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专利名称：光接收/发射复合单元、其制造方法以及位移探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光接收/发射复合单元、其制造方法以及用于探测机床、半导体制造装置等的移动部件的相对位移位置的位移探测装置。
本申请要求2002年4月26日提交的日本专利申请No.2002-127525、2002-127526、2002-127527的优先权，其在此全文引入作为参考。
背景技术：
传统上，采用衍射光栅的光学位移探测装置已知为用于探测机床、半导体制造装置等的移动部件的相对位移位置的装置。
例如，图1和2表示日本专利申请公开说明书No.S60-98302中提出的传统光学位移测量装置。图1为简要表示该传统光学位移测量装置100的透视图。图2为简要表示该传统光学位移测量装置100的侧视图。
该传统光学位移测量装置100具有一衍射光栅101，随着机床等的运动部件的运动一起沿着图1和2中箭头X1和X2的方向直线移动；光源102，用于发射光束；半反射镜103，用于将光源102所发出光束分解成两束并且将来自衍射光栅101的两束衍射光束叠加以产生干涉；两个反射镜104a、104b，用于反射从衍射光栅101衍射的衍射光束；以及光电探测器105，用于对互相干涉的两束衍射光束进行光电转换从而产生干涉信号。
从光源102发出的光束由半反射镜103分解成两束。这两束光束投射在衍射光栅101上。投射在衍射光栅101上的这两束光束中的每一光束由衍射光栅101加以衍射并变为衍射光束(下面该衍射光束称作首次衍射光束)。该首次衍射光束由反射镜104a、104b加以反射。由反射镜104a、104b反射的首次衍射光束再次投射在衍射光栅101上并再次衍射(下面该衍射光束称作二次衍射光束)。该两束二次衍射光束通过相同的光路入射在半反射镜103上，然后叠加从而相互干涉，并投射在光电探测器105上。
在这种传统光学位移测量装置100中，可以探测出衍射光栅101沿图1和2中箭头X1和X2方向的位移。具体地说，在光学位移测量装置100中，来自衍射光栅101的两束二次衍射光束随着衍射光栅101的运动而产生相位差。因此，该光学位移测量装置100通过探测光电探测器所提供干涉信号的两束二次衍射光束之间的相位差，可以测量机床等的运动部件的位移位置。
图3和4表示日本专利申请公开说明书H60-98302中提出的另一种传统光学位移测量装置。图3为简要表示该传统光学位移测量装置110的透视图。图4为简要表示该传统光学位移测量装置110的侧视图。
该传统光学位移测量装置110具有一衍射光栅111，随着机床等的运动部件的运动一起沿着图3和4中箭头X1和X2的方向直线移动；光源112，用于发射光束；半反射镜113，用于将光源112所发出光束分解成两束并且将来自衍射光栅111的两束衍射光束叠加以产生干涉；两个第一反射镜114a、114b，用于将半反射镜113分解的两束光束在同一位置投射在衍射光栅111上；两个第二反射镜115a、115b，用于反射从衍射光栅111衍射的衍射光束；以及光电探测器116，用于接收这两束互相干涉的衍射光束从而产生干涉信号。
从光源112发出的光束由半反射镜113分解成两束。这两束光束分别由第一反射镜114a、114b加以反射，并投射在衍射光栅111的同一位置上。投射在衍射光栅111上的这两束光束中的每一光束由衍射光栅111加以衍射并变为首次衍射光束。该首次衍射光束由第二反射镜115a、115b加以反射。该首次衍射光束再次投射在衍射光栅111上并衍射而成为二次衍射光束。该两束二次衍射光束通过相同的光路入射在半反射镜113上，然后叠加从而相互干涉，并投射在光电探测器116上。
在这种传统光学位移测量装置110中，可以探测出衍射光栅111沿图3和4中箭头X1和X2方向的位移。具体地说，在光学位移测量装置110中，来自衍射光栅111的两束二次衍射光束随着衍射光栅111的运动而产生相位差。因此，该光学位移测量装置110通过探测光电探测器116所提供干涉信号的两束二次衍射光束之间的相位差，可以测量机床等的运动部件的位移位置。
然而，在该制造工艺中，必须在对单独制造的单个光学部件进行调节的同时组装上述传统光学位移测量装置100和110。因此，需要针对制造精度和各部件特性的不均匀性进行精确的调节，从而使工艺变得复杂。另外，该装置随时间的流逝而缺乏稳定性，并且妨碍了整个装置尺寸和重量的减小。
由光源所发出光束的偏振轴必须调整至使得光束由半反射镜103、113以一比一的比值加以分布的角度。因此，必然导致更为复杂的工艺，并且在该装置中需要有额外的空间。
另外，在该制造工艺中，必须在对单独制造的单个光学部件进行调节的同时组装上述传统光学位移测量装置100和110。因此，需要针对制造精度和各部件特性的不均匀性进行精确的调节。从而必然导致复杂的工艺，从而妨碍了价格的降低。
由于需要有较大的空间来调节、安装和固定部件，所以不能实现整个装置的小型化。
另外，由于必须采用粘合剂来固定部件，所以粘合剂状态随着环境的变化而改变，并且由于环境变化会发生部件之间的位移，并且这种位移会随着时间的流逝而改变。
同时，当上述半反射镜113所分解的两束光束的光程长度产生差异时，会发生相位改变，从而导致测量误差。因此，在光学位移测量装置100和110中，上述两个分束的光程长度必须调节成相等以实现所需的特性。
图5表示日本专利申请公开说明书No.S61-83911中提出的一种传统光学位移测量装置，其中各分束的光程长度可以调节成相等。
该传统光学位移测量装置120具有一衍射光栅121，随着机床等的运动部件的运动一起沿着图5中箭头X1和X2的方向直线移动；光源122，由多模半导体激光器制成，用于发射光束；半反射镜123，用于将光源122所发出光束分解成两束并且将来自衍射光栅121的两束衍射光束叠加以产生干涉；两个反射镜124a、124b，用于反射从衍射光栅121衍射的衍射光束；半反射镜125，用于分解彼此干涉的衍射光束；以及光电探测器126a、126b，用于对这些衍射光束进行光电转换从而产生干涉信号。
从光源122发出的光束由半反射镜123分解成两束。这两束光束投射在衍射光栅121上。投射在衍射光栅121上的这两束光束中的每一光束由衍射光栅121加以衍射并变为首次衍射光束。该首次衍射光束由反射镜124a、124b加以反射。该首次衍射光束再次投射在衍射光栅121上并衍射而成为二次衍射光束。该两束二次衍射光束通过相同的光路入射在半反射镜123上，然后叠加从而相互干涉，并经由半反射镜125投射在光电探测器126a、126b上。
在这种传统光学位移测量装置120中，由于采用多模半导体激光器作为光源，所以可以探测出衍射光栅121沿图5中箭头X1和X2方向的位移，同时可以控制各分束的光程长度。也就是说，在该光学位移测量装置120中，由于可以探测出光程长度的差别，所以能够实现对光程长度的精确调节。另外，由于可以监控调节状态，所以能够容易地识别基于波长变化所导致的误差。
同时，在上述光学位移测量装置100和110中，在发生沿箭头A1和A2方向的旋转位移和沿箭头B1和B2方向的旋转位移时，如图1至4中所示，难以进行位置探测。为防止这种衍射光栅角度变化的影响，例如在日本专利申请公开说明书No.2000-81308中提出了另一种光学位移测量装置。
该传统光学位移测量装置130具有一衍射光栅131，安装在机床等的运动部件上并且直线运动；光源132，用于发射光束；光接收元件133，用于接收互相干涉的两束二次衍射光束Lc1、Lc2从而产生干涉信号；位置探测单元134，用于根据来自光接收元件133的干涉信号探测相对于衍射光栅131的位置位移；照射光接收光学系统135，用于将由光源132发出的光束La分解成两束La1、La2并将这两束光束投射在衍射光栅131上，并且使来自衍射光栅131的二次衍射光束Lc1、Lc2互相干涉并将这些二次衍射光束投射在光接收元件133上；以及反射光学系统136，用于反射来自衍射光栅131的两束首次衍射光束Lb1、Lb2并将这些首次衍射光束再次投射在衍射光栅131上，如图6中所示。
