JP6461351B2 - 光検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ライダー装置又は光通信装置等の光束を使用する装置において、光束の変位及び角度変化を同時に検出する光検出装置に関するものである。

これまで、ライダー装置又は光通信装置等の光束を使用する装置は、装置を組み立てる際に、光束の位置及び角度を調整していた。

ライダー（ＬＩＤＡＲ、ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）は、レーザー光を発して、大気中の塵又は微粒子等からの反射光を受光し、その移動速度を風速として計測する。ライダー装置は、通常、平行光の光束を使用している。

「変位」とは、物体の位置が変ることである。ここでは、例えば、装置に対して、光束の位置が変わることである。具体的には、検出用のセンサに対して、光束の位置が変わることである。

また、「角度変化」とは、物体の角度が変ることである。ここでは、例えば、装置に対する光束の進行方向が変わること又は光束に対して装置の姿勢が変わることである。具体的には、検出用のセンサに対して、光束の進行方向が変わることである。例えば、受光素子に光束が入射する場合には、受光素子の受光面に対する光束の中心軸の角度が変化することである。

しかし、例えば、ライダー装置を車又は飛行機等に搭載し、大きな振動のある環境下で用いる場合には、稼働中に装置内部の光学部品も振動してしまう。そして、ライダー装置の性能が悪化してしまう。

特に、光ファイバを用いる装置は、通常、中心コアの直径が大きくても１００［μｍ］程度の光ファイバを採用している。このため、光学部品の変位が数ミクロンメータ程度であっても、装置の性能に大きく影響してしまう。

また、光学部品の角度変化に対しても同様である。光学部品の角度変化が数分程度であっても、装置の性能に大きく影響してしまう。

このため、装置が稼働中であっても、光学部品の振動等に対して、能動的に、光学部品に対する光束の変位及び角度変化を抑える必要がある。そのためには、光束の位置及び角度を、高精度に検出する必要がある。

また、振動が少ない環境下であっても、長期に使用することで、経年変化がある。メンテナンスの観点からも、光束の位置及び角度を、高精度に検出する要求がある。

この課題に対処するため、１つの光束をハーフミラー等で２つの光束に分岐し、一方の光束をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサに入射させて変位を測定し、もう一方の光束を集光レンズで別のＣＣＤセンサに集光させて角度変化を測定する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１４−１０１０１公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、２つのセンサを用いて、光束の変位と角度変化とを別のセンサで検出している。このため、振動等により、光束の変位と光束の角度変化との間に誤差が発生するという問題がある。

上記に鑑みて本発明は、光束の変位及び光束の角度変化の検出精度を向上できる検出装置を提供する。

前記目的を達成するために、本発明に係る光検出装置は、入射した光束を回折する回折素子と、前記回折素子で回折された回折光を受光する受光部を含む光検出素子とを備え、前記回折素子は、前記光束を分割して前記回折光を複数生成し、前記光検出素子は、複数の前記回折光の光量を基に前記回折素子に対する前記光束の変位を判別し、１つの前記回折光の光量を分割して前記回折素子に対する前記光束の角度変化を判別することを特徴とする。

本発明によれば、光束の変位及び光束の角度変化の検出精度を向上することができる。

実施の形態１の変位及び角度変化の検出装置９を概略的に示す図である。 実施の形態１の回折素子２の回折領域のパターンを示す模式図である。 実施の形態１の光検出素子３の受光面のパターン示す模式図である。 実施の形態１の光束１の変位に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の変位に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の変位に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の変位に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の変位に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の回折光の光束の回折素子２への入射位置と光検出素子３への入射位置との関係を概略的に示す模式図である。 実施の形態１の回折光の光束の回折素子２への入射角度と光検出素子３への入射位置との関係を概略的に示す模式図である。 実施の形態１の光束１の角度変化に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の角度変化に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の角度変化に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の角度変化に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の平行度の変化に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の平行度の変化に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の受光素子３の構成を示す模式図である。 実施の形態１の光束１の変位及び角度変化に対すると光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の変位及び角度変化に対すると光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の検出装置９１の構成を表わす構成図である。 実施の形態１の回折素子２を表わす模式図である。 実施の形態１の回折素子２の形態を示す斜視図である。 実施の形態１の検出装置９２の構成を示す構成図である。 ライダー装置７の構成を示す構成図である。 光通信装置８の構成を示す構成図である。 変形例の変位及び角度変化の検出装置９３を概略的に示す図である。 変形例の信号処理回路６の構成を示す信号処理ブロック図である。 変形例の信号処理回路６の構成をオペンプの加減算回路で記載した図である。 実施の形態１の光束１の変位及び角度変化に対すると光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。 実施の形態１の光束１の変位及び角度変化に対すると光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。

以下、本発明に係る種々の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないようにする。

上述の特許文献１に記載された技術は、センサにＣＣＤを用いている。このため、次のような課題がある。

まず、ＣＣＤの応答は遅く、数１０[Ｈｚ]オーダの変位しか測定できない。また、比較的高速なＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）素子を用いても１００[ｋＨｚ]程度までしか測定できない。

また、ＣＣＤは、駆動するための部品等を含めると、その大きさは大きくなるため、車又は飛行機等への搭載に適していない。

本発明は、光束の変位及び光束の角度変化の検出速度を向上できる検出装置を提供する。また、本発明は、検出装置の小型化を容易にする。

また、以下の実施の形態において、説明を加えない限り、光束を平行光の光束として説明する。なお、光束は、平行光に限定されない。しかし、光路から一部の光のみをセンサ系に導く構成を採用した場合には、光束を平行とすることで、光路中のどこからでも一部の光をセンサ系に導くことが容易になる。

ただし、光軸の調整などの単純な評価に使う場合には、光路を分ける必要がない。このため、わざわざ回折格子などを使う必要がなくなる。このような場合には、光を２つに分けて、片方は光検知器に集光させ、もう片方はそのまま光検知器に入射させることができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の変位及び角度変化の検出装置９を概略的に示す図である。実施の形態では、検出装置９は、光を用いて変位及び角度変化を検出する光検出装置として示されている。

図１に示されるように、検出装置９は回折素子２及び光検出素子３を備える。つまり、検出装置９は光検出装置である。また、検出装置９は、筐体４または信号処理回路６を備えることができる。

検出装置９は、例えば、ライダー装置又は光通信装置等に設置される。検出装置９は、例えば、ライダー装置又は光通信装置で使用される光束１の光路中に配置される。

＜回折素子２＞
回折素子２は、光束１を回折する。ここで、例えば、光束１は平行光である。そして、＋１次回折光１０は、回折素子２によって生成される。

後述する光検出素子３は、＋１次回折光１０を入射する。光検出素子３は、＋１次回折光１０を受光する。そして、光検出素子３は、光束１の変位及び角度変化を検出する。

回折素子２を一般的な矩形溝で形成した場合には、＋１次回折光と−１次回折光が生成される。−１次回折光は、＋１次回折光の回折方向に対して、逆方向に回折する光である。このため、光検出素子３は、＋１次回折光に代えて、−１次回折光を入射しても良い。光検出素子３は、＋１次回折光に代えて、−１次回折光を受光しても良い。

また、更に高次の＋３次回折光又は＋５次回折光なども生成される。そして、光検出素子３は、これらの高次の回折光を入射することもできる。光検出素子３は、これらの高次の回折光を受光することもできる。しかし、高次になるほど回折光の光量が減少する。このため、高次回折光の受光は、１次回折光の受光に比べて好ましくない。

ただし、光検出素子３の検出感度に対して充分な光量が得られる場合には、高次の回折光を受光しても構わない。高次の回折光の受光によって、光検出素子３の配置位置を、光束１に対して遠ざけることができる。

なお、１次回折光を受光する場合でも、光検出素子３の配置位置を、光束１に対して遠ざけることは、回折素子２の回折格子のピッチを狭くすることで実現される。

図２は、回折素子２の回折領域のパターンを示す模式図である。また、図３は、光検出素子３の受光部３１，３２，３３，３４のパターンを示す模式図である。なお、図２には、回折素子２に入射する光束１が示されている。

図２に示されるように、回折素子２は、例えば、４つの回折領域２１，２２，２３，２４を備えている。図２では、例えば、回折領域２１，２２，２３，２４は、回折素子２を四等分している。図２では、例えば、回折領域２１，２２，２３，２４は、正方形の形状で表わされている。

図２では、例えば、回折領域２１と回折領域２２とは、水平方向に並べて配置されている。また、回折領域２３と回折領域２４とは、水平方向に並べて配置されている。また、回折領域２１と回折領域２３とは、垂直方向に並べて配置されている。また、回折領域２２と回折領域２４とは、垂直方向に並べて配置されている。

図２では、回折領域２１，２２の配置されている方向を上側とし、回折領域２３，２４の配置されている方向を下側とする。また、回折領域２１，２３の配置されている方向を左側とし、回折領域２２，２４の配置されている方向を右側とする。

また、図２では、光束１は、回折領域２１，２２，２３，２４によって四等分されている。つまり、回折領域２１，２２，２３，２４には、同じ光量の光が入射している。

回折素子２は、光束１を分割して回折光１０を複数生成する。回折素子２は、光束１を分割した領域に対応する回折光１０を複数生成する。回折素子２は、光束１を分割した各々の領域に対応する回折光１０を複数生成する。回折素子２は、光束１を分割した各々の領域に対応する回折光１０を生成する。つまり、回折素子２は、光束１を分割した領域に対応する回折光１０を生成する。そして、回折素子２で分割された回折光１０は複数生成される。

複数の回折領域２１，２２，２３，２４によって、光束１は分割されている。

回折素子２は、少なくとも回折光１０の一部を集光する。

回折素子２は、複数の回折領域２１，２２，２３，２４のうち少なくとも１つの回折領域で回折光１０を集光する。実施の形態１では、例えば、回折領域２１である。

回折素子２は、例えば、レンズ効果をもつ非線形な回折格子パターンを有する。このため、回折素子２は、光を回折する機能に加えて、光を集光する機能を有する。ここで、「レンズ効果」とは、光を集光する機能を有することである。

＜光検出素子３＞
図３は、光検出素子３の受光面のパターン示す模式図である。

図３に示すように、光検出素子３は、受光部３１，３２，３３，３４を備える。

図３では、光検出素子３の受光部３１，３２，３３，３４も、回折素子２の回折領域２１，２２，２３，２４と同様に四等分されている。そして、図３では、例えば、受光部３１，３２，３３，３４は、正方形の形状で表わされている。

図３では、例えば、受光部３１と受光部３２とは、水平方向に並べて配置されている。また、受光部３３と受光部３４とは、水平方向に並べて配置されている。また、受光部３１と受光部３３とは、垂直方向に並べて配置されている。また、受光部３２と受光部３４とは、垂直方向に並べて配置されている。

図３では、受光部３１，３２の配置されている方向を上側とし、受光部３３，３４の配置されている方向を下側とする。また、受光部３１，３３の配置されている方向を左側とし、受光部３２，３４の配置されている方向を右側とする。

受光部３１は、回折素子２の回折領域２１で回折された回折光を受光する。受光部３２は、回折素子２の回折領域２２で回折された回折光を受光する。受光部３３は、回折素子２の回折領域２３で回折された回折光を受光する。受光部３４は、回折素子２の回折領域２４で回折された回折光を受光する。

これらの回折領域２１，２２，２３，２４で生成された＋１次回折光は、それぞれ、図３に示す光検出素子３の受光部３１，３２，３３，３４上の回折光のスポット１１，１２，１３，１４の位置に到達する。

回折光のスポット１１，１２，１３，１４は、受光部３１，３２，３３，３４上に到達した回折光の光束を表わしている。

回折領域２１で生成された＋１次回折光は、受光部３１上の回折光のスポット１１の位置に到達する。回折領域２２で生成された＋１次回折光は、受光部３２上の回折光のスポット１２の位置に到達する。回折領域２３で生成された＋１次回折光は、受光部３３上の回折光のスポット１３の位置に到達する。回折領域２４で生成された＋１次回折光は、受光部３４上の回折光のスポット１４の位置に到達する。

図３では、各スポット１１，１２，１３，１４は、各受光部３１，３２，３３，３４の中心に位置している。

また、受光部３１は、副受光部３１１，３１２，３１３，３１４を備える。図３では、副受光部３１１，３１２，３１３，３１４は、受光部３１を四等分している。そして、図３では、例えば、副受光部３１１，３１２，３１３，３１４は、正方形の形状で表わされている。

図３では、例えば、副受光部３１１と副受光部３１２とは、水平方向に並べて配置されている。また、副受光部３１３と副受光部３１４とは、水平方向に並べて配置されている。また、副受光部３１１と副受光部３１３とは、垂直方向に並べて配置されている。また、副受光部３１２と副受光部３１４とは、垂直方向に並べて配置されている。

図３では、副受光部３１１，３１２の配置されている方向を上側とし、副受光部３１３，３１４の配置されている方向を下側とする。また、副受光部３１１，３１３の配置されている方向を左側とし、副受光部３１２，３１４の配置されている方向を右側とする。

副受光部３１１，３１２，３１３，３１４は、各々、回折光のスポット１１の一部を受光する。

また、受光部３４は、副受光部３４１，３４２，３４３，３４４を備える。図３では、副受光部３４１，３４２，３４３，３４４は、受光部３４を四等分している。そして、図３では、例えば、副受光部３４１，３４２，３４３，３４４は、正方形の形状で表わされている。

