JP4852318B2 - 変位検出装置、偏光ビームスプリッタ及び回折格子 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉を利用してスケールの変位（移動）量を検出する変位検出装置、これに搭載される偏光ビームスプリッタ及び回折格子に関する。

近年の発光ダイオードやレーザを用いた定点検出装置や変位検出装置は、高分解能化され、１ｎｍ以下の変位の計測が可能になっている。かかる変位検出装置の中でも、特許文献１に開示されている変位検出装置は、所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域（１２ａ）と、第１の領域（１２ａ）は異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域（１２ｂ）とが形成されている移動可能なスケール（１２）を備えている。第１の読取部（１０）は、そのスケールの（１２）の第１の領域（１２ａ）からの回折光の信号を読み取り、また、第２の読取部（１１）は、第２の領域（１２ｂ）からの回折光の信号を読み取る（例えば、特許文献１参照。）この変位検出装置では、読み取られた信号の各位相が検出されるとともに、その２つの位相が比較されることにより、変位量の基準となる原点位置を示す原点信号が発生する。すなわち、上記した定点検出装置はこのようにしてその原点位置を検出することができる装置であり、変位検出装置と一体化して使用される。

かかる特許文献１の変位検出装置では、上記第１の領域（１２ａ）から位置情報を読み取る位置と、上記第２の領域（１２ｂ）から位置情報を読み取る位置とがインライン上に並んでいる。したがって、アッベ誤差の影響を受けることなく、正確な原点信号を発生することができる。
特開２００４−１４４５８１号公報（図１等）

ところで、このような変位検出装置では、一般的に光学系が複雑となるため、装置が大型化するといった問題がある。したがって、極力小型化されることが望まれている。また、光学系が複雑であることにより、その光学系の組み立て精度を維持することも重要なことであり、組み立て精度が悪い場合には、変位検出装置の継続的な使用によって光学系や電気信号処理系にひずみが発生するおそれがある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、小型化を実現することができ、かつ、変位検出装置の継続的な使用によっても信頼性の高い変位検出装置、これに搭載される偏光ビームスプリッタ及び回折格子を提供することにある。

本発明の別の目的は、正確な２次元の変位を検出することができる変位検出装置等を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る変位検出装置は、
レーザビームを出射する光源を備え、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる２つの偏光ビームの干渉光の受光量に基づいて、変位を検出する変位検出装置であって、
前記２つの偏光ビームが入射される反射型の回折格子と、
前記回折格子から得られる前記２つの偏光ビームによる２つの回折光の各偏波をそれぞれ変換する２つの偏波変換素子と、
前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記２つの偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記２つの偏波変換素子にそれぞれ導く２つのミラーと、
前記レーザビームを分割して前記２つの偏光ビームを生成する偏光分割面と、前記偏光分割面により生成された前記２つの偏光ビームを前記回折格子に導き、かつ、前記干渉光を得るために前記２つの偏波変換素子からの２つの戻りビームを前記回折格子を介して前記偏光分割面に再び導く透過領域とを有し、少なくとも前記２つの偏波変換素子と一体的に設けられた偏光ビームスプリッタとを具備し、
前記回折格子は、第１のライン上に配置された第１の格子と、前記第１の格子が配置される面内で前記第１のラインに直交する第２のライン上に配置された第２の格子とを有し、前記第１の格子と前記第２の格子とが前記面内で２次元的に対称配置となるように構成され、
前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分割面は、
前記偏光ビームのうち２つの第１の偏光ビームを生成する第１の偏光分割面と、
前記偏光ビームのうち２つの第２の偏光ビームを生成する、前記第１の偏光分割面とは異なる面内に配置された第２の偏光分割面とで構成され、
前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記第１の偏光分割面により生成された前記第１の偏光ビームを前記第１の格子上に導き、前記第２の偏光分割面により生成された前記第２の偏光ビームを前記第２の格子上に導くことを特徴とする。

本発明では、反射型の回折格子が用いられているので、回折格子で生成される各回折光を折り返らせることができ、変位検出装置の小型化が実現される。しかも、偏波変換素子が偏光ビームスプリッタに一体的に設けられているので、組み立て精度を高く維持することができ、変位検出装置の信頼性を確保することができる。

このように、反射型の回折格子が用いられて小型化を実現でき、かつ、各第１の偏波変換素子が偏光ビームスプリッタに一体的に設けられていることを可能にするために、「透過領域」を有する偏光ビームスプリッタが用いられる。このように透過領域があることにより、偏光ビームスプリッタがブロック状になり、第１の偏光素子等を偏光ビームスプリッタと一体化することができる。
また、本発明によれば、第１のライン上での測定中心と、第２のライン上での測定中心とを一致させることができる。例えば単に１次元変位検出装置を２つ組み合わせてこれらを近接させることにより、２次元の変位検出装置が構成されると考えられるが、実際には２つの直交する軸上で測定中心を一致させることはできず、測定誤差が発生してしまう。本発明は、かかる問題を解決した２次元の変位検出装置である。

本発明において、「一体的に設けられた」とは、２つの部材が互いに接してまたは間接的に固定されている状態をいう。

本発明において、前記２つのミラーは、前記２つの偏波変換素子にそれぞれ一体的に設けられていることを特徴とする変位検出装置。
これにより、偏光ビームスプリッタと、２つの偏波変換素子と、２つのミラーとが一体的に設けられ、さらに組み立て精度を高く維持することができ、変位検出装置の信頼性を確保することができる。

本発明において、前記第１の偏光分割面と前記第２の偏光分割面とは直交するように配置されている。

本発明において、前記回折格子への前記偏光ビームの入射角と、該回折格子による当該偏光ビームの回折角とがほぼ等しい。これにより、回折格子が配置される面（測定ラインを含む面）に垂直な方向（高さ方向）に、回折格子と偏光ビームスプリッタとの相対的な位置がずれたとしても、全体の光学系に影響なく、その高さ方向での偏光ビームスプリッタの位置精度を高く保つ必要がなくなる。

本発明において、変位検出装置は、前記光源から出射された前記レーザビームから第１及び第２のレーザビームを生成するビーム生成手段をさらに具備し、前記回折格子は、第１の格子ピッチでなる第１の領域と、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有し、前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分割面は、前記第１のレーザビームを分割して２つの第１の偏光ビームを生成し、前記第２のレーザビームを分割して２つの第２の偏光ビームを生成し、前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記２つの第１の偏光ビームを前記第１の領域に導き、前記２つの第２の偏光ビームを前記第２の領域に導く。これにより、例えば２つの第１の偏光ビームによる干渉光と２つの第２の偏光ビームによる干渉光の位相差に基づき、変位検出に利用される１つの測定ライン上の原点信号を生成することが可能となる。

本発明において、変位検出装置は、前記第１及び第２のレーザビームとは別に、第３及び第４のレーザビームを生成するビーム生成手段をさらに具備し、前記回折格子は、第１の格子ピッチでなる第１の領域と、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有する前記第１の格子と、前記第１の格子ピッチでなる第３の領域と、前記第２の格子ピッチでなる第４の領域とを有する前記第２の格子とを有し、前記偏光ビームスプリッタの前記第１の偏光分割面は、前記第１のレーザビームを分割して前記２つの第１の偏光ビームを生成し、前記第２のレーザビームを分割して前記２つの第２の偏光ビームを生成し、前記偏光ビームスプリッタの前記第２の偏光分割面は、前記第３のレーザビームを分割して２つの第３の偏光ビームを生成し、前記第４のレーザビームを分割して２つの第４の偏光ビームを生成し、前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記２つの第１の偏光ビーム、前記２つの第２の偏光ビーム、前記２つの第３の偏光ビーム及び前記２つの第４の偏光ビームを、前記第１、第２、第３及び第４の領域にそれぞれ導く。これにより、直交する２つの測定ライン上における原点信号を生成することが可能となる。本発明の場合、光源が２つあって、各光源からのレーザビームから２つずつのレーザビームが生成されるようになっていてもよい。

本発明において、前記回折格子は、前記２つの偏光ビームが入射される表面と、前記表面に形成された格子状の反射膜とを有するボリュームタイプのホログラムである。

本発明において、前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、膨張係数の絶対値が１×１０^−６以下のガラスで構成される。このような低膨張率のガラスが用いられることにより、周囲の温度変化の影響を受けにくくすることができる。

本発明において、前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分割面は、互いに離れていくように前記２つの偏光ビームを生成し、前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記偏光分割面から離れていく前記２つの偏光ビームが、互いに接近しながら前記偏光ビームスプリッタを出射するようにするための反射面を有する。