照射光接收光学系统135具有第一成象元件141，用于使由光源132发出的光束La成象在衍射光栅131的栅格平面上；半反射镜142，用于将由光源发出的光束La分解成两束光束La1、La2，并将来自衍射光栅131的两束二次衍射光束Lc1、Lc2叠加以产生干涉；反射器143，用于反射由半反射镜142分解的光束La1、La2并且反射二次衍射光束Lc1、Lc2；以及第二成象元件144，用于使半反射镜142叠加的两束二次衍射光束Lc1、Lc2成象在光接收元件133的光接收表面上。
反射光学系统136具有反射器146，用于反射由光束La1、La2产生的首次衍射光束Lb1、Lb2，并将该首次衍射光束再次投射在衍射光栅131上；以及第三成象元件148，用于对由光束La1、La2产生的首次衍射光束Lb1、Lb2进行准直，并将该准直光束投射在反射器146上。
在上述结构的光学位移测量装置130中，随着衍射光栅131根据运动部件的移动而沿着X1或X2方向位移，在两束二次衍射光束Lc1、Lc2之间产生相位差。在该光学位移测量装置130中，使两束二次衍射光束Lc1、Lc2相互干涉并探测干涉信号。根据干涉信号发现两束二次衍射光束Lc1、Lc2之间的相位差，并探测衍射光栅131的位移位置。
另外，在该光学位移测量装置130中，第一成象元件141使由光源132发出的光束La成象在衍射光栅131的栅格平面上，第三成象元件148对首次衍射光束Lb1、Lb2进行准直并将准直光束持续地垂直投射在反射器146上。因此，由反射器146反射的首次衍射光束Lb1、Lb2必然沿着与入射情况下相同的光路返回，从而入射在衍射光栅131的栅格平面上的相同入射点上，甚至在其光轴彼此偏离时。因此，在该光学位移测量装置130中，即使在衍射光栅130倾斜时，二次衍射光束Lc1、Lc2也必然通过与入射时相同的光路。其光程长度没有改变。
然而，日本专利申请公开说明书No.S61-83911中提出的采用多模半导体激光器作为光源的光学位移测量装置120具有如下问题，尽管该装置能够针对光源波长的改变控制光程长度并因而可以实现稳定性，但是不能采用一般的半导体激光器。另外，该光学位移测量装置120不能处理衍射光栅角度的改变从而具有如下问题，不仅在实际安装构成该装置的部件时，而且在安装衍射光栅于运动部件上时，其容许误差都受到限制。
在日本专利申请公开说明书No.2000-81308提出的光学位移测量装置130中，其降低了衍射光栅角度变化的影响，但必须采用成象元件比如透镜来实现光路的角度调节，从而使该装置的结构变得复杂。另外，由于该光学位移测量装置130采用单个部件比如透镜和半反射镜，使得该装置随着时间的流逝缺乏稳定性，并严重妨碍了该装置的小型化。

发明内容
考虑到前述现有技术的状态，本发明的一个目的在于提供一种光接收/发射复合单元、其制造方法以及一种位移探测装置，其能够实现良好的时间稳定性并且适于减小尺寸和重量。
为了解决上述问题，根据本发明的光接收/发射复合单元包括光源，用于发射光束；偏振分束器，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束，然后将这两束光束射向一外部光学系统，并将从该外部光学系统反射的两束光束加以组合以产生组合光束；相位板，设置在光源与偏振分束器之间，用以改变从光源发出光束的偏振状态并将该光束射向偏振分束器；分束装置，用于将由偏振分束器产生的组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；和光接收装置，用于对透过偏振装置的相干光束进行光电转换，从而产生一干涉信号。
为了解决上述问题，采用根据本发明的制作光接收/发射复合单元的方法用于制作光接收/发射复合单元，其中从一光发射元件发出并具有由一相位板确定偏振状态的光束被分解成两束光束并射向一外部光学系统，由该外部光学系统反射的所发出光束被彼此组合，并且该组合光束的偏振状态由所述相位板加以改变并经由一光接收元件加以探测，该方法包括如下步骤依次叠加一个用于将所述组合光束分解成多个光束的分束层、所述相位板、和一个用于仅透射预定偏振成分的偏振片，从而形成一多层板的步骤；剪切步骤，将所形成的多层板剪切成所述光接收/发射复合单元；和联接步骤，将用于导引透过偏振片的光束至所述光接收元件的复合透镜单元联接至所述剪切多层板，并且将含有所述光接收元件和光发射元件的光接收/发射单元联接至已经联接的复合透镜单元。
为了解决上述问题，采用根据本发明的位移探测装置用于根据干涉信号对具有一反射式衍射光栅的检测目标沿栅格矢量方向的位移进行探测，该装置包括光源，用于发射光束；偏振分束器，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束并发射这两束光束；相位板，设置在光源与偏振分束器之间，用于改变从光源所发出光束的偏振状态并将该光束射向偏振分束器；成象装置，用于使从分束器发出的两束光束成象在衍射光栅的栅格平面上；反射装置，用于反射在分束器所发出两束光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束首次衍射光束；分束装置，用于组合在反射装置所反射首次衍射光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束二次衍射光束，以产生组合光束，然后将该组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；和光接收装置，用于对透过偏振装置的相干光束进行光电转换，从而产生所述干涉信号。
考虑到前述现有技术的状态，本发明的另一个目的在于提供一种光接收/发射复合单元和一种位移探测装置，其可以低价格获得，适于减小尺寸和重量，并且高度可靠。
具体地说，为了解决上述问题，根据本发明的光接收/发射复合单元包括光源，用于发射光束；偏振分束器，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束，然后将这两束光束射向一外部光学系统，并将从该外部光学系统反射的两束光束加以组合以产生组合光束；分束装置，用于将由偏振分束器产生的组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；透镜单元，用于分别将透过偏振装置的多个相干光束导引至预定位置；和光接收装置，用于对透镜单元导引的多个相干光束进行光电转换，从而产生一干涉信号。
为了解决上述问题，采用根据本发明的位移探测装置用于根据干涉信号对具有一衍射光栅的检测目标沿栅格矢量方向的位移进行探测，该装置包括光源，用于发射光束；偏振分束器，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束并发射这两束光束；反射装置，用于反射在分束器所发出两束光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束首次衍射光束；分束装置，用于组合在反射装置所反射首次衍射光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束二次衍射光束，以产生组合光束，然后将该组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；透镜单元，用于分别将透过偏振装置的多个相干光束导引至预定位置；和光接收装置，用于对透镜单元导引的多个相干光束进行光电转换，从而产生所述干涉信号。
考虑到前述现有技术的状态，本发明的再一个目的在于提供一种位移探测装置，其能够采用类型的光源，能够应对衍射光栅角度的变化，实现装置的小型化，并且具有良好的时间稳定性。
