変位検出装置
【課題】干渉光と各部品の多重反射による迷光が重なることがなく、検出精度の向上を図ることができるようにする。
【解決手段】変位検出装置は、回折格子２と、格子干渉計４，５と、相対位置情報出力手段６，７とを備えている。格子干渉計４，５は、光源３と、反射手段１２，１３と、ビームスプリッタ１７と、受光手段１８，１９とを有している。反射手段１２，１３は、回折格子２によって回折された１回回折光Ｌ１，Ｌ２を反射させて、光源３からの光Ｌが照射された位置とほぼ同じ位置に再び入射させている。更に、反射手段１２，１３は、光源３から複合回折格子２への入射角度及び、１回回折光Ｌ１，Ｌ２が回折格子２を透過又は反射した角度と異なる角度で回折格子２に１回回折光Ｌ１，Ｌ２を入射させている。
【解決手段】変位検出装置は、回折格子２と、格子干渉計４，５と、相対位置情報出力手段６，７とを備えている。格子干渉計４，５は、光源３と、反射手段１２，１３と、ビームスプリッタ１７と、受光手段１８，１９とを有している。反射手段１２，１３は、回折格子２によって回折された１回回折光Ｌ１，Ｌ２を反射させて、光源３からの光Ｌが照射された位置とほぼ同じ位置に再び入射させている。更に、反射手段１２，１３は、光源３から複合回折格子２への入射角度及び、１回回折光Ｌ１，Ｌ２が回折格子２を透過又は反射した角度と異なる角度で回折格子２に１回回折光Ｌ１，Ｌ２を入射させている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の干渉を利用して回折格子（スケール）の変位（移動）量を検出する変位検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線変位や回転変位等の精密な測定を行う測定器として、スケールと検出ヘッドを備えた変位検出装置が広く利用されている。近年では、発光ダイオードやレーザの光を用いた変位検出装置が用いられている。そして、１ｎｍ以下の変位の計測が行える高分解能化された変位検出装置が求められている。
【０００３】
従来の、この種の変位検出装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。この特許文献１に記載された変位検出装置では、光源から照射された光をビームスプリッタによって２つの光に分割すると共に、反射手段によって反射させて、回折格子上の同一の位置に照射している。
【０００４】
そして、回折格子に照射された２つの光は、回折格子で回折され、２つの１回回折光が生じる。この１回回折光を、ミラー等の反射手段で反射し、光源から照射された光の光路と同じ光路を通って再び回折格子に照射している。これにより、回折格子によって２回回折された２つの２回回折光を生成している。
【０００５】
次に、この２つの２回回折光を、ビームスプリッタで重ね合わせて干渉させて、２つの２回回折光を干渉させた干渉光を受光素子に結像している。そして、受光素子で干渉光から干渉信号を検出し、干渉信号から２つの２回回折光の移動差を求めて、回折格子の移動位置を検出している。
【０００６】
また、特許文献２に記載された変位検出装置には、光源から照射された光をビームスプリッタによって分割した光を回折格子上の異なる２つの位置に照射する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５７８４１号公報
【特許文献２】特開２００７−２１８８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載された変位検出装置では、光源から照射された光が回折格子によって回折されて回折格子を出射する出射角度と、反射手段によって反射して回折格子に再び入射する入射角度とが同じである。そのため、回折格子によって２回回折された２回回折光のうち各部品の多重反射による不要な迷光が干渉光と重なる恐れがあった。その結果、不要な迷光が干渉光と重なることで、ノイズが発生し、検出精度が低下する、という問題を有していた。
【０００９】
また、迷光が干渉光と重ならないように、部品を傾けたり、位相板等を設けたりすることが考えられる。しかしながら、位相板等を設ける場合、位相板等によって部品点数が増えていた。
【００１０】
また、特許文献２に記載された技術では、回折格子上の異なる２つの位置に光を照射していた。そのため、回折格子の表面の面精度が悪いと、各光の光路長に変化が生じていた。その結果、この光路長の変化が誤差となって検出される、という問題を有していた。
更に、近年の半導体製造装置や検査装置のチルト機構を有する超精密位置決めステージでは、リニアエンコーダとして、チルトやクリアランスの許容を持たせつつ、高速応答で１ｎｍ以下の変位検出精度が要求されている。そのため、上述したような僅かな誤差も解消する必要がある。
【００１１】
本発明の目的は、光源から照射された光が回折格子によって２回の回折をする際に、それぞれの入出射角度を一致させないで、干渉光と各部品の多重反射による迷光が重なることがなく、検出精度の向上を図ることができる変位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、複数のスリットが形成され、光を回折する略平板状の回折格子を備えている。また、回折格子に光を照射し、正負の次数の２つの光に回折し、且つ回折された２つの光を干渉させると共に干渉信号を生成する格子干渉計と、格子干渉計によって生成した干渉信号から回折格子の相対位置情報を検出する相対位置情報出力手段と、を備えている。
格子干渉計は、回折格子に光を照射する光源と、回折格子によって回折された１回回折光を反射させて、光源からの光が照射された位置とほぼ同じ位置に再び入射させる反射手段と、を有している。更に、回折格子によって２回回折された２つの２回回折光を重ね合わせるビームスプリッタと、ビームスプリッタによって重ね合わされた２回回折光同士を受信して干渉信号を生成する受信手段と、を有している。そして、反射手段は、光源から回折格子への入射角度及び、１回回折光が回折格子を透過又は反射した角度と異なる角度で回折格子に１回回折光を入射させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の変位検出装置によれば、反射手段によって、回折格子によって回折された１回回折光の出射角度と、再び回折格子に入射する１回回折光の入射角度を異なる角度に設定している。これにより、２回回折された２回回折光が、１回回折光や光源から回折格子に入射される光の光路と平行にならない。その結果、各部品の多重反射で発生する不要な迷光が干渉光と重なることを防ぐことができ、正確な干渉強度の検出が可能となる。
【００１４】
更に、光源から照射された光が回折格子に入射した位置とほぼ同じ位置に、反射手段によって反射させた１回回折光を入射させている。その結果、回折格子の表面の面精度の影響によって生じる誤差を解消することができ、検出精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図３】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる複合回折格子を示す説明図である。
【図４】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる回折格子の第１の格子ベクトル方向及び第２の格子ベクトル方向と、第１の格子干渉計及び第２の格子干渉計の位置関係を示す説明図である。
【図５】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる要部を拡大して示す説明図である。
【図６】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる要部の変形例を拡大して複合回折格子の上方から見た状態を示す説明図である。
【図７】本発明の変位検出装置の第２の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図８】本発明の変位検出装置の第２の実施の形態例にかかる相対位置情報出力手段を示すブロック図である。
【図９】本発明の変位検出装置の第３の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図１０】本発明の変位検出装置の第３の実施の形態例にかかる要部を拡大して示すものである。
【図１１】本発明の変位検出装置の第４の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図１２】本発明の変位検出装置の第５の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図１３】本発明の変位検出装置の第６の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図１４】回折格子の第１の変形例を示す説明図である。
【図１５】回折格子の第２の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の変位検出装置の実施の形態例について、図１〜図１５を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。
また、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態例
１−１．変位検出装置の構成例
１−２．変位検出装置の動作
２．第２の実施の形態例
３．第３の実施の形態例
４．第４の実施の形態例
５．第５の実施の形態例
６．第６の実施の形態例
７．回折格子の変形例
【００１７】
＜１．第１の実施の形態例＞
まず、本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）の構成を図１〜図３に従って説明する。
【００１８】
１−１．変位検出装置の構成例
図１は、変位検出装置の光学系を示す斜視図、図２は、変位検出装置の光学系を示す側面図である。
【００１９】
本例の変位検出装置１は、反射型の複合回折格子を用いて、２次元（平面）の変位を検出することができる変位検出装置である。図１及び図２に示すように、変位検出装置１は、複合回折格子２と、光源３を有する第１の格子干渉計４及び第２の格子干渉計５と、第１の相対位置情報出力手段６と、第２の相対位置情報出力手段７（図２参照）とを備えている。
【００２０】
図３は、複合回折格子２を上面から見た説明図である。
この図３に示すように、複合回折格子２は、平板状に形成されており、第１の回折格子２ａと、第２の回折格子２ｂとを有している。第１の回折格子２ａ及び第２の回折格子２ｂは、細いスリットｓを等間隔に形成したものである。
【００２１】
第１の回折格子２ａのスリットｓは、複合回折格子２の面と平行をなす第１の格子ベクトル方向Ｃに直交して形成されている。この第１の回折格子２ａのピッチΛａは、ｄ１に設定されている。なお、この複合回折格子２のスリットｓは一例であり、表面が凹凸形状の反射型回折格子でもよく、あるいは透過型のボリュームタイプホログラムであってもよい。
【００２２】
第２の回折格子２ｂのスリットｓは、複合回折格子２の面と平行で、且つ第１の格子ベクトル方向Ｃに対して角度θａ傾いた第２の格子ベクトル方向Ｄに直交して形成されている。この第２の回折格子２ｂのピッチΛｂは、ｄ２に設定されている。なお、第１の回折格子２ａのピッチΛａと、第２の回折格子２ｂのピッチΛｂは、同じ長さに設定してもよく、あるいは異なる長さでもよい。更に、角度θａは、９０°であってもよく、あるいは９０°以外の角度であってもよい。
【００２３】
図４は、複合回折格子２の第１の格子ベクトル方向Ｃ及び第２の格子ベクトル方向Ｄと、第１の格子干渉計４及び第２の格子干渉計５の仮想面の関係を説明する説明図である。
ここで、図４に示すように、複合回折格子２に入射される任意の位置を照射スポットＰとする。そして、この照射スポットＰを通り、第１の格子ベクトル方向Ｃと平行で、複合回折格子２の面と直交する面が第１の仮想面１０Ａとなる。また、照射スポットＰを通り、第２の格子ベクトル方向Ｄと平行で、且つ複合回折格子２の面と直交する面が第２の仮想面１０Ｂとなる。なお、複合回折格子２の直交する方向を第３の方向Ｚとする。
【００２４】
この第１の仮想面１０Ａに合わせて第１の格子干渉計４が配置されており、第２の仮想面１０Ｂに合わせて第２の格子干渉計５が配置されている。第１の格子干渉計４は、第１の回折格子２ａによって回折された光の干渉信号を生成し、第２の格子干渉計５は、第２の回折格子２ｂによって回折された光の干渉信号を生成している。
【００２５】
なお、本例では、複合回折格子２の第１の格子ベクトル方向Ｃが第１の計測方向と一致しており、第２の格子ベクトル方向Ｄが第２の計測方向と一致している。
【００２６】
図２に示すように、第１の格子干渉計４及び第２の格子干渉計５は、同一の構成を有しているため、ここでは、第１の格子干渉計４について説明する。また、第２の格子干渉計５を構成する構成要素において、第１の格子干渉計４と共通する部分には、第１の格子干渉計４の構成要素の符号にＢを付けて示す。
【００２７】
第１の格子干渉計４は、光源３と、レンズ１１と、第１の反射手段１２と、第２の反射手段１３と、第１のミラー１４と、第２のミラー１６と、ビームスプリッタ１７と、第１の受光手段１８と、第２の受光手段１９とを有している。
【００２８】
光源３は、複合回折格子２の面に対して略垂直に配置されている。なお、この光源３は、第２の格子干渉計５の光源としての役割も兼ねている。光源３としては、可干渉性光源が望ましく、例えばガスレーザ、半導体レーザダイオード、スーパールミネッセンスダイオードや発光ダイオード等が挙げられる。
【００２９】
なお、本例では、光源３を第１の格子干渉計４内に配置した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、光源３は、光ファイバによって第１の格子干渉計４の外部に設けた光源から光を供給する構成であってもよい。また、これをさらに脱着可能な構成とすることで、変位検出装置１から離れた場所での光源のメンテナンスが可能となり、作業性が向上する。
【００３０】
また、光源３と複合回折格子２との間には、レンズ１１が配置されている。このレンズ１１は、光源３から照射された光Ｌを任意の径に集光している。レンズ１１は、使用する波長領域によって色消し対策を施したものを用いてもよい。レンズ１１に色消す対策を施すことで、光源３の波長変動によって焦点距離の変動を受けにくくすることができる。その結果、より安定した変位計測を行うことが可能となる。
【００３１】
なお、この光源３とレンズ１１は、第２の格子干渉計５と共有の部材である。
【００３２】
第１の反射手段１２と、第２の反射手段１３は、光源３を間に挟むようにして、第１の格子ベクトル方向Ｃに沿って配置されている。なお、第２の格子干渉計５では、第２の格子ベクトル方向Ｄに沿って配置されている。この第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３は、プリズムであり、複合回折格子２から反射された光Ｌを再び複合回折格子２に反射している。なお、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３は、プリズムだけでなく、複数のミラーを組み合わせて構成してよい。
