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特開2024-134351測定光学系、信号処理装置、サーフェスエンコーダ、及び測定方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024134351
(43)【公開日】2024-10-03
(54)【発明の名称】測定光学系、信号処理装置、サーフェスエンコーダ、及び測定方法
(51)【国際特許分類】
G01D 5/347 20060101AFI20240926BHJP
G01B 11/00 20060101ALI20240926BHJP
【ＦＩ】
G01D5/347 110D
G01B11/00 G
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023044609
(22)【出願日】2023-03-20
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ・ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．３３９０／ｓ２２０８３０１０ 掲載日 令和４年４月１４日
(71)【出願人】
【識別番号】504173471
【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学
(71)【出願人】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】清水 裕樹
(72)【発明者】
【氏名】高 偉
(72)【発明者】
【氏名】洪 一帆
(72)【発明者】
【氏名】松隈 啓
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 遼
【テーマコード（参考）】
2F065
2F103
【Ｆターム（参考）】
2F065AA01
2F065AA03
2F065AA04
2F065DD02
2F065FF48
2F065GG04
2F065JJ05
2F065LL12
2F065LL36
2F065LL37
2F065LL42
2F103BA37
2F103BA43
2F103CA01
2F103CA04
2F103DA01
2F103EA03
2F103EA15
2F103EB03
2F103EB11
2F103EB16
2F103EB32
2F103EC13
2F103EC15
(57)【要約】
【課題】参照用の回折格子を用いることなく、物体と連動して変位する反射型回折格子の面内方向及び面外方向の変位を測定する。
【解決手段】測定光学系（１）は、透過型回折格子（１０４）と、反射型回折格子（１０５）と、第１光検出器（１０７）と、第２光検出器（１１０）と、を備えている。第１光検出器（１０７）は、透過型回折格子（１０４）が光源（１０１）からのレーザ光（Ｌ）を反射することにより生じる参照光（Ｌｒ）と透過型回折格子（１０４）を透過した０次回折光（Ｌ０）との干渉により生じる干渉光を検出する。第２光検出器（１１０）は、透過型回折格子（１０４）を透過した＋１次回折光（Ｌ１＋）と－１次回折光（Ｌ１－）との干渉により生じる干渉光を検出する。
【選択図】図１
【解決手段】測定光学系（１）は、透過型回折格子（１０４）と、反射型回折格子（１０５）と、第１光検出器（１０７）と、第２光検出器（１１０）と、を備えている。第１光検出器（１０７）は、透過型回折格子（１０４）が光源（１０１）からのレーザ光（Ｌ）を反射することにより生じる参照光（Ｌｒ）と透過型回折格子（１０４）を透過した０次回折光（Ｌ０）との干渉により生じる干渉光を検出する。第２光検出器（１１０）は、透過型回折格子（１０４）を透過した＋１次回折光（Ｌ１＋）と－１次回折光（Ｌ１－）との干渉により生じる干渉光を検出する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回折パターンが部分的に形成された透過型回折格子であって、光源からのレーザ光が前記回折パターンにより回折されずに自身を透過するように配置された透過型回折格子と、
前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、
前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第１光検出器と、
前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第２光検出器と、を備えている、
測定光学系。
前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、
前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第１光検出器と、
前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第２光検出器と、を備えている、
測定光学系。
【請求項2】
前記光源と前記透過型回折格子との間において前記光源からのレーザ光の光路上に配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記透過型回折格子との間において前記偏光ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の光路上に配置された１／４波長板と、
前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタに反射された前記参照光と、前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記０次回折光と、の共通光路上に配置されたミラーと、を更に備え、
前記第１光検出器は、前記ミラーにより反射された前記参照光及び前記０次回折光の共通光路上に配置されている、
請求項１に記載の測定光学系。
前記偏光ビームスプリッタと前記透過型回折格子との間において前記偏光ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の光路上に配置された１／４波長板と、
前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタに反射された前記参照光と、前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記０次回折光と、の共通光路上に配置されたミラーと、を更に備え、
前記第１光検出器は、前記ミラーにより反射された前記参照光及び前記０次回折光の共通光路上に配置されている、
請求項１に記載の測定光学系。
【請求項3】
前記光源と前記透過型回折格子との間において前記光源からのレーザ光の光路上に配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記透過型回折格子との間において前記偏光ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の光路上に配置された１／４波長板と、
前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置された第１ミラーと、
前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置された第２ミラーと、
前記第１ミラーにより反射された前記＋１次回折光の光路と前記第２ミラーにより反射された前記－１次回折光の光路との交差点に配置された第１ビームスプリッタと、を更に備え、
前記第２光検出器は、前記第１ビームスプリッタを透過した前記＋１次回折光と、前記第１ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光と、の共通光路上、又は、前記第１ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光と、前記第１ビームスプリッタを透過した前記－１次回折光と、の共通光路上に配置されている、
請求項１に記載の測定光学系。
前記偏光ビームスプリッタと前記透過型回折格子との間において前記偏光ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の光路上に配置された１／４波長板と、
前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置された第１ミラーと、
前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置された第２ミラーと、
前記第１ミラーにより反射された前記＋１次回折光の光路と前記第２ミラーにより反射された前記－１次回折光の光路との交差点に配置された第１ビームスプリッタと、を更に備え、