本発明の他の観点に係る変位検出装置は、レーザビームを出射する光源を備え、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる複数の偏光ビームのうち、２つの第１の偏光ビームの第１の干渉光の受光量及び２つの第２の偏光ビームの第２の干渉光の受光量に基づいて、２次元の変位を検出する変位検出装置であって、第１のライン上に配置され前記２つの第１の偏光ビームが入射される第１の格子と、前記第１の格子が配置される面内で前記第１のラインに直交する第２のライン上に配置され前記２つの第２の偏光ビームが入射される第２の格子とを有し、前記第１の格子と前記第２の格子とが前記面内で２次元的に対称に配置された回折格子と、前記回折格子から得られる前記２つの第１の偏光ビーム及び前記２つの第２の偏光ビームによる４つの回折光の各偏波をそれぞれ変換する４つの偏波変換素子と、前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記４つの偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記４つの偏波変換素子にそれぞれ導く４つのミラーと、前記レーザビームを分割して前記２つの第１の偏光ビームを生成する第１の偏光分割面と、前記レーザビームを分割して前記２つの第２の偏光ビームを生成する、前記第１の偏光分割面とは異なる面内に配置された第２の偏光分割面と、前記２つの第１の偏光ビームを前記第１の格子上に導くとともに、前記２つの第２の偏光ビームを前記第２の格子上に導き、前記第１及び第２の干渉光を得るために、前記４つの偏波変換素子からの４つの戻りビームを前記回折格子を介して、対応する前記第１及び第２の偏光分割面に再び導く透過領域とを有する偏光ビームスプリッタとを具備する。

本発明では、回折格子が第１の格子と第２の格子とが同じ面内で２次元的に対称に配置されるように構成されており、また、２つの第１の偏光ビームを第１の格子に導くとともに、２つの第２の偏光ビームを第２の格子に導く偏光ビームスプリッタが備えられている。これにより、上述したように第１のライン上での測定中心と、第２のライン上での測定中心とを一致させることができ、測定誤差を発生することはない。

本発明に係る「回折格子」は透過型でも反射型でもよい。

本発明において、変位検出装置は、前記第１及び第２のレーザビームとは別に、第３及び第４のレーザビームを生成するビーム生成手段をさらに具備し、前記回折格子は、第１の格子ピッチでなる第１の領域と、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有する前記第１の格子と、前記第１の格子ピッチでなる第３の領域と、前記第２の格子ピッチでなる第４の領域とを有する前記第２の格子とを有し、前記偏光ビームスプリッタの前記第１の偏光分割面は、前記第１のレーザビームを分割して前記２つの第１の偏光ビームを生成し、前記第３のレーザビームを分割して２つの第３の偏光ビームを生成し、前記偏光ビームスプリッタの前記第２の偏光分割面は、前記第２のレーザビームを分割して前記２つの第２の偏光ビームを生成し、前記第４のレーザビームを分割して２つの第４の偏光ビームを生成し、前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記２つの第１の偏光ビーム及び前記２つの第３の偏光ビームを前記第１及び第２の領域にそれぞれ導き、前記２つの第２の偏光ビーム及び前記２つの第４の偏光ビームを前記第３及び第４の領域にそれぞれ導く。これにより、直交する２つの測定ライン上における原点信号を生成することが可能となる。本発明の場合、光源が２つあって、各光源からのレーザビームから２つずつのレーザビームが生成されるようになっていてもよい。

本発明に係る偏光ビームスプリッタは、
レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる複数の偏光ビームが入射される回折格子と、前記回折格子から得られる前記複数の偏光ビームによる複数の回折光の各偏波をそれぞれ変換する複数の偏波変換素子と、前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記各偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記各偏波変換素子にそれぞれ導く複数のミラーとを備えた変位検出装置に用いられる偏光ビームスプリッタであって、
前記レーザビームを分割して前記各偏光ビームを生成する偏光分割面と、
前記偏光分割面により生成された前記各偏光ビームを回折格子に導き、かつ、前記生成された前記２つの偏光ビームの干渉光を得るために、前記各偏波変換素子からの戻りビームを、前記回折格子を介して前記偏光分割面に再び導く透過領域とを具備し、
前記回折格子が、
前記各偏光ビームのうち２つの第１の偏光ビームが入射される、第１の格子ピッチでなる第１の領域と、２つの第２の偏光ビームが入射される、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有し、第１のライン上に配置された第１の格子と、
前記２つの第３の偏光ビームが入射される、前記第１の格子ピッチでなる第３の領域と、前記２つの第４の偏光ビームが入射される、前記第２の格子ピッチでなる第４の領域とを有し、前記第１の格子が配置される面内で前記第１のラインに直交する第２のライン上に配置された第２の格子とを有する場合、
前記偏光分割面は、
前記２つの第１の偏光ビームと、前記２つの第２の偏光ビームとを生成する第１の偏光分割面と、
前記２つの第３の偏光ビームと、前記２つの第４の偏光ビームとを生成し、前記第１の偏光分割面とは異なる面内に配置された第２の偏光分割面とを有し、
前記透過領域は、
前記２つずつの第１、第２、第３及び第４の偏光ビームを、前記第１、第２、第３及び第４の領域にそれぞれ導き、前記各偏光ビームに対応する第１、第２、第３及び第４の干渉光を得るために、前記４つの偏波変換素子からの４つの戻りビームを前記回折格子を介して、対応する前記第１及び第２の偏光分割面に再び導く。

本発明に係る回折格子は、レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたレーザビームから第１、第２、第３及び第４のレーザビームを生成するビーム生成手段とを備え、前記第１のレーザビームから分割して得られる２つの第１の偏光ビームの第１の干渉光の受光量及び前記第２のレーザビームから分割して得られる２つの第２の偏光ビームの第２の干渉光の受光量に基づいて、かつ、前記第３のレーザビームから分割して得られる２つの第３の偏光ビームの第３の干渉光の受光量及び前記第４のレーザビームから分割して得られる２つの第４の偏光ビームの第４の干渉光の受光量に基づいて、２次元の変位を検出する変位検出装置に用いられる回折格子であって、前記２つの第１の偏光ビームが入射される、第１の格子ピッチでなる第１の領域と、前記２つの第２の偏光ビームが入射される、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有し、第１のライン上に配置された第１の格子と、前記２つの第３の偏光ビームが入射される、前記第１の格子ピッチでなる第３の領域と、前記２つの第４の偏光ビームが入射される、前記第２の格子ピッチでなる第４の領域とを有し、前記第１の格子が配置される面内で前記第１のラインに直交する第２のライン上に配置された第２の格子とを具備する。

以上のように、本発明によれば、小型化を実現することができ、かつ、変位検出装置の継続的な使用によっても信頼性を維持することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る変位検出装置の原理を説明するための光学系を示す図である。図２は、変位検出装置の実際の光学系を示す斜視図である。図１は、原理を説明するための図であるので、図１に示す光学部品と図２に示す光学部品の配置が異なる場合もある。

変位検出装置１は、第１の位相検出部１０と、第２の位相検出部１１と、反射型の回折格子（スケール）１２と、インクリメンタル信号発生器１３と、第１の位相検出器１４と、第２の位相検出器１５と、位相比較器１６と、パルス信号発生器１７とを備える。

第１の位相検出部１０は、図１に示すように、可干渉光の光源２０と、第１のレンズ２１と、第１のビームスプリッタ（ＢＳ）４と、メイン偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）２２と、第１の１／４波長板２３と、ミラー２４と、第２の１／４波長板１２３と、ミラー１２４と、第２のレンズ２６と、第１の受光処理系３７とを備える。

なお、図２では、第１の受光処理系３７は、単に模式的にブロックで示されている。光源２０が図のように配置されるのではなく、別の場所にある図示しない光源から光ファイバを用いて、レーザビームを第１のレンズ２１に入射させてもよい。なおまた、図２に示すように、実際の光学系では、第１の１／４波長板２３とミラー２４との間、及び、第２の１／４波長板１２３とミラー１２４との間に適当なレンズ８５及び８６がそれぞれ配置され、ビームが整形されることが望ましい。

第１の受光処理系３７は、第２のビームスプリッタ（ＢＳ）２７と、第２のＰＢＳ２８と、第１の光電変換器２９と、第２の光電変換器３０と、第５の１／４波長板３１と、第３のＰＢＳ３２と、第３の光電変換器３３と、第４の光電変換器３４と、第１の差動増幅器３５と、第２の差動増幅器３６とを備えている。第１の位相検出部１０は、回折格子１２上の回折格子を読み取り、読み取った結果を、インクリメンタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。

図１に示すように、第２の位相検出部１１は、上記光源２０、上記第１のレンズ２１、第１のビームスプリッタ（ＢＳ）４及びメインＰＢＳ２２を共用する。また、第２の位相検出部１１は、第３の１／４波長板４３ と、ミラー４４と、第４の１／４波長板１４３と、ミラー１４４と、第３のレンズ４６と、第２の受光処理系３８とを備える。

