JP4404185B2

JP4404185B2 - Displacement detector

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Publication number: JP4404185B2
Application number: JP2003021142A
Authority: JP
Inventors: 英明田宮
Original assignee: ソニーマニュファクチュアリングシステムズ株式会社
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP2004233172A

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／ｍ）とすると、位相が一致する間隔は、λ（１＋ｍ）（ただし、ｍは０以外の実数。）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ｍ＝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、ｍ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／ｍ）とすると、位相が一致する間隔は、λ（１＋ｍ）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、主として、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。なお、本発明に係る変位検出装置では、サブミクロンオーダーの場合にも有効である。
【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、所定の間隔で回折格子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回折格子が記録されており、当該回折格子により発生されるｎ次の回折光を遮光する遮光板又は反射する反射板が形成されている第２の領域とからな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回折格子により発生される回折光を読み取る第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変位量を示すインクリメンタル信号を出力するインクリメンタル信号発生手段と、上記第１の読取手段により読み出した上記回折光に基づき第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回折格子により発生されるｎ次以外の回折光を読み取る第２の読取手段と、上記第２の読取手段により読み出した上記ｎ次以外の回折光に基づき第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、原点信号を発生する原点信号発生手段と、上記第２の領域に記録されている回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出する光量検出手段と、上記光量検出手段の検出結果に応じて上記原点信号発生手段から発生される原点信号の中から任意の原点信号を選択する選択手段とを備え、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と信号比較器１９とを備える。
【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，polarization beam splitter）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，beam splitter）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／ｍ（ｍ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良い。
【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、測定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】
また、スケール１２の第２の領域１２ｂの下部には、当該第２の領域２ｂに記録されている回折格子により発生された複数次数の回折光の中から所定次数の回折光の光量に変化を与える第１の遮光板６２と第２の遮光板６３が配設されている。なお、第１の遮光板６２と第２の遮光板６３は、所定間隔をおいて第２の領域１２ｂの下部に配設されるが、その間隔は、後述する第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１が回折格子により発生された複数次数の回折光の中から、どの回折光の光量を検出するかにより決定される。また、第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３は、第２の領域１２ｂの下部に固定されているため、スケール１２の移動に伴って同方向に移動する。なお、第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３は、第１の領域１２ａの一部に配設されていても良い。
【００１３】
また、スケール１２にホログラムスケールが使用されている場合には、その製造過程に現像処理を行なう工程があるため、酸化しやすい遮光板を直接ホログラムスケール上に配設することできないので、図２に示すように、回折格子が記録されているホログラム基板上に、当該回折格子を保護するために形成されるカバーガラスの面上に第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３を配設することとする。
【００１４】
また、スケール１２は、図３に示すように、基板の一方の面に回折格子が記録され、他方の面に第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３が配設される形態でも良い。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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し、当該インクリメンタル信号を図示しない制御回路に出力する。
【００３３】
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４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。
【００３４】
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，polarization beam splitter）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，beam splitter）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、第１の光量検出器６０と、第２の光量検出器６１とを備え、スケール１２上に記録された回折格子の位置を読み取り、読み取った結果を第２の位相検出器１５に出力し、また、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の出力信号を信号比較器１９に供給する。なお、第２の光学系１１において、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の動作以外は、上述した第１の光学系１０と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００３５】
第１の光量検出器６０は、第２の領域１２ｂを透過してきた回折光の光量を検出し、その光量に基づき電気信号に変換し、当該電気信号を信号比較器１９に出力する。第２の光量検出器６１は、第２の領域１２ｂを透過してきた回折光の光量を検出し、その光量に基づき電気信号に変換し、当該電気信号を信号比較器１９に出力する。なお、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１は、同次数の回折光の光量を検出する。
【００３６】
ここで、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の動作について説明する。第１のＰＢＳ４２は、第１のレンズ４１を介して可干渉光源部４０から入力された光をＰ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光に分割する。Ｐ偏光成分を有する光及びＳ偏光成分を有する光は、第２の領域１２ｂに入射され、回折格子により回折され、それぞれ当該回折格子により複数次数の回折光を発生する。また、第２の領域１２ｂの下部には、上述したように回折光の光量に変化を与える第１の遮光板６２と第２の遮光板６３が配設されている。
【００３７】
Ｐ偏光成分を有する光は、例えば、図１に示すように、第２の領域１２ｂのＳ点に入射し、Ｓ点の回折格子により回折される。そして、回折により得られた０次回折光（以下、第１の０次回折光という。）が、第１の遮光板６２のＴ点（エッジ部分）を通過して、第１の光量検出器６０に入射する。第１の光量検出器６０は、入射された第１の０次回折光を光量に基づき所定の大きさの電気信号に変換し、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する。
【００３８】
また、Ｓ偏光成分を有する光は、例えば、図１に示すように、第２の領域１２ｂのＲ点に入射し、Ｒ点の回折格子により回折される。そして、回折により得られた０次回折光（以下、第２の０次回折光という。）が、第２の遮光板６３のＵ点（エッジ部分）を通過して、第２の光量検出器６１に入射する。第２の光量検出器６１は、入射された第２の０次回折光を光量に基づき所定の大きさの電気信号に変換し、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する。なお、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１は、入射される０次回折光が遮光板に遮られることなく入射された場合、つまり最大光量で入射された場合には、当該光量に応じた電気信号（最大値）に変換し、信号比較器１９に出力し、一方、入射される０次回折光が遮光板に遮られた場合、つまり０次回折光が入射されない場合には、最小値の電気信号を生成し、信号比較器１９に出力する。
【００３９】
信号比較器１９は、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１から供給された信号の差分が所定の値（例えば、０）になったときに、所定の信号を生成し、後述する原点信号選択部１８に出力する。
【００４０】
ここで、例えば、図５に示すように、スケール１２が所定の測定方向（ａ方向）に移動（図５（Ａ）→図５（Ｃ））する場合における、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１に入力される０次回折光の光量変化について図６を用いて説明する。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、スケール１２の第２の領域１２ｂ付近のみを示し、他の部分は図１と同様であるため省略する。
【００４１】
図５（Ａ）に示すように、第１の０次回折光が第１の遮光板６２に遮られず、また、第２の０次回折光が第２の遮光板６３に遮られる位置にスケール１２が移動した場合には、第１の光量検出器６０には、第１の０次回折光が最大光量で入射され、一方、第２の光量検出器６１には、第２の０次回折光が入射されない。第１の光量検出器６０は、変換後の電気信号（最大値）を信号比較器１９に出力する（図６中ａ点）。また、信号比較器１９では、第２の光量検出器６１から電気信号が供給されないため、第２の光量検出器６１の出力信号を便宜的に最小値とする（図６中ｂ点）。
【００４２】
また、図５（Ｂ）に示すように、第１の０次回折光が第１の遮光板６２のエッジを通過し、また、第２の０次回折光が同様に第２の遮光板６３エッジを通過する位置にスケール１２が移動した場合には、第１の光量検出器６０には、第１の０次回折光が中程度の光量で入射され、一方、第２の光量検出器６１には、第２の０次回折光が中程度の光量で入射される。第１の光量検出器６０は、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する（図６中ｃ点）。また、第２の光量検出器６１は、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する（図６中ｃ点）。したがって、０次回折光がともに遮光板のエッジを通過する場合には、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１に同程度の光量の回折光が入射されるので、信号比較器１９には、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１から同程度の出力信号が供給される。
【００４３】
また、図５（Ｃ）に示すように、第１の０次回折光が第１の遮光板６２に遮られ、また、第２の０次回折光が第２の遮光板６３に遮られない位置にスケール１２が移動した場合には、第１の光量検出器６０には、第１の０次回折光が入射されず、一方、第２の光量検出器６１には、第２の０次回折光が最大光量で入射される。また、第２の光量検出器６１は、変換後の電気信号（最大値）を信号比較器１９に出力する（図６中ｄ点）。また、信号比較器１９は、第１の光量検出器６０から電気信号が供給されないため、第１の光量検出器６０の出力信号を便宜的に最小値とする（図６中ｅ）。
【００４４】
信号比較器１９では、上述のように第１の光量検出器６０から供給される電気信号と第２の光量検出器６１から供給される電気信号の差分を求めることにより、図７に示すように、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１から供給される電気信号の強度（出力）が等しい一点を検出することができる。なお、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の電気信号の出力が等しい一点は、図５（Ｂ）に示すように第１の０次回折光と第２の０次回折光がともに遮光板のエッジを通過するような場合である。また、第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１の電気信号の出力を等しくするためには、第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３が所定間隔に配設されていることや、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１が検出する所定次数の回折光が遮光板のエッジに入射する点がほぼ一致すること等が条件となる。なお、第１の遮光板６２と第２の遮光板６３の所定間隔は、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１が検出する回折光の次数に応じて変化する。
