JP2015017943A - 変位計測装置及び変位計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出レンジが狭くなることを抑えるとともに、光の利用効率の低下を抑えることができる変位計測装置及び変位計測方法を提供すること。
【解決手段】変位計測装置１００は、光源１２、コリメータレンズ１４、回折格子対２０、光センサユニットであるＰＤ３１を備える。回折格子対２０は、透過型の、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２によって構成される。回折格子対２０のｘ方向の相対移動に応じた、回折格子対２０によって生成される干渉光２７の周期的な受光量の変化が、ＰＤ３１により検出される。回折格子対２０のｚ方向の相対移動による干渉光の減衰が起こらないので、検出レンジの狭小化を抑え、また、透過型の回折格子対２０が用いられることにより、光の利用効率の低下を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光干渉を利用した変位計測装置及び変位計測方法に関する。

例えば特許文献１には、光干渉を利用した変位計測装置が開示されている。この変位計測装置は、光源側から順に、レーザ光源、コリメータレンズ、第１の回折格子、第２の回折格子及び光センサを備えている。光センサは、第１の回折格子で回折された回折光（例えば１次）と、第１の回折格子を直進した０次光が第２の回折光で回折されて発生する回折光（例えば１次）との干渉光を検出する。この変位計測装置は、光センサで検出される干渉光の明暗による光量の変化に基づき、第１及び第２の回折格子の距離の変化、つまり計測対象となる変位を計測する（例えば、特許文献１の明細書段落［００２０］、［００２３］、［００２７］、図１〜３等参照）。

特許文献２に記載の距離計では、レーザダイオードなどの光源からのレーザ光が透過型回折格子に入射すると、その入射光は２つのビーム（例えば透過して直進する光及び回折光）に分割される。透過型回折格子に対向して配置された反射型回折格子がそれら２つビームを反射して、再び透過型回折格子に入射して同じ光路を進むことで干渉光が発生する。フォトディテクタなどの検出手段がその干渉光を検出し、信号処理手段がその干渉光の信号に基づいて、反射型回折格子に固定された移動物体のＸ方向の変位量を計測する。また、この距離計では、各回折格子の格子面が２分割され、そのうち一方の面の格子の刻線（溝）の方向と、他方の面の格子線の刻線の方向とが直交しており、それぞれ直交するＹ及びＺの２軸方向での変位検出も可能となっている（例えば、特許文献２の明細書段落［００１７］、［００２８］、［００３２］、図１及び３等参照。）。

国際公開第２０１１／０４３３５４号パンフレット 特開２００１−３３２０９号公報

特許文献１に記載の変位計測装置は、上述したように、２つの回折格子の光軸に沿う方向における、これら回折格子の相対変位を計測する。このような変位計測装置の場合、回折格子間の距離が大きくなるほど、干渉光を構成する２つの光のそれぞれの光路差が大きくなる。光路差が大きくなると、光源が持つコヒーレンス性によって、干渉光の振幅が低下、つまり振幅が減衰する。すなわち、回折格子間の距離が大きくなるほど、検出レンジが狭くなるという問題がある。

特許文献２の距離計では、透過型及び反射型の回折格子が用いられるため、反射回数及び回折回数、つまり回折する頻度が多くなり、透過型回折格子から出射される干渉光の光量が少なくなる。したがって、光の利用効率が悪いという問題がある。

本発明の目的は、検出レンジが狭くなることを抑えるとともに、光の利用効率の低下を抑えることができる変位計測装置及び変位計測方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る変位計測装置は、光源と、回折格子対と、光センサユニットと、演算処理手段とを具備する。
前記回折格子対は、透過型であり、前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する。
前記光センサユニットは、前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子から発生したｎ次回折光（ｎは０以外の整数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出可能である。
前記演算処理手段は、前記光センサユニットで得られた信号に基づき、前記回折格子対の光軸に直交する方向における前記回折格子対の相対的な変位を算出する。

本発明に係る変位計測方法は、光源からの光線の進路に沿って配置された相対移動可能な透過型の回折格子対に、前記光源からの光が入射することにより、前記回折格子対から回折光をそれぞれ発生させることを含む。
光センサユニットにより、前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子から発生したｎ次回折光（ｎは０以外の整数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光が検出される。
前記光センサユニットで得られた信号に基づき、前記回折格子対の光軸に直交する方向における前記回折格子対の相対的な変位が算出される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。 図２は、回折格子対のｘ方向における相対的な変位量と、ＰＤで得られる電圧信号との関係を示すグラフである。 図３は、演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図４は、図１に示す光学系において、回折格子間の距離が大きくなるほど干渉光の振幅が低下する例を示す。 図５は、第２の実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図６は、第２の実施形態において、回折格子対のｘ方向における相対的な変位量と、ＰＤで得られる電圧信号との関係を示す。 図７は、本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。 図８は、第３の実施形態に係る第２の回折格子の構成を示す。 図９は、本実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図１０は、ＰＤのｙ₁受光領域及びｙ₂受光領域からそれぞれ得られる信号を示す。 図１１は、本発明の第４の実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図１２は、ＰＤで得られた波形信号と変位量との関係を示す。 図１３は、補正係数によりＰＤの各値が補正された電圧値を変位量ごとに示す。 図１４は、第４の実施形態に係る演算回路の補正部による補正の効果を検証するために用いられたステージ装置の概略構成を示す。 図１５は、補正部による補正を行わない場合と、補正部による補正を行った場合とについて、上記ステージ装置で測定した変位量の誤差を示す。 図１６は、本発明の第５の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。 図１７は、第５の実施形態に係る変位計測装置で用いられる回折格子をその光軸方向で示す図である。 図１８Ａは、回折格子対が相対的にｘ方向に移動した時の一のＰＤで得られる信号を示す。図１８Ｂは、回折格子対が相対的にｙ方向に移動した時の他のＰＤで得られる信号を示す。 図１９は、ｚ方向における回折格子対の相対的な変位量と、２つのＰＤで得られる信号に応じて正規化された明度との関係を示す。 図２０は、本発明の第６の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。 図２１は、この変位計測装置の回折格子対のうちｚ方向で見た第２の回折格子を示す。 図２２は、ｘ方向の変位量と、ｙ₁受光領域及びｙ₂受光領域で得られる各波形信号（明度に正規化したもの）との関係を示す。 図２３は、例えば図１に示した光学系を保持する保持機構を含む変位計測装置の一実施形態を示す。

上記した発明では、透過型の回折格子対が用いられるので、特許文献２に記載の透過型及び反射型の回折格子に比べ、回折の回数（頻度）を少なくすることができる。したがって、光の利用効率の低下を抑えながら、回折格子対の相対的な変位を計測することができる。