【００３３】
第１のミラー１４と、第２のミラー１６は、光源３を間に挟むようにして、第１の格子ベクトル方向Ｃに沿って配置されている。なお、第２の格子干渉計５では、第２の格子ベクトル方向Ｄに沿って配置されている。第１のミラー１４及び第２のミラー１６は、複合回折格子２で２回回折された光Ｌをビームスプリッタ１７に反射するものである。
【００３４】
そして、光源３の第３の方向Ｚの上方には、ビームスプリッタ１７が配置されている。このビームスプリッタ１７は、第１のミラー１４及び第２のミラー１６から反射された２つの光Ｌを重ね合わせると共に干渉させて、２つに分割している。そして、このビームスプリッタ１７における光Ｌの出射口には、第１の受光手段１８と、第２の受光手段１９が設けられている。また、第１の受光手段１８及び第２の受光手段１９は、第１の相対位置情報出力手段６に接続されている。
【００３５】
また、第２の格子干渉計５の第１の受光手段１８Ｂ及び第２の受光手段１９Ｂは、第２の相対位置情報出力手段７に接続されている。
【００３６】
なお、第１の反射手段１２，第２の反射手段１３、第１のミラー１４及び第２のミラー１６の光反射面を、例えば金等の金属皮膜により構成してもよい。これにより、一般の誘電体多膜層による反射面に比べて、湿度の変化による偏光や波長特性の変化を抑えることが可能であり、安定した位置検出が行われる。
【００３７】
そして、第１の格子干渉計４と、第２の格子干渉計５と、第１の相対位置情報出力手段６と、第２の相対位置情報出力手段７で非接触センサを構成している。
【００３８】
１−２．変位検出装置の動作
次に、図１、図２及び図５、図６を参照して、本例の変位検出装置１の動作について説明する。図５は、本例の変位検出装置１の要部を拡大して示す説明図である。
【００３９】
図１に示すように、光源から照射された光Ｌは、レンズ１１を透過して、複合回折格子２の面の任意の照射スポットＰに略垂直に入射する。そして、光Ｌは、複合回折格子２の第１の回折格子２ａと第２の回折格子２ｂによって、第１の格子ベクトル方向Ｃと第２の格子ベクトル方向Ｄに沿って４つの１回回折光に回折される。
【００４０】
具体的には、図５に示すように、任意の照射スポットＰに入射された光Ｌは、複合回折格子２の第１の回折格子２ａによって正負の次数の１回回折光Ｌ１，−Ｌ１が得られる。すなわち、複合回折格子２の第１の格子ベクトル方向Ｃのプラス方向（進行方向）への１回回折光Ｌ１が正となり、マイナス方向への１回回折光Ｌ１が負となる。第２の回折格子２ｂでも同様であるため、その説明は、省略する。
【００４１】
ここで、回折光の回折角は、一般的に下記式（１）によって得られる。
ｓｉｎθｉｎ＋ｓｉｎθｏｕｔ＝ｎ・λ／Λ・・・・（１）
なお、角度θｉｎは、複合回折格子２への入射角を示し、角度θｏｕｔは、複合回折格子２からの回折角（本例では、反射角）を示している。そして、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光Ｌの波長を示し、ｎは、回折次数を示している。本例では、複合回折格子２に対して略垂直に光Ｌを入射させているため、角度θｉｎは、０°である。
【００４２】
１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、複合回折格子２から第１の出射角度θ１で反射（回折）され、第１の格子干渉計４の第１の反射手段１２又は第２の反射手段１３に向かう。正の次数の１回回折光Ｌ１は、第１の反射手段１２に向かい、負の次数の１回回折光−Ｌ１は、第２の反射手段１３に向かう。そして、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、第１の反射手段１２と第２の反射手段１３によって反射されて、再び複合回折格子２の照射スポットＰに向けて入射される。そのため、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、複合回折格子２によって再び回折され、２回回折光Ｌ２，−Ｌ２となって複合回折格子２から出射される。
【００４３】
このとき、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、第１の反射手段１２又は第２の反射手段１３内で２回反射される。そのため、第１の反射手段１２と第２の反射手段１３よって反射された２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１における複合回折格子２への入射角度θ２は、出射角度θ１と異なる角度となる。なお、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３で１回回折光Ｌ１，−Ｌ１を反射させる回数は、２回に限定されるものではない。例えば、第１の反射手段１２又は第２の反射手段１３内で、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１を３回以上反射させてもよい。
【００４４】
図は６、本例の変位検出装置１の要部の他の例を照射スポットＰの上方から見た状態を示す説明図である。
なお、図５では、１回回折光Ｌ１，−Ｌ１及び２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を仮想面１０Ａ、１０Ｂ上に配置した例を示している。しかしながらが、図６に示すように、１回回折光Ｌ１，−Ｌ１及び２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、仮想面１０Ａ，１０Ｂ上に配置しなくても良い。１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、入射角度θ２で回折格子に入射させるために、仮想面１０Ａ，１０Ｂ上に配置すると、１回回折光Ｌ１の０次光（光Ｌ）が１回回折光−Ｌ１と、重なる可能性がある。同様に、１回回折光−Ｌ１の０次光（光Ｌ）が１回回折光Ｌ１と、重なる可能性がある。
【００４５】
図６に示すように、これを回避するために、複合回折格子２の上方から見ても、更に、１回回折光Ｌ１，−Ｌ１を角度θ４だけ傾けて入射させてもよい。これにより、１回回折光Ｌ１の０次光（光Ｌ）が負の１回回折光−Ｌ１と、１回回折光−Ｌ１の０次光（光Ｌ）が１回回折光Ｌ１と重なることをより効果的に防止することができ、不要な迷光が光原３に戻ることを防ぐことができる。
【００４６】
そして、複合回折格子２によって２回回折された２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、第１の出射角度θ１及び入射角度θ２とは、異なる第２の出射角度θ３で出射（回折）される。よって、この２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、１回目の１回回折光Ｌ１，−Ｌ１や入射光Ｌと平行になることがない。これにより、各部品の多重反射で発生する不要な迷光が干渉光と重なることを防ぐことができる。
【００４７】
更に、２回目の回折を行う場合も、１回目の回折とおなじ照射スポットＰに光を照射している。これにより、複合回折格子２の表面の面精度の影響を受ける心配がない。これにより、複合回折格子２の表面の面精度の荒さによって生じる誤差を無くすことが可能である。
【００４８】
次に、２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、それぞれ第１のミラー１４、第２のミラー１６に入射される。具体的には、２回回折光Ｌ２は、第１のミラー１４に入射されると共に第１のミラー１４によってビームスプリッタ１７に反射される。また、２回回折光−Ｌ２は、第２のミラー１６に入射されると共に、第２のミラー１６によってビームスプリッタ１７に反射される。
【００４９】
そして、２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、ビームスプリッタ１７によって重ね合わされて干渉し、干渉光Ｌｄとなる。更に、この干渉光Ｌｄは、ビームスプリッタ１７によって２つに分割され、第１の受光手段１８に第２の受光手段１９に導かれる。
【００５０】
第１の受光手段１８では、干渉光Ｌｄを受信し、光電変換することで、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。また、ｘは、複合回折格子２の第１の格子ベクトル方向Ｃの移動量を示しており、δは、初期位相を示している。
【００５１】
ここで、図５に示すように、最初に複合回折格子２に入射された際に、光Ｌは、正負の次数の２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１に分かれている。そして、一方の１回回折光Ｌ１が、第２の反射手段１３によって反射されて複合回折格子２によって２回回折し（２Ｋ）、他方の１回回折光−Ｌ１も同様に、複合回折格子２によって２回回折している（２Ｋ）。そして、ビームスプリッタ１７によって重ね合わさることで、２Ｋ＋２Ｋ＝４Ｋとなる。そのため、上述した干渉信号のようにｘの移動量に４Ｋをかけることになる。
【００５２】
よって、複合回折格子２が第１の格子ベクトル方向Ｃに移動することによって、第１の回折格子２ａの１ピッチ（１Λ）あたり、４つの波、すなわち４回の光の明暗が第１の受光手段１８によって得ることができる。これにより、高分解能の変位検出が可能となる。
【００５３】
なお、第２の受光手段１９によって得られる信号は、第１の受光手段１８によって得られる干渉信号に対して９０度位相が異なっている。これにより、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を得ることができる。そして、このｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を第１の相対位置情報出力手段６に出力することで、第１の格子ベクトル方向Ｃの変位量を検出することができる。また、第１の相対位置情報出力手段６の詳細な説明は、後述する他の実施の形態例で説明する。
【００５４】
このように、複合回折格子２で回折された正負の次数の１回回折光Ｌ１，−Ｌ１のうち正の次数の１回回折光Ｌ１だけでなく、負の次数の１回回折光−Ｌ１も干渉信号を生成するために使用している。そのため、負の次数の１回回折光−Ｌ１、又は正の次数の１回回折光Ｌ１が不要な迷光とならないため、正確な干渉強度の検出を行うことができる。更に、第１の受光手段１８や第２の受光手段１９に受光される干渉光Ｌｄの光量を増やすことができ、検出精度の向上を図ることも可能である。
【００５５】
なお、第２の格子干渉計５における第２の格子ベクトル方向Ｄの変位量の検出は、光源３から照射スポットＰに入射され、且つ第２の格子ベクトル方向Ｄに沿って回折した、２つの回折光Ｌ１，−Ｌ１によって行われる。そして、その他の説明は、上述した第１の格子ベクトル方向Ｃと同一であるため、ここではその説明は省略する。
【００５６】
このように、１つの光源３から照射された光Ｌを効率良く第１の格子干渉計４と第２の格子干渉計５に使用することができる。よって、１つの光源３から照射された光Ｌによって、複合回折格子２における第１の格子ベクトル方向Ｃと第２の格子ベクトル方向Ｄの変位量を検出することができる。これにより、それぞれの格子干渉計４、５に光源を用意する必要がなく、部品点数を削減することができる。
【００５７】
＜２．第２の実施の形態例＞
次に、図７及び図８を参照して本発明の変位検出装置の第２の実施の形態例について説明する。
図７は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１の光学系を示す側面図、図８は、変位検出装置３１にかかる相対位置情報出力手段を示すブロック図である。
【００５８】
この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１は、複合回折格子２と反射手段との間にレンズを設けると共に、第１の受光手段及び第２の受光手段の構成について詳細に説明したものである。そのため、ここでは、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００５９】
図７に示すように、変位検出装置３１は、複合回折格子２と、光源３と、第１の格子干渉計３４と、第２の格子干渉計３５と、第１の相対位置情報出力手段６及び第２の相対位置情報出力手段７とを備えている。この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１の光源３は、円偏光の光を照射するものである。
【００６０】
第１の格子干渉計３４及び第２の格子干渉計３５は、同一の構成を有しているため、ここでは、第１の格子干渉計３４について説明する。また、第２の格子干渉計３５を構成する構成要素において、第１の格子干渉計３４と共通する部分には、第１の格子干渉計３４の構成要素の符号にＢを付けて示す。
【００６１】
図７に示すように、複合回折格子２と、第１の反射手段１２との間には、第１のレンズ３７が配置されている。また、複合回折格子２と、第２の反射手段１３との間には、第２のレンズ３８が配置されている。
【００６２】
第１のレンズ３７の焦点距離は、複合回折格子２とレンズ１１との距離と等しく設定されている。また、第２のレンズ３８の焦点距離は、複合回折格子２とレンズ１１との距離と等しく設定されている。
【００６３】
そのため、複合回折格子２がチルトした（傾いた）際に、第１のレンズ３７及び第２のレンズ３８の焦点距離は、複合回折格子２とレンズ１１との距離と等しくすることで、第１のレンズ３７を通過した後の光路は、チルトしてない場合の光路と略平行になる。そして、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３が、２枚のミラーで構成されているため、複合回折格子２への再入射の際に、照射スポットＰ付近に入射させることができる。これにより、複合回折格子２のチルトによる計測誤差を軽減できる。
【００６４】
その結果、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３によって反射され、複合回折格子２に入射される２回目の入射ポイントを任意の照射スポットＰから外れ難くすることができる。更に、複合回折格子２のチルト（傾き）の許容範囲を広げることができる。
【００６５】
また、ビームスプリッタ１７における光の入射口側には、第１の位相板３９と第２の位相板４０が設けられている。第１の位相板３９は、ビームスプリッタ１７と第１のミラー１４との間の光路上に配置されており、第２の位相板４０は、ビームスプリッタ１７と第２のミラー１６との間の光路上に配置されている。
【００６６】
第１の位相板３９と第２の位相板４０は、例えば１／４波長板からなり、円偏光である２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を直線偏光にするものである。また、第１の位相板３９及び第２の位相板４０は、透過する２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を互いに直交した直線偏光になるように、位相板の結晶軸が互いに直交する方向に向いている。
