JP2004170153A

JP2004170153A - 変位検出装置

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Publication number: JP2004170153A
Application number: JP2002334246A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Tamiya; 英明田宮; Kayoko Taniguchi; 佳代子谷口
Original assignee: Sony Precision Technology Inc
Current assignee: Sony Manufacturing Systems Corp
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-18
Also published as: JP4404184B2

Abstract

【課題】任意の原点信号を選択する。
【解決手段】所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域１２ａと、第１の領域１２ａとは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域１２ｂとが形成されている移動可能なスケール１２と、第１の領域１２ａに記録されている位置情報を読み取る第１の読取部１０と、第１の読取部１０により読み出した位置情報に基づき第１の位相を検出する第１の位相検出部１４と、第２の領域１２ｂに記録されている位置情報を読み取る第２の読取部１１と、第２の読取部１１により読み出した位置情報に基づき第２の位相を検出する第２の位相検出部１５と、第１の位相と第２の位相とを比較する位相比較部１６と、比較結果に応じて複数の信号を生成し、第１の読取部１０により読み出した位置情報に基づいて上記複数の信号の中から任意の信号を選択する信号選択部１８とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の干渉を利用してスケールの変位（移動）量を検出するようにした変位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に変位検出装置においてバーニア式のスケールを用いて、それぞれの位相を比較して原点を得ようとする場合、２つの格子の波長がそれぞれλと（λ＋λ／ｎ）とすると、位相が一致する間隔は、λ（１＋ｎ）となり、測定方向に対し、周期的に複数の原点が存在する（例えば、特許文献１参照。）。λが、十分に大きい場合、それぞれの原点を容易に判別することができ、外部の定点検出手段によって複数の原点の中から任意の点を選択することが可能である。しかし、λが非常に小さい場合、複数の原点の間隔が細かくなり選択が難しくなる。例えば、λ＝０．１３７μｍでｎ＝５０である場合、間隔は、６．９８７μｍとなり、外部の定点検出手段によって任意の点を選択することが困難となる。なお、ｎは、０以外の実数である。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭５０−２３６１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような変位検出装置は、集積回路を製造するためのＸ線露光描画装置や、精密機械工作に利用される。このとき、正確な位置又は距離を測定するために、移動量を示すインクリメンタル信号とは別に、基準点又は原点が設定される必要がある。変位検出装置では、２つの格子の波長がそれぞれλと（λ＋λ／ｎ）とすると、位相が一致する間隔は、λ（１＋ｎ）となり、測定方向に対し周期的に複数の原点が存在するため、その中から任意の点を選択しなければならない。一方、最近のＸ線露光描画装置等の記録密度の高集積化に伴い、インクリメンタル信号の波長も細かくなり、上記位相が一致する間隔も細かくなる傾向にある。
【０００５】
そこで、本発明では、ナノメートル（ｎｍ）オーダーで検出される複数の原点信号の中から、任意の点を選択することが可能な変位検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る変位検出装置は、上述の課題を解決するために、所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域と、上記第１の領域とは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域とが形成されている移動可能なスケールと、上記第１の領域に記録されている位置情報を読み取る第１の読取手段と、上記第１の読取手段により読み出した位置情報に基づき第１の位相を検出する第１の位相検出手段と、上記第２の領域に記録されている位置情報を読み取る第２の読取手段と、上記第２の読取手段により読み出した位置情報に基づき第２の位相を検出する第２の位相検出手段と、上記第１の位相と上記第２の位相とを比較する位相比較手段と、上記位相比較手段の比較結果に応じて、複数の信号を生成し、上記第１の読取手段により読み出した位置情報に基づいて上記複数の信号の中から任意の信号を選択する信号選択手段とを備え、上記第１の領域と上記第２の領域は、同一の測定方向に等量分変位するように上記スケール上に形成されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】
本発明は、例えば図１に示すような変位検出装置１に適用される。変位検出装置１は、第１の光学系１０と、第２の光学系１１と、スケール１２と、インクリメンタル信号発生器１３と、第１の位相検出器１４と、第２の位相検出器１５と、位相比較器１６と、パルス信号発生器１７と、原点信号選択部１８を備える。
【０００９】
第１の光学系１０は、図１に示すように、可干渉光源部２０と、第１のレンズ２１と、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ）２２と、第１の１／４波長板２３と、反射プリズム２４と、第２の１／４波長板２５と、第２のレンズ２６と、ビームスプリッタ（ＢＳ，ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ）２７と、第２のＰＢＳ２８と、第１の光電変換器２９と、第２の光電変換器３０と、第３の１／４波長板３１と、第３のＰＢＳ３２と、第３の光電変換器３３と、第４の光電変換器３４と、第１の差動増幅器３５と、第２の差動増幅器３６とを備え、スケール１２上に記録された回折格子を読み取り、読み取った結果を、インクリメンタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。
【００１０】
ここで、スケール１２について説明する。スケール１２は、測定方向に対して一方の側に、ピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域１２ａが形成されており、他方の側に、ピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎ（ｎは０以外の実数）で回折格子が記録されている第２の領域１２ｂが形成されている。なお、第２の領域１２ｂに形成されている回折格子のピッチ間隔は上記以外でもよく、詳細については後述する。
【００１１】
例えば、Λは、０．５５μｍである。また、スケール１２では、第１の領域１２ａへの光の入射点（Ｐ点、Ｑ点）と、第２の領域１２ｂへの光の入射点（Ｒ点、Ｓ点）は、計測方向にインラインに並んでいる。なお、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂは、同一のスケール上に形成されていても良いし、別々のスケール上に形成されていても良い。別々のスケール上に形成される場合には、各スケールは、同じ基台の上に固定され、同一の変位方向に等量分変位するように形成する。
【００１２】
可干渉光源部２０は、第１のレンズ２１に光を出射する。第１のレンズ２１は、入射した光を適度に絞り、第１のＰＢＳ２２に出射する。第１のＰＢＳ２２は、入射された光をＳ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の２つに分割する。第１のＰＢＳ２２は、スケール１２の第１の領域１２ａのＰ点までの光路とＱ点までの光路が中心対称となるように、Ｓ偏光成分を有する光をＰ点に入射し、Ｐ偏光成分を有する光をＱ点に入射する。なお、可干渉光源部２０からの光が直線偏光の光であれば、偏光方向を４５度傾けて第１のＰＢＳ２２に入射させる。こうすることにより、Ｓ偏光成分の光とＰ偏光成分の光の強度を等しくすることができる。
