位置検出装置
【課題】 ２次以上の回折光および迷光の発生を抑え、位置検出信号のＳ／Ｎ比を改善し検出精度の向上を図る。
【解決手段】 屈折率ｎの保護層１２で格子面１１ａが覆われた回折格子１１のピッチをｄ、照射される可干渉光の真空中の波長をλ０とした時、ｄ＜２λ０／ｎ とし、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用する。
【解決手段】 屈折率ｎの保護層１２で格子面１１ａが覆われた回折格子１１のピッチをｄ、照射される可干渉光の真空中の波長をλ０とした時、ｄ＜２λ０／ｎ とし、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する光学式変位測定装置として、移動するスケール上に記録されている回折格子の位置の変位を光の干渉を利用して検出するようにしたものに格子干渉計を用いた変位測定装置が知られている。
【０００３】
本件発明者等は、干渉させる２つの回折光を高い精度で重ね合わせて、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができるようにした光学式変位測定装置を先に提案している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この特許文献１の開示技術では、可干渉光が第１の結像手段により回折格子の格子面に結像しているとともに、第１の回折光が第２の結像手段により平行光とされ反射光学系の反射器に常に垂直に照射されている構造とすることにより、第１の回折光の光軸がずれた場合であっても、反射された第１の回折光は常に入射したときと全く同じ経路を逆行し回折格子の格子面上の結像位置は変化せず、この第１の回折光が回折することにより生じる第２の回折光の光軸がずれず、また、光路長の変化も生じないようにして、回折格子が、格子ベクトルに平行な方向以外に移動等した場合、例えば、回折格子が傾いたり、回折格子にうねり等があった場合であっても、検出する干渉信号が低下しないようにしている。
【０００５】
また、回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う格子干渉計用の光学スケールでは、回折格子が空気中に露出していると、指紋やゴミが付着したり、傷が付いてしまうので、回折格子が形成された面を覆うように透明な保護層を形成することにより、回折格子表面を汚れや傷から保護することが行われている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−８１３０８号公報
【特許文献２】特開平５−２３２３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記特許文献１の開示技術においては、入射角≠回折角とすることにより、０次光の光路への混入を防ぐことを可能としている。しかしながら、条件によっては高次の回折光が発生し、回折格子の保護層の境界面等での反射により迷光となり、光路への混入による検出精度の低下を招く場合がある。
【０００８】
上記高次の回折光が保護層の境界面で反射されることに迷光となるのを防止するために上記保護層の表面に反射防止膜を設けることが考えられるが、高次の回折光の全ての反射を防止する構造とすることは難しい。
【０００９】
そこで、本発明は、上述の如き従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、２次以上の回折光および迷光の発生を抑え、位置検出信号のＳ／Ｎ比を改善し検出精度の向上を図った格子干渉計用の光学スケールを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ここで、図１に示すように、波長λ０の可干渉光Ｌａが屈折率ｎの媒質２を介して入射角θ０をもって回折格子１に入射し場合、上記回折格子１の形成された面の法線と光線とのなす角度で示す入射角θ０と回折角θのプラス方向を図１のようにとり、上記回折格子１のピッチをｄ、回折次数をｍとして、入射角θ０と回折角θが次の式（１）
ｓｉｎθ＝（ｍλ０／ｄｎ）−ｓｉｎθ０ ・・・ 式（１）
を満たす各次数の回折光が生じる。
【００１２】
しかしながら、上記式（１）において、入射角θ０が次の条件式
（２λ０／ｄｎ）−ｓｉｎθ０＞１、かつ、（−２λ０／ｄｎ）−ｓｉｎθ０＜−１
を満たせば、±２次以上の高次の回折光は生じない。
【００１３】
そこで、本発明では、回折格子への可干渉光Ｌａの入射角θ０を次の式（２）
ｄ＜２λ０／ｎ かつ ｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−1 ・・・ 式（２） を満たように設定することにより、±２次以上の高次の回折光を生じなくする。
【００１４】
すなわち、本発明は、回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置であって、回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層を有し、真空中の波長をλ０、上記回折格子のピッチをdとした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置であって、回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層を有し、真空中の波長をλ０、上記回折格子のピッチをｄとした時、ｄ＜３λ０／２ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ） ＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、上記回折格子による１次回折光が反射光学系を介して戻されて再入射され、上記回折格子で再回折させた１次回折光を位置検出に使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、回折格子のピッチをｄ、保護層の屈折率ｎをとした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用することにより、位置検出に必要のない高次の回折光の発生を防ぐことができ、回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層の境界面での反射による不要な回折光からの迷光の発生を防ぎ、位置検出光への迷光の混入を予防することができる。
【００１７】
さらに、
ｄ＜３λ０／２ｎ
なる式を満たし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ） ＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定することにより、上記回折格子による１次回折光が反射光学系を介して戻されて再入射され、上記回折格子で再回折させた１次回折光を位置検出に使用することにより、再入射された１次回折光についても、位置検出に必要のない高次の回折光の発生を防ぐことができ、上記屈折率ｎの保護層の境界面での反射による不要な回折光からの迷光の発生を防ぎ、位置検出光への迷光の混入を予防することができる。
【００１８】
したがって、本発明によれば、２次以上の回折光および迷光の発生を抑え、位置検出信号のＳ／Ｎ比を改善し検出精度の向上を図った位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】回折格子による生じる回折光の様子を模式的に示す図である。
【図２】本発明を適用した光学式変位測定装置の構成を示す外観斜視図である。
【図３】上記光学式変位測定装置に適用した光学スケールの構造を模式的に示す断面図である。
【図４】上記光学式変位測定装置の傾斜面Ａ上に配置された構成要素を、この傾斜面Ａに対して垂直な方向から見た側面図である。
【図５】上記光学式変位測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図である。
【図６】上記光学式変位測定装置の傾斜面Ｂ上に配置された構成要素を、この傾斜面Ｂに対して垂直な方向から見た側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
本発明は、例えば図２に示すような構成の光学式変位測定装置１００に適用される。
【００２２】
この光学式変位測定装置１００は、反射型の回折格子１１が形成された光学スケール１０を備え、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置である。
【００２３】
上記光学スケール１０は、図３に示すように、回折格子１１の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う格子干渉計用の光学スケールであって、回折格子１１が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層１２を有し、真空中の波長をλ０、上記回折格子１１のピッチをｄとし、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定されるか、または、