【００６７】
また、第１の受光手段１８は、第１の偏光ビームスプリッタ４２と、第１の受光素子４３と、第２の受光素子４４とから構成されている。第２の受光手段１９は、第２の偏光ビームスプリッタ４６と、第３の受光素子４７と、第４の受光素子４８とから構成されている。
【００６８】
そして、ビームスプリッタ１７と第１の受光手段１８との間の光路上には、第３のレンズ４９が配置されている。更に、ビームスプリッタ１７と第２の受光手段１９との間の光路上には、第３の位相板４１と、第４のレンズ５０が配置されている。
【００６９】
そして、第１の位相板３９と第２の位相板４０によって互いに直交した直線偏光の２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、ビームスプリッタ１７によって重ね合わされると共に、２つに分割される。そして、２つに分割された光は、第３のレンズ４９又は第４のレンズ５０に導かれる。
【００７０】
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ４２は、互いに偏光方向が９０度異なる２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２の偏光方向が、第１の偏光ビームスプリッタ４２の入射面に対してそれぞれ偏光方向が４５度傾くように傾けて配置されている。
【００７１】
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ４２は、ｓ偏光成分を有する干渉光を反射させ、ｐ偏光成分を有する干渉光を透過させて、光を分割するものである。
【００７２】
これにより、２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ４２に対してそれぞれｐ偏光成分及びｓ偏光成分を有することになる。したがって、第１の偏光ビームスプリッタ４２を透過した２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、例えば同じ偏光方向を有するｐ偏光となるので、２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を干渉させることができる。
【００７３】
また、同様に、第１の偏光ビームスプリッタ４２によって反射される２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ４２に対するｓ偏光であり、同じ偏光方向を有しているので干渉させることができる。
【００７４】
第１の偏光ビームスプリッタ４２を透過した干渉光Ｌｄは、第１の受光素子４３によって受光される。また、第１の偏光ビームスプリッタ４２によって反射された干渉光Ｌｄは、第２の受光素子４４によって受光される。ここで、第１の受光素子４３と第２の受光素子４４とによって光電変換される信号は、１８０度位相の異なる信号となる。
【００７５】
第１の受光素子４３と第２の受光素子４４によって得られる干渉信号は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様に、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。
【００７６】
また、他方の第４のレンズ５０に導かれた２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、１／４波長板等からなる第３の位相板４１に入射する。互いに偏光方向が９０度異なる直線偏光である２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、第３の位相板４１を透過することにより、互いに逆回りの円偏光となる。そして、この互いに逆回りの円偏光は同一光路上にあるので、重ね合わされることにより直線偏光となり、第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射する。
【００７７】
この直線偏光のｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッタ４６によって反射され、第３の受光素子４７に受光される。また、ｐ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４６を透過し、第４の受光素子４８によって受光される。
【００７８】
第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射する直線偏光は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせによって生じている。そして、第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射される直線偏光の偏光方向は、複合回折格子２が第１の格子ベクトル方向ＣにΛ／２だけ移動すると、１回転する。したがって、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８でも同様に、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。
【００７９】
また、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８とで光電変換される信号は、１８０度位相が異なる。
【００８０】
なお、本実施形態では、第１の偏光ビームスプリッタ４２に対して、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８に受光される光束を分割する第２の偏光ビームスプリッタ４６を４５度傾けて配置している。このため、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８において得られる信号は、第１の受光素子４３と第２の受光素子４４において得られる信号に対し、９０度位相がずれている。
【００８１】
したがって、例えば第１の受光素子４３と第２の受光素子４４で得られる信号をｓｉｎ信号、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８において得られる信号をｃｏｓ信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。
【００８２】
これらの受光素子によって得られる信号は、第１の相対位置情報出力手段６によって演算され、被測定面の変位量がカウントされる。
図８に示すように、第１の相対位置情報出力手段６は、第１の差動増幅器５１ａと、第２の差動増幅器５１ｂと、第１のＡ／Ｄ変換器５２ａと、第２のＡ／Ｄ変換器５２ｂと、波形補正処理部５３と、インクリメンタル信号発生機５４とを有している。
【００８３】
例えば、本実施形態の第１の相対位置情報出力手段６では、まず、第１の受光素子４３と第２の受光素子４４で得られた位相が互いに１８０度異なる信号を第１の差動増幅器５１ａによって差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。
【００８４】
そして、この信号は、第１のＡ／Ｄ変換器５２ａによってＡ／Ｄ変換され、波形補正処理部５３によって信号振幅とオフセットと位相が補正される。この信号は、例えばＡ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４において演算される。
【００８５】
また同様に、第３の受光素子４７及び第４の受光素子４８で得られた信号は、第２の差動増幅器５１ｂによって差動増幅され、第２のＡ／Ｄ変換器５２ｂによってＡ／Ｄ変換される。そして、波形補正処理部５３により信号振幅とオフセットと位相とが補正され、Ａ相と位相が９０度異なるＢ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４から出力される。
【００８６】
こうして得られた２相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定面の第１の格子ベクトル方向Ｃの変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出できる。
【００８７】
また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号のパルス数をカウントすることにより、２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２の干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。したがって、これにより第１の格子ベクトル方向Ｃの変位量が検出される。
【００８８】
なお、本実施形態の第１の相対位置情報出力手段６の出力する相対位置情報は、上述の２相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。
【００８９】
また、第２の相対位置情報出力手段７も、第１の相対位置情報出力手段６と同様の構成を有しているため、その説明は、省略する。
【００９０】
その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置３１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００９１】
＜３．第３の実施の形態例＞
次に、図９及び図１０を参照して本発明の変位検出装置の第３の実施の形態例について説明する。
図９は、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置６１の光学系を示す側面図である。図１０は、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置３１の要部を拡大して示す説明図である。
【００９２】
この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置６１と、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と異なる点は、第１のレンズ及び第２のレンズの構成である。そのため、ここでは、第１のレンズ及び第２のレンズについて説明し、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００９３】
図９に示すように、変位検出装置６１は、第１の格子干渉計６４と、第２の格子干渉計６５とを有している。第１の格子干渉計６４の第１の反射手段１２と複合回折格子２との間の光路上には、第１のレンズ群６２が配置されている。また、第２の反射手段１３と複合回折格子２との間の光路上には、第２のレンズ群６３が配置されている。
【００９４】
第１のレンズ群６２は、第１レンズ６２ａと、第２レンズ６２ｂとから構成されている。第１レンズ６２ａは、複合回折格子２から反射された１回回折光Ｌ１が第１の反射手段１２に入射される光路上に配置されている。また、第２レンズ６２ｂは、第１の反射手段１２によって反射された１回回折光Ｌ１が複合回折格子２に照射される光路上に配置されている。
【００９５】
また、第１レンズ６２ａから第１の反射手段１２を通り、第２レンズ６２ｂまでの光路の距離は、第１レンズ６２ａの焦点距離と第２レンズ６２ｂの焦点距離との和と等しく設定されている。
【００９６】
同様に、第２のレンズ群６３は、第１レンズ６３ａと、第２レンズ６３ｂとから構成されている。第１レンズ６３ａは、複合回折格子２から反射された１回回折光−Ｌ１が第２の反射手段１３に入射される光路上に配置されている。また、第２レンズ６３ｂは、第２の反射手段１３によって反射された１回回折光−Ｌ１が複合回折格子２に照射される光路上に配置されている。
【００９７】
更に、第１レンズ６３ａから第２の反射手段１３を通り、第２レンズ６３ｂまでの光路の距離は、第１レンズ６３ａの焦点距離と第２レンズ６３ｂの焦点距離との和と等しく設定されている。
【００９８】
また、第１のレンズ群６２及び第２のレンズ群６３を構成する第１レンズ６２ａ，６３ａ及び第２レンズ６２ｂ、６３ｂの焦点距離を、複合回折格子２とレンズ１１との距離と等しくしている。そのため、図１０（ａ）に示すように、複合回折格子２がチルトした場合、第１のレンズ群６３の第１レンズ６２ａを通過した後の光路は、チルトしてない場合の光路と略平行になる。ここで、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３が、２枚のミラーで構成されている場合、複合回折格子２への再入射の際に、照射スポットＰ付近に入射させることができる。これにより、複合回折格子２のチルトによる計測誤差を軽減できる。
【００９９】
また、図１０（ｂ）に示すように、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３を３枚のミラーで構成した場合、再入射の際に照射スポットＰ付近に入射し、再入射の角度が、チルト方向と同じになる。これにより、２回目の回折による回折光を常に安定させることができる。
【０１００】
その結果、複合回折格子２に入射される２回目の入射ポイントを任意の照射スポットＰから外れ難くすることができる。更に、複合回折格子２が傾いたり、複合回折格子２の表面にうねり等があった場合でも、最初に光Ｌが入射した照射スポットＰに１回回折光Ｌ１，−Ｌ２を入射させることができ、検出精度が低下することを防ぐことができる。
【０１０１】
また、複合回折格子２のチルト傾き（変動）やクリアランス変動、いわゆる第３の方向Ｚの変動によって拡大する波面収差を控え、安定した干渉信号を得ることができる。
【０１０２】
なお、第２の格子干渉計６５も同様に、第１のレンズ群６２Ｂ及び第２のレンズ群６３Ｂを有している。そして、その構成は、第１の格子干渉計６４の第１のレンズ群６２及び第２のレンズ群６３と同様の構成を有しているため、その説明は、省略する。
【０１０３】
その他の構成は、第２の実施の形態にかかる変位検出装置３１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置６１によっても、上述した第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０４】
＜４．第４の実施の形態例＞
次に、図１１を参照して本発明の変位検出装置の第４の実施の形態例について説明する。
図１１は、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７１の光学系を示す側面図である。
【０１０５】
この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７１は、光源３から直線偏光の光を照射させて、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１から第３の位相板４１を無くしものである。そのため、ここでは、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１０６】
