(57)【要約】【課題】スケールから読み出した信号に基づき原点信号を発生する。【解決手段】所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域１２ａと、第１の領域１２ａとは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域１２ｂとが形成されている移動可能なスケール１２と、第１の領域１２ａに記録されている位置情報を読み取る第１の読取部１０と、第１の読取部１０により読み出した位置情報に基づき第１の位相を検出する第１の位相検出部１４と、第２の領域１２ｂに記録されている位置情報を読み取る第２の読取部１１と、第２の読取部１１により読み出した位置情報に基づき第２の位相を検出する第２の位相検出部１５と、第１の位相と第２の位相とを比較する位相比較部１６と、位相比較部１６の比較結果に応じて、原点信号を発生する原点信号発生部１７を備える。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域と、上記第１の領域とは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域とが形成されている移動可能なスケールと、
上記第１の領域に記録されている位置情報を読み取る第１の読取手段と、
上記第１の読取手段により読み出した位置情報に基づき第１の位相を検出する第１の位相検出手段と、
上記第２の領域に記録されている位置情報を読み取る第２の読取手段と、
上記第２の読取手段により読み出した位置情報に基づき第２の位相を検出する第２の位相検出手段と、
上記第１の位相と上記第２の位相とを比較する位相比較手段と、
上記位相比較手段の比較結果に応じて、原点信号を発生する原点信号発生手段を備え、
上記第１の領域と上記第２の領域は、同一の測定方向に等量分変位するように上記スケール上に形成され、
上記第１の読取手段により読み取られる上記第１の領域に記録されている位置情報の読み取り位置と、上記第２の読取手段により読み取られる上記第２の領域に記録されている位置情報の読み取り位置とが測定方向に対してインライン上に並んでいることを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
上記スケールは、測定方向に対して一方の側に第１の領域が形成されており、他方の側に第２の領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項３】
上記スケールは、第１の領域を両側から挟むように第２の領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項４】
上記スケールは、垂直方向に第１の領域と第２の領域とが層状に重なって形成されていることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項５】
上記原点信号発生手段は、上記第１の位相と上記第２の位相との差が任意の設定された値になったときに原点信号を発生するように、上記値を設定する設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項６】
上記原点信号発生手段は、上記第１の位相と上記第２の位相との差が０のときのみ原点信号を発生することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項７】
上記原点信号発生手段は、上記第１の位相と上記第２の位相との差が設定された値に所定回数一致したときに原点信号を発生することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項８】
上記第１の位相又は上記第２の位相を選択する選択手段と、
上記第１の位相と上記第２の位相との差が設定された値に一致した後に、上記選択手段で選択した方の位相が任意の値に達したときに上記原点信号発生手段により原点信号を発生するように、上記値を設定する設定手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項９】
上記原点信号発生手段は、上記第１の位相と上記第２の位相との差が設定された値に一致した後に、上記選択手段で選択した方の位相が上記設定手段で設定した値に達し、そこから所定距離離れた位置に再度現れる上記設定した値に上記位相の差が達したときに原点信号を発生することを特徴とする請求項８記載の変位検出装置。
【請求項１０】
上記所定距離は、（２ｎ＋１）Λ／２であり、
上記ｎは、０以上の整数であり、
上記Λは、上記選択手段で第１の位相差を選択した場合には、上記第１の領域に記録されている回折格子の間隔であり、上記選択手段で第２の位相差を選択した場合には、上記第２の領域に記録されている回折格子の間隔であることを特徴とする請求項９記載の変位検出装置。
【請求項１１】
上記スケールに形成されている第１の領域及び第２の領域に記録されている位置情報は、透過型又は反射型の回折格子からなり、
上記第１の読取手段は、第１の光源部と、上記第１の光源部からの光を２つに分割する第１の分割部と、分割された２つの光が上記回折格子により回折され、上記回折された２つの回折光どうしを重ね合わせ電気信号に変換する第１の光学系とを有し、
上記第２の読取手段は、第２の光源部と、上記第２の光源部からの光を２つに分割する第２の分割部と、分割された２つの光が上記回折格子により回折され、上記回折された２つの回折光どうしを重ね合わせ電気信号に変換する第２の光学系とを有することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項１２】
上記第１の読取手段は、分割された２つの光が上記回折格子により回折された回折光を再び上記回折格子に入射させる第１の反射部をさらに有し、
上記第２の読取手段は、分割された２つの光が上記回折格子により回折された回折光を再び上記回折格子に入射させる第２の反射部をさらに有し、
上記第１の光学系は、上記回折格子で複数回回折された回折光を重ね合わせ、
上記第２の光学系は、上記回折格子で複数回回折された回折光を重ね合わせることを特徴とする請求項１１記載の変位検出装置。
【請求項１３】
上記第１の光源部及び上記第２の光源部の可干渉距離を２００μｍ以内にすることを特徴とする請求項１２記載の変位検出装置。
【請求項１４】
上記第１の光学系により２つの回折光どうしが干渉したときの変調度を検出する第１の変調度検出手段と、
上記第１の変調度検出手段の検出結果に基づいて光路長差の変化を監視する第１の監視手段と、
上記第２の光学系により２つの回折光どうしが干渉したときの変調度を検出する第２の変調度検出手段と、
上記第２の変調度検出手段の検出結果に基づいて光路長差の変化を監視する第２の監視手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１２記載の変位検出装置。
【請求項１５】
第１の領域を両側から挟むようにして第２の領域が形成されているスケール又は、垂直方向に第１の領域と第２の領域とが層状に重なって形成されているスケールにおいて、
上記第１の光学系により重ね合わせられる回折光の光路を、上記スケールが変位する方向に対して中心対称に配置することを特徴とする請求項１１記載の変位検出装置。
【請求項１６】
上記第１の光学系は、変調率が最大になるように調整する第１の調整部をさらに備え、
上記第２の光学系は、変調率が最大になるように調整する第２の調整部をさらに備えることを特徴とする請求項１１記載の変位検出装置。
【請求項１７】
上記第１の光源部及び上記第２の光源部は、同一の光源部であることを特徴とする請求項１１記載の変位検出装置。
【請求項１８】
第１の領域を両側から挟むように第２の領域が形成されているスケール又は、垂直方向に第１の領域と第２の領域とが層状に重なって形成されているスケールにおいて、
上記第１の光源部及び上記第２の光源部とは、１つの光源部により構成されており、第１の分割部及び第２の分割部とは、１つの分割部により構成されいることを特徴とする請求項１１記載の変位検出装置。
【請求項１９】
上記第１の光源部は、上記第１の分割部と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光を上記第１の分割部に入射し、
上記第１の分割部は、上記第１の光学系と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光が入射され、
上記第２の光源部は、上記第２の分割部と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光を上記第２の分割部に入射し、
上記第２の分割部は、上記第２の光学系と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光が入射されることを特徴とする請求項１１記載の変位検出装置。
