JP2011220890A - ヘテロダイン干渉変位計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ低価格で高効率なヘテロダイン干渉変位計測装置を提供する。
【解決手段】レーザ光束を一定速度で回転させる回折格子に照射し、互いに異なる次数を有し、かつ、第一の周波数差を有する２つの回折光束を生成し、得られた前記２つの回折光束を同一方向に同軸、かつ、偏光面が互いに直交するような合成光を生成し出力することで、所謂２周波レーザ光源に相当する機能を実現する部分と、前記合成光束を第一の周波数差のままで干渉させて第一の周波数差信号を生成する第１の干渉光学系と、光路長差が零近傍になるように構成された干渉光学系に入射させ、被計測物の変位量に応じて第二の周波数差を有する２つの光束を生成し、それらを干渉させることで第二の周波数差信号を生成し、第１周波数差信号と前記基準周波数差信号との差の情報から前記被計測物の前記変位に関する情報を算出し出力する手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに偏光状態と波長（周波数）が異なる２周波光源を用いたヘテロダイン干渉変位計測装置に関する。

近年機械ステージの相対変位をサブミクロンオーダーの分解能で計測する装置として、格子干渉型エンコーダを用いたヘテロダイン干渉変位計測装置が用いられている。特許文献１には、電気光学変調器（ＥＯＭ）を用いたヘテロダイン干渉変位計測装置であって、段差計測に用いられる構成が開示されている。また特許文献２には、ヘテロダイン干渉計測装置を格子干渉計として適用した構成が開示されている。

特開平０１−１５６６２８号公報 特許第３１８５３７３号

しかしながら、電気光学変調器は高価であり、一定の割合で高精度に電圧を変化させる必要があり特殊な駆動回路が必要になる。また電気光学変調器に用いられる材料は、周囲の環境に敏感である。このため、安価なヘテロダイン型の干渉計測装置やエンコーダには適用困難である。

本発明は、小型かつ低価格で高効率なヘテロダイン干渉変位計測装置を提供する。

本発明の一側面としてのヘテロダイン干渉変位計測装置は、光束を射出する光源と、一定速度で回転可能な回転部材に形成された回折格子と、前記光源から前記回折格子に照射することで得られる互いに異なる次数を有し、かつ、第一の周波数差を有する２つの回折光束を生成する光学系と、前記２つの回折光束を同一方向に同軸、かつ、偏光面が互いに直交した合成光束を生成する偏光ビームスプリッタと、前記合成光束を第一の周波数差のままで干渉させて第一の周波数差信号を生成する第一の干渉光学系と、前記合成光束を入射させることで、被計測物の変位量に応じて第二の周波数差を有する２つの光束に変換し、該２つの光束を干渉させて第二の周波数差信号を生成する第二の干渉光学系と、前記第一の周波数差信号と前記第二の周波数差信号との差の情報から前記被計測物の前記変位量に関する情報を算出し出力する手段とを有する。

本発明の他の側面としてのヘテロダイン干渉変位計測装置は、光束を射出する光源と、一定速度で回転可能な回転部材に形成された回折格子と、前記光源から前記回折格子に照射することで得られる互いに異なる次数を有し、かつ、第一の周波数差を有する２つの回折光束を生成する光学系と、前記２つの回折光束を同一方向に同軸、かつ、偏光面が互いに直交した合成光束を生成する偏光ビームスプリッタと、前記合成光束を入射させることで、被計測物の変位量に応じて第二の周波数差を有する２つの第一光束に変換し、該第一光束を干渉させて第二の周波数差信号を生成するとともに、第三の周波数差を有する２つの第二光束に変換し、該第二光束を干渉させて第三の周波数差信号を生成する第二の干渉光学系と、前記第二周波数差信号と前記第三周波数差信号との差の情報から前記被計測物の前記変位量に関する情報を算出し出力する手段とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、小型かつ低価格で高効率なヘテロダイン干渉変位計測装置を提供することができる。

実施例１におけるヘテロダイン干渉変位計測装置の構成図である。 実施例２におけるヘテロダイン干渉変位計測装置の構成図である。 実施例３におけるヘテロダイン干渉変位計測装置の構成図である。 実施例４におけるヘテロダイン干渉変位計測装置の構成図である。 実施例５における２周波光源の構成図である。 実施例６における２周波光源の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本発明の実施例１におけるヘテロダイン干渉変位計測装置について説明する。図１は、本実施例におけるヘテロダイン干渉変位計測装置の構成図である。本実施例のヘテロダイン干渉変位計測装置は、２周波光源部ＬＳ１、格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ１、および、偏波面保持ファイバＰＭＦを備えて構成される。２周波光源部ＬＳ１は、回転ディスク上の回折格子へ単色光の光束を照射し±１次回折させることで周波数ずれを付与し、２つの回折光の偏光面を互いに直交させる。格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ１は、２周波光源部ＬＳ１からの光束を偏波面保持ファイバＰＭＦを介して入射し、２周波光源部ＬＳ１の周波数差にスケールの移動による周波数ずれ（位相ずれ）を付与された周期信号を得る。