【００１３】
また、Ｐ点及びＱ点に入射した光は、回折格子により以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
ｓｉｎθ_１＋ｓｉｎθ_２＝ｎ・λ／Λ
なお、図１に示すように、θ_１は、スケール１２への入射角を示し、θ_２は、スケール１２からの回折角を示し、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光の波長を示し、ｎは、回折次数を示している。
【００１４】
変位検出装置１では、Ｐ点への入射角をθ_１ｐとし、その回折角をθ_２ｐとし、Ｑ点への入射角をθ_１ｑとし、その回折角をθ_２ｑとすると、θ_１ｐ＝θ_１ｑ、θ_２ｐ＝θ_２ｑになるように調整している。また、回折次数は、Ｐ点及びＱ点で同次数とし、変位検出装置１では、回折次数は１次とする。
【００１５】
Ｐ点で回折された光は、第１の１／４波長板２３を通過し、反射プリズム２４で垂直に反射され、再びＰ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第１の１／４波長板２３の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。
【００１６】
また、Ｑ点で回折された光も同様に、第２の１／４波長板２５を通過し、反射プリズム２４で垂直に反射され、再びＱ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第２の１／４波長板２５の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｑ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。
【００１７】
このようにＰ点及びＱ点で再び回折された光は、第１のＰＢＳ２２に戻る。
【００１８】
Ｐ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ２２を通過し、また、Ｑ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ２２で反射される。したがって、Ｐ点及びＱ点から戻ってきた光は、第１のＰＢＳ２２で重ね合わされて、第２のレンズ２６に入射する。
【００１９】
ここで、第１のＰＢＳ２２からＰ点を経て第１の１／４波長板２３までの光路長と、第１のＰＢＳ２２からＱ点を経て第２の１／４波長板２５までの光路長の関係について述べる。なお、変位検出装置１では、第１のＰＢＳ２２からＰ点を経て第１の１／４波長板２３までの光路と、第１のＰＢＳ２２からＱ点を経て第２の１／４波長板２５までの光路とは、中心対称となっている。
【００２０】
また、本実施例では、光源の波長の変動による誤差を生じさせないために、第１のＰＢＳ２２で分割されたＳ偏光成分を有する光がＰ点を経て第１の１／４波長板２３に達するまでの光路長と、第１のＰＢＳ２２で分割されたＰ偏光成分を有する光がＱ点を経て第２の１／４波長板２５に達するまでの光路長とを等しく調整している。この調整の精度は、必要な測長精度と当該検出装置１が用いられる環境の温度条件に依存する。必要な測長精度をΔＥとし、スケールのピッチをΛとし、光源の波長をλとし、温度変化による波長の変化量をΔλとすると光路長差ΔＬは以下の式を満足している必要がある。
ΔＥ＞Δλ／λ^２×２×ΔＬ×Λ／４
例えば、使用される環境の温度変化量を１０℃とすると、一般的に使用されている波長７８０ｎｍの半導体レーザの波長変動は、約３ｎｍなので、Λ＝０．５５μｍとし、ΔＥ＝０．１μｍとするとΔＬ＜７４μｍにする必要がある。このΔＬを調整するためには適当な可干渉距離を有する光源を使用すればよい。
【００２１】
一般に、干渉計における干渉縞の変調度を表すビジビリティは、光源の干渉性と、干渉する２つの光の光路長の差とによって決定される。シングルモード発振を行なっているレーザ等の干渉性の良い光源においては、光路長の差が大きくてもビジビリティが失われることはない。これに対して、干渉性の悪い光源においては、光路長の差の変化によって干渉縞のビジビリティが変化することが知られている。
【００２２】
このような光源を用いれば、光路長の差が生じたときに干渉信号の変調度（ビジビリティ）の低下としてこれを検出することができるので、干渉信号の変調度が最大になるように調整することにより光路長を等しくすることができる。例えば、可干渉距離が２００μｍ程度の発振波長がマルチモードの半導体レーザを用いれば光路長差をΔＬ＜７４μｍに容易にあわせることができる。
【００２３】
また、可干渉光源２０としては、調整を行なうときのみ上記のように可干渉距離の制限された光源を用いるようにし、調整後に別のより安価な可干渉距離の長い光源（例えば、発振波長がシングルモードの一般的な半導体レーザ）に置き換えても良い。
【００２４】
第２のレンズ２６は、入力された光を適度に絞り、ＢＳ２７に入射する。ＢＳ２７は、入射された光を２つに分割し、一方の光を第２のＰＢＳ２８に入射し、他方の光を第３の１／４波長板３１に入射する。なお、第２のＰＢＳ２８及び第３の１／４波長板３１は、入射される光の偏光方向に対して４５度にそれぞれ傾いている。
【００２５】
第２のＰＢＳ２８に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第１の光電変換器２９に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第２の光電変換器３０に入射する。また、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０では、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。なお、Ｋは、２π／Λを示し、ｘは、移動量を示し、δは、初期位相を示している。また、第１の光電変換器２９では、第２の光電変換器３０と１８０度位相の異なる信号が得られる。
【００２６】
また、第３の１／４波長板３１に入射された光は、Ｐ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光とが互いに逆回りの円偏光となり、重ね合わされて直線偏光となり、第３のＰＢＳ３２に入射する。第３のＰＢＳ３２に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第３の光電変換器３３に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第４の光電変換器３４に入射する。なお、第３のＰＢＳ３２に入射される直線偏光の偏光方向は、回折格子がｘ方向にΛ／２だけ移動すると１回転する。したがって、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０と同様にＡｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。
【００２７】
また、第３の光電変換器３３では、第４の光電変換器３４と１８０度位相が異なる信号が得られる。なお、第３のＰＢＳ３２は、第２のＰＢＳ２８に対して４５度傾けてある。したがって、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４で得られる信号は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０で得られる信号に対して９０度位相が異なっている。
【００２８】
第１の差動増幅器３５は、第１の光電変換器２９及び第２の光電変換器３０から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。また、第２の差動増幅器３６も同様に、第３の光電変換器３３及び第４の光電変換器３４から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１３及び第１の位相検出器１４に出力する。
【００２９】