また、この変位計測装置は、回折格子対の光軸に沿う方向の変位を計測するのではなく、それとは直交する方向に回折格子対を相対的に変位させるので、原理的に干渉光の振幅の低下という問題は起こらない。したがって、検出レンジが狭くなる等の問題も解消できる。

前記回折格子対は、複数の格子線をそれぞれ有し、前記演算処理手段は、前記複数の格子線の配列方向である第１の方向に沿う前記回折格子対の前記変位を算出してもよい。光センサユニットで得られる干渉光の光量は、複数の格子線の配列方向における相対的な回折格子対の変位に応じて変化する。したがって、演算処理手段は、その配列方向における変位を算出することができる。

前記回折格子対のうち一方の回折格子は、分割されて構成される複数のシフト領域を有してもよい。また、前記複数のシフト領域は、前記第１の方向に、格子線ピッチの１／２より小さい所定距離分互いにシフトされた格子線パターンをそれぞれ有してもよい。また、前記光センサユニットは、前記複数のシフト領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有してもよい。これにより、受光領域でそれぞれ得られる信号の位相をシフトさせることができる。

前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる信号を、所定のタイミングで選択的に切り替え、選択した１つの信号を演算処理に用いてもよい。受光領域で得られる信号の波形形状によっては、変位量の変化に対する検出感度が低くなる信号領域がある。処理対象の信号を、所定のタイミングで選択的に切り替えることにより、低い検出感度の信号領域を処理対象とする必要がなくなり、計測精度が向上する。

例えば、前記演算処理手段は、検出値出力部と、切替部とを有してもよい。前記検出値出力部は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の検出値を出力する。前記切替部は、前記波形信号のうち処理対象とされた第１の波形信号の振幅ピーク値より小さい所定の検出値を検出するタイミングで、処理対象を第２の波形信号に切り替える。

前記演算処理手段は、前記第１の波形信号と前記第２の波形信号との交点での検出値、または、前記交点での検出値と同じレベルの検出値を、前記所定の検出値として処理してもよい。

前記演算処理手段は、補正データ記憶部を有し、前記補正データ記憶部は、前記光センサユニットで得られる、前記複数の格子線の格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号を補正する補正係数を記憶してもよい。補正係数により実際に計測で得られた検出値が補正されるので、回折格子対または光センサユニットなどに個体差がある場合でも、それによる計測精度の低下を抑えることができる。

前記回折格子対を構成する両回折格子は、分割されて構成される複数の格子パターン領域を有してもよい。また、前記複数の格子パターン領域は、１つの前記回折格子内で格子パターン領域ごとに異なる方向の格子線を含む格子線パターンを有し、前記光センサユニットは、前記複数の格子パターン領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有してもよい。

回折格子対のうち第１の回折格子が複数の格子パターン領域を有し、また同様に、第２の回折格子が複数の格子パターン領域を有する。そして、第１の回折格子の複数の格子パターン領域は、それぞれ異なる方向の格子線を含む格子線パターンを有し、また、第２の回折格子の格子パターン領域も、第１の回折格子の複数の格子パターン領域に対応して、それぞれ異なる方向の格子線を含む格子線パターンを有する。このような構成によれば、格子パターン領域ごとに異なる干渉光が発生する。これにより、それぞれの干渉光の検出により、演算処理手段は、それぞれ異なる方向に沿う、回折格子対の相対的な変位を計測することができる。

すなわち、前記演算処理手段は、前記複数の受光領域のうち第１の受光領域で得られた信号に基づき、前記光軸に直交する第１の方向に沿う前記回折格子対の前記変位を算出してもよい。また、前記演算処理手段は、第２の受光領域で得られた信号に基づき、前記光軸方向及び前記第１の方向の両方に直交する第２の方向に沿う前記回折格子対の前記変位を算出してもよい。

前記回折格子対のうち一方の回折格子の前記格子パターン領域は、さらに分割されて構成される複数のシフト領域を有してもよい。また、前記複数のシフト領域は、格子線ピッチの１／２より小さい所定距離分互いにシフトされた格子線パターンをそれぞれ有し、前記光センサユニットは、前記複数のシフト領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有してもよい。これにより、受光領域でそれぞれ得られる信号の位相をシフトさせることができる。

前記変位計測装置は、所定の一定のレベルで検出される、前記複数のシフト領域で得られた信号のピーク値の検出順を監視することで、前記回折格子対の相対的な移動方向の切り替わりを検出部をさらに具備してもよい。これにより、変位計測装置は、変位の正負方向の違いを判別することができる。

前記回折格子対は、前記光源からの光が入射する第１の回折格子と、前記第１の回折格子を透過した光が入射する第２の回折格子とを有してもよい。そして、前記変位計測装置は、前記光源及び前記第１の回折格子を保持する第１のホルダと、前記第２の回折格子及び前記光センサユニットを保持する第２のホルダと、前記第１のホルダ及び前記第２のホルダを、前記光軸に直交する方向に沿って相対移動可能に接続する接続部とをさらに具備してもよい。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

１．第１の実施形態
（１）変位計測装置の構成
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。

変位計測装置１００は、光源１２、コリメータレンズ１４、回折格子対２０、光センサユニットであるＰＤ（Photo Detector）３１を備える。

光源１２は、ＬＤ（Laser Diode）、あるいはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図示しないドライバにより駆動される。

コリメータレンズ１４は、光源１２から出射された光を平行光１５にする。少なくともこれら光源１２及びコリメータレンズ１４により、平行光を発生する光学系が構成される。

回折格子対２０には、光源１２及びコリメータレンズ１４からの光が入射され、回折光を出射する。回折格子対２０は、透過型の、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２によって構成される。第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２は、光源１２及びコリメータレンズ１４からの光線の進路に沿って、ここでは光源１２及びコリメータレンズ１４の光軸に沿って対向して配置されており、後述するように所定方向に相対的に移動可能となっている。

第１の回折格子２１は、入射した平行光１５を、０次光である直進光３０と、ｎ次回折光（ｎは０以外の整数）２３とに分けて進行させる。

なお、本明細書において「ｎ」の正負の符号を示さない場合は、ｎは０以外の整数を取り得、正負のうちいずれか一方のｎに着目している。また、−ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）とは、回折格子対２０の光軸（ｚ方向）に沿った軸線について、＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）と線対称となる回折光である。本実施形態では、回折光２３として、１次回折光が利用される。

