(57)【要約】【課題】任意の原点信号を選択する。【解決手段】所定の間隔で回折格子が記録されている第１の領域１２ａと、第１の領域１２ａとは異なる間隔で回折格子が記録されており、ｎ次の回折光を遮光する遮光板又は反射する反射板が形成されている第２の領域１２ｂとからなる移動可能なスケール１２と、第１の領域１２ａに記録されている回折格子により発生される回折光に基づき第１の位相を検出し、第２の領域１２ｂに記録されている回折格子により発生されるｎ次以外の回折光に基づき第２の位相を検出し、第１の位相と第２の位相とを比較し、原点信号を発生する原点信号発生手段１７と、第２の領域１２ｂに記録されている回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出する光量検出手段６０，６１と、当該検出結果に基づき原点信号発生手段１７から発生される原点信号の中から任意の原点信号を選択する選択手段１８とを備える。【選択図】  図１
2004233172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で回折格子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回折格子が記録されており、当該回折格子により発生されるｎ次の回折光を遮光する遮光板又は反射する反射板が形成されている第２の領域とからな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回折格子により発生される回折光を読み取る第１の読取手段と、
上記第１の読取手段により読み出した上記回折光に基づき第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回折格子により発生されるｎ次以外の回折光を読み取る第２の読取手段と、
上記第２の読取手段により読み出した上記ｎ次以外の回折光に基づき第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と、
上記第２の領域に記録されている回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出する光量検出手段と、
上記光量検出手段の検出結果に応じて上記原点信号発生手段から発生される原点信号の中から任意の原点信号を選択する選択手段とを備え、
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ていることを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
上記ｎ次の回折光は、０次回折光であ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】
上記光量検出手段は、上記第２の領域に記録されている回折格子により回折されたｎ次の回折光に基づき当該ｎ次の回折光を遮光又は反射する部材のエッジを検出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４】
上記第２の読取手段は、第１の光源部と、上記第１の光源部から発せられた光を第１の光と第２の光に分割する第１の分割部と、上記第２の領域に入射された上記第１の光及び上記第２の光が、上記第２の領域に記録されている回折格子によりそれぞれ回折され、当該回折格子により発生された回折光の中からｎ次以外の同次数の回折光どうしを合成し、電気信号に変換する第１の光学系とを有し、
上記第２の領域に形成されているｎ次の回折光を遮光する遮光板は、当該第２の領域の一部に所定間隔をおいて配設される第１の遮光板及び第２の遮光板からなっており、
上記光量検出手段は、上記第１の光が上記第２の領域に記録されている回折格子により回折され、当該回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出する第１の光量検出器と、上記第２の光が上記第２の領域に記録されている回折格子により回折され、当該回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出する第２の光量検出器とからなっ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ｎ次の回折光は、０次回折光であることを特徴とする請求項４記載の変位検出装置。
【請求項６】
上記第２の読取手段は、第１の光源部と、上記第１の光源部から発せられた光を第１の光と第２の光に分割する第１の分割部と、上記第２の領域に入射された上記第１の光及び上記第２の光が、上記第２の領域に記録されている回折格子によりそれぞれ回折され、当該回折格子により発生された回折光の中からｎ次以外の同次数の回折光どうしを合成し、電気信号に変換する第１の光学系とを有し、
上記第２の領域に形成されているｎ次の回折光を反射する反射板は、上記第２の領域の一部に配設されており、
上記光量検出手段は、上記第１の光又は上記第２の光が上記第２の領域に記録されている回折格子により回折され、当該回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出する第１の光量検出器と、当該ｎ次数の回折光が上記反射板により反射されたときの光量を検出する第２の光量検出器とからなっ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７】
上記ｎ次の回折光は、０次回折光であることを特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
【請求項８】
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回折格子の読み取り位置と、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回折格子の読み取り位置とが測定方向に対しインライン上に並んでいることを特徴とする請求項１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】
