JP6427399B2 - 変位検出装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

特開平５−８９４８０号公報

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。

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。

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、反射透過部と、位相板と、透過型の回折格子と、光束結合部と、受光部と、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。反射透過部は、第１の光束の偏光方向に応じて、第１の光束を透過又は反射させて、被測定部材に入射させる。位相板は、第１の光束の偏光方向を変化させる。参照用反射部は、光束分割部によって分割された第２の光束を反射する。回折格子は、被測定部材の被測定面から反射した第１の光束を回折し、かつ回折した第１の光束を再び反射透過部へ入射させる。光束結合部は、回折格子によって回折された第１の光束と参照用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。相対位置情報出力手段は、受光部により受光した干渉光強度に基づいて被測定部材における被測定面の高さ方向の変位情報を出力する。そして、反射透過部は、被測定部材が基準位置にある場合、第１の光束を、被測定部材の特定の位置に導く。さらに、被測定部材で再び反射された際の第１の光束の光路が、被測定部材における特定の位置で第１の光束が反射した際の光路と重なる。
また、反射透過部は、光束分割部によって分割された第１の光束を被測定部材に向けて透過させ、被測定部材で反射され、かつ回折格子によって１回目の回折が行われた第１の光束を被測定部材に向けて反射させる。

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。

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。

さらに、反射透過部により、第１の光束を、被測定部材の特定の位置に導くことで、被測定部材の被測定面に入射する第１の光束の光路、重ねることができる。これにより、被測定面上の特定の１点を計測することができ、より狭い範囲の被測定面の計測が可能となる。

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。

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。 本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる回折格子を示すもので、図２Ａは回折格子の一例を示す断面図、図２Ｂは回折格子の第２の例を示す断面図である。 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。 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。 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。 本発明の変位検出装置の第３の実施の形態例の構成を示す概略構成図である。 本発明の変位検出装置の第１の利用例を示す模式図である。 本発明の変位検出装置の第２の利用例を示す模式図である。

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８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。

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３に従って説明する。

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である。

本例の変位検出装置１は、透過型の回折格子を用いて、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ＬＡ, ＬＢに分割する光束分割部３と、透過型の回折格子５と、反射部材の一例を示すミラー４と、参照用反射部６と、受光部８とを有している。

また、変位検出装置１は、光束結合部１９と、光束ＬＡ，ＬＢの偏光に応じて反射又は透過する反射透過部１４と、第１の位相板１２と、第２の位相板１３とを有している。さらに、変位検出装置１は、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。

光源２には、例えば半導体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。

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。

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。

なお、光源２の数は、１つに限定されるものではなく、複数の光源２を配置して互いの光りを重ね合わせることで光量を増加させてもよい。

この光源２から出射された光Ｌは、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。

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ＬＡと、参照光である第２の光束ＬＢに分割する。第１の光束ＬＡは、被測定部材９に照射され、第２の光束ＬＢは、参照用反射部６に照射される。光束分割部３としては、例えば、入射された光Ｌを等しく分配するハーフミラーが適用される。

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。

光束分割部３と被測定部材９との間には、反射透過部１４と、第１の位相板１２が配置されている。反射透過部１４は、例えば、偏光ビームスプリッタにより構成されている。本例では、反射透過部１４は、ｐ偏光の光を透過させ、ｓ偏光の光を反射する。

第１の位相板１２は、通過する光の偏光方向を変化させるものであり、例えば、１／４波長板等から構成されている。そのため、通過する光の偏光方向がｐ偏光の場合、ある方向に回転する円偏光に変化させる。また、通過する光の偏光方向がある方向に回転する円偏光の場合、ｓ偏光に変化させる。さらに、通過する光の偏光方向がｓ偏光の場合、ある方向と反対方向に回転する円偏光に変化させる。さらに、ある方向と反対方向に回転する円偏光の場合では、ｐ偏光に変化させる。

被測定部材９が基準位置に配置されている場合、第１の位相板１２を通過した第１の光束ＬＡは、被測定部材９における被測定面９ａのほぼ同じ位置である基準点（特定の位置）Ｐ０に入射される。そして、被測定部材９は、被測定面９ａに入射した第１の光束ＬＡを反射する。

