spot P1 and the second irradiation spot P2 will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 5, when the member 9 to be measured is tilted about the line O, the traveling direction of the first light beam L1 changes. Here, the traveling direction of the first light beam L1 when the member to be measured 9 is not inclined is defined as an optical axis direction Z. A direction orthogonal to the optical axis direction Z and orthogonal to the grating vector direction K of the diffraction grating 4 is defined as a first direction X, and the direction orthogonal to the optical axis direction Z and the first direction X is defined as a second direction. The direction is Y. The first direction X indicates the displacement direction of the present invention.

例えば、被測定部材9が線Oを中心に矢印+の方向へ傾いた場合、第1の光束L1の進行方向は、光軸方向Zと第1の方向Xで形成される平面M1内において第1の方向Xの+側、すなわち光線(a)の方向へ傾く。また、被測定部材9が線Oを中心に矢印−方向へ傾いた場合、第1の光束L1の進行方向は、平面M1内において第1の方向Xの−側、すなわち光線(b)の方向へ傾く。   For example, when the member to be measured 9 is inclined in the direction of the arrow + around the line O, the traveling direction of the first light beam L1 is the first in the plane M1 formed by the optical axis direction Z and the first direction X. It is inclined toward the + side of the direction X of 1, that is, toward the light ray (a). When the member to be measured 9 is tilted in the direction of the arrow − around the line O, the traveling direction of the first light beam L1 is the − side of the first direction X in the plane M1, that is, the direction of the light beam (b). Lean to.

図5に示す方向へ第1の光束L1の進行方向が傾いた場合、光束結合部14において第1の光束L1と第2の光束L2とを平行に保つことができなくなり、第1の光束L1と第2の光束L2が正確に干渉しないおそれがある。その結果、第1の光束L1と第2の光束L2との干渉信号が大きく低下することが考えられる。   When the traveling direction of the first light beam L1 is tilted in the direction shown in FIG. 5, the first light beam L1 and the second light beam L2 cannot be kept parallel in the light beam coupling unit 14, and the first light beam L1 is lost. And the second light beam L2 may not interfere accurately. As a result, it is conceivable that the interference signal between the first light beam L1 and the second light beam L2 is greatly reduced.

そのため、本例の変位検出装置1では、被測定部材9と光束結合部14の間に第1の光束L1の光路を補正する第1の光路補正部材7Aを設けている。   Therefore, in the displacement detection device 1 of this example, the first optical path correction member 7A that corrects the optical path of the first light beam L1 is provided between the member to be measured 9 and the light beam coupling portion 14.

図6は、第1の光路補正部材7Aを平面M1から見た説明図である。
図6に示すように、第1の光路補正部材7Aは、平面M1内において曲率を有している。すなわち、第1の光路補正部材7Aは、第1の光束L1を第1の方向Xのみ集光することができるシリンドリカルレンズである。
FIG. 6 is an explanatory view of the first optical path correction member 7A viewed from the plane M1.
As shown in FIG. 6, the first optical path correction member 7A has a curvature in the plane M1. That is, the first optical path correction member 7A is a cylindrical lens that can collect the first light beam L1 only in the first direction X.

また、図5に示すように、進行方向が傾いた第1の光束L1を平面M1において光軸方向Zへ延ばした場合、ほぼ全ての光束は、仮想点Qの近傍で交わる。そして、図6に示すように、第1の光路補正部材7Aの焦点位置は、仮想点Qとほぼ一致する。すなわち、第1の光路補正部材7Aの焦点Fbは、第1の光路補正部材7Aから仮称点Qまでの距離とほぼ等しくなるように設定される。   Further, as shown in FIG. 5, when the first light beam L1 whose traveling direction is inclined is extended in the optical axis direction Z on the plane M1, almost all the light beams intersect in the vicinity of the virtual point Q. As shown in FIG. 6, the focal position of the first optical path correction member 7A substantially coincides with the virtual point Q. That is, the focal point Fb of the first optical path correction member 7A is set to be substantially equal to the distance from the first optical path correction member 7A to the provisional name point Q.

そのため、第1の光路補正部材7Aに入射した第1の光束L1は、第1の光路補正部材7Aによって光路が補正される。そして、第1の光束L1は、第1の光路補正部材7Aを通過すると、第1の光束L1を光軸方向Zに対して略平行に保つことができる。これにより、第1の光束L1と第2の光束L2の進行方向を略平行に保つことができ、第1の光束L1と第2の光束L2との確実に干渉させることが可能である。   Therefore, the optical path of the first light beam L1 incident on the first optical path correction member 7A is corrected by the first optical path correction member 7A. When the first light beam L1 passes through the first optical path correction member 7A, the first light beam L1 can be kept substantially parallel to the optical axis direction Z. Thereby, the traveling directions of the first light beam L1 and the second light beam L2 can be kept substantially parallel, and the first light beam L1 and the second light beam L2 can be reliably interfered with each other.

また、図1Aに示すように、光束分割部3と被測定部材9との間にも第1の収束レンズ5Aを配置している。この第1の収束レンズ5Aによって、第1の光路補正部材7Aに入射する第1の光束L1を収束光にしている。これにより、第1の光路補正部材7Aを通過した後の第1の光束L1を確実に平行光にすることができる。また、第1の収束レンズ5Aの焦点位置は、第1の光路補正部材7Aの焦点位置とほぼ等しい仮想点Qにすることが好ましい。   In addition, as shown in FIG. 1A, the first convergent lens 5 </ b> A is also disposed between the light beam splitting unit 3 and the member 9 to be measured. By this first converging lens 5A, the first light beam L1 incident on the first optical path correction member 7A is made into convergent light. Thereby, the 1st light beam L1 after passing 7 A of 1st optical path correction members can be made into parallel light reliably. The focal position of the first converging lens 5A is preferably set to a virtual point Q that is substantially equal to the focal position of the first optical path correction member 7A.

また、図1に示すように、固定されて、面が傾きにくいミラー6側にも第2の光路補正部材7B及び第2の収束レンズ5Bを配置させている。これにより、第1の光束L1と第2の光束L2の光路で生じる収差を等しくすることができる。その結果、第1の光束L1と第2の光束L2を干渉させるときの波面の差をなくし、大きな干渉信号を得ることができる。   Further, as shown in FIG. 1, the second optical path correction member 7B and the second converging lens 5B are also arranged on the side of the mirror 6 that is fixed and whose surface is difficult to tilt. Thereby, the aberration which arises in the optical path of the 1st light beam L1 and the 2nd light beam L2 can be made equal. As a result, it is possible to eliminate a difference in wavefront when the first light beam L1 and the second light beam L2 interfere with each other, and to obtain a large interference signal.

これにより、本例の変位検出装置1によれば、光路を補正する光路補正部材を設けたことで、被測定部材9の測定面が傾いた場合でも、干渉信号が変化し難く、安定した測定を行うことができる。   Thereby, according to the displacement detection apparatus 1 of the present example, by providing the optical path correction member that corrects the optical path, even when the measurement surface of the member to be measured 9 is inclined, the interference signal hardly changes and stable measurement is performed. It can be performed.

なお、本例では、第1の光路補正部材7Aとしてシリンドリカルレンズを用いた例を説明したが、これに限定されるものではない。第1の光路補正部材7Aとしては、第1の光束L1を第1の方向Xへのみ集光させることができる光学素子ならなんでもよい。   In this example, the example in which the cylindrical lens is used as the first optical path correction member 7A has been described. However, the present invention is not limited to this. As the first optical path correction member 7A, any optical element capable of condensing the first light beam L1 only in the first direction X may be used.