第２の回折格子２２は、第１の回折格子２１から出射して第２の回折格子２２に入射した直進光３０を、さらに直進光３０（０次光）と、ｎ次回折光２５とに分けて進行させる。本実施形態では、回折光２５として、上記１次回折光２３の進路に沿って進む１次回折光が利用される。

また、第２の回折格子２２は、第１の回折格子２１から出射した１次回折光２３を、それと同方向に進行させる０次光も発生する。ここでは、説明の便宜上、第１の回折格子２１の１次回折光２３及びその進路に沿った第２の回折格子２２の０次光を、まとめて１次回折光２３と表現する。さらに、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２を経由した後に、平行光１５と同方向に進行する０次光をまとめて直進光３０と表現している。

まとめると、回折光２３及び２５の構成は以下のようになる。

回折光２３：回折格子２１の１次回折光と回折格子２２の０次光
回折光２５：回折格子２１の０次光と回折格子２２の１次回折光

第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２で発生した各回折光のうち、第１の回折格子２１による１次回折光２３の進路に沿う少なくとも一組の回折光の干渉光２７が、この回折格子対２０から発生する。例えば、第１の回折格子２１による１次回折光２３と、直進光３０が第２の回折格子２２に入射して発生する１次回折光２５とが干渉して干渉光２７が発生する。

なお、本実施形態では、０次光及び１次回折光を利用することとしているが、他の所定次数の回折光を利用して、変位の計測が行われてもよい。また、実際には、図１に示す以外にも多数の回折光が存在するが、以下の説明を容易にするため、図示を省略している。

第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２は、実質的に同じ形状及び同じサイズを有する。例えば、回折格子２１（及び２２）は、図１において、ｚ方向に直交するｙ方向に沿った溝である複数の格子線２１ａ（及び２２ａ）を有する。第１の回折格子２１の格子線２１ａのピッチＰと、第２の回折格子２１の格子線２２ａのピッチＰとは実質的に同じに形成されている。格子線２１ａ及び２２ａの例として、ピッチＰが３．３μmであり、溝深さが４７３μmである。もちろん、これらの値に限られない。

本実施形態に係る変位計測装置１００は、格子線２１ａ及び２２ａの配列方向（第１の方向）であるｘ方向における、回折格子対２０の相対的な変位Δｘを計測対象としている。計測可能範囲は、例えばサブマイクロメートル〜マイクロメートルオーダの変位である。

本明細書では、ｚ方向に直交する２軸をｘ、ｙ軸と定めている。上述したように、各回折格子の格子線２１ａ及び２２ａに沿う方向をｙ方向（第２の方向）とし、格子線２１ａ及び２２ａの配列方向をｘ方向（第１の方向）としている。

後述するように、少なくとも、第２の回折格子２２とＰＤ３１とは一体的に保持され、第１の回折格子２１に対して、ｘ方向に一体的に移動可能とされている。

演算処理手段として主に機能する演算回路４０は、ＰＤ３１で得られる信号に基づいて、所定の演算処理を行うことで、変位Δｘを算出する。演算回路４０は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアを主に備える。演算回路４０は、ＭＰＵに加え、またはＭＰＵに代えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を備えていてもよい。また、演算回路４０は、物理的に分離した複数のチップパッケージや素子等で構成されていてもよい。

（２）変位計測装置による変位の計測原理
図２は、回折格子対２０のｘ方向における相対的な変位量（μm）と、ＰＤ３１で得られる電圧信号との関係を示すグラフである。この例では、回折格子対２０の格子線２１ａ及び２２ａのピッチは、例えば３．３μm、光源１２の光の中心波長は、８５０nmとされた。

このグラフからわかるように、ＰＤ３１は、格子線２１ａ及び２２ａのピッチＰごとに周期性を持つ波形信号を出力する。すなわち、ＰＤ３１は、ピッチＰごとに、それら格子線の明暗のセットを１周期とする光量を得る。周期性を持つ波形信号とは、典型的には、ｓｉｎ波形の信号である。

なお、図２に示すグラフは、横軸の変位量が０〜１００μmの範囲で示されているが、これは、この変位計測装置１００の仕様（回折格子のｘ方向のサイズなど）によって異なり、その仕様によってはこれより広い範囲を計測可能である。

図３は、演算回路４０の機能的構成を示すブロック図である。演算回路４０は、Ａ／Ｄ変換器４１、データ参照部４２及びデータ記憶部４３を主に有する。

Ａ／Ｄ変換器４１は、ＰＤ３１から出力されたアナログ信号をデジタル値に変換して出力する検出値出力部として機能する。また、Ａ／Ｄ変換器４１は、例えば波形信号の周波数をカウントする等して、入力された信号の波の数をカウントし、このカウント値を出力する。

データ記憶部４３は、回折格子対２０の相対移動によってＰＤ３１で検出される波形信号の波数値（カウント値に対応）と、回折格子対２０の相対的な変位量とを対応付けるルックアップ用のテーブルデータを記憶する。テーブルデータは、この変位計測装置１００の製造時にメモリに記憶される。

データ参照部４２は、Ａ／Ｄ変換器４１でカウントされた波数のカウント値に対応する変位量を、データ記憶部４３から抽出し、これを出力する。すなわち、演算回路４０は、各回折格子の格子線２１ａ及び２２ａのピッチ単位で、変位量を計測することができる。

回折格子対２０の相対位置が基準位置など初期位置にある時に、ＰＤ３１で得られる信号値が０となり、また、回折格子対２０の相対的な変位量が０となるように、回折格子対２０及びＰＤ３１の形態、配置、演算回路４０の回路及びそのプログラムなどが設計されている。

演算回路４０は、回折格子対２０の基準位置での変位量を０とするリセット機能を有していてもよい。これは、変位計測装置１００の経時変化により、例えば回折格子対２０の基準位置における演算回路４０が出力する変位値が０とならなくなった場合の校正方法として有効である。この場合、演算回路４０は、その校正時の情報を利用して、データ記憶部４３のテーブルデータを更新する機能を有していてもよい。

（３）まとめ
以上のように、本実施形態に係る変位計測装置１００は、透過型の回折格子対２０を備えるので、上記特許文献２に記載の透過型及び反射型の回折格子に比べ、回折の回数を少なくすることができる。したがって、光の利用効率の低下を抑えながら、回折格子対のｘ軸方向に沿う相対的な変位を計測することができる。

また、この変位計測装置１００は、回折格子対２０の光軸に沿う方向の変位を計測するのではなく、それとは直交する方向に回折格子対２０を相対的に変位する時の、その変位量を計測する。したがって、原理的に、回折格子間の距離が大きくなるほど干渉光の振幅が低下する（例えば図４参照：図４のグラフの横軸は、回折格子間の距離、つまりｚ方向の距離である。）、という問題は起こらない。したがって、検出レンジが狭くなる等の問題を解消できる。

