JP2775000B2 - 移動量測定方法及び移動量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、移動可能な光学素子とその他の固定された
光学部材との相対的な移動距離を計測する移動量測定方
法および移動量測定装置に関するものである。

「従来の技術」 長さや位置計測の分野では、従来から純機械的な物差
し、ノギス、マイクロメータ等を用いて人間の目による
計測が依然として行われているが、μｍ単位を問題とす
るいわゆる精密計測の領域ではこれらの測定用具はその
用をなさない。近年では、測定機器の電子化が進み、電
子回路と共に磁気、光等の技術を用いた測定装置が開発
され、加工、検査に多用されている。磁気を用いた方式
として、帯状、又は棒状の磁性体に予め寸法の基準とし
ての磁気パタンを記録しておき、このパタンと磁気ヘッ
ドとの相互の位置関係を求める磁気スケールが知られて
いる。しかし、この方式は磁性体に記憶できる基準パタ
ンのピッチにより精度が決定されるため、安定に記憶し
得るピッチは５〜10μｍであり、測定精度は次に述べる
光波干渉測長器と比較して実用上２桁程度精度が低く±
１μｍ程度である。

一方、光を用いるものの例としては、レーザ光の波長
を基準とした光波干渉測長器が知られている。この測長
器の精度は、現在の工業水準の要求に十分対応できるも
のである。ここで、レーザ干渉測長器の従来例を第３図
に示す。

第３図において、レーザ光源50からは縦ゼーマン効果
によって周波数（波長）がわずかに異なり互いに回転方
向が逆の二つの円偏光が出てくる。この場合、周波数
f₁、f₂はいずれも安定化されている。この光は干渉計に
入る前にビームスプリッタ51により二つに分けられ、そ
の一つは光電検出器52で電気信号に変えられる。即ち、
（f₁−f₂）の周波数を有するビート信号が得られる。こ
の信号は増幅器54、ダブラ56を経てカウンタ58に導かれ
る。ビームスプリッタ51により分けられた他のレーザ光
は、1/4波長板60により互いに直交する直線偏光のレー
ザ光に変えられ、さらに、偏光ビームスプリッタ61によ
りそれぞれ周波数f₁、f₂の二つのレーザ光に分けられ
る。これら二つのレーザ光f₁、f₂は、それぞれ移動コー
ナーキューブプリズム63、固定コーナーキューブプリズ
ム62に入射される。移動コーナーキューブプリズム63が
あ移動した場合は、その反射光はドップラ効果によって
周波数がΔｆだけ変化する。従って、固定コーナーキュ
ーブプリズム62、及び移動コーナーキューブプリズム63
からの反射光を偏光ビームスプリッタ61により干渉さ
せ、その後ミラー64を介して光電検出器53に入射させる
と、（f₁−f₂±Δｆ）の周波数を有するビート信号が得
られる。この信号も増幅器55、ダブラ57を経てカウンタ
59に導かれ、前記カウンタ58で得られた値との差が引算
装置65により求められる。そして、この値が計数表示装
置66により表示される。

ここで、移動コーナーキューブプリズム63が矢印の方
向に速度ｖで移動するとすれば、ドップラ効果により、 Δｆ＝2v・f/c ……（１） となる。なお、ｃは光速度である。

また、カウンタ58、59の数値の差Ｎは移動コーナーキ
ューブプリズム63の移動の間、Δｆを時間で積分したも
のであるから、 Ｎ＝∫2v・f₁/cdt ＝2/λ_１∫dx ＝2/λ_１（x₁−x₂） ……（２） となる。なお、上式ではf₁・λ_１＝ｃの関係を利用して
いる。また、（x₁−x₂）はコーナーキューブプリズム63
の移動距離、即ち測定する長さｌである。従って、 ｌ＝λ_１・N/2 （３） なる関係が得られる。

