| 【発明の名称】 |
格子干渉型変位測定装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大崎 基弘
【氏名】富谷 雅樹
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| 【要約】 |
【課題】格子干渉型変位測定装置において、部品点数を低減する。
【解決手段】可干渉光源１０と受光素子４４との間の光路上に固定格子４０と変位格子４２を配置し、固定格子４０の格子ピッチＰ1と変位格子４２の格子ピッチP２とを異にする。可干渉光源１０からの光は固定格子４０で回折光と透過光に分割される。回折光は変位格子４２で回折し、さらに固定格子４０を透過して受光素子４４に入射する。透過光は、変位格子４２で回折し、さらに固定格子４０で回折して受光素子４４に入射する。固定格子４０と変位格子４２の格子ピッチが異なるため受光素子４４に入射する２つの光束はある角度をなして重なり合い、干渉縞を生じる。干渉縞を受光素子４４で検出し、変位を測定する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 可干渉光源と受光素子との光路上に互いに平行に配置された固定格子と変位格子を有し、変位格子の変位により生じる光の干渉を前記受光素子で検出する格子干渉型変位測定装置であって、前記固定格子と前記変位格子の配列方向は平行でそのピッチが互いに異なり、前記固定格子と前記変位格子でそれぞれ回折した２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を前記受光素子で検出することを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項２】 請求項１記載の装置において、前記可干渉光源及び受光素子は、前記固定格子と前記変位格子の配列方向に垂直な面から所定角度傾いた位置に配置されることを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項３】 請求項１、２のいずれかに記載の装置において、前記可干渉光源からの光を透過光と回折光に分割する透過型の固定格子と、前記固定格子からの前記透過光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型の変位格子と、を含み、前記固定格子は、前記変位格子からの２つの回折光を回折及び透過することで合成し、前記受光素子は前記固定格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項４】 請求項１、２のいずれかに記載の装置において、前記可干渉光源からの光を透過光と回折光に分割する透過型固定格子である第１格子と、前記第１格子からの前記透過光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型変位格子である第２格子と、前記第２格子からの２つの回折光を回折及び透過することで合成する透過型固定格子である第３格子と、を含み、前記受光素子は前記第３固定格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項５】 請求項４記載の装置において、前記第１格子あるいは第３格子と前記第２格子のピッチは互いに異なることを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項６】 請求項４、５のいずれかに記載の装置において、前記第１格子と前記第２格子との間隔、及び前記第３格子と前記第２格子との間隔は互いに異なることを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項７】 請求項１、２のいずれかに記載の装置において、前記可干渉光源からの光を反射光と回折光に分割する反射型の変位格子と、前記変位格子からの前記反射光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型の固定格子と、を含み、前記変位格子は、前記固定格子からの２つの回折光を回折及び反射することで合成し、前記受光素子は前記変位格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項８】 請求項１、２のいずれかに記載の装置において、前記可干渉光源からの光を透過光と回折光に分割する透過型の変位格子と、前記変位格子からの前記透過光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型の固定格子と、を含み、前記変位格子は、前記固定格子からの２つの回折光を回折及び透過することで合成し、前記受光素子は前記変位格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項９】 