【請求項２０】
上記第１の光源部、上記第２の光源部、上記第１の光学系及び上記第２の光学系は、当該変位検出装置の外部に配設することを特徴とする請求項１９記載の変位検出装置。
【請求項２１】
上記第１の光源部は、上記第１の分割部と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光を上記第１の分割部に入射し、
上記第１の光学系の受光素子部は、該第１の光学系の他の構成要素と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光が入射され、
上記第２の光源部は、上記第２の分割部と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光を上記第２の分割部に入射し、
上記第２の光学系の受光素子部は、該第２の光学系の他の構成要素と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光が入射されることを特徴とする請求項１１記載の変位検出装置。
【請求項２２】
上記第１の光源部、上記第２の光源部、上記第１の光学系の受光素子部及び上記第２の光学系の受光素子部は、当該変位検出装置の外部に配設することを特徴とする請求項２１記載の変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の干渉を利用してスケールの変位（移動）量を検出するようにした変位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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がある。以下に変位検出装置４について図５を用いて説明する。なお、図５は、透過型の回折格子を用いた変位検出装置４である。
【０００３】
変位検出装置４は、図５に示すように、可干渉光源部９０と、第１のレンズ９１と、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ）９２と、第１の１／４波長板９３と、反射プリズム９４と、第２の１／４波長板９５と、第２のレンズ９６と、ビームスプリッタ（ＢＳ，ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ）９７と、第２のＰＢＳ９８と、第１の光電変換器９９と、第２の光電変換器１００と、第３の１／４波長板１０１と、第３のＰＢＳ１０２と、第３の光電変換器１０３と、第４の光電変換器１０４と、第１の差動増幅器１０５と、第２の差動増幅器１０６と、インクリメンタル信号発生器１０７とを備え、スケール１０８上に記録された透過型の回折格子を読み取る。
【０００４】
可干渉光源部９０は、第１のレンズ９１に光を出射する。第１のレンズ９１は、入射した光を適当なビームに絞り、第１のＰＢＳ９２に出射する。第１のＰＢＳ９２は、入射された光を、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の２つの光に分割する。なお、Ｓ偏光成分を有する光は、第１のＰＢＳ９２で反射され、Ｐ偏光成分を有する光は、第１のＰＢＳ９２を透過する。なお、可干渉光源部９０からの光が直線偏光の光であれば、偏光方向を４５度傾けて第１のＰＢＳ９２に入射させる。こうすることにより、Ｓ偏光成分の光とＰ偏光成分の光の強度を等しくすることができる。
【０００５】
Ｓ偏光成分を有する光は、スケール１０８上に記録されている回折格子のＰ点に入射し、また、Ｐ偏光成分を有する光は、回折格子のＱ点に入射し、以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１は、スケール１０８への入射角を示し、θ２は、スケール１０８からの回折角を示し、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光の波長を示し、ｎは、回折次数を示している。
【０００６】
変位検出装置４では、Ｐ点への入射角をθ１ｐとし、その回折角をθ２ｐとし、Ｑ点への入射角をθ１ｑとし、その回折角をθ２ｑとすると、θ１ｐ＝θ２ｐ＝θ１ｑ＝θ２ｑになるように調整している。また、回折次数は、Ｐ点及びＱ点で同次数である。
【０００７】
Ｐ点で回折された光は、第１の１／４波長板９３を通過し、反射プリズム９４で垂直に反射され、再びＰ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第１の１／４波長板９３の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。
【０００８】
また、Ｑ点で回折された光も同様に、第２の１／４波長板９５を通過し、反射プリズム９４で垂直に反射され、再びＱ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第２の１／４波長板９５の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｑ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。
【０００９】
このようにＰ点及びＱ点で再び回折された光は、第１のＰＢＳ９２に戻る。Ｐ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ９２を通過し、また、Ｑ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ９２で反射される。したがって、Ｐ点及びＱ点から戻ってきた光は、第１のＰＢＳ９２で重ね合わされて、第２のレンズ９６に入射する。重ね合わされた光は、第２のレンズ９６により適当なビームに絞られて、ＢＳ９７に入射する。ＢＳ９７は、入射された光を２つに分割し、一方の光を第２のＰＢＳ９８に入射し、他方の光を第３の１／４波長板１０１に入射する。なお、第２のＰＢＳ９８及び第３の１／４波長板１０１は、入射される光の偏光方向に対して４５度にそれぞれ傾いている。
【００１０】
第２のＰＢＳ９８に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第１の光電変換器９９に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第２の光電変換器１００に入射する。また、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００では、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。なお、Ｋは、２π／Λを示し、ｘは、移動量を示し、δは、初期位相を示している。また、第１の光電変換器９９では、第２の光電変換器１００と１８０度位相の異なる信号が得られる。
【００１１】
また、第３の１／４波長板１０１に入射された光は、Ｐ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光とが互いに逆回りの円偏光となり、重ね合わされて直線偏光となり、第３のＰＢＳ１０２に入射する。第３のＰＢＳ１０２に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第３の光電変換器１０３に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第４の光電変換器１０４に入射する。なお、第３のＰＢＳ１０２に入射される直線偏光の偏光方向は、回折格子がｘ方向にΛ／２だけ移動すると１回転する。したがって、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００と同様にＡｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。
【００１２】
また、第３の光電変換器１０３では、第４の光電変換器１０４と１８０度位相が異なる信号が得られる。なお、第３のＰＢＳ１０２は、第２のＰＢＳ９８に対して４５度傾けてある。したがって、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４で得られる信号は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００で得られる信号に対して９０度位相が異なっている。
【００１３】
第１の差動増幅器１０５は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメタル信号発生器に出力する。また、第２の差動増幅器１０６も同様に、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１０７に出力する。
【００１４】
