JP7233186B2 - 相対位置検出手段、及び変位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の変位を検出する変位検出装置に備わる相対位置検出手段、及び当該相対位置検出手段を備える変位検出装置に関する。

従来から、被測定物の変位を非接触で測定する装置として光を用いた変位検出装置が広く利用されている。変位検出装置は、可動部分となる被測定物の変位に基づいて、光源からの光の位相を変化させ、その光の位相の変化状態を検出することで被測定物の変位量を検出する。近年では、工作機械や半導体製造装置を中心として、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。

このように高分解能化された変位検出装置として、例えば、特許文献１及び２に記載されているものがある。特許文献１では、波長の異なる２種類の光波の光軸のずれに基づく測定誤差を防止することによって、高精度な測定を実現可能とするレーザ干渉計について開示されている。一方、特許文献２では、光源の発振特性に合わせ偏波保持ファイバを任意の長さで構成することによって、安定した精度の高い変位量の検出ができる変位検出装置について開示されている。

特開２００９－３００２６３号公報 特開２０１６－１４２５５２号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載された変位検出装置では、装置に備わる部品の性能や形状によって、計測方向に移動する被測定物に設けられる被測定対象となるターゲットの相対位置情報を示すインクリメンタル信号の周期が決まってしまう。すなわち、特許文献１に記載されたレーザ干渉計では、使用する光源の波長によって信号周期が決まってしまい、特許文献２に記載された変位検出装置では、被測定面に設けられる回折格子の格子間隔によって信号周期が決まってしまう。このため、装置に備わる部品を取り替えることなく幅広い信号周期に対応することが困難なものとなっていた。安定した精度の高い変位量の検出をするためには、ターゲットの相対位置情報を検出する際に、幅広いインクリメンタル信号の周期に対応出来ることが望まれる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で幅広い信号周期に対応することの可能な、新規かつ改良された相対位置検出手段、及び当該相対位置検出手段を備える変位検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、被測定物の計測方向に沿った相対的な変位位置を光学的に検出する相対位置検出手段であって、前記被測定物に載置され、光源からの光が照射されるターゲットと、前記光に対する前記ターゲットでの反射光の偏光状態を変化させて受光する相対位置検出用受光部と、前記相対位置検出用受光部で受光した前記反射光の偏光状態の変化に基づいて前記ターゲットの前記計測方向に沿った変位に基づく相対位置情報を出力する相対位置情報出力部と、を備え、前記ターゲットは、前記被測定物に載置される反射物と、前記反射物の上に互いに異なる向きに設けられ、それぞれ底面の基端側を中心として該底面の先端側が前記反射物に対して回動可能に構成されている複数の複屈折部材であって、前記計測方向に沿って先端から基端への厚さが変化する第１の複屈折部材と、前記計測方向と異なる方向に沿って先端から基端への厚さが変化する第２の複屈折部材と、を含む、ことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、複屈折部材の傾きと配置によってターゲットの相対位置情報を示すインクリメンタル信号の周期が定められるので、簡素な構成で幅広い信号周期に対応できる。

このとき、本発明の一態様では、前記相対位置検出用受光部は、前記ターゲットの前記計測方向への移動に伴い前記反射光の偏光状態の変化を検出し、前記相対位置情報出力部は、前記反射光の偏光状態の変化を光電変換して得らえた信号に基づいて前記ターゲットの前記相対位置情報を出力することとしてもよい。

このようにすれば、簡素な構成で幅広い信号周期に対応可能とした上でターゲットの相対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の変位検出が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記相対位置検出用受光部は、前記反射光を２つに分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分岐された一方の反射光のＳ成分を反射させてＰ成分を透過させる第１の偏光ビームスプリッタと、前記第１の偏光ビームスプリッタの透過光を受光する第１の受光素子と、前記第１の偏光ビームスプリッタの反射光を受光する第２の受光素子と、前記ビームスプリッタで分岐された他方の反射光のＳ成分を反射させてＰ成分を透過させる第２の偏光ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタとの間に介在される１／４波長板と、前記第２の偏光ビームスプリッタの反射光を受光する第３の受光素子と、前記第２の偏光ビームスプリッタの透過光を受光する第４の受光素子と、を備えることとしてもよい。

このようにすれば、簡素な構成でターゲットの計測方向への移動に伴い反射光の偏光状態の変化を確実に検出できる。

また、本発明の一態様では、前記複屈折部材は、前記計測方向に沿って複数の異なる複屈折部材を並列に配置することにより構成されるか、又は前記光の入射方向に沿って複数の異なる複屈折部材を積層することにより構成されることとしてもよい。

このようにすれば、簡素な構成でターゲットの計測方向への移動に伴い反射光の偏光状態の変化を示す信号出力の感度や周期を容易に変えることができる。

また、本発明の一態様では、前記複屈折部材は、結晶軸の方向が異なる複数の複屈折部材が前記光の入射方向に沿って積層されて構成されることとしてもよい。

このようにすれば、複屈折部材を構成する各部材の結晶軸方向が直交している場合等に熱変動や光源の波長変動による影響を抑制することができる。

また、本発明の一態様では、前記光源に対する前記複屈折部材の前段側又は後段側の何れかに補正プリズムが設けられていることとしてもよい。

このようにすれば、複屈折部材を透過したビーム分布内の偏光状態が均一となるので、後段側の絶対位置検出手段による安定した高精度な変位検出が可能となる。

また、本発明の一態様では、前記相対位置検出用受光部が前記計測方向に沿って２つ設けられており、それぞれの相対位置検出用受光部で検出した前記反射光の偏光状態の位相変動量の差分に基づいて波長変動量を推定して補正することとしてもよい。

このようにすれば、各相対位置検出用受光部で検出した反射光の偏光状態の位相変動量の差分に基づいて波長変動量を容易に推定できるので、かかる推定に基づいて波長変動量を補正することによって、より高精度な変位検出が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記光源と前記複屈折部材との間に偏光板が更に設けられることとしてもよい。

このようにすれば、変位検出に用いるビームをより高消光比とすることができるので、より高精度な変位検出が可能となる。

また、本発明の一態様では、前記相対位置検出用受光部には、前記反射光に対してアジマス補正を行うアジマス補正部が更に設けられることとしてもよい。

このようにすれば、偏光板を透過した反射光の角度差による差分が修正されるので、より高精度な変位検出が可能になる。

本発明の他の態様は、 被測定物の計測方向に沿った変位を光学的に検出する変位検出装置であって、光を照射する光源と、前記光源からの前記光を２つに分岐する光源側ビームスプリッタと、前記光源側ビームスプリッタで分岐された一方の光に対する反射光の偏光状態の変化に基づいて前記被測定物の前記計測方向の前記変位の相対位置を検出する相対位置検出手段と、前記光源側ビームスプリッタで分岐された他方の光に対する反射光の光量の変化に基づいて前記被測定物の前記計測方向の前記変位の絶対位置を検出する絶対位置検出手段と、を備え、前記絶対位置検出手段と前記相対位置検出手段は、前記被測定物の前記計測方向に対してインライン上に設けられ、前記相対位置検出手段は、前記被測定物に載置され、前記光源からの前記光が照射されるターゲットと、前記光に対する前記ターゲットでの反射光の偏光状態を変化させて受光する相対位置検出用受光部と、前記相対位置検出用受光部で受光した前記反射光の偏光状態の変化に基づいて前記ターゲットの前記計測方向の前記変位に基づく前記相対位置情報を出力する相対位置情報出力部と、を備え、前記ターゲットは、前記被測定物に載置される反射物と、前記反射物の上に互いに異なる向きに設けられ、それぞれ底面の基端側を中心として該底面の先端側が前記反射物に対して回動可能に構成されている複数の複屈折部材であって、前記計測方向に沿って先端から基端への厚さが変化する第１の複屈折部材と、前記計測方向と異なる方向に沿って先端から基端への厚さが変化する第２の複屈折部材と、を含む、ことを特徴とする。

本発明の他の態様によれば、簡素な構成で幅広い信号周期に対応可能とした上でターゲットの絶対位置情報と相対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の変位検出が可能になり、また、複屈折部材の傾きと配置によってターゲットの相対位置情報を示すインクリメンタル信号の周期が定められるので、簡素な構成で幅広い信号周期に対応できる。

また、本発明の他の態様では、前記相対位置検出用受光部は、前記ターゲットの前記計測方向への移動に伴い前記反射光の偏光状態の変化を検出し、前記相対位置情報出力部は、前記反射光の偏光状態の変化を光電変換して得らえた信号に基づいて前記ターゲットの前記相対位置情報を出力することとしてもよい。

このようにすれば、簡素な構成で幅広い信号周期に対応可能とした上でターゲットの相対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の変位検出が可能になる。