前記第２光検出器は、前記第１ビームスプリッタを透過した前記＋１次回折光と、前記第１ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光と、の共通光路上、又は、前記第１ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光と、前記第１ビームスプリッタを透過した前記－１次回折光と、の共通光路上に配置されている、
請求項１に記載の測定光学系。
【請求項4】
前記反射型回折格子は、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と直交する第１軸方向に変位可能であり、
前記反射型回折格子には、前記第１軸方向の周期性を有する凹凸構造が形成されており、
前記透過型回折格子には、前記回折パターンとして、前記＋１次回折光が入射する領域に配置された第１凹凸構造であって、前記第１軸方向の周期性を有する第１凹凸構造と、前記－１次回折光が入射する領域に配置された第２凹凸構造であって、前記第１軸方向の周期性を有する第２凹凸構造と、が形成されており、
前記第１ミラーは、前記第１凹凸構造により回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置されており、
前記第２ミラーは、前記第２凹凸構造により回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置されている、
請求項３に記載の測定光学系。
前記反射型回折格子には、前記第１軸方向の周期性を有する凹凸構造が形成されており、
前記透過型回折格子には、前記回折パターンとして、前記＋１次回折光が入射する領域に配置された第１凹凸構造であって、前記第１軸方向の周期性を有する第１凹凸構造と、前記－１次回折光が入射する領域に配置された第２凹凸構造であって、前記第１軸方向の周期性を有する第２凹凸構造と、が形成されており、
前記第１ミラーは、前記第１凹凸構造により回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置されており、
前記第２ミラーは、前記第２凹凸構造により回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置されている、
請求項３に記載の測定光学系。
【請求項5】
前記反射型回折格子は、更に、前記第１軸方向に直交する第２軸方向に変位可能であり、
前記反射型回折格子に形成された前記凹凸構造は、更に、前記第２軸方向の周期性を有し、
前記透過型回折格子には、前記回折パターンとして、更に、前記＋１次回折光が入射する領域に配置された第３凹凸構造であって、前記第２軸方向の周期性を有する第３凹凸構造と、前記－１次回折光が入射する領域に配置された第４凹凸構造であって、前記第２軸方向の周期性を有する第４凹凸構造と、が形成されており、
当該測定光学系は、更に、
前記第３凹凸構造に回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置された第３ミラーと、
前記第４凹凸構造に回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置された第４ミラーと、
前記第３ミラーにより反射された前記＋１次回折光の光路と前記第４ミラーにより反射された前記－１次回折光の光路との交差点に配置された第２ビームスプリッタと、
前記第２ビームスプリッタを透過した前記＋１次回折光、及び、前記第２ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の共通光路上、又は、前記第２ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光、及び、前記第２ビームスプリッタを透過した前記－１次回折光の共通光路上に配置された第３光検出器と、を備えている、
請求項４に記載の測定光学系。
前記反射型回折格子に形成された前記凹凸構造は、更に、前記第２軸方向の周期性を有し、
前記透過型回折格子には、前記回折パターンとして、更に、前記＋１次回折光が入射する領域に配置された第３凹凸構造であって、前記第２軸方向の周期性を有する第３凹凸構造と、前記－１次回折光が入射する領域に配置された第４凹凸構造であって、前記第２軸方向の周期性を有する第４凹凸構造と、が形成されており、
当該測定光学系は、更に、
前記第３凹凸構造に回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置された第３ミラーと、
前記第４凹凸構造に回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置された第４ミラーと、
前記第３ミラーにより反射された前記＋１次回折光の光路と前記第４ミラーにより反射された前記－１次回折光の光路との交差点に配置された第２ビームスプリッタと、
前記第２ビームスプリッタを透過した前記＋１次回折光、及び、前記第２ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の共通光路上、又は、前記第２ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光、及び、前記第２ビームスプリッタを透過した前記－１次回折光の共通光路上に配置された第３光検出器と、を備えている、
請求項４に記載の測定光学系。
【請求項6】
請求項１～５の何れ一項に記載の測定光学系と併用される信号処理装置であって、
前記第１光検出器から出力される第１干渉信号Ｉｚを取得する第１取得部と、
前記第１干渉信号Ｉｚから、その交流成分である第１交流成分Ｓｚを抽出する第１抽出部と、
前記第１交流成分Ｓｚから、下記式（１）に従って、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位Δｚを算出する第１算出部と、
前記第２光検出器から出力される第２干渉信号Ｉｘを取得する第２取得部と、
前記第２干渉信号Ｉｘから、その交流成分である第２交流成分Ｓｘを抽出する第２抽出部と、
前記第２交流成分Ｓｘから、下記式（２）に従って、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位Δｘを算出する第２算出部と、を備えている、
信号処理装置。
ここで、波長λは、前記レーザ光の波長であり、周期ｇは、前記透過型回折格子及び前記反射型回折格子の各々の回折パターンの周期である
前記第１光検出器から出力される第１干渉信号Ｉｚを取得する第１取得部と、
前記第１干渉信号Ｉｚから、その交流成分である第１交流成分Ｓｚを抽出する第１抽出部と、
前記第１交流成分Ｓｚから、下記式（１）に従って、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位Δｚを算出する第１算出部と、
前記第２光検出器から出力される第２干渉信号Ｉｘを取得する第２取得部と、
前記第２干渉信号Ｉｘから、その交流成分である第２交流成分Ｓｘを抽出する第２抽出部と、
前記第２交流成分Ｓｘから、下記式（２）に従って、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位Δｘを算出する第２算出部と、を備えている、
信号処理装置。
【数1】
ここで、波長λは、前記レーザ光の波長であり、周期ｇは、前記透過型回折格子及び前記反射型回折格子の各々の回折パターンの周期である
【請求項7】
請求項１～５の何れか一項に記載の測定光学系を含むセンサヘッドを備えている、
サーフェスエンコーダ。
サーフェスエンコーダ。
【請求項8】
回折パターンが部分的に形成された透過型回折格子であって、光源からのレーザ光が前記回折パターンにより回折されずに自身を透過するように配置された透過型回折格子と、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、を用い、
前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位を算出する第１算出工程と、
前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる第２干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位を算出する第２算出工程と、を含んでいる、
測定方法。
前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位を算出する第１算出工程と、
前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる第２干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位を算出する第２算出工程と、を含んでいる、
測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、物体の変位を測定するための測定光学系及び測定方法に関する。また、そのような測定光学系からの信号を処理する信号処理装置に関する。また、そのような光学系を含むサーフェスエンコーダに関する。
