(57)【要約】【課題】  より簡単な演算によって、複数の信号の位相差が所定の値となる位置の中から原点を特定し、より高速にかつ高精度に原点を検出する。【解決手段】  光源と、光源に対して相対的に移動可能であり、互いに格子ピッチの異なる第１及び第２の回折格子部を有するスケールと、光源から射出され、第１及び第２の回折格子部においてそれぞれ異なる次数で回折した複数の回折光によって生じる第１及び第２の干渉光を受光し、第１及び第２の周期信号を出力する受光部と、第１及び第２の周期信号に基づいてスケールの変位の原点を示す原点信号を出力する演算部と、を有する原点検出装置において、第２の周期信号はスケールが原点に位置する場合に極値をとるように設定されており、演算部は第１及び第２の周期信号の位相差が所定の値となり、かつ第２の周期信号の値が極値となる場合に原点信号を出力する。【選択図】  図１
2010185834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源に対して相対的に移動可能であり、互いに格子ピッチの異なる第１の回折格子部及び第２の回折格子部を有するスケールと、
前記光源から射出され、前記第１の回折格子部において異なる次数で回折した複数の回折光によって生じる第１の干渉光、及び前記第２の回折格子部において異なる次数で回折した複数の回折光によって生じる第２の干渉光を受光し、前記第１の干渉光の強度に基づいた第１の周期信号及び前記第２の干渉光の強度に基づいた第２の周期信号を出力する受光部と、
前記第１及び第２の周期信号に基づいて前記スケールの変位の原点を示す原点信号を出力する演算部と、を有する原点検出装置において、
前記第２の周期信号は、前記スケールが前記原点に位置する場合に極値をとるように設定されており、
前記演算部は、前記第１及び第２の周期信号の位相差が所定の値となり、かつ前記第２の周期信号の値が前記極値となる場合に前記原点信号を出力することを特徴とする原点検出装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の周期信号は、それぞれ位相が異なる複数相の信号からなり、
前記演算部は、各相について前記第１及び第２の周期信号の差を求め、前記差が最大となる相と最小となる相の信号の差が所定の値以下であるか否かによって求められる矩形信号に基づいて前記原点信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の原点検出装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記第１の周期信号の位相が所定の値となる位置と前記矩形信号との論理和に基づいて前記原点信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の原点検出装置。
【請求項４】
前記第２の回折格子部は、前記第１の回折格子部よりも幅が狭く、前記原点を含む位置に部分的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の原点検出装置。
【請求項５】
前記第２の回折格子部のスリット幅は、前記原点から遠ざかるにつれて狭くなる或いは広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の原点検出装置。
【請求項６】
前記スケールは、前記第１及び第２の回折格子部と格子ピッチが異なる第３の回折格子部を有し、
前記受光部は、第３の回折格子部によって生じる第３の干渉光を受光して第３の周期信号を出力し、
前記第３の周期信号は、前記スケールが前記原点に位置する場合に極値をとるように設定されており、
前記演算部は、前記第１及び第２の周期信号の位相差、及び前記第１及び第３の周期信号の位相差が所定の値となり、かつ前記第２及び第３の周期信号の値が前記極値となる場合に、前記原点信号を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の原点検出装置。
【請求項７】
前記第１及び第３の周期信号は、それぞれ位相が異なる複数相の信号からなり、
前記演算部は、各相について前記第１及び第２の周期信号の差、及び前記第１及び第３の周期信号の差を求め、前記差が最大となる相と最小となる相の信号の差が所定の値以下であるか否かによって求められるそれぞれの矩形信号の論理和に基づいて前記原点信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の原点検出装置。
【請求項８】
前記第３の回折格子部は、前記第１の回折格子部よりも幅が狭く、前記原点を含む位置に部分的に形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の原点検出装置。
【請求項９】
