JPH11271016A - Interference measurement signal forming device - Google Patents

Interference measurement signal forming device

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JPH11271016A
JPH11271016A JP9219298A JP9219298A JPH11271016A JP H11271016 A JPH11271016 A JP H11271016A JP 9219298 A JP9219298 A JP 9219298A JP 9219298 A JP9219298 A JP 9219298A JP H11271016 A JPH11271016 A JP H11271016A
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JP
Japan
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light
light receiving
irradiation
scale
diffracted
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Application number
JP9219298A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigenori Nagano
繁憲 永野
Makoto Fujino
誠 藤野
Satoshi Takada
聡 高田
Nobuo Hori
信男 堀
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Topcon Corp
Original Assignee
Topcon Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学調整を単純に且つ超小型とし、レーザ光
源の波長変動に対する影響を極力低減する。 【解決手段】 光源部1から出力されたコヒーレント光
は、結合部2を経て偏波面が保存されて、発光系3に入
力される。発光系3では、それぞれの光束に略同振幅で
逆符号の位相変調をかけ、少なくとも2つの照射光束を
出射する。照射光学系4では、これらの照射光束をそれ
ぞれ集光及び偏向して、スケール部5の測定点に照射す
る。スケール部5では、少なくとも2つの照射光束を略
同方向に回折し、これら2つの回折光束はともに受光系
6へ入射される。受光系6では、回折光束を受光して受
光部7へ導き、受光部7はこれを受光して電気的な受信
信号に変換する。受光部7による受信信号に基づいて、
変位測定部8により成分が解析され、スケール部5の変
位が求められる。
(57) [Problem] To make the optical adjustment simple and ultra-compact, and to minimize the influence on the wavelength fluctuation of the laser light source. SOLUTION: Coherent light output from a light source unit 1 is input to a light emitting system 3 through a coupling unit 2 while maintaining a polarization plane. In the light emitting system 3, each light beam is subjected to phase modulation of substantially the same amplitude and opposite sign to emit at least two irradiation light beams. The irradiation optical system 4 condenses and deflects these irradiation light beams, respectively, and irradiates the measurement points of the scale unit 5. In the scale unit 5, at least two irradiation light beams are diffracted in substantially the same direction, and these two diffracted light beams are both incident on the light receiving system 6. In the light receiving system 6, the diffracted light beam is received and guided to the light receiving unit 7, and the light receiving unit 7 receives the light and converts it into an electric reception signal. Based on the signal received by the light receiving unit 7,
The components are analyzed by the displacement measuring section 8 and the displacement of the scale section 5 is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、干渉計測信号形成
装置に係り、特に、スケール部の変位を測定する干渉計
測装置に用いられる干渉計測信号形成装置に関するもの
である
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an interference measurement signal forming apparatus, and more particularly to an interference measurement signal forming apparatus used for an interference measurement apparatus for measuring a displacement of a scale section.

【従来の技術】図16に、従来の干渉計測装置の構成図
を示す。
2. Description of the Related Art FIG. 16 shows a configuration diagram of a conventional interference measuring device.

【0002】従来の、干渉計測装置(エンコーダ)は、
レーザダイオード101、コリメートレンズ102、偏
向ビームスプリッタ103、反射部材104a及び10
4b、回折格子105a及び105b、スケール10
6、1/4波長板107、ビームスプリッタ108、偏
光板109a及び109b、検出器110a及び110
b、反射鏡111を備える。
A conventional interference measuring device (encoder)
Laser diode 101, collimating lens 102, deflection beam splitter 103, reflecting members 104a and 104
4b, diffraction gratings 105a and 105b, scale 10
6, 1/4 wavelength plate 107, beam splitter 108, polarizing plates 109a and 109b, detectors 110a and 110
b, a reflecting mirror 111 is provided.

