JP5618898B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉を利用して回折格子が配置された面の垂直な方向の変位を検出する変位検出装置に関する。

従来から、被測定面に対して垂直な方向の変位を検出する変位検出装置が広く利用されている。このような変位検出装置は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された変位検出装置では、周波数のわずかに異なる２つの単色光の組を２組用いて、これら各組の２光束を第１の物体及び第２の物体の各回折格子に入射させる。各組の２光束の入射方向は、光軸の両側でその光軸に対して入射角の異なる非対称な方向であって且つ組間では光軸の両側で反転対称となる方向になっている。

次に、光軸の両側における対称な位置から２ビーム以上の光ヘテロダイン干渉させた回折光を取り出す。これにより、両回折格子が配置された面に水平なＸ方向及び両回折格子が配置された面に垂直なＺ方向の位置ずれにより生じる光路差変動量に基づいて、光ヘテロダイン検出信号の位相φxz，φxz ′を検出する。そして、位相φxz，φxz ′の２式の和と差により、両物体のＸ方向及びＺ方向の２次元位相変動量φx ，φz を算出している。

特開平６−２４１７２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された変位検出装置では、光ヘテロダイン検出信号に二つの方向の変位情報が位相として同時に含まれるため、Ｚ方向のみの変位を検出するには新たな演算手段を付加しなければならない。これにより、処理回路の複雑化、検出に関わる応答速度の低下及び分解能の低下を招いてしまう。

本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、回折格子が配置された面の垂直方向の変位のみを容易に検出することができる変位検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、照射光学系と、干渉光学系と、受光部と、変位検出部とを備えている。照射光学系は、回折格子の格子構造が周期的に並んでいる方向に垂直な面に対して、異なる方向から２つの光束を回折格子に入射させる。干渉光学系は、回折格子に入射された前記２つの光束うちの一方の光束が入射方向に回折したプラスｍ次の回折光と他方の光束が入射方向と反対方向に回折したマイナスｍ次の回折光とを干渉させて干渉光を生じさせる。受光部は、干渉光を受光して干渉信号を検出する。変位検出部は、干渉信号の変化から回折格子が設けられた面の垂直方向の変位を検出する。
また、別の照明光学系は、回折格子の格子構造が周期的に並んでいる方向に垂直な面に対して同一方向から異なる角度で２つの光束を前記回折格子に入射させる。この場合、干渉光学系は、前記回折格子に入射された前記２つの光束が入射方向に回折したプラスｍ次の回折光どうしまたは入射方向と反対方向に回折したマイナスｍ次の回折光どうしを干渉させて干渉光を生じさせる。

上記構成の変位検出装置では、照射光学系によって、回折格子の格子構造が周期的に並んでいる方向に垂直な面に対して、異なる角度で２つの光束を回折格子に入射させる。これにより、格子構造が周期的に並んでいる方向（Ｘ方向）へ回折格子が移動しても、回折格子に入射された各光束のＭ次回折光は、位相変化が同相になる。そのため、各光束のＭ次回折光を干渉させて得られる干渉信号に変化はない。

一方、回折格子が設けられた面が垂直方向（Ｚ方向）へ移動すると、２つの光束の幾何学的な光路長に変化が生じ、各光束のＭ次回折光における位相がずれる。このとき、各光束のＭ次回折光における位相のずれ量が異なるため、各光束のＭ次回折光を干渉させて得られる干渉信号に変化が生じる。この干渉信号の変化は、回折格子が設けられた面のＺ方向の変位に比例するため、干渉信号の変化から回折格子が設けられた面のＺ方向の変位を検出することができる。

また、上記構成の変位検出装置では、２つの光束を用いて回折格子が設けられた面の垂直方向の変位のみを検出できる。そのため、特許文献１に開示された技術のようにＸ方向の変位による干渉信号の変化をキャンセルするために二つの干渉計を用いる必要がなく、１つの干渉計を備えていればよい。したがって、部品点数を削減することができ、装置の小型化を図ることができる。

本発明によれば、回折格子が配置された面の垂直方向の変位のみを容易に検出することができる。

回折格子の第１の具体例を示す説明図である。 図２Ａ及び図２Ｂは回折角と回折次数の定義を示す説明図である。 本発明の変位検出装置に係る入射光と回折光の第１の例を示す説明図である。 図３に示す状態から回折格子を設けた面が垂直方向に移動したときの入射光と回折光の光路を示す説明図である。 本発明の変位検出装置に係る入射光と回折光の第２の例を示す説明図である。 図５に示す状態から回折格子を設けた面が垂直方向に移動したときの入射光と回折光の光路を示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第１の実施の形態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の実施の形態に係る第１の入射光及び第２の入射光を示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第１の実施の形態に係る第１の回折光を示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第１の実施の形態に係る第２の回折光を示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第２の実施の形態の構成を示す概略構成図である。 回折格子が設けられた面のピッチング方向又はアジマス方向への傾きを示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第２の実施の形態による干渉信号を示すグラフである。 回折格子が設けられた面がピッチング方向に傾いた場合に生じる検出誤差を示すグラフである。 回折格子が設けられた面がアジマス方向に傾いた場合に生じる検出誤差を示すグラフである。 本発明の変位検出装置の第３の実施の形態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４の実施の形態に係る入射光の入射位置を示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第５の実施の形態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５の実施の形態における回折光の重なりを示す説明図である。 図１９に示す面Ｅにおける回折光の重なりのずれを示す説明図である。 図１９に示す受光面における回折光の重なりのずれを示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第６の実施の形態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６の実施の形態における回折光の重なりを示す説明図である。 図２３に示す絞り部材における回折光の重なりのずれを示す説明図である。 図２３に示す受光面における回折光の重なりを示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第６の実施の形態における絞り部材の変形例を示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第７の実施の形態に係る受光部の受光面の例を示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第６の実施の形態において回折格子がピッチング方向へ回転した場合の回折光のずれを示す説明図である。 本発明の変位検出装置の第８の実施の形態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８の実施の形態に係る結像光学系の位置を示す説明図である。 回折格子の第２の具体例を示す説明図である。

以下、本発明の変位検出装置を実施するための形態について、図１〜図３１を参照して説明する。各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

〈回折格子〉
まず、被測定面に設けられる回折格子について、図１を参照して説明する。
図１Ａは、被測定面に設けられた回折格子の第１の具体例を示す平面図である。図１Ｂは、回折格子の第１の具体例を示す側面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示す回折格子１００は、被測定面に設けられおり、凹凸の格子構造が所定の方向へ周期的に並ぶように形成されている。以下、格子構造が周期的に並ぶ方向をＸ方向とし、格子ピッチをΛとする。また、回折格子１００が設けられた被測定面を格子面と呼ぶ。

〈回折角と回折次数の定義〉
次に、回折角と回折次数の定義について、図２を参照して説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、回折光の回折角と回折次数の定義を示す説明図である。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本開示では、回折格子１００が設けられた格子面の法線Ｎと入射光とがなす入射角θを常にプラス（＋）とする。回折光は、法線Ｎを基準として入射光側に回折するものを＋次数とし、その回折角θ_ｎをプラス（＋）とする。また、法線Ｎを基準として入射光とは反対側に回折するものを−次数とし、その回折角θ_ｎをマイナス（−）とする。
入射角θと回折角θ_ｎは、下記の条件式を満たす。

〈変位検出装置の基本原理〉
次に、変位検出装置の基本原理について、図３〜図５を参照して説明する。
図３は、本発明の変位検出装置に係る入射光と回折光の第１の例を示す説明図である。図４は、図３に示す格子面が垂直方向に移動したときの入射光と回折光の光路を示す説明図である。

