(57)【要約】【課題】回折格子を用いて相対移動量を計測する装置の光学系を簡素化する。【解決手段】第１部材６に対してＸ方向に相対移動可能な第２部材７の相対移動量を計測するエンコーダ１０であって、第１部材６に設けられ、Ｘ方向を周期方向とする格子パターン１２ａを有する反射型の回折格子１２と、レーザ光源１６からの光を互いに偏光状態の異なる計測光ＭＸと参照光ＲＸ１，ＲＸ２とに分岐する分岐部３２Ｘと、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸを格子パターン１２ａに入射させるＰＢＳ部材２４Ｘと、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸによる格子パターン１２ａからの回折光ＥＸ１，ＥＸ２をＰＢＳ部材２４Ｘに入射させる回折光偏向部材２５Ｘと、を備え、ＰＢＳ部材２４Ｘに入射する参照光ＲＸ１，ＲＸ２と、回折光偏向部材２５ＸからＰＢＳ部材２４Ｘに入射する回折光ＥＸ１，ＥＸ２とは、ＰＢＳ部材２４Ｘで重ね合わされる。【選択図】図１
2016024049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に関して互いに相対移動可能な第１部材及び第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、
前記第１部材に設けられ、前記第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、
光源からの光を互いに偏光状態の異なる計測光と参照光とに分岐する分岐部と、
前記第２部材に設けられ、前記計測光を前記回折格子の格子パターンに入射させる第１光学部材と、
前記第２部材に設けられ、前記計測光による前記格子パターンからの回折光を前記第１光学部材に入射させる第２光学部材と、
を備え、
前記分岐部から前記第１光学部材に入射する前記参照光と、前記第２光学部材から前記第１光学部材に入射する前記回折光とを、少なくとも一部重ね合わせた状態で前記第１光学部材から射出することを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項２】
前記第２光学部材は、前記計測光による前記格子パターンからの回折光のうち所定次数の第１回折光を偏向して前記第１光学部材に入射させる第１偏向部と、前記計測光による前記格子パターンからの回折光のうち前記第１回折光とは次数の異なる第２回折光を偏向して前記第１光学部材に入射させる第２偏向部とを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
【請求項３】
前記分岐部は、前記参照光から分岐される第１参照光と第２参照光とを前記第１光学部材に入射させ、
前記第１光学部材に入射した前記第１参照光は、前記第１偏向部からの前記第１回折光と重ね合わされ、
前記第１光学部材に入射した前記第２参照光は、前記第２偏向部からの前記第２回折光と重ね合わされることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ装置。
【請求項４】
前記光源は、互いに異なる偏光状態の前記計測光及び前記参照光を少なくとも互いに一部が重なった状態の光束として前記分岐部に供給し、
前記分岐部は、前記光束から前記計測光及び前記参照光を分離する分離面と、前記分離面で分離された前記参照光から前記第１参照光及び前記第２参照光を分岐する分岐面とを有することを特徴とする請求項２又は３に記載のエンコーダ装置。
【請求項５】
前記第１光学部材は、前記分岐部から前記第１光学部材に入射する前記参照光と、前記第２光学部材から前記第１光学部材に入射する前記回折光とが重ね合わせられる位置に設けられた第１面を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項６】
前記第１光学部材から前記格子パターンに入射する前記計測光は、前記格子パターンで回折された後に再び前記格子パターンに入射し、
前記第２光学部材は、再び前記格子パターンに入射して前記格子パターンで回折された前記計測光を前記第１光学部材に入射させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項７】
前記第２光学部材は、前記計測光による前記格子パターンからの回折光のうち所定次数の第１回折光と、前記計測光による前記格子パターンからの回折光のうち前記第１回折光とは次数の異なる第２回折光とを、前記回折格子の前記格子パターン面に対する前記計測光の入射位置に対して、前記第１方向及び前記第１方向に直交する方向にずれた位置に入射させることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ装置。
【請求項８】
前記第１光学部材は、前記計測光を前記回折格子に垂直に入射させ、
前記第２光学部材は、前記第１及び第２回折光を前記回折格子に垂直に入射させることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ装置。
【請求項９】
前記第２光学部材は、前記計測光による前記格子パターンからの回折光のうち所定次数の第１回折光を偏向して前記第１光学部材に入射させる第１偏向部と、前記第１計測光による前記格子パターンからの回折光のうち前記第１回折光とは次数の異なる第２回折光を偏向して前記第１光学部材に入射させる第２偏向部とを備え、
前記第１偏向部は、互いに直交する第１及び第２反射面と、該第１及び第２反射面を介した前記第１回折光を前記回折格子に入射させる第３反射面とを有し、
前記第２偏向部は、互いに直交する第４及び第５反射面と、該第４及び第５反射面を介した前記第２回折光を前記回折格子に入射させる第６反射面とを有し、
前記回折格子で回折される前記第３反射面からの前記計測光は、前記第１及び第２反射面を介して前記第１光学部材に入射し、前記回折格子で回折される前記第６反射面からの前記計測光は、前記第４及び第５反射面を介して前記第１光学部材に入射することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２反射面の稜線と前記第４及び第５反射面の稜線とは、前記第１方向と直交する第２方向を含む平面内に位置することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項１１】
前記回折格子は、前記第１方向及び該第１方向に直交する第２方向を周期方向とする２次元の反射型の回折格子であり、
光源からの光を互いに偏光状態の異なる第２方向用の計測光と第２方向用の参照光とに分岐する第２方向用の分岐部と、
前記第２部材に設けられ、前記第２方向用の計測光を前記回折格子の前記格子パターンに入射させる第３光学部材と、
前記第２部材に設けられ、前記第２方向用の計測光による前記格子パターンからの回折光を前記第３光学部材に入射させる第４光学部材と、
をさらに備え、
前記第２方向用の分岐部から前記第３光学部材に入射する前記第２方向用の参照光と、前記第４光学部材から前記第３光学部材に入射する前記回折光とは、前記第３光学部材で重ね合わされることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項１２】
第１方向に関して互いに相対移動可能な第１部材及び第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、
前記第１部材に設けられ、前記第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、
光源からの光を計測光と該計測光とは偏光状態が異なる第１及び第２参照光とに分岐する分岐部と、
前記第２部材に設けられ、前記計測光を前記回折格子の前記格子パターンに入射させる第１光学部材と、
前記第２部材に設けられ、前記計測光による前記格子パターンからの回折光のうち所定次数の第１回折光を偏向する第１偏向部と、前記計測光による前記格子パターンからの回折光のうち前記第１回折光とは次数の異なる第２回折光を偏向する第２偏向部と備える第２光学部材と、
を備え、
前記第１回折光は、前記第１偏向部を介して前記格子パターンに再入射して前記格子パターンで回折されて前記第１偏向部に再入射し、
前記第２回折光は、前記第２偏向部を介して前記格子パターンに再入射して前記格子パターンで回折されて前記第２偏向部に再入射し、
前記分岐部からの前記第１及び第２参照光は前記第１光学部材に入射し、
前記第１偏向部に再入射した前記第１回折光は、前記第１光学部材で前記第１参照光と重ね合わせられ、
前記第２偏向部に再入射した前記第２回折光は、前記第１光学部材で前記第２参照光と重ね合わせられることを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項１３】
前記第１偏向部は、互いに直交する第１及び第２反射面と、該第１及び第２反射面を介した前記第１回折光を前記回折格子に入射させる第３反射面とを有し、
前記第２偏向部は、互いに直交する第４及び第５反射面と、該第４及び第５反射面を介した前記第２回折光を前記回折格子に入射させる第６反射面とを有し、
前記回折格子で回折される前記第３反射面からの計測光は、前記第１及び第２反射面を介して前記第１光学部材に入射し、前記回折格子で回折される前記第６反射面からの計測光は、前記第４及び第５反射面を介して前記第１光学部材に入射することを特徴とする請求項１２に記載のエンコーダ装置。
【請求項１４】
前記第１偏向部は、前記第１及び第２反射面を介した第１回折光を前記第１光学部材に入射させる第７反射面を備え、
前記第２偏向部は、前記第４及び第５反射面を介した第２回折光を前記第１光学部材に入射させる第８反射面を備えることを特徴とする請求項１３に記載のエンコーダ装置。
【請求項１５】
前記第１方向と直交する第２方向を含む面に関して、前記第３及び第６反射面と前記第７及び第８反射面とは互いに逆側に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のエンコーダ装置。
【請求項１６】
前記第１方向と直交する第２方向を含む面に関して、前記第３反射面と前記第５反射面とは互いに逆側に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のエンコーダ装置。
【請求項１７】
前記第７及び第８反射面は、前記第２方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１６に記載のエンコーダ装置。
【請求項１８】
パターンを被露光体に露光する露光装置であって、
フレームと、
前記被露光体を支持するとともに前記フレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージと、
少なくとも前記第１方向への前記フレームと前記ステージとの相対移動量を計測するための請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１９】
第１方向に関して互いに相対移動可能な第１部材及び第２部材との相対移動量を計測する方法であって、
計測光と該計測光とは偏光状態の異なる参照光とを射出することと、
前記第２部材に設けられた光学部材を介して、前記第１部材に設けられた反射型の回折格子の格子パターンに、前記計測光を入射させることと、
前記計測光によって前記格子パターンから回折光を発生させることと、
前記格子パターンから発生する前記回折光を前記光学部材に入射させることと、
前記参照光を前記光学部材に入射させることと、