レーザ光源ＬＡＳＥＲ（光源）から射出した（４５°方位の直線偏光の）平行光束（周波数ν０）は、一定速度で回転している（回転可能な）回転部材としての回転ディスクＤＩＳＫ（回折格子ディスク）に入射する。回転ディスクＤＩＳＫには、回折格子ＧＴ０が形成されている。不図示の光学系は、レーザ光源ＬＡＳＥＲから回折格子ＧＴ０に照射することで得られる互いに異なる次数を有し、かつ、所定の基準周波数差（第一の周波数差）を有する２つの回折光束（±１次回折光）を生成する。

この２つの回折光束（±１次回折光）は、平行ミラーＭ０１、Ｍ０２にて反射され、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０（偏光プリズム）に入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳ０からは２つの同軸に合成された合成光束が射出されるが、本実施例では、図１の上側に射出した光束を使用するものとする。図１の上側に射出した光束のうち、周波数ν１の＋１次回折光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０で反射された０度方位の直線偏光光束である。一方、周波数ν２の−１次回折光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０を透過した９０度方位の直線偏光光束である。このように、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０は、２つの回折光束（±１次回折光）を同一方向に同軸、かつ、偏光面が互いに直交した合成光束を生成する。

回転ディスクＤＩＳＫが１秒間に格子線がＮ本移動するような回転速度であれば、元の光の周波数をν０とすると、＋１次回折光ν１の周波数は ν０＋Ｎ、−１次回折光の周波数ν２はν０−Ｎとなる。例えば、回転ディスクＤＩＳＫの放射状回折格子トラックの半径を９．２ｍｍとし、１周の格子本数を２０２５０本、回転速度を１００００ＲＰＭとすると、Ｎ＝３３７５０００となる。よって、＋１次回折光の周波数ν１はν０＋３３．７５ＭＨｚ、−１次回折光の周波数ν２はν０−３３．７５ＭＨｚとなる。なお、周波数ν０は元のレーザ光源ＬＡＳＥＲの周波数であり、例えば波長８５０ｎｍのレーザ光源ＬＡＳＥＲであれば、周波数ν０は以下の式（１）のように求められる。

ν０＝２９９７９２４５８／（８５０×１０^−９）
＝３５２．６ＴＨｚ … （１）
レーザ光源ＬＡＳＥＲの周波数ν０に揺らぎがあると、それに応じて２周波光束の周波数ν１、ν２も変動する。また、±１次回折光の周波数差６７．５ＭＨｚは、回転ディスクの回転速度変動や回折格子の描画誤差の影響を受けて変動する。このため、２周波光源部ＬＳ１からの光束を光路長差のある干渉計（例えば、マイケルソン干渉測長装置）に適用する場合には、周波数ν０の変動の少ない光源（例えば、波長安定型ＨｅＮｅレーザ）を使用することが望ましい。更に、回転ディスクの回転速度変動や回折格子の描画誤差の少ないものを使用することが望ましい。

しかし、格子干渉型エンコーダの場合には、光学設計事項として±１次回折光の光路長差を零またはその付近に設定可能であるため、原理的に周波数ν０の変動の影響を受けない。また、回転ディスクの変動が生じて周波数ν１、ν２が変動した場合でも、常に周波数ν１、ν２の差を基準の周波数として使用するため、誤差にはならない（光路長差がある干渉計の場合には、周波数ν１、ν２の時間当たりの変動分が誤差になる。）。このように、回転ディスクＤＩＳＫからの±１次回折光から２周波光束を得て、格子干渉型エンコーダに適用することが可能である。

＋１次回折光（周波数ν１）および−１次回折光（周波数ν２）の２光束は同軸に重なり合い、互いの偏光面が直交している。これらの光束はレンズＬＮＳ１にて集光され、偏波面保持ファイバＰＭＦの偏光軸（ｆ軸、ｓ軸）に合わせて導光される。そして、偏波面保持ファイバＰＭＦの反対の端面から同軸に重なり合い、互いの偏光面が直交した発散光束として射出される。なお、特に偏波面保持ファイバＰＭＦを中継しなくてもエンコーダ光学系としては成立する。このため、偏波面保持ファイバＰＭＦとその前後のレンズＬＮＳ１、ＬＮＳ２を省略してもよい。図１では、一例として、周波数ν１の光束は偏波面保持ファイバＰＭＦのｆ軸に合わせて伝送され、周波数ν２の光束は偏波面保持ファイバＰＭＦのｓ軸に合わせて伝送されている。

次に、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０にて下側に射出した光束を考える。図１の下側に射出した光束のうち、＋１次回折光ν１は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０を透過しているため９０度方位の直線偏光光束である。一方、−１次回折光ν２は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０を反射しているため９０度方位の直線偏光光束である。これらの２光束は同軸に重なり合い、互いの偏光面が直交している。また、これらの２光束は、４５°方位の偏光板ＰＯＬ０を透過し４５°方位の偏光成分を選択することで、両者の偏光面が一致して干渉現象を起こす。なお、これらの２光束の光路長は互いに等しくなるように設定されている。干渉光の周波数はν１−ν２（２つの回折光束の第一の周波数差）であり、周波数ν１−ν２は２周波光源の基準周波数信号（第一の周波数差信号）として利用される。このように本実施例では、合成光束を第一の周波数差のままで干渉させて第一の周波数差信号を生成する第一の干渉光学系が設けられている。