一般に変位検出装置においてバーニア式のスケールを用いて、それぞれの位相を比較して原点を得ようとする場合、２つの格子の波長がそれぞれλと（λ＋λ／ｍ）とすると、位相が一致する間隔は、λ（１＋ｍ）（ただし、ｍは０以外の実数。）となり、測定方向に対し、周期的に複数の原点が存在する（例えば、特許文献１参照。）。λが、十分に大きい場合、それぞれの原点を容易に判別することができ、外部の定点検出手段によって複数の原点の中から任意の点を選択することが可能である。しかし、λが非常に小さい場合、複数の原点の間隔が細かくなり選択が難しくなる。例えば、λ＝０．１３７μｍでｍ＝５０である場合、間隔は、６．９８７μｍとなり、外部の定点検出手段によって任意の点を選択することが困難となる。なお、ｍは、０以外の実数である。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭５０−２３６１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような変位検出装置は、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、移動量を示す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。変位検出装置では、２つの格子の波長がそれぞれλと（λ＋λ／ｍ）とすると、位相が一致する間隔は、λ（１＋ｍ）となり、測定方向に対し周期的に複数の原点が存在するため、その中から任意の点を選択しなければならない。一方、最近のＸ線露光描画装置等の記録密度の高集積化に伴い、インクリメンタル信号の波長も細かくなり、上記位相が一致する間隔も細かくなる傾向にある。
【０００５】
そこで、本発明では、主として、ナノメートル（ｎｍ）オーダーで検出される複数の原点信号の中から、任意の点を選択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。なお、本発明に係る変位検出装置では、サブミクロンオーダーの場合にも有効である。
【０００６】
【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、所定の間隔で回折格子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回折格子が記録されており、当該回折格子により発生されるｎ次の回折光を遮光する遮光板又は反射する反射板が形成されている第２の領域とからな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回折格子により発生される回折光を読み取る第１の読取手段と、上記第１の読取手段により読み出した上記回折光に基づき第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回折格子により発生されるｎ次以外の回折光を読み取る第２の読取手段と、上記第２の読取手段により読み出した上記ｎ次以外の回折光に基づき第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と、上記第２の領域に記録されている回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出する光量検出手段と、上記光量検出手段の検出結果に応じて上記原点信号発生手段から発生される原点信号の中から任意の原点信号を選択する選択手段とを備え、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ている。
【０００７】
【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。
【０００８】
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、原点信号選択部１８と信号比較器１９とを備える。
【０００９】
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。
【００１０】
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／ｍ（ｍ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。なお、第２の領域１２ｂに形成されている回折格子のピッチ間隔は上記以外でも良い。
【００１１】
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、測定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。
【００１２】
また、スケール１２の第２の領域１２ｂの下部には、当該第２の領域２ｂに記録されている回折格子により発生された複数次数の回折光の中から所定次数の回折光の光量に変化を与える第１の遮光板６２と第２の遮光板６３が配設されている。なお、第１の遮光板６２と第２の遮光板６３は、所定間隔をおいて第２の領域１２ｂの下部に配設されるが、その間隔は、後述する第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１が回折格子により発生された複数次数の回折光の中から、どの回折光の光量を検出するかにより決定される。また、第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３は、第２の領域１２ｂの下部に固定されているため、スケール１２の移動に伴って同方向に移動する。なお、第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３は、第１の領域１２ａの一部に配設されていても良い。
【００１３】
また、スケール１２にホログラムスケールが使用されている場合には、その製造過程に現像処理を行なう工程があるため、酸化しやすい遮光板を直接ホログラムスケール上に配設することできないので、図２に示すように、回折格子が記録されているホログラム基板上に、当該回折格子を保護するために形成されるカバーガラスの面上に第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３を配設することとする。
【００１４】
また、スケール１２は、図３に示すように、基板の一方の面に回折格子が記録され、他方の面に第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３が配設される形態でも良い。
