JPH07101181B2 - 位置検出器及び位置測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、変位を検出するための
回折格子を用いた位置検出器に係り、特に、そのような
位置検出器の精度及び分解能を向上するための方法及び
システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の位置をマイクロメータのレンジ以
下の精度で検出するための１つの先行技術システムは、
反射性回折格子から回折されたレーザダイオードの光を
用いるものである。格子に入射される光は、回折され、
２つの回折ビームになって反射される。各回折ビーム
は、格子に戻るように反射され、２回目の回折を受け、
１つのビームに結合される。このビームは、結合ビーム
中での干渉を防止するため、２回目の回折の前に互いに
直角に偏光される。結合された信号の平均強度は、光検
出器で検出され、ＤＣ（直流）レベル成分を与える。結
合ビームは、その後、互いに干渉するために各ビームの
成分を選択する偏光子を通過する。

【０００３】２つのビーム間の位相差は、回折格子の位
置に基づいており、回折格子が動くと、２つのビームの
位相関係は変化して、干渉を強め合ったり弱め合ったり
する。１次の回折に対しては、干渉ビームのピークから
ピークまでの周期は、回折格子のピッチをp とすると、
p ／４である。従って、１μm のピッチを有する回折格
子に対しては、干渉ビームのピークは、スケールが１μ
m の１／４、即ち２５０nm動く毎に、発生する。

【０００４】２５０nm内のスケール位置は、スケールが
横方向に変位したときの出力信号のピークを検出するこ
とによって、ある精度をもって測定することができる。
２５０nmよりも高い精度でスケール位置を測定するため
には、ピーク間のスケール変位を、補間によって評価す
る必要がある。

【０００５】現在のところ、先行技術は１０nm以内の位
置を確立するように試みているが、これ以上の精度で何
らかの位置を測定することは不可能である。更に、以下
に説明するような、先行技術装置中の可能性のある多く
の問題のために、真の精度は、１０nm以下ではないかも
しれないが、ユーザは、その位置が不正確であることに
気付いていない。

【０００６】ユーザが１０nm以下の正確な測定を保証す
るためには、レーザ干渉計が必要である。レーザ干渉計
は、ダイオード光源の回折格子よりも、非常に高価、複
雑及び繊細である。

【０００７】１０nm以下の位置を正確に測定する、ダイ
オードを使った位置検出器は、レーザ干渉計の使用が要
求される現在の高価なシステムの置き換えとして有用で
ある。

【０００８】図１は、特開平１−２６００５に示されて
いるような従来技術による位置検出器を示している。こ
の先行技術の位置検出器では、レーザダイオードのよう
な単色光源１０が、コリメータ１２と共に、平行ビーム
を、ミラー１４及び、スケール表面に対して垂直に回折
格子スケール１６上に照射する。光は、回折格子１６で
回折されて、正及び負のオーダーのビーム１７及び１８
になる。このビームは、平面の法線に対して、それぞれ
角度θ及び−θで回折される。

【０００９】図２は、図１の回折格子スケール１６の拡
大側面図であり、１次光ビームの回折状態を示してい
る。回折部材１６は、個々の格子溝２０に対して垂直な
運動である、矢印２２によって示される方向に沿う横方
向変位を行う物体２３に連結されている。光ビーム１５
は、表面の法線方向から回折格子１６上に入射する。正
角度回折ビーム１７は、回折格子１６の表面法線に対し
て角度θで格子から回折される。負角度回折ビーム１８
は、前記θと同じ値を有するが、符号が反対の−θの角
度で格子１６から回折される。

【００１０】図３中に示されるように、回折格子溝２０
は、互いに平行に伸びている。１つの回折格子溝２０の
ピッチp は、１つの格子溝２０のある点から隣接する格
子溝２０の同じ点までの長さである。先行技術による回
折格子のピッチp は、１．０６から１．０μm （＝１０
^-6m ）の範囲内にある。ビーム１５、１７及び１８の幅
は、通常、数mmの範囲内にあり、従って、ビームは、通
常、数千もの個々の格子溝２０をカバーしている。

【００１１】回折格子スケール１６の位置、従って、こ
のスケール１６に連結された物体２３の位置は、図１の
先行技術システムでは、次のようにして決定される。光
ビーム１５は、まず、表面の点１３にぶつかり、既に説
明したように、２つのビームに回折される。正角度回折
ビーム１７は、逆反射器（コーナーキューブ）２５によ
って反射され、表面の選択点２４に戻されて、回折格子
スケール１６に入射する。同様に、負角度回折ビーム１
８は、逆反射器（コーナーキューブ）２７によって反射
され、回折格子スケール１６の同じ点２４に入射する。
回折ビーム１７及び１８が回折格子スケール１６に２回
目にぶつかる前に、ビームは、それぞれ、光を遮閉し
て、選択された平面内に偏光されるようにする線形偏光
子２６及び２８を通過する。偏光子２６及び２８は、互
いに垂直な偏光軸で配向され、従って、結果として生じ
る各ビーム３０及び３２は、互いに直角に偏光される。
ビームは、スケール上の同じ点２４にぶつかり、２回目
の回折を受けて、結合ビーム３４を形成する。

【００１２】互いに直角に偏光された２つの光線は、１
つのビームに結合されたときに干渉しないことがよく知
られている。例え結合ビーム３４が、同じ波長の２つの
ビームの結合であったとしても、それらの偏光状態が直
角であるので、それらは互いに干渉しない。ビーム３４
は、光検出システム１１によって次のような方法で検出
される。

【００１３】図４に示すように、ビーム３４は、様々な
ビームスプリッタ及び光検出器を有する光検出システム
１１に入射する。ビームスプリッタ３６は、出力ビーム
３４の一部を、結合出力ビーム３４の平均強度を検出す
る光検出器３８に向ける。ビームスプリッタ４０は、ビ
ーム３４を２つの成分４２及び４４に分離する。２つの
成分の一方４４は、λ／４（１／４波長）遅延板４６を
通過した後、偏光子４８を通過し、その後、この強度が
光検出器５０によって検出される。ビーム４２の残りの
部分は、偏光子５２を通過し、その強度が光検出器５４
によって検出される。各偏光子４８及び５２は、同じ角
度、通常は結合ビーム３４の２つの部分のそれぞれの偏
光角から４５°に配向されている。各偏光子４８及び５
２の出力は、同じ平面内で偏光された回折ビームの２つ
の成分をもっている。

【００１４】２つの光線３０及び３２は、直角である限
りは干渉しないが、偏光の同じ面内に持ち込まれたとき
には干渉する。各偏光子４８及び５２は、従って、ビー
ム３４の成分を互いに干渉させる。干渉ビームは、ビー
ムの相対的な位相によって、強め合ったり弱め合ったり
して干渉する。先行技術で知られているように、正角度
回折ビーム１７と負角度回折ビーム１８間の相対的な位
相差は、回折格子１６の位置によって変化する。位相差
Ｐは、スケール変位量x と次式に従って関係付けられて
いる。

【００１５】 Ｐ＝４＊n （x ／p ）＊（２＊π） …（１）

【００１６】ここで、n は回折の次数、p はスケールピ
ッチ、Ｐは２つのビームの相対的な位相差、x はスケー
ル変位量である。

【００１７】図５に示されているように、２つのビーム
の相対的な位相が、干渉を強め合うか弱め合うので、光
ビーム５３の強度は、回折スケール１６がＸ軸に沿って
変位すると共に正弦波パターンに従って変化する。強め
合う干渉に対しては、光ビームの強度は５１で最大とな
り、弱め合う干渉に対しては、それは５５で最小値を有
する。１次の回折（n ＝１）に対しては、正弦波の周期
は、図５中に示されているようにp ／４である。同様
に、信号４９は、回折格子スケール１６が変位すると共
に変化する。波４９及び５３の光強度は、λ／４遅延板
４６が光ビーム４９を波５３よりも９０°遅らせるの
で、互いに９０°のオフセットを有しており、これが回
折部材１６の移動方向の指示を与える２つの直角位相信
号を発生する。直角位相信号５３（Ｉ₁ ）及び４９（Ｉ
₂ ）の強度は、次式によって与えられる。

【００１８】 Ｉ₁ ＝ＤＣ＋Ａ＊cos （Ｐ） …（２） Ｉ₂ ＝ＤＣ＋Ａ＊sin （Ｐ） …（３）

【００１９】ここでＩ₁ 及びＩ₂ は、信号５３及び４９
のそれぞれの強度、ＤＣは、平均強度レベル、Ａは、正
弦波状ＡＣ成分の振幅、Ｐは、２つの成分ビーム間の位
相差である。

【００２０】次式に従って平均強度レベルに比例する第
３の信号Ｉ₃ も又、検出器３８から得られる。

【００２１】Ｉ₃ ＝Ｋ＊ＤＣ …（４）

【００２２】ここで、ＤＣは平均強度レベル、Ｋは係数
である。

【００２３】光検出器３８は、２つの波の偏光状態が偏
光子４８及び５２によって揃えられる前に平均強度、従
って、それらが干渉していないときには２つの成分ビー
ムの平均強度（理想的な場合）を検出する。

【００２４】光ビーム４９、５３及び３４は、各光検出
器５０、５４及び３８によって、既に述べたように電気
信号に変換され、増幅されて、先行技術でよく知られた
方法でスケール変位x を計算して表示するカウンタに供
給される。

【００２５】ここで説明した図１から図５のシステム
は、公知の先行技術装置に基づいている。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のシステムは、０．２５μm 以下の変位を正確に測定す
るためには、以下に説明するような理由で、重大な問題
を抱えている。