請求項１〜８のいずれかに記載の装置において、前記固定格子あるいは前記変位格子のうちの前記可干渉光源側に位置する格子への前記可干渉光源からの光の入射角と回折角はほぼ等しいことを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項１０】 可干渉光源と受光素子との光路上に配置された固定格子と変位格子を有し、前記変位格子の変位により生じる光の干渉を前記受光素子で検出する格子干渉型変位測定装置であって、前記固定格子と前記変位格子は一定の角度で傾いて配置され、前記固定格子と前記変位格子のピッチは互いに異なり、前記固定格子と前記変位格子でそれぞれ回折した２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を前記受光素子で検出することを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項１１】 請求項１０記載の装置において、前記可干渉光源からの光を反射光と回折光に分割する反射型の変位格子と、前記変位格子に対して一定の角度で傾いて配置され、前記変位格子からの前記反射光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型の固定格子と、を含み、前記変位格子は、前記固定格子からの２つの回折光を回折及び反射することで合成し、前記受光素子は前記変位格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項１２】 請求項１０記載の装置において、前記可干渉光源からの光を反射光と回折光に分割する反射型固定格子である第１格子と、前記第１格子からの前記反射光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型変位格子である第２格子と、前記第２格子からの２つの回折光を回折及び反射することで合成する反射型固定格子である第３格子と、を含み、前記第１格子及び第３格子は前記第２格子に対してそれぞれ一定の角度で傾いて対向配置され、前記受光素子は前記第３格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は格子干渉型変位測定装置、特に互いに平行に配置された固定格子と変位格子による光の干渉現象を用いた変位検出装置の小型化に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、互いに平行に配置された２つの格子（固定格子と変位格子）を用い、格子の変位を回折光の位相変化として検出する格子干渉型変位検出装置が知られており、リニアスケールやリニアゲージなどに適用され、ステージ変位測定またはステージ駆動制御などに用いられている。
【０００３】図１５には、従来の格子干渉型変位検出装置の一例が示されている。レーザ光源などの可干渉光源１０から射出した光はコリメータレンズ１２で平行光とされた後、透過型格子１４に入射する。透過型格子１４はその位置が固定されている。透過型格子１４で回折した光（光束Ａ）と透過した光（光束Ｂ）はそれぞれ偏光板１８、２０を透過して反射型格子１６に入射する。反射型格子１６は透過型格子１４に対して平行に配置されており、平行を維持したまま図中矢印方向に変位する。反射型格子１６のピッチは透過型格子のピッチと同一であり、反射型格子１６で回折した光束Ａと光束Ｂは再び偏光板１８、２０を透過し、偏光方向が互いに９０度ずれて透過型格子１４に入射する。透過型格子１４に入射した光束Ａは透過型格子を透過し、透過型格子１４に入射した光束Ｂは透過型格子１４で回折して同一光路上の単一の光束となる。単一の回折光束はビームスプリッタ２２で２分割され、一方は１／４波長板２４及び偏光板２６を介して受光素子３０に入射し、他方は偏光板２８を介して受光素子３２に入射する。１／４波長板２４で位相を９０度ずらし、偏光板２６、２８で偏光方向を選択して干渉光を検出することで、９０度位相がずれた２つの干渉正弦波信号を得ることができる。変位量自体は１つの干渉信号のみで検出可能であるが、変位の方向を検出するために位相の異なる（好適には９０度ずれた）２つ以上の干渉信号が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来技術では透過型格子１４と反射型格子１６の格子ピッチが同一であるため反射型格子１６で回折した光の光路は入射光と同一となり、干渉を防ぐための偏光板１８、２０、２６、２８や１／４波長板２４、ビームスプリッタ２２が必要となるので、構成要素が多くなるため小型化には限界があり、組立の際に偏光板の光軸調整など煩雑な作業が要求される問題があった。
