JP2017067742A - 干渉計及び変位量測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型な移動体の変位量を高分解能で且つ高速で計測できる干渉計及び変位量測定装置を提供する。【解決手段】マイケルソンの干渉計をベースとした干渉計であって、参照ミラー9は光軸に対して傾斜配置し、光検出手段7上に少なくとも1/2周期の干渉縞を形成する。2つのフォトダイオード7a,7bは、干渉縞の輝度分布方向にそって配置すると共に、その離間距離はP/4(Pは干渉縞の1周期)に設定する。この構成により、2つのフォトダイオード7a,7bからの出力信号はA/B相信号を形成する。【選択図】図1
Description
本発明は、移動体の変位量に対応したA/B相信号(2相正弦波状信号)を出力する干渉計に関するものである。
さらに、本発明は、A/B相信号を用いて移動体の変位量を高速且つ高分解能で検出できる変位量測定装置に関するものである。
さらに、本発明は、A/B相信号を用いて移動体の変位量を高速且つ高分解能で検出できる変位量測定装置に関するものである。
半導体デバイスの微細化に伴い、各種ステージ等の移動体の変位量をサブナノメータのオーダーで計測できる干渉計や変位計の開発が強く要請されている。例えば、原子間力顕微鏡(AFM)においては、カンチレバーを支持するステージの位置をサブナノメータの分解能で制御することが要請されている。また、カンチレバーが搭載されたステージの移動速度は10mm/秒にわたるため、高速制御に対応できることも要請されている。
移動体の変位量を高精度で計測する手法としてマイケルソンの干渉計を用いてA/B相信号を形成し、得られたA/B相信号をアークタンジェント処理することにより、変位量を高分解能で算出することが既知である(例えば、特許文献1参照)。この既知の光干渉計では、レーザ光源から出射したレーザビームを無偏光ビームスプリッタにより2分割して測定光と参照光を形成している。そして、測定光を移動体に向けて投射すると共に参照光を参照ミラーに向けて投射し、参照ミラー及び移動体でそれぞれ反射した反射光を合成し、干渉ビームが形成される。さらに、形成された干渉ビームを別の無偏光ビームスプリッタにより2分割し、一方の分割ビームは1/4波長板及び偏光ビームスプリッタ(PBS)を介して測定光と参照光とに分離し、他方の分割ビームはそのまま偏光ビームスプリッタを介して参照光と測定光とに分離し、互いに位相が90°ずれた4本のビームを形成している。そして、4本のビームを各光検出器によりそれぞれ検出し、4つの光検出器からの出力信号は信号処理装置に供給され、差分処理を経てA/B相信号が形成されている。
さらに、この既知光干渉計では、形成されたA/B相信号について、アークタンジェント処理が行われ、アークタンジェント処理に基づいて移動体の変位量が算出されている。
特開2006−170796号公報
上述した既知の光干渉計では、マイケルソンの干渉計から出射した干渉光について、干渉系とは別に設けた無偏光ビームスプリッタを用いて2分割し、分割された2本の干渉ビームについてそれぞれ偏光素子と偏光ビームスプリッタを用いて位相が90°互いにずれた4本のビームを形成し、これら4本のビームに基づいてA/B相信号を形成している。この既知の光干渉計では、マイケルソンの干渉計に加えて、偏光素子や偏光ビームスプリッタが必要となるため、検査ヘッドが大型化する欠点があった。一方、原子間力顕微鏡に用いられるカンチレバーが搭載されたステージの寸法は小さいため、A/B相信号を検出する光学ヘッドの大きさも小さくする必要がある。従って、レーザ光源及びマイケルソンの干渉計に加えて、さらに3個のビームスプリッタと1つの1/4波長板及び4個の光検出器が搭載された検査ヘッドは寸法が大き過ぎ、カンチレバーが搭載されたステージに連結することが困難であった。従って、部品点数が少なく小型化が可能な干渉計の開発が強く要請されている。
上記特許文献に記載されているように、変位量を算出する方法として、A/B相信号についてアークタンジェント処理を行って変位量を算出ことも可能である。しかしながら、アークタンジェント処理では、計算量が多すぎ、処理時間がかかるため高速処理の目的に適合しない欠点があった。特に、小型な移動体は高速移動するため、その変位量を高速で演算処理する必要がある。よって、アークタンジェント処理は、小型で高速移動する移動体の位置制御に整合しないものである。さらに、アークタンジェント処理では、B相信号(cos信号)が零になる点においてノイズの影響を受け易く動作が不安定になり、計測精度の観点より問題があった。さらに、演算処理のアルゴリズムが複雑化する問題点も指摘されている。
本発明の目的は、小型な光学ヘッドとして設計することができ、小型な移動体の変位量を測定するために好適な干渉計を実現することにある。
さらに、本発明の目的は、A/B相信号について高速で処理することができ、高速移動する移動体の位置制御に好適な変位量測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、A/B相信号から比較的簡単なアルゴリズムで変位量を測定できる変位量測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の目的は、A/B相信号について高速で処理することができ、高速移動する移動体の位置制御に好適な変位量測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、A/B相信号から比較的簡単なアルゴリズムで変位量を測定できる変位量測定装置を実現することにある。
本発明による干渉計は、位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号を出力する干渉計であって、
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな測定光と参照光とを形成し、測定光を移動体に向けて投射すると共に参照光を参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを空間的に重ね合わせて干渉ビームを形成する光学装置と、
互いに離間するように配置した第1及び第2の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光してA/B相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも1/2周期の干渉縞が形成されるように光軸に対して傾斜配置され、
前記光検出手段の2つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布方向と一致するように設定され、
前記2つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をPとし、mを正の整数とした場合、距離(2m−1)P/4にほぼ等しいことを特徴とする。
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな測定光と参照光とを形成し、測定光を移動体に向けて投射すると共に参照光を参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを空間的に重ね合わせて干渉ビームを形成する光学装置と、