図１１に示す第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７１の光源３からは、直線偏光の光Ｌが照射される。第１の位相板３９と、第２の位相板４０は、例えば１／４波長板である。そして、第１の位相板３９及び第２の位相板４０は、直線偏光の２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を互いに逆方向に回転する円偏光の光に偏光している。そのため、この第１の位相板３９と第２の位相板４０の結晶軸は、互いに直交する方向に向いている。
【０１０７】
互いに逆方向に回転する円偏光の２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、ビームスプリッタ１７によって重ね合わされる。そして、この互いに逆回りの円偏光の光は、同一光路上にあるので、重ね合わされることにより回転する直線偏光となり、第１の偏光ビームスプリッタ４２又は第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射される。
【０１０８】
その他の構成は、第２の実施の形態にかかる変位検出装置３１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置７１によっても、上述した第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０９】
なお、この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７１によれば、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１よりも第３の位相板４１の部品点数を削減することができる。
【０１１０】
＜５．第５の実施の形態例＞
次に、図１２を参照して本発明の変位検出装置の第５の実施の形態例について説明する。
図１２は、第５の実施の形態例にかかる変位検出装置８１の光学系を示す側面図である。
【０１１１】
この第５の実施の形態例にかかる変位検出装置８１は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１に第２の光源８３を更に設けたものである。そのため、ここでは、第２の光源８３について説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１１２】
図１２に示すように、第１の格子干渉計８４及び第２の格子干渉計８５には、第１の光源３と、第２の光源８３と、第２のビームスプリッタ８８とを有している。第２のビームスプリッタ８８は、第１の光源３から照射された光と、第２の光源８３から照射された光を重ね合わせて、複合回折格子２の任意の照射スポットＰに光を照射している。
【０１１３】
その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置８１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１１４】
なお、この第５の実施の形態例にかかる変位検出装置８１によれば、第１の光源３と、第２の光源８３の波長が略等しい場合、第１の光源３と第２の光源８３を交互に発光させることで、２つの光源の寿命を延ばすことができる。更に、第１の光源３が故障したり、不具合が発生したりしても、第２の光源８３を予備光源として用いることで、長時間使用することができる。
【０１１５】
また、第１の光源３から照射される光と第２の光源８３から照射される光は、それぞれ偏光軸が互いに直交した直線偏光であってもよい。この場合、第２のビームスプリッタ８８は、偏光ビームスプリッタである。これにより、第１の光源３が寿命等で検出不可能になったときに、第２の光源８３に切り換えることで、使用時間を延ばすことができる。更に、ビームスプリッタ１７による光量ロスを最小限に抑えることも可能である。
【０１１６】
更に、第１の光源３から照射される光の波長と、第２の光源８３から照射される光の波長が、互いに異なるように設定した場合、第２のビームスプリッタ８８は、波長選択フィルタである。これにより、第１の格子干渉計８４と、第２の格子干渉計８５は、任意の照射スポットＰを一致させた状態で、異なる光源の光を用いて干渉信号を得ることができる。その結果、高次の回折光や迷光が、互いの格子干渉計８４，８５に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【０１１７】
＜６．第６の実施の形態例＞
次に、図１３を参照して本発明の変位検出装置の第５の実施の形態例について説明する。
図１３は、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置９１の光学系を示す側面図である。
【０１１８】
この第６の実施の形態例にかかる変位検出装置９１と、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と異なる点は、複合回折格子を反射型から透過型に変えた点である。そのため、ここでは、複合回折格子及び反射手段について説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１１９】
図１３に示すように、この第６の実施の形態例にかかる変位検出装置９１の複合回折格子９２は、透過型の回折格子である。その他の点は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１の複合回折格子２と同様であるため、その説明は、省略する。このような透過型の複合回折格子９２の回折角も、反射型の複合回折格子２の回折角と同一の式（１）で表すことができる。
【０１２０】
図１３に示すように、第１の格子干渉計９４及び第２の格子干渉計９５は、同一の構成を有しているため、ここでは、第１の格子干渉計９４について説明する。また、第２の格子干渉計９５を構成する構成要素において、第１の格子干渉計９４と共通する部分には、第１の格子干渉計９４の構成要素の符号にＢを付けて示す。
【０１２１】
第１の格子干渉計９４は、光源３と、レンズ１１と、第１の反射手段１０２と、第２の反射手段１０３と、第１のミラー１４と、第２のミラー１６と、ビームスプリッタ１７と、第１の受光手段１８と、第２の受光手段１９とを有している。
【０１２２】
第１の反射手段１０２と、第２の反射手段１０３は、複合回折格子９２を間に挟んで、光源３と第３の方向Ｚの反対側に配置されている。第１の反射手段１０２及び第２の反射手段１０３には、複合回折格子９２を透過し、回折した１回回折光Ｌ１，−Ｌ１が入射される。すなわち、第１の反射手段１０２には、正の次数の１回回折光Ｌ１が入射され、第２の反射手段１０３には、負の次数の１回回折光−Ｌ１が入射される。
【０１２３】
そして、第１の反射手段１０２及び第２の反射手段１０３は、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１が、複合回折格子９２を透過した角度（回折角度）とは、異なる角度で、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１を再び複合回折格子９２に入射させている。
【０１２４】
そのため、複合回折格子９２を透過し、再び回折された２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、光源３から照射された光Ｌと異なる光路を通って、第１のミラー１４又は第２のミラー１６に入射される。
【０１２５】
その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置９１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１２６】
＜７．回折格子の変形例＞
次に、図１４及び図１５を参照して、複合回折格子の変形例について説明する。
図１４は、複合回折格子の第１の変形例を示す説明図である。図１５は、複合回折格子の第２の変形例を示す説明図である。
【０１２７】
図１４に示す複合回折格子１１２は、放射状にスリットｓが形成されると共に、同心円状に略円弧状のスリットｓが形成されている。この複合回折格子１１２は、いわゆるロータリーエンコーダーとして、回転移動する工作機械の可動部分等の位置検出を行うことができる。また、この複合回折格子１１２によれば、角度情報を検出しながら、第２の格子ベクトル方向Ｄの偏心成分も計測することが可能である。
【０１２８】
上述した実施の形態例の複合回折格子２では、第１の格子ベクトル方向Ｃ及び第２の格子ベクトル方向Ｄが、計測方向であった例を説明したが、これに限定される物ではない。例えば、図１５に示す第２の変形例にかかる複合回折格子１２２のように、第１の格子ベクトル方向Ｃ及び第２の格子ベクトル方向Ｄが計測方向と一致していなくてもよい。
【０１２９】
図１５に示すように、複合回折格子１２２は、第１の回折格子１２２ａと、第２の回折格子１２２ｂとを有している。第１の回折格子１２２ａの格子ピッチΛａは、ｄ１に設定されており、第２の回折格子の格子ピッチΛｂは、ｄ２に設定されている。
【０１３０】
そして、第２の回折格子１２２ｂの第２の格子ベクトル方向Ｄは、複合回折格子１２２の面と平行で、且つ第１の回折格子１２２ａの第１の格子ベクトル方向Ｃに対して角度θ５傾いている。そして、複合回折格子１２２は、第２の格子ベクトル方向Ｄを第１の計測方向Ｘに対して角度θ６傾けると共に、第２の計測方向Ｙに対して角度θ７傾けて配置されている。
【０１３１】
ここで、角度θ５＝９０°とし、角度θ６＝角度θ７＝４５°とした場合、第１の計測方向Ｘの変位を求めるには、第１の回折格子１２２ａの格子ピッチΛａもしくは第２の回折格子１２２ｂの格子ピッチΛｂの√２倍長くなると考えるとよい。なお、第２の計測方向Ｙの変位も同様に求めることができる。
【０１３２】
このように、第１の格子ベクトル方向Ｃ及び第２の格子ベクトル方向Ｄと、第１の計測方向Ｘ及び第２の計測方向Ｙが一致していなくてもよい。すなわち、第１の回折格子１２２ａ及び第２の回折格子１２２ｂの格子ピッチからの情報を元に２次元の変位量を検出することができる。
【０１３３】
一般に、変位検出の応答速度は、光電変換された後の電子信号の処理で制限がかかっている。そのため、回折格子の格子ピッチの間隔が細かくなるほど、同じ移動速度での電気信号の周波数が上がってしまう。図１５に示す複合回折格子１２２のように、格子ベクトル方向を計測方向に対して傾けることで、特に速度を有する場合に、周波数を軽減させて対応することができる。
【０１３４】
その結果、図１５に示す複合回折格子１２２によれば、同じ測定軸方向の移動速度の条件で、格子ベクトル方向と計測方向と一致させた複合回折格子に比べて、電子信号の周波数を１／√２に落とすことが可能である。
【０１３５】
よって、例えば半導体露光装置のウエアステージと、レクチルステージとでは、レクチルステージは、ウエアステージよりも分解能を必要としていないものの、ウエアステージよりも数倍の速さで移動している。よって、レクチルステージには、図１５に示す複合回折格子１２２を用いることが有効であることが分かる。
【０１３６】
なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。上述した実施の形態例では、回折格子として第１の回折格子と第２の回折格子を有する複合回折格子を用いると共に、２つの格子干渉計を用いて、２次元の変位量を検出する例を説明した。しかしながら、１つの格子干渉計を用いて１次元の変位量を検出する変位検出装置であってもよい。なお、この場合、回折格子は、一方向の格子ベクトル方向しか有さない回折格子で十分である。
【０１３７】
また、光源から照射される光は、気体中だけでなく、液体中又は真空中の空間を飛ばして光を供給するようにしてもよい。更に、受光手段の受光素子は、光ファイバによって離れた位置に配置してもよい。これにより、相対位置情報出力手段等の電気通信部との距離を短くすることができ、高速応答化を図ることができる。
【符号の説明】
【０１３８】
１，３１，６１，７１，８１，９１…変位検出装置、 ２，９２，１１２，１２２…複合回折格子、 ２ａ…第１の回折格子、 ２ｂ…第２の回折格子、 ３…光源、 ４，３４，８４…第１の格子干渉計、 ５，３５，８５，９４…第２の格子干渉計、 ６，９５…第１の相対位置情報出力手段、 ７…第２の相対位置情報出力手段、 １１…レンズ、 １２，１２Ｂ，１０２，１０２Ｂ…第１の反射手段、 １３，１３Ｂ，１０３，１０３Ｂ…第２の反射手段、 １４，１４Ｂ…第１のミラー、 １６，１６Ｂ…第２のミラー、 １７，１７Ｂ…ビームスプリッタ、 １８，１８Ｂ…第１の受光手段、 １９，１９Ｂ…第１の受光手段、 ３７，３７Ｂ…第１のレンズ、 ３８，３８Ｂ…第２のレンズ、 ３９，３９Ｂ…第１の位相板、 ４０，４０Ｂ…第２の位相板、 ４１，４１Ｂ…第３の位相板、 ４２，４２Ｂ…第１の偏光ビームスプリッタ、 ４３，４３Ｂ…第１の受光素子、 ４４，４４Ｂ…第２の受光素子、 ４６，４６Ｂ…第２の偏光ビームスプリッタ、 ４７，４７Ｂ…第３の受光素子、 ４８，４８Ｂ…第４の受光素子、 ６２…第１のレンズ群、 ６２ａ…第１レンズ、 ６２ｂ…第２レンズ、 ６３…第２のレンズ群、 ６３ａ…第１レンズ、 ６３ｂ…第２レンズ、 ８３…第２の光源、 ８８…ビームスプリッタ、 Ｃ…第１の格子ベクトル方向、 Ｄ…第２の格子ベクトル方向、 Ｌ１，−Ｌ２…１回回折光、 Ｌ２，−Ｌ２…２回回折光、 Ｐ…照射スポット、 θ１…第１の出射角度、 θ２…入射角度、 θ３…第２の出射角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の干渉を利用して回折格子（スケール）の変位（移動）量を検出する変位検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線変位や回転変位等の精密な測定を行う測定器として、スケールと検出ヘッドを備えた変位検出装置が広く利用されている。近年では、発光ダイオードやレーザの光を用いた変位検出装置が用いられている。そして、１ｎｍ以下の変位の計測が行える高分解能化された変位検出装置が求められている。
【０００３】
従来の、この種の変位検出装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。この特許文献１に記載された変位検出装置では、光源から照射された光をビームスプリッタによって２つの光に分割すると共に、反射手段によって反射させて、回折格子上の同一の位置に照射している。
【０００４】
そして、回折格子に照射された２つの光は、回折格子で回折され、２つの１回回折光が生じる。この１回回折光を、ミラー等の反射手段で反射し、光源から照射された光の光路と同じ光路を通って再び回折格子に照射している。これにより、回折格子によって２回回折された２つの２回回折光を生成している。
【０００５】