図３では、例えば、副受光部３４１と副受光部３４２とは、水平方向に並べて配置されている。また、副受光部３４３と副受光部３４４とは、水平方向に並べて配置されている。また、副受光部３４１と副受光部３４３とは、垂直方向に並べて配置されている。また、副受光部３４２と副受光部３４４とは、垂直方向に並べて配置されている。

図３では、副受光部３４１，３４２の配置されている方向を上側とし、副受光部３４３，３４４の配置されている方向を下側とする。また、副受光部３４１，３４３の配置されている方向を左側とし、副受光部３４２，３４４の配置されている方向を右側とする。

副受光部３４１，３４２，３４３，３４４は、各々、回折光のスポット１４の一部を受光する。

また、図３では、受光部３１と受光部３２とは、互いに接している。また、受光部３２と受光部３４とは、互いに接している。受光部３４と受光部３３とは、互いに接している。受光部３３と受光部３１とは、互いに接している。

しかし、この配置に限定されない。各受光部３１，３２，３３，３４の間に隙間を設けても良い。

また、受光部３１，３２，３３，３４間の隙間は一定でなくてもよい。各々異なる量の隙間であっても良い。

ただし、回折素子２の回折格子パターンによって、回折光のスポット１１，１２，１３，１４の位置は決定される。このため、受光部３１，３２，３３，３４間の隙間は、これらの回折光のスポット１１，１２，１３，１４の位置と受光部３１，３２，３３，３４の位置とを、互いに考慮した設計が好ましい。

また、図３では、受光部３１，３２，３３，３４は、同一の大きさで表わされている。しかし、これに限定されない。受光部３１，３２，３３，３４は、互いに別々の大きさでも良い。

また、受光部３１，３２，３３，３４は、矩形形状をしている。図３では、受光部３１，３２，３３，３４は、正方形の形状で表わされている。しかし、これに限定されない。受光部３１，３２，３３，３４の形状は、例えば、円形の形状等でも良い。

副受光部３１１は、その受光量に応じた信号ＳＡ_１を生成する。つまり、副受光部３１１は、回折光のスポット１１の一部を受光して、信号ＳＡ_１を生成する。そして、副受光部３１１は、信号ＳＡ_１を信号処理回路６に与える。

副受光部３１２は、その受光量に応じた信号ＳＡ_２を生成する。つまり、副受光部３１２は、回折光のスポット１１の一部を受光して、信号ＳＡ_２を生成する。そして、副受光部３１２は、信号ＳＡ_２を信号処理回路６に与える。

副受光部３１３は、その受光量に応じた信号ＳＡ_３を生成する。つまり、副受光部３１３は、回折光のスポット１１の一部を受光して、信号ＳＡ_３を生成する。そして、副受光部３１３は、信号ＳＡ_３を信号処理回路６に与える。

副受光部３１４は、その受光量に応じた信号ＳＡ_４を生成する。つまり、副受光部３１４は、回折光のスポット１１の一部を受光して、信号ＳＡ_４を生成する。そして、副受光部３１４は、信号ＳＡ_４を信号処理回路６に与える。

受光部３２は、受光量に応じた信号ＳＢを生成する。つまり、受光部３２は、回折光のスポット１２を受光して、信号ＳＢを生成する。受光部３２は、信号ＳＢを信号処理回路６に与える。

受光部３３は、受光量に応じた信号ＳＣを生成する。つまり、受光部３３は、回折光のスポット１３を受光して、信号ＳＣを生成する。受光部３３は、信号ＳＣを信号処理回路６に与える。

副受光部３４１は、その受光量に応じた信号ＳＤ_１を生成する。つまり、副受光部３４１は、回折光のスポット１４の一部を受光して、信号ＳＤ_１を生成する。そして、副受光部３４１は、信号ＳＤ_１を信号処理回路６に与える。

副受光部３４２は、その受光量に応じた信号ＳＤ_２を生成する。つまり、副受光部３４２は、回折光のスポット１４の一部を受光して、信号ＳＤ_２を生成する。そして、副受光部３４２は、信号ＳＤ_２を信号処理回路６に与える。

副受光部３４３は、その受光量に応じた信号ＳＤ_３を生成する。つまり、副受光部３４３は、回折光のスポット１４の一部を受光して、信号ＳＤ_３を生成する。そして、副受光部３４３は、信号ＳＤ_３を信号処理回路６に与える。

副受光部３４４は、その受光量に応じた信号ＳＤ_４を生成する。つまり、副受光部３４４は、回折光のスポット１４の一部を受光して、信号ＳＤ_４を生成する。そして、副受光部３４４は、信号ＳＤ_４を信号処理回路６に与える。

少なくとも１つの受光部３１，３４は、受光部３１，３４を分割した複数の副受光部３１１，３１２，３１３，３１４，３４１，３４２，３４３，３４４を備えている。

＜光束１の変位信号の生成（垂直方向）＞
光束１の垂直方向（上下方向）の変位信号の生成方法を以下に説明する。

垂直方向の変位信号Ｓｖは以下の式（１）、（１ａ）及び（１ｂ）で算出される。
Ｓｖ＝（ＳＡ＋ＳＢ）−（ＳＣ＋ＳＤ） ・・・（１）
ＳＡ＝ＳＡ_１＋ＳＡ_２＋ＳＡ_３＋ＳＡ_４ ・・・（１ａ）
ＳＤ＝ＳＤ_１＋ＳＤ_２＋ＳＤ_３＋ＳＤ_４ ・・・（１ｂ）

式（１）中、信号ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ_１，ＳＤ_２，ＳＤ_３，ＳＤ_４は、受光部３１１，３１２，３１３，３１４，３２，３３，３４１，３４２，３４３，３４４での受光量に対応している。

信号ＳＡは、受光部３１全体の受光量に対応している。信号ＳＤは、受光部３４全体の受光量に対応している。

式（１）で表される演算を信号処理回路６で行うことで、垂直方向の変位信号Ｓｖが生成される。

図４（Ａ）、図５（Ａ）及び図６（Ａ）は、光束１の変位に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。ここで、「回折光のスポットの挙動」とは、回折光のスポットの大きさ、形状又は光検出素子３上の位置等を意味する。また、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）は、回折素子２を透過する光束１の斜視図である。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心を透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図４（Ｂ）では光束１００として示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図４（Ａ）では回折光のスポット１１０，１２０，１３０，１４０として示す。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心よりも上側を透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図５（Ｂ）では光束１０１ａとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図５（Ａ）では回折光のスポット１１１ａ，１２１ａ，１３１ａ，１４１ａとして示す。「上側」とは、回折領域２１，２２側である。また、「上側」とは、受光部３１，３２側である。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心よりも下側を透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図６（Ｂ）では光束１０１ｂとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図６（Ａ）では回折光のスポット１１１ｂ，１２１ｂ，１３１ｂ，１４１ｂとして示す。「下側」とは、回折領域２３，２４側である。また、「下側」とは、受光部３３，３４側である。

つまり、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心よりも垂直方向にずれて透過した場合を表わしている。

次に、光束１が垂直方向にずれた場合について、個別に説明する。

まず、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、光束１００が回折素子２の中心を透過する場合について説明する。

この場合には、回折領域２１、回折領域２２、回折領域２３及び回折領域２４に入射する光束１００の光量は等しくなる。このため、回折光のスポット１１０、回折光のスポット１２０、回折光のスポット１３０及び回折光のスポット１４０の光量は等しくなる。

従って、信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤは、全て等しくなる。そのため、式（１）から導かれる垂直方向の変位信号Ｓｖはゼロとなる。信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤは、受光部３１，３２，３３，３４から出力される信号である。

図４（Ａ）では、各スポット１１０，１２０，１３０，１４０の大きさが異なっている。これは、回折領域２１，２２，２３，２４の不等間隔回折格子形状によるレンズ効果による。「不等間隔回折格子」とは、回折格子溝を不等間隔溝とする折格子である。不等間隔回折格子は、不等間隔溝回折格子又は不等間隔格子溝回折格子とも呼ばれる。

回折素子２は不等間隔回折格子形状によってレンズ効果を有している。このため、各回折領域２１，２２，２３，２４を透過した光は、それぞれの回折領域２１，２２，２３，２４における格子形状に依存して集光され又は発散される。そのため、それぞれの＋１次回折光１０の集光の度合い又は発散度合いに従って、受光素子３上に照射された＋１次回折光１０のスポット１１０，１２０，１３０，１４０の大きさは異なる。

光束１００が回折素子２の中心を透過した場合には、回折素子２上の４つの回折領域２１，２２，２３，２４に対して、均等な光量の光が入射している。このため、回折素子２を透過回折した後に、集光されたスポット１１０，１２０，１３０，１４０の大きさが異なっても、積分した光量は等しくなる。

次に、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、光束１０１ａが回折素子２の中心に対して上側を透過する場合について説明する。

この場合には、回折素子２の回折領域２１に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１１１ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１１０の光量よりも多くなる。従って、受光部３１全体の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＡは大きくなる。

同様に、回折素子２の回折領域２２に入射する光量も、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１２１ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１２０の光量よりも多くなる。従って、受光部３２の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＢは大きくなる。

一方、回折素子２の回折領域２３に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１３１ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１３０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３３の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＣは小さくなる。

同様に、回折素子２の回折領域２４に入射する光量も、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１４１ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１４０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３４全体の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＤは小さくなる。

以上より、平行光の光束１００が上方向に変位した場合には、式（１）から垂直方向の変位信号Ｓｖは大きくなる。光束１００が回折素子２の中心を透過する場合の変位信号Ｓｖがゼロの場合には、光束１００が上方向に変位した場合（光束１０１ａ）の変位信号Ｓｖの値は正の値となる。

最後に、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、光束１０１ｂが回折素子２の中心に対して下側を透過する場合について説明する。

この場合には、回折素子２の回折領域２１に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１１１ｂの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１１０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３１全体の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＡは小さくなる。

同様に、回折素子２の回折領域２２に入射する光量も、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１２１ｂの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１２０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３２の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＢは小さくなる。

一方、回折素子２の回折領域２３に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１３１ｂの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１３０の光量よりも多くなる。従って、受光部３３の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＣは大きくなる。

同様に、回折素子２の回折領域２４に入射する光量も、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１４１ｂの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１４０の光量よりも多くなる。従って、受光部３４全体の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＤは大きくなる。

以上より、平行光の光束１００が下方向に変位した場合には、式（１）から垂直方向の変位信号Ｓｖは小さくなる。光束１００が回折素子２の中心を透過する場合の変位信号Ｓｖがゼロの場合には、光束１００が下方向に変位した場合（光束１０１ｂ）の変位信号Ｓｖの値は負の値となる。

このようにして、光束１の垂直方向の変位情報を得ることができる。

＜光束１の変位信号の生成（水平方向）＞
光束１の水平方向（左右方向）の変位信号の生成方法を以下に説明する。

水平方向の変位信号Ｓｈは、垂直方向の変位信号Ｓｖと同様にして以下の式（２）で算出される。
Ｓｈ＝（ＳＡ＋ＳＣ）−（ＳＢ＋ＳＤ） ・・・（２）

式（２）で表される演算を信号処理回路６で行うことで、水平方向の変位信号Ｓｈが生成される。

図７（Ａ）及び図８（Ａ）は、光束１の変位に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。また、図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）は、回折素子２を透過する光束１の斜視図である。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心よりも左側を透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図７（Ｂ）では光束１０２ａとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図７（Ａ）では回折光のスポット１１２ａ，１２２ａ，１３２ａ，１４２ａとして示す。なお、実施の形態で示す「左側」とは、光束１（ここでは、光束１０２ａ）の進行方向に対して左側である。「左側」とは、回折領域２１，２３側である。また、「左側」とは、受光部３１，３３側である。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心よりも右側を透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図８（Ｂ）では光束１０２ｂとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図８（Ａ）では回折光のスポット１１２ｂ，１２２ｂ，１３２ｂ，１４２ｂとして示す。なお、実施の形態で示す「右側」とは、光束１（ここでは、光束１０２ａ）の進行方向に対して右側である。「右側」とは、回折領域２２，２４側である。また、「右側」とは、受光部３２，３４側である。

つまり、図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心よりも水平方向にずれて透過した場合を表わしている。

次に、光束１が水平方向にずれた場合について、個別に説明する。

まず、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、光束１０２ａが回折素子２の中心に対して左側を透過する場合について説明する。

この場合には、回折素子２の回折領域２１に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１１２ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１１０の光量よりも多くなる。従って、受光部３１全体の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＡは大きくなる。

一方、回折素子２の回折領域２２に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１２２ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１２０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３２の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＢは小さくなる。

また、回折素子２の回折領域２３に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１３２ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１３０の光量よりも多くなる。従って、受光部３３の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＣは大きくなる。

一方、回折素子２の回折領域２４に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１４２ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１４０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３４全体の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＤは小さくなる。

以上より、平行光の光束１００が左方向に変位した場合には、式（２）から水平方向の変位信号Ｓｈは大きくなる。光束１００が回折素子２の中心を透過する場合の変位信号Ｓｈがゼロの場合には、光束１００が左方向に変位した場合（光束１０２ａ）の変位信号Ｓｈの値は正の値となる。

次に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、光束１０２ｂが回折素子２の中心に対して右側を透過する場合について説明する。

この場合には、回折素子２の回折領域２１に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１１２ｂの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１１０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３１全体の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＡは小さくなる。