【０００５】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、装置の構成要素が少なく装置の小型化を図ることができ、また組み立て調整の手間も低減して、コストを低減させるとともに、小型化によりステージ等への組み付けを容易化することができる干渉格子型変位測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、可干渉光源と受光素子との光路上に互いに平行に配置された固定格子と変位格子を有し、変位格子の変位により生じる光の干渉を前記受光素子で検出する格子干渉型変位測定装置であって、前記固定格子と前記変位格子の配列方向は平行でそのピッチが互いに異なり、前記固定格子と前記変位格子でそれぞれ回折した２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を前記受光素子で検出することを特徴とする。
【０００７】また、前記可干渉光源及び受光素子は、前記固定格子と前記変位格子の配列方向に垂直な面から所定角度傾いた位置に配置されることを特徴とする。
【０００８】また、前記可干渉光源からの光を透過光と回折光に分割する透過型の固定格子と、前記固定格子からの前記透過光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型の変位格子とを含み、前記固定格子は、前記変位格子からの２つの回折光を回折及び透過することで合成し、前記受光素子は前記固定格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする。
【０００９】また、前記可干渉光源からの光を透過光と回折光に分割する透過型固定格子である第１格子と、前記第１格子からの前記透過光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型変位格子である第２格子と、前記第２格子からの２つの回折光を回折及び透過することで合成する透過型固定格子である第３格子とを含み、前記受光素子は前記第３固定格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする。
【００１０】また、前記第１格子あるいは第３格子と前記第２格子のピッチは互いに異なることを特徴とする。
【００１１】また、前記第１格子と前記第２格子との間隔、及び前記第３格子と前記第２格子との間隔は互いに異なることを特徴とする。
【００１２】また、前記可干渉光源からの光を反射光と回折光に分割する反射型の変位格子と、前記変位格子からの前記反射光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型の固定格子とを含み、前記変位格子は、前記固定格子からの２つの回折光を回折及び反射することで合成し、前記受光素子は前記変位格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする。
【００１３】また、前記可干渉光源からの光を透過光と回折光に分割する透過型の変位格子と、前記変位格子からの前記透過光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型の固定格子とを含み、前記変位格子は、前記固定格子からの２つの回折光を回折及び透過することで合成し、前記受光素子は前記変位格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする。
【００１４】また、前記固定格子あるいは前記変位格子のうちの前記可干渉光源側に位置する格子への前記可干渉光源からの光の入射角と回折角はほぼ等しいことを特徴とする。
【００１５】また、本発明は、可干渉光源と受光素子との光路上に配置された固定格子と変位格子を有し、前記変位格子の変位により生じる光の干渉を前記受光素子で検出する格子干渉型変位測定装置であって、前記固定格子と前記変位格子は一定の角度で傾いて配置され、前記固定格子と前記変位格子のピッチは互いに異なり、前記固定格子と前記変位格子でそれぞれ回折した２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を前記受光素子で検出することを特徴とする。
【００１６】また、前記可干渉光源からの光を反射光と回折光に分割する反射型の変位格子と、前記変位格子に対して一定の角度で傾いて配置され、前記変位格子からの前記反射光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型の固定格子とを含み、前記変位格子は、前記固定格子からの２つの回折光を回折及び反射することで合成し、前記受光素子は前記変位格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする。