ｄ＜３λ０／２ｎ
なる式を満たすように、上記回折格子１１のピッチｄが設定されており、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ）＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、上記回折格子１１による１次回折光が反射光学系を介して戻されて再入射され、上記回折格子１１で再回折させた１次回折光が位置検出に使用される。
【００２４】
この光学スケール１０は、反射型スケールであって、ガラス、セラミック等のベース基材１３上に物理的な凹凸を持つ回折格子１１が形成され、その表面に形成された反射膜１４を有し、その上に保護層１２が形成されている。
【００２５】
ここで、この光学式変位測定装置１００では、図２に示すように、回折格子１１の格子面１１ａ上の格子ベクトル方向に平行な１つの仮想的な直線を含み法線ベクトルに平行な仮想的な基準面に対し、上記仮想的な直線を含み上記基準面とのなす角がγとなっている仮想的な面を傾斜面Ａとし、また、上記仮想的な直線を含み基準面とのなす角がδとなっている仮想的な面を傾斜面Ｂとし、上記傾斜面Ａと傾斜面Ｂは、回折格子１１の格子面１１ａに対し、同一面側にあるものとする。
【００２６】
そして、この光学式変位測定装置１００において、上記傾斜面Ａ上に配置された構成要素をこの傾斜面Ａに対して垂直な方向から見た側面図を図４に示す。また、回折格子１１に入射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た図５に示す。さらに、上記傾斜面Ｂ上に配置された構成要素をこの傾斜面Ｂに対して垂直な方向から見た側面図を図６に示す。
【００２７】
この光学式変位測定装置１００は、図２及び図４に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源２０と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光して干渉信号を生成する受光素子３０と、可干渉光源２０から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するとともに、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて受光素子３０に照射する照射受光光学系４１とを備えている。
【００２８】
照射受光光学系４１は、可干渉光源２０から出射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源２０から出射された可干渉光Ｌａを偏光方向の直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分離するとともに、偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる偏光ビームスプリッタ４３と、偏光ビームスプリッタ４３により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射するとともに回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射する反射器２３と、偏光ビームスプリッタ４３により分離された他方の可干渉光Ｌａ２を反射するとともに２回回折光Ｌｃ２を反射する反射器２４と、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光素子３０の受光面３０ａに結像させる第２の結像素子２５と、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の同一の偏光方向の成分を取り出す偏光板４６とを有している。
【００２９】
この照射受光光学系４１は、通過する可干渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路及び通過する２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路が、傾斜面Ａ上に形成されるように、各部材が配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図５に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角及び回折角がγとなっている。
【００３０】
可干渉光源２０から出射される可干渉光Ｌａは、照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３に対して、偏光方向を４５度傾けて入射される。
【００３１】
偏光ビームスプリッタ４３は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１はＰ偏光の光となり、反射した可干渉光Ｌａ２はＳ偏光の光となる。
【００３２】
また、偏光ビームスプリッタ４３には、回折格子１１により２回回折された、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が入射される。ここで、２回回折光Ｌｃ１は、元々はＰ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＳ偏光の光となっている。同様に、２回回折光Ｌｃ２は、元々はＳ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＰ偏光の光となっている。従って、この偏光ビームスプリッタ４３は、Ｓ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１を反射し、Ｐ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２を透過して、これら２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる。
【００３３】
反射器２３は、偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２３は、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射して、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。
【００３４】
反射器２４は、偏光ビームスプリッタ４３により反射された可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ２を反射して、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。
【００３５】
反射器２３及び反射器２４は、傾斜面Ａ上における入射角がθ０となるように、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射している。なお、反射器２３及び反射器２４は、その反射面が、互いが向き合うように配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベクトル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。また、反射器２３及び反射器２４は、格子ベクトル方向に所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射している。可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点との間の距離は、ｌとなっている。ｌは０以上の任意の距離である。
【００３６】
偏光板４６は、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされたＳ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１とＰ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２とが透過する。この偏光板４６は、２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌｃ２に対して、それぞれの光の偏光方向が４５度の成分を透過して、互いに同一の偏光方向の光とする。
【００３７】
受光素子３０は、この偏光板４６を透過した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光する。
【００３８】
