JP2011027649A - 位置決め装置及び位置決め方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象となる物体の位置や姿勢を非接触で高精度に計測、制御する位置決め装置を提供する。
【解決手段】位置決め装置１は、参照光としての光周波数コムと測定光としての光周波数コムとを出射する光源１０と、光源１０から出射された測定光を測定対象４０に取り付けられた反射体４２に照射するヘッド部３０と、光源１０から出射された参照光が入射される参照面３１と、反射体４２で反射されヘッド部３０を介して戻された測定光と、参照面３１から戻された参照光との干渉光に基づく干渉信号を検出する検出部２０と、検出部２０により検出した干渉信号に基づいて参照面３１までの距離を基準にした反射体４２までの距離を求める信号処理部６０と、測定対象４０の位置を変化させるアクチュエータ５０と、信号処理部６０で求めた距離に応じてアクチュエータ５０を制御する制御部７０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象の位置や姿勢を非接触で高精度に計測して測定対象を制御可能な位置決め装置及び位置決め方法に関する。

従来のレーザ干渉計は、分解能が極めて高く、ナノメートルのレベルの位置決めに使用されている。この従来のレーザ干渉計は、絶対距離測定が可能な距離、すなわち、光が遮光された状態から遮光状態が回復した直後に曖昧さなく測定可能なレンジが、半波長程度である。そのため、従来のレーザ干渉計は、絶対距離測定に応用するためには、原点からの変位量の積算が必要である。しかし、従来のレーザ干渉計は、半波長以下の変位を積算することによって長距離の測定に使用できるが、光の波長が短いため、例えば数メートルの距離を測定するためには光の波長の数千倍の変位を積算する必要がある。したがって、従来のレーザ干渉計は、一度光線が遮られた場合には、絶対距離の測定を再開することが難しく、変位量の積算を開始した位置（原点）に戻さないと、正確な位置情報を得ることができない。

一方、変調された光の飛行時間又は変調波の位相から距離を求める距離計は、絶対距離測定が可能である（例えば、特許文献１を参照）。絶対距離測定が可能な距離計は、光線が遮られた場合でも原点まで戻すことなく距離を測定することが可能である。そのため、絶対距離を測定可能な距離計は、測定対象となる物体から離れた場所から物体に向かってレーザを照射して物体の位置を計測、制御する応用に適している。しかし、従来の距離計は、分解能が高いものでも数十マイクロメートルであるため、上述したレーザ干渉計のように分解能が十分ではない。

特開２００１−３４３２３４公報

そこで、本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、光線が遮られた場合でも原点復帰することなく高精度に測定対象までの絶対距離を測定し、物体の位置又は姿勢を制御可能な位置決め装置及び位置決め方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る位置決め装置は、互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する光源と、上記光源から出射された測定光を、測定対象に取り付けられ該測定光を反射する反射体に照射するヘッド部と、上記光源から出射された参照光が入射される参照面と、上記反射体で反射され上記ヘッド部を介して戻された測定光と、上記参照面から戻された参照光との干渉光に基づく干渉信号を検出する検出部と、上記検出部により検出した干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記反射体までの距離を求める信号処理部と、上記測定対象の位置を変化させるアクチュエータと、上記信号処理部で求めた距離に応じて上記アクチュエータを制御する制御部とを備える。

また、本発明に係る位置決め装置は、互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する光源と、上記光源から出射された上記参照光及び上記測定光を複数の出力チャネルに分波する分波器と、上記分波器で分波された測定光を、測定対象に取り付けられ該測定光を反射する複数の反射体に対して上記出力チャネルごとに照射する複数のヘッド部と、上記分波器で分波された参照光が出力チャネルごとに入射される複数の参照面と、上記反射体で反射され上記ヘッド部を介して戻された各測定光と該測定光に対応する上記参照面で反射された各参照光との各干渉光に基づく干渉信号を検出する複数の検出部と、上記複数の検出部で検出した各干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記反射体までの距離を検出し、該距離と上記反射体間の距離とから測定対象の傾斜又は回転角を検出する信号処理部と、上記測定対象の位置を変化させるアクチュエータと、上記信号処理部で検出した距離、傾斜角又は回転角に応じて上記アクチュエータを制御する制御部とを備える。

また、本発明に係る位置決め方法は、光源が、互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する出射ステップと、ヘッド部が、上記光源から出射された測定光を、測定対象に取り付けられ該測定光を反射する反射体に照射する照射ステップと、検出部が、上記反射体で反射され上記ヘッド部を介して戻された測定光と、上記光源から出射された参照光が入射される参照面から戻された参照光との干渉光に基づく干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、信号処理部が、上記検出部により検出した干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記反射体までの距離を求める距離算出ステップと、制御部が、上記信号処理部で求めた距離に応じて、上記測定対象の位置を変化させるアクチュエータを制御する制御ステップとを有する。

また、本発明に係る位置決め方法は、光源が、互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する出射ステップと、分波器が、上記光源から出射された上記参照光及び上記測定光を複数の出力チャネルに分波する分波ステップと、複数のヘッド部が、上記分波器で分波された測定光を、測定対象に取り付けられ該測定光を反射する複数の反射体に対して上記出力チャネルごとに照射する照射ステップと、複数の検出部が、上記反射体で反射され上記ヘッド部を介して戻された各測定光と、上記分波器で分波された参照光が出力チャネルごとに入射される複数の参照面で反射された該測定光に対応する参照光との各干渉光に基づく干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、信号処理部が、上記複数の検出部で検出した各干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記反射体までの距離を求め、該距離と上記反射体間の距離とから測定対象の傾斜又は回転角を求める傾斜・回転角検出ステップと、制御部が、上記信号処理部で求めた距離、傾斜角及び回転角のうち少なくともいずれか１つに応じて上記測定対象の位置を変化させるアクチュエータを制御する制御ステップとを有する。

本発明によれば、光線が遮断されても反射体を基準面まで戻すことなく高精度に測定対象までの距離を測定し、測定した距離を用いて測定対象の位置又は姿勢を制御することが可能となる。

第１の実施の形態に係る位置決め装置の構成例を示すブロック図である。 ２台の光周波数コム発生器を用いた場合の位置決め装置の構成例を示すブロック図である。 光周波数コムの出力を模式的に示す図である。 測定対象の位置を測定して測定対象の位置を制御する場合の位置決め装置の構成例を模式的に示す図である。 測定対象の位置を測定して測定対象の位置を制御する場合の位置決め装置の構成例を模式的に示す図である。 測定対象の位置を測定して測定対象の位置を制御する場合の位置決め装置の構成例を模式的に示す図である。 位置決め方法を説明するためのフローチャートである。 迷光データ取得モードを説明するためのフローチャートである。 絶対距離測定モードを説明するためのフローチャートである。 高速測定モードを説明するためのフローチャートである。 第２の実施の形態に係る位置決め装置の構成例を示すブロック図である。 分波器の構成例を模式的に示す図である。 測定対象の傾斜を測定して測定対象の姿勢を制御する場合の位置決め装置の構成例を模式的に示す図である。 測定対象の回転角度を測定して測定対象の姿勢を制御する場合の位置決め装置の構成例を模式的に示す図である。 ヘッド部の内部に検出部を内蔵した位置決め装置の構成例を示すブロック図である。 １台の光周波数コム発生器を用いた場合の位置決め装置の構成例を示すブロック図である。 １台の光周波数コム発生器を用いた場合の位置決め装置の構成例を示すブロック図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
＜第１の実施の形態＞
本実施の形態に係る位置決め装置１は、図１に示すように、互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する光源１０と、測定光を反射する反射体４２で反射された測定光と後に詳述する参照面３１から戻された参照光との干渉光に基づく干渉信号を検出する検出部２０と、光源１０から出射された測定光を反射体４２に照射するヘッド部３０と、測定対象４０の位置を変化させるアクチュエータ５０と、検出部２０で検出した干渉信号に基づいて参照面３１までの距離を基準にした反射体４２までの距離を求める信号処理部６０と、信号処理部６０で求めた距離に応じてアクチュエータ５０を制御する制御部７０とを備える。