【００２７】出力信号Ｉ₁ 及びＩ₂ の周期よりも高い精
度を得るためには、該周期内の位相Ｐを補間を用いて評
価する必要がある。補間の精度を最高にするためには、
直角位相信号の振幅Ａが一定に保たれねばならない。こ
れは、スケール領域に亘ってスケールが同じ回折効率を
持つことを要求することによってなされるが、これを達
成するのは困難である。

【００２８】この問題に対処する、より実際的な方法
は、振幅Ａを検出して直角位相信号に自動利得制御を適
用し、Ａが一定に保たれるように、光源出力又は出力ア
ンプの信号振幅を調整することである。しかしながら、
この場合の問題は、振幅Ａを検出することである。

【００２９】例えば米国特許第４６２９８８６号のよう
な先行技術は、（信号Ｉ₃ から得ることができる平均信
号レベルＤＣを引いた後の）信号Ｉ₁ とＩ₂ を２乗し、
２乗された信号を互いに加算し、和の平方根を取ること
によって、振幅Ａを得る方法を用いている。しかしなが
ら、この方法は、複雑で且つ高価なアナログ回路を必要
とする。

【００３０】例えば米国特許第４６２９８８６号のよう
な先行技術は、又、振幅Ａを得るための手段として、平
均信号レベルＤＣに比例した信号Ｉ₃ を用いている。ス
ケールの偏光効果によって、この技術では正確な測定が
できない。

【００３１】例えば米国特許第４６７６６４５号や特開
昭６２−２００２１９のような先行技術は、スケールに
ぶつかる２つの独立したビームを用いた装置を開示して
いる。

【００３２】この２ビームシステムの１つの欠点は、２
つのビームがスケールに異なる点でぶつかって、その後
１つのビームを形成するように再結合されることであ
る。もし、スケールの１点に、他の点にない誤差や偏り
があった場合、これらの相違の結果は、除去されるとい
うよりもむしろ増幅され、測定に誤差を生じる。更に他
の欠点は、スケールにぶつかる２つの入力ビームがある
ため、それらの光路長が、スケールにぶつかる前及びぶ
つかった後で等しくならない傾向にあることにある。こ
のシステムは、２つの入力ビームを発生し、２つのビー
ムを結合するためにビームスプリッタが使われているた
め、スケールの向きのヨー又はチルトの変化の影響を受
け易い。従って、スケールのヨー又はチルトの僅かな変
化に対して誤差が発生する。これらの装置は、又、スケ
ールの長さ方向に沿うスケール変化、格子溝間隔、スケ
ールの全長に沿う異なる点での寸法の違いに弱いが、こ
の問題は、以下に述べるように、本発明の構成によって
解決される。

【００３３】２つのビームを発生し、その後、再結合す
るためのビームスプリッタの使用は、更に他の誤差を発
生する可能性を生じる。

【００３４】米国特許第４６７６６４５号の図８の実施
例は、２つの独立した角度の問題も有しており、従っ
て、スケールのヨーやチルト、入射角の相違、光路長差
の変化に弱い。

【００３５】これらの２つの先行技術特許の装置は、従
って、それらを精密測定装置として用いるのを妨げる誤
差を生じる。

【００３６】先行技術の１つの欠点は、図３に示したよ
うに、個々の格子溝２０に平行な偏光ビームの回折効率
が、回折格子溝２０に垂直に偏光した光ビームの回折効
率と一致するとした仮定にある。残念ながら、平行偏光
（Ｐ−偏光）又は垂直偏光（Ｓ−偏光）ビームの回折効
率の比は、通常、格子スケール１６の製造時の不完全さ
によって、回折格子スケール１６の表面領域に亘って変
化する。従って、光の偏光状態に基づくＰ−及びＳ−偏
光の偏光効率の相違を計算に入れていない先行技術の方
法は、正確な位置を与えたり、物体が動いたときの変位
を正確に測定する際に誤差を発生し易い。従って、図１
に示した先行技術装置は、１０nmの範囲でのみ正確であ
ると仮定することができる。もし、Ｐ−及びＳ−偏光の
回折効率の比がスケールの不完全性による期待値を越え
て変化すると、誤差は１０nmを越えてしまうであろう。

【００３７】図１の先行技術装置に対して、線形偏光入
力ビーム１５の偏光方向が、回折格子スケール１６の格
子溝２０に対して４５°傾いていたと仮定する。Ｐ−偏
光に対する偏光効率をkp、Ｓ−偏光に対する偏光効率を
ksとする。偏光効率は、それぞれ平行及び垂直偏光を伴
う回折光の振幅効率を表わす。更に、偏光子２６と２８
は、偏光子２６が格子溝に対して垂直に、偏光子２８が
格子溝に対して平行に向いていると仮定する。これらの
仮定の基で、次式が、点２４で格子によって２回目の回
折を受けた後の結合ビーム３４の光成分の振幅を規定す
る。

【００３８】 Ｅ_lp＝Ｂ＊kp＊kp＊cos （ωt ＋Ｐ／２） …（５） Ｅ_ls＝０ …（６） Ｅ_rp＝０ …（７） Ｅ_rs＝Ｂ＊ks＊ks＊cos （ωt −Ｐ／２） …（８）

【００３９】ここで、Ｅ_1p及びＥ_1sは、点２４で回折さ
れた後のビーム３２のベクトル成分であり、Ｅ_1pは平行
偏光成分、Ｅ_1sは垂直偏光成分である。Ｅ_rp及びＥ
_rsは、点２４で回折された後のビーム３０のベクトル成
分であり、Ｅ_rpは平行成分、Ｅ_rsは垂直成分である。
（用語を簡単にするため、Ｅ_r は、全ての図において右
側のビーム３０を示しており、これは正角度回折ビーム
である。同様に、Ｅ_l は左側のビーム３２を示してお
り、これは負角度回折ビームである。）

【００４０】既に説明したように、偏光子２６は、ビー
ム３０中の、格子溝に平行な光を抽出し、従ってＥ_rp＝
０である。偏光子２８は、格子溝に垂直な光を抽出し、
従ってビーム３２中のＥ_ls＝０である。

【００４１】式（５）から分かるように、回折効率kp
は、それ自身によって乗算され、従って、出力ビーム３
４のその部分では効果が２乗される。同様に、垂直偏光
効率の効果も２乗される。

【００４２】出力ビームは、偏光が垂直な（従って、干
渉しない）左側及び右側回折ビームの組合せからなり、
出力ビームの成分は、次式によって記述することができ
る。

【００４３】 Ｅ_op＝Ｂ＊kp² ＊cos （ωt ＋Ｐ／２） …（９） Ｅ_os＝Ｂ＊ks² ＊cos （ωt −Ｐ／２） …（１０）

【００４４】ここで、Ｅ_op及びＥ_osは、Ｐ−及びＳ−偏
光を有する出力ビーム３４の各ベクトル成分である。

【００４５】出力ビームは、それから偏光子５２を通過
して、次式で示されるような２つのビームの組合せであ
る第１出力信号Ｉ₁ を得る。

【００４６】 Ｉ₁ ＝Ｃ＊〔kp⁴ ＋ks⁴ ＋２＊kp² ＊ks² ＊cos （Ｐ）〕 …（１１）

【００４７】ここで、Ｃはもう１つの比例定数である。

【００４８】第２出力ビーム４９の成分Ｅ_opは、λ／４
波長遅延板を通過させることによって９０°だけ遅らさ
れ、次式のような第２直角位相信号を得る。

【００４９】 Ｉ₂ ＝Ｃ〔kp⁴ ＋ks⁴ ＋２＊kp² ＊ks² ＊sin （Ｐ）〕 …（１２）

【００５０】Ｉ₁ とＩ₂ を、直流成分ＤＣ及び振幅成分
Ａに区分けすることによって、次式が得られる。

【００５１】 ＤＣ＝Ｃ＊（kp⁴ ＋ks⁴ ） …（１３） Ａ＝２＊Ｃ＊kp² ＊ks² …（１４）

【００５２】光検出器３８によって感知された出力ビー
ム３４の直流レベルは、式（９）及び（１０）によって
与えられるように、Ｅ_op及びＥ_osの平方和に比例してお
り、次式が得られる。

【００５３】 Ｉ₃ ＝Ｄ＊（kp⁴ ＋ks⁴ ） …（１５） ここで、Ｄは比例定数である。

【００５４】信号Ｉ₃ は、従って、光検出器３８におけ
る平均強度の直流レベルに比例しており、ＤＣを測定す
るのに用いられる。しかしながら、一般的に、Ｉ₃ は、
（１４）式の振幅Ａには比例していない。Ｉ₃が振幅Ａ
に比例するためには、Ｐ−及びＳ−偏光の回折効率の比
が、回折格子スケール１６の全体に亘って一定でなけれ
ばならない。勿論、これは一般的に当て嵌まらない。こ
の式（１）から式（１５）は、先行装置の問題を示した
ものである。

【００５５】本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので、物体の位置を高い分解能で正確に測定する
ことが可能な、改良されたシステム及び方法を提供する
ことを目的とする。

【００５６】

【問題点を解決するための手段】本発明は、回折格子を
有し、位置が測定されるべき可動部材に連結された回折
部材と、該回折部材に隣接し、前記回折格子の第１選択
領域上に入射して、該回折格子により第１及び第２回折
ビームに回折される第１光ビームを発生する光源と、前
記回折部材からの前記第１回折ビームを受け取り、該第
１回折ビームを前記回折部材に反射して戻し、前記回折
部材上の第２選択領域に入射して、２回目の回折を受
け、２次回折光の結合ビームに結合するための第１反射
手段と、前記第１回折ビームの光路中に配置され、通過
する前記第１回折ビームの偏光状態を回転するための第
１偏光回転部材と、前記回折部材からの前記第２回折ビ
ームを受け取り、該第２回折ビームを前記回折部材に反
射して戻し、前記回折部材上の前記第２選択領域に入射
して、２回目の回折を受け、２次回折光の結合ビームに
結合するための第２反射手段と、前記第２回折ビームの
光路中に配置され、通過する前記第２回折ビームの偏光
状態を回転し、前記第１及びこの第２偏光回転部材手段
が、前記第１及び第２回折ビームのそれぞれが、前記回
折部材より同じ偏光作用を受け、前記結合ビームに形成
されたときには互いに９０°であるようにするための第
２偏光回転部材手段と、前記結合ビームを受け取って、
格子の変位によって生じる２つのビーム間の位相の変化
を示す信号を出力するための光検出手段と、該光検出手
段からの信号を受け取って、前記可動部材の変位を示す
信号を出力するための出力手段とを備えた位置検出器に
より、前記課題を達成するものである。