前記第３の回折格子部のスリット幅は、前記原点から遠ざかるにつれて狭くなる或いは広くなるように形成されていることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の原点検出装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の原点検出装置によって得られる前記原点信号に基づいて、前記スケールの前記原点からの変位を測定する変位測定装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の原点検出装置、または請求項１０に記載の変位測定装置を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の相対的な変位を周期信号に変換し周期信号を計数することで物体の変位情報を得るための、変位センサ、エンコーダ、干渉計に関するものである。特に周期信号を計数する基準位置である原点を検出するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年機械ステージの相対変位等をサブミクロンオーダーの分解能で計測する装置として、相対的に変位するスケールで回折した複数の次数の回折光による干渉光を計測することにより変位を計測する回折干渉型のエンコーダが使用されている。
【０００３】
回折干渉型のエンコーダで位置計測を行う場合は、エンコーダの信号の原点（基準位置）を検出しカウンタの値をゼロにリセットして絶対位置信号を出力することが一般的に行われていて、従来原点の検出は以下の方式で行われていた。１つ目は、スリット状のパターンに集光した光束を照明し、そこから発生した反射光束をパルス状に発生させて原点信号を得る方式（方式１）である。２つ目は、複数のスリット列を不等間隔に配置し、そのスリット列と同じパターンになるように光束を照明し、反射光を一括して検出し、一致した瞬間に鋭いパルス状の信号を生成し、原点信号を得る方式（方式２）である。３つ目は、異なる周期ピッチの格子を併設し、異なる信号周期の信号を複数生成し、複数の信号の位相差が所定の値（例えば零）となる位置で原点信号を生成する方法（方式３）であり、この方式について特許文献１、２に記載されている。
【０００４】
しかし、方式１、方式２は、検出原理が幾何光学的な光束の遮断による光量変動を利用しているため、パルス状信号の再現性はせいぜい数μｍであり、サブミクロンの周期信号を出力する回折干渉型のエンコーダの原点の検出には精度が不十分であった。
【０００５】
また、方式３では、方式１や２に比べて検出精度が高まるが、回折干渉型のエンコーダでは特に信号周期が細かいために位相差が所定の値となる位置が近接して複数発生してしまうために、原点を特定できず、そのままでは実用化することが難しい。特許文献２にはこの課題の解決手段として、複数の信号の位相差が所定の値となる位置の間で正弦波周期数を変化させて、この周期数が予め原点と関連付けられた周期数になるのを検知することにより原点を特定する方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１４４５８１号公報
【特許文献２】特開２００４−１７０１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載の方式では、位相差が所定の値となる位置の間をカウンタにて計数、記憶し、その状態から原点信号を決定している。この手順は、受光部から出力されるアナログ信号をＡＤコンバータ等でデジタル信号に変換してから処理する必要があり、さらにデジタル信号をカウンタ等を用いてカウントするため、演算が煩雑である。このような演算には、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等の演算機能、カウンタ、クロック信号等を必要とする上、高速に原点を検出することも難しい。
【０００８】
そこで、本発明は、より簡単な演算によって、複数の信号の位相差が所定の値となる位置の中から原点を特定し、より高速にかつ高精度に原点を検出することができる原点検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の原点検出装置は、
光源と、
前記光源に対して相対的に移動可能であり、互いに格子ピッチの異なる第１の回折格子部及び第２の回折格子部を有するスケールと、
前記光源から射出され、前記第１の回折格子部において異なる次数で回折した複数の回折光によって生じる第１の干渉光、及び前記第２の回折格子部において異なる次数で回折した複数の回折光によって生じる第２の干渉光を受光し、前記第１の干渉光の強度に基づいた第１の干渉信号及び前記第２の干渉光の強度に基づいた第２の干渉信号を出力する受光部と、
前記第１及び第２の干渉信号に基づいて前記スケールの変位の原点を示す原点信号を出力する演算部と、を有する原点検出装置であって、
前記第２の干渉信号は、前記スケールが前記原点に位置する場合に極値をとるように設定されており、
前記演算部は、前記第１及び第２の干渉信号の位相差が所定の値となり、かつ前記第２の干渉信号の値が前記極値となる場合に前記原点信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の原点検出装置により、より簡単な演算によって、複数の信号の位相差が所定の値となる位置の中から原点を特定し、より高速にかつ高精度に原点を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態に係る原点検出装置の構成を示す模式図。