光源１０は、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを出射する光源１０として２台の光周波数コム発生器を備える。位置決め装置１は、光源１０として光周波数コム発生器を用いることにより、後に詳述するように、基準面から反射体４２までの絶対距離を測定するとともに、光線が遮断されても反射体４２を基準面まで戻すことなく絶対距離の測定を再開することが可能となる。また、位置決め装置１は、光源１０として２台の光周波数コム発生器を用いることにより、測定光と参照光との間で光周波数コムの周波数をモード毎にずらすことが可能となる。これにより、位置決め装置１は、干渉信号の周波数をモードによって違った値にできるため、光検出の際に波長分割しなくても、干渉信号の周波数解析により各モードの位相情報を分離することが可能となる。

光源１０は、図２に示すように、周波数がνのレーザ光を出射するレーザ光源１１と、光周波数コム発生器１２，１３と、発振器１４，１５，１６と、周波数をシフトさせる周波数シフタ（ＡＯＦＳ）１７と、１／２波長板（λ／２板）１８と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１９とを備える。

光周波数コム発生器１２，１３は、例えばレーザ外部で光の強度や位相を変調する電気光学変調器（ＥＯＭ）と、このＥＯＭを挟むように対向して配設された反射鏡とからなり、電気光学変調器と反射鏡とで光発振器を構成するファブリペロー型電気光学変調方式のものが用いられる。なお、光周波数コム発生器１２，１３としては、この他にも、ＬｉＮｂＯ_３結晶を使用した位相変調器、強度変調器、半導体の吸収や位相の変化を利用する変調器等を用いてもよい。

光周波数コム発生器１２，１３は、互いに異なる周波数により駆動される。例えば、光周波数コム発生器１２は、周波数ｆ_ｍで発振する発振器１４により駆動し、光周波数コム発生器１３は、周波数ｆ_ｍ＋Δｆ_ｍで発振する発振器１５により駆動する。発振器１４，１５は、図示しない共通の基準発振器により位相同期されることで、ｆ_ｍ＋Δｆ_ｍとｆ_ｍとの相対周波数が安定になる。

光周波数コム発生器１３の前段には、周波数シフタ１７が設けられている。周波数シフタ１７は、例えば内部に発生した超音波により音響光学相互作用で参照光の位相を変化させる音響光学変調器（ＡＯＭ：acoustooptic modulator）で構成される。周波数シフタ１７は、発振器１６の出力により動作し、レーザ光源１１から出射されたレーザ光の周波数を例えばｆａだけシフトさせて光周波数コム発生器１３に出射する。

光源１０は、光周波数コム発生器１２，１３により、レーザ光源１１から出射されたレーザ光に基づいて一定間隔の離散的な周波数成分からなる光である光周波数コムを発生して出射する。光周波数コムは、光周波数νを中心にマイクロ波周波数（変調信号の周波数）ｆ_ｍに一致する等周波数間隔で発生させた側波帯（サイドバンド）を有する光であり、光周波数コムの中心周波数が、入射されるレーザの光周波数νに一致している。光周波数νは、数百ＴＨｚの領域であるため、光の位相情報を直接取り扱うことが難しいが、ｆ_ｍは高くても数十ＧＨｚの領域なので、従来の電子回路技術で位相情報を容易に扱うことができる。位置決め装置１は、光周波数コムを用いることにより、相対的な光の周波数や位相の情報を光周波数コムが存在している帯域内で電気的に取り扱うことができる。

光源１０は、光周波数コム発生器１２，１３により、例えば図３に示すような周波数の光周波数コム（ＯＦＣ１、ＯＦＣ２）を出射する。図３（Ａ）は、光周波数コム発生器１２から出射された測定光としての光周波数コム（ＯＦＣ１）を表している。また、図３（Ｂ）は、周波数シフタ１７で周波数がシフトされた参照光としての光周波数コム（ＯＦＣ２）を表している。図３に示す光周波数コムは、光パルスの繰り返し周波数に一致したコム状のモードを持っており、図３（Ａ）に示す測定光のモード間隔がｆ_ｍであり、図３（Ｂ）に示す参照光のモード間隔がｆ_ｍ＋△ｆ_ｍである。

図３に示す光周波数コムの例は、スペクトル中央のモードを中心にモード番号を付け、Ｎ＝０のモード間の干渉信号の周波数をｆ_ａと仮定している。図３に示す光周波数コムの例において、中心周波数成分を０番目として数えてモードにつけた番号をＮとすると、Ｎ番目のビート周波数＝ｆａ＋Ｎ△ｆ_ｍとなり、Ｎ番目のビート周波数が光周波数コムのモードによって異なる周波数に出る。

偏光ビームスプリッタ１９は、光周波数コム発生器１２から入射された測定光と半波長板１８を介して光周波数コム発生器１３から入射した参照光とを混合して、参照光と測定光を直交する偏光で重ね合わせる。偏光ビームスプリッタ１９は、参照光と測定光とが重ね合わされた干渉光を検出部２０のビームスプリッタ２１に入射する。

以上説明したように、光源１０は、単一レーザ光を入力とし、駆動周波数がそれぞれ異なる２台の光周波数コム発生器１２，１３を備えることにより、同じビート周波数に複数の光周波数コムの情報が重ならないようにする。

なお、光源１０としては、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、かつ、キャリア周波数が安定化された２台の光源、例えばモード同期レーザを用いてもよい。また、光源１０は、上述したように光周波数コム発生器１２，１３からの測定光及び参照光の出力を偏光ビームスプリッタ１９で直交した偏光状態で光を束ねた状態、すなわち、測定光及び参照光が干渉しない状態で共通の出力とせずに、別の出力となるようにしてもよい。

検出部２０は、図２に示すように、ビームスプリッタ２１と、偏光子２２ａ，２２ｂと、基準光検出器２３ａと、測定光検出器２３ｂとを備える。検出部２０は、後に詳述するように、参照面３１から戻された参照光と測定対象４０の反射体４２から戻された測定光との干渉光に基づく干渉信号を検出するとともに、光源１０から出射された参照光と測定光との干渉光に基づく干渉信号を検出する。

ビームスプリッタ２１は、光源１０の偏光ビームスプリッタ１９から入射された測定光と参照光との混合光を偏光子２２ａに向かう光と、後に詳述する偏光ビームスプリッタ３２に向かう光とに分離する。

基準光検出器２３ａは、遅延時間を計測するための基準を生成するために用いられる。位置決め装置１は、光源１０として２台の光周波数コム発生器を用いるため、光周波数コムを発生する過程、すなわち、ビームスプリッタで分岐してから偏光ビームスプリッタ１９で重ねるまでの間で遅延時間に差が生じてしまう可能性がある。そこで、位置決め装置１は、測定光及び参照光を別々の光周波数コム発生器で発生する場合には、光周波数コムを発生する過程での時間差を計測するための光検出器２３ａを備える。