ところで、上式（３）から明らかなように移動分解能
はλ₁/2であるが、実際にはカウンタで数える前にダブ
ラ56、57、で周波数を逓倍し、λ₁/64、或はλ₁/128ま
で読み取りを精密化している。しかし、周波数の逓倍、
及びカウンタの高速化には信号処理系の電子回路の周波
数応答性の制約があるため、検出分解能をこれ以上高精
度化することは難しい。また、ドップラ効果により周波
数は最高でf₁＋Δｆまで変化するため、高速信号処理系
は少なくとも周波数f₁＋Δｆまで応答可能である必要が
ある。言い替えれば移動コーナーキューブプリズム63
が、Δｆを越えるように超高速移動した場合にはカウン
タ等が応答できず移動距離を計測できないという欠点が
ある。

そこで、もともとのビート信号の周波数（f₁−f₂）を
小さくしてドップラ効果による周波数（f₁−f₂＋Δｆ）
を下げ、これにより、信号処理系に余裕を持たせる方法
が考えられる。しかし、移動コーナーキューブプリズム
63が前記矢印の反対方向に移動した場合のドップラ効果
による周波数は（f₁−f₂−Δｆ）であるから、移動コー
ナーキューブプリズム63の移動が速く、Δｆが（f₁−
f₂）を越える場合には、周波数が負の値となりカウンタ
による計測ができなくなる。即ち、ビート周波数（f₁−
f₂）を下げることは、レーザ干渉測長器そのものの応答
速度をさげる結果となる。

このように、従来のレーザ干渉測長器は、そのビート
周波数により測長器の応答速度が制約されるという欠点
を有し、信号処理回路系の周波数特性により検出分解能
も限られてしまうという問題があった。

一方、光波干渉測長器と磁気スケールとの中間的な精
度を有する測長装置として回折格子とレーザ光を組み合
わせた装置の実用化が進められている（例えば、特開昭
61−215905号）。

従来、この種の装置は一般には第４図に示すように構
成されており、レーザ光源１からのレーザ光LBは、２光
束発生手段である音響光学変調器２に入射され、レーザ
光LBの平行な０次光10は、ミラー３で反射されてウエハ
等の基板４を斜めから照射する。音響光学変調器２（以
下単に光変調器２と呼ぶ）で周波数変調された光（＋１
次光）12は０次光10に対してある角度だけ偏向され、基
板４を斜めから平行光束となって照射する。光変調器２
は、基準信号発生手段としての発振回路６から周波数ｆ
の基準信号（変調信号）MSの供給を受け、変調光12の周
波数を０次光の周波数に対してｆだけ異ならせる。基板
４には図中紙面と垂直な方向に伸びた細長い格子を、図
中紙面内の左右方向に一定のピッチで平行に形成した回
折格子4aが設けられている。そして、０次光10と変調光
12との干渉によって得られる干渉縞が、回折格子4aの格
子と平行になるように、２つの光10、12を入射する。こ
のとき０次光10と変調光12とは周波数が異なるため、２
つの光束による干渉縞は基板４に対して静止しているの
ではなく周波数ｆで流れており、これが所謂光ビートで
ある。尚、その干渉縞のピッチと回折格子4aのピッチは
整数倍の関係に定められている。さて、基板４は位置合
せのためステージ５に載置されており、このステージ５
は図中紙面内の左右方向に、駆動モータ21によって移動
される。また、ステージ５の位置はレーザ光波長干渉計
等の測長器20によって逐次検出される。

ところで、０次光10を回折格子4aに照射すると、いろ
いろな次数の回折光が、それぞれの回折角で発生する。
そのうち角度βで発生するある次数の回折光11を格子と
平行なスリットを有するスリット板7aを介してフォトマ
ルチプライヤ等の光電検出器７で受光する。角度βは０
次光10と回折光11との成す角度である。同時に、変調光
12が回折格子4aを照射しているので、それによっていろ
いろな次数の回折光がそれぞれの回折角で発生する。光
電検出器７は、そのうち角度αで発生し、回折光11とほ
ぼ同じ光路で進んでくるある次数の回折光13をスリット
板7aを介して受光する。光電検出器７の受光面において
は、回折光11と13との干渉により明案の変化が生じる
が、その明暗は光ビートの周波数、即ち、基準信号MSの
周波数ｆで変化している。よって光電検出器７の光電信
号も周波数ｆの正弦波状の波形となる。その光電信号は
増幅器９で増幅された後、位相差検出手段としての位相
差検出回路８に入力する。位相差検出回路８は発振回路
６からの基準信号MSに対する光電信号の位相ずれを検出
し、そのずれ量に応じた位相差信号PDSを出力する。

