(57)【要約】【課題】小型な移動体の変位量を高分解能で且つ高速で計測できる変位量測定装置を実現する。【解決手段】本発明の変位量測定装置は、Ａ／Ｂ相信号が入力する入力部（３０）と、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が順次所定量づつシフトした２相信号をそれぞれ発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段（３１）と、入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、入力したＡ／Ｂ相信号及び位相シフトした２相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段（３２）と、変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位量を出力する加算段（３３）とを有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相が互いにπ／２ずれた２相信号であるＡ／Ｂ相信号から移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
Ａ／Ｂ相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が順次所定量づつシフトした２相信号をそれぞれ発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したＡ／Ｂ相信号及び位相シフトした２相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位量を出力する加算段とを有することを特徴とする変位量測定装置。
【請求項２】
ｎ及びＮを２以上の整数とした場合に、位相が互いにπ／２ずれた２相信号であるＡ／Ｂ相信号を用いて、２（ｎ＋Ｎ）逓倍された移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
Ａ／Ｂ相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、ｋを式０＜ｋ＜２Ｎを満たす整数とした場合に、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が（２π／２ｎ）×（ｋ／２Ｎ）だけ順次シフトした２相信号をそれぞれ発生する（２Ｎ−１）個の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記位相シフター段の各位相シフター及び前記入力部にそれぞれ接続され、前記Ａ／Ｂ相信号及び各位相シフターから出力される位相シフトした２相信号をそれぞれ用いて変位計測演算を行う２Ｎ個の２ｎ逓倍変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記２Ｎ個の２ｎ逓倍変位計測モジュールから出力される演算結果を加算して、移動体の２（Ｎ＋ｎ）逓倍変位計測値を出力する加算段とを有することを特徴とする変位量測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の変位量測定装置において、前記数ｎを２とし、前記２ｎ逓倍変位計測モジュールを４逓倍変位量計測モジュールとした場合において、当該４逓倍変位計測モジュールは、
前記Ａ／Ｂ相信号又は位相シフターにより位相シフトされた２相信号をそれぞれ２値化して２値化信号を出力する２値化手段、前記２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、前記２値化信号並びにエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段、及び、変位弁別手段から出力されるパルス数を計数するカウンタ手段を含むことを特徴とする変位量測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載の変位量測定装置において、前記数ｎを３とし、前記２ｎ逓倍変位計測モジュールは８逓倍変位量計測モジュールとした場合において、当該８逓倍変位計測モジュールは、
前記Ａ／Ｂ相信号又は位相シフターにより位相シフトされた２相信号を２値化して２値化信号を出力する２値化手段、前記２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、前記２値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段、及び、変位弁別手段から出力されるパルス数を計数するカウンタ手段を含む第１の計測系と、
前記Ａ／Ｂ相信号をπ／４だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた２相信号を２値化して２値化信号を出力する２値化手段、２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記２値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段、及び、変位弁別手段から出力されるパルス数を計数するカウンタ手段を含む第２の計測系と、
前記第１の計測系の出力と第２の計測系の出力とを加算する加算手段とを有することを特徴とする変位量測定装置。
【請求項５】
請求項２に記載の変位量測定装置において、前記数ｎを３とし、前記２ｎ逓倍変位計測モジュールは８逓倍変位量計測モジュールとした場合において、当該８逓倍変位計測モジュールは、
前記Ａ／Ｂ相信号又は位相シフターにより位相シフトされた２相信号を２値化して２値化信号を出力する２値化手段、前記２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記２値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第１の計測系と、
前記Ａ／Ｂ相信号又は位相シフターにより位相シフトされた２相信号をπ／４だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた２相信号を２値化して２値化信号を出力する２値化手段、２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記２値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第２の計測系と、
