JP7233305B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉を利用してスケール（回折格子）の変位（移動）量を検出する変位検出装置に関し、特に、２次元反射型スケールを用いて工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する光学式変位測定装置に関する。

従来、直線変位や角度変位等の精密な測定を行う測定器として、反射型スケールと検出ヘッドを備えた光学式変位測定装置が知られている。

例えば、工作機械や半導体製造装置等の可動部分の相対移動位置を検出する装置として、回折格子を用いた光学式の変位測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この光学式変位測定装置では、回折格子で回折された２つの回折光を再度回折格子に照射する反射光学系で、２回目の回折によって得られる２つの回折光同士を干渉させ回折格子の位置検出方向の変位を計測する。

従来の光学式変位測定装置では、可干渉光源から出射された可干渉光が、２次元の回折格子に照射される。回折格子に照射された可干渉光は、回折格子で回折されて４つの１回回折光が生じる。４つの１回回折光は、反射光学系で反射されて同じ光路を避けて、回折格子に再度照射される。

回折格子に照射された４つの１回回折光は、回折格子で回折されて４つの２回回折光が生じる。２つの２回回折光は、２つの可干渉光と同じ光路を戻ってビームスプリッタに入射される。ビームスプリッタに入射した４つの２回回折光は、ビームスプリッタで重ね合わされ、それぞれの計測方向の２回回折光同士を干渉させた干渉光が、受光素子に結像される。

このような構成の光学式変位測定装置では、可動部分の移動に応じて回折格子が格子ベクトル方向に移動することにより、４つの２回回折光に位相差が生じる。光学式変位測定装置では、それぞれの計測方向の２回回折光同士を干渉させて干渉信号を検出し、干渉信号からそれぞれの計測方向の２つの２回回折光の位相差を求めて、回折格子の移動位置を検出することで、２方向つまり２次元の変位計測を可能にしている。

これにより、従来の光学式変位測定装置では、回折格子で回折された１回回折光によるゼロ次光が、もう一方の１回回折光と重ならないように回折格子上の互いの入射位置に十分な間隔をもたせ、不要な迷光が重ならない。従って、２つの２回回折光の干渉信号が乱れにくく、安定した検出が可能になっている。

光学式変位測定装置は、搬送物の高精度な位置決め制御が必要とされる電子部品の実装装置等に広く利用されており、近年の機械加工の進歩や半導体の微細化に伴って、より高精度、高分解能な測定が可能な光学式変位測定装置が要求されている。

本件出願人は、光路補正用レンズと光路シフト用プリズム部の作用によって、回折格子が計測方向以外へ変位したり傾いたりした場合でも、計測誤差を確実に軽減し、かつ、光路への不要な次数の回折光の混入を防ぐことの可能な変位検出装置を先に提案している（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７－２１８８３３号公報 特開２０１８－００９９３３号公報

従来の光学式変位測定装置では、回折格子上の左右の入射位置に間隔があった。もしくは、入射光と回折格子から作られる入射平面に対し回折格子面が垂直になっていなかった。これは、不要な回折によるゼロ次光が、主光となる１次回折光と重なることを回避するためである。

しかし、回折格子に姿勢変化が加わると、光路長が変化してしまい、計測誤差が拡大すると言う課題があった。

なお、本件出願人が先に提案している特許文献２に係る変位検出装置は、前記課題を解決したものであるが、光路補正用レンズと光路シフト用プリズム部を必要とすることから、装置構成が大型に成るという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、回折格子の姿勢変化の影響を受けずに、高い分解能で位置検出が可能な光学式変位測定装置を提供することを目的とする。

本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下において図面を参照して説明される実施の形態から一層明らかにされる。

本発明では、２次回折光の影響をパスをずらすことで回避することで、回折格子の姿勢変化の影響を受けずに、高い分解能で位置検出が可能な光学式変位測定装置をコンパクトな装置構成として実現している。

すなわち、本発明は、光学式変位測定装置であって、計測対象となる反射型の回折格子と、前記回折格子に照射するための光束を出射する第１の光源と、前記第１の光源から出射された光束を第１の光束と第２の光束に分割する第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により反射された前記第１の光束の偏光状態を変化させる第１の位相板と、前記第１の位相板を介して入射される前記第１の光束を任意の角度で前記回折格子の任意の位置ＰＡに入射させる第１のミラーと、前記第１の偏光ビームスプリッタによって分割された前記第２の光束を透過および反射させる第２の偏光ビームスプリッタと、前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記第２の光束の偏光状態を変化させる第２の位相板と、前記第２の位相板を介して入射された前記第２の光束を反射させ前記第２の位相板を介して前記第２の偏光ビームスプリッタに戻す第２のミラーと、前記第２の位相板を介して前記第２の偏光ビームスプリッタに入射され該第２の偏光ビームスプリッタにより反射された前記第２の光束を任意の角度で前記回折格子の前記位置ＰＡに入射させる第３のミラーと、前記任意の位置ＰＡに入射され前記回折格子によって回折された前記第１の光束と第２の光束を共に集光する第１のレンズと、前記第１のレンズにより集光された前記第１の光束と前記第２の光束の偏光状態を変化させる第３の位相板と、前記第３の位相板を介して入射された前記第１の光束と前記第２の光束を反射して該第３の位相板を介して再び前記回折格子の任意の位置ＰＢに入射させるための第１のミラー郡と、前記回折格子の任意の位置ＰＢに入射される前記第１のレンズにより集光した第１の光束と第２の光束をコリメートする第２のレンズと、前記任意の位置ＰＢに入射され再び前記回折格子によって回折された第１の光束が入射される第４のミラーと、前記任意の位置ＰＢに入射され再び前記回折格子によって回折された第２の光束が入射される第５のミラーと、前記第４のミラーを介して前記第１の光束が入射される第３の偏光ビームスプリッタと、前記第３の偏光ビームスプリッタに入射され該第３の偏光ビームスプリッタにより反射された第１の光束が入射される第４の位相板と、前記第４の位相板を介して入射される第１の光束を反射して該第４の位相板を介して前記第３の偏光ビームスプリッタに戻す第６のミラーと、前記第５のミラーを介して前記第２の光束が入射される第５の位相板と、前記第６のミラーにより反射された前記第１の光束が前記第３の偏光ビームスプリッタを透過して入射されるとともに前記第５の位相板を介して前記第２の光束が入射され、前記第１の光束と前記第２の光束を重ね合わせて干渉させる第４の偏光ビームスプリッタと、前記第４の偏光ビームスプリッタにより重ね合わせた第１の光束と第２の光束の干渉光を受光して光電変換する第１の受光手段と、前記第１の受光手段により光電変換した干渉信号を変位情報に変換し出力する第１の相対位置情報出力手段とを有し、前記計測対象となる回折格子との相対位置検出を行うことを特徴とする。