基準光検出器２３ａは、偏光子２２ａを介してビームスプリッタ２１から出射された測定光と参照光との干渉光を受光し、この受光した干渉光に基づく干渉信号を得る。ここで、ビームスプリッタ２１から基準光検出器２３ａに導かれる干渉光Ｓ１に含まれる基準光及び測定光は、偏光が直交しているため、そのまま基準光検出器２３ａに入射しても干渉信号が得られない。そこで、検出部２０は、ビームスプリッタ２１からの基準光と測定光との偏光に対して斜めになるように向きを調整した偏光子２２ａを、ビームスプリッタ２１と基準光検出器２３ａとの間に備える。これにより、基準光検出器２３ａは、偏光子２２ａの透過成分としての基準光と測定光との干渉光を受光して、偏光子２２ａの透過成分としての干渉光に基づく干渉信号を得ることができる。

測定光検出器２３ｂは、偏光子２２ｂを介して、ビームスプリッタ２１から出射された、参照面３１から戻された参照光と反射体４２から戻された測定光との干渉光Ｓ２を受光し、この受光した干渉光Ｓ２に基づく干渉信号を得る。ここで、干渉光Ｓ２に含まれる基準光及び測定光は、上述した干渉光Ｓ１と同様に偏光が直交している。そのため、検出部２０は、干渉光Ｓ２から干渉信号を得るために、ビームスプリッタ２１からの基準光と測定光との偏光に対して斜めになるように向きを調整した偏光子２２ｂをビームスプリッタ２１と測定光検出器２３ｂとの間に備える。

ヘッド部３０は、図２に示すように、参照面３１と、偏光ビームスプリッタ３２とを備える。偏光ビームスプリッタ３２には、ビームスプリッタ２１で分岐された測定光及び参照光が、光ファイバ３３を介して入射される。偏光ビームスプリッタ３２は、光ファイバ３３を介して、ビームスプリッタ２１で分離された測定光と参照光との干渉光Ｓ１を入射し、偏光に応じて測定光と参照光とに分離する。偏光ビームスプリッタ３２は、干渉光Ｓ１から分離した測定光を反射体４２に向けて照射するとともに、干渉光Ｓ１から分離した参照光を参照面３１に入射する。また、偏光ビームスプリッタ３２は、反射体４２で反射された測定光と、参照面３１で反射された参照光とを重ね合わせた干渉光Ｓ２を生成し、生成した干渉光Ｓ２を光ファイバ３３を介してビームスプリッタ２１に戻す。なお、反射体４２で反射された測定光と参照面３１で反射された参照光とを重ね合わせた干渉光Ｓ２は、検出部２０で生成されるようにしてもよい。

参照面３１は、光を反射する材料で構成され、偏光ビームスプリッタ３２から入射された参照光を反射して偏光ビームスプリッタ３２に戻す。なお、参照面３１は、測定対象４０や位置決め装置１の構成に応じて任意の場所に配置することができる。例えば、参照面３１は、後に詳述するようにヘッド部３０の内部や検出部２０の内部に配置してもよく、また、測定対象４０の近傍に配置してもよい。反射体４２は、光を反射する材料で構成され、偏光ビームスプリッタ３２から入射された参照光を反射して偏光ビームスプリッタ３２に戻す。

信号処理部６０は、基準光検出器２３ａで検出した干渉信号が供給される信号処理部６０ａと、測定光検出器２３ｂで検出した干渉信号が供給される信号処理部６０ｂを有する。信号処理部６０は、後に詳述するように、信号処理部６０ｂにより、測定光検出器２３ｂで検出した干渉信号と、基準光検出器２３ａで検出した干渉信号との時間差に基づいて、参照面３１までの距離と反射体４２までの距離との差を光が伝搬する時間を求める。そして、信号処理部６０は、参照面３１までの距離と反射体４２までの距離との差を光が伝搬する時間に光速をかけた値を測定波長における屈折率で割ることにより、基準点から測定対象４０までの絶対距離を求めることができる。

ここで、絶対距離を求めるための原理について説明する。
＜検出部２０で得られる位相情報について＞
図２に示すように、周波数ｆ_ｍで変調した測定光側の光周波数コム、すなわち、光周波数コム発生器１２から出射された光周波数コムのｋ次のサイドバンドの電場強度Ｅｔ_ｋとする。また、周波数シフタ１７で周波数シフトされた周波数ν＋ｆ_ａｏｍのレーザ光を周波数ｆ_ｍ’（ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆ）で変調して発生した参照側の光周波数コム、すなわち、光周波数コム発生器１３からの光周波数コムのｋ次のサイドバンドの電場強度をＥｒ_ｋとする。これらの電場強度Ｅｔ_ｋ及び電場強度Ｅｒ_ｋは、（１）式及び（２）式のように表現される。

（１）、（２）式において、Ａ_ｋ、Ｂ_ｋは、ｋ次のサイドバンドの複素振幅である。τ_ｔは、検出部２０の基準点であるビームスプリッタ２１から反射体４２までの往復遅延時間である。τ_ｒは、ビームスプリッタ２１から参照面３１までの往復遅延時間である。ここで、測定したい遅延時間をτとすると、τ_ｔ＝τ＋τ_ｒの関係が成立する。

電場強度Ｅ_ｔ及びＥ_ｒが干渉すると、測定光検出器２３ｂにより検出し、例えばＦＦＴ（Fast Fourier Transform）等の周波数解析をすることによって得られるｋ次のサイドバンドのビート信号の成分Ｓ_ｋ（ターゲット）は、ｆ_ａｏｍ＋ｋδｆの周波数の信号として、（３）式ように表わされる。

また、（３）式において、τ_ｒ＝τ_ｔ＝０、すなわち、基準光検出器２３ａにより検出した干渉信号のｋ次のサイドバンドのビート信号を周波数解析することによって得られる成分Ｓ_ｋ（基準点）は、（４）式ように表わされる。

（３）式で示されるＳ_ｋ ^＊（ターゲット）に、（４）式で示されるＳ_ｋ（基準点）を掛けると、（５）式に示すＳ_ｋ（基準点）が得られる。

位相は、（５）式に基づいて（６）式のように表わされる。

（６）式において、φ_ｋは、測定できる２πの範囲の位相成分であり、Ｐ_ｋは、整数である。

このように、信号処理部６０は、基準光検出器２３ａにより検出した干渉光Ｓ１に基づく干渉信号のｋ次のサイドバンドのビート信号の成分Ｓ_ｋ（基準点）と、測定光検出器２３ｂにより検出した干渉光Ｓ２に基づくｋ次のサイドバンドのビート信号の成分Ｓ_ｋ（ターゲット）とに基づいて位相を求める。

＜往復遅延時間τ_ｒのキャリブレーションについて＞
次に、参照側の光周波数コムの変調周波数を変えて測定することによる往復遅延時間τ_ｒのキャリブレーションについて説明する。上記（６）式における往復遅延時間τ_ｒは、距離測定の誤差を与えることになる。そこで、信号処理部６０は、キャリブレーションにより往復遅延時間τ_ｒに依存しない位相の式を導出する。信号処理部６０は、上記（６）式における往復遅延時間τ_ｒの項をキャリブレーションするために、参照側の光周波数コムの変調周波数を（ｆ_ｍ＋δｆ）から（ｆ_ｍ−δｆ）に変更した状態で再度位相を測定する。これにより、信号処理部６０は、−ｋ次のサイドバンドのビート信号が（ｆ_aom＋ｋδｆ）の周波数の信号として得ることができる。この−ｋ次のサイドバンドのビート信号に基づく位相φ’_−ｋは、（７）式のように表わされる。