２周波光源部ＬＳ１から出力された同軸２光束は、偏波面保持ファイバＰＭＦから発散光束として射出される。この発散光束は、コリメータレンズＬＮＳ２にて平行光束に変換され、スケール上の回折格子ＧＴ（格子ピッチＰ１）に照明される。回折格子ＧＴ（スケール）は、被計測物の変位量に応じて移動する。回折格子ＧＴで発生した周波数ν１（＋１）、ν２（＋１）の＋１次回折光は平行ミラーＭ１にて反射され、更に偏光ビームスプリッタＰＢＳで０度方位直線の偏光成分のみ反射されるとき周波数ν１（＋１）の光束のみになっている。一方、回折格子ＧＴで発生した周波数ν１（−１）、ν２（−１）の−１次回折光は平行ミラーＭ２にて反射され、更に偏光ビームスプリッタＰＢＳで９０度直線の偏光成分のみ透過されるとき周波数ν２（−１）の光束のみになっている。これらの２光束は、互いに偏光方位が直交し、同軸で進行する。

更に、偏光板ＰＯＬ１によって４５°方位の偏光成分を選択することで、両者の偏光面が一致して干渉現象を生じさせる。この干渉信号は、周波数ν１（＋１）−ν２（−１）（被計測物の変位に応じた第二の周波数差）を有する変調周波数信号（第二の周波数差信号）である。すなわち、スケール上の回折格子ＧＴからの＋１次回折光の周波数ν１（＋１）＝ν１＋Δν、−１次回折光の周波数ν２（−１）＝ν２−Δνとなる。ここでΔνは、１秒間にスケールがＭ本移動したとき、Δν＝Ｍで表される。このため、４５°の偏光板を介して受光素子ＰＤ１で受光すると、以下の式（２）で表される周波数を有する正弦波状の周期信号が得られる。

ν１（＋１）−ν２（−１）＝ν１−ν２＋２Δν … （２）
２周波光源部ＬＳ１の構成例において、上記の周波数は、以下の式（３）のように求められる。

ν１（＋１）−ν２（−１）＝（ν０＋３３．７５ＭＨｚ）−（ν０−３３．７５ＭＨｚ）＋２Δｆ
＝６７．５ＭＨｚ＋２Δν … （３）
なお、前述の基準周波数信号（基準周波数差）は、以下の式（４）のように求められる。

ν１−ν２＝（ν０＋３３．７５ＭＨｚ）−（ν０−３３．７５ＭＨｚ）
＝６７．５ＭＨｚ … （４）
なお、光学系の受光素子ＰＤ０までの光路長は、格子干渉計の受光部ＰＤ１までの光路長と揃える必要がある。

本実施例において、格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ１は、合成光束を入射させることで、被計測物の変位に応じて第二の周波数差を有する２つの光束に変換し、これら２つの光束を干渉させて第二の周波数差信号を生成する第二の干渉光学系である。また本実施例では、第一の周波数差信号と第二の周波数差信号との差の情報から被計測物の変位量に関する情報を算出し出力する手段（不図示）を備える。この手段（算出手段）により、これら２つの周期信号の周波数を比較または差分（２Δν）を演算し、位相変化（２Ｍ）に変換すれば、被計測物（回折格子ＧＴ）の変位量と方位に関する情報が得られる。すなわち、位相が＋４π変化していれば、スケール上の格子が＋側へ１本分移動したことになる。本実施例のヘテロダイン干渉変位計測装置によれば、通常の（ホモダイン型）格子干渉型エンコーダの場合と同様に、符号を得ることが可能であり、かつ、内挿して高分解能な計測も可能となる。

以上のとおり、回転ディスクＤＩＳＫを用いた２周波光源部ＬＳ１と光路長差が零の格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ１とを組み合わせることで、高精度なヘテロダイン干渉変位計測装置を実現することができる。本実施例のヘテロダイン干渉変位計測装置には、特別な電気回路や材料やモジュールが必要とされず、小型かつ安価である。そして、光路長差が零付近で使用されるため、２周波光源の周波数安定性を特に必要としなくても十分な精度と安定性を備える。

一般的に、音響光学変調器において、入力光に対する出力光は、６３０ｎｍ帯域のＩｎＰ等の材料を用いたもので５０％程度である。これに対して、本実施例では、回転回折格子の断面形状が凹凸状であるラメラ位相格子を利用するため、±１次回折光はそれぞれ４０％程度確保でき、合計で８０％の効率となる。よって、音響光学変調器や電気光学変調器を用いた２周波光源と比較して、２周波光束を生成する光学系に起因する損失が少なく効果的である。

次に、本発明の実施例２におけるヘテロダイン干渉変位計測装置について説明する。図２は、本実施例におけるヘテロダイン干渉変位計測装置の構成図である。本実施例では、２周波光源部ＬＳ２および格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ２が用いられている点で、実施例１の構成とは異なる。