前記第１の計測系の変位弁別手段からの出力及び第２の計測系の変位弁別手段からの出力を計数するカウンタとを有することを特徴とする変位量測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の変位量測定装置において、前記カウンタと、２つの変位弁別手段との間に第１及び第２のオアゲートが並列に配置され、第１のオアゲートは第１及び第２の計測系の変位弁別手段から出力されるアップパルスを前記カウンタに出力し、第２のオアゲートは第１及び第２の計測系の変位弁別手段から出力されるダウンパルスを前記カウンタに出力することを特徴とする変位量測定装置。  
【請求項７】
請求項４、５又は６に記載の変位量測定装置において、前記変位計測モジュールに含まれるπ／４位相シフターは、前記入力部にそれぞれ接続した２つの加算器、又は１つの加算器と１つの減算器とにより構成されることを特徴とする変位量測定装置。
【請求項８】
位相が互いにπ／２ずれた２相信号であるＡ／Ｂ相信号を用いて、１０２４逓倍された移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
Ａ／Ｂ相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が（π／４）×（１／１２８）づつ順次シフトした２相信号をそれぞれ発生する１２７個の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部又は位相シフター段の各位相シフターにそれぞれ接続され、前記Ａ／Ｂ相信号又は各位相シフターから出力される位相シフトした２相信号をそれぞれ用いて変位計測演算を行う１２８個の８逓倍変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記１２８個の８逓倍変位計測モジュールから出力される演算結果を加算して、移動体の変位計測値を出力する加算段とを有し、前記８逓倍変位計測モジュールは、
前記Ａ／Ｂ相信号又は位相シフターにより位相シフトされた２相信号を２値化して２値化信号を出力する２値化手段、前記２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記２値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第１の計測系と、
前記入力部にそれぞれ接続した２つの加算器又は１つの加算器と１つの減算器とにより構成され、前記Ａ／Ｂ相信号又は位相シフターにより位相シフトされた２相信号をπ／４だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた２相信号を２値化して２値化信号を出力する２値化手段、２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記２値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第２の計測系と、
前記第１の計測系の変位弁別手段からの出力と第２の計測系の変位弁別手段からの出力を計数するカウンタとを有することを特徴とする変位量測定装置。
【請求項９】
位相が互いにπ／２ずれた２相信号であるＡ／Ｂ相信号を出力する干渉計と、干渉計から出力されるＡ／Ｂ相信号を用いて移動体の変位量を算出する信号処理装置とを有する変位量測定装置であって、前記干渉計は、
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな第１及び第２のサブビームを形成し、第１のサブビームを移動体に向けて投射すると共に第２のサブビームを参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを合成して干渉ビームを発生する光学装置と、
第１及び第２の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光して位相が互いにπ／２ずれたＡ／Ｂ相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも１／２周期の干渉縞が形成されるように光軸に対して傾斜配置されると共に前記光検出手段の２つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の濃淡方向と一致するように設定され、
前記２つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をＰとし、ｍを正の整数とした場合、距離（２ｍ−１）Ｐ／４にほぼ等しくなるように設定され、前記信号処理装置は、
Ａ／Ｂ相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が順次所定量づつシフトした２相信号を発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したＡ／Ｂ相信号及び位相シフトした２相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位計測データを出力する加算段とを有することを特徴とする変位量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａ／Ｂ相信号を用いて移動体の変位量を高速且つ高分解能で検出できる変位量測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化に伴い、各種ステージ等の移動体の変位量をサブナノメータのオーダーで計測できる干渉計や変位計の開発が強く要請されている。例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）においては、カンチレバーを支持するステージの位置をサブナノメータの分解能で制御することが要請されている。また、カンチレバーが搭載されたステージの移動速度は１０ｍｍ／秒にわたるため、高速制御に対応できることも要請されている。
【０００３】
移動体の変位量を高精度で計測する手法としてマイケルソンの干渉計を用いてＡ／Ｂ相信号を形成し、得られたＡ／Ｂ相信号をアークタンジェント処理することにより、変位量を高分解能で算出することが既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知の光干渉計では、レーザ光源から出射したレーザビームを無偏光ビームスプリッタにより２分割して測定光と参照光を形成している。そして、測定光を移動体に向けて投射すると共に参照光を参照ミラーに向けて投射し、参照ミラー及び移動体でそれぞれ反射した反射光を合成し、干渉ビームが形成される。さらに、形成された干渉ビームを別の無偏光ビームスプリッタにより２分割し、一方の分割ビームは１／４波長板及び偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を介して測定光と参照光とに分離し、他方の分割ビームはそのまま偏光ビームスプリッタを介して参照光と測定光とに分離し、互いに位相が９０°ずれた４本のビームを形成している。そして、４本のビームを各光検出器によりそれぞれ検出し、４つの光検出器からの出力信号は信号処理装置に供給され、差分処理を経てＡ／Ｂ相信号が形成されている。