一方、回折素子２の回折領域２２に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１２２ｂの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１２０の光量よりも多くなる。従って、受光部３２の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＢは大きくなる。

また、回折素子２の回折領域２３に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１３２ｂの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１３０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３３の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＣは小さくなる。

一方、回折素子２の回折領域２４に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１４２ｂの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１４０の光量よりも多くなる。従って、受光部３４全体の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＤは大きくなる。

以上より、平行光の光束１００が右方向に変位した場合には、式（２）から水平方向の変位信号Ｓｈは小さくなる。光束１００が回折素子２の中心を透過する場合の変位信号Ｓｈがゼロの場合には、光束１００が右方向に変位した場合（光束１０２ｂ）の変位信号Ｓｈの値は負の値となる。

このようにして、光束１の水平方向の変位情報を得ることができる。

以上のように、検出装置９は、光束１の垂直方向の変位情報と光束１の水平方向の変位情報とを同時に取得する。つまり、検出装置９は、光束１の変位情報を２次元で得ることができる。

また、ＣＣＤと違い、４つの受光部３１，３２，３３，３４で光を受光するため、演算時間及び伝送時間を高速にできる。

また、ＰＳＤと違い、受光部３１，３２，３３，３４の大きさを小さくできる。このため、光を信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤに変換するための時間を高速にできる。

また、回折光１０の全体の光量の総和は、以下の式（３）で表される。
Ｓｓｕｍ＝（ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ） ・・・（３）

従って、式（３）で式（１）及び式（２）をそれぞれ除算することによって、回折光１０の全体光量の変動の影響を無視した変位信号が得られる。つまり、全体光量の変動の影響を抑えた変位信号が得られる。

この場合には、信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤの変化量が大きいほど検出誤差は小さくなる。つまり、回折領域２１，２２，２３，２４の間には、隙間が無い方が検出誤差は小さくなる。また、光束１の全てが回折領域２１，２２，２３，２４で回折される方が検出誤差は小さくなる。

また、式（１）及び式（２）から、光検出素子３の受光部３１，３２，３３，３４を水平方向に分割する水平分割線と、垂直方向に分割する垂直分割線とを直交させる方が、検出誤差を小さくできる。水平分割線は、受光部３１，３２と受光部３３，３４とを分割している線である。垂直分割線は、受光部３１，３３と受光部３２，３４とを分割している線である。

複数の回折領域２１，２２，２３，２４は、光束１が変位する方向に配置されている。光束１が変位した方向に配置された回折領域２１，２２，２３，２４の回折光１０の光量は増加する。光束１が変位した方向と反対の方向に配置された回折領域２１，２２，２３，２４の回折光１０の光量は減少する。

検出装置９は、光量が増加した回折光１０の光量と、光量が減少した回折光１０の光量とを比較することで、光束１の変位量または変位方向を判別する。

検出装置９は、各々の受光部３１，３２，３３，３４の受光量を基に、回折素子３に対する光束１の変位の方向を判別する。

検出装置９は、各々の受光部３１，３２，３３，３４の受光量を基に、回折素子３に対する光束１の変位量を判別する。

＜光束１の傾きと回折光の光検出素子３上の位置＞
次に、光束１の角度変化信号の生成方法を以下に説明する。

図９は、光束１の回折素子２への入射位置（入射高ｄ_０）と回折光の光検出素子３への入射位置（入射高ｄ_１）との関係を概略的に示す模式図である。

上述のように、回折素子２は、回折効果とともに、レンズ効果を有している。

回折素子２に入射した平行光の光束１は、回折素子２によって回折される。また、平行光の光束１は、回折素子２のレンズ効果によって、焦点距離ｆ_０で集光される。

図９では、回折素子２を焦点距離ｆ_０のレンズと考えて説明する。

回折光の光束１５１は、レンズの中心位置Ｃに入射する光束１の回折光である。レンズの中心位置Ｃは、レンズの光軸Ｃａ上に位置する。このため、回折光の光束１５１は、焦点距離ｆ_０の位置（焦点ｆｐ）に集光される。

光軸Ｃａは、光学結像系の中心を通る対称軸である。焦点ｆｐは、光軸Ｃａ上に定義される。

一方、回折光の光束１５２は、レンズの中心位置Ｃから高さｄ_０の位置に入射する光束１の回折光である。中心位置Ｃからの光束の高さを「入射高」という。回折光の光束１５２は、回折光の光束１５１と同様に、焦点距離ｆ_０の位置に集光される。

図９に示されるように、回折光の光束１５１，１５２は、理想的には、回折素子２の入射位置に依存せず、焦点距離ｆ_０の位置で一点に集光される。

回折素子２から光検出素子３までの距離を、例えば、距離ｆ_１とする。この場合において、入射高ｄ_１は、回折素子２の回折面上の入射高ｄ_０に対する光検出素子３上の高さである。つまり、入射高ｄ_０は、回折素子２上での回折光の光束１５２の高さである。また、入射高ｄ_１は、光検出素子３上での回折光の光束１５２の高さである。従って、入射高ｄ_１は、以下の式（４）で表される。
ｄ_１＝ｄ_０×（ｆ_０−ｆ_１）／ｆ_０ ・・・（４）

また、図１０は、光束１の回折素子２への入射角ｄｔ［ｒａｄ］と回折光の光検出素子３への入射位置（入射高ｄｔ_１）との関係を概略的に示す模式図である。

図９と同様に、図１０でも、回折素子２を焦点距離ｆ_０のレンズと考えて説明する。

回折光の光束１５１は、レンズの中心位置Ｃに入射する光束１の回折光である。つまり、回折光の光束１５１に対応する光束１の回折素子２への入射高は、ゼロである。これは、図９においても同様である。

また、回折光の光束１５１の中心光線は、回折素子２の光軸Ｃａ上にある。このため、回折光の光束１５１は、焦点距離ｆ_０の位置に集光される。

一方、回折光の光束１５３に対応する光束１は、回折光の光束１５１に対応する光束１に対して角度ｄｔだけ傾いて回折素子２に入射している。つまり、回折素子２を焦点距離ｆ_０のレンズを考えた場合において、回折光の光束１５３に対応する光束１は、回折素子２の光軸Ｃａに対して傾いている。

また、回折素子２に入射する際の回折光の光束１５３に対応する光束１の入射高は、ゼロである。このため、回折光の光束１５３は、回折光の光束１５１と同様に、焦点距離ｆ_０の位置に集光される。

図１０に示されるように、光軸Ｃａと回折光の光束１５３との角度は、光軸Ｃａと回折光の光束１５３に対応する光束１との角度に対して、回折素子２での回折によって変化しない。つまり、光軸Ｃａに対する回折光の光束１５３の角度と光軸Ｃａに対する回折光の光束１５３に対応する光束１の角度とは等しい。

また、回折光の光束１５１，１５３は、理想的には、回折素子２に入射する際の角度に依存せず、焦点距離ｆ_０の位置で集光される。回折光の光束１５３は、焦点距離ｆ_０の位置において、光軸Ｃａからの高さｄｔ_０の位置に集光される。高さｄｔ_０は、光軸Ｃａに対して角度ｄｔで傾いている光束１の焦点距離ｆ_０の位置での高さである。

集光位置での高さｄｔ_０は、以下の式（５）で表される。
ｄｔ_０＝ｆ_０×ｔａｎ（ｄｔ） ・・・（５）

高さｄｔ_１は、回折素子２の回折面上に入射する際の光軸Ｃａに対する光束１の角度ｄｔに対する光検出素子３上の高さである。高さｄｔ_１は、光軸Ｃａに対して角度ｄｔで傾いている光束１の光検出素子３上の高さである。従って、高さｄｔ_１は、以下の式（６）で表される。
ｄｔ_１＝ｆ_１×ｔａｎ（ｄｔ） ・・・（６）

一般的な角度検出装置は、距離ｆ_０と距離ｆ_１とを等しい（ｆ_１＝ｆ_０）とすることで、光検出素子３上での変位成分を無視して、角度成分のみを検出する構成となっている。つまり、一般的な角度検出装置は、距離ｆ_０と距離ｆ_１とを等しい（ｆ_１＝ｆ_０）としている。そして、一般的な角度検出装置は、光検出素子３上での変位成分を無視している。

例えば、図９では、距離ｆ_１を焦点距離ｆ_０に等しくすると、変位成分である入射高ｄ_１は０（ゼロ）になる。つまり、光線が回折素子２のどの位置に入射しても入射角が等しければ、光線は光検出素子３上では同じ位置に集光する。

また、図１０は、光束１５１，１５３が回折素子２上の同一の領域を通過する場合の図である。図１０では、前述のとおり、光束１が回折素子２のどの位置に入射しても、高さｄｔ_０の値は変わらない。

これに対し、本発明においては、光検出素子３の距離ｆ_１を、焦点距離ｆ_０とは別の値にすることで、以下で説明するように、高速で角度変化信号を検出できる。

＜光束１の角度変化信号の生成（垂直方向）＞
垂直方向の角度変化信号Ｓｓは、以下の式（７）で算出される。なお、図１０に示すように、回折素子２の回折格子面上における回折光の光束１５３に対応する光束１の変位はないものとする。つまり、回折光の光束１５３に対応する光束１は、回折素子２の中心位置Ｃを通る。
Ｓｓ＝（ＳＡ_１＋ＳＡ_２）−（ＳＡ_３＋ＳＡ_４） ・・・（７）

式（７）中の信号ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４は、上述した受光部３１の副受光部３１１，３１２，３１３，３１４での受光量に対応した信号である。これらの信号ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４を用いて、式（７）で表される演算を信号処理回路６で行う。これによって、光束１の垂直方向の角度信号Ｓｓが求められる。

図１１（Ａ）及び図１２（Ａ）は、光束１の角度変化に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。また、図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）は、回折素子２を透過する光束１の斜視図である。

図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心（中心位置Ｃ）を上向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図１１（Ｂ）では光束１０３ａとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図１１（Ａ）では回折光のスポット１１３ａ，１２３ａ，１３３ａ，１４３ａとして示す。

なお、実施の形態で示す「上向きに傾く」とは、光束１（ここでは、光束１０３ａ）が進むにつれて、垂直方向の上側の位置を通る場合である。

図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心（中心位置Ｃ）を下向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図１２（Ｂ）では光束１０３ｂとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図１２（Ａ）では回折光のスポット１１３ｂ，１２３ｂ，１３３ｂ，１４３ｂとして示す。

なお、実施の形態で示す「下向きに傾く」とは、光束１（ここでは、光束１０３ｂ）が進むにつれて、垂直方向の下側の位置を通る場合である。

つまり、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心（中心位置Ｃ）を垂直方向に傾いて透過した場合を表わしている。

次に、光束１が垂直方向に傾いた場合について、個別に説明する。

まず、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、光束１０３ａが回折素子２の中心を上向きに傾いて透過した場合について説明する。

この場合には、回折素子２の回折領域２１に入射した光束１０３ａに対応する回折光のスポット１１３ａの位置は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す傾きのない場合の回折光のスポット１１０の位置よりも上側に移動する。回折光のスポット１１３ａの回折光のスポット１１０に対する移動量は、式（６）で示されたように、平行光の光束１０３ａが回折素子２に入射する際の入射角ｄｔに依存する。

また、回折光のスポット１１３ａの光量は、回折光のスポット１１０の光量に等しい。

このため、副受光部３１１，３１２に入射する回折光のスポット１１３ａの光量は、角度変化がない場合（光束１００の場合）の回折光のスポット１１０の光量よりも多くなる。そのため、信号ＳＡ_１，ＳＡ_２は大きくなる。

一方、副受光部３１３，３１４に入射する回折光のスポット１１３ａの光量は、角度変化がない場合（光束１００の場合）の回折光のスポット１１０の光量よりも少なくなる。そのため、信号ＳＡ_３，ＳＡ_４は小さくなる。

以上より、平行光の光束１００が回折素子２の中心を上向きに傾いて透過した場合（光束１０３ａの場合）には、式（７）から垂直方向の角度信号Ｓｓは大きくなる。光束１００が回折素子２の中心を傾き無く透過する場合の角度信号Ｓｓがゼロの場合には、光束１００が上向きに傾いた場合（光束１０３ａ）の角度信号Ｓｓの値は正の値となる。

次に、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示すように、光束１０３ｂが回折素子２の中心を下向きに傾いて透過した場合について説明する。

この場合には、回折素子２の回折領域２１に入射した光束１０３ｂに対応する回折光のスポット１１３ｂの位置は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す傾きのない場合の回折光のスポット１１０の位置よりも下側に移動する。回折光のスポット１１３ｂの回折光のスポット１１０に対する移動量は、式（６）で示されたように、平行光の光束１０３ｂが回折素子２に入射する際の入射角ｄｔに依存する。

また、回折光のスポット１１３ｂの光量は、回折光のスポット１１０の光量に等しい。

このため、副受光部３１１，３１２に入射する回折光のスポット１１３ｂの光量は、角度変化がない場合（光束１００の場合）の回折光のスポット１１０の光量よりも少なくなる。そのため、信号ＳＡ_１，ＳＡ_２は小さくなる。

一方、副受光部３１３，３１４に入射する回折光のスポット１１３ｂの光量は、角度変化がない場合（光束１００の場合）の回折光のスポット１１０の光量よりも多くなる。そのため、信号ＳＡ_３，ＳＡ_４は大きくなる。