主制御装置22は、その位相差信号PDSと測長器20から
の位置情報とを入力して、例えば位相差信号PDSが０
（位相ずれが０）になるように駆動モータ21をサーボ制
御する。これによって、基板４の一次元の位置合せが行
われる。尚、発振回路６には、発振周波数ｆを変化させ
るための周波数調整器30が接続されている。

第４図で示された従来例の動作を第５図（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）の各波形図を参照して説明する。第５図
（ａ）は基準信号MSの波形図であり、第５図（ｂ）は光
電検出器７の光電信号Ｉの波形図であり、ともに横軸は
時間ｔを表し、縦軸は各信号のレベルを表す。先にも述
べたように、０次光10と変調光12とは周波数ｆだけ異な
っているため、光電信号Ｉは所謂光ビート信号となり、
基準信号MSと相似な周波数ｆの正弦波形となる。基板４
が２つの光束10、12に対してある位置に停止していると
すると、基準信号MSと光電信号Ｉとの位相差φは一定の
値になる。この位相差φは位相差検出回路８からの位相
差信号PDSのレベルによってただちに求められる。ま
た、基板４がステージ５によって移動していると、位相
差θはその移動量に比例して連続的に変化する。もちろ
ん位相差θとして検出できるレンジは２πの範囲、位相
ずれの方向を加味すれば±πの範囲内である。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、第５図（ｃ）は位相差信号PDSの出力特性
図であり、縦軸は信号PDSの出力レベルを表し、横軸は
２つの光束10、12と基板４との相対的な位置ｘを表す。
基板４を２つの光束10、12に対して位置合せする場合
は、予め公知のプリアライメント手段やグローバルアラ
イメント手段によって、位置合せ誤差が範囲LP（位相差
で±π）内になるよにステージ５を使って粗位置決めを
行わなければならない。その範囲LPは２つの光束10、12
の波長をλとすると、次式で表される。

LP＝λ／（SINα＋SINβ） ……（４） 例えば、波長λを0.6μｍとし、回折格子ピッチが1.2
μｍの場合、角度α、βは30度となり式（４）よりLPは
0.6μｍとなる。

以上のように、測定における粗位置決めの精度は、±
0.3μｍが必要となるが、第４図で示された従来例では
装置単体では測長範囲が狭く移動量検出という機能を十
分に果たすことができないという欠点があった。さら
に、これらの欠点を補うために必要なプリアライメント
にも高精度が要求され、専用のプリアライメント光学系
の組み込みによる装置の大型化、光学系の複数化、機構
制御系の煩雑化という問題があった。

本発明の目的は、上述の欠点を除去し、光ヘテロダイ
ン干渉ビート信号の位相、並びにレーザドップラ効果に
よる周波数偏移を検出することにより、従来のものより
も高速、高安定性、高分解能であり、しかも装置を小型
に構成することができる移動量測定方法および移動量測
定装置を提供することにある。

「課題を解決するための手段」 上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に
あっては、周波数が互いにわずかに異なる２波長の単色
光を光源として用い、前記２波長の単色光を合成し光ヘ
テロダイン干渉させて第１のビート信号を生成するとと
もに、前記２波長の単色光を移動可能な物体上の光学素
子に所定角度の方向から入射させ、前記光学素子から得
られる周波数がわずかに異なる２波長の単色光を光ヘテ
ロダイン干渉させ、これにより、第１のビート信号の周
波数および位相に対し、ドップラ偏移の方向および位相
ずれの方向が互いに逆方向に変化する第２、第３のビー
ト信号を生成し、前記第１のビート信号に対する前記第
２、第３のビート信号の周波数のドップラ偏移量を検出
することによって移動方向、粗移動を検出し、前記第１
〜第３のビート信号のうちいずれか２つのビート信号の
位相差から微小移動を検出することによって、前記物体
の移動距離を測定することを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明にあっては、移動可能な
物体上に固定または形成された光学素子と、周波数が互
いにわずかに異なる２波長の単色光を発生する光源と、
この光源から発せられた２波長の単色光を合成し光ヘテ
ロダイン干渉させて第１のビート信号を生成する第１の
光合成検出手段と、前記光源から発せられた２波長の単
色光を前記光学素子に所定角度の方向からそれぞれ入射
させる入射角調整手段と、前記光学素子から得られる２
波長の単色光を合成し、第１のビート信号の周波数およ
び位相に対し、ドップラ偏移の方向および位相ずれが互
いに逆方向に変化する第２、第３の光ヘテロダイン干渉
ビート信号を生成する第２、第３の光合成検出手段と、
前記第１〜第３のビート信号の周波数のレーザドップラ
偏移量から、移動方向と、粗移動に対応する周波数差と
を検出する周波数処理装置と、前記第１〜第３の光合成
検出手段によって生成された第１〜第３のビート信号か
ら微小移動に対応する位相差信号を検出する位相差信号
検出手段と、前記周波数差および前記位相差信号から物
体の移動量を算出する信号処理装置とを具備することを
特徴としている。