インクリメンタル信号発生器１３は、第１の差動増幅器３５及び第２の差動増幅器３６から供給された信号に基づき、スケール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。インクリメンタル信号発生器１３は、インクリメンタル信号を原点信号選択部１８に出力する。第１の位相検出器１４は、第１の差動増幅器３５及び第２の差動増幅器３６から供給される信号に基づき、図２に示すようなリサージュ信号の角度θ_ａを求める。第１の位相検出器１４は、求めた角度θ_ａを位相比較器１６に供給する。
【００３０】
また、第２の光学系１１は、図１に示すように、可干渉光源部４０と、第１のレンズ４１と、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ）４２と、第１の１／４波長板４３と、反射プリズム４４と、第２の１／４波長板４５と、第２のレンズ４６と、ビームスプリッタ（ＢＳ，ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ）４７と、第２のＰＢＳ４８と、第１の光電変換器４９と、第２の光電変換器５０と、第３の１／４波長板５１と、第３のＰＢＳ５２と、第３の光電変換器５３と、第４の光電変換器５４と、第１の差動増幅器５５と、第２の差動増幅器５６とを備え、スケール１２上に記録された回折格子を読み取り、読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力する。また、第２の光学系１１の動作は、上述した第１の光学系１０と同様である。
【００３１】
第２の位相検出器１５は、第１の位相検出器１４と同様に、第１の差動増幅器５５及び第２の差動増幅器５６から供給される信号に基づき、リサージュ信号の角度θ_ｂを求める。第２の位相検出器１５は、求めた角度θ_ｂを位相比較器１６に出力する。
【００３２】
ここで、位相比較器１６の動作について説明する。第１の位相検出器１４では、スケール１２が所定の計測方向にΛ／４だけ変位すると、リサージュ信号の角度θ_ａが一回転する。また、第２の位相検出器１５では、スケール１２が所定の計測方向に（Λ＋Λ／ｎ）／４だけ変位すると、リサージュ信号の角度θ_ｂが一回転する。
【００３３】
位相比較器１６は、第１の位相検出器１４から入力したリサージュ信号の角度θ_ａと、第２の位相検出器１５から入力したリサージュ信号の角度θ_ｂとの差分Δθ（Δθ＝θ_ａ−θ_ｂ）を求める。この差分Δθは、スケール１２の変位に応じて変化し、スケール１２が所定の測定方向にΛ（１＋ｎ）／４だけ変位するともとの値と同じになる。
【００３４】
位相比較器１６は、差分Δθをパルス信号発生器１７に出力する。パルス信号発生器１７は、位相比較器１６から入力した差分Δθが所定の値Δθ_ｃとなったときにパルス信号を生成し、生成したパルス信号を原点信号選択部１８に出力する。例えば、差分Δθが、スケール１２の所定の測定方向にΛ（１＋ｎ）／４ごとにもとの値と同じになるのであれば、パルス信号発生器１７は、Λ（１＋ｎ）／４ごとにパルス信号を発生する。
【００３５】
また、パルス信号発生器１７は、上記の値Δθ_ｃ（以下、設定値という。）を任意に設定することができる。パルス信号発生器１７は、例えば、設定値を検出が容易な０度に設定すると、位相比較器１６から入力された差分Δθが０度のときにパルス信号を発生する。
【００３６】
また、パルス信号発生器１７は、第１の光学系１０及び第２の光学系１１の間隔と、スケール１２の第１の領域１２ａ及び第２の領域１２ｂの間隔が変化しなければ、所定間隔ごとにパルス信号を発生するので、このパルス信号を原点信号として利用することが可能である。また、この原点信号の発生間隔は、第１の領域１２ａに記録されている回折格子の格子ピッチと、第２の領域１２ｂに記録されている格子ピッチとの差分Λ／ｎに応じて任意に設定することが可能である。
【００３７】
ここで、パルス信号発生器１７が発生するパルス信号の分解能について述べる。パルス信号を原点信号に利用する場合には、周期が長いほど良いので、ｎが大きいほど良い。
【００３８】
しかし、２つの位相差が一致したところからリサージュが一周回った点では、位相差がΛ／４ｎしか現れないので、一致したということがこのΛ／４ｎよりも精度良く検出することができないと、位置をΛ／４だけ間違えてしまうことになる。２つの位相差をどのくらい分解能が良く検出できるかは、２つの位相差を読み出す精度とＳ／Ｎによるため、結果として、これがｎの大きさを制限してしまう。
【００３９】
例えば、変位検出装置１では格子ピッチを０．５５μｍとし、ｎを１００とすると繰り返し原点は、約１３．９μｍごとに１回現れる。このとき必要な分解能は、分解能をΛ／４ｎとしたときに最低でもｎ＝２００〜４００が必要で、分解能は高ければ高いほど良い。例えば、ｎ＝１００の場合には、Λ／４位置が変化しても位相差は２π／１００にしかならないため、位相差が分解能の幅に入る距離はΛ／４の幅になる。この幅を狭めるためには、分解能を上げることになり、ｎ＝１０００の場合には、Λ／（４×１０）の幅となる。
【００４０】
しかしながら、Ｓ／Ｎの問題があるために分解能を上げることは簡単ではない。そのため位相差の一致を検出する信号をゲートとして信号の１波長（Λ／４）を選択し、その中のΛ／４の決められた一方の信号の位相が特定位相になったときに原点信号を発生するようにすることは有効である。これにより原点の精度と分解能が位相差検出分解能まで上げることができる。なお、本発明に係る実施の形態では、原点の精度を０．３ｎｍ〜０．７ｎｍ程度まで上げることができる。
【００４１】
また、パルス信号発生器１７は、当該変位検出装置１が測定対象の装置に取り付けられた後に、ユーザーにより設定値を変更できるようにしても良い。なお、この場合には、初期設定では、設定値を適当な値にしておき、ユーザーからの問い合せに応じて上記設定値を変更するプログラムを配布する。
【００４２】
また、パルス信号発生器１７は、位相比較器１６から入力された差分Δθが設定値になった回数を数え、上記回数が所定の値に達したときにパルス信号を発生するようにしても良い。
【００４３】
また、パルス信号発生器１７は、差分Δθが設定値に達した後に、第１の位相検出器１４で生成されるリサージュ信号の角度θ_ａ（以下、角度θ_ａという。）又は第２の位相検出器１５で生成されるリサージュ信号の角度θ_ｂ（以下、角度θ_ｂという。）が任意の角度θ_ｎに達したときに原点信号を発生するようにしても良い。また、パルス信号発生器１７は、差分Δθが設定値に達した後に、任意の角度θ_ｎに角度θ_ａ又は角度θ_ｂが達し、そこから所定距離離れた位置に再び現れる任意の角度θ_ｎに角度θ_ａ又は角度θ_ｂが達したときに原点信号を発生するようにしても良い。なお、上記所定距離は、（２ｎ＋１）Λ／２であり、ｎは、０以上の整数であり、Λは、パルス信号発生器１７がスケール１２の第１の領域１２ａを原点信号の発生に利用する場合には、第１の領域１２ａに記録されている回折格子のピッチ間隔であり、パルス信号発生器１７がスケール１２の第２の領域１２ｂを原点信号の発生に利用する場合には、第２の領域１２ｂに記録されている回折格子のピッチ間隔である。
【００４４】
なお、パルス信号発生器１７は、当該変位検出装置１が測定対象の装置に取り付けられた後に、ユーザーにより角度θ_ｎを変更できるようにしても良い。この場合には、初期設定では、角度θ_ｎを適当な値にしておき、ユーザーからの問い合せに応じて上記角度θ_ｎを変更するプログラムを配布する。
【００４５】
原点信号選択部１８は、インクリメンタル信号発生器１３から供給されるインクリメンタル信号を用いて、パルス信号発生器１７から供給される複数のパルス信号の中から任意のパルス信号を原点信号として選択する。パルス信号発生器１７は、スケール１２の第２の領域１２ｂに形成されている回折格子の記録パターンに応じてパルス信号を生成し、原点信号選択部１８に出力するので、原点信号選択部１８では、供給されてくるパルス信号の間隔やパルス信号の数をカウントすることで、任意のパルス信号を選択することができる。以下に、第２の領域１２ｂに形成されている回折格子の記録パターンに応じて原点信号の選択を行なう変位検出装置１の動作について説明する。
【００４６】
例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の領域１２ｂに形成されている回折格子のピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）のｎ（例えば、ｎ＝１００＋ｘ／１０とする（ｘは変数）。）を測定方向にリニア状に増加又は減少させることにより、回折格子のピッチ間隔を変化させている。