【0003】レーザダイオード101から発するコヒー
レント光は、コリメートレンズ102によりコリメート
化(平行光束化)され、偏向ビームスプリッタ103に
より、透過方向にP偏向と反射方向にS偏向とに分割さ
れる。偏向された光束は、反射部材104a及び104
bにより回折格子105a及び105bに垂直に照射さ
れる。回折光LD2及びLD1は、スケール6上の測定用
回折格子106Aの2方向から照射され、回折及び反射
されて、スケール106の測定用回折格子106Aの垂
直方向に反射され、±m次の再回折光LD1(m)及びLD
2(-m)が検出系に向けて同一光路上を進行する。これら
再回折光は、直交偏光しており、反射鏡111を介し
て、1/4波長板107を通過して互いに円偏光とな
る。ビームスプリッタ108により2つの光路に分割さ
れ、各偏光板109a及び109bを通して検出器11
0a及び110bにより光電検出される。
The coherent light emitted from the laser diode 101 is collimated (parallel luminous flux) by a collimating lens 102 and split by a deflection beam splitter 103 into P deflection in the transmission direction and S deflection in the reflection direction. The deflected light flux is reflected by the reflection members 104a and 104
b irradiates the diffraction gratings 105a and 105b vertically. The diffracted light beams LD2 and LD1 are emitted from two directions of the measurement diffraction grating 106A on the scale 6, diffracted and reflected, reflected in the vertical direction of the measurement diffraction grating 106A of the scale 106, and re-diffraction of ± m order. Optical LD1 (m) and LD
2 (-m) travels on the same optical path toward the detection system. These re-diffracted lights are orthogonally polarized, pass through the quarter-wave plate 107 via the reflecting mirror 111, and become mutually circularly polarized. The beam is split into two optical paths by a beam splitter 108 and the detector 11
Photoelectrically detected by 0a and 110b.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
干渉計測装置は、光源としてのレーザの波長変動に対し
て対策が考慮されているものの、上述のように個別の部
品が多数必要であるため、小型化に制約があった。ま
た、従来においては、多数の部品が実装されるため、こ
れらの光学配置の調整が難しいものとなっていた。
However, in the conventional interferometer, although a countermeasure is taken against the wavelength fluctuation of the laser as a light source, since a large number of individual components are required as described above, There were restrictions on miniaturization. Conventionally, since a large number of components are mounted, it has been difficult to adjust the optical arrangement of these components.

【0005】さらに、従来においては、本発明は、以上
の点に鑑み、光学部品点数を少なくして小型化を図ると
ともに、光学調整を単純で容易にすることを目的とす
る。また、本発明は、超小型でリジッドな干渉光学系が
実現できるので、出力信号を高安定化とし、高精度で安
価な干渉計測信号形成装置を提供することを目的とす
る。さらに、本発明は、レーザ光源の波長変動に対して
も、その影響を極力低減し、すぐれた安定性を達成する
ことを目的とする。
Further, in the prior art, in view of the above, it is an object of the present invention to reduce the number of optical components to reduce the size and to make optical adjustment simple and easy. It is another object of the present invention to provide a highly accurate and inexpensive interference measurement signal forming apparatus capable of realizing an ultra-compact and rigid interference optical system, stabilizing an output signal. Another object of the present invention is to minimize the influence of the wavelength variation of the laser light source as much as possible and achieve excellent stability.

【0006】また、本発明では、位相変調方式ヘテロダ
イン干渉法を適用した導波路デバイスを用いることによ
り、受光光量の変動に強く、使用するディテクタが一つ
ですみ、且つ変位量の方向弁別が可能な干渉計測信号形
成装置を提供することを目的とする。
Further, in the present invention, by using a waveguide device to which the phase modulation type heterodyne interferometry is applied, it is resistant to the fluctuation of the amount of received light, only one detector is used, and the direction of the displacement can be discriminated. It is an object of the present invention to provide a simple interference measurement signal forming apparatus.

【0007】また、本発明では、ゾーンプレートレンズ
(ZPL)を用いることにより、ひつの素子で集光と偏
向との両方の機能を実現し、これにより、取り付けを簡
単にして、モジュール全体を小型化することを目的とす
る。
Further, according to the present invention, by using a zone plate lens (ZPL), both the condensing and deflecting functions are realized by a single element, whereby the mounting is simplified and the whole module is reduced in size. The purpose is to make.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の解決手段による
と、光源部からのコヒーレントな照射光束を導く入射導
波路と、上記入射導波路からの光束を少なくとも2つの
光束に分岐する分岐導波路と、上記分岐導波路で分岐さ
れた少なくとも2つの射出導波路と、少なくともひとつ
の上記射出導波路の光束を位相変調する位相変調子とが
光学基板の一方の面に形成され、少なくとも2つの照射
光束を形成する発光系と、フレネルゾーンプレート等の
回折型レンズを有し、上記発光系から照射された少なく
とも2つの照射光束を上記スケール部の回折格子の測定
点に照射する照射光学系と、上記発光系に対して変位可
能に配置され、上記照射光学系により照射された少なく
とも2つの照射光束を表面に形成された回折格子により
回折し、略同方向の回折光束を形成するスケール部と、
上記スケール部で回折された回折光束を受光する受光系
と、上記受光系で受光された回折光束を受光して受光信
号を形成する受光部とを備えた干渉計測信号形成装置を
提供する。
According to the present invention, there is provided an incident waveguide for guiding a coherent irradiation light beam from a light source unit, and a branch waveguide for branching the light beam from the incident waveguide into at least two light beams. And at least two emission waveguides branched by the branch waveguide, and a phase modulator for phase-modulating a light flux of at least one emission waveguide are formed on one surface of the optical substrate, and at least two irradiations are performed. A light-emitting system that forms a light beam, and an irradiation optical system that has a diffractive lens such as a Fresnel zone plate, and irradiates at least two irradiation light beams emitted from the light-emitting system to measurement points of the diffraction grating in the scale section; At least two irradiation light beams, which are disposed so as to be displaceable with respect to the light emitting system and are irradiated by the irradiation optical system, are diffracted by a diffraction grating formed on the surface, and are substantially in the same direction. A scale section that forms a diffracted light beam,
Provided is an interference measurement signal forming apparatus, comprising: a light receiving system that receives a diffracted light beam diffracted by the scale unit; and a light receiving unit that receives the diffracted light beam received by the light receiving system and forms a light receiving signal.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】(1)干渉計測信号形成装置 図1に、本発明に係る干渉計測信号形成装置の構成図を
示す。図1(A)には、その平面図を示し、また、図1
(B)には、その側面図を示す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (1) Interference Measurement Signal Forming Apparatus FIG. 1 shows a configuration diagram of an interference measurement signal forming apparatus according to the present invention. FIG. 1A shows a plan view thereof, and FIG.
(B) shows a side view thereof.