【図２】第１の実施の形態に係るスケールに形成されている第１及び第２の回折格子部を示す模式図。
【図３】本発明の受光部を構成する受光ユニットの構成を示す模式図。
【図４】第１の回折格子部による周期信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の波形を示す図。
【図５】第２の回折格子部による周期信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２の波形を示す図。
【図６】第１の実施の形態に係る原点検出装置の演算部を示す回路図。
【図７】第１及び第２の周期信号の差の波形を示す図。
【図８】第１及び第２の周期信号の差が最大となる相の値と最小となる相の値との差の波形を示す図。
【図９】第１及び第２の周期信号の差から求められた矩形信号の波形を示す図。
【図１０】第２の実施の形態に係る原点検出装置の構成を示す模式図。
【図１１】第２の回折格子部による周期信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２の波形を示す図。
【図１２】第３の回折格子部による周期信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３の波形を示す図。
【図１３】第２の実施の形態に係る原点検出装置の演算部を示す回路図。
【図１４】第１及び第２の周期信号の差の波形を示す図。
【図１５】第１及び第３の周期信号の差の波形を示す図。
【図１６】第１及び第２の周期信号の差、及び第１及び第３の周期信号の差が最大となる相の値と最小となる相の値との差の波形を示す図。
【図１７】第１及び第２の周期信号の差から求められた矩形信号の波形を示す図。
【図１８】第１及び第３の周期信号の差から求められた矩形信号の波形を示す図。
【図１９】矩形信号の論理和で得られる矩形信号の波形を示す図。
【図２０】本発明のスケールに形成されている第２の回折格子部の他の例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の原点検出装置は、光源と、光源に対して相対的に移動可能な回折格子部を有するスケールと、スケールで異なる次数で回折した複数の回折光による干渉光を受光する受光部と、受光部から出力された信号に基づいて原点信号を出力する演算部を有する。
【００１３】
スケールは、互いに格子ピッチの異なる第１の回折格子部と第２の回折格子部を有する。第１及び第２の回折格子部は、反射部と非反射部で構成されるスリットパターン、或いは透過部と非透過部で構成されるスリットパターンが周期的に交互に形成されているものである。つまり、いわゆる反射型の回折格子であってもよいし、透過型の回折格子であってもよい。そして、第１及び第２の回折格子部は、格子の配列方向が平行になるように形成されている。光源から射出された光は、第１の回折格子部を通過して次数の異なる複数の回折光となり、その一部の回折光は光路が重なって第１の干渉光となる。一方、光源から射出され、第２の回折格子部を通過した回折光も同様に、一部の回折光の光路が重なって第２の干渉光となる。
【００１４】
ここで、スケールの変位の原点とする位置は、互いに近接する第１及び第２の回折格子部を構成するスリットパターンが所定の位置関係になる位置として予め設定されている。所定の位置関係とは、例えば、第１と第２の回折格子部とで格子配列方向におけるスリットパターンの中心が一致する位置等である。
【００１５】
受光素子は、第１の干渉光、第２の干渉光をそれぞれ受光し、第１の干渉光に強度に基づいて第１の干渉信号を、第２の干渉光の強度に基づいて第２の干渉信号を出力する。
【００１６】
演算部は、第１及び第２の干渉信号に基づいてスケールの変位の原点を示す原点信号を出力する。
【００１７】
ここで、第１の回折格子部と第２の回折格子部とで格子ピッチが異なるため、互いに近接する第１及び第２の回折格子部を構成するスリットパターンが所定の位置関係になる位置は原点の他にも複数存在する。そのため互いに近接する第１及び第２の回折格子部を構成するスリットパターンが所定の位置関係になる位置、つまり第１及び第２の干渉信号の位相差が所定の値となる位置を検出するだけでは、原点を特定できない。
【００１８】
そこで、本発明の原点検出装置では、まず第２の干渉信号が、スケールが原点に位置する場合に極値をとるように設定されている。そのため、演算部で、第１及び第２の干渉信号の位相差が所定の値となり、かつ第２の干渉信号が極値となる位置を測定することにより原点を特定できる。
【００１９】
なお、極値とは最大値、最小値、極大値、極小値のいずれであってもよい。例えば、例えば、極値が最大値である場合には、第２の干渉信号が、スケールが原点から離れるにつれて振幅が小さくなる、つまり減衰していくように設定される。
【００２０】
第１及び第２の干渉信号の位相差が所定の値となる位置、かつ第２の干渉信号が極値となる位置は、受光素子から出力されるアナログ信号を用いて簡単に、より高速に演算することができる。そして、干渉信号の位相差に基づいて原点を決定するため、より高精度に原点を検出することができる。なお、第２の干渉信号が極値となる位置を検出することのみによっても原点の検出が可能ではあるが、干渉信号の位相差に基づく検出に比べて検出精度が悪い。そのため、本発明では、干渉信号の位相差が所定の値となり、かつ第２の干渉信号が極値となる位置を求めている。