図7は、絞り部材を示す平面図、図8は、絞り部材を設けたときの第1の光束L1の状態を示す説明図である。
ここで、図8に示すように、被測定部材9が図5に示す方向に傾いた状態で、第1の光束L1が第1の光路補正部材7Aを通過すると、第1の光束L1は、光軸方向Zと平行に第1の方向Xにおける一方または他方のいずれかの方向へシフトする。そのため、第1の光束L1と第2の光束L2が重なる部分は、図8に示す斜線部分J1のみとなり、斜線部分J1の外側の部分は、重ならないため干渉しなくなる。その結果、受光部8で得られる干渉信号が変化し、安定した測定ができないおそれがある。
FIG. 7 is a plan view showing the diaphragm member, and FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state of the first light beam L1 when the diaphragm member is provided.
Here, as shown in FIG. 8, when the first light beam L1 passes through the first optical path correction member 7A with the member 9 to be measured tilted in the direction shown in FIG. 5, the first light beam L1 is Shifting in one direction in the first direction X in the first direction X is parallel to the optical axis direction Z. Therefore, the portion where the first light beam L1 and the second light beam L2 overlap is only the shaded portion J1 shown in FIG. 8, and the portion outside the shaded portion J1 does not overlap and does not interfere. As a result, the interference signal obtained by the light receiving unit 8 changes, and there is a possibility that stable measurement cannot be performed.

そのため、図7及び図8に示すように、第1の光路補正部材7Aと光束結合部14との間に開口部20Aを有する絞り部材20を配置してもよい。図7に示すように、絞り部材20の開口部20Aは、長孔であり、第1の光束L1のシフト量が大きい第1の方向Xよりも第2の方向Yに広く開口している。この絞り部材20を設けることで、予め図8に示す斜線部分J1の外側の光線を除去することができる。その結果、図8に示すように、第1の光束L1が第1の方向Xへシフトしても、受光部8で得られる干渉信号の変化量を小さくすることができ、安定した測定を行うことができる。   Therefore, as shown in FIGS. 7 and 8, an aperture member 20 having an opening 20 </ b> A may be disposed between the first optical path correction member 7 </ b> A and the light beam coupling portion 14. As shown in FIG. 7, the opening 20A of the aperture member 20 is a long hole, and is wider in the second direction Y than the first direction X where the shift amount of the first light beam L1 is large. By providing this diaphragm member 20, it is possible to remove light rays outside the hatched portion J1 shown in FIG. 8 in advance. As a result, as shown in FIG. 8, even when the first light beam L1 is shifted in the first direction X, the amount of change in the interference signal obtained by the light receiving unit 8 can be reduced, and stable measurement is performed. be able to.

なお、絞り部材20を設ける代わりに、受光部8における第1の受光素子33、第2の受光素子34、第3の受光素子35及び第4の受光素子36の第1の方向Xの開口を狭くしてもよい。すなわち、第1の光束L1及び第2の光束L2が重なる部分のみを受光するように設定してもよい。   Instead of providing the diaphragm member 20, the opening in the first direction X of the first light receiving element 33, the second light receiving element 34, the third light receiving element 35, and the fourth light receiving element 36 in the light receiving unit 8 is provided. It may be narrowed. That is, it may be set so that only a portion where the first light beam L1 and the second light beam L2 overlap is received.

1−3.変位検出装置の動作
次に、図1〜図6を参照して、本例の変位検出装置1の動作について説明する。
1-3. Operation of Displacement Detection Device Next, the operation of the displacement detection device 1 of this example will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、光源から出射したs偏光の光は、レンズ11によりコリメートされて平行光となる。そして、レンズ11によりコリメートされた平行光は、光束分割部3に入射する。光束分割部3に入射した光は、第1の光束L1と第2の光束L2に分割される。そして、第1の光束L1は、被測定部材9によって反射された回折格子4の回折位置T1に入射角π/2−θで入射する。   As shown in FIG. 1, the s-polarized light emitted from the light source is collimated by the lens 11 to become parallel light. Then, the collimated light collimated by the lens 11 enters the light beam splitting unit 3. The light incident on the light beam splitting unit 3 is split into a first light beam L1 and a second light beam L2. The first light beam L1 enters the diffraction position T1 of the diffraction grating 4 reflected by the member 9 to be measured at an incident angle π / 2−θ.

回折格子4に入射した第1の光束L1は、回折格子4によって回折される、そして、回折された第1の光束L1は、再び被測定部材9に入射する。次に、再び被測定部材9に入射した第1の光束L1は、被測定部材9で反射されて、位相板12及び第1の光路補正部材7Aを介して光束結合部14に照射される。   The first light beam L1 incident on the diffraction grating 4 is diffracted by the diffraction grating 4, and the diffracted first light beam L1 is incident on the member to be measured 9 again. Next, the first light beam L1 incident on the member to be measured 9 again is reflected by the member to be measured 9 and is applied to the light beam coupling unit 14 via the phase plate 12 and the first optical path correction member 7A.

第1の光束L1は、第1の光路補正部材7Aを通過することで図5及び図6に示すように、光路が補正される。さらに、第1の光束L1は、1/2波長板である位相板12を通過する。ここで、位相板12の光学軸は、入射する光りの偏光方向に対して45度傾けられている。そのため、第1の光束L1は、位相板12を通過することで、s偏光からp偏光に変換される。そして、位相板12を通過した第1の光束L1は、偏光ビームスプリッタである光束結合部14に入射する。   The first light beam L1 passes through the first optical path correction member 7A, so that the optical path is corrected as shown in FIGS. Further, the first light beam L1 passes through the phase plate 12 that is a half-wave plate. Here, the optical axis of the phase plate 12 is inclined 45 degrees with respect to the polarization direction of incident light. Therefore, the first light beam L1 passes through the phase plate 12 and is converted from s-polarized light to p-polarized light. And the 1st light beam L1 which passed the phase plate 12 injects into the light beam coupling part 14 which is a polarization beam splitter.

一方、ミラー6に照射された第2の光束L2は、ミラー6で反射されて、回折格子4に照射される。そして、第1の光束L1と同様に、第2の光束L2は、回折格子4によって回折されて、再びミラー6に入射する。次に、第2の光束L2は、ミラー6によって再び反射されて、ダミーガラス13及び第2の光路補正部材7Bを介して光束結合部14に照射される。   On the other hand, the second light beam L <b> 2 irradiated on the mirror 6 is reflected by the mirror 6 and irradiated on the diffraction grating 4. Then, similarly to the first light beam L1, the second light beam L2 is diffracted by the diffraction grating 4 and enters the mirror 6 again. Next, the second light beam L2 is reflected again by the mirror 6, and is irradiated onto the light beam coupling portion 14 via the dummy glass 13 and the second optical path correction member 7B.

ミラー6は、第1の光束L1における光束分割部3から回折格子4を介して光束結合部14までの光路長と、第2の光束L2における光束分割部3から回折格子4を介して光束結合部14までの光路長が等しくなるように配置されている。そのため、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長変動があったとしても、第1の光束L1及び第2の光束L2が受ける影響を等しくすることができる。   The mirror 6 has an optical path length from the light beam splitting unit 3 to the light beam coupling unit 14 via the diffraction grating 4 in the first light beam L1 and a light beam coupling from the light beam splitting unit 3 to the light beam coupling unit 4 in the second light beam L2. The optical path lengths to the unit 14 are arranged to be equal. Therefore, even if there is a wavelength variation of the light source due to changes in atmospheric pressure, humidity, and temperature, it is possible to equalize the effects of the first light beam L1 and the second light beam L2.

さらに、第1の光束L1及び第2の光束L2を共に回折格子4に入射させて回折させている。これにより、温度変化によって回折格子4の回折角に変化が起きても、第1の光束L1及び第2の光束L2が受ける影響を等しくすることができる。   Further, both the first light beam L1 and the second light beam L2 are incident on the diffraction grating 4 to be diffracted. Thereby, even if the diffraction angle of the diffraction grating 4 changes due to a temperature change, the influences of the first light beam L1 and the second light beam L2 can be made equal.