本発明に係る光学式変位測定装置は、前記回折格子として、ＸＹ方向に２つの格子ベクトルを持つ二次元の回折格子を備え、 前記第１の光源、第１乃至第４の偏光ビームスプリッタ、第１乃至第５の位相板、第１乃至第６のミラー、第１及び第２のレンズ、第１のミラー郡、第１の受光手段、第１の相対位置情報出力手段により、前記二次元の回折格子に対して、ＸＹ平面上の、Ｘ方向の相対位置検出を行う第１の変位検出部と、前記二次元の回折格子に対して、ＸＹ平面上の、Ｙ方向の相対位置検出を行う第２の変位検出部とを有し、前記第２の変位検出部は、前記回折格子に照射するための光束を出射する第２の光源と、前記第２の光源から出射された光束を第３の光束と第４の光束に分割する第５の偏光ビームスプリッタと、前記第５の偏光ビームスプリッタにより反射された前記第３の光束の偏光状態を変化させる第６の位相板と、前記第６の位相板を介して入射される前記第３の光束を任意の角度で前記回折格子の任意の位置ＰＣに入射させる第７のミラーと、前記第５の偏光ビームスプリッタによって分割された前記第４の光束を透過および反射させる第６の偏光ビームスプリッタと、前記第６の偏光ビームスプリッタを透過した前記第４の光束の偏光状態を変化させる第７の位相板と、前記第７の位相板を介して入射された前記第４の光束を反射させ前記第７の位相板を介して前記第６の偏光ビームスプリッタに戻す第８のミラーと、前記第７の位相板を介して前記第６の偏光ビームスプリッタに入射され該第６の偏光ビームスプリッタにより反射された前記第４の光束を任意の角度で前記回折格子の前記位置ＰＣに入射させる第９のミラーと、前記任意の位置ＰＣに入射され前記回折格子によって回折された前記第３の光束と第４の光束を共に集光する第３のレンズと、前記第３のレンズにより集光された前記第３の光束と前記第４の光束の偏光状態を変化させる第８の位相板と、前記第８の位相板を介して入射された前記第３の光束と前記第４の光束を反射して該第８の位相板を介して再び前記回折格子の任意の位置ＰＤに入射させるための第２のミラー郡と、前記回折格子の任意の位置ＰＤに入射される前記第３のレンズにより集光した第３の光束と第４の光束をコリメートする第４のレンズと、前記任意の位置ＰＤに入射され再び前記回折格子によって回折された第３の光束が入射される第１０のミラーと、前記任意の位置ＰＤに入射され再び前記回折格子によって回折された第４の光束が入射される第１１のミラーと、前記第１０のミラーを介して前記第３の光束が入射される第７の偏光ビームスプリッタと、前記第７の偏光ビームスプリッタに入射され該第７の偏光ビームスプリッタにより反射された第３の光束が入射される第９の位相板と、前記第７の位相板を介して入射される第３の光束を反射して前記第９の位相板を介して前記第７の偏光ビームスプリッタに戻す第１２のミラーと、前記第１１のミラーを介して前記第４の光束が入射される第１０の位相板と、前記第１２のミラーにより反射された前記第３の光束が前記第９の偏光ビームスプリッタを透過して入射されるとともに前記第１０の位相板を介して前記第４の光束が入射され、前記第３の光束と前記第４の光束を重ね合わせて干渉させる第８の偏光ビームスプリッタと、前記第８の偏光ビームスプリッタにより重ね合わせた第３の光束と第４の光束の干渉光を受光して光電変換する第２の受光手段と、前記第２の受光手段により光電変換した干渉信号を変位情報に変換し出力する第２の相対位置情報出力手段とを有するものとすることができる。

また、本発明に係る光学式変位測定装置は、前記第１の変位検出部の第１乃至第４の偏光ビームスプリッタと、第２の変位検出部の第５乃至第８の偏光ビームスプリッタを一体構造にしたものとすることができる。

本発明では、２次回折光の影響をパスをずらすことで回避することで、回折格子の姿勢変化の影響を受けずに、高い分解能で安定した高精度の変位検出が可能な光学式変位測定装置をコンパクトな装置構成として実現することができる。

本発明が適用される光学式変位測定装置の構成例を示す斜視図である。 前記光学式変位測定装置におけるＸ方向の相対変位を検出する第１の変位検出部の構成を示す斜視図である。 前記第１の変位検出部の説明に供する図であって、（Ａ）は第１の光源から射出した光束を回折格子に入射させる光路を示し、（Ｂ）は回折格子により回折反射された光束を該回折格子に再入射させる光路を示し、（Ｃ）は前記回折格子により再入射されて回折反射された光束を第１の受光手段に入射させる光路を示している。 ２次元格子の構成例を示す図であり、（Ａ）は２次元格子の拡大平面図、（Ｂ）はその縦断正面図である。 １次元格子の構成例を示す図であり、（Ａ）は１次元格子の拡大平面図、（Ｂ）はその縦断正面図である。 前記第１の受光手段の構成図である。 前記光学式変位測定装置におけるＹ方向の相対変位を検出する第２の変位検出部の構成を示す斜視図である。 前記第２の変位検出部の説明に供する図であって、（Ａ）は第２の光源から射出した光束を回折格子に入射させる光路を示し、（Ｂ）は回折格子により回折反射された光束を該回折格子に再入射させる光路を示し、（Ｃ）は前記回折格子により再入射されて回折反射された光束を第２の受光手段に入射させる光路を示している。 前記第２の受光手段の構成図である。 前記光学式変位測定装置における相対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。 前記第１の変位検出部の第１乃至第４の偏光ビームスプリッタを一体構造にした偏光ビームスプリッタブロックの斜視図である。 本発明を適用した光学式変位測定装置において、Ｘ方向の相対変位を検出する第１の変位検出部とＹ方向の相対変位を検出する第２の変位検出部を交差するように配置した場合の斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。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。各図面中、同一の機能を有するものとして対応する部材には、同一符号を付している。

本発明は、例えば図１に示すように、投影検査機や測定顕微鏡あるいは工作機械などで測定対象物あるいはワークの変位量、寸法等を２次元的に測定する２次元変位測定装置１００に適用される。

この２次元変位測定装置１００は、反射型の光学式変位測定装置であって、ＸＹ方向に２つの格子ベクトルを持つ二次元の回折格子１Ａが形成されたスケール基板１Ａの平面上をＸＹ方向に移動可能な光学式エンコーダ１２０に備えられた第１の変位検出部１０と第２の変位検出部２０により回折格子１に対する相対位置を検出し、その２方向の相対位置情報を出力する。

この２次元変位測定装置１００において、第１の変位検出部１０は、二次元の回折格子１に対して、ＸＹ平面上の、Ｘ方向の相対位置検出を行うものであって、図２の斜視図に示すように設置された第１の光源１１、第１乃至第４の偏光ビームスプリッタ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ、１２Ｄ、第１乃至第５の位相板１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ，第１乃至第６のミラー１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ、第１及び第２のレンズ１５Ａ，１５Ｂ、第１のミラー郡１６、第１の受光手段１７、第１の相対位置情報出力手段１８を備える。