为了解决上述问题，采用根据本发明的位移探测装置用于根据干涉信号对具有一衍射光栅的检测目标沿栅格矢量方向的位移进行探测，该装置包括光源，用于发射光束；分束器，用于将从光源发出的光束分解成两束光束并发射这两束光束；第一透镜，设置在光源与分束器之间；反射装置，用于反射在分束器所发出两束光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束首次衍射光束；分束装置，用于组合在反射装置所反射首次衍射光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束二次衍射光束，以产生组合光束，然后将该组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；光接收装置，用于对透过偏振装置的相干光束进行光电转换从而产生所述干涉信号；和第二透镜，设置在偏振装置与光接收装置之间。


图1表示传统光学位移测量装置的透视图。
图2表示传统光学位移测量装置的侧视图。
图3表示另一传统光学位移测量装置的透视图。
图4表示另一传统光学位移测量装置的侧视图。
图5表示再一个传统光学位移测量装置。
图6表示能够防止衍射光栅角度变化影响的光学位移测量装置。
图7表示本发明位移探测装置的结构。
图8表示用于探测位移的衍射光栅的透视图。
图9表示采用反射棱镜用于反射光学系统的情况。
图10表示光接收/发射复合单元的结构图。
图11表示光源偏振方向的视图。
图12表示光接收/发射复合单元从顶部观看的视图。
图13表示采用反射式衍射光栅的位移探测装置。
图14表示制作光接收/发射复合单元的方法。
图15表示光接收元件附近的光束Ld的趋向图。
图16A和16B表示光源、反射器和光接收元件之间的位置关系。
图17表示将透镜实际设置在应用本发明的位移探测装置中的情况。
图18表示反射器转动时的情况。
图19表示本发明位移探测装置的另一实施例。
图20表示本发明位移探测装置的另一实施例。
图21表示本发明位移探测装置的另一实施例。
图22表示本发明位移探测装置的另一实施例。
图23表示光接收/发射复合单元的另一结构图。
图24表示光接收/发射复合单元的另一结构图。
具体实施例方式
首先，说明根据本发明第一实施例的位移探测装置。
根据本发明第一实施例的位移探测装置10具有透射式衍射光栅11，安装在机床等的运动部件上并直线运动；光接收/发射复合单元12，用于将光发射元件发出的光束分解成两束光束La1、La2并投射这两束光束，使衍射光栅11衍射的两束二次衍射光束Lc1、Lc2互相干涉从而对干涉信号进行探测；反射部件13a、13b，用于将从光接收/发射复合单元12发出的两束光束La1、La2投射在衍射光栅11上，并且使来自衍射光栅11的两束二次衍射光束Lc1、Lc2射向光接收/发射复合单元12；以及反射光学系统14，用于反射来自衍射光栅11的两束首次衍射光束Lb1、Lb2并将该首次衍射光束再次投射在衍射光栅11上，如图7所示。
衍射光栅11具有例如薄板状形状，并且具有窄的狭缝或凹槽、或带有分布折射率的栅格，以特定的间隔刻在其表面上，如图8中所示。入射在这种衍射光栅11上的光束由刻在其表面上的狭缝等加以衍射并透过该衍射光栅11。缘自衍射的衍射光束沿着栅格间隔和光波长确定的方向产生。
在本发明实施例的描述中，其上形成有栅格的衍射光栅11表面称作栅格平面11a。如果衍射光栅11是透射式的，则将光束入射其上的表面以及其上产生衍射光束的表面都称作栅格平面11a。形成衍射光栅11栅格的方向(图8中箭头C1和C2的方向)，也即垂直于栅格矢量的方向(其中栅格矢量代表光栅透射率和反射率的变化方向或者凹槽等深度的变化方向)，被称作栅格方向。垂直于栅格形成方向并且平行于栅格平面11a的方向(图8中箭头D1和D2的方向)，也即平行于衍射光栅11栅格矢量的方向，被称作栅格矢量方向。衍射光栅11上的这些方向不仅在本发明的第一实施例中而且在其他实施例中都类似指称。
衍射光栅11安装在机床等的运动部件上并且随着该运动部件的运动而沿着图8中箭头D1和D2的方向位移，也即沿着栅格矢量方向位移。
在本发明中，并不限于这种类型的衍射光栅。不仅可以采用如上所述具有机械形成的凹槽等的衍射光栅，也可以采用通过例如在感光树脂上印刷干涉条纹而制备的衍射光栅。
反射部件13a反射光束La1并将光束La1投射在衍射光栅11栅格平面11a上的预定位置。随着该光束La1由衍射光栅11加以衍射，提供首次衍射光束Lb1。反射部件13b反射光束La2并将光束La2投射在衍射光栅11栅格平面11a上的预定位置。随着该光束La2由衍射光栅11加以衍射，提供首次衍射光束Lb2。
随着首次衍射光束Lb1由衍射光栅11加以衍射而产生的二次衍射光束Lc1投射在反射部件13a上。反射部件13a反射该二次衍射光束Lc1并将该二次衍射光束Lc1投射在光接收/发射复合单元12上。随着首次衍射光束Lb2由衍射光栅11加以衍射而产生的二次衍射光束Lc2投射在反射部件13b上。反射部件13b反射该二次衍射光束Lc2并将该二次衍射光束Lc2投射在光接收/发射复合单元12上。
光束由反射部件13a投射在衍射光栅11栅格平面11a上所处的预定位置与光束由反射部件13b投射在衍射光栅11栅格平面11a上所处的预定位置可以互相靠近。这可以减小由衍射光栅11中厚度等均匀性所导致的光程差异，从而可以减小由于标度盘的厚度等方面的不均匀性所导致的误差。
反射光学系统14具有反射器26，用于反射首次衍射光束Lb1并将该首次衍射光束Lb1再次投射在衍射光栅11上；反射器27，用于反射首次衍射光束Lb2并将该首次衍射光束Lb2再次投射在衍射光栅11上；1/4波片WP1，用于改变首次衍射光束Lb1的偏振状态；和1/4波片WP2，用于改变首次衍射光束Lb2的偏振状态。
已通过1/4波片WP1的首次衍射光束Lb1投射在反射器26上。反射器26垂直反射首次衍射光束Lb1，使得该首次衍射光束Lb1沿着与入射路径相同的路径返回。由于投射在反射器26上的首次衍射光束Lb1已经通过1/4波片WP1，并且由反射器26反射的首次衍射光束Lb1再次通过1/4波片WP1，所以首次衍射光束Lb1再次投射在衍射光栅11上，其偏振方向旋转90度。
已通过1/4波片WP2的首次衍射光束Lb2投射在反射器27上。反射器27垂直反射首次衍射光束Lb2，使得该首次衍射光束Lb2沿着与入射路径相同的路径返回。由于投射在反射器27上的首次衍射光束Lb2已经通过1/4波片WP2，并且由反射器27反射的首次衍射光束Lb2再次通过1/4波片WP2，所以首次衍射光束Lb2再次投射在衍射光栅11上，其偏振方向旋转90度。
反射光学系统14不限于上述结构。例如，可以采用反射棱镜。图9表示采用反射棱镜用于反射光学系统14的位移探测装置10的结构。在图9中，与图7中相同的构成元件和部件没有描述。
1/4波片WP31依次叠加在反射棱镜30上。已通过1/4波片WP31的首次衍射光束Lb1、Lb2投射在反射棱镜30的反射表面30a上。反射表面30a垂直反射首次衍射光束Lb1、Lb2，使得这些首次衍射光束Lb1、Lb2沿着与入射路径相同的路径返回。由于投射在该反射表面30a的首次衍射光束Lb1、Lb2已经通过1/4波片WP31，并且由反射表面30a反射的首次衍射光束Lb1、Lb2再次通过1/4波片WP31，所以首次衍射光束Lb1、Lb2再次投射在衍射光栅11上，其偏振方向旋转90度。
下面详细说明光接收/发射复合单元12。光接收/发射复合单元12具有一壳体部件40，用于容纳光发射元件和光接收元件；复合透镜单元41，包括多个透镜(41a、41_1、41_2、41_3和41_4)；偏振单元42(42_1、42_2、42_3和42_4)，用于仅透射预定的偏振成分；相位板43，用于改变光束的偏振状态；和分束单元44，用于分解投射在衍射光栅11上的光束或者分解通过衍射光栅11衍射获得的二次衍射光束Lc1、Lc2，如图10中所示。
壳体部件40具有光源51，用于发射光束La；光接收元件52(52_1、52_2、52_3和52_4)，用于对相干光进行光电转换(后面将加以说明)从而产生干涉信号；半导体基片53，用于将光源51安装于其上，并通过向其施加电信号或采用反射表面53a来进行光路控制；和半导体基片54，用于将光接收元件安装于其上并提取出电信号。