互いに離間するように配置した第1及び第2の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光してA/B相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも1/2周期の干渉縞が形成されるように光軸に対して傾斜配置され、
前記光検出手段の2つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布方向と一致するように設定され、
前記2つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をPとし、mを正の整数とした場合、距離(2m−1)P/4にほぼ等しいことを特徴とする。
マイケルソンの干渉計は、サイズが1cm四方の光学装置として設計することができる小型な干渉計である。よって、原子間力顕微鏡のカンチレバーを支持するステージのような小型な移動体の変位量を測定するのに好適である。一方、特許文献1に記載されているように、マイケルソンの干渉計に種々の光学素子や部品を取り付けたのでは、干渉計としてのサイズが大きくなり、小型な移動体の位置制御に適合しない問題が発生する。そこで、本発明では、マイケルソンの干渉計をベースとし、新たな光学素子を設けることなく、A/B相信号を出力できる干渉計を実現する。本発明では、参照ミラーを光軸に対して傾斜配置し、移動体から出射した測定光と参照ミラーから出射した参照光との間に光軸と直交する方向に沿って連続的に変化する位相差を導入する。導入された位相差により、光検出手段上には濃淡の干渉縞画像が形成される。そして、干渉縞画像の濃淡方向(輝度分布方向)にそって2つの光検出素子を配置し、その離間距離は、Pを干渉縞の1周期とし、mを正の整数とした場合に、距離(2m−1)P/4に等しくなるように設定する。この場合、干渉縞画像の濃淡方向にそって距離(2m−1)P/4だけ離間した位置に光検出素子を配置しているので、2つの光検出素子から互いにπ/4だけ位相シフトした正弦波信号が出力される。従って、マイケルソンの干渉計に別に新たな光学部品を取り付けることなく、A/B相信号を出力する干渉計が実現される。
本発明による干渉計の好適実施例は、光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布は、前記移動体の変位に応じて、前記2つの光検出素子の離間方向にそって変化することを特徴とする。本発明の干渉計では、移動体の変位による干渉縞の輝度分布の変化方向と光検出素子の配列方向(離間方向)とが一致するので、移動体の光軸方向の変位に応じて光検出素子上に形成される干渉縞の輝度分布も連続的に変化する。しかも、本発明では、2つの光検出素子は干渉縞の周期の1/4の距離だけ離間するので、干渉縞の輝度値を検出するだけで移動体の変位に応じたA/B相信号を出力することができる。従って、干渉縞の輝度値の変化を直接測定するだけで、A/B相信号を出力することが可能である。
本発明による変位量測定装置は、位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号から移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したA/B相信号から、位相が順次所定量づつシフトした2相信号をそれぞれ発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したA/B相信号及び位相シフトした2相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位量を出力する加算段とを有することを特徴とする。
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したA/B相信号から、位相が順次所定量づつシフトした2相信号をそれぞれ発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したA/B相信号及び位相シフトした2相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位量を出力する加算段とを有することを特徴とする。
本発明では、入力したA/B相信号から、位相が所定量づつ順次シフトした2相信号を並列して形成し、A/B相信号及び位相シフトした複数の2相信号について変位計測処理を並行して実行しているので、高分解能の変位量測定を高速で実行することができる。
本発明による変位量測定装置は、n及びNを2以上の整数とした場合に、位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号を用いて、2(n+N)逓倍された移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、kを式0<k<2Nを満たす整数とした場合に、入力したA/B相信号から、位相が(2π/2n)×(k/2N)だけ順次シフトした2相信号をそれぞれ発生する(2N−1)個の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記位相シフター段の各位相シフター及び前記入力部にそれぞれ接続され、前記A/B相信号及び各位相シフターから出力される位相シフトした2相信号をそれぞれ用いて変位計測演算を行う2N個の2n逓倍変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記2N個の2n逓倍変位計測モジュールから出力される演算結果を加算して、移動体の2(N+n)逓倍変位計測値を出力する加算段とを有することを特徴とする。
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、kを式0<k<2Nを満たす整数とした場合に、入力したA/B相信号から、位相が(2π/2n)×(k/2N)だけ順次シフトした2相信号をそれぞれ発生する(2N−1)個の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記位相シフター段の各位相シフター及び前記入力部にそれぞれ接続され、前記A/B相信号及び各位相シフターから出力される位相シフトした2相信号をそれぞれ用いて変位計測演算を行う2N個の2n逓倍変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記2N個の2n逓倍変位計測モジュールから出力される演算結果を加算して、移動体の2(N+n)逓倍変位計測値を出力する加算段とを有することを特徴とする。
本発明による変位量測定装置の好適実施例は、8逓倍変位計測を行う変位量測定装置であって、8逓倍変位計測モジュールは、
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、前記2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第1の計測系と、
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号をπ/4だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第2の計測系と、
前記第1の計測系の変位弁別手段からの出力及び第2の計測系の変位弁別手段からの出力を計数するカウンタとを有することを特徴とする。