以上より、平行光の光束１００が回折素子２の中心を下向きに傾いて透過した場合（光束１０３ｂの場合）には、式（７）から垂直方向の角度信号Ｓｓは小さくなる。光束１００が回折素子２の中心を傾き無く透過する場合の角度信号Ｓｓがゼロの場合には、光束１００が下向きに傾いた場合（光束１０３ｂ）の角度信号Ｓｓの値は負の値となる。

＜光束１の角度変化信号の生成（水平方向）＞
また、水平方向の角度変化信号Ｓｐは、以下の式（８）で算出される。
Ｓｐ＝（ＳＡ_１＋ＳＡ_３）−（ＳＡ_２＋ＳＡ_４） ・・・（８）

信号ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４を用いて、式（８）で表される演算を信号処理回路６で行う。これによって、水平方向の角度信号Ｓｐが求められる。

図１３（Ａ）及び図１４（Ａ）は、光束１の角度変化に対する光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。また、図１３（Ｂ）及び図１４（Ｂ）は、回折素子２を透過する光束１の斜視図である。

図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心（中心位置Ｃ）を左向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図１３（Ｂ）では光束１０４ａとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図１３（Ａ）では回折光のスポット１１４ａ，１２４ａ，１３４ａ，１４４ａとして示す。

なお、実施の形態で示す「左向きに傾く」とは、光束１（ここでは、光束１０４ａ）が進むにつれて、水平方向の左側の位置を通る場合である。

図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心（中心位置Ｃ）を右向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図１４（Ｂ）では光束１０４ｂとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図１４（Ａ）では回折光のスポット１１４ｂ，１２４ｂ，１３４ｂ，１４４ｂとして示す。

なお、実施の形態で示す「右向きに傾く」とは、光束１（ここでは、光束１０４ｂ）が進むにつれて、水平方向の右側の位置を通る場合である。

つまり、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心（中心位置Ｃ）を水平方向に傾いて透過した場合を表わしている。

次に、光束１が水平方向に傾いた場合について、個別に説明する。

まず、図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示すように、光束１０４ａが回折素子２の中心を左向きに傾いて透過した場合について説明する。

この場合には、回折素子２の回折領域２１に入射した光束１０４ａに対応する回折光のスポット１１４ａの位置は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す傾きのない場合の回折光のスポット１１０の位置よりも左側に移動する。回折光のスポット１１４ａの回折光のスポット１１０に対する移動量は、式（６）で示されたように、平行光の光束１０４ａが回折素子２に入射する際の入射角ｄｔに依存する。

また、回折光のスポット１１４ａの光量は、回折光のスポット１１０の光量に等しい。

このため、副受光部３１１，３１３に入射する回折光のスポット１１４ａの光量は、角度変化がない場合（光束１００の場合）の回折光のスポット１１０の光量よりも多くなる。そのため、信号ＳＡ_１，ＳＡ_３は大きくなる。

一方、副受光部３１２，３１４に入射する回折光のスポット１１４ａの光量は、角度変化がない場合（光束１００の場合）の回折光のスポット１１０の光量よりも少なくなる。そのため、信号ＳＡ_２，ＳＡ_４は小さくなる。

以上より、平行光の光束１００が回折素子２の中心を左向きに傾いて透過した場合（光束１０４ａの場合）には、式（８）から水平方向の角度信号Ｓｐは大きくなる。光束１００が回折素子２の中心を傾き無く透過する場合の角度信号Ｓｐがゼロの場合には、光束１００が左向きに傾いた場合（光束１０４ａ）の角度信号Ｓｐの値は正の値となる。

次に、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示すように、光束１０４ｂが回折素子２の中心を右向きに傾いて透過した場合について説明する。

この場合には、回折素子２の回折領域２１に入射した光束１０４ｂに対応する回折光のスポット１１４ｂの位置は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す傾きのない場合の回折光のスポット１１０の位置よりも右側に移動する。回折光のスポット１１４ｂの回折光のスポット１１０に対する移動量は、式（６）で示されたように、平行光の光束１０４ｂが回折素子２に入射する際の入射角ｄｔに依存する。

また、回折光のスポット１１４ｂの光量は、回折光のスポット１１０の光量に等しい。

このため、副受光部３１１，３１３に入射する回折光のスポット１１４ｂの光量は、角度変化がない場合（光束１００の場合）の回折光のスポット１１０の光量よりも少なくなる。そのため、信号ＳＡ_１，ＳＡ_３は小さくなる。

一方、副受光部３１２，３１４に入射する回折光のスポット１１４ｂの光量は、角度変化がない場合（光束１００の場合）の回折光のスポット１１０の光量よりも多くなる。そのため、信号ＳＡ_２，ＳＡ_４は大きくなる。

以上より、平行光の光束１００が回折素子２の中心を右向きに傾いて透過した場合（光束１０４ｂの場合）には、式（８）から水平方向の角度信号Ｓｐは小さくなる。光束１００が回折素子２の中心を傾き無く透過する場合の角度信号Ｓｐがゼロの場合には、光束１００が右向きに傾いた場合（光束１０４ｂ）の角度信号Ｓｐの値は負の値となる。

以上のように、検出装置９は、垂直方向の角度変化信号Ｓｓと水平方向の角度変化信号Ｓｐとを同時に取得する。つまり、検出装置９は、平行光の光束１の角度変化情報を２次元で得ることができる。

また、ＣＣＤと違い、４つの副受光部３１１，３１２，３１３，３１４で光を受光するため、演算時間又は伝送時間を高速にできる。

また、ＰＳＤと違い、副受光部３１１，３１２，３１３，３１４の大きさを小さくできる。このため、光を信号ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４に変換するための時間を高速にできる。

この場合に、式（７）を式（１ａ）で除算することにより、全体光量の変動の影響を無視した角度変化信号が得られる。また、式（８）を式（１ａ）で除算することにより、全体光量の変動の影響を無視した角度変化信号が得られる。つまり、全体光量の変動の影響を抑えた角度変化信号が得られる。

また、角度変化の情報の式（７）は、変位の情報の式（４）と同様の式である。しかし、変位情報の取得には、回折素子２によって光束１を分割する。これに対して、角度変化情報の取得には、光検出素子３の受光面上における受光領域（副受光部）によって回折光のスポットを分割する。

つまり、光検出素子３は、複数の回折光１０の光量を基に回折素子３に対する光束１の変位を判別する。また、光検出素子３は、１つの前記領域に対応する回折光１０の光量を分割して、回折素子３に対する光束１の角度変化を判別する。

そのため、変位情報と同様の理由で、副受光部３１１，３１２，３１３，３１４の間には、隙間が無い方が検出誤差は小さくなる。

受光部３１の副受光部３１１，３１２，３１３，３１４を水平方向に分割する水平分割線と、垂直方向に分割する垂直分割線とを直交させる方が、検出誤差を小さくできる。水平分割線は、副受光部３１１，３１２と副受光部３１３，３１４とを分割している線である。垂直分割線は、副受光部３１１，３１３と副受光部３１２，３１４とを分割している線である。

この場合において、光検出素子３上の水平分割線は、回折素子２上の水平分割線に対して、必ずしも平行である必要はなく、傾斜する関係にあっても良い。また、光検出素子３上の垂直分割線は、回折素子２上の垂直分割線に対して、必ずしも平行である必要はなく、傾斜する関係にあっても良い。

検出装置９は、各々の副受光部３１１，３１２，３１３，３１４の受光量を基に回折素子３に対する光束１の角度変化の方向を判別する。

検出装置９は、各々の副受光部３１１，３１２，３１３，３１４の受光量を基に回折素子３に対する光束１の角度変化量を判別する。

複数の副受光部３１１，３１２，３１３，３１４は、光束１が回折素子２に対して傾いた際に、副受光部３１１，３１２，３１３，３１４を含む受光部３１上を回折光１０が変位する方向に配置されている。そして、回折光１０が変位した方向に配置された副受光部３１１，３１２，３１３，３１４の受光量は増加する。一方、回折光１０が変位した方向と反対の方向に配置された副受光部３１１，３１２，３１３，３１４の受光量は減少する。

検出装置９は、光量が増加した回折光１０の光量と、光量が減少した回折光１０の光量とを比較することで、光束１の角度変化量または角度変化の方向を判別する。

＜光束１の平行度信号の生成＞
次に、光束の平行度信号Ｓｃの生成方法を以下に説明する。

まず、平行度信号Ｓｃの生成方法として、一般的な非点収差法に関して説明する。

回折領域２４は、母線方向を有する。回折領域２４は、母線方向に集光効果を有する。また、回折領域２４は、母線方向に垂直な方向に集光効果を有する。そして、母線方向に垂直な方向の焦点距離は、母線方向の焦点距離と異なる。つまり、回折領域２４は、母線方向と母線方向に垂直な方向とに集光効果を有する。回折領域２４は、例えば、母線方向よりも、母線方向と垂直な方向に強い集光効果を有する。

つまり、回折領域２４は、母線方向と垂直な方向に非点収差を有する。回折領域２４を透過した光束１の回折光の集光位置は、母線を含み光束１の光軸に平行な平面上と、母線に垂直で光束１の光軸に平行な平面上とで異なる。

上述の説明では、回折領域２４は、回折の機能を有している。それに加えて、回折領域２４は、母線方向に集光の機能を有している。例えば、母線方向の焦点距離はｆ_２である。また、回折領域２４は、母線方向に垂直な方向に集光の機能を有している。例えば、母線方向に垂直な方向の焦点距離はｆ_３である。焦点距離ｆ_２は、焦点距離ｆ_３と異なる長さである。そのため、回折領域２４は、非線形な回折格子パターンを有している。

回折領域２１，２２，２３，２４の内、他の回折領域２１，２２，２３，２４と同一の集光効果を持つ方向を母線方向とする。そして、回折領域２１，２２，２３，２４は、この母線方向と垂直な方向に更に強い集光効果を有する。つまり、回折領域２１，２２，２３，２４の強い集光効果を有する軸に対して垂直な方向は、他の回折領域２１，２２，２３，２４と同一の集光効果を持つ。

ここでは、回折領域２１の中心と回折領域２４の中心とを結ぶ方向を母線に垂直な方向とする。つまり、回折領域２１，２４の母線は、回折領域２１の中心と回折領域２４の中心とを結ぶ線分に対して垂直である。

そして、回折素子２上の回折領域２４の母線の方向は、他の回折領域２１，２２，２３の集光効果を持つ方向と同一方向である。

回折素子２に入射する光束１が平行光である場合に、光検出素子３上における母線方向の像高と、その母線に垂直な方向の像高とが、互いに等しくなるように、回折領域２４の回折格子パターンを設計する。つまり、母線方向の焦点距離ｆ_２及び母線方向に垂直な方向の焦点距離ｆ_３を設定する。これによって、光束１が平行光である場合には、回折光のスポット１４は、光検出素子３上で円形状となる。

すなわち、次のよう各値を設定すれば良い。焦点距離ｆ_２は、距離ｆ_１より大きい。そして、焦点距離ｆ_３は、距離ｆ_１より小さい。つまり、焦点距離ｆ_２は距離ｆ_１より大きく、焦点距離ｆ_３は距離ｆ_１より小さい。または、焦点距離ｆ_３は、距離ｆ_１より大きい。そして、焦点距離ｆ_２は、距離ｆ_１よりも小さい。つまり、焦点距離ｆ_３は距離ｆ_１より大きく、焦点距離ｆ_２は距離ｆ_１よりも小さい。

また、この場合には、光束１の平行度に応じて、回折光のスポット１４の形状が歪んで楕円形状となる。

従って、回折素子２の４つの回折領域２１，２２，２３，２４に対して、平行光の光束１が、回折素子２の中心位置を、回折素子２に対して垂直に透過する場合には、受光部３４の副受光部３４１，３４２，３４３，３４４での受光量は等しい。つまり、これらの副受光部３４１，３４２，３４３，３４４から出力される信号ＳＤ_１，ＳＤ_２，ＳＤ_３，ＳＤ_４は、全て等しくなる。

平行度信号Ｓｃは、以下の式（９）で算出される。なお、回折素子２の回折格子の面上における光束１の変位及び角度変化はないものとする。
Ｓｃ＝（ＳＤ_２＋ＳＤ_３）−（ＳＤ_１＋ＳＤ_４） ・・・（９）

式（９）中の信号ＳＤ_１，ＳＤ_２，ＳＤ_３，ＳＤ_４は、上述した受光部３４の副受光部３４１，３４２，３４３，３４４での受光量に対応した信号である。これらの信号ＳＤ_１，ＳＤ_２，ＳＤ_３，ＳＤ_４を用いて、式（９）で表される演算を信号処理回路６で行う。これによって、平行度信号Ｓｃが求められる。

図１５（Ａ）及び図１６（Ａ）は、光束１の平行度の変化に対すると光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。また、図１５（Ｂ）及び図１６（Ｂ）は、回折素子２を透過する光束１の斜視図である。

図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心を光束径が大きくなりながら透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図１５（Ｂ）では光束１０５ａとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図１５（Ａ）では回折光のスポット１１５ａ，１２５ａ，１３５ａ，１４５ａとして示す。

なお、実施の形態で示す「光束径が大きくなる」とは、光束１（ここでは、光束１０５ａ）が進むにつれて、光束径が大きくなる場合である。

図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）では、光束１が回折素子２の中心を光束径が小さくなりながら透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図１６（Ｂ）では光束１０５ｂとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図１６（Ａ）では回折光のスポット１１５ｂ，１２５ｂ，１３５ｂ，１４５ｂとして示す。