「作用」 光学素子（例えば、反射ミラー、回折格子等）の移動
量、即ち、光学素子を設置した物体の移動量が、粗移動
に対応するドップラ効果による周波数偏移、及び微小移
動に対応する光ヘテロダイン干渉ビート信号の位相変化
として連続的に検出される。従って、プリアライメント
光学系等により検出範囲内に予め設定する必要がなく、
光学系を小形化でき制御系を簡略化できる。また、ビー
ト信号の周波数によって制約される検出分解能、及び応
答性の問題が解消され、信号処理回路系の周波数応答性
の許される限り、光束、高精度の移動量検出が可能であ
る。

「実施例」 以下、この発明の実施例について説明する。

第１図は、この発明の第１の実施例である移動量測定
装置の構成を示すブロック図である。なお、この図にお
いて前述した第３図，第４図の各部と対応する部分に
は、同一の符号を付しその説明を省略する。

第１図において、70は周波数が互いにわずかに異なり
かつ偏光面が互いに直交する２波長の単色光を発する、
横ゼーマン効果を利用した２波長直交偏光レーザ光源で
ある。ここで、偏光面が互いに直交するｐ偏光、ｓ偏の
レーザ光の周波数をそれぞれf₁、f₂とする。従って、光
ヘテロダイン干渉ビート周波数f₀＝f₁−f₂となる。２波
長直交偏光レーザ光源70から発したレーザ光は、干渉計
に入る前に一部がビームスプリッタ71により二分して取
り出され、その取り出されたレーザ光が集光レンズ72で
集光される。集光されたレーザ光は偏光板75によって光
ヘテロダイン干渉され、こらが光電検出器78で検出され
て基準ビート信号となる。即ち、周波数が（f₁−f₂）の
ビート信号が得られる。この信号は増幅器81、ダブラ84
を経てカウンタ87等の信号距処理系に導かれる。

また、ビームスプリッタ71により分けられた他のレー
ザ光は、ビームスプリッタ89によりさらに二つのレーザ
光に分けられ、一方が固定コーナーキューブプリズム90
に、他方が移動コーナーキューブプリズム91に各々入射
される。そして、移動コーナーキューブプリズム91が移
動した場合は、その反射光はドップラ効果によって周波
数がΔｆだけ変化する。従って、固定コーナーキューブ
プズム90からの反射光と移動コーナーキューブプズム91
からの反射光とを偏光ビームスプリッタ92により干渉さ
せると二つの干渉光が得られる。即ち、一つの干渉光
は、固定コーナーキューブプリズム90からの周波数f₂の
ｓ偏光の反射光と移動コーナーキューブプリズム91から
ドップラ効果による周波数偏移（f₁±Δｆ）のｐ偏光の
反射光との干渉光であり、他の干渉光は、固定コーナー
キューブプリズム90からの周波数f₁のｐ偏光の反射光と
移動コーナーキューブプリズム91からドップラ効果によ
る周波数偏移（f₂＋Δｆ）のｓ偏光の反射光との干渉光
である。そして前者は、ミラー93を介して集光レンズ73
で集光された後、偏光板76によって光ヘテロダイン干渉
され、これが光電検出器79によって検出されることによ
り（（f₁±Δｆ）−f₂）の周波数のビート信号が発生さ
れる。この信号は、増幅器82、ダブラ85を経て信号変換
処理器94に導かれる。一方、後者の干渉光は、集光レン
ズ74で集光された後、偏光板77によって光ヘテロダイン
干渉され、これが、光電検出器80によって検出されるこ
とによって（f₁−（f₂±Δｆ））の周波数のビート信号
が発生される。この信号は、増幅器83、ダブラ86を経て
信号変換処理器94に導かれる。