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について図面に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限られるものではない。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る原点検出装置の構成を示す模式図であり、図２は、スケールに形成されている第１及び第２の回折格子部を示す模式図である。図１及び図２において、ＬＤは光源、ＬＮＳはコリメータレンズ、ＡＰは開口部材、ＳＬはスリット部材、ＭＬ及びＭＲはミラー、ＷＰＬ及びＷＰＲは１／４波長板、ＳＣはスケール、Ｍ１及びＭ２はミラーである。
【００２３】
まず、本実施の形態に係る原点検出装置の構成及び各構成の配置を説明する。
【００２４】
スケールＳＣは、図中の矢印Ａ方向に光源ＬＤに対して相対的に、直線的に移動可能であり、スケールＳＣには第１の回折格子部ＧＴ１、及び第２の回折格子部ＧＴ２が一体的に形成されている。第１の回折格子部ＧＴ１は格子ピッチがＰ１（例えば２．８ｕｍ）である。第２の回折格子部ＧＴ２は格子ピッチがＰ２（例えば２．９４ｕｍ）であり、Ｐ１とは異なる。そして、第１の回折格子部ＧＴ１の中央の格子線（スリットパターン）と第２の回折格子部ＧＴ２の中央の格子線（スリットパターン）とが一致するように形成されており（図２中のＺ線）、この位置をスケールＳＣの変位の原点として定めている。本実施の形態では第１の回折格子部ＧＴ１を原点からの相対的なスケールの変位を測定するために設けられているものであり、測定可能領域に渡って広く設けられている。一方、第２の回折格子部ＧＴ２は、原点の検出を行うために設けられているものであり、第１の回折格子部ＧＴ１よりも幅が狭く、原点を含む位置に部分的に形成されている。なお、本実施の形態では、第２の回折格子部ＧＴ２の変位方向の幅を約１００μｍ（格子３４本）とし、第２の回折格子部ＧＴ２に照明される光束の変位方向の幅を約１００μｍしている。
【００２５】
光源ＬＤはレーザーダイオードなどが用いられており、発散光束を射出する。光源ＬＤの下方にはコリメータレンズＬＮＳが配置されており、コリメータレンズＬＮＳの下方には開口ＡＰ１及びＡＰ２が形成されている開口部材ＡＰが配置されている。開口部材ＡＰは、スケールＳＣと平行な面に配置されている。
【００２６】
開口部材ＡＰの下方には透過型の１及び第２の回折スリットＧＢＳ１、ＧＢＳ２が一体的に形成されたスリット部材ＳＬが配置されている。第１の回折スリットＧＢＳ１は格子ピッチがＰ１（例えば２．８ｕｍ）、第２の回折スリットＧＢＳ２は格子ピッチがＰ２（例えば２．９４ｕｍ）である。そして、第１の回折スリットＧＢＳ１の中央の格子線と第２の回折スリットＧＢＳ２の格子線とが一致するように形成されている。
【００２７】
スリット部材ＳＬとスケールＳＣとの間には、ミラーＭＬ及びＭＲと、ミラーＭ１及びＭ２が配置されている。ミラーＭＬ及びＭＲは、開口部材ＡＰ及びスケールＳＣの面に対して垂直で、且つ法線方向が矢印Ａ方向になるように配置されており、反射面が互いに対抗するように配置されている。ミラーＭ１及びＭ２は、反射面がスケール側に設けられており、その法線方向が開口部材ＡＰ及びスケールＳＣの法線方向と交差するように配置されている。
【００２８】
受光部は、ミラーＭ１及びＭ２で反射した光束を受光する位置に配置されている。図３は、ミラーＭ１で反射した光束を受光する受光ユニットの構成を示す模式図であり、ミラーＭ２で反射した光束を受光する受光ユニットについても同様の構成である。受光部は複数の受光ユニットより構成されている。各受光ユニットは、入射する光束を３つの光束に分割する波面分離素子ＢＳ、分割された複数の光束をそれぞれ透過する３つの偏光板を有する偏光板アレイＰＯＬを透過した光束をそれぞれ受光する受光素子アレイＰＤを有する。偏光板アレイＰＯＬを構成する３つの偏光板は、互いに偏光透過軸を１２０°ずつずらして配置されている。
【００２９】
次に、本実施の形態に係る原点検出装置において光源から射出された光束の光路について説明する。
【００３０】
光源ＬＤから射出された発散光束は、直線偏光光束としてコリメータレンズＬＮＳにて平行光束に変換され、２つの開口ＡＰ１、ＡＰ２によって２つの平行光束に分離される。それらの光束は、第１及び第２の回折スリットＧＢＳ１、ＧＢＳ２を透過して、それぞれ±１次回折光を含む複数の次数の回折光となる。第１及び第２の回折スリットＧＢＳ１、ＧＢＳ２を透過した±１次回折光は、それぞれミラーＭＬ、ＭＲで反射され、互いに偏光軸がずれた１／４波長板ＷＰＬ、ＷＰＲを透過する。そして、第１及び第２の回折格子部ＧＴ１、ＧＴ２に互いに逆回転の円偏光光束として照明される。
【００３１】