なお、実施の形態で示す「光束径が小さくなる」とは、光束１（ここでは、光束１０５ｂ）が進むにつれて、光束径が小さくなる場合である。

つまり、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）、図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）では、平行光でない光束１が回折素子２の中心を透過した場合を表わしている。つまり、光の進行方向で、光束径が変化する光束１が、回折素子２の中心を透過した場合を表わしている。ここで、光束径の変化は、光束径が大きくなるように変化する場合と、光束径が小さくなるように変化する場合とである。なお、光束１の中心光線は、回折素子２に対して垂直である。

次に、光束１の光束径が光軸方向で変化した場合について、個別に説明する。

上述のように、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、信号ＳＤ_１，ＳＤ_２，ＳＤ_３，ＳＤ_４は、全て等しい。このため、式（９）から導かれる平行度信号Ｓｃはゼロとなる。

次に、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示すように、光束１０５ａの光束径が光の進行方向で大きくなる場合について説明する。例えば、「平行光」に対して、この場合の光束１０５ａを「発散光」とよぶ。

この場合には、回折素子２の回折領域２４に入射する光束１０５ｂに対応する回折光のスポット１４５ａの形状は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す平行光束１００の回折光のスポット１４０の形状に対して、副受光部３４２の中心と副受光部３４３の中心とを結ぶ方向に延びた楕円形状となる。これは、副受光部３４２の中心と副受光部３４３の中心とを結ぶ方向が、回折領域２４の母線と平行であるからである。

このため、副受光部３４２，３４３に入射する回折光のスポット１４５ａの光量は、平行光の光束１００の場合の回折光のスポット１４０の光量よりも多くなる。このため、信号ＳＤ_２及びＳＤ_３は信号が大きくなる。

一方、副受光部３４１，３４４に入射する回折光のスポット１４５ａの光量は、平行光の光束１００場合の回折光のスポット１４０の光量よりも少なくなる。このため、信号ＳＤ_１及びＳＤ_４は信号が小さくなる。

以上より、発散光の光束１０５ａが回折素子２の中心を透過した場合には、式（９）から平行度信号Ｓｃは大きくなる。平行光の光束１００が回折素子２の中心を透過する場合の平行度信号Ｓｃがゼロの場合には、発散光の光束１０５ａが回折素子２の中心を透過する場合の平行度信号Ｓｐの値は正の値となる。

最後に、図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に示すように、光束１０５ｂの光束径が光の進行方向で小さくなる場合について説明する。例えば、「平行光」に対して、この場合の光束１０５ｂを「収束光」とよぶ。

この場合には、回折素子２の回折領域２４に入射する光束１０５ｂに対応する回折光のスポット１４５ｂの形状は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す平行光束１００の回折光のスポット１４０の形状に対して、副受光部３４１の中心と副受光部３４４の中心とを結ぶ方向に延びた楕円形状となる。これは、副受光部３４２の中心と副受光部３４３の中心とを結ぶ方向が、回折領域２４の母線と平行であるからである。

このため、副受光部３４１，３４４に入射する回折光のスポット１４５ｂの光量は、平行光の光束１００の場合の回折光のスポット１４０の光量よりも多くなる。このため、信号ＳＤ_１及びＳＤ_４は信号が大きくなる。

一方、副受光部３４２，３４３に入射する回折光のスポット１４５ｂの光量は、平行光の光束１００場合の回折光のスポット１４０の光量よりも少なくなる。このため、信号ＳＤ_２及びＳＤ_３は信号が小さくなる。

以上より、収束光の光束１０５ｂが回折素子２の中心を透過した場合には、式（９）から平行度信号Ｓｃは小さくなる。平行光の光束１００が回折素子２の中心を透過する場合の平行度信号Ｓｃがゼロの場合には、収束光の光束１０５ｂが回折素子２の中心を透過する場合の平行度信号Ｓｐの値は負の値となる。

以上のように、検出装置９は、光束１の平行度の情報（平行度信号Ｓｃ）を得ることができる。

この場合に、式（１ｂ）で式（９）を除算することによって、全体光量の変動の影響を無視した平行度信号が得られる。つまり、全体光量の変動の影響を抑えた変位信号が得られる。

また、平行度の情報の式（９）は、角度変化の情報の式（７）と同様に、副受光部の信号を用いた式である。つまり、変位情報の取得には、回折素子２によって平行光の光束１を分割する。これに対して、角度変化の情報の取得及び平行度の情報の取得には、光検出素子３の受光面上における受光領域（副受光部）によって回折光のスポットを分割する。

そのため、変位情報と同様の理由で、副受光部３４１，３４２，３４３，３４４の間には、隙間が小さい方が検出誤差は小さくなる。これは、角度変化の情報の場合と同様である。

受光部３４の副受光部３４１，３４２，３４３，３４４を水平方向に分割する水平分割線と、垂直方向に分割する垂直分割線とを直交させる方が、検出誤差を小さくできる。水平分割線は、副受光部３４１，３４２と副受光部３４３，３４４とを分割している線である。垂直分割線は、副受光部３４１，３４３と副受光部３４２，３４４とを分割している線である。

検出装置９は、集光された回折光１０の非点収差の形状を基に光束１が発散光であるか、収束光であるかを判別する。

光検出素子３は、集光された回折光１０を受光する受光部３４を分割した複数の副受光部３４１，３４２，３４３，３４４を備えている。

検出装置９は、各々の副受光部３４１，３４２，３４３，３４４の受光量を基に、光束１が発散光であるか、収束光であるかを判別する。

以上では、非点収差法に関して述べた。しかし、これに限定されず、例えば、フーコー法又はスポットサイズ法などを用いても良い。例えば、スポットサイズ法の場合には、受光部３４上のスポット径の大きさで判別する。これらの場合には、回折素子２上の回折領域３４の回折格子パターンと、光検出素子３上の受光部３４の副受光部３４１，３４２，３４３，３４４の設計を、それぞれの方式に対応して設計する必要がある。

ここで、変位の情報、角度変化の情報及び平行度の情報を同時に取得する場合には、注意が必要である。

例えば、回折光のスポット１４０が副受光部３４１に偏るような光束１の変位又は角度変化である場合には、式（９）から分かるように、光束１００が平行光であっても平行度信号Ｓｃはゼロとならず、誤った値が得られてしまう。

そのため、変位及び角度変化に加えて、平行度を同時に検出することは難しい。平行度の検出においては、光束１００が平行光の場合に、光束１００の変位及び角度変化が中心に調整されていることが必要である。つまり、光束１００は、回折素子２の中心に、垂直に入射する。

ただし、変位、角度及び平行度を制御できる手段を有し、変位、角度及び平行度を所定の一定状態に制御する目的があるのであれば、この構成で実現することができる。

光束１００の変位、角度変化及び平行度の検出において、光束１００が回折素子２の中心を透過し、かつ、光束１００が回折素子２に対して垂直に入射するほど、各検出値が互いに影響を及ぼす程度は小さくり、誤差成分は収束する。つまり、光束１００が回折素子２の中心領域を透過し、かつ、光束１００が回折素子２に対して垂直に入射するように制御されている場合には、各検出値の誤差成分は小さくなる。

光束１００の変位、角度変化または平行度の検出は、他の変化の影響を受ける。例えば、角度変化の検出は、変位量の影響を受ける。

そのため、例えば、各々の受光部３１，３２，３３，３４の受光量を基に判別された回折素子３に対する光束１の変位量が特定の値または特定の範囲となるように制御された状態で、角度変化の方向を判別する。ここで、「特定の値」とは、光束１の変位量と対応の取れた値のことである。また、「特定の範囲」とは、光束１の変位量と対応の取れた範囲のことである。

＜光束１の変位信号及び角度変化信号の生成＞
以下で説明するように、角度変化は変位と同時に検出することができる。

図１７は、受光素子３の構成を示す模式図である。

この場合には、図１７に示すように、副受光部３４１，３４２，３４３，３４４を省略することができる。副受光部３４１，３４２，３４３，３４４は、平行度を検出する場合に用いる受光部である。なお、図１８及び図１９では、副受光部３４１，３４２，３４３，３４４を表わしている。

図１８（Ａ）及び図１９（Ａ）は、光束１の変位及び角度変化に対すると光検出素子３上に形成された回折光のスポット１１，１２，１３，１４の挙動を概略的に示す図である。また、図１８（Ｂ）及び図１９（Ｂ）は、回折素子２を透過する光束１の斜視図である。

ここでは、一例として、垂直方向の変位及び垂直方向の角度変化の場合について説明する。

上述のように、平行光の光束１の変位の情報は、回折素子２上の４つの回折領域２１，２２，２３，２４に対する光束１の入射位置の変位が光検出素子３に現れることを利用している。

図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）では、光束１の入射位置が回折素子２の中心から上方向に変位し、且つ、光束１が上向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図１８（Ｂ）では光束１０６ａとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図１８（Ａ）では回折光のスポット１１６ａ，１２６ａ，１３６ａ，１４６ａとして示す。

図２９（Ａ）及び図２９（Ｂ）では、光束１の入射位置が回折素子２の中心から下方向に変位し、且つ、光束１が上向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図２９（Ｂ）では光束１０６ｃとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図２９（Ａ）では回折光のスポット１１６ｃ，１２６ｃ，１３６ｃ，１４６ｃとして示す。

図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）では、光束１の入射位置が回折素子２の中心から下方向に変位し、且つ、光束１が下向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図１９（Ｂ）では光束１０６ｂとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図１９（Ａ）では回折光のスポット１１６ｂ，１２６ｂ，１３６ｂ，１４６ｂとして示す。

図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）では、光束１の入射位置が回折素子２の中心から上方向に変位し、且つ、光束１が下向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束１を、図３０（Ｂ）では光束１０６ｄとして示す。また、図３で示した回折光のスポット１１，１２，１３，１４を図３０（Ａ）では回折光のスポット１１６ｄ，１２６ｄ，１３６ｄ，１４６ｄとして示す。

つまり、図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、図２９（Ａ）及び図２９（Ｂ）では、光束１が上向きに傾いて、回折素子２の垂直方向に変位した場合を表わしている。また、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）、図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）では、光束１が下向きに傾いて、回折素子２の垂直方向に変位した場合を表わしている。

図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）、図２９（Ａ）、図２９（Ｂ）、図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）では、光束１が、回折素子２に対して、垂直方向の傾きが変化した場合と垂直方向に変位した場合とが複合された場合を表わしている。

光束１が垂直方向に変位した場合について、個別に説明する。

まず、図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）に示すように、光束１０６ａが上向きに傾いて回折素子２の中心に対して上側を透過した場合について説明する。

この場合には、回折光のスポット１１６ａ，１２６ａは、変位がない場合の回折光のスポット１１０，１２０に対して垂直方向で上方向に伸びた形状となる。つまり、回折光のスポット１１６ａ，１２６ａは、回折光のスポット１１０，１２０の上側の部分が上方向に伸びた形状をしている。回折光のスポット１１６ａ，１２６ａは、図５（Ａ）に示す回折光のスポット１１１ａ，１２１ａの全体が上方向に移動した形状をしている。

一方、回折光のスポット１３６ａ，１４６ａは、変位がない場合の回折光ビームの１３０，１４０に対して垂直方向で上方向に縮んだ形状となる。つまり、回折光のスポット１３６ａ，１４６ａは、回折光のスポット１３０，１４０の下側の部分が上方向に縮んだ形状をしている。回折光のスポット１３６ａ，１４６ａは、図５（Ａ）に示す回折光のスポット１３１ａ，１４１ａの全体が上方向に移動した形状をしている。

回折光のスポット１１６ａ，１２６ａ，１３６ａ，１４６ａは、図５（Ａ）に示す光束１０１ａの回折光のスポット１１１ａ，１２１ａ，１３１ａ，１４１ａとそれぞれ同様の形状である。光束１０１ａは、傾きがなく上方向に変位した場合の光束である。

回折素子２の回折領域２１に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１１６ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１１０の光量よりも多くなる。従って、受光部３１全体の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＡは大きくなる。

同様に、回折素子２の回折領域２２に入射する光量も、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１２６ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１２０の光量よりも多くなる。従って、受光部３２の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＢは大きくなる。

一方、回折素子２の回折領域２３に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１３６ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１３０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３３の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＣは小さくなる。

同様に、回折素子２の回折領域２４に入射する光量も、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１４６ａの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１４０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３４全体の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＤは小さくなる。

以上より、平行光の光束１００が上方向に変位した場合には、式（１）から垂直方向の変位信号Ｓｖは大きくなる。光束１００が回折素子２の中心を透過する場合の変位信号Ｓｖがゼロの場合には、光束１００が上方向に変位した場合（光束１０６ａ）の変位信号Ｓｖの値は正の値となる。

ここで、光束１０６ａの変位量が光束１０１ａの変位量と同じ場合には、回折光のスポット１１６ａ，１２６ａ，１３６ａ，１４６ａは、回折光のスポット１１１ａ，１２１ａ，１３１ａ，１４１ａと同じ形状となる。このため、光束１０６ａの信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤは、光束１０１ａの信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤと等しくなる。従って、光束１０６ａの変位信号Ｓｖは、光束１０１ａの変位信号Ｓｖと同じ値となる。