【００１５】
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。
【００１６】
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、図１に示すように、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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し、当該インクリメンタル信号を図示しない制御回路に出力する。
【００３３】
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４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。
【００３４】
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、第１の光量検出器６０と、第２の光量検出器６１とを備え、スケール１２上に記録された回折格子の位置を読み取り、読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力し、また、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の出力信号を信号比較器１９に供給する。なお、第２の光学系１１において、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の動作以外は、上述した第１の光学系１０と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００３５】
第１の光量検出器６０は、第２の領域１２ｂを透過してきた回折光の光量を検出し、その光量に基づき電気信号に変換し、当該電気信号を信号比較器１９に出力する。第２の光量検出器６１は、第２の領域１２ｂを透過してきた回折光の光量を検出し、その光量に基づき電気信号に変換し、当該電気信号を信号比較器１９に出力する。なお、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１は、同次数の回折光の光量を検出する。
【００３６】
ここで、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の動作について説明する。第１のＰＢＳ４２は、第１のレンズ４１を介して可干渉光源部４０から入力された光をＰ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光に分割する。Ｐ偏光成分を有する光及びＳ偏光成分を有する光は、第２の領域１２ｂに入射され、回折格子により回折され、それぞれ当該回折格子により複数次数の回折光を発生する。また、第２の領域１２ｂの下部には、上述したように回折光の光量に変化を与える第１の遮光板６２と第２の遮光板６３が配設されている。
【００３７】
Ｐ偏光成分を有する光は、例えば、図１に示すように、第２の領域１２ｂのＳ点に入射し、Ｓ点の回折格子により回折される。そして、回折により得られた０次回折光（以下、第１の０次回折光という。）が、第１の遮光板６２のＴ点（エッジ部分）を通過して、第１の光量検出器６０に入射する。第１の光量検出器６０は、入射された第１の０次回折光を光量に基づき所定の大きさの電気信号に変換し、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する。
【００３８】
また、Ｓ偏光成分を有する光は、例えば、図１に示すように、第２の領域１２ｂのＲ点に入射し、Ｒ点の回折格子により回折される。そして、回折により得られた０次回折光（以下、第２の０次回折光という。）が、第２の遮光板６３のＵ点（エッジ部分）を通過して、第２の光量検出器６１に入射する。第２の光量検出器６１は、入射された第２の０次回折光を光量に基づき所定の大きさの電気信号に変換し、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する。なお、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１は、入射される０次回折光が遮光板に遮られることなく入射された場合、つまり最大光量で入射された場合には、当該光量に応じた電気信号（最大値）に変換し、信号比較器１９に出力し、一方、入射される０次回折光が遮光板に遮られた場合、つまり０次回折光が入射されない場合には、最小値の電気信号を生成し、信号比較器１９に出力する。
【００３９】
信号比較器１９は、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１から供給された信号の差分が所定の値（例えば、０）になったときに、所定の信号を生成し、後述する原点信号選択部１８に出力する。
【００４０】
ここで、例えば、図５に示すように、スケール１２が所定の測定方向（ａ方向）に移動（図５（Ａ）→図５（Ｃ））する場合における、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１に入力される０次回折光の光量変化について図６を用いて説明する。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、スケール１２の第２の領域１２ｂ付近のみを示し、他の部分は図１と同様であるため省略する。
【００４１】
図５（Ａ）に示すように、第１の０次回折光が第１の遮光板６２に遮られず、また、第２の０次回折光が第２の遮光板６３に遮られる位置にスケール１２が移動した場合には、第１の光量検出器６０には、第１の０次回折光が最大光量で入射され、一方、第２の光量検出器６１には、第２の０次回折光が入射されない。第１の光量検出器６０は、変換後の電気信号（最大値）を信号比較器１９に出力する（図６中ａ点）。また、信号比較器１９では、第２の光量検出器６１から電気信号が供給されないため、第２の光量検出器６１の出力信号を便宜的に最小値とする（図６中ｂ点）。
【００４２】