【００１７】また、前記可干渉光源からの光を反射光と回折光に分割する反射型固定格子である第１格子と、前記第１格子からの前記反射光と前記回折光をそれぞれ回折させる反射型変位格子である第２格子と、前記第２格子からの２つの回折光を回折及び反射することで合成する反射型固定格子である第３格子とを含み、前記第１格子及び第３格子は前記第２格子に対してそれぞれ一定の角度で傾いて対向配置され、前記受光素子は前記第３格子で合成された２つの光束の重なり部分に生じる干渉縞の異なる強度の位相部分を検出することを特徴とする。
【００１８】本発明においては、２つの光束は２つの格子でそれぞれ１回回折し、合計２回回折して合成されるが、２つの格子の格子ピッチが互いに異なることにより、格子から射出する２つの光束は平行ではなく、格子ピッチの差に起因する角度をなして重なり合う。２つの光束は平行ではないので従来のようにビーム分割手段や偏光手段は不要となる。
【００１９】可干渉光源からの光を格子に入射させて回折させる場合、格子配列方向（格子が形成されている方向）に垂直な面内に可干渉光源や受光素子が位置すると、格子からの戻り光が可干渉光源に入射したり、あるいは不要な反射光が受光素子に入射するなどにより検出精度が低下する。そこで、可干渉光源と受光素子の光軸を、前記垂直な面から傾けることでノイズを防止することができる。
【００２０】２つの格子を透過型の固定格子と反射型の変位格子とし、固定格子で回折光と透過光に分割し、変位格子で２つの光束を反射回折させて受光素子で受光することで、可干渉光源と受光素子を格子に対して同一側に配置することができ、可干渉光源、受光素子及び固定格子を同一部材にコンパクトに設置することができる。
【００２１】固定格子は単一の格子から構成することもでき、あるいは２つの格子から構成することもできる。２つの格子から固定格子を構成した場合、それぞれの格子ピッチを変化させることで、２つの光束のなす角度を多様に調整することができる。２つの格子から固定格子を構成した場合、それぞれの格子と変位格子との間隔を調整することができる。
【００２２】２つの格子を反射型の固定格子と反射型の変位格子で構成した場合、可干渉光源からの光は固定格子と変位格子との間で反射を繰り返し、最終的に受光素子に入射する。可干渉光源からの光は変位格子に入射して２つの光束に分かれ、固定格子の離間した２点で回折して再び変位格子に戻る。２つの光束が離間した２点で回折するのは固定格子側となり、変位格子の離間した２点で回折する場合と比較して変位時のうねりの影響を少なくすることができる。
【００２３】２つの格子を透過型の変位格子と反射型の固定格子で構成した場合、変位格子を挟むように測定系を配置する、すなわち変位格子の一方の側に可干渉光源と受光素子を配置し、他方に固定格子を配置することが可能となり、変位格子と同軸上に駆動部を設置する場合、よりコンパクトに設置できる。
【００２４】本発明では、可干渉光源からの光を格子で回折させて２つの光束を得ている。可干渉光源からの光の入射角と回折角をほぼ同一とすることで、光路設定が簡易化され、各格子や受光素子の配置が容易化される。
【００２５】なお、本発明では、固定格子と変位格子でそれぞれ回折（合計２回回折）した２つの光束を合成させて干渉を起こさせており、この条件を満足する限り固定格子と変位格子が互いに平行ではなく一定の角度で傾いて配置していてもよい。固定格子と変位格子を傾けて配置することで、光路の自由度が増し、装置のサイズを容易に変更することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２７】図１には、本実施形態の構成を示す斜視図が示されており、図２には、図１の平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）が示されている。レーザ光源などの可干渉光源１０からの光はコリメータレンズ１２で平行光とされ、２つの格子に入射する。２つの格子は、互いに平行に配置された透過型の固定格子４０と反射型の変位格子４２から構成されており、固定格子４０はその位置が固定され、変位格子４２に対して光源側に配置される。変位格子４２は固定格子４０との間隔を維持したまま図中矢印方向に変位する。変位格子４２は、変位を測定すべき駆動部に取り付けることができる。固定格子４０と変位格子４２の格子配列方向は平行（図中ｘ方向）であり、また固定格子４０の表面に形成された格子ピッチＰ１と変位格子４２の表面に形成された格子ピッチＰ２は同一ではなく、Ｐ１＞Ｐ２、あるいはＰ１＜Ｐ２に設定される。２つの格子から射出された２つの回折光束は後述するように角度βをなして重なり合い、この重なり部分に生じる干渉縞を受光素子４４で検出する。また、図２（Ｃ）に示されるように、可干渉光源１０の光軸及び受光素子４４に入射する光軸は、固定格子４０及び変位格子４２の格子配列方向（ｘ方向）に垂直な面に対して所定角αをなすように配置されており、可干渉光源１０への戻り光及び受光素子へのノイズ光入射を防止している。