【背景技術】
【0002】
物体の変位を測定するための光学系として、特許文献１に記載の変位測定装置が知られている。特許文献１に記載の変位測定装置においては、物体と連動して変位する測定用の回折格子において生じた回折光を、物体と連動して変位しない参照用の回折格子において生じた回折光と干渉させることによって、物体の３軸方向の変位を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００７－３０４０３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献１に記載の変位測定装置は、測定用の回折格子の他に、参照用の回折格子を必要とする。このため、（１）部品点数が多く装置の小型化が困難である、（２）光学調整（例えば、測定用の二次元回折格子と参照用の二次元回折格子との位置合わせ）が困難である、（３）それらの結果、製造コスト及び運用コストが高価になる、という問題があった。
【0005】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、参照用の回折格子を用いることなく、物体と連動して変位する回折格子の面内方向及び面外方向の変位を測定することが可能な技術を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様に係る測定光学系は、回折パターンが部分的に形成された透過型回折格子であって、光源からのレーザ光が前記回折パターンにより回折されずに自身を透過するように配置された透過型回折格子と、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第１光検出器と、前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第２光検出器と、を備えている。
【0007】
また、本発明の一態様に係る測定方法は、回折パターンが部分的に形成された透過型回折格子であって、光源からのレーザ光が前記回折パターンにより回折されずに自身を透過するように配置された透過型回折格子と、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、を用い、前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位を算出する第１算出工程と、前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる第２干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位を算出する第２算出工程と、を含んでいる。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、参照用の回折格子を用いることなく、物体と連動して変位する反射型回折格子の面内方向及び面外方向の変位を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係る測定光学系の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
（測定光学系の構成）
本実施形態に係る測定光学系１の構成について、図１～図２を参照して説明する。図１は、測定光学系１の上面図である。図２は、図１に示す測定光学系１に含まれる透過型回折格子１０４及び反射型回折格子１０５の正面図である。
本実施形態に係る測定光学系１の構成について、図１～図２を参照して説明する。図１は、測定光学系１の上面図である。図２は、図１に示す測定光学系１に含まれる透過型回折格子１０４及び反射型回折格子１０５の正面図である。
【0011】
測定光学系１は、物体の２軸方向の変位を測定するための装置である。以下の説明においては、測定対象となる２つの方向のうち、一方の方向をＸ軸方向とし、他方の方向をＺ軸方向とする。
【0012】
測定光学系１は、図１に示すように、光源１０１と、偏光ビームスプリッタ１０２と、１／４波長板１０３と、透過型回折格子１０４と、反射型回折格子１０５と、ミラー１０６と、第１光検出器１０７と、ミラー１０８＋と、ミラー１０８－と、ビームスプリッタ１０９と、第２光検出器１１０と、を備えている。ミラー１０８＋及びミラー１０８－の各々は、それぞれ、第１ミラー及び第２ミラーの一例である。測定光学系１は、反射型回折格子１０５と連動する物体の２軸方向の変位を測定するための装置である。以下の説明においては、測定対象となる２つの方向のうち、一方の方向をＸ軸方向とし、他方の方向をＺ軸方向とする。また、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の両方と直交する方向をＹ軸方向とする。
【0013】
光源１０１は、コリメートレーザ光Ｌ（以下、単に「レーザ光Ｌ」と記載する）を生成するための手段である。図示した構成において、光源１０１において生成されるレーザ光Ｌは、Ｚ軸正方向に進行するｐ偏光である。なお、本実施形態においては、光源１０１として、レーザダイオードを用いている。
【0014】
光源１０１において生成されたレーザ光Ｌの光路上には、偏光ビームスプリッタ１０２が配置されている。偏光ビームスプリッタ１０２は、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射する機能面１０２ａを有する立方体状の光学素子である。偏光ビームスプリッタ１０２は、機能面１０２ａの法線がＺＸ面に含まれるように、且つ、機能面１０２ａの法線とレーザ光Ｌの光軸との成す角が４５度になるように配置される。光源１０１において生成されたレーザ光Ｌは、ｐ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１０２（の機能面１０２ａ）を透過する。図示した構成において、偏光ビームスプリッタ１０２を透過したレーザ光Ｌは、ｚ軸正方向に進行する。
【0015】
偏光ビームスプリッタ１０２を透過したレーザ光Ｌの光路上には、１／４波長板１０３が配置されている。１／４波長板１０３は、（１）一方の主面１０３ａから入射したｐ偏光を円偏向に変換して透過し、（２）他方の主面１０３ｂから入射した円偏向をｓ偏光に変換して透過する機能を有する板状の光学素子である。１／４波長板１０３は、主面１０３ａ，１０３ｂがレーザ光Ｌの光軸と直交するように配置される。偏光ビームスプリッタ１０２を透過したレーザ光Ｌは、１／４波長板１０３によりｐ偏光から円偏向に変換され、１／４波長板１０３を透過する。図示した構成において、１／４波長板１０３を透過したレーザ光Ｌは、Ｚ軸正方向に進行する。
【0016】
１／４波長板１０３を透過したレーザ光Ｌの光路上には、透過型回折格子１０４が配置されている。透過型回折格子１０４は、（１）中央部に一方の主面１０４ａ側から入射した光、及び、中央部に他方の主面１０４ｂ側から入射した光を回折することなく透過し、（２）周辺部に他方の主面１０４ｂ側から入射した光を回折して透過する機能を有する板状の光学素子（二次元回折格子）である。この機能を実現するために、透過型回折格子１０４の周辺部の主面１０４ｂ側には、図２に示すように、ストライプ状（１軸型）の回折パターン１０４ｃ±が形成されている。透過型回折格子１０４は、これらの主面１０４ａ，１０４ｂがレーザ光Ｌの光軸と直交するように配置される。１／４波長板１０３を透過したレーザ光Ｌは、主面１０４ａの中央部に入射するため、回折パターン１０４ｃ±により回折されることなく、透過型回折格子１０４を透過する。図示した構成において、透過型回折格子１０４を透過したレーザ光Ｌは、Ｚ軸正方向に進行する。
【0017】
ただし、透過型回折格子１０４に入射するレーザ光Ｌの一部は、主面１０４ａにおいて反射される。以下、透過型回折格子１０４により反射されたレーザ光Ｌのことを、参照光Ｌｒとも記載する。図した構成において、透過型回折格子１０４において反射された参照光Ｌは、Ｚ軸負方向に進行する。
【0018】
透過型回折格子１０４を透過したレーザ光Ｌの光路上には、反射型回折格子１０５が配置されている。反射型回折格子１０５は、一方の主面１０５ａに入射した光を回折して反射する機能を有する板状の光学素子（二次元回折格子）である。この機能を実現するために、反射型回折格子１０５の主面１０５ａには、図２に示すように、ストライプ状の回折パターン１０５ｂが形成されている。本実施形態では、回折パターン１０５ｂの周期は、回折パターン１０４ｃ±の周期と等しく設定されている。反射型回折格子１０５は、この主面１０５ａがレーザ光Ｌの光軸と直交するように配置される。この回折パターン１０５ｂがレーザ光Ｌを回折することによって、０次回折光（反射光）Ｌ０と±１次回折光Ｌ１±とが生じる。図示した構成において、反射型回折格子１０５（の回折パターン１０５ｂ）において生じた０次回折光Ｌ０は、Ｚ軸負方向に進行する。また、反射型回折格子１０５（の回折パターン１０５ｂ）において生じた＋１次回折光Ｌ１＋は、Ｚ軸負方向とＸ軸正方向との間の方向に進行し、反射型回折格子１０５（の回折パターン１０５ｂ）において生じた－１次回折光Ｌ１－は、Ｚ軸負方向とＸ軸負方向との間の方向に進行する。ここで、±１次回折光Ｌ１±の進行方向は、Ｚ軸負方向に対して対称である。
