JP6786442B2 - 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、第１の回折格子と、ヘッドと、を備えている。第１の回折格子は、被測定部材の被測定面に設けられる。ヘッドは、被測定部材の被測定面に対向して配置される。ヘッドと被測定部材は、被測定面と平行で、かつ第１の回折格子の格子ベクトル方向とも平行をなす方向及び被測定面と直交する方向のうち少なくとも一方に、相対的に移動可能としている。
ヘッドは、光を照射する光源と、変位検出部と、受光部と、を備えている。変位検出部は、光源から照射された光を第１の光束と第２の光束に分割し、第１の光束を第１の回折格子に向けて照射する。受光部は、第２の光束と、変位検出部を介して第１の回折格子から戻ってきた第１の光束とを受光する。
変位検出部は、光束分割部と、第２の回折格子と、参照用反射部材と、光束結合部と、を備えている。光束分割部は、光を第１の光束と、第２の光束に分割し、かつ分割された第１の光束を第１の回折格子に向けて照射する。第２の回折格子は、光束分割部により分割され、第１の回折格子により回折された第１の光束を回折し、第１の光束を再び第１の回折格子に照射する。参照用反射部材は、光束分割部により分割された第２の光束を反射する。光束結合部は、第１の回折格子と第２の回折格子により回折された第１の光束と、参照用反射部材により反射された第２の光束を重ね合わせて受光部に照射する。
第１の回折格子への第１の光束の入射角度、第１の回折格子の回折角度、第２の回折格子への第１の光束の入射角度、第２の回折格子の回折角度は、ヘッドと被測定部材の少なくとも一方が被測定面と直交する方向に変位した際の、第１の光束における光束分割部から第１の回折格子に入射するまでの光路長の変位量と、第１の光束における第１の回折格子から第２の回折格子に入射するまでの光路長の変位量が等しくなる。

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。

本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置の被測定部材及び第１の回折格子を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の回折格子と第２の回折格子の回折角度の関係を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置における相対位置情報出力手段を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る変位検出装置における第２の回折格子の変形例を示すもので、図５Ａは第２の回折格子の変形例を示す断面図、図５Ｂは第２の回折格子の他の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る変位検出装置における相対位置情報出力手段を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置における第１変位検出部及び第２変位検出部の構成を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置における第３変位検出部及び第４変位検出の構成を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置における相対位置情報出力手段を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る変位検出装置における被測定部材及び第１の回折格子を示すもので、図１２Ａは第１の回折格子を示す平面図、図１２Ｂは第１の回折格子を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第４の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の回折格子と第２の回折格子の入射角度及び回折角度の関係を示す説明図である。 本発明の第５の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第６の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第６の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の回折格子と第２の回折格子の入射角度及び回折角度の関係を示す説明図である。 本発明の第７の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第７の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の回折格子と第２の回折格子の入射角度及び回折角度の関係を示す説明図である。

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１９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。図２は、変位検出装置における第１の回折格子が設けられた被測定部材を示す斜視図である。

本例の変位検出装置１は、ヘッドと被測定部材のうち少なくとも一方を移動させた際の変位（移動量）を検出す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、被測定部材２の被測定面２ａに設けた第１の回折格子１１と、ヘッド３と、相対位置情報出力手段４とを備えている。なお、相対位置情報出力手段４は、ヘッド３内に収容してもよく、あるいはヘッド３の外部に設けた携帯情報処理端末や、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）携帯端末に配置してもよい。

ヘッド３と被測定部材２は、被測定面２ａに対して平行な方向でかつ第１の回折格子１１の格子ベクトル方向Ｓ１（図２参照）と平行をなす方向又は、被測定面２ａに対して垂直な方向に相対的に移動可能に配置される。すなわち、ヘッド３と被測定部材２のうち少なくとも一方が、被測定面２ａと平行な方向又は、被測定面２ａと垂直な方向のうち少なくとも一方に移動可能に配置される。

以下、被測定面２ａに対して平行で、かつ第１の回折格子１１の格子ベクトル方向Ｓ１（図２参照）と平行をなす方向を第１の方向Ｘとする。また、被測定面２ａに対して平行で、かつ第１の方向Ｘと直交する方向を第２の方向Ｙとする。そして、被測定面２ａと直交する方向、すなわち第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとも直交する方向を第３の方向Ｚとする。

図２に示すように、被測定部材２は、平板状に形成されている。被測定部材２におけるヘッド３と対向する被測定面２ａには、第１の回折格子１１が設けられている。第１の回折格子１１は、反射型の回折格子である。

第１の回折格子１１は、被測定面２ａから突出する複数の突条１１ａにより構成されている。複数の突条１１ａは、第１の方向Ｘに沿って所定の間隔を空けて配置されている。複数の突条１１ａにおける隣り合う２つの突条１１ａの間隔が、第１の回折格子１１の格子ピッチｄ_Ｒとなる。

そして、この複数の突条１１ａの格子ベクトル方向Ｓ１は、第１の方向Ｘと平行に配置される。また、突条１１ａが延在する方向（格子ライン方向）Ｓ２は、被測定面２ａにおいて第２の方向Ｙと平行になる。なお、格子ベクトル方向Ｓ１及び格子ライン方向Ｓ２は、被測定面２ａと平行をなす平面上に存在する。そして、格子ベクトル方向Ｓ１は、第１の方向Ｘと平行である必要はなく、同様に、格子ライン方向Ｓ２は、第２の方向Ｙと平行である必要はない。

なお、本例では、被測定面２ａから突出する複数の突条１１ａによって第１の回折格子１１が構成される例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、被測定部材２の被測定面２ａに複数の溝部を形成することで、第１の回折格子１１を構成してもよい。

また、第１の回折格子１１は、例えば、ガラスやシリコンの基板からなる被測定部材２に形成される。そして、第１の回折格子１１を構成する複数の突条１１ａは、例えば金やアルミニウム等の反射率の高い材料を被測定部材２の被測定面２ａに蒸着することで形成される。なお、第１の回折格子１１の格子ピッチｄ_Ｒ及び回折角度θについては、後述する。

この被測定部材２に設けた第１の回折格子１１は、ヘッド３から照射された光を回折して所定の回折角度によって再びヘッド３に戻す。

ヘッド３は、変位検出部５と、光源６と、変位検出部５に設けられた受光部７とを有している。なお、受光部７は、変位検出部５内に配置してもよく、あるいは変位検出部５の外側に配置してもよい。光源６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６として、可干渉距離が長い光源を用いると、被測定部材２の被測定面２ａ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６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６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６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６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６の数は、１つに限定されるものではなく、複数の光源６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。

光源６から出射された光Ｌは、変位検出部５に入射する。なお、光源６と変位検出部５の間には、コリメートレンズ等からなるレンズ１６が配置されている。レンズ１６は、光源６から出射された光Ｌを平行光にコリメートする。そのため、変位検出部５には、レンズ１６により平行光にコリメートされた光Ｌが入射される。

変位検出部５は、光源６から照射された光Ｌを被測定部材２の第１の回折格子１１に向けて照射し、被測定部材２から戻ってきた光Ｌを受光部７に導く。変位検出部５は、第２の回折格子１２と、光束分割部１３と、参照光用反射部材の一例を示す参照用ミラー１４と、物体光用反射部材の一例を示す物体用ミラー１５と、第１の位相板１７と、第２の位相板１８と、を有している。

光束分割部１３としては、例えば、偏光ビームスプリッタにより構成される。そして、光束分割部１３は、ｓ偏光の光を反射し、ｐ偏光の光を透過させる。光束分割部１３には、光源６から照射され、レンズ１６により平行光にコリメートされた光Ｌが入射される。そして、光束分割部１３は、光Ｌを物体光である第１の光束Ｌ１と、参照光である第２の光束Ｌ２の２つの光束に分割する。本例では、光束分割部１３を透過するｐ偏光の光が第１の光束Ｌ１となり、光束分割部１３によって反射されるｓ偏光の光が第２の光束Ｌ２となる。第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１に向かって進行し、第２の光束Ｌ２は、参照用ミラー１４に向かって進行する。

光束分割部１３では、光Ｌが第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割されるが、その光量比率は、後述する受光部７に入射する際に、第１の回折格子１１側と、参照用ミラー１４側でそれぞれが同じ光量となるような比率にすることが好ましい。

さらに、光源６と光束分割部１３との間に偏光板を設けてもよい。これにより、ｓ偏光及びｐ偏光に対して直交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。

また、光束分割部１３として偏光ビームスプリッタを用いた例を説明したが、これに限定されるものではない。光束分割部１３としては、例えば、ハーフミラーと位相板を組み合わせて構成してもよい。

光束分割部１３と被測定部材２の被測定面２ａ、すなわち第１の回折格子１１との間には、第１の位相板１７が配置されており、光束分割部１３と参照用ミラー１４との間には、第２の位相板１８が配置されている。

第１の位相板１７と第２の位相板１８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、第１の位相板１７及び第２の位相板１８は、通過する光がｐ偏光の場合、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光に変化させる。また、通過する光が第１の向きに回転する円偏光の場合、ｓ偏光に変化させる。さらに、通過する光がｓ偏光の場合、進行方向を中心軸として第１の方向とは反対である第２の向きに回転する円偏光に変化させる。そして、通過する光が第２の向きに回転する円偏光の場合、ｐ偏光に変化させる。