被測定部材９で反射された第１の光束ＬＡの進行方向には、ミラー４が配置されている。また、ミラー４と対向するようにして、透過型の回折格子５が配置されている。ミラー４は、被測定部材９で反射された第１の光束ＬＡを回折格子５へ反射する。回折格子５は、入射した光を透過させると共に、回折する。

回折格子５は、被測定部材９の被測定面９ａに対して略直角、すなわち回折格子５の回折面と被測定部材９の被測定面９ａ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。

また、ミラー４は、その反射面４ａが回折格子５の回折面と略平行に配置されている。そのため、ミラー４の反射面４ａと、被測定部材９の被測定面９ａで形成される角度がほぼ９０°となる。そのため、例えば、被測定部材９に入射角θ１で入射した光は、回折格子５に対して入射角π／２−θ１で入射し、被測定部材９に入射角θ２で入射した光は、回折格子５に対して入射角π／２−θ２で入射する（図４参照）。

なお、回折格子５における被測定部材９に対する配置精度及びミラー４における被測定部材９に対する配置精度は、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５及びミラー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。

回折格子５の格子ピッチΛは、回折角が回折格子５への入射角とほぼ等しくてもよく、あるいは、等しくなくてもよい。すなわち、回折格子５の格子ピッチΛは、被測定部材９への一回目の入射角をθ１、二回目の入射角をθ２、波長をλとすると、次の式３を満たす値に設定することが好ましい。
［式１］
Λ＝ｎλ／（ｓｉｎ（π／２−θ１）＋ｓｉｎ（π／２−θ２））
なお、ｎは、正の次数である。

回折格子としては、例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示すような回折格子５Ａ、５Ｂを用いてもよい。
図２Ａは、回折格子の一例を示す断面図、図２Ｂは、回折格子の他の例を示す断面図である。

図２Ａに示す回折格子５Ａは、略透明なガラス基板５ａの一面に例えばクロム（Ｃｒ）からなる格子部５ｂを形成したものである。一般的に、格子部５ｂは、ガラス基板５ａの一面にクロム等の薄膜を真空蒸着によって形成されるため、その厚みは、１μｍ以下である。

図２Ｂに示す回折格子５Ｂは、写真乾板を用いた、いわゆるボリュームタイプのホログラムである。吸収型のホログラムを用いてもよいが、ここでは位相型のホログラムについて説明する。この回折格子５Ｂにおける格子部５ｃは、例えば次のようにして形成される。まず、ガラス基板５ａの一面に光に感光する銀塩の乳剤を塗布し、干渉縞を露光し、現像後、漂白する。これにより、格子部５ｃには、銀の粒子が残っている箇所５ｄと、残っていない箇所５ｅが形成される。ここで、銀の粒子が残っている箇所５ｄは、屈折率が高く、銀の粒子が残っていない箇所５ｅは、屈折率が低くなる。すなわち、位相型のホログラムである。また、材料として写真乾板の代わりにホログラム記録用フォトポリマーを使用してもよい。

このような構成を有する回折格子５Ｂの場合、所定の角度（入射角）で光が入射すると、所定の角度（回折角）で光が出力（回折）される。さらに、式３に示すブラッグ条件を満たすときに、回折格子５Ｂによって回折される回折光の出力を最大にすることができる。すなわち、回折格子５Ｂによって回折された回折光の光量が低下することを防ぐことができる。

この回折格子５Ｂの格子部５ｃの厚みＮ１は、格子ピッチΛの４倍以上が好ましい。しかしながら、光が格子部５ｃで吸収されることを考慮すると、格子部５ｃの厚みＮ１は、格子ピッチΛの約４〜２０倍程度に設定することが好ましい。

また、図２Ｂに示すような、ボリュームタイプのホログラムからなる回折格子５Ｂは、ミラー４を介して、被測定部材９から反射した第１の光束ＬＡや、参照用反射部６から反射した第２の光束ＬＢの回折効率を高めることができ、信号のノイズの低下させることができる。

