JPH02293605A - 移動量測定方法及び移動量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、このバタンと磁気ヘッド
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《±
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。この副長器
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、レーザ干渉測艮器の従来例を第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《る。

この場合、周波数ｆ，、ｆ，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５ｌ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、（ｆ，−ｆ，）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を経てカウン夕５８
に導かれる。ビームスプリッタ５ｌにより分けられた他
のレーザ光は、１／４波長仮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ｆ，％　ｆ，の二つ
のレーザ光に分けられる。これら二つのレーザ光ｆ，、
ｆ，は、それぞれ移動コーナーキ１−ブプリズ４６３、
固定コーナーキ１−ブプリズム６２に入射される。移動
コーナーキ１−ブプリズム６３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たけ変化す
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６ｌにより干渉させ、その後ミラー６
４を介して光電検出器５３に入射させると、（ｆ．−ｆ
，±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、移動コーナーキコーブプリズム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　＝　ｆ　２　ｖ−ｆ　ｔ／　ｃ　ｄ　ｔ＝２／λ，
ｆｄｘ ＝２／λｔ（Ｘ＋−Ｘｓ）　　・・・・・・　（２）と
なる。なお、上式ではｆ，・λ，＝＝ｃの関係を利用し
ている。また、（ＸＩ　　ｘ＊）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ｅである。従
って、 ｅ＝λ．・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
λ．／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、λｌ／６４、或はλ
．／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，プラ効
果により周波数は最高でｆ，＋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【１＋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（ｆ，ｆ，）を
小さくしてドノプラ効果による周波数（ｆ，−ｆ，＋Δ
ｆ）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（ｆ．−ｆ，一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、Δ
ｆが（．ｒ．−ｔｔ＞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（ｒ，−ｒ，）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、従来のレーザ干渉副長器は、そのビート周
波数により副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
を有する副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６
１−２１５９０５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ｌがらのレーザ光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［０は、ミラー３で反射されてウェ
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ＩＯ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ｌ２の周波数をＯ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ｌ２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１
０，１２を入射する。このとき０次光１０と変調光ｌ２
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《周波数ｆで流れて
おり、これが所謂先ビートである。尚、その干渉縞のビ
，チと回折格子４ａのピ，，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’ｔｒ％計等
の副長器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２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
トマルチブライヤ等の光電検出器７で受光する。角度β
は０次光ＩＯと回折光１１との成す角度である。同時に
、変調光ｌ２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《るある次数の回折
光ｌ３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、回折先＋１と１３との干渉によ
り明暗の変化が生じるが、その明暗は光ビートの周波数
、即ち、基準信号ＭＳの周波数１で変化している。よっ
て光電検出″ａ７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Ｏ）になるように駆動モータ２ｌ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■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ｌＯと変調光ｌ２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ｌＯ、ｌ２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■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ｌＯ、ｌ２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、予め公知のブ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Ｌ
Ｐ（位ｔ目差で±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ｌＯ、ｌ２の波長をλとすると、次式で表され
る。

ＬＰ＝λ／（ＳＩＮα＋ＳＩＮβ）・・・・・・（４）
例えば、彼長λを０．６μｍとし、回折格子ピッチが１
．２μｍの場合、角度α、βは３・０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
装置単体では副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、専用のブ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，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〜第３のヒート信号のうちいず
れか２つのビート信号の位相差と、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、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のビート信号から位相差信号を算出する位相差信
号検出手段と、前記第１〜第３のビート信号の周波数を
計数し、レーザドップラ偏移による周波数差を算出処理
する周波数処理装置と、前記位相差信号および周波数差
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、光ヘテロ
ダイン干渉ビート信号の位相変化、並びにドツプラ効果
による周波数偏移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《、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、高速、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ｆ，，ｆ，とする。従って
、光ヘテロダイン干渉ビート周波数ｆ０ミｆ，−ｆ．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ブリ．ッタ７ｌ
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（ｆ，−ｆ．）のビート信号が得られる。こ
の信号は増幅器８ｌ、ダブラ８４を経てカウンタ８７等
の信号処理系に導かれる。