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、前記2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第1の計測系と、
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号をπ/4だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第2の計測系と、
前記第1の計測系の変位弁別手段からの出力及び第2の計測系の変位弁別手段からの出力を計数するカウンタとを有することを特徴とする。
8逓倍変位計測は、4逓倍変位計測と比較して、位相シフターの数量が半減される利点がある。この場合において、位相シフターは4つの乗算器を用い、乗算器は大量のハードウエアを必要とするため、位相シフターの数量を半減できることはハードウエアの減量を図る上で極めて有益である。さらに、第1及び第2の変位弁別手段の出力について、オアゲートを介して単一のアップ/ダウンカウンタに供給すれば、アップ/ダウンカウンタを共用することできると共に、加算段を1段分削減することができる。この結果、ハードウエアの減量に一層有効に寄与することができる。
本発明による変位量測定装置の別の好適実施例は、8逓倍変位計測モジュールに含まれるπ/4位相シフターは、入力部にそれぞれ接続した2つの加算器により構成されることを特徴とする。8逓倍変位計測では、変位計測モジュールにおいて、π/4位相シフターを用いてA/B相信号又は位相シフトされた2相信号をπ/4位相シフトする必要がある。この場合、π/4位相シフターは4つの乗算器と2つの加算器とを含み、多くのハードウエアが必要となる。そこで、本発明では、π/4位相シフターの後段には2値化手段(コンパレータ)が直接接続されて2値化処理が実行され、振幅に対して比較的広い範囲の自由度が許容されることを考慮し、π/4位相シフターを2つの加算器又は1つの加算器と1つの減算器で構成する(段落[0040]及び[0041]並びに図9参照)。このように、π/4位相シフターを2つの加算器で構成すれば、ハードウエアを相当量減量することができる利点が達成される。
本発明の変位量測定装置は、位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号を出力する干渉計と、干渉計から出力されるA/B相信号を用いて移動体の変位量を算出する信号処理装置とを有する変位量測定装置であって、前記干渉計は、
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな第1及び第2のサブビームを形成し、第1のサブビームを移動体に向けて投射すると共に第2のサブビームを参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを合成して干渉ビームを発生する光学装置と、
第1及び第2の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光して位相が互いにπ/2ずれたA/B相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも1周期の干渉縞が形成されるように光軸に対して傾斜配置されると共に前記光検出手段の2つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の濃淡方向と一致するように設定され、
前記2つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をPとし、mを正の整数とした場合、距離(2m−1)P/4にほぼ等しくなるように設定され、前記信号処理装置は、
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したA/B相信号から、位相が順次所定量づつシフトした2相信号を発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したA/B相信号及び位相シフトした2相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位計測データを出力する加算段とを有することを特徴とする。
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな第1及び第2のサブビームを形成し、第1のサブビームを移動体に向けて投射すると共に第2のサブビームを参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを合成して干渉ビームを発生する光学装置と、
第1及び第2の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光して位相が互いにπ/2ずれたA/B相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも1周期の干渉縞が形成されるように光軸に対して傾斜配置されると共に前記光検出手段の2つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の濃淡方向と一致するように設定され、
前記2つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をPとし、mを正の整数とした場合、距離(2m−1)P/4にほぼ等しくなるように設定され、前記信号処理装置は、
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したA/B相信号から、位相が順次所定量づつシフトした2相信号を発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したA/B相信号及び位相シフトした2相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位計測データを出力する加算段とを有することを特徴とする。
本発明の干渉計では、光検出手段上に少なくとも1周期の干渉縞が形成されるように参照ミラーを光軸に対して傾斜配置すると共に、光検出手段に設けた2つの光検出素子の離間方向は干渉縞の輝度分布方向と一致させ、さらに、2つの光検出素子の離間距離は干渉縞の周期の1/4の距離に設定しているので、2つの光検出素子からの出力信号をそのまま用いて移動体の変位に対応したA/B相信号を発生することができる。この結果、マイケルソンの干渉計に別に新たな光学部品を取り付けることなく、A/B相信号を出力する干渉計が実現される。従って、小型な干渉計が実現され、小型な移動体の変位量を測定するために好適な干渉計が実現される。
本発明による変位量測定装置では、入力したA/B相信号から位相が所定量づつ順次シフトした(2N−1)個の2相信号を並行して形成し、A/B相信号及び位相が順次シフトした(2N−1)個の2相信号について変位計測処理を並行して実行しているので、高分解能の変位計測を高速で実行することができる。
本発明による変位量測定装置では、入力したA/B相信号から位相が所定量づつ順次シフトした(2N−1)個の2相信号を並行して形成し、A/B相信号及び位相が順次シフトした(2N−1)個の2相信号について変位計測処理を並行して実行しているので、高分解能の変位計測を高速で実行することができる。