図１に戻り、回折格子５を間に挟んで、被測定部材９と対向する位置には、参照用反射部６が配置されている。また、光束分割部３と参照用反射部６の間には、上述した反射透過部１４と、第２の位相板１３が配置されている。第２の位相板１３の構成は、第１の位相板１２と同一であるため、ここでは、その説明は省略する。

参照用反射部６には、第２の位相板を通過した第２の光束ＬＢが入射する。第２の光束ＬＢは、参照用反射部６の反射面における照射スポットＳ０に入射される。そして、参照用反射部６は、入射した第２の光束ＬＢをミラー４へ反射させる。

また、参照用反射部６の反射面は、被測定部材９の被測定面９ａと略平行に配置される。そのため、参照用反射部６の反射面と回折格子５の回折面及びミラー４の反射面４ａで形成される角度がほぼ９０°となるように、参照用反射部６、回折格子５及びミラー４は配置される。

また、光束分割部３の近傍には、光束結合部１９と、第１の補助ミラー１５及び第２の補助ミラー１６が配置されている。第１の補助ミラー１５は、第２の位相板１３を通過し、かつ反射透過部１４の反射透過面１４ａを通過した第１の光束ＬＡを光束結合部１９に向けて反射する。第２の補助ミラー１６は、第１の位相板１２を通過し、かつ反射透過部１４の反射透過面１４ａを透過した第２の光束ＬＢを光束結合部１９に向けて反射する。

また、光束結合部１９と第１の補助ミラー１５の間には、第３の位相板１７が配置されており、光束結合部１９と第２の補助ミラー１６の間には、第４の位相板１８が配置されている。第３の位相板１７及び第４の位相板１８は、通過する第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢを円偏光に変化させると共に、互いに回転方向が逆向きとなるように、位相板の光軸が設定されている。

そして、光束結合部１９は、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢを重ね合わせると共に、重ね合わせた光を再び２分割にする。そして、光束結合部１９は、分割した光を受光部８へ導く。

受光部８は、第１の偏光ビームスプリッタ２０と、第２の偏光ビームスプリッタ２１とを有している。

第１の偏光ビームスプリッタ２０は、入射される光束の偏光方向が入射面に対して４５度傾くように配置されている。この第１の偏光ビームスプリッタ２０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。また、第２の偏光ビームスプリッタ２１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。

これら第１の偏光ビームスプリッタ２０及び第２の偏光ビームスプリッタ２１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。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は、本例の変位検出装置１における相対位置情報出力手段１０の概略構成を示すブロック図である。
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。

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。

また、光束分割部３、反射透過部１４、第１の補助ミラー１５、第２の補助ミラー１６、第３の位相板１７、第４の位相板１８及び光束結合部１９は、一つの六角形のプリズムに一体に形成される。すなわち、光束分割部３、反射透過部１４、第１の補助ミラー１５、第２の補助ミラー１６、第３の位相板１７、第４の位相板１８及び光束結合部１９の機能を有し、かつ全て同じ屈折率を有する複数の板状部材を形成する。そして、これらの板状部材を所定の位置に配置して、板状部材と同じ屈折率を有する材料によって一体に成型する。これにより、一つの六角形のプリズム内に、光束分割部３、反射透過部１４、第１の補助ミラー１５、第２の補助ミラー１６、第３の位相板１７、第４の位相板１８及び光束結合部１９が形成される。

また、同じ屈折率を有する複数のプリズムの所定の面に、光束分割部３、反射透過部１４、第１の補助ミラー１５、第２の補助ミラー１６、第３の位相板１７、第４の位相板１８及び光束結合部１９を形成する。そして、この複数のプリズムを貼り合わせることで、六角形のプリズムを形成してもよい。また、成膜により機能を付加できるものは、各プリズムの表面に成膜により形成してもよい。

なお、光束分割部３、反射透過部１４、第１の補助ミラー１５、第２の補助ミラー１６、第３の位相板１７、第４の位相板１８及び光束結合部１９を構成する六角形のプリズムの形成方法は、上述したものに限定されるものではなく、その他各種の方法を用いてもよい。

