(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対移動を検出するための装置であって、
波長λのコリメートされた光線を与える光源と、
この光源からの前記光線が入射するように配置され、その入射光線から、波長λのコリメートされた第１と第２の光ビームを生じさせ、且つこれら第１光ビームと第２光ビームとの間に所定の角度を与える波面補正構造と、
前記光源に対して相対移動可能な回折格子であり、格子周期ｄと、第１光ビーム及び第２光ビームをそれぞれ正の１次回折ビーム及び負の１次回折ビームに回折させる特性とを有し、それら正及び負の１次回折ビームを前記回折格子に近接する自然光干渉領域において角度２・（ｓｉｎ-1（λ／２＊ＥＰ））に収束させる回折格子と、
前記回折格子により第１及び第２光ビームから回折された前記正の１次回折ビームと前記負の１次回折ビームとの間で、前記自然光干渉領域内に位置した検出面を有する周期検出器であり、予め選択された波長λ、格子周期ｄ、及び第１光ビームと第２光ビームとの間の前記所定の角度の関数としての周期を有すると共に、前記検出面における前記回折格子からの前記正及び負の１次回折ビーム間の干渉に応答することにより、前記格子周期ｄよりも大きい縞周期ＥＰを有する干渉縞を検出する周期検出器とを備える相対移動検出装置。
【請求項２】
前記光源が、波長λの光を出射するレーザーダイオードと、このレーザーダイオードの出射光をコリメートして、前記波長λのコリメートされた光線を与えるコリメートレンズとを含むと共に、
前記波面補正構造が、前記コリメートされた光線を第１と第２の光ビームへ変更させる複孔構造体を含む請求項1の装置。
【請求項３】
前記波面補正構造が、屈折光学要素である請求項１の装置。
【請求項４】
前記波面補正構造が、回折格子である請求項１の装置。
【請求項５】
部材の相対移動を検出する装置であって、
ヘッド構造と、
このヘッド構造により支持された担体構造と、
波長λのコリメートされた光線を発生すると共に、前記ヘッド構造により支持された光源と、
前記光源からの前記波長λのコリメートされた光線が入射するように、前記担体構造上に配置され、その入射光線を、波長λのコリメートされた第１の光ビームと第２の光ビームとにそれらの間に所定の角度をもって分割する波面補正構造と、
前記ヘッド構造に近接して配置され、格子周期ｄを有する回折格子であり、この回折格子へ第１及び第２光ビームが入射すると、これら第１光ビームと第２光ビームとをそれぞれ正の１次回折ビームと負の１次回折ビームとに回折させる特性を有する回折格子と、
前記担体構造上に配置され、検出面を有する周期検出器であり、予め選択された波長λ、格子周期ｄ、及び第１光ビームと第２光ビームとの間の前記所定の角度の関数としての周期を有する周期検出器と、
この周期検出器の出力信号を調整するために前記担体構造上に配置された電気的回路系と、
前記ヘッド構造に支持されたミラー構造であり、前記光源に対して、前記回折格子で回折された前記正１次回折ビームと負１次回折ビームとの間の自然光干渉を前記周期検出器へ向かわせる位置関係で配置されたミラー構造とを備え、
前記周期検出器が格子周期ｄより大きな縞周期ＥＰを有する干渉縞を検出する装置。
【請求項６】
前記担体構造が、フレックスケーブルである請求項５の装置。
【請求項７】
前記担体構造が、ハイブリッド基板である請求項５の装置。
【請求項８】
前記ミラー構造が、前記光源と担体構造との間に位置している請求項５の装置。
【請求項９】
前記担体構造は、前記光源とミラー構造との間に前記周期検出器が介在して配置されるように位置している請求項５の装置。
【請求項１０】
前記光源、前記担体構造、及び前記ミラー構造は、これらが全て回折格子の一方の側に配置されるように、前記ヘッド構造に位置している請求項５の装置。
【請求項１１】
前記ヘッド構造が、通路を有し、この通路を通じて前記部材が移動可能であり、  更に前記担体構造が、この通路の一方の側に位置し、且つ前記ミラー構造が、この通路の他方の側に配置されている請求項５の装置。
【請求項１２】
前記ヘッド構造が、通路を有し、この通路を通じて前記部材が移動可能であり、更に前記担体構造及びミラー構造が、この通路の一方の側に位置し、且つ前記光源が、この通路の他方の側に配置されている請求項５の装置。
【請求項１３】
前記波面補正構造が、屈折光学要素である請求項５の装置。
【請求項１４】
前記波面補正構造が、回折格子である請求項５の装置。
【請求項１５】
相対移動を検出するための装置であって、
波長λのコリメートされた光線を与える光源と、
この光源からの前記光線が入射するように配置され、その入射光線から、波長λのコリメートされた第１と第２の光ビームを生じさせ、且つこれら第１と第２の光ビームを、前記入射光線の光軸からそれぞれ反対方向に角度θwfcに傾けさせる波面補正構造と、
前記波面補正構造からの第１及び第２光ビームが照射される領域を有するように、前記光源及び波面補正構造に対して相対移動自在に配置され、周期ＰGを有する回折格子であって、入射光を予め選択された波長λにおいて正と負の1次回折ビームに回折させ、その正及び負1次回折ビームを、この回折格子に近接する自然光干渉領域で互いに干渉させる特性を有する回折格子と、
前記回折格子により第１及び第２光ビームから回折された正１次回折ビームと負１次回折ビームとの間で、前記自然光干渉領域内に位置した検出面を有し、且つ周期ＰDの干渉縞を検出する周期検出器とを備え、
前記波面補正構造により第１及び第２光ビームが生じる角度に起因して、前記自然光干渉領域における前記正１次回折ビームと負1次回折ビームとの間の干渉が実質的に周期ＰDを有することにより、前記周期検出器は、前記回折格子から回折された前記正１次回折ビームと負１次回折ビームとの間の前記検出面における干渉に応答する相対移動検出装置。
【請求項１６】
前記波面補正構造が、第１と第２のビームを生じさせる角度θwfcの結果として、前記回折格子に近接する自然光干渉領域における正と負との１次の間の干渉に線形干渉縞を生じさせる請求項１５の装置。
【請求項１７】
前記波面補正構造が、前記入射光線の光軸に対して角度θwfcに傾けられた第１及び第２光ビームを生じ、前記回折格子が、法線に対して角度θgをなす正及び負の１次回折ビームを生じ、前記周期検出器が、周期λ／sinθeを有する干渉縞を検出する結果、θｅ=θｇ−θｗｆｃである請求項１５の装置。
【発明の詳細な説明】
本願は、継続中の米国特許出願第０７／８７８，４９４号、出願日１９９２年５月４日の一部継続出願である。
発明の背景
本発明は、変位を測定するための光学機器に関し、更に詳しくは、光源または検出ヘッドに対して相対移動可能な格子からの単色光の回折に利用される機器に関する。
光学的格子からの回折光を利用する相対変位測定のために数多くのシステムが提案されてきた。このような従来技術のシステムの例は、ペティグリュー（Pettigrew）特許第４，７７６，７０１号、カナヤマ（Kanayama）他の特許第４，８１５，８５０号、タニグチ（Taniguchi）他の特許第４，６７６，６４５号、及びウィジントジェス（Wijntjes）他の特許第５，０９８，１９０号に見ることができる。
この形式の商業的に入手可能な装置は、マサチューセッツ、ビバリーのＯｐｔｒａ，Ｉｎｃにより、商標名「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ」で販売されている。米国特許第５，０９８，１９０号は「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ」生産に関係していると考えられる。これらの従来技術のシステムの各々は、回折格子から帰還して得られた異なる回折次数の拡大または分離をいかに改良しようとも、これらは一緒に帰還して干渉される。典型的には、相当に多数の光学的要素が要求され、更に幾つかの要素は、それらの各々の設計に応じて機器を作動させるために、正確に離間且つアライメントさせねばならない。
多数の高度技術工業製品は、「クリーンルーム」状態下で生産及び／または運転されている。例えば、機械システムの小形化、または集積回路の絶えざる密度増大の獲得においてなされた発展は、上記のような「クリーンルーム」の質に或る程度に依存してきた。他方、クリーンルームは、製造手順を複雑にし、クリーンルーム内にあることが必要であろう試験機器及び部品のコストを増大させるので、高価な設備である。閉ざされた空間の外側点から閉された空間内で部品の移動を制御させる方法及び装置を持つことが望まれる。
本発明の幾つかの目的では、最少の部品を用いた相対変位検出のための装置の提供；システム部品の離間及びアライメントの許容差が比較的に大きい上記システムの提供；容易に製造される上記装置の提供；集積回路技術を使用して部品検出を達成できる上記装置の提供；高精度の測定を与える上記装置の提供；信頼性が高く、しかも比較的に簡素で安価な構造の上記装置の提供に着目している。他の目的と特徴とは部分的には明らかにされたが、指摘しなかった部分は以下の通りである。
発明の概要
本発明の装置は格子を利用し、これは、予め選択された波長で、干渉光を先ず正と負の１次にさせる。格子は、光源に対して相対的に移動可能であり、この光源は選択された波長の単色光を与え、格子の長さに沿った幅Ｗを有する格子の領域を照明する。多相周期（poly-phase）検出器は格子に近接して離間されているので、各検出器位相または要素は、反射または拡大を介在することなく、格子からの正と負の１次回折の間の干渉に原理的に応答する。
本発明の重要な特徴は、格子の下流には、回折を変化させる部品が存在しないことである。このことは、本発明に、同様な単純な部品を使用する広く様々な設計における使用を可能とする。
本発明の好適実施例は、格子の上流で光源からの光を前調整（pre-condition）する波面補正構造が利用されているので、格子の下流で導入された自然干渉の特性は、予め定められた検出器特性に適合するように、或いは格子特性の広い範囲を補正するように調整できる。
本発明の一つの観点においては、本発明の光学技術は検出器を光学的にロックするために使用され、検出器は要素に対して閉ざされた空間の外側に配置され、この閉止空間内には要素が配置され、ここでは要素が、この空間内に配置されたモーターまたはアクチュエータにより移動できる。サーボループ（servo loop）が内部要素、外部検出器、及び要素アクチュエータの中に形成されているので、内部要素は、検出器の移動に従ってロック段階で制御される。その後、外部の精密位置決め装置による外部検出器の位置の正確な制御により、閉止空間内の要素の位置を正確に制御できる。
本発明によれば、回折格子断片が内部要素に位置している。閉止空間を規定する包囲体には窓が設けられているので、回折格子断片は、外部に位置された干渉縞検出器に対して、要素の移動範囲に亘って「可視」である。要素の移動は制御されているので、選択された出力は、外部に位置した干渉縞検出器の外側に保持される。
次いで、精密位置決め装置が干渉縞検出器の位置を制御し、この位置決め装置は光学的エンコーダまたはレーザ干渉計を使用し、また内部要素の移動軸に同軸または平行な移動軸を有する。
回折格子断片の特性が選択されているため、包囲体の外側の点における波長λの光で断片が照明されたときに、断片により干渉縞が生成されるので、干渉縞検出器は、生成された干渉縞を検出するために、包囲体の外側に位置させることができる。
干渉縞における特定の点は、「設定位置（home position）」として選択され、内部要素は、干渉縞検出器の出力の関数として設定位置のために制御されるが、この制御は、干渉縞検出器出力を同一に保持するように、即ち、設定位置をロックするようになされ、干渉縞検出器の位置も精密位置決め装置の移動により変えられる。本発明の位置差の特徴は、内部要素を干渉縞検出器に対して光学的にロックさせるので、内部要素は、設定位置の指定可能な量により差動的にオフセットされる。