また、本発明の他の態様では、前記絶対位置検出手段は、前記被測定物に載置され、前記光源から前記光がミラーを介して照射されるプリズムと、前記光に対する前記プリズムでの反射光の偏光状態を変化させて受光する絶対位置検出用受光部と、前記絶対位置検出用受光部で受光した前記反射光の前記光量の変化に基づいて前記プリズムの前記計測方向の変位に基づく絶対位置情報を出力する絶対位置情報出力部と、を備え、前記プリズムの頂面側には、前記計測方向に沿って反射特性が変化する可変反射膜が設けられることとしてもよい。

このようにすれば、簡素な構成で幅広い信号周期に対応可能とした上でターゲットの絶対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の変位検出が可能になる。

以上説明したように本発明によれば、複屈折部材の傾きと配置によってターゲットの相対位置情報を示すインクリメンタル信号の周期が定められるので、簡素な構成で幅広い信号周期に対応できる。また、簡素な構成で幅広い信号周期に対応可能とした上でターゲットの相対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の変位検出が可能になる。

本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成の概略を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成の概略を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置に備わる相対位置検出手段の構成の概略を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段に備わる相対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段の複屈折部材による測定原理を示す説明図であり、（Ｂ）は、当該複屈折部材の結晶軸に関する説明図である。 （Ａ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置に備わる絶対位置検出手段の構成の概略を示す側面図であり、（Ｂ）は、当該絶対位置検出手段に備わる可変反射膜の構成を示す平面図であり、（Ｃ）は、当該絶対位置検出手段に備わる絶対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置による信号出力の概要を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段に備わるインクリメンタル信号発生器のリサージュ信号の角度を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の各構成要素の信号出力を示すグラフである。 （Ａ）は、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段の複屈折部材の変形例の一例を示す説明図であり、（Ｂ）は、当該複屈折部材の移動量と位置情報との関係を示すグラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段の複屈折部材の他の変形例の一例を示す説明図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段の複屈折部材の更に他の変形例の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段の複屈折部材の更に他の変形例の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の変形例の構成の概略を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の変形例の他の態様の構成及び動作の概略を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の変形例に備わる反射膜付きプリズムの更に他の変形例の構成の概略を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の他の変形例の構成の概略を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の他の変形例の構成の概略を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の変形例の一変形例の構成の概略を示す斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段の他の変形例に設けられる補正プリズムの他の設置態様の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の変形例の他の変形例の構成の概略を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の更に他の変形例の構成の概略を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る変位検出装置の更に他の変形例の構成の概略を示す斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また、以下の説明において記載される各種レンズは、所定の結像性能を持っていれば、その形態は、どのようなものでもよく、球面や非球面の単レンズ、レンズ群、あるいは結像機能を持った回折格子でもよい。

まず、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成の概略を示す正面図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成の概略を示す平面図である。

本発明の一実施形態に係る変位検出装置１００は、被測定物１０の計測方向（Ｘ方向）の変位の絶対位置及び相対位置を光学的に検出する装置である。ここで言及する絶対位置とは、被測定物１０の基準点から計測方向（Ｘ方向）の変位を受光した光量の変化を電圧等の絶対値に変換した位置情報を示し、相対位置とは、偏光の変化を受光し電圧等の周期的な信号を位相変換した位置情報を示す。

本実施形態の変位検出装置１００は、図１及び図２に示すように、光源１０２と、光源側ビームスプリッタ１０８と、相対位置検出手段１１０と、絶対位置検出手段１４０と、を備える。そして、本実施形態の変位検出装置１００は、絶対位置検出手段１４０と相対位置検出手段１１０が被測定物１０の計測方向（Ｘ方向）に対してインライン上に設けられることを特徴とする。

光源１０２は、可干渉距離の制限された可干渉光を出射してもよい。本実施形態では、光源１０２として、マルチモードの半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオード等の可干渉光源であるが、可干渉距離の比較的短い光源が使用される。ただし、光源１０２は、これら特定の種類の光源に限定されるわけではない。

また、本実施形態では、光源１０２から出た光として偏光を使うので、光源１０２の出力段側には、コリメートレンズからなる第１のレンズ１０４と偏光子１０６が設けられている。このように、光源１０２から出た光は、第１のレンズ１０４を介してコリメート光にされてから偏光子１０６を使ってある一定の直線偏光に変換される。

なお、光源１０２の位置としては、図１に示された光源１０２の位置に置いてもよいし、光源１０２の発熱の影響を避けるため、光源１０２を離れた場所に設置し、光ファイバを用いて光を伝搬させて、光ファイバの出射端を図１に示された光源１０２の位置に置くようにしてもよい。このときも、光ファイバを出射した発散する光ビームは、コリメートレンズによってコリメートビームに変換される。また、光源からのビームが直線偏光の場合は、光ファイバには、偏波保持ファイバ等の偏波面を保持できるものを用いる。

光源側ビームスプリッタ１０８は、光源１０２からの可干渉光を２つに分岐する偏光依存のない無偏向型のビームスプリッタである。本実施形態では、光源側ビームスプリッタ１０８は、図１及び図２に示すように、光源１０２からの光ｂ１を絶対位置検出手段１４０に行く方向と、そのまま相対位置検出手段１１０に備わるターゲット１１２に入射する方向に分けられる。

相対位置検出手段１１０は、光源側ビームスプリッタ１０８で分岐された一方の光ｂ１に対する反射光ｂ２の偏光状態の変化に基づいて被測定物１０の計測方向の変位の相対位置を検出する機能を有する。本実施形態では、相対位置検出手段１１０は、ターゲット１１２と、相対位置検出用受光部１２０と、及び相対位置情報出力部１３０（図４参照）と、を備える。

ターゲット１１２は、被測定物１０に載置され、光源１０２からの光ｂ１が照射される。ターゲット１１２には、被測定物１０に載置される板状の反射物１１４と、当該反射物１１４の上に設けられ、計測方向に沿って先端１１６ａから基端１１６ａ´への厚さが増加ように変化する複屈折部材１１６が設けられる。そして、複屈折部材１１６は、底面１１６ｂの基端側を中心として当該底面１１６ｂの先端側が反射物１１４に対して回動可能に構成されている。すなわち、複屈折部材１１６は、先端１１６ａが角度θ_１である複屈折部材１１６の底面１１６ｂと反射物１１４との角度θ_２を調整可能にしてもよい。

相対位置検出用受光部１２０は、可干渉光ｂ１に対するターゲット１１２での反射光ｂ２の偏光状態を変化させて受光する。本実施形態では、相対位置検出用受光部１２０は、ビームスプリッタ１２１、第１の偏光ビームスプリッタ１２２、第１の受光素子１２３、第２の受光素子１２４、１／４波長板１２５（図３参照）、第２の偏光ビームスプリッタ１２６、第３の受光素子１２７、及び第４の受光素子１２８を備える。相対位置検出用受光部１２０で受光した反射光ｂ２の偏光状態の変化を表す信号は、相対位置情報出力部１３０（図４参照）に送られて、相対位置情報出力部１３０は、当該信号に基づいてターゲット１１２の計測方向の変位に基づく相対位置情報を出力する。なお、相対位置検出手段１１０に備わるターゲット１１２、相対位置検出用受光部１２０、及び相対位置情報出力部１３０の詳細については、後述する。

絶対位置検出手段１４０は、光源側ビームスプリッタ１０８で分岐された他方の光ｂ３、ｂ４に対する反射光ｂ５、ｂ６の光量の変化に基づいて被測定物１０の計測方向の変位の絶対位置を検出する機能を有する。本実施形態では、絶対位置検出手段１４０は、頂面側に可変反射膜１４６が設けられたプリズム１４４と、光源側ビームスプリッタ１０８で分岐された他方の光ｂ３をプリズム１４４に導入するミラー１４２と、絶対位置検出用受光部１５０と、及び絶対位置情報出力部１６０（図６（Ｃ）参照）と、を備える。

絶対位置検出用受光部１５０は、ミラー１４２での反射光ｂ４に対するプリズム１４４及び被測定物１０の反射光ｂ５、ｂ６の光量を変化させて受光する。本実施形態では、絶対位置検出用受光部１５０は、第５の受光素子１５２、及び第６の受光素子１５４を備える。絶対位置検出用受光部１５０で受光した反射光ｂ５、ｂ６の光量の変化を表す信号は、絶対位置情報出力部１６０（図６（Ｃ）参照）に送られて、絶対位置情報出力部１６０は、当該信号に基づいてプリズム１４４の計測方向の変位に基づく絶対位置情報を出力する。なお、絶対位置検出手段１４０に備わるプリズム１４４、絶対位置検出用受光部１５０、及び絶対位置情報出力部１６０の詳細については、後述する。