この光学式変位測定装置１００では、このような可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ１が回折し、１回回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ２が回折し、１回回折光Ｌｂ２が生じる。１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、図５に示すように、δとなっている。すなわち、傾斜面Ｂに沿って１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が生じる。また、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の傾斜面Ｂ上における回折角は、θとなっている。なお、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル方向における出射方向が互いに逆方向となっている。
【００３９】
また、この光学式変位測定装置１００は、図２及び図６に示すように、反射光学系４２を備えている。
【００４０】
反射光学系４２は、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２６と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２７と、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を平行光として上記反射器２６に照射する第３の結像素子２８と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を平行光として上記反射器２７に照射する第４の結像素子２９と、１回回折光Ｌｂ１の光路上に設けられた１／４波長板４４と、１回回折光Ｌｂ２の光路上に設けられた１／４波長板４５とを有している。
【００４１】
反射光学系４２は、上述したように２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折角がδとなっているため、通過する１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路が傾斜面Ｂ上に形成されるように、各部材が配置されている。また、反射光学系４２の反射器２６と反射器２７とは、傾斜面Ｂ上における回折角θで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を垂直に反射可能な位置に配置されている。
【００４２】
また、１／４波長板４４は、回折格子１１から入射するＰ偏光の光の１回回折光Ｌｂ１の偏光方向に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回回折光Ｌｂ１は、この１／４波長板４４を２回通過して、回折格子１１に結像される。そのため、Ｐ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ１がＳ偏光の光とされ、回折格子１１に照射される。
【００４３】
また、１／４波長板４５は、回折格子１１から入射するＳ偏光の光の１回回折光Ｌｂ２の偏光方向に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回回折光Ｌｂ２は、この１／４波長板４５を２回通過して、回折格子１１に結像される。そのため、Ｓ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ２がＰ偏光の光とされ、回折格子１１に照射される。
【００４４】
このような反射光学系４２から、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１に入射される。この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトルから見た入射角は、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の回折角と同じく、δとなる。また、傾斜面Ｂ上における入射角は、同様に回折角と同じく、θとなる。
【００４５】
また、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折することにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の格子ベクトル方向から見た回折角は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、γとなる。また、傾斜面Ａ上の回折角は、同様に可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、θ０となる。
【００４６】
従って、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同光路を逆行して、偏光ビームスプリッタ４３に入射する。
【００４７】
また、この光学式変位測定装置１００は、受光素子３０からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する図示しない位置検出部を備えている。
【００４８】
この光学式変位測定装置１００では、仮想的な基準面に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面Ａ上に照射受光光学系４１を配置し、傾斜面Ｂ上に反射光学系４２を配置することにより、可干渉光と回折光とが形成する光路を分離することができ、装置の設計の自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系４１や反射光学系４２に混入させることなく、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させることができ、高精度に位置測定をすることができる。
【００４９】
すなわち、この光学式変位測定装置１００において、可干渉光源２０から出射された可干渉光Ｌａは第１の結像素子２１を通り、偏光ビームスプリッタ４３で２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２、すなわち、透過側Ｐ偏光、反射側Ｓ偏光に分割される。なお、可干渉光として半導体レーザを使用した場合は偏光方向をこの偏光ビームスプリッタ４３に対して４５°傾けて入射すればよい。 分割された２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は反射器２３，２４で反射され反射型の回折格子１１の格子面１１ａ近傍のほぼ同一点に結像される。結像されるビーム径は、その範囲に回折光を得るのに十分な本数の格子を含む必要があり、また、ゴミやキズの影響を避けるため数十μｍ以上あることが望ましく、結像光学系の開口数等を調整することにより適当なビーム径とされている。
【００５０】
回折格子１１への入射角はθ０である。回折格子１１で角度θで回折されたそれぞれのビームは回折格子１１の格子面１１ａ近傍に焦点のある第３の結像素子２８を通り、それぞれのビームの偏光方向に対して４５°光学軸の傾いた１／４波長板４４を通過し光軸に対して垂直に置かれた反射器２６で反射され、再び１／４波長板４４を通り、Ｐ偏光はＳ偏光に、Ｓ偏光はＰ偏光に変換され、第３の結像素子２８を通り、回折格子１１の格子面１１ａ近傍に結像される。回折格子１１で回折された光は反射器２４から偏光ビームスプリッタ４３へともと来た光路を戻る。
【００５１】
偏光ビームスプリッタ４３ではＰ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射されるため二つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は重ね合わされ第２の結像素子２５へと向かう。第２の結像素子２５を通過した光は偏光方向に対して透過軸を４５度傾けた偏光板４６を通過し、受光素子３０の受光面３０ａ近傍に結像される。
【００５２】
ここで、重ね合わせる２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の強度をＡ１ ，Ａ２ 、回折格子１１の格子ベクトル方向への移動量をｘ、初期位相をδとすると、受光素子３０により得られる干渉信号の強度Ｉは、
Ｉ＝Ａ１２ ＋Ａ２２ ＋２Ａ１ Ａ２ ｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ） ・・・ 式（３）
Ｋ＝２π／ｄ（ｄは格子ピッチ）
なる式（３）にて示され、位置検出部では、受光素子３０からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出することができる。
【００５３】