前記参照光と前記回折光とを少なくとも一部重ね合わせた状態で前記光学部材から射出することと、
を含むことを特徴とする計測方法。
【請求項２０】
フレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージに支持された被露光体にパターンを露光する露光方法であって、
少なくとも前記第１方向への前記フレームと前記ステージとの相対移動量を計測するために請求項１９に記載の計測方法を用いることを特徴とする露光方法。
【請求項２１】
リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
前記リソグラフィ工程で、請求項１８に記載の露光装置を用いて物体を露光することを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項２２】
リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
前記リソグラフィ工程で、請求項２０に記載の露光方法を用いて物体を露光することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対移動する２つの部材間の相対移動量を計測する計測方法及びエンコーダ装置、この計測方法及びエンコーダ装置を用いる露光技術、並びにこの露光技術を用いるデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を生産するためのフォトリソグラフィ工程で用いられる、いわゆるステッパー又はスキャニングステッパーなどの露光装置においては、従来より、露光対象の基板を移動するステージの位置計測はレーザ干渉計によって行われていた。ところが、レーザ干渉計では、計測用ビームの光路が長く、かつ変化するため、その光路上の雰囲気の温度揺らぎに起因する計測値の短期的な変動が無視できなくなりつつある。
【０００３】
そこで、例えばステージに固定された回折格子に、フレームに固定された検出部からレーザ光よりなる計測光を照射し、回折格子から発生する回折光と他の回折光又は参照光との干渉光を光電変換して得られる検出信号から、その回折格子が設けられた部材（ステージ等）の相対移動量を計測する、いわゆるエンコーダ装置（干渉型エンコーダ）も使用されつつある（例えば特許文献１参照）。このエンコーダ装置は、レーザ干渉計に比べて計測値の短期的安定性に優れるとともに、レーザ干渉計に近い分解能が得られるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，１３４，６８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のエンコーダ装置は、回折格子から発生する回折光と他の回折光又は参照光とを重ね合わせるための光学系の構成が複雑で、光学系の製造コストが高くなるとともに、光学系の調整に長い時間がかかっていた。
本発明の態様は、このような課題に鑑み、回折格子を用いて相対移動量を計測する装置の光学系を簡素化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、第１方向に関して互いに相対移動可能な第１部材及び第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、その第１部材に設けられ、その第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、光源からの光を互いに偏光状態の異なる計測光と参照光とに分岐する分岐部と、その第２部材に設けられ、その計測光をその回折格子のその格子パターンに入射させる第１光学部材と、その第２部材に設けられ、その計測光によるその格子パターンからの回折光をその第１光学部材に入射させる第２光学部材と、を備え、その分岐部からその第１光学部材に入射するその参照光と、その第２光学部材からその第１光学部材に入射するその回折光とを、少なくとも一部重ね合わせた状態でその第１光学部材から射出するエンコーダ装置が提供される。
【０００７】
第２の態様によれば、第１方向に関して互いに相対移動可能な第１部材及び第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、その第１部材に設けられ、その第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、光源からの光を計測光と該計測光とは偏光状態が異なる第１及び第２参照光とに分岐する分岐部と、その第２部材に設けられ、その計測光をその回折格子のその格子パターンに入射させる第１光学部材と、その第２部材に設けられ、その計測光によるその格子パターンからの回折光のうち所定次数の第１回折光を偏向する第１偏向部と、その計測光によるその格子パターンからの回折光のうちその第１回折光とは次数の異なる第２回折光を偏向する第２偏向部と備える第２光学部材と、を備え、その第１回折光は、その第１偏向部を介してその格子パターンに再入射してその格子パターンで回折されてその第１偏向部に再入射し、その第２回折光は、その第２偏向部を介してその格子パターンに再入射してその格子パターンで回折されてその第２偏向部に再入射し、その分岐部からのその第１及び第２参照光はその第１光学部材に入射し、その第１偏向部に再入射したその第１回折光は、その第１光学部材でその第１参照光と重ね合わせられ、その第２偏向部に再入射したその第２回折光は、その第１光学部材でその第２参照光と重ね合わせられるエンコーダ装置が提供される。
【０００８】
第３の態様によれば、パターンを被露光体に露光する露光装置であって、フレームと、その被露光体を支持するとともにそのフレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージと、少なくともその第１方向へのそのフレームとそのステージとの相対移動量を計測するための本発明の態様のエンコーダ装置と、を備える露光装置が提供される。
第４の態様によれば、第１方向に関して互いに相対移動可能な第１部材及び第２部材との相対移動量を計測する方法であって、計測光と該計測光とは偏光状態の異なる参照光とを射出することと、その第２部材に設けられた光学部材を介して、その第１部材に設けられた反射型の回折格子の格子パターンに、その計測光を入射させることと、その計測光によってその格子パターンから回折光を発生させることと、その格子パターンから発生するその回折光をその光学部材に入射させることと、その参照光をその光学部材に入射させることと、その参照光とその回折光とを少なくとも一部重ね合わせた状態でその光学部材から射出することと、を含む計測方法が提供される。
【０００９】
第５の態様によれば、フレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージに支持された被露光体にパターンを露光する露光方法であって、少なくともその第１方向へのそのフレームとそのステージとの相対移動量を計測するために本発明の態様の計測方法を用いる露光方法が提供される。
第６の態様によれば、リソグラフィ工程を含み、そのリソグラフィ工程で本発明の態様の露光装置又は本発明の態様の露光方法を用いて物体を露光するデバイス製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の態様によれば、計測光を回折格子の格子パターンに入射させる第１光学部材において、参照光と回折光とを重ね合わせるため、光学系が簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係るエンコーダを示す平面図である。
【図２】（Ａ）は図１中のＸ軸の干渉計部の要部を示す斜視図、（Ｂ）は図２（Ａ）中の計測光及び回折光の照射位置を示す平面図、（Ｃ）は計測光及び参照光の開き角の説明図である。
【図３】（Ａ）は図２（Ａ）のＸ軸の干渉計部におけるＸ方向の±１次回折光の光路を示す図、（Ｂ）はＹ軸の干渉計部における±１次回折光の光路を示す図である。
【図４】（Ａ）は図２（Ａ）のＸ軸の干渉計部において格子パターン面の相対的な高さが変化したときの回折光の光路の変化を示す図、（Ｂ）は格子パターン面が相対的に傾斜したときの回折光の光路の変化を示す図である。
【図５】（Ａ）は変形例に係るＸ軸の干渉計部の要部を示す図、（Ｂ）は図５（Ａ）中のルーフミラーを示す斜視図である。
【図６】（Ａ）は変形例に係るＸ軸の干渉計部の要部を示す図、（Ｂ）は図６（Ａ）中の計測光及び回折光の照射位置を示す平面図である。
【図７】（Ａ）は変形例に係るＸ軸の干渉計部を示す上面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図８】第２の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図９】図８のウエハステージに設けられた回折格子及び複数の検出ヘッドの配置の一例を示す平面図である。
【図１０】図８の露光装置の制御系を示すブロック図である。
【図１１】計測方法の一例を示すフローチャートである。
【図１２】電子デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態につき図１〜図４（Ｂ）を参照して説明する。図１は本実施形態に係るエンコーダ１０を示す平面図である。図１において、一例として、第１部材６に対して第２部材７は３次元的に相対移動可能に配置され、第２部材７の互いに直交する相対移動可能な２つの方向に平行にＸ軸及びＹ軸を取り、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される平面（ＸＹ面）に直交する相対移動方向に沿ってＺ軸を取って説明する。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの角度をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向の角度とも呼ぶこととする。
【００１３】
図１において、エンコーダ１０は、第１部材６の上面に固定された、ＸＹ面にほぼ平行な平板状の２次元の回折格子１２と、第２部材７に固定された検出ヘッド１４と、検出ヘッド１４に計測用のレーザ光を供給するレーザ光源１６及び光ファイバ１７と、検出ヘッド１４で生成される複数の干渉光を伝送する光ファイバ３９ＸＡ，３９ＸＢ，３９ＹＡ，３９ＹＢ，３９Ｃと、これら光ファイバ３９ＸＡ〜３９Ｃを介して供給される複数の干渉光を受光して検出信号を出力するフォトダイオード等の光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢ，４０ＹＡ，４０ＹＢ，４０Ｃと、それらの検出信号を処理して第１部材６に対する第２部材７のＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の３次元の相対移動量を求める計測演算部４２（４２Ｘ，４２Ｙ，４２Ｔ）と、を有する。検出ヘッド１４は、回折格子１２に計測光を照射し、回折格子１２からＸ方向に発生する複数の回折光と参照光との複数の干渉光を生成するＸ軸の干渉計部１５Ｘと、回折格子１２に計測光を照射し、回折格子１２からＹ方向に発生する複数の回折光と参照光との複数の干渉光を生成するＹ軸の干渉計部１５Ｙと、干渉計部１５Ｘ及び１５Ｙにそれぞれ計測光及び参照光を供給する分岐部３２Ｘ及び３２Ｙと、その他の光学部材と、複数の光学部材を支持するために第２部材７に固定される支持部材３５と、を有する。
【００１４】