分束单元44具有偏振分束单元58，用于将从光源51发出的光束La分解成两束光束La1、La2并照射这两束光束La1、La2，并且将来自反射部件13a、13b的两束二次衍射光束Lc1、Lc2加以组合以产生组合光束Ld；和分束薄膜59_1、59_2、59_3和59_4，用于将从偏振分束单元58投射的组合光束Ld分解成组合光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4。
光源51为发射相干光比如激光束的元件。光源51可以是例如多模半导体激光器，用于发射具有较小相干长度的激光束。
光发射元件52为光电转换元件，用于将投射在其光接收表面上的光束转换成与光量对应的电信号。例如，光发射元件52由光电探测器等制成。该光接收元件52接收投射在其光接收表面上的相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4，并产生与光量对应的干涉信号。
光接收元件52处由光电转换产生的干涉信号由一个位置探测单元(未画出)经由半导体基片54加以探测。该位置探测单元(未画出)根据所得的干涉信号获取相位差，并输出一个指示衍射光栅11相对位移位置的位置信号。
复合透镜单元41含有光学元件比如具有预定数值孔径的透镜。从光源51发出的光束La投射在透镜41a上。透镜41a可以在衍射光栅11的栅格平面11a上或反射器26、27上对具有预定束径的入射光束La进行成象。在该第一实施例中，由于采用的是透射式衍射光栅11，所以发射光束La的成象一般是在反射器26、27进行的。因此，投射在栅格平面11a上的光束直径可以增大，从而可以减小栅格平面11a上灰尘和刮痕的影响。由于既用于控制向外发出光束的束径也用于控制接收光束的束径的复合透镜单元41以单封装设置，所以可以提高集成度，简化制作工艺，并提高整个装置的可靠性。
从偏振单元42发出的相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4分别入射在透镜41_1、41_2、41_3和41_4上。透镜41_1、41_2、41_3和41_4分别将入射的相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4成象在光接收元件52_1、52_2、52_3和52_4上。成象点不必是束径处于其最小值时的点。该复合透镜单元41不限于上述多个透镜依次连接的结构。例如，上述透镜41_1、41_2、41_3和41_4可以共同构造为单个透镜。构成该复合透镜单元41的每个透镜可以不仅会聚光束，也可以发出准直光束或者发散光束。
偏振单元42_1、42_2、42_3和42_4仅透射从相位板43入射的组合光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4的预定偏振成分，并向该偏振成分作为相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4发射至透镜单元41。偏振单元42设置成互相间隔45度就足够了(例如分别处于5度、50度、95度和140度)。偏振单元42在安装时可以位置不受限制地设置。由于在相位板43与复合透镜单元41之间设有这种偏振单元42，所以可以使整个单元的结构变得紧凑。
相位板43以将其插入在偏振单元42与分束单元44之间的方式叠加。该相位板43由例如1/4波片制成，并在圆偏振光和线偏振光之间进行转换。该相位板43可以由薄膜状1/4波片制成，相对于图11中所示线AA倾斜45度，并且在此情况下，来自光源51的光束La经由透镜41a入射其上。相位板43将例如为线偏振光的光束La转换为圆偏振光，并将所得光束投射在偏振分束单元58上。另外，相位板43接收从分束单元44发出的组合光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4成为圆偏振光，并将所得光束射向上述偏振单元42。也就是说，对来自光源51的光束La的偏振状态的转换以及对来自分束薄膜59的光束Ld的偏振状态的转换都是由单个相位板43进行的。光接收/发射复合单元12也可以采用没有该相位板43的结构。
偏振分束单元58由例如偏振分束器制成。从光源51发出的光束La经由相位板43入射其上。偏振分束单元58反射一部分入射光束La以产生光束La1，并透射一部分入射光束La以产生光束La2。偏振分束单元58可以将光束La分解成具有正交偏振成分的S偏振光和P偏振光，作为光束La1和光束La2。在此情况下，光束La1为S偏振光，而光束La2为P偏振光。另外，来自衍射光栅11的二次衍射光束Lc1和二次衍射光束Lc2入射在偏振分束单元58上。偏振分束单元58将这两束二次衍射光束Lc1、Lc2叠加以将这些光束加以组合，并将组合光束Ld射向分束薄膜59。
分束薄膜59_1、59_2、59_3和59_4的反射率分别设为1/4、1/3、1/2和1。(也就是说，分束薄膜59_4具有全反射表面。)因此，入射组合光束Ld可以分解成光量基本相同的组合光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4。
光接收/发射复合单元12作为独立单元构造，其中所述壳体部件40、复合透镜单元41、偏振单元42、相位板43和分束单元44设置在相同的封装中。这些部件彼此叠加从而形成一个集成单元。
也就是说，由于光接收/发射复合单元12通过封装相应部件而具有集成结构，所以更容易进行精确的位置调整。另外，由于部件的安装空间不必较大，所以可以实现位移探测装置整体尺寸和重量的减小。由于部件安装在相同的壳体单元中，所以可以减小环境变化以及随时间流逝所致变化的影响，并且可以将调节时的偏差等限制在最低水平。因此，可以提高整个光接收/发射复合单元12的可靠性。
下面说明根据本发明第一实施例的位移探测装置10的例示性操作。
首先，从光源51发出的光束La由半导体基片53的反射表面53a加以反射，例如如图10所示，然后投射在透镜41a上。光束La由透镜41a进行图象转换，并投射在由例如1/4波片制成的相位板43上。
投射在相位板43上的光束La由相位板43变成圆偏振光。也就是说，经由相位板43发出的线偏振光可以变为圆偏振光，而不管从光源51发出的光束的偏振方向如何。这使得可以对光源51所发出光束的偏振成分进行自由选择，而无需象传统技术中那样将光源51所发出光束的偏振成分相对于偏振分束单元58倾斜大致45度。
从相位板43发出的光束La由偏振分束单元58分解成光束La1、La2，例如为S偏振光和P偏振光，并经由反射部件13a、13b入射在衍射光栅11上。若光束La1在衍射光栅11上的入射角用θa表示，光束La1的衍射角用θa′表示，首次衍射光束Lb1的入射角用θb表示，首次衍射光束Lb2的衍射角用θb′表示，则满足下式(11)和(12)。
sinθa+sinθa′＝mλ/d …(11)sinθb+sinθb′＝mλ/d …(12)在这些关系式中，d表示衍射光栅的间距，λ表示光波长，m表示衍射级数。当采用体积式相位全息图用于衍射光栅11并且采用布拉格衍射时，光束的入射角满足θa＝θa′以及θb＝θb′。若不采用体积式相位全息图用于衍射光栅，则入射角和衍射角是由上述关系表示的任意角。
首次衍射光束Lb1、Lb2分别由反射器26、27垂直反射。在此情况下，由于首次衍射光束Lb1、Lb2两次通过1/4波片WP1、WP2，所以其偏振方向分别旋转90度。因此，初始为S偏振光的首次衍射光束Lb1被转换成P偏振光，而初始为P偏振光的首次衍射光束Lb2被转换成S偏振光。
接着，由反射器26、27反射的首次衍射光束Lb1、Lb2由衍射光栅11再次衍射而成为二次衍射光束Lc1、Lc2，并通过相同的光路再次到达偏振分束单元58。偏振分束单元58将为P偏振光的二次衍射光束Lc1以及为S偏振光的二次衍射光束Lc2加以叠加和组合，从而产生组合光束Ld。