【００４７】
第２の光学系１１は、上述のように回折格子が記録されている第２の領域１２ｂから読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力する。第２の位相検出器１５は、第２の光学系１１から供給された信号に基づき、リサージュ信号の角度θ_ｂを求め、当該角度θ_ｂを位相比較器１６に出力する。なお、第２の位相検出器１５では、検出する角度の回り速度は測定方向に対して一定とはならず、第２の領域１２ｂに記録されている回折格子のピッチ間隔に応じて加速又は減速する。
【００４８】
位相比較器１６は、第１の位相比較器１０から供給されるリサージュ信号の角度θ_ａと、第２の位相比較器１１から供給されるリサージュ信号の角度θ_ｂとの差分Δθを求め、当該差分Δθをパルス信号発生器１７に出力する。パルス信号発生器１７は、供給された差分Δθが所定の値Δθ_ｃとなったときにパルス信号を生成し、当該パルス信号を原点信号選択部１８に出力する。なお、パルス信号発生器１７では、差分ΔθがΔθ_ｃと一致するタイミングはパルス信号の発生間隔Λ（１＋ｎ）／４のｎの値に依存するため、一定とはならない。
【００４９】
原点信号選択部１８は、インクリメンタル信号発生器１３から供給されるインクリメンタル信号により、パルス信号発生器１７から供給されてくるパルス信号の間隔をカウントすることでパルス信号どうしの間隔を測ることができる。そこで、例えば、予め、パルス信号の間隔Λ（１＋ｎ）／４のｎが１００のときのアドレスを「１」とし、ｎが１１０のときのアドレスを「２」とし、ｎが１２０のときのアドレスを「３」とするように順次符号を付しておく。原点信号選択部１８は、アドレスを指定しておき、パルス信号発生器１７から供給されてくるパルス信号の間隔を順次インクリメンタル信号により測定してアドレスを検出し、当該指定したアドレスを検出したとき、次に現れるパルス信号を原点信号として選択することができる。
【００５０】
このように構成された変位検出装置１は、測定方向に対して一方の側に、ピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域１２ａと、他方の側にピッチ間隔がΛ＋Λ／ｎ（ｎは測定方向に所定量変位する。）で回折格子が記録されている第２の領域１２ｂとが形成されているスケール１２に、入射光の回折点がインラインに並ぶように、第１の光学系１０及び第２の光学系１１で光を中心対称に入射し、回折格子により回折された光を干渉し、第１の位相検出器１４及び第２の位相検出器１５で上記干渉光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器１６で上記位相差の差分を検出し、パルス信号発生器１７で上記差分が所定の値となったときにパルス信号を発生し、原点信号選択部１８でインクリメンタル信号発生器１３から供給されるインクリメンタル信号により、パルス信号発生器１７から供給されてくるパルス信号の間隔をカウントすることでパルス信号どうしの間隔を測ることができるので、当該間隔に基づいて、パルス信号発生器１７から供給される複数のパルス信号の中から任意のパルス信号を原点信号として選択することができる。
【００５１】
また、変位検出装置１は、格子干渉計である第１の光学系１０及び第２の光学系１１を用いているので、スケール１２を形成している第１の領域１２ａと第２領域１２ｂに記録されている回折格子の格子ピッチを小さくすることができ、例えば、格子ピッチを０．５５μｍとすると、位相を検出するための信号は０．１３７９・・・μｍ（≒１３８ｎｍ）の周期の信号となり、高い精度での位相差検出ができ、ナノメーターオーダーで原点信号を得ることができ、さらにナノメーターオーダーで得た複数の原点信号の中から任意の信号を原点信号として選択することができる。
【００５２】
また、本発明は、図４に示すような位相検出装置２に適用される。なお、位相検出装置２では、上述した変位検出装置１の形態と同一の部分は同一符号を付すことによりその詳細な説明を省略する。また、図４において、第１の光学系１０及び第２の光学系１１は、図１に示した変位検出装置１と同様な構成であるため省略した。
【００５３】
変位検出装置２は、図４に示すように、原点信号選択部１８にインクリメンタル信号発生器１３と、位相比較器１６とを接続する構成となっている。この場合、原点信号選択部１８は、インクリメンタル信号発生器１３から供給されるインクリメンタル信号と、位相比較器１６から供給される差分Δθの変化量に基づき、任意の信号を原点信号として選択する。
【００５４】
このような変位検出装置２は、図５に示すように、第２の領域１２ｂが複数の区間によりなっており、同一の区間内では記録されている回折格子どうしのピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）が同一であり（すなわち、ｎの値が同一）、隣接する区間どうしでは記録されている回折格子どうしのピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）が異なっており（すなわち、ｎの値が異なる）、上記区間が少なくとも２つ以上ランダムに配されてなる１パターンが、測定方向に繰り返し記録されているものを用いて任意の原点信号を出力する。以下に、このような第２の領域１２ｂに形成されている回折格子の記録パターンに応じて原点信号の選択を行なう変位検出装置２の動作について説明する。なお、第２の領域１２ｂには、上記１パターンが繰り返して記録されていなくても良く、ｎの値が異なる区間がランダムに測定方向に記録されていても良い。
【００５５】
第２の光学系１１は、上述のように回折格子が記録されている第２の領域１２ｂから読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力する。第２の位相検出器１５は、第２の光学系１１から供給された信号に基づき、リサージュ信号の角度θ_ｂを求め、当該角度θ_ｂを位相比較器１６に出力する。なお、第２の位相検出器１５では、検出する角度の回り速度が測定方向に対して一定ではなく、第２の領域１２ｂに記録されている一方の区間から他方の区間に第２の光学系１１の読み取り位置が移動したとき、すなわち区間ごとに変化する。
【００５６】
位相比較器１６は、第１の位相比較器１０から供給されるリサージュ信号の角度θ_ａ（回り速度が一定）と、第２の位相比較器１１から供給されるリサージュ信号の角度θ_ｂ（回り速度が変動）との差分Δθを求め、当該差分Δθを原点信号選択部１８に出力する。
【００５７】
原点信号選択部１８は、位相比較器１６から供給されてくる前後の差分Δθを監視することにより、差分Δθの変化量を検出することができる。したがって、原点信号選択部１８は、予め、差分Δθの変化量を任意に指定しておき、当該指定した差分Δθの変化量を検出したとき、次に現れる信号を原点信号として選択することができる。
【００５８】
また、変位検出装置２は、図６に示すように、第２の領域１２ｂが複数の区間によりなっており、同一の区間内では記録されている回折格子どうしのピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）が同一であり（すなわち、ｎの値が同一）、ピッチ間隔の異なる（すなわち、ｎの値が異なる）２種類の区間が所定の順序で測定方向に配されてなるものを用いて任意の原点信号を出力する。第２の領域１２ｂは、例えば、ｎが１００と１３０の２種類の区間が所定の順序で測定方向に配されている。
【００５９】
第２の光学系１１は、上記第２の領域１２ｂの所定距離（例えば５区間）から回折格子を読み取り、読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力する。第２の位相検出器１５は、第２の光学系１１から供給された信号に基づき、リサージュ信号の角度θ_ｂを求め、当該角度θ_ｂを位相比較器１６に出力する。なお、第２の位相検出器１５では、検出する角度の回り速度が測定方向に対して一定ではなく、第２の領域１２ｂに記録されている区間ごとに変化する。すなわち、ｎが１００の区間の位相の回転速度と、ｎが１３０の区間の位相の回転速度とが異なる。
【００６０】