【００５７】前記位置検出器において、前記第１偏光回
転部材手段を通過する前の前記第１回折ビームの偏光状
態を、前記回折部材上の格子要素に対して垂直で、前記
第１偏光部材を通過した後では前記格子要素に対して平
行とし、前記第２偏光回転部材手段を通過する前の前記
第２回折ビームの偏光状態を、前記回折部材上の格子要
素に対して平行で、前記第２偏光回転部材を通過した後
では前記格子要素に対して垂直とすることができる。

【００５８】又、前記位置検出器において、前記第１光
ビームの入射角を、前記第１回折ビームと前記回折部材
の表面間の角度、及び、前記第２回折ビームと前記回折
部材の表面間の角度が同じになるように、前記回折部材
の表面に対して正確に選択された角度とすることができ
る。

【００５９】又、前記位置検出器において、前記入射第
１光ビームを、前記回折格子に対して垂直で、且つ、回
折格子要素に対して平行な平面内とすることができる。

【００６０】又、前記位置検出器において、前記入射第
１光ビームの偏光方向を、該入射ビームの、１つは前記
回折格子要素に対して平行で、もう１つは垂直な成分
が、同じ強度を持つように配向することができる。

【００６１】又、前記位置検出器において、更に、前記
第１回折ビームの光路中に、前記回折部材上の格子要素
に関して選択された向きにある光線を阻止するための第
１偏光子を含むことができる。

【００６２】又、前記位置検出器において、前記第１偏
光子を、前記第１回折ビームの光路中の前記第１偏光回
転部材よりも前に、これと直列に配置して、前記格子要
素に平行な光を阻止することができる。

【００６３】又、前記位置検出器において、前記第１偏
光子を、前記第１回折ビームの光路中の前記第１偏光回
転部材よりも後に、これと直列に配置して、前記格子要
素に垂直な光を阻止することができる。

【００６４】又、前記位置検出器において、更に、前記
第２回折ビームの光路中に、前記回折部材上の格子要素
に関して選択された向きにある光線を阻止するための第
２偏光子を含むことができる。

【００６５】又、前記位置検出器において、前記第２偏
光子を、前記第２回折ビームの光路中の前記第２偏光回
転部材よりも前に、これと直列に配置して、前記格子要
素に垂直な光を阻止することができる。

【００６６】又、前記位置検出器において、前記第２偏
光子を、前記第２回折ビームの光路中の前記第２偏光回
転部材よりも後に、これと直列に配置して、前記格子要
素に平行な光を阻止することができる。

【００６７】又、前記位置検出器において、前記第１選
択領域及び前記第２選択領域を、前記可動部材の移動方
向に垂直な方向に互いに離すことができる。

【００６８】又、前記位置検出器において、前記可動部
材がＸ軸及びＹ軸方向に変位し、前記回折格子が、互い
に垂直な格子要素を有する回折パターンを含み、前記第
１領域及び前記第２領域を、前記格子要素のそれぞれに
関して、ある角度で互いにオフセットすることができ
る。

【００６９】又、前記位置検出器において、更に、前記
第１回折ビームの光路中に配置され、通過する光線の偏
光状態を回転して、前記回折部材に２回衝突した後で、
前記第２回折ビームの偏光角度から９０°の偏光状態を
有する第１回折ビームを発生させるための第３光偏光回
転部材を含むことができる。

【００７０】又、前記位置検出器において、前記光偏光
回転部材を、通過する光の偏光状態を写像することによ
って、該偏光状態を設定された軸の周りに回転する半波
長遅延板とすることができる。

【００７１】又、前記位置検出器において、前記光検出
手段が、それぞれスケールの変位及び変位方向を与える
ために結合ビームの直角位相出力信号を与える２つの光
検出器を含むこともできる。

【００７２】又、前記位置検出器において、前記光検出
手段が、前記結合ビームの平均強度を検出する光検出器
を含むこともできる。

【００７３】又、本発明は、位置検出器において、回折
格子を有し、位置が測定されるべき可動部材に連結され
た回折部材と、前記回折格子に近接し、第１選択領域で
前記回折格子上に入射され、回折パターンで前記回折格
子から回折される第１光ビームを発生する光源と、前記
回折部材から正の角度で回折された、偏光状態にあり、
前記回折格子要素に関して垂直な偏光成分と平行な偏光
成分を有する正角度回折ビームを受け取り、該正角度回
折ビームを前記回折部材に反射して戻し、前記回折部材
の第２選択領域上に入射して、２次回折光ビームを発生
するための第１反射手段と、前記正角度回折ビームの前
記第１反射手段に対する光路中に配置され、前記正角度
回折ビームの偏光状態の前記平行又は垂直成分のいずれ
かの偏光方向を逆転するが、該正角度回折ビームの偏光
状態の他の成分には影響を与えない第１光偏光変調部材
手段と、前記正角度回折ビームの光路中に前記第１光偏
光変調部材と共に直列に配置され、光線が前記第１及び
第２光偏光変調手段を直列に伝播するようにされ、前記
平行成分の偏光方向を９０°だけ１つの方向に回転し、
前記垂直成分の偏光方向を反対方向に９０°だけ回転す
ることによって、前記正角度回折ビームが前記回折格子
上に入射したときに、前記平行成分が回折格子要素に垂
直となり、前記垂直成分が回折格子要素に平行となるよ
うにするための第２光偏光変調部材手段と、前記回折部
材から反射された負角度回折ビームを負の角度で受け取
り、該負角度回折ビームを前記回折部材に反射して戻
し、前記回折部材の前記第２選択領域に入射して、前記
正角度回折ビームと結合させて前記正角度回折ビームと
共に２次回折光の結合ビームとするための第２反射手段
と、前記負角度回折ビームの前記第２反射手段に対する
光路中に配置され、前記負角度回折ビームの偏光状態の
前記平行又は垂直成分のいずれかの偏光方向を逆転する
が、該負角度回折ビームの偏光状態の他の成分には影響
を与えない第３光偏光変調部材手段と、前記負角度回折
ビームの光路中に前記第３光偏光変調部材と共に直列に
配置され、前記平行成分の偏光方向を１つの方向に９０
°だけ回転し、前記垂直成分の偏光方向を反対方向に９
０°だけ回転し、前記負角度回折ビームが前記回折格子
上に入射したときに、平行成分が格子要素に対して垂直
であり、垂直成分が格子要素に対して平行となり、２次
回折された正角度及び負角度回 折ビーム間の偏光角度が
９０°であるようにするための第４光偏光変調部材手段
と、前記結合ビームを受け取って、その平均強度を決定
するための平均光検出手段と、前記結合ビームの変化
を、互いに変化する前記正角度回折ビーム及び前記負角
度回折ビームの位相として検出するための光検出手段
と、前記２つの光検出手段からの信号を受け取って、前
記可動部材の変位を示す信号を出力するための出力手段
とを備えることにより、前記課題を達成したものであ
る。

【００７４】更に、本発明は、Ｘ−Ｙ位置検出器におい
て、２組の回折格子要素を有し、該格子要素の１組がＸ
方向に伸び、格子要素の他の組がＹ方向に伸び、２つの
組が同じピッチを有し、且つ、互いに垂直で正方形上の
回折パターンを形成し、単一平面上をＸ及びＹ方向に変
位可能な可動部材に連結された回折部材と、該回折部材
に近接され、一方の光源がＸ軸光源、他方の光源がＹ軸
光源であり、各光源がそれぞれ第１Ｘ領域及び第１Ｙ領
域で、前記回折部材上に入射して、Ｘ軸の正角度及び負
角度回折ビーム、及びＹ軸の正角度及び負角度回折ビー
ムを発生するための、１対の光源と、一方の対が前記Ｘ
正角度及び負角度回折ビームを前記回折部材に第２Ｘ領
域で反射して戻して、Ｘ軸光の結合ビームを発生し、第
２の対が、前記Ｙ正角度及び負角度回折ビームを前記回
折部材の第２Ｙ領域に反射して戻して、Ｙ軸光の結合ビ
ームを発生するための、２対の反射部材と、前記回折ビ
ームのそれぞれの光路中に配置され、通過する前記回折
ビームの偏光状態を回転するための光偏光変調部材と、
前記各結合Ｘ及び結合Ｙ軸光ビームを受け取って、前記
格子がＸ又はＹ方向に変位したときに、位相の変化に基
づく前記各Ｘ及びＹ結合ビームの強度の変化を示す信号
を出力するための１対の光検出手段と、該各光検出手段
からの信号を受け取って、前記可動部材のＸ方向及びＹ
方向の位置を共に出力する出力手段とを備えることによ
り、前記課題を達成したものである。

【００７５】又、前記Ｘ−Ｙ位置検出器において、前記
第１及び第２Ｘ領域を、互いにＸ軸に沿ってオフセット
し、前記第１及び第２Ｙ領域を、互いにＹ軸に沿ってオ
フセットすることができる。

【００７６】又、前記Ｘ−Ｙ位置検出器において、前記
第１及び第２Ｘ領域を、互いにＹ軸に沿ってオフセット
し、前記第１及び第２ＸＹ領域を、互いにＸ軸に沿って
オフセットすることができる。