次に、本発明の一実施形態に係る変位検出装置に備わる相対位置検出手段の構成について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置に備わる相対位置検出手段の構成の概略を示す側面図であり、図４は、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段に備わる相対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。

相対位置検出手段１１０は、前述したように、光源側ビームスプリッタ１０８で分岐された一方の光ｂ１に対する反射光ｂ２の偏光状態の変化に基づいて被測定物１０の計測方向の変位の相対位置を検出する機能を有する。本実施形態では、相対位置検出手段１１０は、ターゲット１１２と、相対位置検出用受光部１２０と、及び相対位置情報出力部１３０と、を備える。

本実施形態では、相対位置検出手段１１０は、相対位置検出用受光部１２０がターゲット１１２の計測方向への移動に伴い反射光の偏光状態の変化を検出し、相対位置情報出力部１３０が反射光の偏光状態の変化を光電変換して得らえた信号に基づいてターゲット１１２の相対位置情報を出力することを特徴とする。

ターゲット１１２は、被測定物１０に載置され、被測定物１０の変位の検出対象として機能する。ターゲット１１２には、光源１０２からの可干渉光ｂ１が第１のレンズ１０４と偏光子１０６を介して一定の直線偏光に変換されてから光源側ビームスプリッタ１０８を経由して照射される。

本実施形態では、ターゲット１１２は、被測定物１０に載置される板状の反射物１１４と、当該反射物１１４の上に設けられ、計測方向に沿って先端１１６ａから基端１１６ａ´への厚さが増加する略三角柱形状の複屈折部材１１６を備える。そして、複屈折部材１１６は、底面１１６ｂの基端側を中心として当該底面１１６ｂの先端側が反射物１１４に対して回動可能に構成されている。すなわち、複屈折部材１１６は、先端１１６ａが角度θ_１である複屈折部材１１６の底面１１６ｂと反射物１１４との角度θ_２を調整可能にしてもよい。

相対位置検出用受光部１２０は、光ｂ１に対するターゲット１１２での反射光ｂ２の偏光状態を変化させて受光する機能を有する。本実施形態では、相対位置検出用受光部１２０は、ビームスプリッタ１２１、第１の偏光ビームスプリッタ１２２、第１の受光素子１２３、第２の受光素子１２４、１／４波長板１２５、第２の偏光ビームスプリッタ１２６、第３の受光素子１２７、及び第４の受光素子１２８を備える。

ビームスプリッタ１２１は、反射物１１４での反射光ｂ２を２つに分岐する偏光依存のない無偏光型ビームスプリッタである。第１の偏光ビームスプリッタ１２２は、ビームスプリッタ１２１で分岐された一方の反射光ｂ７のＳ成分を反射させてＰ成分を透過させる偏光型ビームスプリッタである。第１の受光素子１２３は、第１の偏光ビームスプリッタ１２２の透過光を受光して光電変換をするフォトダイオード等からなる受光素子である。
第２の受光素子１２４は、第１の偏光ビームスプリッタ１２２の反射光ｂ１０を受光して光電変換をするフォトダイオード等からなる受光素子である。第２の偏光ビームスプリッタ１２６は、ビームスプリッタ１２１で分岐された他方の反射光ｂ８のＳ成分を反射させてＰ成分を透過させる偏光型ビームスプリッタである。１／４波長板１２５は、ビームスプリッタ１２１と第２の偏光ビームスプリッタ１２６との間に介在され、反射光ｂ８の位相を１／４波長分ずらす機能を有する。第３の受光素子１２７は、第２の偏光ビームスプリッタ１２６の反射光ｂ１１を受光して光電変換をするフォトダイオード等からなる受光素子である。第４の受光素子１２８は、第２の偏光ビームスプリッタ１２６の透過光ｂ１２を受光して光電変換をするフォトダイオード等からなる受光素子である。

相対位置検出用受光部１２０で受光した反射光ｂ２の偏光状態の変化を表す信号は、相対位置情報出力部１３０に送られ、当該相対位置情報出力部１３０は、当該信号に基づいてターゲット１１２の計測方向の変位に基づく相対位置情報を出力する。相対位置情報出力部１３０は、図４に示すように、第１の差動増幅器１３１と、第２の差動増幅器１３２と、第１のＡ／Ｄ変換器１３３と、第２のＡ／Ｄ変換器１３４と、波形補正処理部１３５と、インクリメンタル信号発生器１３６とを備える。

第１の差動増幅器１３１は、相対位置検出用受光部１２０の第１の受光素子１２３及び第２の受光素子１２４が入力端に接続され、出力端に第１のＡ／Ｄ変換器１３３が接続されている。また、第２の差動増幅器１３２は、相対位置検出用受光部１２０の第３の受光素子１２７及び第４の受光素子１２８が入力端に接続され、出力端に第２のＡ／Ｄ変換器１３４が接続されている。そして、第１のＡ／Ｄ変換器１３３及び第２のＡ／Ｄ変換器１３４は、波形補正処理部１３５に接続されている。波形補正処理部１３５は、インクリメンタル信号発生器１３６に接続されている。

相対位置情報出力部１３０は、相対位置検出用受光部１２０で受光した光の強度に基づいてターゲット１１２の変位情報を出力する機能を有する。具体的には、相対位置情報出力部１３０では、まず、フォトダイオードからなる第１の受光素子１２３、第２の受光素子１２４からの信号を第１の差動増幅器１３１によって、第３の受光素子１２７、第４の受光素子１２８からの信号を第２の差動増幅器１３２によって、それぞれ所定の増幅率α、βで差動増幅する。増倍率α、βは、増幅後の２つの信号の振幅が等しくなるように、かつ、後段のＡ／Ｄ変換器１３３、１３４の入力可能レンジに合わせて設定する。

差動増幅器１３１、１３２で差動増幅されて得られた２つの信号は、Ａ／Ｄ変換器１３３、１３４でアナログのｓｉｎ、ｃｏｓ信号からデジタル信号へと数値化され、波形補正処理部１３５で演算処理が行われる。波形補正処理部１３５、インクリメンタル信号発生器１３６では、ＤＳＰが組み込まれたプログラマブルロジックデバイス等で演算を行い、アナログ信号の乱れに起因するｓｉｎθ信号、ｃｏｓθ信号の振幅変動、オフセット変動、及び位相変動の補正を行う。補正された信号からθ＝Ａｔａｎθを求めることにより、より正確なスケールの位置情報を生成し、必要な形式のインクリメンタル信号を発生させることができる。

本実施形態では、計測方向に沿って厚みが変化した複屈折部材１１６を備えたターゲット１１２に偏光されたビームを照射し、ターゲット１１２が計測方向に移動することによって、ターゲット１１２から反射するビームの偏光状態を変化させられる。そして、相対位置情報出力部１３０は、その偏光状態の変化を４つの受光素子１２３、１２４、１２７、１２８によって検出して、その４つの受光素子１２３、１２４、１２７、１２８から光電変換された信号に基づいてインクリメンタル信号の位相を求めて、測定方向に移動するターゲット１１２の相対位置情報をインクリメンタル信号発生器１３６より出力する。

その際に、複屈折部材１１６の先端１１６ａの角度θ_１と複屈折部材１１６の底面１１６ｂと反射物１１４との角度θ_２を調整することによって、自由にインクリメンタル信号の信号周期を所定の大きさに決めることができる。このため、簡素な構成で幅広い信号周期に対応可能とした上でターゲット１１２の相対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の被測定物１０の変位検出が可能になる。

次に、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段の動作にについて、図面を使用しながら説明する。図５（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段の複屈折部材による測定原理を示す説明図であり、図５（Ｂ）は、当該複屈折部材の結晶軸に関する説明図である。

本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段１２０では、光線の偏光状態を観測することで、ターゲット１１２の移動量Ｌを検出する。具体的には、図５（Ａ）に示すように、透過する箇所によって厚みの異なる複屈折部材１１６に光を透過させ、Ｐ偏光とＳ偏光に位相差を付ける。その位相差を不図示の偏光子によって光量変動に変換し、移動量Ｌを検出する。

このとき、Ｐ偏光とＳ偏光の光路差をｄ、Ｐ偏光とＳ偏光の屈折率差をΔｎ、光源の波長をλで表すと、位相差Δφは、下記の式（１）で表せる。
Δφ＝２π×ｄ×Δｎ／λ・・・・・（１）

図５（Ａ）に示すように、複屈折部材１１６の先端１１６ａの角度θ_１、複屈折部材１１６の底面１１６ｂと反射物１１４との角度θ_２と、移動量Ｌだけ動いた場合のＰ偏光とＳ偏光の光路差ｄは、下記の式（２）で表せる。
ｄ＝Ｌ（ｔａｎθ_１－ｔａｎ（θ_１－θ_２））・・・・・（２）