この方式では、内部要素が干渉縞検出器に光学的にロックされるので、内部要素は同じ位置、または干渉縞検出器の位置からの指定可能な量によりオフセットされた位置を持つ。
次に、精密位置決め装置の使用により、干渉縞検出器の位置が正確に制御され、内部要素は閉止空間内を横断して正確に移動できる。
従って、汚染は減少され、クリーンルームの必要性がなくなる。更に、格子断片は、干渉縞検出器に対して内部要素をロックすることに役立てられるのみであるから、高精度である必要はなく、低コストである。内部要素を移動させるに先立つ更正段階は、格子断片における製造変動の影響を減少させるために使用し得る。
他の視点からは、二つのサーボループが本発明の実施例に係って採用されている。内部サーボループは、閉止空間の外側に位置した検出器に対し、内部要素を光学的にロックする。検出器は、閉止空間内の内部要素上に位置された干渉発生構造により、閉止空間の外側に発生した干渉縞を検出する。検出器の位置は、外部サーボループにより制御されるので、内部要素は検出器に光学的にロックされていることから、内部要素の位置は正確に制御される。これは全て、閉止空間へ物理的に侵入するものを持たず、または、閉止空間内の位置検出器を持たないことを可能とする。
本発明の更に他の目的は、閉止空間の内側に配置された要素の移動を閉止空間の外側の場所から制御するための方法及び装置を提供することである。
本発明の更なる目的は、デバイス製造または操作期間中のクリーンルーム空間の必要性を削減する要素位置制御方法及び装置を提供することである。
本発明の更に他の目的は、閉止空間内の要素を閉止空間の外側に配置された正確に位置決め可能な光学的検出器に光学的にロックさせる方法及び装置を提供することである。
本発明の他の目的は、閉止空間内の要素上に位置決めされた回折格子断片が閉止空間の外側に干渉縞を発生し、その発生した干渉縞は外部干渉縞検出器により検出され、閉止空間内の要素を干渉縞検出器に光学的にロックするので、要素が干渉縞検出器にロック段階（lock-step）で移動する方法及び装置を提供することである。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による変位検出装置の模式的な上面図；
図２は図１の装置に使用された回折格子に近接する領域における異なる次数の干渉がおきたところを示す図；
図３は図１の装置に使用された周期多相検出器の作用を格子からの光が回折された関係で図示し、格子間隔と回折角とが誇張されて示された模式図；及び
図４は図３の検出器の面の図である。
図５は本発明の二ビーム形態の模式図であり、格子間隔と回折角とが誇張されて示された図である。
図６は図５に示された如き本発明の二ビーム実施例に使用できる二成分コリメートレンズを示す図である。
図７は図１の装置の実用基本型実施例に使用された回折格子に近接した領域における異なる回折次数の間の自然干渉を示す図である。
図８Ａは反射型格子を使用する本発明の実用基本型のレーザ ダイオード、コリメートレンズ、ミラー、検出器及び処理電子部品を収納するヘッドの平面図であり、格子に対面するヘッドの側面から見た図である。
図８Ｂは図８Ａの実用基本型ヘッドの線８Ｂ−８Ｂに沿った断面図であり、ヘッドについての格子の向きをも示す図である。
図８Ｃは図８Ａの実用基本型ヘッドの端面図である。
図８Ｄは格子に対向する図８Ａの実用基本型ヘッドの側面の平面図である。
図８Ｅは図８Ｄの実用基本型ヘッドの線８Ｅ−８Ｅに沿った断面図である。
図９は本発明の反射実施例のための代替的配置を示す図である。
図１０は透過格子を使用する本発明の実施例の断面図である。
図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄは本発明の実用基本型に使用された多位相検出器及びマスクを示す図である。
図１２Ａ及び図１２Ｂは本発明の実用基本型に使用されたフレックス回路構造を示す図である。
図１３は本発明の基本型に使用された処理回路を示す図である。
図１４は本発明に使用する指標の生成に用いられる２０μｍストライプの生成に使用するに適したガラス基板に形成されたゾーンレンズの断面図を示す図である。
図１５Ａ及び１５Ｂは本発明に使用される孔のアポダィゼーションを示す図である。
図１６は反射型設計の格子における標準入射のための偏光ビームスプリッタ及びλ／４波遅延板を用いる本発明の更なる実施例を示す図である。
図１７は線形格子からの１次回折をラジアル格子からの１次回折と比較し、回折次数におけるラジアル格子の一つの効果を示す図である。
図１８は１次回折が格子１３から外れる角度を修正するための本発明による波面補正の使用を示す図である。
図１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、及び図２０Ａ及び２０Ｂは、回折構造および屈折構造に使用する波面補正配置の例を示すと共に、図２０Ａ及び２０Ｂは波面補正が加えられたときに得られる幾何形状及び格子空間周波数の例を示す。
図２０Ｃは高次数抑制格子を示す図である。
図２１はラジアル格子に起因する「捩じれ」を前調整するための屈折光学部品を通過する入力ビームの一側面を示す図である。
図２２はラジアル格子の他の影響を補正するための屈折型光学部品の面の形状の変形例を示す図である。
図２３は格子パターンを横断する格子周期の変動に起因するラジアル格子の影響を予め調整するために、格子の上流側に使用できる光学要素を示す図である。
図２４はリニア検出器と共に使用するための屈折波面補正構造を示す図である。図２５は屈折光学要素の面の角度付け、及び屈折光学要素を格子１３から離間させる距離、ビームが格子１３Ａに到達する際の上記離間および角度の影響を示す図である。
図２６Ａ、２６Ｂ及び２６Ｃは、ラジアル格子についての波面補正に使用するための回折型光学要素を示す図である。
図２７は波面補正構造２１５を使用する本発明の反射実施例を示す図である。
図２８は波面補正構造２１５を使用する本発明の透過実施例を示す図である。
図２９は可動ステージ３００の位置を制御するために使用される本発明の透過ＷＦＣ実施例を示す図である。
図３０は本発明による閉止空間内の回転要素の光学的サーボ制御を示す単純化された機能的なダイアグラムである。
図３１は本発明による閉止空間内の線形駆動要素の光学的サーボ制御を示す単純化された機能的なダイアグラムである。
図３２は干渉縞と検出器間隔との間の関係を示す図である。
図３３は本発明の光学的サーボ実施例を調整するためのフローダイアグラムの説明を与える図である。
図３４は高次数抑制回折格子設計の例を示す図である。
対応する参照符号は、図面中のそれぞれの図を通じて対応する部分を示す。
好適実施例の説明
説明の便宜上、図１は上面図を描いているが、当業者には、この装置はいずれの方向にも操作し得ることが明らかであろう。前述したように、本発明の装置は、全体的に参照符号１１で示される検出ヘッドと、格子１３との間の相対移動または変位を検出若しくは感知するように操作される。検出ヘッド１１には、単色光源、好ましくは、参照符号１５で示される半導体レーザが組み込まれている。半導体レーザ１５は、λで示される波長を有する基本的に単色コヒーレント光を与える。また、説明の便宜のみで、相対移動の方向はＸ軸で示され、これは格子の長さに沿い、一方、格子の面からの距離はＹ軸に沿って計測されるべく考慮されている。これに対応して、Ｚ軸は図面の紙面に対して垂直即ち直交すべく考慮されている。格子１３はＺ軸に対して平行に規定されている。
以下の説明から明らかにされるように、図示の実施例に使用された格子１３は反射に作用し、選択された波長における回折光を先ず正及び負の１次に、そして０次に最小化するようにに適合されている。当業者には、このような特性は、図３に示されるように、ステップ形状を持つような表面形成のみならず、λ／４、即ち四分の一（quarter）波長の深さを使用することにより原理的に得られることが理解される。基本的に等価な格子を位相差λ／２の透過に作用するように設計できることを理解すべきである。
半導体レーザ１５からの光は、レンズ１７により基本的にコリメートされ、ミラー１９により反射され、格子１３の面に向かって概ね直交して領域２０を照明し、この領域２０は格子の長さに沿った幅Ｗを有する。格子１３から戻って回折及び反射された光は、多位相（poly-phase）周期検出器２５により検出される。Ｘ軸に沿う検出器の周期は、格子１３から回折された正及び負の第一次数の干渉により発生した干渉パターンの周期に対応し、Ｐ／２に等しい。検出器２５の活性領域の幅は、好ましくは、格子１３の照明領域の幅よりも実質的に小さく、例えば約±１／２°の取り付け公差を許すに十分な小さである。理想的な点は、第三次数回折が、パルスから分岐して負の第一次数回折を有し、このパルスと負の第一次数回折ビームとはオーバーラップさせることが可能なところである。これは、例えばパルスと負の第一次数との５０％オーバーラップ点に生じる。従って、約４００μｍの幅を持つ検出器には、約６００μｍのオーバーラップ領域が適切であろう。これは約１．２ｍのスポット径を導く。検出器２５は、ミラー１５から格子１３へ前進する光ビームの経路内に示されているが、Ｚ方向が要求されないならば、格子面に対するビームの正確な直交からビームの上または下に実際に配置し得る。いま図２を参照すると、格子１３の長さに沿った幅Ｗの領域が、レーザ光源からのコリメートされたビーム２９により照明されている。０次は反射されて基本的に直接に戻り、このビームは参照符号３１で示されている。正の第一次数は、直角に対して角度θで反射したものとして図示されており、このビームは参照符号３３で示され、一方、参照符号３５で示される負の第一次数は、同じ角度により左へ反射されている。当業者には、角度θは、
θ＝ｓｉｎ−１（λ／Ｐ）  （１）
（ここでＰはＸ軸に沿う格子の周期）
として規定されることが明らかである。
図２に見られるように、これらは参照符号３７で示される三角形領域をなし、ここで正と負の第一次数が、何らかの介在的な反射または拡大を伴うことなく、直接に干渉する。この領域は、
Ｗ／（２  ｔａｎ  θ）  （２）
に等しい格子からの距離に延在し、干渉場の近傍の領域（a region of near field interference）と見做されるであろう。フレネル干渉検出における用語「近視野干渉（near field interference）」との混同を避けるために、本発明に使用される干渉の領域は、「自然干渉（natural interference）」、即ちプラスとマイナス次数に分かれる前の干渉として、より正確に述べられている。この領域では、プラスとマイナス次数が直接に干渉する。本発明によれば、検出器２５は、この領域３７に配置されている。
格子特性は、格子からの回折のゼロ次数及び偶数次数が実質的に削除されるように適合させることができるが、何らかの検出可能なエネルギーが、典型的には奇数次数に留まる。図２を参照すると、正及び負の第３次数ビームは、それぞれ参照符号４１及び４３で示されている。
当業者には明らかなように、これらのビームの各々が法線から離れる角度はφであり、ここで、
φ＝ａｒｃｓｉｎ（３λ／Ｐ）  （３）
である。これらは、相応じて正及び負の第３次数の自然干渉の三角形領域を構成し、この領域は参照符号４７で示されている。この領域が格子から延在する距離は、
0004037903.tif 000002
である。