すなわち、式（１）に示す垂直方向の変位信号Ｓｖは、角度変化により回折光のスポット１１６ａが光検出素子３上で上方向に変位することの影響を受けない。従って、垂直方向の変位信号Ｓｖは角度変化に依存せず算出できる。なお、回折光のスポット１１６ａ，１２６ａ，１３６ａ，１４６ａがそれぞれ受光部３１，３２，３３，３４からはみ出さないことを前提としている。

次に、図２９（Ａ）及び図２９（Ｂ）に示すように、光束１０６ｃが上向きに傾いて回折素子２の中心に対して下側を透過する場合について説明する。

この場合には、回折光のスポット１１６ｃ，１２６ｃは、変位がない場合の回折光ビームの１１０，１２０に対して垂直方向で下方向に縮んだ形状となる。つまり、回折光のスポット１１６ｃ，１２６ｃは、回折光のスポット１１０，１２０の上側の部分が下方向に縮んだ形状をしている。回折光のスポット１１６ｃ，１２６ｃは、図６（Ａ）に示す回折光のスポット１１１ｂ，１２１ｂの全体が上方向に移動した形状をしている。

一方、回折光のスポット１３６ｃ，１４６ｃは、変位がない場合の回折光ビームの１３０，１４０に対して垂直方向で下方向に伸びた形状となる。つまり、回折光のスポット１３６ｃ，１４６ｃは、回折光のスポット１３０，１４０の下側の部分が下方向に伸びた形状をしている。回折光のスポット１３６ｃ，１４６ｃは、図６（Ａ）に示す回折光のスポット１３１ｂ，１４１ｂの全体が上方向に移動した形状をしている。

回折光のスポット１１６ｃ，１２６ｃ，１３６ｃ，１４６ｃは、図６（Ａ）に示す光束１０１ｂの回折光のスポット１１１ｂ，１２１ｂ，１３１ｂ，１４１ｂとそれぞれ同様の形状である。光束１０１ｂは、傾きがなく下方向に変位した場合の光束である。

回折素子２の回折領域２１に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１１６ｃの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１１０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３１全体の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＡは小さくなる。

同様に、回折素子２の回折領域２２に入射する光量も、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット１２６ｃの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１２０の光量よりも少なくなる。従って、受光部３２の受光量は少なくなる。そのため、信号ＳＢは小さくなる。

一方、回折素子２の回折領域２３に入射する光量は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１３６ｃの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１３０の光量よりも多くなる。従って、受光部３３の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＣは大きくなる。

同様に、回折素子２の回折領域２４に入射する光量も、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す変位のない場合の光束１００の場合より多くなる。このため、回折光のスポット１４６ｃの光量は、変位がない場合の回折光のスポット１４０の光量よりも多くなる。従って、受光部３４全体の受光量は多くなる。そのため、信号ＳＤは大きくなる。

以上より、平行光の光束１００が下方向に変位した場合には、式（１）から垂直方向の変位信号Ｓｖは小さくなる。光束１００が回折素子２の中心を透過する場合の変位信号Ｓｖがゼロの場合には、光束１００が下方向に変位した場合（光束１０６ｃ）の変位信号Ｓｖの値は負の値となる。

ここで、光束１０６ｃの変位量が光束１０１ｂの変位量と同じ場合には、回折光のスポット１１６ｃ，１２６ｃ，１３６ｃ，１４６ｃは、回折光のスポット１１１ｂ，１２１ｂ，１３１ｂ，１４１ｂと同じ形状となる。このため、光束１０６ｃの信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤは、光束１０１ｂの信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤと等しくなる。従って、光束１０６ｃの変位信号Ｓｖは、光束１０１ｂの変位信号Ｓｖと同じ値となる。

すなわち、式（１）に示す垂直方向の変位信号Ｓｖは、角度変化により回折光のスポット１１６ｃが光検出素子３上で上方向に変位することの影響を受けない。従って、垂直方向の変位信号Ｓｖは角度変化に依存せず算出できる。なお、回折光のスポット１１６ｂ，１２６ｂ，１３６ｂ，１４６ｂがそれぞれ受光部３１，３２，３３，３４からはみ出さないことを前提としている。

次に、図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示すように、光束１０６ｂが回折素子２を下向きに傾いて回折素子２の中心に対して下側を透過した場合について説明する。

次に、光束１が下向きに傾いた場合について説明する。

上述の角度変化信号の生成と同様に、回折素子２の回折領域２１に入射する光束１の回折光のスポット１１６ｂの位置は、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示す傾きがなく下方向に変位した場合の回折光のスポット１１１ｂの位置よりも下側に移動する。回折光のスポット１１６ｂの回折光のスポット１１１ｂに対する移動量は、式（６）で示されたように、平行光の光束１１６ｂが回折素子２に入射する際の入射角ｄｔに依存する。

このため、副受光部３１１，３１２に入射する回折光のスポット１１６ｂの光量は、角度変化がない（傾きがない）場合の回折光のスポット１１１ｂの光量よりも少なくなる。そのため、信号ＳＡ_１，ＳＡ_２は小さくなる。

一方、副受光部３１３，３１４に入射する回折光のスポット１１６ｂの光量は、角度変化がない（傾きがない）場合の回折光のスポット１１１ｂの光量よりも多くなる。そのため、信号ＳＡ_３，ＳＡ_４は大きくなる。

変位信号Ｓｖと異なり、角度信号Ｓｓは光束１の変位の影響を受ける。

そして、角度信号Ｓｓは、下記に示す式（１０）、式（１０ａ）及び式（１０ｂ）で算出される。
Ｓｓ＝（ＳＡ_１ａ＋ＳＡ_２ａ）−（ＳＡ_３’＋ＳＡ_４’） ・・・（１０）
ＳＡ_３’＝ＳＡ_３ａ＋ＳＡ_３ｂ ・・・（１０ａ）
ＳＡ_４’＝ＳＡ_４ａ＋ＳＡ_４ｂ ・・・（１０ｂ）

式（１０）、式（１０ａ）及び式（１０ｂ）中、信号ＳＡ_１ａ，ＳＡ_２ａ，ＳＡ_３ａ，ＳＡ_４ａは、平行光の光束１０６ａの角度変化による信号ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４の変化分を示し、信号ＳＡ_３ｂ，ＳＡ_４ｂは、光束１０６ａの変位による信号ＳＡ_３，ＳＡ_４の変化分を示す。

従って、垂直方向の角度変化の情報のみを示す角度信号Ｓｓ’を求める式は、下記式（１１）となる。
Ｓｓ’＝（ＳＡ_１ａ＋ＳＡ_２ａ）−（ＳＡ_３ａ＋ＳＡ_４ａ） ・・・（１１）

ここで、光束１０６ａの垂直方向の変位信号Ｓｖを用い、信号ＳＡ_３ｂ及び信号ＳＡ_４ｂは、それぞれ以下の式（１２ａ）及び式（１２ｂ）で算出される。
ＳＡ_３ｂ＝ｋ_３×Ｓｖ ・・・（１２ａ）
ＳＡ_４ｂ＝ｋ_４×Ｓｖ ・・・（１２ｂ）

式（１２ａ）及び式（１２ｂ）中、係数ｋ_３及び係数ｋ_４は変位信号に対する受光量の係数である。係数ｋ_３及び係数ｋ_４は、検出装置９の構成を設計することで定められる固定値である。

上述のように、垂直方向の変位信号Ｓｖは、角度変化に依存せず別途算出される。

このため、式（１０）、式（１０ａ）、式（１０ｂ）、式（１１）、式（１２ａ）及び式（１２ｂ）から、以下の式（１３）が導かれる。角度信号Ｓｓ’は、垂直方向の角度情報のみを示す。
Ｓｓ’＝Ｓｓ＋（ｋ_３＋ｋ_４）×Ｓｖ ・・・（１３）

式（１３）において、（ｋ_３＋ｋ_４）は設計値である。このため、角度信号Ｓｓ’は、垂直方向の角度信号Ｓｓと垂直方向の変位信号Ｓｖとによって導かれる。

また、変位信号Ｓｖが既知の場合には、式（１３）より、角度信号Ｓｓ’の変化量は、角度信号Ｓｓの変化量に等しくなる。従って、変位信号Ｓｖが特定の値（または特定の範囲）となるように制御されている条件下で、光束１００の傾きがないときの角度信号Ｓｖがゼロの場合には、光束１００が上方向に傾いた場合（光束１０６ｂ）の変位信号Ｓｖの値は正の値となる。

次に、図３０（Ａ）及び図３０（Ｂ）に示すように、光束１０６ｄが下向きに傾いて回折素子２の中心に対して上側を透過する場合について説明する。

上述の角度変化信号の生成と同様に、スポット１１６ｄの位置は、図５（Ａ）に示すスポット１１１ａの位置よりも下側に移動する。スポット１１６ｄは、回折素子２の回折領域２１に入射した光束１の回折光である。スポット１１１ａは、傾きがなく上方向に変位した場合の回折光のスポットである。回折光のスポット１１６ｄの回折光のスポット１１１ａに対する移動量は、式（６）で示されたように、平行光の光束１１６ｄが回折素子２に入射する際の入射角ｄｔに依存する。

このため、副受光部３１１，３１２に入射する回折光のスポット１１６ｄの光量は、傾きがない場合の回折光のスポット１１１ａの光量よりも少なくなる。そのため、信号ＳＡ_１，ＳＡ_２は小さくなる。

一方、副受光部３１３，３１４に入射する回折光のスポット１１６ｂの光量は、傾きがない場合の回折光のスポット１１１ａの光量よりも多くなる。そのため、信号ＳＡ_３，ＳＡ_４は大きくなる。

回折格子２を上向きに傾いて透過した光束１０６ｂの場合と同様に、式（１３）から角度信号Ｓｓ’が得られる。角度信号Ｓｓ’は、垂直方向の角度情報である。

また、変位信号Ｓｖが既知の場合には、式（１３）より、角度信号Ｓｓ’の変化量は、角度信号Ｓｓの変化量に等しくなる。従って、変位信号Ｓｖが特定の値（または特定の範囲）となるように制御されている条件下で、光束１００の傾きがないときの角度信号Ｓｖがゼロの場合には、光束１００が下方向に傾いた場合（光束１０６ｄ）の変位信号Ｓｖの値は負の値となる。

以上により、変位情報及び角度情報を同時に取得することができる。

また、水平方向の角度信号Ｓｐは、下記に示す式（１４）、式（１４ａ）及び式（１４ｂ）で算出される。
Ｓｐ＝（ＳＡ_１ａ＋ＳＡ_３ａ）−（ＳＡ_２’＋ＳＡ_４’） ・・（１４）
ＳＡ_２’＝ＳＡ_２ａ＋ＳＡ_２ｃ ・・・・・・・・・・・・・（１４ａ）
ＳＡ_４’＝ＳＡ_４ａ＋ＳＡ_４ｃ ・・・・・・・・・・・・・（１４ｂ）

式（１４）、式（１４ａ）及び式（１４ｂ）中、信号ＳＡ_１ａ，ＳＡ_２ａ，ＳＡ_３ａ，ＳＡ_４ａは、平行光の光束１０６ａの角度変位による信号ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４の変化分を示す。また、信号ＳＡ_２ｃ，ＳＡ_４ｃは、光束１０６ａの変位による信号ＳＡ_２，ＳＡ_４の変化分を示す。

従って、水平方向の角度変化の情報のみを示す角度信号Ｓｐ’を求める式は、下記式（１５）となる。
Ｓｐ’＝（ＳＡ_１ａ＋ＳＡ_３ａ）−（ＳＡ_２ａ＋ＳＡ_４ａ） ・・（１５）

ここで、光束１０６ａの水平方向の変位信号Ｓｈを用いると、信号ＳＡ_２ｃ及び信号ＳＡ_４ｃは、それぞれ以下の式（１６ａ）及び式（１６ｂ）で算出される。
ＳＡ_２ｃ＝ｋ_２×Ｓｈ ・・・（１６ａ）
ＳＡ_４ｃ＝ｋ_４’×Ｓｈ ・・・（１６ｂ）

式（１６ａ）及び式（１６ｂ）中、係数ｋ_２及び係数ｋ_４’は変位信号に対する受光量の係数である。係数ｋ_２及び係数ｋ_４’は、検出装置９の構成を設計することで定められる固定値である。

上述のように、水平方向の変位信号Ｓｈは、角度変化に依存せず別途算出される。

このため、式（１４）、式（１４ａ）、式（１４ｂ）、式（１５）、式（１６ａ）及び式（１６ｂ）から、以下の式（１７）が導かれる。角度信号Ｓｐ’は、水平方向の角度情報のみを示す。
Ｓｐ’＝Ｓｐ＋（ｋ_２＋ｋ_４’）×Ｓｈ ・・・（１７）

式（１７）において、（ｋ_２＋ｋ_４’）は設計値である。このため、角度信号Ｓｐ’は、水平方向の角度信号Ｓｐと水平方向の変位信号Ｓｈとによって導かれる。

以上で説明した変位及び角度変化の検出方法、及び、その検出方法を用いた検出装置９によれば、光束１の回折素子２に対する変位の情報及び角度変化の情報を同時に取得することができる。

また、ＣＣＤと異なり、例えば、４つの受光部３１，３２，３３，３４で受光して信号を処理するため、演算時間又は伝送時間が高速にできる。

また、ＰＳＤと異なり、受光部３１，３２，３３，３４の大きさを小さくできるため、光を信号に変換するための処理時間を高速にできる。

また、以上の説明では、受光部３１で角度を検知した。しかし、これに限定されず、例えば、他の受光部３２，３３，３４を副受光部に分割して、角度を検知しても同様の効果が得られる。