また、また、光源６、レンズ１６、光束分割部１３及び第１の位相板１７は、光束分割部１３を透過する光、すなわち第１の光束Ｌ１の進行方向が第３の方向Ｚと平行になるように配置される。そのため、光束分割部１３を透過し、第１の位相板１７を通過した第１の光束Ｌ１は、被測定部材２の被測定面２ａ、すなわち第１の回折格子１１に対して垂直に入射する。これにより、被測定部材２が第３の方向Ｚに変位しても第１の回折格子１１に入射される第１の光束Ｌ１の入射点Ｐの位置は、第１の回折格子１１上において変化しない。

第２の回折格子１２は、第１の回折格子１１によって回折されて変位検出部５に戻った第１の光束Ｌ１が入射する位置に配置される。第２の回折格子１２は、その平面が第３の方向Ｚに対して傾斜して配置されている。第２の回折格子１２は、光を透過させ、かつ透過した光を回折させる透過型の回折格子である。なお、第２の回折格子１２の格子ピッチｄ_Ｔ及び回折角度φについては、後述する。

第２の回折格子１２における第１の回折格子１１から入射した第１の光束Ｌ１が透過する方向には、物体用ミラー１５が配置されている。また、物体用ミラー１５は、第２の回折格子１２を透過した第１の光束Ｌ１が反射面に対して垂直に入射する位置に配置されている。そして、物体用ミラー１５には、第１の光束Ｌ１が垂直に入射するため、物体用ミラー１５は、第１の光束Ｌ１を、入射する際の光路と反射した後の光路が一致するように反射させる。

物体用ミラー１５により反射された第１の光束Ｌ１は、行きの光路と同じ光路を通って、第２の回折格子１２、第１の回折格子１１、第１の位相板１７の順に、再び光束分割部１３に入射する。すなわち、第１の光束Ｌ１における光束分割部１３から物体用ミラー１５までの光路（以下、「行き光路」という。）と、物体用ミラー１５から光束分割部１３までの光路（以下、「帰り光路」という。）が一致する。そのため、帰り光路の際に、再び第１の回折格子１１に入射する位置は、行き光路と同じ照射点Ｐに入射される。

さらに、第１の光束Ｌ１は、行き光路と帰り光路で第１の回折格子１１と第２の回折格子１２によってそれぞれ２回ずつ回折される。

参照用ミラー１４は、光束分割部１３によって分割された第２の光束Ｌ２の進行方向に配置されている。参照用ミラー１４は、その反射面が光束分割部１３における第２の光束Ｌ２を照射する面と平行に配置されている。すなわち、参照用ミラー１４は、その反射面に第２の光束Ｌ２が垂直に入射する位置に配置される。そして、参照用ミラー１４には、第２の光束Ｌ２が垂直に入射するため、参照用ミラー１４は、第２の光束Ｌ２を、入射する際の光路と反射した後の光路が一致するように反射する。

参照用ミラー１４により反射された第２の光束Ｌ２は、行きの光路と同じ光路を通って、第２の位相板１８を通過して、再び光束分割部１３に入射する。第１の光束Ｌ１における光束分割部１３から物体用ミラー１５に反射されて再び光束分割部１３に戻るまでの光路長の長さと、第２の光束Ｌ２における光束分割部１３から参照用ミラー１４に反射されて再び光束分割部１３に戻るまでの光路長の長さが等しくなるように、また、参照用ミラー１４及び物体用ミラー１５が配置されている。

これにより、気圧、湿度や温度の変化によって光源６の波長変動があった場合でも、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２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、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、変位検出装置１を製造する際に、第１の光束Ｌ１の光路長と、第２の光束Ｌ２の光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。

また、光束分割部１３は、物体用ミラー１５によって反射されて戻ってきた第１の光束Ｌ１と、参照用ミラー１４によって反射されて戻ってきた第２の光束Ｌ２を重ね合わせる。そして、光束分割部１３は、重ね合わせた第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を受光部７に照射する。すなわち、本例で示す光束分割部１３は、光束を分割する光束分割部としての役割と、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を重ね合わせる光束結合部としての役割を有している。

受光部７は、集光レンズ２１と、ハーフミラー２２と、第１の偏光ビームスプリッタ２４と、第２の偏光ビームスプリッタ２５とを有している。また、ハーフミラー２２と、第２の偏光ビームスプリッタ２５との光路上には、例えば、１／４波長板等からなる受光側位相板２３が配置されている。

集光レンズ２１は、光束分割部１３からの入射された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２を集光する。また、集光レンズ２１は、後述する第１の受光素子３１、第２の受光素子３２、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４上でビーム径が適当な大きさになるように光を集光する。ハーフミラー２２は、光を分割する。ハーフミラー２２によって分割された光は、第１の偏光ビームスプリッタ２４、又は受光側位相板２３を介して第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射する。

第１の偏光ビームスプリッタ２４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２４における光の出射口側には、第１の受光素子３１と、第２の受光素子３２が設けられている。また、第２の偏光ビームスプリッタ２５における光の出射口側には、第３の受光素子３３と、第４の受光素子３４が設けられている。

これら第１の偏光ビームスプリッタ２４及び第２の偏光ビームスプリッタ２５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。

第１の受光素子３１、第２の受光素子３２、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４は、光を受光し、干渉信号を得る。そして、受光部７には、相対位置情報出力手段４が接続されている。受光部７は、第１の受光素子３１、第２の受光素子３２、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４が得た干渉信号を相対位置情報出力手段４に出力する。

１−２．第１の回折格子と第２の回折格子の関係
次に、上述した構成を有する第１の回折格子１１と第２の回折格子１２の関係について図３を参照して説明する。
図３は、第１の回折格子１１と第２の回折格子１２の回折角度の関係を示す説明図である。

図３に示すように、第１の回折格子１１には、第１の光束Ｌ１が第３の方向Ｚに沿って垂直に入射する。なお、第１の回折格子１１の格子ベクトル方向Ｓ１は図２に示すように、第１の方向Ｘと平行をなしている。そして、第１の回折格子１１は、回折角度θで回折する。ここで、第１の光束Ｌ１の波長をλ、第１の回折格子１１の格子ピッチｄ_Ｒとすると、第１の回折格子１１の回折角度θは、下記式１及び式２により算出することができる。
［式１］

［式２］

第１の回折格子１１で回折した第１の光束Ｌ１は、第２の回折格子１２に入射され、第２の回折格子１２で回折する。このときの第２の回折格子１２の格子ベクトル方向は、第１の方向Ｘと第３の方向Ｚで形成される平面上に存在する。また、第２の回折格子１２の格子ベクトル方向は、第１の光束Ｌ１における第１の回折格子１１への入射角度に対して、角度θ_Ｔで傾斜している。すなわち、第２の回折格子１２の格子ベクトル方向は、第３の方向Ｚに対して角度θ_Ｔで傾斜している。

第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２に対して角度φで入射した場合、第２の回折格子１２がブラッグ条件を満たせば、第２の回折格子１２は、回折角度φで回折する。そのため、ブラッグ条件は、次の式３及び式４を満たすように第２の回折格子１２の格子ピッチｄ_Ｔ又は回折角度φを設定すればよい。なお、λは、第１の光束Ｌ１の波長である。
［式３］

［式４］

第２の回折格子１２がブラッグ条件を満たすことで、例えば、後述する透過型のボリュームタイプホログラムの第２の回折格子１２Ｍ（図５Ａ参照）を用いれば、非常に高い回折効率を得ることができる。しかしながら、第２の回折格子１２への入射角度φと、格子ピッチｄ_Ｔの設計に制限がかかるため、第２の回折格子１２としては、ボリュームタイプホログラムを用いずに、厚みのない透過型の回折格子を用いてもよい。厚みのない透過型の回折格子を用いることで、入射角度と回折角度の選択に自由度を持たせることができる。

第２の回折格子１２がブラッグ条件を満たす場合、第２の回折格子１２により２回目（１回目は第１の回折格子１１）の回折をした第１の光束Ｌ１は、物体用ミラー１５によって反射されて再び第２の回折格子１２に入射する。なお、図１及び図３に示すように、被測定部材２が第３の方向Ｚに変位していない場合、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２に入射する入射点Ｑの位置は、変化しない。また、被測定部材２が第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙに変位しても、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２に入射する入射点Ｑの位置は、変化しない。そして、第２の回折格子１２によって３回目の回折をした第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１に入射し、第１の回折格子１１により４回目の回折を行う。

ここで、被測定部材２、すなわち第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに長さΔＺだけ移動した例について説明する。
図３に示すように、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッド３に接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の回折格子１１の入射点Ｐ２に入射する時点で、第１の光束Ｌ１の光路長は、長さΔＺ短くなる。なお、第１の光束Ｌ１は、被測定部材２の被測定面２ａ、すなわち第１の回折格子１１に対して垂直に入射している。そのため、被測定部材２が第３の方向Ｚに変位しても第１の回折格子１１に入射される第１の光束Ｌ１の入射点Ｐ１、Ｐ２の位置は、第１の回折格子１１上において変化しない。

第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッド３に接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２に入射する位置は、入射点Ｑ１から入射点Ｑ２に変化する。そして、第１の回折格子１１の入射点Ｐ２から第２の回折格子１２の入射点Ｑ２までの光路長は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第１の回折格子１１の入射点Ｐ１から第２の回折格子１２の入射点Ｑ１までの光路長よりも長さＭ１だけ長くなる。さらに、第２の回折格子１２の入射点Ｑ２から物体用ミラー１５までの距離は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第２の回折格子１２の入射点Ｑ１から物体用ミラー１５までの光路長よりも長さＭ２だけ長くなる。