好ましくは、検出器２５は、正と負との第３次数の間の自然干渉の領域よりも、格子から更に離れて配置され、これにより、純１次干渉パターンのサイン波特性に最も密接に対応した信号が得られる。好ましくは、検出器２５は、最大検出幅を許すように、領域４７の頂部のちょうど外側に配置される。後に明らかになるように、検出器の全ての活性領域が、所定の干渉の領域の範囲内になければならない。干渉の高次数は、より複合した格子パターンの使用を通じて抑制され、これは、格子１３に近接して移動すべき検出器が、非抑制１次が外側へ分かれたプラスとマイナスの１次の自然干渉を有する点へ上昇することを許す。図３４は高次数抑制格子の断面図を示し、これは７次までの全ての高次数を抑制する能力を持つ。ステップ幅がリトグラフイック技術の事情により制限されていることにより、いまのところ、この設計の格子が、目の粗い格子に最適である。更に、目の粗い格子については、発散角が「平坦化」へ向かう傾向があるので、このような目の粗い格子における高次数抑制格子の使用は、格子配置における重要な改良を可能とする。
プラスとマイナスとの回折次数の間のみの干渉がある領域は、検出器２５のために最適な場所である。仮に、検出器２５、またはその部分が、この最適な場所の外側に位置しているならば、これは、検出器２５により与えられた信号を減損する高次数の一因となる。この減損は斬新的であり、機能の故障ではない。スポット径Ｗが大きくなるにつれて、検出器２５のための最適な領域は格子１３から離れる。このような検出器の最適な位置と格子１３の照明の径との間の関係は、本発明によって構築された装置における重要な設計自由度を与えるが、これは検出器２５が格子１３から離れた場所に配置でき、スポット径、Ｗ、格子１３の照明の変更のみならず、異なる設計要求を満足させるためである。
更に詳しくは、伝統的な幾何学的位置エンコーダ設計を越える本発明の重要な利点は、正／負次数の間の自然干渉が、格子１３に対して直交し、検出器が、この自然干渉の範囲内のどこにも位置することができ、且つより正確に変位を測定できることである。自然干渉縞は、どこでもシヌソイドである。対照的に、伝統的な幾何学的エンコーダは精密な深さ制御に左右され、これは、深さの変動に伴って信号形状が変化するので、正確な補間（interpolation）をなすのは非常に困難なためである。
上述したように、検出器２５の活性領域の幅は、格子の照明領域の幅よりも小さい。従って、図３に図示されたように、領域２０の左手側の領域からの正の１次回折は、領域２０の右手側の区域からの負の１次回折光と交わり、且つ干渉でき、これらの交差光要素は、検出器２５の検出面で干渉できる。
図示のように、図２及び３においては、寸法及び角度が説明の目的のために誇張されている。実際の設計のための寸法及び角度は、例えば以下の如くである。光源は、７８０ナノメーターの波長における光を与える半導体レーザである。格子１３は、４２４ライン毎インチ（１６．６４ライン毎ミリメートル）に規定されているので、周期Ｐは６０ミクロンである。これによれば、１次回折の角度θは０．７４°であり、３次回折の角度φは２．２°である。照明領域の幅が１ミリメートルであることに注目すると、自然干渉の１次領域は格子から３８．５ミリメートル延在し、一方、自然干渉の３次領域は格子から１２．８ミリメートル延在する。
本発明の実施例、ここでは格子１３が、図３４における如くのような高次数抑制格子である実施例においては、プラスとマイナスとの１次の間の自然干渉の利用可能な領域が、格子にかなり接近しはじめる。更に詳しくは、９次干渉が内部限界を示し得る。（３）式は６．７２°の角度を与える。次に、（４）式は、このような第９次数干渉が、外側へ僅か４．２５ミリメートルの間隔に延在するであろうことを示す。注目すべきことは、高次数抑制格子がなければ、３次干渉により規定された如き最小間隔は、１２．８ミリメートルであることである。
当業者には明らかなように、正と負の１次回折要素の干渉により生起された光強度のパターンは、格子それ自身の周期性の二倍の周期性を持つであろう。検出器２５は、整合周期性、即ちＰ／２を持つように構成されているので、検出器の各位相における幾つかの要素からの寄与は、付加的に組み合わせられる。好ましくは、検出器は、細長いフォトダイオードのアレイを備える集積回路として構成されている。このようなフォトダイオードのアレイは図４に示されている。個々のフォトダイオードは参照符号５１により示されている。既に指摘したように、アレイは多位相でなければならない。例えば、相対変位により規定される矩形信号を与える二つのアレイである。アレイのインターリーブは、アレイに入射する光の強度の空間的変化の平均化という重要な利点を有する。組み立てを単純化する配置は、Ｚ軸方向の二つの位相をオフセットさせ、様々な光検出器要素の相互接続を単純化することにより達成できる。代替的な他の装置は、比較的に大きな領域の光検出器を使用し、その光検出器の各々は、適切な位相の光を入射させる個々のマスクを備える。再び、この構造が組み立てを単純化する一方、これは、使用可能な光エネルギーの利用における効率が低い。
更に代替的な装置は、検出面にレンズ状スクリーンを備え、これは検出面における干渉後に、異なる角度にて異なる位相を散乱させるので、離間された検出器を利用し得る。レンズ状スクリーンは、Ｘ軸に沿ってＰ／２の周期性を持つ。この場合、光電検出器それ自身は、いわゆる自然干渉の領域３７内に配置する必要はないが、検出面と、レンズ状スクリーンにおける干渉点は、領域内に位置すべきである。
同様に、好ましいことは、純粋な１次干渉が達成されることであり、これは各々の検出器位相の外側の最も純粋な可能なサイン波を与え、他の次数による何らかの干渉は、何らかの適用における過度に好ましくないものにはならず、整合パターン表の使用により、効果的な正確な補間法が与えられる。
ここに説明された実施例は、例示として一本の軸に沿う検出のために提供されているが、本発明の技術は、直交方向に規定された格子と、その各方向のための個々の検出器とを共に利用することにより、組み合わせ二軸検出装置に適用できることが明らかである。単一の光源を双方の軸に供することができる。直交性に起因して、一つの軸に沿う移動と他の軸に沿う移動により発生した信号との間の相互干渉は最小となる。
仮に検出器及び格子が、回折信号のために整合曲率を与えるように適切に形成されているか、或いは効率的な狭い格子が使用されているならば、本発明はロータリーエンコーダに対して効果的に適用できる。
本発明の他の観点では、波面収集構造を格子１３の上流に配置でき、これは光が格子１３に当たる前に前調整（pre-conditon）する。以下の章で詳細に説明されるように、このような前調整は、格子１３により導入された干渉の特性を変えるように調整することができる。例えば、後述される波面収集構造は、ロータリーエンコーダ形式の格子（ラジアル格子）と共に使用されるべきリニア検出器アレイを可能とし；或いは、粗い周期性の検出器を比較的に高分解能の格子と共に使用することを可能とする。
二ビーム実施例
ここで図５を参照して、本発明の二ビーム実施例について説明する。図５には二つの検出器アレイ２５が示されているが、後述するような他の検出器形態も同様に、二ビーム実施例における使用に適していることを理解されたい。
孔構造体（aperture structure）６０は、入射ビーム６２と格子１３との間に位置付けられて示されている。この孔構造体６０は二つの孔６４及び６６を有し、これらの孔は、入射ビーム６２を二つの分離した個別のビーム６６と６８とへ分割するが、ビーム６６と６８との間の間隔は、検出器２５の幅よりも僅かに大きくなる。このような形態によれば、０次は検出器２５へ入射しない。
好ましくは、孔にはアポダイゼーションが施されている（apodized）。即ち、孔の縁は、不透明と透明との間の透過が突然に対向するように、漸進的に変形されており、これは、縁で生じた回折と、所望の±１次との間の不所望な干渉を減少させることを意図している。
図５に見られるように、ビーム６８から負の１次７０と、ビーム６６から正の１次７２とが自然領域７３で干渉する。この自然領域７３内に検出器２５が位置しているとき、格子１３と検出器２５との間の相対移動を測定できる。
二ビーム実施例の利点は、０次の完全な抑制が与えられることである。二ビーム実施例は、０次を抑制するための位相格子の使用に代替的に用いられ、０次完全抑制を保証するために、このような位相格子と合体して使用できる。
二ビームアプローチの不利益の一つは、事実上、広いビームが使用されていることである。分割ビームが検出器の幅により分離されているので、それらは典型的に、１次ビームが、単ビームアプローチにおけるよりも更に遠く離れる結果となる。これは、１次ビームの間の自然干渉の領域は、単ビームの場合におけるよりも、格子から大きな間隔をおいて離れることを意味する。孔の径もまた大きくなる。勿論、回折角を大きくするために、より小さな周期を有する格子を使用でき、それにより、自然干渉領域が格子に近接して存する。このような場合、検出器の分解能を比例的に増大させる必要がある。
二成分コリメートレンズを使用する二ビーム
ビームを分割するためには、孔構造体６０に代えて、二成分コリメートレンズ７４を使用できる。この二成分コリメートレンズ７４は、入射光の殆ど全てを利用できるので、より魅力的である。対照的に、孔を有するものでは、孔を通過する光のみが使用されており、残りは無駄になってしまう。二成分コリメートレンズ７４は、コリメート強度プロフィール、滑らか、アポダイゼーション、及び波面補正を与える単独の光学要素として設計できる。
ここで図６を参照すると、二成分コリメートレンズが図示されている。
二成分コリメートレンズ７４は、回折光学要素であり、これは、半導体レーザ１５のような光源からの出力のビーム整形及び視準を与える。図６は二成分コリメートレンズ７４の斜視図であり、これは四つの分離ビームを与える。即ち、ビーム７６及び７８は、格子１３に入射すべき測定ビームであり、ビーム８０及び８２は、屈折率に使用される。
実用基本型−−反射実施例（ｗ／ｏ  ＷＦＣ）
次に図７から図１３を参照して、本発明の一つの実施例の実用基本型を説明するが、この実施例は波面補正を使用しない。本発明の波面補正実施例については、本明細書の後の章にて詳細に討議される。
図７は、この基本型のための格子、回折角、及び自然干渉領域についての適切なパラメータを示す。図２に示す如く、０次は参照符号３１により示され、正及び負の３次は参照符号４１及び４３により示されている。斜線領域９０は、正と負との１次３３及び３５の間の自然干渉の領域の部分を描いており、これは３次干渉を免れる。
図７に示される如く、操作波長λは７８５ｎｍであり、格子１３の周期Ｐは２０μｍに選択される。この結果、１次回折角θは２．２５°であり、２次回折角φは６．７６°である。スポット幅２０は１．５ｍｍに選択される。
結果的に、領域９０は、格子１３から６．３３ｍｍの点から、格子１３から１９．０９ｍｍの点まで上方に延在する。即ち、自然１次干渉は、格子から１９．０９ｍｍの点にて終り、自然第３次数干渉は、格子から６．３３ｍｍの点にて終る。この基本型における最適な検出器位置は、格子から１０．５８ｍｍに定められている。
格子１３
また図７から注目すべきことは、格子が反射型であり、支持構造体１４の遠い側に位置していることである。この後者の特徴は、ヘッド９２による損傷から格子を保護するために役立ち、様々なビームの光路内の支持基板１４を含んでなる基本型の全ての物理的寸法をも縮小できる。典型的な支持構造体１４はガラスで形成されている。
反射格子１３は、２０μｍの周期Ｐ、λ／４、即ち０．１９６μｍのステップ深さを有する。実際には、格子１３はイオン形成、格子親型で延性材料を押圧することによる打ち出し、鋳造による複製、或いは、適切な厚さフォトレジストの使用による格子とすることができる。本発明の他の実施例は、ニューヨーク州、エルムスフォードのAmerican Bank Note Holographicsにより提供されている工程を通じて格子を複製する低コストの代替的な実施例である。