【００２８】以下、可干渉光源１０からの光の光路について説明する。可干渉光源１０から射出した光は、まず透過型の固定格子４０に入射する。固定格子４０に入射した光は、点ａ１（図２（Ａ）参照）において回折光（光束Ａ）と透過光（光束Ｂ）に分かれ、それぞれ変位格子４２に向かう。可干渉光源１０からの光の入射角θinと回折光の回折角θoutとの間には、λを波長として【数１】
ｓｉｎθin＋ｓｉｎθNout＝Ｎ・λ／２Ｐ１ （Ｎ＝０、±１、±２、・・・） …（１）
の関係がある（実施形態ではＮ＝０、±１を使用）ので、製造を容易とする観点からはθinとθoutがほぼ同一となるようにθinを調整することが好ましい。但し、必ずしもθinとθoutは同一でなくてもよい。光束Ａは反射型の変位格子４２のａ３点で回折し、＋１次回折光（変位格子の変位方向に対して垂直な方向からみて右方向を＋、左方向を−とする）として再び固定格子４０に向かう。一方、光束Ｂは変位格子のａ２点で回折し、−１次回折光として再び固定格子４０に向かう。＋１次回折光（光束Ａ）は固定格子４０のａ４点で固定格子４０を透過して受光素子４４に向かい、−１次回折光（光束Ｂ）は固定格子４０のａ４点近傍で固定格子４０で回折され、受光素子４４に向かう。固定格子４０のピッチＰ１と変位格子４２のピッチＰ２が互いに異なるため、固定格子４０から受光素子４４に向かう光束Ａと光束Ｂは平行ではなく角度βをなしてその一部が重なり、重なった部分で干渉が起こり、干渉縞が生じる。光束Ａと光束Ｂはそれぞれ変位格子４２で回折するため、変位格子４２が変位すると光束Ａと光束Ｂに位相変化が生じ、干渉縞の強度分布の位相が変化する。変位格子４２の変位に応じて光束Ａ（＋１次光）と光束Ｂ（−１次光）はそれぞれ逆方向に位相変化するため、干渉縞は変位格子４２の格子ピッチＰ２の変位量の２倍の周期で移動する。いま、説明の都合上、可干渉光源１０の光軸の傾きαを無視すると、光束Ａと光束Ｂのなす角βは、【数２】
β＝｜ｓｉｎ-1(ａ−ｓｉｎ（θin）)＋ｓｉｎ-1(ａ＋ｓｉｎ（θin）)｜ …（２）
で与えられる。ここで、θinは可干渉光源１０から固定格子４０への入射角である。また、ａは固定格子４０のピッチＰ１と変位格子４２のピッチＰ２、及び光の波長λから【数３】
ａ＝（Ｐ２−Ｐ１）λ／（Ｐ１・Ｐ２） …（３）
で定義される。（２）、（３）式より、格子ピッチＰ１とＰ２の相違に起因してβが生じることが理解される。また、干渉縞ピッチＰＤと角度βとの関係は、【数４】
ＰＤ＝λ／２・ｓｉｎ（β／２） …（４）
で与えられる。
【００２９】図３には、βの角度をなして互いに重なる光束Ａ及び光束Ｂと、重なり部分に生じる干渉縞５０が模式的に示されている。この干渉縞５０が形成される位置に受光素子４４を配置して干渉縞の移動を検出することで、変位格子４２の変位量及び変位方向を検出することができる。なお、干渉縞５０を検出するためには、干渉縞のピッチＰＤに対してＰＤ／４程度の間隔で受光素子を配置することが好適である。受光素子４４の受光面がピッチＰＤ以上の長さを有すると干渉縞を効率良く検出することができず（光の強弱がキャンセルされてしまう）、また、変位の方向を検出するためには干渉縞の位相が９０度ずれた点を検出することが望ましいからである。
【００３０】図４には、受光素子４４の配置方法が示されている。干渉縞５０のピッチＰＤに対して、ＰＤ／４の間隔で受光素子４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄを配置し受光素子アレイとする。各受光素子４４ａ〜４４ｄはＰＤ／４の間隔で配置しているため９０度位相がずれた干渉縞正弦信号を得ることができる。これらの正弦信号を処理することで、ＰＤの変位量及び変位方向を検出し、これに基づいて変位格子４２の変位量を検出する。なお、受光素子４４ａ〜４４ｄの４個は必ずしも必要ではなく、例えば受光素子４４ａと４４ｂの２個のみでもよい。また、光強度を平均化するため、干渉縞ピッチＰＤで繰り返し配置するのがよい。
【００３１】このように、本実施形態では、固定格子４０と変位格子４２の格子ピッチを互いに異ならせることで２つの光束Ａ、Ｂに角度βを与えて干渉させることで干渉縞を形成しているので、従来のようにビームスプリッタや偏光手段が不要となり、構成要素を減らすことが可能となる。また、偏光手段の調整もなくなるので組み付けも容易となる。
【００３２】なお、本実施形態において固定格子４０と変位格子４２の格子配列方向は平行で、干渉縞５０は光束Ａと光束Ｂの光路差により生じるもので、格子配列方向が平行でない２つの格子により生じるいわゆるモアレ縞とは異なる。
【００３３】また、本実施形態において、光束Ａ及び光束Ｂとも固定格子４０で２回回折しているので、固定格子４０と変位格子４２の平行がずれたときの影響がキャンセルされ、角度βに与える影響が抑制される。