この信号変換器94においては、ドップラ効果によって
偏移した２つの信号｛周波数（f₁±Δｆ）−f₂、及びf₁
−（f₂±Δｆ）｝と基準信号とが各々比較される。そし
て、信号変換器94は、この比較結果に基づいて周波数−
電圧変換回路等により、移動コーナーキューブプリズム
の矢印の方向の移動に対しては、光電検出器79で検出さ
れる周波数（f₁＋Δｆ）−f₂の信号を出力し、逆に、矢
印と反対の方向の移動に対しては、光電検出器80で検出
される周波数f₁−（f₂−Δｆ）の信号を出力する。つま
り、移動コーナーキューブプリズムの移動方向に対応し
て出力信号を切り換え、ドップラ効果による周波数偏移
量Δｆが、基準ビート信号の周波数f₁−f₂よりも大きな
値になってもビート信号の検出を可能としている。

次に、基準ビート信号と前記信号変換処理器94からの
ビート信号は、それぞれ、カウンタ87、88に入力され、
ここで得られたカウント値の差が引算装置97により求め
られ、その値が計数表示装置97に表示される。ここで、
引算装置96によって得られた値の符号は、信号変換処理
器94で信号を切り換える処理と対応させ、例えば周波数
（f₁＋Δｆ）−f₂の信号の場合を正とするならば、周波
数f₁−（f₂−Δｆ）の信号の場合は負の値とする。一
方、基準ビート信号と信号変換処理器94からのビート信
号は、位相器95に入力され、両者の位相差値が上記と同
様にして計数表示装置97に表示される。

このように、移動コーナーキューブプリズム91が矢印
の方向に速度ｖで移動するとすれば、ドップラ効果によ
り、式（１）、（２）、（３）と同様に移動距離を検出
できる。さらに、移動コーナーキューブプリズムの移動
速度が高速になって周波数偏移量Δｆがビート周波数f₁
−f₂以上になっても移動方向に関係なく、移動距離が検
出可能である。また、カウンタによる周期計測による移
動分解能に対し、周期間についてビート信号の位相差を
検出することにより高分解能を実現できる。例えば、通
常ダブラ等による周波数逓倍処理を行わないならば移動
分解能はλ₁/2であるが、周期間隔を位相差検出分解能
±１度位相検出できるとすると、検出分解能はλ₁/（２
・360）に向上する。

次に、この発明の第２の実施例について説明する。第
５図は、第２実施例の構成を示すブロック図である。

この図において、２波長直交偏光レーザ光源100から
発した周波数f₁p（ｐ偏光）、f₁s（ｓ偏光）のレーザ光
は、干渉計に入る前に一部がビームスプリッタ101によ
って二分して取り出され、取り出されたレーザ光が集光
レンズ103によって集光される。そして、偏光板106を用
いて光ヘテロダイン干渉させ、光電検出器109で検出
し、基準ビート信号とする。即ち、周波数がf₀＝f₁p−f
₂sのビート信号が得られる。この信号は増幅器112を経
てカウンタ115等の信号処理系に導かれる。ビームスプ
リッタ101により分けられた他方のレーザー光は、ビー
ムスプリッタ102によりさらに二つのレーザ光に分けら
れる。これら二つのレーザ光の一つはミラー117を介し
て所定の角度で回折格子121に入射する。この入射は、
回折格子121の格子面に垂直な法線方向に対して一次回
折角の方向からの入射である。ビームスプリッタ102で
分けられた他のレーザ光、1/2波長板122により偏光面が
90度回転され、ミラー118、119を介して前記入射光の方
向と対称の一次回折角の方向から入射する。ここで、偏
光面が90度回転されたレーザ光の周波数を便宜上f₁s
（＝、f1p）、f₂p（＝f₂s）とする。従って、これら二
つの入射光に対し一次回折光は、それぞれ法線方向に出
射し合成光となる。回折光の合成光は偏光ビームスプリ
ッタ123によりｐ偏光、ｓ偏光の２つの光に分離され、
ｐ偏光の合成光は集光レンズ105と偏光板108を介して光
電検出器111に達し、またｓ偏光の合成光はミラー120と
集光レンズ104と偏光板107を介して光電検出器110に達
する。そして、各合成光は光電検出機111および110にお
いて光ヘテロダイン干渉ビート信号として検出される。