このような構成の光学式変位測定装置１００では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置１００では、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出することができる。
【００５４】
このように可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を格子面１１ａ近傍に結像し、格子面１１ａ近傍に焦点のある結像素子を通して反射器２６，２７で反射することにより、回折格子１１が傾いた場合でも、一回目の回折光が常に反射器２６，２７に垂直に入射するため反射光は常に入射した時と全く同じ光路を逆行することになり、二回目の回折光の光路がずれないため干渉信号の変動が起きない。
【００５５】
また、図５に示すように、可干渉光源２０、受光素子３０のある傾斜面Ａは格子面１１ａに対して角度γで傾いており、反射器２６，２７のある傾斜面Ｂは角度δで傾いている。左右の光路は対称であり、左右の光路の光路長が等しくなるように反射器２６，２７の位置は調整される。
【００５６】
このようにすることにより波長変動に起因する測定誤差の発生を防ぐことができる。この調整を行うために可干渉光源２０は可干渉距離の短い物を用いることができる。例えば可干渉距離が数百μｍのマルチモードの半導体レーザを用いれば、干渉縞の変調率（Visibility）が最大となるところに反射器２６，２７の位置を調整すれば光路長差を数十μｍ以下に抑えることができる。
【００５７】
この光学式変位測定装置１００では、１次回折光を使用するため、角度θ０、θ、γ、δは、以下のような関係式で表わされる。θ０、θはそれぞれ面Ａ上、面Ｂ上での値である。
【００５８】
ｓｉｎθ＝（λ０／ｄｎ）−ｓｉｎθ０
ｓｉｎγ／ｓｉｎδ＝ｃｏｓθ／ｃｏｓθ０
そして、この光学式変位測定装置１００における光学スケール１０は、上述の如く、回折格子１１の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う格子干渉計用の光学スケールであって、回折格子１１が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層１２を有し、真空中の波長をλ０、上記回折格子１１のピッチをｄとした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定されているので、１回目の回折で±２次以上の高次の回折光を生じさせないようにすることができる。
【００５９】
なお、この光学式変位測定装置１００では、回折格子１１から生じた１次回折光を再度同じ角度で入射させ、再度回折させて生じる１次回折光を利用するため、 上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定しただけでは、上記再度の回折の際、１次以外の回折光を生じる可能性がある。
【００６０】
２度目の回折の際の回折次数をｍ２、回折角度をθ’とすると
ｓｉｎθ’＝（ｍ２−１）λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０
となるので、ｍ２＝−１の−１次光は
ｓｉｎθ’＝−２λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０
となり、ｓｉｎθ０が
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
を満たしている場合は、常に
−２λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０＜−１
となり解はなく、−１次光が発生しない。
【００６１】
同様にｍ２＝−２の−２次光は、
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
を満たしている場合は、常に
−３λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０＜−１
となり解はなく、−２次光が発生しない。
【００６２】
さらに、ｍ２＝＋２の＋２次光は、
ｓｉｎθ’＝λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０
となり、ｓｉｎθ０が
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
を満たしている場合であっても解がある場合があるが、この光学式変位測定装置１００では、上記回折格子１１のピッチｄと上記保護層１２の屈折率ｎが
ｄ＜３λ０／２ｎ かつ １−（λ０／ｄｎ）＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
を満たすように、上記回折格子１１のピッチｄを設定したことにより、＋２次光の発生も抑えることができる。この場合、１回目の回折でのみ２次以上の回折光を生じない条件に比べてｄおよびθ０の範囲が狭くなるが、２回目の回折での高次光の影響が大きい場合はこちらの条件を用いることが好ましい。どちらの条件を用いるかは、設計時の配置上の制約と高次光の影響をどの程度まで許容できるかによる。また、特開２０００−１８９１７公報に開示されている例のように１回目の回折光のみを使用する場合は１回目の回折でのみ２次以上の回折光を生じない条件で十分である。
【００６３】
すなわち、この光学式変位測定装置１００では、屈折率ｎの保護層１２で格子面１１ａが覆われた回折格子１１のピッチをｄ、照射される可干渉光の真空中の波長をλ０とした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用することで、位置検出に必要のない高次の回折光の発生を防ぐことができ、上記回折格子１１が形成された格子面１１ａを覆うように形成された屈折率ｎの保護層１２の境界面での反射による不要な回折光からの迷光の発生を防ぎ、位置検出光への迷光の混入を予防することができる。
【００６４】
さらに、この光学式変位測定装置１００では、上記回折格子１１のピッチｄと上記保護層１２の屈折率ｎは、
ｄ＜３λ０／２ｎ
なる式を満たし、入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ） ＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、上記回折格子１１による１次回折光が反射光学系４２を介して戻されて再入射され、上記回折格子１１で再回折させた１次回折光を位置検出に使用することで、再入射された１次回折光についても、位置検出に必要のない高次の回折光の発生を防ぐことができ、上記屈折率ｎの保護層１２の境界面での反射による不要な回折光からの迷光の発生を防ぎ、位置検出光への迷光の混入を予防することができる。
【００６５】
なお、上記光学式変位測定装置１００は、反射型の回折格子１１が形成された光学スケール１０を備えるものであるが、反射膜のない透過型スケールを挟んで照射受光光学系４１と反射光学系４２を対称に配置した構造としてもよい。
【００６６】
すなわち、以上説明した本発明の実施の形態では、格子面１１ａの表面に形成された反射膜１４を有し、その上に保護層１２が形成されている反射型の光学スケール１０を備える光学式変位測定装置１００に本発明を適用したが、本発明は、反射型スケール備えるものに限定されるものでなく、反射膜のない透過型スケールを備える光学式変位測定装置に適用することもできる。
【００６７】
また、上記光学式変位測定装置１００に備えられた光学スケール１０は、格子ベクトル方向に長尺な直線スケールであるが、本発明は、直線スケールを備える光学式変位測定装置１００のみに限定されるものでなく、ロータリー型の光学スケールを備える光学式変位測定装置に適用してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 光学スケール、１１ 回折格子、１１ａ 格子面、１２ 保護層、１３ ベース基材、１４ 反射膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する光学式変位測定装置として、移動するスケール上に記録されている回折格子の位置の変位を光の干渉を利用して検出するようにしたものに格子干渉計を用いた変位測定装置が知られている。
【０００３】
本件発明者等は、干渉させる２つの回折光を高い精度で重ね合わせて、移動する可動部分の移動位置を、高分解能かつ高精度に検出することができるようにした光学式変位測定装置を先に提案している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この特許文献１の開示技術では、可干渉光が第１の結像手段により回折格子の格子面に結像しているとともに、第１の回折光が第２の結像手段により平行光とされ反射光学系の反射器に常に垂直に照射されている構造とすることにより、第１の回折光の光軸がずれた場合であっても、反射された第１の回折光は常に入射したときと全く同じ経路を逆行し回折格子の格子面上の結像位置は変化せず、この第１の回折光が回折することにより生じる第２の回折光の光軸がずれず、また、光路長の変化も生じないようにして、回折格子が、格子ベクトルに平行な方向以外に移動等した場合、例えば、回折格子が傾いたり、回折格子にうねり等があった場合であっても、検出する干渉信号が低下しないようにしている。