図３に示す仮想面Ｆ１は、回折格子の格子構造が周期的に並んでいるＸ方向に沿った直線Ｓに垂直な面である。仮想面Ｆ２は、仮想面Ｆ１に垂直であって直線Ｓを含む面である。これら仮想面Ｆ１と仮想面Ｆ２が交わる線は、格子面の法線Ｎになる。また、図３に示す回折格子は、反射型の回折格子である。

入射光Ａ１，Ｂ１は、仮想面Ｆ１に対してそれぞれ反対の方向から角度θ_Ａ，θ_Ｂで回折格子の略同一点に入射する。入射光Ａ１，Ｂ１は回折格子により回折され、入射光Ａ１の＋ｍ次の回折光Ａ２と、入射光Ｂ１の−ｍ次の回折光Ｂ２が生じる。格子面が直線Ｓに沿った（＋）Ｘ方向にｘだけ移動すると、回折光Ａ２の振幅Ｅ_Ａと回折光Ｂ２の振幅Ｅ_Ｂは、次式で表される。なお、式中のＡは、回折光Ａ２の最大振幅であり、Ｂは、回折光Ｂ２の最大振幅である。

上記した式（２）及び式（３）を参照すると、格子面が直線Ｓに沿った（＋）Ｘ方向にｘだけ移動しても、回折光Ａ２及び回折光Ｂ２の位相変化は、同相になる。これにより、回折光Ａ２，Ｂ２を干渉させても干渉信号が全く変化しないことが判る。

図４に示すように、格子面が法線Ｎに沿って（＋）Ｚ方向にｚだけ移動すると、入射光Ａ１の入射点は、格子面上を（＋）Ｘ方向にztanθ_A移動する。一方、入射光Ｂ１の入射点は、格子面上を（−）Ｘ方向にztanθ_B移動する。また、回折光Ａ２，Ｂ２は、それぞれ幾何学的な光路長の変化ΔＬＡ，ΔＬＢを生じることにより、回折光Ａ２´，Ｂ２´となる。これら回折光Ａ２´，Ｂ２´の振幅Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂは、次式で表される。

そして、回折光Ａ２´，Ｂ２´を混合して干渉させると、干渉信号の強度Ｉは、次式で表される。

式（６）より、格子面のＺ方向の変位は、干渉信号の変化として検出できることが判る。また、ΔＬＡ−ΔＬＢは、次式で表される。

上記の式（７）により、位相の変化は、格子面のＺ方向の変位に比例することが判る。

図５は、本発明の変位検出装置に係る入射光と回折光の第２の例を示す説明図である。図６は、図５に示す格子面が垂直方向に移動したときの入射光と回折光の光路を示す説明図である。

入射光と回折光の第２の例では、入射光Ａ１，Ｂ１が仮想面Ｆ１の一側（同一の側）から角度θ_Ａ，θ_Ｂで回折格子の略同一点に入射する。入射光Ａ１，Ｂ１は回折格子により回折され、入射光Ａ１の＋ｍ次の回折光Ａ２と、入射光Ｂ１の＋ｍ次の回折光Ｂ２が生じる。この場合も、第１の例と同様に、格子面が直線Ｓに沿ったＸ方向にのみ移動しても、回折光Ａ２及び回折光Ｂ２の位相変化は、同相になり干渉信号はまったく変化しない。

図６に示すように、格子面が法線Ｎに沿って（＋）Ｚ方向にｚだけ移動すると、入射光Ａ１の入射点は、格子面上を（＋）Ｘ方向にztanθ_A移動する。一方、入射光Ｂ１の入射点は、格子面上を（＋）Ｘ方向にztanθ_B移動する。また、回折光Ａ２，Ｂ２は、それぞれ幾何学的な光路長の変化ΔＬＡ，ΔＬＢを生じることにより、回折光Ａ２´，Ｂ２´となる。これら回折光Ａ２´，Ｂ２´の振幅Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂは、次式で表される。

そして、回折光Ａ２´，Ｂ２´を混合して干渉させると、干渉信号の強度Ｉは、次式で表される。

式（１０）より、格子面のＺ方向の変位は、干渉信号の変化として検出できることが判る。また、ΔＬＡ−ΔＬＢは、次式で表される。

上記の式（１１）により、位相の変化は、格子面のＺ方向の変位に比例することが判る。上述の２つの例で説明したように、Ｘ方向に垂直な面に対して異なる角度で２つの光束を回折格子へ入射させることにより、格子面が垂直方向（Ｚ方向）に移動したときに干渉信号が変化するようになる。そして、干渉信号の変化は、格子面のＺ方向の変位に比例する。その結果、干渉信号の変化から格子面の垂直方向の変位を検出することができる。

なお、本発明に係るＭ次回折光とは、＋ｍ次と−ｍ次を含むものである。つまり、入射光と回折光の第１の例（図３及び図４参照）のように、格子面の法線Ｎの反対側から入射光Ａ１，Ｂ１が入射した場合は、＋ｍ次の回折光と−ｍ次の回折光の組み合わせとなる。また、入射光と回折光の第２の例（図５及び図６参照）のように、格子面の法線Ｎの同じ側から入射光Ａ１，Ｂ１が入射した場合は、２つの＋ｍ次の回折光あるいは２つの−ｍ次の回折光の組み合わせとなる。

したがって、変位検出装置は、回折格子の格子構造が周期的に並んでいる方向に垂直な面に対して、異なる角度でそれぞれ光束を回折格子に入射させる照射光学系を備える必要がある。さらに、回折格子に入射された２つの光束のＭ次回折光を干渉させて干渉光を生じさせる干渉光学系と、干渉光を受光して干渉信号を検出する受光部と、干渉信号の変化から格子面の垂直方向の変位を検出する変位検出部とを備えていればよい。

〈変位検出装置の第１の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第１の実施の形態について、図７を参照して説明する。
図７は、変位検出装置の第１の実施の形態の構成を示す概略構成図である。

図７に示すように、変位検出装置１は、照射光学系２と、干渉光学系３と、受光部４と、変位検出部５と、１／４波長板７，８と、ミラー９，１０を備えている。また、被測定面（格子面）には、反射型の回折格子１００が設けられている。

照射光学系２は、回折格子１００の格子構造が周期的に並んでいるＸ方向に垂直な面に対して反対の方向からそれぞれ光束を回折格子１００に入射させる。この照射光学系２は、光源１２と、コリメータレンズ１３と、偏光ビームスプリッタ１４と、ミラー１５，１６から構成されている。

光源１２は、例えば、マルチモードの半導体レーザやＬＥＤ等から構成されており、可干渉光を出射する。マルチモードの半導体レーザは、周波数が外気温に比例して変化するため、シングルモードの半導体レーザでは避けられないモードホップによる誤差を防ぐことができる。

コリメータレンズ１３は、光源１２と偏光ビームスプリッタ１４との間に配置されており、光源１２からの出射光を平行光にする。偏光ビームスプリッタ１４は、コリメータレンズ１３を通った光源１２からの光を第１の入射光Ａ１と第２の入射光Ｂ１の２つの光束に分割する。この偏光ビームスプリッタ１４は、例えば、光源１２からの光のうちのｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する。また、偏光ビームスプリッタ１４は、光源１２の偏光方向に対して４５度傾けられているため、入射光Ａ１と入射光Ｂ１の光量は、１：１となる。

ミラー１５は、入射光Ａ１を反射して回折格子１００に入射させ、ミラー１６は、入射光Ｂ１を反射して回折格子１００に入射させる。これらミラー１５，１６の表面には、金属皮膜が施されている。これにより、一般的な誘電体多層膜で生じる湿度の変化による偏光や波長特性の変化を抑えることができ、安定した変位検出が可能になる。