１−２．変位検出装置の動作
次に、図１〜図４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。
図４は、変位検出装置の要部を示す説明図である。

図１に示すように、光源から出射した光Ｌ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ＬＡと第２の光束ＬＢに分割される。そして、分割された第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢは、それぞれ反射透過部１４へ入射される。

なお、光束分割部３により分割された第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢは、それぞれｐ偏光の光である。そのため、反射透過部１４は、入射した第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢを透過させる。

次に、反射透過部１４を透過した第１の光束ＬＡは、第１の位相板１２に照射され、第２の光束ＬＢは、第２の位相板１３に照射される。そして、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢは、互いに円偏光となる。

図４に示すように、被測定部材９が基準位置にある場合、円偏光となった第１の光束ＬＡ０は、被測定部材９の基準点Ｐ０に入射角θで入射する。そして、第１の第１の光束ＬＡ０は、被測定部材９によって１回目の反射をし、ミラー４を介して回折格子５の任意の回折位置Ｔ０に入射角π／２−θで入射する。

第１の光束ＬＡ０は、回折格子５により回折されて、第２の位相板１３に照射される。そして、第１の光束ＬＡ０は、第２の位相板１３を通過することで、ｓ偏光となり、再び反射透過部１４へ入射する。第１の光束ＬＡ０は、ｓ偏光であるため、反射透過部１４の反射透過面１４ａにより反射される。そして、再び、第１の位相板１２を通過することで、第１の光束ＬＡ０は、円偏光となる。なお、第１の光束ＬＡ０の円偏光の回転方向は、最初に第１の位相板１２を通過したときと、逆向きになる。

ここで、反射透過部１４の反射透過面１４ａは、第１の光束ＬＡ０を一回目と同じ基準点Ｐ０に同じ入射角θで入射可能なように配置されている。そのため、被測定部材９が基準位置にある場合、第１の光束ＬＡ０は、一回目とほぼ同じ位置である被測定部材９の基準点Ｐ０に入射角θで入射する。

その後、１回目の光路とほぼ同じ光路をたどり、回折格子５によって回折された後、再び第２の位相板１３を通過する。なお、被測定部材９の基準点Ｐ０に入射されて、図４に実線で示す第１の光束ＬＡ０の光路を基準光路という。

ここで、第１の光束ＬＡ０は、１回目と逆向きの回転方向の円偏光である。そのため、第１の光束ＬＡ０は、第２の位相板１３を通過すると、ｐ偏光となる。従って、第２の位相板１３を通過した第１の光束ＬＡ０は、反射透過部１４の反射透過面１４ａを透過する。そして、第１の光束ＬＡ０は、第１の補助ミラー１５及び第３の位相板１７を介して光束結合部１９へ入射される。

このように、被測定部材９が基準位置にある場合、本例では、第１の光束ＬＡにおける被測定部材９に対する１回目の照射位置と２回目の照射位置を基準位置Ｐ０のほぼ同じ位置に照射させることができる。これにより、被測定部材９における検出ポイント間隔Ｑを極力小さくすることができる。

また、図１に示すように、円偏光となった第２の光束ＬＢは、参照用反射部６の照射スポットＳ０に入射する。そして、第２の光束ＬＢは、参照用反射部６で反射され、かつミラー４を介して回折格子５に入射される。回折格子５で回折された第２の光束ＬＢは、第１の位相板１２によって、ｓ偏光になり、反射透過部１４で反射される。そして、再び第２の光束ＬＢは、第２の位相板１３で、円偏光になる。その後は、１回目と同じ光路をたどり、第１の位相板１２に入射する。

第１の位相板１２では、第２の光束ＬＢは、第１の光束ＬＡと同様に、ｐ偏光となり、反射透過部１４を透過する。そして、第２の光束ＬＢは、第２の補助ミラー１６及び第４の位相板１８を介して光束結合部１９へ入射される。