また、光束結合部14と受光部8の間には、1/4波長板である受光側位相板17が配置されている。また、この受光側位相板17の光学軸は、入射する光の偏光方向に対して45度傾けられている。光束結合部14によって重ね合わされた第1の光束L1及び第2の光束L2は、受光側位相板17を通過することで、互いに逆回りの円偏光の光束となる。この互い逆回りの円偏光は、同一光路上にあるため、重ね合わされることにより、2つの光束L1、L2の位相差にしたがって回転する直線偏光の光束Laとみなすことができる。   Further, a light receiving side phase plate 17 that is a quarter wavelength plate is disposed between the light beam coupling portion 14 and the light receiving portion 8. The optical axis of the light receiving side phase plate 17 is inclined 45 degrees with respect to the polarization direction of incident light. The first light beam L1 and the second light beam L2 superimposed by the light beam coupling unit 14 pass through the light receiving side phase plate 17 and become circularly polarized light beams that are opposite to each other. Since the mutually opposite circularly polarized lights are on the same optical path, they can be regarded as linearly polarized light beams La that rotate according to the phase difference between the two light beams L1 and L2 by being superimposed.

光束Laは、無偏光ビームスプリッタ16に照射される。無偏光ビームスプリッタ16は、光束Laを2つの光に分割する。無偏光ビームスプリッタ16を反射した光束Laは、第1の偏光ビームスプリッタ18に入射し、無偏光ビームスプリッタ16を透過した光束Laは、第2の偏光ビームスプリッタ19に入射する。   The light beam La is applied to the non-polarizing beam splitter 16. The non-polarizing beam splitter 16 splits the light beam La into two lights. The light beam La reflected by the non-polarization beam splitter 16 enters the first polarization beam splitter 18, and the light beam La transmitted through the non-polarization beam splitter 16 enters the second polarization beam splitter 19.

上述したように、第1の偏光ビームスプリッタ18に入射した光束Laは、2つの逆回りの円偏光の第1の光束L1と第2の光束L2が重ね合わされたものである。そのため、第1の光束L1及び第2の光束L2は、第1の偏光ビームスプリッタ18に対してそれぞれp偏光成分とs偏光成分を有することになる。したがって、第1の偏光ビームスプリッタ18を透過した第1の光束L1及び第2の光束L2は、同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。よって、第1の光束L1と第2の光束L2を第1の偏光ビームスプリッタ18によって干渉させることができる。   As described above, the light beam La incident on the first polarization beam splitter 18 is obtained by superimposing the two reverse circularly polarized first light beam L1 and second light beam L2. Therefore, the first light beam L1 and the second light beam L2 have a p-polarized component and an s-polarized component, respectively, with respect to the first polarizing beam splitter 18. Accordingly, the first light beam L1 and the second light beam L2 that have passed through the first polarizing beam splitter 18 interfere with each other in polarized light having the same polarization direction. Therefore, the first light beam L1 and the second light beam L2 can be caused to interfere with each other by the first polarizing beam splitter 18.

同様に、第1の偏光ビームスプリッタ18によって反射される第1の光束L1及び第2の光束L2は、第1の偏光ビームスプリッタ18に対して同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。そのため、第1の偏光ビームスプリッタ18によって干渉させることができる。   Similarly, in the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected by the first polarization beam splitter 18, polarized light having the same polarization direction interferes with the first polarization beam splitter 18. Therefore, interference can be caused by the first polarization beam splitter 18.

第1の偏光ビームスプリッタ18を透過した第1の光束L1及び第2の光束L2との干渉光は、第1の受光素子33によって受光される。また、第1の偏光ビームスプリッタ18で反射された第1の光束L1及び第2の光束L2との干渉光は、第2の受光素子34によって受光される。   The interference light with the first light beam L1 and the second light beam L2 transmitted through the first polarization beam splitter 18 is received by the first light receiving element 33. The interference light with the first light beam L1 and the second light beam L2 reflected by the first polarization beam splitter 18 is received by the second light receiving element 34.

さらに、第1の偏光ビームスプリッタ18に入射される直線偏光の偏光方向は、被測定部材9が高さ方向にΛ/2だけ移動すると180度回転する。ここで、第1の受光素子33と第2の受光素子34は、互いに90度異なる偏光方向の成分を取りだしている。そのため、第1の受光素子33と第2の受光素子34とによって光電変換される信号は、180度位相の異なる信号となる。   Further, the polarization direction of the linearly polarized light incident on the first polarizing beam splitter 18 is rotated 180 degrees when the member 9 to be measured moves by Λ / 2 in the height direction. Here, the first light receiving element 33 and the second light receiving element 34 extract components having polarization directions different from each other by 90 degrees. Therefore, signals that are photoelectrically converted by the first light receiving element 33 and the second light receiving element 34 are signals that are 180 degrees out of phase.

また、第2の偏光ビームスプリッタ19に入射した光束Laは、第2の偏光ビームスプリッタ19によって、偏光方向が互いに直交する2つの成分に分割される。この直線偏光のs偏光成分は第2の偏光ビームスプリッタ19によって反射され、第3の受光素子35に受光される。また、p偏光成分は、第2の偏光ビームスプリッタ19を透過し、第4の受光素子36によって受光される。   Further, the light beam La incident on the second polarizing beam splitter 19 is split by the second polarizing beam splitter 19 into two components whose polarization directions are orthogonal to each other. The s-polarized component of this linearly polarized light is reflected by the second polarization beam splitter 19 and received by the third light receiving element 35. The p-polarized component passes through the second polarizing beam splitter 19 and is received by the fourth light receiving element 36.

また、第3の受光素子35と第4の受光素子36とで光電変換される信号は、180度位相が異なる。   Further, the signals photoelectrically converted by the third light receiving element 35 and the fourth light receiving element 36 have a phase difference of 180 degrees.

ここで、図2に示すように、被測定部材9が高さ方向にxだけ移動すると、被測定部材9の測定面に照射される第1の光束L1は、照射スポットP1から照射スポットP1’に移動する。また、被測定部材9に反射された第1の光束L1は、回折格子4の回折位置T1から回折位置T1’に移動する。ここで、回折格子4は、被測定部材9の被測定面に対して略直角に配置されているため、回折位置T1と回折位置T1’の間隔は、照射スポットP1と照射スポットP1’の間隔の2倍の2xとなる。すなわち、回折格子4上を移動する第1の光束L1の移動量は、被測定部材9を移動した際の2倍の2xとなる。そのため、第1の光束L1には、2Kxの位相が加わる。   Here, as shown in FIG. 2, when the member 9 to be measured moves by x in the height direction, the first light beam L1 irradiated on the measurement surface of the member 9 to be measured is irradiated from the irradiation spot P1 to the irradiation spot P1 ′. Move to. Further, the first light beam L1 reflected by the member to be measured 9 moves from the diffraction position T1 of the diffraction grating 4 to the diffraction position T1 '. Here, since the diffraction grating 4 is disposed substantially perpendicular to the surface to be measured of the member 9 to be measured, the distance between the diffraction position T1 and the diffraction position T1 ′ is the distance between the irradiation spot P1 and the irradiation spot P1 ′. 2 ×, which is twice as large as That is, the amount of movement of the first light beam L1 that moves on the diffraction grating 4 is 2x, which is twice that when the member to be measured 9 is moved. Therefore, a phase of 2Kx is added to the first light beam L1.

このとき、被測定部材9が第1の受光素子33で得られる信号I、第2の受光素子34で得られる信号I、第3の受光素子35で得られる信号I及び第4の受光素子36で得られる信号Iは、例えば下記式3のようになる。
[式3]




ここで、δは、初期位相を示しており、I0は、被測定部材9から戻ってくる第1の光束L1の光量、Irは、ミラー6から戻ってくる第2の光束L2の光量を示している。
At this time, the measured member 9 has a signal I 1 obtained by the first light receiving element 33, a signal I 2 obtained by the second light receiving element 34, a signal I 3 obtained by the third light receiving element 35, and a fourth signal. A signal I 4 obtained by the light receiving element 36 is expressed by, for example, the following formula 3.
[Formula 3]




Here, δ indicates the initial phase, I0 indicates the light amount of the first light beam L1 returning from the member 9 to be measured, and Ir indicates the light amount of the second light beam L2 returning from the mirror 6. ing.