このように構成されている変位検出装置４では、図５に示す垂線Ａに対して、対称な光学系になっているため、回折格子がＹ方向に移動しても位置計測の誤差を生じない特徴がある。また、Ｐ点に入射する光路とＱ点に入射する光路とを等しくすると、光源の波長の影響を受けにくくすることができる。
【００１５】
【特許文献１】
特公平２−３５２４８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
このような変位検出装置４は、集積回路を製造するためのＸ線露光描画装置や、精密機械工作に利用される。このとき、正確な位置又は距離を測定するために、インクリメンタル信号とは別に、基準点又は原点が設定される必要がある。上記変位検出装置４では、インクリメンタル信号を検出するスケール１０８と、原点信号を検出するスケール１０８とが別のトラックに形成されており、それぞれに対して読み取り機構を備えている。このため、アッベ誤差及び温度ドリフトによる誤差の影響を受け、精密な原点検出が困難で、特に、ナノメートル（ｎｍ）オーダーの安定した原点の繰返し精度を得ることが困難であった。
【００１７】
そこで、本発明では、上述したような実情に鑑みて提案されたものであり、インクリメンタル信号と、ナノメートルオーダーで安定した原点信号を発生することが可能な変位検出装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る変位検出装置は、上述の課題を解決するために、所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域と、上記第１の領域とは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域とが形成されている移動可能なスケールと、上記第１の領域に記録されている位置情報を読み取る第１の読取手段と、上記第１の読取手段により読み出した位置情報に基づき第１の位相を検出する第１の位相検出手段と、上記第２の領域に記録されている位置情報を読み取る第２の読取手段と、上記第２の読取手段により読み出した位置情報に基づき第２の位相を検出する第２の位相検出手段と、上記第１の位相と上記第２の位相とを比較する位相比較手段と、上記位相比較手段の比較結果に応じて、原点信号を発生する原点信号発生手段を備え、上記第１の領域と上記第２の領域は、同一の測定方向に等量分変位するように上記スケール上に形成され、上記第１の読取手段により読み取られる上記第１の領域に記録されている位置情報の読み取り位置と、上記第２の読取手段により読み取られる上記第２の領域に記録されている位置情報の読み取り位置とが測定方向に対してインライン上に並んでいる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
本発明は、例えば図１に示すような変位検出装置１に適用される。変位検出装置１は、第１の光学系１０と、第２の光学系１１と、スケール１２と、インクリメンタル信号発生器１３と、第１の位相検出器１４と、第２の位相検出器１５と、位相比較器１６と、パルス信号発生器１７とを備える。
【００２１】
第１の光学系１０は、図１に示すように、可干渉光源部２０と、第１のレンズ２１と、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２２と、第１の１／４波長板２３と、反射プリズム２４と、第２の１／４波長板２５と、第２のレンズ２６と、ビームスプリッタ（ＢＳ，ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２７と、第２のＰＢＳ２８と、第１の光電変換器２９と、第２の光電変換器３０と、第３の１／４波長板３１と、第３のＰＢＳ３２と、第３の光電変換器３３と、第４の光電変換器３４と、第１の差動増幅器３５と、第２の差動増幅器３６とを備え、スケール１２上に記録された回折格子を読み取り、読み取った結果を、インクリメンタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。
【００２２】
ここで、スケール１２について説明する。スケール１２は、測定方向に対して一方の側に、ピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域１２ａが形成されており、他方の側に、ピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎ（ｎは０以外の実数）で回折格子が記録されている第２の領域１２ｂが形成されている。例えば、Λは、０．５５μｍである。また、スケール１２では、第１の領域１２ａへの光の入射点（Ｐ点、Ｑ点）と、第２の領域１２ｂへの光の入射点（Ｒ点、Ｓ点）は、計測方向にインラインに並んでいる。なお、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂは、同一のスケール上に形成されていても良いし、別々のスケール上に形成されていても良い。別々のスケール上に形成される場合には、各スケールは、同じ基台の上に固定され、同一の変位方向に等量分変位するように形成する。
【００２３】
可干渉光源部２０は、第１のレンズ２１に光を出射する。第１のレンズ２１は、入射した光を適度に絞り、第１のＰＢＳ２２に出射する。第１のＰＢＳ２２は、入射された光をＳ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の２つに分割する。第１のＰＢＳ２２は、スケール１２の第１の領域１２ａのＰ点までの光路とＱ点までの光路が中心対称となるように、Ｓ偏光成分を有する光をＰ点に入射し、Ｐ偏光成分を有する光をＱ点に入射する。なお、可干渉光源部２０からの光が直線偏光の光であれば、偏光方向を４５度傾けて第１のＰＢＳ２２に入射させる。こうすることにより、Ｓ偏光成分の光とＰ偏光成分の光の強度を等しくすることができる。
【００２４】
また、Ｐ点及びＱ点に入射した光は、回折格子により以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１は、スケール１２への入射角を示し、θ２は、スケール１２からの回折角を示し、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光の波長を示し、ｎは、回折次数を示している。
【００２５】
変位検出装置１では、Ｐ点への入射角をθ１ｐとし、その回折角をθ２ｐとし、Ｑ点への入射角をθ１ｑとし、その回折角をθ２ｑとすると、θ１ｐ＝θ１ｑ、θ２ｐ＝θ２ｑになるように調整している。また、回折次数は、Ｐ点及びＱ点で同次数とし、変位検出装置１では、回折次数は１次とする。
【００２６】
Ｐ点で回折された光は、第１の１／４波長板２３を通過し、反射プリズム２４で垂直に反射され、再びＰ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第１の１／４波長板２３の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。
【００２７】
また、Ｑ点で回折された光も同様に、第２の１／４波長板２５を通過し、反射プリズム２４で垂直に反射され、再びＱ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第２の１／４波長板２５の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｑ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。
【００２８】
このようにＰ点及びＱ点で再び回折された光は、第１のＰＢＳ２２に戻る。
【００２９】
Ｐ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ２２を通過し、また、Ｑ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ２２で反射される。したがって、Ｐ点及びＱ点から戻ってきた光は、第１のＰＢＳ２２で重ね合わされて、第２のレンズ２６に入射する。
【００３０】
ここで、第１のＰＢＳ２２からＰ点を経て第１の１／４波長板２３までの光路長と、第１のＰＢＳ２２からＱ点を経て第２の１／４波長板２５までの光路長の関係について述べる。なお、変位検出装置１では、第１のＰＢＳ２２からＰ点を経て第１の１／４波長板２３までの光路と、第１のＰＢＳ２２からＱ点を経て第２の１／４波長板２５までの光路とは、中心対称となっている。
【００３１】
また、本実施例では、光源の波長の変動による誤差を生じさせないために、第１のＰＢＳ２２で分割されたＳ偏光成分を有する光がＰ点を経て第１の１／４波長板２３に達するまでの光路長と、第１のＰＢＳ２２で分割されたＰ偏光成分を有する光がＱ点を経て第２の１／４波長板２５に達するまでの光路長とを等しく調整している。この調整の精度は、必要な測長精度と当該検出装置１が用いられる環境の温度条件に依存する。必要な測長精度をΔＥとし、スケールのピッチをΛとし、光源の波長をλとし、温度変化による波長の変化量をΔλとすると光路長差ΔＬは以下の式を満足している必要がある。