精密フォトレジスト被覆は、回折格子形成にも使用でき、これは本発明に関連して使用するために適している。例えば、図７に描かれたような格子を形成するためには、所定のステップ深さに等しい深さ、例えば０．３５６μｍになるように、フォトレジストで先ず基板１４の裏側を正確に被覆する。基板１４はガラス素材とすることができる。次いでフォトレジストは、所定の格子パターンを与えるマスクにより密着印刷される。次にフォトレジストを非露出領域から除去する処理がなされて、所定のステップ深さを持つフォトレジストパターンが残される。０．３５６μｍのステップ深さは、０次抑制を与えるために好ましい選択である。使用されているフォトレジストは１．６４の反射率を持つので、媒体中の波長は０．４６７μｍに減少される。この波長についてのλ／４は、ガラスへ実際に適用するのに十分な薄さであるので、３λ／４、即ち０．３５６μｍの深さを作成することにより、０次の同様な抑制が達成できる。
その後、フォトレジストは被包される。反射格子のための被包は、好ましくはアルミニウムである。透過格子のための被包は、好ましくは粉末マグネシウムの非反射層であり、これは例えば、λ／４の厚さを有する。好ましくは、被包は、フォトレジスト格子の変質を避けるためにフォトレジストの硬焼（hard-bake）温度よりも大きくない温度下で実行される。
更なる被包は、フォトレジストを中間において、基板１４とサンドウィッチをなす第二の板により与えれる。サンドウィッチは縁の周りを密閉的に封止する。
陽フォトレジストか陰フォトレジストのいずれもが本発明の精神の範囲内で使用可能なことは明らかである。
点線１６は、鋳造により複製された格子のための基板１４と格子１３との間の境界面を示す。注目すべきことは、このような格子１３の厚さ１０μｍと２０μｍとの間を示すので、基板１４の起伏の無さが可能になることである。境界面は完全に湿った面であり、基板及び格子の屈折の屈折率は常に等しい。格子１３は、このような境界面１６を持たない精密フォトレジストまたはイオン形成で形成される。
ヘッド９２：
ここで図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ及び８Ｅを参照して、非ＷＦＣ、反射型実用基本型実施例について詳細に説明する。ヘッド９２はレーザーダイオード１５、コリメートレンズ１７、ミラー１９、及び検出器２５、及び処理電子部品１０６を支持する。図１の場合のように、レーザーダイオード１５からのコリメートされた光ビーム２９は、まず格子１３に平行な方向へ進行する。ミラー１９は、コリメートされた光ビーム（視準ビーム）２９を曲げて、適切な角度にて、好ましくは、図８Ｂに示されるＸ−Ｙ平面における格子１３に対して直角にて、格子１３へ入射させる。図８Ｂはミラー１９を示し、これは到来視準ビーム２９が格子１３へＸ軸に対してほぼ９０°で入射するように、Ｙ軸に対して約４５°で傾けられる。
ミラー１９を離れると、視準ビーム２９は、ヘッｄ９２により支持されたウィンドゥ９４を通過する。視準ビーム２９は基板１４を通じて遠方面９６へ前進するが、この遠方面９６には格子パターン１３が配置されている。
実用基本型実施例においては、ステップ格子が使用され、そのステップ深さは、反射の０次を抑制するように、λ／４に設定されている。正と負の１次は、検出器２５へのルートのために、反射してミラー１９へ向かって戻る。
図８Ｂに見られるように、ミラー１９は、Ｘ軸に対して僅かに、ほぼ５°で傾けられて示されている。これは、自然干渉、即ち検出器２５が、視準ビーム２９の経路の外側の点に位置することを可能とする。これは図８Ｃに更に明確に示され、ここでは孔９８が検出器２５の下側に短い距離をおいて示されている。孔９８は、コリメートレンズ１７からの像を結ぶ視準ビーム２９がミラー１９への経路をなすように形成されている。
ミラー１９の傾き及び自然干渉の経路１００は、図８Ｅに更に明確に示されている。ミラー１９と格子１３の間の自然干渉の経路１００と、入射視準ビーム２９との双方はＹ−Ｚ平面におかれ、ここで互いに傾けられている。
図１とは異なり、図８Ａ−８Ｅの実用基本型の検出器２５は、ミラー１９のレーザーダイオード側に位置している。しかしながら、ミラー１９は、正と負との１次の間の自然干渉の経路１００を単に曲げるにすぎず、正と負との１次３３及び３５の間の進行の反射方向を変えるものではない。
図８Ｂ及び図８Ｅに見られるように、ヘッド９２は管状構造１０２を備え、これは、レーザーダイオード１５を一端で支持し、且つコリメートレンズ１７を対向端で支持する。管状構造１０２は、フレックス回路１０４をも支持し、このフレックス回路１０４は、検出器２５、レーザーダイオード１５へのパワーを供給する処理電子部品１０６を順次に支持する。
代替的ヘッド配置：
図９は本発明の反射実施例のための代替的配置を示す。この図９には波面補正（ＷＦＣ）構造は示されていないが、このような構造は、配置上の重要な影響を伴うことなく、容易に付加できることは明らかである。図９の配置二おいては、ミラー組立体９９は、上方へ対面する開口を通じて、ケース内へ組み立てられ、二つのミラー１０１及び１０３を含む。ミラー１０１は、孔９８からのコリーメートされて整形されたビームを受けて、ビームを開口１０５を通じて格子（図示せず）へ向かわせる。
回折の結果としてのビームは、ミラー１０３により曲げられるので、自然干渉縞は開口１０７を通じて検出器２５へ向かう。
更に、図８Ａから図８Ｅ及び図９の実施例では、格子１３を、反射に変えて、透過に作用するように構成することにより、格子１３の対向側の前方への位置決めにより、透過形態へ変換できることが明らかである。
実用基本型−−透過型（ｗ／ｏ  ＷＦＣ）
図８Ａ−８Ｅの実用基本型の特徴は既に詳細に説明したが、第二の実用基本型は図１０を参照して簡単に説明する。図１０の実用基本型は本発明の透過実施例である。格子１３Ａは、図３に示されたものと同様なステップ形状を有するが、その深さは、７５８ｎｍの動作波長のための位相遅延λ／２、即ち０．３９μｍの深さを持つ透過に格子１３Ａを動作させるように選択されている。レーザダイオード１５からの光は、コリメートレンズ１７によりコリメート（視準）され、孔９８を通じて格子１３Ａに達する。ここでは、格子形状が、互いに干渉する正負の１次干渉を発生させる。この自然干渉は、参照符号１０８で示され、格子１３Ａの側面９６Ａと検出器１１０との間の領域において起こる。
図８Ａから図８Ｅの反射型実施例のように、格子１３Ａは、側面９６Ａ、即ちレーザダイオード１５に対向する側に位置されたステップ形状を有する。
ミラー１０６は、格子１３Ａの軸に対して平行な経路を持つように、自然干渉１０８を曲げるために用いられている。検出器１１０は、この平行経路に沿って、且つ正と負との１次の間の自然干渉の領域内に位置決めされている。
図８Ａ−８Ｅの実施例における如き同様なフレックス回路１０４は、図１０の透過変形例においては、検出器１１０及び処理電子部品１０６を支持するために使用できる。しかしながら、フレックス回路１０４の検出器１１０を支持する部分は、このフレックス回路の残りの部分の上面に対して角度９０°で屈曲されている。対照的に、図８Ｅにおいては、検出器支持部分は角度２７°で屈曲されている。この二つの目的の設計は、本発明の透過及び反射実施例の製造コストの低減に寄与する。
図１０のフレックス回路設計に対する代替例は、検出器及び処理電子部品を一緒にハイブリット形態でセラミックパッケージに収納することである。これは、ヘッドの組み立てを単純にするのみならず、検出器及び処理電子部品に必要な空間を縮小させる。
図１０の透過実施例における検出器については、異なる参照符号１１０が使用されているが、これは本実施例は典型的にはロータリーエンコーダと共に使用されるためである。従って、検出器１１０は、格子１３Ａの回転特性によって与えられる曲率作用に整合する曲率を持つように適合されている。
代替的に、異なる次数生成のために格子１３Ａにより加えられた捩じれを補正するように、格子１３Ａの上流に波面補正構造が使用された際には、既に述べたものと同様なリニア検出器アレイをロータリーエンコーダのパターンと共に使用できる。このような波面補正構造は、次章で詳細に説明される。
検出器パターン
本発明の様々な実用基本型実施例においては、多位相検出器が使用され、これは複数の平行な延伸された相互に指状の検出器セグメントである。これらセグメントは互いに同距離で離間され、四つの連続したセグメントのグループの各々が、分離検出器を表す。従って、仮に八つのセグメントが使用されているならば、これらは二つの検出器象限になり、第１は、第１の四つのセグメントにより表され、第２象限は残りの四つのセグメントにより表される。象限内では、各々のセグメントが信号を与え、その信号は、象限内の他のセグメントから与えられた信号とは異なる位相を持つ。このような象限検出器の通常の使用では、象限の物理的幅は、検出されるべき信号の一サイクルに対応する。従って、象限における第１セグメントは、第２セグメントの９０°前方の信号を与え、次いで第２セグメントは、第３セグメントの９０°前方の信号を与え、以下も順次に同様に前方の信号が与えられる。
複数の象限が使用された場合、各々の象限は互いに接続されている。従って、例えば、八つの象限が連鎖していれば、各々の象限において第１象限は互いに接続され、各々の象限において第２象限は互いに接続され、以下も同様であり、四つの合計された信号、１）第１象限合計、２）第２象限合計、３）第３象限合計、４）第４象限合計が与えられる。何らかのＤＣオフセットは、第１象限合計信号から第３象限合計信号を減じ、且つ第２象限合計信号から第４象限合計信号を減じることにより除去できるので、象限内に正弦、余弦信号が与えられる。
プライムＸ検出器間隔
リトグラフィ処理は、検出器２５のセグメントを如何に狭く製作できようとも、検出器セグメントの象限により調節される最小の周期に実際的な制限をおく。ここで「プライムＸ方法論（Prime X Methodology）」と称する方法論は、粗い検出器を比較的に微細な格子と共に使用可能とする。プライムＸ方法論に従えば、各々の検出器セグメント（活性部分及び非活性部分の双方を含む）の周期は、検出されるべき干渉縞パターンのスパン２７０°に選択されている。この方式では、四つの連続検出器セグメントは、三つの干渉縞周期のスパンとなり、２７０°で分離される信号が与えられる。付加的な１８０°の位相は無視することができ、信号合計は、既に説明した検出器とまさに同様な方法である。この１８０°位相シフトが単純に意味することは、正弦及び余弦が逆転し、また検出器からの信号の方向が、９０°位相シフト検出器のそれに対して対向することである。
上述したプライムＸ方法論が使用された場合、変調パターンの周期は、検出器パターンの周期の三倍にできる。隣接する検出器の間の各々４５０°及び６３０°の位相シフトの結果としての、検出器間隔に対する５Ｘ及び７Ｘ縞についても、同様な効果が得られる。
このような試みの不利益は、獲得される信号変調レベルが低いことであり、これは、各々の検出器セグメントにより検出される位相の大きな量に起因する。検出器セグメントの適切なマスキングは、獲得される変調を増大できるが、その一方、このようなマスキングは、複雑さを加え、検出器の製作における生産高を減少させ、また検出器による使用のために利用可能な入射光の量を減少させるので、帯域幅が制限される。
検出器  ＩＣ
ここで図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して、本発明の検出器２５を詳細に説明する。検出器２５は、好ましくは集積回路の形態に包含されている。従って、図１１Ａにおいては、検出器２５は、屈折率セグメント１１８に沿った半導体基板上に形成されている。