なお、本実施形態では、第1の偏光ビームスプリッタ18に対して、第3の受光素子35と第4の受光素子36に受光される光束を分割する第2の偏光ビームスプリッタ19を45度傾けて配置している。このため、第3の受光素子35と第4の受光素子36において得られる信号は、式3に示すように、第1の受光素子33と第2の受光素子34において得られる信号に対し、90度位相がずれている。   In the present embodiment, the second polarizing beam splitter 19 that divides the light beams received by the third light receiving element 35 and the fourth light receiving element 36 is inclined by 45 degrees with respect to the first polarizing beam splitter 18. Arranged. Therefore, the signal obtained in the third light receiving element 35 and the fourth light receiving element 36 is 90% of the signal obtained in the first light receiving element 33 and the second light receiving element 34 as shown in Equation 3. Is out of phase.

したがって、第1の受光素子33、第2の受光素子34、第3の受光素子35及び第4の受光素子36から得られる信号をsin信号及びcos信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。そして、このリサージュ信号から図3Bに示すような位相角θを求めることができる。   Therefore, the Lissajous signal can be obtained by using signals obtained from the first light receiving element 33, the second light receiving element 34, the third light receiving element 35, and the fourth light receiving element 36 as the sin signal and the cos signal. it can. The phase angle θ as shown in FIG. 3B can be obtained from this Lissajous signal.

これらの受光素子によって得られる信号は、相対位置情報出力手段10によって演算され、被測定面の変位量がカウントされる。   Signals obtained by these light receiving elements are calculated by the relative position information output means 10, and the displacement amount of the measured surface is counted.

図3に示すように、例えば、本例の相対位置情報出力手段10では、まず、第1の受光素子33と第2の受光素子34で得られた位相が互いに180度異なる信号を第1の差動増幅器61aによって差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。   As shown in FIG. 3, for example, in the relative position information output unit 10 of this example, first, signals obtained by the first light receiving element 33 and the second light receiving element 34 are different in phase by 180 degrees from each other. Differential amplification is performed by the differential amplifier 61a to cancel the DC component of the interference signal.

そして、この信号は、第1のA/D変換器62aによってA/D変換され、波形補正処理部63によって信号振幅とオフセットと位相が補正される。この信号は、例えばA相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器64において演算される。   This signal is A / D converted by the first A / D converter 62a, and the signal amplitude, offset, and phase are corrected by the waveform correction processing unit 63. This signal is calculated in the incremental signal generator 64 as an A-phase incremental signal, for example.

また同様に、第3の受光素子35及び第4の受光素子36で得られた信号は、第2の差動増幅器61bによって差動増幅され、第2のA/D変換器62bによってA/D変換される。そして、波形補正処理部63により信号振幅とオフセットと位相とが補正され、A相と位相が90度異なるB相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器64から出力される。   Similarly, the signals obtained by the third light receiving element 35 and the fourth light receiving element 36 are differentially amplified by the second differential amplifier 61b and A / D by the second A / D converter 62b. Converted. Then, the signal amplitude, offset, and phase are corrected by the waveform correction processing unit 63 and output from the incremental signal generator 64 as a B phase incremental signal that is 90 degrees different from the A phase.

こうして得られた2相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定部材9の高さ方向の変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出できる。   The two-phase incremental signal obtained in this way is discriminated forward or reverse by a pulse discriminating circuit or the like (not shown), whereby the amount of displacement of the member 9 to be measured is positive or negative. It can be detected.

また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号のパルス数をカウントすることにより、第1の光束L1と第2の光束L2の干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。これにより、被測定部材9の変位量が検出される。   Further, by counting the number of pulses of the incremental signal with a counter (not shown), it is possible to measure how many periods of the interference light intensity of the first light beam L1 and the second light beam L2 have changed. Thereby, the displacement amount of the member 9 to be measured is detected.

なお、本例の相対位置情報出力手段10の出力する相対位置情報は、上述の2相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。   Note that the relative position information output by the relative position information output unit 10 of this example may be the above-described two-phase incremental signal, or a signal including the displacement amount and the displacement direction calculated therefrom. .

例えば、回折格子4の格子ピッチΛを0.5515μm、波長λを780nm、回折格子4の入射角及び回折角を45°に設定したとき、被測定部材9が高さ方向に0.5515μm移動する例について説明する。   For example, when the grating pitch Λ of the diffraction grating 4 is set to 0.5515 μm, the wavelength λ is set to 780 nm, and the incident angle and diffraction angle of the diffraction grating 4 are set to 45 °, the member to be measured 9 moves 0.5515 μm in the height direction. An example will be described.

被測定部材9が高さ方向に0.5515μm移動すると、第1の光束L1は、回折格子4上を0.5515μmの2倍、すなわち2ピッチ分移動する。したがって、第1の光束L1は、2回の光の明暗を受光部8によって得ることができる。すなわち、得られる信号の1周期は、0.5515μm/2=0.27575μmとなる。   When the member to be measured 9 moves 0.5515 μm in the height direction, the first light beam L1 moves twice on the diffraction grating 4 by 0.5515 μm, that is, by two pitches. Therefore, the first light beam L <b> 1 can obtain the brightness of the light twice by the light receiving unit 8. That is, one period of the obtained signal is 0.5515 μm / 2 = 0.275575 μm.

2.変位検出装置の第2の実施の形態例
次に、第2の実施の形態例にかかる変位検出装置について図9,図10を参照して説明する。
図9は、変位検出装置の構成を示す概略構成図である。図10は、光源周りの構成を示す説明図である。
2. Second Embodiment of Displacement Detection Device Next, a displacement detection device according to a second embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration of the displacement detection device. FIG. 10 is an explanatory diagram showing a configuration around the light source.

この第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101は、光ヘテロダイン法を用いたものである。そして、この第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101と第1の実施の形態例にかかる変位検出装置1が異なる点は、光源及び受光部の構成である。そのため、ここでは、光源及び受光部周りの構成について説明し、第1の実施の形態例にかかる変位検出装置1と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。   The displacement detection apparatus 101 according to the second embodiment uses an optical heterodyne method. The difference between the displacement detection device 101 according to the second embodiment and the displacement detection device 1 according to the first embodiment is the configuration of the light source and the light receiving unit. Therefore, here, the configuration around the light source and the light receiving unit will be described, and the same reference numerals are given to the portions common to the displacement detection device 1 according to the first embodiment, and the duplicated description will be omitted.

図9及び図10に示すように、変位検出装置101は、光源102と、偏光ビームスプリッタである光束分割部113と、回折格子4と、ミラー6と、2つの収束レンズ5A,5Bと、2つの光路補正部材7A,7Bと、光束結合部14と、受光部111と、を有している。また、変位検出装置101は、被測定部材9の高さ方向の相対位置情報(変位情報)を出力する相対位置情報出力手段である信号処理回路112を有している。   As shown in FIGS. 9 and 10, the displacement detection apparatus 101 includes a light source 102, a light beam splitter 113 that is a polarization beam splitter, a diffraction grating 4, a mirror 6, two converging lenses 5 </ b> A and 5 </ b> B, 2 There are two optical path correction members 7A and 7B, a light beam coupling portion 14, and a light receiving portion 111. In addition, the displacement detection device 101 includes a signal processing circuit 112 that is a relative position information output unit that outputs relative position information (displacement information) in the height direction of the member 9 to be measured.