组合光束Ld由分束薄膜59_1、59_2、59_3和59_4分解成Ld1、Ld2、Ld3和Ld4。分解后的组合光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4投射在相位板43上。在此情况下，二次衍射光束Lc1和Lc2变为相反圆偏振方向的圆偏振光。若组合光束Ld通过仅透射特定偏振成分的偏振片接收，并且在首次衍射和二次衍射中采用一级衍射光束时提取特定偏振成分，则对于组合光束Ld提供由下式(13)表示的干涉信号I。
I＝A12+A22+2*A1*A2*cos(4*K*x+δ) …(13)在此式中，A1、A2表示两束叠加的二次衍射光束Lc1和Lc2的幅值，x表示衍射光栅11沿栅格矢量方向的位移量，δ表示初始相位，并且K＝2π/d(d表示栅格间距)。随着衍射光栅11沿栅格矢量方向位移d/4的量，该干涉信号I改变一个周期。δ表示取决于两束叠加二次衍射光束Lc1、Lc2之间光程差的量。
在从相位板43发出的组合光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4中，只有预定的偏振成分由偏振单元42透射。将偏振单元42设定为彼此具有45度的间隔。在此例中，偏振单元42_1只透射偏振方向为0度的偏振成分，而偏振单元42_2只透射偏振方向为45度的偏振成分。偏振单元42_3只透射偏振方向为90度的偏振成分，而偏振单元42_4只透射偏振方向为135度的偏振成分。透过偏振单元42的相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4的光强由下式(21)至(24)表示。
B+Acos(4*K*x+δ) …(21)B+Acos(4*K*x+90°+δ)…(22)B+Acos(4*K*x+180°+δ) …(23)B+Acos(4*K*x+270°+δ) …(24)B＝1/4(A12+A22)A＝1/2*A1*A2式(21)表示透过偏振单元42_1的相干光束Ld1的光强。式(22)表示透过偏振单元42_2的相干光束Ld2的光强。式(23)表示透过偏振单元42_3的相干光束Ld3的光强。式(24)表示透过偏振单元42_4的相干光束Ld4的光强。由这些式子表示的相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4在光接收元件51_1、51_2、51_3和51_4上的成象经由透镜41_1、41_2、41_3和41_4进行。也就是说，各光接收元件52对上述各式表示的相干光束Ld进行光电转换，从而产生干涉信号。
由于在式(21)和式(23)之间进行减法，所以可以消除干涉信号中的DC成分。类似地，由于在式(22)和式(24)之间进行减法，所以可以消除干涉信号中的DC成分。由于减法信号互相具有90度的相位差，所以可以获取衍射光栅位移方向的探测信号。
以此方式，在应用本发明的位移探测装置10中，叠加相位板43使之插入在偏振单元42与分束单元44之间。该相位板43可以将线偏振光La转换为圆偏振光，然后将其投射在偏振分束单元58上。这使得可以对光源51所发出光束La的偏振成分进行自由选择，而无需象传统技术中那样将光源51设置成使得从光源51所发出光束La的偏振成分相对于偏振分束单元58成大约45度。相应地，可以解决在光接收/发射复合单元12中必需具有额外空间来设置部件的问题，从而可以实现更为紧凑的结构。另外，该相位板43可以接收从分束薄膜59_1、59_2、59_3和59_4发出的组合光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4，然后通过使其偏振方向旋转而将这些光束转换成线偏振光，并将这些线偏振光射向上述偏振单元42。因此，偏振单元42的方向设置成从顶部观看互相间隔45度就足够了(例如分别处于50度、5度、140度和95度)，如图2中所示。可以减少对安装偏振单元42的限制，并且可以实现制造工艺的简化和制造成本的降低。另外，由于该相位板43既进行对来自光源51的光束La的转换，也进行对来自分束薄膜59的光束Ld的转换，所以尺寸控制更为容易，并且可以实现制造成本的进一步降低。
下面说明根据本发明第二实施例的位移探测装置。与第一实施例位移探测装置10中相同的构成元件和部件用相同的数标表示，参照第一实施例的说明，并且在本实施例中不再详细说明。
根据本发明第二实施例的位移探测装置70具有反射式衍射光栅71，安装在机床等的运动部件上并直线运动；光接收/发射复合单元12，用于将光发射元件发出的光束分解成两束光束La1、La2并投射这两束光束，使衍射光栅71衍射的两束二次衍射光束Lc1、Lc2互相干涉从而对干涉信号进行探测；反射部件73a、73b，用于将从光接收/发射复合单元12发出的两束光束La1、La2投射在衍射光栅71上，并且使来自衍射光栅71的两束二次衍射光束Lc1、Lc2射向光接收/发射复合单元12；以及反射光学系统74，用于反射来自衍射光栅71的两束首次衍射光束Lb1、Lb2并将该首次衍射光束再次投射在衍射光栅71上，如图13中所示。
衍射光栅71具有例如薄板状形状，并且具有窄的狭缝或凹槽、或带有分布折射率的栅格，以预定的间隔刻在其表面上。入射在这种衍射光栅71上的光束由刻在其表面上的狭缝等加以衍射并由衍射光栅71反射。缘自衍射的衍射光束沿着栅格间隔和光波长所确定的方向产生。
在本发明中，衍射光栅的类型不限。不仅可以采用如上所述具有机械形成的凹槽等的衍射光栅，也可以采用通过例如在感光树脂上印刷干涉条纹而制得的衍射光栅。
反射部件73a反射光束La1并将光束La1投射在衍射光栅71栅格平面71a上的预定位置。随着该光束La1由衍射光栅71加以衍射，提供首次衍射光束Lb1。反射部件73b反射光束La2并将光束La2投射在衍射光栅71栅格平面71a上的预定位置。随着该光束La2由衍射光栅71加以衍射，提供首次衍射光束Lb2。
另外，随着首次衍射光束Lb1由衍射光栅71加以衍射而产生的二次衍射光束Lc1投射在反射部件73a上。反射部件73a反射该二次衍射光束Lc1并将该二次衍射光束Lc1投射在光接收/发射复合单元12上。随着首次衍射光束Lb2由衍射光栅71加以衍射而产生的二次衍射光束Lc2投射在反射部件73b上。反射部件73b反射该二次衍射光束Lc2并将该二次衍射光束Lc2投射在光接收/发射复合单元12上。
成象以如下方式进行，即，使得光束由反射部件73a投射在衍射光栅71栅格平面71a上所处的预定位置与光束由反射部件73b投射在衍射光栅71栅格平面71a上所处的预定位置为同一位置。在此情况下，光束直径的尺寸最好使得该光束不受栅格平面71a上灰尘和刮痕的影响。成象点不必处于获得最小束径的点，并使光束图象中光程差处于其最小值的点位于栅格平面71a上。
反射光学系统74具有反射器76，用于反射首次衍射光束Lb1并将该首次衍射光束Lb1再次投射在衍射光栅71上；反射器77，用于反射首次衍射光束Lb2并将该首次衍射光束Lb2再次投射在衍射光栅71上；1/4波片WP71，用于改变首次衍射光束Lb1的偏振状态；和1/4波片WP72，用于改变首次衍射光束Lb2的偏振状态。
已通过1/4波片WP71的首次衍射光束Lb1投射在反射器76上。反射器76垂直反射首次衍射光束Lb1，使得该首次衍射光束Lb1沿着与入射路径相同的路径返回。由于投射在反射器76上的首次衍射光束Lb1已经通过1/4波片WP71，并且由该反射器76反射的首次衍射光束Lb1再次通过1/4波片WP71，所以首次衍射光束Lb1再次投射在衍射光栅71上，其偏振方向旋转90度。
已通过1/4波片WP72的首次衍射光束Lb2投射在反射器77上。反射器77垂直反射首次衍射光束Lb2，使得该首次衍射光束Lb2沿着与入射路径相同的路径返回。由于投射在反射器77上的首次衍射光束Lb2已经通过1/4波片WP72，并且由反射器77反射的首次衍射光束Lb2再次通过1/4波片WP72，所以首次衍射光束Lb2再次投射在衍射光栅71上，其偏振方向旋转90度。
关于第二实施例的光接收/发射复合单元12的细节以及第二实施例的例示操作，参见第一实施例的描述。