入射光Ａ１，Ｂ１は、ミラー１５，１６によって光軸方向を変えられ、回折格子１００の略同一点に入射される。そして、入射光Ａ１が回折格子１００で回折されることにより＋ｍ次の回折光Ａ２が生じ、入射光Ｂ１が回折格子１００で回折されることにより、−ｍ次の回折光Ｂ２が生じる。

ここで、入射光Ａ１，Ｂ１の回折格子１００への入射方向について、図８を参照して説明する。
図８は、変位検出装置の第１の実施の形態に係る第１の入射光及び第２の入射光を示す説明図である。

図８に示すように、直線Ｌ及び入射光Ａ１，Ｂ１は、仮想面Ｆ３上にある。この仮想面Ｆ３は、Ｘ方向に沿った直線Ｓを含み格子面の法線Ｎに対してα度傾いた面である。この仮想面Ｆ３の傾斜角度αは、回折格子１００からの０次回折光が照射光学系２や干渉光学系３等の光路に混入しない程度の角度にする。これにより、ノイズを少なくすることができ、格子面のＺ方向への変位を高精度に検出することができる。
なお、仮想面Ｆ３は、格子面の法線に対して平行であってもよい。その場合は、直線Ｌが格子面の法線Ｎに一致する。

また、入射光Ａ１，Ｂ１は、Ｘ方向に垂直な面に対して反対の方向から回折格子１００上の略同一点に入射されており、入射角がそれぞれθ_Ａ，θ_Ｂになっている。入射光Ａ１，Ｂ１が回折格子１００の略同一点に入射することにより、回折格子１００の厚みや屈折率のムラによる影響が少なくなる。具体的には、後述する回折光Ａ２と回折光Ｂ２との光路長に差が生じず、格子面のＺ方向への変位をより高精度に検出することができる。

次に、回折光Ａ２について図９を参照して説明する。
図９は、第１の回折光である回折光Ａ２を示す説明図である。

図９に示すように、回折光Ａ２は、仮想面Ｆ４上にあり、Ｘ方向に垂直な面に対してθ_Ａ’の角度に傾いている。つまり、回折光Ａ２の回折角は、θ_Ａ’になっている。なお、仮想面Ｆ４は、Ｘ方向に沿った直線Ｓを含み格子面の法線に対してβ度傾いた面である。上述したように、入射角θ_Ａと回折角θ_Ａ’との関係は、式（１）で表される。また、傾斜角度αと傾斜角度βとの関係は、次式で表される。

上記式（１２）から判るように、θ_Ａ＝θ_Ａ’の場合には、α＝βとなり、θ_Ａ≠θ_Ａ’の場合には、α≠βとなる。

次に、回折光Ｂ２について図１０を参照して説明する。
図１０は、第２の回折光である回折光Ｂ２を示す説明図である。

図１０に示すように、回折光Ｂ２は、仮想面Ｆ５上にあり、Ｘ方向に垂直な面に対してθ_Ｂ’の角度に傾いている。つまり、回折光Ｂ２の回折角は、θ_Ｂ’になっている。なお、仮想面Ｆ５は、Ｘ方向に沿った直線Ｓを含み格子面の法線に対してβ´度傾いた面である。入射角θ_Ｂと回折角θ_Ｂ’との関係は、上述したように、式（１）で表される。また、傾斜角度αと傾斜角度β´との関係は、傾斜角度αと傾斜角度βとの関係と同様に、次式で表される。

上記式（１３）から判るように、θ_Ｂ＝θ_Ｂ’の場合には、α＝β´となり、θ_Ｂ≠θ_Ｂ’の場合には、α≠β´となる。

再び図７を参照して、変位検出装置１の構成について説明に戻る。
図７に示すように、ミラー９は、回折光Ａ２の光路上に配置されており、このミラー９と回折格子１００との間に１／４波長板７が配置されている。また、ミラー１０は、回折光Ｂ２の光路上に配置されており、このミラー１０と回折格子１００との間に１／４波長板８が配置されている。

１／４波長板７，８の光学軸は、回折格子１００によって回折された回折光Ａ２，Ｂ２の偏光方向に対して４５度傾けられている。
ミラー９，１０は、それぞれ回折光Ａ２，Ｂ２の光軸に対して垂直に設けられており、回折光Ａ２，Ｂ２を反射して回折格子１００へ戻す。これらミラー９，１０の表面には、ミラー１５，１６と同様に、金属皮膜が施されている。

ミラー９によって反射された回折光（戻り光）Ａ２は、１／４波長板７を通過して回折格子１００へ入射される。これにより、回折格子１００で２回回折された２回回折光Ａ３が生じる。
また、ミラー１０によって反射された回折光（戻り光）Ｂ２は、１／４波長板８を通過して回折格子１００へ入射される。これにより、回折格子１００で２回回折された２回回折光Ｂ３が生じる。

干渉光学系３は、偏光ビームスプリッタ１４と、上述したミラー１５，１６から構成されている。つまり、本実施の形態では、偏光ビームスプリッタ１４及びミラー１５，１６は、照射光学系２と干渉光学系３を兼ねている。

干渉光学系３としてのミラー１５は、回折格子１００で２回回折された２回回折光Ａ３を反射して偏光ビームスプリッタ１４へ導く。一方、干渉光学系３としてのミラー１６は、回折格子１００で２回回折された２回回折光Ｂ３を反射して偏光ビームスプリッタ１４へ導く。

干渉光学系３としての偏光ビームスプリッタ１４は、ミラー１５，１６から反射された２つの２回回折光Ａ３，Ｂ３を重ね合わせて干渉させる。具体的には、ミラー１５により反射された２回回折光Ａ３を透過し、ミラー１６により反射された２回回折光Ｂ３を反射することにより、２つの２回回折光Ａ３，Ｂ３を干渉させる。

上述したように、１／４波長板７，８の光学軸は、回折格子１００によって回折された回折光Ａ２，Ｂ２の偏光方向に対して４５度傾けられている。そのため、入射光Ａ１を基準にして１／４波長板７を２回通過した光束である２回回折光Ａ３は、偏光ビームスプリッタ１４を透過する。また、入射光Ｂ１を基準にして１／４波長板８を２回通過した光束である２回回折光Ｂ３は、偏光ビームスプリッタ１４により反射される。

受光部４は、レンズ１８と、１／４波長板１９と、ビームスプリッタ２１と、２つの偏光ビームスプリッタ２２，２３と、４つの受光素子２４，２５，２６，２７から構成されている。

レンズ１８は、２回回折光Ａ３と２回回折光Ｂ３との干渉光を絞り、４つの受光素子２４〜２７の受光面上のスポットを適当な大きさにする。１／４波長板１９は、２回回折光Ａ３及び２回回折光Ｂ３の偏光面に対して光学軸が４５度傾くように配置されている。そのため、１／４波長板１９を通過した２回回折光Ａ３及び２回回折光Ｂ３は、互いに逆周りの円偏光となる。この互いに逆周りの円偏光は同一光路上にあるため、重ね合わされることにより直線偏光となり、ビームスプリッタ２１に入射する。

ビームスプリッタ２１は、２回回折光Ａ３と２回回折光Ｂ３との干渉光を２つの光束に分割する。偏光ビームスプリッタ２２，２３は、２回回折光Ａ３及び２回回折光Ｂ３の両方の偏光方向に対して、その入射面が４５度傾くように配置されている。したがって、２回回折光Ａ３と２回回折光Ｂ３との干渉光は、偏光ビームスプリッタ２２，２３に対してそれぞれｐ偏光成分及びｓ偏光成分を有することになる。

例えば、２回回折光Ａ３と２回回折光Ｂ３との干渉光におけるｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２２によって反射され、第１の受光素子２４により受光される。一方、２回回折光Ａ３と２回回折光Ｂ３との干渉光におけるｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２２を透過して、第２の受光素子２５により受光される。第１の受光素子２４で光電変換される電気信号と第２の受光素子２５で光電変換される電気信号は、互いに１８０度位相が異なる。