なお、図２に示すように、実際の光学系では、第３の１／４波長板４３とミラー４４との間、及び、第４の１／４波長板１４３とミラー１４４との間に適当なレンズ８７及び８８がそれぞれ配置され、ビームが整形されることが望ましい。

第２の受光処理系３８は、第１の受光処理系３７と同様の構成をしており、第２のビームスプリッタ（ＢＳ）４７と、第２のＰＢＳ４８と、第１の光電変換器４９と、第２の光電変換器５０と、第５の１／４波長板５１と、第３のＰＢＳ５２と、第３の光電変換器５３と、第４の光電変換器５４と、第１の差動増幅器５５と、第２の差動増幅器５６とを備えている。第２の位相検出部１１は、回折格子１２上の回折格子を読み取り、読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力する。

ここで、回折格子１２について説明する。図３は、回折格子１２を示す平面図である。回折格子１２は、格子ピッチがΛでなる第１の領域Ａ１及びＡ２を有し、第１の領域Ａ１及びＡ２の領域の格子ピッチΛとは異なる格子ピッチΛ＋Λ／ｎ（ｎは０以外の実数）でなる第２の領域Ｂ１及びＢ２を有する。第１の領域Ａ１及びＡ２、第２の領域Ｂ１及びＢ２は、測定方向であるｘ方向に１つのラインＬ１上に配置されており、回折格子１２が変位の測定対象に取り付けられ、変位検出装置１はその測定対象がｘ方向に動くときの変位を検出する。以下、第１の領域を単に「Ａ」、第２の領域「Ｂ」と言う場合もある。

図３に示す回折格子１２において、点Ｊは回折格子１２の中心となる点であり、ｘ方向及びこれに直交するｙ方向での中心となる点である。ここでは、ラインＬ１を仮想的に点Ｊを通るラインとすると、後述するように、メインＰＢＳ２２で生成される複数の偏光ビームのすべてが、点Ｊを通るラインＬ１上に入射されるように、光源２０からのビームのメインＰＢＳ２２への入射角度が設定され、あるいはメインＰＢＳ２２が設計されている。具体的には、第１の領域Ａ１及びＡ２へのそれぞれのレーザビームの入射点（Ｐ１点、Ｐ２点）と、第２の領域Ｂ１及びＢ２へのそれぞれのレーザビームの入射点（Ｑ１点、Ｑ２点）は、ラインＬ１上に並んでいる。また、第１の領域Ａ１及びＡ２は、第２の領域Ｂ１及びＢ２を挟むように配置されており、この回折格子１２は、２次元的に（ｘ−ｙ平面内で）対称構造になっている。

第１の領域Ａ１及びＡ２の格子ピッチΛは、例えば０．５５μｍに設定されるが、これに限られない。なお、第１及び第２の領域Ａ及びＢ、図３に示すように、同一の回折格子１２上に形成されていてもよいし、別々の回折格子上に形成されていてもよい。別々の回折格子上に形成される場合には、各回折格子は、同じ基台の上に固定され、同一の変位方向に等量分変位するように形成される。ただし、その場合、上記したように第１の領域Ａ１及びＡ２、第２の領域Ｂ１及びＢ２は、２次元的に対称配置となるように、各回折格子が基台に固定される必要がある。

以上のような回折格子１２は、平面型の回折格子であってもよいが、ボリュームタイプのホログラムが用いられてもよい。この場合、このボリュームホログラムは、例えば銀、銅等の格子状の金属膜を有していればよい。

図４は、メインＰＢＳの構成を示す斜視図である。図５は、図４に示すメインＰＢＳ２２の平面図であり、図６は図５のＷ１の方向で見たメインＰＢＳ２２の側面図である。また、図７は図５のＷ２の方向で見たメインＰＢＳ２２の側面図である。

このメインＰＢＳ２２は、例えば立方体形状でなり、縦方向であるｚ軸方向の中心線Ｌｚを通る平面であって、ｙ−ｚ平面に平行な面８９（以下、中央ｙ−ｚ平面という）に、ビームを偏光して分割させる偏光分割面５が形成されている。具体的には、偏光分割面５は、その中央ｙ−ｚ平面８９の半分の面に偏光分割面５が形成されている。例えば、メインＰＢＳ２２は、中央ｙ−ｚ平面８９を境界とした、ｘ軸方向の手前側と後ろ側の２つのブロックを貼り合せて作製することができる。しかし、さらに細かなブロックを組み合わせて作製することも可能である。偏光分割面５は、例えば樹脂や金属の膜を蒸着や塗布等の方法により形成することができる。

メインＰＢＳ２２のうち、偏光分割面５以外の領域である透過領域は、例えばガラスでなる。この場合、膨張係数の絶対値が１×１０^−６以下のガラスで構成されることが好ましい。このような低膨張率のガラスが用いられることにより、周囲の温度変化の影響を受けにくくすることができる。

図８は、メインＰＢＳ２２及び第１の１／４波長板２３等のより具体的な配置を示す側面図であり、例えば図５のＷ１の方向で見た図である。例えば、メインＰＢＳ２２は上部に斜面２２ａ及び２２ｂを有する形態も考えられる。この斜面２２ａに第１及び第３の１／４波長板２３及び４３が設置され、さらにこれらにミラー２４及び４４がそれぞれ設置されている。斜面２２ａと、第１及び第３の１／４波長板２３及び４３とは、例えば接着剤、溶着、超音波接合、あるいはレーザ接合等によって接合することができる。第１及び第３の１／４波長板２３及び４３と、ミラー２４及び４４との接合方法も同様である。また、斜面２２ｂに設置される第２及び第４の１／４波長板１２３及び１４３、ミラー１２４及び１４４についても同様である。これにより、メインＰＢＳ２２と、各１／４波長板２３、１２３、４３及び１４３と、ミラー２４、４４、１２４及び１４４とが一体的に構成される。

この斜面２２ａ等の角度は、ビームが所定の適切な角度で偏光分割面５に入射するように、第１の１／４波長板２３やミラー２４からの反射ビームが適切な角度になるように、あるいは、所定の適切な角度で回折格子１２にビームが入射するように設定されている。

次に、第１の位相検出部１０の動作を説明する。光源２０は、第１のレンズ２１にレーザビームを出射する。第１のレンズ２１は、入射したビームを適度に絞り、第１のＢＳ４にレーザビームを出射する。第１のＢＳ４は、２つのレーザビーム（第１のレーザビームＭ１及び第２のレーザビームＭ２）に分割して、それら２つのビームを平行にしてメインＰＢＳ２２に出射する。図５及び図６に示すように、第１のレーザビームＭ１及び第２のレーザビームＭ２は、メインＰＢＳ２２の上面から斜めに入射し、その入射位置をそれぞれ符号Ｃ１及びＣ２で表している。

メインＰＢＳ２２は、上記偏光分割面５により、入射された第１のレーザビームＭ１をＰ偏光成分を有するビームとＳ偏光成分を有するビームの２つに分割する。このとき、Ｐ偏光成分を有するビームは偏光分割面５を透過し、Ｓ偏光成分を有するビームは反射する。メインＰＢＳ２２は、回折格子１２の第１の領域Ａ１のＰ１点までの光路と、Ａ２のＰ２までの光路が中心対称となるように、Ｐ偏光成分を有するビームをＰ１点に入射し、Ｓ偏光成分を有するビームをＰ２点に入射する。同様に、メインＰＢＳ２２は、入射された第２のレーザビームＭ２をＰ偏光成分を有するビームとＳ偏光成分を有するビームの２つに分割する。メインＰＢＳ２２は、回折格子１２の第２の領域Ｂ１のＱ１点までの光路と、Ｂ２のＱ２までの光路が中心対称となるように、Ｐ偏光成分を有するビームをＰ１点に入射し、Ｓ偏光成分を有するビームをＰ２点に入射する。

なお、光源２０からのビームが直線偏光であれば、偏光方向を４５度傾けてメインＰＢＳ２２に入射させる。こうすることにより、Ｐ偏光成分のビームとＳ偏光成分のビームの強度を等しくすることができる。

また、Ｐ１点及びＰ２点（以下、まとめてＰ点という場合もある）、Ｑ１点及びＱ２点（以下、まとめてＱ点という場合もある。）に入射したビームは、ブラッグの条件より以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。

ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１は、回折格子１２への入射角を示し、θ２は、回折格子１２からの回折角を示し、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光の波長を示し、ｎは、回折次数を示している。