位相比較器１６は、第１の位相比較器１０から供給されるリサージュ信号の角度θ_ａ（回り速度が一定）と、第２の位相比較器１１から供給されるリサージュ信号の角度θ_ｂ（回り速度が変動）との差分Δθを求め、当該差分Δθを原点信号選択部１８に出力する。
【００６１】
原点信号選択部１８は、位相比較器１６から供給されてくる前後の差分Δθを監視することにより、２種類の差分Δθの変化量を検出することができる。原点信号選択部１８は、この２種類の変化量の違いを利用して、例えば、一方（ｎが１００の区間）を検出したときを「１」とし、他方（ｎが１３０の区間）を検出したときを「０」として、検出した差分Δθの変化量を２値に置き換える処理を行なう。したがって、原点信号選択部１８は、予め、「１０１０１」を指定しておき、検出した差分Δθの変化量が当該指定した値と一致したとき、次に現れる信号を原点信号として選択することができる。なお、第２の領域１２ｂから読み出す距離は５区間でなくても良い。
【００６２】
また、変位検出装置２は、図７に示すように、第２の領域１２ｂが２つの区間よりなっており、同一の区間内では記録されている回折格子どうしのピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）が同一であり（すなわち、ｎの値が同一）、区間ごとに記録されている回折格子どうしのピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）が異なる（すなわち、ｎの値が異なる）ものを用いて任意の原点信号を出力する。第２の領域１２ｂは、例えば、ｎが１００と１３０の２種類の区間が測定方向に配されている。
【００６３】
第２の光学系１１は、上記第２の領域１２ｂから回折格子を読み取り、読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力する。第２の位相検出器１５は、第２の光学系１１から供給された信号に基づき、リサージュ信号の角度θ_ｂを求め、当該角度θ_ｂを位相比較器１６に出力する。なお、第２の位相検出器１５では、検出する角度の回り速度が測定方向に対して区間により変化する。すなわち、ｎが１００の区間の位相の回転速度と、ｎが１３０の区間の位相の回転速度とが異なる。
【００６４】
位相比較器１６は、第１の位相比較器１０から供給されるリサージュ信号の角度θ_ａ（回り速度が一定）と、第２の位相比較器１１から供給されるリサージュ信号の角度θ_ｂ（回り速度が変動）との差分Δθを求め、当該差分Δθを原点信号選択部１８に出力する。
【００６５】
原点信号選択部１８は、位相比較器１６から供給されてくる前後の差分Δθを監視することにより、２種類の差分Δθの変化量として検出することができる。原点信号選択部１８は、この変化量の違いを利用して、第２の領域１２ｂのｎが１００の区間と１３０の区間との境界を求めることができる。原点信号選択部１８は、上記境界を検出し、次に現れる信号を原点信号として選択することができる。
【００６６】
このように構成された変位検出装置２は、測定方向に対して一方の側に、ピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域１２ａと、他方の側に、同一の区間内では記録されている回折格子どうしのピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）が同一であり（すなわち、ｎの値が同一）、隣接する区間どうしでは記録されている回折格子どうしのピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）が異なっており（すなわち、ｎの値が異なる）、上記区間が測定方向に記録されている第２の領域１２ｂとが形成されているスケール１２に、入射光の回折点がインラインに並ぶように、第１の光学系１０及び第２の光学系１１で光を中心対称に入射し、回折格子により回折された光を干渉し、第１の位相検出器１４及び第２の位相検出器１５で上記干渉光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器１６で上記位相差の差分を検出し、原点信号選択部１８で位相比較器１６から供給されてくる前後の位相差の差分を監視し、当該差分の変化量を検出するので、当該変化量に基づいて、任意の信号を原点信号として選択することができる。
【００６７】
また、変位検出装置２は、格子干渉計である第１の光学系１０及び第２の光学系１１を用いているので、スケール１２を形成している第１の領域１２ａと第２領域１２ｂに記録されている回折格子の格子ピッチを小さくすることができ、例えば、格子ピッチを０．５５μｍとすると、位相を検出するための信号は０．１３７９・・・μｍ（≒１３８ｎｍ）の周期の信号となり、高い精度での位相差検出ができ、ナノメーターオーダーで原点信号を得ることができ、さらにナノメーターオーダーで得た複数の信号の中から任意の信号を原点信号として選択することができる。
【００６８】
また、本発明は、図８に示すような位相検出装置３に適用される。なお、位相検出装置３では、上述した位相検出装置１及び位相検出装置２の形態と同一部分は同一の符号を付すことによりその詳細な説明を省略する。また、図８において、第１の光学系１０及び第２の光学系１１は、図１に示した変位検出装置１と同様な構成であるため省略した。
【００６９】
変位検出装置３は、図８に示すように、第１の差動増幅器５５及び第２の差動増幅器５６から供給された信号に基づき、第２の領域１２ｂから読み出した信号に応じて振幅信号を生成し、当該振幅信号を原点信号選択部１８に出力する振幅信号出力部１９を備え、原点信号選択部１８にインクリメンタル信号発生器１３と、パルス信号発生器１７と、振幅信号出力部１９とを接続する構成となっている。この場合、原点信号選択部１８は、振幅信号出力部１９から供給される振幅信号に基づき、インクリメンタル信号発生器１３から供給されるインクリメンタル信号と、位相比較器１６から供給される差分Δθの変化量とから任意の信号を原点信号として選択する。
【００７０】
このような変位検出装置３は、図３（ａ）、（ｂ）及び図５に示すように、第２の領域１２ｂに記録されている回折格子のピッチ間隔（Λ＋Λ／ｎ）のｎを測定方向に所定量変位させ、回折格子どうしのピッチ間隔を変動させることで、第２の光学系１１から得られる出力信号の振幅に強弱変化を持たせ、上記振幅の強弱を振幅信号出力部１９で検出し、当該強弱を表す振幅信号に基づいて原点信号選択部１８で任意の信号を原点信号として選択する。
【００７１】
例えば、光源の波長λを７８０ｎｍとし、可干渉光源部４０から４５度の角度で第１のレンズ４１にビームを入射した場合、入射光は、以下の式のしたがって回折され、その後反射プリズム４４によって反射されて同光路をたどり第１のＰＢＳ４２に戻ってくる。
ｓｉｎθ_１＋ｓｉｎθ_２＝ｎ・λ／Λ
なお、図１に示すように、θ_１は、スケール１２への入射角を示し、θ_２は、スケール１２からの回折角を示し、Λは、格子のピッチ（幅）を示し、λは、光の波長を示し、ｎは、回折次数を示している。
【００７２】
しかし、Λの変化に伴いθ_２も変動し、可干渉光源部４０から入射されたビームは、反射プリズム４４やピンホール５７に対しはじかれる、いわゆるけられを生じるために、同光路をたどって第１のＰＢＳ４２に戻ってくる光量が少なくなる。光量が減少すると、第１の光電変換器４９、第２の光電変換器５０、第３の光電変換器５３及び第４の光電変換器５４により得られる干渉信号のレベルが低くなる。第１の差動増幅器５５及び第２の差動増幅器５６は、供給される干渉信号のレベルに応じて差動増幅し、ＤＣ成分をキャンセルした信号を振幅信号出力部１９に出力する。振幅信号出力部１９は、供給される信号の強弱に基づき振幅信号を生成し、当該振幅信号を原点信号選択部１８に出力する。
【００７３】
原点信号選択部１８は、振幅信号出力部１９から供給される振幅信号に基づき、インクリメンタル信号発生器１３から供給されるインクリメンタル信号を用いて、パルス信号発生器１７から供給される複数のパルス信号の中から任意のパルス信号を原点信号として選択する。原点信号選択部１８は、振幅信号出力部１９から供給される振幅信号から振幅波形を生成し、当該振幅波形の勾配が急峻な場合には、ピーク振幅値（最大電圧値）の次に現れる信号を原点信号として選択し、また、当該振幅波形の勾配が緩やかな場合には、振幅波形が所定の振幅値に達したとき、次に現れる信号を原点信号として選択する。