また、図５（Ｂ）に示すように、第１の０次回折光が第１の遮光板６２のエッジを通過し、また、第２の０次回折光が同様に第２の遮光板６３エッジを通過する位置にスケール１２が移動した場合には、第１の光量検出器６０には、第１の０次回折光が中程度の光量で入射され、一方、第２の光量検出器６１には、第２の０次回折光が中程度の光量で入射される。第１の光量検出器６０は、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する（図６中ｃ点）。また、第２の光量検出器６１は、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する（図６中ｃ点）。したがって、０次回折光がともに遮光板のエッジを通過する場合には、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１に同程度の光量の回折光が入射されるので、信号比較器１９には、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１から同程度の出力信号が供給される。
【００４３】
また、図５（Ｃ）に示すように、第１の０次回折光が第１の遮光板６２に遮られ、また、第２の０次回折光が第２の遮光板６３に遮られない位置にスケール１２が移動した場合には、第１の光量検出器６０には、第１の０次回折光が入射されず、一方、第２の光量検出器６１には、第２の０次回折光が最大光量で入射される。また、第２の光量検出器６１は、変換後の電気信号（最大値）を信号比較器１９に出力する（図６中ｄ点）。また、信号比較器１９は、第１の光量検出器６０から電気信号が供給されないため、第１の光量検出器６０の出力信号を便宜的に最小値とする（図６中ｅ）。
【００４４】
信号比較器１９では、上述のように第１の光量検出器６０から供給される電気信号と第２の光量検出器６１から供給される電気信号の差分を求めることにより、図７に示すように、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１から供給される電気信号の強度（出力）が等しい一点を検出することができる。なお、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の電気信号の出力が等しい一点は、図５（Ｂ）に示すように第１の０次回折光と第２の０次回折光がともに遮光板のエッジを通過するような場合である。また、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の電気信号の出力を等しくするためには、第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３が所定間隔に配設されていることや、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１が検出する所定次数の回折光が遮光板のエッジに入射する点がほぼ一致すること等が条件となる。なお、第１の遮光板６２と第２の遮光板６３の所定間隔は、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１が検出する回折光の次数に応じて変化する。
【００４５】
また、信号比較器１９は、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１から供給された電気信号の振幅がほぼ等しい場合には、図７に示すように、可干渉光源部４０の光量が低下しても、正確に第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１から供給される信号の強度が等しい位置を特定することができる。なお、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１から供給される電気信号の振幅が等しくない場合には、信号比較器１９に入力する前に増幅回路でゲインを調整し、互いの信号振幅が等しくなるようにする。
【００４６】
また、信号比較器１９は、第１の０次回折光と第２の０次回折光の信号強度が等しいとき（差分が０のとき）に所定の信号を生成し、当該信号を後述する原点信号選択部１８に出力する。
【００４７】
なお、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１は、０次回折光以外の回折光の光量を検出しても良い。また、第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３は、スケール１２の第１の領域１２ａの下部に配設されても良い。この場合には、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１は、第１の光学系１０に備えられる。
【００４８】
また、変位検出装置１は、図８に示すようにスケール１２の第２の領域１２ｂの下部に配設されている第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３に替えて、反射板６４を使用し、また、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１に替えて、透過光検出器６５及び反射光検出器６６を使用するような構成でも良い。ここで、透過光検出器６５及び反射光検出器６６の動作について説明する。なお、図８は、スケール１２の第２の領域１２ｂ付近のみを示し、それ以外の部分は、図１と同様であるため省略する。
【００４９】
第１のＰＢＳ４２は、第１のレンズ４１を介して可干渉光源部４０から入力された光をＰ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光に分割する。Ｓ偏光成分を有する光は、例えば、図８に示すように、第２の領域１２ｂのＲ点に入射し、Ｒ点の回折格子により回折される。そして、回折により得られた０次回折光が例えば、反射板６４のＶ点（エッジ部分）に入射されると、反射光と透過光とに分かれ、透過光は、透過光検出器６５に入射され、一方、反射光は、反射光検出器６６に入射される。
【００５０】