【０００４】
さらに、この既知光干渉計では、形成されたＡ／Ｂ相信号について、アークタンジェント処理が行われ、アークタンジェント処理に基づいて移動体の変位量が算出されている。
【特許文献１】特開２００６−１７０７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した既知の光干渉計では、マイケルソンの干渉計から出射した干渉光について、干渉系とは別に設けた無偏光ビームスプリッタを用いて２分割し、分割された２本の干渉ビームについてそれぞれ偏光素子と偏光ビームスプリッタを用いて位相が９０°互いにずれた４本のビームを形成し、これら４本のビームに基づいてＡ／Ｂ相信号を形成している。この既知の光干渉計では、マイケルソンの干渉計に加えて、偏光素子や偏光ビームスプリッタが必要となるため、検査ヘッドが大型化する欠点があった。一方、原子間力顕微鏡に用いられるカンチレバーが搭載されたステージの寸法は小さいため、Ａ／Ｂ相信号を検出する光学ヘッドの大きさも小さくする必要がある。従って、レーザ光源及びマイケルソンの干渉計に加えて、さらに３個のビームスプリッタと１つの１／４波長板及び４個の光検出器が搭載された検査ヘッドは寸法が大き過ぎ、カンチレバーが搭載されたステージに連結することが困難であった。従って、部品点数が少なく小型化が可能な干渉計の開発が強く要請されている。
【０００６】
上記特許文献に記載されているように、変位量を算出する方法として、Ａ／Ｂ相信号についてアークタンジェント処理を行って変位量を算出ことも可能である。しかしながら、アークタンジェント処理では、計算量が多すぎ、処理時間がかかるため高速処理の目的に適合しない欠点があった。特に、小型な移動体は高速移動するため、その変位量を高速で演算処理する必要がある。よって、アークタンジェント処理は、小型で高速移動する移動体の位置制御に整合しないものである。さらに、アークタンジェント処理では、Ｂ相信号（ｃｏｓ信号）が零になる点においてノイズの影響を受け易く動作が不安定になり、計測精度の観点より問題があった。さらに、演算処理のアルゴリズムが複雑化する問題点も指摘されている。
【０００７】
本発明の目的は、Ａ／Ｂ相信号について高速で処理することができ、高速移動する移動体の位置制御に好適な変位量測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、Ａ／Ｂ相信号から比較的簡単なアルゴリズムで変位量を測定できる変位量測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による変位量測定装置は、位相が互いにπ／２ずれた２相信号であるＡ／Ｂ相信号から移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
Ａ／Ｂ相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が順次所定量づつシフトした２相信号をそれぞれ発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したＡ／Ｂ相信号及び位相シフトした２相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位量を出力する加算段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が所定量づつ順次シフトした２相信号を並列して形成し、Ａ／Ｂ相信号及び位相シフトした複数の２相信号について変位計測処理を並行して実行しているので、高分解能の変位量測定を高速で実行することができる。
【００１０】
本発明による変位量測定装置は、ｎ及びＮを２以上の整数とした場合に、位相が互いにπ／２ずれた２相信号であるＡ／Ｂ相信号を用いて、２（ｎ＋Ｎ）逓倍された移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
Ａ／Ｂ相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、ｋを式０＜ｋ＜２Ｎを満たす整数とした場合に、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が（２π／２ｎ）×（ｋ／２Ｎ）だけ順次シフトした２相信号をそれぞれ発生する（２Ｎ−１）個の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記位相シフター段の各位相シフター及び前記入力部にそれぞれ接続され、前記Ａ／Ｂ相信号及び各位相シフターから出力される位相シフトした２相信号をそれぞれ用いて変位計測演算を行う２Ｎ個の２ｎ逓倍変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記２Ｎ個の２ｎ逓倍変位計測モジュールから出力される演算結果を加算して、移動体の２（Ｎ＋ｎ）逓倍変位計測値を出力する加算段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明による変位量測定装置の好適実施例は、８逓倍変位計測を行う変位量測定装置であって、８逓倍変位計測モジュールは、
前記Ａ／Ｂ相信号又は位相シフターにより位相シフトされた２相信号を２値化して２値化信号を出力する２値化手段、前記２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記２値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第１の計測系と、
前記Ａ／Ｂ相信号又は位相シフターにより位相シフトされた２相信号をπ／４だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた２相信号を２値化して２値化信号を出力する２値化手段、２値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記２値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第２の計測系と、
前記第１の計測系の変位弁別手段からの出力及び第２の計測系の変位弁別手段からの出力を計数するカウンタとを有することを特徴とする。
【００１２】