図1は本発明による干渉計の一例を示す図である。本例では、AFMのカンチレバーが搭載されたステージを移動体とし、移動体の変位量に対応したA/B相信号を出力する。さらに、出力したA/B相信号を用いてステージの変位量を算出する。カンチレバーが搭載されたステージのサイズは小さいため、干渉計自体も小さくする必要がある。そこで、本発明では、マイケルソン干渉計を用いる。マイケルソンの干渉計は高々1cm四方のサイズに設計できるので、小型な移動体の変位量測定に好適である。さらに、本発明では、小型化を図る観点より、構成部品点数はできるだけ少なくする。
レーザ光源1からレーザビームを発生する。レーザ光源1として、例えば630nmの波長のレーザビームを発生する半導体レーザを用いる。半導体レーザとして、移動体のストロークに対応するため、コヒーレント長の長いレーザビームを発生するDFBレーザが望ましい。レーザ光源1から出射したレーザビームは、コリメータレンズ2により拡大平行光束に変換され、1/2波長板3に入射して円偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ4に入射する。入射したレーザビーム中のP偏光成分は、偏光ビームスプリッタを透過し、測定光として1/4波長板5に入射する。そして、1/4波長板により円偏光に変換され、変位量測定される移動体6に入射する。移動体6は矢印方向(X方向)にそって並進移動し、その移動量に対応したA/B相信号を出力する。
移動体6で反射した反射光は、1/4波長板5によりS偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ4に入射する。そして、偏光膜で反射し、偏光ビームスプリッタから出射し、光検出手段7に入射する。光検出手段として、本例では、2つの光検出素子(フォトダイオード素子)7a及び7bが所定の間隔だけ離間して形成された2分割フォトダイオードを用いる。尚、光検出手段7は、その光入射面が光軸と直交するように配置する。
偏光ビームスプリッタ4に入射したレーザビームのS偏光成分は、偏光ビームスプリッタの偏光膜で反射し、1/4波長板8に入射する。そして、1/4波長板により円偏光に変換され、参照光として参照ミラー9入射する。参照ミラー9で反射した反射光は、1/4波長板8によりP偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ4を透過し、光検出手段7に入射する。光検出手段7上には、移動体から出射した測定光と参照ミラーから出射した参照光とが空間的に重なり合うように入射する。光検出手段7に入射した測定光及び参照光は共にコヒーレント光である。従って、光検出手段7上において、測定光と参照光とが干渉し、測定光と参照光の位相差に対応した干渉画像が形成される。
次に、参照ミラー9の配置形態について説明する。本発明では、参照ミラー9は、光軸に対して僅かな角度だけ傾斜するように傾斜配置し、参照ミラー9から出射する参照光のビーム中に光路長分布を形成する。本例では、図1において、参照ミラーを紙面と直交する方向に延在する軸線を中心にして微小な角度だけ回動(傾斜)させる。例えば、参照ミラーの一端9aが光検出手段7に近づき他端9bが光検出手段から遠ざかるように傾斜させる。このように、参照ミラーを光軸に対して傾斜配置することにより、参照ミラーの左端9aから右端9bに向く方向にそって光路長が連続的に変化する光路長差が参照光中に導入される。従って、光検出手段7上において、光路長分布(位相差分布)を含む参照光と均一な光路長の測定光とが空間的に重なり合い、光検出手段上において測定光と参照光との間の位相差分布に対応した干渉縞が形成される。尚、参照ミラー9の傾斜角度は、光検出手段上に少なくとも1/2周期の干渉縞が形成される角度とする。
図2は、光検出手段7上に形成される干渉画像(干渉縞)の形態を示す。図2において、干渉縞の輝度分布は、移動体の変位に応じて、矢印a又はb方向にそって周期的に変化する。尚、輝度値の変化を4段階で段階的に図示したが、実際には、輝度値は矢印a又はb方向にそって連続的になだらかに変化する。また、干渉縞の1周期をPで示す。図2において、約1.5周期分の干渉縞を図示したが、光検出手段7上には、少なくとも1/2周期の干渉縞画像が形成されれば、十分に目的を達成することができる。2個のフォトダイオード7a及び7bは、矢印a及びbで示す干渉縞の輝度分布方向にそって間隔(2m−1)P/4で配置する。ここで、mは正の整数とする。従って、2つのフォトダイオード7a及び7bは、位相が90°互いにずれた2相正弦波信号(sinθ,cosθ)、すなわちA/B相信号を出力する。また、移動体6が光軸方向にそって変位すると、その変位量に対応して、干渉縞も矢印a又はb方向に移動する。従って、光検出手段から移動体の変位量及び変位方向に対応したA/B相信号が出力され、出力されたA/B相信号について逓倍処理を行うことにより、移動体の変位量及び変位方向を高分解能で測定することができる。
図3は、移動体の変位方向と、干渉縞の輝度分布が変化する方向と、光検出素子から出力されるA/B相信号の変化との対応関係を示す図である。図3(A)は移動体の変位方向を示し、図3(B)は干渉縞の輝度分布の変化方向を示し、図3(C)は光検出素子から出力される輝度信号と移動体の変位との関係を示す。本例では、移動体は矢印ab方向(光軸方向)に沿って移動するものとする。移動体の変位に対応して測定光と参照光との間に導入される位相差が周期的に変化するため、光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布も周期的に変化する。従って、干渉縞の周期Pとした場合、距離P/4だけ離間した2つの光検出素子から出力される輝度信号は、互いに90°位相がずれた正弦波状の2相信号となる。
次に、A/B相信号を用いて移動体の変位を計測する信号処理装置について説明する。本発明では、2n逓倍変位計測(nは2以上の整数とし、4逓倍変位計測及び8逓倍変位計測を含む)をベースとし、高分解能で且つ高速で変位計測を実行する。高分解能且つ高速の変位計測を行うため、本発明では、入力したA/B相信号について位相シフト処理を行い、位相が一定量づつ順次シフトした2相信号を並列して形成する。例えば、4逓倍計測モジュールを用いて1024逓倍の変位計測を行う場合、入力部に並列接続した(256−1)個の位相シフターを用い、入力したA/B相信号から位相量が(π/2)/256づつ順次シフトした2相信号を並列に発生する。或いは、8逓倍計測モジュールを用いて1024逓倍の変位計測を行う場合、入力部に対して並列接続した(128−1)個の位相シフターを用い、入力したA/B相信号から位相が(π/4)/128づつ順次シフトした2相信号を並列に発生する。続いて、入力したA/B相信号及び位相シフトした2相信号のそれぞれについて4逓倍又は8逓倍等の変位計測処理を実行する。続いて、2n逓倍計測処理により得られた演算結果全体を加算段において加算し、移動体の変位計測値として出力する。このように、変位計測されるA/B相信号について位相シフトを行い、位相が所定量づつ順次シフトした2相信号を形成し、位相シフトした2相信号について2n逓倍計測処理を行うことにより高分解能な変位計測を行うことが可能である。同時に、位相シフト処理及び逓倍計測処理に関して、位相シフトされた2相信号ごとに並列演算処理することにより、高速な変位計測を行うことが可能になる。この結果、高速で移動する小型な移動体の変位量を高速且つ高分解能で計測する変位量測定装置が実現される。