以上の説明では、受光部３４で平行度を検知した。しかし、これに限定されず、例えば、他の受光部３１，３２，３３を副受光部に分割して、角度を検知しても同様の効果が得られる。

上述の説明では、回折素子２は、回折の機能に加えて、集光の機能を有している。そのため、回折素子２は、非線形な回折格子パターンを有している。

しかし、図２０に示すように、集光レンズ５によって回折光を集光させても同様の効果が得られる。図２０では、集光レンズ５は、回折素子２と光検出素子３との間に配置されている。そして、集光レンズ５は、＋１次回折光１０を集光している。

検出装置９１は、回折素子２から出射された回折光１０を集光する集光素子５を備えている。回折光１０は、集光素子５で集光されて光検出素子３に到達する。

この場合には、図２１に示されるように、回折素子２は、単純な直線の回折格子パターンを有する。図２１では、回折領域２１，２４の回折格子パターンは、回折領域２１の中心と回折領域２４の中心とを結んだ線分に垂直である。また、回折領域２２，２３の回折格子パターンは、回折領域２２の中心と回折領域２３の中心とを結んだ線分に垂直である。そして、回折素子２の製造は、容易となる。

図２０は、検出装置９１の構成を表わす構成図である。図２１は、回折素子２を表わす模式図である。

また、上述の説明では、回折素子２の回折領域２１，２２，２３，２４は、非線形な回折格子パターンを有している。そして、この非線形な回折格子パターンにより、回折素子２はレンズ効果を有している。しかし、回折領域２２，２３，２４は、レンズ効果を有しなくても同様の効果が得られる。

ただし、受光部３１上での回折光のスポット１２，１３，１４が、レンズ効果を有する場合に比べて大きくなり、測定範囲が狭くなる。このため、回折光を集光させるほうが望ましい。なお、回折領域２１に対しても同様のことが言える。

なお、集光機能を有する回折素子２と集光レンズ５とを併用することもできる。

また、回折素子２は、回折格子を有している。しかし、この形態に限定されず、例えば、図２２に示されるように、回折素子２は、四角錐形状のプリズムであっても良い。ただし、同時に非回折光を生成できないため、変位及び角度変化を検出するための専用の光束を別途生成する必要がある。

図２２は、回折素子２の形態を示す斜視図である。図２２に示す回折素子２は、四角錐形状をしている。四角錐は、四角形の底面と、４つの三角形の側面で構成されている。四角錐は、光束１の光軸の中心位置が四角錐の頂点を透過するように配置される。四角錐は、光束１の光軸の中心位置の付近が四角錐の頂点を透過するように配置される。その四角錐の４つの側面に入射した光束１は、それぞれの側面に対する入射角に従い、プリズム効果によって回折される。ただし、すべての光束１は回折されてしまい、非回折光を同時に生成できない。このため、光束１が回折素子２に入射する前に、光束１を２つに分割する手段が必要となる。例えば、ハーフミラーを用いることで実現される。

図２３は、検出装置９２の構成を示す構成図である。

図１又は図２０では、例えば、回折素子２及び光検出素子３を、板状の筐体４から突出した別個の板状の部分で保持している。この場合には、回折素子２と光検出素子３との位置関係を、安定的に確保するのは難しい。

一方、図２３に示す筐体４１は、箱形状をしている。そして、回折素子２及び光検出素子３は、筐体４１の側面に固定されている。

筐体４１が剛性を有することで、回折素子２及び光検出素子３は、安定した位置関係を確保できる。

また、筐体４，４１は、ライダー装置又は光通信装置等に固定される。これによって、ライダー装置又は光通信装置等に対する、光束１の変位の情報及び角度変化の情報を取得することができる。

また、筐体４１の上面を開口としているが、光束１が通る開口部を設けておけば、６方向を完全にふさいでも良い。

また、検出装置９，９１，９２の設置場所は、ライダー装置又は光通信装置等の筐体の内部とした。しかし、光束１を受光できる場所であれば、筐体の外部に設置しても良い。

ただし、ライダー装置又は光通信装置等の筐体と、検出装置９，９１，９２の筐体４との相対的な変位又は角度変化に注意しなければならない。精度の高い光束１の変位又は角度変化を検出する場合には、検出装置９，９１，９２は、剛性を確保して、ライダー装置又は光通信装置等の筐体に取り付けられる必要がある。

＜ライダー装置＞
図２４は、ライダー装置７の構成を示す構成図である。

ライダー装置７は、回折素子２ａ，２ｂ、光検出素子３ａ，３ｂ、光源７１、集光レンズ７２、光増幅素子７３及びコリメータレンズ７４を備えている。

光源７１から出射された光は、集光レンズ７２に入射する。集光レンズ７２に入射した光は、集光レンズ７２によって集光される。集光レンズ７２によって集光された光は、光増幅素子７３に入射する。光増幅素子７３に入射する集光光は、回折素子２ａによって回折されなかった光である。

集光レンズ７２と光増幅素子７３との間には、回折素子２ａが配置されている。図２４では、回折素子２ａは、集光レンズ７２の光軸に対して、傾斜して配置されている。回折素子２ａによって回折された光は、集光レンズ７２の光軸に対して逸れた方向に進行している。つまり、回折素子２ａによって回折された光は、集光レンズ７２の光軸から外れた方向に進行している。集光レンズ７２の光軸から逸れた回折光は、光検出素子３ａに到達している。集光レンズ７２の光軸から外れた回折光は、光検出素子３ａに到達している。

光増幅素子７３に入射した集光光の光強度は、光増幅素子７３で増幅される。光増幅素子７３で増幅され光は、コリメータレンズ７４によって、平行化される。つまり、光増幅素子７３で増幅され光は、コリメータレンズ７４によって、平行光となる。

コリメータレンズ７４によって、平行化された光（平行光）は、回折格子２ｂに到達する。回折格子２ｂによって回折された光は、光検出素子３ｂに到達する。また、回折格子２ｂによって回折されなかった光は、ライダー装置７から外部に出射される。

ライダー装置７から外部に出射された光は、例えば、空気中の塵等に当たって散乱する。ライダー装置７は、その散乱光を受光することで、空気中の塵等の形状又は大きさ等を判別することができる。

ライダー装置７において、光増幅素子７３に入射する光の位置と、ライダー装置７から出射する光の位置とが重要である。そのため、回折素子２ａ及び光検出素子３ａによって、光増幅素子７３に入射する光の位置を検出する。また、回折素子２ｂ及び光検出素子３ｂによって、ライダー装置７から出射する光の位置を検出する。

これらの検出結果に基づいて、例えば、集光レンズ７２を光軸方向又は光軸に垂直な面上に動かして、光増幅素子７３に入射する光の位置を調整する。また、例えば、コリメータレンズ７４を光軸方向又は光軸に垂直な面上に動かして、ライダー装置７から出射する光の位置を調整する。

＜光通信装置＞
図２５は、光通信装置８の構成を示す構成図である。

光通信装置８は、回折素子２、光検出素子３、光源８１、コリメータレンズ８２及びプリズム８３を備えている。

図２５に示す光通信装置８は、例えば、３つの光源８１ａ，８１ｂ，８１ｃを備えている。また、図２５に示す光通信装置８は、例えば、３つのコリメータレンズ８２ａ，８２ｂ，８２ｃを備えている。また、図２５に示す光通信装置８のプリズム８３は、３つの面８３ａ，８３ｂ，８３ｃを備えている。

光源８１ａから出射された光線８４ａは、コリメータレンズ８２ａに到達する。コリメータレンズ８２ａに到達した光線８４ａは、コリメータレンズ８２ａによって平行化される。つまり、コリメータレンズ８２ａに到達した光線８４ａは、コリメータレンズ８２ａによって平行光となる。コリメータレンズ８２ａによって平行化された光線８４ａ（平行光）は、プルズム８３に入射して、面８３ａで反射される。

光源８１ｂから出射された光線８４ｂは、コリメータレンズ８２ｂに到達する。コリメータレンズ８２ｂに到達した光線８４ｂは、コリメータレンズ８２ｂによって平行化される。つまり、コリメータレンズ８２ｂに到達した光線８４ｂは、コリメータレンズ８２ｂによって平行光となる。コリメータレンズ８２ｂによって平行化された光線８４ｂ（平行光）は、プルズム８３に入射して、面８３ｂで反射される。

光源８１ｃから出射された光線８４ｃは、コリメータレンズ８２ｃに到達する。コリメータレンズ８２ｃに到達した光線８４ｃは、コリメータレンズ８２ｃによって平行化される。つまり、コリメータレンズ８２ｃに到達した光線８４ｃは、コリメータレンズ８２ｃによって平行光となる。コリメータレンズ８２ｃによって平行化された光線８４ｃ（平行光）は、プルズム８３に入射して、面８３ｃを透過する。

面８３ａで反射された光線８４ａは、面８３ｂを透過して、面８３ｂで反射された光線８４ｂと重畳される。面８３ａで反射された光線８４ａは、面８３ｂを透過する。そして、面８３ｂを透過した光線８４ａは、面８３ｂで反射された光線８４ｂと重ね合わされる。重畳された光線８４ａ及び光線８４ｂは、面８３ｃで反射される。面８３ｃを透過した光線８４ｃは、面８３ｃで反射された光線８４ａ及び光線８４ｂと重畳される。面８３ｃを透過した光線８４ｃは、面８３ｃで反射された光線８４ａ及び光線８４ｂと重ね合わされる。

重畳された光線８４ａ，８４ｂ，８４ｃは、回折格子２に到達する。回折格子２で回折された光は、光検出素子３に到達する。また、回折格子２で回折されなかった光は、光通信装置８から外部に出射される。

光通信装置８において、光通信装置８から出射される光の位置が重要である。そのため、回折素子２及び光検出素子３によって、光通信装置８から出射される光の位置を検出する。

これらの検出結果に基づいて、例えば、コリメータレンズ８２ａ，８２ｂ，８２ｃの各々を光軸方向又は光軸に垂直な面上に動かす。そして、光通信装置８から出射される光の位置を調整する。これらの調整は、各光源８１ａ，８１ｂ，８１ｃを個別に点灯させて行われる。

光通信装置８は、光線８４ａ，８４ｂ，８４ｃに情報を含めることで、通信を行うことができる。

回折素子２及び光検出素子３は、光通信装置８の外に配置することもできる。しかし、回折素子２及び光検出素子３を光通信装置８の内部に配置することで、光通信装置８の構成要素８１，８２，８３の経年変化を検知して、その変化を修正することが容易となる。

＜変形例＞
次に、実施の形態１に係る変形例について説明する。

図２６は、変形例として示す変位及び角度変化の検出装置９３を概略的に示す図である。変位及び角度変化の検出装置９３は、図１に示す検出装置９の光検出素子３及び信号処理回路６を除いた構成をしている。それ以外の検出装置９３の構成は、検出装置９の構成と同じである。検出装置９と同じ構成要素は、回折素子２および筐体４である。

変形例では、図１の光検出素子３及び信号処理回路６の代わりに追加された光検出集積回路３５の構成に関して説明する。

光検出集積回路３５は、光検出素子３を備えている。光検出集積回路３５の光検出素子３の構成は、例えば、図３と同様である。また、光検出集積回路３５の光検出素子３は、図３で説明した機能と同様の機能を有する。また、光検出集積回路３５の光検出素子３は、図１に示す検出装置９の光検出素子３と同じ位置に配置されている。

つまり、回折素子２で光を回折する点、回折光を光検出集積回路３５の光検出素子３で受光する点および光検出素子３が信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤを出力する点において、検出装置９３は、検出装置９と同様である。

そのため、以下においては、光検出集積回路３５の光検出素子３の信号ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤの処理について説明する。

図２７は、信号処理回路６の構成を示す信号処理ブロック図である。これは、図１８および図１９で説明した平行光の光束１０６ａ，１０６ｂの垂直方向の変位信号Ｓｖ及び角度変化信号Ｓｓ’を出力する信号処理を示したものである。図１８および図１９では、光束１０６ａ，１０６ｂが垂直方向の変位及び垂直方向の角度変化を有する場合について説明している。なお、水平方向の変位信号Ｓｈ及び角度変化信号Ｓｐ’も同様の回路構成で実現される。

信号ＳＡ_１と信号ＳＡ_２とは、加算器Ａ_１で加算される。加算器Ａ_１は、信号ＳＡ_１２を出力する。信号ＳＡ_３と信号ＳＡ_４とは、加算器Ａ_２で加算される。加算器Ａ_２は、信号ＳＡ_３４を出力する。

信号ＳＡ_１２と信号ＳＡ_３４とは、減算器Ａ_３で減算される。減算器Ａ_３は、信号Ｓｓを出力する。

信号ＳＡ_１、信号ＳＡ_２、信号ＳＡ_３および信号ＳＡ_４は、加算器Ａ_４で加算される。加算器Ａ_４は、信号ＳＡを出力する。

信号ＳＢと信号ＳＡとは、加算器Ａ_５で加算される。加算器Ａ_５は、信号Ｓ_ＡＢを出力する。

信号ＳＣと信号ＳＤとは、加算器Ａ_６で加算される。加算器Ａ_６は、信号Ｓ_ＣＤを出力する。

信号Ｓ_ＡＢと信号Ｓ_ＣＤとは、減算器Ａ_８で減算される。減算器Ａ_８は、信号Ｓｖを出力する。

乗算器Ａ_９は、信号Ｓｖに（ｋ_３＋ｋ_４）を乗ずる。乗算器Ａ_９は、信号Ｓｖ’を出力する。

信号Ｓｓと信号Ｓｖ’とは、加算器Ａ_７で加算される。加算器Ａ_７は、信号Ｓｓ’を出力する。

図２８は、図２７で示された信号処理を、オペンプを用いた回路で記載した図である。

変形例の検出装置９３は、図２８に示す回路を、光検出集積回路３５の中に備えている。

ここで、係数設定器３５１は、式（１３）の係数（ｋ_３＋ｋ_４）に相当する電圧又は電流を出力する。係数設定器３５１は、係数（ｋ_３＋ｋ_４）に相当する電圧又は電流に従ったゲインで、垂直方向の変位信号Ｓｖを増幅又は減衰させる。