【００３４】図５には、他の実施形態の構成を示す斜視図が示されている。図１と異なる点は、固定格子４０が格子配列方向とは垂直な方向に２分割されて固定格子４１と固定格子４３から構成され、固定格子４１のピッチＰ１と固定格子４３のピッチＰ３が互いに異なる点である。すなわち、本実施形態では、Ｐ１≠Ｐ２、またはＰ３≠Ｐ２であり、かつ、Ｐ１≠Ｐ３である。固定格子４１と固定格子４３の格子配列方向は平行で、変位格子４２の格子配列方向にも平行である。固定格子４１と固定格子４３は同一平面内に存在する。
【００３５】このような構成において、可干渉光源１０から射出した光はまず透過型の固定格子４１に入射し、回折光（光束Ａ）と透過光（光束Ｂ）に分かれて変位格子４２に向かう。光束Ａは変位格子４２で回折し、固定格子４３に向かう。また、光束Ｂも変位格子４２で回折して固定格子４３に向かう。反射型の変位格子４２で回折した光束Ａは透過型の固定格子４３を透過し、光束Ｂは固定格子４３で回折してともに受光素子４４に向かう。本実施形態においても、固定格子と変位格子の格子ピッチが異なるので、固定格子４３から射出した光束Ａと光束Ｂは角度γを有して重なり合い、干渉縞を生じる。角度γはＰ１、Ｐ２、Ｐ３で規定され、（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の組み合わせを変化させることで、角度γを細かく調整することができる。例えば、Ｐ１＝Ｐ２に設定すると、固定格子４３に入射する点は２光束で同一となり、固定格子４３で回折、透過することで初めて角度γが発生するため、受光素子に近い位置で角度γを生成しているため、有効な光束の重なる部分の面積を大きくとることができる。干渉縞を複数の受光素子４４ａ〜４４ｄで検出することで、固定格子４１、４３に対する変位格子４２の変位量及び変位方向を検出することができる。
【００３６】図６には、他の実施形態の構成を示す斜視図が示されている。図１及び図５の例では可干渉光源１０から見て２つの格子が固定格子、変位格子の順に配置されているが、本実施形態では変位格子、固定格子の順に配置されている。すなわち、２つの格子が透過型の変位格子５２と反射型の固定格子５３から構成され、可干渉光源１０からの光はまず透過型の変位格子５２に入射する。ここで、変位格子５２と固定格子５４との関係は上述の例と同様である。すなわち、変位格子５２の格子ピッチＰ１と固定格子５４の格子ピッチＰ２はＰ１≠Ｐ２の関係を満たし、変位格子５２と固定格子５４は平行に配置され、格子の配列方向も平行である。
【００３７】図７には、図６の平面図が示されている。可干渉光源１０からの光は透過型の変位格子５２に入射し、ａ１点において回折光（＋１次光）と透過光に分割される。回折光（＋１次光：光束Ａ）及び透過光（光束Ｂ）はともに固定格子５４に向かい、光束Ａは反射型の固定格子５４のａ３点で回折し、変位格子５２に向かう。また、光束Ｂは固定格子５４のａ２点で回折し、変位格子５２に向かう。光束Ａは変位格子５２をａ４点で透過して受光素子４４に向かい、光束Ｂは変位格子５２のａ４点近傍で回折（−１次光）して受光素子４４に向かう。変位格子５２と固定格子５４の格子ピッチが異なるため、光束Ａと光束Ｂには格子ピッチの差に起因する角度δの傾きが生じ、重なり合って干渉を生じる。受光素子４４で干渉により形成される干渉縞を検出することで、変位格子５２の変位量及び変位方向を検出することができる。可干渉光源１０と変位格子との間の距離が確保できない場合などに本実施形態は有効である。
【００３８】図８には、他の実施形態の構成を示す斜視図が示されている。図６の構成においては、可干渉光源１０から射出した光は順次、変位格子→固定格子→変位格子に入射しているが、本実施形態においても、基本的にこの順序で光が入射する。本実施形態では、２つの格子は反射型の固定格子５６と反射型の変位格子４２から構成され、固定格子５６には可干渉光源１０側ではなく裏面側に格子が形成されている。可干渉光源１０からの光はまず変位格子４２に入射し、反射、回折して固定格子５６に向かう。固定格子５６では、変位格子４２からの反射、回折光を再び変位格子４２に向けて反射する。固定格子の格子ピッチＰ１と変位格子４２の格子ピッチＰ２が互いに異なる点は既述の実施形態と同様である。本実施形態の構成は、光束の入射順序の観点からは図６において変位格子５２が反射型に置き換わったものとして理解することができる。