【０００５】
また、回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う格子干渉計用の光学スケールでは、回折格子が空気中に露出していると、指紋やゴミが付着したり、傷が付いてしまうので、回折格子が形成された面を覆うように透明な保護層を形成することにより、回折格子表面を汚れや傷から保護することが行われている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−８１３０８号公報
【特許文献２】特開平５−２３２３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記特許文献１の開示技術においては、入射角≠回折角とすることにより、０次光の光路への混入を防ぐことを可能としている。しかしながら、条件によっては高次の回折光が発生し、回折格子の保護層の境界面等での反射により迷光となり、光路への混入による検出精度の低下を招く場合がある。
【０００８】
上記高次の回折光が保護層の境界面で反射されることに迷光となるのを防止するために上記保護層の表面に反射防止膜を設けることが考えられるが、高次の回折光の全ての反射を防止する構造とすることは難しい。
【０００９】
そこで、本発明は、上述の如き従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、２次以上の回折光および迷光の発生を抑え、位置検出信号のＳ／Ｎ比を改善し検出精度の向上を図った格子干渉計用の光学スケールを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ここで、図１に示すように、波長λ０の可干渉光Ｌａが屈折率ｎの媒質２を介して入射角θ０をもって回折格子１に入射し場合、上記回折格子１の形成された面の法線と光線とのなす角度で示す入射角θ０と回折角θのプラス方向を図１のようにとり、上記回折格子１のピッチをｄ、回折次数をｍとして、入射角θ０と回折角θが次の式（１）
ｓｉｎθ＝（ｍλ０／ｄｎ）−ｓｉｎθ０ ・・・ 式（１）
を満たす各次数の回折光が生じる。
【００１２】
しかしながら、上記式（１）において、入射角θ０が次の条件式
（２λ０／ｄｎ）−ｓｉｎθ０＞１、かつ、（−２λ０／ｄｎ）−ｓｉｎθ０＜−１
を満たせば、±２次以上の高次の回折光は生じない。
【００１３】
そこで、本発明では、回折格子への可干渉光Ｌａの入射角θ０を次の式（２）
ｄ＜２λ０／ｎ かつ ｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−1 ・・・ 式（２） を満たように設定することにより、±２次以上の高次の回折光を生じなくする。
【００１４】
すなわち、本発明は、回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置であって、回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層を有し、真空中の波長をλ０、上記回折格子のピッチをdとした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置であって、回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層を有し、真空中の波長をλ０、上記回折格子のピッチをｄとした時、ｄ＜３λ０／２ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ） ＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、上記回折格子による１次回折光が反射光学系を介して戻されて再入射され、上記回折格子で再回折させた１次回折光を位置検出に使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、回折格子のピッチをｄ、保護層の屈折率ｎをとした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用することにより、位置検出に必要のない高次の回折光の発生を防ぐことができ、回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層の境界面での反射による不要な回折光からの迷光の発生を防ぎ、位置検出光への迷光の混入を予防することができる。
【００１７】
さらに、
ｄ＜３λ０／２ｎ
なる式を満たし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ） ＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定することにより、上記回折格子による１次回折光が反射光学系を介して戻されて再入射され、上記回折格子で再回折させた１次回折光を位置検出に使用することにより、再入射された１次回折光についても、位置検出に必要のない高次の回折光の発生を防ぐことができ、上記屈折率ｎの保護層の境界面での反射による不要な回折光からの迷光の発生を防ぎ、位置検出光への迷光の混入を予防することができる。
【００１８】
したがって、本発明によれば、２次以上の回折光および迷光の発生を抑え、位置検出信号のＳ／Ｎ比を改善し検出精度の向上を図った位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】回折格子による生じる回折光の様子を模式的に示す図である。
【図２】本発明を適用した光学式変位測定装置の構成を示す外観斜視図である。
【図３】上記光学式変位測定装置に適用した光学スケールの構造を模式的に示す断面図である。
【図４】上記光学式変位測定装置の傾斜面Ａ上に配置された構成要素を、この傾斜面Ａに対して垂直な方向から見た側面図である。
【図５】上記光学式変位測定装置の回折格子に入射される可干渉光及びこの回折格子により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た側面図である。
【図６】上記光学式変位測定装置の傾斜面Ｂ上に配置された構成要素を、この傾斜面Ｂに対して垂直な方向から見た側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
本発明は、例えば図２に示すような構成の光学式変位測定装置１００に適用される。
【００２２】
この光学式変位測定装置１００は、反射型の回折格子１１が形成された光学スケール１０を備え、工作機械等の可動部分の位置検出を行う装置である。
【００２３】
上記光学スケール１０は、図３に示すように、回折格子１１の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う格子干渉計用の光学スケールであって、回折格子１１が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層１２を有し、真空中の波長をλ０、上記回折格子１１のピッチをｄとし、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定されるか、または、
ｄ＜３λ０／２ｎ
なる式を満たすように、上記回折格子１１のピッチｄが設定されており、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ）＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、上記回折格子１１による１次回折光が反射光学系を介して戻されて再入射され、上記回折格子１１で再回折させた１次回折光が位置検出に使用される。
【００２４】
この光学スケール１０は、反射型スケールであって、ガラス、セラミック等のベース基材１３上に物理的な凹凸を持つ回折格子１１が形成され、その表面に形成された反射膜１４を有し、その上に保護層１２が形成されている。
【００２５】
ここで、この光学式変位測定装置１００では、図２に示すように、回折格子１１の格子面１１ａ上の格子ベクトル方向に平行な１つの仮想的な直線を含み法線ベクトルに平行な仮想的な基準面に対し、上記仮想的な直線を含み上記基準面とのなす角がγとなっている仮想的な面を傾斜面Ａとし、また、上記仮想的な直線を含み基準面とのなす角がδとなっている仮想的な面を傾斜面Ｂとし、上記傾斜面Ａと傾斜面Ｂは、回折格子１１の格子面１１ａに対し、同一面側にあるものとする。
【００２６】