透過光検出器６５は、入射された透過光を光量に基づき所定の大きさの電気信号に変換し、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する。また、反射光検出器６６は、入射された反射光を光量に基づき所定の大きさの電気信号に変換し、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する。
【００５１】
透過光検出器６５に入射される透過光の光量と反射光検出器６６に入射される反射光の光量とは、反射板６４（スケール１２）と透過光検出器６５及び反射光検出器６６が備えられている第２の光学系１１との相対的な位置関係により増減する。例えば、０次回折光の進行方向に反射板６４が無ければ、０次回折光はすべて透過光となり透過光検出器６５に入射される。したがって、透過光検出器６５は、最大光量で入射された透過光を電気信号（最大値）に変換して信号比較器１９に出力する。なお、この場合、信号比較器１９では、反射光検出器６６から電気信号が供給されないため、反射光検出器６６の出力信号を便宜的に最小値とする。
【００５２】
また、０次回折光の進行方向に反射板６４のエッジ以外の部分がある場合には、０次回折光はすべて反射光となり反射光検出器６６に入射する。したがって、反射光検出器６６は、最大光量で入射された反射光を電気信号（最大値）に変換して信号比較器１９に出力する。この場合、信号比較器１９では、透過光検出器６５から電気信号が供給されないため、透過光検出器６５の出力信号を便宜的に最小値とする。
【００５３】
信号比較器１９では、上述のように反射光検出器６６から供給される電気信号と透過光検出器６５から供給される電気信号の差分を求めることにより、反射光検出器６６と透過光検出器６５から供給される電気信号の強度（出力）が等しい一点を検出することができる。なお、反射光検出器６６と透過光検出器６５の電気信号の出力が等しい一点は、０次回折光が反射板６４のエッジ部分に入射するような場合である。
【００５４】
また、信号比較器１９では、透過光検出器６５及び反射光検出器６６から供給された電気信号の振幅がほぼ等しい場合には、可干渉光源部４０の光量が低下しても、正確に互いの信号強度の等しい位置を特定することができる。なお、透過光検出器６５及び反射光検出器６６から供給される電気信号の振幅が等しくない場合には、信号比較器１９に入力する前に増幅回路でゲインを調整し、互いの信号振幅が等しくなるようにする。
【００５５】
また、信号比較器１９は、０次回折光の信号強度が等しいとき（差分が０のとき）に所定の信号を生成し、当該信号を後述する原点信号選択部１８に出力する。
【００５６】
なお、透過光検出器６５及び反射光検出器６６は、０次回折光以外の回折光の光量を検出しても良い。また、反射板６４は、スケール１２の第１の領域１２ａの下部に配設されていても良い。この場合には、透過光検出器６５及び反射光検出器６６は、第１の光学系１０に備えられる。
【００５７】
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。
【００５８】
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が所定の測定方向に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が所定の測定方向に（Λ＋Λ／ｍ）／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。
【００５９】
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＋ｍ）／４だけ変位するともとの値と同じになる。
【００６０】
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となったときにパルス信号を生成し、生成したパルス信号を原点信号選択部１８に出力する。例えば、差分Δθが、スケール１２の所定の測定方向にΛ（１＋ｍ）／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＋ｍ）／４ごとにパルス信号を発生する。
【００６１】
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。
【００６２】
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／ｍに応じて任意に設定することが可能である。
【００６３】
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、ｍが大きいほど良い。
【００６４】
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／４ｍしか現れないので、一致したということがこのΛ／４ｍ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ｍの大きさを制限してしまう。
【００６５】
例えば、変位検出装置１では格子ピッチを０．５５μｍとし、ｍ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／４ｍとしたときに最低でもｍ＝２００〜４００が必要で、分解能は高ければ高いほど良い。例えば、ｍ＝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、ｍ＝１０００の場合には、Λ／（４×１０）の幅となる。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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、（２ｍ＋１）Λ／２であり、ｍ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。
【００７０】
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。
【００７１】
原点信号選択部１８は、上述した信号比較器１９から供給される信号に基づき、パルス信号発生器１７から供給されるΛ（１＋ｍ）／４周期のパルス信号の中から任意のパルス信号を唯一の原点信号として出力する。原点信号選択部１８は、例えば、信号比較器１９から信号が供給されたあとに、パルス信号発生器１７から供給される最初のパルス信号を原点信号として出力する。また、原点信号選択部１８により選択された原点信号は、インクリメンタル信号発生器１３のインクリメンタル信号が供給されている図示しない制御回路に入力される。制御回路では、例えば、所定の周期で入力されてくるインクリメンタル信号のプリセットをとるタイミングに原点信号を利用することができる。