ここで、第１の光束ＬＡにおける光束分割部３から光束結合部１９までの光路長と、第２の光束ＬＢにおける光束分割部３から光束結合部１９までの光路長は、互いに等しくなるように、参照用反射部６及びミラー４が配置されている。これにより、変位検出装置１を製造する際に、第１の光束ＬＡの光路長と第２の光束ＬＢの光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。その結果、気圧補正、湿度補正や温度補正を行うことなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。

さらに、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢを同じ回折格子５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５の回折角に変化が起きても、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢが受ける影響を等しくすることができる。

ここで、図４に示すように、被測定部材９が基準位置から高さ方向へｘ／２だけ移動した場合について説明する。
図４に示すように、被測定部材９が基準位置から高さ方向へｘ／２だけ移動すると、１回目の第１の光束ＬＡ１の照射位置は、被測定部材９の基準点Ｐ０から第１の照射位置Ｐ１に移動する。なお、被測定部材９への入射角θ１は、基準点Ｐ０に照射される第１の光束ＬＡ０の入射角θと同じである。そして、第１の光束ＬＡ１は、点線で示す光路をたどり、回折格子５に入射角π／２−θ１で入射する。なお、被測定部材９への入射角が等しいため、移動した際の第１の光束ＬＡ１における回折格子５への入射角π／２―θ１は、基準光路をたどる第１の光束ＬＡ０の回折格子５への入射角π／２−θと同じである。

さらに、第１の光束ＬＡ１における回折格子５への入射位置は、回折位置Ｔ０から回折位置Ｔ１に移動する。ここで、回折格子５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Ｔ０と回折位置Ｔ１の間隔は、被測定部材９の移動距離の２倍のｘとなる。そして、第１の光束ＬＡには、回折格子５上を移動したｘ分の波数のみの位相が加算される。

そして、第１の光束ＬＡ１は、反射透過部１４に反射されて、再び被測定部材９に入射する。２回目の第１の光束ＬＡ２の照射位置は、被測定部材９の第１の照射位置Ｐ１から第２の照射位置Ｐ２に移動する。なお、被測定部材９への入射角θ２は、基準点Ｐ０に照射される第１の光束ＬＡ０の入射角θ及び、１回目の第１の光束ＬＡ１の入射角θ１と同じである。

また、被測定部材９に照射された２回目の第１の光束ＬＡ２は、一点鎖線で示す光路は、基準光路と一致する。そのため、第１の光束ＬＡ２は、回折格子５の回折位置Ｔ０に入射される。さらに、第１の光束ＬＡの光路長は、被測定部材９が高さ方向に変位しても、常に一定となっている。すなわち、第１の光束ＬＡの波長は、変化しない。従って、第１の光束ＬＡには、回折格子５上を回折位置Ｔ０から回折位置Ｔ１まで移動したｘ分の波数のみの位相が加算される。

また、変位検出装置１は、第１の照射位置Ｐ１と第２の照射位置Ｐ２の間の中心位置Ｐａを検出位置として、検出する。図４に示すように、中心位置Ｐａは、基準位置Ｐ０とほぼ一致している。そのため、被測定部材９が高さ方向に移動しても、常にほぼ同じ検出位置の変位を検出することができる。これにより、検出ポイント間隔Ｑが狭い被測定面の計測が可能となる。

図１に戻り、光束結合部１９に入射した第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢは、光束結合部１９により重ね合わされて、干渉光となる。ここで、第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢは、回転方向が互いに逆向きの円偏光である。また、第１の光束ＬＡには、回折格子上を移動した分の波数の位相が加算されている。そのため、第１の光束ＬＡにおける回折格子上を移動した分の波数の位相加算に伴って回転する直線偏光を有する干渉光を得ることができる。この直線偏光の回転は、被測定部材９が回折格子５の格子ピッチΛだけ高さ方向に移動すると１回転する。

また、この干渉光は、光束結合部１９により２つに分割されて受光部８の第１の偏光ビームスプリッタ２０及び第２の偏光ビームスプリッタ２１に入射する。そして、第１の偏光ビームスプリッタ２０及び第２の偏光ビームスプリッタ２１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。