図4は2n逓倍変位計測処理のベースとなる4逓倍変位計測方法を説明するための図である。図4の最上段に干渉計やリニアスケールから出力されるA/B相信号を示す。本発明では、干渉計から出力されるA/B相信号だけでなく、リニアスケールや各種計測手段から出力されるA/B相信号を処理の対象とすることができる。A/B相信号は、正弦波状のA相信号と、A相信号に対して位相がπ/2遅れた正弦波状のB相信号により構成される。A/B相信号の下段に、A/B相信号を2値化することにより形成されるA相2値化信号及びB相2値化信号を示す。さらに下段には、A相信号のアップエッジパルス及びダウンエッジパルスと、B相信号のアップエッジパルス及びダウンエッジパルスを示す。尚、図面を明瞭にするため、A相信号及びそれと関連する信号を実線で示し、B相信号及びそれと関連する信号は一点鎖線で示す。
図4のエッジパルス信号の右側に、変位弁別ロジックを示す。4逓倍変位計測法では、A相2値化信号及びB相2値化信号並びにA相及びB相信号のアップエッジパルス及びダウンエッジパルスを用いて論理処理することにより、移動体の変位方向及び変位量を計測することができる。例えば、upパルス数を計数することにより正方向の変位データ量が計測され、downパルス数を計数することにより負方向の変位データ量が計測される。
最下段に4逓倍変位計測モジュールの構成を示す。計測処理されるA/B相信号は入力部10に入力する。入力したA/B相信号は、2値化手段11により2値化処理され、A相及びB相2値化信号を発生する。これら2値化信号はエッジ検出手段12及び変位弁別手段13に供給する。エッジ検出手段は、A相及びB相2値化信号について、アップエッジ及びダウンエッジを検出し、これらエッジ検出信号を変位弁別手段13に供給する。変位弁別手段は、A相及びB相2値化信号並びに4つのエッジ検出信号を用いて、アップパルス又はダウンパルスを形成し、これらのパルス信号をアップ/ダウンカウンタ14に供給する。アップ/ダウンカウンタ14は、入力したパルス数を計数し、4逓倍変位計測値として出力する。
次に、8逓倍変位計測について説明する。図5は8逓倍変位計測を説明するための図である。8逓倍変位計測では、位相シフターを用いて、入力したA/B相信号からπ/4だけ位相シフトした2相信号(π/4位相シフトしたA/B相信号)を形成する。そして、4逓倍変位計測と同様に、A/B相信号及びπ/4だけ位相シフトした2相信号について2値化処理及びエッジ検出処理を行い、アップ/ダウンパルスを検出する。検出したアップ/ダウンパルス及び2値化信号を用いて変位弁別を行って正方向パルス又は負方向パルス数を計数し、検出したパルス数を加算して8逓倍変位計測データとして出力する。
図6は、8逓倍変位計測モジュールの一例を示す。8逓倍変位計測は、A/B相信号について変位計測処理を行う第1の計測系と、A/B相信号についてπ/4だけ位相シフトし、位相シフトされた2相信号について変位計測処理を行う第2の計測系とを有する。入力部20に処理すべきA/B相信号が入力する。入力したA/B相信号は第1及び第2の計測系にそれぞれ供給される。第1の計測系は、2値化手段21を有し、A/B相信号について2値化処理を行って2値化信号を発生する。2値化信号は、エッジ検出手段22及び変位弁別手段23に供給する。エッジ検出手段22は、A相2値化信号及びB相2値化信号についてエッジ検出処理を行ってアップエッジ及びダウンエッジを検出する。検出されたエッジ検出信号は変位弁別手段23に供給される。変位弁別手段23は、A相及びB相2値化信号並びに4つのエッジ検出信号を用いて、アップパルス又はダウンパルスを形成し、これらのパルス信号をアップ/ダウンカウンタ24に供給する。アップ/ダウンカウンタは、入力したパルス数を計数して加算器25に供給する。
第2の計測系に入力したA/B相信号は、π/4位相シフター26に入力し、位相がπ/4だけシフトした2相信号(位相シフトしたA/B相信号)に変換される。この位相シフトした2相信号は、第1の計測系と同一の変位計測処理が行われ、アップダウンカウンタから変位に対応したパルスの計数が加算器25に供給される。加算器25は、第1の計測系及び第2の計測系から出力されるパルス数を加算し、8逓倍変位計測データ値として出力する。
図7は、2n逓倍変位計測モジュールを用いて2(n+N)逓倍変位計測を実行する変位量測定装置を示す。ここで、n及びNは、2以上の整数とする。一例として、n=2とし、N=8として、4逓倍変位計測により1024逓倍された変位計測データを出力する。或いはは、n=3とし、N=7として、8逓倍変位計測により1024逓倍された変位計測データを出力する。A/B相信号は入力部30に入力する。入力したA/B相信号は、位相シフター段31及び変位計測段32に供給する。位相シフター段31は、入力部30に対して並列接続した(2N−1)個の位相シフター31a〜31(2N−1)を有する。各位相シフターは、入力したA/B相信号から位相が(2π/2n)/Nづつ順次シフトした2相信号を並列して形成する。すなわち、kを式0<k<2Nを満たす整数とした場合に、入力したA/B相信号から、位相が(2π/2n)×(k/2N)シフトした2相信号をそれぞれ同時に並行して発生する。
変位計測段32は、並列配置した2N個の変位計測モジュール32a〜32(2N)を有する。第1の変位計測モジュール32aは入力部30に接続し、残りの変位計測モジュール32b〜32(2N)は位相シフター31a〜31(2N−1)にそれぞれ接続する。従って、入力したA/B相信号及びこのA/B相信号からそれぞれ位相シフトされた2相信号は、並列して変位計測処理されることになる。各位相シフターは、A/B相信号及び位相が所定量づつ順次シフトした2相信号について上述した変位計測処理を実行し、その演算結果を加算段33に出力する。加算段33は、2N個の変位計測モジュールの演算結果を加算し、変位計測値として出力する。
次に、位相シフターについて説明する。A/B相信号(A(θ),B(θ))から位相がφだけシフトした2相信号(Ak(θ),Bk(θ))は、以下の演算処理により得ることができる。
Ak(θ)=+A(θ)×cosφ+B(θ)×sinφ
Bk(θ)=−A(θ)×sinφ+B(θ)×cosφ
ここで、φは、4逓倍変位計測モジュールを用いる場合、φ=k・(π/2)/256となり、8逓倍の場合、φ=k・(π/4)/128となる。ここで、kは、4逓倍の場合式0<k<256を満たす整数、8逓倍の場合式0<k<128を満たす整数である。従って、cosφ及びsinφは、2から255及び127までの整数値をとるkの値により定まる固定値である。
Ak(θ)=+A(θ)×cosφ+B(θ)×sinφ
Bk(θ)=−A(θ)×sinφ+B(θ)×cosφ
ここで、φは、4逓倍変位計測モジュールを用いる場合、φ=k・(π/2)/256となり、8逓倍の場合、φ=k・(π/4)/128となる。ここで、kは、4逓倍の場合式0<k<256を満たす整数、8逓倍の場合式0<k<128を満たす整数である。従って、cosφ及びsinφは、2から255及び127までの整数値をとるkの値により定まる固定値である。