【００７７】又、本発明は、回折格子が連結された物体
の位置を測定するための方法において、前記回折格子上
の第１選択位置に光を入射して、それぞれ前記回折格子
から離れて伸び、それぞれ回折格子要素の方向に対して
垂直に偏光された成分と回折格子要素の方向に平行に偏
光された成分を有する、正角度回折ビーム及び負角度回
折ビームを発生し、前記正角度及び負角度回折ビームを
反射して、前記回折格子の第２選択位置に戻し、前記正
角度及び負角度回折ビームが前記回折格子の第２選択位
置に入射する前に、それらの偏光状態を選択されたそれ
ぞれの軸について写像し、前記回折格子上で前記正角度
及び負角度回折ビームを２回目に回折して、２次回折光
の結合ビームを発生し、前記物体が移動したときの前記
正角度及び負角度回折ビーム間の位相の相対変化を検出
し、前記正角度及び負角度回折ビーム間の位相の相対変
化に基づいて、前記物体の位置を出力することにより、
前記課題を達成したものである。

【００７８】又、前記位置測定方法において、更に、前
記写像の前に、前記各正角度及び負角度回折ビームを偏
光子に通すことができる。

【００７９】又、前記位置測定方法において、更に、前
記写像の後で、前記各正角度及び負角度回折ビームを偏
光子に通すことができる。

【００８０】又、前記位置測定方法において、更に、前
記選択された軸とは異なる第２の軸について、前記正角
度回折ビームの偏光状態を写像する第２の写像を行うこ
とができる。

【００８１】又、前記位置測定方法において、前記写像
を、半波長遅延板に前記各回折ビームを通すことによっ
て行うことができる。

【００８２】又、前記位置測定方法において、前記光
を、格子表面に対する正の回折角に等しい角度で、前記
回折格子の格子表面に入射することができる。

【００８３】又、前記位置測定方法において、前記第２
の位置を、前記回折部材上の前記回折要素に平行な方向
に、前記第１の位置からオフセットすることができる。

【００８４】

【作用】本発明において、読取ヘッドは格子に近接して
配置される。この読取ヘッドは、光を格子上に照射す
る。この光は、格子によって２つの光ビームに回折され
る。この光ビームは格子に向かって戻るように反射さ
れ、２回目の回折を受け、１つのビームに結合される。
各光ビームの偏光状態は、２回目の回折を受ける前に変
調される。回折格子の溝（回折要素）に平行なビームの
偏光成分は、回折格子溝に垂直に回転され、回折格子溝
に垂直なビームの成分は、回折格子溝に平行に回転され
る。それぞれ垂直及び平行方向に偏光された光の回折効
率の違いの影響は、単一ビームに結合される前に、同じ
光が、それぞれ互いに反対の異なる２つの偏光状態で入
射するので打ち消される。

【００８５】１つの実施例においては、偏光子が選択さ
れた偏光角で光を遮閉し、ビームは格子溝に対して垂直
又は平行のいずれかに偏光される。この実施例では、偏
光子から出たビームの偏光状態は９０°回転され、偏光
方向を逆転し、格子溝に対して平行な偏光ビームを垂直
に、垂直な偏光ビームを平行にする。

【００８６】他の実施例においては、反射光が偏光子を
通過せず、ビームは偏光写像ステージを通過して、それ
らの偏光状態を選択された軸について写像する。この実
施例では、ビームの１つが垂直成分について写像され、
平行成分の方向を逆転し、垂直に対して４５°写像さ
れ、切替えられた平行及び垂直成分を有する波を与え
る。他方のビームは、平行に対して４５°写像され、偏
光された、回転光ビームを与える。

【００８７】反射された光ビームが、第１光ビームに対
して回折格子に衝突する場所は、１つの実施例では、よ
り長いスケール走行を与えるように選択される。例え
ば、回折格子上に入射する光の２つの場所が、格子の移
動方向に垂直に並べられ、その結果、検出パターンが少
ない領域を占め、スケールの同じ長さが、より長い変位
を測定するために使用される。

【００８８】更に他の実施例においては、光が表面に対
して正確な角度で回折格子に入射し、先行技術で可能で
あったよりも小さい格子ピッチでスケールの読取りを可
能とする。この角度は、好ましくは、正の回折角と同じ
である。

【００８９】回折格子は、単一の軸に沿う位置を検出す
るために、全ての格子溝が互いに平行で、移動方向に対
して垂直な単純な格子であることができる。あるいは、
格子は、Ｘ及びＹ軸の位置検出を可能とするＸ−Ｙ格子
であってもよい。格子は、透過格子又は反射格子のいず
れであってもよい。

【００９０】

【実施例】以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００９１】図６は、先行技術の問題点を克服する本発
明の原理に従って動作する変位検出システムを示したも
のである。

【００９２】本発明の原理によれば、光検出器３８によ
って感知されたＤＣ値が、振幅Ａに直接比例することが
保証された検出回路が与えられ、従って、自動利得制御
システムと共に振幅Ａの制御に常に用いることができ
る。更に、回折ビーム上のスケールの偏光効果は、ビー
ムが回折格子１６を１回目と２回目にぶつかる間に、偏
光を調整することによって補正され、前記効果が打ち消
される。出力ビームの２つの成分の偏光は、ビームの各
部分が同じ回折効率となるように回転される。

【００９３】図６に示すように、偏光効果を補償するた
めのシステムは、点１３から回折された光ビーム中に、
点２４で２回目に格子スケール１６にぶつかる前に配置
されたλ／２（半波長）遅延板６０、６２を含む。（図
１の先行技術と類似した要素は、同じ引用数字を持って
いる。）

【００９４】先行技術で知られているように、λ／２遅
延板は、入力ビームの板に対する偏光状態の高速軸につ
いて、鏡像を発生する性質を有する。（λ／２遅延板自
体及びその性質は、先行技術で知られており、任意の公
知の先行技術のλ／２遅延板が本発明で使用できる。）

【００９５】λ／２遅延板６０及び６２の高速軸は、各
偏光子２６及び２８の偏光方向に関して４５°に配向さ
れており、各出力ビーム３７及び３９の偏光方向を、正
確に９０°だけ回転する。各ビームの偏光方向が９０°
回転された後で、ビームは、点２４で格子スケール１６
にぶつかり、２回目の回折を受けて、単一ビーム６４に
結合される。

【００９６】偏光子２６から出た右側ビームは、点１３
で格子スケール１６に最初にぶつかったときの垂直回折
効率によって影響されたビーム１７の部分を表わしてい
る。このビームの偏光状態は、それから遅延板６０によ
って回転され、その結果、それがビーム３９として２回
目に格子スケール１６にぶつかるときに平行回折効率に
よって減衰される。同様に、偏光子２８から出た左側ビ
ームは、点１３でスケールに最初にぶつかったときに平
行回折効率によって減衰され、ビーム３７として点２４
で２回目に格子１６にぶつかる前に回折格子溝２０に垂
直な偏光に回転される。従って、ビーム６４の各部分
は、平行偏光回折効率によって１回、垂直偏光回折効率
によって１回減衰される。ビーム３７及び３９は、共に
同じ回折効率を通過して、回折効率の相違に基づく強度
の相対的な変化が効率良く打ち消され、偏光回折効率の
違いに基づく２つのビーム間の比が常に１に等しくなる
ことを保証する。

【００９７】本発明の原理に従う出力ビーム６４の成分
を表わす式は次の通りである。

【００９８】 Ｅ_op＝Ｂ＊ks＊kp＊cos （ωt ＋Ｐ／２） …（１６） Ｅ_os＝Ｂ＊kp＊ks＊cos （ωt −Ｐ／２） …（１７）

【００９９】式（１６）及び（１７）から明らかなよう
に、回折効率ks及びkpの効果が、右側及び左側ビームの
両者において互いに掛け合わされる。kp＊ksの値は、ks
＊kpの値に等しいであろう。

【０１００】先行技術装置との違いは、（１６）式を
（９）式と比べることによって容易に分かる。（９）式
によれば、平行回折効率kpはそれ自身によって掛け合わ
されてkp² の因子を発生し、kpがksに等しくなければ誤
差を発生する。同様に、（１０）式はks² の因子を含ん
でいる。しかしながら、（１６）式及び（１７）式の両
者において、kpがksによって掛け合わされるので、誤差
を２乗するというよりも、誤差が効率的に打ち消され
る。

【０１０１】従って、本発明の装置に従う直角位相出力
信号は、次式によって表わされる。

【０１０２】 Ｉ₁ ＝Ｃ＊〔（kp² ＊ks² ）＋（ks² ＊kp² ） ＋２＊kp² ＊ks² ＊cos （Ｐ）〕 …（１８） Ｉ₂ ＝Ｃ＊〔（ks² ＊kp² ）＋（kp² ＊ks² ） ＋２＊ks² ＊kp² ＊sin （Ｐ）〕 …（１９）

【０１０３】（１８）式及び（１９）式を見ると、本発
明においては、振幅Ａの部分が、常に平均強度直流レベ
ルに比例しており、従って、次式の関係が成立する。こ
の条件は、先行技術の（２）式及び（３）式において、
仮定されてはいたが、スケールの不完全さのために常に
は真実ではなかった。

【０１０４】 Ａ＝ＤＣ＝２＊Ｃ＊kp² ＊ks² …（２０） 更に、信号Ｉ₃ は次式で表わされる。

【０１０５】 Ｉ₃ ＝Ｄ（kp² ks² ＋ks² kp² ）＝２＊Ｄ＊kp² ＊ks² …（２１）

【０１０６】従って、信号Ｉ₃ は、平均強度直流レベル
に直接比例するだけでなく、回折格子１６の偏光効果に
よらず、振幅Ａにも直接比例する。振幅は、（２０）式
によって示されるように、常に直流レベルに等しい必要
はなく、むしろ、振幅が直流レベルに比例していれば十
分である。従って、偏光子又は半波長遅延板の一方が、
その透過品質に完全に適合していなくても、直流レベル
は、振幅に等しくなくても比例しており、フィードバッ
クを与えるのに用いることができる。直流レベルは、従
って、フィードバックループ及びアンプを用いて振幅Ａ
を一定値に維持するための自動利得制御システム中で振
幅Ａを測定するために用いられる。