【0010】干渉計測信号形成装置は、光源部1、結合
部2、発光系3、照射光学系4、スケール部5、受光系
6、受光部7、変位測定部8を備える。
The interference measurement signal forming apparatus includes a light source unit 1, a coupling unit 2, a light emitting system 3, an irradiation optical system 4, a scale unit 5, a light receiving system 6, a light receiving unit 7, and a displacement measuring unit 8.

【0011】光源部1は、例えば、レーザダイオード等
のコヒーレント光を出力する発光素子で構成される。結
合部2は、例えば、レンズ及び偏波面保存型シングルモ
ードファイバ等で構成され、光源部1からのコヒーレン
ト光を結合部3に入射し、一方、光源部1から発せられ
たレーザ光を発光部3に供給する。なお、光源部1とし
て、ランダム偏向光を発するレーザを使用した場合は、
偏光子等を設けることにより、適宜XあるいはY方向に
偏波方位を持つ直線偏波光に変換して入射することもで
きる。
The light source unit 1 is composed of, for example, a light emitting element for outputting coherent light such as a laser diode. The coupling unit 2 includes, for example, a lens and a polarization-maintaining single-mode fiber and the like. The coupling unit 2 inputs coherent light from the light source unit 1 to the coupling unit 3, and emits laser light emitted from the light source unit 1 to a light emitting unit. Supply 3 When a laser emitting random polarized light is used as the light source 1,
By providing a polarizer or the like, it is possible to appropriately convert the light into linearly polarized light having a polarization direction in the X or Y direction and to enter the light.

【0012】発光系3は、ニオブ酸リチウム結晶基板又
はタンタル酸リチウム結晶基板等の電気光学効果を有す
る光学基板31上に作成される。光学基板31には、例
えば、Xカット型、Z伝搬型のストレート型入射導波路
32が1本形成され、さらに分岐導波路33により射出
導波路34及び35に分岐される。射出導波路34及び
35の近傍には、Y方向の屈折率を変調するための1対
の電極が配置され、それぞれ位相変調子36及び37が
形成される。位相変調子36及び37の電極には、例え
ば、所定周波数の正弦波信号及びこれに略同振幅で逆符
号の位相変調信号がそれぞれ印加され、入射光束の位相
変化を与える。位相変調信号の一例としては、 +sin(2πfMt) 及び −sin(2πfMt) 等が用いられる。
The light emitting system 3 is formed on an optical substrate 31 having an electro-optical effect, such as a lithium niobate crystal substrate or a lithium tantalate crystal substrate. On the optical substrate 31, for example, one X-cut type, Z-propagation type straight incident waveguide 32 is formed, and the optical waveguide 31 is further branched by a branch waveguide 33 into emission waveguides 34 and 35. A pair of electrodes for modulating the refractive index in the Y direction are arranged near the emission waveguides 34 and 35, and phase modulators 36 and 37 are formed, respectively. For example, a sine wave signal of a predetermined frequency and a phase modulation signal of substantially the same amplitude and opposite sign are applied to the electrodes of the phase modulators 36 and 37, respectively, to change the phase of the incident light beam. An example of the phase modulation signal, + sin (2πf M t) and -sin (2πf M t) and the like are used.

【0013】照射光学系4は、例えば、フレネル・ゾー
ンプレート、グレーティングレンズ、回折型ゾーンプレ
ートレンズ(ZPL)等の回折型レンズで構成される。
スケール部5には、光が照射される位置の表面又は裏面
に回折格子が形成され、矢印方向に変位する。
The irradiation optical system 4 is composed of, for example, a diffractive lens such as a Fresnel zone plate, a grating lens, and a diffractive zone plate lens (ZPL).
A diffraction grating is formed on the front or back surface of the scale section 5 at the position where light is irradiated, and the scale section 5 is displaced in the direction of the arrow.