次に、この２つの２回回折光を、ビームスプリッタで重ね合わせて干渉させて、２つの２回回折光を干渉させた干渉光を受光素子に結像している。そして、受光素子で干渉光から干渉信号を検出し、干渉信号から２つの２回回折光の移動差を求めて、回折格子の移動位置を検出している。
【０００６】
また、特許文献２に記載された変位検出装置には、光源から照射された光をビームスプリッタによって分割した光を回折格子上の異なる２つの位置に照射する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５７８４１号公報
【特許文献２】特開２００７−２１８８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載された変位検出装置では、光源から照射された光が回折格子によって回折されて回折格子を出射する出射角度と、反射手段によって反射して回折格子に再び入射する入射角度とが同じである。そのため、回折格子によって２回回折された２回回折光のうち各部品の多重反射による不要な迷光が干渉光と重なる恐れがあった。その結果、不要な迷光が干渉光と重なることで、ノイズが発生し、検出精度が低下する、という問題を有していた。
【０００９】
また、迷光が干渉光と重ならないように、部品を傾けたり、位相板等を設けたりすることが考えられる。しかしながら、位相板等を設ける場合、位相板等によって部品点数が増えていた。
【００１０】
また、特許文献２に記載された技術では、回折格子上の異なる２つの位置に光を照射していた。そのため、回折格子の表面の面精度が悪いと、各光の光路長に変化が生じていた。その結果、この光路長の変化が誤差となって検出される、という問題を有していた。
更に、近年の半導体製造装置や検査装置のチルト機構を有する超精密位置決めステージでは、リニアエンコーダとして、チルトやクリアランスの許容を持たせつつ、高速応答で１ｎｍ以下の変位検出精度が要求されている。そのため、上述したような僅かな誤差も解消する必要がある。
【００１１】
本発明の目的は、光源から照射された光が回折格子によって２回の回折をする際に、それぞれの入出射角度を一致させないで、干渉光と各部品の多重反射による迷光が重なることがなく、検出精度の向上を図ることができる変位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、複数のスリットが形成され、光を回折する略平板状の回折格子を備えている。また、回折格子に光を照射し、正負の次数の２つの光に回折し、且つ回折された２つの光を干渉させると共に干渉信号を生成する格子干渉計と、格子干渉計によって生成した干渉信号から回折格子の相対位置情報を検出する相対位置情報出力手段と、を備えている。
格子干渉計は、回折格子に光を照射する光源と、回折格子によって回折された１回回折光を反射させて、光源からの光が照射された位置とほぼ同じ位置に再び入射させる反射手段と、を有している。更に、回折格子によって２回回折された２つの２回回折光を重ね合わせるビームスプリッタと、ビームスプリッタによって重ね合わされた２回回折光同士を受信して干渉信号を生成する受信手段と、を有している。そして、反射手段は、光源から回折格子への入射角度及び、１回回折光が回折格子を透過又は反射した角度と異なる角度で回折格子に１回回折光を入射させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の変位検出装置によれば、反射手段によって、回折格子によって回折された１回回折光の出射角度と、再び回折格子に入射する１回回折光の入射角度を異なる角度に設定している。これにより、２回回折された２回回折光が、１回回折光や光源から回折格子に入射される光の光路と平行にならない。その結果、各部品の多重反射で発生する不要な迷光が干渉光と重なることを防ぐことができ、正確な干渉強度の検出が可能となる。
【００１４】
更に、光源から照射された光が回折格子に入射した位置とほぼ同じ位置に、反射手段によって反射させた１回回折光を入射させている。その結果、回折格子の表面の面精度の影響によって生じる誤差を解消することができ、検出精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図３】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる複合回折格子を示す説明図である。
【図４】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる回折格子の第１の格子ベクトル方向及び第２の格子ベクトル方向と、第１の格子干渉計及び第２の格子干渉計の位置関係を示す説明図である。
【図５】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる要部を拡大して示す説明図である。
【図６】本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例にかかる要部の変形例を拡大して複合回折格子の上方から見た状態を示す説明図である。
【図７】本発明の変位検出装置の第２の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図８】本発明の変位検出装置の第２の実施の形態例にかかる相対位置情報出力手段を示すブロック図である。
【図９】本発明の変位検出装置の第３の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図１０】本発明の変位検出装置の第３の実施の形態例にかかる要部を拡大して示すものである。
【図１１】本発明の変位検出装置の第４の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図１２】本発明の変位検出装置の第５の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図１３】本発明の変位検出装置の第６の実施の形態例にかかる光学系を模式的に示す側面図である。
【図１４】回折格子の第１の変形例を示す説明図である。
【図１５】回折格子の第２の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の変位検出装置の実施の形態例について、図１〜図１５を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。
また、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態例
１−１．変位検出装置の構成例
１−２．変位検出装置の動作
２．第２の実施の形態例
３．第３の実施の形態例
４．第４の実施の形態例
５．第５の実施の形態例
６．第６の実施の形態例
７．回折格子の変形例
【００１７】
＜１．第１の実施の形態例＞
まず、本発明の変位検出装置の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）の構成を図１〜図３に従って説明する。
【００１８】
１−１．変位検出装置の構成例
図１は、変位検出装置の光学系を示す斜視図、図２は、変位検出装置の光学系を示す側面図である。
【００１９】
本例の変位検出装置１は、反射型の複合回折格子を用いて、２次元（平面）の変位を検出することができる変位検出装置である。図１及び図２に示すように、変位検出装置１は、複合回折格子２と、光源３を有する第１の格子干渉計４及び第２の格子干渉計５と、第１の相対位置情報出力手段６と、第２の相対位置情報出力手段７（図２参照）とを備えている。
【００２０】
図３は、複合回折格子２を上面から見た説明図である。
この図３に示すように、複合回折格子２は、平板状に形成されており、第１の回折格子２ａと、第２の回折格子２ｂとを有している。第１の回折格子２ａ及び第２の回折格子２ｂは、細いスリットｓを等間隔に形成したものである。
【００２１】
第１の回折格子２ａのスリットｓは、複合回折格子２の面と平行をなす第１の格子ベクトル方向Ｃに直交して形成されている。この第１の回折格子２ａのピッチΛａは、ｄ１に設定されている。なお、この複合回折格子２のスリットｓは一例であり、表面が凹凸形状の反射型回折格子でもよく、あるいは透過型のボリュームタイプホログラムであってもよい。
【００２２】
第２の回折格子２ｂのスリットｓは、複合回折格子２の面と平行で、且つ第１の格子ベクトル方向Ｃに対して角度θａ傾いた第２の格子ベクトル方向Ｄに直交して形成されている。この第２の回折格子２ｂのピッチΛｂは、ｄ２に設定されている。なお、第１の回折格子２ａのピッチΛａと、第２の回折格子２ｂのピッチΛｂは、同じ長さに設定してもよく、あるいは異なる長さでもよい。更に、角度θａは、９０°であってもよく、あるいは９０°以外の角度であってもよい。
【００２３】
図４は、複合回折格子２の第１の格子ベクトル方向Ｃ及び第２の格子ベクトル方向Ｄと、第１の格子干渉計４及び第２の格子干渉計５の仮想面の関係を説明する説明図である。
ここで、図４に示すように、複合回折格子２に入射される任意の位置を照射スポットＰとする。そして、この照射スポットＰを通り、第１の格子ベクトル方向Ｃと平行で、複合回折格子２の面と直交する面が第１の仮想面１０Ａとなる。また、照射スポットＰを通り、第２の格子ベクトル方向Ｄと平行で、且つ複合回折格子２の面と直交する面が第２の仮想面１０Ｂとなる。なお、複合回折格子２の直交する方向を第３の方向Ｚとする。
【００２４】
この第１の仮想面１０Ａに合わせて第１の格子干渉計４が配置されており、第２の仮想面１０Ｂに合わせて第２の格子干渉計５が配置されている。第１の格子干渉計４は、第１の回折格子２ａによって回折された光の干渉信号を生成し、第２の格子干渉計５は、第２の回折格子２ｂによって回折された光の干渉信号を生成している。
【００２５】
なお、本例では、複合回折格子２の第１の格子ベクトル方向Ｃが第１の計測方向と一致しており、第２の格子ベクトル方向Ｄが第２の計測方向と一致している。
【００２６】
図２に示すように、第１の格子干渉計４及び第２の格子干渉計５は、同一の構成を有しているため、ここでは、第１の格子干渉計４について説明する。また、第２の格子干渉計５を構成する構成要素において、第１の格子干渉計４と共通する部分には、第１の格子干渉計４の構成要素の符号にＢを付けて示す。
【００２７】
第１の格子干渉計４は、光源３と、レンズ１１と、第１の反射手段１２と、第２の反射手段１３と、第１のミラー１４と、第２のミラー１６と、ビームスプリッタ１７と、第１の受光手段１８と、第２の受光手段１９とを有している。
【００２８】
光源３は、複合回折格子２の面に対して略垂直に配置されている。なお、この光源３は、第２の格子干渉計５の光源としての役割も兼ねている。光源３としては、可干渉性光源が望ましく、例えばガスレーザ、半導体レーザダイオード、スーパールミネッセンスダイオードや発光ダイオード等が挙げられる。
【００２９】
なお、本例では、光源３を第１の格子干渉計４内に配置した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、光源３は、光ファイバによって第１の格子干渉計４の外部に設けた光源から光を供給する構成であってもよい。また、これをさらに脱着可能な構成とすることで、変位検出装置１から離れた場所での光源のメンテナンスが可能となり、作業性が向上する。
【００３０】
また、光源３と複合回折格子２との間には、レンズ１１が配置されている。このレンズ１１は、光源３から照射された光Ｌを任意の径に集光している。レンズ１１は、使用する波長領域によって色消し対策を施したものを用いてもよい。レンズ１１に色消す対策を施すことで、光源３の波長変動によって焦点距離の変動を受けにくくすることができる。その結果、より安定した変位計測を行うことが可能となる。
【００３１】
なお、この光源３とレンズ１１は、第２の格子干渉計５と共有の部材である。
【００３２】
第１の反射手段１２と、第２の反射手段１３は、光源３を間に挟むようにして、第１の格子ベクトル方向Ｃに沿って配置されている。なお、第２の格子干渉計５では、第２の格子ベクトル方向Ｄに沿って配置されている。この第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３は、プリズムであり、複合回折格子２から反射された光Ｌを再び複合回折格子２に反射している。なお、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３は、プリズムだけでなく、複数のミラーを組み合わせて構成してよい。
【００３３】
第１のミラー１４と、第２のミラー１６は、光源３を間に挟むようにして、第１の格子ベクトル方向Ｃに沿って配置されている。なお、第２の格子干渉計５では、第２の格子ベクトル方向Ｄに沿って配置されている。第１のミラー１４及び第２のミラー１６は、複合回折格子２で２回回折された光Ｌをビームスプリッタ１７に反射するものである。
【００３４】
そして、光源３の第３の方向Ｚの上方には、ビームスプリッタ１７が配置されている。このビームスプリッタ１７は、第１のミラー１４及び第２のミラー１６から反射された２つの光Ｌを重ね合わせると共に干渉させて、２つに分割している。そして、このビームスプリッタ１７における光Ｌの出射口には、第１の受光手段１８と、第２の受光手段１９が設けられている。また、第１の受光手段１８及び第２の受光手段１９は、第１の相対位置情報出力手段６に接続されている。
【００３５】
また、第２の格子干渉計５の第１の受光手段１８Ｂ及び第２の受光手段１９Ｂは、第２の相対位置情報出力手段７に接続されている。
【００３６】
なお、第１の反射手段１２，第２の反射手段１３、第１のミラー１４及び第２のミラー１６の光反射面を、例えば金等の金属皮膜により構成してもよい。これにより、一般の誘電体多膜層による反射面に比べて、湿度の変化による偏光や波長特性の変化を抑えることが可能であり、安定した位置検出が行われる。
【００３７】
そして、第１の格子干渉計４と、第２の格子干渉計５と、第１の相対位置情報出力手段６と、第２の相対位置情報出力手段７で非接触センサを構成している。
【００３８】
１−２．変位検出装置の動作
次に、図１、図２及び図５、図６を参照して、本例の変位検出装置１の動作について説明する。図５は、本例の変位検出装置１の要部を拡大して示す説明図である。
【００３９】
図１に示すように、光源から照射された光Ｌは、レンズ１１を透過して、複合回折格子２の面の任意の照射スポットＰに略垂直に入射する。そして、光Ｌは、複合回折格子２の第１の回折格子２ａと第２の回折格子２ｂによって、第１の格子ベクトル方向Ｃと第２の格子ベクトル方向Ｄに沿って４つの１回回折光に回折される。
【００４０】
具体的には、図５に示すように、任意の照射スポットＰに入射された光Ｌは、複合回折格子２の第１の回折格子２ａによって正負の次数の１回回折光Ｌ１，−Ｌ１が得られる。すなわち、複合回折格子２の第１の格子ベクトル方向Ｃのプラス方向（進行方向）への１回回折光Ｌ１が正となり、マイナス方向への１回回折光Ｌ１が負となる。第２の回折格子２ｂでも同様であるため、その説明は、省略する。
【００４１】
ここで、回折光の回折角は、一般的に下記式（１）によって得られる。