第１の偏光ビームスプリッタ２０によって反射された干渉光は、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２０を透過した干渉光は、第２の受光素子３４によって受光される。ここで、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。

同様に、第２の偏光ビームスプリッタ２１によって反射された干渉光は、第３の受光素子３５によって受光される。また、第２の偏光ビームスプリッタ２１を透過した干渉光は、第４の受光素子３６によって受光される。ここで、第３の受光素子３５と第４の受光素子３６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。

そして、第１の受光素子３３と第２の受光素子３４、第３の受光素子３５と第４の受光素子３６によって得られる干渉信号は、Ａｃｏｓ（２Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。また、ｘは、被測定部材９における高さ方向の移動量を示しており、δは、初期位相を示している。Λは、回折格子５における格子のピッチである。

上述したように、被測定部材９が高さ方向にｘ／２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ＬＡは、基準位置Ｐ０から第１の照射位置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ＬＡは、回折格子５の回折位置Ｔ０から回折位置Ｔ１に移動する。そして、回折位置Ｔ０と回折位置Ｔ１の間隔は、基準位置Ｐ０と第１の照射位置Ｐ１の間隔の２倍のｘとなる。すなわち、回折格子５上を移動する第１の光束ＬＡの移動量は、被測定部材９を移動した際の２倍のｘとなる。

また、回折格子５が被測定部材９の被測定面に対して略直角に配置されているため、被測定部材９が高さ方向に変位しても、第１の光束ＬＡの光路長は常に一定となる。すなわち、第１の光束ＬＡの波長は、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、回折格子５に入射する位置だけが変化する。

すなわち、被測定部材９が高さ方向にｘだけ移動すると、回折された第１の光束ＬＡには、２Ｋｘの位相が加わる。そのため、２周期の光の明暗が生じる干渉光が、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によって受光される。

ここで、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によって得られる干渉信号には、光源２の波長に関する成分が含まれていない。よって、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長に変動が起きても干渉強度には、影響を受けない。

なお、本実施形態では、第１の偏光ビームスプリッタ２０と第２の偏光ビームスプリッタ２１は、相対的に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、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。

したがって、例えば第１の受光素子３３と第２の受光素子３４で得られる信号をｓｉｎ信号、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を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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＬＡと第２の光束ＬＢ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。

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。

２．第２の実施の形態例
次に、第２に実施の形態例にかかる変位検出装置について図５を参照して説明する。
図５は、第２の実施の形態例に構成を示す概略構成図である。

この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１００が第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と異なる点は、反射部材として第１の光束用ミラー１０４と、第２の光束用ミラー１０５を設けたものである。そのため、ここでは、第１の光束用ミラー１０４と、第２の光束用ミラー１０５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。

図５に示すように、回折格子５と対向するように、第１の光束用ミラー１０４と、第２の光束用ミラー１０５が配置されている。第１の光束用ミラー１０４は、被測定部材９から反射された第１の光束ＬＡを回折格子５に向けて反射する。第２の光束用ミラー１０５は、参照用反射部６から反射された第２の光束ＬＢを回折格子５に向けて反射する。

第１の光束用ミラー１０４の反射面１０４ａは、回折格子５の回折面と略平行で、かつ被測定部材９の被測定面９ａに対してほぼ９０°となるように配置されている。また、第２の光束用ミラー１０５の反射面１０５ａは、回折格子５の回折面と略平行で、かつ参照用反射部の反射面に対してほぼ９０°となるように配置されている。

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１００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。

また、この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１００によれば、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢにおける光路長や角度をそれぞれ別々に微調整することができる。これにより、気圧、湿度や温度の変化による光源２の波長変動の影響をより受けにくくすることができる。

３．第３の実施の形態例
次に、第３に実施の形態例にかかる変位検出装置について図６を参照して説明する。
図６は、第２の実施の形態例に構成を示す概略構成図である。

この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２００が第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と異なる点は、反射部材の代わりに結合部側反射透過部を設けた点である。そのため、ここでは、結合部側反射透過部について説明し、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。