ΔＥ＞Δλ／λ２×２×ΔＬ×Λ／４
例えば、使用される環境の温度変化量を１０℃とすると、一般的に使用されている波長７８０ｎｍの半導体レーザの波長変動は、約３ｎｍなので、Λ＝０．５５μｍとし、ΔＥ＝０．１μｍとするとΔＬ＜７４μｍにする必要がある。このΔＬを調整するためには適当な可干渉距離を有する光源を使用すればよい。
【００３２】
一般に、干渉計における干渉縞の変調度を表すビジビリティは、光源の干渉性と、干渉する２つの光の光路長の差とによって決定される。シングルモード発振を行なっているレーザ等の干渉性の良い光源においては、光路長の差が大きくてもビジビリティが失われることはない。これに対して、干渉性の悪い光源においては、光路長の差の変化によって干渉縞のビジビリティが変化することが知られている。
【００３３】
このような光源を用いれば、光路長の差が生じたときに干渉信号の変調度（ビジビリティ）の低下としてこれを検出することができるので、干渉信号の変調度が最大になるように調整することにより光路長を等しくすることができる。例えば、可干渉距離が２００μｍ程度の発振波長がマルチモードの半導体レーザを用いれば光路長差をΔＬ＜７４μｍに容易にあわせることができる。
【００３４】
また、可干渉光源２０としては、調整を行なうときのみ上記のように可干渉距離の制限された光源を用いるようにし、調整後に別のより安価な可干渉距離の長い光源（例えば、発振波長がシングルモードの一般的な半導体レーザ）に置き換えても良い。
【００３５】
第２のレンズ２６は、入力された光を適度に絞り、ＢＳ２７に入射する。ＢＳ２７は、入射された光を２つに分割し、一方の光を第２のＰＢＳ２８に入射し、他方の光を第３の１／４波長板３１に入射する。なお、第２のＰＢＳ２８及び第３の１／４波長板３１は、入射される光の偏光方向に対して４５度にそれぞれ傾いている。
【００３６】
第２のＰＢＳ２８に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第１の光電変換器２９に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第２の光電変換器３０に入射する。また、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０では、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。なお、Ｋは、２π／Λを示し、ｘは、移動量を示し、δは、初期位相を示している。また、第１の光電変換器２９では、第２の光電変換器３０と１８０度位相の異なる信号が得られる。
【００３７】
また、第３の１／４波長板３１に入射された光は、Ｐ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光とが互いに逆回りの円偏光となり、重ね合わされて直線偏光となり、第３のＰＢＳ３２に入射する。第３のＰＢＳ３２に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第３の光電変換器３３に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第４の光電変換器３４に入射する。なお、第３のＰＢＳ３２に入射される直線偏光の偏光方向は、回折格子がｘ方向にΛ／２だけ移動すると１回転する。したがって、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０と同様にＡｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。
【００３８】
また、第３の光電変換器３３では、第４の光電変換器３４と１８０度位相が異なる信号が得られる。なお、第３のＰＢＳ３２は、第２のＰＢＳ２８に対して４５度傾けてある。したがって、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４で得られる信号は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０で得られる信号に対して９０度位相が異なっている。
【００３９】
第１の差動増幅器３５は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。また、第２の差動増幅器３６も同様に、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。
【００４０】
インクリメンタル信号発生器１３は、第１の差動増幅器３５及び第２の差動増幅器３６から供給された信号に基づき、スケールの変位方向及び変位量を求め、インクリメンタル信号を発生する。第１の位相検出器１４は、第１の差動増幅器３５及び第２の差動増幅器３６から供給される信号に基づき、図２に示すようなリサージュ信号の角度θａを求める。第１の位相検出器１４は、求めた角度θａを位相比較器１６に供給する。
【００４１】
また、第２の光学系１１は、図１に示すように、可干渉光源部４０と、第１のレンズ４１と、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ）４２と、第１の１／４波長板４３と、反射プリズム４４と、第２の１／４波長板４５と、第２のレンズ４６と、ビームスプリッタ（ＢＳ，ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ）４７と、第２のＰＢＳ４８と、第１の光電変換器４９と、第２の光電変換器５０と、第３の１／４波長板５１と、第３のＰＢＳ５２と、第３の光電変換器５３と、第４の光電変換器５４と、第１の差動増幅器５５と、第２の差動増幅器５６とを備え、スケール１２上に記録された回折格子を読み取り、読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力する。また、第２の光学系１１の動作は、上述した第１の光学系１０と同様である。
【００４２】
第２の位相検出器１５は、第１の位相検出器１４と同様に、第１の差動増幅器５５及び第２の差動増幅器５６から供給される信号に基づき、リサージュ信号の角度θｂを求める。第２の位相検出器１５は、求めた角度θｂを位相比較器１６に出力する。
【００４３】
ここで、位相比較器１６の動作について説明する。第１の位相検出器１４では、スケール１２が所定の計測方向にΛ／４だけ変位すると、リサージュ信号の角度θａが一回転する。また、第２の位相検出器１５では、スケール１２が所定の計測方向に（Λ＋Λ／ｎ）／４だけ変位すると、リサージュ信号の角度θｂが一回転する。
【００４４】
位相比較器１６は、第１の位相検出器１４から入力したリサージュ信号の角度θａと、第２の位相検出器１５から入力したリサージュ信号の角度θｂとの差分Δθ（Δθ＝θａ−θｂ）を求める。この差分Δθは、スケール１２の変位に応じて変化し、スケール１２が所定の測定方向にΛ（１＋ｎ）／４だけ変位するともとの値と同じになる。
【００４５】
位相比較器１６は、差分Δθをパルス信号発生器１７に出力する。パルス信号発生器１７は、位相比較器１６から入力した差分Δθが所定の値Δθｃのときに、パルス信号を出力する。例えば、差分Δθが、スケール１２の所定の測定方向にΛ（１＋ｎ）／４ごとにもとの値と同じになるのであれば、パルス信号発生器１７は、Λ（１＋ｎ）／４ごとにパルス信号を発生する。
【００４６】
また、パルス信号発生器１７は、上記の値Δθｃ（以下、設定値という。）を任意に設定することができる。パルス信号発生器１７は、例えば、設定値を検出が容易な０度に設定すると、位相比較器１６から入力された差分Δθが０度のときにパルス信号を発生する。
【００４７】
また、パルス信号発生器１７は、第１の光学系１０及び第２の光学系１１の間隔と、スケール１２の第１の領域１２ａ及び第２の領域１２ｂの間隔が変化しなければ、所定間隔ごとにパルス信号を発生するので、このパルス信号を原点信号として利用することが可能である。また、この原点信号の発生間隔は、第１の領域１２ａに記録されている回折格子の格子ピッチと、第２の領域１２ｂに記録されている格子ピッチとの差分Λ／ｎに応じて任意に設定することが可能である。
【００４８】
ここで、パルス信号発生器１７が発生するパルス信号の分解能について述べる。パルス信号を原点信号に利用する場合には、周期が長いほど良いので、ｎが大きいほど良い。
【００４９】
しかし、２つの位相差が一致したところからリサージュが一周回った点では、位相差がΛ／４ｎしか現れないので、一致したということがこのΛ／４ｎよりも精度良く検出することができないと、位置をΛ／４だけ間違えてしまうことになる。２つの位相差をどのくらい分解能が良く検出できるかは、２つの位相差を読み出す精度とＳ／Ｎによるため、結果として、これがｎの大きさを制限してしまう。