そのため、ΔＺ＝Ｍ１＋Ｍ２を満たせば、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長は、一定となる。また、ΔＺ＝Ｍ１＋Ｍ２を満たす条件は、第１の回折格子１１の回折角度θと、第２の回折格子１２の回折角度φから下記式５が示される。
［式５］

したがって、第１の回折格子１１の回折角度θと第２の回折格子１２の回折角度φは、上記式５を満たす。これにより、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長を一定にすることができる。なお、第１の光束Ｌ１が物体用ミラー１５によって反射し、光束分割部１３に戻る光路にも適用できる。従って、第１の光束Ｌ１における帰り光路の光路長も常に一定にすることができる。

上述したように、被測定部材２が第１の方向Ｘ又は第２の方向Ｙに変位しても、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２に入射する入射点Ｑの位置は、変化しないため、第１の光束Ｌ１の光路長を一定に保つことができる。その結果、第１の回折格子１１が第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ及び第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長が変化しないため、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長を常に一定に保つことができる。

例えば、光源６の波長λが７９０ｎｍ、第１の回折格子１１の格子ピッチｄ_Ｒが１μｍ、第１の回折格子１１への第１の光束Ｌ１の入射角度が０度、第２の回折格子１２の格子ピッチｄ_Ｔの場合、第１の回折格子１１の回折角度θ≒５２．２°、第２の回折格子１２の回折角度φ≒４５．９°となる。

１−３．相対位置情報出力手段の構成例
次に、図４を参照して相対位置情報出力手段４の構成例について説明する。
図４は、本例の相対位置情報出力手段４を示すブロック図である。

図４に示すように、相対位置情報出力手段４は、第１差動増幅器６１ａと、第２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差動増幅器６１ａには、第１の受光素子３１及び第２の受光素子３２が接続されており、第２差動増幅器６１ｂには、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４が接続されている。また、第１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、波形補正処理部６３は、インクリメンタル信号発生器６４に接続されている。

第１差動増幅器６１ａは、第１の受光素子３１及び第２の受光素子３２から干渉信号を受信し、第２差動増幅器６１ｂは、第３の受光素子３３及び第４の受光素子３４から干渉信号を受信する。第１差動増幅器６１ａ及び第２差動増幅器６１ｂは、それぞれ受信した干渉信号を差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。

第１差動増幅器６１ａで差動増幅された信号は、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２差動増幅器６１ｂで差動増幅された信号は、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、ヘッド３と被測定部材２との第１の方向Ｘ又は第３の方向Ｚの相対的な変位量が、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Ｌ１と第２の光束Ｌ２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、変位検出装置１により被測定部材２とヘッド３との相対的な変位量（移動量）が検出される。

なお、本例の相対位置情報出力手段４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。

１−４．変位検出装置の動作例
次に、図１、図３及び図４を参照して、上述した構成を有する変位検出装置１の動作例について説明する。

図１に示すように、光源６から出射した光Ｌは、レンズ１６によりコリメートされて平行光となる。レンズ１６によりコリメートされた平行光Ｌは、光束分割部１３に入射する。光束分割部１３に入射した光は、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割される。上述したように、光束分割部１３は、光のうちｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する。そのため、光束分割部１３を透過したｐ偏光による第１の光束Ｌ１は、第１の位相板１７に照射される。また、光束分割部１３よって反射されたｓ偏光による第２の光束Ｌ２は、第２の位相板１８に照射される。

第１の光束Ｌ１の偏光方向は、ｐ偏光であるため、第１の光束Ｌ１は、第１の位相板１７を通過することで、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光に変化する。また、第２の光束Ｌ２の偏光方向は、ｓ偏光であるため、第２の光束Ｌ２は、第２の位相板１８を通過することで、進行方向を中心軸として第２の向きに回転する円偏光に変化する。

第１の位相板１７を通過した第１の光束Ｌ１は、被測定部材２の被測定面２ａ、すなわち第１の回折格子１１の照射点Ｐに垂直に入射する。そして、図３に示すように、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１によって回折角度θで回折する。２回目の回折が行われた第１の光束Ｌ１は、第２の回折格子１２に入射角度φで照射点Ｑ（図１参照）に入射する。上述したように、第２の回折格子１２は、ブラッグ条件を満たしているため、第１の光束Ｌ１は、第２の回折格子１２によって回折角度φで回折する。

第２の回折格子１２によって回折された第１の光束Ｌ１は、物体用ミラー１５に垂直に入射する。そして、第１の光束Ｌ１は、再び第２の回折格子１２に向けて、物体用ミラー１５によって反射される。第１の光束Ｌ１は、入射角度φで第２の回折格子１２に入射する。このとき、第１の光束Ｌ１は、行き光路と同じ第２の回折格子１２における照射点Ｑに入射する。そして、第２の回折格子１２によって３回目の回折が行われ、第１の回折格子１１に入射角度θで、行き光路と同じ照射点Ｐに入射する。

このように、第１の回折格子１１に対する行き光路の照射点Ｐと帰り光路の照射点Ｐを同じ１点にすることで、第１の回折格子１１がチルトした際に生じる影響を小さくすることができる。また、第２の回折格子１２に対する行き光路の照射点Ｑと帰り光路の照射点Ｑを同じ１点にすることで、同様の効果を得ることができる。さらに、さらに、２点の中心点を仮想測定点として検出する従来の変位検出装置よりも検出精度を向上させることができる。

次に、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１で４回目の回折が行われて、第１の位相板１７に照射される。このときの第１の光束Ｌ１の偏光方向は、進行方向を中心軸として第１の向きに回転する円偏光である。そのため、第１の光束Ｌ１は、第１の位相板１７によって、行きの偏光方向であるｐ偏光と直交するｓ偏光に変化する。

一方、参照用ミラー１４に照射された第２の光束Ｌ２は、参照用ミラー１４で反射されて、再び第２の位相板１８に照射される。このときの第２の光束Ｌ２の偏光方向は、進行方向を中心軸として第２の向きに回転する円偏光である。そのため、第２の光束Ｌ２は、第２の位相板１８によって、行きの偏光方向であるｓ偏光と直交するｐ偏光に変化する。

第１の位相板１７を通過した第１の光束Ｌ１は、再び光束分割部１３に入射し、第２の位相板１８を通過した第２の光束Ｌ２は、再び光束分割部１３に入射する。このとき、第１の光束Ｌ１の偏光方向は、ｓ偏光であるため、光束分割部１３によって反射されて受光部７に照射される。また、第２の光束Ｌ２の偏光方向は、ｐ偏光であるため、光束分割部１３を透過し、受光部７に照射される。そのため、受光部７には、互いに直交した直線偏光の第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２が重なり合った光束が入射する。

光束は、集光レンズ２１によって集光されて、ハーフミラー２２に照射される。ハーフミラー２２は、光束を２つの光に分割する。ハーフミラー２２を透過した光束は、第１の偏光ビームスプリッタ２４に入射する。

ここで、第１の偏光ビームスプリッタ２４は、互いに偏光方向が９０度異なる第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２の偏光方向が、第１の偏光ビームスプリッタ２４の入射面に対してそれぞれ偏光方向が４５度傾くように傾けて配置されている。これにより、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ２４に対してそれぞれｐ偏光成分とｓ偏光成分を有することになる。したがって、第１の偏光ビームスプリッタ２４を透過した第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。よって、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を第１の偏光ビームスプリッタ２４によって干渉させることができる。

同様に、第１の偏光ビームスプリッタ２４によって反射される第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ２４に対して同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。そのため、第１の偏光ビームスプリッタ２４によって干渉させることができる。

第１の偏光ビームスプリッタ２４を透過した第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２との干渉光は、第１の受光素子３１によって受光される。また、第１の偏光ビームスプリッタ２４によって反射された第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２との干渉光は、第２の受光素子３２によって受光される。ここで、第１の受光素子３１と第２の受光素子３２とによって光電変換される干渉信号は、１８０度位相の異なる信号となる。

そして、第１の受光素子３１と第２の受光素子３２によって得られる干渉信号は、Ａ×ｃｏｓ(２×Ｋ１ｘ＋２×Ｂ×Ｋ２ｚ＋δ)の干渉信号が得られる。ここで、Ａは、干渉の振幅であり、Ｋ１は、２π／ｄ_Ｒで示される第１の回折格子１１の波数である。また、ｘは、第１の回折格子１１の移動量、すなわちヘッド３と被測定部材２における第１の方向Ｘへの相対的な変位量を示している。一方、Ｋ２は、２π／ｄ_Ｔで示される第２の回折格子１２の波数である。ｚは、第２の回折格子１２に入射する第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２の格子ベクトル方向の移動量を示している。なお、ｄ_Ｒは、第１の回折格子１１の格子ピッチであり、ｄ_Ｔは、第２の回折格子１２の格子ピッチである。また、δは、初期位相を示している。

さらに、Ｂは、第２の回折格子１２の格子ベクトル方向が第３の方向Ｚに対して傾斜角度θ_Ｔで傾斜することに伴う係数である。そして、第２の回折格子１２のへの入射角度（ブラッグ条件では、回折角度も同じになる）をφとした場合、Ｂ＝ｃｏｓθ_Ｔ＋ｓｉｎθ_Ｔ×ｔａｎφで示すことができる。

ここで、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘに相対的にｘ／２だけ移動すると、第１の回折格子１１に照射される第１の光束Ｌ１の照射点が第１の方向Ｘにｘ／２だけ移動する。すなわち、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１上を第１の方向Ｘにｘ／２だけ移動する。そのため、第１の光束Ｌ１には、Ｋ１ｘの位相が加わり、１周期の光の明暗が生じる干渉光が第１の受光素子３１と第２の受光素子３２によって受光される。