そして、この光学式変位測定装置１００において、上記傾斜面Ａ上に配置された構成要素をこの傾斜面Ａに対して垂直な方向から見た側面図を図４に示す。また、回折格子１１に入射される可干渉光及びこの回折格子１１により回折される回折光を格子ベクトル方向から見た図５に示す。さらに、上記傾斜面Ｂ上に配置された構成要素をこの傾斜面Ｂに対して垂直な方向から見た側面図を図６に示す。
【００２７】
この光学式変位測定装置１００は、図２及び図４に示すように、可干渉光Ｌａを出射する可干渉光源２０と、干渉した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光して干渉信号を生成する受光素子３０と、可干渉光源２０から出射された可干渉光Ｌａを２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割して回折格子１１に照射するとともに、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせて受光素子３０に照射する照射受光光学系４１とを備えている。
【００２８】
照射受光光学系４１は、可干渉光源２０から出射された可干渉光Ｌａを回折格子１１の格子面１１ａ上に結像させる第１の結像素子２１と、可干渉光源２０から出射された可干渉光Ｌａを偏光方向の直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分離するとともに、偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる偏光ビームスプリッタ４３と、偏光ビームスプリッタ４３により分離された一方の可干渉光Ｌａ１を反射するとともに回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射する反射器２３と、偏光ビームスプリッタ４３により分離された他方の可干渉光Ｌａ２を反射するとともに２回回折光Ｌｃ２を反射する反射器２４と、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光素子３０の受光面３０ａに結像させる第２の結像素子２５と、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされた偏光方向の直交する２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の同一の偏光方向の成分を取り出す偏光板４６とを有している。
【００２９】
この照射受光光学系４１は、通過する可干渉光Ｌａ（Ｌａ１，Ｌａ２）の光路及び通過する２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の光路が、傾斜面Ａ上に形成されるように、各部材が配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２及び２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、図５に示すように、格子ベクトル方向から見た入射角及び回折角がγとなっている。
【００３０】
可干渉光源２０から出射される可干渉光Ｌａは、照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３に対して、偏光方向を４５度傾けて入射される。
【００３１】
偏光ビームスプリッタ４３は、入射された可干渉光Ｌａを、偏光方向が直交する２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２に分割する。照射受光光学系４１の偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１はＰ偏光の光となり、反射した可干渉光Ｌａ２はＳ偏光の光となる。
【００３２】
また、偏光ビームスプリッタ４３には、回折格子１１により２回回折された、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が入射される。ここで、２回回折光Ｌｃ１は、元々はＰ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＳ偏光の光となっている。同様に、２回回折光Ｌｃ２は、元々はＳ偏光の光であるが、後述する反射光学系４２により偏光方向が９０度回転させられＰ偏光の光となっている。従って、この偏光ビームスプリッタ４３は、Ｓ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１を反射し、Ｐ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２を透過して、これら２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を重ね合わせる。
【００３３】
反射器２３は、偏光ビームスプリッタ４３を透過した可干渉光Ｌａ１を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、反射器２３は、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ１を反射して、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。
【００３４】
反射器２４は、偏光ビームスプリッタ４３により反射された可干渉光Ｌａ２を反射して、回折格子１１の格子面１１ａの所定の位置に照射する。また、回折格子１１からの２回回折光Ｌｃ２を反射して、偏光ビームスプリッタ４３に照射する。
【００３５】
反射器２３及び反射器２４は、傾斜面Ａ上における入射角がθ０となるように、可干渉光Ｌａ１及び可干渉光Ｌａ２を、格子面１１ａ上の所定の位置に照射している。なお、反射器２３及び反射器２４は、その反射面が、互いが向き合うように配置されている。そのため、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とは、格子ベクトル方向の入射方向が、互いに逆方向となっている。また、反射器２３及び反射器２４は、格子ベクトル方向に所定量離した位置に、可干渉光Ｌａ１と可干渉光Ｌａ２とを入射している。可干渉光Ｌａ１の入射点と可干渉光Ｌａ２の入射点との間の距離は、ｌとなっている。ｌは０以上の任意の距離である。
【００３６】
偏光板４６は、偏光ビームスプリッタ４３により重ね合わされたＳ偏光の光である２回回折光Ｌｃ１とＰ偏光の光である２回回折光Ｌｃ２とが透過する。この偏光板４６は、２回回折光Ｌｃ１及び２回回折光Ｌｃ２に対して、それぞれの光の偏光方向が４５度の成分を透過して、互いに同一の偏光方向の光とする。
【００３７】
受光素子３０は、この偏光板４６を透過した２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を受光する。
【００３８】
この光学式変位測定装置１００では、このような可干渉光Ｌａ１が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ１が回折し、１回回折光Ｌｂ１が生じる。また、このような可干渉光Ｌａ２が回折格子１１に照射されることによりこの可干渉光Ｌａ２が回折し、１回回折光Ｌｂ２が生じる。１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の回折角は、格子ベクトル方向からみた場合、図５に示すように、δとなっている。すなわち、傾斜面Ｂに沿って１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が生じる。また、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２の傾斜面Ｂ上における回折角は、θとなっている。なお、１回回折光Ｌｂ１と１回回折光Ｌｂ２とは、格子ベクトル方向における出射方向が互いに逆方向となっている。
【００３９】
また、この光学式変位測定装置１００は、図２及び図６に示すように、反射光学系４２を備えている。
【００４０】
反射光学系４２は、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２６と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を反射して再度回折格子１１に照射する反射器２７と、可干渉光Ｌａ１により生じる１回回折光Ｌｂ１を平行光として上記反射器２６に照射する第３の結像素子２８と、可干渉光Ｌａ２により生じる１回回折光Ｌｂ２を平行光として上記反射器２７に照射する第４の結像素子２９と、１回回折光Ｌｂ１の光路上に設けられた１／４波長板４４と、１回回折光Ｌｂ２の光路上に設けられた１／４波長板４５とを有している。
【００４１】