【０１０７】図７に示されているように、振幅Ａは、
（２０）式で示されるように平均直流レベルに等しい。
平均強度、即ち直流レベルは、今や振幅を一定値に維持
するための自動利得制御システム中で振幅Ａを測定する
ために用いられる。共に先行技術で周知の回路要素であ
るフィードバックループ及びアンプが、回折格子の偏光
効果に拘らず、振幅Ａを一定値に維持するのを保証する
ために用いられる。

【０１０８】既に述べたように、そのようなフィードバ
ックが先行技術で用いられたとき、それは、残念なが
ら、回折効率が異なると振幅Ａが直流レベルに直接比例
しないため、エラーを複合する効果を有していた。

【０１０９】図６に示すように、ビーム１７と１８が格
子スケール１６にぶつかる各点の間でビームの偏光方向
を回転する他の利点は、ビームが各回折点で受ける位相
シフトによる誤差を除去することである。回折点におい
て、出力ビームは、入力ビームに対して位相が遅延され
る。この位相の遅れは、Ｐ−及びＳ−偏光ビームに対し
て異なっている。もし検出が先行技術に従って行われれ
ば、この位相変化ΔＰは、格子が変位したときの要素ビ
ーム間の位相差Ｐに加えられる。スケールの不完全性に
よって一般的であるように、ΔＰがスケール領域に亘っ
て変化すると、スケール変位によって生じたのではない
位相変化に基づく変位測定の誤差となる。本発明によ
り、回折ビームが、１つの回折点ではＰ−偏光され、他
の回折点ではＳ−偏光されるように矯正することによっ
て、位相差ΔＰが効率的に除去される。従って、回折に
よって生じる位相シフトに基づくスケール変位の誤差が
なく、これは本発明の先行技術に対する他の利点であ
る。

【０１１０】本発明の原理によれば、単一のビームがス
ケール上の単一点に入射する。スケール自体がビームを
分離し、２回目に入射する際に、検出用ビームにビーム
を結合する。単一ビームを用いて単一点にぶつけること
によって、２つの回折ビームのそれぞれについて均一の
スケール条件が保証される。反射ビームがスケールにぶ
つかるときには、それらは共に同じ点でぶつかり、やは
り臨界点における一様なスケール条件が保証される。ス
ケールからの２つの回折を選択することによって、スケ
ール自体がビーム分離及び結合要素となる。単一の入射
ビームを用いて、スケール自体を分離及び結合要素とし
て用いることは、誤差を生じる機会を大いに減らす単純
な設計である。

【０１１１】図８−図１０は、偏光子２８及び遅延板６
２の他の配置を示している。図６で示されているよう
に、偏光子２８及び半波長遅延板６２の望ましい位置
は、反射器２７によって生じる光ビーム３７の効果を減
らすために、反射器２７の後である。しかしながら、い
くつかの実施例においては、光が反射器２７にぶつかる
前に光の偏光状態を変えることが望ましいかもしれな
い。図８に示されているように、偏光子２８及び半波長
遅延板６２は、ビーム１８中の、それが反射器２７にぶ
つかる前に配置されている。光ビームの偏光状態は、図
６を用いて説明したような方法で変えられる。光ビーム
３７は、それから回折格子１６に戻り、既に説明した原
理に従って、２回目の回折を受ける。

【０１１２】図９は、偏光子２８が反射器２７の前に配
置され、半波長遅延板が反射器２７の後に配置された実
施例を示している。出力ビーム３７は、反射器２７がビ
ームの偏光状態を変えないと仮定して、図６に関して既
に説明した如く変調される。

【０１１３】図１０は、偏光子２８が、反射器２７の前
及びその反射後の両ビーム１８及び３７を横切って伸び
ている。光は、それから半波長遅延板６２に入射して、
既に述べたように出力ビーム３７を与える。

【０１１４】図８−図１０の変形実施例は、ある状況下
において、光ビーム１８の偏光状態を、２回目の回折を
受ける前に適当に変えることを保証したい場合に望まし
い。

【０１１５】偏光子及び半波長遅延板の順序は、所望に
より交替される。例えば、半波長遅延板６２は、偏光子
２８の前のビーム中に配置され得る。図６、図８−図１
０に示した変形例は、遅延板６２に対しても適用でき
る。遅延板は、偏光子の前のビーム中や、反射器の前又
は後のいずれかに配置できる。図１０の偏光子２８に対
して示したのと同様に、反射前又は反射後の両ビーム１
８及び３７に広がる１／４波長板を使用することもでき
る。波は１／４波長遅延板を２回通過するので、１／２
波長遅延板によるように、効率的に回転される。本発明
の範囲内において、他の変形も可能である。

【０１１６】図１の従来技術及び図６の本発明システム
に関して説明したシステム及び方法の１つの欠点は、偏
光子２６及び２８が所望の偏光を持たない光を遮閉する
ため、かなりの光が失われるということである。

【０１１７】図１１及び図１２（a ）−（e ）は、格子
１６から２つの反射を得るシステム及び方法を示してい
る。ここで、スケール格子の偏光効果は打ち消され、ビ
ームは、スケールに２回目にぶつかった後で互いに直角
に偏光され、その結果、それらは出力ビーム６８の中で
干渉しない。λ／２遅延板７０が、左側回折ビーム７６
の光路中に配置されている。２つのλ／２遅延板７２及
び７４が、右側ビームの光路中の、格子１６に２回目に
ぶつかる前に直列に配置されている。各λ／２遅延板７
０、７２及び７４の高速及び低速軸は、偏光を選択され
た軸について写像するように選択されている。

【０１１８】図１２（a ）−（e ）は、図１１のシステ
ムにおいて、異なる段階におけるビームを表わしてい
る。（光ビームの偏光はベクトルとして取り扱われ、偏
光の変化にベクトル数学が適用されている。）

【０１１９】既に説明したように、λ／２遅延板は、ビ
ームの偏光の写像をその高速軸について発生する効果を
有する。入射ビーム１５の偏光は、図６（a ）で、角度
β＝４５°のＥ_i として表わされている。

【０１２０】ベクトル数学で知られているように、入射
ビーム１５の偏光ベクトルＥ_i は、格子溝２０に平行な
成分Ｅ_ipと、格子溝２０に垂直な成分Ｅ_isの２つの成分
に分けられる。入射ビーム１５が回折格子１６に点１３
でぶつかったとき、左側ビーム７６と右側ビーム７８の
２つの回折ビームが発生される。既に説明したように、
理解及び引用を容易とするため、負角度回折ビームが左
側ビームとされ、正角度回折ビームが右側ビームとされ
ている。図１１及び図１２（b ）に示されるように、左
側ビーム７６は、（Ｅ_左側）に対して偏光ベクトルＥ_l
を有し、平行方向に関して角度αを有する。αは、Ｐ−
及びＳ−偏光効率の相違に基づく任意の角度である。Ｐ
−及びＳ−回折効果が等しければ、角度αは４５°とな
る。しかしながら、Ｐ−及びＳ−回折効果は通常等しく
なく、従って、αは未知の値であり、４５°より大きい
か又は小さい。同様に、回折ビーム７８の右側は、ビー
ム７８のＥ_r で表わされる偏光方向を同じ角度αで有し
ている。何故ならば、２つのビームは格子１６の同じ場
所に入射し、格子１６にぶつかる際に同じ偏光を有する
からである。

【０１２１】右側ビーム７８は、その後、逆反射器（コ
ーナーキューブ）２５によって反射され、第１λ／２遅
延板７２の方に向けられる。図１２（c ）に示されてい
るように、λ／２遅延板７２は、その高速軸が回折格子
溝２０に対して垂直となるように配向されている。従っ
て、ビーム７８の偏光は、垂直軸成分の周りに写像さ
れ、偏光Ｅ_r を垂直偏光についての写像に回転する。λ
／２遅延板７２から出たビーム８０は、図１２（c ）に
示すような偏光を有している。ビーム８０は、その後、
第２λ／２遅延板７４に入射する。図１２（d ）に示し
たように、λ／２遅延板７４の高速軸は、格子溝２０に
対する平行方向から４５°に配向されており、従って、
ビーム８０の偏光を、出力波８２の偏光に写像する。

【０１２２】左側ビームの偏光の写像は、λ／２遅延板
７０の高速軸を格子溝２０に対して平行な方向から４５
°に配向することによって発生され、ビーム７６の写像
８４が発生される。図１２（d ）に示すように、出力波
８４は、垂直ベクトルに対して角度αの偏光を持つよう
になる。

【０１２３】格子溝に対して平行及び垂直な偏光成分
は、図１２（b ）と図１２（d ）を比較すれば分かるよ
うに、２つのλ／２板によって逆転された振幅を有す
る。従って、ビーム８２と８４が回折格子１６に２回目
にぶつかったとき、Ｓ−及びＰ−偏光効率の相違の効果
が打ち消される。各ビーム８２及び８４は、回折格子に
第２の点２４でぶつかり、新しい出力ビーム６８となっ
て回折される。出力ビーム６８は、図１２（e ）で示さ
れる左側及び右側ビームの結合である。Ｓ−及びＰ−偏
光回折効率の相違が打ち消され、従って、右側成分及び
左側成分は、同じ大きさを持ち、互いに９０°偏光され
ている。更に、左側ビーム及び右側ビームの偏光は、９
０°だけ異なっており、従って、単一ビームに結合する
ときに、望ましい性質として、それらは干渉しない。