【００７４】
また、変位検出装置３は、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２の領域１２ｂの回折格子の格子ベクトルの向きが測定方向に対して所定量変位して記録されているものを用いて任意の原点信号を出力する。図９（ａ）に示す第２の領域１２ｂは、上面から見て測定方向に回折格子の格子ベクトルが変位しており、図９（ｂ）に示す第２の領域１２ｂは、ボリュームタイプのホログラムで構成されており、体積（側面）方向に回折格子の格子ベクトルが変位しており、図９（ｃ）に示す第２の領域１２ｂは、ブレーズドタイプのホログラムで構成されており、表面の角度を変動させることにより格子ベクトルが変位している。上述のように格子ベクトルが変位している領域に光を入射させると、回折された光に光軸ずれが生じてしまいビジビリティが落ちてしまう。
【００７５】
したがって、可干渉光源部４０から入射されたビームは、反射プリズム４４やピンホール５７に対しはじかれる、いわゆるけられを生じるために、同光路をたどって第１のＰＢＳ４２に戻ってくる光量が少なくなる。光量が減少すると、第１の光電変換器４９、第２の光電変換器５０、第３の光電変換器５３及び第４の光電変換器５４により得られる干渉信号のレベルが低くなる。第１の差動増幅器５５及び第２の差動増幅器５６は、供給される干渉信号のレベルに応じて差動増幅し、ＤＣ成分をキャンセルした信号を振幅信号出力部１９に出力する。振幅信号出力部１９は、供給される信号のレベルに基づき振幅信号を生成し、当該振幅信号を原点信号選択部１８に出力する。
【００７６】
原点信号選択部１８は、振幅信号出力部１９から供給される振幅信号に基づき、インクリメンタル信号発生器１３から供給されるインクリメンタル信号を用いて、パルス信号発生器１７から供給される複数のパルス信号の中から任意のパルス信号を原点信号として選択する。原点信号選択部１８は、振幅信号出力部１９から供給される振幅信号から振幅波形を生成し、当該振幅波形の勾配が急峻な場合には、ピーク振幅値（最大電圧値）の次に現れる信号を原点信号として選択し、また、当該振幅波形の勾配が緩やかな場合には、振幅波形が所定の振幅値に達したとき、次に現れる信号を原点信号として選択する。
【００７７】
また、変位検出装置３は、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２の領域１２ｂに所定の処理を施したものを用いて任意の原点信号を出力する。図１０（ａ）に示す第２の領域１２ｂは、特定の範囲以外の範囲に記録されている回折格子上にマスキング処理を施し、特定の範囲の回折格子しか読み出せないように形成されている。変位検出装置３は、当該第２の領域１２ｂのマスキング処理がされていない範囲から回折格子を読み出すので、発生する原点信号の数を制限することができる。
【００７８】
また、図１０（ｂ）に示す第２の領域１２ｂは、特定の範囲以外の範囲に記録されている回折格子がすべて物理的に除去されて形成されている。変位検出装置３は、当該第２の領域１２ｂの除去されていない範囲から回折格子を読み出すので、発生する原点信号の数を制限することができる。
【００７９】
また、図１０（ｃ）に示す第２の領域１２ｂは、特定の範囲とそれ以外の範囲との透過率を変動させるために、記録されている回折格子上に透過率が場所によって異なる透過率分布のカバーガラスでカバーリングされて形成されている。変位検出装置３は、当該第２の領域１２ｂから透過率の違いを検出し、所定の透過率に達したときに、次に現れる信号を原点信号として選択することができる。
【００８０】
このように構成された変位検出装置３は、測定方向に対して一方の側に、ピッチ間隔がΛで回折格子が記録されている第１の領域１２ａと、他方の側に、ピッチ間隔がΛ以外の間隔で回折格子が記録され、上記回折格子の格子ベクトルの向きが測定方向に変動している第２の領域１２ｂ又は、他方の側に、ピッチ間隔がΛ以外の間隔で記録されている回折格子に所定の処理を施してある第２の領域１２ｂとが形成されているスケール１２に、入射光の回折点がインラインに並ぶように、第１の光学系１０及び第２の光学系１１で光を中心対称に入射し、回折格子により回折された光を干渉し、第１の位相検出器１４及び第２の位相検出器１５で上記干渉光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器１６で上記位相差の差分を検出し、パルス信号発生器１７で上記差分が所定の値となったときにパルス信号を発生し、原点信号選択部１８で、インクリメンタル信号発生器１３から供給されるインクリメンタル信号を用いて、パルス信号発生器１７から供給されてくるパルス信号の間隔をカウントすることでパルス信号どうしの間隔を測り、振幅信号出力部１９から供給される振幅信号に基づいて、任意の範囲の信号を原点信号として選択することができる。
【００８１】
また、変位検出装置３は、格子干渉計である第１の光学系１０及び第２の光学系１１を用いているので、スケール１２を形成している第１の領域１２ａと第２領域１２ｂに記録されている回折格子の格子ピッチを小さくすることができ、例えば、格子ピッチを０．５５μｍとすると、位相を検出するための信号は０．１３７９・・・μｍ（≒１３８ｎｍ）の周期の信号となり、高い精度での位相差検出ができ、ナノメーターオーダーで原点信号を得ることができ、さらにナノメーターオーダーで得た信号の中から任意の信号を原点信号として選択することができる。
【００８２】
また、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３では、第１の光学系１０の可干渉光源部２０と第１のレンズ２１との間と、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間と、第２の光学系１１の可干渉光源部４０と第１のレンズ４１との間と、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバーで結線しても良い。
【００８３】
また、第２のレンズ２６とＢＳ２７との間と、第２のレンズ４６とＢＳ４７との間を光ファイバーで結線する変わりに、第２のＰＢＳ２８と第１の光電変換器２９との間と、第２のＰＢＳ２８と第２の光電変換器３０との間と、第３のＰＢＳ３２と第３の光電変換器３３との間と、第３のＰＢＳ３２と第４の光電変換器３４との間と、第２のＰＢＳ４８と第１の光電変換器４９との間と、第２のＰＢＳ４８と第２の光電変換器５０との間と、第３のＰＢＳ５２と第３の光電変換器５３との間と、第３のＰＢＳ５２と第４の光電変換器５４との間とを光ファイバーで結線しても良い。
【００８４】
なお、第２のＰＢＳ２８から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器２９との間及び第２の光電変換器３０との間に配設し、第３のＰＢＳ３２から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器３３との間及び第４の光電変換器３４との間に配設し、第２のＰＢＳ４８から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第１の光電変換器４９との間及び第２の光電変換器５０との間に配設し、第３のＰＢＳ５２から出力された光を集光して光ファイバーに入力するために、集光レンズを第３の光電変換器５３との間及び第４の光電変換器５４との間に配設しても良い。
【００８５】
このような構成にすることにより、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３は、熱源をスケール１２から遠ざけることができるので、より安定した位相検出を行なうことができ、また、可干渉光源部２０及び可干渉光源部４０が出射する光の波長を温度制御することにより、一定波長に固定することができ、さらに、可干渉光源部２０及び可干渉光源部４０を当該変位検出装置１の外部に配設しておけば、可干渉光源部２０及び可干渉光源部４０が故障した場合にも容易に交換作業を行なうことができる。
【００８６】
また、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３は、スケール１２が、第１の領域１２ａを両側から挟むように、第２の領域１２ｂが形成されていても良い。なお、第１の領域１２ａと第２の領域１２ｂは、同一のスケール上に形成されていても良いし、別々のスケール上に形成されていても良い。別々のスケール上に形成される場合には、各スケールは、同じ基台の上に固定され、同一の変位方向に等量分変位するように形成する。