なお、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘに相対的に移動しても、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２上での照射点は、変化しない。そのため、第１の光束Ｌ１には、第１の回折格子１１によって回折された位相のみが加わる。

また、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚに相対的にＺ／（２×Ｂ）だけ移動すると、第２の回折格子１２に照射される第１の光束Ｌ１の照射点が第２の回折格子１２の格子ベクトル方向にＺ／２だけ移動する。すなわち、第１の光束Ｌ１は、第２の回折格子１２上を格子ベクトル方向にＺ／２だけ移動する。そのため、第１の光束Ｌ１には、Ｋ２ｚの位相が加わり、１周期の光の明暗が生じる干渉光が第１の受光素子３１と第２の受光素子３２によって受光される。

なお、上述したように、第１の光束Ｌ１は、第３の方向Ｚと平行に第１の回折格子１１に入射する。そのため、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１に垂直に入射する。したがって、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚに相対的に移動しても、第１の光束Ｌ１における第１の回折格子１１上での照射点は、変化しない。そのため、第１の光束Ｌ１には、第２の回折格子１２によって回折された位相のみが加わる。

さらに、第１の回折格子１１の回折角度θと、第２の回折格子１２の回折角度φは、上記式５を満たす。そのため、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚに相対的にΔＺで移動しても、ΔＺと図３に示すＭ１＋Ｍ２の和が常に０になる。その結果、第１の光束Ｌ１の光路長が変化せず、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚに相対的にΔＺで移動しても、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２に入射する位置だけが変化する。

ここで、上述したように、第１の受光素子３１及び第２の受光素子３２によって得られる干渉信号には、光源６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。

一方、図１に示すように、ハーフミラー２２を反射した光束は、受光側位相板２３に入射する。互いに偏光方向が９０度異なる直線偏光である第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２からなる光束は、受光側位相板２３を透過することにより、互いに逆回りの円偏光となる。そして、この互いに逆回りの円偏光は同一光路上にあるので、重ね合わされることにより直線偏光となり、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射する。

この直線偏光のｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッタ２５によって反射され、第３の受光素子３３に受光される。また、ｐ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ２５を透過し、第４の受光素子３４によって受光される。

上述したように、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射する直線偏光は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせによって生じている。そして、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される直線偏光の偏光方向は、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘに相対的にｄ_Ｒ／２だけ移動すると１／２回転する。また、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘに相対的にｄ_Ｔ／（２×Ｂ）だけ移動しても、第２の偏光ビームスプリッタ２５に入射される直線偏光の偏光方向は、１／２回転する。

したがって、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４でも、第１の受光素子３１及び第２の受光素子３２と同様に、Ａ×ｃｏｓ(２×Ｋ１ｘ＋２×Ｂ×Ｋ２ｚ＋δ’)の干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。

また、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４とで光電変換される信号は、１８０度位相が異なる。

なお、本例では、第１の偏光ビームスプリッタ２４に対して、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４に受光される光束を分割する第２の偏光ビームスプリッタ２５を４５度傾けて配置している。このため、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４において得られる信号は、第１の受光素子３１と第２の受光素子３２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３１と第２の受光素子３２で得られる信号をｓｉｎ信号、第３の受光素子３３と第４の受光素子３４で得られる信号を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４によって演算され、ヘッド３と被測定部材２との相対的な変位量がカウントされる。これにより、ヘッド３と被測定部材２との相対的な変位量を検出することができる。

本例の変位検出装置１では、変位検出部５の受光部７で得られる干渉信号には、第１の方向Ｘと第３の方向Ｚの変位情報が含まれる。そのため、ヘッド３と被測定部材２が第１の方向Ｘのみに相対的に移動する際の、ヘッド３と被測定部材２の第１の方向Ｘへの相対的な変位を検出する装置に適用できる。または、ヘッド３と被測定部材２が第３の方向Ｚのみに相対的に移動する際の、ヘッド３又は被測定部材２の第３の方向Ｚへの相対的な変位を検出する装置にも適用できる。すなわち、本例の変位検出装置１は、１つの装置で２通りの使用方法を有している。

１−５．第２の回折格子の変形例
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して回折格子の変形例について説明する。
図５Ａは第２の回折格子の変形例を示す断面図、図５Ｂは第２の回折格子の他の変形例を示す断面図である。

図５Ａに示す第２の回折格子１２Ｍ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。この第２の回折格子１２Ｍにおける格子部１２ｂは、例えば次のようにして形成される。まず、ガラス基板１２ａ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１２ｂには、銀の粒子が残っている箇所と、残っていない箇所が形成される。

ここで、銀の粒子が残っている箇所は、屈折率が高く、銀の粒子が残っていない箇所は、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。

図５Ｂに示す第２の回折格子１２Ｎは、略透明なガラス基板１２ａの一面に例えばクロム（Ｃｒ）からなる格子部１２ｃを形成したものである。一般的に、格子部１２ｃは、ガラス基板１２ａ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。

また、図５Ａに示す第２の回折格子１２Ｍ及び図５Ｂに示す第２の回折格子１２Ｎにおいて、入射角度をφａ、回折角度をφｂとした場合、下記式６のブラッグ条件を満たすとき、φａ＝φｂとなる。なお、ｎは、整数である。
［式６］

また、図５Ａに示す第２の回折格子１２Ｍの場合、ブラッグ条件を満たすときに、第２の回折格子１２Ｍ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、第２の回折格子１２Ｍ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。

２．第２の実施の形態例
次に、図６及び図７を参照して第２の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図６は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図、図７は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置における相対位置情報出力手段を示すブロック図である。

この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１は、第１の方向Ｘと第３の方向Ｚの２次元の変位情報を出力可能な変位検出装置である。そのため、ここでは、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１０１は、第１の回折格子１１１が設けられた被測定部材２と、ヘッド３と、相対位置情報出力手段１０４とを備えている。ヘッド３と被測定部材２は、第１の方向Ｘと第３の方向Ｚの２方向に相対的に移動可能に構成されている。

第１の回折格子１１１は、後述するヘッド１０３の第１変位検出部５Ａ側では、回折光の向きが第１の方向Ｘの一側を向いている。また、第１の回折格子１１１は、後述するヘッド１０３の第２変位検出部５Ｂ側では、回折光の向きが第１の方向Ｘの他側を向いている。そのため、第１の回折格子１１１としては、ブレーズド回折格子を用いることが好ましい。

ヘッド１０３は、第１変位検出部５Ａと、第２変位検出部５Ｂと、光源６と、レンズ１６と、光源側位相板１０６と、光分配部１０７とを備えている。第１変位検出部５Ａは、ヘッド３の第１の方向Ｘの一側に配置され、第２変位検出部５Ｂは、ヘッド３の第１の方向Ｘの他側に配置されている。

そして、第１変位検出部５Ａと第２変位検出部５Ｂにおける第１の方向Ｘの間には、光源６、レンズ１６、光源側位相板１０６及び光分配部１０７が配置されている。光源側位相板１０６は、光源６から出射された光Ｌの偏光軸を調整し、例えば、光軸に対して４５°傾いた円偏光に調整する。

光源側位相板１０６を通過した光Ｌは、光分配部１０７に照射される。光分配部１０７は、例えば、ミラー１０７ａと、ハーフミラー１０７ｂにより構成されている。ハーフミラー１０７ｂは、ミラー１０７ａよりも光源６側に配置されている。

ハーフミラー１０７ｂにおける第１の方向Ｘの他側への反射率は、５０％に設定されている。そのため、ハーフミラー１０７ｂは、光源側位相板１０６を通過した光Ｌを第３の方向Ｚにおけるミラー１０７ａ側と第１の方向Ｘの他側に向けて等しく分配する。そして、ハーフミラー１０７ｂを反射した光ＬＢは、第２変位検出部５Ｂの光束分割部１３Ｂに向けて照射される。

ハーフミラー１０７ｂを透過した光ＬＡは、ミラー１０７ａに入射される。ミラー１０７ａは、入射した光ＬＡを第１変位検出部５Ａの光束分割部１３Ａに向けて反射する。

第１変位検出部５Ａは、第１の実施の形態例にかかる変位検出部５と同様に、受光部７Ａと、第２の回折格子１２Ａと、光束分割部１３Ａと、参照用ミラー１４Ａと、物体用ミラー１５Ａと、第１の位相板１７Ａと、第２の位相板１８Ａと、を備えている。受光部７Ａは、相対位置情報出力手段１０４の第１相対位置情報出力部４Ａに接続されている。そして、受光部７Ａは、得られた干渉信号を第１相対位置情報出力部４Ａに送信する。

第１変位検出部５Ａの受光部７Ａは、下記式７に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ１は、干渉の振幅である。
［式７］

第２変位検出部５Ｂは、第１の実施の形態例にかかる変位検出部５と同様に、受光部７Ｂと、第２の回折格子１２Ｂと、光束分割部１３Ｂと、参照用ミラー１４Ｂと、物体用ミラー１５Ｂと、第１の位相板１７Ｂと、第２の位相板１８Ｂと、を備えている。受光部７Ｂは、相対位置情報出力手段１０４の第２相対位置情報出力部４Ｂに接続されている。そして、受光部７Ｂは、得られた干渉信号を第２相対位置情報出力部４Ｂに送信する。

また、第２変位検出部５Ｂを構成する第２の回折格子１２Ｂ、光束分割部１３Ｂ、参照用ミラー１４Ｂ、物体用ミラー１５Ｂ、第１の位相板１７Ｂ及び第２の位相板１８Ｂは、第１変位検出部５Ａに対して第１の方向Ｘに沿って反転して配置されている。