ここで、周波数f₁p（或はf₂s）のレーザ光の一次回折
角をθ_１（或はθ_２）とし、回折格子121が第５図の紙
面内で右方向に速度ｖで移動すると考えると、ミラー11
7を介して入射した２波長レーザ光の一次回折光の周波
数f₁p（或はf₂s）は、次式に示すようにドップラ効果に
より周波数偏移する。

同様に、ミラー119を介して入射した２波長レーザ光
の一次回折光の周波数偏移量は、 Δｆ＝±ｖ・SINθ_１・f₁s/c≒±ｖ・SINθ_２・f₂p/c ……（６） となる。したがって、光電検出器111で検出されるｐ偏
光の光ヘテロダイン干渉ビート信号の周波数は、回折格
子ピッチをＰ、波長をλ、周波数をｆ、光速度をｃとす
るとλ＝c/f、及びSINθ_１＝λ/Pの関係式から、 となる。同様に、ｓ偏光の光ヘテロダイン干渉ビート信
号の周波数は、 となる。即ち、周波数偏移の方向が相反する２つのビー
ト信号となる。これらの信号は、増幅器113,114を経て
信号変換処理器128に導かれる。信号変換処理器128で
は、ドップラ効果により周波数 及びf₀±2v/Pに偏移した２つの信号と基準ビート信号と
を周波数−電圧変換回路等により比較し、ドップラ効果
による周波数偏移の方向と回折格子121の移動方向と対
応させ、常に周波数f₀＋2v/Pの信号を出力する。即ち、
回折格子が第５図の紙面に向かって右方向に移動した場
合はｓ偏光の信号を出力する。また、左方向に移動した
場合は、ｐ偏光の信号を出力する。このように、回折格
子121の移動方向に対し出力信号を切り換えることによ
り、ドップラ効果による周波数偏移量が基準ビート信号
の周波数f₀よりも大きな値になっても光ヘテロダイン干
渉光の周波数が常に正の値となる。

次に、基準ビート信号と前記信号変換処理器128から
のビート信号は、それぞれ、カウンタ115、116に入力さ
れる。そして、これらのカウンタ115,116において得ら
れた値の差を引算装置124により求め、その値ｎを信号
処理制御装置125に送る。カウンタ115,116の数値の差ｎ
は回折格子121の移動の間、Δｆ＝fp−f₀、或はΔｆ＝f
s−f₀を時間で積分したものであるから、 ｎ＝∫2v/Pdt＝2/P∫dx＝２・（x₁−x₂）/P ……（９） となる。ここで、x₁−x₂は回折格子121の移動距離、即
ち測定する長さＬである。従って、 Ｌ＝Ｐ・n/2 ……（10） が得られる。

この場合、引算装置124によって得られた値ｎの符号
は、前記信号変換処理器128で信号を切り換える処理と
対応させる。即ち、周波数fsの信号の場合を正とし、周
波数fpの信号の場合は負とする。

一方、前記基準ビート信号と前記信号変換処理器128
からのビート信号は、位相器126に入力される。両者の
位相差Δφは、前記信号変換処理器128からのビート信
号がｐ偏光の信号の場合をΔφｐ、ｓ偏光の場合Δφｓ
とすると、次式のように表される。

Δφｐ＝２π（−Ｌ・sinθ₁/λ_１−（Ｌ・sinθ₂/
λ_２）） ＝−２π・L/（P/2） ……（11） Δφｓ＝２π（Ｌ・sinθ₁/λ_１−（−Ｌ・sinθ₂/
λ_２）） ＝２π・L/（P/2） ……（12） 式（11）、（12）から明らかなように、位相差のずれ
の方向は、周波数偏移の方向と同じであり、引算装置12
4によって得られた値ｎの符号と一致する。この位相差
値は、信号処理制御装置125に入力される。そして、信
号処理制御装置125では、位相差値、及び引算装置124に
よる計数値ｎをもとに制御信号をステージ駆動装置129
に送り、ステージ127を所定の位置に制御する。