移動量Ｌを移動するとΔφ＝２πとなるので、前述した式（１）を整理すると、下記の式（３）の関係式が成立する。
ｄ ＝λ／Δｎ・・・・・（３）

前述した式（１）、式（２）、及び式（３）から下記の式（４）の関係式が成立する。
Ｌ＝λ／（Δｎ×（ｔａｎθ_１－ｔａｎ（θ_１－θ_２）））・・・・・（４）

前述した式（４）より、ターゲット１１２の移動量Ｌを複屈折部材１１６の先端１１６ａの角度θ_１と、複屈折部材１１６の底面１１６ｂと反射物１１４との角度θ_２で任意の大きさに変更できることが分かる。また、dead pathが０であることから、ターゲット１１２の移動による位相差のみが検出可能となる。

例えば、複屈折部材１１６の材質を水晶として、光源の波長λを７９０ｎｍ、移動量Ｌを１００μｍの場合に、θ_１を２０度としたとき、θ_２が３５．８９５・・・≒３５．９度となる。すなわち、ターゲット１１２の移動量Ｌに応じて複屈折部材１１６の角度θ_１、θ_２を調整できるので、ターゲット１１２の移動量Ｌのピッチを所望の大きさに自由に変えられるようになる。このため、ターゲット１１２の相対位置情報を示すインクリメンタル信号の周期を自由に定められる。

また、複屈折部材１１６は、結晶軸（光学軸）によって屈折率が異なる材質である。このため、図５（Ｂ）に示すように、結晶軸Ａ１に対して入射光の偏光方向が傾くと、屈折率は、その傾き角度θ_３によって変化する。具体的には、Ｐ偏光の屈折率ｎ_ｐ、Ｓ偏光の屈折率ｎ_ｓ、複屈折部材のＸ方向の屈折率ｎ_ｘ、複屈折部材のＹ方向の屈折率ｎ_ｙは、それぞれ下記の式（５）及び式（６）の関係式が成立する。
ｎ_ｓ＝ｎ_ｙ・・・・・（５）

θ_３＝０°であれば、入射光のＰ偏光は、結晶のX軸と揃うため、ｎ_ｐ＝ｎ_ｘとなり、同様にＳ偏光もｎ_ｓ＝ｎ_ｙとなる。つまり、屈折率差Δｎは、結晶軸Ａ１への入射光によって変化させることができるため、下記の式（７）の関係式が成立する。

上記の式（７）で示される屈折率差Δｎを前述したターゲット１１２の移動量Ｌと角度θ_１、θ_２との関係を示す式（４）に代入すると、下記の式（８）の関係式が成立する。

上記の式（８）に示すように、複屈折部材１１６の先端１１６ａの角度θ_１、複屈折部材１１６の底面１１６ｂと反射物１１４との角度θ_２、及び結晶軸Ａ１に対する入射光の傾き角度θ_３によって、ターゲット１１２の移動量Ｌを変化できる。すなわち、ターゲット１１２の移動量Ｌに応じて複屈折部材１１６の角度θ_１、θ_２及び結晶軸Ａ１に対する入射光の傾き角度θ_３を調整できるので、ターゲット１１２の移動量Ｌのピッチを所望の大きさに自由に変えられるようになる。

次に、本発明の一実施形態に係る変位検出装置に備わる絶対位置検出手段の構成について、図面を使用しながら説明する。図６（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置に備わる絶対位置検出手段の構成の概略を示す側面図であり、図６（Ｂ）は、当該絶対位置検出手段に備わる可変反射膜の構成を示す平面図であり、図６（Ｃ）は、当該絶対位置検出手段に備わる絶対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。

絶対位置検出手段１４０は、光源側ビームスプリッタ１０８（図１参照）で分岐された光に対する反射光の光量の変化に基づいて被測定物１０の計測方向（図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すＸ方向）の変位の絶対位置を検出する機能を有する。本実施形態では、絶対位置検出手段１４０は、被測定物１０に載置され、光源１０２からの光ｂ４がミラー１４２を介して照射されるプリズム１４４と、光ｂ４に対するプリズム１４４での反射光ｂ５、ｂ６の光量を変化させて受光する絶対位置検出用受光部１５０と、絶対位置検出用受光部１５０で受光した反射光ｂ５、ｂ６の光量の変化に基づいてプリズム１４４の計測方向の変位に基づく絶対位置情報を出力する絶対位置情報出力部１６０（図６（Ｃ）参照）と、を備える。

本実施形態では、被測定物１０の計測方向の変位の絶対位置情報を光学的に検出するために、図６（Ａ）に示すように、被測定物１０に載置される光ｂ４の照射対象が所定の厚さを有するプリズム１４４である。そして、プリズム１４４の頂面側には、図６（Ｂ）に示すように、計測方向（図６（Ｂ）に示すＸ方向）に沿って反射特性が変化する可変反射膜１４６が設けられる。

絶対位置検出用受光部１５０は、図６（Ａ）に示すように、光ｂ４の可変反射膜１４６での反射光ｂ５を集光する第２のレンズ１５１を介して受光して光電交換をするフォトダイオード等からなる第５の受光素子１５２と、可干渉光ｂ４の被測定物１０での反射光ｂ６を集光する第３のレンズ１５３を介して受光して光電交換をするフォトダイオード等からなる第６の受光素子１５４を備える。そして、第５の受光素子１５２と第６の受光素子１５４で光電して得られた信号は、図６（Ｃ）に示す絶対位置情報出力部１６０へ送られる。

絶対位置情報出力部１６０は、図６（Ｃ）に示すように、第１の絶対位置情報演算器１６１、第２の絶対位置情報演算器１６２、比較器１６３、加算器１６４、及び絶対位置変換器１６５を備える。第１の絶対位置情報演算器１６１は、第５の受光素子１５２で光電変換した信号を電圧値に変換する。第２の絶対位置情報演算器１６２は、第６の受光素子１５４で光電変換した信号を電圧値に変換する。比較器１６３は、第１の絶対位置情報演算器１６１と第２の絶対位置情報演算器１６２の位置情報の差を演算する。加算器１６４は、第１の絶対位置情報演算器１６１と第２の絶対位置情報演算器１６２の出力信号を加算する。絶対位置変換器１６５は、比較器１６３と加算器１６４の情報を元に可変反射板１４６が付いたプリズム１４４の測定方向Xの変位及び絶対位置情報を出力する。

このように、本実施形態の絶対位置検出手段１４０では、ミラー１４２を介して入射した可干渉光ｂ４が可変反射膜１４６を通って、一方は、可変反射膜１４６で反射して、もう一方は、可変反射膜１４６を透過する。そして、可変反射膜１４６で反射した反射光ｂ５と可変反射膜１４６を透過してから被測定物１０で反射した反射光ｂ６との光量差を第５の受光素子１５２と第６の受光素子１５４で拾って、差動を取って減算をすることによって、ＤＣキャンセルをする。例えば、光量の変動やノイズがあったとしても、差動を取ることによって消すことができる。このため、より効率よく透過率と反射率の変化を読み取ることによって、ターゲットの絶対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の変位検出が可能になる。

次に、本発明の一実施形態に係る変位検出装置による変位検出の動作について、図面を使用しながら説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置による信号出力の概要を示すブロック図であり、図８は、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段に備わるインクリメンタル信号発生器のリサージュ信号の角度を示す説明図であり、図９は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置の各構成要素の信号出力を示すグラフである。

本発明の一実施形態に係る変位検出装置１００では、図７に示すように、インクリメンタル信号発生器１３６から出力される相対位置情報を示すインクリメンタル信号と、絶対位置変換器１６５から出力されるプリズム１４４の測定方向Xの変位及び絶対位置情報に基づいて、絶対位置信号発生器１７０が絶対位置信号を出力する。

相対位置情報出力部１３０（図４参照）のインクリメンタル信号発生器１３６では、前段側に有する第１の差動増幅器１３１及び第２の差動増幅器１３２から供給された信号に基づき、ターゲット１１２の変位方向及び変位量を求め、インクリメンタル信号を発生する。その際に、第１の差動増幅器１３１（図４参照）及び第２の差動増幅器１３２（図４参照）から供給される信号に基づいて、図８に示すリサージュ信号の角度θを求める。