回折格子１２のＸＹ面にほぼ平行な格子パターン面１２ｂには、Ｘ方向及びＹ方向に所定の周期（ピッチ）ｐを持ち、位相型でかつ反射型の２次元の格子パターン１２ａが形成されている。格子パターン１２ａのＸ方向、Ｙ方向の周期ｐは、一例として１００ｎｍ〜４μｍ程度（例えば１μｍ周期）である。なお、格子パターン１２ａのＸ方向、Ｙ方向の周期が互いに異なっていてもよい。格子パターン１２ａは、例えばホログラム（例えば感光性樹脂に干渉縞を焼き付けたもの）として、又はガラス板等に機械的に溝等を形成して反射膜を被着することで作製可能である。さらに、格子パターン面１２ｂは、保護用の平板ガラスで覆われていてもよい。
【００１５】
レーザ光源１６は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は半導体レーザ等よりなり、一例として偏光方向が互いに直交するとともに互いに周波数が所定量だけ異なる第１及び第２の直線偏光のレーザ光ＭＬ，ＲＬよりなる２周波ヘテロダイン光を射出する。それらのレーザ光は互いに可干渉性を有し（偏光方向を平行にした場合）、それらの平均波長をλとする。レーザ光源１６は、それらのレーザ光から分岐した２つの光束の干渉光を光電変換して得られる基準周波数の信号（基準信号）を計測演算部４２に供給する。なお、ホモダイン干渉方式も使用可能である。
【００１６】
光ファイバ１７は、レーザ光源１６から射出されたレーザ光ＭＬ，ＲＬをそれぞれ偏光方向を維持しながら伝送するダブルコア型で偏波面保持型の光ファイバである。本実施形態では、光ファイバ１７から射出されるときに、第１のレーザ光ＭＬはＸＹ平面に平行なＸ方向に偏光した直線偏光であり、第２のレーザ光ＲＬはＺ方向に偏光した直線偏光である。他の光ファイバ３９ＸＡ〜３９ＹＢ，３９Ｃはシングルコア型であるが、偏波面保持型又は通常のいずれのタイプでもよい。また、光ファイバ３９ＸＡ〜３９ＹＢ，３９Ｃの入射口に集光レンズを設けてもよい。なお、光ファイバ１７，３９ＸＡ〜３９ＹＢ等は、図１では中間部が図示省略されている。また、光ファイバ１７の代わりに複数のミラーを組み合わせたビーム送光光学系を使用してもよく、光ファイバ３９ＸＡ〜３９ＹＢ，３９Ｃを使用することなく、干渉光を直接に光電センサ４０ＸＡ〜４０ＹＢ，４０Ｃで受光してもよい。
【００１７】
検出ヘッド１４は、光ファイバ１７から射出されるレーザ光ＭＬ，ＲＬを平行光束にするレンズ１８と、レンズ１８から射出されるレーザ光ＭＬ，ＲＬをＸ軸用の計測光ＭＸ及び参照光ＲＸと、Ｙ軸用の計測光ＭＹ及び参照光ＲＹとに分割するビームスプリッター面Ａ１を有するハーフプリズム部２０Ａと、分岐部２０Ｂと、干渉部２０Ｃとを有する。ハーフプリズム部２０ＡからＸ軸に平行に射出されるＹ軸用の計測光ＭＹ及び参照光ＲＹは、Ｙ軸の分岐部３２Ｙに入射する。
【００１８】
ハーフプリズム部２０ＡからＹ軸に平行に射出されるＸ軸用の計測光ＭＸ及び参照光ＲＸは、分岐部材２０Ｂのビームスプリッター面Ａ２においてＹ軸に平行な第１光束とＸ軸に平行な第２光束とに分岐され、第１光束はＸ軸の分岐部３２Ｘに入射する。本実施形態において、ハーフプリズム部２０Ａから射出されるＸ軸の計測光ＭＸ及び参照光ＲＸはそれぞれＸ方向及びＺ方向に直線偏光したヘテロダインビームであり、ハーフプリズム２０Ａから射出されるＹ軸の計測光ＭＹ及び参照光ＲＹはそれぞれＹ方向及びＺ方向に直線偏光したヘテロダインビームである。計測光ＭＸ，ＭＹ及び参照光ＲＸ，ＲＹは例えば直径が０．５〜数ｍｍ程度の円形（楕円又は矩形等でもよい）の断面を有する。
【００１９】
図２（Ｃ）に示すように、レーザ光ＭＬ，ＲＬは光ファイバ１７の隣接するコア部から射出されてレンズ１８によって平行光束に変換されるため、平行光束に変換された後のレーザ光ＭＬ，ＲＬは所定の小さい角度βで交差している。このため、ハーフプリズム部２０Ａから射出される計測光ＭＸ及び参照光ＲＸ、並びに計測光ＭＹ及び参照光ＲＹはそれぞれ角度βで相対的に傾斜している。このように計測光ＭＸ及び参照光ＲＸ（計測光ＭＹ及び参照光ＲＹ）を相対的に傾斜させることによって、最終的に検出される干渉光に混入するノイズ光を低減させることができる。
【００２０】
図１において、支持部材３５の−Ｘ方向の端面に対向するように干渉部２０Ｃが配置され、支持部材３５の＋Ｘ方向の端面の干渉部２０Ｃに対向する位置に偏光板４１Ｃが固定され、偏光板４１ＣをＹ方向に挟むように偏光板４１ＸＡ，４１ＸＢ及び４１ＹＡ，４１ＹＢが固定され、偏光板４１ＸＡ，４１ＸＢ，４１ＹＡ，４１ＹＢ，４１Ｃにそれぞれ光ファイバ３９ＸＡ，３９ＸＢ，３９ＹＡ，３９ＹＢ，３９Ｃの入射端が固定されている。
【００２１】
偏光板４１ＸＡ〜４１ＹＢ，４１Ｃの結晶軸の方向は、後述のＹ方向に直線偏光した計測対象の回折光とＺ方向に直線偏光した参照光とを合成して干渉光を生成するように斜め方向に設定されている。支持部材３５中の偏光板４１ＸＡ〜４１ＹＢ，４１Ｃの前面にはそれぞれ検出対象の光束を通すための開口が形成されている。
また、分岐部２０Ｂにおいて、ビームスプリッター面Ａ２から射出された第２光束のうち、Ｙ方向に偏光した計測光ＭＸＣは、偏光ビームスプリッター面（以下、ＰＢＳ面という）Ａ３を透過し、反射面で反射されて干渉部２０Ｃに入射する。また、その第２光束のうち、Ｚ方向に偏光した参照光ＲＸＣは、ＰＢＳ面Ａ３で反射され、１対の楔形プリズム３６Ｅを介して干渉部２０Ｃに入射する。干渉部２０Ｃにおいて、＋Ｘ方向に反射された計測光ＭＸＣは、ＰＢＳ面Ａ４で参照光ＲＸＣと重ね合わされて、すなわち同軸に合成（合波）されて、＋Ｘ方向に射出される。同軸に合成された計測光ＭＸＣ及び参照光ＲＸＣは偏光板４１Ｃを介して参照用の干渉光となり、光ファイバ３９Ｃを介して光電センサ４０Ｃで受光される。
【００２２】
さらに、１対の楔形プリズム３６Ｅは、入射する参照光ＲＸＣの進行方向を、計測光ＭＸ，ＭＹと参照光ＲＸ，ＲＹとの間の角度β（図２（Ｃ）参照）を相殺するように変化させて、参照光と計測対象の計測光（又は回折光）とを平行にする。これは後述の他の楔形プリズム３６Ａ等でも同様である。
また、Ｘ軸の分岐部３２Ｘに入射した光束は−Ｘ方向に反射され、この反射された光束のうち、Ｙ方向に偏光した計測光ＭＸは、ＰＢＳ面Ａ５（分離面）を透過した後、反射されてＹ軸に平行に−Ｙ方向に干渉計部１５Ｘに入射する。一方、その反射された光束のうち、Ｚ方向に偏光した参照光ＲＸは、ＰＢＳ面Ａ５で反射された後、−Ｘ方向に反射されてビームスプリッター面Ａ６に入射する。ビームスプリッター面Ａ６で−Ｙ方向に反射された第１の参照光ＲＸ１、及びビームスプリッター面Ａ６を透過した後、−Ｙ方向に反射された第２の参照光ＲＸ２は、それぞれ１対の楔形プリズム３６Ａ及び３６Ｂを介して計測光ＭＸを中央に挟む状態で平行に干渉計部１５Ｘに入射する。
【００２３】
また、Ｙ軸の分岐部３２Ｙは、Ｘ軸の分岐部３２Ｘを９０度回転した構成であり、Ｙ軸の分岐部３２Ｙに入射した光束から分岐されてＹ方向に偏光した計測光ＭＹは、＋Ｘ方向に向けて干渉計部１５Ｙに入射する。そして、分岐部３２Ｙに入射した光束から分岐されてそれぞれＺ方向に偏光した第１参照光ＲＹ１及び第２参照光ＲＹ２は、それぞれ１対の楔形プリズム３６ＡＣ及び３６Ｄを介して計測光ＭＹを中央に挟む状態で平行に＋Ｘ方向に干渉計部１５Ｙに入射する。
【００２４】
また、Ｘ軸の干渉計部１５Ｘは、分岐部３２Ｘから−Ｙ方向に射出される計測光ＭＸ及び参照光ＲＸ１，ＲＸ２が入射する偏光ビームスプリッター面（以下、ＰＢＳ面という）Ａ１１（図２（Ａ）参照）を有する４角柱型のプリズム状の偏光ビームスプリッター部材（以下、ＰＢＳ部材という）２４Ｘと、ＰＢＳ部材２４ＸをＸ方向に挟むように対称に固定された１対のルーフプリズム２６ＸＡ，２６ＸＢと、ＰＢＳ部材２４Ｘの上方に配置され、ルーフプリズム２６ＸＡに固定された１対のそれぞれ直交する２つの反射面を有する直角プリズム状の部材３０ＸＡ，３０ＸＢよりなる反射部材３０Ｘと、を有する。さらに、干渉計部１５Ｘは、ルーフプリズム２６ＸＡ，２６ＸＢの底面の−Ｙ方向の半面を覆うように固定された平行平板状の付加部材２８ＸＡ，２８ＸＢ（図２（Ａ）参照）と、ＰＢＳ部材２４Ｘと回折格子１２との間に配置された平行平板状の位相板よりなる調整部材２９Ｘ（図３（Ａ）参照）とを有する。
【００２５】
ルーフプリズム２６ＸＡ，２６ＸＢ、反射部材３０Ｘ、及び付加部材２８ＸＡ，２８ＸＢから、回折格子１２で発生する回折光の方向を変換する回折光偏向部材２５Ｘが構成され、ルーフプリズム２６ＸＡ、反射部材３０Ｘ、及び付加部材２８ＸＡから、＋Ｘ方向に発生する回折光の方向を変換する第１の偏向部材が構成され、ルーフプリズム２６ＸＢ、反射部材３０Ｘ、及び付加部材２８ＸＢから、−Ｘ方向に発生する回折光の方向を変換する第２の偏向部材が構成されている。ルーフプリズム２６ＸＡ，２６ＸＢ及び反射部材３０Ｘの上面は同一平面上にあり、その上面が第２部材７の底面（回折格子１２に対向する面）に固定されている（図３（Ａ）参照）。
【００２６】
図２（Ａ）は、図１中の干渉計部１５ＸのＰＢＳ部材２４Ｘ及び回折光偏向部材２５Ｘを示す。図２（Ａ）において、ＰＢＳ部材２４Ｘは、反射部材３０Ｘのうち−Ｙ方向側の大型の部材３０ＸＡの底面側に配置され、ＰＢＳ面Ａ１１は、ＸＹ面に対してＸ軸の回りに４５°で傾斜している。ＰＢＳ部材２４Ｘは、ＸＹ面に平行な２面と、ＹＺ面に平行な２面と、ＺＸ面に平行な２面との６面で囲まれた直方体状であるが、別の形状にしてもよい。例えば、ＰＢＳ部材２４Ｘは、ＸＹ面に対してＸ軸の回りに４５°で傾斜したＰＢＳ面Ａ１１と、ＸＹ面に平行な１面と、ＹＺ面に平行な２面と、ＺＸ面に平行な１面との５面で囲まれた三角柱状であってもよい。このとき、ＸＹ面に平行な面が＋Ｚ方向側に向けられていてもよく、−Ｚ方向側に向けられていてもよい。回折光偏向部材２５Ｘのルーフプリズム２６ＸＡは、ＰＢＳ部材２４Ｘの底面に対して反時計回りに角度α１（図３（Ａ）参照）で傾斜した入射面Ａ１２と、ＸＺ面に平行な稜線Ａ１９に関して対称に、かつ直交するように形成された１対の反射面Ａ１３，Ａ１４と、ＰＢＳ部材２４Ｘ及び部材３０ＸＡ，３０ＸＢに密着した射出面Ａ１５とを有する。ルーフプリズム２６ＸＡの稜線Ａ１９は、ＺＹ面に対して反時計回りに角度α２で傾斜している（図３（Ａ）参照）。他方のルーフプリズム２６ＸＢはルーフプリズム２６ＸＡと対称な形状であり、ルーフプリズム２６ＸＢも直交する２つの反射面Ａ２３，Ａ２４及び稜線Ａ２９を有する。
【００２７】
図１の分岐部３２Ｘから射出された計測光ＭＸは、ＰＢＳ面Ａ１１に対するＳ偏光として−Ｙ方向に向けてＰＢＳ面Ａ１１に入射してＰＢＳ面Ａ１１でほぼ−Ｚ方向に反射されて、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ｂ（格子パターン１２ａ）に垂直に（Ｚ軸に平行に）入射する。一方、分岐部３２Ｘから射出された参照光ＲＸ１，ＲＸ２はＰＢＳ面Ａ１１に対するＰ偏光としてほぼ−Ｙ方向に向けてＰＢＳ面Ａ１１に入射してＰＢＳ面Ａ１１を透過する。ここで、計測光ＭＸが垂直に入射する場合には、計測光ＭＸを格子パターン面１２ｂに垂直に入射させる場合の外に、０次光（正反射光）の影響を軽減するために、計測光ＭＸをＺ軸に平行な軸に対してＸ方向（θｙ方向）及び／又はＹ方向（θｘ方向）に例えば０．５〜１．５°程度傾斜させて格子パターン面１２ｂに概ね垂直に入射させる場合も含まれる。
【００２８】