【0019】
反射型回折格子１０５において生じた０次回折光Ｌ０は、上述した透過型回折格子１０４に主面１０４ｂの中央部から入射する。このため、反射型回折格子１０５において生じた０次回折光Ｌ０は、回折パターン１０４ｃ±により回折されることなく、透過型回折格子１０４を透過する。図示した構成において、透過型回折格子１０４を透過した０次回折光Ｌ０は、Ｚ軸負方向に進行する。
【0020】
透過型回折格子１０４により反射された参照光Ｌｒ、及び、透過型回折格子１０４を透過した０次回折光Ｌ０は、それぞれ、上述した１／４波長板１０３に主面１０３ｂから入射する。このため、透過型回折格子１０４により反射された参照光Ｌｒ、及び、透過型回折格子１０４を透過した０次回折光Ｌ０は、それぞれ、１／４波長板１０３により円偏向からｓ偏光に変換され、１／４波長板１０３を透過する。図示した構成において、１／４波長板１０３を透過した参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０は、それぞれ、ｚ軸負方向に進行する。
【0021】
１／４波長板１０３を透過した参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０は、それぞれ、上述した偏光ビームスプリッタ１０２に入射する。１／４波長板１０３を透過した参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０は、それぞれ、ｓ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１０２（の機能面１０２ａ）により反射される。図示した構成において、偏光ビームスプリッタ１０２において反射された参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０は、それぞれ、Ｘ軸正方向に進行する。
【0022】
偏光ビームスプリッタ１０２において反射された参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０の光路上には、ミラー１０６が配置されている。ミラー１０６は、反射面１０６ａの法線がＺＸ面に含まれるように、且つ、反射面１０６ａの法線と参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０の光軸との成す角が４５度になるように配置される。図示した構成において、ミラー１０６（の反射面１０６ａ）において反射された参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０は、Ｚ軸正方向に進行する。なお、本実施形態においては、ミラー１０６として、プリズムを用いている。
【0023】
ミラー１０６において反射された参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０の光路上には、第１光検出器１０７が配置されている。第１光検出器１０７に入射する光は、参照光Ｌｒと０次回折光Ｌ０との干渉によって生じる干渉光である。第１光検出器１０７は、この干渉光の強度を検出するための構成である。なお、本実施形態において、第１光検出器１０７として、フォトダイオードを用いている。
【0024】
第１光検出器１０７から出力される干渉信号Ｉｚの交流成分Ｓｚと、反射型回折格子１０５のＺ軸方向の変位Δｚ（面外方向の変位）との間には、下記の式（１）の関係が存在する。このため、第１光検出器１０７から出力される干渉信号Ｉｚの交流成分Ｓｚから、下記の式（１）に従って、反射型回折格子１０５のＺ軸方向の変位Δｚを算出することができる。ここで、波長λは、レーザ光Ｌの波長である。
【数1】
【0025】
一方、反射型回折格子１０５において生じた±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、上述した透過型回折格子１０４に主面１０４ｂの周辺部から入射する。このため、反射型回折格子１０５において生じた±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、回折パターン１０４ｃ±により回折され、反射型回折格子１０５を透過する。この回折によって、±１次回折光Ｌ１±の進行方向は、それぞれ、０次回折光Ｌ０の進行方向と平行になる。図示した構成において、透過型回折格子１０４を透過した±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、Ｚ軸負方向に進行する。
【0026】
透過型回折格子１０４を透過した±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、上述した１／４波長板１０３に主面１０３ｂから入射する。このため、透過型回折格子１０４を透過した±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、１／４波長板１０３により円偏向からｓ偏光に変換され、１／４波長板１０３を透過する。図示した構成において、１／４波長板１０３を透過した±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、ｚ軸負方向に進行する。
【0027】
１／４波長板１０３を透過した±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、上述した偏光ビームスプリッタ１０２に入射する。１／４波長板１０３を透過した±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、ｓ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１０２（の機能面１０２ａ）により反射される。図示した構成において、偏光ビームスプリッタ１０２において反射された±１次回折光Ｌ１±は、それぞれ、Ｘ軸正方向に進行する。
【0028】
偏光ビームスプリッタ１０２において反射された±１次回折光Ｌ１±の光路上には、それぞれ、ミラー１０８±が配置されている。ミラー１０８＋は、反射面１０８＋ａの法線がＺＸ面に含まれるように、且つ、反射面１０８＋ａに対する＋１次回折光Ｌ１＋の入射角が４５°以上となるように配置される。一方、ミラー１０８－は、反射面１０８－ａの法線がＺＸ面に含まれるように、且つ、反射面１０８－ａに対する１次回折光Ｌ１－の入射角が反射面１０８＋ａに対する＋１次回折光Ｌ１＋の入射角と一致するように配置される。これにより、ミラー１０８＋において反射された１次回折光Ｌ０＋の光軸とミラー１０８－において反射された１次回折光Ｌ０－の光軸とが１点で交差する。なお、本実施形態においては、ミラー１０８±として、それぞれ、プリズムを用いている。
【0029】
ミラー１０８＋において反射された１次回折光Ｌ０＋の光軸とミラー１０８－において反射された１次回折光Ｌ０－の光軸との交差点には、ビームスプリッタ１０９が配置されている。ビームスプリッタ１０９は、（１）一方の主面１０９ａに入射した光の一部分を反射すると共に、残りの部分を透過し、（２）他方の主面１０９ｂに入射した光の一部を反射すると共に、残りの部分を透過する機能を有する板状の光学素子である。ミラー１０８＋において反射された＋１次回折光Ｌ１＋の一部は、ビームスプリッタ１０９の主面１０９ａに入射し、ビームスプリッタ１０９を透過する。一方、ミラー１０８－において反射された１次回折光Ｌ１－の一部は、ビームスプリッタ１０９の主面１０９ｂに入射し、ビームスプリッタ１０９に反射される。ビームスプリッタ１０９の配置は、ビームスプリッタ１０９を透過した＋１次回折光Ｌ１＋の光軸とビームスプリッタ１０９において反射された１次回折光Ｌ１－の光軸とが一致するように決められる。
【0030】
ビームスプリッタ１０９を透過した＋１次回折光Ｌ１＋、及び、ビームスプリッタ１０９において反射された１次回折光Ｌ１－の光路上には、第２光検出器１１０が配置されている。第２光検出器１１０に入射する光は、＋１次回折光Ｌ１＋と１次回折光Ｌ１－との干渉によって生じる干渉光である。第２光検出器１１０は、この干渉光の強度を検出するための構成である。なお、本実施形態において、第２光検出器１１０として、フォトダイオードを用いている。
【0031】
第２光検出器１１０から出力される干渉信号Ｉｘの交流成分Ｓｘと、のＸ軸方向の変位Δｘ（面内方向の変位）との間には、下記の式（２）の関係が存在する。このため、第２光検出器１１０から出力される干渉信号Ｉｘの交流成分Ｓｘから、下記の式（２）に従って、反射型回折格子１０５のＸ軸方向の変位Δｘを算出することができる。ここで、周期ｇは、回折パターン１０５ｂの周期、及び、回折パターン１０４ｃ±の周期である。