ｓｉｎθｉｎ＋ｓｉｎθｏｕｔ＝ｎ・λ／Λ・・・・（１）
なお、角度θｉｎは、複合回折格子２への入射角を示し、角度θｏｕｔは、複合回折格子２からの回折角（本例では、反射角）を示している。そして、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光Ｌの波長を示し、ｎは、回折次数を示している。本例では、複合回折格子２に対して略垂直に光Ｌを入射させているため、角度θｉｎは、０°である。
【００４２】
１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、複合回折格子２から第１の出射角度θ１で反射（回折）され、第１の格子干渉計４の第１の反射手段１２又は第２の反射手段１３に向かう。正の次数の１回回折光Ｌ１は、第１の反射手段１２に向かい、負の次数の１回回折光−Ｌ１は、第２の反射手段１３に向かう。そして、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、第１の反射手段１２と第２の反射手段１３によって反射されて、再び複合回折格子２の照射スポットＰに向けて入射される。そのため、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、複合回折格子２によって再び回折され、２回回折光Ｌ２，−Ｌ２となって複合回折格子２から出射される。
【００４３】
このとき、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、第１の反射手段１２又は第２の反射手段１３内で２回反射される。そのため、第１の反射手段１２と第２の反射手段１３よって反射された２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１における複合回折格子２への入射角度θ２は、出射角度θ１と異なる角度となる。なお、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３で１回回折光Ｌ１，−Ｌ１を反射させる回数は、２回に限定されるものではない。例えば、第１の反射手段１２又は第２の反射手段１３内で、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１を３回以上反射させてもよい。
【００４４】
図は６、本例の変位検出装置１の要部の他の例を照射スポットＰの上方から見た状態を示す説明図である。
なお、図５では、１回回折光Ｌ１，−Ｌ１及び２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を仮想面１０Ａ、１０Ｂ上に配置した例を示している。しかしながらが、図６に示すように、１回回折光Ｌ１，−Ｌ１及び２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、仮想面１０Ａ，１０Ｂ上に配置しなくても良い。１回回折光Ｌ１，−Ｌ１は、入射角度θ２で回折格子に入射させるために、仮想面１０Ａ，１０Ｂ上に配置すると、１回回折光Ｌ１の０次光（光Ｌ）が１回回折光−Ｌ１と、重なる可能性がある。同様に、１回回折光−Ｌ１の０次光（光Ｌ）が１回回折光Ｌ１と、重なる可能性がある。
【００４５】
図６に示すように、これを回避するために、複合回折格子２の上方から見ても、更に、１回回折光Ｌ１，−Ｌ１を角度θ４だけ傾けて入射させてもよい。これにより、１回回折光Ｌ１の０次光（光Ｌ）が負の１回回折光−Ｌ１と、１回回折光−Ｌ１の０次光（光Ｌ）が１回回折光Ｌ１と重なることをより効果的に防止することができ、不要な迷光が光原３に戻ることを防ぐことができる。
【００４６】
そして、複合回折格子２によって２回回折された２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、第１の出射角度θ１及び入射角度θ２とは、異なる第２の出射角度θ３で出射（回折）される。よって、この２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、１回目の１回回折光Ｌ１，−Ｌ１や入射光Ｌと平行になることがない。これにより、各部品の多重反射で発生する不要な迷光が干渉光と重なることを防ぐことができる。
【００４７】
更に、２回目の回折を行う場合も、１回目の回折とおなじ照射スポットＰに光を照射している。これにより、複合回折格子２の表面の面精度の影響を受ける心配がない。これにより、複合回折格子２の表面の面精度の荒さによって生じる誤差を無くすことが可能である。
【００４８】
次に、２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、それぞれ第１のミラー１４、第２のミラー１６に入射される。具体的には、２回回折光Ｌ２は、第１のミラー１４に入射されると共に第１のミラー１４によってビームスプリッタ１７に反射される。また、２回回折光−Ｌ２は、第２のミラー１６に入射されると共に、第２のミラー１６によってビームスプリッタ１７に反射される。
【００４９】
そして、２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、ビームスプリッタ１７によって重ね合わされて干渉し、干渉光Ｌｄとなる。更に、この干渉光Ｌｄは、ビームスプリッタ１７によって２つに分割され、第１の受光手段１８に第２の受光手段１９に導かれる。
【００５０】
第１の受光手段１８では、干渉光Ｌｄを受信し、光電変換することで、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。また、ｘは、複合回折格子２の第１の格子ベクトル方向Ｃの移動量を示しており、δは、初期位相を示している。
【００５１】
ここで、図５に示すように、最初に複合回折格子２に入射された際に、光Ｌは、正負の次数の２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１に分かれている。そして、一方の１回回折光Ｌ１が、第２の反射手段１３によって反射されて複合回折格子２によって２回回折し（２Ｋ）、他方の１回回折光−Ｌ１も同様に、複合回折格子２によって２回回折している（２Ｋ）。そして、ビームスプリッタ１７によって重ね合わさることで、２Ｋ＋２Ｋ＝４Ｋとなる。そのため、上述した干渉信号のようにｘの移動量に４Ｋをかけることになる。
【００５２】
よって、複合回折格子２が第１の格子ベクトル方向Ｃに移動することによって、第１の回折格子２ａの１ピッチ（１Λ）あたり、４つの波、すなわち４回の光の明暗が第１の受光手段１８によって得ることができる。これにより、高分解能の変位検出が可能となる。
【００５３】
なお、第２の受光手段１９によって得られる信号は、第１の受光手段１８によって得られる干渉信号に対して９０度位相が異なっている。これにより、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を得ることができる。そして、このｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を第１の相対位置情報出力手段６に出力することで、第１の格子ベクトル方向Ｃの変位量を検出することができる。また、第１の相対位置情報出力手段６の詳細な説明は、後述する他の実施の形態例で説明する。
【００５４】
このように、複合回折格子２で回折された正負の次数の１回回折光Ｌ１，−Ｌ１のうち正の次数の１回回折光Ｌ１だけでなく、負の次数の１回回折光−Ｌ１も干渉信号を生成するために使用している。そのため、負の次数の１回回折光−Ｌ１、又は正の次数の１回回折光Ｌ１が不要な迷光とならないため、正確な干渉強度の検出を行うことができる。更に、第１の受光手段１８や第２の受光手段１９に受光される干渉光Ｌｄの光量を増やすことができ、検出精度の向上を図ることも可能である。
【００５５】
なお、第２の格子干渉計５における第２の格子ベクトル方向Ｄの変位量の検出は、光源３から照射スポットＰに入射され、且つ第２の格子ベクトル方向Ｄに沿って回折した、２つの回折光Ｌ１，−Ｌ１によって行われる。そして、その他の説明は、上述した第１の格子ベクトル方向Ｃと同一であるため、ここではその説明は省略する。
【００５６】
このように、１つの光源３から照射された光Ｌを効率良く第１の格子干渉計４と第２の格子干渉計５に使用することができる。よって、１つの光源３から照射された光Ｌによって、複合回折格子２における第１の格子ベクトル方向Ｃと第２の格子ベクトル方向Ｄの変位量を検出することができる。これにより、それぞれの格子干渉計４、５に光源を用意する必要がなく、部品点数を削減することができる。
【００５７】
＜２．第２の実施の形態例＞
次に、図７及び図８を参照して本発明の変位検出装置の第２の実施の形態例について説明する。
図７は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１の光学系を示す側面図、図８は、変位検出装置３１にかかる相対位置情報出力手段を示すブロック図である。
【００５８】
この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１は、複合回折格子２と反射手段との間にレンズを設けると共に、第１の受光手段及び第２の受光手段の構成について詳細に説明したものである。そのため、ここでは、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００５９】
図７に示すように、変位検出装置３１は、複合回折格子２と、光源３と、第１の格子干渉計３４と、第２の格子干渉計３５と、第１の相対位置情報出力手段６及び第２の相対位置情報出力手段７とを備えている。この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１の光源３は、円偏光の光を照射するものである。
【００６０】
第１の格子干渉計３４及び第２の格子干渉計３５は、同一の構成を有しているため、ここでは、第１の格子干渉計３４について説明する。また、第２の格子干渉計３５を構成する構成要素において、第１の格子干渉計３４と共通する部分には、第１の格子干渉計３４の構成要素の符号にＢを付けて示す。
【００６１】
図７に示すように、複合回折格子２と、第１の反射手段１２との間には、第１のレンズ３７が配置されている。また、複合回折格子２と、第２の反射手段１３との間には、第２のレンズ３８が配置されている。
【００６２】
第１のレンズ３７の焦点距離は、複合回折格子２とレンズ１１との距離と等しく設定されている。また、第２のレンズ３８の焦点距離は、複合回折格子２とレンズ１１との距離と等しく設定されている。
【００６３】
そのため、複合回折格子２がチルトした（傾いた）際に、第１のレンズ３７及び第２のレンズ３８の焦点距離は、複合回折格子２とレンズ１１との距離と等しくすることで、第１のレンズ３７を通過した後の光路は、チルトしてない場合の光路と略平行になる。そして、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３が、２枚のミラーで構成されているため、複合回折格子２への再入射の際に、照射スポットＰ付近に入射させることができる。これにより、複合回折格子２のチルトによる計測誤差を軽減できる。
【００６４】
その結果、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３によって反射され、複合回折格子２に入射される２回目の入射ポイントを任意の照射スポットＰから外れ難くすることができる。更に、複合回折格子２のチルト（傾き）の許容範囲を広げることができる。
【００６５】
また、ビームスプリッタ１７における光の入射口側には、第１の位相板３９と第２の位相板４０が設けられている。第１の位相板３９は、ビームスプリッタ１７と第１のミラー１４との間の光路上に配置されており、第２の位相板４０は、ビームスプリッタ１７と第２のミラー１６との間の光路上に配置されている。
【００６６】
第１の位相板３９と第２の位相板４０は、例えば１／４波長板からなり、円偏光である２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を直線偏光にするものである。また、第１の位相板３９及び第２の位相板４０は、透過する２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を互いに直交した直線偏光になるように、位相板の結晶軸が互いに直交する方向に向いている。
【００６７】
また、第１の受光手段１８は、第１の偏光ビームスプリッタ４２と、第１の受光素子４３と、第２の受光素子４４とから構成されている。第２の受光手段１９は、第２の偏光ビームスプリッタ４６と、第３の受光素子４７と、第４の受光素子４８とから構成されている。
【００６８】
そして、ビームスプリッタ１７と第１の受光手段１８との間の光路上には、第３のレンズ４９が配置されている。更に、ビームスプリッタ１７と第２の受光手段１９との間の光路上には、第３の位相板４１と、第４のレンズ５０が配置されている。
【００６９】
そして、第１の位相板３９と第２の位相板４０によって互いに直交した直線偏光の２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、ビームスプリッタ１７によって重ね合わされると共に、２つに分割される。そして、２つに分割された光は、第３のレンズ４９又は第４のレンズ５０に導かれる。
【００７０】
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ４２は、互いに偏光方向が９０度異なる２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２の偏光方向が、第１の偏光ビームスプリッタ４２の入射面に対してそれぞれ偏光方向が４５度傾くように傾けて配置されている。
【００７１】
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ４２は、ｓ偏光成分を有する干渉光を反射させ、ｐ偏光成分を有する干渉光を透過させて、光を分割するものである。
【００７２】
これにより、２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ４２に対してそれぞれｐ偏光成分及びｓ偏光成分を有することになる。したがって、第１の偏光ビームスプリッタ４２を透過した２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、例えば同じ偏光方向を有するｐ偏光となるので、２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を干渉させることができる。
【００７３】
また、同様に、第１の偏光ビームスプリッタ４２によって反射される２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、第１の偏光ビームスプリッタ４２に対するｓ偏光であり、同じ偏光方向を有しているので干渉させることができる。
【００７４】