８逓倍変位計測は、４逓倍変位計測と比較して、位相シフターの数量が半減される利点がある。この場合において、位相シフターは４つの乗算器を用い、乗算器は大量のハードウエアを必要とするため、位相シフターの数量を半減できることはハードウエアの減量を図る上で極めて有益である。さらに、第１及び第２の変位弁別手段の出力について、オアゲートを介して単一のアップ／ダウンカウンタに供給すれば、アップ／ダウンカウンタを共用することできると共に、加算段を１段分削減することができる。この結果、ハードウエアの減量に一層有効に寄与することができる。
【００１３】
本発明による変位量測定装置の別の好適実施例は、８逓倍変位計測モジュールに含まれるπ／４位相シフターは、入力部にそれぞれ接続した２つの加算器により構成されることを特徴とする。８逓倍変位計測では、変位計測モジュールにおいて、π／４位相シフターを用いてＡ／Ｂ相信号又は位相シフトされた２相信号をπ／４位相シフトする必要がある。この場合、π／４位相シフターは４つの乗算器と２つの加算器とを含み、多くのハードウエアが必要となる。そこで、本発明では、π／４位相シフターの後段には２値化手段（コンパレータ）が直接接続されて２値化処理が実行され、振幅に対して比較的広い範囲の自由度が許容されることを考慮し、π／４位相シフターを２つの加算器又は１つの加算器と１つの減算器で構成する（段落［００４０］及び［００４１］並びに図９参照）。このように、π／４位相シフターを２つの加算器で構成すれば、ハードウエアを相当量減量することができる利点が達成される。
【００１４】
本発明の変位量測定装置は、位相が互いにπ／２ずれた２相信号であるＡ／Ｂ相信号を出力する干渉計と、干渉計から出力されるＡ／Ｂ相信号を用いて移動体の変位量を算出する信号処理装置とを有する変位量測定装置であって、前記干渉計は、
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな第１及び第２のサブビームを形成し、第１のサブビームを移動体に向けて投射すると共に第２のサブビームを参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを合成して干渉ビームを発生する光学装置と、
第１及び第２の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光して位相が互いにπ／２ずれたＡ／Ｂ相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも１周期の干渉縞が形成されるように光軸に対して傾斜配置されると共に前記光検出手段の２つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の濃淡方向と一致するように設定され、
前記２つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をＰとし、ｍを正の整数とした場合、距離（２ｍ−１）Ｐ／４にほぼ等しくなるように設定され、前記信号処理装置は、
Ａ／Ｂ相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が順次所定量づつシフトした２相信号を発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したＡ／Ｂ相信号及び位相シフトした２相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位計測データを出力する加算段とを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の変位量測定装置に用いられるＡ／Ｂ相信号を形成する干渉計は、位相が互いにπ／２ずれた２相信号であるＡ／Ｂ相信号を出力する干渉計であって、
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな測定光と参照光とを形成し、測定光を移動体に向けて投射すると共に参照光を参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを空間的に重ね合わせて干渉ビームを形成する光学装置と、
互いに離間するように配置した第１及び第２の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光してＡ／Ｂ相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも１／２周期の干渉縞が形成されるように傾斜配置され、
前記光検出手段の２つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布方向と一致するように設定され、
前記２つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をＰとし、ｍを正の整数とした場合、距離（２ｍ−１）Ｐ／４にほぼ等しいことを特徴とする。
【００１６】
マイケルソンの干渉計は、サイズが１ｃｍ四方の光学装置として設計することができる小型な干渉計である。よって、原子間力顕微鏡のカンチレバーを支持するステージのような小型な移動体の変位量を測定するのに好適である。一方、特許文献１に記載されているように、マイケルソンの干渉計に種々の光学素子や部品を取り付けたのでは、干渉計としてのサイズが大きくなり、小型な移動体の位置制御に適合しない問題が発生する。そこで、本発明では、マイケルソンの干渉計をベースとし、新たな光学素子を設けることなく、Ａ／Ｂ相信号を出力できる干渉計を実現する。本発明では、参照ミラーを光軸に対して傾斜配置し、移動体から出射した測定光と参照ミラーから出射した参照光との間に光軸と直交する方向に沿って連続的に変化する位相差を導入する。導入された位相差により、光検出手段上には濃淡の干渉縞画像が形成される。そして、干渉縞画像の濃淡方向（輝度分布方向）にそって２つの光検出素子を配置し、その離間距離は、Ｐを干渉縞の１周期とし、ｍを正の整数とした場合に、距離（２ｍ−１）Ｐ／４に等しくなるように設定する。この場合、干渉縞画像の濃淡方向にそって距離（２ｍ−１）Ｐ／４だけ離間した位置に光検出素子を配置しているので、２つの光検出素子から互いにπ／４だけ位相シフトした正弦波信号が出力される。従って、マイケルソンの干渉計に別に新たな光学部品を取り付けることなく、Ａ／Ｂ相信号を出力する干渉計が実現される。
【００１７】