【００８７】
また、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３は、スケール１２が、測定方向に対して垂直方向に第１の領域１２ａと、第２の領域１２ｂとが層状に重なって形成されていても良い。
【００８８】
スケール１２が上述のように形成されているときには、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３は、第１の光学系１０及び第２の光学系１１において、可干渉光源部２０と可干渉光源部４０とを共用し、かつ、第１のＰＢＳ２２と第１のＰＢＳ４２とを共用しても良い。こうすることにより、経時変化や外部の気温の変化により可干渉光源部６０から出射される光が変動しても、光路の対称性に影響がないため、安定した原点信号を得ることが可能である。さらに、スケール１２が上述のように形成されていると、スケール１２がアジマス方向に回転した場合もＣＯＳエラーに起因する原点位置のドリフトが生じない利点がある。
【００８９】
また、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３では、リニアな透過型の回折格子が記録されたスケールを用いていたが、ロータリーエンコーダに使用されるような放射状の回折格子を用いても良いし、反射型の回折格子を用いても良い。
【００９０】
また、変位検出装置１、変位検出装置２及び変位検出装置３は、スケール１２が移動するのではなく、光学系が移動するような構成にしても良い。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る変位検出装置は、所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域と、上記第１の領域とは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域とが形成されている移動可能なスケールと、上記第１の領域に記録されている位置情報を読み取る第１の読取手段と、上記第１の読取手段により読み出した位置情報に基づき第１の位相を検出する第１の位相検出手段と、上記第２の領域に記録されている位置情報を読み取る第２の読取手段と、上記第２の読取手段により読み出した位置情報に基づき第２の位相を検出する第２の位相検出手段と、上記第１の位相と上記第２の位相とを比較する位相比較手段と、上記位相比較手段の比較結果に応じて、複数の信号を生成し、上記第１の読取手段により読み出した位置情報に基づいて上記複数の信号の中から任意の信号を選択する信号選択手段とを備え、上記第１の領域と上記第２の領域は、同一の測定方向に等量分変位するように上記スケール上に形成されているので、ナノメートルオーダー（ｎｍ）で検出される高精度な原点信号の中から、任意の信号を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した変位検出装置の第１の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した変位検出装置により生成されるリサージュ信号の角度を示す図である。
【図３】本発明を適用した変位検出装置により原点信号を検出するスケールの第２の領域に記録されている回折格子の第１のパターンを示す模式図である。
【図４】本発明を適用した変位検出装置の第２の構成例を示すブロック図である。
【図５】本発明を適用した変位検出装置により原点信号を検出するスケールの第２の領域に記録されている回折格子の第２のパターンを示す模式図である。
【図６】本発明を適用した変位検出装置により原点信号を検出するスケールの第２の領域に記録されている回折格子の第３のパターンを示す模式図である。
【図７】本発明を適用した変位検出装置により原点信号を検出するスケールの第２の領域に記録されている回折格子の第４のパターンを示す模式図である。
【図８】本発明を適用した変位検出装置の第３の構成例を示すブロック図である。
【図９】本発明を適用した変位検出装置により原点信号を検出するスケールの第２の領域に記録されている回折格子の第５のパターンを示す模式図である。
【図１０】本発明を適用した変位検出装置により原点信号を検出するスケールの第２の領域に記録されている回折格子の第６のパターンを示す模式図である。
【符号の説明】
１，２，３変位検出装置、１０第１の光学系、１１第２の光学系、１２スケール、１３インクリメンタル信号発生器、１４第１の位相検出器、１５第２の位相検出器、１６位相比較器、１７パルス信号発生器、１８原点信号選択部、１９振幅信号出力部、２０，４０可干渉光源部、２１、４１第１のレンズ、２２，４２第１のＰＢＳ、２３，４３第１の１／４波長板、２４，４４反射プリズム、２５，４５第２の１／４波長板、２６，４６第２のレンズ、２７，４７ＢＳ、２８，４８第２のＰＢＳ、２９，４９第１の光電変換器、３０，５０第２の光電変換器、３１，５１第３の１／４波長板、３２，５２第３のＰＢＳ、３３，５３第３の光電変換器、３４，５４第４の光電変換器、３５，５５第１の差動増幅器、３６，５６第２の差動増幅器、５７ピンホール

Claims

所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域と、上記第１の領域とは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域とが形成されている移動可能なスケールと、
上記第１の領域に記録されている位置情報を読み取る第１の読取手段と、
上記第１の読取手段により読み出した位置情報に基づき第１の位相を検出する第１の位相検出手段と、
上記第２の領域に記録されている位置情報を読み取る第２の読取手段と、
上記第２の読取手段により読み出した位置情報に基づき第２の位相を検出する第２の位相検出手段と、
上記第１の位相と上記第２の位相とを比較する位相比較手段と、
上記位相比較手段の比較結果に応じて、複数の信号を生成し、上記第１の読取手段により読み出した位置情報に基づいて上記複数の信号の中から任意の信号を選択する信号選択手段とを備え、
上記第１の領域と上記第２の領域は、同一の測定方向に等量分変位するように上記スケール上に形成されていることを特徴とする変位検出装置。
上記位相比較手段の比較結果に応じて原点信号を発生する原点信号発生手段をさらに備え、
上記信号選択手段は、上記第１の読取手段により読み出した位置情報により上記原点信号発生手段で発生する複数の原点信号の間隔を求め、上記間隔に基づき、任意の信号を原点信号として選択することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記第２の読取手段により読み出した位置情報の検出レベルに応じた信号（以下、検出レベル信号という。）を出力する検出レベル信号出力手段をさらに備え、
上記検出レベル信号出力手段は、上記検出レベル信号を上記信号選択手段に出力し、
上記信号選択手段は、上記第１の読取手段により読み出した位置情報により、上記検出レベル信号が所定の値のときに任意の信号を原点信号として選択することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記スケールは、測定方向に対して一方の側に第１の領域が形成されており、他方の側に第２の領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記スケールは、第１の領域を両側から挟むように第２の領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記スケールは、垂直方向に第１の領域と第２の領域とが層状に重なって形成されていることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記第２の領域は、位置情報どうしの間隔が測定方向に所定量変位して記録されており、
上記位相比較手段は、上記第２の領域に記録されている位置情報の変位に応じた比較結果を上記信号選択手段に出力し、
上記信号選択手段は、上記比較結果に応じて発生する複数の信号の間隔を上記第１の読取手段で読み出した位置情報に基づき