反射光学系４２は、上述したように２つの１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトル方向から見た回折角がδとなっているため、通過する１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の光路が傾斜面Ｂ上に形成されるように、各部材が配置されている。また、反射光学系４２の反射器２６と反射器２７とは、傾斜面Ｂ上における回折角θで回折された１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を垂直に反射可能な位置に配置されている。
【００４２】
また、１／４波長板４４は、回折格子１１から入射するＰ偏光の光の１回回折光Ｌｂ１の偏光方向に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回回折光Ｌｂ１は、この１／４波長板４４を２回通過して、回折格子１１に結像される。そのため、Ｐ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ１がＳ偏光の光とされ、回折格子１１に照射される。
【００４３】
また、１／４波長板４５は、回折格子１１から入射するＳ偏光の光の１回回折光Ｌｂ２の偏光方向に対して、４５度光学軸を傾けて配置されている。１回回折光Ｌｂ２は、この１／４波長板４５を２回通過して、回折格子１１に結像される。そのため、Ｓ偏光の光であった１回回折光Ｌｂ２がＰ偏光の光とされ、回折格子１１に照射される。
【００４４】
このような反射光学系４２から、１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折格子１１に入射される。この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の格子ベクトルから見た入射角は、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２の回折角と同じく、δとなる。また、傾斜面Ｂ上における入射角は、同様に回折角と同じく、θとなる。
【００４５】
また、この１回回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２が回折することにより、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２が生じる。この２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の格子ベクトル方向から見た回折角は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、γとなる。また、傾斜面Ａ上の回折角は、同様に可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２の入射角と同じく、θ０となる。
【００４６】
従って、２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２は、可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２と同光路を逆行して、偏光ビームスプリッタ４３に入射する。
【００４７】
また、この光学式変位測定装置１００は、受光素子３０からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出する図示しない位置検出部を備えている。
【００４８】
この光学式変位測定装置１００では、仮想的な基準面に対して、所定の傾斜角をもった傾斜面Ａ上に照射受光光学系４１を配置し、傾斜面Ｂ上に反射光学系４２を配置することにより、可干渉光と回折光とが形成する光路を分離することができ、装置の設計の自由度が増す。また、格子面１１ａからの０次回折光や反射光を、照射受光光学系４１や反射光学系４２に混入させることなく、回折光Ｌｂ１，Ｌｂ２を干渉させることができ、高精度に位置測定をすることができる。
【００４９】
すなわち、この光学式変位測定装置１００において、可干渉光源２０から出射された可干渉光Ｌａは第１の結像素子２１を通り、偏光ビームスプリッタ４３で２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２、すなわち、透過側Ｐ偏光、反射側Ｓ偏光に分割される。なお、可干渉光として半導体レーザを使用した場合は偏光方向をこの偏光ビームスプリッタ４３に対して４５°傾けて入射すればよい。 分割された２つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は反射器２３，２４で反射され反射型の回折格子１１の格子面１１ａ近傍のほぼ同一点に結像される。結像されるビーム径は、その範囲に回折光を得るのに十分な本数の格子を含む必要があり、また、ゴミやキズの影響を避けるため数十μｍ以上あることが望ましく、結像光学系の開口数等を調整することにより適当なビーム径とされている。
【００５０】
回折格子１１への入射角はθ０である。回折格子１１で角度θで回折されたそれぞれのビームは回折格子１１の格子面１１ａ近傍に焦点のある第３の結像素子２８を通り、それぞれのビームの偏光方向に対して４５°光学軸の傾いた１／４波長板４４を通過し光軸に対して垂直に置かれた反射器２６で反射され、再び１／４波長板４４を通り、Ｐ偏光はＳ偏光に、Ｓ偏光はＰ偏光に変換され、第３の結像素子２８を通り、回折格子１１の格子面１１ａ近傍に結像される。回折格子１１で回折された光は反射器２４から偏光ビームスプリッタ４３へともと来た光路を戻る。
【００５１】
偏光ビームスプリッタ４３ではＰ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射されるため二つの可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２は重ね合わされ第２の結像素子２５へと向かう。第２の結像素子２５を通過した光は偏光方向に対して透過軸を４５度傾けた偏光板４６を通過し、受光素子３０の受光面３０ａ近傍に結像される。
【００５２】
ここで、重ね合わせる２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の強度をＡ１ ，Ａ２ 、回折格子１１の格子ベクトル方向への移動量をｘ、初期位相をδとすると、受光素子３０により得られる干渉信号の強度Ｉは、
Ｉ＝Ａ１２ ＋Ａ２２ ＋２Ａ１ Ａ２ ｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ） ・・・ 式（３）
Ｋ＝２π／ｄ（ｄは格子ピッチ）
なる式（３）にて示され、位置検出部では、受光素子３０からの干渉信号に基づき回折格子１１の移動位置を検出することができる。
【００５３】
このような構成の光学式変位測定装置１００では、可動部分の移動に応じて回折格子１１が格子ベクトル方向に移動することにより、２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２に位相差が生じる。この光学式変位測定装置１００では、この２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２を干渉させて干渉信号を検出し、この干渉信号から２つの２回回折光Ｌｃ１，Ｌｃ２の位相差を求めて、回折格子１１の移動位置を検出することができる。
【００５４】
このように可干渉光Ｌａ１，Ｌａ２を格子面１１ａ近傍に結像し、格子面１１ａ近傍に焦点のある結像素子を通して反射器２６，２７で反射することにより、回折格子１１が傾いた場合でも、一回目の回折光が常に反射器２６，２７に垂直に入射するため反射光は常に入射した時と全く同じ光路を逆行することになり、二回目の回折光の光路がずれないため干渉信号の変動が起きない。
【００５５】
また、図５に示すように、可干渉光源２０、受光素子３０のある傾斜面Ａは格子面１１ａに対して角度γで傾いており、反射器２６，２７のある傾斜面Ｂは角度δで傾いている。左右の光路は対称であり、左右の光路の光路長が等しくなるように反射器２６，２７の位置は調整される。
【００５６】
このようにすることにより波長変動に起因する測定誤差の発生を防ぐことができる。この調整を行うために可干渉光源２０は可干渉距離の短い物を用いることができる。例えば可干渉距離が数百μｍのマルチモードの半導体レーザを用いれば、干渉縞の変調率（Visibility）が最大となるところに反射器２６，２７の位置を調整すれば光路長差を数十μｍ以下に抑えることができる。
【００５７】
この光学式変位測定装置１００では、１次回折光を使用するため、角度θ０、θ、γ、δは、以下のような関係式で表わされる。θ０、θはそれぞれ面Ａ上、面Ｂ上での値である。
【００５８】
ｓｉｎθ＝（λ０／ｄｎ）−ｓｉｎθ０
ｓｉｎγ／ｓｉｎδ＝ｃｏｓθ／ｃｏｓθ０