【００４５】
また、信号比較器１９は、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１から供給された電気信号の振幅がほぼ等しい場合には、図７に示すように、可干渉光源部４０の光量が低下しても、正確に第１の光量検出器６０と第２の光量検出器６１から供給される信号の強度が等しい位置を特定することができる。なお、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１から供給される電気信号の振幅が等しくない場合には、信号比較器１９に入力する前に増幅回路でゲインを調整し、互いの信号振幅が等しくなるようにする。
【００４６】
また、信号比較器１９は、第１の０次回折光と第２の０次回折光の信号強度が等しいとき（差分が０のとき）に所定の信号を生成し、当該信号を後述する原点信号選択部１８に出力する。
【００４７】
なお、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１は、０次回折光以外の回折光の光量を検出しても良い。また、第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３は、スケール１２の第１の領域１２ａの下部に配設されても良い。この場合には、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１は、第１の光学系１０に備えられる。
【００４８】
また、変位検出装置１は、図８に示すようにスケール１２の第２の領域１２ｂの下部に配設されている第１の遮光板６２及び第２の遮光板６３に替えて、反射板６４を使用し、また、第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１に替えて、透過光検出器６５及び反射光検出器６６を使用するような構成でも良い。ここで、透過光検出器６５及び反射光検出器６６の動作について説明する。なお、図８は、スケール１２の第２の領域１２ｂ付近のみを示し、それ以外の部分は、図１と同様であるため省略する。
【００４９】
第１のＰＢＳ４２は、第１のレンズ４１を介して可干渉光源部４０から入力された光をＰ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光に分割する。Ｓ偏光成分を有する光は、例えば、図８に示すように、第２の領域１２ｂのＲ点に入射し、Ｒ点の回折格子により回折される。そして、回折により得られた０次回折光が例えば、反射板６４のＶ点（エッジ部分）に入射されると、反射光と透過光とに分かれ、透過光は、透過光検出器６５に入射され、一方、反射光は、反射光検出器６６に入射される。
【００５０】
透過光検出器６５は、入射された透過光を光量に基づき所定の大きさの電気信号に変換し、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する。また、反射光検出器６６は、入射された反射光を光量に基づき所定の大きさの電気信号に変換し、変換後の電気信号を信号比較器１９に出力する。
【００５１】
透過光検出器６５に入射される透過光の光量と反射光検出器６６に入射される反射光の光量とは、反射板６４（スケール１２）と透過光検出器６５及び反射光検出器６６が備えられている第２の光学系１１との相対的な位置関係により増減する。例えば、０次回折光の進行方向に反射板６４が無ければ、０次回折光はすべて透過光となり透過光検出器６５に入射される。したがって、透過光検出器６５は、最大光量で入射された透過光を電気信号（最大値）に変換して信号比較器１９に出力する。なお、この場合、信号比較器１９では、反射光検出器６６から電気信号が供給されないため、反射光検出器６６の出力信号を便宜的に最小値とする。
【００５２】
また、０次回折光の進行方向に反射板６４のエッジ以外の部分がある場合には、０次回折光はすべて反射光となり反射光検出器６６に入射する。したがって、反射光検出器６６は、最大光量で入射された反射光を電気信号（最大値）に変換して信号比較器１９に出力する。この場合、信号比較器１９では、透過光検出器６５から電気信号が供給されないため、透過光検出器６５の出力信号を便宜的に最小値とする。
【００５３】
信号比較器１９では、上述のように反射光検出器６６から供給される電気信号と透過光検出器６５から供給される電気信号の差分を求めることにより、反射光検出器６６と透過光検出器６５から供給される電気信号の強度（出力）が等しい一点を検出することができる。なお、反射光検出器６６と透過光検出器６５の電気信号の出力が等しい一点は、０次回折光が反射板６４のエッジ部分に入射するような場合である。
【００５４】
また、信号比較器１９では、透過光検出器６５及び反射光検出器６６から供給された電気信号の振幅がほぼ等しい場合には、可干渉光源部４０の光量が低下しても、正確に互いの信号強度の等しい位置を特定することができる。なお、透過光検出器６５及び反射光検出器６６から供給される電気信号の振幅が等しくない場合には、信号比較器１９に入力する前に増幅回路でゲインを調整し、互いの信号振幅が等しくなるようにする。
【００５５】
また、信号比較器１９は、０次回折光の信号強度が等しいとき（差分が０のとき）に所定の信号を生成し、当該信号を後述する原点信号選択部１８に出力する。
【００５６】
なお、透過光検出器６５及び反射光検出器６６は、０次回折光以外の回折光の光量を検出しても良い。また、反射板６４は、スケール１２の第１の領域１２ａの下部に配設されていても良い。この場合には、透過光検出器６５及び反射光検出器６６は、第１の光学系１０に備えられる。
【００５７】
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。
【００５８】
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が所定の測定方向に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が所定の測定方向に（Λ＋Λ／ｍ）／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。
【００５９】
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＋ｍ）／４だけ変位するともとの値と同じになる。
【００６０】
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＋ｍ）／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＋ｍ）／４ごとにパルス信号を発生する。
【００６１】
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。
【００６２】
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／ｍに応じて任意に設定することが可能である。
【００６３】
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、ｍが大きいほど良い。
【００６４】
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／４ｍしか現れないので、一致したということがこのΛ／４ｍ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ｍの大きさを制限してしまう。
【００６５】
例えば、変位検出装置１では格子ピッチを０．５５μｍとし、ｍ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／４ｍとしたときに最低でもｍ＝２００〜４００が必要で、分解能は高ければ高いほど良い。例えば、ｍ＝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、ｍ＝１０００の場合には、Λ／（４×１０）の幅となる。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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、（２ｍ＋１）Λ／２であり、ｍ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。
【００７０】
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。
【００７１】
原点信号選択部１８は、上述した信号比較器１９から供給される信号に基づき、パルス信号発生器１７から供給されるΛ（１＋ｍ）／４周期のパルス信号の中から任意のパルス信号を唯一の原点信号として出力する。原点信号選択部１８は、例えば、信号比較器１９から信号が供給されたあとに、パルス信号発生器１７から供給される最初のパルス信号を原点信号として出力する。また、原点信号選択部１８により選択された原点信号は、インクリメンタル信号発生器１３のインクリメンタル信号が供給されている図示しない制御回路に入力される。制御回路では、例えば、所定の周期で入力されてくるインクリメンタル信号のプリセットをとるタイミングに原点信号を利用することができる。
【００７２】
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／ｍ（ｍ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で信号比較器１９から供給されてくる信号に基づき、パルス信号発生器１７から供給されてく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。
【００７３】
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。
【００７４】
また、上述の説明では、変位検出装置１として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。
【００７５】
反射型の回折格子を用いた変位検出装置１では、図９に示すように、第１の光学系１０において、第１のＰＢＳ２２で分割された光がそれぞれ第１の領域１２ａに入射し、記録されている反射型の回折格子により発生された回折光の反射光がそれぞれ第１の１／４波長板２３及び第２の１／４波長板２５を通過して反射プリズム２４に入射し、反射プリズム２４で反射された反射光が再び第１の領域１２ａを経て第１のＰＢＳ２２に戻ってくる構成となっており、また、第２の光学系１１において、第１のＰＢＳ４２で分割された光がそれぞれ第２の領域１２ｂに入射し、記録されている反射型の回折格子により発生された所定次数の回折光の反射光がそれぞれ第１の１／４波長板４３及び第２の１／４波長板４５を通過して反射プリズム４４に入射し、反射プリズム４４で反射された反射光が再び第２の領域１２ｂを経て第１のＰＢＳ４２に戻り、かつ、上記所定次数以外の回折光（０次光を含む。）の反射光がそれぞれ第１の光量検出器６０及び第２の光量検出器６１に入射され、入射された回折光の光量に基づき生成した電気信号を信号比較器１９に出力する構成となっている。なお、上記以外の動作については、図１に示した透過型の回折格子を用いた変位検出装置１と同様であるので説明を省略する。
【００７６】
また、変位検出装置１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。
【００７７】
【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、測定方向に対して、所定の間隔で回折格子が記録されている第１の領域と、第１の領域とは異なる間隔で回折格子が記録されており、当該回折格子により発生されるｎ次の回折光を遮光する遮光板又は反射する反射板が形成されている第２の領域とからなる移動可能なスケールに、第１の光学系及び第２の光学系により光を中心対称に入射し、回折格子により回折された光を合成し、第１の位相検出器及び第２の位相検出器で当該合成光からそれぞれ位相差を検出し、位相比較器で当該位相差の差分を検出し、パルス信号発生器で当該差分が所定の値となったときにナノメートルオーダーでパルス信号を原点信号選択部に出力し、光量検出部で第２の領域に記録されている回折格子により発生されたｎ次の回折光の光量を検出し、光量検出部の検出結果に基づき、原点信号選択部でパルス信号発生器から供給されてくるナノメートルオーダー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ので、極めて密度の高い回折格子が記録されているスケールを用いて、高精度な絶対位置の検出を行なうことができる。
【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備えられているスケールの第１の構成例を示す模式図である。
【図３】本発明を適用した変位検出装置に備えられているスケールの第２の構成例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５】スケールの移動に伴い光量検出器に入力される光の光量が変化する様子を示す図である。
【図６】図５に示したスケールの変位に応じて変化する各光量検出器の電気信号の出力特性を示す図である。
【図７】本発明を適用した変位検出装置に備えられている信号比較器の差動出力を示す図である。
【図８】本発明を適用した変位検出装置の第２の構成例（要部）を示すブロック図である。
【図９】反射型の回折格子が記録されている場合において、本発明を適用した変位検出装置の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１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、６０第１の光量検出器、６１第２の光量検出器、６２第１の遮光板、６３第２の遮光板、６４反射板、６５透過光検出器、６６反射光検出器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement detection device that detects the amount of displacement (movement) of a scale by using interference of light.