すなわち、第１の変位検出部１０は、回折格子１に照射するための光束を出射する第１の光源１１と、第１の光源１１から出射された光束を第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割する第１の偏光ビームスプリッタ１２Ａと、第１の偏光ビームスプリッタ１２Ａにより反射された第１の光束Ｌ１の偏光状態を変化させる第１の位相板１３Ａと、第１の位相板を介して入射される第１の光束Ｌ１を任意の角度で回折格子１の任意の位置Ｐ_Ａに入射させる第１のミラー１４Ａと、第１の偏光ビームスプリッタ１２Ａによって分割された第２の光束Ｌ２を透過および反射させる第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂと、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂを透過した第２の光束Ｌ２の偏光状態を変化させる第２の位相板１３Ｂと、第２の位相板１３Ｂを介して入射された第２の光束を反射させ第２の位相板１３Ｂを介して第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂに戻す第２のミラー１４Ｂと、第２の位相板１３Ｂを介して第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂに入射され該第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂにより反射された第２の光束Ｌ２を任意の角度で回折格子１の前記位置Ｐ_Ａに入射させる第３のミラー１４Ｃと、任意の位置Ｐ_Ａに入射され回折格子１によって回折された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を共に集光する第１のレンズ１５Ａと、第１のレンズ１５Ａにより集光された第１の光束と第２の光束の偏光状態を変化させる第３の位相板１３Ｃと、第３の位相板１３Ｃを介して入射された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を反射して該第３の位相板１３Ｃを介して再び回折格子１の任意の位置Ｐ_Ｂに入射させるための第１のミラー郡１６と、回折格子１の任意の位置Ｐ_Ｂに入射される第１のレンズ１５Ａにより集光した第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２をコリメートする第２のレンズ１５Ｂと、任意の位置Ｐ_Ｂに入射され再び回折格子１によって回折された第１の光束Ｌ１が入射される第４のミラー１４Ｄと、任意のＰ_Ｂに入射され再び回折格子１によって回折された第２の光束Ｌ２が入射される第５のミラー１４Ｅと、第４のミラー１４Ｄを介して第１の光束Ｌ１が入射される第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃと、第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃに入射され該第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃにより反射された第１の光束Ｌ１が入射される第４の位相板１３Ｄと、第４の位相板１３Ｄを介して入射される第１の光束Ｌ１を反射して該第４の位相板１３Ｄを介して第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃに戻す第６のミラー１４Ｆと、第５のミラー１４Ｅを介して第２の光束Ｌ２が入射される第５の位相板１３Ｅと、第６のミラー１４Ｆにより反射された第１の光束Ｌ１が該第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃを透過して入射されるとともに第５の位相板１３Ｅを介して第２の光束Ｌ２が入射され、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２を重ね合わせて干渉させる第４の偏光ビームスプリッタ１２Ｄと、第４の偏光ビームスプリッタ１２Ｄにより重ね合わせた第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の干渉光を受光して光電変換する第１の受光手段１７と、第１の受光手段１７により光電変換した干渉信号を変位情報に変換し出力する第１の相対位置情報出力手段１８とを備える。

ここで、この第１の変位検出部１０によるＸ方向の変位検出に関して、図３の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して説明する。

図３は、第１の変位検出部１０の説明に供する図であって、（Ａ）は第１の光源１１から射出した光束を回折格子１に入射させる光路を示し、（Ｂ）は回折格子１により回折反射された光束を該回折格子１に再入射させる光路を示し、（Ｃ）は回折格子１により再入射されて回折反射された光束を第１の受光手段１７に入射させる光路を示している。

第１の光源１１は、可干渉性のある光源であって、可干渉距離を有する半導体レーザダイオードや発光ダイオード、スーパールミネッセンスダイオード等を想定している。

第１の光源１１から出射された光束は、第１の偏光ビームスプリッタ１２Ａにおいて、該第１の偏光ビームスプリッタ１２Ａによって反射された第１の光束Ｌ１と該第１の偏光ビームスプリッタ１２Ａを透過した第２の光束Ｌ２とに２分割される。

まず左側の第１の光束Ｌ１に着目する。

第１の光束Ｌ１は、第１の位相板１３Ａを介して第１のミラー１４Ａに入射される。第１の光束Ｌ１は、Ｓ偏光であるが、第１の位相板１３ＡによってＰ偏光になる。第１の位相板１３Aは、λ／２位相板を想定する。Ｐ偏光の第１の光束Ｌ１が、第１のミラー１４Ａにより反射されて、任意の角度をもって２次元の回折格子１の任意の位置Ｐ_Ａに入射される。この時の入射角は、θ＝ｓｉｎ^－１（光源の波長／格子ベクトルＬＶ_Ｘの格子ピッチ）で照射させるよう第１のミラー１４Ａが配置される。

ここで、２次元回折格子１の格子ベクトルＬＶ_Ｘ，ＬＶ_Ｙを図４に示し、また、１次元の回折格子１Ｘの格子ベクトルＬＶ_Ｘを図５に示す。

図４は、２次元格子１の構成例を示す図であり、（Ａ）は２次元格子１の拡大平面図、（Ｂ）はその縦断正面図である。図５は、１次元格子１Ｘの構成例を示す図であり、（Ａ）は１次元格子１Ｘの拡大平面図、（Ｂ）はその縦断正面図である。

２次元の回折格子１によって回折した第１の光束Ｌ１は、図３の（Ａ）に示すように、２次元の回折格子１の格子ベクトルＬＶ_Ｘに対し略垂直に回折され、＋１次回折光として第１のレンズ１５Ａに入射される。

第１のレンズ１５Ａを通過した第１の光束Ｌ１は、図３の（Ｂ）に示すように、第３の位相板１３Ｃに入射され、この第３の位相板１３Ｃを通過することにより、Ｐ偏光は円偏光になる。

そして、円偏光の第１の光束Ｌ１は、その後、ミラー１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃからなる第１のミラー群１６を経て再び第３の位相板１３Ｃに入射され、この第３の位相板１３Ｃを通過することで、Ｓ偏光になる。ここで、第３の位相板１３Ｃは、λ／４位相板を想定する。

第３の位相板１３Ｃを通過することでＳ偏光になった第１の光束Ｌ１は、図３の（Ｃ）に示すように、第２のレンズ１５Ｂを通過して、２次元の回折格子１の面に対し略垂直に入射される。

２次元の回折格子１の面に対し略垂直に入射された第１の光束Ｌ１は、２回目の回折で±１次の回折光を得る。－１次回折光は、第５のミラー１４Ｅによって反射されて、第５の位相板１３Ｅを介して第４の偏光ビームスプリッタ１２Ｄに入射されるが、Ｓ偏光であることから、第５の位相板１３ＥによってＰ偏光になり、第４の偏光ビームスプリッタ１２Ｄで第１の受光手段１７の方向に曲げられることなく、直進し、不要光として捨てられる。ここで、第５の位相板１３Ｅは、λ／２位相板を想定する。一方、＋１次回折光は、第４のミラー１４Ｄによって反射され第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃに導かれ、Ｓ偏光であることから、第４の位相板１３Ｄ側に曲げられる。Ｓ偏光である第１の光束Ｌ１の＋１次回折光は、第４の位相板１３Ｄによって、円偏光になり、第６のミラー１４Ｆにより反射されて、再び第４の位相板１３Ｄに戻され、Ｐ偏光になる。ここで、第４の位相板１３Ｄは、λ／４位相板を想定する。Ｐ偏光となった第１の光束Ｌ１の＋１次回折光は、第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃと第４の偏光ビームスプリッタ１２Ｄを通過して第１の受光手段１７に入射される。