図１１Ｂを参照すると、検出器２５を構成する検出器セグメント１１２の拡大図が示されている。検出器２５は好ましくは、延伸された活性領域１２０のアレイを形成し、これは非活性領域１２２により分離されている。アレイの各端部が位置するところは、延伸された活性セグメント１２１であり、これは使用されていない。これら活性セグメント１２１は「ダミー（dummy）」セグメントと称され、アレイの端部における漏洩の影響を補償するために使用されている。
図１１Ｂから明らかなように、各々の四つのセグメントは、金属線により互いに接続されている。これは、これら相互接続セグメントの各々からの信号を合計する。この相互接続は、位相がシフトされた信号を作りだし、この信号は、空間的平均化のための領域を越えて合計される。
従って、線１２４は、各々の延伸されたセグメント１２０−Ａへ接続され、信号ＡＳを与える。同様に、セグメント１２０−Ｂは、線１２６により互いに接続されているので、信号ＢＳが線１２６により与えられる。好適実施例においては、波面補正構造及び格子１３の周期は、正負の第１次数干渉により生成された変調が３０μｍ周期を持つように選択され、また図１１Ｂにおける延伸されたセグメント１２０は、象限に３０μｍ幅で配置されている。現在の実用基本型においては、検出器セグメント１２０の周期は、好ましくは７．５μｍである。格子周期は１０μｍであり、また図１８、図１９Ａ、図１９Ｂ、または図１９Ｃの波面補正構造は、正と負との第１次数の間の、３０μｍの周期を持つ自然干渉を与えるように使用されている。象限の各々の検出器セグメントサイクル内において、活性部分１２０は、好ましくは２．５μｍ幅であり、一方、非活性部分は５．０μｍ幅である。各々のセグメント１２０の長さは、ほぼ４００μｍである。
検出器マスキング
マスキングは、光検出器アレイ２５からの光を型取りするために使用できる。このマスキングは、図１１Ｂにおいては活性セグメント１２０の間の密な断面ハッチング領域１２８として示され、図１１Ａにおいては、検出器２５及び屈折率セグメント１１８を包囲する粗い断面ハッチング領域として示されている。
検出器のまわりの領域のマスキングは、検出器により得られた変調レベルの改良を促進することができるが、これは、このようなマスキングは、検出器セグメントにより捕獲された位相の量の制御を効果的に達成するためである。検出器アレイの活性セグメントの間の領域を「非活性」と称すると、この「非活性」領域に到達する光の少なくとも８０％が、電子−正孔対を離れ、「活性」領域へ移動して出力信号に寄与する。
図１１Ｃのグラフは、検出器セグメントにより「捕獲された」位相の量と、結果的に生じる「変調」との間の関係と、信号すなわち強度のピーク及び最小を示す。
最大変調のための最適位相捕獲は０°であるものの、対応する信号強度は零である。最大信号強度のための最適位相捕獲は、１８０°である。仮に１８０°より多くが捕獲されたなら、ＤＣ信号レベルのみが検出（３６０°の位相捕獲）されるまで、信号及び変調の双方は減少する。マスキングされていない検出器は、先述された通常の象限形態における正しく９０°の位相を捕獲するので、達成可能な変調は約８５％である。図１１Ｂに示された如くのマスキングされた検出器は、最大で約９０％の変調レベルのために、約４５°の位相を捕獲する。
プライムＸ形態が使用された際、マスキングされていない検出器セルは、２７０°の位相に会い、非常に弱い変調信号を生じる。プライムＸ方法論を採用する実用基本型は、マスクを用い、これは検出器領域のほぼ５０％を覆い、捕獲された位相を約１２６°に制限する。本発明の好適実施例においては、活性領域１２０の間の領域は、一つのセグメントから他のセグメントへのクロストークを最小にするように高い抵抗率及びバイアスを持つように形成されている。高抵抗率材料の使用は、接合の破壊電圧を上昇させる。
検出器の「活性」領域１２０のまわりの絶縁領域の光に対する感度に起因して、端部セグメントは、内側セグメントよりも大きな感度を示す。これは、Ａ及びＤチャンネルにおける信号レベルの昇降を引き起こす。仮に外側セグメントが、内側セグメントと同様な方式でマスキングされているならば、外側セグメントは感度の減少を示すであろうが、これは、外側セグメントからの漏洩電流が、内側アレイのそれよりも大きくなり得るためである。アレイの各端部に付加されたマスキングされた「ダミー」セルを用いると、漏洩の影響の幾らかの減少がある。実用基本型の検出器においては、「ダミー」セルが付加されているが、左側はマスキングされていない。更に、Ａ及びＤチャンネルのゲインは、Ｂ及びＣチャンネルを越えて２．６％で昇降する。
本発明の検出器の他の変形例は、「ダミー」セグメント１２１の使用に代えて、アレイの各々の端部における活性セグメント１２０のまわりのマスキングの拡大を変化させる。
空間濾波
本発明の実用基本型に採用された検出器の位相化形態の更なる利点は、１次と２次との回折次数の間の自然干渉から０次要素を効果的に除去できることである。検出器２５が多相相互指状検出器である場合、その周期性は、０次の影響を減少させるように選択できる。図１１Ｄは、検出器の位相化アレイ形態により達成される空間濾波を示す。このような結果は、検出器と干渉縞との位相が正確に整合した際に達成される。１８０°の捕獲は、初期には完全に倍数である全ての高次数高調波を抑制できる。
本発明の好適実施例においては、波面補正技術は、０次を検出器２５から離れるように曲げるために使用されている。他の実施例は、幾らかの０次要素が検出器へ到達することを許すものの、本実施例の場合には、位相化アレイによる空間濾波が、検出器における０次の影響の減少を促進できる。
ここで図１２Ａ及び１２Ｂを参照すると、フレックスケーブル１０４が、屈曲されてヘッド９２に取り付けられる前の状態で示されている。部分１３２は孔９８及び検出器２５を支持し、一方、部分１３４は処理電子装置１０６を支持する。部分１３６はレーザダイオード２５への電力を供給し、そして最後に、部分１３８は電力及び信号を移送するための電気的リード線を備える。図１２Ｂは、いかにして部分１３２及び１３４が基板１４０及び１４２により支持されているかを示す。これらは好ましくは印刷回路基板材料、例えばＦＲ４エポキシから構成され、またフレックスケーブル１０４に対して堅固な構造を備える。
図１３を参照して、処理電子装置について詳細に説明する。図の左側は、検出器２５からの個々の延伸されたセグメントが、合計信号ＡＳ、ＢＳ、ＣＳを与えるために、どのようにして互いに接続されているかを示す。これらの信号の各々は、信号を調節して増幅する増幅器１４４へ与えられている。差動増幅器１４３は、信号ＣＳとＡＳとの間の差、及び信号ＤＳとＢＳとの間の差をとり、正弦および余弦信号を発生する。これら正弦および余弦信号は、その後、信号に補間処理をなすインターポレータ１４６、即ちインターポレーション チップに基づくディジタル信号処理装置（digital signal processor;DSP）に加えられる。高速補間処理のためには、ＤＳＰチップは、アナログデバイス ＡＤＳＰ ２１００シリーズＤＳＰチップとすることができ、或いは中間レンジ補間処理のためには、４０Ｘ インターポレータ チップとすることができ、これは本願の譲受人のComputer Products Divisionにより製造販売に供されている。最後に、４Ｘ象限出力のための処理は、テキサス州ダラスのEast Texas Intergrated Circuitsにより製造されている象限（quadrature）チップ デバイス番号 ＥＴ９５８０を使用して達成できる。
図１３には本発明の好適実施例におけるハイブリッド回路１４７に配置された部品も示されている。これは、検出チップ２５、前置増幅器１４４及び１４５を含む。前置増幅器１４４及び１４５は屈折率検出器セグメント１１８（ＩＡ及びＩＢ）からの信号を調整するために設けられ、出力「屈折率Ａ」及び「屈折率Ｂ」を与えることに注意されたい。前置増幅器１４４及び１４５は、テキサス州、ダラスのTexas Instumentsにより製造されているデバイス番号ＴＬＣ２７２Ｃとすることができる。最後に、注目すべきことは、ハイブリッド１４７は、検出器チップ２５への印加バイアス信号に使用される基板バイアス（Substrate bias）入力を含み、先述したように、クロストークを減少させることである。
差動増幅器１４３はアナログ基板（analog board）上に屈折率回路に沿って配置され、この屈折率回路は、前置増幅器１４４及び１４５からの屈折率Ａ、屈折率Ｂ、ＡＳ、ＢＳ、ＣＳ、及びＤＳ信号に基づいて屈折率信号を発生する。アナログ基板上にはバイアスレギュレータも配置され、これは検出器チップ２５からの基板バイアス信号を発生する。最後に、アナログ基板は、通常のレーザー駆動装置、必要とあればクラス１以下の射出レーザー出力を保持するための通常のパルス回路、及び通常の±５Ｖレギュレータ回路をも含む。
屈折率のための回折ゾーンレンズ
本発明においては、屈折率パルスは、光を２０μｍ幅および±０．５ｍｍの深さを越える帯に合焦させる二成分ゾーン（zone）レンズを用いて発せられる。図１１Ａの二つの検出器１１８は、屈折率パルスのゲートに用いられている。図１３及び増幅器１４５も参照されたい。図１４はガラス基板上に形成されたゾーンレンズの断面を示し、このゾーンレンズは２０μｍの帯を発生するのに適している。このゾーンレンズは、格子１３の製造時に格子１３の第一参照格子上に形成される。コリメートされたビーム２９は、格子をはみだしてゾーンレンズに到達し、このゾーンレンズは第一参照格子の上および／または下に配置できる。ゾーンレンズは光を２０μｍの帯に合焦させ、この帯は、検出器２５上の屈折率検出器セル１１８に到達する。
図１４において、レンズがラジアル格子に使用された際、その寸法は、各々の屈折率二成分の動径中心における各々の遷移の位置に対応するので、線は放射状であり、線形ではない。ラジアル格子に使用するコリメートされた光を前補償するために波面補正が用いられた本発明の実施例において、回折ゾーンレンズが使用された際、ゾーンレンズ設計は、「非捩じれ」の前補償の必要性を考慮せねばならない。波面補償構造は、垂直入射光をゾーンレンズに到達させるために、ゾーンレンズの領域を除外するように形付けられる。或いは、ゾーンレンズを波面補正構造からの二つのビームに適合するように設計できる。
アポダィゼーションされた孔
本明細書において先述したように、光ビームの整形のために、孔がたびたび使用され、ビームの大きさが明瞭に規定される。光の波長と本発明に従って使用された孔の大きさにより、孔からの縁回折は、検出器へ与えられるべき光信号の品位をひどく低下させ、アライメント許容差をも減少させてしまう。様々なパターン、例えば点線パターンで孔の縁を「軟化」させることにより、縁回折の影響を減少できることが見出だされている。図１５Ａは孔２３０、及びこの孔の縁に沿って、角隅を含んで形成されたアポダィゼーションされた領域２３２を示す。孔に１０００から２０００μｍの範囲の大きさを持たせるためには、アポダィゼーション領域２３２は約１００μｍ幅にされねばならない。
図１５Ｂは、不透明から透明への滑らかな移行を与えるために点線パターンが使用された方式を示す。孔の縁は、点の径の減少、及び／または点の密度が減少されたように近似されている。好ましくは、アポダィゼーションにより与えられた伝導における移行は、正弦二乗関数に従う。代替的に、超ガウス関数も使用できる。
偏光ビームスプリッタ実施例