図10に示すように、光源102は、軸ゼーマンレーザからなり、周波数の異なる互いに逆周りの円偏光の光線が出射される。光源102から出射された光は、1/4波長板103に入射する。そして、この1/4波長板103を通過することで、光源102から出射された光は、互いに直交する直線偏光となる。1/4波長板103の出射側には、第1の偏光ビームスプリッタ104が配置されている。直線偏光となった光は、この第1の偏光ビームスプリッタ104によって分割される。   As shown in FIG. 10, the light source 102 is composed of an axial Zeeman laser, and emits circularly polarized light beams having mutually opposite frequencies and different frequencies. Light emitted from the light source 102 enters the quarter-wave plate 103. And the light radiate | emitted from the light source 102 by passing through this quarter wavelength plate 103 turns into a linearly polarized light mutually orthogonally crossed. A first polarizing beam splitter 104 is disposed on the exit side of the quarter-wave plate 103. The light that has become linearly polarized light is split by the first polarization beam splitter 104.

例えば、直線偏光となった光のうち周波数fを有するp偏光からなる第1の光束L1は、偏光ビームスプリッタ104を透過する。そして、第1の光束L1は、第1の集光レンズ105Aによって集光されて、第1の偏波保持ファイバ106Aに入射する。また、直線偏光となった光のうち周波数fを有するs偏光からなる第2の光束L2は、偏光ビームスプリッタ104を反射する。そして、第2の光束L2は、第2の集光レンズ105Bによって集光されて、第2の偏波保持ファイバ106Bに入射する。 For example, the first light beam L <b> 1 composed of p-polarized light having a frequency f 0 out of linearly polarized light is transmitted through the polarization beam splitter 104. The first light beam L1 is collected by the first condenser lens 105A and is incident on the first polarization maintaining fiber 106A. The second light flux L2 consisting of s-polarized light having a frequency f r of the light becomes linearly polarized light is reflected by the polarization beam splitter 104. Then, the second light beam L2 is collected by the second condenser lens 105B and is incident on the second polarization maintaining fiber 106B.

第1の偏波保持ファイバ106Aの出射端では、出射光がp偏光となるように偏波軸をあわせてある。また、第2の偏波保持ファイバ106Bの出射端では、出射光がs偏光となるように偏波軸を合わせてある。   At the output end of the first polarization maintaining fiber 106A, the polarization axis is aligned so that the output light becomes p-polarized light. Further, at the emission end of the second polarization maintaining fiber 106B, the polarization axis is aligned so that the emitted light becomes s-polarized light.

図9に示すように、第1の偏波保持ファイバ106A及び第2の偏波保持ファイバ106Bの出射端側には、第2の偏光ビームスプリッタ108が配置されている。また、第1の偏波保持ファイバ106Aと第2の偏光ビームスプリッタ108の間には、第1のコリメートレンズ107Aが配置されており、第2の偏波保持ファイバ106Bと第2の偏光ビームスプリッタ108の間には、第2のコリメートレンズ107Bが配置されている。   As shown in FIG. 9, a second polarization beam splitter 108 is disposed on the emission end side of the first polarization maintaining fiber 106A and the second polarization maintaining fiber 106B. Further, a first collimating lens 107A is disposed between the first polarization maintaining fiber 106A and the second polarization beam splitter 108, and the second polarization maintaining fiber 106B and the second polarization beam splitter are disposed. A second collimating lens 107 </ b> B is disposed between 108.

第1の偏波保持ファイバ106Aを伝播した第1の光束L1は、第1の偏波保持ファイバ106Aから出射されると、第1のコリメートレンズ107Aによって平行光にコリメートされる。そして、平行光にコリメートされた第1の光束L1は、第2の偏光ビームスプリッタ108に入射する。   When the first light beam L1 propagated through the first polarization maintaining fiber 106A is emitted from the first polarization maintaining fiber 106A, it is collimated into parallel light by the first collimating lens 107A. Then, the first light beam L1 collimated to the parallel light is incident on the second polarization beam splitter 108.

また、第2の偏波保持ファイバ106Bを伝播した第2の光束L2は、第2の偏波保持ファイバ106Bから出射されると、第2のコリメートレンズ107Bによって平行光にコリメートされる。そして、平行光にコリメートされた第2の光束L2は、第2の偏光ビームスプリッタ108に入射する。   Further, when the second light beam L2 propagated through the second polarization maintaining fiber 106B is emitted from the second polarization maintaining fiber 106B, it is collimated into parallel light by the second collimating lens 107B. Then, the second light beam L2 collimated to the parallel light is incident on the second polarization beam splitter 108.

第1の光束L1は、第2の偏光ビームスプリッタ108を透過し、偏光ビームスプリッタである光束分割部113に入射する。また、第2の光束L2は、第2の偏光ビームスプリッタ108によって反射された光束分割部113に入射する。   The first light beam L1 passes through the second polarization beam splitter 108 and enters the light beam splitter 113 that is a polarization beam splitter. The second light beam L2 is incident on the light beam splitting unit 113 reflected by the second polarization beam splitter 108.

光束分割部113を透過した第1の光束L1は、第1の収束レンズ5Aで集光されて、収束光となる。そして、第1の収束レンズ5Aを通過した第1の光束L1は、被測定部材9で反射されて、回折格子4に入射する。そして、第1の光束L1は、回折格子4で回折される。回折された第1の光束L1は、被測定部材9で再び反射されて、第1の光路補正部材7Aに入射する。第1の光路補正部材7Aに入射した第1の光束L1は、第1の光路補正部材7Aによって光路が補正されると共に、収束光から平行光(コリメートビーム)に戻されて、偏光ビームスプリッタである光束結合部14に入射する。   The first light beam L1 that has passed through the light beam splitting unit 113 is condensed by the first converging lens 5A and becomes convergent light. Then, the first light beam L1 that has passed through the first converging lens 5A is reflected by the member to be measured 9 and enters the diffraction grating 4. Then, the first light beam L1 is diffracted by the diffraction grating 4. The diffracted first light beam L1 is reflected again by the member to be measured 9, and enters the first optical path correction member 7A. The first light beam L1 incident on the first optical path correction member 7A has its optical path corrected by the first optical path correction member 7A and is returned from the convergent light to parallel light (collimated beam). The light enters a certain light beam coupling portion 14.

また、光束分割部113を反射した第2の光束L2は、第2の収束レンズ5Bで集光され、ミラー6で反射されて回折格子4に入射する。そして、第2の光束L2は、回折格子4に回折されて、ミラー6で再び反射される。反射された第2の光束L2は、第2の光路補正部材7Bで収束光から平行光(コリメートビーム)に戻されて、偏光ビームスプリッタである光束結合部14に入射する。   The second light beam L2 reflected from the light beam splitting unit 113 is collected by the second convergent lens 5B, reflected by the mirror 6, and incident on the diffraction grating 4. Then, the second light beam L2 is diffracted by the diffraction grating 4 and reflected by the mirror 6 again. The reflected second light beam L2 is returned from the converged light to parallel light (collimated beam) by the second optical path correction member 7B, and is incident on the light beam combining unit 14 which is a polarization beam splitter.

なお、2つの収束レンズ5A,5B、回折格子4、ミラー6、第1の光路補正部材7A及び第2の光路補正部材7Bの構成と働きは、第1の実施の形態例にかかる変位検出装置1と同一であるため、ここでは、その説明は、省略する。   The configurations and functions of the two converging lenses 5A and 5B, the diffraction grating 4, the mirror 6, the first optical path correction member 7A, and the second optical path correction member 7B are the same as those of the displacement detection apparatus according to the first embodiment. The description thereof is omitted here since it is the same as 1.

光束結合部14は、回折格子4によって回折された第1の光束L1及び第2の光束L2を重ね合わせ、受光部111に照射する。受光部111は、偏光板110を通過して干渉した光束Laを受光する。この受光部111には、信号処理回路112が接続されている。   The light beam combining unit 14 superimposes the first light beam L 1 and the second light beam L 2 diffracted by the diffraction grating 4 and irradiates the light receiving unit 111. The light receiving unit 111 receives the light beam La that has passed through the polarizing plate 110 and interfered therewith. A signal processing circuit 112 is connected to the light receiving unit 111.