[0002]
[Prior art]
In general, in a displacement detection apparatus, in order to obtain the origin by comparing the respective phases using a vernier scale, if the wavelengths of the two gratings are λ and (λ + λ / m), respectively, the phase matching interval Is λ (1 + m) (where m is a real number other than 0), and a plurality of origins periodically exist in the measurement direction (see, for example, Patent Document 1). When λ is sufficiently large, each origin can be easily determined, and an arbitrary point can be selected from a plurality of origins by an external fixed point detection means. However, when λ is very small, the intervals between the plurality of origins become fine and selection becomes difficult. For example, when λ = 0.137 μm and m = 50, the interval is 6.987 μm, and it is difficult to select an arbitrary point by an external fixed point detection unit. Note that m is a real number other than 0.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 50-23618
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Such a displacement detection apparatus is used for an X-ray exposure drawing apparatus for manufacturing an integrated circuit and precision machining. At this time, in order to measure an accurate position or distance, it is necessary to set a reference point or origin in addition to the incremental signal indicating the movement amount. In the displacement detector, if the wavelengths of the two gratings are λ and (λ + λ / m), respectively, the phase matching interval is λ (1 + m), and there are a plurality of origins periodically in the measurement direction. An arbitrary point must be selected from the list. On the other hand, with the recent increase in recording density of X-ray exposure drawing apparatuses and the like, the wavelength of the incremental signal becomes finer and the interval at which the phases coincide with each other tends to become finer.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a displacement detection apparatus that can select an arbitrary point from among a plurality of origin signals detected in the order of nanometers (nm). Note that the displacement detection device according to the present invention is also effective in the submicron order.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the displacement detection apparatus according to the present invention records a first region where the diffraction grating is recorded at a predetermined interval, and a diffraction grating is recorded at a different interval from the first region. A movable scale comprising a light shielding plate for shielding n-th order diffracted light generated by the diffraction grating or a second region on which a reflecting plate for reflecting is formed, and recording in the first region. First reading means for reading the diffracted light generated by the diffraction grating being applied; An incremental signal generating means for outputting an incremental signal indicating the amount of displacement based on the position information read by the first reading means; Non-nth order diffraction generated by a first phase detecting means for detecting a first phase based on the diffracted light read by the first reading means and a diffraction grating recorded in the second region. A second reading means for reading light; a second phase detecting means for detecting a second phase based on diffracted light other than the n-th order read by the second reading means; the first phase; Generated by a phase comparison means for comparing the second phase, an origin signal generation means for generating an origin signal in accordance with a comparison result of the phase comparison means, and a diffraction grating recorded in the second area. A light quantity detection means for detecting the light quantity of the nth-order diffracted light, and a selection means for selecting an arbitrary origin signal from the origin signals generated from the origin signal generation means according to the detection result of the light quantity detection means, Comprising the first region The second region is formed on said scaled to equal volume fraction displaced in the same measurement direction.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0008]
The present invention is applied to, for example, a displacement detection apparatus 1 as shown in FIG. The displacement detection device 1 includes a first optical system 10, a second optical system 11, a scale 12, an incremental signal generator 13, a first phase detector 14, and a second phase detector 15. , A phase comparator 16, a pulse signal generator 17, an origin signal selector 18 and a signal comparator 19.
[0009]
As shown in FIG. 1, the first optical system 10 includes a coherent light source unit 20, a first lens 21, a first polarization beam splitter (PBS) 22, a first 1/1 / A four-wave plate 23, a reflecting prism 24, a second quarter-wave plate 25, a second lens 26, a beam splitter (BS) 27, a second PBS 28, and a first photoelectric Converter 29, second photoelectric converter 30, third quarter-wave plate 31, third PBS 32, third photoelectric converter 33, fourth photoelectric converter 34, 1, a differential amplifier 35 and a second differential amplifier 36. The diffraction grating recorded on the scale 12 is read, and the read result is sent to the incremental signal generator 13 and the first phase detector 14. Output.
[0010]
Here, the scale 12 will be described. The scale 12 has a first region 12a in which a diffraction interval is recorded with a pitch interval of Λ on one side with respect to the measurement direction, and a pitch interval of Λ + Λ / m (m) on the other side. Is a second region 12b in which the diffraction grating is recorded. The pitch interval of the diffraction grating formed in the second region 12b may be other than the above.
[0011]
For example, Λ is 0.55 μm. Further, in the scale 12, the light incident point (P point, Q point) to the first region 12a and the light incident point (R point, S point) to the second region 12b are in-line in the measurement direction. Are lined up. The first region 12a and the second region 12b may be formed on the same scale or may be formed on different scales. When formed on separate scales, each scale is fixed on the same base and formed so as to be displaced by an equal amount in the same displacement direction.