【0014】受光系6は、この例では、ガラス、プラス
ティック等のソケット又はフェルール等で構成されたブ
ロック61、及び、マルチモードファイバ等の光ファイ
バ62を備える。受光部7は、フォトダイオード等の受
光素子で構成される。なお、光量が足りない場合等に
は、受光部7の前等に集光レンズを設けてもよい。変位
測定部8は、受光された干渉光に基づいて、図中矢印方
向で示すスケール5の変位を求める処理を行う。
In this example, the light receiving system 6 includes a block 61 composed of a socket or a ferrule of glass, plastic or the like, and an optical fiber 62 such as a multimode fiber. The light receiving unit 7 is configured by a light receiving element such as a photodiode. When the amount of light is insufficient, a condenser lens may be provided in front of the light receiving unit 7 or the like. The displacement measuring unit 8 performs a process of calculating the displacement of the scale 5 indicated by the arrow in the figure based on the received interference light.

【0015】つぎに、上述のような干渉計測信号形成装
置の動作について説明する。まず、光源部1から出力さ
れたコヒーレント光は、結合部2を経て偏波面が保存さ
れて、発光系3に入力される。発光系3では、上述のよ
うに一方の光束に位相変調をかけ、他方の光束にこれと
略同振幅で逆符号の位相変調をかけることにより、少な
くとも2つの照射光束を出射する。照射光学系4では、
これらの照射光束をそれぞれ集光及び偏向して、スケー
ル部5の測定点に照射する。スケール部5では、少なく
とも2つの照射光束を略同方向に回折し、これら2つの
回折光束はともに受光系6へ入射される。受光系6で
は、回折光束を受光して受光部7へ導き、受光部7はこ
れを受光して電気的な受信信号に変換する。変位測定部
8は、受光部7による受信信号の成分を解析して、スケ
ール部5の変位を求める。
Next, the operation of the above-described interference measurement signal forming apparatus will be described. First, the coherent light output from the light source unit 1 is input to the light emitting system 3 via the coupling unit 2 while maintaining the polarization plane. As described above, the light emitting system 3 emits at least two irradiation light beams by subjecting one light beam to phase modulation and applying the other light beam to phase modulation of substantially the same amplitude and opposite sign. In the irradiation optical system 4,
These irradiation light beams are condensed and deflected, respectively, and are irradiated on the measurement points of the scale section 5. In the scale unit 5, at least two irradiation light beams are diffracted in substantially the same direction, and these two diffracted light beams are both incident on the light receiving system 6. In the light receiving system 6, the diffracted light beam is received and guided to the light receiving unit 7, and the light receiving unit 7 receives the light and converts it into an electric reception signal. The displacement measuring unit 8 analyzes the components of the signal received by the light receiving unit 7 to determine the displacement of the scale unit 5.

【0016】(2)フレネルゾーンプレート等の回折型
レンズの設計条件 つぎに、回折型レンズ(回折型ゾーンプレートレンズ)
の一例として、斜入射オフアクシス型フレネルゾーンプ
レート(FZP)の設計条件について説明する。
(2) Design Conditions of Diffractive Lens such as Fresnel Zone Plate Next, a diffractive lens (diffractive zone plate lens)
As one example, the design conditions of an off-axis off-axis Fresnel zone plate (FZP) will be described.

【0017】図2に、FZPの焦点距離の設計について
の平面説明図を示す。図2(A)には、空気長換算(エ
アーパス)の説明図を示し、図2(B)には、FZPの
ガラス基板の厚さを考慮した説明図を示す。
FIG. 2 is an explanatory plan view showing the design of the focal length of the FZP. FIG. 2A is an explanatory view of air length conversion (air path), and FIG. 2B is an explanatory view in consideration of the thickness of the FZP glass substrate.

【0018】FZPの焦点距離の設定は、以下のように
なる。まず、使用する光源部1のレーザの波長をλ0
光学基板の2本の射出導波路34及び35の間隔をd、
リニアエンコーダとしてのスケール部5のグレーティン
グピッチをp、スケール部5による主光線の回折角度を
θとする。この場合、スケール部5から反射する±1次
回折光が垂直に受光系6へ反射する条件は、 sinθ=±λ0/p となり、そして、FZPの焦点距離f0は、 f0=(d/2)/tanθ と決定される。
The setting of the focal length of the FZP is as follows. First, the wavelength of the laser of the light source unit 1 to be used is λ 0 ,
The distance between the two exit waveguides 34 and 35 of the optical substrate is d,
The grating pitch of the scale unit 5 as a linear encoder is p, and the diffraction angle of the principal ray by the scale unit 5 is θ. In this case, the condition that the ± 1st-order diffracted light reflected from the scale section 5 is vertically reflected to the light receiving system 6 is sin θ = ± λ 0 / p, and the focal length f 0 of the FZP is f 0 = (d / 2) / tanθ is determined.

【0019】ここで、たとえば、λ0=830nm、p
=10μm、d=250μmとした場合、θ=4.76
°となり、f0=1.5mmとなる。また、FZPを製
作する石英基板(例えば、屈折率n=1.46)の厚み
を1.0mmとした場合の、光学配置の寸法は、図2
(B)のようになる。
Here, for example, λ 0 = 830 nm, p
= 10 μm and d = 250 μm, θ = 4.76
°, and f 0 = 1.5 mm. When the thickness of a quartz substrate (for example, refractive index n = 1.46) for manufacturing FZP is 1.0 mm, the dimensions of the optical arrangement are as shown in FIG.
(B).