【０１２４】出力信号の位相の全ての変化は、スケール
の誤差によるものではなく、物体２３が動いたときの回
折格子１６の変位の結果であり、従って、変位の正確な
測定が可能になる。図６の装置に関して説明した式（１
６）−（２１）は、従って、実際の変位を決定するのに
使われる。しかしながら、偏光子が使われていないの
で、実際の信号強度はかなり大きくなる。各ビーム
Ｉ₁ 、Ｉ₂ 及びＩ₃ の強度は、偏光子が使われたときの
対応するビーム強度の２倍以上である。

【０１２５】先行技術装置の他の欠点は、それらが光源
の波長よりも小さいピッチを有するスケールでは使えな
いということである。現在、波長約７８０nmを有するレ
ーザダイオードが光源として使われている。使用可能な
最小スケールピッチは、約１μm である。

【０１２６】本発明の他の実施例によれば、図１３及び
図１４に示すように、垂直方向に関して角度φの入射ビ
ーム９２を有している。（図１３は、図１４の平面図で
あり、従って、光源が各逆反射器から水平方向にオフセ
ットされていることを示している。）図１４中の角度θ
i は、入射角度φを格子溝２０と直交する垂直面へ投影
した角度であり、図１４中の角度θz 及びθf は、それ
ぞれ０次の回折ビーム９６と１次回折ビーム９８を前記
垂直面へ投影した角度である。

【０１２７】単色光源９０は、平行光線化されたビーム
９２を、回折格子１６の表面の垂直方向９４に対して角
度φで回折格子１６上に照射する。このビーム９２は、
０次の回折ビーム９６と１次の回折ビーム９８（それぞ
れ右側及び左側ビーム）に回折される。０次ビーム９６
及び１次回折ビーム９８は、それぞれ逆反射器１００及
び１０２によって回折格子１６に反射して戻される。２
つの反射ビーム１０４及び１０６は、各回折ビーム９６
及び９８に対して平行であり、その結果、それらは入射
ビームがスケールにぶつかった点９１からオフセットさ
れた点１０８でスケールにぶつかる。点１０８で回折ビ
ームは２回目の回折を受け、結合されて単一出力ビーム
１１０となる。この出力ビーム１１０は、図４に示した
と同じタイプの光検出回路１１によって分析される。偏
光子１１４、１１６及びλ／２遅延板１１８、１２０
は、図６について既に説明したと同じ作用を有する。図
１１について説明したように、λ／２遅延板のみが使わ
れている配置も使用可能である。

【０１２８】入射ビームの入射点９１の、反射ビームの
入射点１０８に対する関係は、スケールを読み取る際に
望ましい条件が与えられるように選択される。図１３に
示したように、入射点９１及び出射点１０８は、スケー
ル格子溝２０の方向に垂直に互いに間隔が空けられてい
る。（スケール格子溝２０は、それらの方向をはっきり
示す目的で、かなり拡大されて示されている。実際の装
置においては、各格子のピッチは約１μm であり、入射
点９１及び１０８の直径は、十分に大きく、数千の格子
溝２０をカバーする。）

【０１２９】入射点９１及び１０８は、それらが重なら
ないように、離されていなければならない。ビームによ
ってカバーされる領域は、かなりのスケール領域をとる
かもしれない。

【０１３０】図１５は、図１３と同じ読取ヘッドを示し
ているが、反射器１０２及び１００は、入射点９１及び
１０８が、スケール移動方向に沿うというよりもむし
ろ、互いに横方向に、格子溝２０と平行に配置されるよ
うに配向されている。図１５の配置によれば、幅広のス
ケールが必要であるけれども、スケール移動方向のビー
ム足跡が狭くなるため、決まったスケール長に対してよ
り長い測定範囲が可能である。

【０１３１】入射ビーム９２が正確な角度を有する利点
は、回折格子にぶつかる光についての物理的な原理を検
討すれば最もよく理解される。格子によって回折される
光の角度は、次式で与えられる。

【０１３２】 sin θ_i ＋sin θ₀ ＝n ＊λ／p …（２２）

【０１３３】ここでθ_i は、格子１６に垂直で格子溝２
０に平行な平面に対する入射ビームの角度、θ₀ は、同
じ面に対する回折ビームの角度、n は回折の次数、λは
光の波長、p は格子ピッチである。

【０１３４】表面に対して垂直な入射ビームに対して
は、sin θ_i＝０である。表面に垂直なビームに対する
式（２２）は、一次の回折に対しては、sin θ₀ ＝λ／
p となる。０．７８μm の光の波長及び１μm のピッチ
に対しては、角度θ₀ ＝５１．２６°となる。１．５μ
m のピッチに対しては、θ₀ ＝３１°となるが、０．８
μm のピッチに対しては、θ₀ ＝７７°となる。０．７
８μm のピッチに対しては、θ₀ ＝９０°となるが、こ
れは、反射器及びセンサを配置するのに困難な場所であ
る。ピッチが０．７８μm よりも小さくなると、sin θ
₀ が１より大きくならなければならず、不可能であり、
一次の回折は本質的に消えてしまう。この理由で、入射
ビームが表面に対して垂直である場合には、十分な回折
角を確保するために、ピッチは、入射光の波長よりもい
くらか大きくなければならない。

【０１３５】小さなピッチを使うことの利点は、スケー
ルの直線性がかなり改善されることである。スケールを
製造する際に、スケールパターンの直線性に比べて、ス
ケール全体の精度についての注意がしばしば忘れられ
る。スケールパターンの直線性について関心が払われる
理由は、誤差をもたらすスケール因子が、各読取りに単
一の校正定数を乗ずることによって、電子回路でかなり
容易に補正されるからである。しかしながら、直線性誤
差は、各スケール点に対して個々の校正値を必要とする
ので、校正定数を決定するのは困難である。

【０１３６】スケールをホログラフィーで製造する方法
は、高い直線性を有するスケールを得ることを可能にす
る。直線性は、主に、ミラーの表面品質にかかってい
る。ミラー表面の不完全さが、波面を、完全に平坦な状
態から歪める。波面の偏りd は、次式に示す誤差e を生
じる。

【０１３７】 e ＝（d ／λ_g ）＊p …（２３）

【０１３８】ここでλ_g は、スケールの製造に用いられ
る光源の波長、p はスケールピッチである。

【０１３９】この式から、直線性誤差は、スケールピッ
チに直接比例することがわかる。スケールピッチが小さ
くなるほど、ホログラフィーによって製造されたスケー
ルの直線性誤差も小さくなる。

【０１４０】図１３−図１５の読取りヘッドの利点は、
基本的な回折方程式を検討することによってもわかる。

【０１４１】 sin θ_i ＋sin θ₀ ＝n ＊λ／p …（２４）

【０１４２】ここで、n は、回折光の回折の次数、θ_i
は入射光の角度、θ₀ は回折光の角度である。

【０１４３】θ_i が（０でなく）θ₀ に等しく設定され
ると、上式は次式のようになる。

【０１４４】 sin θ₀ ＋sin θ₀ ＝n ＊λ／p …（２５） 又は ２ sin θ₀ ＝n ＊λ／p …（２６） この（２６）式を変形すると、次の（２７）式が得られ
る。 sin θ₀ ＝n ＊λ／２_p …（２７）

【０１４５】従って、ピッチは、従来技術で可能であっ
たものに比べて、１／２に小さくでき、同じ光波長に対
して同じ回折角θ₀ を達成することができる。入射ビー
ム９２の角度θ_i を一次回折ビーム９８の角度θ₀ に等
しく設定することで、スケール表面１６に垂直な方向に
スケールが走り出てしまうことによる測定スケール変位
の誤差もなくなる。

【０１４６】図１３−図１５の読取りヘッドの他の利点
は、入射ビームが表面に垂直でないということであり、
これによって図１の先行技術の光源１０に反射されて戻
ってしまう光に伴う問題点が避けられる。戻り反射光
は、レーザダイオードのビーム中、従って、スケール出
力ビーム中にノイズを発生する。

【０１４７】他の利点は、図１の従来技術に従う読取り
ヘッドのような、完全に対称な形状配置で問題となる、
読取りヘッド中の有害な多重反射の影響を除去できるこ
とである。逆反射器の所の偏光子が２回目の回折によっ
て生じる０次のビームを防いだとしても、それは、逆反
射器からきたビームがスケールに再びぶつかるときであ
り、その点で発生された２次の回折ビームは、各ビーム
光路を逆に辿ってレーザダイオード光源１０に入り、そ
れを妨害する。光源１０をある角度に置くことによっ
て、このような問題点が避けられる。

【０１４８】前記のように、傾けられた入射ビームによ
れば、検出器からの出力信号の分解能は、スケールピッ
チをp としてp ／２となる。０．５μm ピッチのスケー
ルに対しては、出力分解能は、出力信号周期について
０．２５μm となり、これは、１μm ピッチのスケール
と法線入射入力ビームに対するものと同じである。

【０１４９】より小さなスケールピッチの利点は、より
良いスケール直線性が得られることにある。所望であれ
ば、ビーム９８は、一次の回折ビームの代わりに、二次
の回折ビームとして選択することもできる。与えられた
スケールピッチに対して、出力信号周期についてp ／４
の分解能、即ち、法線入射ビームによるスケール読取り
と同じ分解能を達成することができる。

【０１５０】図６−図１５に関連して説明された読取り
ヘッドの原理は、Ｘ−Ｙ変位測定装置で使われる読取り
ヘッドに対しても適用できる。図１３−図１５に関して
概略を説明した原理が、図１６及び図１７のＸ−Ｙエン
コーダとして示されている。