図8は、位相シフターの一例を示す図である。本例では、位相シフターは、4つの乗算器と2つの加算器とにより構成される。入力したA相信号(A(θ):sinθ)は第1及び第3の乗算器41及び43に供給され、B相信号(B(θ):cosθ)は第2及び第4の乗算器42及び44に供給する。cosφの値は第1のメモリ45に記憶され、sinφの値は第2のメモリ46に記憶する。尚、sinφ及びcosφの値は、予め計算し、kの値にそれぞれ対応した固定値としてメモリに記憶する。cosφの値は第1及び第4の乗算器41及び44に供給され、sinφの値は第2及び第3の乗算器42及び43に供給される。第1の乗算器41は、A相信号A(θ)とcosφとの乗算を行い、その結果を第1の加算器47の加算入力部に供給する。第2の乗算器42は、B相信号B(θ)とsinφとを乗算し、その結果を第1加算器47の第2の加算入力部に供給する。第1の加算器47は、2つの乗算結果を加算し、その加算結果をAk(θ)として出力する。第3の乗算器43は、A相信号A(θ)とsinφとの乗算を行い、その結果を第2の加算器(減算器)48の減算入力部に供給する。第4の乗算器は、B相信号B(θ)とcosφとを乗算し、その結果を第2の加算器48の加算入力部に供給する。第2の加算器48は、2つの乗算結果を減算し、その減算結果をBk(θ)として出力する。
本発明の位相シフターでは、4つの乗算器を用いて乗算処理を実行している。この場合、2つの変数を乗算する場合膨大な計算処理が必要であり、演算処理に長時間かかる欠点がある。これに対して、本発明では、乗算される片側の値は固定値であるため、演算処理時間が比較的短くて済み、高速処理に適合する利点がある。
図8に示す位相シフターは、アナログ回路として実現することが可能である。また、A/B相信号をA/D変換することにより、デジタル信号処理することも可能である。
次に、位相シフターの変形例について説明する。図9は、入力したA/B相信号から位相をπ/4だけシフトさせる位相シフターの変形例を示す。図6に示すように、8逓倍変位計測で用いられる変位計測モジュールは、π/4位相シフターを用いてπ/4だけシフトした2相信号を形成し、位相シフトされた2相信号について2値化処理等が行われる。この場合、π/4だけシフトした2相信号を形成するためには、上述した図8に示すように、4個の乗算器と2つの加算器とが必要であり、乗算器は多大な計算量を必要とするため、高速演算の妨げとなっている。そこで、乗算器を用いず、2つ加算器だけを用いてA/B相信号をπ/4だけ位相シフトする位相シフターについて説明する。π/4だけ位相シフトする場合の演算式を以下に示す。
Ak(θ)=+A(θ)×cos45°+B(θ)×sin45°
Bk(θ)=−A(θ)×sin45°+B(θ)×cos45°
ここで、sin45°=cos45°=1/√2である。従って、上記式は、以下のように変形される。
Ak(θ)=1/√2(+A(θ)+B(θ))
Bk(θ)=1/√2(−A(θ)+B(θ))
Ak(θ)=+A(θ)×cos45°+B(θ)×sin45°
Bk(θ)=−A(θ)×sin45°+B(θ)×cos45°
ここで、sin45°=cos45°=1/√2である。従って、上記式は、以下のように変形される。
Ak(θ)=1/√2(+A(θ)+B(θ))
Bk(θ)=1/√2(−A(θ)+B(θ))
一方、π/4位相シフターの出力は、後段に接続したコンパレータにより構成される2値化手段に供給されるので、振幅に関して比較的広い自由度がある。従って、sin45°=cos45°=1/√2=0.707は、ほぼ1に等しいものとみなして信号処理することができる。従って、上記演算式は、以下のように変形することができる。
Aπ/4(θ)=+A(θ)+B(θ)
Bπ/4(θ)=−A(θ)+B(θ)
このように、A/B相信号からπ/4だけ位相シフトした2相信号を形成するπ/4位相シフターは、2つの加算器(1つの加算器と1つの減算器)だけで構成できるので、8逓倍変位計測モジュールで用いられる位相シフター26は2つの加算器で構成される。従って、8逓倍変位計測手段の構成を大幅に簡単化することができる。ここで、図9(A)はπ/4位相シフターを2つの加算器50a及び50bで構成した例を示し、図9(B)は、8逓倍変位計測モジュールにおいて、π/4位相シフターを2つの加算器50a及び50bで構成した実施例を示す。
Aπ/4(θ)=+A(θ)+B(θ)
Bπ/4(θ)=−A(θ)+B(θ)
このように、A/B相信号からπ/4だけ位相シフトした2相信号を形成するπ/4位相シフターは、2つの加算器(1つの加算器と1つの減算器)だけで構成できるので、8逓倍変位計測モジュールで用いられる位相シフター26は2つの加算器で構成される。従って、8逓倍変位計測手段の構成を大幅に簡単化することができる。ここで、図9(A)はπ/4位相シフターを2つの加算器50a及び50bで構成した例を示し、図9(B)は、8逓倍変位計測モジュールにおいて、π/4位相シフターを2つの加算器50a及び50bで構成した実施例を示す。
図10は8逓倍変位計測における位相シフターの変形例を示す図である。8逓倍変位計測では、各位相シフターの位相シフト量φは、以下の範囲にある。
0<φ<π/4
上記範囲0<φ<π/4において、cosφの値は、以下の範囲の値をとる。
0.7071=1/√2<cosφ<1
本発明では、位相シフターの出力は2値化手段(コンパレータ)に直接供給されるので、振幅について比較的広い自由度が適用される。従って、cosφの値を1として演算処理することが可能である。この結果、図10に示すように、位相シフターは、2つの乗算器と2つの加算器とが構成することができ、回路削減に効果的である。
0<φ<π/4
上記範囲0<φ<π/4において、cosφの値は、以下の範囲の値をとる。
0.7071=1/√2<cosφ<1
本発明では、位相シフターの出力は2値化手段(コンパレータ)に直接供給されるので、振幅について比較的広い自由度が適用される。従って、cosφの値を1として演算処理することが可能である。この結果、図10に示すように、位相シフターは、2つの乗算器と2つの加算器とが構成することができ、回路削減に効果的である。
図11は、8逓倍変位計測における変位計測モジュールの変形例を示す。図6に示す変位計測モジュールとの差異は以下の通りである。第1に、A/B相信号及び位相シフトされた2相信号をπ/4だけ位相シフトする位相シフターを2つの加算器50a及び50bで構成し、乗算器を用いない構成とする。乗算器を用いないため、ハードウエアが減量されると共に高速処理に有益である。第2に、第1の計測系と第2の計測系との間において、アップ/ダウンカウンタを共用する。第1及び第2の計測系の変位弁別手段23a及び23bの後段に、第1及び第2のORゲート51a及び51bを配置する。第1のORゲート51aには、第1及び第2の変位弁別手段から出力されるアップパルスが入力し、第2のORゲート51bにはダウンパルスが入力する。そして、第1及び第2のORゲートの出力パルスをアップ/ダウンカウンタ52に供給すれば、アップ/ダウンカウンタのビット数を1ビット増加するだけで、アップ/ダウンカウンタを共用することがでる。この結果、加算器も不要になり、加算段は1段分削減することができる。従って、ハードウエア量を相当減量することができる利点が達成される。