このように、回折格子121の移動速度が高速になって
周波数偏移量fp、またはfsがビート周波数f₀以上になっ
ても移動方向に関係なく、移動距離を検出可能である。
また、カウンタによる周期計測による移動分解能P/2で
検出し、周期間についてビート信号の位相差を検出する
ことにより高分解能を実現できる。即ち、周期間隔を位
相差検出分解能±１度で位相検出できるとすると、検出
分解能はP/（２・360）となる。なお、前記第１の実施
例で示したように、例えば、ダブラ等による周波数逓倍
処理を行うことにより周期間隔が小さくなり、移動分解
能をさらに高精度にすることは可能である。

また、カウンタによる周期計測と位相差信号は連続的
に計測可能であり、予め回折格子のP/2以内にプリアラ
イメントする必要はない。

なお、上記の第１〜第２の実施例においては、２波長
の単色光光源としるいずれも２波長直交偏光レーザー光
源を用いたが、２波長の単色光としてブラッグセルなど
の音響光学素子を用いて生成した光を用いても同様の効
果を得ることができる。この場合、音響光学素子と半導
体レーザーとを組合せることにより、２波長単色光光源
のコンパクト化が可能である。さらに、２波長レーザー
光の入射光学系に偏波面保存光ファイバー等の光ファイ
バーを用いて、移動量検出光学系本体と２波長単色光光
源とを分離され、両者を光ファイバーで結合させる等の
技術を適用させることにより、移動量検出光学系をさら
にコンパクト化させることが可能である。

また、上記の第１〜第２の実施例においては、微小変
位計としての応用例を示したが、回折格子を回転可能な
円盤上に設定したロータリーエンコーダーにも応用可能
である。この場合にも同様の効果を得ることができる。
さらにまた、回折格子への入射光の方向、及び回折格子
からの回折光の方向が回折格子面に垂直なXY平面に含ま
れる例について説明したが、回折格子への入射光の方
向、及び回折格子からの回折光の方向として、回折格子
面に垂直なXY平面に含まれない斜め入射、及び斜め出射
の２波長の回折光を光学的に合成して光ヘテロダイン干
渉ビート信号を検出するようにしても同様の効果を得る
ことができる。

さらに、本発明における回折格子としては、吸収型回
折格子、位相型回折格子のいずれを用いてもよく、また
バイナリー回折格子に限らず正弦波状回折格子、フレー
ズ回折格子等、種々の回折格子を用いることが可能であ
るし、透過型の他に反射型回折格子を用いることも可能
である。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、互いに位相ず
れの方向が異なる光ヘテロダイン干渉ビート信号と基準
ビート信号との位相差、並びに互いにレーザードップラ
効果による周波数偏移の方向の異なる光ヘテロダイン干
渉ビート信号と基準ビート信号との周波数差を検出する
ことにより、従来のものよりも高速、高安定性、高分解
能であり、しかも小型の移動量測定方法、及びそのため
の移動量測定装置を提供することができる。

しかも、位相差、周波数差を測定するための光ヘテロ
ダイン干渉ビート信号を物体の移動方向に応じて切り換
えているので、物体が高速で移動してドップラ効果によ
る周波数シフト量がビート周波数を越えた場合でも周波
数が負の値とならず、カウンタによる計測が可能であ
る。従って、ビート周波数により測長器の応答速度が制
約されることがなく、移動量測定装置そのものの応答速
度を向上させることが可能である。