また、２回回折光Ａ３と２回回折光Ｂ３との干渉光におけるｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２３を透過して、第３の受光素子２６により受光される。一方、２回回折光Ａ３と２回回折光Ｂ３との干渉光におけるｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２３によって反射され、第４の受光素子２７により受光される。第３の受光素子２６で光電変換される電気信号と第４の受光素子２７で光電変換される電気信号は、互いに１８０度位相が異なる。

本実施形態の偏光ビームスプリッタ２２は、偏光ビームスプリッタ２３に対して４５度傾けて配置されている。そのため、第１の受光素子２４と第２の受光素子２５により得られる電気信号は、第３の受光素子２６と第４の受光素子２７により得られる電気信号に対して９０度位相がずれている。

第１の受光素子２４と第２の受光素子２５において得られる電気信号と、第３の受光素子２６と第４の受光素子２７において得られる電気信号は、変位検出部５の差動増幅器（不図示）により作動増幅され、直流成分がキャンセルされた９０度位相の異なる電気信号となる。そして、９０度位相の異なる電気信号は、それぞれＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換され、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の演算器に入力される。

変位検出部５の演算器は、得られた電気信号（干渉信号）の変化に基づいて、格子面のＺ方向の変位を演算する。また、９０度位相の異なる電気信号は、変位検出部５に設けられたパルス弁別回路（不図示）により正逆の判別が行われる。つまり、格子面が（＋）Ｚ方向と（−）Ｚ方向のいずれに変位したのかが判別される。

本実施の形態では、入射光Ａ１に係る光路長と入射光Ｂ１に係る光路長が等しくなっている。具体的には、光源１２として可干渉距離が数百μｍ程度のマルチモードの半導体レーザを採用し、干渉信号のビジビリティが最大になるようにミラー１５、１６の位置を調整している。これにより、干渉させる２つの光束における光路長の差を小さくすることができるため、光源１２の波長変動に起因する検出誤差を最小にすることができる。

次に、変位検出装置１動作について説明する。

図７に示すように、光源１２から出射された出射光は、コリメータレンズ１３によって平行光となり、偏光ビームスプリッタ１４によって入射光Ａ１と入射光Ｂ１に分割される。入射光Ａ１は、ミラー１５によって反射され、回折格子１００に入射される。一方、入射光Ｂ１は、ミラー１６によって反射され、回折格子１００に入射される。このとき、入射光Ａ１と入射光Ｂ１は、回折格子１００の格子構造が周期的に並んでいるＸ方向に垂直な面に対して反対側から回折格子１００に入射しており、それぞれの入射点が略同一になっている。

入射光Ａ１が回折格子１００で回折されると、＋ｍ次の回折光Ａ２が生じる。この回折光Ａ２は、１／４波長板７を通過してミラー９で反射され、再び１／４波長板７を通過して回折格子１００に入射し、回折される。回折光Ａ２が回折格子１００で回折されると、２回回折光Ａ３が生じる。この２回回折光Ａ３は、入射光Ａ１の光路を戻り、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

一方、入射光Ｂ１が回折格子１００で回折されると、−ｍ次の回折光Ｂ２が生じる。この回折光Ｂ２は、１／４波長板８を通過してミラー１０で反射され、再び１／４波長板８を通過して回折格子１００に入射し、回折される。回折光Ｂ２が回折格子１００で回折されると、２回回折光Ｂ３が生じる。この２回回折光Ｂ３は、入射光Ｂ１の光路を戻り、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

ここで、２回回折光Ａ３，Ｂ３の振幅を説明する。
２回回折光Ａ３は、ミラー９により反射されて折り返すことにより、回折格子１００で２回の回折を行っている。また、２回回折光Ｂ３は、ミラー１０により反射されて折り返すことにより、回折格子１００で２回の回折を行っている。そのため、回折面が（＋）Ｘ方向に移動したときの２回回折光Ａ３，Ｂ３の振幅Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂは、次式で表される。

式（１４）及び式（１５）から判るように、２回回折光Ａ３と２回回折光Ｂ３は同相であるため、回折面が（＋）Ｘ方向に移動したときに、これら２回回折光Ａ３，Ｂ３を干渉させても干渉信号は変化しない。

次に、格子面がＺ方向に移動した場合について説明する。
格子面がＺ方向に移動した場合の入射光Ａ１、Ｂ１の入射点の位置ずれは、図４に示すものと同様になるが、回折を２回行っている２回回折光Ａ３，Ｂ３の振幅Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂは、次式で表される。

式（１６）に示すΔＬＡ´は、式（４）に示したΔＬＡの約２倍の値となる。これと同様に、式（１７）に示すΔＬＢ´は、式（５）に示したΔＬＢの約２倍の値となる。

このような振幅となる２回回折光Ａ３，Ｂ３は、偏光ビームスプリッタ１４によって重ね合わされて干渉する。これにより得られる干渉信号の強度Ｉは、次式で表され、格子面のＺ方向の変位を干渉信号の変化として検出できる。

重ね合わされた２回回折光Ａ３，Ｂ３は、レンズ１８及び１／４波長板１９を通過し、互いに逆周りの円偏光になる。この互いに逆周りの円偏光は同一光路上にあるため、重ね合わされることにより直線偏光となり、干渉光としてビームスプリッタ２１に入射する。２回回折光Ａ３，Ｂ３の干渉光は、ビームスプリッタ２１により分割され、それぞれ偏光ビームスプリッタ２２，２３に入射する。

偏光ビームスプリッタ２２に入射した２回回折光Ａ３，Ｂ３の干渉光は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分に分割される。そして、ｓ偏光成分は第１の受光素子２４に受光され、ｐ偏光成分は第２の受光素子２５に受光される。
これと同様に、偏光ビームスプリッタ２３に入射した２回回折光Ａ３，Ｂ３の干渉光は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分に分割される。そして、ｐ偏光成分は第３の受光素子２６に受光され、ｓ偏光成分は第４の受光素子２７に受光される。

各受光素子２４〜２７によって光電変換された電気信号は、変位検出部５に入力される。変位検出部５では、まず、第１の受光素子２４と第２の受光素子２５で得られた電気信号を差動増幅器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、直流成分がキャンセルされた電気信号を、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換し、演算器に送信する。演算器は、受信したデジタル信号に波形補正処理を行った後、例えばＡ相のインクリメンタル信号を生成する。

また、変位検出部５では、第３の受光素子２６及び第４の受光素子２７で得られた電気信号を、差動増幅器によって差動増幅し、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換し、演算器に送信する。演算器は、受信したデジタル信号に波形補正処理を行った後、Ａ相と位相が９０度異なるＢ相のインクリメンタル信号を生成する。

変位検出部は、生成したインクリメンタル信号の単位時間の位相変化をカウンタによってカウントし、そのカウント値に基づいて格子面のＺ方向の変位量を検出する。この変位量は、一方のインクリメンタル信号のみから検出可能であるが、本実施の形態では、位相が９０度異なる２つのインクリメンタル信号を用いる。これにより、変位方向を弁別することが可能になり、また、二つの信号からＡｔａｎθを演算すること等により、大きな倍率の信号の内挿をすることが可能となり、高い分解能を得ることができる。その結果、変位量を高精度に検出することができる。

また、２つのインクリメンタル信号は、パルス弁別回路等により正逆の判別が行われる。これにより、格子面のＺ方向への変位量が、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、変位検出装置１としては、ＥＰ−ＲＯＭ（Erasable Programmable−ROM）等の記憶素子を備えていてもよい。外部の測定器によって測定された格子面のＺ方向への変位量に係るデータを記憶素子に記憶することにより、演算器は、検出した変位量と、記憶素子に記憶された変位量に係るデータを比較して、検出値の補正をする事が可能になる。