【００５０】
例えば、変位検出装置１では格子ピッチを０．５５μｍとし、ｎを１００とすると繰り返し原点は、約１３．９μｍごとに１回現れる。このとき必要な分解能は、分解能をΛ／４ｎとしたときに最低でもｎ＝２００〜４００が必要で、分解能は高ければ高いほど良い。例えば、ｎ＝１００の場合には、Λ／４位置が変化しても位相差は２π／１００にしかならないため、位相差が分解能の幅に入る距離はΛ／４の幅になる。この幅を狭めるためには、分解能を上げることになり、ｎ＝１０００の場合には、Λ／（４×１０）の幅となる。
【００５１】
しかしながら、Ｓ／Ｎの問題があるために分解能を上げることは簡単ではない。そのため位相差の一致を検出する信号をゲートとして信号の１波長（Λ／４）を選択し、その中のΛ／４の決められた一方の信号の位相が特定位相になったときに原点信号を発生するようにすることは有効である。これにより原点の精度と分解能が位相差検出分解能まで上げることができる。なお、本発明に係る実施の形態では、原点の精度を０．３ｎｍ〜０．７ｎｍ程度まで上げることができる。
【００５２】
また、パルス信号発生器１７は、当該変位検出装置１が測定対象の装置に取り付けられた後に、ユーザーにより設定値を変更できるようにしても良い。なお、この場合には、初期設定では、設定値を適当な値にしておき、ユーザーからの問い合せに応じて上記設定値を変更するプログラムを配布する。
【００５３】
また、パルス信号発生器１７は、位相比較器１６から入力された差分Δθが設定値になった回数を数え、上記回数が所定の値に達したときにパルス信号を発生するようにしても良い。
【００５４】
また、パルス信号発生器１７は、差分Δθが設定値に達した後に、第１の位相検出器１４で生成されるリサージュ信号の角度θａ（以下、角度θａという。）又は第２の位相検出器１５で生成されるリサージュ信号の角度θｂ（以下、角度θｂという。）が任意の角度θｎに達したときに原点信号を発生するようにしても良い。また、パルス信号発生器１７は、差分Δθが設定値に達した後に、任意の角度θｎに角度θａ又は角度θｂが達し、そこから所定距離離れた位置に再び現れる任意の角度θｎに角度θａ又は角度θｂが達したときに原点信号を発生するようにしても良い。なお、上記所定距離は、（２ｎ＋１）Λ／２であり、ｎは、０以上の整数であり、Λは、パルス信号発生器１７がスケール１２の第１の領域１２ａを原点信号の発生に利用する場合には、第１の領域１２ａに記録されている回折格子のピッチ間隔であり、パルス信号発生器１７がスケール１２の第２の領域１２ｂを原点信号の発生に利用する場合には、第２の領域１２ｂに記録されている回折格子のピッチ間隔である。
【００５５】
なお、パルス信号発生器１７は、当該変位検出装置１が測定対象の装置に取り付けられた後に、ユーザーにより角度θｎを変更できるようにしても良い。この場合には、初期設定では、角度θｎを適当な値にしておき、ユーザーからの問い合せに応じて上記角度θｎを変更するプログラムを配布する。
【００５６】
このように構成された変位検出装置１は、測定方向に対して一方の側に、ピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域１２ａと、他方の側にピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎで回折格子が記録されている第２の領域１２ｂとが形成されているスケール１２に、入射光の回折点がインラインに並ぶように、第１の光学系１０及び第２の光学系１１で光を中心対称に入射し、回折格子により回折された光を干渉し、第１の位相検出器１４及び第２の位相検出器１５で上記干渉光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器１６で上記位相差の差分を検出し、パルス発生器１７で上記差分が所定の値となったときにパルスを発生するので、アッベ誤差の影響を受けることなく、インクリメタル信号発生器１３によりインクリメンタル信号を検出すると同時にパルス信号発生器１７により正確な原点信号を発生することが可能である。
【００５７】
また、変位検出装置１では、光路を中心対称にする第１の光学系１０及び第２の光学系１１を用い、さらに干渉させる光の光路差を等しくしているため、スケール１２がＹ方向に移動しても、また、外部の気温による光源の波長が変動しても走行誤差を生じないため、安定した原点信号を得ることが可能である。
【００５８】
また、変位検出装置１は、格子干渉計である第１の光学系１０及び第２の光学系１１を用いているので、スケール１２を形成している第１の領域１２ａと第２領域１２ｂに記録されている回折格子の格子ピッチを小さくすることができ、例えば、格子ピッチを０．５５μｍとすると、位相を検出するための信号は０．１３７９・・・μｍ（≒１３８ｎｍ）の周期の信号となり、高い精度での位相差検出ができ、ナノメーターオーダーで原点信号を得ることができる。
【００５９】
また、第１の光学系１０の可干渉光源部２０と第１のレンズ２１との間と、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間と、第２の光学系１１の可干渉光源部４０と第１のレンズ４１との間と、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバーで結線しても良い。
【００６０】
また、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間と、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバーで結線する変わりに、第２のＰＢＳ２８と第１の光電変換器２９との間と、第２のＰＢＳ２８と第２の光電変換器３０との間と、第３のＰＢＳ３２と第３の光電変換器３３との間と、第３のＰＢＳ３２と第４の光電変換器３４との間と、第２のＰＢＳ４８と第１の光電変換器４９との間と、第２のＰＢＳ４８と第２の光電変換器５０との間と、第３のＰＢＳ５２と第３の光電変換器５３との間と、第３のＰＢＳ５２と第４の光電変換器５４との間とを光ファイバーで結線しても良い。
【００６１】
なお、第２のＰＢＳ２８から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器２９との間及び第２の光電変換器３０との間に配設し、第３のＰＢＳ３２から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器３３との間及び第４の光電変換器３４との間に配設し、第２のＰＢＳ４８から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器４９との間及び第２の光電変換器５０との間に配設し、第３のＰＢＳ５２から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器５３との間及び第４の光電変換器５４との間に配設しても良い。
【００６２】
このような構成にすることにより、変位検出装置１は、熱源をスケール１２から遠ざけることができるので、より安定した位相検出を行なうことができ、また、可干渉光源部２０及び可干渉光源部４０が出射する光の波長を温度制御することにより、一定波長に固定することができ、さらに、可干渉光源部２０及び可干渉光源部４０を当該変位検出装置１の外部に配設しておけば、可干渉光源部２０及び可干渉光源部４０が故障した場合にも容易に交換作業を行なうことができる。
【００６３】
なお、変位検出装置１では、第１の光学系１０及び第２の光学系１１で干渉光どうしを干渉したときの変調度を検出し、上記検出結果に基づいて光路長の差を監視するようにしても良い。監視の結果、光路長に差が生じているときには、光路長を等しくするように調整する。
【００６４】
また、本発明は、例えば、図３に示すような変位検出装置２に適用される。なお、変位検出装置２では、上述した変位検出装置１の形態と同一の部分は同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００６５】
変位検出装置２は、検出光学系で光源と光の分岐部を共用したものである。変位検出装置２は、可干渉光源部６０と、レンズ６１と、ビームスプリッタ（ＢＳ）６２と、第１の全反射ミラー６３と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６４と、反射部６５と、第２の全反射ミラー６６と、第３の全反射ミラー６７と、第１の光学系６８と、第２の光学系６９と、スケール７０と、インクリメンタル信号発生器１３と、第１の位相検出器１４と、第２の位相検出器１５と、位相比較器１６と、パルス信号発生器１７とを備える。反射部６５は、第１の１／４波長板７１と、第２の１／４波長板７２と、第１の反射プリズム７３と、第３の１／４波長板７４と、第４の１／４波長板７５と、第２の反射プリズム７６とを備える。