【数2】
【0032】
（測定光学系の特徴と効果）
＜特徴１＞
本実施形態に係る測定光学系１は、以下の特徴を有している。
＜特徴１＞
本実施形態に係る測定光学系１は、以下の特徴を有している。
【0033】
（ａ）測定光学系１は、透過型回折格子１０４と、反射型回折格子１０５と、第１光検出器１０７と、第２光検出器１１０と、を備えている。
【0034】
（ｂ）透過型回折格子１０４には、回折パターン１０４ｃ±が部分的に形成されている。そして、透過型回折格子１０４は、光源１０１からのレーザ光Ｌが回折パターン１０４ｃ±により回折されずに自身（透過型回折格子１０４）を透過するように配置されている。
【0035】
（ｃ）透過型回折格子１０４を透過したレーザ光Ｌは、反射型回折格子１０５により回折される。そして、反射型回折格子１０５は、（１）この回折により生じる０次回折光が回折パターン１０４ｃ±により回折されずに透過型回折格子１０４を透過し、（２）この回折により生じる＋１次回折光及び－１次回折光が、それぞれ、回折パターン１０４ｃ＋及び回折パターン１０４ｃ－により回折されて透過型回折格子１０４を透過するように配置されている。
【0036】
（ｄ）第１光検出器１０７は、透過型回折格子１０４が光源１０１からのレーザ光Ｌを反射することにより生じる参照光Ｌｒと透過型回折格子１０４を透過した０次回折光Ｌ０との干渉により生じる干渉光を検出する。
【0037】
（ｅ）第２光検出器１１０は、透過型回折格子１０４を透過した＋１次回折光Ｌ１＋と－１次回折光Ｌ１－との干渉により生じる干渉光を検出する。
【0038】
上記の特徴により、本実施形態に係る測定光学系１は、以下の効果を奏する。
【0039】
すなわち、第１光検出器１０７から出力される干渉信号Ｉｚを参照して、反射型回折格子１０５のＺ軸方向の変位Δｚ（面外方向の変位）を特定することができる。反射型回折格子１０５が物体と連動する場合には、その物体のＺ軸方向の変位Δｚを特定することができる。また、第２光検出器１１０から出力される干渉信号Ｉｘを参照して、反射型回折格子１０５のＸ軸方向の変位Δｘ（面内方向の変位）を特定することができる。反射型回折格子１０５が物体と連動する場合には、その物体のＸ軸方向の変位Δｘを特定することができる。
【0040】
しかも、本実施形態に係る測定光学系１においては、参照用の回折格子を必要としない。したがって、本実施形態に係る測定光学系１は、特許文献１に記載の測定光学系と比べて、（１）部品点数が少なく小型化が容易、（２）光学調整が容易、（３）それらの結果、製造コスト及び運用コストが低い、というメリットがある。
【0041】
＜特徴２＞
本実施形態に係る測定光学系１は、上述した特徴１に加えて、以下の特徴を有している。
本実施形態に係る測定光学系１は、上述した特徴１に加えて、以下の特徴を有している。
【0042】
（ａ）測定光学系１は、更に、偏光ビームスプリッタ１０２と、１／４波長板１０３と、ミラー１０６と、を備えている。
【0043】
（ｂ）偏光ビームスプリッタ１０２は、光源１０１と透過型回折格子１０４との間において光源１０１からのレーザ光Ｌの光路上に配置されている。また、１／４波長板１０３は、偏光ビームスプリッタ１０２と透過型回折格子１０４との間おいて偏光ビームスプリッタ１０２を透過したレーザ光Ｌの光路上に配置されている。
【0044】
（ｃ）ミラー１０６は、１／４波長板１０３を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２に反射された参照光Ｌｒと、透過型回折格子１０４及び１／４波長板１０３を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２により反射された０次回折光Ｌ０と、の共通光路上に配置されている。
【0045】
（ｄ）第１光検出器１０７は、ミラー１０６により反射された参照光Ｌｒ及び０次回折光Ｌ０の共通光路上に配置されている。
【0046】
上記の特徴により、本実施形態に係る測定光学系１は、以下の効果を奏する。すなわち、参照光Ｌｒと０次回折光Ｌ０とを適切に干渉させることができる。このため、反射型回折格子１０５のＺ軸方向の変位Δｚを適切に測定することができる。
【0047】
＜特徴３＞
本実施形態に係る測定光学系１は、上述した特徴１に加えて、以下の特徴を有している。
本実施形態に係る測定光学系１は、上述した特徴１に加えて、以下の特徴を有している。
【0048】
（ａ）測定光学系１は、更に、偏光ビームスプリッタ１０２と、１／４波長板１０３と、ミラー１０８＋（第１ミラー）と、ミラー１０８－（第２ミラー）と、ビームスプリッタ１０９（第１ビームスプリッタ）と、を備えている。
【0049】
（ｂ）偏光ビームスプリッタ１０２は、光源１０１と透過型回折格子１０４との間において光源１０１からのレーザ光Ｌの光路上に配置されている。また、１／４波長板１０３は、偏光ビームスプリッタ１０２と透過型回折格子１０４との間において偏光ビームスプリッタ１０２を透過したレーザ光Ｌの光路上に配置されている。
【0050】
（ｃ）ミラー１０８＋は、透過型回折格子１０４及び１／４波長板１０３を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２により反射された＋１次回折光Ｌ１＋の光路上に配置されている。また、ミラー１０８－は、透過型回折格子１０４及び１／４波長板１０３を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２により反射された－１次回折光Ｌ１－の光路上に配置されている。
【0051】
（ｄ）ビームスプリッタ１０９は、ミラー１０８＋により反射された＋１次回折光Ｌ１＋の光路とミラー１０８－により反射された－１次回折光Ｌ１－の光路との交差点に配置されている。
【0052】
（ｅ）第２光検出器１１０は、ビームスプリッタ１０９を透過した＋１次回折光Ｌ１＋と、ビームスプリッタ１０９により反射された－１次回折光Ｌ１－と、の共通光路上に配置されている。
【0053】
上記の特徴により、本実施形態に係る測定光学系１は、以下の効果を奏する。すなわち、反射型回折格子１０５のＺ軸方向の位置に依らず、＋１次回折光Ｌ１＋と－１次回折光Ｌ１－と適切に干渉させることができる。このため、反射型回折格子１０５のＸ軸方向の変位Δｘを適切に測定することができる。
【0054】
なお、本実施形態においては、ビームスプリッタ１０９を透過した＋１次回折光Ｌ１＋と、ビームスプリッタ１０９により反射された－１次回折光Ｌ１－と、の共通光路上に、第２光検出器１１０を配置しているが、これに限定されない。例えば、ビームスプリッタ１０９を透過した－１次回折光Ｌ１－と、ビームスプリッタ１０９により反射された＋１次回折光Ｌ１＋と、の共通光路上に第２光検出器１１０を配置してもよい。
【0055】
＜特徴４＞
本実施形態に係る測定光学系１は、上述した特徴３に加えて、以下の特徴を有している。
本実施形態に係る測定光学系１は、上述した特徴３に加えて、以下の特徴を有している。
【0056】
（ａ）反射型回折格子１０５は、透過型回折格子１０４を透過したレーザ光Ｌの光軸と直交するＸ軸方向（特許請求の範囲における「第１軸」）に変位可能である。
【0057】
（ｂ）反射型回折格子１０５には、回折パターン１０５ｂ、すなわち、Ｘ軸方向の周期性を有する凹凸構造が形成されている。
【0058】
（ｃ）透過型回折格子１０４には、回折パターン１０４ｃ＋、すなわち、＋１次回折光Ｌ１＋が入射する領域に配置された第１凹凸構造であって、Ｘ軸方向の周期性を有する第１凹凸構造が形成されている。また、透過型回折格子１０４には、回折パターン１０４ｃ－、すなわち、－１次回折光Ｌ１－が入射する領域に配置された第２凹凸構造であって、Ｘ軸方向の周期性を有する第２凹凸構造が形成されている。
【0059】
（ｄ）ミラー１０８＋は、回折パターン１０４ｃ＋により回折されて透過型回折格子１０４を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２により反射された＋１次回折光Ｌ１＋の光路上に配置されている。また、ミラー１０８－は、回折パターン１０４ｃ－により回折されて透過型回折格子１０４を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２により反射された－１次回折光Ｌ１－の光路上に配置されている。
【0060】
上記の特徴により、本実施形態に係る測定光学系１は、以下の効果を奏する。すなわち、反射型回折格子１０５のＸ軸方向の変位Δｘを、干渉信号Ｉｘの交流成分Ｓｘから上述した式（１）に従って算出することができる。
【0061】
【0062】
信号処理装置２は、第１取得部２１と、第１抽出部２２と、第１算出部２３と、第２取得部２４と、第２抽出部２５と、第２算出部２６と、を備えている。