〈変位検出装置の第２の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第２の実施の形態について、図１１及び図１２を参照して説明する。
図１１は、変位検出装置の第２の実施の形態の構成を示す概略構成図である。図１２は、格子面のピッチング（Pitching）方向又はアジマス（Azimath）方向への傾きを示す説明図である。

図１１に示すように、第２の実施の形態の変位検出装置３１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図７参照）と同様の構成を有している。この変位検出装置３１が変位検出装置１と異なるところは、照射光学系３２のレンズ４３と、回折光Ａ２，Ｂ２の光路上にレンズ４４，４５を配置した点である。

照射光学系３２のレンズ４３は、コリメートレンズではなく、偏光ビームスプリッタ１４によって分割される入射光Ａ１，Ｂ１を回折格子１００上に適当な大きさで結像させるレンズである。
また、レンズ４４、４５は、その焦点位置が回折格子１００上に一致するように配置されている。

入射光Ａ１が回折格子１００で回折されると、＋ｍ次の回折光Ａ２が生じる。この回折光Ａ２は、レンズ４４、１／４波長板７を通過してミラー９で反射され、再び１／４波長板７とレンズ４４を通過して回折格子１００に入射し、回折される。回折光Ａ２が回折格子１００で回折されると、２回回折光Ａ３が生じる。この２回回折光Ａ３は、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

一方、入射光Ｂ１が回折格子１００で回折されると、−ｍ次の回折光Ｂ２が生じる。この回折光Ｂ２は、レンズ４５、１／４波長板８を通過してミラー１０で反射され、再び１／４波長板８とレンズ４５を通過して回折格子１００に入射し、回折される。回折光Ｂ２が回折格子１００で回折されると、２回回折光Ｂ３が生じる。この２回回折光Ｂ３は、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

ところで、回折格子１００が設けられた格子面は、図１２に示すピッチング（Pitching）方向とアジマス（Azimath）方向に傾く場合がある。アジマス方向は、格子構造が周期的に並ぶＸ方向に沿った軸を中心に格子面が回転する方向である。また、ピッチング方向は、Ｘ方向とＺ方向（垂直方向）に垂直な方向に沿った軸を中心に格子面が回転する方向である。

変位検出装置３１では、上記構成にしたことにより、格子面がピッチング方向やアジマス方向に傾いても、レンズ４４、４５の焦点位置が回折格子１００上にある。そのため、回折光Ａ２，Ｂ２は、常にミラー９に垂直に入射し、その戻り光は同一の光路を通過して回折格子１００の同一の入射点に入射する。したがって、回折光Ａ２，Ｂ２とその戻り光の光路長は、等しくなる。これにより、格子面がピッチング方向やアジマス方向に傾いても、受光素子２４〜２７が検出する干渉信号の低下を抑制することができる。したがって、格子面に振動やぶれ等があっても安定してＺ方向の変位を検出することができる。

なお、変位検出装置３１では、格子面がＺ方向に移動すると、レンズ４４、４５の存在によりミラー９，１０に反射された回折光Ａ２，Ｂ２（戻り光）の回折格子１００への入射点が、入射光Ａ１，Ｂ１の回折格子１００への入射点から少しずれる。そのため、干渉信号の強度Ｉは、式（１４）に示すように単純にはならない。しかし、光線追跡により光路長の変化を求め、変位検出装置３１で得られる干渉信号の強度Ｉを計算したところ、式（１１）と同様にＺ方向の変位に伴って位相がリニアに変化する結果が得られた。

図１３に示すグラフは、光源の波長７９０ｎｍ、格子ピッチ１μｍ、入射角度θ_Ａ，θ_B及び傾斜角度αが約２度の場合の計算結果である。この場合における干渉信号の１周期は、約４μｍである。
上記条件で格子面（回折格子１００）がピッチング方向に傾いた場合に生じる誤差量の計算結果を図１４に示す。また、上記条件で格子面がアジマス方向に傾いた場合に生じる誤差量の計算結果を図１５に示す。

図１４及び図１５のグラフを参照すると、格子面のＺ方向の変位がゼロの場合（格子面が基準位置にある場合）は、格子面がピッチング方向及びアジマス方向に傾いても、誤差が生じないことが確認できる。また、格子面のＺ方向の変位がゼロではない場合（格子面がＺ方向に変位した場合）は、検出誤差が生じることが確認できる。
この場合の「検出誤差」は、格子面がＺ方向に変位していないのに、格子面の傾きによって干渉信号の位相が変化することにより生じる。これは、格子面がＺ方向に変位したときに格子面が傾いていると、入射光Ａ１，Ｂ１の回折格子１００上の入射点が１点に重ならなくなり、二つの光路で光路長差が生じることに起因している。

例えば、予め誤差補正テーブルを作成して記憶素子に記憶し、格子面の傾斜角度に基づいて誤差補正テーブルから適正な補正値を抽出することにより、格子面の傾きによる格子面のＺ方向への変位量の誤差を補正することができる。なお、格子面の傾きは、例えば、角度センサや回転センサ等により検出できる。

〈変位検出装置の第３の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第３の実施の形態について、図１６を参照して説明する。
図１６は、変位検出装置の第３の実施の形態の構成を示す概略構成図である。

図１６に示すように、第３の実施の形態の変位検出装置５１は、第２の実施の形態の変位検出装置３１（図１１参照）と同様の構成を有している。この変位検出装置５１が変位検出装置３１と異なるところは、入射光Ａ１の−ｍ次の回折光Ａ２´と、入射光Ｂ１の＋ｍ次の回折光Ｂ２´を用いる点である。

図１６に示すように、レンズ４４、１／４波長板７及びミラー９は、入射光Ａ１の−ｍ次の回折光Ａ２´の光路上に配置されている。また、レンズ４５、１／４波長板８及びミラー１０は、入射光Ｂ１の＋ｍ次の回折光Ｂ２´の光路上に配置されている。

１／４波長板７，８の光学軸は、回折格子１００によって回折された回折光Ａ２´，Ｂ２´の偏光方向に対して４５度傾けられている。
ミラー９，１０は、それぞれ回折光Ａ２´，Ｂ２´の光軸に対して垂直に設けられており、回折光Ａ２´，Ｂ２´を反射して回折格子１００へ戻す。

入射光Ａ１が回折格子１００で回折されると、−ｍ次の回折光Ａ２´が生じる。この回折光Ａ２´は、レンズ４４、１／４波長板７を通過してミラー９で反射され、再び１／４波長板７とレンズ４４を通過して回折格子１００に入射し、回折される。このとき、回折光Ａ２´の戻り光の焦点は、回折格子１００上にある。回折光Ａ２´が回折格子１００で回折されると、２回回折光Ａ３´が生じる。この２回回折光Ａ３´は、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

一方、入射光Ｂ１が回折格子１００で回折されると、＋ｍ次の回折光Ｂ２´が生じる。この回折光Ｂ２´は、レンズ４５、１／４波長板８を通過してミラー１０で反射され、再び１／４波長板８とレンズ４５を通過して回折格子１００に入射し、回折される。このとき、回折光Ｂ２´の戻り光の焦点は、回折格子１００上にある。回折光Ｂ２´が回折格子１００で回折されると、２回回折光Ｂ３´が生じる。この２回回折光Ｂ３´は、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。

変位検出装置５１において格子面がＺ方向に移動したときの干渉信号と、変位検出装置３１において格子面がＺ方向に移動したときの干渉信号とは、位相の変化方向が反対になる。つまり、変位検出装置５１では、図１３に示すグラフの傾きが反対になる。しかし、本実施の形態の変位検出装置５１と、第２の実施の形態の変位検出装置とは、格子面の傾きにより生じるＺ方向への変位量の誤差は、同じになる。