次に、第１の偏光ビームスプリッタ１２Ａを透過した第２の光束Ｌ２について説明する。

第１の偏光ビームスプリッタ１２Ａを透過したＰ偏光の第２の光束Ｌ２は、図３の（Ａ）に示すように、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂを通過し、第２の位相板１３Ｂを介して円偏光になり第２のミラー１４Ｂにより反射されて再び第２の位相板１３Ｂを通過することで、Ｓ偏光になる。第２の位相板１３Ｂは、λ／４位相板を想定する。

第２の位相板１３Ｂを通過することで、Ｓ偏光になった第２の光束Ｌ２は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂにより反射されて第３のミラー１４Ｃに入射され、該第３のミラー１４Ｃによって反射されて任意の角度をもって２次元の回折格子１に入射される。この時の入射角は、θ＝ｓｉｎ^－１（光源の波長／格子ベクトルＬＶ_Ｘの格子ピッチ）で照射させるよう第３のミラー１４Ｃが配置される。２次元の回折格子１によって回折した第２の光束Ｌ２は２次元の回折格子１の格子ベクトルＬＶ_Ｘに対し略垂直に回折され、＋１次回折光として第１のレンズ１５Ａに入射される。

第１のレンズ１５Ａを通過した第２の光束Ｌ２は、図３の（Ｂ）に示すように、第３の位相板１３Ｃに入射され、この第３の位相板１３Ｃを通過することにより、Ｓ偏光は円偏光になる。

そして、円偏光の第２の光束Ｌ２は、その後、ミラー１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃからなる第１のミラー群１６を経て再び第３の位相板１３Ｃに入射され、この第３の位相板１３Ｃを通過することで、Ｐ偏光になる。ここで、第３の位相板１３Ｃは、λ／４位相板を想定する。

第３の位相板１３Ｃを通過することでＰ偏光になった第２の光束Ｌ２は、図３の（Ｃ）に示すように、第２のレンズ１５Ｂを通過して、２次元の回折格子１の面に対し略垂直に入射される。

すなわち、この第１の変位検出部１０において第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２と２次元の回折格子１からなる入射平面は、２次元回折格子１の表面に対し垂直に構成されている。

第２の光束Ｌ２は、２回目の回折で±１次の回折光を得る。－１次回折光は、第４のミラー１４Ｄによって反射されて第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃに導かれ、Ｐ偏光であることから、第３の偏光ビームスプリッタ１２Ｃで曲げられることなく、直進し、不要光として捨てられる。

一方、＋１次回折光は、第５のミラー１４Ｅによって反射されて、第５の位相板１３Ｅを介して第４の偏光ビームスプリッタ１２Ｄに入射される。

前述したように第５の位相板１３Ｅは、λ／２位相板を想定していることから、Ｐ偏光である＋１次回折光は、第５の位相板１３ＥによってＳ偏光になり、第４の偏光ビームスプリッタ１２Ｄによって反射されて第１の受光手段１７に入射される。

すなわち、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、第４の偏光ビームスプリッタ１２Ｄによって互いに重ね合わされて、干渉光として第１の受光手段１７に入射される。

ここで、第１の受光手段１７の構成図を図６に示すように、第１の受光手段１７に入射された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、λ／４位相板１７１を通過し、ハーフミラー１７２で分岐され、２つの偏光ビームスプリッタ１７３，１７４を交わすことで干渉した光束になり受光素子１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄに入射される。

第１の受光手段１７に入射された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、λ／４位相板１７１を通過し、ハーフミラー１７２で分岐され、２つの偏光ビームスプリッタ１７３，１７４を交わすことで干渉した光束になり受光素子１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄに入射される。

各受光素子１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄでは、２次元の回折格子が、格子ベクトルＬＶ_Ｘ方向にｘだけ移動すると、受光素子で得られる干渉信号は、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）で表せられる。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。またδは、初期位相を示している。Λは、２次元の回折格子１における格子のピッチである。

つまり干渉した直線偏光は、２次元の回折格子１が格子ベクトル方向に１／４格子ピッチだけ移動すると、１８０度回転することになり、受光素子は、１周期の明暗の光量変化として信号が得られる。例えば、受光素子１７Ａと受光素子１７Ｂに照射される光量は、偏光ビームスプリッタ１７４を通過するため互いに反転し、光電変換される。これは、後述する図１０に示すような構成の相対位置情報出力部５０に備えられた第１の相対位置情報出力手段１８における差動増幅器５１ＡでＤＣキャンセルをするためである。これによって干渉強度の変動に対し安定した検出ができる。さらに、受光素子１７Ａ，１７Ｂが配置された偏光ビームスプリッタ１７３は、受光素子１７Ｃ，１７Ｄが配置される偏光ビームスプリッタ１７４に対し、略４５度回転させて配置される。これは、受光素子１７Ａ，１７Ｂに対し、受光素子１７Ｃ，１７Ｄの位相を９０度ずらすことで、２次元回折格子１の移動方向の正負を判別できる。

このように２次元回折格子１に対するＸ方向の相対変位を第１の変位検出部１０により検出する構成において、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２が２次元の回折格子１に入射される位置が略一点であり、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２と２次元の回折格子１からなる入射平面は、２次元回折格子１の表面に対し垂直に構成されており、２次元回折格子１の姿勢変化があったとしても、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２の光路長が一定に保たれる。

ここで、図３を参照した第１の変位検出部１０の説明において、２次元回折格子１は、１次元格子１Ｘでもよく、この場合は、Ｘ方向のみの検出に限られる。すなわち、第１の変位検出部１０は、１次元格子１Ｘと組み合わせることにより１次元の変位測定装置を構築することができる。

また、この２次元変位測定装置１００において、第２の変位検出部２０は、二次元の回折格子１に対して、ＸＹ平面上の、Ｙ方向の相対位置検出を行うものであって、図７の斜視図に示すように設置された第２の光源２１、第５乃至第８の偏光ビームスプリッタ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ、２２Ｄ、第６乃至第１０の位相板２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ、２３Ｄ、２３Ｅ、第７乃至第１２のミラー２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ、２４Ｄ，２４Ｅ，２４Ｆ、第３及び第４のレンズ２５Ａ，２５Ｂ、第２のミラー郡２６、第２の受光手段２７、第２の相対位置情報出力手段２８を備える。