【0063】
第１取得部２１は、第１光検出器１０７から第１干渉信号Ｉｚを取得するための構成である。第１取得部２１が取得した第１干渉信号Ｉｚは、第１抽出部２２に提供される。
【0064】
第１抽出部２２は、第１干渉信号Ｉｚから、その交流成分である第１交流成分Ｓｚを抽出するための構成である。第１抽出部２２が抽出した第１交流成分Ｓｚは、第１算出部２３に提供される。
【0065】
第１算出部２３は、上述した式（１）を用いて、第１交流成分Ｓｚから、反射型回折格子１０５のＺ軸方向の変位Δｚを算出するための構成である。
【0066】
第２取得部２４は、第２光検出器１１０から第２干渉信号Ｉｘを取得するための構成である。第２取得部２４が取得した第２干渉信号Ｉｘは、第２抽出部２５に提供される。
【0067】
第２抽出部２５は、第２干渉信号Ｉｘから、その交流成分である第２交流成分Ｓｘを抽出するための構成である。第２抽出部２５が抽出した第２交流成分Ｓｘは、第２算出部２６に提供される。
【0068】
第２算出部２６は、上述した式（２）を用いて、第２交流成分Ｓｘから、反射型回折格子１０５のＸ軸方向の変位Δｘを算出するための構成である。
【0069】
信号処理装置２を測定光学系１と併用することによって、反射型回折格子１０５のＺ軸方向の変位Δｚ、及び、Ｘ軸方向の変位Δｘを特定することができる。反射型回折格子１０５が物体と連動する場合には、その物体のＺ軸方向の変位Δｚ、及び、Ｘ軸方向の変位Δｘを特定することができる。
【0070】
なお、信号処理装置２の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各ブロック（第１取得部２１、第１抽出部２２、第１算出部２３、第２取得部２４、第２抽出部２５、及び第２算出部２６）としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。
【0071】
この場合、信号処理装置２は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上述した各ブロックの各機能が実現される。
【0072】
上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、信号処理装置２が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。
【0073】
また、上記各ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。
【0074】
（実証実験）
発明者らは、上述した測定光学系１及び信号処理装置２を用いて反射型回折格子１０５の変位Δｘ，Δｚを測定すると共に、精度が保証された参照用外部センサーを用いて反射型回折格子１０５の変位Δｘ，Δｚを測定し、それぞれの測定結果を比較する実証実験を行った。本実証実験においては、光源１０１として、波長λが６８５ｎｍであるコリメートレーザ光を発するレーザダイオードを用いた。また、透過型回折格子１０４としては、周期ｇが１０００ｎｍであるストライプ状の回折パターン１０４ｃ±が形成された透過型回折格子を用いた。また、反射型回折格子１０５としては、周期ｇが１０００ｎｍであるドット状の回折パターン１０５ｂが形成された反射型回折格子を用いた。
発明者らは、上述した測定光学系１及び信号処理装置２を用いて反射型回折格子１０５の変位Δｘ，Δｚを測定すると共に、精度が保証された参照用外部センサーを用いて反射型回折格子１０５の変位Δｘ，Δｚを測定し、それぞれの測定結果を比較する実証実験を行った。本実証実験においては、光源１０１として、波長λが６８５ｎｍであるコリメートレーザ光を発するレーザダイオードを用いた。また、透過型回折格子１０４としては、周期ｇが１０００ｎｍであるストライプ状の回折パターン１０４ｃ±が形成された透過型回折格子を用いた。また、反射型回折格子１０５としては、周期ｇが１０００ｎｍであるドット状の回折パターン１０５ｂが形成された反射型回折格子を用いた。
【0075】
図４は、測定光学系１及び信号処理装置２を用いて測定した反射型回折格子１０５の変位Δｘ（面内方向の変位）と、参照用外部センサーを用いて測定した反射型回折格子１０５の変位Δｘと、の関係を示すグラフである。図４から分かるように、変位Δｘに関して、測定光学系１及び信号処理装置２を用いた測定の内挿誤差は±１ｎｍ以内であることが実証された。
【0076】
図５は、測定光学系１及び信号処理装置２を用いて測定した反射型回折格子１０５の変位Δｚ（面外方向の変位）と、参照用外部センサーを用いて測定した反射型回折格子１０５の変位Δｚと、の関係を示すグラフである。図５から分かるように、変位Δｚに関して、測定光学系１及び信号処理装置２を用いた測定の内挿誤差は±１５ｎｍ以内であることが実証された。
【0077】
（測定光学系の応用例）
測定光学系１は、例えば、サーフェスエンコーダに適用することができる。サーフェスエンコーダは、例えば、半導体を製造する際に必要になるナノメートルオーダー又はサブナノメートルオーダーの超精密位置決めに利用される。
測定光学系１は、例えば、サーフェスエンコーダに適用することができる。サーフェスエンコーダは、例えば、半導体を製造する際に必要になるナノメートルオーダー又はサブナノメートルオーダーの超精密位置決めに利用される。
【0078】
【0079】
センサヘッド３は、測定光学系１の他に、ボード１２０と、Ｙ手動ステージ１２１と、ＸＺピエゾステージ１２２と、ＸＺ手動ステージ１２３と、を備えている。
【0080】
測定光学系１を構成する光学部品のうち、反射型回折格子１０５以外の光学部品は、ボード１２０を介してＹ手動ステージ１２１に固定されている。操作者がＹ手動ステージ１２１を手動により操作することによって、測定光学系１を構成する光学部品のうち、反射型回折格子１０５以外の光学部品を、Ｙ軸方向に移動（粗動）することができる。
【0081】
一方、反射型回折格子１０５は、ＸＺピエゾステージ１２２を介してＸＺ手動ステージ１２３に固定されている。操作者がＸＺ手動ステージ１２３を手動により操作することによって、反射型回折格子１０５をＸＺ面内方向に移動（粗動）することができる。また、操作者がＸＺピエゾステージ１２２を電気制御により操作することによって、反射型回折格子１０５をＸＺ面内方向に移動（微動）することができる。
【0082】
変位の測定対象となる物体は、反射型回折格子１０５と共にＸＺピエゾステージ１２２に固定される。これにより、物体の変位を、反射型回折格子１０５の変位として測定することができる。
【0083】
（測定光学系の変形例）
測定光学系１の一変形例（以下、測定光学系１Ａと記載する）について、図７～図８を参照して説明する。図７は、測定光学系１Ａの側面図である。図８は、図７に示す測定光学系１に含まれる透過型回折格子１０４及び反射型回折格子１０５の正面図である。
測定光学系１の一変形例（以下、測定光学系１Ａと記載する）について、図７～図８を参照して説明する。図７は、測定光学系１Ａの側面図である。図８は、図７に示す測定光学系１に含まれる透過型回折格子１０４及び反射型回折格子１０５の正面図である。
【0084】
測定光学系１Ａは、反射型回折格子１０５のＹ軸方向の変位を測定可能にするべく、透過型回折格子１０４及び反射型回折格子１０５を変形すると共に、幾つかの光学部品を追加したものである。追加された光学部品は、ミラー１１１＋、ミラー１１１－、ビームスプリッタ１１２（第２ビームスプリッタ）、及び第３光検出器１１３である。
【0085】
図１に示す測定光学系１の反射型回折格子１０５の主面１０５ａには、図２に示すように、ストライプ状の回折パターン１０５ｂ、すなわち、Ｘ軸方向の周期性を有する凹凸構造が形成されている。これに対して、図８に示す測定光学系１Ａの反射型回折格子１０５の主面１０５ａには、図８に示すように、ドット状の回折パターン１０５ｂ、すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の周期性を有する凹凸構造が形成されている。これにより、ＸＺ面内方向に進行する±１次回折光Ｌ１±に加えて、ＹＺ面内方向に進行する±１次回折光Ｌ１±が生じる。
【0086】
また、図１に示す測定光学系１の透過型回折格子１０４の主面１０４ｂにおいては、図２に示すように、ＸＺ面内方向に進行する±１次回折光Ｌ１±が入射する領域にストライプ状の回折パターン１０４ｃ±が形成されている。これに対して、図８に示す測定光学系１Ａの透過型回折格子１０４の主面１０４ｂにおいては、これらの回折パターン１０４ｃ±に加えて、ＹＺ面内方向に進行する±１次回折光Ｌ１±が入射する領域にストライプ状の回折パターン１０４ｄ＋，１０４ｄ－が形成されている。ここで、回折パターン１０４ｃ±は、Ｘ軸方向の周期性を有する凹凸構造であるのに対して、回折パターン１０４ｄ＋，１０４ｄ－は、Ｘ軸方向の周期性を有する凹凸構造である。
【0087】