本実施の形態に係る変位検出装置１では、Ｐ点への入射角をθ１ｐとし、その回折角をθ２ｐとし、Ｑ点への入射角をθ１ｑとし、その回折角をθ２ｑとすると、θ１ｐ＝θ１ｑ、θ２ｐ＝θ２ｑになるように調整されている。また、回折次数は、Ｐ点及びＱ点で同次数とし、変位検出装置１では、回折次数は１次とする。

さらに、本実施の形態に係る変位検出装置１では、回折格子１２での偏光ビームの入射角θ１ｐ（またはθ１ｑ）と、回折角θ２ｐ（またはθ２ｑ）とがほぼ等しくなるように全体の光学系が調整されている。これにより、ｚ軸方向に、回折格子１２とメインＰＢＳ２２との相対的な位置がずれたとしても、全体の光学系に影響なく、そのｚ方向でのメインＰＢＳ２２の位置精度を高く保つ必要がなくなる。

Ｐ１点で回折されたビームは、第１の１／４波長板２３を通過し、ミラー２４で垂直に反射される。つまり、ミラー２４は再び第１の１／４波長板２３へビームを導き、第１の１／４波長板２３は回折格子１２のＰ１点へ向けて再びビームを出射する。回折格子１２は、第１の１／４波長板２３からの戻りビームをＰ１点で再び回折させてメインＰＢＳ２２に導く。第１の１／４波長板２３の光学軸は、入射されたビームの偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ１点に戻ったビームはＳ偏光成分のビームとなっている。つまり、第１の１／４波長板２３は、ビームの偏波を変換する偏波変換素子であり、本実施の形態では、第１の１／４波長板２３をビームが往復するので、Ｐ偏光成分のビームがＳ偏光成分のビームとなる。

また、Ｑ１点で回折されたビームは、Ｐ１点で回折されたビームと同様に、第３の１／４波長板４３を通過し、ミラー４４で垂直に反射され、再び第３の１／４波長板４３を通過して回折格子１２のＱ１点へ戻る。この戻りビームはＱ１点で回折し、再びメインＰＢＳ２２へ導かれる。上記同様に、第３の１／４波長板４３をビームが往復するので、Ｐ偏光成分のビームがＳ偏光成分のビームとなる。

また、Ｐ２点で回折されたビームは、第２の１／４波長板１２３を通過し、ミラー１２４で垂直に反射され、再び第２の１／４波長板１２３を通過して回折格子１２のＰ２点へ戻る。第２の１／４波長板１２３をビームが往復するので、Ｓ偏光成分のビームがＰ偏光成分のビームとなる。

また、Ｑ２点で回折されたビームも、上記Ｐ２点で回折されたビームと同様に、第４の１／４波長板１４３を通過し、ミラー１４４で垂直に反射され、再び第４の１／４波長板１４３を通過して回折格子１２のＱ２点へ戻り、回折してメインＰＢＳ２２に導かれる。第４の１／４波長板１４３をビームが往復するので、Ｓ偏光成分のビームがＰ偏光成分のビームとなる。

Ｐ１点から戻ってきたビームは、Ｓ偏光成分を有しているので、メインＰＢＳ２２の偏光分割面５を通過し、また、Ｐ２点から戻ってきたビームは、Ｐ偏光成分を有しているので、偏光分割面５で反射される。したがって、Ｐ１点及びＰ２点から戻ってきたビームは、偏光分割面５で重ね合わされて、第２のレンズ２６に入射する。また、Ｑ１点及びＱ２点から戻ってきたビームも同様であり、偏光分割面５で重ね合わされて、第３のレンズ４６に入射する。

ここで、メインＰＢＳ２２からＰ１点を経て第１の１／４波長板２３までの光路長と、メインＰＢＳ２２からＰ２点を経て第２の１／４波長板１２３までの光路長の関係について述べる。

変位検出装置１では、メインＰＢＳ２２からＰ点を経て第１の１／４波長板２３までの光路と、メインＰＢＳ２２からＱ点を経て第２の１／４波長板１２３までの光路とは、Ｐ１点とＰ２点の回折格子１２上での中心点Ｊを通る中心線（垂線）Ｌｚに対称となっている。

また、本実施の形態では、光源２０の波長の変動による誤差を生じさせないために、メインＰＢＳ２２で分割されたＰ偏光成分を有するビームがＰ１点を経て第１の１／４波長板２３に達するまでの光路長と、メインＰＢＳ２２で分割されたＳ偏光成分を有するビームがＰ２点を経て第２の１／４波長板１２３に達するまでの光路長とを等しく調整している。この調整の精度は、必要な測長精度と当該検出装置１が用いられる環境の温度条件に依存する。必要な測長精度をΔＥとし、回折格子のピッチをΛとし、光源の波長をλとし、温度変化による波長の変化量をΔλとすると光路長差ΔＬは以下の式を満足している必要がある。

ΔＥ>Δλ／λ２×２×ΔＬ×Λ／４
例えば、使用される環境の温度変化量を１０℃とすると、一般的に使用されている波長７８０ｎｍの半導体レーザの波長変動は、約３ｎｍなので、Λ＝０．５５μｍとし、ΔＥ＝０．１μｍとすると、ΔＬ<７４μｍにする必要がある。このΔＬを調整するためには適当な可干渉距離を有する光源を使用すればよい。

一般に、干渉計における干渉縞の変調度を表すビジビリティは、光源の干渉性と、干渉する２つのビームの光路長の差とによって決定される。シングルモード発振を行なっているレーザ等の干渉性の良い光源においては、光路長の差が大きくてもビジビリティが失われることはない。これに対して、干渉性の悪い光源においては、光路長の差の変化によって干渉縞のビジビリティが変化することが知られている。

このような光源を用いれば、光路長の差が生じたときに干渉信号の変調度（ビジビリティ）の低下としてこれを検出することができるので、干渉信号の変調度が最大になるように調整することにより光路長を等しくすることができる。例えば、可干渉距離が２００μｍ程度の発振波長がマルチモードの半導体レーザを用いれば、光路長差をΔＬ<７４μｍに容易にあわせることができる。

また、光源２０としては、調整を行なうときのみ上記のように可干渉距離の制限された光源を用いるようにし、調整後に別のより安価な可干渉距離の長い光源（例えば、発振波長がシングルモードの一般的な半導体レーザ）に置き換えてもよい。

なお、メインＰＢＳ２２からＱ１点を経て第３の１／４波長板４３までの光路長と、メインＰＢＳ２２からＱ２点を経て第４の１／４波長板１４３までの光路長の関係についても、上記したＰ点での回折光の場合と同様のことが言える。

第２のレンズ２６は、入力されたビームを適度に絞り、ＢＳ２７に入射する。ＢＳ２７は、後述するように、第１及び第２の差動増幅器３５及び３６で、互いに９０度位相の異なる信号（ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号）をそれぞれ生成するために、入射ビームを分割する。ＢＳ２７は、分割した一方のビームを第２のＰＢＳ２８に入射し、他方のビームを第５の１／４波長板３１に入射する。ＢＳ２７から出射したＰ偏光成分及びＳ偏光成分を有するビームは、このままでは互いに干渉しないので、第２のＰＢＳ２８は入射されるビームの偏光方向が４５度傾くように配置されている。これにより互いのビームが干渉するようになる。また、第２のＰＢＳ２８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るように分割する。反射したＳ偏光成分を有する干渉光は第１の光電変換器２９に入射し、透過したＰ偏光成分を有する干渉光は第２の光電変換器３０に入射する。また、第１の光電変換器２９では、第２の光電変換器３０と１８０度位相の異なる信号が得られる。

第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０では、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。Ｋは、２π／Λであり、波数を示す。ｘは、移動量（回折格子１２の移動量）を示し、δは、初期位相を示している。ｘの移動量に４Ｋをかけるのは、回折格子１２がｘ方向に移動することによって、回折格子１ピッチあたり（１Λあたり）４つの波（４つの光の明暗）が第１の光電変換器２９（または第２の光電変換器３０）で得られることを意味している。これは、メインＰＢＳ２２で２つに分かれたビームの一方が、回折格子１２によって２回回折し（２Ｋ）、２つに分かれた他方のビームが同様に回折格子１２によって２回回折する（２Ｋ）し、２Ｋ＋２Ｋ＝４Ｋとなるからである。すなわち、移動量をｘとすると、４Ｋｘの位相成分が検出されることになる。これにより、高分解能の変位検出が可能となる。