本実施形態では、第１の受光素子１２３と第２の受光素子１２４のＤＣキャンセルをすることによって得られるＳＩＮと、第３の受光素子１２７と第４の受光素子１２８のＤＣキャンセルをすることによって得られるＣＯＳをそれぞれＡ／Ｄ変換後に角度演算をして図８に示すリサージュ信号を作成する。具体的には、それぞれのｘにＳＩＮ、ｙにＣＯＳを書くと、円状のリサージュ曲線が描けて、インクリメンタル信号発生器１３６は、ターゲット１１２を横に測定方向に動かすと、出力が図９に示す円を描く。これを単位時間の角度で求めて変位情報にする。かかる変位情報がインクリメンタル信号発生器１３６の出力として出るので、１周３６０度の角度情報が出てきて、また、戻って０度から３６０度まで同じように延々と繰り返す。

例えば、１周期３６０度で１００μｍの場合では、θが０度の場合では、０ｍｍ、θが９０度の場合では、２５μｍ、θが１８０度の場合では、５０μｍとなる。その際に、インクリメンタル信号発生器１３６は、1６ＢｉｔのＡ/Ｄコンバータで分割することによって、１００μｍ/６５５３６＝１．５３ｎｍの分解能で相対位置を出力することが可能になる。一方、絶対位置変換器１６５は、インクリメンタルの１周期１００μｍの番地情報を出力して、絶対位置信号発生器１７０で上位の１００μｍの桁の絶対位置が確定させて、インクリメンタル信号と合成される。

本実施形態の変位検出装置１００は、前述したような相対位置検出手段１１０、及び絶対位置検出手段１４０を備えることによって、１周期１００μｍに設計した場合に、ターゲット１１２より反射したビームの偏光状態は、図９に示すように、縦偏光だったものが反時計回りの円偏光に変わり、そこから更に進むと、横方向の直線偏光に変わって、更に進むと時計回りの円偏光に変わってから元に戻って一周期の信号が取れる。

これに対して、第１の受光素子１２３と第２の受光素子１２４の信号出力に関しては、反射光ｂ２、ｂ７、ｂ９がそのまま通過してくる第１の受光素子１２３の出力がＭＡＸのときに、第１の偏光ビームスプリッタ１２２での反射光ｂ１０を受光する第２の受光素子１２４の出力がＭＩＮになる。すなわち、第１の受光素子１２３の出力信号がｓｉｎ曲線の場合に、第２の受光素子１２４の出力信号が－ｓｉｎ曲線になる。

一方、ビームスプリッタ１２１での反射光ｂ８は、λ／４波長板１２５を通過するので、第３の受光素子１２７と第４の受光素子１２８の信号出力に関しては、それぞれｃｏｓ曲線、－ｃｏｓ曲線になる。

本実施形態では、第１の差動増幅器１３１が第１の受光素子１２３と第２の受光素子１２４の信号出力の差動をとり、第２の差動増幅器１３２が第３の受光素子１２７と第４の受光素子１２８の信号出力の差動をとるので、第１の差動増幅器１３１と第２の差動増幅器１３２の出力信号は、それぞれ倍の振幅になる。その際に、図９の横の線が０Ｖを示し、ＤＣキャンセルをする。これによっては、光量が変化しても０Ｖ中心に変化するので、位相検出の誤差とならない。これらの差動増幅信号は、それぞれｓｉｎ曲線、ｃｏｓ曲線になって、これをインクリメンタル信号発生器１３６によって１週３６０度の角度情報になる。

この角度情報は、前述したリサージュ信号で求める。例えば、絶対位置情報の単位を１００μｍとした場合に１００μｍの中で３６０度のアブソリュート情報になっている。１００μｍを超えるとまた元に戻ってしまうことから、周期的な信号が作成されず、絶対位置検出が出来なくなってしまう。そこで今度は、絶対位置検出手段１４０で単純にレーザから来た光を表面と透過したものの差動を取ると、一方は、反射して、一方は透過する。
このため、これのバランスがリニアに変わっていくので、引き算すると電圧が少しずつ増えていくような信号になっていく。本実施形態では、これら差動増幅器１３１、１３２の出力信号をＡ／Ｄ変換器１３３、１３４でデジタル変換するが、電圧の変化をデジタル変換して、これを引き算することによって、ＤＣキャンセルされた信号が得られる。このため、インクリメンタル信号発生器１３６で作成されるインクリメンタル信号のデジタル角度値は、１周期で緩やかな勾配の増加を繰り返すグラフが得られ、絶対位置変換器１６５のデジタル絶対値は、所定の間隔で段階的にデジタル絶対値を増加させるグラフが得られる。

このように、本実施形態では、相対位置検出手段１００のターゲット１１２の複屈折部材１１６が計測方向に厚さが変化する断面がくさび状の構成として、かつ、複屈折部材１１６の先端１１６ａを基端１１６ａ´に対して回動可能にするので、複屈折部材１１６の傾きと配置によって、インクリメンタル信号の周期を所望の大きさに変更できる。すなわち、従来のように、インクリメンタル信号の信号周期によって部品を変えずに、所望の周期に変更できるので、簡素な構成で幅広い信号周期に対応可能とした上でターゲットの相対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の変位検出が可能になる。

また、本実施形態では、変位を検出するための２つの光波が空間的に同じ光路を通るので、外乱の影響を受けずに、安定した高精度の変位検出が可能になる。更に、本実施形態では、相対位置検出手段１１０と絶対位置検出手段１４０を被測定物１０の計測方向に対してインライン上に設けられるので、簡素な構成で幅広いインクリメンタル信号の周期に対応可能とした上でターゲットの相対位置情報も踏まえた絶対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の変位検出が可能になるので、極めて大きな工業的価値を有する。

なお、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段１００のターゲット１１２の複屈折部材１１６の構成は、計測方向に対して厚さが変化する形状であれば、その断面がくさび状となる略三角柱形状に限定されない。例えば、図１０（Ａ）に示すように、上に凸状の曲面形状の複屈折部材１１６ｃや、上に凹状の曲面形状の複屈折部材１１６ｄ、正弦曲線形状の複屈折部材１１６ｅとしてもよい。このように、複屈折部材を計測方向に対して厚さが変化する形状とすることによって、かかる形状の変化に伴って、図１０（Ｂ）に示すように、計測方向の移動量に対する位置情報が変化するようになるので、複屈折部材の傾きと配置によって、インクリメンタル信号の周期を所望の大きさに変更できる。

また、複屈折部材１１６は、複数の異なる部材から構成されてもよい。例えば、図１１（Ａ）に示すように、２つの複屈折部材１１６ｆ、１１６ｇが計測方向に沿って並列して構成されることによって、計測箇所によって信号出力の感度を変えられるようにしてもよい。また、図１１（Ｂ）に示すように、２つの複屈折部材１１６ｈ、１１６ｉが光の入射方向、すなわち、入射光線方向に沿って積層されて構成されることによって、信号周期を変えられるようにしてもよい。このように、複屈折部材１１６を複数の異なる部材から構成されることによって、簡素な構成でターゲットの計測方向への移動に伴い反射光の偏光状態の変化を示す信号出力の感度や周期を容易に変えることができる。

更に、複屈折部材１１６は、熱変動や光源の波長変動による影響を抑制するために、結晶軸の方向が異なる複数の部材が光の入射方向に沿って積層されて構成されることとしてもよい。例えば、図１２（Ａ）に示すように、複屈折部材１１６ｊに対して９０°直交した結晶軸で同等の作用を持つ他の複屈折部材１１６ｋを重ね合わせても良い。これにより、各複屈折部材１１６ｊ、１１６ｋの結晶軸方向が互いに直交しているので、熱変動や光源の波長変動による影響を抑えることができる。また、図１２（Ｂ）に示すように、複屈折部材１１６ｌの断面を二等辺三角形状にし、測定時のインラインをその二等辺三角形の角度中心の位置にすることによって、アッべ誤差を抑えることができるようになる。更に、図１２（Ｃ）に示すように、複屈折部材１１６ｏに対して９０°直交した結晶軸で同等の作用を持ち、かつ、同形状の他の複屈折部材１１６ｎを重ね合わせることによって、出射光線の角度ズレを抑制して、複屈折部材１１６ｎ、１１６ｏの厚みを小さくすることも可能である。なお、これらの作用・効果は、後述する補正プリズム１２９、２２９に対しても同様に行うことによって、同等の効果を得ることができる。

また、複屈折部材１１６に対し、入射光線が入射する面は、斜面に限定されず、他の面としてもよい。例えば、図１３に示すように、複屈折部材１１６ｐが斜面１１６ｐ２の他に平面１１６ｐ１を有する場合、斜面１１６ｐ２の頂点側を反射板１１４に設置して、上側に配置される平面１１６ｐ１に対して垂直に入射光線が入射すると、入射光線の屈折角を抑えることができるので、高精度な計測に対して効果的である。

なお、本発明の一実施形態に係る相対位置検出手段１１０を備える変位検出装置１００は、絶対位置検出手段１４０と相対位置検出手段１１０が被測定物１０の計測方向に対してインライン上に設けられる構成となっていれば良いので、他の構成としてもよい。