本発明による干渉計の好適実施例は、光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布は、前記移動体の変位に応じて、前記２つの光検出素子の離間方向にそって変化することを特徴とする。本発明の干渉計では、移動体の変位による干渉縞の輝度分布の変化方向と光検出素子の配列方向（離間方向）とが一致するので、移動体の光軸方向の変位に応じて光検出素子上に形成される干渉縞の輝度分布も連続的に変化する。しかも、本発明では、２つの光検出素子は干渉縞の周期の１／４の距離だけ離間するので、干渉縞の輝度値を検出するだけで移動体の変位に応じたＡ／Ｂ相信号を出力することができる。従って、干渉縞の輝度値の変化を直接測定するだけで、Ａ／Ｂ相信号を出力することが可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による変位量測定装置では、入力したＡ／Ｂ相信号から位相が所定量づつ順次シフトした(２Ｎ−1)個の２相信号を並行して形成し、Ａ／Ｂ相信号及び位相が順次シフトした(２Ｎ−1)個の２相信号について変位計測処理を並行して実行しているので、高分解能の変位計測を高速で実行することができる。
さらに、本発明の干渉計では、光検出手段上に少なくとも１周期の干渉縞が形成されるように参照ミラーを光軸に対して傾斜配置すると共に、光検出手段に設けた２つの光検出素子の離間方向は干渉縞の輝度分布方向と一致させ、さらに、２つの光検出素子の離間距離は干渉縞の周期の１／４の距離に設定しているので、２つの光検出素子からの出力信号をそのまま用いて移動体の変位に対応したＡ／Ｂ相信号を発生することができる。この結果、マイケルソンの干渉計に別に新たな光学部品を取り付けることなく、Ａ／Ｂ相信号を出力する干渉計が実現される。従って、小型な干渉計が実現され、小型な移動体の変位量を測定するために好適な干渉計が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の変位量測定装置に用いられる干渉計の一例を示す図である。
【図２】光検出手段上に形成される干渉縞と２つの光検出素子との関係を示す図である。
【図３】移動体の変位方向と干渉縞の変位方向との関係を示す図である。
【図４】４逓倍変位計測を説明するための図である。
【図５】８逓倍変位計測を説明するための図である。
【図６】８逓倍変位計測モジュールの一例を示す図である。
【図７】２ｎ逓倍変位計測モジュールを用いて２（ｎ＋Ｎ）逓倍変位計測データを出力する本発明による変位量測定装置を示す図である。
【図８】本発明の位相シフターの一例を示す図である。
【図９】π／４位相シフターを２つの加算器で構成した実施例を示す図である。
【図１０】位相シフターの変形例を示す図である。
【図１１】８逓倍変位計測モジュールの変形例を示す図である。
【図１２】８逓倍変位計測を用いて１０２４逓倍変位計測を行う変位量測定装置の全体構成を示す図である。
【発明の実施するための形態】
【００２０】
図１は本発明の変位量測定装置に用いられる干渉計の一例を示す図である。本例では、ＡＦＭのカンチレバーが搭載されたステージを移動体とし、移動体の変位量に対応したＡ／Ｂ相信号を出力する。さらに、出力したＡ／Ｂ相信号を用いてステージの変位量を算出する。カンチレバーが搭載されたステージのサイズは小さいため、干渉計自体も小さくする必要がある。そこで、本発明では、マイケルソン干渉計を用いる。マイケルソンの干渉計は高々１ｃｍ四方のサイズに設計できるので、小型な移動体の変位量測定に好適である。さらに、本発明では、小型化を図る観点より、構成部品点数はできるだけ少なくする。
【００２１】
レーザ光源１からレーザビームを発生する。レーザ光源１として、例えば６３０ｎｍの波長のレーザビームを発生する半導体レーザを用いる。半導体レーザとして、移動体のストロークに対応するため、コヒーレント長の長いレーザビームを発生するＤＦＢレーザが望ましい。レーザ光源１から出射したレーザビームは、コリメータレンズ２により拡大平行光束に変換され、１／２波長板３に入射して円偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４に入射する。入射したレーザビーム中のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタを透過し、測定光として１／４波長板５に入射する。そして、１／４波長板により円偏光に変換され、変位量測定される移動体６に入射する。移動体６は矢印方向（Ｘ方向）にそって並進移動し、その移動量に対応したＡ／Ｂ相信号を出力する。
【００２２】
移動体６で反射した反射光は、１／４波長板５によりＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４に入射する。そして、偏光膜で反射し、偏光ビームスプリッタから出射し、光検出手段７に入射する。光検出手段として、本例では、２つの光検出素子（フォトダイオード素子）７ａ及び７ｂが所定の間隔だけ離間して形成された２分割フォトダイオードを用いる。尚、光検出手段７は、その光入射面が光軸と直交するように配置する。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ４に入射したレーザビームのＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタの偏光膜で反射し、１／４波長板８に入射する。そして、１／４波長板により円偏光に変換され、参照光として参照ミラー９入射する。参照ミラー９で反射した反射光は、１／４波長板８によりＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４を透過し、光検出手段７に入射する。光検出手段７上には、移動体から出射した測定光と参照ミラーから出射した参照光とが空間的に重なり合うように入射する。光検出手段７に入射した測定光及び参照光は共にコヒーレント光である。従って、光検出手段７上において、測定光と参照光とが干渉し、測定光と参照光の位相差に対応した干渉画像が形成される。
【００２４】
次に、参照ミラー９の配置形態について説明する。本発明では、参照ミラー９は、光軸に対して僅かな角度だけ傾斜するように傾斜配置し、参照ミラー９から出射する参照光のビーム中に光路長分布を形成する。本例では、図１において、参照ミラーを紙面と直交する方向に延在する軸線を中心にして微小な角度だけ回動（傾斜）させる。例えば、参照ミラーの一端９ａが光検出手段７に近づき他端９ｂが光検出手段から遠ざかるように傾斜させる。このように、参照ミラーを光軸に対して傾斜配置することにより、参照ミラーの左端９ａから右端９ｂに向く方向にそって光路長が連続的に変化する光路長差が参照光中に導入される。従って、光検出手段７上において、光路長分布（位相差分布）を含む参照光と均一な光路長の測定光とが空間的に重なり合い、光検出手段上において測定光と参照光との間の位相差分布に対応した干渉縞が形成される。尚、参照ミラー９の傾斜角度は、光検出手段上に少なくとも１／２周期の干渉縞が形成される角度とする。