第５の１／４波長板３１は、上記第２のＰＢＳ２８と同様に、Ｐ偏光成分を有する光及びＳ偏光成分を有するビームの干渉光を得るために、入射されるビームの偏光方向が４５度傾くように配置されている。第５の１／４波長板３１に入射されたビームは、Ｐ偏光成分を有するビームとＳ偏光成分を有するビームとが互いに逆回りの円偏光となり、重ね合わされて直線偏光となり、第３のＰＢＳ３２に入射する。第３のＰＢＳ３２に入射されたビームは、上記第２のＰＢＳ２８の場合と同様に、Ｓ偏光成分を有するビームとＰ偏光成分を有するビームに分割され、Ｓ偏光成分を有するビームを第３の光電変換器３３に入射し、Ｐ偏光成分を有するビームを第４の光電変換器３４に入射する。なお、第３のＰＢＳ３２に入射される直線偏光の偏光方向は、回折格子がｘ方向にΛ／２だけ移動すると１回転する。したがって、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０と同様にＡｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。

第３の光電変換器３３では、第４の光電変換器３４と１８０度位相が異なる信号が得られる。また、第３のＰＢＳ３２は、第２のＰＢＳ２８に対して４５度傾けてある。したがって、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４で得られる信号は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０で得られる信号に対して９０度位相が異なっている。すなわち、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０では、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号がそれぞれ得られ、これにより後述するようにリサージュ信号を生成することができ、回折格子１２のｘ軸方向の＋か−かの移動方向が分かるようになる。

第１の差動増幅器３５は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。また、第２の差動増幅器３６も同様に、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。

インクリメンタル信号発生器１３は、第１の差動増幅器３５及び第２の差動増幅器３６から供給された信号に基づき、回折格子１２の変位方向及び変位量を求め、インクリメンタル信号を発生する。第１の位相検出器１４は、第１の差動増幅器３５及び第２の差動増幅器３６から供給される信号に基づき、図９に示すようなリサージュ信号の角度θａを求める。第１の位相検出器１４は、求めた角度θａを位相比較器１６に供給する。

また、第２の位相検出部１１の第２の受光処理系３８の動作も、上記した第１の受光処理系３７の動作と同様である。具体的には、第２の受光処理系３８は、第１の差動増幅器５５及び第２の差動増幅器５６から供給される信号に基づき、リサージュ信号の角度θｂを求める。第２の位相検出器１５は、求めた角度θｂを位相比較器１６に出力する。

ここで、位相比較器１６の動作について説明する。第１の位相検出器１４では、回折格子１２が所定の計測方向にΛ／４だけ変位すると、リサージュ信号の角度θａが一回転する。また、第２の位相検出器１５では、回折格子１２が所定の計測方向に（Λ＋Λ／ｎ）／４だけ変位すると、リサージュ信号の角度θｂが一回転する。

位相比較器１６は、第１の位相検出器１４から入力したリサージュ信号の角度θａと、第２の位相検出器１５から入力したリサージュ信号の角度θｂとの差分Δθ（Δθ＝θａ−θｂ）を求める。この差分Δθは、回折格子１２の変位に応じて変化し、回折格子１２が所定の測定方向にΛ（１＋ｎ）／４だけ変位するともとの値と同じになる。

位相比較器１６は、差分Δθをパルス信号発生器１７に出力する。パルス信号発生器１７は、位相比較器１６から入力した差分Δθが所定の値Δθｃのときに、パルス信号を出力する。例えば、差分Δθが、回折格子１２の所定の測定方向にΛ（１＋ｎ）／４ごとにもとの値と同じになるのであれば、パルス信号発生器１７は、Λ（１＋ｎ）／４ごとにパルス信号を発生する。

パルス信号発生器１７は、上記の値Δθｃ（以下、設定値という。）を任意に設定することができる。パルス信号発生器１７は、例えば、設定値を検出が容易な０度に設定すると、位相比較器１６から入力された差分Δθが０度のときにパルス信号を発生する。

パルス信号発生器１７は、第１の位相検出部１０の光学部分及び第２の位相検出部１１の光学部分の間隔が変化しなければ、所定間隔ごとにパルス信号を発生する。したがって、この場合、このパルス信号を原点信号として利用することが可能である。この原点信号を利用してインクリメンタル信号発生器１３を作動させるようにしてもよい。この原点信号の発生間隔は、第１の領域Ａに記録されている回折格子の格子ピッチと、第２の領域Ｂに記録されている格子ピッチとの差分Λ／ｎに応じて任意に設定することが可能である。

ここで、パルス信号発生器１７が発生するパルス信号の分解能について述べる。パルス信号を原点信号に利用する場合には、周期が長いほど良いので、ｎが大きいほど良い。

しかし、２つの位相差が一致したところからリサージュが一周回った点では、位相差がΛ／４ｎしか現れないので、一致したということがこのΛ／４ｎよりも精度良く検出することができないと、位置をΛ／４だけ間違えてしまうことになる。２つの位相差をどのくらい分解能が良く検出できるかは、２つの位相差を読み出す精度とＳ／Ｎによるため、結果として、これがｎの大きさを制限してしまう。

例えば、格子ピッチΛ＝０．５５μｍとし、ｎを１００とすると繰り返し原点は、約１３．９μｍごとに１回現れる。このとき必要な分解能は、分解能をΛ／４ｎとしたときに最低でもｎ＝２００〜４００が必要で、分解能は高ければ高いほど良い。例えば、ｎ＝１００の場合には、Λ／４位置が変化しても位相差は２π／１００にしかならないため、位相差が分解能の幅に入る距離はΛ／４の幅になる。この幅を狭めるためには、分解能を上げることになり、ｎ＝１０００の場合には、Λ／（４×１０）の幅となる。

しかしながら、Ｓ／Ｎの問題があるために分解能を上げることは簡単ではない。そのため位相差の一致を検出する信号をゲートとして信号の１波長（Λ／４）を選択し、その中のΛ／４の決められた一方の信号の位相が特定位相になったときに原点信号を発生するようにすることは有効である。これにより原点の精度と分解能が位相差検出分解能まで上げることができる。なお、本実施の形態では、原点の精度を０．３ｎｍ〜０．７ｎｍ程度まで上げることができる。

パルス信号発生器１７は、当該変位検出装置１が測定対象の装置に取り付けられた後に、ユーザにより設定値を変更できるようにしてもよい。なお、この場合には、初期設定では、設定値を適当な値にしておき、ユーザからの問い合せに応じて上記設定値を変更するプログラムを配布する。

パルス信号発生器１７は、位相比較器１６から入力された差分Δθが設定値になった回数を数え、上記回数が所定の値に達したときにパルス信号を発生するようにしてもよい。

パルス信号発生器１７は、差分Δθが設定値に達した後に、第１の位相検出器１４で生成されるリサージュ信号の角度θａ（以下、角度θａという。）又は第２の位相検出器１５で生成されるリサージュ信号の角度θｂ（以下、角度θｂという。）が任意の角度θｎに達したときに原点信号を発生するようにしてもよい。また、パルス信号発生器１７は、差分Δθが設定値に達した後に、任意の角度θｎに角度θａ又は角度θｂが達し、そこから所定距離離れた位置に再び現れる任意の角度θｎに角度θａ又は角度θｂが達したときに原点信号を発生するようにしてもよい。なお、上記所定距離は、（２ｎ＋１）Λ／２であり、ｎは、０以上の整数であり、Λは、パルス信号発生器１７が回折格子１２の第１の領域Ａを原点信号の発生に利用する場合には、第１の領域Ａに記録されている回折格子のピッチ間隔であり、パルス信号発生器１７が回折格子１２の第２の領域Ｂを原点信号の発生に利用する場合には、第２の領域Ｂに記録されている回折格子のピッチ間隔である。

なお、パルス信号発生器１７は、当該変位検出装置１が測定対象の装置に取り付けられた後に、ユーザにより角度θｎを変更できるようにしてもよい。この場合には、初期設定では、角度θｎを適当な値にしておき、ユーザからの問い合せに応じて上記角度θｎを変更するプログラムを配布する。

以上のように、本実施の形態では、回折格子１２として反射型の回折格子が用いられているので、回折格子１２で生成される各回折光を折り返らせることができ、変位検出装置１の小型化が実現される。しかも、各１／４波長板２３、４３、１２３及び１４３、ミラー２４、４４、１２４及び１４４等がメインＰＢＳ２２に一体的に設けられているので、組み立て精度を高く維持することができ、変位検出装置１の信頼性を確保することができる。

このように、反射型の回折格子１２が用いられて小型化を実現でき、かつ、各１／４波長板がメインＰＢＳ２２に一体的に設けられていることを可能にするために、メインＰＢＳ２２は、偏光分割面５以外にビームの透過領域を有する。これにより、メインＰＢＳ２２がブロック状になり、各１／４波長板や各ミラーを偏光ビームスプリッタと一体化することができる。