【００３９】図９には、図８の平面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）が示されている。固定格子５６は変位格子４２よりサイズが小さく、図９（Ｂ）に示されるように変位格子４２の中心軸上に配置されている。可干渉光源１０の光軸は変位格子４２の格子配列方向に垂直な面に対してαだけ傾いているから、可干渉光源１０からの光は固定格子５６に入射せず、まず反射型の変位格子４２に入射する。変位格子４２に入射した光は変位格子４２のａ１点（図９（Ａ）参照）で回折光（光束Ａ）と反射光（光束Ｂ）に分割されて固定格子５６に向かう。光束Ａは反射型の固定格子５６のａ３点で回折し、再び変位格子４２に向かう。一方、光束Ｂは反射型の固定格子５６のａ２点で回折し、再び変位格子４２に向かう。変位格子４２に向かった光束Ａは変位格子４２のａ４点で反射し、受光素子４４に向かう。また、変位格子４２に向かった光束Ｂは変位格子４２のａ４点近傍で回折し、受光素子４４に向かう。受光素子４４に向かう光束Ａと光束Ｂは格子ピッチＰ１とＰ２の差に起因する角度εをなして重なり合い、干渉を起こす。この干渉により生じた干渉縞を受光素子４４で検出することで、変位格子４２の変位量及び変位方向を検出することができる。本実施形態では、変位格子４２での反射点がａ１点とａ４であり、光束Ａと光束Ｂがそれぞれ回折する比較的離間したａ２点とａ３点は固定格子５６側にあるので、変位格子４２の長さ（変位方向の長さ）を短くすることができる利点がある。
【００４０】また、変位格子４２の離れた２点ではなくほぼ近傍の点で回折するため、変位格子４２の変位に伴う格子面のうねりの影響を抑制して検出精度を上げることもできる。
【００４１】また、光軸の傾きαを大きくとることで、可干渉光源１０、固定格子、受光素子４４を変位格子からほぼ同程度の距離に並べて配置することも可能であり、装置全体の高さを抑制することもできる。
【００４２】図１０には、他の実施形態の構成を示す斜視図が示されている。本実施形態の構成は図５の構成と同様に固定格子が２つの固定格子５８、６０から構成されている。但し、図１１の側面図に示されるように、本実施形態における２つの固定格子５８、６０は同一平面上にはなく、変位格子４２との間隔がそれぞれ異なっている。図では、固定格子６０と変位格子４２との間隔が固定格子５８と変位格子４２との間隔よりも大きくなっており、固定格子６０はより受光素子４４に近い位置に配置されている。なお、固定格子５８の格子ピッチＰ１と固定格子６０の格子ピッチＰ３は同一でもよく、また異なっていてもよい。但し、固定格子５８，６０と変位格子４２の格子ピッチは異なり、Ｐ１≠Ｐ２、またはＰ３≠Ｐ２である。一例として、Ｐ１＝Ｐ３＜Ｐ２とする。
【００４３】このような構成において、光の光路は図５と同様であり、可干渉光源１０からの光は固定格子５８に入射し、回折光（光束Ａ）と透過光（光束Ｂ）に分割される。そして、光束Ａは変位格子４２で回折し、さらに固定格子６０を透過して受光素子４４に向かう。一方、光束Ｂは変位格子４２で回折し、さらに固定格子６０で回折して受光素子４４に向かう。ここで、固定格子６０の位置が変位格子４２に対して固定格子５８の位置よりも遠い位置にあるため、固定格子６０で回折する光束Ｂの回折位置が図５の場合よりも遠い位置となる。
【００４４】図１２には、図５の場合（固定格子４１、４３が同一平面上にあり変位格子４２との間隔が同一である場合）と図１０の場合の光束Ａ、Ｂの固定格子４３、６０における光路の様子が示されている。光束Ａは、固定格子４３においても固定格子６０においても透過するが、光束Ｂは固定格子４３と固定格子６０の位置が異なるため回折位置が異なり、固定格子６０の場合には光束Ｂが回折した後に光束Ａと交わるようになる。すると、図１３に示されるように、受光素子４４が配置された位置において重なり合う部分が増大し、干渉縞５０の生じる面積も増大することになる。受光素子４４で検出するのは、あくまで光束Ａと光束Ｂが重なり合って干渉縞が生じている部分であるから、このように干渉縞の面積が増大することにより、受光素子４４の受光面積（受光素子アレイの総数）を増大させることが可能となり、可干渉光源１０の出力に対して受光素子４４で検出できる光強度が増大して検出効率を上げることができる。このことは、逆に可干渉光源１０の光出力を低減できることを意味し、電流消費や発熱量の低減を図ることができる。
【００４５】以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲内で他の変形例も可能である。
【００４６】例えば、実施形態では図１などにおいて反射型の変位格子４２を用いているが、変位格子４２も透過型とし、受光素子４４を２つの格子を挟んで可干渉光源１０とは反対側に配置し、変位格子で回折し透過した２つの光束の重なりにより生じる干渉縞を検出するように構成することも可能である。この場合も、２つの格子は可干渉光源と変位格子との間の光路上に位置していることに変わりなく、干渉縞の移動を検出することで変位格子の変位量を検出することができる。