ミラーＭＲを経由して第１の回折格子部ＧＴ１に照明された光束の＋１次反射回折光と、ミラーＭＬを経由して第１の回折格子部ＧＴ１に照明された光束の−１次反射回折光は、互いに平行に重なり合う。そして、両回折光は、互いに逆周りの円偏光を、互いの位相差によって方位を変える直線偏光光束に変換されて射出され、ミラーＭ１を経由して受光ユニットに導光される。受光ユニットに導光された直線偏光光束は、波面分離素子ＢＳにて３光束に分割され、互いに１２０°ずつ偏光透過軸をずらして配置した３相偏光板アレイＰＯＬを透過し、それぞれ位相が互いに１２０°ずつずれた複数相の干渉光を含む第１の干渉光となる。第１の干渉光である複数相の干渉光は、それぞれ受光素子アレイＰＤの３つの受光素子に入射し、各受光素子からは互いに位相差が１２０°ずつある周期ピッチがＧＴ１の１／４の３つの正弦波状の第１の周期信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１が出力される。
【００３２】
図４は、第１の回折格子部ＧＴ１（格子ピッチＰ１＝２．８μｍ）による周期信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の波形である。そして、図４（ａ）は、周期信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の原点の±１０μｍの領域の波形であり、図４（ｂ）は、周期信号Ｖの原点の−１００〜＋５００μｍ領域の波形である。図４（ｂ）は、波形が密であるため塗りつぶしになっている。なお、横軸は０を原点としたスケールの変位を表しており、縦軸は周期信号の規格化した値を表している。以下信号の波形を示す図面において、縦軸と、横軸は同じものを示すものとする。また、以下に説明する図面における（ａ）、（ｂ）はそれぞれ原点の±１０μｍの領域の波形と、原点の−１００〜＋５００μｍ領域の波形を示すものとする。
【００３３】
同様に、ミラーＭＲを経由して第２の回折格子部ＧＴ２に照明された光束の＋１次反射回折光と、ミラーＭＬを経由して第２の回折格子部ＧＴ２に照明された光束の−１次反射回折光は、わずかにずれて互いに平行に重なり合う。そして、両回折光は、互いに逆周りの円偏光を、互いの位相差によって方位を変える直線偏光光束に変換されて射出され、ミラーＭ２を経由して別の受光ユニットに導光される。受光ユニットでは、第１の回折格子部ＧＴ１での回折光と同様に回折光を受光し、各受光素子からは互いに位相差が１２０°ずつある周期ピッチがＧＴ２の１／４の３つの正弦波状の第２の周期信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２が出力される。なお、Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は、それぞれＵ１，Ｖ１，Ｗ１と同相の周期信号とする。
【００３４】
図５は、第２の回折格子部ＧＴ２（格子ピッチＰ２＝２．９４μｍ）による周期信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２の波形である。図５（ｂ）は、波形が密であるため塗りつぶしになっている。図５（ｂ）に示されるように、第２の回折格子部ＧＴ２による周期信号は、原点から離れるにつれて振幅が小さくなることが分かる。本実施の形態では、第２の回折格子部ＧＴ２の変位方向の幅、及び、照明される光束の変位方向の幅を約１００μｍとしているため、第２の回折格子部ＧＴ２と照明光束の重なりがずれることで、回折光強度が低下する原理により出現してくることによる。これは、第２の回折格子部ＧＴ２が、第１の回折格子部ＧＴ１よりも幅が狭く、原点を含む位置に部分的に形成されていることによるものである。
【００３５】
次に、本実施の形態に係る原点検出装置における信号処理について説明する。
【００３６】
図６は、受光部から出力された周期信号に基づいて原点信号を出力する演算部を示す回路図である。図６において、ＲＯは受光部、ＬＯは演算部を示す。
【００３７】
演算部ＬＯには、受光部ＲＯから出力された第１の周期信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１、及び第２の周期信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２が入力される。
【００３８】
そして、演算部ＬＯでは、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の周期信号について、図７に示すように第１及び第２の周期信号の差を算出する。図７（ａ）より、原点において振幅が極小となることから、第１及び第２の周期信号の位相差が零となる、つまり第１及び第２の周期信号の位相が一致することが分かる。そして、原点の他にも振幅が極小となる位置が複数存在し、これらの極小となる位置は第１及び第２の周期信号の位相差が零の位置に対応することが図７（ｂ）に示されている。なお、振幅が極小となる位置は２８μｍ毎に存在する。
【００３９】
次に、演算部ＬＯは、図８に示すように第１及び第２の周期信号の差が最大となる相の値と最小となる相の値との差Ｄ１２を求める。（ａ）より、原点において最大値と最小値との差Ｄ１２が零となることが分かる。また、（ｂ）より、原点の他にも最大値と最小値との差Ｄ１２が極小となる位置が複数存在するが、原点以外における値は零とはならないことが分かる。例えば、原点から２８μｍ離れた位置の極小値は０．２程度である。