また、信号処理部６０は、上記（６）式及び（７）式から、（８）式に示す往復時間τ_ｒを求める。

ここで、検出部２０とヘッド部３０との間を接続する光ファイバ３３のファイバ長を５ｍとした場合の往復時間τ_ｒは、およそ５０ｎｓ程度である。また、δｆ＝５００ｋＨｚとした場合、（７）式における２πδｆτ_ｒの取り得る値は、０．１５ｒａｄ程度と１よりも小さい。したがって、信号処理部６０は、（８）式の整数値（Ｐ_ｋ−１＋Ｐ’_‐ｋ＋１−Ｐ_ｋ−Ｐ’_‐ｋ）を一義的に求めることができる。このように、信号処理部６０は、整数値（Ｐ_ｋ−１＋Ｐ’_‐ｋ＋１−Ｐ_ｋ−Ｐ’_‐ｋ）を一義的に求めることができるため、（８）式によって往復時間τ_ｒを求めることができる。

ここで、（６）式に２π（ｆ_aom＋ｋδｆ）τ_ｒを加えたものを新たにφ_ｋと定義する。すなわち、φ_ｋは、（９）式のように表わされる。

＜キャリアの位相とモード間の相対位相について＞
キャリアの位相φ_０は、（９）式においてｋ＝０の場合に得られ、（１０）式のように表わされる。

また、モード間の相対位相ψは、ｋ次と（ｋ−１）次との差分を取ることで得られ、（１１）式のように表わされる。

信号処理部６０は、（１１）式で示されるモード間の相対位相ψを計算する際に、（１２）式及び（１３）式で表わされる平均値をとる。

（１２）式において、Ｗ_ｋは、重みづけ関数であり、１＝ΣＷ_ｋに規格化されている。
＜群屈折率ｎ_ｇの考慮について＞
次に、群屈折率ｎ_ｇを考慮に入れた場合の往復遅延時間τの計算方法について説明する。大気の屈折率には、波長依存性がある。信号処理部６０は、屈折率が波長に対して一定ではなく往復遅延時間τが光の波長の関数になることから、上述した（１１）式を群遅延時間τ_ｇ（τ_ｇ＝τｎ_ｇ／ｎ）を用いて（１４）式のように補正する。

（１４）式において、Ｎは、Ｐ_ｋ−Ｐ_ｋ−１の補正された整数である。以下の説明では、信号処理部６０は、整数値Ｎ、或いはＰ_０を求め、上記（１０）式又は（１４）式により、往復遅延時間τ又は群遅延時間τ_ｇを求めることで絶対距離を計算するものとする。

＜モード間の相対位相を用いた距離の計算について＞
次に、モード間の相対位相を用いた距離の計算について説明する。具体的に、信号処理部６０は、上記（１４）式を用いて絶対距離を計算する場合、整数値Ｎを求めなければならないため、変調周波数ｆ_ｍを変えて測定を行う。なお、以下の説明では、遅延時間τ_ｒのキャリブレーションが既に行われているものとする。

位置決め装置１において、測定対象４０に照射される測定光の変調周波数をｆ_ｍ、参照光の変調周波数をｆ_ｍ’とする。位置決め装置１は、絶対距離を計測するモードにおいて、変調周波数ｆ_ｍを複数の周波数に切り替えることが可能である。例えば、位置決め装置１は、変調周波数ｆ_ｍを次のようなケース１及びケース２に切り替える。
ケース１：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１ （例）２５．００３５ＧＨｚ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋／−δｆ（δｆ＝５００ｋＨｚ）
ケース２：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ２ （例）２４．９９６５ＧＨｚ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋／−δｆ（δｆ＝５００ｋＨｚ）
ここで、ケース１で測定されたデータから計算された光周波数コムのモード間の相対位相をψ_１、ケース２で測定されたデータから計算された光周波数コムのモード間の相対位相をψ_２とする。この場合、群遅延時間τ_ｇは、（１５）式又は（１６）式のように表わされる。

また、（１５）式又は（１６）式で表わされる群遅延時間τ_ｇは、（１７）式のように表すことができる。

（１７）式において、０＜τ_ｇ＜１／（ｆ_ｍ１−ｆ_ｍ２）の範囲を仮定すると、信号処理部６０は、整数Ｎ−Ｎ’を一義的に求めることができる。（１７）式において、０＜τ_ｇ＜１／（ｆ_ｍ１−ｆ_ｍ２）の範囲を仮定した場合において、群遅延時間τ_ｇの誤差δτ_ｇは、（１８）式のように表わされる。

（１８）式において、δψ_１及びδψ_２は、ψ_１とψ_２との測定誤差である。さらに、信号処理部６０は、上述したケース１及びケース２を交互に連続して測定し、ψ_１及びψ_２に関して位相接続しながら連続した測定データを求める。信号処理部６０は、連続した多数の測定データから、平均値により誤差δτ_ｇが、｜δτ_ｇ｜＜＜１／（２ｘｆ_ｍ１）又は−１／（２ｘｆ_ｍ２）に収束するまで測定する。位相接続された連続したデータ内では、整数Ｎ及びＮ’が一定であり、整数Ｎ−Ｎ’が既知である。したがって、信号処理部６０は、上述した（１）式、（２）式及び（３）式から、（１９）式及び（２０）式を計算することで、整数Ｎ、Ｎ’を求めることができる。

（１９）式及び（２０）において、端数処理とは、小数点以下を四捨五入することである。信号処理部６０は、端数処理したＮ、Ｎ’を用いることにより、（１５）式、（１６）式から群遅延時間τ_ｇを再計算する。あるいは、信号処理部６０は、（１５）式と（１６）式の計算の平均である（２１）式から群遅延時間τ_ｇを再計算する。

ここで、信号処理部６０が（２１）式を計算することで得られる遅延時間τ_ｇの誤差δτ_ｇは、（２２）式のように表わされる。

以上説明したように、信号処理部６０は、真空中の光速度ｃ及び大気の群屈折率ｎ_ｇ及び群遅延時間τ_ｇを用いることで、反射体４２までの絶対距離Ｌを（２３）式によって求めることができる。

＜光のキャリアの位相を用いた距離の計算について＞
次に、光周波数コムのキャリアの波長が安定化された場合の光のキャリアの位相を利用した、高精度測定における計算方法について説明する。信号処理部６０は、測定された干渉信号からキャリアの位相を読むことにより、キャリアの光の位相を連続的に測定する。位置決め装置１は、干渉信号を処理してキャリア位相を得たものとする。なお、位置決め装置１は、変位計と同様に、ハードウェア的にキャリアの周波数成分だけ分離させた光の位相測定器を用いるようにしてもよい。

上記（１０）式を用いて、光周波数コムの入力光の波長（真空波長λ＝ｃ／ν）による光の位相ψ_０とすると、片道の絶対距離Ｌは、（２４）式のように表わされる。

（２４）式において、ｎは大気の屈折率である。また、（２４）式におけるＬの値は、上述した式（２３）の値に等しくなければならない。したがって、信号処理部６０は、（２３）式の誤差、すなわち、｜δτ_ｇｃｎ／ｎ_ｇ｜が（２５）式を満たす場合に、（２６）式としてＰ_０の整数を求めることができる。

信号処理部６０は、（２６）式によってＰ_０を決定することにより、（２４）式を用いて反射体４２までの絶対距離を求めることができる。信号処理部６０で求められる絶対距離の精度は、光の位相ψ_０の測定精度で決定される。光の位相ψ_０の測定精度は、一般的に１／１００００程度であるので、変位計モードとの連結された絶対距離の精度は、波長の１／１００００程度のサブｎｍのオーダーとなる。