本実施形態において、垂直に回折格子１２の格子パターン面１２ｂに入射する計測光ＭＸによって、Ｘ方向に対称に±１次回折光ＤＸ１，ＤＸ２が発生する。発生した回折光ＤＸ１はルーフプリズム２６ＸＡの入射面に入射し、回折光ＤＸ２はルーフプリズム２６ＸＢの入射面に入射する。この際に、Ｙ方向に対称に±１次回折光も発生するが、Ｙ方向の回折光はＸ軸の干渉計部１５Ｘでは使用されない。＋１次回折光ＤＸ１は、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２及び反射面Ａ１３，Ａ１４を介して＋Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に−Ｘ方向に向けて射出面Ａ１５を介して、反射部材３０Ｘのうちの小型の部材３０ＸＢの反射面Ａ１８に入射する。そして、反射面Ａ１８で反射された回折光ＤＸ１は、回折格子１２の格子パターン面１２ｂに垂直に入射する。これと対称に、−１次回折光ＤＸ２は、ルーフプリズム２６ＸＢの反射面Ａ２３，Ａ２４等を介して＋Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に＋Ｘ方向に向けて部材３０ＸＢの反射面Ａ２８に入射し、反射面Ａ２８で反射された回折光ＤＸ２は、回折格子１２の格子パターン１２ａに垂直に入射する。
【００２９】
図２（Ｂ）に示すように、格子パターン１２ａにおいて計測光ＭＸが入射する位置に対して、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が入射する位置は、Ｙ方向に間隔ａ１だけシフトしているとともに、Ｘ方向に対称に距離ａ２だけシフトしている。距離ａ１は、ＰＢＳ部材２４ＸのＹ方向の幅のほぼ１／２であり、距離ａ２は、ＰＢＳ部材２４ＸのＸ方向の幅のほぼ１／３である。言い換えると、格子パターン１２ａにおいて計測光ＭＸが入射する位置は、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が入射する位置を結ぶ線分の中点を通り、ＸＹ平面内において当該線分に垂直な直線上に位置する。このような配置で計測光ＭＸ及び回折光ＤＸ１，ＤＸ２を回折格子１２に入射させることで、干渉計部１５Ｘの構成を小型化できる。ただし、距離ａ１及びａ２は任意である。また、計測光ＭＸ及び回折光ＤＸ１，ＤＸ２の入射位置の配置は任意である。
【００３０】
部材３０ＸＢで反射された回折光ＤＸ１，ＤＸ２によって回折格子１２からＸ方向に対称に＋１次回折光ＥＸ１及び−１次回折光ＥＸ２（再回折光）が発生する。回折光ＥＸ１は、付加部材２８ＸＡの入射面Ａ１７を経てルーフプリズム２６ＸＡの反射面Ａ１４，Ａ１３で順に反射されることで−Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に−Ｘ方向に向けて小型の部材３０ＸＡの反射面Ａ１６に入射する。そして、反射面Ａ１６で−Ｚ方向に反射されたＳ偏光の回折光ＥＸ１は、ＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１で反射され、第１参照光ＲＸ１と重ね合わせられて（同軸に合成又は合波されて）−Ｙ方向にＰＢＳ部材２４Ｘから射出される。これと対称に、回折光ＥＸ２は、付加部材２８ＸＢの入射面を経てルーフプリズム２６ＸＢの反射面Ａ２４，Ａ２３で順に反射されることで−Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に＋Ｘ方向に向けて部材３０ＸＡの反射面Ａ２６に入射する。そして、反射面Ａ２６で反射されたＳ偏光の回折光ＥＸ２は、ＰＢＳ面Ａ１１で反射されて、第２参照光ＲＸ２と重ね合わせられて（同軸に合成又は合波されて）−Ｙ方向にＰＢＳ部材２４Ｘから射出される。ここで、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１とは、それらの断面（ＸＺ面）において完全に重なっている必要はなく、一部が重なっていれば良い。言い換えると、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１とは、ＰＢＳ部材２４Ｘから射出される際に完全に同軸である必要はなく、それらの一部同士が重なり且つ互いに平行となるように進行していればよい。さらに、ＰＢＳ部材２４Ｘから射出される回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１とは、完全に平行である必要はなく、これら回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１とが偏光板４１ＸＡの位置で少なくとも一部重なる状態であれば、平行から若干ずれていてもよい。なお、回折光ＥＸ２と参照光ＲＸ２とについても同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００３１】
なお、付加部材２８ＸＡ，２８ＸＢは、付加部材に入射する回折光ＥＸ１，ＥＸ２を±Ｘ方向に移送した状態で射出して、回折光ＥＸ１，ＥＸ２のＰＢＳ面Ａ１１に対する入射位置を調整するために設けられている。付加部材２８ＸＡ，２８ＸＢは省略することができる。
また、一例として、図３（Ａ）の調整部材２９Ｘは、最終的に回折光ＥＸ１，ＥＸ２がＰＢＳ部材２４Ｘに対して正確にＳ偏光状態で入射するように、回折光ＤＸ１，ＤＸ２，ＥＸ１，ＥＸ２の偏光方向（偏光状態）を個別に調整する。なお、調整部材２９Ｘは省略することが可能である。また、調整部材２９Ｘに代えて、平行平面板状の光透過部材からなるカバーガラスを設けてもよい。
【００３２】
図１において、ＰＢＳ部材２４Ｘから射出された回折光ＥＸ１及び参照光ＲＸ１を含む光束、及び回折光ＥＸ２及び参照光ＲＸ２を含む光束は、反射部材２２で反射された後、それぞれ偏光板４１ＸＡ，４１ＸＢを経て第１干渉光及び第２干渉光となり、光ファイバ３９ＸＡ，３９ＸＢを介して光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢに受光される。なお、偏光板４１ＸＡ，４１ＸＢは、ＰＢＳ部材２４Ｘの射出面（ＰＢＳ部材２４Ｘの−Ｙ方向側に位置するＸＺ面と平行な平面）に設けられていてもよい。
【００３３】
また、Ｙ軸の干渉計部１５Ｙは、Ｘ軸の干渉計部１５ＸのＰＢＳ部材２４Ｘ及び回折光偏向部材２５Ｘを一体的に９０°回転した構成のＰＢＳ部材２４Ｙ及び回折光偏向部材２５Ｙを有する（図３（Ｂ）参照）。すなわち、回折光偏向部材２５Ｙもそれぞれルーフプリズム２６ＹＡ，２６ＹＢ、大型の部材３０ＹＡ及び小型の部材３０ＹＢよりなる反射部材３０Ｙを有し、ルーフプリズム２６ＹＡ，２６ＹＢに付加部材２８ＹＡ，２８ＹＢが固定され、ＰＢＳ部材２４Ｙと回折格子１２との間に調整部材２９Ｙが設けられている。そして、反射部材３０Ｙがルーフプリズム２６ＹＡに固定され、反射部材３０Ｙ及びルーフプリズム２６ＹＡ，２６ＹＢの上面が第２部材７に固定されている。ここで、干渉計部１５Ｘの上面が第２部材７に固定されているため、干渉計部１５Ｘの下面側の構造部材を無くすか、或いは薄くできるため、干渉計部の作動距離を長くすることができる。
【００３４】
分岐部３２Ｙから射出される計測光ＭＹ及び参照光ＲＹ１，ＲＹ２は、干渉計部１５ＹのＰＢＳ部材２４Ｙに入射し、Ｐ偏光の参照光ＲＹ１，ＲＹ２はＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面を透過して＋Ｘ方向に射出される。そして、Ｓ偏光の計測光ＭＹはＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面で反射されて回折格子１２の格子パターン１２ａに垂直に入射し、格子パターン１２ａからＹ方向に対称に±１次回折光ＤＹ１，ＤＹ２（図３（Ｂ）参照）が発生する。Ｘ方向に発生する±１次回折光は干渉計部１５Ｙでは使用されない。これらの回折光ＤＹ１（ＤＹ２）はルーフプリズム２６ＹＡ（２６ＹＢ）及び反射部材３０Ｙを介して回折格子１２の格子パターン１２ａに垂直に入射する。そして、回折光ＤＹ１によるＹ方向の＋１次回折光ＥＹ１及び回折光ＤＹ２によるＹ方向の−１次回折光ＥＹ２が、回折格子１２から発生する。回折光ＥＹ１は、付加部材２８ＹＡ、ルーフプリズム２６ＹＡ、及び反射部材３０Ｙを介してＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面で反射されて、第１参照光ＲＹ１と重ね合わされて＋Ｘ方向に射出される。回折光ＥＹ２は、付加部材２８ＹＢ、ルーフプリズム２６ＹＢ、及び反射部材３０Ｙを介してＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面で反射されて、第２参照光ＲＹ２と重ね合わされて＋Ｘ方向に射出される。
【００３５】
そして、ＰＢＳ部材２４Ｙから射出された回折光ＥＹ１及び参照光ＲＹ１を含む光束、及び回折光ＥＹ２及び参照光ＲＹ２を含む光束は、それぞれ偏光板４１ＹＡ，４１ＹＢを経て第３干渉光及び第４干渉光となり、光ファイバ３９ＹＡ，３９ＹＢを介して光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢに受光される。
図１において、計測演算部４２は、第１演算部４２Ｘ、第２演算部４２Ｙ、及び第３演算部４２Ｔを有する。そして、Ｘ軸の光電センサ４０ＸＡは、回折光ＥＸ１及び参照光ＲＸ１よりなる干渉光の検出信号（光電変換信号）を第１演算部４２Ｘに供給し、光電センサ４０ＸＢは、回折光ＥＸ２及び参照光ＲＸ２よりなる干渉光の検出信号を第１演算部４２Ｘに供給する。また、Ｙ軸の光電センサ４０ＹＡは、回折光ＥＹ１及び参照光ＲＹ１よりなる干渉光の検出信号を第２演算部４２Ｙに供給し、光電センサ４０ＹＢは、回折光ＥＹ２及び参照光ＲＹ２よりなる干渉光の検出信号を第２演算部４２Ｙに供給する。第１演算部４２Ｘ及び第２演算部４２Ｙには、レーザ光源１６からの基準周波数の信号（基準信号）、及び光電センサ４０Ｃで検出された参照用の干渉光のほぼその基準周波数の信号（参照信号）も供給されている。
【００３６】
ここで、第１部材６と第２部材７とのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の相対移動量（相対変位）をＸ，Ｙ，Ｚとして、第１演算部４２Ｘ及び第２演算部４２Ｙで求められるＺ方向の相対移動量をそれぞれＺＸ，ＺＹとする。このとき、一例として、第１演算部４２Ｘは、光電センサ４０ＸＡの検出信号及び基準信号（又は参照信号）から、既知の係数ａ，ｂを用いてＸ方向及びＺ方向の第１の相対移動量（ａ・Ｘ＋ｂ・ＺＸ）を求め、光電センサ４０ＸＢの検出信号及び基準信号（又は参照信号）から、Ｘ方向及びＺ方向の第２の相対移動量（−ａ・Ｘ＋ｂ・ＺＸ）を求め、その第１及び第２の相対移動量からＸ方向の相対移動量（Ｘ）及びＺ方向の相対移動量（ＺＸ）を求め、求めた結果を第３演算部４２Ｔに供給する。第２演算部４２Ｙは、光電センサ４０ＹＡの検出信号及び基準信号（又は参照信号）から、Ｙ方向及びＺ方向の第１の相対移動量（ａ・Ｙ＋ｂ・ＺＹ）を求め、光電センサ４０ＹＢの検出信号及び基準信号（又は参照信号）から、Ｙ方向及びＺ方向の第２の相対移動量（−ａ・Ｙ＋ｂ・ＺＹ）を求め、その第１及び第２の相対移動量からＹ方向の相対移動量（Ｙ）及びＺ方向の相対移動量（ＺＹ）を求め、求めた結果を第３演算部４２Ｔに供給する。
【００３７】
第３演算部４２Ｔは、演算部４２Ｘ，４２Ｙから供給される相対移動量（Ｘ）及び（Ｙ）を所定のオフセットで補正した値を第１部材６と第２部材７とのＸ方向、Ｙ方向の相対移動量として出力する。また、第３演算部４２Ｔは、一例として、演算部４２Ｘ，４２Ｙから供給されるＺ方向の相対移動量（ＺＸ）及び（ＺＹ）の平均値（＝（ＺＸ＋ＺＹ）／２）を所定のオフセットで補正した値を第１部材６と第２部材７とのＺ方向の相対移動量として出力する。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の相対移動量の検出分解能は例えば０．５〜０．１ｎｍ程度である。エンコーダ１０では、計測光ＭＸ，ＭＹ等の光路が短いため、その光路上の気体の温度揺らぎに起因する計測値の短期的な変動を低減できる。さらに、最終的に２回目の＋１次回折光ＥＸ１，ＥＹ１及び−１次回折光ＥＸ２，ＥＹ２と対応する参照光ＲＸ１〜ＲＹ２との干渉光を検出しているため、相対移動量の検出分解能（検出精度）を１／２に向上（微細化）できる。また、±１次回折光を用いることによって、第１部材６と第２部材７とのθｚ方向の相対回転角による計測誤差を低減できる。