【0020】つぎに、FZPの有効径(ミニマム値)の
設定を説明する。導波路からの射出光束の有効光束発散
角(開口数)NAをαをした場合、FZPの有効径は、
次のように求められる。すなわち、 x方向(y=0断面)の有効径Dxは、Dx=2×(2f
0tanα)−d y方向(x=0断面)の有効径Dyは、Dy=2×(2f
0tanα) ここで、例えば、NA=0.1、即ち、α=5.74°
とした場合、Dx=0.35mm、Dy=0.3mmとな
る。
Next, the setting of the effective diameter (minimum value) of the FZP will be described. When the effective beam divergence angle (numerical aperture) NA of the light beam emitted from the waveguide is α, the effective diameter of the FZP is
It is required as follows. That is, the effective diameter Dx in the x direction (y = 0 cross section) is Dx = 2 × (2f
0 tanα) -dy The effective diameter Dy in the y direction (x = 0 cross section) is Dy = 2 × (2f
0 tan α) Here, for example, NA = 0.1, that is, α = 5.74 °
In this case, Dx = 0.35 mm and Dy = 0.3 mm.

【0021】つぎに、射出導波路34及び35からの射
出主光線の射出角の設定と、受光光学系への取り込みに
ついて説明する。図3に、FZPの焦点距離の設計につ
いての側面説明図を示す。図3(A)には、空気長換算
(エアーパス)の説明図を示し、図3(B)には、FZ
Pの厚さを考慮した説明図を示す。
Next, the setting of the exit angle of the exit chief ray from the exit waveguides 34 and 35 and the capture into the light receiving optical system will be described. FIG. 3 is a side view illustrating the design of the focal length of the FZP. FIG. 3A is an explanatory diagram of air length conversion (air path), and FIG.
FIG. 3 shows an explanatory diagram in which the thickness of P is considered.

【0022】通常に光学基板31の端面を垂直研磨した
場合、その端面で反射する光が光源部1にまで戻り、半
導体レーザの波長や出力を不安定にすることになる。そ
こで、本発明では、このような戻り光を除去するため
に、発光系3の射出側端面について斜め研磨を施し、ス
ケール部5の測定点へ照射光束を適切に照射するように
している。一方、受光系6の入射側端面を、斜め研磨す
ることにより、スケール部5からの回折光束を受光系6
へ適切に入射するようにしている。
Normally, when the end face of the optical substrate 31 is vertically polished, the light reflected on the end face returns to the light source unit 1 and the wavelength and output of the semiconductor laser become unstable. Therefore, in the present invention, in order to remove such return light, the emission-side end face of the light emitting system 3 is subjected to oblique polishing so that the measurement point of the scale section 5 is appropriately irradiated with the irradiation light beam. On the other hand, the incident-side end face of the light receiving system 6 is obliquely polished so that the diffracted light beam from the scale portion 5 is
To be properly incident.

【0023】すなわち、発光系3の射出導波路34及び
35を有する光学基板31、及び、受光系6の光ファイ
バ62を内部孔に有するブロック61は、それぞれの端
面が、照射光束の射出方向と直交する面(スケール部5
の変位方向と垂直な面)に対して、それぞれの表面から
中心に向けてスケール部5に突き出るように斜めに形成
される。これにより、射出導波路34,35の射出側端
面で屈折された照射光束は、スケール部5で反射及び回
折された後、受光系6の入射側端面で屈折して光ファイ
バ62に入射されるように構成される。
That is, the optical substrate 31 having the emission waveguides 34 and 35 of the light-emitting system 3 and the block 61 having the optical fiber 62 of the light-receiving system 6 in the inner hole have the respective end faces in the emission direction of the irradiation light beam. Orthogonal plane (scale part 5
(A plane perpendicular to the direction of displacement) is formed obliquely so as to project from the respective surfaces toward the center toward the scale portion 5. As a result, the irradiation light flux refracted on the exit side end faces of the exit waveguides 34 and 35 is reflected and diffracted by the scale section 5, then refracted on the incident side end face of the light receiving system 6 and enters the optical fiber 62. It is configured as follows.

【0024】本発明では、光学基板31の導波路からの
射出主光線の射出角の設定により、リニヤエンコーダと
してのスケール部6からの反射光が、FZPの有効部に
掛からないように、光学基板31の端面の研磨角を設定
するようにしている。
In the present invention, the optical substrate 31 is set so that the reflected light from the scale section 6 as a linear encoder does not reach the effective section of the FZP by setting the exit angle of the exit chief ray from the waveguide of the optical substrate 31. The polishing angle of the end face 31 is set.

【0025】つぎに、研磨角の設定について説明する。
図4に、光学基板の研磨角の説明図を示す。
Next, the setting of the polishing angle will be described.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the polishing angle of the optical substrate.