【００４０】
次に、演算部ＬＯは、図９に示すように第１及び第２の周期信号の差の最大値と最小値の差Ｄ１２が予め定められた所定の値以下であるか否かによって信号を２値化し、矩形信号Ｒ１２を出力する。例えば、ここでは所定の値を０．１と設定しており、最大値と最小値の差Ｄ１２が０．１以下となる場合に１とし、それ以外で０となる信号を出力する。このように、最大値と最小値の差と所定の値とを比較することにより、原点以外で最大値と最小値との差が極小となる位置を除外することができ、原点を表す原点信号として、この矩形信号を出力することができる。なお、演算部で行う以上の処理は、差、和を求める処理、及び比較器等を用いて最大値、最小値を求める処理のみで行うことができるため、より簡単な回路構成で演算をすることができ、しかもより速い演算をすることができる。
【００４１】
また、この矩形信号と第１の回折格子部ＧＴ１の周期信号（例えばＶ相）の位相が所定の値（例えば零）となる位置との論理和を求めることにより、さらに正確な原点信号を出力することもできる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る原点検出装置は、第１の実施の形態における第１及び第２回折格子部の格子ピッチＰ１、Ｐ２、及び照明光束サイズの設計の事情により、複数の位相差零の箇所から原点を特定することが難しい場合の対策を追加したものである。
【００４３】
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る原点検出装置の構成を示す模式図である。図１０では図１と同様の構成については同じ符号を用いている。Ｍ３はミラー、ＧＴ３は第３の回折格子部、ＧＢＳ３は第３の回折スリット、ＡＰ３は開口である。
【００４４】
まず、本実施の形態に係る原点検出装置について、第１の実施の形態と異なる構成及び各構成の配置を説明する。
【００４５】
第３の回折格子部ＧＴ３は、第１及び第２の回折格子部ＧＴ１、ＧＴ２と共にスケールＳＣに一体的に形成されており、第１の回折格子部ＧＴ１を挟んで第２の回折格子部ＧＴ２に対向する位置に形成されている。第３の回折格子部ＧＴ３は、格子ピッチがＰ３（例えば２．８５６ｕｍ）であり、Ｐ１（例えば２．８ｕｍ）、Ｐ２（例えば２．９４ｕｍ）とは異なる。第３の回折格子部ＧＴ３の中央の格子線（スリットパターン）は、第１及び第２の回折格子部ＧＴ１、ＧＴ２と一致するように形成されており、この位置をスケールＳＣの変位の原点として定めている。
【００４６】
本実施の形態では第１の回折格子部ＧＴ１を原点からの相対的なスケールの変位を測定するために設けられているものであり、測定可能領域に渡って広く設けられている。一方、第２及び第３の回折格子部ＧＴ２、ＧＴ３は、原点の検出を行うために設けられているものであり、第１の回折格子部ＧＴ１よりも幅が狭く、原点を含む位置に部分的に形成されている。なお、本実施の形態では、第２及び第３の回折格子部ＧＴ２、ＧＴ３の変位方向の幅を約５００μｍとし、第２及び第３の回折格子部ＧＴ２、ＧＴ３に照明される光束の変位方向の幅を約５００μｍしている。
【００４７】
開口部材ＡＰには、開口ＡＰ１を挟んで開口ＡＰ２に対向する位置に開口ＡＰ３が形成されている。
【００４８】
スリット部材ＳＬには、第１の回折スリットＧＢＳ１を挟んで第２の回折スリットＧＢＳ２に対向する位置に第３の回折スリットＧＢＳ３が、一体的に形成されている。第３の回折スリットＧＢＳ３は、格子ピッチがＰ３（例えば２．８５６ｕｍ）で、第１及び第２の回折スリットＧＢＳ１、ＧＢＳ２の中央の格子線と第３回折スリットＧＢＳ３の格子線とが一致するように形成されている。
【００４９】
ミラーＭ３は、ミラーＭ１及びＭ２と同様に、反射面がスケール側に設けられており、その法線方向が開口部材ＡＰ及びスケールＳＣの法線方向と交差するように配置されている。そして、受光部は、ミラーＭ１、Ｍ２、及びＭ３で反射した光束を受光する位置に配置されている。
【００５０】
次に、本実施の形態に係る原点検出装置において光源から射出された光束の光路について説明する。
【００５１】
光源ＬＤから射出した発散光束は、直線偏光光束としてコリメータレンズＬＮＳにて平行光束に変換され、３つの開口ＡＰ１、ＡＰ２、ＡＰ３にて３つの平行光束に分離される。それらの光束は、第１乃至第３の回折スリットＧＢＳ１、ＧＢＳ２、ＧＢＳ３を透過して、それぞれ±１次回折光を含む複数の次数の回折光となる。第１乃至第３の回折スリットＧＢＳ１、ＧＢＳ２、ＧＢＳ３を透過した±１次回折光は、それぞれ平行ミラーＭＬ、ＭＲにて反射され、互いに偏光軸がずれた１／４波長板ＷＰＬ、ＷＰＲを透過する。そして、第１乃至第３の回折格子部ＧＴ１、ＧＴ２、ＧＴ３に互いに逆回転の円偏光光束として照明される。
【００５２】
第１の回折格子部ＧＴ１に照明された光束による第１の干渉光は、受光部で互いに位相差が位相差が１２０°ずつある周期ピッチがＧＴ１の１／４の３つの正弦波状の第１の周期信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１となって出力される。第１の周期信号は、第１の実施の形態と同様に図４に示す波形となる。