＜迷光のキャリブレーションについて＞
次に、迷光のキャリブレーションについて説明する。ヘッド部３０の内部には偏光素子が存在し、偏光素子の消光比の影響で反射が微量に存在する。そのため、位置決め装置１においては、反射体４２からの反射光量が少ない場合に、上述した（３）式で表わされるｋ次のサイドバンドのビート信号の成分Ｓ_ｋ（ターゲット）の測定誤差が大きくなる問題が発生する。そこで、信号処理部６０は、以下に説明する方法によりＳ_ｋ（ターゲット）の測定誤差を低減する。

反射点での遅延時間をτ_ｍとすると、光周波数コムの迷光のｋ次のサイドバンドの電場強度Ｅ_ｍｋは、（２７）式のように表わされる。

ここで、信号処理部６０がＳ_ｋ（ターゲット）を測定する場合には、（２８）式に示すように、迷光に起因する第２項の影響が発生する。

そこで、信号処理部６０は、（２８）式における第２項をキャンセルするために、反射体４２側への光を遮光して、遮光時の干渉信号を測定し、（３０）式で表わされる伝達関数Ｈ_ｋを求める。

（３０）式において、伝達関数Ｈ_ｋは、τ_ｍが変化しない限り一定となる。そのため信号処理部６０は、（Ｈ_ｋ＊Ｓ_{ｋ（基準点）}）を（２８）式から差し引くことにより、（２８）式の迷光に起因する第２項をキャンセルすることができる。なお、信号処理部６０は、偏光素子等の消光比による反射点での遅延時間τ_ｍが略一定であるため、上述した迷光のキャリブレーション処理を測定開始時に一度行えばよい。

以上説明したように、信号処理部６０は、検出部２０により検出した干渉信号に基づいて、ビームスプリッタ２１から参照面３１までの距離を基準にしたときのビームスプリッタ２１から反射体４２までの距離を求めることができる。

制御部７０は、信号処理部６０で求めた反射体４２までの絶対距離に応じてアクチュエータ５０を制御することにより、測定対象４２の位置を変化させる。

ここで、図４〜図６に示す位置決め装置１の構成例を参照しながら、制御部７０の制御動作について説明する。

図４に示す例において、測定対象４０として、略矩形状のステージ４０ａと、ステージ４０ａ上に配置され反射体４２が取り付けられたステージ４０ｂとが配置されている。ステージ４０ａには、ステージ４０ｂと接する一面側に、溝部４３が形成されている。溝部４３は、ステージ４０ａに固定されたヘッド部３０から出射されるビームと平行な方向に、ステージ４０ａの一端から他端側にかけて形成されている。制御部７０は、信号処理部６０で求めた絶対距離に応じて、ヘッド部３０から出力されるビームと平行な方向にステージ４０ｂの位置が移動するように、ステージ４０ｂに取り付けられた図示しないアクチュエータ５０を制御する。

また、図５に示す位置決め装置１の構成例は、図４に示す構成例と比較して、ヘッド部３０が、ステージ４０ａ、４０ｂとは別のステージ４０ｃ上に固定されている点で異なる。図５に示す位置決め装置１は、ステージ４０ｃを絶対距離を求める際の位置決めの基準とし、ステージ４０ｃに対するステージ４０ｂの位置を絶対距離測定によって計測する。なお、図４及び図５に示す位置決め装置１において、参照面３１は、ヘッド部３０の内部に設けられているが、図６に示すように、ヘッド部３０から出射される参照光を反射可能な位置であってステージ４０ａ上に参照面３１を配置してもよい。

次に、位置決め装置１を用いた位置決め方法について図７〜図１０に示すフローチャートを参照しながら説明する。図７に示すステップＳ１において、信号処理部６０は、各種パラメータの初期設定、例えば発振器周波数の初期設定や１回目の環境設定を行う。

ステップＳ２において、信号処理部６０は、環境計測を行うかどうかを判断し、環境計測を行う場合にはステップＳ３の処理に進み、環境計測を行わない場合にはステップＳ４の処理に進む。環境計測とは、例えば温度、湿度、気圧等を測定することをいう。

ステップＳ３において、信号処理部６０は、温度、湿度及び気圧を測定する。

ステップＳ４において、信号処理部６０は、迷光測定を行うかどうかを判断し、迷光測定を行う場合にはステップＳ５の処理に進み、迷光測定を行わない場合にはステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ５において、信号処理部６０は、迷光測定を行う。具体的に、信号処理部６０は、図８に示すステップＳ２０〜ステップＳ２５の処理を行う。ステップＳ２０において、信号処理部６０は、測定対象４０への光が遮光されているかどうかを判断する。信号処理部６０は、測定対象４０への光が遮光されていると判断した場合にはステップＳ２１の処理に進み、測定対象４０への光が遮光していないと判断した場合にはエラーを返してステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ２１〜ステップＳ２４において、信号処理部６０は、使用する全ての変調周波数ｆ_ｍのケースにおいて、測定対象４０への光を遮光した状態で干渉信号を計測し、基準光検出器２３ａにより検出した干渉信号への伝達関数Ｈ_ｋを上記（３０）式により求める。すなわち、信号処理部６０は、参照側の干渉信号から、測定対象４０側へ漏れている干渉信号への伝達関数Ｈ_ｋを求める。信号処理部６０は、伝達関数Ｈ_ｋを求めることにより、以後の絶対距離測定モード又は高速測定モードにおいて、求めた伝達関数Ｈ_ｋを用いて測定対象４０側の干渉信号に含まれる迷光の波形を予測してキャンセルする。

このように、位置決め装置１は、反射体４２へ入射される測定光が遮光した状態で測定光検出器２３ｂが遮光時の干渉信号を検出し、信号処理部６０が、測定光検出器ｂにより検出した遮光時の干渉信号と、基準光検出器２３ａにより検出した干渉信号とに基づいて、上記（２８）式乃至（３０）式により伝達関数Ｈ_ｋを求める。位置決め装置１は、上記（２８）式のＳ_ｋ（ターゲット）から伝達関数Ｈ_ｋと上記（４）式のＳ_ｋ（基準点）との積を引くことにより、上記（２８）式の第２項をキャンセルすることができる。これにより、位置決め装置１は、反射体４２からの反射光量が少ない場合に、上記（３）式で表わされるＳ_ｋ（ターゲット）の測定誤差を小さくすることができるため、高精度で絶対距離を求めることができる。

図７に戻り、ステップＳ６において、信号処理部６０は、光周波数コムの変調周波数を切り替えて上述した（２３）式により絶対距離Ｌを計算する。信号処理部６０は、発振周波数の設定及び干渉信号の計測を行う際に、以下の４つのケースを順繰りに行う。
ケース１：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆ
ケース２：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ２ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆ
ケース３：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ２ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ−δｆ
ケース４：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ−δｆ
具体的に、信号処理部６０は、ステップＳ６において、図９のフローチャートに示すステップＳ３０〜ステップＳ４２の処理を実行する。

ステップＳ３０において、制御部７０は、測定対象４０を静止させる。

ステップＳ３１において、信号処理部６０は、発振器１４の周波数設定をｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１とするとともに、発振器１５の周波数設定をｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆとする。

ステップＳ３２において、信号処理部６０は、測定回数が所定回数Ｎ以上となったか否かを判断し、所定回数以上である場合にはステップＳ７の処理に進み、所定回数より少ない場合にはステップＳ３３に進む。ステップＳ３３において、信号処理部６０は、ステップＳ３１で設定した発振器周波数で干渉信号を測定する。