第１の偏光ビームスプリッタ４２を透過した干渉光Ｌｄは、第１の受光素子４３によって受光される。また、第１の偏光ビームスプリッタ４２によって反射された干渉光Ｌｄは、第２の受光素子４４によって受光される。ここで、第１の受光素子４３と第２の受光素子４４とによって光電変換される信号は、１８０度位相の異なる信号となる。
【００７５】
第１の受光素子４３と第２の受光素子４４によって得られる干渉信号は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様に、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。
【００７６】
また、他方の第４のレンズ５０に導かれた２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、１／４波長板等からなる第３の位相板４１に入射する。互いに偏光方向が９０度異なる直線偏光である２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、第３の位相板４１を透過することにより、互いに逆回りの円偏光となる。そして、この互いに逆回りの円偏光は同一光路上にあるので、重ね合わされることにより直線偏光となり、第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射する。
【００７７】
この直線偏光のｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッタ４６によって反射され、第３の受光素子４７に受光される。また、ｐ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４６を透過し、第４の受光素子４８によって受光される。
【００７８】
第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射する直線偏光は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせによって生じている。そして、第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射される直線偏光の偏光方向は、複合回折格子２が第１の格子ベクトル方向ＣにΛ／２だけ移動すると、１回転する。したがって、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８でも同様に、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号が得られる。δ’は初期位相である。
【００７９】
また、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８とで光電変換される信号は、１８０度位相が異なる。
【００８０】
なお、本実施形態では、第１の偏光ビームスプリッタ４２に対して、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８に受光される光束を分割する第２の偏光ビームスプリッタ４６を４５度傾けて配置している。このため、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８において得られる信号は、第１の受光素子４３と第２の受光素子４４において得られる信号に対し、９０度位相がずれている。
【００８１】
したがって、例えば第１の受光素子４３と第２の受光素子４４で得られる信号をｓｉｎ信号、第３の受光素子４７と第４の受光素子４８において得られる信号をｃｏｓ信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。
【００８２】
これらの受光素子によって得られる信号は、第１の相対位置情報出力手段６によって演算され、被測定面の変位量がカウントされる。
図８に示すように、第１の相対位置情報出力手段６は、第１の差動増幅器５１ａと、第２の差動増幅器５１ｂと、第１のＡ／Ｄ変換器５２ａと、第２のＡ／Ｄ変換器５２ｂと、波形補正処理部５３と、インクリメンタル信号発生機５４とを有している。
【００８３】
例えば、本実施形態の第１の相対位置情報出力手段６では、まず、第１の受光素子４３と第２の受光素子４４で得られた位相が互いに１８０度異なる信号を第１の差動増幅器５１ａによって差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。
【００８４】
そして、この信号は、第１のＡ／Ｄ変換器５２ａによってＡ／Ｄ変換され、波形補正処理部５３によって信号振幅とオフセットと位相が補正される。この信号は、例えばＡ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４において演算される。
【００８５】
また同様に、第３の受光素子４７及び第４の受光素子４８で得られた信号は、第２の差動増幅器５１ｂによって差動増幅され、第２のＡ／Ｄ変換器５２ｂによってＡ／Ｄ変換される。そして、波形補正処理部５３により信号振幅とオフセットと位相とが補正され、Ａ相と位相が９０度異なるＢ相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器６４から出力される。
【００８６】
こうして得られた２相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定面の第１の格子ベクトル方向Ｃの変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出できる。
【００８７】
また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号のパルス数をカウントすることにより、２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２の干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。したがって、これにより第１の格子ベクトル方向Ｃの変位量が検出される。
【００８８】
なお、本実施形態の第１の相対位置情報出力手段６の出力する相対位置情報は、上述の２相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。
【００８９】
また、第２の相対位置情報出力手段７も、第１の相対位置情報出力手段６と同様の構成を有しているため、その説明は、省略する。
【００９０】
その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置３１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００９１】
＜３．第３の実施の形態例＞
次に、図９及び図１０を参照して本発明の変位検出装置の第３の実施の形態例について説明する。
図９は、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置６１の光学系を示す側面図である。図１０は、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置３１の要部を拡大して示す説明図である。
【００９２】
この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置６１と、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と異なる点は、第１のレンズ及び第２のレンズの構成である。そのため、ここでは、第１のレンズ及び第２のレンズについて説明し、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００９３】
図９に示すように、変位検出装置６１は、第１の格子干渉計６４と、第２の格子干渉計６５とを有している。第１の格子干渉計６４の第１の反射手段１２と複合回折格子２との間の光路上には、第１のレンズ群６２が配置されている。また、第２の反射手段１３と複合回折格子２との間の光路上には、第２のレンズ群６３が配置されている。
【００９４】
第１のレンズ群６２は、第１レンズ６２ａと、第２レンズ６２ｂとから構成されている。第１レンズ６２ａは、複合回折格子２から反射された１回回折光Ｌ１が第１の反射手段１２に入射される光路上に配置されている。また、第２レンズ６２ｂは、第１の反射手段１２によって反射された１回回折光Ｌ１が複合回折格子２に照射される光路上に配置されている。
【００９５】
また、第１レンズ６２ａから第１の反射手段１２を通り、第２レンズ６２ｂまでの光路の距離は、第１レンズ６２ａの焦点距離と第２レンズ６２ｂの焦点距離との和と等しく設定されている。
【００９６】
同様に、第２のレンズ群６３は、第１レンズ６３ａと、第２レンズ６３ｂとから構成されている。第１レンズ６３ａは、複合回折格子２から反射された１回回折光−Ｌ１が第２の反射手段１３に入射される光路上に配置されている。また、第２レンズ６３ｂは、第２の反射手段１３によって反射された１回回折光−Ｌ１が複合回折格子２に照射される光路上に配置されている。
【００９７】
更に、第１レンズ６３ａから第２の反射手段１３を通り、第２レンズ６３ｂまでの光路の距離は、第１レンズ６３ａの焦点距離と第２レンズ６３ｂの焦点距離との和と等しく設定されている。
【００９８】
また、第１のレンズ群６２及び第２のレンズ群６３を構成する第１レンズ６２ａ，６３ａ及び第２レンズ６２ｂ、６３ｂの焦点距離を、複合回折格子２とレンズ１１との距離と等しくしている。そのため、図１０（ａ）に示すように、複合回折格子２がチルトした場合、第１のレンズ群６３の第１レンズ６２ａを通過した後の光路は、チルトしてない場合の光路と略平行になる。ここで、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３が、２枚のミラーで構成されている場合、複合回折格子２への再入射の際に、照射スポットＰ付近に入射させることができる。これにより、複合回折格子２のチルトによる計測誤差を軽減できる。
【００９９】
また、図１０（ｂ）に示すように、第１の反射手段１２及び第２の反射手段１３を３枚のミラーで構成した場合、再入射の際に照射スポットＰ付近に入射し、再入射の角度が、チルト方向と同じになる。これにより、２回目の回折による回折光を常に安定させることができる。
【０１００】
その結果、複合回折格子２に入射される２回目の入射ポイントを任意の照射スポットＰから外れ難くすることができる。更に、複合回折格子２が傾いたり、複合回折格子２の表面にうねり等があった場合でも、最初に光Ｌが入射した照射スポットＰに１回回折光Ｌ１，−Ｌ２を入射させることができ、検出精度が低下することを防ぐことができる。
【０１０１】
また、複合回折格子２のチルト傾き（変動）やクリアランス変動、いわゆる第３の方向Ｚの変動によって拡大する波面収差を控え、安定した干渉信号を得ることができる。
【０１０２】
なお、第２の格子干渉計６５も同様に、第１のレンズ群６２Ｂ及び第２のレンズ群６３Ｂを有している。そして、その構成は、第１の格子干渉計６４の第１のレンズ群６２及び第２のレンズ群６３と同様の構成を有しているため、その説明は、省略する。
【０１０３】
その他の構成は、第２の実施の形態にかかる変位検出装置３１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置６１によっても、上述した第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０４】
＜４．第４の実施の形態例＞
次に、図１１を参照して本発明の変位検出装置の第４の実施の形態例について説明する。
図１１は、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７１の光学系を示す側面図である。
【０１０５】
この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７１は、光源３から直線偏光の光を照射させて、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１から第３の位相板４１を無くしものである。そのため、ここでは、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１０６】
図１１に示す第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７１の光源３からは、直線偏光の光Ｌが照射される。第１の位相板３９と、第２の位相板４０は、例えば１／４波長板である。そして、第１の位相板３９及び第２の位相板４０は、直線偏光の２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２を互いに逆方向に回転する円偏光の光に偏光している。そのため、この第１の位相板３９と第２の位相板４０の結晶軸は、互いに直交する方向に向いている。
【０１０７】
互いに逆方向に回転する円偏光の２つの２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、ビームスプリッタ１７によって重ね合わされる。そして、この互いに逆回りの円偏光の光は、同一光路上にあるので、重ね合わされることにより回転する直線偏光となり、第１の偏光ビームスプリッタ４２又は第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射される。
【０１０８】
その他の構成は、第２の実施の形態にかかる変位検出装置３１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置７１によっても、上述した第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０９】
なお、この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７１によれば、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置３１よりも第３の位相板４１の部品点数を削減することができる。
【０１１０】
＜５．第５の実施の形態例＞
次に、図１２を参照して本発明の変位検出装置の第５の実施の形態例について説明する。
図１２は、第５の実施の形態例にかかる変位検出装置８１の光学系を示す側面図である。
【０１１１】
この第５の実施の形態例にかかる変位検出装置８１は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１に第２の光源８３を更に設けたものである。そのため、ここでは、第２の光源８３について説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１１２】
図１２に示すように、第１の格子干渉計８４及び第２の格子干渉計８５には、第１の光源３と、第２の光源８３と、第２のビームスプリッタ８８とを有している。第２のビームスプリッタ８８は、第１の光源３から照射された光と、第２の光源８３から照射された光を重ね合わせて、複合回折格子２の任意の照射スポットＰに光を照射している。