【００４７】また、図１０においては、固定格子の格子ピッチＰ１（あるいはＰ３）と変位格子４２の格子ピッチＰ２とがＰ１＜Ｐ２であることに鑑みて固定格子６０と変位格子４２との間隔を固定格子５８と変位格子４２との間隔に比べて増大させているが、格子ピッチの関係がＰ１＞Ｐ２である場合には逆に固定格子６０と変位格子４２との間隔を固定格子５８と変位格子４２との間隔に比べて減少させることが好適である。
【００４８】また、実施形態では干渉縞５０の９０度位相の異なる信号を得るために受光素子アレイ４４ａ〜４４ｄを用いているが、図１４に示されるように受光素子４４の前に干渉縞ピッチＰＤの１／４間隔の窓６２ａを備えるフィルタ６２を配置し、各窓６２ａを透過した光を受光素子４４で受光するように構成することもできる。これにより、受光素子アレイに要求されるサイズ上の制約を緩和することができる。
【００４９】また、上述した各実施形態においては、固定格子と変位格子が互いに平行に配置された場合について説明したが、固定格子と変位格子が互いに平行ではなく、一定の傾きを有して配置することも可能である。
【００５０】例えば図８の構成においては、反射型の変位格子４２と反射型の固定格子５６は互いに平行に配置されているが、図１６及び図１７に示されるように、反射型の固定格子５６を変位格子４２に対して一定の角α２だけ傾けて配置することもできる。図１６の斜視図及び図１７の側面図から分かるように、可干渉光源１０からの光は所定の光軸角αをもって反射型の変位格子４２に入射する。変位格子４２で反射、回折した２つの光束は反射型の固定格子５６に向かう。固定格子５６は、変位格子４２に対して一定の角α２だけ傾けて配置されており、変位格子４２からの２つの光束を回折し、変位格子４２に戻す。一定の角α２だけ傾いているため、光束は図６の場合と異なり中心軸に対して可干渉光源１０が存在する側に戻され、変位格子４２で反射、回折して合成され、受光素子４４に入射する。
【００５１】固定格子５６を傾けて配置することで、可干渉光源１０、受光素子４４を変位格子４２、固定格子５６に対して同じ側（図６の場合には可干渉光源１０と受光素子４４は異なる側にある）に設置することが可能となり、他方のサイズを小さくすることができる。
【００５２】また、図１０の構成においては、２つの固定格子５８、６０と変位格子４２は互いに平行に配置されているが、図１８及び図１９に示されるように、２つの固定格子を反射型とし、かつ、２つの固定格子と変位格子４２を互いに平行ではなく一定の角だけ傾けて配置することも可能である。図１８の斜視図及び図１９の側面図において、固定格子５８、６０の代わりに反射型の固定格子７０、７２が配置され、かつ、固定格子７０、７２はそれぞれ変位格子４２に対して一定の角を有し、格子が互いに向き合うように「ハ」の字型に対向配置されている。可干渉光源１０からの光は変位格子４２とほぼ平行に進行して固定格子７０に入射し、反射、回折して２つの光束に分割される。２つの光束は変位格子４２に入射し、反射、回折して固定格子７２に向かう。固定格子７２では、変位格子４２からの２つの光束を反射、回折して合成する。合成された光は受光素子４４に入射する。固定格子７０と固定格子７２の位置が異なるため、図１０の場合と同様に受光素子４４において２つの光束が重なるように調整することができる。また、図１９から分かるように、変位格子４２とほぼ平行な面内に可干渉光源及び受光素子４４を配置することができるので、装置の上下方向のサイズを縮小して全体をコンパクトなものとすることができる。また、可干渉光源１０等の固定部材の設計も容易化される。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、装置の構成要素が少なく装置の小型化を図ることができ、また組み立て調整の手間も低減してステージ等への組み付けを容易化することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３７６９４
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
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| 【出願日】 |
平成１１年９月１７日（１９９９．９．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５２５８
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−９１２１５（Ｐ２００１−９１２１５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年４月６日（２００１．４．６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２６４６７３ |
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