すなわち、第２の変位検出部２０は、回折格子１に照射するための光束を出射する第２の光源２１と、第２の光源２１から出射された光束を第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４に分割する第５の偏光ビームスプリッタ２２Ａと、第５の偏光ビームスプリッタ２２Ａにより反射された第３の光束Ｌ３の偏光状態を変化させる第６の位相板２３Ａと、第６の位相板２３Ａを介して入射される第３の光束Ｌ３を任意の角度で回折格子１の任意の位置Ｐ_Ｃに入射させる第７のミラー２４Ａと、第５の偏光ビームスプリッタ２２Ａによって分割された第４の光束を透過および反射させる第６の偏光ビームスプリッタ２２Ｂと、第６の偏光ビームスプリッタ２２Ｂを透過した第４の光束の偏光状態を変化させる第７の位相板２３Ｂと、第７の位相板２３Ｂを介して入射された第４の光束Ｌ４を反射させ第７の位相板２３Ｂを介して第６の偏光ビームスプリッタ２２Ｂに戻す第８のミラー２４Ｂと、第７の位相板２３Ｂを介して第６の偏光ビームスプリッタ２２Ｂに入射され該第６の偏光ビームスプリッタ２２Ｂにより反射された第４の光束Ｌ４を任意の角度で回折格子１の前記位置Ｐ_Ｃに入射させる第９のミラー２４Ｃと、任意の位置Ｐ_Ｃに入射され回折格子１によって回折された第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４を共に集光する第３のレンズ２５Ａと、第３のレンズ２５Ａにより集光された第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４の偏光状態を変化させる第８の位相板２３Ｃと、第８の位相板２３Ｃを介して入射された第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４を反射して該第８の位相板２３Ｃを介して再び回折格子１の任意の位置Ｐ_Ｄに入射させるための第２のミラー郡２６と、回折格子１の任意の位置Ｐ_Ｄに入射される第３のレンズ２５Ａにより集光した第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４をコリメートする第４のレンズ２５Ｂと、任意の位置Ｐ_Ｄに入射され再び回折格子１によって回折された第３の光束Ｌ３が入射される第１０のミラー２４Ｄと、任意の位置Ｐ_Ｄに入射され再び回折格子１によって回折された第４の光束Ｌ４が入射される第１１のミラー２４Ｅと、第１０のミラー２４Ｄを介して第３の光束Ｌ３が入射される第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃと、第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃに入射され該第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃにより反射された第３の光束Ｌ３が入射される第９の位相板２３Ｄと、第９の位相板２３Ｄを介して入射される第３の光束を反射して該第９の位相板２３Ｄを介して第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃに戻す第１２のミラー２４Ｆと、第１１のミラー２４Ｅを介して４の光束Ｌ４が入射される第１０の位相板２３Ｅと、第１２のミラー２４Ｆにより反射された第３の光束Ｌ３が該第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃを透過して入射されるとともに第１０の位相板２３Ｅを介して第４の光束Ｌ４が入射され、第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４を重ね合わせて干渉させる第８の偏光ビームスプリッタ２２Ｄと、第８の偏光ビームスプリッタ２２Ｄにより重ね合わせた第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４を受光して光電変換する第２の受光手段２７と、第２の受光手段２７により光電変換した干渉信号を変位情報に変換し出力する第２の相対位置情報出力手段２８とを備える。

ここで、この第２の変位検出部２０によるＹ方向の変位検出に関して、図８の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して説明する。

図８は、第２の変位検出部２０の説明に供する図であって、（Ａ）は第２の光源２１から射出した光束を回折格子１に入射させる光路を示し、（Ｂ）は回折格子１により回折反射された光束を該回折格子１に再入射させる光路を示し、（Ｃ）は回折格子１により再入射されて回折反射された光束を第２の受光手段２７に入射させる光路を示している。

可干渉性のある光源２１に関しては、Ｘ方向の検出と同じであるため説明を省略する。

第２の光源２１から出射された光束は、第５の偏光ビームスプリッタ２２Ａにおいて、該第５の偏光ビームスプリッタ２２Ａによって反射された第３の光束Ｌ３と該第５の偏光ビームスプリッタ２２Ａを透過した第４の光束Ｌ４とに２分割される。

まず、左側の第３の光束Ｌ３に着目する。

第３の光束Ｌ３は、位相板２３を介して第７のミラー２４Ａに入射される。第３の光束Ｌ３は、Ｓ偏光であるが、第６の位相板２３ＡによってＰ偏光になる。第６の位相板２３Ａは、λ／２位相板を想定する。Ｐ偏光の第３の光束Ｌ３が、第７のミラー２４Ａにより反射されて、任意の角度をもって２次元の回折格子１の任意の位置Ｐ_Ｃに入射される。この時の入射角は、θ＝ｓｉｎ^－１（光源の波長／格子ベクトルＬＶ_Ｙの格子ピッチ）で照射させるよう第７のミラー２４Ａが配置される。

２次元の回折格子１によって回折した第３の光束Ｌ３は、図８の（Ａ）に示すように、２次元の回折格子１の格子ベクトルＬＶ_Ｙに対し略垂直に回折され、＋１次回折光として第３のレンズ２５Ａに入射される。

第３のレンズ２５Ａを通過した第３の光束Ｌ３は、図８の（Ｂ）に示すように、第８の位相板２３Ｃに入射され、この第８の位相板２３Ｃを通過することにより、Ｐ偏光は円偏光になる。

そして、円偏光の第３の光束Ｌ３は、その後、ミラー２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃからなる第２のミラー群２６を経て再び第８の位相板２３Ｃに入射され、この第８の位相板２３Ｃを通過することで、Ｓ偏光になる。ここで、第８の位相板２３Ｃは、λ／４位相板を想定する。

第８の位相板２３Ｃを通過することでＳ偏光になった第３の光束Ｌ３は、図８の（Ｃ）に示すように、第４のレンズ２５Ｂを通過して、２次元の回折格子１の面に対し略垂直に入射される。

２次元の回折格子１の面に対し略垂直に入射された第３の光束Ｌ３は、２回目の回折で±１次の回折光を得る。－１次回折光は、第１１のミラー２４Ｅによって反射されて、第１０の位相板２３Ｅを介して第８の偏光ビームスプリッタ２２Ｄに入射されるが、Ｓ偏光であることから、第１０の位相板２３ＥによってＰ偏光になり、第８の偏光ビームスプリッタ２２Ｄで第２の受光手段２７の方向に曲げられることなく、直進し、不要光として捨てられる。ここで、第１０の位相板２３Ｅは、λ／２位相板を想定する。一方、＋１次回折光は、第１０のミラー２４Ｄによって反射され第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃに導かれ、Ｓ偏光であることから、第９の位相板２３Ｄ側に曲げられる。Ｓ偏光である第３の光束Ｌ３の＋１次回折光は、第９の位相板２３Ｄによって、円偏光になり、第１２のミラー２４Ｆにより反射されて、再び第９の位相板２３Ｄに戻され、Ｐ偏光になる。ここで、第９の位相板２３Ｄは、λ／４位相板を想定する。Ｐ偏光となった第３の光束Ｌ３の＋１次回折光は、第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃと第８の偏光ビームスプリッタ２２Ｄを通過して第２の受光手段２７に入射される。

次に、第５の偏光ビームスプリッタ２２Ａを透過した第４の光束Ｌ４について説明する。

第５の偏光ビームスプリッタ２２Ａを透過したＰ偏光の第４の光束Ｌ４は、図８の（Ａ）に示すように、第６の偏光ビームスプリッタ２２Ｂを通過し、第７の位相板２３Ｂを介して円偏光になり第８のミラー２４Ｂにより反射されて再び第７の位相板２３Ｂを通過することで、Ｓ偏光になる。第７の位相板２３Ｂは、λ／４位相板を想定する。