図１６を参照すると、本発明の代替的な実施例が示されている。この実施例は、偏光ビームスプリッタ１４８及びλ／４遅延板１５２を用いて、ビーム１５０を法線経路に沿って格子へ向かわせる。これは以下のようにして達成される。コリメートされたビーム１５０は、そのレーザーダイオードからの像を結ぶように、線形に偏光されている。レーザーダイオードは、図１６における紙面に垂直をなす偏光面へ向けられている。この偏光に起因してビームスプリッタ１４８は、実質的に全てのエネルギーをλ／４遅延板１５２を通じて反射させ、λ／４遅延板１５２は偏光を環状に変形させる。このビームは続いて格子１３に到達し、ここで０°で入射する。１次回折ビームは遅延板を通じて戻り、ここで光は変形されて線形偏光化形状に戻るが、偏光角は、出射ビームの偏光角に対して直交する。この回転及び偏光に起因して、実質的に全てのエネルギーがビームスプリッタを通過して検出器２５に到達する。光路長は、１次自然干渉が検出器に入射するように選択されている。この試みは、二つの主要な利点を与える。格子における法線入射は、格子が尽きることに対する感度を最小化し、検出器は、その活性要素が格子線に対して直角をなすように整列させることができるが、その格子線は、他の実施例における如く５°の検出器回動を要求するように対向されている。偏光ビームスプリッタ態様には、製造上の利点もあり、これは全ての機械加工面が直角または４５°であるので、部品を支持するハウジングの機械加工における装備を削減できることである。
波面補正
格子の周期の減少により、本発明におけるシステムの設計の実際的な報酬は、小さな格子周期により発生された縞に適合するために、十分に小さな周期を持つ多相検出器の利用可能性及びコストである。先に討議したように、格子１３Ａにより生起された干渉縞は、典型的には、格子１３Ａの周期の半分の周期を持つ。格子周期が減少されたので、検出器組み立ての実際的な限界は、システムのコスト及び性能に影響する。従って、広く様々な適用及び格子の周期の広い範囲、検出器組み立ての限界を押し進めない周期に適合且つ使用する検出器設計に適したシステムの構成を持つことが望まれる。
線形検出器アレイを用いるラジアル格子からの干渉縞の検出は困難であることが認められる。これは、ラジアル格子により与えられた回折が、回折を起こす格子パターンの半径距離に沿った位置の関数として「捩じれる」ためである。図１７は、線形格子２０２からの１次回折２００とラジアル格子２０６からの１次回折２０４とを比較し、回折次数におけるラジアル格子の影響の一つが図示されている。１次回折２００は、格子２０２に対する法線からθ１の角度をもって示されている。
図１７の右手側には、線形の場合からの１次回折２１０が、ラジアル格子からの１次回折２０４に点線で重ねられて示されている。ラジアル格子の周期Ｐ１は、その最も外側の点で、線形格子の周期Ｐ１に等しいものと仮定されている。
ラジアル格子２０６の外側部分からの回折次数は、線形格子の場合と同じ角度で離れるが、ラジアル格子２０６の内側部分からの回折次数は、格子から大きな角度で離れる。図１７には、これらの角度がΔθ２として示されている。この差は、格子の「周期」が半径距離の関数として変化することに起因し、格子の内側部分へ向かう周期Ｐ２は、外側部分へ向かう周期Ｐ１よりも小さくなる。格子の「周期」が大ならば、角度は小である。逆に、格子の周期が小ならば、角度は大である。当然の結果として、ラジアル格子２０６について、半径距離の増加に伴って回折次数の角度が減少し、従って、そのビームの間の干渉は、半径距離の増加に伴って増加する縞周期を持つ。
ラジアル格子の他の影響は、ラジアル格子パターンの頂部縁が弧２０８に沿って位置し、一方、線形検出器のセグメントの頂部縁は、線形格子２０２についての線２１０と同様な直線に沿って配置されているので、ラジアル格子は、検出器の中間においては小さく、且つ検出器の端部においては大きい周期を持つ線形検出器に干渉縞パターンを生成することである。このことは、図１７における弧２０８に対する接線に平行な直線２１２に沿って格子の周期が変化することの観察により認めることができる。周期は、線の中間で最も小さく、線の両端では大きい。
更なる影響は、スポットが格子を照明する際、照明スポットの左手部分における格子パターンが、僅かなＮＮＷ勾配を持ち、一方、右手部分はＮＮＥ勾配を持つことである。
これらの影響の全ては、矩形線形検出器アレイを使用するラジアル格子からの干渉縞検出の困難性を付加する。それ故、図４に示された線形検出器構造は、ラジアル格子からの干渉縞の適切な処理にはおそらく使用できないと見做せる。
本発明においては、格子からの干渉縞の周期を変えさせる技術が開示されるので、比較的に粗いセグメント周期を持つ検出器を、比較的に小さな周期を持つ格子と共に使用できると共に、線形検出器をラジアル格子からの干渉縞の検出に使用できる。本発明においては、光源に対して固定された位置における格子の上流に、一つの構造体が設けられている。この構造体は、光源からの視準光を、この光が格子に到達する前に、前補償（pre-compensate）または前補正（pre-correct）する。この前補償または前補正は、格子により生成された結果的な干渉縞が、線形で所定の周期を有するように選択されている。
前補償または前補正は、視準光から得られる二つの分離ビームを改良し、且つこの二つの分離ビームを選択された角度において格子１３Ａへ向かわせる。
選択角度は、ラジアル格子により加えられた「捩じれ」を抑えるように、或いは、１次回折が格子１３Ａを離れる角度を変化させるように選ばれている。本発明においては、屈折格子、回折格子および二成分光学構造を前補償または前補正に使用できる。
図１８は格子を離れる１次回折における角度を変更するための本発明による波面補正の使用を示す。レーザーダイオード１５は、レンズ構造１７によりコリメートされた（視準された）コヒーレント光を与える。波面補正構造２１４は格子１３Ａの上流に配置され、格子により回折された二つの視準ビーム２１６及び２１８を与える。視準ビーム２１６からの正の１次回折と視準ビーム２１８からの負の１次回折とは、ビーム２１６と２１８との間の影付け領域２２１にて互いに干渉される。検出器２５は、この干渉領域に配置されている。
先ず、０次ビーム２１６及び２１８が傾けられているので、これらは検出器２５へ入りそこなうことが注目される。更に、高次数回折は十分に鋭く傾けられているので、検出器により採取される干渉は、実質的に純粋な±１次である。
第二に、格子１３Ａの周期はもはや検出器２５の周期を指図しない。従って、設計者は、広く変化に富んだ格子周期および半径のために、大量に購入可能な非常に巧みに設計された一つの検出器を使用できる。この検出器は、技術の現状の制約を押し進める必要がないので、検出器の性能、コスト、及び歩留まりの改良にも配慮することができる。
図１８は、小さな周期、例えば１０ミクロンを持つ線形格子からの干渉縞周波数を、波面補正技術が如何にして増大させるかを示しており、この結果、粗い検出器、例えば３０ミクロンの縞周期に適した検出器を使用できる。式（１）に従えば、一次回折ビームにより生起された波長λ＝７８５ｎｍ、３０μｍ干渉縞については、その一次回折ビームは互いに角度
β＝２ｓｉｎ−１（７８５ｎｍ／６０μｍ）＝１．４９８°で傾けられている。従って、仮に格子１３Ａからの１次回折ビーム２２０が有効な角度
β＝１．４９８°を持つならば、所望の縞周期が導かれる。
他方、図１８Ａにおける格子１３Ａが１０μｍの周期を持つと仮定すれば、視準光は格子１３Ａへ０°で入射して１次ビームを導き、この１次ビームは、相互に約９．０°（格子の法線に対して４．５°）で傾けられており、５μｍ周期を有する干渉縞が生起される。
図１８に示されたように、波面補正構造２１４の機能は、視準光が格子１３Ａへ入射するときに、その角度を調整することであるので、格子１３Ａからの１次ビームの有効角θｃは、所望の角度、例えば１．４９８°である。図１８は、屈折要素の形態における波面補正構造２１４を示すが、本発明によるこのような補正を与えるためには、二成分光学要素のみならず、位相格子も使用できることは明らかである。
波面補正構造２１４は、光の二つの明確な視準ビーム２１６及び２１８を与え、これらは相互に角度α＝２θｗｆｃで傾けられている。従って、各々の視準ビーム２１６，２１８は、それぞれ法線からの角度−θｗｆｃ’＋θｗｆｃにて格子１３Ａへ入射する。格子１３Ａは、入射ビーム２１６及び２１８の光路からの角度θｇ＝ｓｉｎ−１λ／ｄにて１次回折を生起するので、格子１３Ａの法線に対する１次回折２２０の有効角度λｅが変更される。即ち、
θｅ＝θｇ−θｗｆｃ  （５）
または、
β／２＝ｓｉｎ−１（λ／ｄ）−α／２  （６）
ここでλは視準光の波長であり、ｄは格子１３Ａの周期であり、β＝２θｇ、α＝２θｗｆｃである。従って、αの適切な調整により、格子１３Ａからの１次回折の間の所望の角度間隔βを得ることが可能であり、これは次いで、検出器２５における所望の干渉縞周期を導く。更に正確な式は、
α＝２ｓｉｎ−１（λ／ｄ）−ｓｉｎ（β／２））  （７）
図１８は、検出器２５のセグメント１２０に対する干渉縞周期の関係をも示す。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ及び図１１Ｄに関連して詳細に討議したように、本発明の好適な実施例は、いずれも検出器の象限を表す四つの連続的なセグメントとしての検出器セグメント１２０のアレイを使用する。検出器セグメント１２０は、象限が、検出されるべき干渉縞の周期と同じ幅を持つように寸法付けされている。従って、図１８に示されるように、四つのセグメント１２０の合計幅は、λ／ｓｉｎ（θｅ）に一致し、干渉縞の周期は領域２２１にある。
このような配置構成によれば、検出器２５により得られる信号変調のレベルは８５％であり、発明者により本明細書において論じられた他の検出器配置構成を実質的に越える改良である。検出器セグメントの非活性部分のマスキングは、４５°で捕獲された位相の量を減少させ、獲得可能な最大変調を９５％へ増大させる。しかしながら、最も多くの適用では、マスキングされていない検出器で十分であり、これは検出器製作の歩留まりを向上させ、単純化し、且つコストを低減させる。
本発明による波面補正の更なる利点は、反射複製格子の局所的な表面不規則性に起因する信号変調の影響の減少である。これは、波面補正が回折次数の角度を変えるので、干渉縞が「拡張した」ものの、表面不規則性の有効な大きさにおいては、対応する増大は与えられていないことによる。
波面補正によって干渉縞が「拡張した」ことにより、商業的に入手可能な検出器セルのうちから、一つの四帯検出器を「拡張した」縞の検出に使用できる。これにより予期されることは、このような多くの商業的検出器の使用により、更に広い帯域幅が得られることである。
図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃと、図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃは、回折構造と屈折構造を用いる波面補正配置を示す。図１９Ａは図１８の単純化版であり、回折構造２１４の使用を示し、格子１３Ａは、回折構造２１４から離間されているので、視準ビーム２１６及び２１８は、それらが格子１３Ａへ到達する点においては重ならない。格子１３Ａは、構造２１４から他の距離、例えば、視準ビーム２１６及び２１８が完全に重複、即ち重なり合う点に配置してもよいことは明らかである。視準ビーム２１６及び２１８が重なり合う回折配置を用いると、格子は５μｍ周期を持つことができ、スポット径は１．０ｍｍにでき、干渉縞周期は３０μｍにできる。波面補正構造２１４は、約５．４５μｍの周期を持つ位相格子にし得る。図２０Ａは、波面補正構造２１４、格子１３Ａ、及び干渉領域２２１の間の相対的な間隔の例をミリメートルで示し、これらの間隔の例は、上述のような配置により得ることができる。
回折波面補正構造は、単純な二段設計を使用しているので、屈折よりも安価に製造できるが、このような設計により表れる残りの０次光は、検出器２５からの信号に光学的雑音を生起し、補間される信号の品位を低下させてしまう。