第２変位検出部５Ｂの受光部７Ｂは、下記式８に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ２は、干渉の振幅である。
［式８］

上記式７と式８に示すように、第１変位検出部５Ａの受光部７Ａと、第２変位検出部５Ｂの受光部７Ｂが得られる干渉信号における第１の方向Ｘの変位情報は、正負が異なっている。

図７に示すように、相対位置情報出力手段１０４は、第１相対位置情報出力部４Ａと、第２相対位置情報出力部４Ｂと、演算部１１４とを有している。上述したように、第１変位検出部５Ａの受光部７Ａと、第２変位検出部５Ｂの受光部７Ｂが得られる干渉信号における第１の方向Ｘの変位情報は、正負が異なっている。

そのため、第１相対位置情報出力部４Ａからの変位情報Ａと、第２相対位置情報出力部４Ｂからの変位情報Ｂを足し合わせるころで、第３の方向Ｚの変位情報のみを取り出すことができる。また、第１相対位置情報出力部４Ａの変位情報Ａから第２相対位置情報出力部４Ｂの変位情報Ｂを引くことで、第１の方向Ｘの変位情報のみを取り出すことができる。

そして、演算部１１４は、第１相対位置情報出力部４Ａからの変位情報Ａと、第２相対位置情報出力部４Ｂからの変位情報Ｂを足し合わせて、２で割ることで、ヘッド１０３と被測定部材２との第３の方向Ｚへの相対位置の変位情報を演算している。また、演算部１１４は、第１相対位置情報出力部４Ａの変位情報Ａから第２相対位置情報出力部４Ｂの変位情報Ｂを引き、２で割ることで、ヘッド１０３と被測定部材２との第１の方向Ｘの変位情報を演算している。

これにより、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１によれば、第１の方向Ｘと第３の方向Ｚの２次元の変位情報を出力することができる。

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１０１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。

３．第３の実施の形態例
次に、図８〜図１２を参照して第３の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図８は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置の構成を示す概略構成図である。図９は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置における第１変位検出部及び第２変位検出部の構成を示す概略構成図である。図１０は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置における第３変位検出部及び第４変位検出の構成を示す概略構成図である。図１１は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置における相対位置情報出力手段を示すブロック図である。図１２Ａ及び図１２Ｂは、第３の実施の形態例に係る変位検出装置における第１の回折格子を示すものである。

この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置１０１は、第１の方向Ｘと、第３の方向Ｚと、第１の方向Ｘ及び第３の方向Ｚとも直交する第２の方向Ｙの３次元の変位情報を出力可能な変位検出装置である。そのため、ここでは、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８、図９及び図１０に示すように、変位検出装置２０１は、第１の回折格子２１１が設けられた被測定部材２０２と、ヘッド２０３と、相対位置情報出力手段２０４とを備えている。ヘッド２０３と、被測定部材２０２は、第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ及び第３の方向Ｚの３方向に相対的に移動可能に構成されている。

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、被測定部材２０２は、平板状に形成されている。被測定部材２０２の被測定面２０２ａには、第１の回折格子２１１が設けられている。第１の回折格子２１１は、第１の方向Ｘと平行をなす第１格子ベクトル方向と、第２の方向Ｙと平行をなす第２格子ベクトル方向を有している。

また、第１の回折格子２１１は、複数の突起２１１ａにより構成されている。複数の突起２１１ａは、被測定面２０２ａから第３の方向Ｚに向けて突出している。この複数の突起２１１ａは、第１の方向Ｘと平行をなす第１格子ベクトル方向と、第２の方向Ｙと平行をなす第２格子ベクトル方向に沿ってそれぞれ間隔を空けて格子状に配置されている。

なお、第３の実施の形態例にかかる第１の回折格子２１１を複数の突起２１１ａにより構成した例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、被測定部材２０２の被測定面２０２ａに形成された複数の凹部によって第１の回折格子２１１を構成してもよい。

図８、図９及び図１０に示すように、ヘッド２０３は、第１変位検出部５Ａと、第２変位検出部５Ｂと、第３変位検出部５Ｃと、第４変位検出部５Ｄと、光源６と、レンズ１６と、光源側位相板１０６と、光分配部２０７とを備えている。第１変位検出部５Ａは、ヘッド３の第１の方向Ｘの一側に配置され、第２変位検出部５Ｂは、ヘッド３の第１の方向Ｘの他側に配置されている。また、第３変位検出部５Ｃは、ヘッド３の第２の方向Ｙの一側に配置され、第４変位検出部５Ｄは、ヘッド３の第２の方向Ｙの他側に配置されている。

第１変位検出部５Ａ、第２変位検出部５Ｂ、第３変位検出部５Ｃ及び第４変位検出部５Ｄの間には、光源６、レンズ１６、光源側位相板１０６及び光分配部２０７が配置されている。すなわち、光源６、レンズ１６、光源側位相板１０６及び光分配部２０７は、ヘッド３における第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの中心部に配置されている。

光分配部２０７は、ミラー２０７ａと、第１ハーフミラー２０７ｂと、第２ハーフミラー２０７ｃと、第３ハーフミラー２０７ｄとを有している。光分配部２０７は、第３の方向Ｚにおける被測定部材２０２側から、第３の方向Ｚに沿ってミラー２０７ａ、第１ハーフミラー２０７ｂ、第２ハーフミラー２０７ｃ、第３ハーフミラー２０７ｄ順に配置されている。すなわち、第３ハーフミラー２０７ｄが光源６側に配置される。

第３ハーフミラー２０７ｄにおける第２の方向Ｙの他側への反射率は、２５％に設定されている。第２ハーフミラー２０７ｃにおける第２の方向Ｙの一側への反射率は、３３．３％に設定されている。そして、第１ハーフミラー２０７ｂにおける第１の方向Ｘの他側への反射率は、５０％に設定されている。

第３ハーフミラー２０７ｄを反射した光ＬＤは、第４変位検出部５Ｄの光束分割部１３Ｄに向けて照射される。第３ハーフミラー２０７ｄを透過し、第２ハーフミラー２０７ｃを反射した光ＬＣは、第３変位検出部５Ｃの光束分割部１３Ｃに向けて照射される。第３ハーフミラー２０７ｄ及び第２ハーフミラー２０７ｃを透過し、第１ハーフミラー２０７ｂを反射した光ＬＢは、第２変位検出部５Ｂの光束分割部１３Ｂに向けて照射される。そして、第３ハーフミラー２０７ｄ、第２ハーフミラー２０７ｃ及び第１ハーフミラー２０７ｂを透過した光ＬＡは、ミラー２０７ａによって第１変位検出部５Ａの光束分割部１３Ａに向けて反射する。

なお、光分配部２０７は、無偏光特性である場合、光分配部２０７から各変位検出部５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの光束分割部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄまでの空間に光の偏光軸を調整する位相板等を設ける必要がなくなる。そのため、変位検出装置２０１の構成の簡略化を図ることができる。

なお、第１変位検出部５Ａ及び第２変位検出部５Ｂは、第２の実施の形態例に係る第１変位検出部５Ａ及び第２変位検出部５Ｂと同様の構成を有しているため、その説明は省略する。

なお、第１変位検出部５Ａの受光部７Ａは、下記式９に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ１は、干渉の振幅である。
［式９］

また、第２変位検出部５Ｂの受光部７Ｂは、下記式１０に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ２は、干渉の振幅である。
［式１０］

第３変位検出部５Ｃは、第１の実施の形態例にかかる変位検出部５と同様に、受光部７Ｃと、第２の回折格子１２Ｃと、光束分割部１３Ｃと、参照用ミラー１４Ｃと、物体用ミラー１５Ｃと、第１の位相板１７Ｃと、第２の位相板１８Ｃと、を備えている。また、第２の回折格子１２Ｃの格子ベクトル方向は、第２の方向Ｙと第３の方向Ｚで形成される平面上に存在する。受光部７Ｃは、相対位置情報出力手段２０４の第３相対位置情報出力部４Ｃに接続されている。そして、受光部７Ｃは、得られた干渉信号を第３相対位置情報出力部４Ｃに送信する。

第３変位検出部５Ｃの受光部７Ｃは、下記式１１に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ３は、干渉の振幅である。ｙは、第１の回折格子２１１の移動量、すなわちヘッド２０３と被測定部材２０２における第２の方向Ｙへの相対的な変位量を示している。
［式１１］

第４変位検出部５Ｄは、第１の実施の形態例にかかる変位検出部５と同様に、受光部７Ｄと、第２の回折格子１２Ｄと、光束分割部１３Ｄと、参照用ミラー１４Ｄと、物体用ミラー１５Ｄと、第１の位相板１７Ｄと、第２の位相板１８Ｄと、を備えている。また、第２の回折格子１２Ｃの格子ベクトル方向は、第２の方向Ｙと第３の方向Ｚで形成される平面上に存在する。受光部７Ｄは、相対位置情報出力手段２０４の第４相対位置情報出力部４Ｄに接続されている。そして、受光部７Ｄは、得られた干渉信号を第４相対位置情報出力部４Ｄに送信する。

また、第４変位検出部５Ｄを構成する第２の回折格子１２Ｄ、光束分割部１３Ｄ、参照用ミラー１４Ｄ、物体用ミラー１５Ｄ、第１の位相板１７Ｄ及び第２の位相板１８Ｄは、第１変位検出部５Ａに対して第２の方向Ｙに沿って反転して配置されている。