〈変位検出装置の第４の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第４の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態の変位検出装置は、第２の実施の形態の変位検出装置３１と、第３の実施の形態の変位検出装置５１から構成される。

変位検出装置３１における入射光の回折格子１００への入射点は、変位検出装置５１における入射光の回折格子１００への入射点と一致している。例えば、変位検出装置３１における入射光は、図７に示す仮想面Ｆ３側から入射され、変位検出装置５１における入射光は、図７に示す仮想面Ｆ４側から入射されている。

また、変位検出装置３１における入射光の入射角θ_Ａ，θ_Ｂは、変位検出装置５１における入射光の入射角θ_Ａ，θ_Ｂと同一になっている。

第３の実施の形態の説明で記載したように、変位検出装置３１と変位検出装置５１とは、格子面がＺ方向に移動したときの干渉信号における位相の変化方向が反対になる。そして、格子面の傾きにより生じるＺ方向への変位量の誤差は、同じになる。
したがって、変位検出装置３１により検出される干渉信号の位相と、変位検出装置５１により検出される干渉信号の位相の差を演算し、その演算結果から格子面のＺ方向の変位量を検出する。これにより、格子面の傾きにより生じる変位量の誤差成分をキャンセルすることができる。

次に、第４の実施の形態の変位検出装置の変形例について、図１７を参照して説明する。
図１７は、変形例に係る入射光の入射位置を示す説明図である。

格子面がピッチング方向に傾いた場合に生じる誤差は、格子面がアジマス方向に傾いた場合に生じる誤差よりも大きくなる（図１４及び図１５参照）。
そこで、変形例では、格子面がピッチング方向に傾いた場合に生じる誤差のみをキャンセルする。この場合は、図１７に示すように、変位検出装置３１における入射光の入射点Ｐ１と、変位検出装置５１における入射光の入射点Ｐ２を、Ｘ方向とＺ方向に垂直な方向に離なす。これにより、格子面がピッチング方向に傾いても、入射点Ｐ１，Ｐ２において、２つの入射光が重なるため、格子面のＺ方向への変位の検出に誤差は生じない。

〈変位検出装置の第５の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第５の実施の形態について、図１８を参照して説明する。
図１８は、変位検出装置の第５の実施の形態の構成を示す概略構成図である。

図１８に示すように、第５の実施の形態の変位検出装置６１は、第１の実施の形態の変位検出装置１（図７参照）と同様の構成を有している。この変位検出装置６１が変位検出装置１と異なるところは、照射光学系６２と、干渉光学系６３である。

変位検出装置６１は、照射光学系６２と、干渉光学系６３と、受光部４と、変位検出部５を備えている。また、被測定面には、反射型の回折格子１００が設けられている。

照射光学系６２は、回折格子１００の格子構造が周期的に並んでいるＸ方向に垂直な面の一側からそれぞれ光束を回折格子１００に入射させる。この照射光学系６２は、光源１２と、コリメータレンズ１３と、ビームスプリッタ６４と、ミラー１５，１６から構成されている。

本例の光源１２は、例えば、マルチモードの半導体レーザであり、Ｐ偏光の光を出射する。コリメータレンズ１３は、光源１２からの出射光を平行光にする。ビームスプリッタ６４は、コリメータレンズ１３を通った光源１２からの光を第１の入射光Ａ１と第２の入射光Ｂ１の２つの光束に分割する。このビームスプリッタ６４は、例えば、ハーフミラーであり、入射光Ａ１と入射光Ｂ１の光量が１：１となる。

ミラー１５は、入射光Ａ１を反射して回折格子１００に入射させ、ミラー１６は、入射光Ｂ１を反射して回折格子１００に入射させる。入射光Ａ１，Ｂ１は、ミラー１５，１６によって光軸方向を変えられ、Ｘ方向に垂直な面の一側からそれぞれ回折格子１００の略同一点に入射される。そして、入射光Ａ１が回折格子１００で回折されることにより＋ｍ次の回折光Ａ２が生じ、入射光Ｂ１が回折格子１００で回折されることにより、＋ｍ次の回折光Ｂ２が生じる。

干渉光学系６３は、ミラー６５，６６と、ダミーガラス６７と、１／２波長板６８と、偏光ビームスプリッタ６９から構成されている。

ミラー６５は、回折格子１００で回折され回折光Ａ２を反射して偏光ビームスプリッタ６９へ導く。また、ミラー６６は、回折格子１００で回折された回折光Ｂ２を反射して偏光ビームスプリッタ６９へ導く。これらミラー６５，６６の角度は、偏光ビームスプリッタ６９を通過後の回折光Ａ２，Ｂ２が正確に重なるように調整される。

ダミーガラス６７は、ミラー６６と偏光ビームスプリッタ６９との間に配置されており、１／２波長板６８と略同一の光路長となるように厚さが設定されている。回折光Ｂ２は、ダミーガラス６７を通過し、偏光方向が変わらずにｐ偏光として偏光ビームスプリッタ６９に入射する。
１／２波長板６８は、ミラー６５と偏光ビームスプリッタ６９との間に配置されており、回折光Ａ２の偏光方向を９０度回転させる。つまり、回折光Ａ２は、１／２波長板６８を通過することにより、ｐ偏光からｓ偏光になる。

偏光ビームスプリッタ６９は、１／２波長板６８を通過したｓ偏光の回折光Ａ２を反射し、ダミーガラス６７を通過したｐ偏光の回折光Ｂ２を透過することにより、２つの回折光Ａ２，Ｂ２を重ね合わせて干渉させる。
なお、受光部４及び変位検出部５については、第１の実施の形態と同様の構成であるため、説明を省略する。

次に、変位検出装置６１動作について説明する。

図１８に示すように、光源１２から出射された出射光は、コリメータレンズ１３によって平行光となり、ビームスプリッタ６４によって入射光Ａ１と入射光Ｂ１に分割される。入射光Ａ１は、ミラー１５によって反射され、入射角度θ_Ａで回折格子１００に入射される。一方、入射光Ｂ１は、ミラー１６によって反射され、入射角度θ_Ｂで回折格子１００に入射される。

つまり、入射光Ａ１と入射光Ｂ１は、回折格子１００の格子構造が周期的に並んでいるＸ方向に垂直な面に対して異なる角度で回折格子１００に入射しており、それぞれの入射点が略同一になっている。

入射光Ａ１が回折格子１００で回折されると、＋ｍ次の回折光Ａ２が生じる。この回折光Ａ２は、Ｘ方向に垂直な面に対してθ_Ａ’の角度に傾いている。つまり、回折光Ａ２の回折角は、θ_Ａ’になっている。回折光Ａ２は、ミラー６５で反射され、ダミーガラス６８を通過して偏光ビームスプリッタ６９に入射する。

一方、入射光Ｂ１が回折格子１００で回折されると、＋ｍ次の回折光Ｂ２が生じる。この回折光Ｂ２は、Ｘ方向に垂直な面に対してθ_Ｂ’の角度に傾いている。つまり、回折光Ｂ２の回折角は、θ_Ｂ’になっている。回折光Ｂ２は、ミラー６６で反射され、１／２波長板６７を通過して偏光ビームスプリッタ６９に入射する。

回折光Ａ２，Ｂ２は、偏光ビームスプリッタ６９によって重ね合わされて干渉する。重ね合わされた回折光Ａ２，Ｂ２は、受光部４のレンズ１８及び１／４波長板１９を通過し、互いに逆周りの円偏光になる。