図１９Ｂ、１９Ｃ及び２０Ｂは屈折配置を示す。この配置は、ビーム２１６及び２１８が格子に到達する前に、これらのビームを交差させる必要から、要素の間に大きな間隔をおいている。しかしながら、干渉の大きな領域は獲得されており、約３ｍｍ（回折）に対して約５ｍｍ（屈折）である。屈折配置は、プリズム２１５のような一つの光学要素と、双対孔（dual aperture）２１７を使用する。図２０Ｂの屈折波面補正配置は、格子１３Ａについての周期を１０μｍ、１ｍｍスポット径と仮定すると、プリズム２１５は入射ビームを格子１３Ａへ傾ける結果、３０μｍの干渉縞が領域２２１に生起される。
図１９Ｃは、プリズム２１５への格子１３Ａの移動の影響を示し、干渉縞領域２２１の幅の収縮を含む。
最後に、図２０Ｃは、本発明による配置を示し、この配置は波面補正構造を使用しない。というのは、多くの粗い検出器の周期（６０μｍ）が同様な３０μｍの干渉縞周期を生起するために使用されているためである。更に、格子１３Ａは２次から８次までの全ての次数を抑制するように設計することが要求され、検出器２５は、９次の分岐から外側へ５０％重なり合うまで位置し得る。
ラジアル格子波面補正
再度、図１７を参照して、ラジアル格子用の波面補正構造を詳細に説明する。回折されたビーム２０４の「捩じれ現象（twisting）」は、同様だが反対の方式で、格子への入力における波面の整形により補正される。図２３は、この機能を実行するために格子１３Ａの上流に使用できる光学要素を示す。視準ビームは屈折光学要素２２２へ底面２２４を通じて入射し、他の側の二つの「捩じれ面」２２６及び２２８を通じて出射する。屈折光学要素２２２の面２２６及び２２８は、一端において低い頂部と小さな勾配を持ち、これは他端において高い頂部と段階的な勾配になるように直線上に増加する。
図２１は、この一般的な形式の光学要素を透過して、次いで格子１３Ａを透過する入力ビームの一側面を示す。図２１の左手側には、ラジアル格子に起因する回折ビームにおける「捩じれ（twist）」が示されている。１次ビームの近くと遠くの縁は、異なる方向に沿って表れる。図面の右側には、ビームが格子１３Ａに到達する前に、屈折光学要素２２１が如何にして捩じれを逆転させ、平行な回折ビームを導くかが示されている。
図２２は、ラジアル格子の他の影響を補正するための屈折光学要素の面の形状の変形例を示す。ここで、面の勾配は頭部から底部へのみならず左から右へ変化して示されている。例えば、左から右への勾配変化は、格子パターンの周辺に対して平行をなす線に沿って、ラジアル格子の変化を補正するために使用し得る。更に、面の勾配は、０次の空間的濾波のために要求される入射ビームの間隙、或いは光学要素から格子への間隔に適合するように選択できる。
図２４は、線形検出器と共に使用する反射波面補正構造を示す。面の勾配は、既に述べたように、格子の外側に所望の縞周期を導くように選択されている。図２５は、光学要素の面の角度付け、及び屈折光学要素から格子１３Ａの間隙である間隔が、如何にして、ビームが格子１３Ａに到達する際の間隙及び角度に影響するかを示す。
図２６Ａ、図２６Ｂ及び図２６Ｃは、ラジアル格子についての波面補正に使用するための回折型光学要素を示す。図２６Ａは、使用可能な二成分光学要素パターンに対して、ラジアル格子パターンを重ね合わせている。二成分光学要素パターンは、ラジアル格子パターンを上下逆にしたものに似ている。図２６Ｂ及び図２６Ｃは、高い効率を保つこと及び不所望な次数の空間的濾波の目的で、光学要素は如何なる具合で好ましくは切り開かれ、または多階段状（muti-steped）にされているかを示す。回折パターンの空間的周期は、格子と検出器との双方の特性の関数であり、おそらく格子のそれとは異なる。これから想像されることは、波面補正用の二成分光学要素パターンは、コリメータ及びアポディゼーション処理された孔と一体的にできるので、一つの回折型光学要素が、レーザーダイオード１５からの発散出力を受け入れ、適切な寸法のコリメートされて且つアポディゼーション処理された二つのビームを導き、その各々は、最上層の強度特性を持つ。
ＷＦＣ反射実施例
図２７を参照すると、本発明の反射実施例が示され、これは波面補正構造２１５を採用している。構造２１５は反射形式であり、孔９８の直前に位置している。図２７の面は格子１３の段に対して平行をなすものと仮定されている。波面補正構造２１５からの前補正された（pre-corrected）視準ビームは次いで、図２７の面において僅かな傾きをおいて、格子１３へ向かわせられるので、反射及び回折された次数は、入射視準ビームから角度をなして離れる。ミラー２５０は、回折された次数を検出器２５へ曲げる。検出器２５は、ハイブリッド１４７のセラミックパッケージ内に位置して示されている。
ＷＦＣ透過型実施例
図２８は本発明の透過型実施例を示し、これは波面補正構造２１５を採用している。反射実施例の場合におけるように、反射波面補正構造２１５は、格子１３Ａの上流に、且つ孔９８の直前に位置している。レンズ１７からの視準ビームは、ミラーにより屈曲され、孔９８へ向かわせられる。ミラー２５４は、波面補正構造２１５からの前補償された（pre-compensated）を屈曲させ、格子１３Ａを透過させるので、１次回折がハイブリッド１４７内の検出器２５へ入射する。この反射ＷＦＣ実施例におけるビームの複屈曲は、ヘッド輪郭の小型化を提供する。
透過型ＷＦＣ−−可動ステージ
図２９は本発明の透過型ＷＦＣ実施例を示し、これは可動ステージ３００の位置の制御に使用されている。ステージ３００はレール３０２に沿って移動するように支持され、レール３０２の直下に位置する透過型格子１３Ａがレーザーレンズ補助システム３０４に近接されている。エンコーダーブラケット３０６は、ステージ３００へ底部から取り付けられ、且つレーザー／レンズ補助システム３０４及びセンサー補助システム３０８をステージ３００と共に移動させるように支持する。エンコーダーブラケット３０６は、孔９８及び波面補正構造２１５をも支持し、波面補正構造２１５からの光のコリメートされた、前補正されたビームはミラー２５６により屈曲され、その後、透過型格子１３Ａへ向かい、これを透過する。透過型格子１３Ａにより生起された回折次数は、ステージの他の側のセンサー補助システム３０８に入射する。
閉止構造内の光学的サーボ制御
いま図３０を参照すると、本発明の光学的サーボ制御適用の単純化された機能的なダイアグラムが与えられている。先に討議したように、包囲体４００内に位置するのは、部品４０２と、この部品４０２を移動させるモータまたはアクチュェータ４０４である。部品４０２は、モータ４０４により供給される原動力に応答して回転軸４０６まわりに回転する。部品４０２は、モータ４０４について対称に位置して示されているが、本発明は、包囲体４００内で回転的に可動な他の部品形態に適用してもよいことは明らかである。
図３０においては、単純化のために、モータ４０４のコイル部分４０８、磁石部分４１０、及びベアリング４１２のみが図示されているが、実際の据え付けでは、完全なモータ４０４には他のモータ部品も含み得ることは明らかである。コイル  モータ４０４のコイル部分４０８によりエネルギーを与えられた電気信号は、ハウジング４００の外部に配置され、且つ駆動回路４１４を含む回路構成から供給されている。本発明の精神の範疇内で、他のモータまたはアクチュェータ構造も部品４０２の回転のために使用できる。本発明においては、二つのサーボループが形成されている。即ち、部品４０２をセンサ４１６へ光学的にロックする内部サーボループと、センサ４１６を回転軸４０６に対して精密に位置決めし、且つ部品４０２の位置を精密に制御する外部サーボループである。本発明の好適実施例によれば、内部サーボループはイカのように形成されている。格子断片４１８は部品４０２に固定されている。次いで、包囲体４００には窓４２０が形成されているので、格子断片４１８は、部品４０２の所定の移動範囲に亘って包囲体４００の外側から光学的に可視である。
格子断片４１８は、包囲体４００の外側に配置されたセンサ４１６からの波長λの光で照明される。格子断片４１８は、自然１次干渉縞が窓４２０を通じて包囲体４００の外側に生起されるように構成されているので、センサ４１６を干渉縞の検出に使用できる。
格子断片４１８上の選択された標的位置は、センサ４１６により検出され、内部サーボループは、部品４０２の位置を保持するように、即ち、センサ４１６に対する格子断片４１８の位置を保持するように働くので、センサ４１６の出力は変化せずに存続する。図３０に示すように、センサ４１６からの出力は、ディジタル信号処理装置４２２へ与えられ、この信号処理装置４２２は、センサ出力を位置情報へ変換する。次いで、サーボ処理回路構成４２４は、この位置情報を用い、駆動回路４１４を介してモータ４０４を制御する。
通常のように、サーボ処理回路構成４２４は、センサ４１６及びディジタル信号処理装置４２２から得られた実際の位置情報を、標的位置に対応する位置情報と比較する。標的位置から離れる実際の位置情報の何らかの変動に応答して、サーボ処理回路構成４２４は、部品４０２を駆動するモータ４０４へ補正信号を発し、これにより格子断片４１８は適正な位置へ戻る。この方式においては、内部サーボループが、格子断片４１８、及び部品４０２をセンサ４１６に対して光学的にロックする。
外部サーボループは、回転軸４０６のまわりのセンサ４１６の位置を精密に制御するように形成されている。図３０は、精密光学エンコーダ４２８のコード（code）ディスク４２６により直接に支持されたセンサ４１６を示す。光学エンコーダ４２８は、アクチュェータ４３０により回転される。代替的に、センサ４１６は、アクチュェータ４３０と同軸な軸を有するシャフトに取り付けられたアームにより支持させることもでき、その結果として、センサ４１６は、コードディスク４２６と同様な方式で回転する。
精密光学エンコーダにより与えられるべきセンサ４１６の位置が示されるならば、本発明の精神の範疇内で、他の精密位置センサも使用し得ることは明らかである。例えば、センサ４１６は、マイケルソンレーザー干渉計により制御されたアームに支持させることもできる。
外部サーボループは、エンコーダディスク４２６、従ってセンサ４１６も制御し、通常のコントローラ（図示せず）により、指定位置に精密に位置決めさせる。これら指定位置は、サーボ処理回路構成４２４により受信されて、再び実際の位置情報と比較されるが、この実際の位置情報は、例えば、加算器４３４及びインターポレータ４３６を通じて、透過型読取りステーション４４０から得られている。サーボ処理回路構成４２４は、駆動回路４３８を介してアクチュェータ４３０へ制御信号を発し、実際の位置情報が指定位置と一致するまでエンコーダディスク４２６の位置を変化させる。
本発明の好適実施例において、センサ４１６及び格子断片４１８は、本願において先に説明した形式のものである。例えば、図８Ａから図８Ｅ、及び図９に示されたヘッドは、センサ４１６に使用できる。しかしながら、本発明のこの実施例に採用された格子断片４１８は、本願に図示された先の実施例に関連して説明された如き精密なものには構成する必要はないことは明らかである。これは、格子断片４１８は、変化した位置の量を精密に示すに代えて、位置の変化を示すのに使用されているためである。このため、格子断片は低コストにできる。好ましくは、コードディスク４２６の位置は、二つの透過型読取りステーション４４０、例えば図１０の透過型ヘッドを使用して精密に定められている。