例えば、図１４に示すように、被測定物に載置する反射物を絶対位置検出手段２４０と相対位置検出手段２１０で共通の反射膜付きプリズム２４４にしてもよい。本変形例に係る変位検出装置２００に備わる反射膜付きプリズム２４４は、図１４に示すように、箱型形状であり、内側に断面が略Ｖ字型のプリズム面２４４ａ、２４４ｂが設けられている。
そして、反射膜付きプリズム２４４の頂面側には、複屈折部材２１６と可変反射膜２４６が計測方向に沿ってインライン上（同軸上）に設けられている。複屈折部材２１６と可変反射膜２４６は、インライン上に設けなくてもよいが、この場合、被測定物の姿勢変化により絶対位置検出と相対位置検出にアッペ誤差が発生する虞があるので、インライン上に設けることが好ましい。なお、複屈折部材２１６と可変反射膜２４６の構成及び作用は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置１００に備わるものと同様なので、その説明については、省略する。

本変形例では、各受光素子２２３、２２４、２２７、２２８、２５２、２５４で光の垂直方向での入射が可能となるようにするために、相対位置検出手段２１０では、ビームスプリッタ２２１の入力段側に、光源２０２からの光ｂ´１の反射膜付きプリズム２４４での反射光ｂ´２の反射光ｂ´３を集光するための第４のレンズ２１７が設けられ、第１の偏光ビームスプリッタ２２２の第１の受光素子２２３側の出力段にミラー２１８が設けられ、第２の偏光ビームスプリッタ２２６の第３の受光素子２２７側の出力段にミラー２１９が設けられている。一方、絶対位置検出手段２４０では、図１４に示すように、ミラー２４２と反射板付きプリズム２４４との間に、偏光子２５５、偏光ビームスプリッタ２５６、及び１／４波長板２５７が設けられ、かつ、偏光ビームスプリッタ２５６の第５の受光素子２５２側の出力段にミラー２５８が設けられている。

このように、本変形例の変位検出装置２００は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置１００と同様に、相対位置検出手段２００のターゲットの複屈折部材２１６が計測方向に厚さが変化する断面がくさび状の構成として、かつ、複屈折部材２１６の先端２１６ａを基端２１６ｂに対して回動可能にするので、複屈折部材２１６の傾きと配置によって、インクリメンタル信号の周期を所望の大きさに変更できる。このため、簡素な構成で幅広い信号周期に対応可能とした上でターゲットの相対位置情報を確実に精度よく出力できるので、安定した高精度の被測定物の変位検出が可能になる。

また、被測定物に載置する反射物を絶対位置検出手段２４０と相対位置検出手段２１０で共通の反射膜付きプリズム２４４として、かつ、各受光素子２２３、２２４、２２７、２２８、２５２、２５４で光の垂直方向での入射が可能となる構成となっているので、装置の省スペース化が図れるので、極めて大きな工業的価値を有する。

なお、本実施形態では、図１４に示すように、光源２０２がファイバで導入される場合には、光源２０２の温度を測定することによって波長変動を推定し補正してもよい。一方、光源２０２がファイバでなく、ＬＤがセンサヘッド部に含まれる形状の場合では、ＬＤやセンサヘッド部付近に温度計を配置することによって同様の波長変動補正を行えるようになる。

また、複屈折部材２１６の光学軸は、計測方向に対して必ずしも平行、直交である必要はない。例えば、図１４のｘ軸に平行に又は直角に光学軸をもつ複屈折部材２１６において、光学軸をｘ軸に対してｚ軸を回転軸として光学軸を４５度回転させた場合、光源２０２が直線偏光であるときには，光源２０２、相対位置検出用受光部２２０をｚ軸を回転軸として４５度傾ければよい。一方、光源２０２が円偏光の場合では、光源２０２を回転する必要はない。このようにして、光学軸の自由度を高めることによって、フレキシブルに高精度な変位検出が可能になる。

更に、本実施形態では、光源ユニット(センサヘッド)からターゲットとなる複屈折部材２１６に入射される光において、偏光状態を円偏光にしておいてもよい。入射光の偏光状態が円偏光の場合では、センサヘッドのアジマスがずれても、複屈折媒質における常光、異常光の電界成分比を常に等量とすることができる。

また、本実施形態では、図１４に示すように、ビームスプリッタ２２１と第２の偏光ビームスプリッタ２２６との間に１／４波長板２２５が設けられているが、これを取り除き、ビームスプリッタ２２１の直前に１／４波長板２２５を配置してもよい。このとき、１／４波長板２２５の光学軸は、複屈折部材の光学軸に対して斜め４５度となるようにして、干渉信号検出部のＰＢＳのＰ偏光軸、Ｓ偏光軸の方位角を調整することによって，＋／－ｓｉｎ信号、＋／－ｃｏｓ信号を得られるように調整することが好ましい。

なお、図１４に示す変位検出装置２００の相対位置検出手段２１０には、ターゲットの計測方向への移動に伴い反射光の偏光状態の変化を検出する相対位置検出用受光部２２０が１つ設けられているが、計測方向に沿って２つ設けてもよい。例えば、図１５に示すように、第１相対位置検出用受光部２２０ａと第２相対位置検出用受光部２２０ｂを計測方向に沿って並べて配置して、２つの相対位置検出用受光部２２０ａ、２２０ｂを同一の光源２０２で動作させて複屈折部材２１６の２点における位相変動量を得ることによって、2点間の差分に基づいて波長変動量を推定し補正する。

例えば、波長変動による常光、異常光の位相差Φは、光の波長をλ、波長λの時にΦの位相差を与える複屈折部材２１６の厚さｄ、常光と異常光の屈折率差をΔｎとすると、下記の式（９）で表される。
Φ＝Δｎ*ｄ／λ・・・・・（９）

波長λの時にΦの位相差を与える複屈折部材２１６の厚さｄは、複屈折部材２１６の斜面の傾きをｋ、複屈折部材２１６の計測方向の移動量をｘとすると、下記の式（１０）で表される。
ｄ＝ｋ*ｘ・・・・・（１０）

このため、第１相対位置検出用受光部２２０ａで検出される常光、異常光の位相差ΔΦ１は、光の波長をλ、λ´、波長λ、λ´の時にΔΦ１、ΔΦ´１の位相差を与える複屈折部材２１６の厚さd１、常光と異常光の屈折率差をΔｎとすると、下記の式（１１）乃至（１３）で表される。
Φ１＝Δｎ*ｄ１／λ・・・・・（１１）
Φ´１＝Δｎ*ｄ１／λ´・・・・（１２）
ΔΦ１＝Φ´１－Φ１・・・・・・（１３）

一方、第２相対位置検出用受光部２２０ｂで検出される常光、異常光の位相差ΔΦ２は、光の波長をλ、λ´、波長λ、λ´の時にΔΦ２、ΔΦ´２の位相差を与える複屈折部材２１６の厚さd２、常光と異常光の屈折率差をΔｎとすると、下記の式（１４）乃至（１６）で表される。
Φ２＝Δｎ*ｄ２／λ・・・・・（１４）
Φ´２＝Δｎ*ｄ２／λ´・・・・（１５）
ΔΦ２＝Φ´２－Φ２・・・・・・（１６）

上記の式（９）乃至（１６）より、第１相対位置検出用受光部２２０ａと第２相対位置検出用受光部２２０ｂで検出される常光、異常光の位相差ΔΦ１２は、下記の式（１７）で示される。
ΔΦ１２＝Δｎ*ｋ*｛（λ－λ‘）/λλ’ ｝*Δｘ・・・・・（１７）

このため、変調後の波長λ´は、下記の式（１８）で示される。
λ´＝｛Δｎ*ｋ*λ*Δｘ｝／｛ΔΦ１２*λ＋Δｎ*ｋ*Δｘ｝・・・（１８）

このように、本実施形態では、波長変動による常光、異常光の位相差が複屈折部材２１６の厚さｄに比例するため、Δｘと複屈折部材２１６の傾きｋが分かっていれば、波長変動量を見積もることが出来る。このため、各相対位置検出用受光部２２０ａ、２２０ｂで検出した反射光の偏光状態の位相変動量の差分に基づいて波長変動量を容易に推定できるので、かかる推定に基づいて波長変動量を補正することによって、より高精度な変位検出が可能になる。

なお、本発明の一実施形態の変形例に係る変位検出装置２００に備わる反射膜付きプリズム２４４の形状は、図１４に示す形状に限定されない。例えば、図１６に示すように、反射膜付きプリズム２４４´の断面が左右対称な六角形としてもよい。