【０１５１】図１６は、Ｘ−Ｙデコーダ読取りヘッドの
平面図である。この読取りヘッドは、互いに垂直で、各
格子が変位測定方向に対して垂直である格子上に入射す
る基本的に２つの独立した線形読取りヘッドである。即
ち、光源１２１からの光は、検出器１１と関連してＸ方
向の変位を測定し、光源１２４からの光は、光検出器シ
ステム１２と関連してＹ方向の変位を測定する。

【０１５２】図１３−図１５に関して既に説明したのと
同じ原理が、図１６と図１７の実施例にも適用される。
光源１２１からの光は、点１２８に入射し、各回折ビー
ムに回折され、反射器１１７及び１１９によって、点１
３０に反射して戻される。それは、２回目の回折を受
け、既に説明したと同様な方法で、検出器１１によって
感知される。同様に、光源１２４からの光は、点１３２
で回折され、逆反射器１３６及び１３８で、点１４０に
向けて反射され、そこで、ビームは２回目の回折を受け
て、検出器１２で感知される。同じ構成要素には同じ引
用数字を付した図１３−図１５に関して既に説明したよ
うに、ビームは適当な偏光子及びλ／２遅延板を通過す
る。

【０１５３】図１６の実施例において、入射点１２８と
１３０の関係は、各スケール移動の方向に沿っており、
Ｘビームはスケールに沿ってＸ方向の横方向に間隔をあ
けられている。同様に、Ｙビーム１３２と１４０の２つ
の入射点は、スケールのＹ方向に沿って横方向に間隔を
あけられている。図１７の実施例において、光源１２
１、１２４及び逆反射器１１７、１１９、１３６及び１
３８は、スケール上の各入射点が、図１５に関して説明
したと同様に、各スケール方向に垂直であるように配向
されている。

【０１５４】図１８は、Ｘ−Ｙ変位感知装置のために単
一の光源が使用されている設計を示している。以前の実
施例で２つに分かれていた光源は、単一の光源１４１と
１つの逆反射器（コーナーキューブ）１４２で置換えら
れている。単一光源Ｘ−Ｙ位置検出器の作用は、両方向
の測定に対して同じであり、図６−図１７に関して既に
説明したものと同様である。

【０１５５】以下、Ｘ方向の変位に関して動作原理を説
明する。

【０１５６】レーザダイオード１４１からの単色で平行
光線化された入射ビーム１４６は、その偏光方向が、ス
ケール１６上の格子に対するＰ−及びＳ−偏光方向に対
して４５°の角度となるように直線偏光されている。こ
のビームは、スケールに対して垂直な平面内にあり、Ｘ
−Ｚ及びＹ−Ｚ平面の両方に対して４５°の角度をなし
ている。図１８の座標系に示すように、Ｚ−軸は、紙面
に垂直である。入射ビームは、それからＸ及びＹ測定方
向の間で対称的に分けられる。ビーム１４６は、点１４
８で回折されて、０次ビーム１５０と２つの一次ビーム
１５１及び１５２になる。０次ビーム１５０は、逆反射
器１４２で反射されて、点１５４に戻る。（図１８の平
面図において、ビーム１５０及び反射ビーム１５３は一
致しているように見えるが、実際は、側面図で明らかな
ように、逆反射器１４２によって、互いに垂直方向にオ
フセットされ、分離されている。）

【０１５７】反射ビーム１５３は、偏光子１５６及びλ
／２遅延板１５８を通過して、偏光方向が９０°回転さ
れる。点１５４で、このビームは２回目の回折を受け、
変位検出するためのＸ−及びＹ−回折ビームを伴うビー
ムに結合される。

【０１５８】Ｘ方向の変位は、反射され、ビーム１５５
及びビーム１５３に変調された一次ビーム１５２からの
結合ビーム１６４を使って測定される。ビーム１５２
は、逆反射器１６２によって反射され、偏光子１４３及
びλ／２遅延板１４５を通過して、ビーム１５５として
戻され、２回目の回折のために点１５４上に入射する。
１５３として反射して戻された０次の回折ビームは、一
次の回折反射ビーム１５５と結合されて、結合出力ビー
ム１６４となる。各要素ビームは、直交する偏光方向を
有しており、図６に関して説明したように、互いに干渉
しない。ビーム１６４は、ハーフミラー１６９によって
反射され、Ｘ検出器１６８によって取出される。Ｘ検出
器１６８は、図１の検出器１１に関して配置を図示し、
説明したものと同様である。Ｘ方向の直線変位が、この
ようにして感知される。

【０１５９】Ｙ変位は、Ｘ変位と同様な方法で感知され
る。入射ビーム１４６は、回折ビーム１５０と、他の一
次回折ビーム１５１に分離される。ビーム１５１は、ビ
ーム１５７として反射され、偏光子１６１及び半波長遅
延板１６３を通過する。ビーム１５７は２回目の回折を
受け、ビーム１５３と結合されて、Ｙ検出器１７２によ
って検出される出力ビーム１７０を形成し、Ｙ方向の変
位が感知される。

【０１６０】入射ビームとスケール間の角度θ_i （図１
９参照）は、次のように選択される。

【０１６１】

【数１】

【０１６２】ここでλは光源の波長、p はスケールピッ
チである。

【０１６３】このようにθ_i を選択すると、一次回折ビ
ームとスケール間の角度もθ_i に等しくなる。これは、
スケール表面に垂直な方向へのスケールの飛び出しによ
る測定の誤差を除去するのに役立つ。入射点１４８及び
１５４は、Ｘ及びＹ回折格子の正方形のグリッドパター
ンに沿って互いに対角線方向に間隔をあけるように選択
されている。図１１の実施例のように偏光子が使用され
ていなければ、感知されるビームの強度は、２つの光源
によって感知されるものと等しくなるであろう。

【０１６４】図１９は、図１３〜図１５のものと同様の
本発明の原理を有する装置を示しており、回折格子１６
は、反射格子ではなく、透過格子である。透過格子を用
いること自体は、この分野で周知であり、その教えを与
えることによって、回折部材１６として反射格子ではな
く回折格子を用いるシステムを構成することも可能であ
る。

【０１６５】簡単に説明すると、光ビーム９２は、回折
部材１６に初期角度θ_i で入射する。この光は、０次ビ
ーム９６と一次ビーム９８に回折される。これらのビー
ムは、スケール１６で反射されるのではなく透過する。
反射器、偏光子及び半波長遅延板は、回折格子１６に関
して光源１０とは反対側にあり、同様の要素に同じ引用
数字を使った図６−図１０及び図１３−図１５に関して
既に説明したように動作する。光ビームが２回目の回折
を受けた後で、結合ビームが、既に説明したように、検
出器１１に与えられる。

【０１６６】図２０は、回折部材１６が透過部材であ
り、その表面に塗装され、又はエッチングされたパター
ンを有している。図２０の構成の動作は、透過部材１６
の使用という点を除いて、図６−図１０の動作と同様で
あり、既に説明しているので、この分野の当業者にとっ
て明らかであろう。

【０１６７】利用可能な任意の透過性又は反射性回折部
材を含む、異なる回折部材及び格子要素を使用すること
ができる。現在この分野で利用可能な適当な回折部材又
は格子要素が使用できる。格子は、表面レリーフ格子、
光感光乳剤格子、薄い格子（浅い格子溝又は薄い格子
板）又は位相格子であることができる。表面レリーフ溝
及び塗装パターンが例示されていたが、適当な光の回折
を与える任意の要素が使用できる。

【０１６８】様々な実施例に関して、本発明を示し、説
明した。図１１に関して検討した特別な様相が、他の図
面中に示された実施例でも、本発明の原理に従って使用
できることは明らかである。本発明の原理が、直線型エ
ンコーダについて説明され線形運動を感知することが図
示されていたが、回転型エンコーダや回転運動の感知に
も又、本発明の原理を用いることができ、特許請求の範
囲中で規定されたような権利範囲内に入るものである。
同様に、構成や方法の様々な変形例も又、特許請求の範
囲によってのみ限定され、各実施例の具体的な説明によ
っては限定されない特許請求の範囲の権利範囲内に入る
ものである。

【０１６９】

【発明の効果】本発明によれば、スケール格子の偏光効
果が中立化されるので、比較的安価な光源と格子を用い
て、１０nmよりも良い精度で直線変位及び正確な位置を
正確に測定することができるという利点を与える。先行
技術に対する第２の利点は、回折格子からの第２反射の
時の光の強度が、先行技術装置のそのような反射よりも
かなり大きく、ノイズの影響を受け難い装置を提供でき
ることである。

【０１７０】光源からの入射ビームを回折格子に対して
ある角度とすることで、先行技術装置では不可能であっ
た、光の波長よりも短いピッチを有する回折格子の使用
が可能となる。光源からの入射ビームを回折格子に対し
てある角度とすることの他の利点は、入射ビームへの戻
り反射光が避けられ、読取りヘッド内の多重反射による
有害な影響が除去されることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、先行技術に係る位置検出装置の側面図
である。