第４変位検出部５Ｄの受光部７Ｄは、下記式１２に示す干渉信号を得る。ここで、Ａ４は、干渉の振幅である。
［式１２］

図１１に示すように、相対位置情報出力手段２０４は、第１相対位置情報出力部４Ａと、第２相対位置情報出力部４Ｂと、第３相対位置情報出力部４Ｃと、第４相対位置情報出力部４Ｄと、演算部２１４とを有している。

上述したように、第１変位検出部５Ａの受光部７Ａと、第２変位検出部５Ｂの受光部７Ｂが得られる干渉信号における第１の方向Ｘの変位情報は、正負が異なっている。また、第３変位検出部５Ｃの受光部７Ｃと、第４変位検出部５Ｄの受光部が得られる第２の方向Ｙの変位情報は、正負が異なっている。

そのため、第１相対位置情報出力部４Ａの変位情報Ａから第２相対位置情報出力部４Ｂの変位情報Ｂを引くことで、第１の方向Ｘの変位情報のみを取り出すことができる。また、第３相対位置情報出力部４Ｃの変位情報Ｃから第４相対位置情報出力部４Ｄの変位情報Ｄを引くことで、第２の方向Ｙの変位情報のみを取り出すことができる。そして、第１相対位置情報出力部４Ａ、第２相対位置情報出力部４Ｂ、第３相対位置情報出力部４Ｃ及び第４相対位置情報出力部４Ｄの全ての変位情報Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを足し合わせることで、第３の方向Ｚの変位情報のみを取り出すことができる。

そして、演算部２１４は、第１相対位置情報出力部４Ａ、第２相対位置情報出力部４Ｂ、第３相対位置情報出力部４Ｃ、第４相対位置情報出力部４Ｄの全ての変位情報Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを足し合わせて、４で割ることで、ヘッド１０３と被測定部材２０２との第３の方向Ｚへの相対位置の変位情報を演算している。

また、演算部２１４は、第１相対位置情報出力部４Ａの変位情報Ａから第２相対位置情報出力部４Ｂの変位情報Ｂを引き、２で割ることで、ヘッド１０３と被測定部材２０２との第１の方向Ｘの変位情報を演算している。演算部２１４は、第３相対位置情報出力部４Ｃの変位情報Ｃから第４相対位置情報出力部４Ｄの変位情報Ｄを引き、２で割ることで、ヘッド１０３と被測定部材２０２との第２の方向Ｙの変位情報を演算している。

これにより、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置２０１によれば、第１の方向Ｘと、第２の方向Ｙと、第３の方向Ｚの３次元の変位情報を出力することができる。

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２０１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、第４の実施の形態例では、第１の回折格子２１１の第１格子ベクトル方向と第２格子ベクトル方向が直交する例を説明したが、これに限定されるものではない。第１格子ベクトル方向と第２格子ベクトル方向は直交しなくてもよく、被測定部材２０２の被測定面２０２ａ上で互いに交差すればよい。そして、第１変位検出部５Ａ及び第２変位検出部５Ｂは、第１格子ベクトル方向に沿って配置され、第３変位検出部５Ｃ及び第４変位検出部５Ｄは、第２格子ベクトル方向に沿って配置される。

４．第４の実施の形態例
次に、図１３及び図１４を参照して第４の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１３は、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図、図１４は、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置における第１の回折格子と第２の回折格子の入射角度及び回折角度の関係を示す説明図である。

この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置３０１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、第１の光束Ｌ１が第１の回折格子に対して垂直に入射しない点と、第２の回折格子がブラッグ条件を満たさない点である。そのため、ここでは、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１３に示すように、変位検出装置３０１は、不図示のヘッドと、被測定部材２に設けられた第１の回折格子１１と、相対位置情報出力手段３０４とを備えている。また、ヘッド内には、光源６と、受光部７と、レンズ１６と、光束分割部３１３と、第２の回折格子３１２と、参照用ミラー３１４と、物体用ミラー３１５と、第１の位相板３１７と、第２の位相板３１８が配置されている。

この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置３０１では、第１の光束Ｌ１が第１の回折格子に対して垂直に入射しない。そのため、光源６、レンズ１６、光束分割部３１３、第２の回折格子３１２、参照用ミラー３１４、物体用ミラー３１５、第１の位相板３１７、及び第２の位相板３１８は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１とは異なる位置に配置される。

なお、参照用ミラー３１４は、第２の光束Ｌ２の光路長が、第１の光束Ｌ１の光路長と同一になる位置に配置されている。また、参照用ミラー３１４は、光束分割部３１３から照射された第２の光束Ｌ２が垂直に入射する位置に配置されている。さらに、物体用ミラー３１５は、第２の回折格子３１２で回折された第１の光束Ｌ１が垂直に入射する位置に配置されている。

次に、図１４を参照して、第１の回折格子１１の入射角度θ_Ｒ及び回折角度θと、第２の回折格子１２への入射角度θ_１及び回折角度θ_２の関係について説明する。
図１４に示すように、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッドに接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の光束Ｌ１における第１の回折格子１１に入射する位置は、入射点Ｐ１から入射点Ｐ２に変化する。そのため、第１の光束Ｌ１が第１の回折格子１１に入射する時点で、第１の光束Ｌ１の光路長は、長さΔＭ短くなる。

また、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッドに接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子３１２に入射する位置は、入射点Ｑ１から入射点Ｑ２に変化する。そして、第１の回折格子１１の入射点Ｐ２から第２の回折格子３１２の入射点Ｑ２までの光路長は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第１の回折格子１１の入射点Ｐ１から第２の回折格子３１２の入射点Ｑ１までの光路長よりも長さＭ１だけ長くなる。さらに、第２の回折格子３１２の入射点Ｑ２から物体用ミラー３１５までの距離は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第２の回折格子３１２の入射点Ｑ１から物体用ミラー３１５までの光路長よりも長さＭ２だけ長くなる。

そのため、ΔＺ＝Ｍ１＋Ｍ２を満たせば、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長は、一定となる。また、ΔＺ＝Ｍ１＋Ｍ２を満たす条件は、第１の回折格子１１への入射角度θ_Ｒ、第１の回折格子１１の回折角度θ、第２の回折格子３１２への入射角度θ_１、第２の回折格子３１２の回折角度θ_２から下記式１３を示すことができる。
［式１３］

したがって、第１の回折格子１１の回折角度θと第２の回折格子３１２の回折角度θ_２は、上記式１３を満たす。これにより、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長を一定にすることができる。なお、第１の光束Ｌ１が物体用ミラー３１５によって反射し、光束分割部３１３に戻る光路にも適用できる。従って、第１の光束Ｌ１における帰り光路の光路長も常に一定にすることができる。

なお、第１の光束Ｌ１におけるだ第１の回折格子１１への入射が垂直の場合、θ_Ｒ＝０°。第２の回折格子３１２がブラッグ条件を満たすのであれば、θ_１＝θ_２＝φとなる。その結果、上記式１３は、上記式５に変換される。

また、受光部７の受光素子は、下記式１４のような干渉信号を得る。
［式１４］

Ｋ１は、２π／ｄ_Ｒで示される第１の回折格子１１の波数である。また、ｘは、第１の回折格子１１の移動量、すなわちヘッド３と被測定部材２における第１の方向Ｘへの相対的な変位量を示している。一方、Ｋ２は、２π／ｄ_Ｔで示される第２の回折格子１２の波数である。ｚは、第２の回折格子１２に入射する第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２の格子ベクトル方向の移動量を示している。なお、ｄ_Ｒは、第１の回折格子１１の格子ピッチであり、ｄ_Ｔは、第２の回折格子１２の格子ピッチである。また、δは、初期位相を示している。

さらに、Ｂは、第２の回折格子１２の格子ベクトル方向が、第１の光束Ｌ１が第１の回折格子１１に入射する方向に対して、傾斜角度θ_Ｔで傾斜することに伴う係数である。この傾斜角度θ_Ｔは、第１の回折格子１１への入射角度θ_Ｒ、第１の回折格子１１の回折角度θ、第２の回折格子３１２への入射角度θ_１と、θ_Ｔ＝θ_１＋θ＋θ_Ｒ−９０°の関係を有している。

このように、第１の光束Ｌ１が第１の回折格子１１に対して垂直に入射せずに、かつ第２の回折格子３１２がブラッグ条件を満たしていなくても、第１の回折格子１１の回折角度θと第２の回折格子３１２の回折角度θ_２が上記式１３を満たしていれば、第１の光束Ｌ１の光路長が変化することがない。

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３０１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。

５．第５の実施の形態例
次に、図１５を参照して第５の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１５は、第５の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図である。

この第５の実施の形態例にかかる変位検出装置４０１は、ヘッド３又は被測定部材２における第３の方向Ｚだけの相対的な変位を検出するものである。そのため、ここでは、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１５に示すように、変位検出装置４０１は、被測定部材２に設けられた第１の回折格子１１と、ヘッド４０３と、相対位置情報出力手段４０４とを備えている。

ヘッド４０３は、変位検出部４０５と、光源６と、変位検出部４０５に設けられた受光部７とを有している。また、変位検出部４０５は、第２の回折格子１２と、光束分割部１３と、物体用ミラー１５と、第１の位相板１７と、を有している。なお、第２の回折格子１２、物体用ミラー１５及び第１の位相板１７は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の構成を有しているため、その説明は省略する。