また、係数設定器３５１は、抵抗値を調整することによって、係数を設定してもよい。これによると、係数設定器３５１は、一般的な増幅回路で構成できる。そして、係数設定器３５１は、簡易な回路となる。

また、係数設定器３５１は、光検出集積回路３５の外部に構成されてもよい。これによると、生産した装置毎に、係数（ｋ_３＋ｋ_４）の個体差を持った場合でも、それぞれの係数設定器３５１で係数（ｋ_３＋ｋ_４）を調整することが容易となる。

以上において、主に、一例として、光検出素子３の出力する信号の差に基づいて、変位信号Ｓｖなどを求めている。しかし、光検出素子３の出力する信号の比に基づいて、変位信号Ｓｖなどを求めることもできる。

例えば、式（１）に代えて、次式（１８ａ）を用いることができる。
Ｓｖ＝（ＳＡ＋ＳＢ）／（ＳＣ＋ＳＤ） ・・・（１８ａ）

また、例えば、式（１）に代えて、次式（１８ｂ）を用いることができる。
Ｓｖ＝（ＳＡ×ＳＢ）／（ＳＣ×ＳＤ） ・・・（１８ｂ）

これらのように、変位信号Ｓｖなどを求める式は、種々考えられる。

また、以上の説明では、ライダー装置又は光通信装置等へ組み込む形態に関して説明したが、これに限定されない。独立した装置として、光束の変位及び角度変化を検出する検出装置としても同様の効果が得られる。

なお、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。

以上の各実施の形態を基にして、以下の内容を付記（１）及び付記（２）として記載する。付記（１）と付記（２）とは、各々独立して符号を付している。そのため、例えば、付記（１）と付記（２）との両方に、「付記１」が存在する。

＜付記（１）＞
＜付記１＞
入射した光束を回折する回折素子と、
前記回折光を受光する受光部を含む光検出素子と
を備え、
前記回折素子は、前記光束を分割して回折光を複数生成し、
前記光検出素子は、複数の前記回折光の光量を基に前記回折素子に対する前記光束の変位を判別し、１つの前記回折光の光量を分割して前記回折素子に対する前記光束の角度変化を判別する光検出装置。

＜付記２＞
前記光検出素子は、前記複数の回折光に対応した複数の前記受光部を含む付記１に記載の光検出装置。

＜付記３＞
各々の前記受光部の受光量を基に、前記回折素子に対する前記光束の変位の方向を判別する付記２に記載の光検出装置。

＜付記４＞
各々の前記受光部の受光量を基に、前記回折素子に対する前記光束の変位量を判別する付記２または３に記載の光検出装置。

＜付記５＞
少なくとも１つの前記受光部は、当該受光部を分割した複数の第１の副受光部を含む付記２から４のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記６＞
各々の前記第１の副受光部の受光量を基に前記回折素子に対する前記光束の角度変化の方向を判別する付記５に記載の光検出装置。

＜付記７＞
各々の前記受光部の受光量を基に判別された前記回折素子に対する前記光束の変位量が特定の値または特定の範囲となるように制御された状態で、前記角度変化の方向を判別する付記６に記載の光検出装置。

＜付記８＞
各々の前記第１の副受光部の受光量を基に前記回折素子に対する前記光束の角度変化量を判別する付記５から７のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記９＞
前記各々の第１の副受光部の受光量と、各々の前記受光部の受光量を基に判別された前記回折素子に対する前記光束の変位量とから推定される各々の前記第１の副受光部の受光量の変化量を基に、前記角度変化量を判別する付記８に記載の光検出装置。

＜付記１０＞
複数の前記第１の副受光部は、前記光束が前記回折素子に対して傾いた際に、前記第１の副受光部を含む受光部上を前記回折光が変位する方向に配置され、
前記回折光が変位した方向に配置された前記第１の副受光部の受光量は増加し、
前記回折光が変位した方向と反対の方向に配置された前記第１の副受光部の受光量は減少する付記５から９のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記１１＞
光量が増加した前記回折光の光量と、光量が減少した前記回折光の光量とを比較することで、前記光束の角度変化量または角度変化の方向を判別する付記１０に記載の光検出装置。

＜付記１２＞
前記回折素子は、複数の回折領域を含み、
前記複数の回折領域によって、前記光束を分割する付記１から１１のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記１３＞
前記回折領域は、回折格子またはプリズムである付記１２に記載の光検出装置。

＜付記１４＞
前記複数の回折領域は、前記光束が変位する方向に配置され、
前記光束が変位した方向に配置された前記回折領域の前記回折光の光量は増加し、
前記光束が変位した方向と反対の方向に配置された前記回折領域の前記回折光の光量は減少する付記１２または１３に記載の光検出装置。

＜付記１５＞
光量が増加した前記回折光の光量と、光量が減少した前記回折光の光量とを比較することで、前記光束の変位量または変位方向を判別する付記１４に記載の光検出装置。

＜付記１６＞
前記回折素子は、前記複数の回折領域のうち少なくとも１つの回折領域で前記回折光を集光する付記１２から１５のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記１７＞
前記回折素子は、少なくとも前記回折光の一部を集光する付記１から１６のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記１８＞
前記回折素子から出射された前記回折光を集光する集光素子を備え、
前記回折光は、前記集光素子で集光されて前記光検出素子に到達する付記１から１７のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記１９＞
集光された前記回折光の非点収差の形状を基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する付記１６から１８のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記２０＞
集光された前記回折光の前記受光部上のスポット径の大きさを基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する付記１６から１８のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記２１＞
光検出素子は、集光された前記回折光を受光する前記受光部を分割した複数の第２の副受光部を含む付記１６から２０のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記２２＞
各々の前記第２の副受光部の受光量を基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する付記２１に記載の光検出装置。

＜付記２３＞
付記１から２２のいずれか１つに記載の光検出装置を備えたライダー装置。

＜付記２４＞
付記１から２２のいずれか１つに記載の光検出装置を備えた光通信装置。

＜付記（２）＞
＜付記１＞
複数の回折領域を含み、前記複数の回折領域に入射した１つの光束を透過により回折して複数の回折光を生成する回折素子と、
前記複数の回折光に対応した複数の受光部を含み、各々の前記受光部に入射した前記回折光の受光量に応じた信号を生成する光検出素子と
を備え、
前記複数の回折領域は、前記光束が変位する方向に並べて配置され、前記光束の変位により、各々の前記回折領域に入射する前記光束の光量が変化することで、各々の前記回折光の光量が変化し、
少なくとも１つの前記受光部は、当該受光部を分割した複数の第１の副受光部を含み、
前記複数の第１の副受光部は、前記光束の前記回折素子に対して傾いた際に、前記第１の副受光部を含む受光部上を前記回折光が変位する方向に並べて配置され、前記光束が前記回折素子に入射する角度変化により、各々の前記第１の副受光部の受光量が変化する光検出装置。

＜付記２＞
前記光束が変位した方向に配置された前記回折領域の前記回折光の光量が増加して、前記光束が変位した方向と反対の方向に配置された前記回折領域の前記回折光の光量が減少し、
前記光束が前記回折素子に対して傾いた際に、前記第１の副受光部を含む受光部上を前記回折光が変位する方向に配置された前記第１の副受光部の受光量が増加して、前記第１の副受光部を含む受光部上を前記回折光が変位する方向と反対の方向に配置された前記第１の副受光部の受光量が減少する付記１に記載の光検出装置。

＜付記３＞
前記回折領域は、前記回折光を集光する付記１又は２に記載の光検出装置。

＜付記４＞
前記回折領域は、回折格子であり、または、プリズムである付記１から３のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記５＞
前記回折素子から出射した前記回折光を集光する集光素子を備え、
前記回折光は、前記集光素子で集光されて前記光検出素子に到達する付記１から４のいずれか１つに記載の光検出装置。

＜付記６＞
少なくとも１つの前記受光部は、当該受光部を分割した複数の第２の副受光部を含み、
前記複数の第２の副受光部に非点収差を与えられた前記回折光を入射し、
非点収差により前記回折光の伸びた方向を、前記第２の副受光部で検知することで、前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する付記１から５のいずれか１つに記載の光検出装置。

１，１００，１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂ，１０６ａ 光束、 １０ ＋１次回折光、 １１，１１０，１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，１１５ａ，１１５ｂ，１１６ａ，１１６ｂ 回折光のスポット、 １２，１２０，１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ，１２２ｂ，１２３ａ，１２３ｂ，１２４ａ，１２４ｂ，１２５ａ，１２５ｂ，１２６ａ，１２６ｂ 回折光のスポット、 １３，１３０，１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ，１３５ａ，１３５ｂ，１３６ａ，１３６ｂ 回折光のスポット、 １４，１４０，１４１ａ，１４１ｂ，１４２ａ，１４２ｂ，１４３ａ，１４３ｂ，１４４ａ，１４４ｂ，１４５ａ，１４５ｂ，１４６ａ，１４６ｂ 回折光のスポット、 １５１，１５２，１５３ 回折光の光束、 ２ 回折素子、 ２１，２２，２３，２４ 回折領域、 ３ 光検出素子、 ３１，３２，３３，３４ 受光部、 ３１１，３１２，３１３，３１４，３４１，３４２，３４３，３４４ 副受光部、 ３５ 光検出集積回路、 ３５１ 係数設定器、 ４ 筐体、 ５ 集光レンズ、 ６ 信号処理回路、 ９，９１，９２ 検出装置、 Ａ_１，Ａ_２，Ａ_４，Ａ_５，Ａ_６，Ａ_７ 加算器、 Ａ_３，Ａ_８ 減算器、 Ａ_９ 乗算器、 ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ，ＳＡ_１，ＳＡ_２，ＳＡ_３，ＳＡ_４，ＳＡ_１２，Ｓａ_３４，Ｓ_ＡＢ，Ｓ_ＣＤ 信号、 ＳＤ_１，ＳＤ_２，ＳＤ_３，ＳＤ_４ 信号、 Ｓｖ，Ｓｖ’ 変位信号、 Ｓｓ，Ｓｓ’，Ｓｈ，Ｓｈ’ 角度信号、 Ｓｃ 平行度信号、 ｆ_０ 焦点距離、 ｆ_１ 距離、 ｄ_０，ｄ_１ 入射高、 ｄｔ_０，ｄｔ_１ 高さ、 ｄｔ 角度、 Ｃ 中心位置、 Ｃａ 光軸。

Claims (13)

1. 入射した光束を回折する回折素子と、
   前記回折素子で回折された回折光を受光する受光部を含む光検出素子と
   を備え、
   前記回折素子は、前記光束を分割して前記回折光を複数生成し、
   前記光検出素子は、複数の前記回折光の光量を基に前記回折素子に対する前記光束の変位を判別し、１つの前記回折光の光量を分割して前記回折素子に対する前記光束の角度変化を判別する光検出装置。
2. 前記光検出素子は、前記複数の回折光に対応した複数の前記受光部を含む請求項１に記載の光検出装置。
3. 各々の前記受光部の受光量を基に、前記回折素子に対する前記光束の変位量を判別する請求項２に記載の光検出装置。
4. 少なくとも１つの前記受光部は、当該受光部を分割した複数の第１の副受光部を含む請求項２または３に記載の光検出装置。
5. 各々の前記第１の副受光部の受光量を基に前記回折素子に対する前記光束の角度変化量を判別する請求項４に記載の光検出装置。
6. 前記各々の第１の副受光部の受光量と、各々の前記受光部の受光量を基に判別された前記回折素子に対する前記光束の変位量とから推定される各々の前記第１の副受光部の受光量の変化量を基に、前記角度変化量を判別する請求項５に記載の光検出装置。
7. 前記回折素子は、複数の回折領域を含み、
   前記複数の回折領域によって、前記光束を分割する請求項１から６のいずれか１項に記載の光検出装置。
8. 前記回折素子は、前記複数の回折領域のうち少なくとも１つの回折領域で前記回折光を集光する請求項７に記載の光検出装置。
9. 前記回折素子は、少なくとも前記回折光の一部を集光する請求項１から８のいずれか１項に記載の光検出装置。
10. 前記回折素子から出射された前記回折光を集光する集光素子を備え、
    前記回折光は、前記集光素子で集光されて前記光検出素子に到達する請求項１から９のいずれか１項に記載の光検出装置。
11. 集光された前記回折光の非点収差の形状を基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する請求項８から１０のいずれか１項に記載の光検出装置。
12. 前記光検出素子は、集光された前記回折光を受光する前記受光部を分割した複数の第２の副受光部を含む請求項８から１１のいずれか１項に記載の光検出装置。
13. 各々の前記第２の副受光部の受光量を基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する請求項１２に記載の光検出装置。

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