具体地说，在根据第二实施例的采用反射式衍射光栅71的位移探测装置70中，由于光接收/发射复合单元12通过封装相应部件而具有集成结构，所以精确的位置调节更为容易。另外，由于部件的安装空间不必较大，所以可以实现位移探测装置整体尺寸和重量的减小。由于部件安装在相同的壳体单元中，所以可以减小环境变化以及随时间流逝所致变化的影响，并且可以将调节时的偏差等限制在最低水平。因此，可以提高整个光接收/发射复合单元12的可靠性。
在第二实施例中同样，由于单个相位板43既进行对来自光源51的光束La的转换，也进行对来自分束薄膜59的光束Ld的转换，所以尺寸控制更为容易，并且可以实现制造成本的进一步降低。
下面参照图14说明应用本发明的用于制作光接收/发射复合单元12的方法。
首先，在步骤S11，制作具有依次相连的多个分束单元44的分束单元44层、用于覆盖多个光接收/发射复合单元12的区域的相位板43、以及具有依次相连的多个偏振单元42的偏振单元42层。接着，将分束单元44层、相位板43、偏振单元42层依次叠加以制得多层板81。在制作该多层板81时，可以将相位板43叠加在偏振单元42层上然后将分束单元44层叠加其上。可替换地，相位板43可叠加在分束单元44层上然后可以将偏振单元42层叠加其上。
在下一步骤S12，把制成的多层板81切片并分割成多个多层板。在步骤S12中通过分割获得的每个多层板等效于一个光接收/发射复合单元12。
在下一步骤S13，将复合透镜单元41与通过分割获得的每个单独多层板81联接，并将壳体部件40与所联接的复合透镜单元41联接。
也就是说，在应用本发明的制作光接收/发射复合单元12的方法中，将尺寸易于加工的光学部件首先互相粘接，然后切成用于构造各光接收/发射复合单元12的尺寸，最后将复合透镜单元41和壳体部件40粘接以完成光接收/发射复合单元12。因此，该制作方法可以简化，并且可以降低制作成本。
特别地，由于本发明光接收/发射复合单元12通过封装相应部件而具有集成结构，所以精确的位置调节更为容易。另外，由于部件的安装空间不必较大，所以可以实现位移探测装置整体尺寸和重量的减小。因此，可以采用上述制作方法并且可以实现尺寸和价格的进一步降低。
上面描述了应用本发明的第一和第二实施例的位移探测装置。尽管这些实施例的位移探测装置采用的衍射光栅11、71具有以预定间隔平行设置的栅格，但本发明的衍射光栅不必是具有这种平行设置栅格的衍射光栅。例如，可以采用其上设有径向栅格的衍射光栅比如旋转编码器来进行角度探测。
在本发明中，可以采用其上记录有明暗的振幅型衍射光栅，或者也可以采用其上记录折射率变化或形态变化的相位型衍射光栅，衍射光栅的类型不限。
在这些实施例的位移探测装置中，衍射光栅11、71安装在机床等的运动部件上并随着该运动部件的运动而位移。然而，在本发明中，衍射光栅11、71与位移探测装置相对位移就足够了。
本发明不限于上述实施例。例如，可以采用如下结构，能够根据光源51的波长变化减小误差。
当光源的波长改变时，如果从偏振分束单元58到反射器26的光程长度与从偏振分束单元58到反射器27的光程长度之间存在差别(以下将该光程差称作ΔL)，则会发生测量误差。误差量E可以表示如下。
E＝Δλ/λ*2*ΔL*4/d …(45)在此式中，λ表示光源51的波长，Δλ表示波长的变化量，ΔL表示通过偏振分束单元58分解所得两束光束之间的光程差，d表示衍射光栅11的栅格间距。
在此情况下，ΔL必须较�。�使得误差量E相对于假定的波长变化Δλ处于允许的范围内。光程长度设定为使得对于透镜41a和透镜41_1、41_2、41_3和41_4，单个发射光束会聚于特定点(包括虚象点、但不包括无限远点)处。在本实施例中，由于偏振分束单元58分解所得两束光束通过相同的透镜41a，所以相应会聚点与作为光发射点的光源51之间的长度相等。当采用单个透镜用于偏振分束单元分解所得的两束光束时，采用具有相同焦距和相同形状的透镜以使这些长度相等。
图15表示在此例中光接收元件52附近光束Ld的趋向。在图15中，d表示两束光束的会聚位置之间的偏移量。在该例中，实线表示基于所述两束光束的二次衍射光束Lc1的光通量，虚线表示基于二次衍射光束Lc2的光通量，只有当这两束光束的光程长度相等时，才可以实现d＝0并且使这两个光通量彼此叠加。当两束光束的光程长度存在差别时，有d≠0，并且产生同心干涉条纹，从而降低了干涉信号的强度。因此，通过使干涉信号最大化或调整反射器26、27(30a)的位置使得干涉图象不存在条纹，可以使所述两束光束的光程长度相等，而与光源51的相干光长度无关。
由于可以使光程长度相等，所以即使在光源的波长改变时也可以根据上式(45)减小测量误差。
在本发明中，可以通过如下方式调整复合透镜单元41的透镜。
图16A表示光源51的光发射点与反射器26、27(反射表面30a)之间的位置关系。图16B表示反射器26、27(反射表面30a)与光接收元件52之间的位置关系。透镜41a与透镜41_1、41_2、41_3和41_4设定成满足如下的几何光学成象关系。
1/LO+1/LO′＝1/FO …(31)1/LR+1/LR′＝1/FR …(32)在这些式子中，FO表示透镜41a的焦距，FR表示透镜41_1、41_2、41_3和41_4的焦距。LO、LO′、LR、LR′表示几何光学长度，也即距离相应透镜41主面的长度。例如在图17所示的光学系统中，这些长度由下式表示。
LO＝L1 …(41)LO′＝L2+(L12+L3+L4)/N1+L5+L6+(+7+L8)/N2+L9+L10/N3…(42)LR＝L10/N3+L9+(L7+L8)N2+L6+L5+(L11+L3)/N1+L12…(43)LR′＝L13…(44)在这些式子中，N1表示偏振分束单元58和分束薄膜59的折射率，N2表示衍射光栅11的折射率，N3表示反射棱镜的折射率。具体地说，在图17所示的例子中，当透镜设置成满足式(41)至(44)时，光发射点的几何光学图象形成在反射器26、27上，并且反射器26、27的图象形成在光接收元件52上。也就是说，由于透镜设置成满足式(41)至(44)，所以光源51与反射器26、27(30a)设置成处于几何光学成象关系中基本上共轭的位置，反射器26，27(30a)和光接收元件52设置成处于几何光学成象关系中基本共轭的位置。
在采用这种光学系统的位移探测装置10中，即使在反射器26、27转动时，例如如图18中所示，各光接收元件52上的成象点位置也不改变。也就是说，即使光束Ld入射在各光接收元件52的角度发生改变，光接收元件52上的成象点位置也不改变，并且光程长度也不改变。因此，干涉信号不会改变。
在应用本发明的位移探测装置10中，上述长度LR′可以设成小于长度LR(LR′/LR≤1)。光接收元件52上成象点的位移量与反射器26、27上成象点的位移量之比由LR′/LR表示。因此，由于LR′/LR的值降低，所以可以抑制光接收表面上成象点的位移量。也就是说，由于长度LR′设置成实现LR′/LR≤1，所以可以使光接收元件52上成象点的位移量小于反射器26、27上成象点的位移量，从而可以抑制干涉信号强度的降低。特别地，在本发明中，光接收/发射复合单元12具有的壳体部件40、复合透镜单元41、偏振单元42、相位板43和分束单元44设置在相同封装中并构成独立的单元，所以可以将LR′设置成极小值，因而可以使LR′/LR变得较小。
也就是说，在应用本发明的位移探测装置10中，由于构成复合透镜单元41的透镜如上所述设置，所以可以将光接收元件52上的偏移限制在最小水平，从而可以减小其对干涉信号的影响，即使在衍射光栅11或反射器26、27转动时。
如果从复合透镜单元41的透镜41发出的光束在透镜41具有较小孔径时进行会聚，则所形成图象的束径太小从而会受到灰尘和刮痕的影响。因此，复合透镜单元41可以将所发出光束会聚至如下程度，使得光束不受成象点处灰尘和刮痕的影响。
替代地，复合透镜单元41的透镜41可以通过对所发出光束进行准直而保持衍射光栅11和光接收元件52上的束径。由于这使得能够实现光束的恒定束径，所以当安装衍射光栅11时可以提高沿E1和E2方向的容许宽度，如图8所示。