【００２５】
図２は、光検出手段７上に形成される干渉画像（干渉縞）の形態を示す。図２において、干渉縞の輝度分布は、移動体の変位に応じて、矢印ａ又はｂ方向にそって周期的に変化する。尚、輝度値の変化を４段階で段階的に図示したが、実際には、輝度値は矢印ａ又はｂ方向にそって連続的になだらかに変化する。また、干渉縞の１周期をＰで示す。図２において、約１．５周期分の干渉縞を図示したが、光検出手段７上には、少なくとも１／２周期の干渉縞画像が形成されれば、十分に目的を達成することができる。２個のフォトダイオード７ａ及び７ｂは、矢印ａ及びｂで示す干渉縞の輝度分布方向にそって間隔（２ｍ−１）Ｐ／４で配置する。ここで、ｍは正の整数とする。従って、２つのフォトダイオード７ａ及び７ｂは、位相が９０°互いにずれた２相正弦波信号（ｓｉｎθ，ｃｏｓθ）、すなわちＡ／Ｂ相信号を出力する。また、移動体６が光軸方向にそって変位すると、その変位量に対応して、干渉縞も矢印ａ又はｂ方向に移動する。従って、光検出手段から移動体の変位量及び変位方向に対応したＡ／Ｂ相信号が出力され、出力されたＡ／Ｂ相信号について逓倍処理を行うことにより、移動体の変位量及び変位方向を高分解能で測定することができる。
【００２６】
図３は、移動体の変位方向と、干渉縞の輝度分布が変化する方向と、光検出素子から出力されるＡ／Ｂ相信号の変化との対応関係を示す図である。図３（Ａ）は移動体の変位方向を示し、図３（Ｂ）は干渉縞の輝度分布の変化方向を示し、図３（Ｃ）は光検出素子から出力される輝度信号と移動体の変位との関係を示す。本例では、移動体は矢印ａｂ方向（光軸方向）に沿って移動するものとする。移動体の変位に対応して測定光と参照光との間に導入される位相差が周期的に変化するため、光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布も周期的に変化する。従って、干渉縞の周期Ｐとした場合、距離Ｐ／４だけ離間した２つの光検出素子から出力される輝度信号は、互いに９０°位相がずれた正弦波状の２相信号となる。
【００２７】
次に、Ａ／Ｂ相信号を用いて移動体の変位を計測する信号処理装置について説明する。本発明では、２ｎ逓倍変位計測（ｎは２以上の整数とし、４逓倍変位計測及び８逓倍変位計測を含む）をベースとし、高分解能で且つ高速で変位計測を実行する。高分解能且つ高速の変位計測を行うため、本発明では、入力したＡ／Ｂ相信号について位相シフト処理を行い、位相が一定量づつ順次シフトした２相信号を並列して形成する。例えば、４逓倍計測モジュールを用いて１０２４逓倍の変位計測を行う場合、入力部に並列接続した（２５６−１）個の位相シフターを用い、入力したＡ／Ｂ相信号から位相量が（π／２）／２５６づつ順次シフトした２相信号を並列に発生する。或いは、８逓倍計測モジュールを用いて１０２４逓倍の変位計測を行う場合、入力部に対して並列接続した（１２８−１）個の位相シフターを用い、入力したＡ／Ｂ相信号から位相が（π／４）／１２８づつ順次シフトした２相信号を並列に発生する。続いて、入力したＡ／Ｂ相信号及び位相シフトした２相信号のそれぞれについて４逓倍又は８逓倍等の変位計測処理を実行する。続いて、２ｎ逓倍計測処理により得られた演算結果全体を加算段において加算し、移動体の変位計測値として出力する。このように、変位計測されるＡ／Ｂ相信号について位相シフトを行い、位相が所定量づつ順次シフトした２相信号を形成し、位相シフトした２相信号について２ｎ逓倍計測処理を行うことにより高分解能な変位計測を行うことが可能である。同時に、位相シフト処理及び逓倍計測処理に関して、位相シフトされた２相信号ごとに並列演算処理することにより、高速な変位計測を行うことが可能になる。この結果、高速で移動する小型な移動体の変位量を高速且つ高分解能で計測する変位量測定装置が実現される。
【００２８】
図４は２ｎ逓倍変位計測処理のベースとなる４逓倍変位計測方法を説明するための図である。図４の最上段に干渉計やリニアスケールから出力されるＡ／Ｂ相信号を示す。本発明では、干渉計から出力されるＡ／Ｂ相信号だけでなく、リニアスケールや各種計測手段から出力されるＡ／Ｂ相信号を処理の対象とすることができる。Ａ／Ｂ相信号は、正弦波状のＡ相信号と、Ａ相信号に対して位相がπ／２遅れた正弦波状のＢ相信号により構成される。Ａ／Ｂ相信号の下段に、Ａ／Ｂ相信号を２値化することにより形成されるＡ相２値化信号及びＢ相２値化信号を示す。さらに下段には、Ａ相信号のアップエッジパルス及びダウンエッジパルスと、Ｂ相信号のアップエッジパルス及びダウンエッジパルスを示す。尚、図面を明瞭にするため、Ａ相信号及びそれと関連する信号を実線で示し、Ｂ相信号及びそれと関連する信号は一点鎖線で示す。
【００２９】
図４のエッジパルス信号の右側に、変位弁別ロジックを示す。４逓倍変位計測法では、Ａ相２値化信号及びＢ相２値化信号並びにＡ相及びＢ相信号のアップエッジパルス及びダウンエッジパルスを用いて論理処理することにより、移動体の変位方向及び変位量を計測することができる。例えば、upパルス数を計数することにより正方向の変位データ量が計測され、downパルス数を計数することにより負方向の変位データ量が計測される。
【００３０】
最下段に４逓倍変位計測モジュールの構成を示す。計測処理されるＡ／Ｂ相信号は入力部１０に入力する。入力したＡ／Ｂ相信号は、２値化手段１１により２値化処理され、Ａ相及びＢ相２値化信号を発生する。これら２値化信号はエッジ検出手段１２及び変位弁別手段１３に供給する。エッジ検出手段は、Ａ相及びＢ相２値化信号について、アップエッジ及びダウンエッジを検出し、これらエッジ検出信号を変位弁別手段１３に供給する。変位弁別手段は、Ａ相及びＢ相２値化信号並びに４つのエッジ検出信号を用いて、アップパルス又はダウンパルスを形成し、これらのパルス信号をアップ／ダウンカウンタ１４に供給する。アップ／ダウンカウンタ１４は、入力したパルス数を計数し、４逓倍変位計測値として出力する。
【００３１】
次に、８逓倍変位計測について説明する。図５は８逓倍変位計測を説明するための図である。８逓倍変位計測では、位相シフターを用いて、入力したＡ／Ｂ相信号からπ／４だけ位相シフトした２相信号（π／４位相シフトしたＡ／Ｂ相信号）を形成する。そして、４逓倍変位計測と同様に、Ａ／Ｂ相信号及びπ／４だけ位相シフトした２相信号について２値化処理及びエッジ検出処理を行い、アップ／ダウンパルスを検出する。検出したアップ／ダウンパルス及び２値化信号を用いて変位弁別を行って正方向パルス又は負方向パルス数を計数し、検出したパルス数を加算して８逓倍変位計測データとして出力する。
【００３２】