[0012]
In addition, at the lower part of the second region 12b of the scale 12, the light quantity of the diffracted light of a predetermined order is changed from the diffracted light of the plurality of orders generated by the diffraction grating recorded in the second region 2b. A first light shielding plate 62 and a second light shielding plate 63 are provided. The first light-shielding plate 62 and the second light-shielding plate 63 are disposed below the second region 12b with a predetermined interval. It is determined by which diffracted light quantity the second light quantity detector 61 detects from the diffracted lights of multiple orders generated by the diffraction grating. Further, since the first light shielding plate 62 and the second light shielding plate 63 are fixed to the lower part of the second region 12b, they move in the same direction as the scale 12 moves. The first light shielding plate 62 and the second light shielding plate 63 may be disposed in a part of the first region 12a.
[0013]
In addition, when a hologram scale is used for the scale 12, since there is a step of performing a development process in the manufacturing process, a light-shielding plate that is easily oxidized cannot be disposed directly on the hologram scale. As shown, a first light shielding plate 62 and a second light shielding plate 63 are disposed on the surface of a cover glass formed to protect the diffraction grating on the hologram substrate on which the diffraction grating is recorded. I will do it.
[0014]
Further, as shown in FIG. 3, the scale 12 may have a configuration in which a diffraction grating is recorded on one surface of a substrate and a first light shielding plate 62 and a second light shielding plate 63 are disposed on the other surface. .
[0015]
The coherent light source unit 20 emits light to the first lens 21. The first lens 21 appropriately restricts the incident light and emits it to the first PBS 22. The first PBS 22 splits the incident light into two light beams having an S-polarized component and light beams having a P-polarized component. The first PBS 22 makes light having an S-polarized component incident on the P point so that the optical path to the P point of the first region 12a of the scale 12 and the optical path to the Q point are centrally symmetric. Is incident on the Q point. In addition, if the light from the coherent light source unit 20 is linearly polarized light, the polarization direction is inclined by 45 degrees and is incident on the first PBS 22. By so doing, the intensity of the light of the S-polarized component and the light of the P-polarized component can be made equal.
[0016]
In addition, the light incident on the P point and the Q point is diffracted by the diffraction grating in the directions indicated by the following expressions.
sinθ ₁ + Sinθ ₂ = N · λ / Λ
In addition, as shown in FIG. ₁ Indicates the angle of incidence on the scale 12 and θ ₂ Indicates the diffraction angle from the scale 12, Λ indicates the pitch (width) of the grating, λ indicates the wavelength of light, and n indicates the diffraction order.
[0017]
In the displacement detection device 1, the incident angle to the point P is θ _1p And the diffraction angle is θ _2p And the incident angle to the Q point is θ _1q And the diffraction angle is θ _2q Then θ _1p = Θ _1q , Θ _2p = Θ _2q It is adjusted to become. The diffraction orders are the same at the P point and the Q point. In the displacement detection device 1, the diffraction order is the first order.
[0018]
The light diffracted at the point P passes through the first quarter-wave plate 23, is reflected vertically by the reflecting prism 24, returns to the point P again, and is diffracted by the diffraction grating. At this time, the optical axis of the first quarter-wave plate 23 is inclined 45 degrees with respect to the polarization direction of the incident light, so that the light returned to the P point is light of the P-polarized component. .
[0019]
Similarly, the light diffracted at the Q point passes through the second quarter-wave plate 25, is reflected vertically by the reflecting prism 24, returns to the Q point again, and is diffracted by the diffraction grating. At this time, the optical axis of the second quarter-wave plate 25 is inclined 45 degrees with respect to the polarization direction of the incident light, so that the light returning to the Q point is light of the S polarization component. .
[0020]
Thus, the light diffracted again at the P point and the Q point returns to the first PBS 22.
[0021]
Since the light returning from the P point has a P-polarized component, the light passes through the first PBS 22, and the light returned from the Q point has an S-polarized component. It is reflected by PBS22. Therefore, the light returned from the point P and the point Q is overlapped by the first PBS 22 and enters the second lens 26.
[0022]
Here, the optical path length from the first PBS 22 through the P point to the first quarter-wave plate 23 and the optical path length from the first PBS 22 through the Q point to the second quarter-wave plate 25 Describe the relationship. In the displacement detection device 1, the optical path from the first PBS 22 through the P point to the first ¼ wavelength plate 23 and the first PBS 22 through the Q point to the second ¼ wavelength plate 25. This optical path is symmetrical with respect to the center.
[0023]
Further, in this embodiment, in order not to cause an error due to the fluctuation of the wavelength of the light source, the light having the S-polarized component divided by the first PBS 22 reaches the first quarter-wave plate 23 via the P point. And the optical path length until the light having the P-polarized component divided by the first PBS 22 reaches the second quarter-wave plate 25 via the Q point are adjusted to be equal. The accuracy of this adjustment depends on the required length measurement accuracy and the temperature conditions of the environment in which the detection device 1 is used. If the required length measurement accuracy is ΔE, the scale pitch is Λ, the wavelength of the light source is λ, and the change in wavelength due to temperature change is Δλ, the optical path length difference ΔL must satisfy the following equation: .
ΔE> Δλ / λ ² × 2 × ΔL × Λ / 4
For example, when the temperature change amount of the environment used is 10 ° C., the wavelength variation of a commonly used semiconductor laser having a wavelength of 780 nm is about 3 nm, so that Λ = 0.55 μm and ΔE = 0.1 μm. Then, it is necessary to make ΔL <74 μm. In order to adjust this ΔL, a light source having an appropriate coherence distance may be used.
[0024]
In general, the visibility representing the degree of modulation of interference fringes in an interferometer is determined by the coherence of the light source and the difference in the optical path lengths of the two interfering lights. In a light source with good coherence, such as a laser that performs single mode oscillation, visibility is not lost even if the difference in optical path length is large. On the other hand, it is known that the visibility of interference fringes changes due to a change in optical path length difference in a light source with poor coherence.
[0025]
If such a light source is used, this can be detected as a decrease in the degree of modulation (visibility) of the interference signal when a difference in optical path length occurs, so adjustment is made so that the degree of modulation of the interference signal is maximized. Thus, the optical path length can be made equal. For example, if a multimode semiconductor laser having an oscillation wavelength of about 200 μm is used, the optical path length difference can be easily adjusted to ΔL <74 μm.
[0026]
Further, as the coherent light source 20, a light source having a limited coherent distance as described above is used only when adjustment is performed, and another light source having a longer coherent distance after adjustment (for example, an oscillation wavelength is reduced). It may be replaced with a single mode general semiconductor laser).
[0027]
The second lens 26 appropriately restricts the input light and enters the BS 27. The BS 27 divides the incident light into two, one light is incident on the second PBS 28, and the other light is incident on the third quarter-wave plate 31. The second PBS 28 and the third quarter wave plate 31 are inclined at 45 degrees with respect to the polarization direction of the incident light.
[0028]
The light incident on the second PBS 28 is divided into light having an S-polarized component and light having a P-polarized component. The light having an S-polarized component is incident on the first photoelectric converter 29, and the P-polarized component is converted into light. The incident light is incident on the second photoelectric converter 30. Further, in the first photoelectric converter 29 and the second photoelectric converter 30, an interference signal of Acos (4Kx + δ) is obtained. K represents 2π / Λ, x represents the amount of movement, and δ represents the initial phase. In the first photoelectric converter 29, signals having a phase difference of 180 degrees from that of the second photoelectric converter 30 are obtained.