上記第１の実施形態では、Ａ／Ｄ変換器は波形信号の波数をカウントしたが、上ピーク及び下ピークの検出を行うことにより、半波長ごとに１カウントを出力してもよい。これにより、変位計測装置は、格子線ピッチ（例えば３．３μm）の半分（例えば１．６５μm）の分解能で変位を計測することができる。

２．第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置について説明する。

これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係る変位計測装置１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。またこれ以降の各実施形態において、回折格子対による干渉光の発生原理は、上記第１の実施形態と同様である。

この第２の実施形態に係る変位計測装置の全体を構成するハードウェアとして、典型的には図１に示した変位計測装置１００の構成が用いられる。

図５は、この第２の実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。

図６は、回折格子対２０のｘ方向における相対的な変位量（μm）と、ＰＤ３１で得られる電圧信号との関係を示し、図２のグラフの横軸のスケールより小さいスケールを持つグラフである。図６のグラフの縦軸については、ＰＤ３１の受光量である干渉光の明度が１で最大となるように、電圧の波形信号の全体振幅を１として正規化している。

本実施形態に係る演算回路１４０は、グラフの縦軸の全体振幅を所定の複数の電圧レベルで分割し、それらの電圧レベルで波形信号を監視する。データ記憶部４３は、そのように分割された電圧レベルごと及び上記波数のカウント値ごとに、それら電圧レベル及びカウント値を、変位量に対応付けて記憶しておく。信号の波形がリニアではなくｓｉｎカーブであるため、例えば記憶される変位量ごとの間隔が一定となるように、不等間隔の電圧値が選択されて記憶される。

また、本実施形態では、信号の１波長内には２つの同じ電圧値が出現するので、Ａ／Ｄ変換器４１は、周波数の２倍、つまり半波長の波を１つとしてカウントし、このカウント値を出力する。この場合、Ａ／Ｄ変換器４１は、波形信号の上ピーク及び下ピークの両方をカウントすることにより、半波長分を１つとして波数をカウントすることができる。また、Ａ／Ｄ変換器４１は、現在計測中の上記電圧レベル単位での電圧値を出力する。

データ参照部４２は、Ａ／Ｄ変換器４１でカウントされたカウント値と、Ａ／Ｄ変換器４１から出力される電圧値とを取得する。データ参照部４２は、取得したカウント値及び電圧値とに対応する変位量をデータ記憶部４３から抽出し、これを出力する。これにより、演算回路１４０は、各回折格子の格子線２１ａ及び２２ａのピッチよりも小さい単位、例えば１００nm単位の精度で、変位量を計測することができる。

なお、データ記憶部４３は電圧レベルを等間隔で記憶しておき、後述する第３の実施形態のように、演算回路１４０は、波形信号のリニア領域のみを用いるようにして、等間隔の変位量を出力してもよい。

本実施形態では、１つの光センサユニットが複数の受光領域を有していたが、物理的に分離した複数の光センサによって複数の受光領域が構成されてもよい。

３．第３の実施形態
（１）変位計測装置の構成

図７は、本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。図８は、この第３の実施形態に係る第２の回折格子の構成を示す。

この変位計測装置２００の第２の回折格子１２２の、光が透過する領域は、ｙ方向で複数の領域、例えば２つの領域１２２Ａ及び１２２Ｂに分割されて構成されている。これら２つの領域を、便宜的に「ｙ₁シフト領域」及び「ｙ₂シフト領域」とする。

図８に示すように、ｙ₁シフト領域１２２Ａ及びｙ₂シフト領域１２２Ｂの各格子線のピッチは、実質的に同一とされている。しかし、ｙ₁シフト領域１２２Ａの格子線パターンは、ｙ₂シフト領域１２２Ｂの格子線パターンに対して、ｘ方向に、格子線１２３のピッチの１／２より小さい所定の距離分シフトされている。例えば、各格子線パターンは、互いに１／４ピッチ分シフトされる位置に形成されている。

本実施形態に係る光センサユニットであるＰＤ３３は、このような第２の回折格子１２２の複数の領域に対応するように、ｙ方向で複数の領域、例えば２つの受光領域３３Ａ及び３３Ｂに分割されて構成されている。これらの受光領域を便宜的に「ｙ₁受光領域」及び「ｙ₂受光領域」とする。すなわち、第２の回折格子１２２を出射した干渉光２７（図１参照）のうち、ｙ₁シフト領域１２２Ａを出射した光が、ｙ₁受光領域３３Ａに入射する。また、ｙ₂シフト領域１２２Ｂを出射した光が、ｙ₂受光領域３３Ｂに入射する。

回折格子対１２０は、第１の実施形態と同様に、ｘ軸方向に相対的に移動可能に構成されている。特に、第２の回折格子１２２は、ＰＤ３３と一体的に移動可能に保持されている。

図９は、本実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。演算回路２４０に入力される信号のチャネルとして、ＰＤ３３のｙ₁受光領域３３Ａで得られた信号が入力されるチャネルをチャネル１（ch.1）とし、ｙ₂受光領域３３Ｂで得られた信号が入力されるチャネルをチャネル２（ch.2）とする。

演算回路２４０は、チャネル１及び２について、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器４１、データ参照部４２及びデータ記憶部４３を有する。これらのブロックは、基本的には、上記第２の実施形態（図５参照）で説明した演算回１４０の各ブロックと同じように機能する。

また、演算回路２４０は、各データ参照部４２からの出力のON/OFFをそれぞれ切り替えるスイッチ４４及び４５を有し、また、このスイッチ４４及び４５の動作を制御する出力タイミング制御部４６を有する。出力タイミング制御部４６は、チャネル１及び２のそれぞれのカウント値及び電圧値を取得し、これらの値に基づいてスイッチ４４及び４５の動作を制御することにより、チャネル１及び２のうちいずれか一方の変位量を出力する。つまり、出力タイミング制御部４６は、スイッチ４４及び４５を交互に選択的に切り替えることにより、出力する変位量（すなわち演算処理対象）を切り替える切替部として機能する。

（２）変位の計測方法
図１０は、ＰＤ３３で得られる信号、つまりｙ₁受光領域３３Ａ及びｙ₂受光領域３３Ｂからそれぞれ得られる信号（第１の波形信号Ｓ１及び第２の波形信号Ｓ２）を示す。横軸は変位、縦軸は受光量を表す検出値（電圧値）である。ｙ₁シフト領域１２２Ａ及びｙ₂シフト領域１２２Ｂで格子線パターンが互いに、格子線ピッチの１／４ピッチ分シフトしていることにより、信号Ｓ１及びＳ２の位相も、このように１／４シフトする。