【００３８】
次に、本実施形態の検出ヘッド１４の回折光の光路につき詳細に説明する。
図３（Ａ）はＸ軸の干渉計部１５Ｘの要部及び回折格子１２を示す。図３（Ａ）において、計測光ＭＸが回折格子１２の格子パターン１２ａに垂直に（Ｚ軸に平行に）入射するとき、計測光ＭＸによるＸ方向の＋１次回折光ＤＸ１の回折角φｘは、格子パターン１２ａの周期ｐ及び計測光ＭＸの波長λを用いて次の関係を満たす。このとき、計測光ＭＸによるＸ方向の−１次回折光ＤＸ２の回折角は−φｘとなる。
【００３９】
ｐ・sin(φｘ)＝λ    …（１）
一例として、周期ｐを１０００ｎｍ（１μｍ）、計測光ＭＸの波長λを６３３ｎｍとすると、回折角φｘはほぼ３９°となる。
また、回折光ＤＸ１は、ルーフプリズム２６ＸＡ（入射面Ａ１２及び反射面Ａ１３，Ａ１４）及び反射部材３０Ｘによって、計測光ＭＸ（ここではＺ軸に平行）に平行になるように折り曲げられて回折格子１２に再入射する。従って、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２の角度α１、稜線Ａ１６の角度α２、屈折率ｎｇ、及び回折光ＤＸ１の入射面Ａ１２に対する入射角ｉ（角度α１と回折角φｘとの関数）は、反射部材２８ＸＡで反射された回折光ＤＸ１がＺ軸に概ね平行になるように定められることが好ましい。
【００４０】
さらに、本実施形態では、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２に入射する回折光ＤＸ１の振れ角δの入射角ｉに関する変化率（ｄδ／ｄｉ）は、次のようにcos(φｘ）に設定されることが好ましい。
ｄδ／ｄｉ＝cos(φｘ）＝cos｛arcsin（λ／ｐ）｝  …（３）
この式（３）の条件は、入射面Ａ１２における振れ角δの変化率（ｄδ／ｄｉ）は、回折格子１２に対する計測光ＭＸの入射角が０から変化したときの回折光ＤＸ１の回折角の変化率を、入射面Ａ１２で相殺することを意味している（詳細後述）。
【００４１】
計測光ＭＸが格子パターン１２ａに垂直に（Ｚ軸に平行に）入射する場合、ルーフプリズム２６ＸＡ等で反射される回折光ＤＸ１は、計測光ＭＸが入射した位置から＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれた位置で格子パターン１２ａに垂直に入射する（図２（Ｂ）参照）。そして、回折光ＤＸ１によって回折格子１２から発生する＋１次回折光ＥＸ１の回折角は式（１）のφｘと同じであり、回折光ＥＸ１はルーフプリズム２６ＸＡ等によって光路をＺ軸に平行に折り曲げられてＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１に向かう。このとき、計測光ＭＸによる回折格子１２からの−１次回折光ＤＸ２は、回折光ＤＸ１と対称にルーフプリズム２６ＸＢ等を介して計測光ＭＸが入射した位置から−Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれた位置で格子パターン１２ａに垂直に入射する（図２（Ｂ）参照）。そして、回折光ＤＸ２によって回折格子１２から発生する−１次回折光ＥＸ２は、ルーフプリズム２６ＸＢ等によって光路をＺ軸に平行に折り曲げられてＰＢＳ面Ａ１１に向かう。
【００４２】
また、図３（Ｂ）はＹ軸の干渉計部１５Ｙの要部及び回折格子１２を示す。図３（Ｂ）において、計測光ＭＹが回折格子１２の格子パターン１２ａに垂直に入射するとき、計測光ＭＹによるＹ方向の＋１次回折光ＤＹ１の回折角φｙは、式（１）のＸ方向の回折角φｘと同じである。ルーフプリズム２６ＹＡ等で反射される回折光ＤＹ１は、計測光ＭＹが入射した位置から−Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれた位置で格子パターン１２ａに垂直に入射する。一方、ルーフプリズム２６ＹＢ等で反射される回折光ＤＹ２は、計測光ＭＹが入射した位置から−Ｘ方向及び−Ｙ方向にずれた位置で格子パターン１２ａに垂直に入射する。そして、回折光ＤＹ１によってルーフプリズム２６ＹＡ等を介して回折格子１２から発生する＋１次回折光ＥＹ１、及び計測光ＭＹによるＹ方向の−１次回折光ＤＹ２によって回折格子１２から発生する−１次回折光ＥＹ２は、それぞれルーフプリズム２６ＹＡ，２６ＹＢ等によって光路をＺ軸に平行に折り曲げられてＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面に向かう。
【００４３】
そして、図３（Ａ）の配置において、図４（Ａ）に示すように（付加部材２８ＸＡ，２８ＸＢが図示省略されている）、干渉計部１５Ｘに対して回折格子１２の格子パターン面１２ｂのＺ方向の相対位置が位置Ｂ１１までδＺだけ変化した場合を想定する。このとき、計測光ＭＸによる＋１次回折光ＤＸ１は、光路が位置Ｂ１２に平行にシフトしてルーフプリズム２６ＸＡに入射する。ルーフプリズム２６ＸＡは、入射光に対して、射出光の光路を中心（稜線Ａ１９）に関して対称にシフトする。このため、ルーフプリズム２６ＸＡで反射された回折光ＤＸ１は、格子パターン面１２ｂのＺ方向の相対位置が変化していないときの＋１次回折光ＥＸ１の光路と交差する位置で回折格子１２に入射する。従って、格子パターン面１２ｂが位置Ｂ１１まで変化していても、回折光ＤＸ１によって回折格子１２から発生する＋１次回折光ＥＸ１の光路Ｂ１３は、格子パターン面１２ｂのＺ方向の相対位置が変化していないときの光路と同じである。このため、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１とをＰＢＳ面Ａ１１で同軸に合成したとき、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１との相対的な横ずれ量がないため、その光束から得られる干渉光を光電変換したときに得られる検出信号のうちの交流信号（ビート信号又は信号成分）の割合が低下することがない。
【００４４】
これは、Ｘ軸の−１次回折光ＤＸ２及びＹ軸の±１次回折光ＤＹ１，ＤＹ２でも同様であり、格子パターン面１２ｂのＺ方向の相対位置が変化しても、図１の光電センサ４０ＸＡ〜４０ＹＢの検出信号のうちのビート信号の割合は低下しない。従って、それらの検出信号を用いて高いＳＮ比で高精度に第１部材６と第２部材７との相対移動量を計測できる。
【００４５】
次に、図３（Ａ）の配置において、図４（Ｂ）に示すように、干渉計部１５Ｘに対して回折格子１２の格子パターン面１２ｂがＹ軸に平行な軸の回りに角度εだけ反時計回りに変化した場合を想定する。このとき、計測光ＭＸの格子パターン面１２ｂに対する入射角はεであり、＋１次回折光ＤＸ１の回折角を（φｘ＋δφｘ）とすると、以下の関係が成立する。
【００４６】
sin(φｘ＋δφｘ)−sinε＝λ／ｐ  …（４）
ここで、ε及びδφｘが微少量であるとすると、sin(φｘ)の微分はcos(φｘ)であるため、式（４）は次のようになる。
sin(φｘ)＋cos(φｘ)・δφｘ−ε＝λ／ｐ  …（５）
式（５）において、式（１）よりsin(φｘ)がλ／ｐであることを考慮すると、次式が得られる。
【００４７】
δφｘ＝ε／cos(φｘ) …（６）
また、格子パターン面１２ｂが角度εだけ傾斜したときの回折格子１２からの＋１次回折光ＤＸ１の光路Ｂ２２の角度の変化量δφは、次のようになる。
δφ＝｛１＋１／cos(φｘ)｝ε  …（７）
また、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２における振れ角δの入射角ｉに関する変化率（ｄδ／ｄｉ）は、式（３）で示したようにcos(φｘ）であるため、ルーフプリズム２６ＸＡを通過した回折光ＤＸ１の光路Ｂ２３の角度の変化量δε１は、次のようになる。
【００４８】
δε１＝δφ・cos(φｘ）＝｛cos(φｘ)＋１｝ε  …（８）
そして、格子パターン面１２ｂは角度εだけ傾斜しているため、ルーフプリズム２６ＸＡ等から格子パターン面１２ｂに入射する回折光ＤＸ１の入射角δεは次のようになる。
δε＝ε・cos(φｘ）  …（９）
回折光ＤＸ１が再び回折格子１２に入射角δεで入射すると、回折光ＤＸ１による回折格子１２からの＋１次回折光ＥＸ１（再回折光）の回折角の変化量δφ１は、式（６）から次のようになる。
【００４９】
δφ１＝ε  …（１０）
これは、回折光ＥＸ１の回折角の変化量δφ１は格子パターン面１２ｂの傾斜角εに等しいこと、すなわち回折光ＥＸ１の光路Ｂ２４は、格子パターン面１２ｂが傾斜する前の光路に平行であることを意味する。また、回折光ＥＸ１の光路Ｂ２４の横シフトも生じていない。このため、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１とをＰＢＳ面Ａ２で同軸に合成して干渉光を生成したとき、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１との相対的な傾きのずれ及び相対的な横ずれ量がないため、その干渉光を光電変換したときに得られる検出信号のうちの交流信号（ビート信号又は信号成分）の割合が低下することがない。これは、Ｘ軸の−１次回折光ＥＸ２でも同様である。
【００５０】
また、回折格子１２の格子パターン１２ｂがＸ軸に平行な軸の回りに傾斜した場合にも、同様にＹ軸の±１次回折光ＥＹ１，ＥＹ２の光路の傾斜角のずれ及び横シフトは生じないため、図１の光電センサ４０ＸＡ〜４０ＹＢの検出信号のうちのビート信号の割合は低下しない。従って、それらの検出信号を用いて高いＳＮ比で高精度に第１部材６と第２部材７との相対移動量を計測できる。なお、回折格子１２の格子パターン１２ｂがＸ軸（又はＹ軸）に平行な軸の回りに傾斜した場合に、Ｘ軸の検出信号（又はＹ軸の検出信号）に対する影響は実質的にない。
【００５１】
なお、以上の説明では回折格子１２側が検出ヘッド１４（干渉計部１５Ｘ，１５Ｙ）に対して傾斜するものとしたが、計測光ＭＸ，ＭＹの回折格子１２に対する入射角が０からＸ方向及び／又はＹ方向に微少量変化した場合にも、同様に回折光ＥＸ１〜ＥＹ２の光路の傾斜及び横シフトが生じないため、高いＳＮ比で高精度に第１部材６と第２部材７との相対移動量を計測できる。
【００５２】
上述のように本実施形態のエンコーダ１０（エンコーダ装置）は、第１部材６に対して少なくともＸ方向（第１方向）に相対移動可能な第２部材７の相対移動量を計測するエンコーダ装置である。そして、エンコーダ１０は、第１部材６に設けられ、少なくともＸ方向を周期方向とする格子パターン１２ａを有する反射型の回折格子１２と、レーザ光源１６（光源）からの光を互いに偏光状態の異なる計測光ＭＸと参照光ＲＸ１，ＲＸ２とに分岐する分岐部３２Ｘと、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸを格子パターン１２ａに入射させるＰＢＳ部材２４Ｘ（第１光学部材）と、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸによる格子パターン１２ａからの回折光ＥＸ１，ＥＸ２をＰＢＳ部材２４Ｘに入射させる回折光偏向部材２５Ｘ（第２光学部材）と、を備えている。そして、分岐部３２ＸからＰＢＳ部材２４Ｘに入射する参照光ＲＸ１，ＲＸ２と、回折光偏向部材２５ＸからＰＢＳ部材２４Ｘに入射する回折光ＥＸ１，ＥＸ２とは、ＰＢＳ部材２４Ｘで重ね合わされる、即ち同軸に合成（合波）されて検出される。