ここで、8逓倍変位計測の特性について説明する。各種移動体の変位量をサブナノメータのオーダーで計測し位置制御するためには、1024逓倍の変位計測が必要である。一方、本発明の変位量測定装置は、A/B相信号から位相が所定量づつ順次シフトした2相信号を形成する位相シフター段と、A/B相信号及び位相シフトされた2相信号について変位計測処理を実行する変位計測段と、変位計測モジュールの演算結果を加算する加算段とを有する。また、位相シフターは、4つの乗算器を含むため、大量のハードウエアが必要であり、演算処理に長時間必要とする。従って、ハードウエアの減量を図るためには、位相シフターの個数は少なくすることが望ましい。4逓倍モジュールを用いて1024逓倍の変位計測を行う場合、255個の位相シフターが必要である。これに対して、8逓倍モジュールを用いて1024逓倍の変位計測を実行する場合127個の位相シフターで済む。従って、ハードウエアの減量を図る観点より、8逓倍変位計測は有益な手法である。また、8逓倍変位計測モジュールは、π/4位相シフターが2つの加算器で構成できるので、処理速度及びハードウエア量は4逓倍モジュールとほぼ同等である。従って、8逓倍変位計測は、高分解能で演算処理する際に、ハードウエアを減量する観点において極めて有益な手法である。
図12は8逓倍変位計測を用いて1024逓倍変位計測を行う変位量測定装置の全体構成を示す。A/B相信号は入力部60に入力する。入力したA/B相信号は、2相信号補正回路61により振幅等が補正され、位相シフター段62に供給される。位相シフター段は、互いに並列に接続した127個の位相シフターを有する。位相シフター1〜127は、A/B相信号から(π/4)×(k/128)だけ位相シフトした2相信号を形成する。
入力したA/B相信号及び位相シフトした2相信号は変位計測段63に供給される。変位計測段は並列接続した128個の変位計測モジュールを有し、各変位計測モジュールは入力部及び位相シフターにそれぞれ接続する。これら変位計測モジュールは、図11に示す変位計測モジュールとする。
変位計測モジュールの出力は加算段64に供給する。本例では、加算段64は、2入力型加算器をツリー構造に接続する。ツリー構造とすることにより、加算段が多重化され、高速演算が可能になる。さらに、本例では、1024逓倍の変位計測に際し、加算段の段数は7段である。
8逓倍変位計測の、4逓倍変位計測と比較した場合の利点は以下の通りである。
(1) 位相シフターの個数が半減する。これにより、ハードウエアを相当量減量することができる。
(2) 変位計測モジュールの数もほぼ半減し、ハードウエアの減量に寄与することができる。
(3) デジタル加算器の段数が1段減少する。これにより、128個の加算器を削減することができる。
このように、8逓倍変位計測によれば、高分解能及び高速性を維持しつつ、ハードウエアが相当量減量された変位計測システムが構築される利点が達成される。
(1) 位相シフターの個数が半減する。これにより、ハードウエアを相当量減量することができる。
(2) 変位計測モジュールの数もほぼ半減し、ハードウエアの減量に寄与することができる。
(3) デジタル加算器の段数が1段減少する。これにより、128個の加算器を削減することができる。
このように、8逓倍変位計測によれば、高分解能及び高速性を維持しつつ、ハードウエアが相当量減量された変位計測システムが構築される利点が達成される。
1 レーザ光源
2 コリメータレンズ
3 偏光ビームスプリッタ
5 1/4波長板
6 移動体
7 光検出手段
8 1/4波長板
9 参照ミラー
10,20,30 入力部
11,21 2値化手段
12,22 エッジ検出手段
13,23 変位弁別手段
14,24 アップ/ダウンカウンタ
25 加算器
31 位相シフター段
32 変位計測段
33 加算段
2 コリメータレンズ
3 偏光ビームスプリッタ
5 1/4波長板
6 移動体
7 光検出手段
8 1/4波長板
9 参照ミラー
10,20,30 入力部
11,21 2値化手段
12,22 エッジ検出手段
13,23 変位弁別手段
14,24 アップ/ダウンカウンタ
25 加算器
31 位相シフター段
32 変位計測段
33 加算段
Claims (13)
- 位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号を出力する干渉計であって、
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな測定光と参照光とを形成し、測定光を移動体に向けて投射すると共に参照光を参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを重ね合わせて干渉ビームを形成する光学装置と、
互いに離間するように配置した第1及び第2の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光してA/B相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも1/2周期の干渉縞が形成されるように光軸に対して傾斜配置され、
前記光検出手段の2つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布方向と一致するように設定され、
前記2つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をPとし、mを正の整数とした場合、距離(2m−1)P/4にほぼ等しいことを特徴とする干渉計。 - 請求項1に記載の干渉計において、前記光検出手段上に形成される干渉縞の輝度分布は、前記移動体の移動に応じて、前記2つの光検出素子の離間方向にそって変化することを特徴とする干渉計。
- 請求項1又は2に記載の干渉計において、前記光源として半導体レーザを用い、前記光学装置は偏光ビームスプリッタと2つの1/4波長板を有することを特徴とする干渉計。
- 請求項1、2又は3に記載の干渉計において、前記移動体として、原子間力顕微鏡のカンチレバーを支持するステージが用いられることを特徴とする干渉計。
- 位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号から移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したA/B相信号から、位相が順次所定量づつシフトした2相信号をそれぞれ発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したA/B相信号及び位相シフトした2相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位量を出力する加算段とを有することを特徴とする変位量測定装置。 - n及びNを2以上の整数とした場合に、位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号を用いて、2(n+N)逓倍された移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、kを式0<k<2Nを満たす整数とした場合に、入力したA/B相信号から、位相が(2π/2n)×(k/2N)だけ順次シフトした2相信号をそれぞれ発生する(2N−1)個の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記位相シフター段の各位相シフター及び前記入力部にそれぞれ接続され、前記A/B相信号及び各位相シフターから出力される位相シフトした2相信号をそれぞれ用いて変位計測演算を行う2N個の2n逓倍変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記2N個の2n逓倍変位計測モジュールから出力される演算結果を加算して、移動体の2(N+n)逓倍変位計測値を出力する加算段とを有することを特徴とする変位量測定装置。 - 請求項6に記載の変位量測定装置において、前記数nを2とし、前記2n逓倍変位計測モジュールを4逓倍変位量計測モジュールとした場合において、当該4逓倍変位計測モジュールは、