また、ビームスブリッタ７１により分けられた他のレー
ザ光は、ビームスブリッタ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
９ｌ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
キューブプリズム９０からの反射光と移動コーナーキュ
ーブプリズム９ｌ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９
０からの周波数ｆ，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
（ｆ．±Δｆ）のｐ偏光の反射光との干渉光であり、池
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ｆ，のｐ偏先の反射光と移動コーナーキューブプ
リズム９ｌからドップラ効果による周波数偏移（ｆ．＋
Δ【）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（（ｆ
，±Δｆ）−ｆ，）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、充電検出器８０によって検出
されることによって（ｆ，　−　（ｆ，±Δｆ））の周
波数のビート信号が発生される。

この信号は、増幅Ｂ８３、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（ｆ．±Δｆ）−ｆ，、及
びｆ，−　（ｆ，±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
づいて周波数一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（ｆ，＋Δｆ）−ｆ，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ｆ，−（ｆ，一Δ
ｆ）の信号を出力する。つまり、移動コーナーヰユーブ
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ｆ．−ｆ．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９６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（ｆ，＋Δｆ）−ｆ，の信号の場合を正と
するならば、周波数ｆ．−　（ｆ．一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ｆ
．−ｆ，以上になっても移動方向に関係な《、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λ，／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λ
．／（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１ＯＯから
発した周波数ｆ＋ｐ（ｐ偏光）、ｒｔｓ（Ｓ偏光）のレ
ーザ光は、干渉計に入る前に一部がビームスブリッタ１
０１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ｌ０３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ｆｔ＋＝ｆｔ　ｐ−ｆ＊　ｓ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ｌ１５等の
信号処理系に導かれる。ビームスプ１四，夕１０１によ
り分けられた他方のレーザー光は、ビームスブリッタ１
０２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ｌ２ｌに入射する。この人射は、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。ビームスブリ．，夕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、１ｌ９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ｆ．ｓ（＝ｆ　ｔｐ）　、ｆｓ　ｐ　（＝ｆｔ
ｓ）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ブリッタ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を介して充電検出器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１１
０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ｆ，　ｐ　（或はｆ，ｓ）のレーザ光の
一次回折角を０１（或はθ，）とし、回折格子＋２１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１１７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ｆ＋ｐ（或はｆ，ｓ）は、次式に示すよ
うにド・７プラ効果により周波数偏移する。