また、ヘッド４０３は、光束結合部４１３と、第３の回折格子４１２と、第１の参照用反射部材４１４ａと、第２の参照用反射部材４１４ｂと、第２の物体用ミラー４１５と、第３の位相板４１７とを有している。第１の参照用反射部材４１４ａと第２の参照用反射部材４１４ｂは、ヘッド３における第１の方向Ｘの両側において、互いに対向する位置に配置されている。第１の参照用反射部材４１４ａ及び第２の参照用反射部材４１４ｂは、三角度形のプリズムにより構成されている。このように、参照用反射部材としては、ミラーに限定されるものではなく、プリズム等その他各種の光学部品を適用できるものである。

光束分割部１３を反射した参照光である第２の光束Ｌ２は、第１の参照用反射部材４１４ａに向かって照射される。そして、第１の参照用反射部材４１４ａは、入射した第２の光束Ｌ２を第２の参照用反射部材４１４ｂに向けて反射する。そして、第２の参照用反射部材４１４ｂは、入射した第２の光束Ｌ２を光束結合部４１３に向けて反射する。

光束結合部４１３、第３の回折格子４１２、第２の物体用ミラー４１５及び第３の位相板４１７は、光束分割部１３、第２の回折格子１２、物体用ミラー１５及び第１の位相板１７よりも第１の方向Ｘの片側に配置されている。具体的には、光束結合部４１３、第３の回折格子４１２、第２の物体用ミラー４１５及び第３の位相板４１７は、光束分割部１３、第２の回折格子１２、物体用ミラー１５及び第１の位相板１７に対して第１の方向Ｘに沿って反転した位置に配置されている。

第１の回折格子１１の第１照射点ＰＡに入射し、第１の回折格子１１と第２の回折格子１２で２回ずつ回折して、再び光束分割部１３に戻った第１の光束Ｌ１は、光束分割部１３によって反射されて光束結合部４１３に向けて照射される。光束結合部４１３は、入射した第１の光束Ｌ１を再び被測定部材２の第１の回折格子１１に向けて反射させる。すなわち、光束結合部４１３は、再反射部としての役割を有している・

光束結合部４１３を反射した第１の光束Ｌ１は、第３の位相板４１７を通過し、その偏光方向が円偏光に変化する。そして、第３の位相板４１７を通過した、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１の第２照射点ＰＢに入射する。第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１によって回折される。なお、第２照射点ＰＢでの回折方向の向きは、第１照射点ＰＡでの回折方向の向きとは第１の方向Ｘにおいて反対側を向いている。すなわち、第２照射点ＰＢでの回折方向の向きは、第１照射点ＰＡでの回折方向の向きと反転している。

第１の回折格子１１で回折された第１の光束Ｌ１は、第３の回折格子４１２に入射する。そして、第１の光束Ｌ１は、第３の回折格子４１２で回折され、第２の物体用ミラー４１５に入射する。第１の光束Ｌ１は、第２の物体用ミラー４１５によって反射されて、再び第３の回折格子４１２に入射する。そして、第１の光束Ｌ１は、第３の回折格子４１２で再び回折されて、第１の回折格子１１に入射する。

なお、第３の回折格子４１２の格子ピッチや回折角度は、第２の回折格子１２の格子ピッチｄ_Ｔ、や回折角度φと同じである。また、第３の回折格子４１２と第２の物体用ミラー４１５の位置関係は、第２の回折格子１２と物体用ミラー１５の位置関係を対して第１の方向Ｘに沿って反転させたものであり、第３の方向Ｚでの位置関係は同じである。そのため、これらの説明は省略する。

そして、第１の回折格子１１に入射した第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１に回折されて、第３の位相板４１７及び光束結合部４１３に向けて照射される。なお、第１の光束Ｌ１は、第１の回折格子１１だけで４回、回折されるが、そのうち２回の回折方向の向きが反転している。そのため、第１の光束Ｌ１における第１の回折格子１１で回折された位相がキャンセルされる。

光束結合部４１３に入射した第１の光束Ｌ１は、光束結合部４１３を透過する。また、光束結合部４１３に入射した第２の光束Ｌ２は、光束結合部４１３を反射する。これにより、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、光束結合部４１３におって重なり合う。そして、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、互いに直交するｓ偏光とｐ偏光として重なり合い、受光部７に照射される。

光束分割部１３によって分割された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２における光束分割部１３から光束結合部４１３までの光路長は、等しく設定されている。

受光部７は、第１の実施の形態例にかかる受光部７と同様の構成を有しているため、その説明は、省略する。なお、受光部７では、Ａ×ｃｏｓ(４×Ｂ×Ｋ２ｚ＋δ)の干渉信号が得られる。ここで、Ａは、干渉の振幅であり、Ｋ２は、２π／ｄ_Ｔで示される第２の回折格子１２の波数である。ｚは、第２の回折格子１２に入射する第１の光束Ｌ１における第２の回折格子１２の格子ベクトル方向の移動量を示している。なお、ｄ_Ｒは、第１の回折格子１１の格子ピッチであり、ｄ_Ｔは、第２の回折格子１２の格子ピッチである。また、δは、初期位相を示している。

さらに、Ｂは、第２の回折格子１２の格子ベクトル方向が第３の方向Ｚに対して傾斜角度θ_Ｔで傾斜することに伴う係数である。そして、第２の回折格子１２のへの入射角度（ブラッグ条件では、回折角度も同じになる）をφとした場合、Ｂ＝ｃｏｓθ_Ｔ＋ｓｉｎθ_Ｔ×ｔａｎφで示すことができる。

このように、受光部７で得られる干渉信号には、第３の方向Ｚの変位情報だけとなる。これにより、第５の実施の形態例にかかる変位検出装置４０１によれば、ヘッド３又は被測定部材２における第３の方向Ｚだけの相対的な変位を検出することができる。

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４０１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。

６．第６の実施の形態例
次に、図１６及び図１７を参照して第６の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１６は、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図、図１７は、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置における第１の回折格子と第２の回折格子の入射角度及び回折角度の関係を示す説明図である。

この第６の実施の形態例にかかる変位検出装置５０１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、第２の回折格子として反射型の回折格子を用いた点である。そのため、ここでは、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１６に示すように、変位検出装置５０１は、ヘッド５０３と、第１の回折格子１１が設けられた被測定部材２と、相対位置情報出力手段５０４とを備えている。ヘッド５０３は、変位検出部５０５と、光源６と、変位検出部５０５に設けられた受光部７とを有している。

また、変位検出部５０５は、第２の回折格子５１２と、光束分割部１３と、第１の位相板１７と、第２の位相板１８と、参照用ミラー１４と、を有している。なお、光束分割部１３、参照用ミラー１４、第１の位相板１７及び第２の位相板１８は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の構成を有しているため、その説明は省略する。

第２の回折格子５１２は、入射した第１の光束Ｌ１を反射し、かつ回折する反射型の回折格子である。そして、第２の回折格子５１２は、第１の回折格子１１によって回折された第１の光束Ｌ１を、再び第１の回折格子１１に向けて反射し、回折する。そのため、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置５０１では、第２の回折格子５１２が物体用反射部材としての役割を有している。その結果、物体用反射部材として新たにミラーやプリズム等を設ける必要がなくなり、部品点数を削減することができる。

次に、図１７を参照して、第１の回折格子１１の入射角度θ_Ｒ及び回折角度θと、第２の回折格子５１２への入射角度θ_１及び回折角度θ_２の関係について説明する。
図１７に示すように、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッドに接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の光束Ｌ１における第１の回折格子１１に入射する位置は、入射点Ｐ１から入射点Ｐ２に変化する。そのため、第１の光束Ｌ１が第１の回折格子１１に入射する時点で、第１の光束Ｌ１の光路長は、長さΔＭ短くなる。

また、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッドに接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子５１２に入射する位置は、入射点Ｑ１から入射点Ｑ２に変化する。そして、第１の回折格子１１の入射点Ｐ２から第２の回折格子５１２の入射点Ｑ２までの光路長は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第１の回折格子１１の入射点Ｐ１から第２の回折格子５１２の入射点Ｑ１までの光路長よりも長さＭ１だけ長くなる。

そのため、ΔＭ＝Ｍ１を満たせば、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長は、一定となる。また、ΔＺ＝Ｍ１を満たす条件は、第１の回折格子１１への入射角度θ_Ｒ、第１の回折格子１１の回折角度θ、第２の回折格子５１２への入射角度（回折角度）θ_１とすると、θ＝θ_Ｒで、かつθ_１＋θ＝９０°で表すことができる。

したがって、１の回折格子１１への入射角度θ_Ｒ、第１の回折格子１１の回折角度θ、第２の回折格子５１２への入射角度（回折角度）θ_１は、θ＝θ_Ｒで、かつθ_１＋θ＝９０°を満たす。これにより、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長を一定にすることができる。

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５０１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。

７．第７の実施の形態例
次に、図１８及び図１９を参照して第７の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１８は、第７の実施の形態例にかかる変位検出装置の構成を示す概略構成図、図１９は、第７の実施の形態例にかかる変位検出装置における第１の回折格子と第２の回折格子の入射角度及び回折角度の関係を示す説明図である。

この第７の実施の形態例にかかる変位検出装置６０１は、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置５０１と同様に、第２の回折格子として反射型の回折格子を用いたものである。そのため、ここでは、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１８に示すように、変位検出装置６０１は、ヘッド６０３と、第１の回折格子１１が設けられた被測定部材２と、相対位置情報出力手段４とを備えている。ヘッド６０３は、変位検出部６０５と、光源６と、変位検出部６０５に設けられた受光部７とを有している。