その後の受光部４及び変位検出部５の動作については、第１の実施の形態と同様である。つまり、変位検出部は、生成したインクリメンタル信号の単位時間の位相変化をカウンタによってカウントし、そのカウント値に基づいて格子面のＺ方向の変位量を検出する。

本実施の形態の変位検出装置６１において、格子面がＺ方向に移動した場合の回折光Ａ２，Ｂ２の振幅Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂは、上述の式（８），（９）で表される。そして、干渉信号の強度Ｉは、式（１０）で表される。

ところで、回折格子の周期Λが小さくなり入射光の波長λに近づいてくると、回折光の回折効率が入射光の偏光方向に依存するようになる。そして、ｐ偏光の入射光に対して高い回折効率を示すようになる。本実施の形態では、入射光Ａ１及び入射光Ｂ１をｐ偏光にしたため、高い回折効率を得ることができ、高い分解能の変位検出を行うことができる。

図１９Ａは、変位検出装置６１における回折光の重なりのずれを示す説明図である。図１９Ｂは、図１９Ａに示すＤ部の拡大図である。なお、図１９Ａ及び図１９Ｂでは、レンズ１８から各受光素子２４〜２７の受光面までの構成要素を省略して、回折光Ａ２，Ｂ２の重なりのずれをわかり易く示している。

図２０は、図１９Ｂに示す面Ｅにおける回折光Ａ２，Ｂ２の重なりのずれを示す説明図である。図２１は、図１９Ｂに示す受光面における回折光Ａ２，Ｂ２の重なりのずれを示す説明図である。

図１９〜図２１に示すように、変位検出装置６１では、格子面（回折格子１００）がＺ方向へ移動した場合に、回折光Ａ２，Ｂ２の重なりにずれが生じる。これにより、干渉信号が小さくなるため、検出可能なＺ方向の範囲が狭くなってしまう。

本実施の形態では、光源１２としてマルチモードの半導体レーザを適用した。これにより、シングルモードの半導体レーザでは避けられないモードホップによる誤差を防ぐことができる。また、マルチモードの半導体レーザは、シングルモードの半導体レーザに比べ可干渉距離が短いため、干渉信号のビジビリティーを最大にすることができる。これにより、干渉させる二つの回折光Ａ２，Ｂ２の光路長差を最小にすることが可能となり、半導体レーザの発信波長の変化による誤差発生を軽減することができる。

なお、マルチモードの半導体レーザを適用した場合の可干渉距離は、式（１１）で示されるΔＬＡ-ΔＬＢよりも十分長い必要がある。なぜなら、可干渉距離がΔＬＡ-ΔＬＢより短いとΔＬＡ-ΔＬＢにより生じる光路長差によって干渉信号が大きく低下してしまうからである。

また、本発明に係る光源としては、モードホップが発生しないＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザあるいはＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザを用いることも有効である。なお、ＤＦＢレーザ及びＤＢＲレーザは可干渉距離が長いため、事前に可干渉距離の短い光源を用いて光路を調整しておくか、ＤＦＢレーザあるいはＤＢＲレーザの温度を精密に制御して波長変動による誤差を防ぐことが必要になる。

〈変位検出装置の第６の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第６の実施の形態について、図２２を参照して説明する。
図２２は、変位検出装置の第６の実施の形態の構成を示す概略構成図である。

第６の実施の形態の変位検出装置７１は、第５の実施の形態の変位検出装置６１の問題点（図１９〜図２１参照）を改善するものである。変位検出装置７１は、第５の実施の形態の変位検出装置６１（図１８参照）と同様の構成を有している。この変位検出装置７１が変位検出装置６１と異なるところは、絞り部材７２を備えることである。

図２２に示すように、絞り部材７２は、偏光ビームスプリッタ６９とレンズ１８との間に配置されている。絞り部材７２の開口は、円形に形成されており、格子面（回折格子１００）がＺ方向へ移動しても回折光Ａ２，Ｂ２の重なっている部分のみが通過可能な径に設定されている。
なお、絞り部材７２は、開口の大きさを調整可能なものであってもよい。

図２３Ａは、変位検出装置７１における回折光の重なりのずれを示す説明図である。図２３Ｂは、図２３Ａに示すＤ部の拡大図である。なお、図２３Ａ及び図２３Ｂでは、レンズ１８から各受光素子２４〜２７の受光面までの構成要素を省略して、回折光Ａ２，Ｂ２の重なりのずれをわかり易く示している。

図２４は、図２３Ａ及び図２３Ｂに示す絞り部材７２における回折光Ａ２，Ｂ２の重なりのずれを示す説明図である。図２５は、図２３Ａ及び図２３Ｂに示す受光面における回折光Ａ２，Ｂ２の重なりを示す説明図である。

図２３及び図２４に示すように、絞り部材７２を通過する前の回折光Ａ２，Ｂ２は、重なりにずれが生じている。そして、絞り部材７２は、回折光Ａ２，Ｂ２の重なった部分のみを通過させる。

その結果、受光面には、回折光Ａ２，Ｂ２の重なった部分のみが入射する。これにより、変位検出装置７１では、第５の実施の形態の変位検出装置６１よりも広い範囲で干渉信号の大きさを一定にすることができるため、検出可能なＺ方向の範囲を広くすることが可能となる。

なお、絞り部材７２における回折光Ａ２，Ｂ２は、必要な測定範囲で十分な重なり部分を確保できる程度の大きさが必要であり、回折光Ａ２，Ｂ２の強度分布はフラットであることが望ましい。また、回折光Ａ２，Ｂ２がガウシアン分布を有するような光束の場合は、ホモジナイザーを用いることにより、回折光Ａ２，Ｂ２をトップハットの分布になるように変換することも有効である。

また、絞り部材７２の位置は、偏光ビームスプリッタ６９とレンズ１８との間に限定されるものではなく、回折格子１００と受光素子との間に配置されていればよい。

図２６Ａは、絞り部材の第１の変形例を示す説明図である。図２６Ｂは、絞り部材の第２の変形例を示す説明図である。

図２６Ａに示す絞り部材７４は、開口が楕円形に形成されている。また、図２６Ｂに示す絞り部材７５は、開口が長方形に形成されている。これら絞り部材７４，７５の開口は、回折光Ａ２，Ｂ２の重なり合う部分に応じた大きさの楕円形又は長方形に形成されている。これにより、回折光Ａ２，Ｂ２の重なり合う部分を絞り部材７２よりも多く通過させることができ、絞り部材７２よりも大きな干渉信号を得ることができる。

なお、図２６Ａ及び図２６Ｂに示す絞り部材７４，７５では、開口を楕円形又は長方形にしたが、本発明に係る絞り部材は、回折光Ａ２，Ｂ２の重なっている部分のみが通過可能な開口を有していればよく、開口の形状は適宜設定することができる。

〈変位検出装置の第７の実施の形態〉
次に、変位検出装置の第７の実施の形態について、図２７を参照して説明する。
図２７Ａは、変位検出装置の第７の実施の形態に係る受光素子の第１の例を示す説明図である。図２７Ｂは受光素子の第２の例を示す説明図であり、図２７Ｃは受光素子の第３の例を示す説明図である。

第７の実施の形態の変位検出装置は、第５の実施の形態の変位検出装置６１の問題点（図１９〜図２１参照）を改善するものである。第７の実施の形態の変位検出装置が変位検出装置６１と異なるところは、受光素子のみである。そのため、ここでは、第７の実施の形態に係る受光素子について説明する。

図２７Ａに示す受光素子８１は、円形の受光面８１ａを有している。この受光面８１ａは、回折光Ａ２，Ｂ２の重なる合う部分よりも小さくなる径に設定されている。このような受光面８１ａは、第６の実施の形態に係る絞り部材の設置と等価であるため、第６の実施の形態と同様に、検出可能なＺ方向の範囲を広くすることができる。