また、本実施の形態に係る変位検出装置１では、測定方向に対して一方の側に、ピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域Ａと、他方の側にピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎで回折格子が記録されている第２の領域Ｂとが形成されている回折格子１２に、入射光の回折点がインラインに並ぶように（ラインＬ１に並ぶように）、第１の位相検出部１０及び第２の位相検出部１１でビームを中心対称に入射し、回折格子１２により回折されたビームを干渉し、第１の位相検出器１４及び第２の位相検出器１５で上記干渉光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器１６で上記位相差の差分を検出し、パルス信号発生器１７で上記差分が所定の値となったときにパルスを発生する。これによって、アッベ誤差の影響を受けることなく、インクリメンタル信号発生器１３によりインクリメンタル信号を検出すると同時にパルス信号発生器１７により正確な原点信号を発生することが可能である。

また、変位検出装置１では、光路を中心対称にする第１の位相検出部１０及び第２の位相検出部１１を用い、さらに干渉させるビームの光路差を等しくしているため、回折格子１２がｚ軸方向に移動しても、また、外部の気温による光源の波長が変動しても走行誤差を生じないため、安定した原点信号を得ることが可能である。

また、変位検出装置１は、格子干渉計である第１の位相検出部１０及び第２の位相検出部１１を用いているので、回折格子１２を形成している第１の領域Ａ１及びＡ２と、第２領域Ｂ１及びＢ２に記録されている回折格子１２の格子ピッチを小さくすることができ、例えば、格子ピッチを０．５５μｍとすると、位相を検出するための信号は０．１３７９・・・μｍ（≒１３８ｎｍ）の周期の信号となり、高い精度での位相差検出ができ、ナノメータオーダで原点信号を得ることができる。

第１の位相検出部１０の光源２０と第１のレンズ２１との間、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間、または、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバで結線してもよい。

第２のＰＢＳ２８と第１の光電変換器２９との間、第２のＰＢＳ２８と第２の光電変換器３０との間、第３のＰＢＳ３２と第３の光電変換器３３との間、第３のＰＢＳ３２と第４の光電変換器３４との間、第２のＰＢＳ４８と第１の光電変換器４９との間、第２のＰＢＳ４８と第２の光電変換器５０との間、第３のＰＢＳ５２と第３の光電変換器５３との間、または、第３のＰＢＳ５２と第４の光電変換器５４との間を光ファイバで結線してもよい。

第２のＰＢＳ２８から出力されたビームを集光して光ファイバに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器２９との間及び第２の光電変換器３０との間に配設し、第３のＰＢＳ３２から出力されたビームを集光して光ファイバに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器３３との間及び第４の光電変換器３４との間に配設し、第２のＰＢＳ４８から出力されたビームを集光して光ファイバに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器４９との間及び第２の光電変換器５０との間に配設し、第３のＰＢＳ５２から出力されたビームを集光して光ファイバに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器５３との間及び第４の光電変換器５４との間に配設してもよい。

このような構成にすることにより、変位検出装置１は、熱源を回折格子１２から遠ざけることができるので、より安定した位相検出を行なうことができる。また、光源２０が出射するビームの波長を温度制御することにより、一定波長に固定することができ、さらに、光源２０を当該変位検出装置１の外部に配設しておけば、光源２０が故障した場合にも容易に交換作業を行なうことができる。

なお、変位検出装置１では、第１の位相検出部１０及び第２の位相検出部１１で干渉光同士を干渉したときの変調度を検出し、上記検出結果に基づいて光路長の差を監視するようにしてもよい。監視の結果、光路長に差が生じているときには、光路長を等しくするように調整すればよい。

図１０は、本発明の他の実施の形態に係るメインＰＢＳ２２等を示す側面図である。この形態では、例えば図８に示したようにメインＰＢＳ２２の上部の斜面２２ａ及び２２ｂに、１／４波長板２３等や各ミラー２４等が設置される形態ではなく、メインＰＢＳ２２の側面に、適当なプリズム９０、９１を介して設置されている。具体的には、プリズム９０及び９１は、上部にそれぞれ斜面９０ａ及び９１ａを有しており、斜面９０ａに各１／４波長板２３及び４３が設置され、斜面９１ａに各１／４波長板１２３及び１４３が設置されている。このように構成しても、１／４波長板２３等、ミラー２４等、及びメインＰＢＳ２２の一体化を実現することができる。

なお、ここでは、プリズムは２つ設けられる構成として、１つのプリズム９０（９１）に２つの１／４波長板２３及び４３（２つの１／４波長板１２３及び１４３）が設置される構成としたが、図１０の紙面垂直方向に２つのプリズムが設けられ、計４つのプリズムが設けられていてもよい。その場合、その４つのプリズムに各１／４波長板２３、４３、１２３及び１４３がそれぞれ設置される。

図１６は、さらに別の実施の形態に係るメインＰＢＳを示す側面図である。このメインＰＢＳ２２２は、図６に対応する図である。レーザビームＭ１がメインＰＢＳ２２２の中央の偏光分割面１０５で偏光され分割され、Ｐ偏光成分を有する偏光ビームＭ１_Ｐ及びＳ偏光成分を有する偏光ビームＭ１_Ｓが生成される。レーザビームＭ２も同様に、偏光分割面１０５で偏光され分割され、Ｐ偏光成分を有する偏光ビームＭ２_Ｐ及びＳ偏光成分を有する偏光ビームＭ２_Ｓが生成される。

これらの偏光ビームＭ１_Ｐ及び偏光ビームＭ１_Ｓは偏光分割面１０５から互いに離れていくが、偏光ビームＭ１_Ｐ及び偏光ビームＭ１_Ｓはそれぞれミラー９２及び９３でそれぞれ反射され、互いに接近しながらメインＰＢＳ２２２を出射し、回折格子１２に入射する。偏光ビームＭ２_Ｐ及び偏光ビームＭ２_Ｓもそれぞれミラー９４及び９５でそれぞれ反射され、互いに接近しながらメインＰＢＳ２２２を出射し、回折格子１２に入射する。

このようなメインＰＢＳ２２２の構成によれば、偏光ビームＭ１_Ｐ（またはＭ２_Ｐ）及び（またはＭ１_Ｓ）を極力させて回折格子１２に入射させることができるので、回折格子１２のひずみによる影響を抑えることができる。すなわち、回折格子１２の表面（ビームが入射される面）がうねりやひずみ等が発生している場合、２つの偏光ビームが離れた位置で回折格子に入射されると、当該２つの偏光ビームの光路差が等しくならなくなるおそれがある。しかし、図１６のような構成によれば、回折格子の表面にうねり等が発生していても、ほとんど影響を受けない。

なお、ミラー９２〜９５が設けなくても、偏光ビームＭ１_Ｐ、Ｍ１_Ｓ、Ｍ２_Ｐ及びＭ２_ＳがメインＰＢＳ２２２の側面で全反射するような角度でメインＰＢＳ２２２の透過領域（分割偏光面１０５以外の領域）を進むように、各偏光ビームの角度が設定されてもよい。

図１１は、本発明のさらに別の実施の形態に係る変位検出装置の光学系を示す斜視図である。これ以降の説明では、図１及び図２等に示した実施の形態に係る変位検出装置１の部材や機能等について同様のものは説明を簡略または省略し、異なる点を中心に説明する。

上記実施の形態に係る変位検出装置では、測定ラインがｘ軸方向のみの１次元の回折格子１２が用いられた。図１１に示す形態に係る変位検出装置２は、測定ラインがｘ軸方向及びｙ軸方向のみの２次元の回折格子１１２を用いる。

図１２は、その回折格子１１２を示す平面図である。回折格子１１２の中央の格子部分は正方形でなり、点Ｊは回折格子１１２の中心点である。回折格子１１２は、ｘ軸に平行な第１のラインＬ１上に並んだ第１の格子領域Ａ１、Ａ２、Ｂ１及びＢ２と、ｙ軸に平行な第２のラインＬ２上に並んだ第２の格子領域Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１及びＤ２とを有する。第１の領域Ａ１及びＡ２、第３の領域Ｃ１及びＣ２は、同じ第１の格子ピッチでなる。第２の領域Ｂ１及びＢ２、第４の領域Ｄ１及びＤ２は、上記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる。図３で示した１次元の回折格子１２と同様に、第１の格子ピッチがΛである場合、第２の格子ピッチは、Λ＋Λ／ｎ（ｎは０以外の実数）となるように設定される。