[0029]
In addition, the light incident on the third quarter wave plate 31 is a circularly polarized light in which the light having the P-polarized component and the light having the S-polarized component are opposite to each other, and is superposed to become linearly polarized light. Incident on the PBS 32. The light incident on the third PBS 32 is divided into light having an S-polarized component and light having a P-polarized component. The light having an S-polarized component is incident on the third photoelectric converter 33, and the P-polarized component is converted into light. The light having the light enters the fourth photoelectric converter 34. The polarization direction of the linearly polarized light incident on the third PBS 32 rotates once when the diffraction grating moves by Λ / 2 in the x direction. Accordingly, the third photoelectric converter 33 and the fourth photoelectric converter 34 can obtain an interference signal of Acos (4Kx + δ ′), similarly to the first photoelectric converter 29 and the second photoelectric converter 30. .
[0030]
In the third photoelectric converter 33, a signal that is 180 degrees out of phase with the fourth photoelectric converter 34 is obtained. The third PBS 32 is inclined 45 degrees with respect to the second PBS 28. Therefore, the signals obtained by the third photoelectric converter 33 and the fourth photoelectric converter 34 are 90 degrees out of phase with the signals obtained by the first photoelectric converter 29 and the second photoelectric converter 30. ing.
[0031]
The first differential amplifier 35 differentially amplifies the electrical signal input from the first photoelectric converter 29 and the second photoelectric converter 30 and increments the signal obtained by canceling the DC (direct current) component of the interference signal. Output to the metal signal generator 13 and the first phase detector 14. Similarly, the second differential amplifier 36 differentially amplifies the electrical signals input from the third photoelectric converter 33 and the fourth photoelectric converter 34, and cancels the DC (direct current) component of the interference signal. The signal is output to the incremental signal generator 13 and the first phase detector 14.
[0032]
The incremental signal generator 13 obtains a displacement direction and a displacement amount of the scale based on the signals supplied from the first differential amplifier 35 and the second differential amplifier 36, generates an incremental signal, and outputs the incremental signal. Output to a control circuit (not shown).
[0033]
The first phase detector 14 is based on the signals supplied from the first differential amplifier 35 and the second differential amplifier 36, and the angle θ of the Lissajous signal as shown in FIG. _a Ask for. The first phase detector 14 calculates the calculated angle θ _a Is supplied to the phase comparator 16.
[0034]
In addition, as shown in FIG. 1, the second optical system 11 includes a coherent light source unit 40, a first lens 41, a first polarization beam splitter (PBS) 42, a first polarization beam splitter (PBS), 1/4 wavelength plate 43, reflecting prism 44, second 1/4 wavelength plate 45, second lens 46, beam splitter (BS) 47, second PBS 48, first Photoelectric converter 49, second photoelectric converter 50, third quarter-wave plate 51, third PBS 52, third photoelectric converter 53, and fourth photoelectric converter 54. , A first differential amplifier 55, a second differential amplifier 56, a first light quantity detector 60, and a second light quantity detector 61, and the position of the diffraction grating recorded on the scale 12. And outputs the read result to the second phase detector 15, and the first light quantity detector 60 and It provides an output signal in the second light quantity detector 61 to the signal comparator 19. The second optical system 11 is the same as the first optical system 10 described above except for the operations of the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61, and thus detailed description thereof is omitted. .
[0035]
The first light amount detector 60 detects the light amount of the diffracted light transmitted through the second region 12b, converts the light amount into an electric signal based on the light amount, and outputs the electric signal to the signal comparator 19. The second light amount detector 61 detects the light amount of the diffracted light transmitted through the second region 12 b, converts the light amount into an electric signal based on the light amount, and outputs the electric signal to the signal comparator 19. The first light amount detector 60 and the second light amount detector 61 detect the light amount of the diffracted light of the same order.
[0036]
Here, the operation of the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61 will be described. The first PBS 42 divides the light input from the coherent light source unit 40 through the first lens 41 into light having a P-polarized component and light having an S-polarized component. The light having the P-polarized component and the light having the S-polarized component are incident on the second region 12b, are diffracted by the diffraction grating, and generate diffracted light of multiple orders by the diffraction grating. Further, as described above, the first light shielding plate 62 and the second light shielding plate 63 that change the amount of diffracted light are disposed below the second region 12b.
[0037]
For example, as shown in FIG. 1, the light having the P-polarized component is incident on the S point of the second region 12b and is diffracted by the diffraction grating of the S point. Then, the 0th-order diffracted light obtained by diffraction (hereinafter referred to as the first 0th-order diffracted light) passes through the T point (edge portion) of the first light shielding plate 62 and passes to the first light quantity detector 60. Incident. The first light quantity detector 60 converts the incident first 0th-order diffracted light into an electric signal having a predetermined magnitude based on the light quantity, and outputs the converted electric signal to the signal comparator 19.
[0038]
For example, as shown in FIG. 1, the light having the S-polarized component is incident on the R point of the second region 12b and is diffracted by the diffraction grating of the R point. Then, the 0th-order diffracted light obtained by diffraction (hereinafter referred to as the second 0th-order diffracted light) passes through the U point (edge portion) of the second light shielding plate 63 and is sent to the second light quantity detector 61. Incident. The second light quantity detector 61 converts the incident second zeroth-order diffracted light into an electric signal having a predetermined magnitude based on the light quantity, and outputs the converted electric signal to the signal comparator 19. Note that the first light amount detector 60 and the second light amount detector 61 are not affected when the incident zero-order diffracted light is incident on the light shielding plate without being blocked, that is, when the maximum light amount is incident. When converted into an electrical signal (maximum value) corresponding to the amount of light and output to the signal comparator 19, on the other hand, when the incident zero-order diffracted light is blocked by the light shielding plate, that is, when the zero-order diffracted light is not incident, A minimum electric signal is generated and output to the signal comparator 19.
[0039]
The signal comparator 19 generates a predetermined signal when the difference between the signals supplied from the first light amount detector 60 and the second light amount detector 61 becomes a predetermined value (for example, 0), It outputs to the origin signal selection part 18 mentioned later.
[0040]
Here, for example, as shown in FIG. 5, when the scale 12 moves in a predetermined measurement direction (direction a) (FIG. 5A → FIG. 5C), the first light quantity detector 60 and A change in the light amount of the 0th-order diffracted light input to the second light amount detector 61 will be described with reference to FIG. 5A to 5C show only the vicinity of the second region 12b of the scale 12, and the other parts are the same as those in FIG.
[0041]
As shown in FIG. 5A, the scale 12 is positioned at a position where the first 0th-order diffracted light is not blocked by the first light-shielding plate 62 and the second 0th-order diffracted light is blocked by the second light-shielding plate 63. , The first zero-order diffracted light is incident on the first light amount detector 60 at the maximum light amount, while the second zero-order diffracted light is incident on the second light amount detector 61. Not. The first light quantity detector 60 outputs the converted electric signal (maximum value) to the signal comparator 19 (point a in FIG. 6). In the signal comparator 19, since the electric signal is not supplied from the second light quantity detector 61, the output signal of the second light quantity detector 61 is set to a minimum value for convenience (point b in FIG. 6).
[0042]
Further, as shown in FIG. 5B, the first 0th-order diffracted light passes through the edge of the first light-shielding plate 62, and the second 0th-order diffracted light similarly passes through the edge of the second light-shielding plate 63. When the scale 12 is moved to the passing position, the first zero-order diffracted light is incident on the first light amount detector 60 with a medium amount of light, while the second light amount detector 61 has The second 0th-order diffracted light is incident with a medium amount of light. The first light quantity detector 60 outputs the converted electric signal to the signal comparator 19 (point c in FIG. 6). The second light quantity detector 61 outputs the converted electric signal to the signal comparator 19 (point c in FIG. 6). Therefore, when both the 0th-order diffracted light passes through the edge of the light shielding plate, the same amount of diffracted light is incident on the first light amount detector 60 and the second light amount detector 61, so that the signal comparator 19, the same level output signal is supplied from the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61.