また、変位検出部５０５は、第２の回折格子６１２と、光束分割部１３と、第１の位相板１７と、第２の位相板１８と、参照用ミラー１４と、物体用ミラー６１５と、を有している。なお、光束分割部１３、参照用ミラー１４、第１の位相板１７及び第２の位相板１８は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の構成を有しているため、その説明は省略する。

第２の回折格子６１２は、入射した第１の光束Ｌ１を反射し、かつ回折する反射型の回折格子である。そして、第２の回折格子６１２は、第１の回折格子１１によって回折された第１の光束Ｌ１を、物体用ミラー６１５に向けて反射し、回折する。物体用ミラー６１５は、入射した第１の光束Ｌ１を再び第２の回折格子６１２に向けて反射させる。

この第７の実施の形態例にかかる変位検出装置６０１では、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置５０１に対して物体用ミラー６１５が追加されている。しかしながら、物体用ミラー６１５を設けることで、第１の光束Ｌ１の光路長と第２の光束Ｌ２の光路長を一致させる作業を容易に行うことができる。

次に、図１９を参照して、第１の回折格子１１の入射角度θ_Ｒ及び回折角度θと、第２の回折格子１２への入射角度θ_１及び回折角度θ_２の関係について説明する。
図１９に示すように、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッドに接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の光束Ｌ１における第１の回折格子１１に入射する位置は、入射点Ｐ１から入射点Ｐ２に変化する。そのため、第１の光束Ｌ１が第１の回折格子１１に入射する時点で、第１の光束Ｌ１の光路長は、長さΔＭ短くなる。

また、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに沿って上方、すなわちヘッドに接近する向きに長さΔＺ移動すると、第１の光束Ｌ１における第２の回折格子６１２に入射する位置は、入射点Ｑ１から入射点Ｑ２に変化する。そして、第１の回折格子１１の入射点Ｐ２から第２の回折格子６１２の入射点Ｑ２までの光路長は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第１の回折格子１１の入射点Ｐ１から第２の回折格子６１２の入射点Ｑ１までの光路長よりも長さＭ１だけ長くなる。さらに、第２の回折格子６１２の入射点Ｑ２から物体用ミラー６１５までの距離は、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動していない時の第２の回折格子６１２の入射点Ｑ１から物体用ミラー６１５までの光路長よりも長さＭ２だけ長くなる。

そのため、ΔＺ＝Ｍ１＋Ｍ２を満たせば、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長は、一定となる。また、ΔＺ＝Ｍ１＋Ｍ２を満たす条件は、第１の回折格子１１への入射角度θ_Ｒ、第１の回折格子１１の回折角度θ、第２の回折格子６１２への入射角度θ_１、第２の回折格子６１２の回折角度θ_２から上記式１３を示すことができる。

したがって、第１の回折格子１１の回折角度θと第２の回折格子６１２の回折角度θ_２は、上記式１３を満たす。これにより、第１の回折格子１１が第３の方向Ｚに移動しても第１の光束Ｌ１の光路長を一定にすることができる。

なお、第６の実施の形態例にかかる第２の回折格子５１２及び第７の実施の形態例にかかる第２の回折格子６１２としては、例えば、溝の断面形状を鋸歯状に形成した、いわゆるブレーズド回折格子を用いることが好ましい。これにより、特定の波長に対して回折効率を高めることができる。

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６０１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。

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。

なお、本明細書において、「平行」及び「直交」等の単語を使用したが、これらは厳密な「平行」及び「直交」のみを意味するものではなく、「平行」及び「直交」を含み、さらにその機能を発揮し得る範囲にある、「略平行」や「略直交」の状態であってもよい。

１…変位検出装置、 ２…被測定部材、 ２ａ…被測定面、 ３…ヘッド、 ４…相対位置情報出力手段、 ５…変位検出部、 ６…光源、 ７…受光部、 １１…第１の回折格子、 １２…第２の回折格子、 １３…光束分割部（光束結合部）、 １４…参照用ミラー（参照用反射部材）、 １５…物体用ミラー（物体用反射部材）、 １７…第１の位相板 １８…第２の位相板、 Ｌ１…第１の光束、 Ｌ２…第２の光束

Claims (8)

1. 被測定部材の被測定面に設けられた第１の回折格子と、
   前記被測定部材の前記被測定面に対向して配置されたヘッドと、を備え、
   前記ヘッドと前記被測定部材は、前記被測定面と平行をなす方向及び前記被測定面と直交する方向のうち少なくとも一方に、相対的に移動可能とし、
   前記ヘッドは、
   光を照射する光源と、
   前記光源から照射された前記光を第１の光束と第２の光束に分割し、前記第１の光束を前記第１の回折格子に向けて照射する変位検出部と、
   前記第２の光束と、前記変位検出部を介して前記第１の回折格子から戻ってきた前記第１の光束とを受光する受光部と、を備え、
   前記変位検出部は、
   前記光を前記第１の光束と、前記第２の光束に分割し、かつ分割された前記第１の光束を前記第１の回折格子に向けて照射する光束分割部と、
   前記光束分割部により分割され、前記第１の回折格子により回折された前記第１の光束を回折し、前記第１の光束を再び前記第１の回折格子に照射する第２の回折格子と、
   前記光束分割部により分割された前記第２の光束を反射する参照用反射部材と、
   前記第１の回折格子と前記第２の回折格子により回折された前記第１の光束と、前記参照用反射部材により反射された前記第２の光束を重ね合わせて前記受光部に照射する光束結合部と、を備え、
   前記第１の回折格子への前記第１の光束の入射角度、前記第１の回折格子の回折角度、前記第２の回折格子への前記第１の光束の入射角度、前記第２の回折格子の回折角度は、前記ヘッドと前記被測定部材の少なくとも一方が前記被測定面と直交する方向に変位した際の、前記第１の光束における前記光束分割部から前記第１の回折格子に入射するまでの光路長の変位量と、前記第１の光束における前記第１の回折格子から前記第２の回折格子に入射するまでの光路長の変位量が等しくなることを特徴とする
   変位検出装置。
2. 前記変位検出部は、前記第１の光束における前記光束分割部から前記第１の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参照用反射部材を介して前記光束結合部までの光路長が等しくなることを特徴とする
   請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記第１の回折格子への前記第１の光束の入射角度θ_Ｒ、前記第１の回折格子の回折角度θ、前記第２の回折格子への前記第１の光束の入射角度θ_１、前記第２の回折格子の回折角度θ_２は、下記式を満たすことを特徴とする
   ［式］
   

   

   請求項１又は２に記載の変位検出装置。
4. 前記変位検出部は、前記光束分割部により分割された前記第１の光束を前記第１の回折格子に垂直に入射させることを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
5. 前記第２の回折格子の回折は、ブラッグ条件を満たすことを特徴とする
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の変位検出装置。
6. 前記ヘッドは、
   前記変位検出部からなり、前記第１の回折格子の格子ベクトル方向の一側に配置された第１変位検出部と、
   前記第１変位検出部に対して前記第１の回折格子の格子ベクトル方向の他側に配置され、前記第１変位検出部と同一の構成要素を有する第２変位検出部と、
   前記光源から照射された光を、前記第１変位検出部に照射する光と前記第２変位検出部に照射する光に分配する光分配部と、を備え、
   前記第２変位検出部の前記構成要素は、前記第１変位検出部の構成要素に対して前記第１の回折格子の格子ベクトル方向に沿って反転して配置されることを特徴とする
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位検出装置。
7. 前記第１の回折格子は、前記被測定面と平行をなす第１格子ベクトル方向と、
   前記被測定面と平行をなし、かつ前記第１格子ベクトル方向と交差する第２格子ベクトル方向と、を有し、
   前記ヘッドは、
   前記変位検出部からなり、前記第１の回折格子の前記第１格子ベクトル方向の一側に配置された第１変位検出部と、
   前記第１変位検出部に対して前記第１の回折格子の前記第１格子ベクトル方向の他側に配置され、前記第１変位検出部と同一の構成要素を有する第２変位検出部と、
   前記第１の回折格子の前記第２格子ベクトル方向の一側に配置され、前記第１変位検出部と同一の構成要素を有する第３変位検出部と、
   前記第３変位検出部に対して前記第１の回折格子の前記第２格子ベクトル方向の反対側に配置され、前記第１変位検出部と同一の構成要素を有する第４変位検出部と、
   前記光源から照射された光を、前記第１変位検出部に照射する光、前記第２変位検出部に照射する光、前記第３変位検出部に照射する光及び前記第４変位検出部に照射する光に分配部と、を備え、
   前記第２変位検出部の前記構成要素は、前記第１変位検出部の構成要素に対して前記第１の回折格子の前記第１格子ベクトル方向に沿って反転して配置され
   前記第３変位検出部の前記構成要素は、前記第２格子ベクトル方向に沿って配置され、
   前記第４変位検出部の前記構成要素は、前記第３変位検出部の前記構成要素に対して前記第１の回折格子の前記第２格子ベクトル方向に沿って反転して配置されることを特徴とする
   請求項１〜５のいずか１項に記載の変位検出装置。
8. 前記変位検出部は、
   前記第２の回折格子により再び前記第１の回折格子に照射されて、前記第１の回折格子により回折されて戻ってきた前記第１の光束を再び前記第１の回折格子に向けて照射する再反射部と、
   前記再反射部により前記第１の回折格子に照射されて、前記第１の回折格子により回折された前記第１の光束を回折し、前記第１の光束を再び前記第１の回折格子に照射する第３の回折格子と、を備え、
   前記第３の回折格子は、前記第２の回折格子に対して前記第１の回折格子の格子ベクトル方向に沿って反転して配置されることを特徴とする
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位検出装置。

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