【0026】まず、射出角β、光学基板31の射出側の
厚さをt1、受光側の厚さをt2として、図3(A)か
ら、以下の式を条件とする。すなわち、 2・f0tanβ = (t1+t2)/2 f0tanβ ≧ Dy/2 このような条件を満足する射出角βを求めた後に、光学
基板端面の研磨角γを以下のように決定する。すなわ
ち、 nssinγ=sin(β+γ) (ここで、nsは、光学基
板4の屈折率) たとえば、t1=1.0mm、t2=0.4mmを目安に
して求めると、ns=2.2から、β=13°、γ=1
0°となる。
First, assuming that the emission angle β, the thickness on the emission side of the optical substrate 31 is t 1 , and the thickness on the light receiving side is t 2 , the following equation is satisfied from FIG. That is, 2 · f 0 tanβ = (t 1 + t 2 ) / 2 f 0 tanβ ≧ Dy / 2 After obtaining the emission angle β satisfying such a condition, the polishing angle γ of the end face of the optical substrate is calculated as follows. decide. That is, n s sin γ = sin (β + γ) (where n s is the refractive index of the optical substrate 4) For example, when t 1 = 1.0 mm and t 2 = 0.4 mm are used as a guide, n s = From 2.2, β = 13 °, γ = 1
0 °.

【0027】(3)受光系の他の実施の形態 図5に、本発明に係る干渉計測信号形成装置の第2の実
施の形態の構成図を示す。
(3) Another Embodiment of Light Receiving System FIG. 5 shows a configuration diagram of an interference measurement signal forming apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【0028】第1の実施の形態では、光学基板31の裏
面側にマルチモードファイバを取り付けた例であるが、
図5(A)に示された第2の実施の形態では、受光系と
して、光学基板31の裏面に、例えば3次元導波路等の
導波路63を形成したものである。この導波路63は、
スケール5から受光される回折光束がこの導波路63に
入射しやすいように、端面が斜め研磨されている。光学
基板31に形成された導波路63には、光ファイバ64
が接続され、受光部7に導かれる。
The first embodiment is an example in which a multi-mode fiber is attached to the back side of the optical substrate 31.
In the second embodiment shown in FIG. 5A, a waveguide 63 such as a three-dimensional waveguide is formed on the back surface of the optical substrate 31 as a light receiving system. This waveguide 63 is
The end face is obliquely polished so that the diffracted light beam received from the scale 5 easily enters the waveguide 63. An optical fiber 64 is provided in the waveguide 63 formed in the optical substrate 31.
Are connected and guided to the light receiving unit 7.

【0029】図5(B)に、本発明に係る干渉計測信号
形成装置の第2の実施の形態の変形例の構成図を示す。
この例では、光学基板31に形成された導波路63の出
射側の基板端面に、直接受光素子73を接続するように
したものである。この際、例えばフォトダイオード等の
受光素子73は、光学基板31に直接集積化することも
できる。
FIG. 5B shows a configuration diagram of a modification of the second embodiment of the interference measurement signal forming apparatus according to the present invention.
In this example, the light receiving element 73 is directly connected to the end surface of the waveguide 63 formed on the optical substrate 31 on the emission side. At this time, the light receiving element 73 such as a photodiode can be directly integrated on the optical substrate 31.

【0030】図6に、本発明に係る干渉計測信号形成装
置の第3の実施の形態の構成図を示す。
FIG. 6 shows a configuration diagram of a third embodiment of the interference measurement signal forming apparatus according to the present invention.

【0031】ここでは、受光系として、交差指電極(I
DT)を有する光スペクトラムアナライザ64を、光学
基板31の裏面に形成したものである。第3の実施の形
態では、このようなデバイスを配置することにより、信
号処理の一部まで光集積化を実現した。このような光集
積化は、位相変調方式を採用したために可能となるもの
である。
Here, the interdigital electrode (I
The optical spectrum analyzer 64 having the DT) is formed on the back surface of the optical substrate 31. In the third embodiment, by arranging such devices, optical integration up to a part of signal processing is realized. Such optical integration is made possible by adopting a phase modulation method.

【0032】この光スペクトラムアナライザ64による
受光系は、交差指電極(IDT)65と、2次元導波路
レンズ66及び67等とを有する2次元デバイスと、3
次元導波路デバイス68を備える。また、受光部7とし
て、第1及び第2の受光素子71及び72を備え、これ
らは、光学基板31の基板端面に集積化又は直接接続さ
れる。なお、光ファイバにより接続されてもよい。
The light receiving system of the optical spectrum analyzer 64 includes a two-dimensional device having an interdigital electrode (IDT) 65, two-dimensional waveguide lenses 66 and 67, and the like.
A two-dimensional waveguide device 68 is provided. The light receiving section 7 includes first and second light receiving elements 71 and 72, which are integrated or directly connected to the substrate end surface of the optical substrate 31. The connection may be made by an optical fiber.