【００７２】
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／ｍ（ｍは測定方向に所定量変位する。）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、パルス信号発生器１７で上記差分が所定の値となったときにパルス信号を発生し、原点信号選択部１８で信号比較器１９から供給されてくる信号に基づき、パルス信号発生器１７から供給されてくる複数のパルス信号の中から任意のパルス信号を原点信号として選択することができる。
【００７３】
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、さらにナノメーターオーダーで得た複数の原点信号の中から任意の信号を原点信号として選択することができる。
【００７４】
また、上述の説明では、変位検出装置１として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。
【００７５】
反射型の回折格子を用いた変位検出装置１では、図９に示すように、第１の光学系１０において、第１のＰＢＳ２２で分割された光がそれぞれ第１の領域１２ａに入射し、記録されている反射型の回折格子により発生された回折光の反射光がそれぞれ第１の１／４波長板２３及び第２の１／４波長板２５を通過して反射プリズム２４に入射し、反射プリズム２４で反射された反射光が再び第１の領域１２ａを経て第１のＰＢＳ２２に戻ってくる構成となっており、また、第２の光学系１１において、第１のＰＢＳ４２で分割された光がそれぞれ第２の領域１２ｂに入射し、記録されている反射型の回折格子により発生された所定次数の回折光の反射光がそれぞれ第１の１／４波長板４３及び第２の１／４波長板４５を通過して反射プリズム４４に入射し、反射プリズム４４で反射された反射光が再び第２の領域１２ｂを経て第１のＰＢＳ４２に戻り、かつ、上記所定次数以外の回折光（０次光を含む。）の反射光がそれぞれ第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１に入射され、入射された回折光の光量に基づき生成した電気信号を信号比較器１９に出力する構成となっている。なお、上記以外の動作については、図１に示した透過型の回折格子を用いた変位検出装置１と同様であるので説明を省略する。
【００７６】
また、変位検出装置１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。
【００７７】
【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、測定方向に対して、所定の間隔で回折格子が記録されている第１の領域と、第１の領域とは異なる間隔で回折格子が記録されており、当該回折格子により発生されるｎ次の回折光を遮光する遮光板又は反射する反射板が形成されている第２の領域とからなる移動可能なスケールに、第１の光学系及び第２の光学系により光を中心対称に入射し、回折格子により回折された光を合成し、第１の位相検出器及び第２の位相検出器で当該合成光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器で当該位相差の差分を検出し、パルス信号発生器で当該差分が所定の値となったときにナノメートルオーダーでパルス信号を原点信号選択部に出力し、光量検出部で第２の領域に記録されている回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出し、光量検出部の検出結果に基づき、原点信号選択部でパルス信号発生器から供給されてくるナノメートルオーダーのパルス信号の中から任意のパルス信号を原点信号として選択するので、極めて密度の高い回折格子が記録されているスケールを用いて、高精度な絶対位置の検出を行なうことができる。
【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備えられているスケールの第１の構成例を示す模式図である。
【図３】本発明を適用した変位検出装置に備えられているスケールの第２の構成例を示す模式図である。
【図４】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５】スケールの移動に伴い光量検出器に入力される光の光量が変化する様子を示す図である。
【図６】図５に示したスケールの変位に応じて変化する各光量検出器の電気信号の出力特性を示す図である。
【図７】本発明を適用した変位検出装置に備えられている信号比較器の差動出力を示す図である。
【図８】本発明を適用した変位検出装置の第２の構成例（要部）を示すブロック図である。
【図９】反射型の回折格子が記録されている場合において、本発明を適用した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  変位検出装置、１０  第１の光学系、１１  第２の光学系、１２  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、１８  原点信号選択部、１９  振幅信号出力部、２０，４０  可干渉光源部、２１、４１  第１のレンズ、２２，４２  第１のＰＢＳ、２３，４３  第１の１／４波長板、２４，４４  反射プリズム、２５，４５  第２の１／４波長板、２６，４６  第２のレンズ、２７，４７  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、６０  第１の光量検出器、６１  第２の光量検出器、６２  第１の遮光板、６３第２の遮光板、６４  反射板、６５  透過光検出器、６６  反射光検出器
【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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