ステップＳ３４において、信号処理部６０は、発振器１４の周波数設定をｆ_ｍ＝ｆ_ｍ２に変更するとともに、発振器１５の周波数設定をｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆに変更する。ステップＳ３５において、信号処理部６０は、干渉信号を測定する。

ステップＳ３６において、信号処理部６０は、発振器１４の周波数設定をｆ_ｍ＝ｆ_ｍ２とするとともに、発振器１５の周波数設定をｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ−δｆとする。ステップＳ３７において、信号処理部６０は、ステップＳ３４で設定した発振器周波数で干渉信号を測定する。

ステップＳ３８において、信号処理部６０は、発振器１４の周波数設定をｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１に変更するとともに、発振器１５の周波数設定をｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ−δｆとする。ステップＳ３９において、信号処理部６０は、ステップＳ３８で設定した発振器周波数で干渉信号を測定する。

ステップＳ４０において、信号処理部６０は、発振器１４の周波数設定をｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１とするとともに、発振器１５の周波数設定をｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆに変更する。

ステップＳ４１において、信号処理部６０は、相対位相φ_１及び相対位相φ_２を計算して、（１７）式により群遅延時間τ_ｇを計算する。

ステップＳ４２において、信号処理部６０は、上記（１９）式及び（２０）式のＮ、Ｎ’が整数値に収束したかどうかを判断し、Ｎ、Ｎ’が整数値に収束した場合にはステップＳ７の処理に進む。一方、ステップＳ４２において、信号処理部６０は、ある特定回数を測定してもＮ、Ｎ’が整数値に収束していない場合には、エラーを返してステップＳ３２の処理に戻る。

このように、信号処理部６０は、発振器１４，発振器１５を複数の変調周波数に切り替えて測定光検出器２３ｂにより検出した干渉信号及び基準光検出器２３ａにより検出した干渉信号に基づいて、上記（１５）式乃至（２２）式から遅延時間τ_ｇ、相対位相ψ１、相対位相ψ２を求めることにより、上記（２３）式から絶対距離Ｌを求めることができる。

なお、発振周波数の設定及び干渉信号の計測の順番は、上述の例に限定されず、例えば以下のケース１’〜ケース４’ を順繰りに行うようにしてもよい。
ケース１’：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆ
ケース２’：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ−δｆ
ケース３’：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ２ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆ
ケース４’：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ２ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ−δｆ

また、往復遅延時間τ_ｒのキャリブレーションデータが蓄積されているのであれば、信号処理部６０は、次の２つのケース、すなわち、ケース１”及びケース２”のみについて、発振周波数の設定及び干渉信号の計測を行うようにしてもよい。
ケース１”：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆ
ケース２”：ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ２ ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆ
ステップＳ７において、信号処理部６０は、高速測定を行うかどうかを判断し、高速測定を行う場合にはステップＳ８の処理に進み、高速測定を行わない場合にはステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ８において、信号処理部６０は、高速測定を行う。信号処理部６０は、上述したステップＳ６の絶対距離測定モードにおいて発振周波数ｆ_ｍを切り替えるので、発振器の位相同期の安定時間まで待つ必要がある。そのため、信号処理部６０は、周波数を切り替えている間、干渉信号を測定することができない。したがって、位置決め装置１は、周波数を切り替えている間、測定対象４０を静止する必要がある。そこで、ステップＳ８において、信号処理部６０は、図１０のステップＳ５０〜ステップＳ５２に示す高速測定モードによって、測定対象４０が動いている場合でも距離を測定することを可能とする。

信号処理部６０は、高速測定モードにおいて、発振周波数ｆ_ｍを一定にして測定する。絶対距離測定モード終了時点において、発振周波数ｆ_ｍは、図９のステップＳ４０に示すケース１（ｆ_ｍ＝ｆ_ｍ１、ｆ_ｍ’＝ｆ_ｍ＋δｆ）の状態になっている。

ステップＳ５０において、信号処理部６０は、ステップＳ６の絶対距離測定モードから、続けて相対位相φ_０及び相対位相φ_１に関して位相接続しながら連続する測定データを得る。

ステップＳ５１において、信号処理部６０は、ステップＳ５０において相対位相φ_０及び相対位相ψ_１に関して位相接続しながら連続する測定データを得ているため、上述した整数値ＮやＰ_０が変化しないため、上述した（２３）式から絶対距離を求めることができる。また、ステップＳ５１において、信号処理部６０は、キャリア位相についても連続データから位相接続しながら測定できるため、整数値Ｐ_０の値が変化せず、（２４）式により絶対距離を求めることができる。

ステップＳ５２において、信号処理部６０は、光が中断されたか否かを判断し、光が中断された場合にはステップＳ９の処理に進み、光が中断されていない場合にはステップＳ５０の処理を再び実行する。

このように、位置決め装置１は、信号処理部６０が、基準光検出器２３ｂで検出した干渉信号と基準光検出器ａで検出した干渉信号との時間差による絶対距離を求めるとともに、キャリア周波数成分の位相による変位測定を行う。このように、位置決め装置１は、絶対距離測定モードから続けてキャリア位相φ_０及び相対位相ψ_１に関して位相接続しながら連続の測定データを得ることにより、上記（２４）乃至（２６）式から、測定対象４０が動いている場合でも絶対距離を測定することが可能となる。すなわち、位置決め装置１は、ステップＳ８の高速測定モードを実行することにより、絶対距離測定モードにおいて発振周波数ｆ_ｍを切り替える際の、発振器の位相同期の安定時間を待つ必要がなくなるため、絶対距離を高精度かつ高速で求めることが可能となる。

ステップＳ９において、信号処理部６０は、一連の処理を終了するかどうかを判断し、一連の処理を終了する場合にはステップＳ１０の処理に進み、一連の処理を終了しない場合にはステップＳ２の処理に戻る。

ステップＳ１０において、信号処理部６０は、後処理として測定したデータをメモリ（図示せず）に記憶する。

以上説明したように、位置決め装置１は、光線が遮られた場合でも原点復帰することなく信号処理部６０によりに測定対象までの絶対距離を高精度に測定し、制御部７０が絶対距離に応じてアクチュエータ５０を制御することにより測定対象４０の位置を変化させることが可能となる。

＜第２の実施の形態＞
図１１に示す第２の実施の形態に係る位置決め装置１’は、第１の実施の形態に係る位置決め装置１の構成と比較して次の３点が異なる。すなわち、１点目として、位置決め装置１’は、光源１０から出射される参照光及び測定光としての光周波数コムの全波長を各出力チャネルに分配する分波器９０を備える。分波器９０は、光周波数コムの各チャネルが、コム状スペクトルのままとなるように、光源１０から出射された光周波数コムのパワーを分配する。２点目として、位置決め装置１’は、出力チャネルの数に対応した数の検出部２０及びヘッド部３０を備える。３点目として、位置決め装置１’は、検出部２０が、光周波数コム干渉計２７と、信号処理部２８とを有する。

分波器９０は、例えば図１２に示すように光フィルタ９１ａ〜９１ｆを有し、各光フィルタの光透過率を調整することで、コム状スペクトルのままとなるように光源１０から出射された光周波数コムのパワーを分配する。

光周波数コム干渉計２７は、分波器９０で分配された測定光をヘッド部３０に入射するとともに分波器９０で分配された参照光を図示しない参照面に入射する。また、光周波数コム干渉計２７は、ヘッド部３０を介して反射体４２から戻された測定光と参照面から戻された参照光とを重ね合わせた干渉光に基づく干渉信号を検出する。信号処理部２８は、光周波数コム干渉計２７で検出した干渉信号に基づいて、参照面までの距離を基準にした反射体４２までの距離を求める。信号処理部６０は、複数の検出部２０から供給された距離の結果に基づいて測定対象４０の傾斜又は回転角を検出し、測定対象４０の傾斜又は回転角に関する検出結果を制御部７０に出力する。