ミラー１０８±及びビームスプリッタ１０９は、上述したとおり、回折パターン１０４ｃ±を透過した±１次回折光Ｌ１±を第２光検出器１１０に導くための構成である。一方、ミラー１１１±及びビームスプリッタ１１２は、回折パターン１０４ｄ±を透過した±１次回折光Ｌ１±を第３光検出器１１３に導くための構成である。ミラー１１１±及びビームスプリッタ１１２の配置及び機能は、ミラー１０８±及びビームスプリッタ１０９の配置及び機能と同様であるため、ここではその説明を割愛する。
【0088】
第３光検出器１１３から出力される干渉信号Ｉｙの交流成分Ｓｙと、反射型回折格子１０５のＹ軸方向の変位Δｙとの間には、上記の式（２）と同様の関係が存在する。このため、第３光検出器１１３から出力される干渉信号Ｉｙの交流成分Ｓｙから、反射型回折格子１０５のＹ軸方向の変位Δｙを算出することができる。
【0089】
（付記事項）
本明細書には、本発明の以下の態様が記載されている。ただし、本発明は、以下の態様に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態として開示した技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本明細書には、本発明の以下の態様が記載されている。ただし、本発明は、以下の態様に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態として開示した技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【0090】
＜態様１＞
回折パターンが部分的に形成された透過型回折格子であって、光源からのレーザ光が前記回折パターンにより回折されずに自身を透過するように配置された透過型回折格子と、
前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、
前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第１光検出器と、
前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第２光検出器と、を備えている、
測定光学系。
回折パターンが部分的に形成された透過型回折格子であって、光源からのレーザ光が前記回折パターンにより回折されずに自身を透過するように配置された透過型回折格子と、
前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、
前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第１光検出器と、
前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる干渉光を検出する第２光検出器と、を備えている、
測定光学系。
【0091】
＜態様２＞
前記光源と前記透過型回折格子との間において前記光源からのレーザ光の光路上に配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記透過型回折格子との間において前記偏光ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の光路上に配置された１／４波長板と、
前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタに反射された前記参照光と、前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記０次回折光と、の共通光路上に配置されたミラーと、を更に備え、
前記第１光検出器は、前記ミラーにより反射された前記参照光及び前記０次回折光の共通光路上に配置されている、
態様１に記載の測定光学系。
前記光源と前記透過型回折格子との間において前記光源からのレーザ光の光路上に配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記透過型回折格子との間において前記偏光ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の光路上に配置された１／４波長板と、
前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタに反射された前記参照光と、前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記０次回折光と、の共通光路上に配置されたミラーと、を更に備え、
前記第１光検出器は、前記ミラーにより反射された前記参照光及び前記０次回折光の共通光路上に配置されている、
態様１に記載の測定光学系。
【0092】
＜態様３＞
前記光源と前記透過型回折格子との間において前記光源からのレーザ光の光路上に配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記透過型回折格子との間において前記偏光ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の光路上に配置された１／４波長板と、
前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置された第１ミラーと、
前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置された第２ミラーと、
前記第１ミラーにより反射された前記＋１次回折光の光路と前記第２ミラーにより反射された前記－１次回折光の光路との交差点に配置された第１ビームスプリッタと、を更に備え、
前記第２光検出器は、前記第１ビームスプリッタを透過した前記＋１次回折光と、前記第１ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光と、の共通光路上、又は、前記第１ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光と、前記第１ビームスプリッタを透過した前記－１次回折光と、の共通光路上に配置されている、
態様１に記載の測定光学系。
前記光源と前記透過型回折格子との間において前記光源からのレーザ光の光路上に配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記透過型回折格子との間において前記偏光ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の光路上に配置された１／４波長板と、
前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置された第１ミラーと、
前記透過型回折格子及び前記１／４波長板を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置された第２ミラーと、
前記第１ミラーにより反射された前記＋１次回折光の光路と前記第２ミラーにより反射された前記－１次回折光の光路との交差点に配置された第１ビームスプリッタと、を更に備え、
前記第２光検出器は、前記第１ビームスプリッタを透過した前記＋１次回折光と、前記第１ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光と、の共通光路上、又は、前記第１ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光と、前記第１ビームスプリッタを透過した前記－１次回折光と、の共通光路上に配置されている、
態様１に記載の測定光学系。
【0093】
＜態様４＞
前記反射型回折格子は、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と直交する第１軸方向に変位可能であり、
前記反射型回折格子には、前記第１軸方向の周期性を有する凹凸構造が形成されており、
前記透過型回折格子には、前記回折パターンとして、前記＋１次回折光が入射する領域に配置された第１凹凸構造であって、前記第１軸方向の周期性を有する第１凹凸構造と、前記－１次回折光が入射する領域に配置された第２凹凸構造であって、前記第１軸方向の周期性を有する第２凹凸構造と、が形成されており、
前記第１ミラーは、前記第１凹凸構造により回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置されており、
前記第２ミラーは、前記第２凹凸構造により回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置されている、
態様３に記載の測定光学系。
前記反射型回折格子は、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と直交する第１軸方向に変位可能であり、
前記反射型回折格子には、前記第１軸方向の周期性を有する凹凸構造が形成されており、