また、回折格子１１２は上述したように正方形でなり、第１の格子領域Ａ１、Ａ２、Ｂ１及びＢ２がラインＬ１上で点Ｊを中心に対称的に配置され、かつ、第２の格子領域Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１及びＤ２が点Ｊを中心に対称的に配置されている。つまり、回折格子１１２は、２次元的に対称構造となっている。これにより、第１のラインＬ１上での測定中心と、第２のラインＬ２上での測定中心とを点Ｊに一致させることができる。例えば単に１次元変位検出装置を２つ組み合わせてこれらを近接させることにより、２次元の変位検出装置が構成されると考えられるが、実際には２つの直交する軸上で測定中心を一致させることはできず、回折格子が取り付けられる測定対象のテーブルの姿勢変化に対し、測定誤差が生じる。この点、回折格子１１２が用いられれば、そのような問題を解決することができる。

なお、このスケールの一辺の長さｓは、例えば１０ｍｍであり、回折格子部分の一辺の長さｔは、例えば５．７ｍｍであるが、これに限られない。

図１３は、この２次元の変位検出装置２に搭載されるメインＰＢＳを示す斜視図である。図１４は、そのメインＰＢＳ１２２を示す平面図である。メインＰＢＳ１２２は、ｘ軸の変位検出で用いられた第１の偏光分割面５に対して直交する第２の偏光分割面６を有する。具体的には、第２の偏光分割面６は、回折格子１１２の面（ｘ−ｙ平面）に直交し、かつ、第１の偏光分割面５に対して直交する。

なお、図１４では、上記第１の位相検出部１０の光学系及び第２の位相検出部１１の光学系（光源２０、１／４波長板２３等、ミラー２４等）の図示を省略している。

変位検出装置２は、上記変位検出装置１が備える第１の位相検出部１０及び第２の位相検出部１１と同様の位相検出部（第３及び第４の位相検出部）をさらにそれぞれ備えている。具体的には、変位検出装置２の第３の位相検出部は、図１４に示すように、光源１２０、第１のレンズ１２１と、第１のビームスプリッタ（ＢＳ）１０４と、メイン偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）１２２と、第１の１／４波長板２２３と、ミラー２２４と、第２の１／４波長板１２３と、ミラー１２４と、第２のレンズ１２６と、第３の受光処理系１３７とを備える。

同様に、変位検出装置２の第４の位相検出部は、上記光源１２０、上記第１のレンズ１２１、第１のビームスプリッタ（ＢＳ）１０４及びメインＰＢＳ１２２を共用する。第１のビームスプリッタ（ＢＳ）１０４により第３のレーザビームＮ１及び第４のレーザビームＮ２が生成される。また、第２の位相検出部は、第３の１／４波長板２４３と、ミラー２４４と、第４の１／４波長板３４３と、ミラー３４４と、第３のレンズ１４６と、第４の受光処理系１３８とを備える。

第３の受光処理系１３７及び第４の受光処理系１３８の構成については、上記第１の受光処理系３７及び第２の受光処理系３８と同様であり、説明を省略する。

すなわち、第３の位相検出部の光学系及び第４の位相検出部の光学系は、上記第１の位相検出部１０の光学系及び第２の位相検出部１１の光学系の配置からｘ−ｙ平面内で９０°変えて配置されたものである。

図１５は、第１〜第４の受光処理系３７、３８、１３７及び１３８で得られる信号の処理システムを示すブロック図である。第３の受光処理系１３７で得られる信号は、位相検出器１１４で位相検出され、第４の受光処理系１３８で得られる信号は、第１の位相検出器１１５で位相検出される。なお、変位検出装置１では、インクリメンタル信号発生器１３が第１の受光処理系３７及び第２の受光処理系３８からの信号を入力していた。しかし、本実施の形態では、インクリメンタル信号発生器１３では、第１の位相検出器１４と第２の位相検出器１５の位相の加算を変位量とすることで、さらに細かく信号を発生することが可能となる。インクリメンタル信号発生器１１３についても同様である。

以上のように、本実施の形態に係る変位検出装置２によれば、ｘ軸での測定中心とｙ軸での測定中心とを一致させることができるので、測定誤差を発生することなく、２次元の変位を検出することができる。

なお、本実施の形態に係る変位検出装置２においても、図８や図１０に示したように、メインＰＢＳ１１２、８つの１／４波長板、及び、８つのミラーを一体的に構成することができる。また、本実施の形態に係る変位検出装置２に、図１６で示すメインＰＢＳ２２２が搭載されてもよい。

本発明は以上説明した実施の形態には限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

上記各実施の形態に係る変位検出装置では、格子ピッチの異なる領域Ａ及びＢを有する回折格子が用いられた。しかし、１つの格子ピッチのみでなる回折格子が用いられ、原点信号が生成されない変位検出装置も考えられる。この場合において、１次元のみ（ラインＬ１のみ）の測定を行う変位検出装置では、メインＰＢＳ２２に取り付けられる１／４波長板とミラーは、２つずつ用意すればよい。

図１１で示した変位検出装置２の場合、透過型の回折格子が用いられる形態も本発明の範囲に含まれる。また、変位検出装置２では、リニアな反射型の回折格子が用いられたが、ロータリーエンコーダに使用されるような放射状の回折格子を用いてもよい。

回折格子１２または１１２が移動する構成ではなく、変位検出装置１または２の光学系（メインＰＢＳ２２等）が移動する構成であってもよい。

変位検出装置１または２の各部品に、膨張係数の絶対値が１×１０^−６以下のセラミックスや金属が用いられてもよい。

本発明の一実施の形態に係る変位検出装置の原理を説明するための光学系を示す図である。 変位検出装置の実際の光学系を示す斜視図である。 回折格子を示す平面図である。 メインＰＢＳの構成を示す斜視図である。 図４に示すメインＰＢＳの平面図である。 図５のＷ１の方向で見たメインＰＢＳの側面図である。 図５のＷ２の方向で見たメインＰＢＳの側面図である。 メインＰＢＳ及び第１の１／４波長板等の、より具体的な配置を示す側面図であり、 リサージュ信号の角度を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係るメインＰＢＳ等を示す側面図である。 本発明のさらに別の実施の形態に係る変位検出装置の光学系を示す斜視図である。 図１１に示す変位検出装置で用いられる回折格子を示す平面図である。 図１１に示す変位検出装置に搭載されるメインＰＢＳを示す斜視図である。 図１３に示すメインＰＢＳの平面図である。 第１〜第４の受光処理系で得られる信号の処理システムを示すブロック図である。 さらに別の実施の形態に係るメインＰＢＳを示す側面図である。

符号の説明

Ａ１、Ａ２…第１の領域
Ｂ１、Ｂ２…第２の領域
Ｍ１…第１のレーザビーム
Ｍ２…第２のレーザビーム
Ｎ１…第３のレーザビーム
Ｎ２…第４のレーザビーム
Ｌ１…第１のライン
Ｌ２…第２のライン
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…第１の格子領域
Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２…第２の格子領域
Ｃ１、Ｃ２…第３の領域
Ｄ１、Ｄ２…第４の領域
１、２…変位検出装置
５…第１の偏光分割面
６…第２の偏光分割面
１０…第１の位相検出部
１１…第２の位相検出部
１２、１１２…回折格子
２０、１２０…光源
２２、１２２、２２２…メインＰＢＳ
２３、４３、１２３、１４３…１／４波長板
２４、４４、１２４、１４４…ミラー
３７…第１の受光処理系
３８…第２の受光処理系
９２、９３、９４、９５…ミラー
１０５…偏光分割面
１３７…第３の受光処理系
１３８…第４の受光処理系

Claims (12)