受光部111で得られる干渉信号は、例えば、下記式4で示される。
[式4]

ここで、I0は、被測定部材9から戻ってくる第1の光束L1の光量、Iは、ミラー6から戻ってくる第2の光束L2の光量を示しており、tは時間を示している。
The interference signal obtained by the light receiving unit 111 is expressed by the following formula 4, for example.
[Formula 4]

Here, I0 is the light quantity of the first light beam L1 returning from the measurement member 9, I r shows the light intensity of the second light beam L2 returned from the mirror 6, t is represents time Yes.

受光部111で得られた干渉信号は、信号処理回路112へ送信され、信号処理回路112によって被測定部材9の被測定面の高さ方向の相対位置情報(変位情報)が演算される。ここで、軸ゼーマンレーザである光源102における周波数差f−fは、数MHz程度であるため、式4で示される干渉信号は、ピンフォトダイオード等で容易に検出することができる。また、一定の周波数をもつ信号のため、信号処理回路112では、信号の振幅情報を用いずに位相差2Kxを検出することが可能となる。 The interference signal obtained by the light receiving unit 111 is transmitted to the signal processing circuit 112, and the signal processing circuit 112 calculates relative position information (displacement information) in the height direction of the measurement target surface of the member 9 to be measured. Here, the frequency difference f 0 -f r of the light source 102 is an axial Zeeman laser, for about several MHz, the interference signal shown by the formula 4 can be easily detected by a pin photodiode or the like. Since the signal has a constant frequency, the signal processing circuit 112 can detect the phase difference 2Kx without using the amplitude information of the signal.

その結果、この第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101によれば、第1の実施の形態例にかかる変位検出装置1のようにsin信号及びcos信号から位相角を求める方法よりも遙かに微弱な信号でも位相差2Kxを検出することができる。これにより、被測定部材9の測定面の反射率が低い場合は、被測定部材9の測定面が粗い場合でも、確実に被測定部材9の変位を検出することが可能となる。   As a result, according to the displacement detection device 101 according to the second embodiment, as compared with the method for obtaining the phase angle from the sin signal and the cos signal as in the displacement detection device 1 according to the first embodiment. The phase difference 2Kx can be detected even with a very weak signal. Thereby, when the reflectance of the measurement surface of the member 9 to be measured is low, the displacement of the member 9 to be measured can be reliably detected even when the measurement surface of the member 9 to be measured is rough.

さらに、受光部111として信号に増幅作用をもつAPD(アバランシェフォトダイオード)を用いれば、さらに反射率の低い面を有する被測定部材でも測定することができる。   Furthermore, if an APD (avalanche photodiode) having an amplification effect on the signal is used as the light receiving unit 111, it is possible to measure even a member to be measured having a surface with a lower reflectance.

その他の構成は、第1の実施の形態にかかる変位検出装置1と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置101によっても、上述した第1の実施の形態例にかかる変位検出装置1と同様の作用効果を得ることができる。   Since other configurations are the same as those of the displacement detection device 1 according to the first embodiment, description thereof will be omitted. Also with the displacement detection device 101 having such a configuration, it is possible to obtain the same operational effects as those of the displacement detection device 1 according to the first embodiment described above.

3.変位検出装置の第3の実施の形態例
次に、第3の実施の形態例にかかる変位検出装置について図11を参照して説明する。
図11は、第3の変位検出装置にかかる光源周りの構成を示す説明図である。
3. Third Embodiment of Displacement Detection Device Next, a displacement detection device according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a configuration around the light source according to the third displacement detection apparatus.

この第3の実施の形態例にかかる変位検出装置201は、第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101と同じく、光ヘテロダイン法を用いたものである。この第3の実施の形態例にかかる変位検出装置201と第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101が異なる点は、光源周りの構成である。そのため、ここでは、光源周りの構成について説明し、第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。   The displacement detection device 201 according to the third embodiment uses an optical heterodyne method, similarly to the displacement detection device 101 according to the second embodiment. The difference between the displacement detector 201 according to the third embodiment and the displacement detector 101 according to the second embodiment is the configuration around the light source. Therefore, here, the configuration around the light source will be described, and portions common to the displacement detection apparatus 101 according to the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図11に示すように、この第3の実施の形態例にかかる変位検出装置201では、光源202として可干渉光源が用いられる。また、光源202からは、周波数fの光が出射する。 As shown in FIG. 11, in the displacement detection device 201 according to the third embodiment, a coherent light source is used as the light source 202. Further, light having a frequency f 0 is emitted from the light source 202.

光源202と、第1の偏波保持ファイバ106A及び第2の偏波保持ファイバ106Bの間には、音響光学変調器(AOM)204が配置されている。この音響光学変調器204には、ドライバ203が接続されている。また、音響光学変調器204は、ドライバ203によって周波数fの電気信号で駆動されている。そして、音響光学変調器204は、光源202から照射された光に、ドライバ203から印加された周波数fを加える。 An acousto-optic modulator (AOM) 204 is disposed between the light source 202 and the first polarization maintaining fiber 106A and the second polarization maintaining fiber 106B. A driver 203 is connected to the acousto-optic modulator 204. The acousto-optic modulator 204 is driven by an electric signal having a frequency f 1 by a driver 203. Then, the acousto-optic modulator 204 adds the frequency f 1 applied from the driver 203 to the light emitted from the light source 202.

また、音響光学変調器204の出射側からは、周波数fの光と、周波数fから周波数fだけシフトした周波数f+fの光が出射される。周波数fの光は、第1の集光レンズ205Aを介して第1の偏波保持ファイバ106Aに入射し、周波数f+fの光は、第2の集光レンズ205Bを介して第2の偏波保持ファイバ106Bに入射する。 In addition, from the exit side of the acousto-optic modulator 204, an optical frequency f 0, the light of the frequency f 0 + f 1 shifted from the frequency f 0 by a frequency f 1 is emitted. Light of frequency f 0, through a first focusing lens 205A is incident on the first polarization maintaining fiber 106A, the light of the frequency f 0 + f 1 is first through the second focusing lens 205B 2 Is incident on the polarization maintaining fiber 106B.

また、この第3の実施の形態例にかかる変位検出装置201における受光部111で得られる干渉信号は、例えば下記式5で示される。
[式5]

なお、tは時間を示している。
Further, an interference signal obtained by the light receiving unit 111 in the displacement detection apparatus 201 according to the third embodiment is expressed by, for example, the following formula 5.
[Formula 5]

Note that t represents time.

音響光学変調器204でシフトされる周波数fは、第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101における光源102の周波数差f−fの数MHzよりも大きな数十MHzの値にすることができる。また、検出可能な被測定面の変位速度は、周波数fと周波数f−fに比例する。そのため、この第3の実施の形態例にかかる変位検出装置201では、被測定部材9のより速い変位を検出することが可能となる。さらに、音響光学変調器204でシフトされる周波数fの値によっては、受光部111として、ピンフォトダイオードよりも応答周波数が高く、増幅作用をもつAPD(アバランシェフォトダイオード)を用いることもできる。 Frequency f 1 to be shifted by the acousto-optic modulator 204, the value of the large tens MHz than several MHz frequency difference f 0 -f r of the light source 102 in the displacement detection apparatus 101 according to an exemplary second embodiment can do. The displacement speed of the detectable surface to be measured is proportional to the frequency f 1 and the frequency f 0 -f r. Therefore, the displacement detection apparatus 201 according to the third embodiment can detect a faster displacement of the member 9 to be measured. Further, depending on the value of the frequency f 1 shifted by the acousto-optic modulator 204, an APD (avalanche photodiode) having a response frequency higher than that of the pin photodiode and having an amplifying function can be used as the light receiving unit 111.

その他の構成は、第1の実施の形態にかかる変位検出装置1及び第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置201によっても、上述した第1の実施の形態例にかかる変位検出装置1や第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101と同様の作用効果を得ることができる。   Since other configurations are the same as those of the displacement detection device 1 according to the first embodiment and the displacement detection device 101 according to the second embodiment, their descriptions are omitted. Even with the displacement detection device 201 having such a configuration, the same operational effects as the displacement detection device 1 according to the first embodiment and the displacement detection device 101 according to the second embodiment described above can be obtained. Can do.