図１３に示すように、位置決め装置１’において、測定の基準となる略矩形状のステージ４０ｄは、例えば、ヘッド部３０ａ、３０ｂ、３０ｃのように２以上のヘッド部をステージ４０ｄの角に搭載している。また、位置決め装置１’において、測定対象となるステージ４０ｅは、反射体４２としての複数の反射体である反射体４２ａ、４２ｂ、４２ｃがステージ４０ｅの角にそれぞれ取付けられている。反射体４２としては、例えば、ヘッド部３０ａから入射する測定光を正確に逆の方向、すなわち、ヘッド部３０ａ側に反射することが可能なもの、例えばレトロリフレクタ（逆反射器）が用いられる。位置決め装置１’は、異なる２点以上でステージ４０ｄとステージ４０ｅとの間の距離測定を行うことによって、ステージ４０ｅの傾斜を測定することができる。したがって、位置決め装置１’は、光線が遮断されても反射体４２を基準面まで戻すことなく高精度で測定対象４０までの距離を測定し、測定した測定対象４０までの距離を用いて測定対象４０の姿勢を制御することが可能となる。

具体的に、位置決め装置１’は、ステージ４０ｅに取り付けられた反射体４２ａと反射体４２ｂとの距離（Ｌｘ）、ヘッド部３０ａと反射体４２ａとの距離Ｌ１及びヘッド部３０ｂと反射体４２ｂとの距離Ｌ２に基づいて、ステージ４０ｅの傾斜角αを求めることができる。同様に、位置決め装置１’は、反射体４２ｂと反射体４２ｃとの距離（Ｌｙ）、ヘッド部３０ｂと反射体４２ｂとの距離Ｌ２及びヘッド部３０ｃと反射体４２ｃとの距離Ｌ３に基づいて、ステージ４０ｅの傾斜角βを求めることができる。したがって、位置決め装置１’は、信号処理部６０により求めたステージ４０ｅの傾斜角αやステージ４０ｅの傾斜角βを用いて、制御部７０によりステージ４０ｅの姿勢を制御することが可能となる。

また、位置決め装置１’は、例えば図１４に示す構成を用いることにより、測定対象４０の回転角を測定することができる。位置決め装置１’において、測定の基準となるステージ４０ｆは、例えば、ヘッド部３０ｄ、３０ｅのように２以上のヘッド部を搭載している。測定対象となるステージ４０ｇには、反射体４２としての反射体４２ｄ、４２ｅが、ステージ４０ｇの角であってステージ４０ｆと対向する部位にそれぞれ取り付けられている。ヘッド部３０ｄは、反射体４２ｄに測定光を照射するとともに反射体４２ｄから戻される測定光を入射する。また、ヘッド部３０ｅは、反射体４２ｅに測定光を照射するとともに反射体４２ｅから戻される測定光を入射する。

位置決め装置１’は、ヘッド部３０ｄと反射体４２ｄとの間の距離（Ｌ１）及びヘッド部３０ｅと反射体４２ｅとの間の距離（Ｌ２）を測定し、距離Ｌ１及び距離Ｌ２と、ヘッド部３０ｃ及びヘッド部３０ｄから出射される測定光の間隔（Ｌｙ）とに基づいて、ステージ４０ｇの回転角θを求めることができる。したがって、位置決め装置１’は、信号処理部６０により求めたステージ４０ｇの回転角θを用いて、制御部７０によりステージ４０ｇの姿勢を制御することが可能となる。なお、図１４において、ヘッド部３０ｃ及びヘッド部３０ｄから出射される測定光の間隔（Ｌｙ）は、予め求めておくものとする。

以上説明したように、位置決め装置１‘は、光線が遮られた場合でも原点復帰することなく信号処理部６０によりに測定対象までの絶対距離を高精度に測定し、制御部７０が絶対距離に応じてアクチュエータ５０を制御することにより測定対象４０の位置を変化させることが可能となる。

＜変形例＞
なお、本実施形態に係る位置決め装置１は、上述した例に限定されるものではなく例えば、図１５に示す位置決め装置１”のように、ヘッド部３０と検出部２０とを一体化してもよい。また、位置決め装置１は、図１６及び図１７に示す位置決め装置１”’のように、光源１０として１台の光周波数コム発生器を用いるようにしてもよい。

図１５に示す位置決め装置１”は、ヘッド部３０が、図２に示す偏光子２２ａ、２２ｂと、基準光検出器２３ａと、測定光検出器２３ｂと、参照面３１とを内部に備えている。また、位置決め装置１”は、偏光ビームスプリッタ２１ａと、ビームスプリッタ２１ｂと、１／４波長板（λ／４板）３４ａ，３４ｂとを備えている。

ビームスプリッタ２１ｂは、光源１０から出射された測定光と参照光との干渉光を偏光子２２ａに向かう光と、偏光ビームスプリッタ２１ａに向かう光とに分岐する。偏光ビームスプリッタ２１ａは、ビームスプリッタ２１ｂから入射された測定光と参照光との干渉光を、１／４波長板３４ａに向かう参照光と、１／４波長板３４ｂに向かう測定光とに分岐する。また、偏光ビームスプリッタ２１ａは、１／４波長板３４ｂを介して参照面３１から戻された参照光を偏光子２２ｂに入射するとともに、１／４波長板３４ａを介して反射体４２から戻された測定光を偏光子２２ｂに入射する。

また、図１６及び図１７に示すように、位置決め装置１”’は、１台の光周波数コム発生器を用いる場合、波長分割機能を有する光検出器を備える。位置決め装置１”’は、１台の光周波数コム発生器を用いる場合には、光周波数コムの全ての周波数成分の干渉信号が同じ周波数になるため、光検出の際に波長分割することにより、光周波数コムの各モードの位相情報を分離する。光周波数コム発生器が１台の場合、１つの光周波数コムが、測定光と参照光とを兼ねる。なお、図１６及び図１７に示す位置決め装置１”’において、上述した位置決め装置１と同一の構成については同一の符号を付して詳細の説明を省略する。

図１６に示す位置決め装置１”’は、検出部２０が、それぞれ２個の分光器２５ａ，２５ｂと、光検出器アレイ２６ａ，２６ｂを備える。また、位置決め装置１”’は、ビームスプリッタ２１と参照面３１との間に１／８波長板（λ／８板）３４を備え、光周波数コム発生器１２からの光周波数コム出力の偏光を１／８波長板３４の結晶軸に一致した成分と直交した成分を持つように調整しておく。１／８波長板３４は、ビームスプリッタ２１から入射された参照光の一方の偏光成分に往復で１／４波長の位相シフトを与える。さらに、検出部２０は、１／８波長板３４により１／４波長の位相シフトされた成分の干渉光を分離する偏光ビームスプリッタ２４を備え、偏光ビームスプリッタ２４により分離した干渉光Ｐ_ｃａ，Ｐ_ｃｂを分光器２５ａと分光器２５ｂに入射する。検出部２０は、分光器２５ｂにより干渉光Ｐ_ｃａに含まれる光スペクトルを分離して光検出器アレイ２６ａで検出するとともに、分光器２５ｂにより干渉光Ｐ_ｃｂに含まれる光スペクトルを分離して光検出器アレイ２６ｂで検出する。