[0043]
Further, as shown in FIG. 5C, the first 0th order diffracted light is blocked by the first light shielding plate 62 and the second 0th order diffracted light is not blocked by the second light shielding plate 63. When the scale 12 is moved, the first 0th-order diffracted light is not incident on the first light amount detector 60, while the second 0th-order diffracted light is maximum in the second light amount detector 61. Incident in the amount of light. The second light quantity detector 61 outputs the converted electric signal (maximum value) to the signal comparator 19 (point d in FIG. 6). Further, since the electric signal is not supplied from the first light quantity detector 60, the signal comparator 19 sets the output signal of the first light quantity detector 60 to the minimum value for convenience (e in FIG. 6).
[0044]
As shown in FIG. 7, the signal comparator 19 obtains the difference between the electric signal supplied from the first light quantity detector 60 and the electric signal supplied from the second light quantity detector 61 as described above. One point where the intensity (output) of the electrical signals supplied from the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61 is equal can be detected. One point where the output of the electrical signal of the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61 is equal is that the first 0th-order diffracted light and the second 0th-order diffracted light are as shown in FIG. Both cases pass through the edge of the light shielding plate. In order to equalize the output of the electrical signals of the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61, the first light shielding plate 62 and the second light shielding plate 63 are arranged at a predetermined interval. And the point that the diffracted light of a predetermined order detected by the first light amount detector 60 and the second light amount detector 61 is substantially coincident with the edge of the light shielding plate. The predetermined interval between the first light shielding plate 62 and the second light shielding plate 63 changes according to the order of the diffracted light detected by the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61.
[0045]
In addition, when the amplitudes of the electrical signals supplied from the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61 are substantially equal, the signal comparator 19, as shown in FIG. Even if the amount of light decreases, it is possible to accurately identify a position where the intensity of the signals supplied from the first light amount detector 60 and the second light amount detector 61 are equal. When the amplitudes of the electric signals supplied from the first light amount detector 60 and the second light amount detector 61 are not equal, the gain is adjusted by the amplifier circuit before being input to the signal comparator 19, and Are set to have the same signal amplitude.
[0046]
The signal comparator 19 generates a predetermined signal when the signal intensities of the first 0th-order diffracted light and the second 0th-order diffracted light are equal (when the difference is 0), and the signal is an origin signal selection described later. To the unit 18.
[0047]
The first light amount detector 60 and the second light amount detector 61 may detect the light amount of diffracted light other than the 0th-order diffracted light. The first light shielding plate 62 and the second light shielding plate 63 may be disposed below the first region 12 a of the scale 12. In this case, the first light quantity detector 60 and the second light quantity detector 61 are provided in the first optical system 10.
[0048]
Further, as shown in FIG. 8, the displacement detection device 1 replaces the first light shielding plate 62 and the second light shielding plate 63 disposed below the second region 12 b of the scale 12, and reflects the reflecting plate 64. Further, instead of the first light amount detector 60 and the second light amount detector 61, a transmitted light detector 65 and a reflected light detector 66 may be used. Here, operations of the transmitted light detector 65 and the reflected light detector 66 will be described. FIG. 8 shows only the vicinity of the second region 12b of the scale 12, and the other portions are the same as those in FIG.
[0049]
The first PBS 42 divides the light input from the coherent light source unit 40 through the first lens 41 into light having a P-polarized component and light having an S-polarized component. For example, as shown in FIG. 8, the light having the S polarization component is incident on the R point of the second region 12b and is diffracted by the diffraction grating of the R point. For example, when the 0th-order diffracted light obtained by diffraction is incident on the point V (edge portion) of the reflector 64, it is divided into reflected light and transmitted light, and the transmitted light is incident on the transmitted light detector 65. On the other hand, the reflected light is incident on the reflected light detector 66.
[0050]
The transmitted light detector 65 converts the incident transmitted light into an electric signal having a predetermined magnitude based on the amount of light, and outputs the converted electric signal to the signal comparator 19. The reflected light detector 66 converts the incident reflected light into an electric signal having a predetermined magnitude based on the amount of light, and outputs the converted electric signal to the signal comparator 19.
[0051]
The amount of transmitted light incident on the transmitted light detector 65 and the amount of reflected light incident on the reflected light detector 66 are determined by the reflector 64 (scale 12), the transmitted light detector 65, and the reflected light detector 66. It increases or decreases depending on the relative positional relationship with the second optical system 11 provided. For example, if there is no reflection plate 64 in the traveling direction of the 0th-order diffracted light, all 0th-order diffracted light becomes transmitted light and enters the transmitted light detector 65. Therefore, the transmitted light detector 65 converts the transmitted light incident at the maximum light amount into an electrical signal (maximum value) and outputs the electrical signal to the signal comparator 19. In this case, since the electric signal is not supplied from the reflected light detector 66 in the signal comparator 19, the output signal of the reflected light detector 66 is set to the minimum value for convenience.
[0052]
If there is a portion other than the edge of the reflecting plate 64 in the traveling direction of the 0th-order diffracted light, all the 0th-order diffracted light becomes reflected light and enters the reflected light detector 66. Therefore, the reflected light detector 66 converts the reflected light incident at the maximum light amount into an electrical signal (maximum value) and outputs the electrical signal to the signal comparator 19. In this case, since the electric signal is not supplied from the transmitted light detector 65 in the signal comparator 19, the output signal of the transmitted light detector 65 is set to the minimum value for convenience.
[0053]
In the signal comparator 19, the difference between the electric signal supplied from the reflected light detector 66 and the electric signal supplied from the transmitted light detector 65 is obtained as described above, whereby the reflected light detector 66 and the transmitted light detector are detected. One point where the intensity (output) of the electric signal supplied from 65 is equal can be detected. One point where the output of the electrical signals of the reflected light detector 66 and the transmitted light detector 65 is equal is the case where the 0th-order diffracted light is incident on the edge portion of the reflector 64.
[0054]
In the signal comparator 19, when the amplitudes of the electrical signals supplied from the transmitted light detector 65 and the reflected light detector 66 are substantially equal, even if the light quantity of the coherent light source unit 40 is reduced, the signal comparator 19 accurately Can be identified. When the amplitudes of the electric signals supplied from the transmitted light detector 65 and the reflected light detector 66 are not equal, the gain is adjusted by the amplifier circuit before being input to the signal comparator 19, and the mutual signal amplitude is To be equal.
[0055]
Further, the signal comparator 19 generates a predetermined signal when the signal intensity of the 0th-order diffracted light is equal (when the difference is 0), and outputs the signal to the origin signal selection unit 18 described later.
[0056]
The transmitted light detector 65 and the reflected light detector 66 may detect the amount of diffracted light other than the 0th-order diffracted light. Further, the reflection plate 64 may be disposed below the first region 12 a of the scale 12. In this case, the transmitted light detector 65 and the reflected light detector 66 are provided in the first optical system 10.
[0057]
Similar to the first phase detector 14, the second phase detector 15 is based on the signals supplied from the first differential amplifier 55 and the second differential amplifier 56, and the angle θ of the Lissajous signal. _b Ask for. The second phase detector 15 calculates the calculated angle θ _b Is output to the phase comparator 16.
[0058]
Here, the operation of the phase comparator 16 will be described. In the first phase detector 14, when the scale 12 is displaced by Λ / 4 in a predetermined measurement direction, the angle θ of the Lissajous signal _a Rotates once. In the second phase detector 15, when the scale 12 is displaced by (Λ + Λ / m) / 4 in a predetermined measurement direction, the angle θ of the Lissajous signal _b Rotates once.