【００６６】
スケール７０は、ピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域７０ａを両側から挟むように、ピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎ（ｎは０以外の実数）で回折格子が記録されている第２の領域７０ｂが形成されている。例えば、Λは、０．５５μｍである。また、スケール７０では、第１の領域７０ａへの光の入射点（Ｐ点、Ｑ点）と、第２の領域７０ｂへの光の入射点（Ｒ点、Ｓ点）は、計測方向にインラインに並んでいる。なお、第１の領域７０ａと第２の領域７０ｂは、同一のスケール上に形成されていても良いし、別々のスケール上に形成されていても良い。別々のスケール上に形成される場合には、各スケールは、同じ基台の上に固定され、同一の変位方向に等量分変位するように形成する。
【００６７】
また、変位検出装置２では、Ｐ点への入射角をθ１ｐとし、その回折角をθ２ｐとし、Ｑ点への入射角をθ１ｑとし、その回折角をθ２ｑとすると、θ１ｐ＝θ１ｑ、θ２ｐ＝θ２ｑになるように調整している。また、Ｒ点への入射角をθ１ｒとし、その回折角をθ２ｒとし、Ｓ点への入射角をθ１ｓとし、その回折角をθ２ｓとすると、θ１ｒ＝θ１ｓ、θ２ｒ＝θ２ｓになるように調整している。さらに、回折次数は、Ｐ点、Ｑ点、Ｒ点及びＳ点で同次数とし、変位検出装置２で使用する回折次数は１次とする。
【００６８】
可干渉光源部６０は、レンズ６１に光を出射する。レンズ６１は、入射した光を適度に絞り、ＢＳ６２に出射する。ＢＳ６２は、入射された光を２つに分割し、分割した一方の光を第１の全反射ミラー６３に出射し、分割した他方の光をＰＢＳ６４に出射する。
【００６９】
ＰＢＳ６４は、入射された光をＳ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の２つに分割しする。ＰＢＳ６４は、スケール７０の第１の領域７０ａのＰ点までの光路とＱ点までの光路が中心対称となるように、Ｓ偏光成分を有する光をＰ点に入射し、Ｐ偏光成分を有する光をＱ点に入射する。なお、可干渉光源部６０からの光が直線偏光の光であれば、偏光方向を４５度傾けてＰＢＳ６４に入射させる。こうすることにより、Ｓ偏光成分の光とＰ偏光成分の光の強度を等しくすることができる。
【００７０】
また、Ｐ点及びＱ点に入射した光は、回折格子により以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１は、スケール７０への入射角を示し、θ２は、スケール７０からの回折角を示し、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光の波長を示し、ｎは、回折次数を示している。
【００７１】
Ｐ点で回折された光は、第１の１／４波長板７１を通過し、第１の反射プリズム７３で垂直に反射され、再びＰ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第１の１／４波長板７１の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。
【００７２】
また、Ｑ点で回折された光も同様に、第２の１／４波長板７２を通過し、第１の反射プリズム７３で垂直に反射され、再びＱ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第２の１／４波長板７２の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｑ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。
【００７３】
このようにＰ点及びＱ点で再び回折された光は、ＰＢＳ６４に戻る。Ｐ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、ＰＢＳ６４を通過し、また、Ｑ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、ＰＢＳ６４で反射される。したがって、Ｐ点及びＱ点から戻ってきた光は、ＰＢＳ６４で重ね合わされて、第２の全反射ミラー６６及び第３の全反射ミラー６７を経て、第１の光学系６８に入射する。
【００７４】
第１の光学系６８は、変位検出装置１に備えられている第１の光学系１０から可干渉光源部２０と、第１のレンズ２１と、第１のＰＢＳ２２とを除いた構成となっており、その他の構成及び動作は第１の光学系１０と同様である。
【００７５】
一方、ＢＳ６２を透過した光は、第１の全反射ミラー６３で反射され、ＰＢＳ６４に入射する。
【００７６】
ＰＢＳ６４は、入射された光をＳ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の２つに分割しする。ＰＢＳ６４は、スケール７０の第２の領域７０ｂのＲ点までの光路とＳ点までの光路が中心対称となるように、Ｓ偏光成分を有する光をＲ点に入射し、Ｐ偏光成分を有する光をＳ点に入射する。なお、可干渉光源部６０からの光が直線偏光の光であれば、偏光方向を４５度傾けてＰＢＳ６４に入射させる。こうすることにより、Ｓ偏光成分の光とＰ偏光成分の光の強度を等しくすることができる。
【００７７】
また、Ｒ点及びＳ点に入射した光は、回折格子により以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１は、スケール７０への入射角を示し、θ２は、スケール７０からの回折角を示し、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光の波長を示し、ｎは、回折次数を示している。
【００７８】
Ｒ点で回折された光は、第３の１／４波長板７４を通過し、第２の反射プリズム７６で垂直に反射され、再びＲ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第３の１／４波長板７４の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｒ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。
【００７９】
また、Ｓ点で回折された光も同様に、第４の１／４波長板７５を通過し、第２の反射プリズム７６で垂直に反射され、再びＳ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第４の１／４波長板７５の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｓ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。
【００８０】
このようにＲ点及びＳ点で再び回折された光は、ＰＢＳ６４に戻る。Ｒ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、ＰＢＳ６４を通過し、また、Ｓ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、ＰＢＳ６４で反射される。したがって、Ｒ点及びＳ点から戻ってきた光は、ＰＢＳ６４で重ね合わされて、第２の光学系６９に入射する。
【００８１】
第２の光学系６９は、変位検出装置１に備えられている第２の光学系１１から可干渉光源部４０と、第１のレンズ４１と、第１のＰＢＳ４２とを除いた構成となっており、その他の構成及び動作は第２の光学系１２と同様である。
【００８２】
また、インクリメンタル信号発生器１３、第１の位相検出器１４、第２の位相検出器１５、位相比較器１６及びパルス信号発生器１７の構成及び動作は、変位検出装置１と同様であるため、パルス信号発生器１７は、例えば、Λ（１＋ｎ）／４ごとにパルス信号を発生し、このパルス信号を原点信号として利用することが可能である。
【００８３】
また、この原点信号の発生間隔は、第１の領域７０ａに記録されている回折格子の格子ピッチと、第２の領域７０ｂに記録されている格子ピッチとの差分Λ／ｎに応じて任意に設定することが可能である。
【００８４】
このように構成された変位検出装置２は、可干渉光源部６０から出射した光をＰＢＳ６４で分割し、分割した光を中心対称になるように、垂直方向にピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域７０ａと、ピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎ（ｎは０以外の実数）で回折格子が記録されている第２の領域７０ｂとが形成されているスケール７０に照射し、インラインに並んだ回折点で回折された光を第１の光学系６８及び第２の光学系６９で干渉し、第１の位相検出器１４及び第２の位相検出器１５で上記干渉光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器１６で上記位相差の差分を検出し、パルス発生器１７で上記差分が所定の値となったときにパルスを発生するので、アッベ誤差の影響を受けることなく、インクリメタル信号発生器１３によりインクリメンタル信号を検出すると同時にパルス信号発生器１７により正確な原点信号を発生することができる。