【0033】スケール5から受光される回折光束は、3
次元導波路デバイス68に入射される。この際、回折光
束が入射しやすいように、3次元導波路デバイス68端
面は上述のように斜め研磨されている。交差指電極65
には、発光系3の位相変調子36及び37の位相変調周
波数fMと同様の信号が印加されており、表面弾性波
(SAW)が形成される。回折光束は、2次元導波路レ
ンズ66を経て、交差指電極65により形成される表面
弾性波により回折される。さらに、2次元導波路レンズ
67を介して、位相変調周波数fM成分は、第1の受光
素子71で受光され、位相変調周波数の2倍の2fM
分は、第2の受光素子72で受光される。
The diffracted light beam received from the scale 5 is 3
The light enters the two-dimensional waveguide device 68. At this time, the end face of the three-dimensional waveguide device 68 is obliquely polished as described above so that the diffracted light beam is easily incident. Cross finger electrode 65
, A signal similar to the phase modulation frequency f M of the phase modulators 36 and 37 of the light emitting system 3 is applied, and a surface acoustic wave (SAW) is formed. The diffracted light beam passes through the two-dimensional waveguide lens 66 and is diffracted by surface acoustic waves formed by the interdigital electrodes 65. Furthermore, through the two-dimensional waveguide lens 67, the phase modulation frequency f M component is received by the first light receiving element 71, twice the 2f M component of the phase modulation frequency is received by the second light receiving element 72 Is done.

【0034】図7に、本発明に係る干渉計測信号形成装
置の第4の実施の形態の構成図を示す。
FIG. 7 is a block diagram showing a fourth embodiment of the interference measurement signal forming apparatus according to the present invention.

【0035】上述の実施の形態では、ステージ5により
回折光束は反射されていたが、第4の実施の形態では、
ステージ5が透過型であり、回折光束が透過されるよう
にしたものである。受光系6としては、光ファイバ69
をブロック、フェルール等で適宜配置することにより、
透過回折光束を受光する。なお、光ファイバ69を用い
ずに、直接受光部7に入射して受光しても良い。また、
光学基板の下側に受光部を設ける場合は、適宜反射鏡を
設置することにより、省スペースで実装することができ
る。
In the above-described embodiment, the diffracted light beam is reflected by the stage 5, but in the fourth embodiment,
The stage 5 is of a transmission type, in which a diffracted light beam is transmitted. As the light receiving system 6, an optical fiber 69 is used.
By appropriately arranging with a block, ferrule, etc.,
The transmitted diffraction light beam is received. The light may be directly incident on the light receiving unit 7 and received without using the optical fiber 69. Also,
When the light receiving section is provided below the optical substrate, it can be mounted in a space-saving manner by appropriately installing a reflecting mirror.

【0036】(4)波長変動に対する安定性 図8に、本発明の波長変動に対する安定性についての説
明図を示す。ここでは、透過型の例で説明するが、反射
型の場合も同様である。図中、主光線は、一点鎖線で示
される。
(4) Stability to Wavelength Fluctuation FIG. 8 is an explanatory diagram of the stability to wavelength fluctuation according to the present invention. Here, an example of a transmission type will be described, but the same applies to a reflection type. In the figure, the principal ray is indicated by a dashed line.

【0037】図8(A)に、レーザ光源の波長λが設定
基準波長λ0と等しいときの様子を示す。この場合、ス
ケールで回折された2つの回折光束の主光線は重なり合
いスケールから垂直に射出し、受光系のファイバ又は導
波路に入射される。
FIG. 8A shows a state where the wavelength λ of the laser light source is equal to the set reference wavelength λ 0 . In this case, the principal rays of the two diffracted light beams diffracted by the scale overlap and exit perpendicularly from the scale and enter a fiber or a waveguide of the light receiving system.

【0038】つぎに、図8(B)に、レーザ光源の波長
λが設定基準波長λ0より大きいときの様子を示す。こ
の場合、2つの回折光束はやや収束ぎみとなり、その主
光線は、わずかにシフトするものの、スケールからは垂
直に射出し平行になる。そして、断面光束において、重
なり合う部分が、受光系のファイバ又は導波路に入射さ
れる。
Next, FIG. 8B shows a state where the wavelength λ of the laser light source is larger than the set reference wavelength λ 0 . In this case, the two diffracted light beams are slightly converged, and their chief rays are slightly shifted, but are emitted perpendicularly from the scale and become parallel. Then, in the cross-section light beam, the overlapping portion is incident on the fiber or waveguide of the light receiving system.

【0039】また、図8(C)に、レーザ光源の波長λ
が設定基準波長λ0より小さいときの様子を示す。この
場合、2つの回折光束はやや発散ぎみとなり、その主光
線は、わずかにシフトするものの、スケールから垂直に
射出し平行になる。そして、同様に、断面光束におい
て、重なり合う部分が、受光系のファイバ又は導波路に
入射される。
FIG. 8C shows the wavelength λ of the laser light source.
Is smaller than the setting reference wavelength λ 0 . In this case, the two diffracted light beams are slightly divergent, and their chief rays, though slightly shifted, exit perpendicularly from the scale and become parallel. Then, similarly, in the cross-section light beam, the overlapping portion is incident on the fiber or the waveguide of the light receiving system.