具体的には、反射膜付きプリズム２４４´は、図１６に示すように、プリズム面２４４´ａ、２４４´ｂが反射膜付きプリズム２４４´の底面側の近傍に設けられ、反射膜付きプリズム２４４´の頂面側の略中央に反射膜２４８が設けられている。なお、複屈折部材２１６と可変反射膜２４６の構成及び作用は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置１００に備わるものと同様なので、その説明については、省略する。

反射膜付きプリズム２４４´をこのような構成とすることによって、反射膜付きプリズム２４４´への入射光ｂ´１、ｂ´１０のプリズム面２４４´ａでの反射光ｂ´２ａ、ｂ´１１ａが反射膜２４８で反射されて、当該反射膜２４８での反射光ｂ´２ｂ、ｂ´１１ｂがプリズム面２４４´ｂで反射される。このため、反射膜付きプリズム２４４´が計測方向Xに対して垂直方向となるY方向に移動したとしても、入射光ｂ´１、ｂ´１０と当該プリズム面２４４´ｂでの反射光ｂ´３、ｂ´１２の間隔Ｉ１が一定になるので、絶対位置検出手段２４０と相対位置検出手段２１０に備わる各受光素子２２３、２２４、２２７、２２８、２５２、２５４（図１４参照）による受光が安定するようになる。このため、絶対位置検出手段２４０（図１４参照）と相対位置検出手段２１０（図１４参照）による安定した高精度の変位検出が可能になる。

ここで、変位検出装置１００、２００における相対位置検出用受光部１２０、２２０及び複屈折部材１１６、２１６により、１方向例えばX方法を測定方向とした変位検出を行うようにしているが、複屈折部材２１６は、互いに異なる向きに複数設けられていてもよく、例えば、変位検出装置１００において、X方向位置測定用の複屈折部材２１６に加えて、この複屈折部材２１６に対して９０度回転させたもう一つのＹ方向位置測定用の複屈折部材を配置することにより、１つの相対位置検出用受光部１２０及び相対位置情報出力部１３０でＸＹ方向それぞれの位置情報を検出できる。例えば、変位検出装置２００では、図１７に示すように、反射膜プリズム２４４´の上に複屈折部材２１６Ｘと９０度方向の回転させた複屈折部材２１６Ｙを配置することで、１つの相対位置検出用受光部２２０及び相対位置情報出力部でＸＹ方向の位置情報の検出を可能とすることができる。

また、変位検出装置１００、２００において、絶対位置検出手段１４０、２４０の絶対位置信号１周期の長さに対して測定に用いるビームの径が十分に小さいと言えない場合に、図１８及び図１９に示すように、ビームが複屈折部材１１６、２１６へ入射する前に補正プリズム１２９、２２９を透過させても良い。その際に、補正プリズム１２９、２２９は、複屈折部材１１６、２１６と同等の作用を持つ部材、例えば、同材質・同形状の部材を使用する。ただし、補正プリズム１２９、２２９の結晶の光学軸は、複屈折材料１１６、２１６に対して９０°直交している。また、設置箇所は、複屈折部材１１６、２１６に入射前後のどちらでも良いが、何れか一方にのみに設置する。

このような構成の補正プリズム１２９、２２９を複屈折部材１１６、２１６に入射前後の何れかに設けることによって、複屈折部材１１６、２１６を透過したビーム分布内の偏光状態が均一となる。これにより、絶対位置検出手段１４０、２４０による安定した高精度の変位検出が可能となる。なお、図２０（Ａ）に示すように、補正プリズム１２９ａ、２２９ａは、複屈折部材１１６、２１６と同等の作用を持つ部材、例えば、同材質・同形状の部材を使用して、向かい合わせて配置しても良い。また、図２０（Ｂ）に示すように、補正プリズム１２９ｂ、２２９ｂは、複屈折部材１１６、２１６に対して左右対称に配置しても、同等の効果を得ることができる。

また、変位検出装置２００に対して、図２１に示すように、第１のレンズ２０４と光源側ビームスプリッタ２０８の間に偏光板２３０を搭載しても良い。偏光板２３０をこのように設けることによって、変位検出に用いるビームをより高消光比とすることができる。
これによって、偏光を利用した変位検出装置２００では、より高精度の変位検出が可能となる。なお、このとき、絶対位置検出手段２４０では、図２１に示すように、ミラー２４２と偏光ビームスプリッタ２５６との間の偏光子２５５（図１４及び図１９を参照）の設置を省略してもよい。なお、偏光板２３０は、光源２０２から複屈折部材２１６の間であれば、何処に配置しても良いが、複屈折部材２１６の直前に偏光板２３０の結晶軸を複屈折部材２１６の結晶軸に対して４５°ずらして配置することが最も効果的である。その場合、測定物がＺ軸方向に回転しても、その影響を抑えることができるので好ましい。また、偏光板２３０を複屈折部材２１６に貼り付けた場合、測定物がＺ軸方向に回転しても偏光板２３０も共に回転するため、その影響を抑えることができる。

さらに、図２２に示すように、本実施形態の変位検出装置３００の相対位置検出手段３１０に備わる相対位置検出用受光部３２０に、反射光に対してアジマス補正を行うアジマス補正部３８０を更に設けてもよい。本実施形態では、アジマス補正部３８０は、図２２に示すように、入射光用ビームスプリッタ３８１、入射光用反射プリズム３８２、アジマス補正用偏光板３８３、アジマス回転検出用レンズ３８４、アジマス回転検出用ビームスプリッタ３８５、アジマス回転検出用偏光板３８６、パワーモニター用反射プリズム３８７、パワーモニター用受光素子３８８、及び角度測定用受光素子３８９を備える。なお、本実施形態では、アジマスの検出角感度を高めるために、アジマス回転検出用ビームスプリッタ３８５の直前、又は角度測定用受光素子３８９の直前に、１／２波長板やダブプリズム等のような偏光方位角の変化を大きくするような光学素子を設けてもよい。

このように、アジマス補正部３８０を設けることによって、光源３０２からの入射光ｂ″１が入射光用ビームスプリッタ３８１で分岐されて、その分岐光ｂ″１５が入射光用反射プリズム３８２で反射する。そして、その反射光ｂ″１６が反射膜付きプリズム３４４の略Ｖ字型のプリズム面３４４ａ、３４４ｂで反射して、その反射光ｂ″１８がアジマス補正用偏光板３８３とアジマス回転検出用レンズ３８４を経て、アジマス回転検出用ビームスプリッタ３８５に入射する。

アジマス回転検出用ビームスプリッタ３８５に入射した反射光ｂ″１８は、分岐光ｂ″１９がパワーモニター用反射プリズム３８７で反射して、その反射光ｂ″２０がパワーモニター用受光素子３８８に入射する。一方、アジマス回転検出用ビームスプリッタ３８５に入射した反射光ｂ″１８の透過光ｂ″２１は、アジマス回転検出用偏光板３８６を透過してから角度測定用受光素子３８９に入射する。

角度測定用受光素子３８９は、アジマス補正用偏光板３８３とアジマス回転検出用偏光板３８６の角度差を読み取り、アジマス角度を測定する。アジマスが回転するとリサージュが歪み、当該歪みが計測誤差の要因となるため、その補正をする必要がある。その際に、アジマスの角度ズレ量が事前に分かっていれば補正が行えるため、アジマス角度の検出機能が必要となる。そこで、本実施形態では、相対位置検出用受光部３２０に反射光に対してアジマス補正を行うアジマス補正部３８０を設けている。このため、偏光板３８３、３８６を透過した反射光の角度差による差分が修正されて、より高精度な変位検出が可能になる。なお、本実施形態における変位検出装置３００の相対位置検出手段３１０の他の構成要素、及び絶対位置検出手段３４０の構成、及び動作は、本発明の一実施形態の変形例に係る変位検出装置２００と同様であるので、その説明は、省略する。

ここで、被測定物全体が、温度変化等で変形している場合、その形状変化は、変位検出装置１００、２００、３００により得られる位置情報の誤差として含まれることになる。
被測定物１０、例えばＸＹステージやミラー等に複数のターゲットを配置し、１つまたは複数の相対位置検出用受光部及び相対位置情報出力部でそれらの位置情報を検出することで、被測定物１０の変形や歪みを検出することができる。

図２３に示すように、被測定物１０の変位をＸ方向とＹ方向の光干渉計４００Ｘ、４００Ｙを使い計測する場合、干渉計が照射する部分の変位が計測できるが、被測定物全体が、温度変化等で変形している場合、被測定物１０の形状の変化までは、把握することができない。この場合、複数のターゲットＡ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、を被測定物１０に直接貼って、相対位置検出用受光部及び相対位置情報出力部５００により被測定物１０の変形を計測してもよい。被測定物１０がＸＹステージであれば、ＸＹステージの上面に貼ることで、ＸＹステージが温度変化等で変形しドリフトする様子を複数のターゲットの変位情報から検出することができる。