【図２】図２は、回折格子及びそれによって回折された
光の拡大側面図である。

【図３】図３は、図２の平面図である。

【図４】図４は、図１の先行技術の検出システムの読取
りヘッドの構成を示す側面図である。

【図５】図５は、先行技術における、２つの光信号の格
子位置に対する光強度の関係の例を示す線図である。

【図６】図６は、本発明の一実施例による位置検出シス
テムの側面図である。

【図７】図７は、本発明の一実施例における、２つの光
信号の格子位置に対する光強度の関係の例を示す線図で
ある。

【図８】図８は、本発明の実施例における、偏光子及び
半波長遅延板の他の配置を示す側面図である。

【図９】図９は、同じく、偏光子及び半波長遅延板の更
に他の配置を示す側面図である。

【図１０】図１０は、同じく、偏光子及び半波長遅延板
の更に他の配置を示す側面図である。

【図１１】図１１は、本発明の第２実施例による位置検
出システムの側面図である。

【図１２】図１２は、図１１の第２実施例における、様
々な位置での回折ビームの偏光成分とベクトルの関係を
示す線図である。

【図１３】図１３は、本発明の更に他の実施例の平面図
である。

【図１４】図１４は、図１３の側面図である。

【図１５】図１５は、本発明の更に他の実施例の平面図
である。

【図１６】図１６は、本発明の一実施例によるＸ−Ｙ位
置検出器の平面図である。

【図１７】図１７は、本発明の他の実施例によるＸ−Ｙ
位置検出器の平面図である。

【図１８】図１８は、本発明の更に他の実施例によるＸ
−Ｙ位置検出器の平面図である。

【図１９】図１９は、回折部材１６が透過格子である本
発明の他の実施例の側面図である。

【図２０】図２０は、回折部材１６がスケールパータン
を有する透過板である他の実施例の側面図である。

【符号の説明】 １０、９０、１２１、１２４、１４１…単色光源（レー
ザダイオード）、 １１、１２、１６８、１７２…光検出システム（回
路）、 １２…コリメータ、 １４…ミラー、 １５、９２、１４６…入射（光）ビーム、 １６…回折格子スケール（回折部材）、 １７、３０…正角度回折ビーム、 １８、３２…負角度回折ビーム、 ２０…回折格子溝（格子要素）、 ２３…物体、 ２５、２７、１００、１０２、１１７、１１９、１３
６、１３８、１４２…逆反射器（コーナーキューブ）、 ２６、２８、１１４、１１６、１４３、１５６、１６１
…線形偏光子、 ３８…光（平均強度）検出器、 ５０、５４…光（直角位相信号）検出器、 Ｉ₁ 、Ｉ₂ …直角位相信号、 ６０、６２、７０、７２、７４、１１８、１２０、１４
５、１５８、１６３…半波長（λ／２）遅延板、 ６４、６８、１１０、１６４、１７０…単一（結合）出
力ビーム、 ７６、９８…左側（負角度）回折ビーム、 ７８、９６…右側（正角度）回折ビーム、 １０４、１０６、１５３…反射ビーム、 １６８…Ｘ検出器、 １７２…Ｙ検出器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回折格子を有し、位置が測定されるべき可
   動部材に連結された回折部材と、 該回折部材に隣接し、前記回折格子の第１選択領域上に
   入射して、該回折格子により第１及び第２回折ビームに
   回折される第１光ビームを発生する光源と、 前記回折部材からの前記第１回折ビームを受け取り、該
   第１回折ビームを前記回折部材に反射して戻し、前記回
   折部材上の第２選択領域に入射して、２回目の回折を受
   け、２次回折光の結合ビームに結合するための第１反射
   手段と、 前記第１回折ビームの光路中に配置され、通過する前記
   第１回折ビームの偏光状態を回転するための第１偏光回
   転部材と、 前記回折部材からの前記第２回折ビームを受け取り、該
   第２回折ビームを前記回折部材に反射して戻し、前記回
   折部材上の前記第２選択領域に入射して、２回目の回折
   を受け、２次回折光の結合ビームに結合するための第２
   反射手段と、 前記第２回折ビームの光路中に配置され、通過する前記
   第２回折ビームの偏光状態を回転し、前記第１及びこの
   第２偏光回転部材手段が、前記第１及び第２回折ビーム
   のそれぞれが、前記回折部材より同じ偏光作用を受け、
   前記結合ビームに形成されたときには互いに９０°であ
   るようにするための第２偏光回転部材手段と、 前記結合ビームを受け取って、格子の変位によって生じ
   る２つのビーム間の位相の変化を示す信号を出力するた
   めの光検出手段と、 該光検出手段からの信号を受け取って、前記可動部材の
   変位を示す信号を出力するための出力手段と、 を備えた位置検出器。
2. 【請求項２】回折格子を有し、位置が測定されるべき可
   動部材に連結された回折部材と、 前記回折格子に近接し、第１選択領域で前記回折格子上
   に入射され、回折パターンで前記回折格子から回折され
   る第１光ビームを発生する光源と、 前記回折部材から正の角度で回折された、偏光状態にあ
   り、前記回折格子要素に関して垂直な偏光成分と平行な
   偏光成分を有する正角度回折ビームを受け取り、該正角
   度回折ビームを前記回折部材に反射して戻し、前記回折
   部材の第２選択領域上に入射して、２次回折光ビームを
   発生するための第１反射手段と、 前記正角度回折ビームの前記第１反射手段に対する光路
   中に配置され、前記正角度回折ビームの偏光状態の前記
   平行又は垂直成分のいずれかの偏光方向を逆転するが、
   該正角度回折ビームの偏光状態の他の成分には影響を与
   えない第１光偏光変調部材手段と、 前記正角度回折ビームの光路中に前記第１光偏光変調部
   材と共に直列に配置され、光線が前記第１及び第２光偏
   光変調手段を直列に伝播するようにされ、前記平行成分
   の偏光方向を９０°だけ１つの方向に回転し、前記垂直
   成分の偏光方向を反対方向に９０°だけ回転することに
   よって、前記正角度回折ビームが前記回折格子上に入射
   したときに、前記平行成分が回折格子要素に垂直とな
   り、前記垂直成分が回折格子要素に平行となるようにす
   るための第２光偏光変調部材手段と、 前記回折部材から反射された負角度回折ビームを負の角
   度で受け取り、該負角度回折ビームを前記回折部材に反
   射して戻し、前記回折部材の前記第２選択領域に入射し
   て、前記正角度回折ビームと結合させて前記正角度回折
   ビームと共に２次回折光の結合ビームとするための第２
   反射手段と、前記負角度回折ビームの前記第２反射手段に対する光路
   中に配置され、前記負角度回折ビームの偏光状態の前記
   平行又は垂直成分のいずれかの偏光方向を逆転するが、
   該負角度回折ビームの偏光状態の他の成分には影響を与
   えない第３光偏光変調部材手段と、 前記負角度回折ビームの光路中に前記第３光偏光変調部
   材と共に直列に配置され、前記平行成分の偏光方向を１
   つの方向に９０°だけ回転し、前記垂直成分の偏光方向
   を反対方向に９０°だけ回転し、前記負角度回折ビーム
   が前記回折格子上に入射したときに、平行成分が格子要
   素に対して垂直であり、垂直成分が格子要素に対して平
   行となり、２次回折された正角度及び負角度回折ビーム
   間の偏光角度が９０°であるようにするための第４光偏
   光変調部材手段と、 前記結合ビームを受け取って、その平均強度を決定する
   ための平均光検出手段と、 前記結合ビームの変化を、互いに変化する前記正角度回
   折ビーム及び前記負角度回折ビームの位相として検出す
   るための光検出手段と、 前記２つの光検出手段からの信号を受け取って、前記可
   動部材の変位を示す信号を出力するための出力手段と、 を備えた位置検出器。
3. 【請求項３】２組の回折格子要素を有し、該格子要素の
   １組がＸ方向に伸び、格子要素の他の組がＹ方向に伸
   び、２つの組が同じピッチを有し、且つ、互いに垂直で
   正方形上の回折パターンを形成し、単一平面上をＸ及び
   Ｙ方向に変位可能な可動部材に連結された回折部材と、 該回折部材に近接され、一方の光源がＸ軸光源、他方の
   光源がＹ軸光源であり、各光源がそれぞれ第１Ｘ領域及
   び第１Ｙ領域で、前記回折部材上に入射して、Ｘ軸の正
   角度及び負角度回折ビーム、及びＹ軸の正角度及び負角
   度回折ビームを発生するための、１対の光源と、 一方の対が前記Ｘ正角度及び負角度回折ビームを前記回
   折部材に第２Ｘ領域で反射して戻し、Ｘ軸光の結合ビー
   ムを発生し、第２の対が、前記Ｙ正角度及び負角度回折
   ビームを前記回折部材の第２Ｙ領域に反射して戻して、
   Ｙ軸光の結合ビームを発生するための、２対の反射部材
   と、 前記回折ビームのそれぞれの光路中に配置され、通過す
   る前記回折ビームの偏光状態を回転するための光偏光変
   調部材と、 前記各結合Ｘ及び結合Ｙ軸光ビームを受け取って、前記
   格子がＸ又はＹ方向に変位したときに、位相の変化に基
   づく前記各Ｘ及びＹ結合ビームの強度の変化を示す信号
   を出力するための、１対の光検出手段と、 該各光検出手段からの信号を受け取って、前記可動部材
   のＸ方向及びＹ方向の位置を共に出力する出力手段と、 を備えたことを特徴とするＸ−Ｙ位置検出器。
4. 【請求項４】回折格子が連結された物体の位置を測定す
   るための方法において、 前記回折格子上の第１選択位置に光を入射して、それぞ
   れ前記回折格子から離れて伸び、それぞれ回折格子要素
   の方向に対して垂直に偏光された成分と回折格子要素の
   方向に平行に偏光された成分を有する、正角度回折ビー
   ム及び負角度回折ビームを発生し、 前記正角度及び負角度回折ビームを反射して、前記回折
   格子の第２選択位置に戻し、 前記正角度及び負角度回折ビームが前記回折格子の第２
   選択位置に入射する前に、それらの偏光状態を選択され
   たそれぞれの軸について写像し、 前記回折格子上で前記正角度及び負角度回折ビームを２
   回目に回折して、２次回折光の結合ビームを発生し、 前記物体が移動したときの前記正角度及び負角度回折ビ
   ーム間の位相の相対変化を検出し、 前記正角度及び負角度回折ビーム間の位相の相対変化に
   基づいて、前記物体の位置を出力することを特徴とする
   位置測定方法。