レーザ光源ＬＡＳＥＲ（光源）からの４５°偏光方位の直線偏光平行光束を、回転ディスクＤＩＳＫの放射状の回折格子ＧＴ０の点Ｐ１に照明し、２つの回折光（周波数ν１、ν２）を発生させる。周波数ν１の＋１次回折光は−２２．５度だけ光学軸をずらした１／２波長板ＨＷＰ１を透過し、０度方位の直線偏光光束に変換され、平行ミラーＭ０１にて反射される。一方、周波数ν２の−１次回折光は＋２２．５度だけ光学軸をずらした１／２波長板ＨＷＰ２を透過し、９０度方位の直線偏光光束に変換され、平行ミラーＭ０２にて反射される。これらの回折光は、最終的に、互いに直交した直線偏光光束の状態にされ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０に入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳ０において、９０度方位の直線偏光光束は透過し、０度方位の直線偏光光束は反射するため、同軸に合成された光束を１００％上側から射出させることができる。ただし、本実施例では、実施例１のような基準周波数信号はこのままでは得られない。

周波数ν１、ν２を有する同軸の２周波光束（合成光束）は、実施例１と同様に、偏波面保持ファイバＰＭＦを経由してスケール上の回折格子ＧＴに照明される。回折格子ＧＴにて発生した周波数ν１（＋１）、ν２（＋１）の＋１次回折光は、平行ミラーＭ１にて反射される。更に、＋１次回折光が偏光ビームスプリッタＰＢＳで０度直線の偏光光束として反射されるとき、周波数ν１（＋１）のみの光束となっている。回折格子ＧＴにて発生した周波数ν１（−１）、ν２（−１）の−１次回折光は、平行ミラーＭ２にて反射される。更に、−１次回折光が偏光ビームスプリッタＰＢＳで９０度直線の偏光光束として透過するとき、周波数ν２（−１）のみの光束となっている。これら２光束（第二の周波数差を有する２つの第一光束）は互いに偏光方位が直交し、同軸で進行する。

更に、偏光板ＰＯＬ１によって４５°方位の偏光成分を選択することで、両者の偏光面が一致し干渉現象を生じさせる。これにより得られる信号が周波数ν１（＋１）−ν２（−１）（第二の周波数差）を有する第一ヘテロダイン周波数信号である。この信号は受光素子ＰＤ１から出力され、回折格子ＧＴを有するスケールが図２中の矢印方向（上方向）に移動したとき周波数が上昇する。このように、格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ２は、合成光束を入射させることで、被計測物の変位に応じて第二の周波数差を有する２つの第一光束に変換し、これらの第一光束を干渉させて第二の周波数差信号を生成する第二の干渉光学系である。

また、回折格子ＧＴにて発生した周波数ν１（＋１）、ν２（＋１）の＋１次回折光は、平行ミラーＭ１にて反射される。更に、＋１次回折光が偏光ビームスプリッタＰＢＳで９０度直の線偏光成分として透過されるとき、周波数ν２（＋１）の光束のみになっている。一方、回折格子ＧＴにて発生した周波数ν１（−１）、ν２（−１）の−１次回折光は平行ミラーＭ２にて反射される。更に、−１次回折光が偏光ビームスプリッタＰＢＳで０度直線の偏光成分として反射されるとき、周波数ν１（＋１）の光束のみになっている。これら２光束（第三の周波数差を有する２つの第二光束）は互いに偏光方位が直交し、同軸で進行する。

更に、偏光板ＰＯＬ２によって４５°方位の偏光成分を選択することで、両者の偏光面が一致し干渉現象を生じさせる。この干渉信号は、周波数ν１（−１）−ν２（＋１）（第三の周波数差）の第二ヘテロダイン周波数信号である。この信号は受光素子ＰＤ２から出力され、回折格子ＧＴを有するスケールが図２中の矢印方向（上方向）に移動したとき周波数が下がる。このように、格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ２は、合成光束を入射させることで、被計測物の変位に応じて第三の周波数差を有する２つの第二光束に変換し、これらの第二光束を干渉させて第三の周波数差信号を生成する第二の干渉光学系である。

受光素子ＰＤ１、ＰＤ２から出力される信号は、仮想としてのν１−ν２の基準信号周波数を中心に逆向きに周波数（または位相）がずれたものと解釈できる。このため、不図示の算出手段により、これら２つのヘテロダイン信号の差分を取り位相変化に変換すれば、変位量と方位の情報が得られる。すなわち算出段は、第二の周波数差信号と第三の周波数信号との差の情報から被計測物の変位量に関する情報を算出し出力する手段である。但し、実施例１とは異なり、スケール上の格子が＋側へ１本分移動すれば位相差が８π変化するため、分解能が２倍になる。符号も求まり内挿も可能であることは、ヘテロダインでない通常（ホモダイン）の格子干渉型エンコーダの場合と同じである。また、受光素子ＰＤ２で得られた第二ヘテロダイン干渉光束は、実施例１では使用していないため、格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ２の光の利用効率は２倍となり優れている。