図６は、８逓倍変位計測モジュールの一例を示す。８逓倍変位計測は、Ａ／Ｂ相信号について変位計測処理を行う第１の計測系と、Ａ／Ｂ相信号についてπ／4だけ位相シフトし、位相シフトされた２相信号について変位計測処理を行う第２の計測系とを有する。入力部２０に処理すべきＡ／Ｂ相信号が入力する。入力したＡ／Ｂ相信号は第１及び第２の計測系にそれぞれ供給される。第１の計測系は、２値化手段２１を有し、Ａ／Ｂ相信号について２値化処理を行って２値化信号を発生する。２値化信号は、エッジ検出手段２２及び変位弁別手段２３に供給する。エッジ検出手段２２は、Ａ相２値化信号及びＢ相２値化信号についてエッジ検出処理を行ってアップエッジ及びダウンエッジを検出する。検出されたエッジ検出信号は変位弁別手段２３に供給される。変位弁別手段２３は、Ａ相及びＢ相２値化信号並びに４つのエッジ検出信号を用いて、アップパルス又はダウンパルスを形成し、これらのパルス信号をアップ／ダウンカウンタ２４に供給する。アップ／ダウンカウンタは、入力したパルス数を計数して加算器２５に供給する。
【００３３】
第２の計測系に入力したＡ／Ｂ相信号は、π／４位相シフター２６に入力し、位相がπ／４だけシフトした２相信号（位相シフトしたＡ／Ｂ相信号）に変換される。この位相シフトした２相信号は、第１の計測系と同一の変位計測処理が行われ、アップダウンカウンタから変位に対応したパルスの計数が加算器２５に供給される。加算器２５は、第１の計測系及び第２の計測系から出力されるパルス数を加算し、８逓倍変位計測データ値として出力する。
【００３４】
図７は、２ｎ逓倍変位計測モジュールを用いて２（ｎ＋Ｎ）逓倍変位計測を実行する本発明の変位量測定装置を示す。ここで、ｎ及びＮは、２以上の整数とする。一例として、ｎ＝2とし、Ｎ＝8として、4逓倍変位計測により１０２４逓倍された変位計測データを出力する。或いはは、ｎ＝３とし、Ｎ＝７として、８逓倍変位計測により１０２４逓倍された変位計測データを出力する。Ａ／Ｂ相信号は入力部３０に入力する。入力したＡ／Ｂ相信号は、位相シフター段３１及び変位計測段３２に供給する。位相シフター段３１は、入力部３０に対して並列接続した（２Ｎ−１）個の位相シフター３１ａ〜３１（２Ｎ−１）を有する。各位相シフターは、入力したＡ／Ｂ相信号から位相が（２π／２ｎ）／Ｎづつ順次シフトした２相信号を並列して形成する。すなわち、ｋを式０＜ｋ＜２Ｎを満たす整数とした場合に、入力したＡ／Ｂ相信号から、位相が（２π／２ｎ）×（ｋ／２Ｎ）シフトした２相信号をそれぞれ同時に並行して発生する。
【００３５】
変位計測段３２は、並列配置した２Ｎ個の変位計測モジュール３２ａ〜３２（２Ｎ）を有する。第１の変位計測モジュール３２ａは入力部３０に接続し、残りの変位計測モジュール３２ｂ〜３２（２Ｎ）は位相シフター３１ａ〜３１（２Ｎ−１）にそれぞれ接続する。従って、入力したＡ／Ｂ相信号及びこのＡ／Ｂ相信号からそれぞれ位相シフトされた２相信号は、並列して変位計測処理されることになる。各位相シフターは、Ａ／Ｂ相信号及び位相が所定量づつ順次シフトした２相信号について上述した変位計測処理を実行し、その演算結果を加算段３３に出力する。加算段３３は、２Ｎ個の変位計測モジュールの演算結果を加算し、変位計測値として出力する。
【００３６】
次に、位相シフターについて説明する。Ａ／Ｂ相信号（Ａ（θ），Ｂ（θ））から位相がφだけシフトした２相信号（Ａｋ（θ），Ｂｋ（θ））は、以下の演算処理により得ることができる。
Ａｋ（θ）＝＋Ａ（θ）×ｃｏｓφ＋Ｂ（θ）×ｓｉｎφ
Ｂｋ（θ）＝−Ａ（θ）×ｓｉｎφ＋Ｂ（θ）×ｃｏｓφ
ここで、φは、４逓倍変位計測モジュールを用いる場合、φ＝ｋ・（π／２）／２５６となり、８逓倍の場合、φ＝ｋ・（π／４）／１２８となる。ここで、ｋは、４逓倍の場合式０＜ｋ＜２５６を満たす整数、８逓倍の場合式０＜ｋ＜１２８を満たす整数である。従って、ｃｏｓφ及びｓｉｎφは、２から２５５及び１２７までの整数値をとるｋの値により定まる固定値である。
【００３７】
図８は、位相シフターの一例を示す図である。本例では、位相シフターは、４つの乗算器と２つの加算器とにより構成される。入力したＡ相信号（Ａ（θ）：ｓｉｎθ）は第１及び第３の乗算器４１及び４３に供給され、Ｂ相信号（Ｂ（θ）：ｃｏｓθ）は第２及び第４の乗算器４２及び４４に供給する。ｃｏｓφの値は第１のメモリ４５に記憶され、ｓｉｎφの値は第２のメモリ４６に記憶する。尚、ｓｉｎφ及びｃｏｓφの値は、予め計算し、ｋの値にそれぞれ対応した固定値としてメモリに記憶する。ｃｏｓφの値は第１及び第４の乗算器４１及び４４に供給され、ｓｉｎφの値は第２及び第３の乗算器４２及び４３に供給される。第１の乗算器４１は、Ａ相信号Ａ（θ）とｃｏｓφとの乗算を行い、その結果を第１の加算器４７の加算入力部に供給する。第２の乗算器４２は、Ｂ相信号Ｂ（θ）とｓｉｎφとを乗算し、その結果を第１加算器４７の第２の加算入力部に供給する。第１の加算器４７は、２つの乗算結果を加算し、その加算結果をＡｋ（θ）として出力する。第３の乗算器４３は、Ａ相信号Ａ（θ）とｓｉｎφとの乗算を行い、その結果を第２の加算器（減算器）４８の減算入力部に供給する。第４の乗算器は、Ｂ相信号Ｂ（θ）とｃｏｓφとを乗算し、その結果を第２の加算器４８の加算入力部に供給する。第２の加算器４８は、２つの乗算結果を減算し、その減算結果をＢｋ（θ）として出力する。
【００３８】
本発明の位相シフターでは、４つの乗算器を用いて乗算処理を実行している。この場合、２つの変数を乗算する場合膨大な計算処理が必要であり、演算処理に長時間かかる欠点がある。これに対して、本発明では、乗算される片側の値は固定値であるため、演算処理時間が比較的短くて済み、高速処理に適合する利点がある。
【００３９】
図８に示す位相シフターは、アナログ回路として実現することが可能である。また、Ａ／Ｂ相信号をＡ／Ｄ変換することにより、デジタル信号処理することも可能である。
【００４０】
次に、位相シフターの変形例について説明する。図９は、入力したＡ／Ｂ相信号から位相をπ／４だけシフトさせる位相シフターの変形例を示す。図６に示すように、８逓倍変位計測で用いられる変位計測モジュールは、π／４位相シフターを用いてπ／４だけシフトした２相信号を形成し、位相シフトされた２相信号について２値化処理等が行われる。この場合、π／４だけシフトした２相信号を形成するためには、上述した図８に示すように、４個の乗算器と２つの加算器とが必要であり、乗算器は多大な計算量を必要とするため、高速演算の妨げとなっている。そこで、乗算器を用いず、２つ加算器だけを用いてＡ／Ｂ相信号をπ／４だけ位相シフトする位相シフターについて説明する。π／４だけ位相シフトする場合の演算式を以下に示す。
Ａｋ（θ）＝＋Ａ（θ）×ｃｏｓ４５°＋Ｂ（θ）×ｓｉｎ４５°
Ｂｋ（θ）＝−Ａ（θ）×ｓｉｎ４５°＋Ｂ（θ）×ｃｏｓ４５°
ここで、ｓｉｎ４５°＝ｃｏｓ４５°＝１／√２である。従って、上記式は、以下のように変形される。