第７の位相板２３Ｂを通過することで、Ｓ偏光になった第４の光束Ｌ４は、第６の偏光ビームスプリッタ２２Ｂにより反射されて第９のミラー２４Ｃに入射され、該第９のミラー２４Ｃによって反射されて任意の角度をもって２次元の回折格子１に入射される。この時の入射角は、θ＝ｓｉｎ^－１（光源の波長／格子ベクトルＬＶ_Ｙの格子ピッチ）で照射させるよう第９のミラー２４Ｃが配置される。２次元の回折格子１によって回折した第４の光束Ｌ４は２次元の回折格子１の格子ベクトルＬＶ_Ｙに対し略垂直に回折され、＋１次回折光として第４のレンズ２５Ｂに入射される。

第３のレンズ２５Ａを通過した第４の光束Ｌ４は、図８の（Ｂ）に示すように、第８の位相板２３Ｃに入射され、この第８の位相板２３Ｃを通過することにより、Ｓ偏光は円偏光になる。

そして、円偏光の第４の光束Ｌ４は、その後、ミラー２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃからなる第２のミラー群２６を経て再び第８の位相板２３Ｃに入射され、この第８の位相板２３Ｃを通過することで、Ｐ偏光になる。ここで、第８の位相板２３Ｃは、λ／４位相板を想定する。

第８の位相板２３Ｃを通過することでＰ偏光になった第４の光束Ｌ４は、図８の（Ｃ）に示すように、第４のレンズ２５Ｂを通過して、２次元の回折格子１の面に対し略垂直に入射される。

すなわち、この第２の変位検出部２０において第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４と２次元の回折格子１からなる入射平面は、２次元回折格子１の表面に対し垂直に構成されている。

第４の光束Ｌ４は、２回目の回折で±１次の回折光を得る。－１次回折光は、第１０のミラー２４Ｄによって反射されて第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃに導かれ、Ｐ偏光であることから、第７の偏光ビームスプリッタ２２Ｃで曲げられることなく、直進し、不要光として捨てられる。

一方、＋１次回折光は、第１１のミラー２４Ｅによって反射されて、第１０の位相板２３Ｅを介して第８の偏光ビームスプリッタ２２Ｄに入射される。

前述したように第１０の位相板２３Ｅは、λ／２位相板を想定していることから、Ｐ偏光である＋１次回折光は、第１０の位相板２３ＥによってＳ偏光になり、第８の偏光ビームスプリッタ２２Ｄによって反射されて第２の受光手段２７に入射される。

すなわち、第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４は、第８の偏光ビームスプリッタ２２Ｄによって互いに重ね合わされて、干渉光として第２の受光手段２７に入射される。

ここで、 第２の受光手段２７の構成図を図９に示す。

第２の受光手段２７に入射された第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４は、λ／４位相板２７１を通過し、ハーフミラー２７２で分岐され、２つの偏光ビームスプリッタ２７３，２７４を交わすことで干渉した光束になり受光素子２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄに入射される。

各受光素子２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄでは、２次元の回折格子１が、格子ベクトルＬＶ_Ｙ方向にyだけ移動すると、受光素子で得られる干渉信号は、Ａｃｏｓ（４Ｋｙ＋δ）で表せられる。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。またδは、初期位相を示している。Λは、２次元の回折格子１における格子のピッチである。

つまり干渉した直線偏光は、２次元の回折格子１が格子ベクトル方向に１／４格子ピッチだけ移動すると、１８０度回転することになり、受光素子は、１周期の明暗の光量変化として信号が得られる。例えば、受光素子２７Ａと受光素子２７Ｂに照射される光量は、偏光ビームスプリッタ２７４を通過するため互いに反転し、光電変換される。これは、図１０に示すような構成の相対位置情報出力部５０に備えられた第２の相対位置情報出力手段２８における差動増幅器５１ＣでＤＣキャンセルをするためである。これによって干渉強度の変動に対し安定した検出ができる。さらに、受光素子２７Ａ，２７Ｂが配置された偏光ビームスプリッタ２７３は、受光素子２７Ｃ，２７Ｄが配置される偏光ビームスプリッタ２７４に対し、略４５度回転させて配置される。これは、受光素子２７Ａ，２７Ｂに対し、受光素子２７Ｃ，２７Ｄの位相を９０度ずらすことで、２次元回折格子１の移動方向の正負を判別できる。

このように２次元回折格子１に対するＹ方向の相対変位を第２の変位検出部２０により検出する構成において、第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４が２次元の回折格子１に入射される位置が略一点であり、第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４と２次元の回折格子１からなる入射平面は、２次元回折格子１の表面に対し垂直に構成されて、２次元回折格子１の姿勢変化があったとしても、第３の光束Ｌ３と第４の光束Ｌ４の光路長が一定に保たれる。

したがって、上述の如き構成の２次元の回折格子１に対してＸ方向の相対変位を検出する第１の変位検出部１０と、Ｙ方向の相対変位を検出する第２の変位検出部２０では、２次回折光の影響をパスをずらすことで回避することで、回折格子１の姿勢変化の影響を受けずに、高い分解能で安定した高精度の変位検出が可能な光学式変位測定装置１００をコンパクトな装置構成として実現することができる。

ここで、図１０は、この光学式変位測定装置１００における相対位置情報出力部５０の構成を示すブロック図である。

この相対位置情報出力部５０は、第１の変位検出部１０における第１の相対位置情報出力手段１８と、第２の変位検出部２０における第２の相対位置情報出力手段２８を備える。

第１の相対位置情報出力手段１８は、第１の差動増幅器５１Ａと、第２の差動増幅器５１Ｂと、第１のＡ／Ｄ変換器５２Ａと、第２のＡ／Ｄ変換器５２Ｂと、第１の波形補正処理部５３Ａと、第１のインクリメンタル信号発生器５４Ａとを備える。

第１の差動増幅器５１Ａは、第１の受光手段１７の第１の受光素子１７Ａ及び第２の受光素子１７Ｂが入力端に接続され、出力端に第１のＡ／Ｄ変換器５２Ａが接続されている。また、第２の差動増幅器５１Ｂは、第１の受光手段１７の第３の受光素子１７Ｃ及び第４の受光素子１７Ｄが入力端に接続され、出力端に第２のＡ／Ｄ変換器５２Ｂが接続されている。そして、第１のＡ／Ｄ変換器５２Ａ及び第２のＡ／Ｄ変換器５２Ｂは、第１の波形補正処理部５３Ａに接続されている。第１の波形補正処理部５３Ａは、第１のインクリメンタル信号発生器５４Ａに接続されている。

第１の相対位置情報出力手段１８は、第１の変位検出部１０に備えられた第１の受光手段１７で受光した光の強度に基づいて２次元の回折格子１に対するＸ方向の相対変位情報を出力する機能を有する。