【００５３】
また、エンコーダ１０を用いる計測方法は、図１１のフローチャートに示すように、第１部材６と第２部材７との相対移動量を計測する方法であって、第１部材６に設けられ、少なくともＸ方向を周期方向とする格子パターン１２ａを有する反射型の回折格子１２の格子パターン面１２ｂに概ね垂直に、第２部材７に設けられたＰＢＳ部材２４Ｘを介して計測光ＭＸを入射させるとともに、参照光ＲＸ１，ＲＸ２を格子パターン面１２ｂに概ね平行に射出するステップ３０２と、第２部材７に設けられたルーフプリズム２６ＸＡ等の第１の偏向部により、計測光ＭＸによって回折格子１２からＸ方向に関して発生する＋１次回折光ＤＸ１を回折格子１２に入射させ、回折光ＤＸ１によって回折格子１２から発生する＋１次回折光ＥＸ１をＰＢＳ部材２４Ｘに入射させるステップ３０４と、第２部材７に設けられたルーフプリズム２６ＸＢ等の第２の偏向部により、計測光ＭＸによって回折格子１２からＸ方向に関して発生する−１次回折光ＤＸ２を回折格子１２に入射させ、回折光ＤＸ２によって回折格子１２から発生する−１次回折光ＥＸ２をＰＢＳ部材２４Ｘに入射させるステップ３０６と、ＰＢＳ部材２４Ｘにおいて、回折光ＥＸ１，ＥＸ２と参照光ＲＸ１，ＲＸ２とを重ね合わせるステップ３０８と、回折光ＥＸ１，ＥＸ２と参照光ＲＸ１，ＲＸ２との干渉光をそれぞれ検出し、この検出結果より第１部材６と第２部材７との相対移動量を求めるステップ３１０と、を含んでいる。
【００５４】
本実施形態によれば、計測光ＭＸを回折格子１２の格子パターン１２ａに入射させるＰＢＳ部材２４Ｘが、参照光ＲＸ１，ＲＸ２と回折光ＥＸ１，ＥＸ２とを重ね合わせる部材を兼用しているため、光学系が簡素化できる。
さらに、エンコーダ１０は、ＰＢＳ部材２４Ｘで重ね合わされた光（回折光ＥＸ１，ＥＸ２及び参照光ＲＸ１，ＲＸ２）を光電検出する光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢ（光電検出器）、及び光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号を用いて第１部材６と第２部材７との相対移動量を求める計測演算部４２（計測部）を備えているため、第１部材６と第２部材７との相対移動量を高精度に求めることができる。
【００５５】
さらに、回折光偏向部材２５Ｘによって、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が回折格子１２に入射するときの入射角をほぼ０にする場合には、第１部材６と第２部材７との相対位置が変化して、ＰＢＳ部材２４Ｘ（検出ヘッド１４）に対する回折格子１２の格子パターン面１２ｂの相対的な高さ（Ｚ方向の位置）が変化しても、回折光ＤＸ１，ＤＸ２による回折格子１２からの回折光ＥＸ１，ＥＸ２（再回折光）の光路の変動がほとんどなくなり、回折光ＥＸ１，ＥＸ２と参照光ＲＸ１，ＲＸ２との横方向の相対的なシフト量がほぼ０になる。従って、回折格子１２の格子パターン面１２ｂの高さの変化に対して干渉光のビート信号（位置情報を含む信号）の強度の低下がなくなり、第１部材６と第２部材７との相対移動量の計測精度を高く維持できる。また、仮に第１部材６と第２部材７とのＸ方向、Ｙ方向の相対位置が固定されている場合には、光電センサ４０ＸＡの検出信号から第１部材６と第２部材７とのＺ方向の相対移動量を計測できる。
【００５６】
さらに、エンコーダ１０は、ＰＢＳ部材２４Ｙにより回折格子１２に垂直に（概ね垂直に）計測光ＭＹを入射させ、回折格子１２から計測光ＭＹによってＹ方向に発生する±１次回折光ＤＹ１，ＤＹ２を入射角がほぼ０で回折格子１２に入射させる反射部２５ＹＡ，２５ＹＢと、回折格子１２から回折光ＤＹ１，ＤＹ２によって発生する±１次回折光ＥＹ１，ＥＸ２と参照光ＲＹ１，ＲＹ２との干渉光を検出する光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢと、を備えている。このため、回折格子１２の格子パターン面１２ｂの相対的な高さが変化しても、光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢの検出信号から、第１部材６と第２部材７とのＹ方向の相対移動量を高精度に計測できる。
【００５７】
また、ルーフプリズム２６ＸＡ（第１の偏向部）の回折光ＤＸ１及びＥＸ１の入射面に付加部材２８ＸＡによって段差が設けられ、反射部材３０Ｘの部材３０ＸＡ，３０ＸＢの反射面に段差が設けられているため、回折光ＥＸ１のＰＢＳ面Ａ１１における入射位置を高精度に制御できる。
なお、上記の実施形態では以下のような変形が可能である。
【００５８】
上記の実施形態では２次元の回折格子１２が使用されているが、回折格子１２の代わりに例えばＸ方向にのみ周期性を持つ１次元の回折格子を使用してもよい。この場合、検出ヘッド１４からは、Ｙ軸の干渉計部１５Ｙ及び光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢ等を省略し、光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号を用いて第１部材６と第２部材７とのＸ方向及びＺ方向の相対移動量を計測できる。また、回折格子の周期方向（ピッチ方向）は、Ｘ方向又はＹ方向と非平行であってもよい。例えば周期方向がＸ方向に対して４５度をなす方向や、Ｘ方向又はＹ方向に対して数mrad程度傾いた方向であってもよい。
また、回折格子１２から１回目の回折で発生する回折光ＤＸ１，ＤＸ２をそれぞれ参照光ＲＸ１，ＲＸ２と重ね合わせて検出してもよい。
【００５９】
また、上記の実施形態では、回折光ＥＸ１〜ＥＹ２と参照光ＲＸ１〜ＲＹ２との干渉光を検出しているが、例えばＸ軸の第１の周波数の計測光の＋１次回折光ＥＸ１と第２の周波数の計測光（上記の実施形態では参照光として使用されていた光）の−１次回折光ＥＸ２との干渉光、及びＹ軸の第１の周波数の計測光の＋１次回折光ＥＹ１と第２の周波数の計測光の−１次回折光ＥＹ２との干渉光を検出してもよい。この場合には、第１部材６と第２部材７とのＸ方向、Ｙ方向の相対移動量を計測できるとともに、回折格子１２の格子パターン面１２ｂの相対的な高さが変動しても、２つの回折光の横ずれがないため、常に高いＳＮ比で高精度に計測を行うことができる。
【００６０】
次に、上記の実施形態では、回折格子１２から発生する回折光ＤＸ１，ＥＸ１はそれぞれルーフプリズム２６ＸＡを介して反射部材２８ＸＡ，３０ＸＡに入射している。しかしながら、図５（Ａ）の変形例のＸ軸の干渉計部１５ＸＡの要部で示すように、ルーフプリズム２６ＸＡの代わりに、直交する反射面Ａ３３，Ａ３４を有するルーフミラー４４ＸＡ（図５（Ｂ）参照）及び頂角α３の楔形プリズム４６ＸＡを使用してもよい。この場合には、ルーフプリズム２６ＸＢの代わりに、ルーフミラー４４ＸＢ及び楔形プリズム４６ＸＢを使用してもよい。さらに、反射部材３０Ｘの代わりに、４個の直角プリズム側の反射部材４７ＸＡ，４７ＸＢ及び４８ＸＡ，４８ＸＢを使用してもよい。ルーフミラー４４ＸＡ，４４ＸＢを使用することによって、干渉計部１５ＸＡの回折光偏向部材２５ＸＡが軽量化できる場合がある。なお、楔形プリズム４６ＸＡ，４６ＸＢは省略してもよい。同様に、反射部材２８ＸＡ，３０ＸＡ等として、平面ミラーを使用してもよい。
【００６１】
また、上述の実施形態において、Ｘ方向（第１方向）と直交するＹ方向（第２方向）を含む面に関して、反射部材３０Ｘの反射面Ａ１８（第３面）とルーフプリズム２６ＸＢの反射面Ａ２４（第５反射面）とを互いに逆側に配置してもよい。
さらに、反射部材３０Ｘの反射面Ａ１６（第７反射面）及び反射面Ａ２６（第８反射面）をＹ方向に沿って配置してもよい。
また、図６（Ｂ）に示すように、格子パターン１２ａにおいて計測光ＭＸが入射する位置と、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が入射する位置とを、Ｙ方向（非計測方向）に沿った直線上にしてもよい。
【００６２】
以下、図６及び図７を参照して説明する。図６（Ａ）は、図１中の干渉計部１５ＸのＰＢＳ部材２４ＸＢ及び回折光偏向部材２５ＸＢを示す図である。また、図６（Ｂ）は、格子パターン１２ａにおいて計測光ＭＸが入射する位置と、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が入射する位置とを示す図である。また、図７（Ａ）は、図６（Ａ）の上面図であり、図７（Ｂ）は、図６（Ａ）の側面図である。なお、図６及び図７において、図１〜図５と同じ機能を有する部材には同じ符号を付してある。
【００６３】
図６（Ａ）において、ＰＢＳ部材２４ＸＢは、ＸＹ面に対してＸ軸の回りに４５°で傾斜したＰＢＳ面Ａ１１と、ＸＹ面に平行な２面と、ＹＺ面に平行な２面と、ＺＸ面に平行な１面との５面で囲まれた四角柱形状である。回折光偏向部材２５ＸＢのルーフプリズム２６ＸＡおよび回折光偏向部材２５ＸＢのループプリズム２６ＸＢは、図１〜図５に示した第１実施形態と同様の構成であるため、説明を省略する。
【００６４】
以下、図６（Ａ）、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）を参照して光路を説明する。図１に示した分岐部３２Ｘから射出された計測光ＭＸは、ＰＢＳ面Ａ１１に対するＳ偏光として−Ｙ方向に向けてＰＢＳ面Ａ１１に入射してＰＢＳ面Ａ１１でほぼ−Ｚ方向に反射されて、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ｂ（格子パターン１２ａ）に垂直に（Ｚ軸に平行に）入射する。一方、分岐部３２Ｘから射出された参照光ＲＸ１，ＲＸ２はＰＢＳ面Ａ１１に対するＰ偏光としてほぼ−Ｙ方向に向けてＰＢＳ面Ａ１１に入射してＰＢＳ面Ａ１１を透過する。ここで、第１実施形態と同様に、計測光ＭＸは、Ｚ軸に平行な軸に対してＸ方向（θｙ方向）及び／又はＹ方向（θｘ方向）に例えば０．５〜１．５°程度傾斜させて格子パターン面１２ｂに概ね垂直に入射させてもよい。
【００６５】
本例において、垂直に回折格子１２の格子パターン面１２ｂに入射する計測光ＭＸによって、Ｘ方向に対称に±１次回折光ＤＸ１，ＤＸ２が発生する。発生した回折光ＤＸ１はルーフプリズム２６ＸＡの入射面に入射し、回折光ＤＸ２はルーフプリズム２６ＸＢの入射面に入射する。＋１次回折光ＤＸ１は、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２及び反射面Ａ１３，Ａ１４を介して＋Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に−Ｘ方向に向けて射出面Ａ１５を介して、反射部材５０Ｘに入射する。
【００６６】
この反射部材５０Ｘは、互いに直交する反射面Ａ３１，Ａ４１を有するＶ字形状の反射部材５１Ｘと、当該反射部材５１Ｘの反射面Ａ３１の一部分に当接し且つ反射面Ａ３２を有する平行平面板状の反射部材５１ＸＡと、反射部材５１Ｘの反射面Ａ４１の一部分に当接し且つ反射面Ａ４２を有する平行平面板状の反射部材５１ＸＢとを有している。ここで、反射部材５０Ｘの２つの反射面Ａ３１，Ａ４１の稜線は−Ｚ方向側に向けられており、各反射面Ａ３１，Ａ４１は、ＸＹ面に対して角度±４５度で傾斜している。
【００６７】