例えば回折格子対１２２の変位量が大きくなる方向に回折格子対１２２が相対移動する場合、出力タイミング制御部４６は、図１０に示すように、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、・・・の順で、チャネル１と２の出力を相互に切り替える。例えば出力タイミング制御部４６は、点ＢからＣまでは、信号Ｓ２を用いて変位量を出力させ（チャネル２を用い）、点Ｃでのカウント値及び検出値を得るタイミングで、信号Ｓ１を用いて変位量を出力させる（チャネル１を用いる）。もちろん、回折格子対１２２がそれとは逆に相対移動する場合、切り替え順序は点Ｉ、Ｈ、Ｇ、・・・のように逆方向となる。

点Ｃ、Ｆ、Ｉ、・・・は、信号Ｓ１及びＳ２の交点である。点Ａは、点Ｃと同じレベルの検出値であり、点Ｄは、点Ｆと同じ検出値であり、また、点Ｇは、点Ｉと同じ検出値である。点Ｂは、点Ａと同じ変位量を示し、点Ｅは、点Ｄと同じ変位量を示し、また、点Ｈは、点Ｇと同じ変位量を示す。

このような処理方法を取る趣旨は、次のようなものである。信号Ｓ１及びＳ２は、実質的にｓｉｎ波形であるため、信号の上ピークまたは下ピーク付近では、変位量と検出値との関係が非リニアになる。したがって、これらのピーク付近では、変位量に対しての検出感度が鈍くなり、計測精度が低下する可能性がある。そこで、出力タイミング制御部４６は、信号Ｓ１（またはＳ２）のピークに達する前に（振幅ピーク値より小さい所定の検出値を検出するタイミングで）、信号Ｓ２（または信号Ｓ１）に切り替えて、切り替え後の信号を演算処理対象の信号とする。すなわち、信号Ｓ１及びＳ２の検出値のうち、検出感度の良好な領域であるリニア領域を用いることにより、計測精度を高めることができる。

なお、交点Ｃ、Ｆ、Ｉ、・・・のタイミングの判断方法として、例えば演算回路２４０は、信号Ｓ１とＳ２との差分を演算し、これが０になるタイミングを交点Ｃ、Ｆ、Ｉ、・・・のタイミングとしてもよい。

本実施形態では、格子線パターンのシフト量が１／４とされたが、１／３、１／５等、１／２より小さいシフト量であれば、どのようなシフト量でもよい。

点Ａ及びＣ、あるいは点Ｄ及びＦ等は、信号Ｓ１及びＳ２の交点と同じ検出値であったが、交点以外の他の点が、切り替えのタイミングの点として設定されてもよい。

４．第４の実施形態
（１）演算回路３４０の構成及び機能
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る演算回路３４０の機能的構成を示すブロック図である。この第４の実施形態に係る変位計測装置の全体を構成するハードウェアとして、典型的には図１に示した変位計測装置１００の構成が用いられる。

本実施形態に係る演算回路３４０は、第２の実施形態に係る演算回路１４０（図５参照）の各機能ブロックに、補正部４７及び補正データ記憶部４８をさらに加えた構成を備えている。Ａ／Ｄ変換器４１、データ参照部４２及びデータ記憶部４３は、上記第２の実施形態で説明したそれら各機能ブロックと同様の機能を有する。

図１２は、光センサユニットであるＰＤ３１で得られた波形信号と変位量との関係を示す。横軸は、Ａ／Ｄ変換器４１による波数のカウント値を示す。実際の多くの波数を持つ波形を図１２のスケールでは表すことができないため、少ない波数の波形を模式的に描いている。回折格子対２０の格子線ピッチは、３．３μmであり、光源１２の光の中心波長は８５０nmである。

回折格子対２０またはＰＤ３１などの個体差により、図１２に示す波形のように振幅が一定とならない場合がある。そこで、本実施形態では、設計者または製造者が予めこの振幅が一定となるような補正係数を求め、補正データ記憶部４８に記憶しておく。

具体的には、補正データ記憶部４８は、予め記憶する変位量（例えば図６に示す横軸の変位量）に対応付けてそれらの補正係数をルックアップテーブルとして記憶する。各変位量は、データ記憶部４３に記憶される各変位量に一致する。つまり、これは格子線ピッチより十分に小さいピッチに対応する変位量である。補正係数は、変位計測装置の設計時または製造時に決定され、補正データ記憶部４８に記憶される。

補正部４７は、実際の計測時において、Ａ／Ｄ変換器４１から波数のカウント値及び電圧値を取得する。補正部４７は、取得したカウント値及び電圧値に基づき、補正データ記憶部４８からそのカウント値及び電圧値に対応する変位量に対応付けられた補正係数を抽出する。補正部４７は、この補正係数を取得した電圧値に乗じ、この補正後の電圧値をデータ参照部４２へ出力する。

データ参照部４２は、Ａ／Ｄ変換器４１で得られたカウント値及び補正後の電圧値に基づき、それらの値に対応する変位量をデータ記憶部４３から抽出し、これを出力する。

図１３は、補正係数によりＰＤ３１の各値が補正された電圧値を変位量ごとに示す。ここでは、例えば、下ピークから上ピークまでの全体振幅が１Ｖとなるように、図１２に示した各電圧値が補正されている。

本実施形態では、補正係数により実際に計測で得られた検出値が補正されるので、回折格子対２０またはＰＤ３１などに個体差がある場合でも、それによる計測精度の低下を抑えることができる。

なお、この第４の実施形態に係る補正部４７及び補正データ記憶部４８を、上記第３の実施形態に係る演算回路２４０に適用することも可能である。この場合、チャネル１及び２の両系統で、補正部４７及び補正データ記憶部４８がそれぞれ組み込まれる。

（２）補正部による補正の効果の検証
図１４は、この第４の実施形態に係る演算回路３４０の補正部４７による補正の効果を検証するために用いられたステージ装置の概略構成を示す。

ステージ装置６０は、ベース６１と、ベース６１上に設けられたガイドレール６６と、ベース６１上に設けられたモータ６４及びこれにより回転可能なボールネジ６５と、このボールネジ６５に接続され、モータ６４の駆動によりガイドレール６６に沿ってｘ方向にスライド可能な移動ステージ６２とを備える。また、ステージ装置６０は、ベース６１上に固定された固定ブロック６３と、移動ステージ６２上に固定された移動ブロック６７とを備える。