具体的には、第１の相対位置情報出力手段１８では、まず、第１の受光素子１７Ａ、第２の受光素子１７Ｂからの信号を第１の差動増幅器５１Ａによって、第３の受光素子１７Ｃ、第４の受光素子１７Ｄからの信号を第２の差動増幅器５１Ｂによって、それぞれ所定の増幅率α，βで差動増幅する。増幅率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５２Ａ，５２Ｂの入力可能レンジに合わせて設定する。

第１、第２の差動増幅器５１Ａ，５１Ｂで差動増幅されて得られた２つの信号は、第１、第２のＡ／Ｄ変換器５２Ａ，５２Ｂでアナログのｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号からデジタル信号へと数値化され、第１の波形補正処理部５３Ａで演算処理が行われる。第１の波形補正処理部５３Ａ、第１のインクリメンタル信号発生器５４Ａ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_Ｘ信号、ｃｏｓθ_Ｘ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_Ｘ＝Ａｔａｎθ_Ｘを求めることにより、２次元の回折格子１に対するＸ方向におけるより正確な相対位置情報を生成し、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。

すなわち、第１の相対位置情報出力手段１８は、第１の変位検出部１０に備えられた第１の受光手段１７で受光した光の強度に基づいて、第１の変位検出部１０と２次元の回折格子１とのＸ方向の相対変位に応じた偏光状態の変化を４つの受光素子１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄによって検出して、その４つの受光素子１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄにより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、Ｘ方向の相対位置情報を第１のインクリメンタル信号発生器５４Ａより出力する。

また、第２の相対位置情報出力手段２８は、第３の差動増幅器５１Ｃと、第４の差動増幅器５１Ｄと、第３のＡ／Ｄ変換器５２Ｃと、第４のＡ／Ｄ変換器５２Ｄと、第２の波形補正処理部５３Ｂと、第２のインクリメンタル信号発生器５４Ｂとを備える。

第３の差動増幅器５１Ｃは、第２の受光手段２７の第５の受光素子２７Ａ及び第６の受光素子２７Ｂが入力端に接続され、出力端に第３のＡ／Ｄ変換器５２Ｃが接続されている。また、第４の差動増幅器５１Ｄは、第２の受光手段２７の第７の受光素子２７Ｃ及び第８の受光素子２７Ｄが入力端に接続され、出力端に第４のＡ／Ｄ変換器５２Ｄが接続されている。そして、第３のＡ／Ｄ変換器５２Ｃ及び第４のＡ／Ｄ変換器５２Ｄは、第２の波形補正処理部５３Ｂに接続されている。第２の波形補正処理部５３Ｂは、第２のインクリメンタル信号発生器５４Ｂに接続されている。

第２の相対位置情報出力手段２８は、第２の変位検出部２０に備えられた第２の受光手段２７で受光した光の強度に基づいて２次元の回折格子１に対するＹ方向の相対変位情報を出力する機能を有する。

具体的には、第２の相対位置情報出力手段２８では、まず、第５の受光素子２７Ａ、第６の受光素子２７Ｂからの信号を第３の差動増幅器５１Ｃによって、第７の受光素子２７Ｃ、第８の受光素子２７Ｄからの信号を第４の差動増幅器５１Ｄによって、それぞれ所定の増幅率α，βで差動増幅する。増幅率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５２Ｃ、５２Ｄの入力可能レンジに合わせて設定する。

第３、第４の差動増幅器５１Ｃ、５１Ｄで差動増幅されて得られた２つの信号は、第３、第４のＡ／Ｄ変換器５２Ｃ、５２Ｄでアナログのｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号からデジタル信号へと数値化され、第２の波形補正処理部５３Ｂで演算処理が行われる。第２の波形補正処理部５３Ｂ、第２のインクリメンタル信号発生器５４Ｂ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_Ｙ信号、ｃｏｓθ_Ｙ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_Ｙ＝Ａｔａｎθ_Ｙを求めることにより、２次元の回折格子１に対するＹ方向におけるより正確な相対位置情報を生成し、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。

すなわち、第２の相対位置情報出力手段２８は、第２の変位検出部２０に備えられた第２の受光手段２７で受光した光の強度に基づいて、第２の変位検出部２０と２次元の回折格子１とのＹ方向の相対変位に応じた偏光状態の変化を４つの受光素子２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄによって検出して、その４つの受光素子２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄにより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、Ｙ方向の相対位置情報を第２のインクリメンタル信号発生器５４Ｂより出力する。

この相対位置情報出力部５０において、各Ａ／Ｄ変換器５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄは、クロック発生器５５によって同期が取られており、第１、第２のインクリメンタル信号発生器５４Ａ，５４Ｂは、１クロックあたりに変化したＸＹ方向の相対位置情報を出力する。これにより、ＸＹ方向の同期が取られた変位情報が出力される。

なお、第１の変位検出部１０の第１乃至第４の偏光ビームスプリッタ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄは、図１１に示すように、一体構造にした偏光ビームスプリッタブロック１２とすることができる。同様に第２の変位検出部２０の第５乃至第８の偏光ビームスプリッタ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄも一体構造にした偏光ビームスプリッタブロック２２とすることができる。

また、以上、説明した２次元変位測定装置１００では、個別ユニットとして構成した第１の変位検出部１０と第２の変位検出部２０を備え、第１の変位検出部１０によりＸ方向の相対変位を検出し、第２の変位検出部２０によりＹ方向の相対変位を検出するようにしたが、図１２の斜視図に示すように、Ｘ方向の相対変位を検出する第１の変位検出部１０の構成要素（第１の光源１１、第１乃至第４の偏光ビームスプリッタ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ、第１乃至第５の位相板１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ、第１乃至第６のミラー１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ、第１及び第２のレンズ１５Ａ，１５Ｂ、第１のミラー郡１６、第１の受光手段１７）とＹ方向の相対変位を検出する第２の変位検出部２０の構成要素（第２の光源２１、第５乃至第８の偏光ビームスプリッタ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ、第６乃至第１０の位相板２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ、２３Ｅ、第７乃至第１２のミラー２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ，２４Ｆ、第３及び第４のレンズ２５Ａ，２５Ｂ、第２のミラー郡２６、第２の受光手段２７）を交差するように配置することもできる。

なお、ミラー１４Ａ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，２４Ａ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅは、ミラーの代わりに、透過型の回折格子やプリズムを使い、光束を曲げて任意の位置に導いてもよく、ミラーを使用することはあくまでも一例である。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

１０，２０ 第１、第２の変位検出部、１１，２１ 第１、第２の光源、１２Ａ～１２Ｄ，２２Ａ～２２Ｄ 第１乃至第８の偏光ビームスプリッタ、１３Ａ～１３Ｅ，２３Ａ～２３Ｅ 第１乃至第１０の位相板、１４Ａ～１４Ｆ，２４Ａ～２４Ｆ 第１乃至第１２のミラー、１５Ａ，１５Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ 第１乃至第４のレンズ、１６，２６ 第１、第２のミラー郡、１７，２７ 第１、第２の受光手段、１７Ａ～１７Ｄ，２７Ａ～２７Ｄ 第１乃至第８の受光素子、１８，２８ 第１、第２の相対位置情報出力手段、５０ 相対位置情報出力部、１００ ２次元変位測定装置