通过将从透镜41a发出的光束聚焦在反射器26、27上或者对光束进行准直，可以调节入射在衍射光栅11上的光束La1、La2和反射光束Lb1、Lb2使得这些光束具有相同的光路。
应用本发明的位移探测装置并不限于上述实施例。例如，本发明可以应用于下述结构。在这些结构中，与图7和9中所示位移探测装置10中相同的构成元件和部件用相同的数标表示，并且不再详细说明。
图19中所示的位移探测装置101采用反射棱镜50用于反射光学系统14，并且具有1/4波片WP51用于仅透射首次衍射光束Lb1，具有1/4波片WP52用于仅透射首次衍射光束Lb2。透过这些1/4波片WP51、WP52的首次衍射光束Lb1、Lb2由反射表面50a、50b加以反射。也就是说，与图9中所示的反射光学系统相比，1/4波片分离设置。
图20中所示的位移探测装置102采用衍射光栅70替代图7中所示的反射部件13a、13b。该衍射光栅70改变入射光束La1、La2、Lc1和Lc2的方向并使这些光束入射在衍射光栅11或光接收/发射复合单元12上。
图21中所示的位移探测装置103具有其中不存在图7所示反射部件13a、13b的结构。位移探测装置103具有反射棱镜70，其中反射棱镜70具有反射表面70a、70b以及设在反射表面70a、70b上的1/4波片WP71、WP72。
图22中所示的位移探测装置104具有1/4波片WP81、WP82，设在衍射光栅11与光接收/发射复合单元12(包括光源51)之间。1/4波片WP81、WP82的光轴相对于从光接收/发射复合单元12所发出光束La1、La2的偏振轴倾斜45度。
图19至22中所示各位移探测装置的衍射光栅可以夹在玻璃板制成的标度盘中。
替代上述光接收/发射复合单元12，可以采用例如图23中所示的光接收/发射复合单元212。在图23所示的光接收/发射复合单元212中，与上述光接收/发射复合单元中相同的构成元件用相同的数标表示，并且不再详细说明。
光接收/发射复合单元212具有用于容纳光发射元件和光接收元件的壳体部件40，透镜单元241，用于仅透射预定偏振成分的偏振单元42(42_1、42_2、42_3和42_4)，用于改变光束偏振状态的相位板43，和用于分解入射在衍射光栅11上的光束或者分解由衍射光栅11衍射所得的二次衍射光束Lc1、Lc2的分束单元44。
壳体部件44具有用于发出光束La的光源51，用于对相干光束(后面将加以说明)进行光电转换以产生干涉信号的光接收元件52(52_1、52_2、52_3和52_4)，具有光源51安装于其上并用以通过向其上施加电信号或采用反射表面53a来控制光路的半导体基片53，以及具有光接收元件安装于其上并用以提取电信号的半导体基片54。
分束单元44具有偏振分束单元58，用于将光源51发出的光束La分解成两束光束La1、La2并照射这两束光束La1、La2，并且将来自反射部件13a、13b的二次衍射光束Lc1、Lc2加以组合以产生组合光束Ld；和分束薄膜59_1、59_2、59_3和59_4，用于将从偏振分束单元58投射的组合光束Ld分解成组合光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4。
透镜单元241为光学元件比如具有预定数值孔径的透镜。从光源51发出的光束La入射在透镜单元241上。透镜单元241使具有预定束径的入射光束La成象在衍射光栅11的栅格平面11a上或反射器26、27上。在第一实施例中，由于采用的是透射式衍射光栅11，所以通常使所发射光束La在反射器26、27上成象。因此，投射在栅格平面11a上的光束直径可以增大，从而可以减小栅格平面11a上灰尘和刮痕的影响。由于既用于控制向外发出光束的束径和也用于控制接收光束的束径的透镜单元241设置在相同封装内，所以可以提高集成度并简化制作工艺。因此，可以提高整个装置的可靠性。
从偏振单元42发出的相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4也入射在透镜单元241上。透镜单元241使入射的相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4分别在光接收元件52_1、52_2、52_3和52_4上成象。成象点不必是束径处于其最小值时的点。例如，可以使光束图象中实现最小光程差的点位于光接收表面上。透镜单元241不仅可以会聚光束，也可以发出准直光束或者发散光束。
尽管透镜单元241采用单个透镜单元实现入射光束La的成象以及相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4的成象，但是透镜单元不限于此结构，并且可以采用例如多个透镜单元。由于构成透镜单元241的透镜使多个入射光束成象在所需位置处，所以可以应用多种形状。例如，当光接收元件52之间设定较窄间距时，需要使相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4之间的间隔逐渐变小。因此，使透镜单元241的形状凸向光接收元件52，如图23中所示。
当光源51与光接收元件52之间设定较短的距离时，使透镜单元241的形状凸向靠近光源51，如图24中所示。
也就是说，透镜单元241可以根据光源51和光接收元件52的结构确定光束的成象点。同样在电路设计中，可以提供光源51和光接收元件设置的自由度。另外，通过提供透镜单元241作为任选单元，可以灵活地处理各种IC规格。
透镜单元241并不限于上述形式。例如，透镜单元241可以集成有复合棱镜。
复合棱镜通过对入射光束La和相干光束Ld1、Ld2、Ld3和Ld4进行折射来控制光路。复合棱镜与透镜单元241一起实现上述效果。例如，复合棱镜可以与透镜单元241一体模制为一个模制部件。
本领域普通技术人员应当理解，本发明并不限于附图中所示的各实施例，而是可以在不偏离由所附权利要求给出和限定的本发明范围和精神的情况下实施多种改变、替代结构或等同方案。
如上面详细所述，根据本发明，相位板以使其插入在偏振单元和分束单元之间的方式进行叠加。相位板可以将线偏振光转换成圆偏振光，并将该圆偏振光投射在偏振分束单元上。这使得可以自由选择光束的偏振成分，而无需象传统技术中那样将光源设置成使得从光源所发出光束的偏振成分相对于偏振分束单元成大约45度。相应地，可以解决在光接收/发射单元12中必需具有额外空间来设置部件的问题，从而可以实现更为紧凑的结构。相位板还可以接收从分束薄膜发出的组合光束，然后将这些组合光束射向上述偏振单元。因此，相应偏振单元的偏振方向彼此具有45度的间隔就足够了，从而可以减少安装偏振单元时的限制。另外，可以简化制造工艺并降低制造成本。另外，由于单个相位板既进行对来自光源的光束的转换，也进行对来自分束薄膜的光束的转换，所以尺寸控制更为容易，并且可以实现制造成本的进一步降低。
另外，根据本发明，由于部件封装形成集成结构，所以更容易进行精确的位置调整，并且也不必需要较大的部件设置空间。因此，可以实现整个位移探测装置尺寸和重量的减小。由于部件安装在相同的壳体部件中，所以可以减小环境变化以及随时间流逝所致变化的影响，并且可以将调节时的偏差等限制在最低水平。因此，可以提高整个整个装置的可靠性。
根据本发明，由于投射在栅格平面上的光束可以设定任意束径，所以可以降低灰尘和刮痕的影响。由于既用于控制向外发出光束的束径也用于控制接收光束的束径的复合透镜单元设置在相同封装内，所以可以提高集成度并简化制作工艺。因此，可以提高整个装置的可靠性。
另外，根据本发明，由于不必采用具有限制相干长度的特定光源，所以可以采用一般的便宜半导体激光器，从而可以实现成本的显著降低。通过这种简单结构，衍射光栅、光接收/发射单元等可以获得较大的安装容差。
另外，根据本发明，提供了用于将从光源发出的光束La以及从分束单元发出的光束射向预定成象点的透镜单元。具有该透镜单元的位移探测装置和光接收/发射复合单元可以根据光源和光接收元件的结构确定光束的成象点。同样在电路设计中，可以提供光源和光接收元件设置的自由度。另外，通过提供透镜单元作为任选单元，可以灵活地处理各种IC规格。
权利要求