図６に示すように、変位検出装置２００は、反射透過部２０４と、結合部側反射透過部２０７とを有している。また、結合部側反射透過部２０７は、回折格子５を間に挟んで反射透過部２０４と対向するように配置されている。そして、結合部側反射透過部２０７の近傍には、光束結合部１９と、第３の位相板１７及び第４の位相板１８と、受光部８が配置されている。

反射透過部２０４は、第１の実施の形態例にかかる反射透過部１４の構成と同一であるため、その説明は省略する。また、反射透過部２０４と被測定部材９との間には、第１の位相板２０２が配置されており、反射透過部２０４と参照用反射部６との間には、第２の位相板２０３が配置されている。

第１の位相板２０２と、第２の位相板２０３は、それぞれ１／２波長板である。そのため、第１の位相板２０２及び第２の位相板２０３は、それぞれｐ偏光の光をｓ偏光に変化させ、ｓ偏光の光をｐ偏光に変化させる。また、第１の位相板２０２には、第１の光束ＬＡのみが通過し、第２の位相板２０３には、第２の光束ＬＢのみが通過する。

結合部側反射透過部２０７は、反射透過部２０４と同様に、偏光ビームスプリッタである。結合部側反射透過部２０７は、ｐ偏光の光を透過させ、ｓ偏光の光を反射する。また、結合部側反射透過部２０７は、その反射透過面２０７ａが回折格子５の回折面と略平行で、かつ被測定部材９の被測定面９ａ及び参照用反射部６の反射面に対してほぼ９０°となるように、配置されている。

光束分割部３により分割された第１の光束ＬＡと第２の光束ＬＢは、それぞれｐ偏光の光である。そのため、光束分割部３から反射透過部２０４に入射した第１の光束ＬＡは、反射透過面２０４ａと透過し、第１の位相板２０２に入射する。そして、第１の光束ＬＡは、第１の位相板２０２によりｐ偏光からｓ偏光になる。

第１の位相板２０２を通過した第１の光束ＬＡ１は、被測定部材９で反射されて、結合部側反射透過部２０７に入射する。そして、第１の光束ＬＡ１は、ｓ偏光であるため、結合部側反射透過部２０７の反射透過面２０７ａで反射されて、回折格子５に入射する。そして、回折光となった第１の光束ＬＡは、反射透過部２０４で反射し、第１の位相板２０２に入射する。

第１の位相板２０２を再び通過することで、第１の光束ＬＡ２は、ｐ偏光に戻る。そして、ｐ偏光となった第１の光束ＬＡ２は、被測定部材９で再び反射される。また、結合部側反射透過部２０７では、再び反射された第１の光束ＬＡ２を透過させる。そして、第１の光束ＬＡ２は、回折格子５に向かうことなく、光束結合部１９に向かう。

なお、第２の光束ＬＢの光路も、第１の光束ＬＡと同様であるため、その説明は、省略する。

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２００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。

この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２００では、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢにおける回折格子５を通過する回数は、それぞれ１回ずつとなる。そのため、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢが回折格子５を痛感する回数を最小限に抑えることで、透過光量を増やし、ノイズを減らすことができる。

また、第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢの光路長を、第１の実施の形態例にかかる第１の光束ＬＡ及び第２の光束ＬＢよりも大幅に短くすることができる。その結果、光路長が短くなることで、空気の揺らぎ等による影響を受けにくくすることもできる。

４．変位検出装置の利用例
次に、上述した第１〜第３の実施の形態例にかかる変位検出装置の利用例について図７及び図８を参照して説明する。
図７は、第１の利用例について示す模式図である。図８、第２の利用例について示す模式図である。
なお、図７及び図８に示す利用例における被測定部材９は、例えば、回折格子スケールを用いたものである。

図７に示す利用例では、被測定部材９における被測定面と平行をなす第１の方向Ｘの変位検出するＸ軸用リニアエンコーダ９０１と、被測定部材９における被測定面と平行をなし、第１の方向Ｙと直交する第２の方向Ｙの変位を検出するＹ軸用リニアエンコーダ９０２が設けられている。また、被測定部材９の被測定面の高さ方向Ｚの検出するために上述した本例の変位検出装置１を設けている。