Claims (3)

1. 計測対象となる反射型の回折格子と、
   前記回折格子に照射するための光束を出射する第１の光源と、
   前記第１の光源から出射された光束を第１の光束と第２の光束に分割する第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により反射された前記第１の光束の偏光状態を変化させる第１の位相板と、
   前記第１の位相板を介して入射される前記第１の光束を任意の角度で前記回折格子の任意の位置ＰＡに入射させる第１のミラーと、
   前記第１の偏光ビームスプリッタによって分割された前記第２の光束を透過および反射させる第２の偏光ビームスプリッタと、
   前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記第２の光束の偏光状態を変化させる第２の位相板と、
   前記第２の位相板を介して入射された前記第２の光束を反射させ前記第２の位相板を介して前記第２の偏光ビームスプリッタに戻す第２のミラーと、
   前記第２の位相板を介して前記第２の偏光ビームスプリッタに入射され該第２の偏光ビームスプリッタにより反射された前記第２の光束を任意の角度で前記回折格子の前記位置ＰＡに入射させる第３のミラーと、
   前記任意の位置ＰＡに入射され前記回折格子によって回折された前記第１の光束と第２の光束を共に集光する第１のレンズと、
   前記第１のレンズにより集光された前記第１の光束と前記第２の光束の偏光状態を変化させる第３の位相板と、
   前記第３の位相板を介して入射された前記第１の光束と前記第２の光束を反射して該第３の位相板を介して再び前記回折格子の任意の位置ＰＢに入射させるための第１のミラー郡と、
   前記回折格子の任意の位置ＰＢに入射される前記第１のレンズにより集光した第１の光束と第２の光束をコリメートする第２のレンズと、
   前記任意の位置ＰＢに入射され再び前記回折格子によって回折された第１の光束が入射される第４のミラーと、
   前記任意の位置ＰＢに入射され再び前記回折格子によって回折された第２の光束が入射される第５のミラーと、
   前記第４のミラーを介して前記第１の光束が入射される第３の偏光ビームスプリッタと、
   前記第３の偏光ビームスプリッタに入射され該第３の偏光ビームスプリッタにより反射された第１の光束が入射される第４の位相板と、
   前記第４の位相板を介して入射される第１の光束を反射して該第４の位相板を介して前記第３の偏光ビームスプリッタに戻す第６のミラーと、
   前記第５のミラーを介して前記第２の光束が入射される第５の位相板と、
   前記第６のミラーにより反射された前記第１の光束が前記第３の偏光ビームスプリッタを透過して入射されるとともに前記第５の位相板を介して前記第２の光束が入射され、前記第１の光束と前記第２の光束を重ね合わせて干渉させる第４の偏光ビームスプリッタと、
   前記第４の偏光ビームスプリッタにより重ね合わせた第１の光束と第２の光束の干渉光を受光して光電変換する第１の受光手段と、
   前記第１の受光手段により光電変換した干渉信号を変位情報に変換し出力する第１の相対位置情報出力手段と
   を有し、
   前記計測対象となる回折格子との相対位置検出を行う光学式変位測定装置。
2. 前記回折格子として、ＸＹ方向に２つの格子ベクトルを持つ二次元の回折格子を備え、
   前記第１の光源、第１乃至第４の偏光ビームスプリッタ、第１乃至第５の位相板、第１乃至第６のミラー、第１及び第２のレンズ、第１のミラー郡、第１の受光手段、第１の相対位置情報出力手段により、前記二次元の回折格子に対して、ＸＹ平面上の、Ｘ方向の相対位置検出を行う第１の変位検出部と、
   前記二次元の回折格子に対して、ＸＹ平面上の、Ｙ方向の相対位置検出を行う第２の変位検出部と
   を有し、
   前記第２の変位検出部は、
   前記回折格子に照射するための光束を出射する第２の光源と、
   前記第２の光源から出射された光束を第３の光束と第４の光束に分割する第５の偏光ビームスプリッタと、
   前記第５の偏光ビームスプリッタにより反射された前記第３の光束の偏光状態を変化させる第６の位相板と、
   前記第６の位相板を介して入射される前記第３の光束を任意の角度で前記回折格子の任意の位置ＰＣに入射させる第７のミラーと、
   前記第５の偏光ビームスプリッタによって分割された前記第４の光束を透過および反射させる第６の偏光ビームスプリッタと、
   前記第６の偏光ビームスプリッタを透過した前記第４の光束の偏光状態を変化させる第７の位相板と、
   前記第７の位相板を介して入射された前記第４の光束を反射させ前記第７の位相板を介して前記第６の偏光ビームスプリッタに戻す第８のミラーと、
   前記第７の位相板を介して前記第６の偏光ビームスプリッタに入射され該第６の偏光ビームスプリッタにより反射された前記第４の光束を任意の角度で前記回折格子の前記位置ＰＣに入射させる第９のミラーと、
   前記任意の位置ＰＣに入射され前記回折格子によって回折された前記第３の光束と第４の光束を共に集光する第３のレンズと、
   前記第３のレンズにより集光された前記第３の光束と前記第４の光束の偏光状態を変化させる第８の位相板と、
   前記第８の位相板を介して入射された前記第３の光束と前記第４の光束を反射して該第８の位相板を介して再び前記回折格子の任意の位置ＰＤに入射させるための第２のミラー郡と、
   前記回折格子の任意の位置ＰＤに入射される前記第３のレンズにより集光した第３の光束と第４の光束をコリメートする第４のレンズと、
   前記任意の位置ＰＤに入射され再び前記回折格子によって回折された第３の光束が入射される第１０のミラーと、
   前記任意の位置ＰＤに入射され再び前記回折格子によって回折された第４の光束が入射される第１１のミラーと、
   前記第１０のミラーを介して前記第３の光束が入射される第７の偏光ビームスプリッタと、
   前記第７の偏光ビームスプリッタに入射され該第７の偏光ビームスプリッタにより反射された第３の光束が入射される第９の位相板と、
   前記第７の位相板を介して入射される第３の光束を反射して前記第９の位相板を介して前記第７の偏光ビームスプリッタに戻す第１２のミラーと、
   前記第１１のミラーを介して前記第４の光束が入射される第１０の位相板と、
   前記第１２のミラーにより反射された前記第３の光束が前記第９の偏光ビームスプリッタを透過して入射されるとともに前記第１０の位相板を介して前記第４の光束が入射され、前記第３の光束と前記第４の光束を重ね合わせて干渉させる第８の偏光ビームスプリッタと、
   前記第８の偏光ビームスプリッタにより重ね合わせた第３の光束と第４の光束の干渉光を受光して光電変換する第２の受光手段と、
   前記第２の受光手段により光電変換した干渉信号を変位情報に変換し出力する第２の相対位置情報出力手段と
   を有する請求項１記載の光学式変位測定装置。
3. 前記第１の変位検出部の第１乃至第４の偏光ビームスプリッタと、第２の変位検出部の第５乃至第８の偏光ビームスプリッタを一体構造にした請求項２記載の光学式変位測定装置。

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