固定ブロック６３上には、例えば変位計測装置１００の一部を構成する第１のホルダ５１が固定され、移動ブロック６７には、取付部材を介して変位計測装置を構成する第２のホルダ５２が固定される。

変位計測装置の第１のホルダ５１には、光源１２、コリメータレンズ１４（図１参照）及び第１の回折格子２１が一体的に保持されている。第２のホルダ５２には、第２の回折格子２２及びＰＤ３１が一体的に保持されている。

このように、第１の回折格子２１と第２の回折格子２２とが向かい合うように第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２が配置され、この状態で、図１に示した変位計測装置１００が構成される。この状態を変位計測装置１００の基準状態とし、この基準状態での変位量を０とする。基準状態から、モータ６４の駆動によって移動ステージ６２が正のｘ方向（図中右方向）に移動することで、ステージ装置６０及び変位計測装置１００の両方により変位量を計測できる。そして、これら両方の変位量を比較することにより、これらの変位量の差分（誤差）を得ることができる。

図１５は、補正部４７による補正を行わない場合（補正前）と、補正部４７による補正を行った場合（補正後）とについて、上記ステージ装置６０で測定した変位量の誤差を、変位量０〜２６６０μmの範囲で示す。このグラフから明らかなように、補正前の誤差に比べ、補正後の誤差が十分に減っていることがわかる。

５．第５の実施形態
（１）基本的な構成及び機能
図１６は、本発明の第５の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。図１７は、この変位計測装置３００で用いられる回折格子をその光軸方向で示す図である。本実施形態に係る回折格子対２２０では、第１の回折格子２２１及び第２の回折格子２２２ともに実質的に同じ構成を備える。

第１の回折格子２２１は、ｘ方向で複数、例えば２つの領域２２１ｘ及び２２１ｙに分割されて構成されている。これら２つの領域のうち、ｘ格子パターン領域２２１ｘは、ｘ方向に沿う複数の格子線２２３を含む格子線パターンを有する。２つの領域のうち、ｙ格子パターン領域２２１ｙは、ｙ方向に沿う複数の格子線２２３を含む格子線パターンを有する。つまり、これらの各領域２２１ｘ及び２２１ｙの格子線２２３の方向は、互いに９０°異なっている。

第１の回折格子２２１及び第２の回折格子２２２は、それらのｘ格子パターン領域２２１ｘ同士が対面し、また、それらのｙ格子パターン領域２２１ｙ同士が対面するように、配置されている。

この回折格子対２２０に入射する光束のビーム径は、回折格子対２２０を実質的に全体を覆うような径に形成されることが好ましい。

変位計測装置３００の光センサユニットは、ＰＤ３１及びＰＤ３２を有する。これらＰＤ３１及びＰＤ３２は、第１の受光領域及び第２の受光領域としてそれぞれ機能する。ＰＤ３１及びＰＤ３２は、この変位計測装置３００の各光学部材の光軸であるｚ軸から、ｘ及びｙ方向にそれぞれずれた位置に配置されている。ＰＤ３１は、回折格子対２２０のｙ格子パターン領域２２１ｙで形成された第１の干渉光を検出する。ＰＤ３２は、回折格子対２２０のｘ格子パターン領域２２１ｘで形成された第２の干渉光を検出する。第１の干渉光及び第２の干渉光は、上述した第１の実施形態の干渉光２７（図１参照）と同じ原理及び作用によって形成される。

例えば、回折格子対２２０がｘ方向に相対的に移動する場合、ＰＤ３１が第１の干渉光の明暗の変化を検出することで、その変化に応じた電圧値を出力する。また、回折格子対２２０がｙ方向に相対的に移動する場合、ＰＤ３２が第２の干渉光の明暗の変化を検出することで、その変化に応じた電圧値を出力する。

図１８Ａは、回折格子対２２０が相対的にｘ方向に移動した時のＰＤ３１で得られる信号を示す。図１８Ｂは、回折格子対２２０が相対的にｙ方向に移動した時のＰＤ３２で得られる信号を示す。なお、両グラフとも縦軸の値を干渉光の明度として正規化している。

図１８Ａでに示すように、ＰＤ３１で得られる信号はｓｉｎ波形を示すが、ＰＤ３２で得られる信号は実質的に０である。図１８Ｂでは、逆に、ＰＤ３１で得られる信号は実質的に０であるが、ＰＤ３２で得られる信号はｓｉｎ波形を示す。

以上のような構成を有する変位計測装置３００によれば、少ない部品点数で、ｘ及びｙの両方向の変位を計測することができる。

（２）ｚ方向の変位の計測
図１６に示した構成を備える変位計測装置３００は、例えばｚ方向における回折格子対２２０の相対的な変位をさらに計測することも可能である。

図１９は、ｚ方向における回折格子対２２０の相対的な変位量と、ＰＤ３１及びＰＤ３２で得られる信号に応じて正規化された明度との関係を示す。このように、回折格子対２２０がｚ方向に相対移動した場合、変位（Δｚ）に応じて、ＰＤ３１及び３２による検出値（すなわち明度）が変化することがわかっている。

この場合、ＰＤ３１と３２の検出値は実質的に同一となる。したがって、演算回路には、ＰＤ３１及び３２のうちいずれか一方で得られた信号が入力される。あるいは、演算回路は、ＰＤ３１及び３２の両方の信号を取得し、その信号を加算することで、検出電圧レンジを広げてもよい。

演算回路は、ＰＤ３１及び３２の検出値の両方の変化量が０より大きい閾値を超える場合、ｚ方向の変位を計測対象としてもよい。そしてこの場合、演算回路は、ＰＤ３１の検出値の変化量が閾値を超え、かつ、ＰＤ３２の検出値の変化量が０かまたは閾値より低い場合、ｘ方向の変位を計測対象としてもよい。また逆に、演算回路は、ＰＤ３２の検出値の変化量が閾値を超え、かつ、ＰＤ３１の検出値の変化量が０かまたは閾値より低い場合、ｙ方向の変位を計測対象としてもよい。上記した閾値は、すべて同じ値であってもよいし、あるいは、それら閾値のうち少なくとも１つが異なっていてもよい。

６．第６の実施形態
図２０は、本発明の第６の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。図２１は、この変位計測装置４００の回折格子対３２０のうちｚ方向で見た第２の回折格子を示す。

本実施形態に係る変位計測装置４００は、上記第３の実施形態と第５の実施形態との組み合わせの形態を有する。すなわち、この第７の実施形態は、図１６及び１７で示した回折格子対２２０のうち第２の回折格子２２２のｘ格子パターン領域２２１ｘ及びｙ格子パターン領域２２１ｙの両方が、図８に示したように、複数のシフト領域に分割される形態である。