【００８５】
また、変位検出装置２は、スケール７０の第１の領域７０ａのＰ点を通る光路と、Ｑ点を通る光路とが垂線Ａに対して対称となっており、かつ、第２の領域７０ｂのＲ点を通る光路と、Ｓ点を通る光路とが垂線Ａに対して対称となっているので、スケール７０がＹ方向に移動しても走行誤差を生じないため、安定した原点信号を得ることができる。また、変位検出装置２は、スケール７０の第１の領域７０ａのＰ点に入射する光路長と、Ｑ点に入射する光路長とが等しくなるように調整し、かつ、第２の領域７０ｂのＲ点に入射する光路長と、Ｓ点に入射する光路長とが等しくなるように調整するので、外部の気温により光源の波長が変動しても走行誤差を生じないため、安定した原点信号を得ることが可能である。
【００８６】
また、変位検出装置２は、格子干渉計である第１の光学系６８及び第２の光学系６９を用いているので、スケール７０を形成している第１の領域７０ａと第２領域７０ｂに記録されている回折格子の格子ピッチを小さくすることができ、例えば、格子ピッチを０．５５μｍとすると、位相を検出するための信号は０．１３７９・・・μｍ（≒１３８ｎｍ）の周期の信号となり、高い精度での位相差検出ができ、ナノメーターオーダーで原点信号を得ることができる。
【００８７】
また、変位検出装置２は、第１の光学系６８及び第２の光学系６９で、可干渉光源部６０及びＰＢＳ６４を共用しているので、経時変化や外部の気温の変化により可干渉光源部６０から出射される光が変動しても、光路の対称性に影響がないため、安定した原点信号を得ることが可能である。さらに、変位検出装置２は、スケール７０がアジマス方向に回転した場合もＣＯＳエラーに起因する原点位置のドリフトが生じない利点がある。
【００８８】
また、可干渉光源部６０とレンズ６１との間と、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間と、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバーで結線しても良い。
【００８９】
また、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間と、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバーで結線する変わりに、第２のＰＢＳ２８と第１の光電変換器２９との間と、第２のＰＢＳ２８と第２の光電変換器３０との間と、第３のＰＢＳ３２と第３の光電変換器３３との間と、第３のＰＢＳ３２と第４の光電変換器３４との間と、第２のＰＢＳ４８と第１の光電変換器４９との間と、第２のＰＢＳ４８と第２の光電変換器５０との間と、第３のＰＢＳ５２と第３の光電変換器５３との間と、第３のＰＢＳ５２と第４の光電変換器５４との間とを光ファイバーで結線しても良い。
【００９０】
なお、第２のＰＢＳ２８から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器２９との間及び第２の光電変換器３０との間に配設し、第３のＰＢＳ３２から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器３３との間及び第４の光電変換器３４との間に配設し、第２のＰＢＳ４８から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器４９との間及び第２の光電変換器５０との間に配設し、第３のＰＢＳ５２から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器５３との間及び第４の光電変換器５４との間に配設しても良い。
【００９１】
このような構成にすることにより、変位検出装置２は、熱源をスケール７０から遠ざけることができるので、より安定した位相検出を行なうことができ、また、可干渉光源部６０が出射する光の波長を温度制御することにより、一定波長に固定することができ、さらに、可干渉光源部６０を当該変位検出装置２の外部に配設しておけば、可干渉光源部６０が故障した場合にも容易に交換作業を行なうことができる。なお、光ファイバーとしては、偏波保持ファイバーを用いることにより、温度変化やファイバーの屈曲に対してより安定した検出が可能となる。
【００９２】
なお、変位検出装置２では、第１の光学系６８及び第２の光学系６９で干渉光どうしを干渉したときの変調度を検出し、上記検出結果に基づいて光路長の差を監視するようにしても良い。監視の結果、光路長に差が生じているときには、光路長を等しくするように調整する。
【００９３】
また、本発明は、例えば、図４に示すような変位検出装置３に適用される。なお、変位検出装置３では、上述した変位検出装置１及び変位検出装置２の形態と同一の部分は同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００９４】
変位検出装置３は、変位検出装置２と同様に検出光学系で光源と光の分岐部を共用したものである。変位検出装置３は、可干渉光源部６０と、レンズ６１と、ビームスプリッタ（ＢＳ）６２と、第１の全反射ミラー６３と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６４と、反射部６５と、第２の全反射ミラー６６と、第３の全反射ミラー６７と、第１の光学系６８と、第２の光学系６９と、スケール８０と、インクリメンタル信号発生器１３と、第１の位相検出器１４と、第２の位相検出器１５と、位相比較器１６と、パルス信号発生器１７とを備える。
【００９５】
スケール８０は、測定方向に対して垂直方向にピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域８０ａと、ピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎ（ｎは０以外の実数）で回折格子が記録されている第２の領域８０ｂとが層状に重なって形成されている。例えば、Λは、０．５５μｍである。また、スケール８０では、第１の領域８０ａへの光の入射点（Ｐ点、Ｑ点）と、第２の領域８０ｂへの光の入射点（Ｒ点、Ｓ点）は、計測方向にインラインに並んでいる。なお、変位検出装置３では、インラインの幅γを、数十〜数百μｍ以内とする。
【００９６】
また、変位検出装置３では、Ｐ点への入射角をθ１ｐとし、その回折角をθ２ｐとし、Ｑ点への入射角をθ１ｑとし、その回折角をθ２ｑとすると、θ１ｐ＝θ１ｑ、θ２ｐ＝θ２ｑになるように調整している。また、Ｒ点への入射角をθ１ｒとし、その回折角をθ２ｒとし、Ｓ点への入射角をθ１ｓとし、その回折角をθ２ｓとすると、θ１ｒ＝θ１ｓ、θ２ｒ＝θ２ｓになるように調整している。さらに、回折次数は、Ｐ点、Ｑ点、Ｒ点及びＳ点で同次数とし、変位検出装置３で使用する回折次数は１次とする。
【００９７】
また、第２の領域８０ｂのＲ点で回折する光は、第１の領域８０ａのＲ’点でも回折するため、このＲ’点の回折光が光路に混入しノイズの原因となる可能性がある。そこで、変位検出装置３では、ＰＢＳ６４とＰ点の光路上にピンホール８１を設置し、ＰＢＳ６４とＱ点の光路上にピンホール８２を設置し、ＰＢＳ６４とＲ点の光路上にピンホール８３を設置し、ＰＢＳ６４とＳ点の光路上にピンホール８４を設置することで、ノイズの原因となる回折光がＰＢＳ６４に入射しないようにする。
【００９８】
また、可干渉光源部６０、レンズ６１、ＢＳ６２、第１の全反射ミラー６３、ＰＢＳ６４、反射部６５、第２の全反射ミラー６６、第３の全反射ミラー６７、第１の光学系６８、第２の光学系６９、インクリメンタル信号発生器１３、第１の位相検出器１４、第２の位相検出器１５、位相比較器１６及びパルス信号発生器１７の構成及び動作は、変位検出装置１及び変位検出装置２と同様であるため、パルス信号発生器１７は、例えば、Λ（１＋ｎ）／４ごとにパルス信号を発生し、このパルス信号を原点信号として利用することが可能である。
【００９９】
また、この原点信号の発生間隔は、第１の領域８０ａに記録されている回折格子の格子ピッチと、第２の領域８０ｂに記録されている格子ピッチとの差分Λ／ｎに応じて任意に設定することが可能である。
【０１００】