4.変位検出装置の第4の実施の形態例
次に、第4の実施の形態例にかかる変位検出装置について図12を参照して説明する。
図12は、第4の変位検出装置にかかる光源周りの構成を示す説明図である。
4). Fourth Embodiment of Displacement Detection Device Next, a displacement detection device according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a configuration around the light source according to the fourth displacement detection apparatus.

この第4の実施の形態例にかかる変位検出装置301は、光導波路を用いた擬似的な光ヘテロダイン法を用いたものである。この第4の実施の形態例にかかる変位検出装置301と第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101が異なる点は、光源周りの構成である。そのため、ここでは、光源周りの構成について説明し、第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。   The displacement detection device 301 according to the fourth embodiment uses a pseudo optical heterodyne method using an optical waveguide. The difference between the displacement detector 301 according to the fourth embodiment and the displacement detector 101 according to the second embodiment is the configuration around the light source. Therefore, here, the configuration around the light source will be described, and portions common to the displacement detection apparatus 101 according to the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図12に示すように、この第4の実施の形態例にかかる変位検出装置301は、光源302と、駆動回路303と、光導波部材304を有している。光源302は、可干渉光源であり、例えばレーザダイオード等が挙げられる。   As shown in FIG. 12, a displacement detection device 301 according to the fourth embodiment includes a light source 302, a drive circuit 303, and an optical waveguide member 304. The light source 302 is a coherent light source such as a laser diode.

光導波部材304は、Y字状に分岐する光導波路304bと、一対の電極からなる光変調器304aとを有している。光変調器304aは、2つの分岐した光導波路304bのうち片側の光導波路に配置されている。この光変調器304aには、駆動回路303から所定の電圧Vsin(ωt+φ)が印加される。ここで、Vは、変調電圧であり、ωは角周波数を示している。また、φは、図示しない位相調整回路で調整される位相である。 The optical waveguide member 304 includes an optical waveguide 304b that branches in a Y shape and an optical modulator 304a that includes a pair of electrodes. The optical modulator 304a is arranged in one of the two branched optical waveguides 304b. A predetermined voltage V m sin (ω m t + φ 0 ) is applied to the optical modulator 304 a from the drive circuit 303. Here, V m is a modulation voltage, and ω m indicates an angular frequency. Φ 0 is a phase adjusted by a phase adjustment circuit (not shown).

光導波路304bとしては、例えば誘電体材料であるLiNbO等を用いて作成される。また、この光導波路304bには、例えばレンズ等を用いて光源302から光が入射する。なお、光源302がレーザダイオードの場合では、光導波部材304を直接、光源302に接着し、光源302の出射端と光導波路304bの入射部とを直接、接触させてもよい。 As the optical waveguide 304b, for example, LiNbO 3 that is a dielectric material is used. In addition, light from the light source 302 enters the optical waveguide 304b using, for example, a lens. When the light source 302 is a laser diode, the optical waveguide member 304 may be directly bonded to the light source 302 so that the emission end of the light source 302 and the incident portion of the optical waveguide 304b are in direct contact with each other.

光導波路304bに入射された光は、物体光である第1の光束L1と、参照光である第2の光束L2に分割される。第1の光束L1は、2つの分岐した光導波路304bのうち光変調器304aが設けられた光導波路304bを通過する。第1の光束L1の位相は、光変調器304aによって電圧Vsin(ωt+φ)が印加されることで、変調される。そして、変調された第1の光束L1は、第1の偏波保持ファイバ106Aへ入射する。なお、参照光である第2の光束L2は、2つの分岐した光導波路304bのうち光変調器304aが設けられていない光導波路304bを通過する。そして、第2の光束L2は、変調されることなく、第2の偏波保持ファイバ106Bへ入射する。 The light incident on the optical waveguide 304b is divided into a first light beam L1 that is object light and a second light beam L2 that is reference light. The first light beam L1 passes through the optical waveguide 304b provided with the optical modulator 304a, out of the two branched optical waveguides 304b. The phase of the first light beam L1 is modulated by applying a voltage V m sin (ω m t + φ 0 ) by the optical modulator 304a. The modulated first light beam L1 is incident on the first polarization maintaining fiber 106A. The second light beam L2 that is the reference light passes through the optical waveguide 304b that is not provided with the optical modulator 304a, out of the two branched optical waveguides 304b. The second light beam L2 enters the second polarization maintaining fiber 106B without being modulated.

ここで、物体光である第1の光束L1の振幅E及び参照光である第2の光束L2の振幅Eは、例えば下記式6のように示される。
[式6]
=Ecos(ωt+msin(ωt+φ)+φ
=Ecos(ωt+φ
ここで、mは位相変調指数を示しており、ωは光源302から出射された光の角周波数を示している。また、φ及びφは、初期位相を示している。さらに、tは、時間、E及びEは電場の振幅を示している。
Here, the amplitude E 0 of the first light beam L1 that is the object light and the amplitude Er of the second light beam L2 that is the reference light are expressed by the following Expression 6, for example.
[Formula 6]
E 0 = E 1 cos (ω 0 t + m p sin (ω m t + φ 0 ) + φ 1 )
E r = E 2 cos (ω 0 t + φ 2 )
Here, m p represents the phase modulation index, and ω 0 represents the angular frequency of the light emitted from the light source 302. Φ 1 and φ 2 indicate initial phases. Further, t represents time, and E 1 and E 2 represent electric field amplitudes.

また、この第4の実施の形態例にかかる変位検出装置301における受光部111で得られる干渉信号は、例えば下記式7で示される。
[式7]


ここで、VDETは、受光部111で得られる電圧振幅を示しており、J(m)はベッセル関数である。
Further, an interference signal obtained by the light receiving unit 111 in the displacement detection apparatus 301 according to the fourth embodiment is expressed by, for example, the following Expression 7.
[Formula 7]


Here, V DET indicates a voltage amplitude obtained by the light receiving unit 111, and J 1 (m p ) is a Bessel function.

この第4の実施の形態例にかかる変位検出装置301においても、上述した第2及び第3の実施の形態例にかかる変位検出装置101、201と同様に位相差2Kxを検出することができる。また、光変調器304aによって印加される電圧の角周波数ωは、数十MHz以上に設定することが可能であるため、高速の変位にも適用かのうである。 In the displacement detection device 301 according to the fourth embodiment, the phase difference 2Kx can be detected similarly to the displacement detection devices 101 and 201 according to the second and third embodiments described above. Further, since the angular frequency ω m of the voltage applied by the optical modulator 304a can be set to several tens of MHz or more, it can be applied to high-speed displacement.

また、光導波部材304に設けられる光導波路304bは、非常に小型に形成することができるため、第2及び第3の施の形態例にかかる変位検出装置101、201よりも装置を大幅に小型化することが可能である。   Further, since the optical waveguide 304b provided in the optical waveguide member 304 can be formed very small, the apparatus is significantly smaller than the displacement detection apparatuses 101 and 201 according to the second and third embodiments. It is possible to

その他の構成は、第1の実施の形態にかかる変位検出装置1や、第2及び第3の実施の形態例にかかる変位検出装置101、201と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置301によっても、上述した第1の実施の形態例にかかる変位検出装置1、第2の実施の形態例にかかる変位検出装置101や第3の実施の形態例にかかる変位検出装置201と同様の作用効果を得ることができる。     Other configurations are the same as those of the displacement detection device 1 according to the first embodiment and the displacement detection devices 101 and 201 according to the second and third embodiments, and thus description thereof is omitted. Also with the displacement detection device 301 having such a configuration, the displacement detection device 1 according to the first embodiment described above, the displacement detection device 101 according to the second embodiment, and the third embodiment. It is possible to obtain the same effect as that of the displacement detector 201 according to the above.

なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。上述した実施の形態例では、光源から照射される光は、気体中だけでなく、液体中又は真空中の空間を飛ばして光を供給するようにしてもよい。   The present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention described in the claims. In the embodiment described above, the light emitted from the light source may be supplied not only in the gas but also in a liquid or vacuum space.

1,101,201,301…変位検出装置、 2,102,202,302…光源、 3、113…光束分割部(光束結合部)、 4…回折格子、 5A…第1の収束レンズ、 5B…第2の収束レンズ、 6…ミラー(反射部)、 7A…第1の光路補正部材、 7B…第2の光路補正部材、 8,111…受光部、 9…被測定部材、 10…相対位置情報出力手段、 11…レンズ、 12…位相板、 13…ダミーガラス、 14…光束結合部、 16…無偏光ビームスプリッタ、 17…受光側位相板、 18…第1の偏光ビームスプリッタ、 19…第2の偏光ビームスプリッタ、 20…絞り部材、 20A…開口部、 33…第1の受光素子、 34…第2の受光素子、 35…第3の受光素子、 36…第4の受光素子、 37…絶対値用受光部、 37C…第5の受光素子、 37D…第6の受光素子、 38…差動比較器、 112…信号処理回路(相対位置情報出力手段)、 204…音響光学変調器、 304…光導波部材、 304a…光変調器、 304b…光導波路、 L1…第1の光束、 L2…第2の光束、 P1,P1’…第1の照射スポット、 P2,P2’…第2の照射スポット、 T1,T1’…回折位置、 Λ…格子ピッチ、 K…格子ベクトルの方向、 X…第1の方向(変位方向)、 Y…第2の方向、 Z…光軸方向 M1…平面、 Q…仮想点、 Fb…焦点   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101,201,301 ... Displacement detection apparatus 2,102,202,302 ... Light source 3,113 ... Light beam splitting part (light beam coupling part), 4 ... Diffraction grating, 5A ... First convergent lens, 5B ... 2nd convergent lens, 6 ... mirror (reflecting part), 7A ... 1st optical path correction member, 7B ... 2nd optical path correction member, 8, 111 ... light receiving part, 9 ... measured member, 10 ... relative position information 11: lens, 12: phase plate, 13: dummy glass, 14: light beam coupling unit, 16: non-polarization beam splitter, 17: light receiving side phase plate, 18: first polarization beam splitter, 19: second 20 ... aperture member, 33 ... first light receiving element, 34 ... second light receiving element, 35 ... third light receiving element, 36 ... fourth light receiving element, 37 ... absolute For value Light receiving section, 37C ... fifth light receiving element, 37D ... sixth light receiving element, 38 ... differential comparator, 112 ... signal processing circuit (relative position information output means), 204 ... acousto-optic modulator, 304 ... optical waveguide Member, 304a: optical modulator, 304b: optical waveguide, L1: first light beam, L2: second light beam, P1, P1 ′: first irradiation spot, P2, P2 ′: second irradiation spot, T1 , T1 '... diffraction position, Λ ... grating pitch, K ... grating vector direction, X ... first direction (displacement direction), Y ... second direction, Z ... optical axis direction M1, plane, Q ... virtual point Fb ... Focus

Claims (7)

光を照射する光源と、
前記光源から出射された光を被測定部材に入射させる第1の光束と、参照光となる第2の光束に分割する光束分割部と、
前記光束分割部によって分割され、かつ前記被測定部材の被測定面によって反射された前記第1の光束を回折し、回折した前記第1の光束を再び前記被測定部材の被測定面に入射させる透過型の回折格子と、
前記光束分割部によって分割された前記第2の光束を反射する反射部と、
前記回折格子によって回折され、かつ前記被測定面によって再び反射された前記第1の光束と、前記反射部によって反射された前記第2の光束を重ね合わせる光束結合部と、
前記光束結合部により重ね合わされた前記第1の光束及び前記第2の光束の干渉光を受光する受光部と、
前記光束結合部と前記被測定部材の間に設けられ、前記被測定部材がチルトして進行方向が傾いた前記第1の光束と、前記第2の光束とが、前記光束結合部において略平行を保つように、前記第1の光束の光路を補正する光路補正部材と、
前記受光部により受光した干渉光の干渉信号に基づいて前記被測定面の高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力手段と、
を備えた変位検出装置。
A light source that emits light;
A first light beam that causes the light emitted from the light source to enter the member to be measured, and a light beam dividing unit that divides the light beam into a second light beam that serves as reference light,
The first light beam divided by the light beam splitting unit and reflected by the surface to be measured of the member to be measured is diffracted, and the diffracted first light beam is incident again on the surface to be measured of the member to be measured. A transmissive diffraction grating;
A reflecting portion that reflects the second light flux divided by the light flux splitting portion;
A light beam coupling unit that superimposes the first light beam diffracted by the diffraction grating and reflected again by the surface to be measured, and the second light beam reflected by the reflection unit;
A light receiving unit that receives interference light of the first light beam and the second light beam superimposed by the light beam coupling unit;
The first light beam provided between the light beam coupling portion and the member to be measured and tilted in the traveling direction by tilting the member to be measured and the second light beam are substantially parallel in the light beam coupling portion. An optical path correction member for correcting the optical path of the first light flux so as to maintain
Relative position information output means for outputting displacement information in the height direction of the surface to be measured based on an interference signal of interference light received by the light receiving unit;
Displacement detection device comprising:
前記光路補正部材は、前記第1の光束の進行方向である光軸方向と、前記光軸方向及び前記回折格子の格子ベクトルの方向と直交する変位方向とで形成される平面内において前記第1の光束の進行方向を調整する
請求項1に記載の変位検出装置。
The optical path correction member is arranged in a plane formed by an optical axis direction that is a traveling direction of the first light flux and a displacement direction that is orthogonal to the optical axis direction and a grating vector direction of the diffraction grating. The displacement detection device according to claim 1, wherein the traveling direction of the luminous flux is adjusted.
前記光路補正部材は、前記平面内において曲率を有し、前記第1の光束を前記変位方向へのみ集光する
請求項2に記載の変位検出装置。
The displacement detection device according to claim 2, wherein the optical path correction member has a curvature in the plane and condenses the first light flux only in the displacement direction.
前記被測定部材がチルトして進行方向が傾いた前記第1の光束と、前記被測定部材がチルトしていない時における通常の進行方向の前記第1の光束と、を前記平面内において前記光軸方向に延ばした際、進行方向が傾いた前記第1の光束と通常の進行方向の前記第1の光束が交わる仮称点の近傍に前記光路補正部材の焦点位置が位置する
請求項2又は3に記載の変位検出装置。
The first light beam whose traveling direction is tilted by tilting the member to be measured and the first light beam in a normal traveling direction when the member to be measured is not tilted are the light in the plane. 4. The focal position of the optical path correction member is positioned in the vicinity of a temporary point where the first light beam whose traveling direction is inclined and the first light beam in the normal traveling direction intersect when extending in the axial direction. The displacement detection device described in 1.
前記受光部と前記被測定部材の間には、前記第1の光束における前記変位方向の光量を制限する絞り部材が設けられている
請求項2〜4のいずれかに記載の変位検出装置。
The displacement detection device according to any one of claims 2 to 4, wherein a diaphragm member that restricts a light amount in the displacement direction of the first light flux is provided between the light receiving unit and the member to be measured.
前記光源と前記光路補正部材の間には、前記第1の光束を平行光から前記変位方向へのみ収束する収束光に変換する収束レンズが設けられている
請求項2〜5のいずれかに記載の変位検出装置。
The converging lens for converting the first light flux from parallel light into convergent light that converges only in the displacement direction is provided between the light source and the optical path correcting member. Displacement detector.
前記光路補正部材は、シリンドリカルレンズである
請求項1〜6のいずれかに記載の変位検出装置。
The displacement detection device according to claim 1, wherein the optical path correction member is a cylindrical lens.
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