図１３に関連して説明したように、多相検出器からの出力信号（チャンネルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は増幅されて、チャンネルＡからチャンネルＣを、及びチャンネルＤからチャンネルＢを減じることによりＤＣオフセットを除去する通常の方式により処理される。これは、正弦−余弦アナログ出力信号を導く。これら正弦−余弦信号は、加算器にて共に加算された後、良好な位置情報を補間するための様々な手法により処理できる。例えば、Digital Linear and Analog Metlogy，１９９２，Verlar with coolaboration with Heidenhain発行、第２３頁−２８頁を参照されたい。
好ましくは、図３０の外部位置決め装置４２８のためのディジタル信号処理及びサーボ処理機能は、商業的に入手可能なディジタル信号処理サーボ基板、モデル番号ＭＰＩ  ＰＣ  ＤＳＰであり、これは、カリフォルニア州、サンタ  バーバラのMotion Engineering. Incにより製造され、ＩＢＭ互換性パーソナル  コンピュータで走る。共に供給されたソフトウェア、postision resolution of 12bitsも入手できる。
代替的に、位置情報は、ディジタル信号処理装置４２２及び４３６に代えて、アークタンジェント  マルチプライア関数ブロックを使用しても得ることができる。最適なアークタンジェント  マルチプライアは、光学エンコーダに一体になったものを含み、この光学エンコーダは、アーカンサス州、リトルロックのBEI Precision Systems and Space Divisionにより製造されたモデル  ＲＡＬ  ２４／１５８である。
好ましくは、二つの透過型読取りステーション４４０は、ディスク４２６の同心の何らかの不足を補正するために、互いに１８０°離間されている。ディスク４２６は好ましくは、ロータリーアクチュェータ４３０により回転され、これは例えば、カリフォルニア州、カールスバッドのKimco Manetics Division of BEI Motion Systems Companyにより製造されたモデル番号 ＲＡ２９−１１−００２Ａである。次いで、ロータリーアクチュェータ４３０は増幅器４３８の信号により駆動されるが、この増幅器は、カリフォルニア州、カメリロのAdvanced Motion Controlsにより製造されたモデル番号 １２Ａ８とすることができる。
線形光学サーボ実施例
いま図３１を参照すると、本発明の光学サーボ実施例の線形版が示されている。ここでの要素は図３０の回転実施例に使用されたものと同様であり、同様な参照符号が用いられている。
図３１において、包囲体４００の閉止空間内に配置された部品４５０は線状に移動可能であり、例えば、部品４５０は、ステージとすることができ、また閉止空間内に配置されて配線４５２に与えられた信号により駆動される通常の位置決め機構（図示せず）を使用して、部品４５０をレールの設定により規定された経路に沿って移動させることができ、その一例が図３１にレール４５４として示されている。部品４５０に取り付けられた適当な車輪４５６が、レールに沿って転動することにより、部品が線形経路に沿って移動する。本発明は、閉止空間内で部品が線状経路に沿って移動する他の配置構成に対しても適用可能であることは明らかである。
格子断片４１８は部品４５０上に位置して示されている。センサ４１６は、格子断片４１８へ窓４２０を通じてコヒーレント光を発射し、格子断片４１８により生起された自然干渉を検出する状態で示されている。
センサ４１６は、ステージ４５８に装着されて示され、このステージは、それ自体が線状経路に沿って移動するように精密制御されている。例えば、図２９に示された構造が、図３１の実施例における使用に適した精密線形位置決め装置を提供できる。
差分オフセット
図３３に示された如き本発明の較正原理の説明の前に、先ず、格子断片４１８及び位置センサ４１６から入手し得る位置情報の性質について、図３２を参照しながら説明する。例示として、約３／８″幅の格子断片４１８を使用できる。２０μｍの周期の格子が約７８５ｎｍの波長のコヒーレント光で照明された際、正と負の１次回折の間の干渉が、１０μｍの周期の干渉パターンを生起する。
図３２は、三つの上述のような縞を示す。センサ４１６内の検出器セグメントは、干渉縞の上方に、干渉縞の周期に対する近似的な空間的関係で示されている。本発明の好適実施例においては多相検出器が採用され、この検出器にあっては、検出器セグメントが干渉縞周期に対して９０°間隔で離間され、干渉縞の１サイクル毎に四つの検出器セグメントの１グループを形成している。検出器２５と図１１Ａ及び図１１Ｂに関連して先に説明したように、検出器セグメントの出力は周期形態で加算される。
検出器セグメントからの出力は、ＤＳＰインターポレータ４２２、または他の適宜なインターポレータを使用して処理され、図３２の下部に示された補間された位置を生成する。図示を目的としているので、図３２に示された補間された位置の分解能は、実際のシステムにおいて導かれ得るものよりも相当に粗い。
例えば、各々の縞の幾何学的若しくは数学的な補間法は、各縞について、４０９６位置を与える１２ビットの分解能を成し遂げられる。従って、部品４０２（４５０）は、縞における特定の点ばかりではなく、補間された４０９６の異なる位置のいずれに対しても、上記のような特定の点のどちら側でも光学的にロックできる。更に、この例では、格子断片４１８の幅を横断して約３，０００の縞が利用可能であるので、部品４０２（４５０）の位置は、格子断片４１８の設定位置のいずれの側でも、約７５０の縞まで正確にオフセットできる。他方、オフセットは内部サーボループに適用できるので、名目上の設定位置、即ち内部サーボループが通常はセンサ４１６と部品４０２との間に保持させる位置から、センサ４１６に対する部品４０２（４５０）の相対位置をオフセットさせられる。このようなオフセットの使用により、内部サーボループは、例えば、図３２に示された格子設定点から１０補間増分の位置を光学的にロックできる。
この差分オフセット特徴は、例えば、外部精密位置決め装置が、包囲体４００内の対象４０２よりも剛性が低いか、或いは容積が大きい場合に望ましいものである。それだけでは、外部位置決め装置に関して部品４０２の外部位置決め装置及び差分オフセットによる位置の保持をなすことが望まれる。内部部品４０２は、仮に内部及び外部位置決め装置の双方が内部部品を光学的にロックするにすぎず、また双方が内部部品４０２の各々の且つ全ての移動と共に移動するように要求されている場合よりも、相当に大きな速度で移動し得る。
較  正
ここで図３３を参照して、較正処理について詳細に説明する。
図３２において、較正処置はステップ４６０にて開始され、ここでは内部サーボループは機能しておらず、部品４０２（４５０）は、その移動範囲の一端に停止して位置している。次に、ステップ４６２では、外部サーボループはセンサ４１６を掃引し、部品４０２（４５０）を発見し得る位置の範囲を横断して格子断片４１８を検索させる。格子断片４１８がなければ、センサ４１６の出力レベルは非常に低くなる。ひとたびセンサ４１６が格子断片４１８からの干渉縞を検出し始めると、認識可能な出力がセンサ４１６により与えられる。ステップ４６４では、このような出力の出現の結果としてステップ４６６へ移行される。
ステップ４６６は、センサ４１６からの出力が確定された最小閾値を越えているかどうかを決定する。この閾値よりも低い出力レベルは、格子不具合４６８、例えば誤った位置決め、或いは格子の欠陥を示す。
他方、センサ４１６の出力が閾値を越えないならば、ステップ４７０は、センサ４１６を格子断片４１８の一つの縁へ向かって移動させるように処理する。ステップ４７２は、センサレベルが選択された閾値を下回って降下したときを測定することにより、いつ縁へ到達したかを決定するために用いられている。その点がひとたび到達すると、外部サーボ位置決め装置により示されたセンサ位置は、ステップ４７４で読み取られ、記録される。更にステップ４７４においては、次いでセンサ４１６が格子断片４１８の反対縁へ向かって移動される。ステップ４７６は、いつ対向縁へ到達したかを検出し、次いでステップ４８０が、対向縁のためのセンサ４１６の位置を検出して記録する。次いで、ステップ４８０の一部分として、格子設定位置が縁位置の中間に選択される。この設定位置は、次いで格子断片４１８の零または中心位置として使用される。代替的に、ピーク検出地図（peak detection sheme）も使用でき、ここでは格子断片４１８からの変調包絡線の中間における最大の縞が検出され、設定位置のために使用される。
ステップ４８２から４９０は、ＤＳＰ  インターポレータ４２２の出力として示されたセンサ４１６により与えられる位置信号と、ＤＳＰ  インターポレータ４３６の出力として示された外部サーボループの対応する位置との間の対応の作表を与えている。図３０のラジアル光学サーボにおいて、ここで外部サーボループ位置決め装置は、経路に沿って位置する回折格子を用い、その経路は、格子断片４１８及びセンサ４１６のための経路の径とは異なる径を有し、外部サーボループ位置決め装置の分解能は、これら二つの径の比の関数として、センサ４１６のそれとは異なる。従って、外部サーボループ位置決め装置の経路と比較して、センサ４１６の経路には異なる数の縞が存在する。この差は、この作表処理期間中に計数される。
ステップ４８２において、格子断片４１８の設定位置から開始され、センサ４１６の位置は、格子断片４１８に対する量の決定により変更されるが、その量は、例えば、設定位置の各側において四つのフリンジ全体を補正して得られる２５６、或いは、位相ごとに１１．２５°である。その後、ステップ４８４は、外部サーボループ位置決め装置の読み取りと、センサ４１６からの読み取りとの間の差の決定を実行する。この差は、対応する外部サーボループ位置の関数として記憶される。
ステップ４８６は、ステップ４８２及び４８４を、この方式で幾つかの完全な縞が処理されるまで繰り返させる。これが起きると、ステップ４８８は、設定位置の両側の縞が処理されたか否かを決定する。仮に否定ならば、ステップ４９０は、センサ４１６を設定位置へ戻し、逆方向について作表をなさせる。設定位置の両側の幾つかの縞が処理されたとき、較正処理は終了する。
較正ステップ４８２から４９０の目的は、誤差補正照合表を作成することであるが、これは、読み取り／書き込みアームが外部サーボループに対してオフセットした際に、格子断片における誤差を除去し、補正位置を保持するためである。
図３３の較正処理の完了においては、幾つかの課題が達成され、即ち、１）欠陥格子の検査、２）格子設定位置の選択、３）格子設定位置の近傍における内部ループ位置読み取り値と外部ループ位置読み取り値との相関関係である。
格子断片４１８は、完全なハウジング内に収められているので、要求されることは、低コスト複製または型押し製造工程である。格子には、設定位置を与えるか、または較正するかのいずれかが使用されているので、格子は固有の精密度が要求されず、広く多様な標準工程を用いて製造し得る。例えば、格子断片４１８は、プラスチック上の複製格子、或いは部品４０２へ直接に型押しまたは打ち出しされたものとすることができる。また電気デポジットでもよい。
上述の観点では、本発明の個々の目的が達成され、他の利点も結果的に付加されている。
上述の構造には、本発明の目的から逸脱することなく様々な変更をなすことができ、上述の説明に含まれる全ての要旨、または添付図面において示されたものは例示を示したものであり、意味を限定するものではないことは明らかである。
【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７Ａ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１８Ａ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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