【００５３】
一方、第２の回折格子部ＧＴ２に照明された光束による第２の干渉光は、図１１に示す第２の周期信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２となって出力されるが、（ｂ）より第１の実施の形態に比べて、原点から離れても減衰が小さいことが分かる。これは、第２及び第３の回折格子部ＧＴ２、ＧＴ３の変位方向の幅、及び、照明される光束の変位方向の幅をそれぞれ約５００μｍとしているため、所定の変位に対して第２の回折格子部ＧＴ２と照明光束の重なりのずれの割合が小さいことによる。
【００５４】
また、第３の回折格子部ＧＴ３に照明された光束による第３の干渉光は、第１及び第２の回折格子部ＧＴ１、ＧＴ２に照明された光束と同様の光路を経て受光ユニットに入射し、図１２に示す第３の周期信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３となって出力される。（ｂ）より第３の周期信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３についても、第２の周期信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２と同様程度の減衰となることが分かる。なお、第１乃至第３の周期信号においてＵ１，Ｕ２，Ｕ３は同相の周期信号であるものとし、Ｖ、Ｗについても同様である。
【００５５】
次に、本実施の形態に係る原点検出装置における信号処理について説明する。
【００５６】
図１３は、受光部から出力された周期信号に基づいて原点信号を出力する演算部を示す回路図である。図１３において、ＲＯは受光部、ＬＯは演算部を示す。
【００５７】
演算部ＬＯには、受光部ＲＯから出力された第１の周期信号Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１、第２の周期信号Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２、及び第３の周期信号Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３が入力される。
【００５８】
そして、演算部ＬＯでは、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の周期信号について、図１４に示すように第１及び第２の周期信号の差を、図１５に示すように第１及び第３の周期信号の差を算出する。図１４（ａ）より原点において振幅が極小となることから、第１及び第２の周期信号の位相が一致し、図１５（ａ）より第１及び第３の周期信号の位相が一致することが分かる。そして、原点の他にも振幅が極小となる位置が複数存在し、これらの極小となる位置は第１及び第２の周期信号の位相差が零の位置に対応することが図１４（ｂ）、図１５（ｂ）に示されている。なお、振幅が極小となる位置は、図１４（ｂ）では２８μｍ毎に、図１５（ｂ）では７０μｍ毎に存在する。
【００５９】
次に、演算部ＬＯは、図１６に示すように第１及び第２の周期信号の差が最大となる相の値と最小となる相の値との差Ｄ１２と、第１及び第３の周期信号の差が最大となる相の値と最小となる相の値との差Ｄ１３を求める。図１６（ａ）より、Ｄ１２とＤ１３のいずれについても原点において最大値と最小値との差が零となることが分かる。また、図１６（ｂ）より、Ｄ１２とＤ１３のいずれについても原点の他にも最大値と最小値との差が極小となる位置が複数存在するが、原点以外における値は零とはならないことが分かる。
【００６０】
次に、演算部ＬＯは、図１７に示すように第１及び第２の周期信号の差の最大値と最小値の差Ｄ１２が予め定められた所定の値以下であるか否かによって信号を２値化し、矩形信号Ｒ１２を出力する。また、第１及び第３の周期信号についても同様に図１８に示すように矩形信号Ｒ１３を出力する。例えば、ここでは所定の値を０．１と設定しており、最大値と最小値の差が０．１以下となる場合に１とし、それ以外で０となる信号を出力する。
【００６１】
ところが、本実施の形態では、第２及び第３の回折格子部ＧＴ２、ＧＴ３の変位方向の幅、及び、照明される光束の変位方向の幅が広く、信号の減衰が小さいため、矩形信号Ｒ１２，Ｒ１３は原点とその周辺で複数立ち上がる。そこで、本実施の形態では、図１９に示すように、第１及び第２の周期信号によって得られる矩形信号Ｒ１２と、第１及び第３の周期信号によって得られる矩形信号Ｒ１３との論理和を求めている。このことにより、原点以外で立ち上がる矩形信号を除外することができ、原点を表す原点信号として、矩形信号を出力することができる。なお、演算部で行う以上の処理は、差、和を求める処理、及び比較器等を用いて最大値、最小値を求める処理のみで行うことができるため、より簡単な回路構成で演算をすることができ、しかもより速い演算をすることができる。
【００６２】
また、この矩形信号と第１の回折格子部ＧＴ１の周期信号（例えばＶ相）の位相が所定の値（例えば零）となる位置との論理和を求めることにより、さらに正確な原点信号を出力することもできる。