Ｘ方向の変形は、（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３）－（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）で表せ、また、Ｙ方向の変形は、（Ａ１＋Ｂ１＋Ｃ１）－（Ａ３＋Ｂ３＋Ｃ３）で表せる。

これら相対位置検出用受光部及び相対位置情報出力部５００とターゲットは、ウィンドウガラスを交わして、一方を隔離された空間の中に配置し検出してもよい。例えば、隔離された空間が真空であったり、純度の高い窒素などの気体であってもよい。

なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、変位検出装置及び相対位置検出手段の構成、動作も本発明の各実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ 被測定物、１００、２００、３００ 変位検出装置、１０２、２０２、３０２ 光源、１０４、２０４ 第１のレンズ、１０６、２５５ 偏光子、１０８、２０８ 光源側ビームスプリッタ、１１０、２１０、３１０ 相対位置検出手段、１１２ ターゲット、１１４、２４４、３４４ 反射物、１１６、２１６、２１６Ｘ、２１６Ｙ、３１６ 複屈折部材、１１６ａ 先端、１１６ａ´ 基端、１１６ｂ 底面、１２０、２２０、３２０ 相対位置検出用受光部、１２１、２２１、３２１ ビームスプリッタ、１２２、２２２、３２２ 第１の偏光ビームスプリッタ、１２３、２２３、３２３ 第１の受光素子、１２４、２２４、３２４ 第２の受光素子、１２５、２２５、３２５ １／４波長板、１２６、２２６、３２６ 第２の偏光ビームスプリッタ、１２７、２２７、３２７ 第３の受光素子、１２８、２２８、３２８ 第４の受光素子、１２９、２２９ 補正プリズム、１３０ 相対位置情報出力部、１３１ 第１の差動増幅器、１３２ 第２の差動増幅器、１３３ 第１のＡ／Ｄ変換器、１３４ 第２のＡ／Ｄ変換器、１３５ 波形補正処理部、１３６ インクリメンタル信号発生器、１４０、２４０、３４０ 絶対位置検出手段、１４２、２４２、３４２ ミラー、１４４ プリズム、１４６、２４６、３４６ 可変反射膜、１５０ 絶対位置検出用受光部、１５１、２５１、３５１ 第２のレンズ、１５２、２５２、３５２ 第５の受光素子、１５３、２５３、３５３ 第３のレンズ、１５４、２５４、３５４ 第６の受光素子、１６０ 絶対位置情報出力部、１６１ 第１の絶対位置情報演算器、１６２ 第２の絶対位置情報演算器、１６３ 比較器、１６４ 加算器、１６５ 絶対位置変換器、１７０ 絶対位置信号発生器、２３０ 偏光板、３８０ アジマス補正部

Claims (12)

1. 被測定物の計測方向に沿った相対的な変位位置を光学的に検出する相対位置検出手段であって、
   前記被測定物に載置され、光源からの光が照射されるターゲットと、
   前記光に対する前記ターゲットでの反射光の偏光状態を変化させて受光する相対位置検出用受光部と、
   前記相対位置検出用受光部で受光した前記反射光の偏光状態の変化に基づいて前記ターゲットの前記計測方向に沿った変位に基づく相対位置情報を出力する相対位置情報出力部と、を備え、
   前記ターゲットは、
   前記被測定物に載置される反射物と、
   前記反射物の上に互いに異なる向きに設けられ、それぞれ底面の基端側を中心として該底面の先端側が前記反射物に対して回動可能に構成されている複数の複屈折部材であって、前記計測方向に沿って先端から基端への厚さが変化する第１の複屈折部材と、前記計測方向と異なる方向に沿って先端から基端への厚さが変化する第２の複屈折部材と、を含む、
   ことを特徴とする相対位置検出手段。
2. 前記相対位置検出用受光部は、前記ターゲットの前記計測方向への移動に伴い前記反射光の偏光状態の変化を検出し、
   前記相対位置情報出力部は、前記反射光の偏光状態の変化を光電変換して得らえた信号に基づいて前記ターゲットの前記相対位置情報を出力することを特徴とする請求項１に記載の相対位置検出手段。
3. 前記相対位置検出用受光部は、
   前記反射光を２つに分岐するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタで分岐された一方の反射光のＳ成分を反射させて、Ｐ成分を透過させる第１の偏光ビームスプリッタと、
   前記第１の偏光ビームスプリッタの透過光を受光する第１の受光素子と、
   前記第１の偏光ビームスプリッタの反射光を受光する第２の受光素子と、
   前記ビームスプリッタで分岐された他方の反射光のＳ成分を反射させて、Ｐ成分を透過させる第２の偏光ビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタとの間に介在される１／４波長板と、
   前記第２の偏光ビームスプリッタの反射光を受光する第３の受光素子と、
   前記第２の偏光ビームスプリッタの透過光を受光する第４の受光素子と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の相対位置検出手段。
4. 前記複屈折部材は、前記計測方向に沿って複数の異なる複屈折部材が並列に配置することにより構成されるか、又は前記光の入射方向に沿って複数の異なる複屈折部材を積層することにより構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の相対位置検出手段。
5. 前記複屈折部材は、結晶軸の方向が異なる複数の複屈折部材が前記光の入射方向に沿って積層されて構成されることを特徴とする請求項４に記載の相対位置検出手段。
6. 前記光源に対する前記複屈折部材の前段側又は後段側の何れかに補正プリズムが設けられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の相対位置検出手段。
7. 前記相対位置検出用受光部が前記計測方向に沿って２つ設けられており、それぞれの相対位置検出用受光部で検出した前記反射光の偏光状態の位相変動量の差分に基づいて波長変動量を推定して補正することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の相対位置検出手段。
8. 前記光源と前記複屈折部材との間に偏光板が更に設けられることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の相対位置検出手段。
9. 前記相対位置検出用受光部には、前記反射光に対してアジマス補正を行うアジマス補正部が更に設けられることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の相対位置検出手段。
10. 被測定物の計測方向に沿った変位を光学的に検出する変位検出装置であって、
    光を照射する光源と、
    前記光源からの前記光を２つに分岐する光源側ビームスプリッタと、
    前記光源側ビームスプリッタで分岐された一方の光に対する反射光の偏光状態の変化に基づいて前記被測定物の前記計測方向の前記変位の相対位置を検出する相対位置検出手段と、
    前記光源側ビームスプリッタで分岐された他方の光に対する反射光の光量の変化に基づいて前記被測定物の前記計測方向の前記変位の絶対位置を検出する絶対位置検出手段と、を備え、
    前記絶対位置検出手段と前記相対位置検出手段は、前記被測定物の前記計測方向に対してインライン上に設けられ、
    前記相対位置検出手段は、
    前記被測定物に載置され、前記光源からの前記光が照射されるターゲットと、
    前記光に対する前記ターゲットでの反射光の偏光状態を変化させて受光する相対位置検出用受光部と、
    前記相対位置検出用受光部で受光した前記反射光の偏光状態の変化に基づいて前記ターゲットの前記計測方向の前記変位に基づく前記相対位置情報を出力する相対位置情報出力部と、を備え、
    前記ターゲットは、
    前記被測定物に載置される反射物と、
    前記反射物の上に互いに異なる向きに設けられ、それぞれ底面の基端側を中心として該底面の先端側が前記反射物に対して回動可能に構成されている複数の複屈折部材であって、前記計測方向に沿って先端から基端への厚さが変化する第１の複屈折部材と、前記計測方向と異なる方向に沿って先端から基端への厚さが変化する第２の複屈折部材と、を含む、
    ことを特徴とする変位検出装置。
11. 前記相対位置検出用受光部は、前記ターゲットの前記計測方向への移動に伴い前記反射光の偏光状態の変化を検出し、
    前記相対位置情報出力部は、前記反射光の偏光状態の変化を光電変換して得らえた信号に基づいて前記ターゲットの前記相対位置情報を出力することを特徴とする請求項１０に記載の変位検出装置。
12. 前記絶対位置検出手段は、
    前記被測定物に載置され、前記光源から前記光がミラーを介して照射されるプリズムと、
    前記光に対する前記プリズムでの反射光の光量を変化させて受光する絶対位置検出用受光部と、
    前記絶対位置検出用受光部で受光した前記反射光の前記光量の変化に基づいて前記プリズムの前記計測方向の変位に基づく絶対位置情報を出力する絶対位置情報出力部と、を備え、
    前記プリズムの頂面側には、前記計測方向に沿って反射特性が変化する可変反射膜が設けられることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の変位検出装置。

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