そして、反射部材５１Ｘの反射面Ａ３１で反射された回折光ＤＸ１は、ＰＢＳ部材２４ＸＢの＋Ｙ方向側を通過して回折格子１２の格子パターン面１２ｂに概ね垂直に入射する。また、−１次回折光ＤＸ２は、ルーフプリズム２６ＸＢの反射面Ａ２３，Ａ２４等を介して−Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に＋Ｘ方向に向けて反射部材５１Ｘに入射し、反射部材５１Ｘの反射面Ａ４１で反射された回折光ＤＸ２は、ＰＢＳ部材２４ＸＢにおけるＰＢＳ面Ａ１１の−Ｙ方向側を通過して、回折格子１２の格子パターン１２ａに概ね垂直に入射する。
【００６８】
図２（Ｂ）に示すように、格子パターン１２ａにおいて計測光ＭＸが入射する位置に対して、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が入射する位置は、Ｙ方向に対称に間隔ｂ１だけシフトしている。間隔ｂ１は、ＰＢＳ部材２４ＸのＹ方向の幅のほぼ１／３である。このような配置で計測光ＭＸ及び回折光ＤＸ１，ＤＸ２を回折格子１２に入射させることで、干渉計部１５Ｘの構成を小型化できる。ただし、間隔ｂ１は任意である。また、回折光ＤＸ１，ＤＸ２の入射位置はほぼ計測光ＭＸの入射位置をＹ方向に挟むように配置されていればよい。
【００６９】
反射部材５１Ｘで反射された回折光ＤＸ１，ＤＸ２によって回折格子１２からＸ方向に対称に＋１次回折光ＥＸ１及び−１次回折光ＥＸ２（再回折光）が発生し、発生した回折光ＥＸ１は、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２及び反射面Ａ１４，Ａ１３を介して−Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に−Ｘ方向に向けて反射部材５１ＸＡに入射する。そして、反射部材５１ＸＡの反射面Ａ３２で反射されたＳ偏光の回折光ＥＸ１は、ＰＢＳ部材２４ＸＢのＰＢＳ面Ａ１１で反射されてほぼ−Ｙ方向にＰＢＳ部材２４ＸＢから射出される。そして、回折光ＥＸ２は、ルーフプリズム２６ＸＢの入射面及び反射面Ａ２３，Ａ２４を介して＋Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に＋Ｘ方向に向けて反射部材５１ＸＢに入射する。そして、反射部材５１ＸＢの反射面Ａ４２で反射されたＳ偏光の回折光ＥＸ２は、ＰＢＳ面Ａ１１で反射されてほぼ−Ｙ方向にＰＢＳ部材２４Ｘから射出される。
【００７０】
ここで、回折光ＥＸ１は第１参照光ＲＸ１と重ね合わせられて（同軸に合成又は合波されて）−Ｙ方向にＰＢＳ部材２４ＸＢから射出される。これと対称に、回折光ＥＸ２は、第２参照光ＲＸ２と重ね合わせられて（同軸に合成又は合波されて）−Ｙ方向にＰＢＳ部材２４ＸＢから射出される。
ＰＢＳ部材２４ＸＢから射出される回折光ＥＸ１，ＥＸ２並びに第１及び第２参照光ＷＸ１，ＲＸ２は、上述の第１実施形態と同様の光路を進行するため、ここでは説明を省略する。
【００７１】
この図６及び図７の例においても、計測光ＭＸを回折格子１２の格子パターン１２ａに入射させるＰＢＳ部材２４ＸＢが、参照光ＲＸ１，ＲＸ２と回折光ＥＸ１，ＥＸ２とを重ね合わせる部材を兼用しているため、光学系が簡素化できる。
また、計測光ＭＸが入射する位置と、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が入射する位置とが計測方向（Ｘ方向）において同じ位置であるため、回折格子１２の格子パターン面の面精度に起因する計測精度の劣化を低減できる。
【００７２】
なお、この図６及び図７の例における反射部材５０Ｘの代わりに、それぞれ直交する２つの表面反射面を有する３つのプリズム状の部材で反射部材を構成してもよい。この場合、３つのプリズム状の部材のうち最も大型のプリズム部材を挟んで、２つの小型のプリズム部材が配置される。
また、図６及び図７の例において、第１実施形態と同様に、ルーフプリズム２６ＸＡ，２６ＸＢの底面の−Ｙ方向の半面を覆うように固定された平行平板状の付加部材２８ＸＡ，２８ＸＢを設ける構成としてもよい。
【００７３】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態につき図８〜図１０を参照して説明する。図８は、この実施形態に係るエンコーダ装置を備えた露光装置ＥＸの概略構成を示す。露光装置ＥＸは、スキャニングステッパーよりなる走査露光型の投影露光装置である。露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬ（投影ユニットＰＵ）を備えており、以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する面（ほぼ水平面に平行な面）内でレチクルＲとウエハＷとが相対走査される方向にＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向にＸ軸を取って説明する。
【００７４】
露光装置ＥＸは、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示される照明系１１０、及び照明系１１０からの露光用の照明光（露光光）ＩＬ（例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波など）により照明されるレチクルＲ（マスク）を保持するレチクルステージＲＳＴを備えている。さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）に投射する投影光学系ＰＬを含む投影ユニットＰＵ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴを含むステージ装置１９５、及び制御系等（図１０参照）を備えている。
【００７５】
レチクルＲはレチクルステージＲＳＴの上面に真空吸着等により保持され、レチクルＲのパターン面（下面）には、回路パターンなどが形成されている。レチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含む図１０のレチクルステージ駆動系１１１によって、ＸＹ平面内で微少駆動可能であると共に、走査方向（Ｙ方向）に指定された走査速度で駆動可能である。
【００７６】
レチクルステージＲＳＴの移動面内の位置情報（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）は、レーザ干渉計よりなるレチクル干渉計１１６によって、移動鏡１１５（又は鏡面加工されたステージ端面）を介して例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計１１６の計測値は、図８のコンピュータよりなる主制御装置１２０に送られる。主制御装置１２０は、その計測値に基づいてレチクルステージ駆動系１１１を制御することで、レチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。
【００７７】
図８において、レチクルステージＲＳＴの下方に配置された投影ユニットＰＵは、鏡筒１４０と、鏡筒１４０内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子を有する投影光学系ＰＬとを含む。投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。照明系１１０からの照明光ＩＬによってレチクルＲの照明領域ＩＡＲが照明されると、レチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介して照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの像が、ウエハ（半導体ウエハ）Ｗの一つのショット領域の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。
【００７８】
また、露光装置ＥＸは、液浸法を適用した露光を行うため、投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子である先端レンズ１９１を保持する鏡筒１４０の下端部の周囲を取り囲むように、局所液浸装置１０８の一部を構成するノズルユニット１３２が設けられている。ノズルユニット１３２は、露光用の液体Ｌｑ（例えば純水）を供給するための供給管１３１Ａ及び回収管１３１Ｂを介して、液体供給装置１８６及び液体回収装置１８９（図１０参照）に接続されている。なお、液浸タイプの露光装置としない場合には、上記の局所液浸装置１０８は設けなくともよい。
【００７９】
また、ウエハステージＷＳＴは、不図示の複数の例えば真空予圧型空気静圧軸受（エアパッド）を介して、ベース盤１１２のＸＹ面に平行な上面１１２ａに非接触で支持されている。ウエハステージＷＳＴは、例えば平面モータ、又は直交する２組のリニアモータを含むステージ駆動系１２４（図１０参照）によってＸ方向及びＹ方向に駆動可能である。露光装置ＥＸは、レチクルＲのアライメントを行う空間像計測系（不図示）、ウエハＷのアライメントを行うアライメント系ＡＬ（図８参照）、照射系９０ａ及び受光系９０ｂよりなりウエハＷの表面の複数箇所のＺ位置を計測する斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ９０（図１０参照）、及びウエハステージＷＳＴの位置情報を計測するためのエンコーダ装置８Ｂを備えている。
【００８０】
ウエハステージＷＳＴは、Ｘ方向、Ｙ方向に駆動されるステージ本体１９１と、ステージ本体１９１上に搭載されたウエハテーブルＷＴＢと、ステージ本体１９１内に設けられて、ステージ本体１９１に対するウエハテーブルＷＴＢ（ウエハＷ）のＺ方向の位置、及びθｘ方向、θｙ方向のチルト角を相対的に微小駆動するＺ・レベリング機構とを備えている。ウエハテーブルＷＴＢの中央の上部には、ウエハＷを真空吸着等によってほぼＸＹ平面に平行な吸着面上に保持するウエハホルダ（不図示）が設けられている。
【００８１】
また、ウエハテーブルＷＴＢの上面には、ウエハホルダ上に載置されるウエハの表面とほぼ同一面となる、液体Ｌｑに対して撥液化処理された表面（又は保護部材）を有し、かつ外形（輪郭）が矩形でその中央部にウエハホルダ（ウエハの載置領域）よりも一回り大きな円形の開口が形成された高平面度の平板状のプレート体１２８が設けられている。
なお、上述の局所液浸装置１０８を設けたいわゆる液浸型の露光装置の構成にあっては、さらにプレート体１２８は、図９のウエハテーブルＷＴＢ（ウエハステージＷＳＴ）の平面図に示されるように、その円形の開口を囲む、外形（輪郭）が矩形の表面に撥液化処理が施されたプレート部（撥液板）１２８ａと、プレート部１２８ａを囲む周辺部１２８ｅとを有する。周辺部１２８ｅの上面に、プレート部１２８ａをＹ方向に挟むようにＸ方向に細長い１対の２次元の回折格子１２Ａ，１２Ｂが配置され、プレート部１２８ａをＸ方向に挟むようにＹ方向に細長い１対の２次元の回折格子１２Ｃ，１２Ｄが配置されている。回折格子１２Ａ〜１２Ｄは、図１の回折格子１２と同様にＸ方向、Ｙ方向を周期方向とする２次元の格子パターンが形成された反射型の回折格子である。
【００８２】
また、図８において、投影ユニットＰＵを支持するフレーム（不図示）に連結部材（不図示）を介してＸＹ面にほぼ平行な平板状の計測フレーム１５０が支持されている。計測フレーム１５０の底面に、投影光学系ＰＬをＸ方向に挟むように、図１の３軸の検出ヘッド１４と同じ構成の複数の検出ヘッド１４が固定され、投影光学系ＰＬをＹ方向に挟むように、図１の検出ヘッド１４と同じ構成の複数の検出ヘッド１４が固定されている（図７参照）。また、複数の検出ヘッド１４にレーザ光（計測光及び参照光）を供給するための図１のレーザ光源１６と同様の一つ又は複数のレーザ光源（不図示）も備えられている。