前記透過型回折格子には、前記回折パターンとして、前記＋１次回折光が入射する領域に配置された第１凹凸構造であって、前記第１軸方向の周期性を有する第１凹凸構造と、前記－１次回折光が入射する領域に配置された第２凹凸構造であって、前記第１軸方向の周期性を有する第２凹凸構造と、が形成されており、
前記第１ミラーは、前記第１凹凸構造により回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置されており、
前記第２ミラーは、前記第２凹凸構造により回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置されている、
態様３に記載の測定光学系。
【0094】
＜態様５＞
前記反射型回折格子は、更に、前記第１軸方向に直交する第２軸方向に変位可能であり、
前記反射型回折格子に形成された前記凹凸構造は、更に、前記第２軸方向の周期性を有し、
前記透過型回折格子には、前記回折パターンとして、更に、前記＋１次回折光が入射する領域に配置された第３凹凸構造であって、前記第２軸方向の周期性を有する第３凹凸構造と、前記－１次回折光が入射する領域に配置された第４凹凸構造であって、前記第２軸方向の周期性を有する第４凹凸構造と、が形成されており、
当該測定光学系は、更に、
前記第３凹凸構造に回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置された第３ミラーと、
前記第４凹凸構造に回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置された第４ミラーと、
前記第３ミラーにより反射された前記＋１次回折光の光路と前記第４ミラーにより反射された前記－１次回折光の光路との交差点に配置された第２ビームスプリッタと、
前記第２ビームスプリッタを透過した前記＋１次回折光、及び、前記第２ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の共通光路上、又は、前記第２ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光、及び、前記第２ビームスプリッタを透過した前記－１次回折光の共通光路上に配置された第３光検出器と、を備えている、
態様４に記載の測定光学系。
前記反射型回折格子は、更に、前記第１軸方向に直交する第２軸方向に変位可能であり、
前記反射型回折格子に形成された前記凹凸構造は、更に、前記第２軸方向の周期性を有し、
前記透過型回折格子には、前記回折パターンとして、更に、前記＋１次回折光が入射する領域に配置された第３凹凸構造であって、前記第２軸方向の周期性を有する第３凹凸構造と、前記－１次回折光が入射する領域に配置された第４凹凸構造であって、前記第２軸方向の周期性を有する第４凹凸構造と、が形成されており、
当該測定光学系は、更に、
前記第３凹凸構造に回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光の光路上に配置された第３ミラーと、
前記第４凹凸構造に回折されて前記透過型回折格子を透過し、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の光路上に配置された第４ミラーと、
前記第３ミラーにより反射された前記＋１次回折光の光路と前記第４ミラーにより反射された前記－１次回折光の光路との交差点に配置された第２ビームスプリッタと、
前記第２ビームスプリッタを透過した前記＋１次回折光、及び、前記第２ビームスプリッタにより反射された前記－１次回折光の共通光路上、又は、前記第２ビームスプリッタにより反射された前記＋１次回折光、及び、前記第２ビームスプリッタを透過した前記－１次回折光の共通光路上に配置された第３光検出器と、を備えている、
態様４に記載の測定光学系。
【0095】
＜態様６＞
態様１～５の何れ一項に記載の測定光学系と併用される信号処理装置であって、
前記第１光検出器から出力される第１干渉信号Ｉｚを取得する第１取得部と、
前記第１干渉信号Ｉｚから、その交流成分である第１交流成分Ｓｚを抽出する第１抽出部と、
前記第１交流成分Ｓｚから、下記式（１）に従って、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位Δｚを算出する第１算出部と、
前記第２光検出器から出力される第２干渉信号Ｉｘを取得する第２取得部と、
前記第２干渉信号Ｉｘから、その交流成分である第２交流成分Ｓｘを抽出する第２抽出部と、
前記第２交流成分Ｓｘから、下記式（２）に従って、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位Δｘを算出する第２算出部と、を備えている、
信号処理装置。
ここで、波長λは、前記レーザ光の波長であり、周期ｇは、前記透過型回折格子及び前記反射型回折格子の各々の回折パターンの周期である。
態様１～５の何れ一項に記載の測定光学系と併用される信号処理装置であって、
前記第１光検出器から出力される第１干渉信号Ｉｚを取得する第１取得部と、
前記第１干渉信号Ｉｚから、その交流成分である第１交流成分Ｓｚを抽出する第１抽出部と、
前記第１交流成分Ｓｚから、下記式（１）に従って、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位Δｚを算出する第１算出部と、
前記第２光検出器から出力される第２干渉信号Ｉｘを取得する第２取得部と、
前記第２干渉信号Ｉｘから、その交流成分である第２交流成分Ｓｘを抽出する第２抽出部と、
前記第２交流成分Ｓｘから、下記式（２）に従って、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位Δｘを算出する第２算出部と、を備えている、
信号処理装置。
【数3】
ここで、波長λは、前記レーザ光の波長であり、周期ｇは、前記透過型回折格子及び前記反射型回折格子の各々の回折パターンの周期である。
【0096】
＜態様７＞
態様１～５の何れか一項に記載の測定光学系を含むセンサヘッドを備えている、
サーフェスエンコーダ。
態様１～５の何れか一項に記載の測定光学系を含むセンサヘッドを備えている、
サーフェスエンコーダ。
【0097】
＜態様８＞
回折パターンが部分的に形成された透過型回折格子であって、光源からのレーザ光が前記回折パターンにより回折されずに自身を透過するように配置された透過型回折格子と、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、を用い、
前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位を算出する第１算出工程と、
前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる第２干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位を算出する第２算出工程と、を含んでいる、
測定方法。
回折パターンが部分的に形成された透過型回折格子であって、光源からのレーザ光が前記回折パターンにより回折されずに自身を透過するように配置された透過型回折格子と、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光を回折させる反射型回折格子であって、０次回折光が前記回折パターンにより回折されずに前記透過型回折格子を透過し、＋１次回折光及び－１次回折光が前記回折パターンにより回折されて前記透過型回折格子を透過するように配置された反射型回折格子と、を用い、
前記透過型回折格子が前記光源からの前記レーザ光を反射することにより生じる参照光と前記透過型回折格子を透過した前記０次回折光との干渉により生じる干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸と平行な方向の変位を算出する第１算出工程と、
前記透過型回折格子を透過した前記＋１次回折光と前記－１次回折光との干渉により生じる第２干渉光を参照して、前記反射型回折格子の変位であって、前記透過型回折格子を透過した前記レーザ光の光軸方向と垂直な方向の変位を算出する第２算出工程と、を含んでいる、
測定方法。
【符号の説明】
【0098】
１ 測定光学系
１０１ 光源
１０２ 偏光ビームスプリッタ
１０３ １／４波長板
１０４ 透過型回折格子
１０５ 反射型回折格子
１０６ ミラー
１０７ 光検出器
１０８＋ ミラー（第１ミラー）
１０８－ ミラー（第２ミラー）
１０９ ビームスプリッタ
１１０ 光検出器
１０１ 光源
１０２ 偏光ビームスプリッタ
１０３ １／４波長板
１０４ 透過型回折格子
１０５ 反射型回折格子
１０６ ミラー
１０７ 光検出器
１０８＋ ミラー（第１ミラー）
１０８－ ミラー（第２ミラー）
１０９ ビームスプリッタ
１１０ 光検出器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】