そして、この光学式変位測定装置１００における光学スケール１０は、上述の如く、回折格子１１の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う格子干渉計用の光学スケールであって、回折格子１１が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層１２を有し、真空中の波長をλ０、上記回折格子１１のピッチをｄとした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定されているので、１回目の回折で±２次以上の高次の回折光を生じさせないようにすることができる。
【００５９】
なお、この光学式変位測定装置１００では、回折格子１１から生じた１次回折光を再度同じ角度で入射させ、再度回折させて生じる１次回折光を利用するため、 上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定しただけでは、上記再度の回折の際、１次以外の回折光を生じる可能性がある。
【００６０】
２度目の回折の際の回折次数をｍ２、回折角度をθ’とすると
ｓｉｎθ’＝（ｍ２−１）λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０
となるので、ｍ２＝−１の−１次光は
ｓｉｎθ’＝−２λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０
となり、ｓｉｎθ０が
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
を満たしている場合は、常に
−２λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０＜−１
となり解はなく、−１次光が発生しない。
【００６１】
同様にｍ２＝−２の−２次光は、
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
を満たしている場合は、常に
−３λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０＜−１
となり解はなく、−２次光が発生しない。
【００６２】
さらに、ｍ２＝＋２の＋２次光は、
ｓｉｎθ’＝λ０／ｄｎ＋ｓｉｎθ０
となり、ｓｉｎθ０が
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
を満たしている場合であっても解がある場合があるが、この光学式変位測定装置１００では、上記回折格子１１のピッチｄと上記保護層１２の屈折率ｎが
ｄ＜３λ０／２ｎ かつ １−（λ０／ｄｎ）＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
を満たすように、上記回折格子１１のピッチｄを設定したことにより、＋２次光の発生も抑えることができる。この場合、１回目の回折でのみ２次以上の回折光を生じない条件に比べてｄおよびθ０の範囲が狭くなるが、２回目の回折での高次光の影響が大きい場合はこちらの条件を用いることが好ましい。どちらの条件を用いるかは、設計時の配置上の制約と高次光の影響をどの程度まで許容できるかによる。また、特開２０００−１８９１７公報に開示されている例のように１回目の回折光のみを使用する場合は１回目の回折でのみ２次以上の回折光を生じない条件で十分である。
【００６３】
すなわち、この光学式変位測定装置１００では、屈折率ｎの保護層１２で格子面１１ａが覆われた回折格子１１のピッチをｄ、照射される可干渉光の真空中の波長をλ０とした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子１１への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用することで、位置検出に必要のない高次の回折光の発生を防ぐことができ、上記回折格子１１が形成された格子面１１ａを覆うように形成された屈折率ｎの保護層１２の境界面での反射による不要な回折光からの迷光の発生を防ぎ、位置検出光への迷光の混入を予防することができる。
【００６４】
さらに、この光学式変位測定装置１００では、上記回折格子１１のピッチｄと上記保護層１２の屈折率ｎは、
ｄ＜３λ０／２ｎ
なる式を満たし、入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ） ＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、上記回折格子１１による１次回折光が反射光学系４２を介して戻されて再入射され、上記回折格子１１で再回折させた１次回折光を位置検出に使用することで、再入射された１次回折光についても、位置検出に必要のない高次の回折光の発生を防ぐことができ、上記屈折率ｎの保護層１２の境界面での反射による不要な回折光からの迷光の発生を防ぎ、位置検出光への迷光の混入を予防することができる。
【００６５】
なお、上記光学式変位測定装置１００は、反射型の回折格子１１が形成された光学スケール１０を備えるものであるが、反射膜のない透過型スケールを挟んで照射受光光学系４１と反射光学系４２を対称に配置した構造としてもよい。
【００６６】
すなわち、以上説明した本発明の実施の形態では、格子面１１ａの表面に形成された反射膜１４を有し、その上に保護層１２が形成されている反射型の光学スケール１０を備える光学式変位測定装置１００に本発明を適用したが、本発明は、反射型スケール備えるものに限定されるものでなく、反射膜のない透過型スケールを備える光学式変位測定装置に適用することもできる。
【００６７】
また、上記光学式変位測定装置１００に備えられた光学スケール１０は、格子ベクトル方向に長尺な直線スケールであるが、本発明は、直線スケールを備える光学式変位測定装置１００のみに限定されるものでなく、ロータリー型の光学スケールを備える光学式変位測定装置に適用してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 光学スケール、１１ 回折格子、１１ａ 格子面、１２ 保護層、１３ ベース基材、１４ 反射膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置であって、
回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層を有し、
真空中の波長をλ０、上記回折格子のピッチをｄとした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用する位置検出装置。
【請求項２】
回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置であって、
回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層を有し、
真空中の波長をλ０、上記回折格子のピッチをｄとした時、ｄ＜３λ０／２ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ） ＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、
上記回折格子による１次回折光が反射光学系を介して戻されて再入射され、上記回折格子で再回折させた１次回折光を位置検出に使用する位置検出装置。
【請求項１】
回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置であって、
回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層を有し、
真空中の波長をλ０、上記回折格子のピッチをｄとした時、ｄ＜２λ０／ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
｜ｓｉｎθ０｜＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、１次回折光を位置検出に使用する位置検出装置。
【請求項２】
回折格子の移動による光の位相の変化を検出して位置検出を行う位置検出装置であって、
回折格子が形成された面を覆うように形成された屈折率ｎの保護層を有し、
真空中の波長をλ０、上記回折格子のピッチをｄとした時、ｄ＜３λ０／２ｎとし、上記回折格子への可干渉光の入射角θ０を
１−（λ０／ｄｎ） ＜ｓｉｎθ０＜（２λ０／ｄｎ）−１
なる式を満たす角度に設定し、
上記回折格子による１次回折光が反射光学系を介して戻されて再入射され、上記回折格子で再回折させた１次回折光を位置検出に使用する位置検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２７０１（Ｐ２０１２−２７０１Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３８６６３（Ｐ２０１０−１３８６６３）
【出願日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
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