信号処理部６０は、信号処理部６０ａにより光検出器アレイ２６ａによる検出出力に基づいて、干渉光Ｐ_ｃａのａ_ｎｃｏｓθｎ成分の電圧を算出するとともに、信号処理部６０ｂにより光検出器アレイ２６ｂによる検出出力に基づいて、干渉光Ｐ_ｃｂのａ_ｎｓｉｎθｎ成分の電圧を算出する。信号処理部６０は、算出した干渉信号のｓｉｎ成分とｃｏｓ成分との電圧から距離を求める。このように、位置決め装置１”’は、干渉信号のｓｉｎ成分とｃｏｓ成分の電圧を計測することにより、位相と振幅を測定し、絶対距離を求めることができる。

また、図１７に示す位置決め装置１”’は、ビームスプリッタ２１と参照面３１との間に、発振器３７の出力により動作する周波数シフタ３６を備える。図１７に示す位置決め装置１”’は、周波数シフタ３６が、ビームスプリッタ２１から参照面３１に向けて出射された参照光の周波数をシフトしてビームスプリッタ２１に戻す。図１７に示す位置決め装置１”’は、ビームスプリッタ２１と参照面３１との間に周波数シフタ３６を挿入することにより、光検出器アレイ２６で観測される干渉信号の周波数シフトがｆａとなるため、信号処理部６０での信号処理による位相比較が行いやすくなる。また、図１７に示す位置決め装置１”’は、交流成分を観測しているので、１モードあたり１個の検出器で干渉信号の位相と振幅を測定することができる。

１ 位置決め装置、１０ 光源、１２，１３ 光周波数コム発生器、１４，１５，１６ 発振器、１７ 周波数シフタ、２０ 検出部、２３ａ 基準光検出器、２３ｂ 測定光検出器、３０ ヘッド部、３１ 参照面、４０ 測定対象、４２ 反射体、５０ アクチュエータ、６０ 信号処理部、７０ 制御部、９０ 分波器

Claims (8)

1. 互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する光源と、
   上記光源から出射された測定光を、測定対象に取り付けられ該測定光を反射する反射体に照射するヘッド部と、
   上記光源から出射された参照光が入射される参照面と、
   上記反射体で反射され上記ヘッド部を介して戻された測定光と、上記参照面から戻された参照光との干渉光に基づく干渉信号を検出する検出部と、
   上記検出部により検出した干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記反射体までの距離を求める信号処理部と、
   上記測定対象の位置を変化させるアクチュエータと、
   上記信号処理部で求めた距離に応じて上記アクチュエータを制御する制御部と
   を備える位置決め装置。
2. 上記光源は、
   第１の発振器により、第１の変調周波数の変調信号でレーザ光を変調して上記測定光としての光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生器と、
   周波数をシフトする周波数シフタと、
   第２の発振器により、上記周波数シフタで周波数シフトしたレーザ光を上記第１の変調周波数とは異なる第２の変調周波数の変調信号で変調することにより、上記第１の光周波数コムとはモード周波数間隔が異なる上記参照光としての光周波数コムを生成する第２の光周波数コム発生器とを有し、
   上記検出部は、
   上記参照面から戻された参照光と上記測定対象から戻された測定光との第１の干渉光に基づく第１の干渉信号を検出する測定光検出器と、
   上記光源から出射された参照光と上記光源から出射された測定光との第２の干渉光に基づく第２の干渉信号を検出する基準光検出器とを有し、
   上記信号処理部は、上記測定光検出器で検出した第１の干渉信号と上記基準光検出器で検出した第２の干渉信号とに基づく時間差を検出し、該時間差と光速と測定波長における屈折率とに基づいて上記参照面までの距離と上記反射体までの距離との差を求めることで、該反射体までの距離を求める請求項１記載の位置決め装置。
3. 上記第１の発振器及び上記第２の発振器は、複数の変調周波数に切り替えられ、
   上記信号処理部は、複数の変調周波数で上記測定光検出器により検出した上記第１の干渉信号と上記基準光検出器により検出した第２の干渉信号とに基づいて、上記反射体までの距離を求める請求項２記載の位置決め装置。
4. 上記信号処理部は、上記基準光検出器で検出した第１の干渉信号と上記基準光検出器で検出した第２の干渉信号との時間差による上記反射体までの距離を求めるとともに、キャリア周波数成分の位相による変位測定を行う請求項３記載の位置決め装置。
5. 上記測定光検出器は、上記反射体へ入射される測定光が遮光した状態で、遮光時の上記第１の干渉信号を検出し、
   上記信号処理部は、上記測定光検出器により検出した上記遮光時の第１の干渉信号と、上記基準光検出器により検出した第２の干渉信号とに基づいて、上記反射体までの距離を求める請求項２乃至４のうちいずれか１項に記載の位置決め装置。
6. 互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する光源と、
   上記光源から出射された上記参照光及び上記測定光を複数の出力チャネルに分波する分波器と、
   上記分波器で分波された測定光を、測定対象に取り付けられ該測定光を反射する複数の反射体に対して上記出力チャネルごとに照射する複数のヘッド部と、
   上記分波器で分波された参照光が出力チャネルごとに入射される複数の参照面と、
   上記反射体で反射され上記ヘッド部を介して戻された各測定光と該測定光に対応する上記参照面で反射された各参照光との各干渉光に基づく干渉信号を検出する複数の検出部と、
   上記複数の検出部で検出した各干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記反射体までの距離を検出し、該距離と上記反射体間の距離とから測定対象の傾斜又は回転角を検出する信号処理部と、
   上記測定対象の位置を変化させるアクチュエータと、
   上記信号処理部で検出した距離、傾斜角及び回転角のうちいずれか１つに応じて上記アクチュエータを制御する制御部と
   を備える位置決め装置。
7. 光源が、互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する出射ステップと、
   ヘッド部が、上記光源から出射された測定光を、測定対象に取り付けられ該測定光を反射する反射体に照射する照射ステップと、
   検出部が、上記反射体で反射され上記ヘッド部を介して戻された測定光と、上記光源から出射された参照光が入射される参照面から戻された参照光との干渉光に基づく干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、
   信号処理部が、上記検出部により検出した干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記反射体までの距離を求める距離算出ステップと、
   制御部が、上記信号処理部で求めた距離に応じて、上記測定対象の位置を変化させるアクチュエータを制御する制御ステップと
   を有する位置決め方法。
8. 光源が、互いに位相同期され干渉性のある参照光としての光周波数コムと、測定光としての光周波数コムとを出射する出射ステップと、
   分波器が、上記光源から出射された上記参照光及び上記測定光を複数の出力チャネルに分波する分波ステップと、
   複数のヘッド部が、上記分波器で分波された測定光を、測定対象に取り付けられ該測定光を反射する複数の反射体に対して上記出力チャネルごとに照射する照射ステップと、
   複数の検出部が、上記反射体で反射され上記ヘッド部を介して戻された各測定光と、上記分波器で分波された参照光が出力チャネルごとに入射される複数の参照面で反射された該測定光に対応する参照光との各干渉光に基づく干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、
   信号処理部が、上記複数の検出部で検出した各干渉信号に基づいて、上記参照面までの距離を基準にした上記反射体までの距離を求め、該距離と上記反射体間の距離とから測定対象の傾斜又は回転角を求める傾斜・回転角検出ステップと、
   制御部が、上記信号処理部で求めた距離、傾斜角及び回転角のうち少なくともいずれか１つに応じて上記測定対象の位置を変化させるアクチュエータを制御する制御ステップと
   を有する位置決め方法。

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