図２７Ｂに示す受光素子８２は、楕円形の受光面８２ａを有している。また、図２７Ｃに示す受光素子８３は、長方形の受光面８３ａを有している。受光素子８２，８３の受光面８２ａ，８３ａは、回折光Ａ２，Ｂ２の重なる合う部分よりも小さくなる大きさに設定されている。これにより、回折光Ａ２，Ｂ２の重なり合う部分を受光素子８１よりも多く受光することができ、受光素子８１よりも大きな干渉信号を得ることができる。

なお、本発明に係る受光素子の受光面は、回折光Ａ２，Ｂ２の重なっている部分のみを受光可能な面積を有していればよく、受光面の形状は適宜設定することができる。

〈変位検出装置の第８の実施の形態〉
まず、第６の実施の形態の変位検出装置７１において回折光Ａ２，Ｂ２がずれる現象について、図２８を参照して説明する。
図２８Ａは、変位検出装置７１において格子面（回折格子１００）がピッチング方向へ回転した場合の回折光のずれを示す説明図である。図２８Ｂは、図２８Ａに示すＤ部の拡大図である。なお、図２８Ａ及び図２８Ｂでは、レンズ１８から各受光素子２４〜２７の受光面までの構成要素を省略して、回折光Ａ２，Ｂ２の重なりのずれをわかり易く示している。

図２８Ａ及び図２８Ｂに示すように、変位検出装置７１では、格子面（回折格子１００）がピッチング方向へ回転すると、各回折光Ａ２，Ｂ２が異なる角度で絞り部材７２の開口を通過することになる。そのため、受光素子２４〜２７における受光面上では、回折光Ａ２，Ｂ２にずれが生じてしまう。その結果、受光素子２４〜２７で得られる干渉信号が小さくなり、格子面のＺ方向の変位検出が難しくなる。

次に、変位検出装置の第８の実施の形態について、図２９及び図３０を参照して説明する。
図２９は、本発明の変位検出装置の第８の実施の形態の構成を示す概略構成図である。図３０は、本発明の変位検出装置の第８の実施の形態に係る結像光学系の位置を示す説明図である。なお、図２９では、レンズ１８から各受光素子２４〜２７の受光面までの構成要素を省略して、回折光Ａ２，Ｂ２の重なりをわかり易く示している。

第８の実施の形態の変位検出装置９１は、第６の実施の形態の変位検出装置７１の問題点（図２８参照）を改善するものである。変位検出装置９１が変位検出装置６１と異なるところは、レンズ１８が本発明に係る結像光学系として機能することある。

レンズ１８は、絞り部材７２における回折光Ａ２，Ｂ２の像を受光面に結ぶ位置に配置されている。したがって、絞り部材７２の開口を適当な角度で通過した回折光Ａ２，Ｂ２は、受光面における絞り部材７２の像位置に入射する。その結果、受光面における回折光Ａ２，Ｂ２の重なりおよび波面のずれが生じないため、格子面（回折格子１００）がピッチング方向へ回転しても干渉信号が低下しないようにすることができる。そして、検出可能なＺ方向の範囲を確保することができる。
なお、波面とは、回折光Ａ２，Ｂ２の光束内で位相の等しい面のことである。この波面がずれると、干渉させる回折光Ａ２，Ｂ２内で位相差が生じるため、干渉信号が低下する。

図３０に示すように、絞り部材７２からレンズ１８の一方の主平面までの距離をｓ、その空間の屈折率をｎ、レンズ１８の他方の主平面から受光面までの距離をｓ´、その空間の屈折率をｎ´とする。なお、主平面とは、レンズの主点を含む面である。したがって、距離ｓは、絞り部材７２からレンズ１８の一方の主点までの距離であり、距離ｓ´は、レンズ１８の他方の主点から受光面までの距離である。
また、レンズ１８の絞り部材７２側の焦点距離をｆ、レンズ１８の受光素子２４〜２７側の焦点距離をｆ´とする。この場合の絞り部材７２、レンズ１８及び受光素子２４〜２７の受光面の位置関係は、次式により示される。

上記式（１９）は、近似式であるため、実際には光線追跡等で回折光Ａ２，Ｂ２のずれが最小になるレンズ１８の位置を調整する。また、開口絞り７２における開口の形状は、適宜決定することができ、第６の実施の形態の変位検出装置７１と同様に、楕円形や長方形にすることで干渉信号を増大させることができる。

本発明は、前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。例えば、上述した実施の形態では、回折格子の格子構造が直線状に並んだ回折格子１００（図１参照）を例にあげて説明した。しかしながら、本発明に係る回折格子は、図３１に示す回折格子１０１のように、格子構造が２次元に繰り返し分布しているものであってもよい。この場合は、Λ_１，Λ_２のように格子構造の周期が複数存在するので、そのうちのいずれかを回折格子のピッチとして採用すればよい。

また、上述した実施の形態では、反射型の回折格子を用いた場合で説明したが、本発明では、透過型の回折格子を用いることもできる。また、本発明では、明暗を記録した振幅型の回折格子、屈折率変化や形状変化を記録した位相型の回折格子を用いてもよく、回折格子の種類は限定されない。

１，３１，５１，６１，７１，９１…変位検出装置、２，３２，６２…照射光学系、３，６３…干渉光学系、４…受光部、５…変位検出部、７，８，１９…１／４波長板、９，１０，１５，１６，６５，６６…ミラー、１２…光源、１３…コリメータレンズ、１４，２２，２３，６９…偏光ビームスプリッタ、１８，４３，４４，４５…レンズ、２１，６４…ビームスプリッタ、２４…第１の受光素子、２５…第２の受光素子、２６…第３の受光素子、２７…第４の受光素子、６７…１／２波長板、６８…ダミーガラス、７２，７４，７５…絞り部材、８１，８２，８３…受光素子、８１ａ，８２ａ，８３ａ…受光面、１００，１０１…回折格子、Ａ１，Ｂ１…第１の入射光、Ａ２，Ｂ２…回折光、Ａ３，Ｂ３…２回回折光、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５…仮想面、Ｐ１，Ｐ２…入射点

Claims (5)

1. 回折格子の格子構造が周期的に並んでいる方向に垂直な面に対して異なる方向から２つの光束を前記回折格子に入射させる照射光学系と、
   前記回折格子に入射された前記２つの光束うちの一方の光束のプラスｍ次の回折光と他方の光束のマイナスｍ次の回折光とを干渉させて干渉光を生じさせる干渉光学系と、
   前記干渉光を受光して干渉信号を検出する受光部と、
   前記干渉信号の変化から回折格子が設けられた面の垂直方向の変位を検出する変位検出部と、
   を備える変位検出装置。
2. 回折格子の格子構造が周期的に並んでいる方向に垂直な面に対して同一方向から異なる角度で２つの光束を前記回折格子に入射させる照射光学系と、
   前記回折格子に入射された前記２つの光束のプラスｍ次の回折光どうし、またはマイナスｍ次の回折光どうしを干渉させて干渉光を生じさせる干渉光学系と、
   前記干渉光を受光して干渉信号を検出する受光部と、
   前記干渉信号の変化から回折格子が設けられた面の垂直方向の変位を検出する変位検出部と、
   を備える変位検出装置。
3. 前記回折格子と前記受光部との間の光路中に配置され、前記光束の幅よりも小さい開口を有する絞り部材を備える請求項１または２に記載の変位検出装置。
4. 前記干渉光の像を前記受光部の受光面に結像させる結像光学系を備える請求項１〜３の何れかに記載の変位検出装置。
5. 前記受光部は、前記光束の幅よりも小さい受光面を有する請求項１〜４の何れかに記載の変位検出装置。

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