このように構成された変位検出装置３は、可干渉光源部６０から出射した光をＰＢＳ６４で分割し、分割した光を中心対称になるように、垂直方向にピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域８０ａと、ピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎ（ｎは０以外の実数）で回折格子が記録されている第２の領域８０ｂとが層状に重なって形成されているスケール８０に照射し、インラインに並んだ回折点で回折された光を第１の光学系６８及び第２の光学系６９で干渉し、第１の位相検出器１４及び第２の位相検出器１５で上記干渉光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器１６で上記位相差の差分を検出し、パルス発生器１７で上記差分が所定の値となったときにパルスを発生するので、測定方向の範囲（長さ）に制限がないため、スケール８０を長尺とすることができ、また、アッベ誤差の影響を受けることなく、インクリメタル信号発生器１３によりインクリメンタル信号を検出すると同時にパルス信号発生器１７により正確な原点信号を発生することができる。
【０１０１】
また、変位検出装置３は、スケール８０の第１の領域８０ａのＰ点を通る光路と、Ｑ点を通る光路とが垂線Ａに対して対称となっており、かつ、第２の領域８０ｂのＲ点を通る光路と、Ｓ点を通る光路とが垂線Ａに対して対称となっているので、スケール８０がＹ方向に移動しても走行誤差を生じないため、安定した原点信号を得ることができる。また、変位検出装置３は、スケール８０の第１の領域８０ａのＰ点に入射する光路長と、Ｑ点に入射する光路長とが等しくなるように調整し、かつ、第２の領域８０ｂのＲ点に入射する光路長と、Ｓ点に入射する光路長とが等しくなるように調整するので、外部の気温により光源の波長が変動しても走行誤差を生じないため、安定した原点信号を得ることが可能である。
【０１０２】
また、変位検出装置３は、格子干渉計である第１の光学系６８及び第２の光学系６９を用いているので、スケール８０を形成している第１の領域８０ａと第２領域８０ｂに記録されている回折格子の格子ピッチを小さくすることができ、例えば、格子ピッチを０．５５μｍとすると、位相を検出するための信号は０．１３７９・・・μｍ（≒１３８ｎｍ）の周期の信号となり、高い精度での位相差検出ができ、ナノメーターオーダーで原点信号を得ることができる。
【０１０３】
また、変位検出装置３は、第１の光学系６８及び第２の光学系６９で可干渉光源部６０及びＰＢＳ６４を共用しているので、経時変化や外部の気温の変化により可干渉光源部６０から出射される光が変動しても、光路の対称性に影響がないため、安定した原点信号を得ることが可能である。さらに、変位検出装置３は、スケール８０がアジマス方向に回転した場合もＣＯＳエラーに起因する原点位置のドリフトが生じない利点がある。
【０１０４】
また、可干渉光源部６０とレンズ６１との間と、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間と、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバーで結線しても良い。
【０１０５】
また、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間と、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバーで結線する変わりに、第２のＰＢＳ２８と第１の光電変換器２９との間と、第２のＰＢＳ２８と第２の光電変換器３０との間と、第３のＰＢＳ３２と第３の光電変換器３３との間と、第３のＰＢＳ３２と第４の光電変換器３４との間と、第２のＰＢＳ４８と第１の光電変換器４９との間と、第２のＰＢＳ４８と第２の光電変換器５０との間と、第３のＰＢＳ５２と第３の光電変換器５３との間と、第３のＰＢＳ５２と第４の光電変換器５４との間とを光ファイバーで結線しても良い。
【０１０６】
なお、第２のＰＢＳ２８から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器２９との間及び第２の光電変換器３０との間に配設し、第３のＰＢＳ３２から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器３３との間及び第４の光電変換器３４との間に配設し、第２のＰＢＳ４８から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器４９との間及び第２の光電変換器５０との間に配設し、第３のＰＢＳ５２から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器５３との間及び第４の光電変換器５４との間に配設しても良い。
【０１０７】
このような構成にすることにより、変位検出装置３は、熱源をスケール８０から遠ざけることができるので、より安定した位相検出を行なうことができ、また、可干渉光源部６０が出射する光の波長を温度制御することにより、一定波長に固定することができ、さらに、可干渉光源部６０を当該変位検出装置３の外部に配設しておけば、可干渉光源部６０が故障した場合にも容易に交換作業を行なうことができる。なお、光ファイバーとしては、偏波保持ファイバーを用いることにより、温度変化やファイバーの屈曲に対してより安定した検出が可能となる。
【０１０８】
なお、変位検出装置３では、第１の光学系６８及び第２の光学系６９で干渉光どうしを干渉したときの変調度を検出し、上記検出結果に基づいて光路長の差を監視するようにしても良い。監視の結果、光路長に差が生じているときには、光路長を等しくするように調整する。
【０１０９】
また、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３では、リニアな透過型の回折格子が記録されたスケールを用いていたが、ロータリーエンコーダに使用されるような放射状の回折格子を用いても良いし、反射型の回折格子を用いても良い。
【０１１０】
また、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３は、スケール１２が移動するのではなく、光学系が移動するような構成にしても良い。
【０１１１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る変位検出装置は、所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域と、上記第１の領域とは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域とが同一の測定方向に等量分変位するように形成されている移動可能なスケールに基づき、上記第１の領域から位置情報を読み取る位置と、上記第２の領域から位置情報を読み取る位置とがインライン上に並んでいるので、アッベ誤差の影響を受けることなく、正確な原点信号を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した変位検出装置の第１の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した変位検出装置により生成されるリサージュ信号の角度を示す図である。
【図３】本発明を適用した変位検出装置の第２の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明を適用した変位検出装置の第３の構成例を示すブロック図である。
【図５】従来の変位検出装置の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，２，３　変位検出装置、１０，６８　第１の光学系、１１，６９　第２の光学系、１２，７０，８０　スケール、１３　インクリメンタル信号発生器、１４　第１の位相検出器、１５　第２の位相検出器、１６　位相比較器、１７　パルス信号発生器、２０，４０，６０　可干渉光源部、２１、４１　第１のレンズ、２２，４２　第１のＰＢＳ、２３，４３，７１　第１の１／４波長板、２４，４４　反射プリズム、２５，４５，７２　第２の１／４波長板、２６，４６　第２のレンズ、２７，４７，６２　ＢＳ、２８，４８　第２のＰＢＳ、２９，４９第１の光電変換器、３０，５０　第２の光電変換器、３１，５１　第３の１／４波長板、３２，５２　第３のＰＢＳ、３３，５３　第３の光電変換器、３４，５４　第４の光電変換器、３５，５５　第１の差動増幅器、３６，５６　第２の差動増幅器、６１　レンズ、６３　第１の全反射ミラー、６４　ＰＢＳ、６５　反射部、６６　第２の全反射ミラー、６７　第３の全反射ミラー、７３　第１の反射プリズム、７４　第３の１／４波長板、７５　第４の１／４波長板、７６　第２の反射プリズム
【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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