[0059]
The phase comparator 16 receives the angle θ of the Lissajous signal input from the first phase detector 14. _a And the angle θ of the Lissajous signal input from the second phase detector 15 _b Δθ (Δθ = θ _a −θ _b ) This difference Δθ changes according to the displacement of the scale 12, and becomes the same as the original value when the scale 12 is displaced by Λ (1 + m) / 4 in a predetermined measurement direction.
[0060]
The phase comparator 16 outputs the difference Δθ to the pulse signal generator 17. The pulse signal generator 17 determines that the difference Δθ input from the phase comparator 16 is a predetermined value Δθ. _c At this time, a pulse signal is generated, and the generated pulse signal is output to the origin signal selector 18. For example, if the difference Δθ is the same as the original value every Λ (1 + m) / 4 in the predetermined measurement direction of the scale 12, the pulse signal generator 17 pulses every Λ (1 + m) / 4. Generate a signal.
[0061]
In addition, the pulse signal generator 17 has the above value Δθ. _c (Hereinafter referred to as a set value) can be arbitrarily set. For example, when the set value is set to 0 degree that is easy to detect, the pulse signal generator 17 generates a pulse signal when the difference Δθ input from the phase comparator 16 is 0 degree.
[0062]
Further, the pulse signal generator 17 has a predetermined interval if the interval between the first optical system 10 and the second optical system 11 and the interval between the first region 12a and the second region 12b of the scale 12 do not change. Since a pulse signal is generated every time, this pulse signal can be used as an origin signal. The origin signal generation interval is arbitrarily set according to the difference Λ / m between the grating pitch of the diffraction grating recorded in the first area 12a and the grating pitch recorded in the second area 12b. It is possible to set.
[0063]
Here, the resolution of the pulse signal generated by the pulse signal generator 17 will be described. When the pulse signal is used as the origin signal, the longer the cycle, the better. The larger m is better.
[0064]
However, since the phase difference appears only at Λ / 4m at the point where the Lissajous makes a round from where the two phase differences coincide, it can be detected that the coincidence is more accurate than this Λ / 4m. The position will be mistaken by Λ / 4. How well the two phase differences can be detected depends on the accuracy of reading the two phase differences and the S / N, and as a result, this limits the size of m.
[0065]
For example, in the displacement detection apparatus 1, when the grating pitch is 0.55 μm and m is 100, the origin of repetition appears once every about 13.9 μm. The resolution required at this time is at least m = 200 to 400 when the resolution is Λ / 4 m, and the higher the resolution, the better. For example, in the case of m = 100, even if the Λ / 4 position changes, the phase difference becomes only 2π / 100, so the distance that the phase difference falls within the resolution width is the width of Λ / 4. In order to reduce the width, the resolution is increased. When m = 1000, the width is Λ / (4 × 10).
[0066]
However, it is not easy to increase the resolution due to the problem of S / N. Therefore, one wavelength (Λ / 4) of the signal is selected by using the signal for detecting the coincidence of the phase difference as a gate, and the origin signal is obtained when the phase of one of the signals determined as Λ / 4 becomes a specific phase. It is effective to generate As a result, the accuracy and resolution of the origin can be increased to the phase difference detection resolution. In the embodiment according to the present invention, the accuracy of the origin can be increased to about 0.3 nm to 0.7 nm.
[0067]
Further, the pulse signal generator 17 may be configured such that the user can change the set value after the displacement detection device 1 is attached to the device to be measured. In this case, in the initial setting, the setting value is set to an appropriate value, and a program for changing the setting value in response to an inquiry from the user is distributed.
[0068]
Further, the pulse signal generator 17 may count the number of times that the difference Δθ input from the phase comparator 16 becomes a set value, and generate a pulse signal when the number of times reaches a predetermined value. .
[0069]
Further, the pulse signal generator 17 detects the angle θ of the Lissajous signal generated by the first phase detector 14 after the difference Δθ reaches the set value. _a (Hereafter, angle θ _a That's it. ) Or the angle θ of the Lissajous signal generated by the second phase detector 15 _b (Hereafter, angle θ _b That's it. ) Is an arbitrary angle θ _n It is also possible to generate an origin signal when reaching. In addition, the pulse signal generator 17 is configured so that an arbitrary angle θ can be obtained after the difference Δθ reaches the set value. _n Angle θ _a Or angle θ _b Any angle θ that reappears at a predetermined distance away from _n Angle θ _a Or angle θ _b When the signal reaches the origin signal, the origin signal may be generated. The predetermined distance is (2m + 1) Λ / 2, m is an integer greater than or equal to 0, and Λ is the pulse signal generator 17 using the first region 12a of the scale 12 for generating the origin signal. If the pulse signal generator 17 uses the second region 12b of the scale 12 for generating the origin signal, the pitch interval of the diffraction grating recorded in the first region 12a is used. 2 is the pitch interval of the diffraction grating recorded in the second region 12b.
[0070]
The pulse signal generator 17 is configured so that the user can detect the angle θ after the displacement detection device 1 is attached to the device to be measured. _n May be changed. In this case, the angle θ _n Is set to an appropriate value, and the above angle θ is set according to the inquiry from the user. _n Distribute programs that change
[0071]
Based on the signal supplied from the signal comparator 19 described above, the origin signal selection unit 18 selects an arbitrary pulse signal from the pulse signals of Λ (1 + m) / 4 period supplied from the pulse signal generator 17 as the only pulse signal. Output as the origin signal. For example, after the signal is supplied from the signal comparator 19, the origin signal selection unit 18 outputs the first pulse signal supplied from the pulse signal generator 17 as the origin signal. The origin signal selected by the origin signal selector 18 is input to a control circuit (not shown) to which the incremental signal of the incremental signal generator 13 is supplied. In the control circuit, for example, the origin signal can be used at the timing of taking a preset of the incremental signal input at a predetermined cycle.
[0072]
The displacement detection device 1 configured in this way has a first region 12a in which a pitch interval is Λ and a diffraction grating is recorded on one side with respect to the measurement direction, and a pitch interval on the other side is Λ + Λ / m (where m is displaced by a predetermined amount in the measurement direction), the first region so that the diffraction points of the incident light are arranged in-line on the scale 12 where the second region 12b where the diffraction grating is recorded is formed. In the optical system 10 and the second optical system 11, the light is incident on the center symmetrically, interferes with the light diffracted by the diffraction grating, and the first phase detector 14 and the second phase detector 15 perform the interference light. The phase difference is detected by the phase comparator 16, the difference of the phase difference is detected by the phase comparator 16, the pulse signal generator 17 generates a pulse signal when the difference reaches a predetermined value, and the origin signal selection unit 18 Based on the signal supplied from the signal comparator 19 Any pulse signal from among a plurality of pulse signals supplied from the pulse signal generator 17 can be selected as the origin signal.
[0073]
Further, since the displacement detection apparatus 1 uses the first optical system 10 and the second optical system 11 that are grating interferometers, the displacement detection apparatus 1 includes the first region 12a and the second region 12b forming the scale 12. The grating pitch of the recorded diffraction grating can be reduced. For example, if the grating pitch is 0.55 μm, the signal for detecting the phase is a signal having a period of 0.1379... Μm (≈138 nm). The phase difference can be detected with high accuracy, the origin signal can be obtained on the order of nanometers, and an arbitrary signal can be selected as the origin signal from a plurality of origin signals obtained on the order of nanometers. .
[0074]
Further, in the above description, a scale in which a linear transmission type diffraction grating is recorded is used as the displacement detection device 1. However, a radial diffraction grating used in a rotary encoder may be used, and reflection may be performed. A type of diffraction grating may also be used.