中から、任意の信号を選択することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記第２の領域は、記録されている位置情報どうしの間隔が測定方向にリニア状に増加又は減少していることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記第２の領域は、同一区間内では記録されている位置情報どうしの間隔が同一であり、隣接する区間では記録されている位置情報どうしの間隔が異なっており、上記区間が少なくとも２つ以上ランダムに配されてなる１パターンが、測定方向に繰り返し形成されていることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記区間からは少なくとも１の原点信号が検出されることを特徴とする請求項９記載の変位検出装置。
上記第２の領域は、記録されている位置情報どうしの間隔がそれぞれ異なる２つの区間が所定の順序で測定方向に繰り返し配されてなることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記第２の領域は、位置情報の格子ベクトルの向きが測定方向に対して所定量変化して記録されていることを特徴とする請求項３記載の変位検出装置。
上記第２の領域は、所定の処理を施し、上記第２の読取手段による読み取り可能な範囲を特定し、原点信号の読み取り可能な数が制限されていることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記原点信号発生手段は、上記第１の位相と上記第２の位相との差が任意の設定された値になったときに原点信号を発生するように、上記値を設定する設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記原点信号発生手段は、上記第１の位相と上記第２の位相との差が０のときのみ原点信号を発生することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記原点信号発生手段は、上記第１の位相と上記第２の位相との差が設定された値に所定回数一致したときに原点信号を発生することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記第１の位相又は上記第２の位相を選択する選択手段と、
上記第１の位相と上記第２の位相との差が設定された値に一致した後に、上記選択手段で選択した方の位相が任意の値に達したときに上記原点信号発生手段により原点信号を発生するように、上記値を設定する設定手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記原点信号発生手段は、上記第１の位相と上記第２の位相との差が設定された値に一致した後に、上記選択手段で選択した方の位相が上記設定手段で設定した値に達し、そこから所定距離離れた位置に再度現れる上記設定した値に上記位相の差が達したときに原点信号を発生することを特徴とする請求項１７記載の変位検出装置。
上記所定距離は、（２ｎ＋１）Λ／２であり、
上記ｎは、０以上の整数であり、
上記Λは、上記選択手段で第１の位相差を選択した場合には、上記第１の領域に記録されている回折格子の間隔であり、上記選択手段で第２の位相差を選択した場合には、上記第２の領域に記録されている回折格子の間隔であることを特徴とする請求項１８記載の変位検出装置。
上記スケールに形成されている第１の領域及び第２の領域に記録されている位置情報は、透過型又は反射型の回折格子からなり、
上記第１の読取手段は、第１の光源部と、上記第１の光源部からの光を２つに分割する第１の分割部と、分割された２つの光が上記回折格子により回折され、上記回折された２つの回折光どうしを重ね合わせ電気信号に変換する第１の光学系とを有し、
上記第２の読取手段は、第２の光源部と、上記第２の光源部からの光を２つに分割する第２の分割部と、分割された２つの光が上記回折格子により回折され、上記回折された２つの回折光どうしを重ね合わせ電気信号に変換する第２の光学系とを有することを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
上記第１の読取手段は、分割された２つの光が上記回折格子により回折された回折光を再び上記回折格子に入射させる第１の反射部をさらに有し、
上記第２の読取手段は、分割された２つの光が上記回折格子により回折された回折光を再び上記回折格子に入射させる第２の反射部をさらに有し、
上記第１の光学系は、上記回折格子で複数回回折された回折光を重ね合わせ、
上記第２の光学系は、上記回折格子で複数回回折された回折光を重ね合わせることを特徴とする請求項２０記載の変位検出装置。
上記第１の光源部及び上記第２の光源部の可干渉距離を２００μｍ以内にすることを特徴とする請求項２１記載の変位検出装置。
上記第１の光学系により２つの回折光どうしが干渉したときの変調度を検出する第１の変調度検出手段と、
上記第１の変調度検出手段の検出結果に基づいて光路長差の変化を監視する第１の監視手段と、
上記第２の光学系により２つの回折光どうしが干渉したときの変調度を検出する第２の変調度検出手段と、
上記第２の変調度検出手段の検出結果に基づいて光路長差の変化を監視する第２の監視手段とをさらに備えることを特徴とする請求項２１記載の変位検出装置。
第１の領域を両側から挟むようにして第２の領域が形成されているスケール又は、垂直方向に第１の領域と第２の領域とが層状に重なって形成されているスケールにおいて、
上記第１の光学系により重ね合わせられる回折光の光路を、上記スケールが変位する方向に対して中心対称に配置することを特徴とする請求項２０記載の変位検出装置。
上記第１の光学系は、変調率が最大になるように調整する第１の調整部をさらに備え、
上記第２の光学系は、変調率が最大になるように調整する第２の調整部をさらに備えることを特徴とする請求項２０記載の変位検出装置。
上記第１の光源部及び上記第２の光源部は、同一の光源部であることを特徴とする請求項２０記載の変位検出装置。
第１の領域を両側から挟むように第２の領域が形成されているスケール又は、垂直方向に第１の領域と第２の領域とが層状に重なって形成されているスケールにおいて、
上記第１の光源部及び上記第２の光源部とは、１つの光源部により構成されており、第１の分割部及び第２の分割部とは、１つの分割部により構成されいることを特徴とする請求項２０記載の変位検出装置。
上記第１の光源部は、上記第１の分割部と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光を上記第１の分割部に入射し、
上記第１の分割部は、上記第１の光学系と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光が入射され、
上記第２の光源部は、上記第２の分割部と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光を上記第２の分割部に入射し、
上記第２の分割部は、上記第２の光学系と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光が入射されることを特徴とする請求項２０記載の変位検出装置。
上記第１の光源部、上記第２の光源部、上記第１の光学系及び上記第２の光学系は、当該変位検出装置の外部に配設することを特徴とする請求項２８記載の変位検出装置。
上記第１の光源部は、上記第１の分割部と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光を上記第１の分割部に入射し、
上記第１の光学系の受光素子部は、該第１の光学系の他の構成要素と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光が入射され、
上記第２の光源部は、上記第２の分割部と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光を上記第２の分割部に入射し、
上記第２の光学系の受光素子部は、該第２の光学系の他の構成要素と光ファイバーで結線されており、上記光ファイバーを介して光が入射されることを特徴とする請求項２０記載の変位検出装置。
上記第１の光源部、上記第２の光源部、上記第１の光学系の受光素子部及び上記第２の光学系の受光素子部は、当該変位検出装置の外部に配設することを特徴とする請求項３０記載の変位検出装置。