具体的には、図２１に示すように、第２の回折格子３２２のｘ格子パターン領域３２２ｘが、ｘ方向に複数（例えば２つ）に分割された領域であるｘ₁シフト領域３２２Ｃ及びｘ₂シフト領域３２２Ｄを有する。また、この第２の回折格子３２２のｙ格子パターン領域３２２ｙが、ｙ方向に複数（例えば２つ）に分割された領域であるｙ₁シフト領域３２２Ａ及びｙ₂シフト領域３２２Ｂを有する。

ｙ₁シフト領域３２２Ａ及びｙ₂シフト領域３２２Ｂのそれぞれの格子線パターンは、ｘ方向に互いに格子線ピッチの１／２より小さい所定距離、例えば１／４ピッチ分互いにシフトしている。同様に、ｘ₁シフト領域３２２Ｃ及びｘ₂シフト領域３２２Ｄのそれぞれの格子線パターンは、ｙ方向に、格子線ピッチの１／２より小さい所定距離、例えば１／４ピッチ分互いにシフトしている。

光センサユニットを構成するＰＤ３３及びＰＤ３４は、それぞれｚ軸からｘ及びｙ方向へずれた位置に配置されている。ＰＤ３３は、ｙ方向に分割された領域であるｙ₁受光領域３３Ａ及びｙ₂受光領域３３Ｂを有する。ＰＤ３４は、ｘ方向に分割された領域であるｘ₁受光領域３４Ｃ及びｘ₂受光領域３４Ｄを有する。

この回折格子対３２０に入射する光束のビーム径は、回折格子対３２０を実質的に全体を覆うような径に形成されることが好ましい。第２の回折格子３２２を出射した干渉光のうち、ｘ₁シフト領域３２２Ｃから出射された光は、ｘ₁受光領域３４Ｃで検出され、ｘ₂シフト領域３２２Ｄから出射された光は、ｘ₂受光領域３４Ｄで検出される。また、第２の回折格子３２２を出射した干渉光のうち、ｙ₁シフト領域３２２Ａから出射された光は、ｙ₁受光領域３３Ａで検出され、ｙ₂シフト領域３２２Ｂから出射された光は、ｙ₂受光領域３３Ｂで検出される。

このような構成によれば、演算回路は、ｘ及びｙの両方向について、図１０で説明した処理対象のチャネルの選択的な切り替えを行うことができる。すなわち、ｘ方向の変位の計測処理において２つのチャネルの信号を選択的に切り替え、また、ｙ方向の変位の計測処理においてで２つのチャネルの信号を選択的に切り替える。これにより、ｘ及びｙの両方向について、高精度に変位を計測することができる。

７．第７の実施形態
本発明の第７の実施形態に係る変位計測装置について説明する。

第７の実施形態に係る変位計測装置は、例えば、図７または図２０で示したハードウェア構成を備える変位計測装置であって、ＰＤ３３においてｙ₁受光領域３３Ａ及びｙ₂受光領域３３Ｂで得られた信号に基づき、ｘ方向のうち正及び負の方向を判定する。図２２は、ｘ方向の変位量と、ｙ₁受光領域３３Ａ及びｙ₂受光領域３３Ｂで得られる各波形信号（明度に正規化したもの）Ｓ１及びＳ２との関係を示す。

本実施形態に係る変位計測装置は、例えばこれらの波形信号のピーク値のレベルで、信号の検出順序を監視することで、回折格子対１２０または３２０の相対的な移動方向の切り替わりを検出する検出部を備える。演算回路がこの検出部の機能を実現してもよい。

ここで、例えば回折格子対がｘの正負方向のうち最初に移動する方向を、正と決めるとする。

そして、検出部は、ピークレベルにおいて、信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１、Ｓ２、・・・交互の順序で信号を取得し、途中で、その変位の方向が負に変わると、・・・Ｓ２、Ｓ１、Ｓ１、Ｓ２、・・・、または、・・・Ｓ１、Ｓ２、Ｓ２、Ｓ１、・・・というように、２回連続で同じ信号を検出する。これにより、変位計測装置は、変位の正負方向の違いを判別することができる。

８．変位計測装置を保持するホルダ
図２３は、例えば図１に示した光学系を保持する保持機構を含む変位計測装置１００の一実施形態を示す。

保持機構５０は、ボックス状の、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２を有する。第１のホルダ５１は、光源１２、コリメータレンズ１４及び第１の回折格子２１を一体的に支持する。第２のホルダ５２は、第２の回折格子２２及びＰＤ３１を一体的に支持する。

第１のホルダ５１の一端には、光源１２が実装された実装基板５３が取り付けられている。第２のホルダ５２の他端には、第１の回折格子２１が取り付けられている。第２のホルダ５２の一端には、第２の回折格子２２が取り付けられ、第２のホルダ５２の他端には、ＰＤ３１が実装された実装基板５４が取り付けられている。

第１のホルダ５１には、光源１２から出射した光がコリメータレンズ１４を介して第１の回折格子２１に入射するための通路５８が形成されている。第２のホルダ５２には、第２の回折格子２２から出射した干渉光２７（図１参照）が主にＰＤ３１に入射するための通路５９が形成されている。

保持機構５０は、これら第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２をｘ方向にスライド可能に支持する支持機構１５０を備える。支持機構１５０は、これらホルダ５１及び５２をｘ方向に相対移動可能に接続する接続部として機能する。

支持機構１５０は、ｘ方向に延設されたスライドシャフト５５を有する。例えば、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２の底部（図においてｙ方向の下部）には、図示しないｘ方向の貫通穴が形成されており、この貫通穴にスライドシャフト５５が挿通されている。スライドシャフト５５は、例えば１つのホルダに２本ずつ設けられる。

また、支持機構１５０は、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２を弾性的に接続する弾性部材５７を有する。弾性部材５７は、例えば、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２の側面同士を接続するように設けられ、例えば両側面に設けられている。弾性部材５７は、主に樹脂や金属等により弾性変形が可能な構造や形状で構成されている。

この変位計測装置１００の使用時には、計測対象物の図示しない第１の部位に第１のホルダ５１が固定されるように、かつ、計測対象物の図示しない第２の部位に第２のホルダ５２が固定されるように、この変位計測装置１００が計測対象物に取り付けられる。これにより、計測対象物の第１及び第２の部位のｘ方向の変位を計測することができる。