本実施例では、実施例１と比較して、更に以下の優れた性能が得られる。一般的に、偏波面保持ファイバＰＭＦをｆ軸とｓ軸にそれぞれ直線偏光光束を全般させる場合、偏波面保持ファイバＰＭＦに曲げや振動等の外乱を印加すると、ｆ軸とｓ軸の光学的光路長（実際の長さを屈折率で割った値）が不安定に変動する。このため、伝送後の光束（周波数ν１、ν２）は、入射時の周波数からずれる。そこで、実施例１のエンコーダの光束伝送部に偏波面保持ファイバＰＭＦを適用する場合には、外乱を印加しないような工夫が必要となる。従って、実施例１では伝送路にミラーを用いる。それに対して、本実施例では、偏波面保持ファイバＰＭＦの伝播後の２周波光束（周波数ν１’、ν２’）とすると、受光素子ＰＤ１、ＰＤ２にて最終的に得られる周波数成分は共通のν１’−ν２’であるため、その差分は影響しない。すなわち、偏波面保持ファイバＰＭＦへの揺動等の外乱印加があっても測定誤差にならない。また、初期の２周波光源周波数が回転ディスクを原因として変動しても影響を受けることはない。

このように本実施例によれば、高精度で安価なヘテロダイン干渉変位計測装置を提供することができる。

次に、本発明の実施例３におけるヘテロダイン干渉変位計測装置について説明する。図３は、本実施例におけるヘテロダイン干渉変位計測装置の構成図である。本実施例は、格子干渉型エンコーダ光学系を変更し、ヘテロダイン信号受光部（受光素子ＰＤ１）を光源側に設けたものである。本実施例では、２周波光源部ＬＳ３からの光束を格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ３に入射させる際に偏波面保持ファイバで往復伝送させる。

レーザ光源ＬＡＳＥＲからの４５°偏光方位の直線偏光平行光束を、回転ディスクＤＩＳＫの放射状の回折格子ＧＴ０の点Ｐ１に照明し、２つの回折光（周波数ν１、ν２）を発生させる。周波数ν１の＋１次回折光は−２２．５度だけ光学軸をずらした１／２波長板ＨＷＰ１を透過し、０度方位の直線偏光光束となって平行ミラーＭ０１にて反射される。一方、周波数ν２の−１次回折光は＋２２．５度だけ光学軸をずらした１／２波長板ＨＷＰ２を透過し、９０度方位の直線偏光光束となって平行ミラーＭ０２にて反射される。これらの光束は、最終的に互いに直交した直線偏光光束となって偏光ビームスプリッタＰＢＳ０に入射する。

偏光ビームスプリッタＰＢＳ０では、Ｐ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射するため、同軸に合成される光束を１００％上側のみから射出させることができる。一旦、これらは非偏光ビームスプリッタＮＢＳ０を透過する。反射光束は、４５°方位の偏光板ＰＯＬ００を透過し、受光素子ＰＤ０にて基準周波数信号として検出される。

同軸の２周波光束のうち、周波数ν１の光束は偏波面保持ファイバＰＭＦのｆ軸に合わせて伝送され、周波数ν１の光束は偏波面保持ファイバＰＭＦのｓ軸に合わせて伝送される。偏波面保持ファイバＰＭＦを伝送した２光束は、レンズＬＮＳ２にて平行光束にされる。そして、２２．５°方位の１／２波長板ＨＷＰにてそれぞれ直線偏光方位を−４５°回し、ファラデー素子ＦＲにて偏光方位を更に＋４５°回転させ、スケール上の回折格子ＧＴに照明される。なお、ファラデー素子ＦＲは、結晶光学素子の一種であり、磁場を印加するとその磁場の向きと量に比例して光の偏光面を回転させること可能な光学素子である。

回折格子ＧＴにて発生した周波数ν１（＋１）の＋１次回折光は０度方位の直線偏光光束として、周波数ν２（＋１）の＋１次回折光は９０度方位の直線偏光光束としてそれぞれ平行ミラーＭ１にて反射される。更に、偏光ビームスプリッタＰＢＳで０度方位の直線偏光成分として反射されるとき、周波数ν１（＋１）の光束のみになっている。回折格子ＧＴにて発生した周波数ν１（−１）、ν２（−１）の−１次回折光は平行ミラーＭ２にて反射される。更に、−１次回折光が偏光ビームスプリッタＰＢＳで９０度方位の直線偏光成分として透過されると、周波数ν２（−１）の光束のみになっている。これら２光束は互いに偏光方位が直交し、同軸で進行し折り返しミラーＲＭにて元の光路を戻される。

偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射した周波数ν１（＋１）の光束は、ミラーＭ１を経由して、回折格子ＧＴにて更に＋１次回折すると、周波数ν１（＋１＋１）の光束となりファラデー素子ＦＲを透過する。偏光ビームスプリッタＰＢＳで透過した周波数ν２（−１）の光束は、ミラーＭ２を経由して、回折格子ＧＴにて更に−１次回折すると、光束ν２（−１−１）となってファラデー素子ＦＲを透過する。ファラデー素子ＦＲとは磁場を印加することで偏光方位を回転させる効果がある結晶光学素子で、いずれの方向に透過させても偏光方位が同じ向きに回転する性質がある。例えば、ガーネット系の材料等に永久磁石で一定の磁場を印加させて偏光方位を４５°回転させるように設定されたファラデー素子が市販されている。