【０１１３】
その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置８１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１１４】
なお、この第５の実施の形態例にかかる変位検出装置８１によれば、第１の光源３と、第２の光源８３の波長が略等しい場合、第１の光源３と第２の光源８３を交互に発光させることで、２つの光源の寿命を延ばすことができる。更に、第１の光源３が故障したり、不具合が発生したりしても、第２の光源８３を予備光源として用いることで、長時間使用することができる。
【０１１５】
また、第１の光源３から照射される光と第２の光源８３から照射される光は、それぞれ偏光軸が互いに直交した直線偏光であってもよい。この場合、第２のビームスプリッタ８８は、偏光ビームスプリッタである。これにより、第１の光源３が寿命等で検出不可能になったときに、第２の光源８３に切り換えることで、使用時間を延ばすことができる。更に、ビームスプリッタ１７による光量ロスを最小限に抑えることも可能である。
【０１１６】
更に、第１の光源３から照射される光の波長と、第２の光源８３から照射される光の波長が、互いに異なるように設定した場合、第２のビームスプリッタ８８は、波長選択フィルタである。これにより、第１の格子干渉計８４と、第２の格子干渉計８５は、任意の照射スポットＰを一致させた状態で、異なる光源の光を用いて干渉信号を得ることができる。その結果、高次の回折光や迷光が、互いの格子干渉計８４，８５に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【０１１７】
＜６．第６の実施の形態例＞
次に、図１３を参照して本発明の変位検出装置の第５の実施の形態例について説明する。
図１３は、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置９１の光学系を示す側面図である。
【０１１８】
この第６の実施の形態例にかかる変位検出装置９１と、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と異なる点は、複合回折格子を反射型から透過型に変えた点である。そのため、ここでは、複合回折格子及び反射手段について説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１１９】
図１３に示すように、この第６の実施の形態例にかかる変位検出装置９１の複合回折格子９２は、透過型の回折格子である。その他の点は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１の複合回折格子２と同様であるため、その説明は、省略する。このような透過型の複合回折格子９２の回折角も、反射型の複合回折格子２の回折角と同一の式（１）で表すことができる。
【０１２０】
図１３に示すように、第１の格子干渉計９４及び第２の格子干渉計９５は、同一の構成を有しているため、ここでは、第１の格子干渉計９４について説明する。また、第２の格子干渉計９５を構成する構成要素において、第１の格子干渉計９４と共通する部分には、第１の格子干渉計９４の構成要素の符号にＢを付けて示す。
【０１２１】
第１の格子干渉計９４は、光源３と、レンズ１１と、第１の反射手段１０２と、第２の反射手段１０３と、第１のミラー１４と、第２のミラー１６と、ビームスプリッタ１７と、第１の受光手段１８と、第２の受光手段１９とを有している。
【０１２２】
第１の反射手段１０２と、第２の反射手段１０３は、複合回折格子９２を間に挟んで、光源３と第３の方向Ｚの反対側に配置されている。第１の反射手段１０２及び第２の反射手段１０３には、複合回折格子９２を透過し、回折した１回回折光Ｌ１，−Ｌ１が入射される。すなわち、第１の反射手段１０２には、正の次数の１回回折光Ｌ１が入射され、第２の反射手段１０３には、負の次数の１回回折光−Ｌ１が入射される。
【０１２３】
そして、第１の反射手段１０２及び第２の反射手段１０３は、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１が、複合回折格子９２を透過した角度（回折角度）とは、異なる角度で、２つの１回回折光Ｌ１，−Ｌ１を再び複合回折格子９２に入射させている。
【０１２４】
そのため、複合回折格子９２を透過し、再び回折された２回回折光Ｌ２，−Ｌ２は、光源３から照射された光Ｌと異なる光路を通って、第１のミラー１４又は第２のミラー１６に入射される。
【０１２５】
その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置９１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１２６】
＜７．回折格子の変形例＞
次に、図１４及び図１５を参照して、複合回折格子の変形例について説明する。
図１４は、複合回折格子の第１の変形例を示す説明図である。図１５は、複合回折格子の第２の変形例を示す説明図である。
【０１２７】
図１４に示す複合回折格子１１２は、放射状にスリットｓが形成されると共に、同心円状に略円弧状のスリットｓが形成されている。この複合回折格子１１２は、いわゆるロータリーエンコーダーとして、回転移動する工作機械の可動部分等の位置検出を行うことができる。また、この複合回折格子１１２によれば、角度情報を検出しながら、第２の格子ベクトル方向Ｄの偏心成分も計測することが可能である。
【０１２８】
上述した実施の形態例の複合回折格子２では、第１の格子ベクトル方向Ｃ及び第２の格子ベクトル方向Ｄが、計測方向であった例を説明したが、これに限定される物ではない。例えば、図１５に示す第２の変形例にかかる複合回折格子１２２のように、第１の格子ベクトル方向Ｃ及び第２の格子ベクトル方向Ｄが計測方向と一致していなくてもよい。
【０１２９】
図１５に示すように、複合回折格子１２２は、第１の回折格子１２２ａと、第２の回折格子１２２ｂとを有している。第１の回折格子１２２ａの格子ピッチΛａは、ｄ１に設定されており、第２の回折格子の格子ピッチΛｂは、ｄ２に設定されている。
【０１３０】
そして、第２の回折格子１２２ｂの第２の格子ベクトル方向Ｄは、複合回折格子１２２の面と平行で、且つ第１の回折格子１２２ａの第１の格子ベクトル方向Ｃに対して角度θ５傾いている。そして、複合回折格子１２２は、第２の格子ベクトル方向Ｄを第１の計測方向Ｘに対して角度θ６傾けると共に、第２の計測方向Ｙに対して角度θ７傾けて配置されている。
【０１３１】
ここで、角度θ５＝９０°とし、角度θ６＝角度θ７＝４５°とした場合、第１の計測方向Ｘの変位を求めるには、第１の回折格子１２２ａの格子ピッチΛａもしくは第２の回折格子１２２ｂの格子ピッチΛｂの√２倍長くなると考えるとよい。なお、第２の計測方向Ｙの変位も同様に求めることができる。
【０１３２】
このように、第１の格子ベクトル方向Ｃ及び第２の格子ベクトル方向Ｄと、第１の計測方向Ｘ及び第２の計測方向Ｙが一致していなくてもよい。すなわち、第１の回折格子１２２ａ及び第２の回折格子１２２ｂの格子ピッチからの情報を元に２次元の変位量を検出することができる。
【０１３３】
一般に、変位検出の応答速度は、光電変換された後の電子信号の処理で制限がかかっている。そのため、回折格子の格子ピッチの間隔が細かくなるほど、同じ移動速度での電気信号の周波数が上がってしまう。図１５に示す複合回折格子１２２のように、格子ベクトル方向を計測方向に対して傾けることで、特に速度を有する場合に、周波数を軽減させて対応することができる。
【０１３４】
その結果、図１５に示す複合回折格子１２２によれば、同じ測定軸方向の移動速度の条件で、格子ベクトル方向と計測方向と一致させた複合回折格子に比べて、電子信号の周波数を１／√２に落とすことが可能である。
【０１３５】
よって、例えば半導体露光装置のウエアステージと、レクチルステージとでは、レクチルステージは、ウエアステージよりも分解能を必要としていないものの、ウエアステージよりも数倍の速さで移動している。よって、レクチルステージには、図１５に示す複合回折格子１２２を用いることが有効であることが分かる。
【０１３６】
なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。上述した実施の形態例では、回折格子として第１の回折格子と第２の回折格子を有する複合回折格子を用いると共に、２つの格子干渉計を用いて、２次元の変位量を検出する例を説明した。しかしながら、１つの格子干渉計を用いて１次元の変位量を検出する変位検出装置であってもよい。なお、この場合、回折格子は、一方向の格子ベクトル方向しか有さない回折格子で十分である。
【０１３７】
また、光源から照射される光は、気体中だけでなく、液体中又は真空中の空間を飛ばして光を供給するようにしてもよい。更に、受光手段の受光素子は、光ファイバによって離れた位置に配置してもよい。これにより、相対位置情報出力手段等の電気通信部との距離を短くすることができ、高速応答化を図ることができる。
【符号の説明】
【０１３８】
１，３１，６１，７１，８１，９１…変位検出装置、 ２，９２，１１２，１２２…複合回折格子、 ２ａ…第１の回折格子、 ２ｂ…第２の回折格子、 ３…光源、 ４，３４，８４…第１の格子干渉計、 ５，３５，８５，９４…第２の格子干渉計、 ６，９５…第１の相対位置情報出力手段、 ７…第２の相対位置情報出力手段、 １１…レンズ、 １２，１２Ｂ，１０２，１０２Ｂ…第１の反射手段、 １３，１３Ｂ，１０３，１０３Ｂ…第２の反射手段、 １４，１４Ｂ…第１のミラー、 １６，１６Ｂ…第２のミラー、 １７，１７Ｂ…ビームスプリッタ、 １８，１８Ｂ…第１の受光手段、 １９，１９Ｂ…第１の受光手段、 ３７，３７Ｂ…第１のレンズ、 ３８，３８Ｂ…第２のレンズ、 ３９，３９Ｂ…第１の位相板、 ４０，４０Ｂ…第２の位相板、 ４１，４１Ｂ…第３の位相板、 ４２，４２Ｂ…第１の偏光ビームスプリッタ、 ４３，４３Ｂ…第１の受光素子、 ４４，４４Ｂ…第２の受光素子、 ４６，４６Ｂ…第２の偏光ビームスプリッタ、 ４７，４７Ｂ…第３の受光素子、 ４８，４８Ｂ…第４の受光素子、 ６２…第１のレンズ群、 ６２ａ…第１レンズ、 ６２ｂ…第２レンズ、 ６３…第２のレンズ群、 ６３ａ…第１レンズ、 ６３ｂ…第２レンズ、 ８３…第２の光源、 ８８…ビームスプリッタ、 Ｃ…第１の格子ベクトル方向、 Ｄ…第２の格子ベクトル方向、 Ｌ１，−Ｌ２…１回回折光、 Ｌ２，−Ｌ２…２回回折光、 Ｐ…照射スポット、 θ１…第１の出射角度、 θ２…入射角度、 θ３…第２の出射角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を回折する略平板状の回折格子と、
前記回折格子に光を照射し、正負の次数の２つの光に回折し、且つ回折された２つの光を干渉させると共に干渉信号を生成する格子干渉計と、
前記格子干渉計によって生成した前記干渉信号から前記回折格子の相対位置情報を検出する相対位置情報出力手段と、を備え、
前記格子干渉計は、
前記回折格子に光を照射する光源と、
前記回折格子によって回折された１回回折光を反射させて、前記光源からの前記光が照射された位置とほぼ同じ位置に再び入射させる反射手段と、
前記回折格子によって２回回折された２つの２回回折光を重ね合わせるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタによって重ね合わされた前記２回回折光を受信して干渉信号を生成する受信手段と、を有し、
前記反射手段は、前記光源から前記回折格子への入射角度及び、前記１回回折光が前記回折格子を透過又は反射した角度と異なる角度で前記回折格子に前記１回回折光を入射させる
変位検出装置。
【請求項２】
前記回折格子と前記反射手段の間には、レンズが設けられている
請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記回折格子は、
光が照射される面と平行をなす第１の格子ベクトル方向に並ぶ第１の回折格子と、
前記面と平行で、且つ前記第１の格子ベクトル方向から所定の角度で傾いた第２の格子ベクトル方向に並ぶ第２の回折格子と、を有する複合回折格子であり、
前記格子干渉計は、
前記第１の回折格子に回折された前記光の干渉信号を生成する第１の格子干渉計と、
前記第２の回折格子に回折された前記光の干渉信号を生成する第２の格子干渉計と、からなり、
前記第１の格子干渉計と前記第２の格子干渉計は、前記光源からの前記光が照射された位置を通り、且つ前記面と直交する第３の方向回りに所定の角度をもって回転させて配置されている
請求項１又は２に記載の変位検出装置。
【請求項１】
光を回折する略平板状の回折格子と、
前記回折格子に光を照射し、正負の次数の２つの光に回折し、且つ回折された２つの光を干渉させると共に干渉信号を生成する格子干渉計と、
前記格子干渉計によって生成した前記干渉信号から前記回折格子の相対位置情報を検出する相対位置情報出力手段と、を備え、
前記格子干渉計は、
前記回折格子に光を照射する光源と、
前記回折格子によって回折された１回回折光を反射させて、前記光源からの前記光が照射された位置とほぼ同じ位置に再び入射させる反射手段と、
前記回折格子によって２回回折された２つの２回回折光を重ね合わせるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタによって重ね合わされた前記２回回折光を受信して干渉信号を生成する受信手段と、を有し、
前記反射手段は、前記光源から前記回折格子への入射角度及び、前記１回回折光が前記回折格子を透過又は反射した角度と異なる角度で前記回折格子に前記１回回折光を入射させる
変位検出装置。
【請求項２】
前記回折格子と前記反射手段の間には、レンズが設けられている
請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記回折格子は、
光が照射される面と平行をなす第１の格子ベクトル方向に並ぶ第１の回折格子と、
前記面と平行で、且つ前記第１の格子ベクトル方向から所定の角度で傾いた第２の格子ベクトル方向に並ぶ第２の回折格子と、を有する複合回折格子であり、
前記格子干渉計は、
前記第１の回折格子に回折された前記光の干渉信号を生成する第１の格子干渉計と、
前記第２の回折格子に回折された前記光の干渉信号を生成する第２の格子干渉計と、からなり、
前記第１の格子干渉計と前記第２の格子干渉計は、前記光源からの前記光が照射された位置を通り、且つ前記面と直交する第３の方向回りに所定の角度をもって回転させて配置されている
請求項１又は２に記載の変位検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２７８７（Ｐ２０１２−２７８７Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４０９０４（Ｐ２０１０−１４０９０４）
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]