また、位相差信号と周波数差を連続的に計測できるた
め、移動量測定の検出信号に回折格子を用いた干渉計か
ら得られる回折光のように周期的に繰り返す信号を利用
する場合においても予め回折格子のピッチ以内に設定営
するプリアライメント光学装置を必要とせず、装置の小
型化、光学系、機械制御系の簡素化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例の構成を示すブロック
図、第２図はこの発明の第２の実施例の構成を示すブロ
ック図、第３図は従来のレーザ干渉測長器の構成を示す
ブロック図、第４図は回折格子とレーザ光を組み合わせ
た従来装置の構成を示すブロック図、第５図は第４図に
示す装置の動作を説明するための波形図である。 １……レーザ光源、２……音響光学変調器、３……ミラ
ー、４……基板、4a……回折格子、５……ステージ、６
……発振回路、７……光電検出器、7a……スリット、８
……位相差検出回路、９……増幅器、10……０次光、1
0、11、13……回折光、12……変調光、20……測長器、2
1……駆動モータ、22……主制御装置、30……周波数調
整器、50……レーザ光源、51……ビームスプリッタ、5
2、53……光電検出器、54、55……増幅器、56、57……
ダブラ、58、59……カウンタ、60……1/4波長板、61…
…偏光ビームスプリッタ、62……固定コーナーキューブ
プリズム、63……移動コーナーキューブプリズム、64…
…ミラー、65……引算装置、66……計数表示装置、70…
…２波長直交偏光レーザ光源、71、89……ビームスプリ
ッター、72、73、74……集光レンズ、75、76、77……偏
光板、78、79、80……光電検出器、81、82、83……増幅
器、84、85、86……ダブラ、87、88……カウンタ、90…
…固定コーナーキューブプリズム、91……移動コーナー
キューブプリズム、92……偏光ビームスプリッタ、93…
…ミラー、94……信号変換処理器、95……位相器、96…
…引算装置、100……２波長直交偏光レーザ光源、101、
102……ビームスプリッター、103、104、105……集光レ
ンズ、106、107、108……偏光板、109、110、111……光
電検出器、112、113、114……増幅器、115、116……カ
ウンタ、117、118、119、120……ミラー、121……回折
格子、122……1/2波長板、123……偏光ビームスプリッ
タ、124……引算装置、125……信号処理制御装置、126
……位相器、127……ステージ、128……信号変換処理
器、129……ステージ駆動装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 9/02 G01B 11/00 - 11/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周波数が互いにわずかに異なる２波長の単
   色光を光源として用い、前記２波長の単色光を合成し光
   へテロダイン干渉させて第１のビート信号を生成すると
   ともに、前記２波長の単色光を移動可能な物体上の光学
   素子に所定角度の方向から入射させ、前記光学素子から
   得られる周波数がわずかに異なる２波長の単色光を光へ
   テロダイン干渉させ、これにより、第１のビート信号の
   周波数および位相に対し、ドップラ偏移の方向および位
   相ずれの方向が互いに逆方向に変化する第２、第３のビ
   ート信号を生成し、前記第１のビート信号に対する前記
   第２、第３のビート信号の周波数のドップラ偏移量を検
   出することによって移動方向、粗移動を検出し、前記第
   １〜第３のビート信号のうちいずれか２つのビート信号
   の位相差から微小移動を検出することによって、前記物
   体の移動距離を測定することを特徴とする移動量測定方
   法。
2. 【請求項２】移動可能な物体上に固定または形成された
   光学素子と、周波数が互いにわずかに異なる２波長の単
   色光を発生する光源と、この光源から発せられた２波長
   の単色光を合成し光ヘテロダイン干渉させて第１のビー
   ト信号を生成する第１の光合成検出手段と、前記光源か
   ら発せられた２波長の単色光を前記光学素子に所定角度
   の方向からそれぞれ入射させる入射角調整手段と、前記
   光学素子から得られる２波長の単色光を合成し、第１の
   ビート信号の周波数および位相に対し、ドップラ偏移の
   方向および位相ずれが互いに逆方向に変化する第２、第
   ３の光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成する第２、第
   ３の光合成検出手段と、前記第１〜第３のビート信号の
   周波数のレーザドップラ偏移量から、移動方向と、粗移
   動に対応する周波数差とを検出する周波数処理装置と、
   前記第１〜第３の光合成検出手段によって生成された第
   １〜第３のビート信号から微小移動に対応する位相差信
   号を検出する位相差信号検出手段と、前記周波数差およ
   び前記位相差信号から物体の移動量を算出する信号処理
   装置とを具備することを特徴とする移動量測定装置。