ファラデー素子ＦＲでは、直線偏光の向きが＋４５°回転させられ、更に１／２波長板ＨＷＰで＋４５°回転させられる。このため、周波数ν１（＋１＋１）の光束の直線偏光の方位は９０度となり、周波数ν２（−１−１）の光束の直線偏光の方位は０°となる。１／２波長板ＨＷＰを左から右に透過したとき偏光方位は−４５°回転するため、逆向きに透過させると＋４５°の回転になる。よって、周波数ν１（＋１＋１）の光束の直線偏光の方位は偏波面保持ファイバＰＭＦのｓ軸に平行であり、周波数ν２（−１−１）の光束の直線偏光の方位は偏波面保持ファイバＰＭＦのｆ軸に平行である。往路では、周波数ν１の光束はｆ軸と平行で、周波数ν２の光束はｓ軸と平行であるため、これらは互いに入れ替わっていることになる。

偏波面保持ファイバＰＭＦを戻された２光束は、非偏光ビームスプリッタＮＢＳ０まで戻され、その一部が反射され４５°方位の偏光板ＰＯＬ０１を通過して受光素子ＰＤ１に入射する。受光素子ＰＤ１からは、周波数ν１（＋１＋１）の光束と周波数ν２（−１−１）の光束の差分であるヘテロダイン信号が得られる。このヘテロダイン信号と受光素子ＰＤ０からの基準周波数信号とを比較して位相信号に変換し、回折格子ＧＴの移動量と方位を計算し出力することができる。

また、本実施例では、実施例２と比較して、以下の優れた効果を得ることができる。一般的に偏波面保持ファイバＰＭＦをｆ軸とｓ軸にそれぞれ直線偏光光束を全般させる場合、偏波面保持ファイバＰＭＦに曲げや振動等の外乱を印加すると、ｆ軸とｓ軸の光学的光路長（実際の長さを屈折率で割った値）が不安定に変動する。このため、伝送後の光束の周波数ν１、ν２は、入射時の周波数からずれてしまう。

しかし、図３のエンコーダに光ファイバを適用する場合、偏波面保持ファイバＰＭＦを往復でかつ２光束の偏波面を互いに入れ替えて伝送している。このため、光学的光路長が等しくなり外乱による誤差は発生しない。すなわち、偏波面保持ファイバＰＭＦへの揺動等の外乱印加があっても測定誤差にならない。また、２周波光源部の周波数が回転ディスクの要因で変動した場合でも影響を受けない。

このように本実施例によれば、高精度で安価なヘテロダイン干渉変位計測装置を提供することができる。

次に、本発明の実施例４におけるヘテロダイン干渉変位計測装置について説明する。図４は、本実施例におけるヘテロダイン干渉変位計測装置の構成図である。本実施例は、光ファイバ伝送の方式と格子干渉型エンコーダ光学系の構成を変更したものである。すなわち、２周波光源部ＬＳ４からの光束を格子干渉型エンコーダ光学系ＧＩ４に入射させる際に、往路は２周波光束として偏波面保持ファイバＰＭＦで伝送させ、復路は２つの干渉光束として伝送させる。

レーザ光源ＬＡＳＥＲからの４５°偏光方位の直線偏光の平行光束を、回転ディスクＤＩＳＫの放射状の回折格子ＧＴ０の点Ｐ１に照明し、２つの回折光（周波数ν１、ν２）を発生させる。周波数ν１の＋１次回折光は−２２．５度光学軸をずらした１／２波長板ＨＷＰ１を透過させて、０度方位の直線偏光光束に変換し、平行ミラーＭ０１にて反射される。一方、周波数ν２の−１次回折光は＋２２．５度光学軸をずらした１／２波長板ＨＷＰ２を透過させて、９０度方位の直線偏光光束に変換し、平行ミラーＭ０２にて反射される。これらの回折光は、最終的に互いに直交した直線偏光光束の状態になって偏光ビームスプリッタＰＢＳ０に入射する。

偏光ビームスプリッタＰＢＳ０では、９０度方位の直線偏光は透過し、０度方位の直線偏光光束は反射する。このため、同軸に合成される光束を１００％上側から射出させることができる。一旦これらの光束は非偏光ビームスプリッタＮＢＳ０を透過する。反射光束は４５°方位の偏光板ＰＯＬ００を透過し、受光素子ＰＤ０にて基準周波数信号として検出可能であるが、必ずしも使用しなくても良い。

同軸の２周波光束（周波数ν１、ν２）は、実施例３と同様に、偏波面保持ファイバＰＭＦを経由してスケール上の回折格子ＧＴに照明される。その際、偏波面保持ファイバＰＭＦのｆ軸に周波数ν１の光束の直線偏光光束が合わされており、偏波面保持ファイバＰＭＦのｓ軸に周波数ν２の光束の直線偏光光束が合わされている。

回折格子ＧＴにて発生した＋１次回折光（周波数ν１（＋１）、ν２（＋１））は、キャッツアイＣＥＹ１にて反射され、元の光路に戻される。一方、回折格子ＧＴにて発生した−１次回折光（周波数ν１（−１）、ν２（−１））は、１／４波長板ＱＷＰを透過後、キャッツアイＣＥＹ２にて反射され、元の光路を戻される。−１次回折光は、復路でも１／４波長板ＱＷＰを透過するため、それぞれの光束の偏光方位が９０度回転している。このため、復路で偏波面保持ファイバＰＭＦに再入射する際に、周波数ν１（＋１＋１）の光束と周波数ν２（−１−１）の光束は、偏波面保持ファイバＰＭＦのｆ軸に合わされて伝送される。また、周波数ν１（−１−１）の光束と周波数ν２（＋１＋１）の光束は、偏波面保持ファイバＰＭＦのｓ軸に合わされて伝送される。このとき、これらの光束は、ｆ軸、ｓ軸のそれぞれで干渉光として強度変調された状態で伝送される。