【００６３】
以上、本発明の原点検出装置について実施の形態を例として説明したが、本発明は実施の形態に限られず、他の構成でも実現できる。
【００６４】
以上の実施の形態では、第２の周期信号及び第３の周期信号が、スケールが原点から離れるにつれて振幅が小さくなるように設定しているが、スケールが原点から離れるにつれて振幅が大きくなるように設定してもよい。この場合、第２及び第３の回折格子部は、原点付近には形成されておらず、それ以外の部分に形成される。本発明では、原点付近の振幅が他の部分の振幅とは異なることにより、原点を特定するものであるため、周期信号が極値を有するように設定すればよい。
【００６５】
以上の実施の形態では、第２の周期信号及び第３の周期信号が、スケールが原点から離れるにつれて振幅が小さくなるようにするために、回折格子部の幅を狭くしているが、それ以外の方法により達成してもよい。例えば、図２０に示すように、第２または第３の回折格子部を構成する各スリットのスリット幅が、原点から遠ざかるにつれて狭くなる或いは広くなるように形成されていてもよい。
【００６６】
以上の実施の形態では、第１乃至第３の回折格子部を反射型としたが、透過型の回折格子部としてもよい。この場合、スリット部材、及びミラーＭＬ，ＭＲ，Ｍ１乃至Ｍ３を設けずに、スケールを透過した次数の異なる回折光（例えば±１次回折光）による干渉光を受光部で受光して、原点信号を出力する。
【００６７】
以上の実施の形態では、第１乃至第３の回折格子部は、スケールに一体的に形成されているが、それぞれ別々のスケールに形成されていてもよい。この場合には、各スケールは同期して同じ方向に変位するようにする。ただし、各スケールを厳密に位置合わせすることは容易ではないため、実施の形態に記載のように一体に形成する方が検出精度が高まる。さらに、本実施の形態では、スケールだけでなく、ミラー、スリット部材、コリメータレンズ、光源等も各回折格子部に共通の部材を用いているため、厳密に位置合わせする必要がなく、検出精度が高い。
【００６８】
以上の実施の形態では、１つの光源から射出される光束を開口部材によって複数の光束に分離しているが、複数の光源を用いてもよい。
【００６９】
以上の実施の形態では、第１乃至第３の回折格子部は変位方向に対して並列に形成されているが、第２または第３の回折格子部は、第１の回折格子部の端部に直列に形成されていてもよい。
【００７０】
以上の実施の形態では、第２及び第３の回折格子部は原点を含む位置に設けられているが、第２または第３の回折格子部が、それぞれ第１の回折格子部の両端に分かれて形成されていてもよい。例えば第２の回折格子が分かれて形成されている場合には、両端の第２回折格子部で得られた信号を平均化することで、スケールの変位方向と回折格子部の格子方向とが平行ではない場合にも、検出誤差を緩和することができる。
【００７１】
以上の実施の形態では、周期信号を１２０°ずつずれた３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の信号として出力しているが、９０°ずつずれた２相、あるいは４相の信号として出力してもよい。
【００７２】
以上の実施の形態では、２つ或いは３つの回折格子部から得られる干渉光から原点信号を出力しているが、４つ以上の回折格子部から得られる干渉光から原点信号を出力するようにしてもよい。複数の矩形信号の論理和により得られる矩形信号の幅を狭め、より精度の高い原点信号を出力することができる。
【００７３】
以上の実施の形態では、スケールの直線的な変位を測定するための装置（リニアエンコーダ）として用いているが、スケールがその中心を軸として回転し、スケールの角度変位を測定するための装置（ロータリーエンコーダ）として用いてもよい。この場合、回折格子部の格子方向は円周方向になり、回折格子のスリットパターンは放射状に形成される。
【００７４】
その他、第１乃至第３の回折格子部の格子ピッチ、第１乃至第３の回折格子部の幅は異なる値、異なる組み合わせにしてもよい。
【００７５】
また、本発明は、上記原点検出装置によって得られる原点信号に基づいて、スケールの原点からの変位（絶対位置）を測定する変位測定装置（アブソリュートエンコーダ）とすることもできる。
【００７６】
さらに、本発明の原点検出装置または変位測定装置は、様々な電子機器に適用することができる。例えば、サブナノメートルの変位を検出する必要がある産業用機械ステージ、高精度形状測定装置、顕微鏡ステージ、高精度機械加工装置、半導体露光装置、半導体製造装置等の電子機器に適用することができる。また、撮像装置、電子写真方式あるいはインクジェット方式の画像形成装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
ＬＤ  光源
ＬＮＳ  レンズ
ＡＰ  開口部材
ＳＬ  スリット部材
ＭＲ、ＭＬ、Ｍ１、Ｍ２  ミラー
ＷＰＬ、ＷＰＲ  １／４波長板
ＳＣ  スケール
ＲＯ  受光部
ＬＯ  演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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