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号をそれぞれ2値化して2値化信号を出力する2値化手段、前記2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、前記2値化信号並びにエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段、及び、変位弁別手段から出力されるパルス数を計数するカウンタ手段を含むことを特徴とする変位量測定装置。 - 請求項6に記載の変位量測定装置において、前記数nを3とし、前記2n逓倍変位計測モジュールは8逓倍変位量計測モジュールとした場合において、当該8逓倍変位計測モジュールは、
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、前記2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段、及び、変位弁別手段から出力されるパルス数を計数するカウンタ手段を含む第1の計測系と、
前記A/B相信号をπ/4だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段、及び、変位弁別手段から出力されるパルス数を計数するカウンタ手段を含む第2の計測系と、
前記第1の計測系の出力と第2の計測系の出力とを加算する加算手段とを有することを特徴とする変位量測定装置。 - 請求項6に記載の変位量測定装置において、前記数nを3とし、前記2n逓倍変位計測モジュールは8逓倍変位量計測モジュールとした場合において、当該8逓倍変位計測モジュールは、
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、前記2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第1の計測系と、
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号をπ/4だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第2の計測系と、
前記第1の計測系の変位弁別手段からの出力及び第2の計測系の変位弁別手段からの出力を計数するカウンタとを有することを特徴とする変位量測定装置。 - 請求項9に記載の変位量測定装置において、前記カウンタと、2つの変位弁別手段との間に第1及び第2のオアゲートが並列に配置され、第1のオアゲートは第1及び第2の計測系の変位弁別手段から出力されるアップパルスを前記カウンタに出力し、第2のオアゲートは第1及び第2の計測系の変位弁別手段から出力されるダウンパルスを前記カウンタに出力することを特徴とする変位量測定装置。
- 請求項8、9又は10に記載の変位量測定装置において、前記変位計測モジュールに含まれるπ/4位相シフターは、前記入力部にそれぞれ接続した2つの加算器、又は1つの加算器と1つの減算器とにより構成されることを特徴とする変位量測定装置。
- 位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号を用いて、1024逓倍された移動体の変位量を計測する変位量測定装置であって、
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したA/B相信号から、位相が(π/4)×(1/128)づつ順次シフトした2相信号をそれぞれ発生する127個の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部又は位相シフター段の各位相シフターにそれぞれ接続され、前記A/B相信号又は各位相シフターから出力される位相シフトした2相信号をそれぞれ用いて変位計測演算を行う128個の8逓倍変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記128個の8逓倍変位計測モジュールから出力される演算結果を加算して、移動体の変位計測値を出力する加算段とを有し、前記8逓倍変位計測モジュールは、
前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、前記2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第1の計測系と、
前記入力部にそれぞれ接続した2つの加算器又は1つの加算器と1つの減算器とにより構成され、前記A/B相信号又は位相シフターにより位相シフトされた2相信号をπ/4だけ位相シフトする位相シフター、位相シフトされた2相信号を2値化して2値化信号を出力する2値化手段、2値化信号のエッジを検出してエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段、及び、前記2値化信号及びエッジ検出信号を用いて移動体の変位を弁別する変位弁別手段を含む第2の計測系と、
前記第1の計測系の変位弁別手段からの出力と第2の計測系の変位弁別手段からの出力を計数するカウンタとを有することを特徴とする変位量測定装置。 - 位相が互いにπ/2ずれた2相信号であるA/B相信号を出力する干渉計と、干渉計から出力されるA/B相信号を用いて移動体の変位量を算出する信号処理装置とを有する変位量測定装置であって、前記干渉計は、
光ビームを発生する光源と、
光源から出射した光ビームから互いにコヒーレントな第1及び第2のサブビームを形成し、第1のサブビームを移動体に向けて投射すると共に第2のサブビームを参照ミラーに向けて投射し、移動体で反射した反射光と参照ミラーで反射した反射光とを合成して干渉ビームを発生する光学装置と、
第1及び第2の光検出素子を有し、前記光学装置から出射した干渉ビームを受光して位相が互いにπ/2ずれたA/B相信号を出力する光検出手段とを有し、
前記参照ミラーは、前記光検出手段上に少なくとも1/2周期の干渉縞が形成されるように光軸に対して傾斜配置されると共に前記光検出手段の2つの光検出素子の配列方向は、光検出手段上に形成される干渉縞の濃淡方向と一致するように設定され、
前記2つの光検出素子間の離間距離は、前記光検出手段上に形成される干渉縞の周期をPとし、mを正の整数とした場合、距離(2m−1)P/4にほぼ等しくなるように設定され、前記信号処理装置は、
A/B相信号が入力する入力部と、
前記入力部に接続され、入力したA/B相信号から、位相が順次所定量づつシフトした2相信号を発生する複数の位相シフターを含む位相シフター段と、
前記入力部及び各位相シフターにそれぞれ接続され、前記入力したA/B相信号及び位相シフトした2相信号に対して変位計測演算を行う複数の変位計測モジュールを含む変位計測段と、
前記変位計測段の変位計測モジュールの演算結果を加算して、移動体の変位計測データを出力する加算段とを有することを特徴とする変位量測定装置。
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