[0075]
In the displacement detection apparatus 1 using a reflective diffraction grating, as shown in FIG. 9, in the first optical system 10, the light divided by the first PBS 22 is incident on the first region 12a, and recording is performed. The reflected light of the diffracted light generated by the reflection type diffraction grating is incident on the reflecting prism 24 through the first quarter-wave plate 23 and the second quarter-wave plate 25, respectively. The reflected light reflected by the prism 24 returns to the first PBS 22 through the first region 12a again, and the light split by the first PBS 42 in the second optical system 11 Are incident on the second region 12b, and the reflected light of the diffracted light of a predetermined order generated by the recorded reflection type diffraction grating is respectively the first quarter wavelength plate 43 and the second quarter. Reflecting prism 4 through wave plate 45 Then, the reflected light reflected by the reflecting prism 44 returns to the first PBS 42 again through the second region 12b, and reflected light of diffracted light (including zero-order light) other than the above-mentioned predetermined order. Each of the signals is incident on the first light amount detector 60 and the second light amount detector 61, and an electric signal generated based on the amount of incident diffracted light is output to the signal comparator 19. The operations other than those described above are the same as those of the displacement detection apparatus 1 using the transmission type diffraction grating shown in FIG.
[0076]
Further, the displacement detection device 1 may be configured such that the optical system moves instead of the scale 12 moving.
[0077]
【The invention's effect】
As described above in detail, the displacement detection device according to the present invention diffracts the first region where the diffraction grating is recorded at a predetermined interval with respect to the measurement direction, and the first region has a different interval. A first scale is formed on a movable scale including a second region in which a grating is recorded and a light shielding plate for shielding n-th order diffracted light generated by the diffraction grating or a reflecting plate for reflecting is formed. The light is incident on the optical system and the second optical system symmetrically, and the light diffracted by the diffraction grating is synthesized. The phase difference is respectively obtained from the synthesized light by the first phase detector and the second phase detector. The phase difference is detected by the phase comparator, and when the difference reaches a predetermined value by the pulse signal generator, the pulse signal is output to the origin signal selection unit in nanometer order, and the light amount detection unit Diffraction grating recorded in the second area at Detects the light quantity of the nth-order diffracted light generated by the light source, and based on the detection result of the light quantity detector, an arbitrary pulse from the nanometer order pulse signal supplied from the pulse signal generator by the origin signal selector Since the signal is selected as the origin signal, it is possible to detect the absolute position with high accuracy using a scale on which a diffraction grating with extremely high density is recorded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first configuration example of a displacement detection apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a first configuration example of a scale provided in a displacement detection device to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a second configuration example of a scale provided in a displacement detection device to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a diagram illustrating an angle of a Lissajous signal generated by a displacement detection device to which the present invention is applied.
FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which the amount of light input to the light amount detector changes as the scale moves.
6 is a diagram showing output characteristics of electric signals of each light quantity detector that changes in accordance with the displacement of the scale shown in FIG.
FIG. 7 is a diagram illustrating a differential output of a signal comparator provided in a displacement detection device to which the present invention is applied.
FIG. 8 is a block diagram showing a second configuration example (main part) of a displacement detection apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a displacement detection device to which the present invention is applied when a reflection type diffraction grating is recorded.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Displacement detection apparatus, 10 1st optical system, 11 2nd optical system, 12 Scale, 13 Incremental signal generator, 14 1st phase detector, 15 2nd phase detector, 16 Phase comparator, 17 Pulse signal generator, 18 Origin signal selection unit, 19 Amplitude signal output unit, 20, 40 Coherent light source unit, 21, 41 First lens, 22, 42 First PBS, 23, 43 First 1/4 Wave plate, 24, 44 Reflective prism, 25, 45 Second quarter wave plate, 26, 46 Second lens, 27, 47 BS, 28, 48 Second PBS, 29, 49 First photoelectric conversion , 30, 50 Second photoelectric converter, 31, 51 Third quarter wave plate, 32, 52 Third PBS, 33, 53 Third photoelectric converter, 34, 54 Fourth photoelectric conversion 35, 55 first differential amplifier, 36, 56 second Differential amplifier, 60 first light amount detector, 61 second light amount detector, 62 first light shielding plate, 63 second light shielding plate, 64 reflection plate, 65 transmitted light detector, 66 reflected light detector

Claims

A diffraction grating is recorded at a different interval from the first area where the diffraction grating is recorded at a predetermined interval and the first area, and the nth-order diffracted light generated by the diffraction grating is shielded. A movable scale composed of a second region where a light-shielding plate or a reflecting plate is formed;
First reading means for reading diffracted light generated by the diffraction grating recorded in the first region;
An incremental signal generating means for outputting an incremental signal indicating the amount of displacement based on the position information read by the first reading means;
First phase detection means for detecting a first phase based on the diffracted light read by the first reading means;
Second reading means for reading diffracted light other than the nth order generated by the diffraction grating recorded in the second region;
Second phase detection means for detecting a second phase based on diffracted light other than the nth order read by the second reading means;
Phase comparison means for comparing the first phase and the second phase;
Origin signal generating means for generating an origin signal according to the comparison result of the phase comparison means,
A light amount detecting means for detecting a light amount of the nth-order diffracted light generated by the diffraction grating recorded in the second region;
Selecting means for selecting an arbitrary origin signal from origin signals generated from the origin signal generation means according to the detection result of the light quantity detection means,
The displacement detection device according to claim 1, wherein the first region and the second region are formed on the scale so as to be displaced by an equal amount in the same measurement direction.

The displacement detection apparatus according to claim 1, wherein the n-order diffracted light is zero-order diffracted light.

The light amount detecting means detects an edge of a member that blocks or reflects the n-order diffracted light based on the n-order diffracted light diffracted by the diffraction grating recorded in the second region. The displacement detection device according to claim 1.

The second reading means includes a first light source unit, a first dividing unit that divides light emitted from the first light source unit into first light and second light, and the second light source. The first light and the second light incident on the area are each diffracted by the diffraction grating recorded in the second area, and the diffraction light generated by the diffraction grating is other than the nth order. A first optical system that synthesizes diffracted lights of the same order and converts them into electrical signals,
The light shielding plate that shields the n-th order diffracted light formed in the second region has a first light shielding plate and a second light shielding disposed at a predetermined interval in a part of the second region. Made of plates,
The first light amount detection means detects the light amount of the nth-order diffracted light generated by the diffraction grating by the first light being diffracted by the diffraction grating recorded in the second region. And a second light amount detector for detecting the light amount of the nth-order diffracted light generated by the diffraction grating, the second light being diffracted by the diffraction grating recorded in the second region. The displacement detection device according to claim 1, wherein:

5. The displacement detection apparatus according to claim 4, wherein the nth-order diffracted light is zeroth-order diffracted light.

The second reading means includes a first light source unit, a first dividing unit that divides light emitted from the first light source unit into first light and second light, and the second light source. The first light and the second light incident on the area are each diffracted by the diffraction grating recorded in the second area, and the diffraction light generated by the diffraction grating is other than the nth order. A first optical system that synthesizes diffracted lights of the same order and converts them into electrical signals,
The reflector that reflects the nth order diffracted light formed in the second region is disposed in a part of the second region,
The light amount detecting means detects the light amount of the nth-order diffracted light generated by the diffraction grating by the first light or the second light being diffracted by the diffraction grating recorded in the second region. 2. The first light quantity detector for detecting the light quantity and a second light quantity detector for detecting the light quantity when the n-th order diffracted light is reflected by the reflecting plate. Displacement detector.

The displacement detection apparatus according to claim 6, wherein the n-order diffracted light is zero-order diffracted light.

Reading position of the diffraction grating recorded in the first area read by the first reading means and reading position of the diffraction grating recorded in the second area read by the second reading means The displacement detection device according to claim 1, wherein the and are arranged in-line with respect to the measurement direction.