Δ『・壬ｖ−ｓＩＮθ＋・ｒｔｐ／ｃ　　：　＋　ｖ−
ｓＩＮθ．・ｒ，ｓａｃ・・・・・・　（５） 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、Δｒ＝±ｖ−ＳＩＮ１
ｌＩ−ｒＩＳ／ｃ〜±ｖ−ｓｌＮθｔ”ｆｔｐＩＣ・・
・・・（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ｆ１光速度をＣと
するとλ一ｃ　／　ｆ　、及びＳｒＮθ，＝λ／Ｐの関
係式から、 ｒｐ＝＜ｒｌｐ壬ｖ−ＳＩＮｌｌｌ−ｒＩｐ／ｃ）一（
ｆ，ｐ＋：ｖ−Ｓ！Ｎθｔ−ｒｔｐ／ｃ）（Ｌｐ　−　
ｆｔｐ）＋（ｖ−ｓｌＮ６ｌ−ｆｔｐ／ｃ＋　ｖ−ＳＩ
Ｎ６ｔ４ｔｐ／ｃ）”ｒｏ干２ｖ／Ｐ　　　　　　　　
　　　　　　−　−　　（　７　）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、 ｒｓ＝（ｒ１ｓｔｈｖ−ＳＩＮｌｌ＋−ｆ＋ｓ／ｃ）　
　（ｒ＊ｓ壬ｖ−ｓＩＮＩｌ２・ｆ＊ｓ／Ｃ）・（ｆ．
ｓ−　ｒｔｓ）±（ｖ−ｓＩＮｏ＋・ｆ＋ｓ／ｃ＋　ｖ
−ｓＩＮ６＊４ｌｓ／ｃ）”ｆｏ±２ｖ／Ｐ　　　　　
　　　　　　　−　−　（　８　）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１１ｌ３、１１４を経て信号変換処理
Ｒｉ　ｌ　２　８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ｆ．＋２ｖ／Ｐ、及びｆ
０±２ｖ　／　Ｐに偏移した２つの信号と基準ビート信
号とを周波散一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ｆ。＋２　ｖ　／　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
て右方向に移勤した場合は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■が基準ビー１・信号の周波数ｆ。よりも大きな値
になっても光へ、テロダイン干渉先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ｌｌ５、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１
１５，１１６の数値の差ｎは回折格子１２１の移動の間
、Δｆ＝ｆｐ−ｆ．、或はΔｆ　＝　ｆ　ｓ　　ｆ　ｏ
を時間で積分したものであるから、 ｎ＝．ｒ２ｖ／Ｐｄｔ＝２／Ｐ．ｒｄｘ＝２・（ｘ＋　
　ｘｔ）／Ｐ・・・・・・（９） となる。ここで、Ｘ，一Ｘｔは回折格子１２１の移動距
離、即ち測定する長さしである。従って、Ｌ＝Ｐ−ｎ／
２　　　　　　　　　−・＝　（ｔｏ）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１３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Δφｐ１Ｓ偏光の場合Δ
φＳとすると、次式のように表される。

Δφｐ　＝　２π（−　Ｌ−ｓｉｎｌｌｔ／λ＋　−　
（Ｌ−ｓｉｎｌｌ．／λハ）＝−２π・Ｌ／（Ｐ／２）
　　　　　　・・・・・・（ｌ１）Δφｓ＝２π（１−
ｓｉｎＬ／λ＋　　（−Ｌ−ｓｉｎｉｌ，／λ，））＝
２π・Ｌ／（Ｐ／２）　　　　　　　・・・・・・（１
２）式（１　１）、（ｌ２）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１２４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
単色光光源としていずれも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せ、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ｌ〜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人射、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《、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６こ、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ζ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ど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する
ブ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、機構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副長器の構成を示す
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・・・・・・スリノト、８・・・・・・位相差検出
回路、９・・・・・・増幅器、１０・・・・・・０次光
、１０，１１、ｌ３・・・・・・回折光、ｌ２・・・・
・・変調光、２０・・・・・・測長器、２ｌ・・・・・
・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，−ムスプリノタ、５２、５３・・
・・・・光電検出器、５４、５５・・・・・・増幅器、
５６、５７・・・・・・ダブラ、５８、５９・・・・・
・カウンタ、６０・・・・・・ｌ／４波長板、６ｌ・・
・・・・偏光ビームスプリツタ、６２・・・・・・固定
コーナーキューブプリズム、６３・・・・・・移動コー
ナーキコーブプリズム、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・・・・・・ビームフブリッタ−　７２、７３、７
４・・・・・・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・、８
５、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、９ｌ・・・・・・移動コーナーキューブプリズム
、９２．．，・・偏光ビームスプリブタ、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、１０
２・・・・・・ビームスプリソタ−　１０３、１０４、
１０５・・・・・・集光レンズ、１０６、１０７、ｌＯ
８・・・・・・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・・・・・偏光ビームスプリツタ、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
・・・・・ステーシ駆動装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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〜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と、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、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. （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のビート信号から位相差信号
   を算出する位相差信号検出手段と、前記第１〜第３のビ
   ート信号の周波数を計数し、レーザドップラ偏移による
   周波数差を算出処理する周波数処理装置と、前記位相差
   信号および周波数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。