９．その他の実施形態
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記各実施形態に係る演算回路は、基本的には、カウント値（及び電圧レベル）と変位量とを対応付けるルックアップテーブルを参照して変位を出力した。しかし、演算回路は所定の演算式を用いて変位を出力してもよい。例えば演算回路は、所定の単位変位量を記憶しておき、カウント値に単位変位量を乗じる方法、あるいは、カウント値を得るごとに、単位変位量を加算していく方法などがある。例えば、波形信号の１波長で１カウントする場合、上記単位変位量は格子線ピッチに相当し、波形信号の半波長で１カウントする場合、上記単位変位量は格子線ピッチの１／２に相当する。

例えば図２３に示した実施形態に係る保持機構５０は、１軸、つまりｘ方向のみで、回折格子対の相対移動を可能にする機構であり、すべてのスライドシャフト５５が連結されていた。しかし、第１のホルダ５１と第２のホルダ５２との間でスライドシャフト５５の連結が分離され、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２をｙ方向にも相対的に移動させることが可能なスライドシャフト等の機構が設けられていてもよい。

図８、１７、２０の各実施形態において、シフト領域は第２の回折格子に設けられていたが、第１の回折格子に設けられていてもよい。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。

１２…光源
２０、１２０、２２０、３２０…回折格子対
２１、１２１、２２１…第１の回折格子
２１ａ、２２ａ、１２３、２２３…格子線
２２、１２２、２２２、３２２…第２の回折格子
２３、２５…回折光
２７…干渉光
３１、３２、３３、３４…ＰＤ
３３Ａ、３３Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ…受光領域
４０、１４０、２４０、３４０…演算回路
４２…データ参照部
４４、４５…スイッチ
４６…出力タイミング制御部
４７…補正部
４８…補正データ記憶部
５０…保持機構
５１…第１のホルダ
５２…第２のホルダ
１００、２００、３００、４００…変位計測装置
１２２Ａ、１２２Ｂ、３２２Ａ、３２２Ｂ、３２２Ｃ、３２２Ｄ…シフト領域
１５０…支持機構
２２１ｘ、２２１ｙ、３２２ｘ、３２２ｙ…格子パターン領域

Claims (13)

1. 光源と、
   前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する透過型の回折格子対と、
   前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子から発生したｎ次回折光（ｎは０以外の整数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出可能な光センサユニットと、
   前記光センサユニットで得られた信号に基づき、前記回折格子対の光軸に直交する方向における前記回折格子対の相対的な変位を算出する演算処理手段と
   を具備する変位計測装置。
2. 請求項１に記載の変位計測装置であって、
   前記回折格子対は、複数の格子線をそれぞれ有し、
   前記演算処理手段は、前記複数の格子線の配列方向である第１の方向に沿う前記回折格子対の前記変位を算出する
   変位計測装置。
3. 請求項２に記載の変位計測装置であって、
   前記回折格子対のうち一方の回折格子は、分割されて構成される複数のシフト領域を有し、
   前記複数のシフト領域は、前記第１の方向に、格子線ピッチの１／２より小さい所定距離分互いにシフトされた格子線パターンをそれぞれ有し、
   前記光センサユニットは、前記複数のシフト領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有する
   変位計測装置。
4. 請求項３に記載の変位計測装置であって、
   前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる信号を、所定のタイミングで選択的に切り替え、選択した１つの信号を演算処理に用いる
   変位計測装置。
5. 請求項４に記載の変位計測装置であって、
   前記演算処理手段は、
   前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の検出値を出力する検出値出力部と、
   前記波形信号のうち処理対象とされた第１の波形信号の振幅ピーク値より小さい所定の検出値を検出するタイミングで、処理対象を第２の波形信号に切り替える切替部とを有する
   変位計測装置。
6. 請求項５に記載の変位計測装置であって、
   前記演算処理手段は、前記第１の波形信号と前記第２の波形信号との交点での検出値、または、前記交点での検出値と同じレベルの検出値を、前記所定の検出値として処理する
   変位計測装置。
7. 請求項２から４のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
   前記演算処理手段は、補正データ記憶部を有し、前記補正データ記憶部は、前記光センサユニットで得られる、前記複数の格子線の格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号を補正する補正係数を記憶する
   変位計測装置。
8. 請求項２に記載の変位計測装置であって、
   前記回折格子対を構成する両回折格子は、分割されて構成される複数の格子パターン領域を有し、
   前記複数の格子パターン領域は、１つの前記回折格子内で格子パターン領域ごとに異なる方向の格子線を含む格子線パターンを有し、
   前記光センサユニットは、前記複数の格子パターン領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有する
   変位計測装置。
9. 請求項８に記載の変位計測装置であって、
   前記演算処理手段は、前記複数の受光領域のうち第１の受光領域で得られた信号に基づき、前記光軸に直交する第１の方向に沿う前記回折格子対の前記変位を算出し、第２の受光領域で得られた信号に基づき、前記光軸方向及び前記第１の方向の両方に直交する第２の方向に沿う前記回折格子対の前記変位を算出する
   変位計測装置。
10. 請求項８または９に記載の変位計測装置であって、
    前記回折格子対のうち一方の回折格子の前記格子パターン領域は、さらに分割されて構成される複数のシフト領域を有し、
    前記複数のシフト領域は、格子線ピッチの１／２より小さい所定距離分互いにシフトされた格子線パターンをそれぞれ有し、
    前記光センサユニットは、前記複数のシフト領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有する
    変位計測装置。
11. 請求項３または１０に記載の変位計測装置であって、
    所定の一定のレベルで検出される、前記複数のシフト領域で得られた信号のピーク値の検出順を監視することで、前記回折格子対の相対的な移動方向の切り替わりを検出部をさらに具備する
    変位計測装置。
12. 請求項１から１１のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
    前記回折格子対は、前記光源からの光が入射する第１の回折格子と、前記第１の回折格子を透過した光が入射する第２の回折格子とを有し、
    前記変位計測装置は、
    前記光源及び前記第１の回折格子を保持する第１のホルダと、
    前記第２の回折格子及び前記光センサユニットを保持する第２のホルダと、
    前記第１のホルダ及び前記第２のホルダを、前記光軸に直交する方向に沿って相対移動可能に接続する接続部とをさらに具備する
    変位計測装置。
13. 光源からの光線の進路に沿って配置された相対移動可能な透過型の回折格子対に、前記光源からの光が入射することにより、前記回折格子対から回折光をそれぞれ発生させ、
    光センサユニットにより、前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子から発生したｎ次回折光（ｎは０以外の整数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出し、
    前記光センサユニットで得られた信号に基づき、前記回折格子対の光軸に直交する方向における前記回折格子対の相対的な変位を算出する
    変位計測方法。