Ａｋ（θ）＝１／√２（＋Ａ（θ）＋Ｂ（θ））
Ｂｋ（θ）＝１／√２（−Ａ（θ）＋Ｂ（θ））
【００４１】
一方、π／４位相シフターの出力は、後段に接続したコンパレータにより構成される２値化手段に供給されるので、振幅に関して比較的広い自由度がある。従って、ｓｉｎ４５°＝ｃｏｓ４５°＝１／√２＝０．７０７は、ほぼ１に等しいものとみなして信号処理することができる。従って、上記演算式は、以下のように変形することができる。
Ａπ／４（θ）＝＋Ａ（θ）＋Ｂ（θ）
Ｂπ／４（θ）＝−Ａ（θ）＋Ｂ（θ）
このように、Ａ／Ｂ相信号からπ／４だけ位相シフトした２相信号を形成するπ／４位相シフターは、２つの加算器（１つの加算器と１つの減算器）だけで構成できるので、８逓倍変位計測モジュールで用いられる位相シフター２６は２つの加算器で構成される。従って、８逓倍変位計測手段の構成を大幅に簡単化することができる。ここで、図９（Ａ）はπ／４位相シフターを２つの加算器５０ａ及び５０ｂで構成した例を示し、図９（Ｂ）は、８逓倍変位計測モジュールにおいて、π／４位相シフターを２つの加算器５０ａ及び５０ｂで構成した実施例を示す。
【００４２】
図１０は８逓倍変位計測における位相シフターの変形例を示す図である。８逓倍変位計測では、各位相シフターの位相シフト量φは、以下の範囲にある。
０＜φ＜π／４
上記範囲０＜φ＜π／４において、ｃｏｓφの値は、以下の範囲の値をとる。
０．７０７１＝１／√２＜ｃｏｓφ＜１
本発明では、位相シフターの出力は２値化手段（コンパレータ）に直接供給されるので、振幅について比較的広い自由度が適用される。従って、ｃｏｓφの値を１として演算処理することが可能である。この結果、図１０に示すように、位相シフターは、２つの乗算器と２つの加算器とが構成することができ、回路削減に効果的である。
【００４３】
図１１は、８逓倍変位計測における変位計測モジュールの変形例を示す。図６に示す変位計測モジュールとの差異は以下の通りである。第１に、Ａ／Ｂ相信号及び位相シフトされた２相信号をπ／４だけ位相シフトする位相シフターを２つの加算器５０ａ及び５０ｂで構成し、乗算器を用いない構成とする。乗算器を用いないため、ハードウエアが減量されると共に高速処理に有益である。第２に、第１の計測系と第２の計測系との間において、アップ／ダウンカウンタを共用する。第１及び第２の計測系の変位弁別手段２３ａ及び２３ｂの後段に、第１及び第２のＯＲゲート５１ａ及び５１ｂを配置する。第１のＯＲゲート５１ａには、第１及び第２の変位弁別手段から出力されるアップパルスが入力し、第２のＯＲゲート５１ｂにはダウンパルスが入力する。そして、第１及び第２のＯＲゲートの出力パルスをアップ／ダウンカウンタ５２に供給すれば、アップ／ダウンカウンタのビット数を１ビット増加するだけで、アップ／ダウンカウンタを共用することがでる。この結果、加算器も不要になり、加算段は１段分削減することができる。従って、ハードウエア量を相当減量することができる利点が達成される。
【００４４】
ここで、８逓倍変位計測の特性について説明する。各種移動体の変位量をサブナノメータのオーダーで計測し位置制御するためには、１０２４逓倍の変位計測が必要である。一方、本発明の変位量測定装置は、Ａ／Ｂ相信号から位相が所定量づつ順次シフトした２相信号を形成する位相シフター段と、Ａ／Ｂ相信号及び位相シフトされた２相信号について変位計測処理を実行する変位計測段と、変位計測モジュールの演算結果を加算する加算段とを有する。また、位相シフターは、４つの乗算器を含むため、大量のハードウエアが必要であり、演算処理に長時間必要とする。従って、ハードウエアの減量を図るためには、位相シフターの個数は少なくすることが望ましい。４逓倍モジュールを用いて１０２４逓倍の変位計測を行う場合、２５５個の位相シフターが必要である。これに対して、８逓倍モジュールを用いて１０２４逓倍の変位計測を実行する場合１２７個の位相シフターで済む。従って、ハードウエアの減量を図る観点より、８逓倍変位計測は有益な手法である。また、８逓倍変位計測モジュールは、π／４位相シフターが２つの加算器で構成できるので、処理速度及びハードウエア量は４逓倍モジュールとほぼ同等である。従って、８逓倍変位計測は、高分解能で演算処理する際に、ハードウエアを減量する観点において極めて有益な手法である。
【００４５】
図１２は８逓倍変位計測を用いて１０２４逓倍変位計測を行う変位量測定装置の全体構成を示す。Ａ／Ｂ相信号は入力部６０に入力する。入力したＡ／Ｂ相信号は、２相信号補正回路６１により振幅等が補正され、位相シフター段６２に供給される。位相シフター段は、互いに並列に接続した１２７個の位相シフターを有する。位相シフター１〜１２７は、Ａ／Ｂ相信号から（π／４）×（ｋ／１２８）だけ位相シフトした２相信号を形成する。
【００４６】
入力したＡ／Ｂ相信号及び位相シフトした２相信号は変位計測段６３に供給される。変位計測段は並列接続した１２８個の変位計測モジュールを有し、各変位計測モジュールは入力部及び位相シフターにそれぞれ接続する。これら変位計測モジュールは、図１１に示す変位計測モジュールとする。
【００４７】
変位計測モジュールの出力は加算段６４に供給する。本例では、加算段６４は、２入力型加算器をツリー構造に接続する。ツリー構造とすることにより、加算段が多重化され、高速演算が可能になる。さらに、本例では、１０２４逓倍の変位計測に際し、加算段の段数は７段である。
【００４８】
８逓倍変位計測の、４逓倍変位計測と比較した場合の利点は以下の通りである。
(1) 位相シフターの個数が半減する。これにより、ハードウエアを相当量減量することができる。
(2) 変位計測モジュールの数もほぼ半減し、ハードウエアの減量に寄与することができる。
(3) デジタル加算器の段数が１段減少する。これにより、１２８個の加算器を削減することができる。
このように、８逓倍変位計測によれば、高分解能及び高速性を維持しつつ、ハードウエアが相当量減量された変位計測システムが構築される利点が達成される。
【符号の説明】
【００４９】
１  レーザ光源
２  コリメータレンズ
３  偏光ビームスプリッタ
５  １／４波長板
６  移動体
７  光検出手段
８  １／４波長板
９  参照ミラー
１０，２０，３０  入力部
１１，２１  ２値化手段
１２，２２  エッジ検出手段
１３，２３  変位弁別手段
１４，２４  アップ／ダウンカウンタ
２５  加算器
３１  位相シフター段
３２  変位計測段
３３  加算段
【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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