これらの２光束は、偏波面保持ファイバＰＭＦ内では独立に伝送され外部に射出し、非偏光ビームスプリッタＮＢＳ０にて反射され、更に偏光ビームスプリッタＰＢＳ０にて偏光成分ごとに分割される。偏光ビームスプリッタＰＢＳ０の透過光は、偏波面保持ファイバＰＭＦのｓ軸を伝送してきた干渉信号である。この干渉信号の周波数は、ν１（−１−１）−ν２（＋１＋１）で表される第一のヘテロダイン信号である。第一のヘテロダイン信号は、受光素子ＰＤ１から出力され、スケールが図４中の矢印方向（上方向）に移動したときその周波数は下がる。

一方、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０の反射光は、偏波面保持ファイバＰＭＦのｆ軸を伝送してきた干渉信号である。この干渉信号の周波数は、ν１（＋１＋１）−ν２（−１−１）で表される第二のヘテロダイン信号である。第二のヘテロダイン信号は、受光素子ＰＤ２から出力され、スケールが図４中の矢印方向（上方向）に移動したときその周波数は上昇する。

このように、受光素子ＰＤ１、ＰＤ２の出力信号は、仮想としてのν１−ν２の基準信号周波数を中心に逆向きに周波数（または位相）がずれた信号であると解釈できる。このため、これら２つのヘテロダイン信号の差分を取り位相変化に変換すれば、変位量と方位の情報が得られる。スケール上の回折格子ＧＴが図４中の矢印方向（上方向）へ１本分移動すれば、位相差が１６πだけ変化するため、８周期分の正弦波信号が発生する。このとき、位相ずれの符号が求まり、内挿も可能であることは、ヘテロダインでない通常（ホモダイン）の格子干渉型エンコーダの場合と同じである。また、受光素子ＰＤ０で得られた基準周波数信号は、図４の実施例では特に使用されない。

さらに、本実施例は、実施例３と比較して、以下の優れた効果が得られる。一般的に偏波面保持ファイバＰＭＦをｆ軸とｓ軸にそれぞれ直線偏光光束を全般させる場合、偏波面保持ファイバＰＭＦに曲げや振動等の外乱を印加すると、ｆ軸とｓ軸の光学的光路長（実際の長さを屈折率で割った値）が不安定に変動する。このため、伝送後の光束の周波数ν１、ν２は、入射時の周波数からずれる。よって、図１のエンコーダに光ファイバを適用する場合には偏波面保持ファイバＰＭＦに外乱を印加しないような工夫を必要とする。

本実施例では、偏波面保持ファイバＰＭＦ伝播後の２周波光束の周波数をν１’、ν２’として置き換えて考える。このとき、復路の偏波面保持ファイバＰＭＦに再入射する時点では、２つの干渉信号成分共に周波数成分は共通のν１’−ν２’であるため、その差分は影響しない。即ち、偏波面保持ファイバＰＭＦへの揺動等の外乱印加があっても測定誤差にはならない。２周波光源の周波数が回転ディスクの要因で変動した場合でも影響しない。

このように本実施例によれば、高精度で安価なヘテロダイン干渉変位計測装置を提供することができる。

次に、本発明の実施例５における２周波光源について説明する。図５は、本実施例における２周波光源部ＬＳ５の構成図である。本実施例の２周波光源部ＬＳ５は、円筒面にリニア格子を記録したものを回転させて±１次回折させることで周波数ずれを付与する。

レーザ光源ＬＡＳＥＲからの平行光束を回転円筒体の側面の回折格子ＧＴ１（反射リニア回折格子部）に照明し、２つの回折光を発生させる。＋１次回折光は平行ミラーＭ１にて反射され、２２．５度光学軸をずらした１／２波長板ＨＷＰ１を透過させて、０度方位の直線偏光光束とする。一方、−１次回折光は平行ミラーＭ２にて反射され、−２２．５度光学軸をずらした１／２波長板ＨＷＰ２を透過させて、９０度方位の直線偏光光束とする。最終的に、これらの回折光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ０にて２つの同軸に合成された光束として射出する。なお、射出光束は円筒面反射による歪みがあるため、光ファイバに入射させて使用する場合には、トーリックレンズ等を用いて補正することが望ましい。

なお、実施例１〜４のように、放射状の回折格子ＧＴ０をディスク上に記録したものを採用し、放射格子のパターン中心と回転中心にずれ（偏芯）がある状態で回転させた場合、光束を照射している箇所の格子ピッチが変動する。このとき、回折光の射出方位が変動するため、偏芯を小さくする必要がある。しかし本実施例のように、円筒面上の回折格子ＧＴ１を使用すれば、回転中心と円筒中心にずれ（偏芯）があっても、格子ピッチは変動しないため、安定した光学系を構成することができる。