1.一种光接收/发射复合单元，包括光源，用于发射光束；偏振分束器，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束，然后将这两束光束射向一外部光学系统，并将从该外部光学系统反射的两束光束加以组合以产生组合光束；相位板，设置在光源与偏振分束器之间，用以改变从光源发出光束的偏振状态并将该光束射向偏振分束器；分束装置，用于将由偏振分束器产生的组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；和光接收装置，用于对透过偏振装置的相干光束进行光电转换，从而产生一干涉信号。
2.如权利要求1所述的光接收/发射复合单元，其中所述相位板是1/4波片。
3.如权利要求1所述的光接收/发射复合单元，其中所述相位板设在分束装置与偏振装置之间，并且该相位板改变所分解组合光束的偏振状态并将所分解组合光束射向偏振装置。
4.如权利要求3所述的光接收/发射复合单元，其中所述分束装置、相位板和偏振装置依次叠加。
5.如权利要求2所述的光接收/发射复合单元，其中所述偏振装置分别以45度间隔透射所分解组合光束的偏振成分。
6.一种位移探测装置，用于根据干涉信号对具有一衍射光栅的检测目标沿栅格矢量方向的位移进行探测，该装置包括光源，用于发射光束；分束器，用于将从光源发出的光束分解成两束光束并发射这两束光束；第一透镜，设置在光源与分束器之间；反射装置，用于反射在分束器所发出两束光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束首次衍射光束；分束装置，用于组合在反射装置所反射首次衍射光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束二次衍射光束，以产生组合光束，然后将该组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；光接收装置，用于对透过偏振装置的相干光束进行光电转换从而产生所述干涉信号；和第二透镜，设置在偏振装置与光接收装置之间。
7.如权利要求6所述的位移探测装置，其中所述光源、分束器、第一透镜、分束装置、偏振装置、光接收装置和第二透镜设在相同的封装中并构造成独立单元。
8.如权利要求6所述的位移探测装置，进一步包括一偏振元件，用以改变所述偏振成分，使得由衍射光栅加以衍射的第一衍射光束的偏振方向与由反射装置加以反射的第一衍射光束的偏振方向互相正交，并与所述反射装置一体设置。
9.如权利要求6所述的位移探测装置，其中由分束器发出的两束光束分别会聚在距离光源的相等长度处。
10.如权利要求6所述的位移探测装置，其中所述反射装置设置成使得由光接收装置叠加的两束二次衍射光束的干涉条纹基本上没有条纹或者使得干涉信号基本上处于其最大值。
11.如权利要求6所述的位移探测装置，其中光源与反射装置设置在几何光学成象关系中的大致共轭位置处，并且反射装置与光接收装置设置在几何光学成象关系中的大致共轭位置处。
12.一种光接收/发射复合单元，包括光源，用于发射光束；偏振分束器，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束，然后将这两束光束射向一外部光学系统，并将从该外部光学系统反射的两束光束加以组合以产生组合光束；分束装置，用于将由偏振分束器产生的组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；透镜单元，用于分别将透过偏振装置的多个相干光束导引至预定位置；和光接收装置，用于对透镜单元导引的多个相干光束进行光电转换，从而产生一干涉信号。
13.如权利要求12所述的光接收/发射复合单元，其中所述透镜单元进一步设置在光源与偏振分束器之间，并改变从光源所发出光束的传播方向。
14.如权利要求12所述的光接收/发射复合单元，其中所述透镜单元对透过偏振装置的多个相干光束进行成象。
15.如权利要求12所述的光接收/发射复合单元，其中所述透镜单元构造成凸向光接收装置。
16.如权利要求12所述的光接收/发射复合单元，其中所述透镜单元导引所述相干光束使得光源与光接收装置之间的距离短于偏振分束器与分束装置之间的距离。
17.一种制作光接收/发射复合单元的方法，其中光接收/发射复合单元中从一光发射元件发出并具有由一相位板确定偏振状态的光束被分解成两束光束并射向一外部光学系统，由该外部光学系统反射的所发出光束被彼此组合，并且该组合光束的偏振状态由所述相位板加以改变并经由一光接收元件加以探测，该方法包括如下步骤依次叠加一个用于将所述组合光束分解成多个光束的分束层、所述相位板、和一个用于仅透射预定偏振成分的偏振片，从而形成一多层板的步骤；剪切步骤，将所形成的多层板剪切成所述光接收/发射复合单元；和联接步骤，将用于导引透过偏振片的光束至所述光接收元件的复合透镜单元联接至所述剪切多层板，并且将含有所述光接收元件和光发射元件的光接收/发射单元联接至已经联接的复合透镜单元。
18.一种位移探测装置，用于根据干涉信号对具有一反射式衍射光栅的检测目标沿栅格矢量方向的位移进行探测，该装置包括光源，用于发射光束；偏振分束器，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束并发射这两束光束；相位板，设置在光源与偏振分束器之间，用于改变从光源所发出光束的偏振状态并将该光束射向偏振分束器；成象装置，用于使从分束器发出的两束光束成象在衍射光栅的栅格平面上；反射装置，用于反射在分束器所发出两束光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束首次衍射光束；分束装置，用于组合在反射装置所反射首次衍射光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束二次衍射光束，以产生组合光束，然后将该组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；和光接收装置，用于对透过偏振装置的相干光束进行光电转换，从而产生所述干涉信号。
19.一种位移探测装置，用于根据干涉信号对具有一衍射光栅的检测目标沿栅格矢量方向的位移进行探测，该装置包括光源，用于发射光束；偏振分束器，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束并发射这两束光束；反射装置，用于反射在分束器所发出两束光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束首次衍射光束；分束装置，用于组合在反射装置所反射首次衍射光束由衍射光栅加以衍射时所得的两束二次衍射光束，以产生组合光束，然后将该组合光束分解成多个光束；偏振装置，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；透镜单元，用于分别将透过偏振装置的多个相干光束导引至预定位置；和光接收装置，用于对透镜单元导引的多个相干光束进行光电转换，从而产生所述干涉信号。
全文摘要
本发明涉及一种光接收/发射复合单元、其制造方法以及位移探测装置，其中的位移探测装置具有良好的时间稳定性，并且适于减小尺寸和重量，包括光源，用于发射光束；偏振分束单元，用于将从光源发出的光束分解成具有不同偏振成分的两束光束，将这两束光束射向一外部光学系统，并将从该外部光学系统反射的两束光束加以组合以产生组合光束；相位板，设置在光源与偏振分束单元之间，用以改变从光源发出光束的偏振状态并将该光束射向偏振分束单元；分束薄膜，用于将由偏振分束单元产生的组合光束分解成多个光束；偏振单元，用于仅透射所分解组合光束的预定偏振成分；和光接收元件，用于对透过偏振单元的相干光束进行光电转换，从而产生一干涉信号。
文档编号G01D5/26GK1453557SQ03128478
公开日2003年11月5日 申请日期2003年4月28日 优先权日2002年4月26日
发明者田宮英明, 谷口佳代子, 黑田明博, 久米英廣 申请人:索尼精密技术株式会社