【００８３】
図９において、投影光学系ＰＬからの照明光でウエハＷを露光している期間では、常にＹ方向の一列Ａ１内の複数の検出ヘッド１４のいずれか２つが回折格子１２Ａ，１２Ｂに対向し、Ｘ方向の一行Ａ２の複数の検出ヘッド１４のいずれか２つが回折格子１２Ｃ，１２Ｄに対向するように構成されている。一列Ａ１内の各検出ヘッド１４は、回折格子１２Ａ又は１２Ｂに計測光を照射し、回折格子１２Ａ，１２Ｂから発生する回折光と参照光との干渉光の検出信号を対応する計測演算部４２（図１０参照）に供給する。これらの計測演算部４２では、図１の計測演算部４２と同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めてそれぞれ計測値を切り替え部８０Ａに供給する。計測値切り替え部８０Ａでは、回折格子１２Ａ，１２Ｂに対向している検出ヘッド１４に対応する計測演算部４２から供給される相対位置の情報を主制御装置１２０に供給する。
【００８４】
また、一行Ａ２に対応する各検出ヘッド１４は、回折格子１２Ｃ又は１２Ｄに計測光を照射し、回折格子１２Ｃ，１２Ｄから発生する回折光と参照光との干渉光の検出信号を対応する計測演算部４２（図１０参照）に供給する。これらの計測演算部４２では、図１の計測演算部４２と同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めて計測値切り替え部８０Ｂに供給する。計測値切り替え部８０Ｂでは、回折格子１２Ｃ，１２Ｄに対向している検出ヘッド１４に対応する計測演算部４２から供給される相対位置の情報を主制御装置１２０に供給する。
【００８５】
一列Ａ１内の複数の検出ヘッド１４、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２、及び回折格子１２Ａ，１２Ｂから３軸のエンコーダ１０Ａが構成され、一行Ａ２内の複数の検出ヘッド１４、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２、及び回折格子１２Ｃ，１２Ｄから３軸のエンコーダ１０Ｂが構成されている。そして、３軸のエンコーダ１０Ａ，１０Ｂ、及び計測値切り替え部８０Ａ，８０Ｂからエンコーダ装置８Ｂが構成されている。主制御装置１２０は、エンコーダ装置８Ｂから供給される相対位置の情報に基づいて、計測フレーム１５０（投影光学系ＰＬ）に対するウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置、及びθｚ方向の回転角等の情報を求め、この情報に基づいてステージ駆動系１２４を介してウエハステージＷＳＴを駆動する。
【００８６】
そして、露光装置ＥＸの露光時には、先ずレチクルＲ及びウエハＷのアライメントが行われる。その後、レチクルＲへの照明光ＩＬの照射を開始して、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲのパターンの一部の像をウエハＷの表面の一つのショット領域に投影しつつ、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとを投影光学系ＰＬの投影倍率βを速度比としてＹ方向に同期して移動（同期走査）する走査露光動作によって、そのショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。その後、ウエハステージＷＳＴを介してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作と、上記の走査露光動作とを繰り返すことによって、液浸法でかつステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの全部のショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。
【００８７】
この際に、エンコーダ装置８Ｂの検出ヘッド１４においては、計測光及び回折光の光路長はレーザ干渉計に比べて短いため、検出ヘッド１４を用いた計測値に対する空気揺らぎの影響が非常に小さい。従って、本実施形態のエンコーダ装置８Ｂは、レーザ干渉計と比較して、空気が揺らぐ程度の短い期間における計測安定性（短期安定性）が格段に優れているため、レチクルＲのパターン像をウエハＷに高精度に転写できる。さらに、検出ヘッド１４は回折格子１２Ａ〜１２ＤのＺ位置が変化しても常に高いＳＮ比で相対移動量の上方を含む信号を検出できるため、常に高精度にウエハステージＷＳＴを駆動できる。
【００８８】
なお、本実施形態では、計測フレーム１５０側に検出ヘッド１４を配置し、ウエハステージＷＳＴ側に回折格子１２Ａ〜１２Ｄを配置している。この他の構成として、計測フレーム１５０側に回折格子１２Ａ〜１２Ｄを配置し、ウエハステージＷＳＴ側に検出ヘッド１４を配置してもよい。また、ウエハステージＷＳＴの裏面に回折格子１２Ａ〜１２Ｄを配置し、ウエハステージＷＳＴよりも定盤側に検出ヘッド１４を配置してもよい。
【００８９】
また、レチクルステージＲＳＴの位置情報を求める際に、レチクル干渉計１１６の代わりに、又はこれと併用して本実施形態で説明したエンコーダを用いるようにしてもよい。
また、上記の実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（又はマイクロデバイス）を製造する場合、電子デバイスは、図１２に示すように、電子デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたレチクル（マスク）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造してレジストを塗布するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置（露光方法）によりレチクルのパターンを基板（感光基板）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。
【００９０】
言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施例の露光装置ＥＸ（露光方法）を用いてレチクルのパターンの像を基板（ウエハ）に転写し、その基板を現像するリソグラフィ工程と、そのパターンの像が転写されたその基板をそのパターンの像に基づいて加工する工程（ステップ２２４のエッチング等）とを含んでいる。この際に、上記の実施例によれば、露光装置のウエハステージＷＳＴの位置を高精度に制御できるため、電子デバイスを高精度に製造できる。
【００９１】
なお、上述した第１実施形態において、反射部材３０Ｘを、互いに直交する反射面を有するＶ字形状の反射部材と、当該反射部材の反射面の一部分に当接し且つ表面反射面を有する２つの平行平面板状の反射部材で構成してもよい。
また、上記の実施形態のエンコーダ１０は、露光装置以外の検査装置又は計測装置等の検査又は加工対象の物体用の光学系（レーザ光を集光する光学系等）と、その物体を移動する移動装置（ステージ等）とを備えた光学装置において、その移動装置（物体）の例えばその光学系に対する相対移動量を計測するために適用することができる。また、被加工物を移動させる移動装置（ステージ等）を備えたＮＣ工作機械における被加工物の移動量を計測するために適用することもできる。
【００９２】
なお、上記の実施形態においては、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置を例に挙げて説明しているが、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置のエンコーダにも本発明を適用することができる。
また、照明光ＩＬは、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）に限らず、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）などの紫外光や、Ｆ2レーザ光（波長１５７ｎｍ）などの真空紫外光であっても良い。例えば米国特許第７,０２３,６１０号明細書に開示されているように、真空紫外光としてＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（又はエルビウムとイッテルビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いても良い。
【００９３】
また、電子線又はイオンビームなどの荷電粒子線を用いる露光装置にも、上記実施形態は適用できる。
また、上述の実施形態においては、光透過性の基板上に所定の遮光パターン（又は位相パターン・減光パターン）を形成した光透過型マスク（レチクル）を用いたが、このレチクルに代えて、例えば米国特許第６，７７８，２５７号明細書に開示されているように、露光すべきパターンの電子データに基づいて、透過パターン又は反射パターン、あるいは発光パターンを形成する電子マスク（可変成形マスク、アクティブマスク、あるいはイメージジェネレータとも呼ばれ、例えば非発光型画像表示素子（空間光変調器）の一種であるＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などを含む）を用いても良い。
【００９４】
さらに、例えば米国特許第６，６１１，３１６号明細書に開示されているように、２つのレチクルパターンを、投影光学系を介してウエハ上で合成し、１回のスキャン露光によってウエハ上の１つのショット領域をほぼ同時に二重露光する露光装置にも上記実施形態を適用することができる。
なお、上記実施形態でパターンを形成すべき物体（エネルギビームが照射される露光対象の物体）はウエハに限られるものでなく、ガラスプレート、セラミック基板、フィルム部材、あるいはマスクブランクスなど他の物体でも良い。
【００９５】
露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを転写する液晶用の露光装置や、有機ＥＬ、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシン及びＤＮＡチップなどを製造するための露光装置にも広く適用できる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも上記実施形態を適用できる。
【００９６】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００９７】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＭＸ，ＭＹ…計測光、ＤＸ１，ＤＹ１，ＥＸ１，ＥＹ１…＋１次回折光、ＤＸ２，ＤＹ２，ＥＸ２，ＥＹ２…−１次回折光、６…第１部材、７…第２部材、１０…エンコーダ、１２…２次元の回折格子、１４…検出ヘッド、１６…レーザ光源、２４Ｘ，２４Ｙ…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）部材、２５Ｘ，２５Ｙ…回折光偏向部材、２６ＸＡ，２６ＸＢ，２６ＹＡ，２６ＹＢ…ルーフプリズム、４０ＸＡ，４０ＸＢ，４０ＹＡ，４０ＹＢ，４０Ｃ…光電センサ、４２…計測演算部
【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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