次に、本発明の実施例６における２周波光源について説明する。図６は、本実施例における２周波光源部ＬＳ６の構成図である。本実施例の２周波光源部ＬＳ６は、円筒面にリニア格子を記録したものを回転させて往復で±１次回折させることで周波数ずれを付与する。

レーザ光源ＬＡＳＥＲからの平行光束を非偏光ビームスプリッタＮＢＳ０を透過させ、回転ディスクの回折格子ＧＴ１（反射回折格子部）に照明させる。そして、回折格子ＧＴ１にて分離回折した±１次回折光を、キャッツアイＣＥＹ０１、ＣＥＹ０２にて反射させ元の光路を戻し、再度回転ディスクの回折格子ＧＴ１に照明する。更に、回折格子ＧＴ１にて合波回折した±１次回折光を元の光源側に導光し、±１次回折光を非偏光ビームスプリッタＮＢＳ０を用いて外部に取り出す。本実施例では、回転ディスクによる回折が２回行われる。このため、２周波の周波数差を２倍にすることができ、光学系全体も小さく構成できるが、光量損失が増加してしまうため、目的に応じて使用することが望ましい。

また、上記各実施例に関しては、以下の変形が可能である。回転ディスク、円筒状回折格子以外に直線状の回折格子を往復運動させる方式で２周波光源を実現してもよい。また、回折格子から±１次回折光を得て１つの同軸光束に合成する光学系として別の構成を採用することや、回折次数として±１次以外の回折光を用いることもできる。また、元の光源としてレーザ以外にスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用してもよい。また、格子干渉計エンコーダ光学系として別の光学構成を採用することもできる。また、２周波光源と格子干渉型エンコーダ光学系の中継に光ファイバを用いないように構成してもよい。また、格子干渉型エンコーダ光学系として、リニアエンコーダではなくロータリーエンコーダを用いることもできる。また、格子干渉型エンコーダを他の干渉計測装置（光路長差が零近傍である干渉光学系）に適用してもよい。

上記各実施例によれば、高精度で安価なヘテロダイン干渉変位計測装置を提供することができる。また、光源にスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を用いて格子干渉型エンコーダや微小変位干渉測長装置を構成することで、ゴースト光による干渉信号の劣化（歪の増大）を抑制することが可能になり、高精度な計測が可能になる。

上記各実施例のヘテロダイン干渉変位計測装置（２周波光源）は、ナノメートル以下の機械ステージの変位を測定する装置（産業用機械ステージ、高精度形状測定装置、顕微鏡ステージ、高精度機械加工装置、半導体露光装置、半導体製造装置等）に利用可能である。また、２周波光源は、マイケルソン干渉計やマッハツェンダー干渉計と組み合わせて、微小変位や屈折率測定等に利用可能である。

以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

ＬＡＳＥＲ：レーザ光源
ＧＴ、ＧＴ０、ＧＴ１：回折格子
ＰＢＳ０：偏光ビームスプリッタ
ＧＩ１、ＧＩ２、ＧＩ３、ＧＩ４：格子干渉型エンコーダ光学系

Claims (4)

1. 光束を射出する光源と、
   一定速度で回転可能な回転部材に形成された回折格子と、
   前記光源から前記回折格子に照射することで得られる互いに異なる次数を有し、かつ、第一の周波数差を有する２つの回折光束を生成する光学系と、
   前記２つの回折光束を同一方向に同軸、かつ、偏光面が互いに直交した合成光束を生成する偏光ビームスプリッタと、
   前記合成光束を第一の周波数差のままで干渉させて第一の周波数差信号を生成する第一の干渉光学系と、
   前記合成光束を入射させることで、被計測物の変位量に応じて第二の周波数差を有する２つの光束に変換し、該２つの光束を干渉させて第二の周波数差信号を生成する第二の干渉光学系と、
   前記第一の周波数差信号と前記第二の周波数差信号との差の情報から前記被計測物の前記変位量に関する情報を算出し出力する手段と、
   を有することを特徴とするヘテロダイン干渉変位計測装置。
2. 光束を射出する光源と、
   一定速度で回転可能な回転部材に形成された回折格子と、
   前記光源から前記回折格子に照射することで得られる互いに異なる次数を有し、かつ、第一の周波数差を有する２つの回折光束を生成する光学系と、
   前記２つの回折光束を同一方向に同軸、かつ、偏光面が互いに直交した合成光束を生成する偏光ビームスプリッタと、
   前記合成光束を入射させることで、被計測物の変位量に応じて第二の周波数差を有する２つの第一光束に変換し、該第一光束を干渉させて第二の周波数差信号を生成するとともに、第三の周波数差を有する２つの第二光束に変換し、該第二光束を干渉させて第三の周波数差信号を生成する第二の干渉光学系と、
   前記第二の周波数差信号と前記第三の周波数差信号との差の情報から前記被計測物の前記変位量に関する情報を算出し出力する手段と、
   を有することを特徴とするヘテロダイン干渉変位計測装置。
3. 前記第二の干渉光学系は、格子干渉型エンコーダ光学系であることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロダイン干渉変位計測装置。
4. 前記第二の干渉光学系は、マイケルソン干渉計であることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロダイン干渉変位計測装置。