1. レーザビームを出射する光源を備え、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる２つの偏光ビームの干渉光の受光量に基づいて、変位を検出する変位検出装置であって、
   前記２つの偏光ビームが入射される反射型の回折格子と、
   前記回折格子から得られる前記２つの偏光ビームによる２つの回折光の各偏波をそれぞれ変換する２つの偏波変換素子と、
   前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記２つの偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記２つの偏波変換素子にそれぞれ導く２つのミラーと、
   前記レーザビームを分割して前記２つの偏光ビームを生成する偏光分割面と、前記偏光分割面により生成された前記２つの偏光ビームを前記回折格子に導き、かつ、前記干渉光を得るために前記２つの偏波変換素子からの２つの戻りビームを前記回折格子を介して前記偏光分割面に再び導く透過領域とを有し、少なくとも前記２つの偏波変換素子と一体的に設けられた偏光ビームスプリッタとを具備し、
   前記回折格子は、第１のライン上に配置された第１の格子と、前記第１の格子が配置される面内で前記第１のラインに直交する第２のライン上に配置された第２の格子とを有し、前記第１の格子と前記第２の格子とが前記面内で２次元的に対称配置となるように構成され、
   前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分割面は、
   前記偏光ビームのうち２つの第１の偏光ビームを生成する第１の偏光分割面と、
   前記偏光ビームのうち２つの第２の偏光ビームを生成する、前記第１の偏光分割面とは異なる面内に配置された第２の偏光分割面とで構成され、
   前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記第１の偏光分割面により生成された前記第１の偏光ビームを前記第１の格子上に導き、前記第２の偏光分割面により生成された前記第２の偏光ビームを前記第２の格子上に導くことを特徴とする変位検出装置。
2. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記２つのミラーは、前記２つの偏波変換素子にそれぞれ一体的に設けられていることを特徴とする変位検出装置。
3. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記第１の偏光分割面と前記第２の偏光分割面とは直交するように配置されていることを特徴とする変位検出装置。
4. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記回折格子への前記偏光ビームの入射角と、該回折格子による当該偏光ビームの回折角とが等しいことを特徴とする変位検出装置。
5. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記第１及び第２のレーザビームとは別に、第３及び第４のレーザビームを生成するビーム生成手段をさらに具備し、
   前記回折格子は、
   第１の格子ピッチでなる第１の領域と、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有する前記第１の格子と、
   前記第１の格子ピッチでなる第３の領域と、前記第２の格子ピッチでなる第４の領域とを有する前記第２の格子とを有し、
   前記偏光ビームスプリッタの前記第１の偏光分割面は、前記第１のレーザビームを分割して前記２つの第１の偏光ビームを生成し、前記第２のレーザビームを分割して前記２つの第２の偏光ビームを生成し、
   前記偏光ビームスプリッタの前記第２の偏光分割面は、前記第３のレーザビームを分割して２つの第３の偏光ビームを生成し、前記第４のレーザビームを分割して２つの第４の偏光ビームを生成し、
   前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記２つの第１の偏光ビーム、前記２つの第２の偏光ビーム、前記２つの第３の偏光ビーム及び前記２つの第４の偏光ビームを、前記第１、第２、第３及び第４の領域にそれぞれ導くことを特徴とする変位検出装置。
6. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記回折格子は、
   前記２つの偏光ビームが入射される表面と、
   前記表面に形成された格子状の反射膜と
   を有するボリュームタイプのホログラムであることを特徴とする変位検出装置。
7. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、膨張係数の絶対値が１×１０^−６以下のガラスで構成されることを特徴とする変位検出装置。
8. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分割面は、互いに離れていくように前記２つの偏光ビームを生成し、
   前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記偏光分割面から離れていく前記２つの偏光ビームが、互いに接近しながら前記偏光ビームスプリッタを出射するようにするための反射面を有することを特徴とする変位検出装置。
9. レーザビームを出射する光源を備え、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる複数の偏光ビームのうち、２つの第１の偏光ビームの第１の干渉光の受光量及び２つの第２の偏光ビームの第２の干渉光の受光量に基づいて、２次元の変位を検出する変位検出装置であって、
   第１のライン上に配置され前記２つの第１の偏光ビームが入射される第１の格子と、前記第１の格子が配置される面内で前記第１のラインに直交する第２のライン上に配置され前記２つの第２の偏光ビームが入射される第２の格子とを有し、前記第１の格子と前記第２の格子とが前記面内で２次元的に対称に配置された回折格子と、
   前記回折格子から得られる前記２つの第１の偏光ビーム及び前記２つの第２の偏光ビームによる４つの回折光の各偏波をそれぞれ変換する４つの偏波変換素子と、
   前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記４つの偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記４つの偏波変換素子にそれぞれ導く４つのミラーと、
   前記レーザビームを分割して前記２つの第１の偏光ビームを生成する第１の偏光分割面と、前記レーザビームを分割して前記２つの第２の偏光ビームを生成する、前記第１の偏光分割面とは異なる面内に配置された第２の偏光分割面と、前記２つの第１の偏光ビームを前記第１の格子上に導くとともに、前記２つの第２の偏光ビームを前記第２の格子上に導き、前記第１及び第２の干渉光を得るために、前記４つの偏波変換素子からの４つの戻りビームを前記回折格子を介して、対応する前記第１及び第２の偏光分割面に再び導く透過領域とを有する偏光ビームスプリッタと
   を具備することを特徴とする変位検出装置。
10. 請求項９に記載の変位検出装置であって、
    前記第１及び第２のレーザビームとは別に、第３及び第４のレーザビームを生成するビーム生成手段をさらに具備し、
    前記回折格子は、
    第１の格子ピッチでなる第１の領域と、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有する前記第１の格子と、
    前記第１の格子ピッチでなる第３の領域と、前記第２の格子ピッチでなる第４の領域とを有する前記第２の格子とを有し、
    前記偏光ビームスプリッタの前記第１の偏光分割面は、前記第１のレーザビームを分割して前記２つの第１の偏光ビームを生成し、前記第３のレーザビームを分割して２つの第３の偏光ビームを生成し、
    前記偏光ビームスプリッタの前記第２の偏光分割面は、前記第２のレーザビームを分割して前記２つの第２の偏光ビームを生成し、前記第４のレーザビームを分割して２つの第４の偏光ビームを生成し、
    前記偏光ビームスプリッタの前記透過領域は、前記２つの第１の偏光ビーム及び前記２つの第３の偏光ビームを前記第１及び第２の領域にそれぞれ導き、前記２つの第２の偏光ビーム及び前記２つの第４の偏光ビームを前記第３及び第４の領域にそれぞれ導くことを特徴とする変位検出装置。
11. レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたレーザビームを分割して得られる複数の偏光ビームが入射される回折格子と、前記回折格子から得られる前記複数の偏光ビームによる複数の回折光の各偏波をそれぞれ変換する複数の偏波変換素子と、前記偏波変換素子ごとに対応して設けられ、前記各偏波変換素子で偏波が変換された各ビームを反射させ、前記各偏波変換素子にそれぞれ導く複数のミラーとを備えた変位検出装置に用いられる偏光ビームスプリッタであって、
    前記レーザビームを分割して前記各偏光ビームを生成する偏光分割面と、
    前記偏光分割面により生成された前記各偏光ビームを回折格子に導き、かつ、前記生成された前記２つの偏光ビームの干渉光を得るために、前記各偏波変換素子からの戻りビームを、前記回折格子を介して前記偏光分割面に再び導く透過領域とを具備し、
    前記回折格子が、
    前記各偏光ビームのうち２つの第１の偏光ビームが入射される、第１の格子ピッチでなる第１の領域と、２つの第２の偏光ビームが入射される、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有し、第１のライン上に配置された第１の格子と、
    前記２つの第３の偏光ビームが入射される、前記第１の格子ピッチでなる第３の領域と、前記２つの第４の偏光ビームが入射される、前記第２の格子ピッチでなる第４の領域とを有し、前記第１の格子が配置される面内で前記第１のラインに直交する第２のライン上に配置された第２の格子とを有する場合、
    前記偏光分割面は、
    前記２つの第１の偏光ビームと、前記２つの第２の偏光ビームとを生成する第１の偏光分割面と、
    前記２つの第３の偏光ビームと、前記２つの第４の偏光ビームとを生成し、前記第１の偏光分割面とは異なる面内に配置された第２の偏光分割面とを有し、
    前記透過領域は、
    前記２つずつの第１、第２、第３及び第４の偏光ビームを、前記第１、第２、第３及び第４の領域にそれぞれ導き、前記各偏光ビームに対応する第１、第２、第３及び第４の干渉光を得るために、前記４つの偏波変換素子からの４つの戻りビームを前記回折格子を介して、対応する前記第１及び第２の偏光分割面に再び導くことを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
12. レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたレーザビームから第１、第２、第３及び第４のレーザビームを生成するビーム生成手段とを備え、前記第１のレーザビームから分割して得られる２つの第１の偏光ビームの第１の干渉光の受光量及び前記第２のレーザビームから分割して得られる２つの第２の偏光ビームの第２の干渉光の受光量に基づいて、かつ、前記第３のレーザビームから分割して得られる２つの第３の偏光ビームの第３の干渉光の受光量及び前記第４のレーザビームから分割して得られる２つの第４の偏光ビームの第４の干渉光の受光量に基づいて、２次元の変位を検出する変位検出装置に用いられる回折格子であって、
    前記２つの第１の偏光ビームが入射される、第１の格子ピッチでなる第１の領域と、前記２つの第２の偏光ビームが入射される、前記第１の格子ピッチとは異なる第２の格子ピッチでなる第２の領域とを有し、第１のライン上に配置された第１の格子と、
    前記２つの第３の偏光ビームが入射される、前記第１の格子ピッチでなる第３の領域と、前記２つの第４の偏光ビームが入射される、前記第２の格子ピッチでなる第４の領域とを有し、前記第１の格子が配置される面内で前記第１のラインに直交する第２のライン上に配置された第２の格子と
    を具備することを特徴とする回折格子。

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