これにより、Ｘ軸用リニアエンコーダ９０１及びＹ軸用リニアエンコーダ９０２によって、被測定部材９のＸ軸Ｙ軸の変位を計測し、本例の変位検出装置１によって被測定部材９の被測定面の高さ方向、すなわちＺ軸の変位を検出することができる。これにより、３次元の計測が可能となる。

図８に示す利用例における被測定部材９Ｈは、Ｚ軸を中心に回転するものである。そして、この利用例では、被測定部材９Ｈの角度情報を検出するロータリーエンコーダ９０３と、被測定部材９の高さ方向Ｚの検出するために上述した本例の変位検出装置１を設けている。この利用例では、被測定部材９Ｈの角度情報θと、Ｚ軸の変位を検出することができ、３次元の計測が可能となる。

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。

また、参照用反射部６を被測定部材９の移動に連動するように移動させてもよい。すなわち、被測定部材９における高さ方向の移動量と同じ移動量だけ参照用反射部６を移動させる。これにより、第２の光束ＬＢに第１の光束ＬＡと正負の異なる位相を加えることができる。

１，１００，２００…変位検出装置、 ２…光源、 ３…光束分割部、 ４…ミラー（反射部材）、４ａ…反射面、 ５…回折格子、 ６…参照用反射部、 ８…受光部、 ９…被測定部材、 ９ａ…被測定面、 １０…相対位置情報出力手段、 １１…レンズ、 １２，２０２…第１の位相板、 １３，２０３…第２の位相板、 １４，２０４…反射透過部、 １４ａ…反射透過面、 １９…光束結合部、 １０４…第１の光束用ミラー、 １０５…第２の光束用ミラー、 ２０７…結合部側反射透過部、 ＬＡ…第１の光束、 ＬＢ…第２の光束、 Ｐ０…基準位置（特定の位置）、 Ｐ１…第１の照射位置、 Ｐ２…第２の照射位置、 Ｔ０…回折位置、 Ｔ１…回折位置

Claims (5)

1. 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、
   前記第１の光束の偏光方向に応じて、前記第１の光束を透過又は反射させて、前記被測定部材に入射させる反射透過部と、
   前記第１の光束の偏光方向を変化させる位相板と、
   前記光束分割部によって分割された前記第２の光束を反射する参照用反射部と、
   前記被測定部材の被測定面から反射した前記第１の光束を回折し、かつ回折した前記第１の光束を再び前記反射透過部へ入射させる透過型の回折格子と、
   前記回折格子によって回折された前記第１の光束と前記参照用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、
   前記受光部により受光した干渉光強度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、
   前記反射透過部は、前記被測定部材が基準位置にある場合、前記第１の光束を、前記被測定部材の特定の位置に導き、
   前記被測定部材で再び反射された際の前記第１の光束の光路が、前記被測定部材における前記特定の位置で前記第１の光束が反射した際の光路と重なり、
   前記反射透過部は、前記光束分割部によって分割された前記第１の光束を前記被測定部材に向けて透過させ、前記被測定部材で反射され、かつ前記回折格子によって１回目の回折が行われた前記第１の光束を前記被測定部材に向けて反射させる
   変位検出装置。
2. 前記第１の光束における前記光束分割部から前記回折格子を介して前記光束結合部までの光路長と、前記第２の光束における前記光束分割部から前記反射部を介して前記光束結合部までの光路長は、略等しく設定されている
   請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記回折格子の回折面は、前記被測定部材の被測定面に対して略直角に配置される
   請求項１または２に記載の変位検出装置。
4. 前記被測定部材により反射された前記第１の光束を、前記第１の光束の偏光方向に応じて、反射又は透過し、前記回折格子又は前記光束結合部に導く結合部側反射透過部を設けた
   請求項１〜３のいずれかに記載の変位検出装置。
5. 前記被測定部材により反射された前記第１の光束を、前記回折格子に反射させる反射部材を設けた
   請求項１〜３のいずれかに記載の変位検出装置。

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