【0040】このように、光源部のレーザ波長が変動し
て回折角が変化しても、ファイバを介して共通光束の一
部を受光系6・受光部7が受光することができる。その
ため、波長変動による受光光量及び効率は変動せず、安
定性に優れている。
As described above, even if the laser wavelength of the light source unit fluctuates and the diffraction angle changes, a part of the common light beam can be received by the light receiving system 6 and the light receiving unit 7 via the fiber. Therefore, the received light amount and the efficiency due to the wavelength fluctuation do not change, and the stability is excellent.

【0041】(5)デバイスの詳細説明 まず、ゾーンプレートレンズ(ZPL)について説明す
る。図9に、照射光学系を主に構成するフレネルゾーン
プレートの説明図を示す。
(5) Detailed Description of Device First, the zone plate lens (ZPL) will be described. FIG. 9 is an explanatory view of a Fresnel zone plate that mainly constitutes the irradiation optical system.

【0042】発光系3の射出導波路34及び35から射
出された2つの照射光束の主光線は、ZPLの中心では
なく、有効光束径41及び42の部分を通過する。ま
た、ZPLのパターン外形は、円形でなく横方向に楕円
形状としても良く、これにより、縦方向の厚さを少なく
することができる。
The principal rays of the two irradiation light beams emitted from the emission waveguides 34 and 35 of the light emitting system 3 pass through the effective light beam diameters 41 and 42, not at the center of the ZPL. Further, the outer shape of the ZPL pattern may be an elliptical shape in the horizontal direction instead of the circular shape, whereby the thickness in the vertical direction can be reduced.

【0043】回折型ZPLは、(1)コンピュータによ
る無収差型CGH( Computer Generated Hologram )の
精密設計工程、(2)電子線描画装置による超精密原板
の作成工程、(3)光リソグラフィによる転写/加工工
程、等の各種工程から製作できる。このように、本発明
では、投光用コリメータレンズとして、特に投光側レー
ザ光の有効径部分に回折型ゾーンプレートレンズ(ZP
L)を用いることにより、超小型短焦点距離で、且つ、
斜入射オフアクシス型の無収差レンズの製作を容易とし
ている。また、平板ガラスで製作を可能とし、焦点距離
や偏心のバラツキがほとんどないように作成することが
できる。
The diffraction-type ZPL is composed of (1) a computer-generated precision hologram (CGH) precise design process using a computer, (2) a super-precision original plate production process using an electron beam lithography system, and (3) transfer / photolithography. It can be manufactured from various processes such as a processing process. As described above, according to the present invention, as a collimating lens for projection, a diffractive zone plate lens (ZP
By using L), an ultra-small short focal length and
It is easy to manufacture an off-axis oblique incidence stigmatic lens. Further, it can be made of flat glass, and can be made so that there is almost no variation in focal length and eccentricity.

【0044】スケールから反射された回折光束は、平板
ガラスのZPLが形成されていない部分43を通過す
る。なお、回折光束が通過する部分43は、平板ガラス
が適宜カットされたり、存在しないように平板ガラスの
大きさ自体を小さくしてもよい。
The diffracted light beam reflected from the scale passes through a portion 43 of the flat glass on which no ZPL is formed. In the portion 43 through which the diffracted light beam passes, the size of the flat glass may be reduced so that the flat glass is appropriately cut or does not exist.

【0045】つぎに、図10に、発光系の製造工程図の
一例を示す。
Next, FIG. 10 shows an example of a manufacturing process diagram of the light emitting system.

【0046】まず、図10(A)に示すように、フォト
リソグラフィ技術を用いて、単結晶基板311(例え
ば、LiNbO3 又はTaNbO3 )の表面に、所望の
導波路パターン形状に金属312(例えば、Ti)を蒸
着する。つぎに、図10(B)に示すように、この単結
晶基板311を電気炉等で加熱することにより、金属3
12は基板内に熱拡散され、その結果、パターン形状の
埋込み型導波路313が形成される。位相変調方式のよ
うに埋め込み型導波路を通過する光を変調する場合等に
おいては、導波路313を形成した後、図10(C)に
示されるように、光制御用電極314及び315を所望
の位置に形成することができる。光制御用電極部314
及び315の材料は、電気伝導率のよい金属材料が用い
られ、一般的には、例えば経時的に安定なAuを蒸着し
て用いる。
First, as shown in FIG. 10A, a metal 312 (for example, a metal film 312 (for example, LiNbO 3 or TaNbO 3 ) is formed on a surface of a single-crystal substrate 311 (for example, LiNbO 3 or TaNbO 3 ) by photolithography. , Ti). Next, as shown in FIG. 10B, the single crystal substrate 311 is heated in an electric furnace or the like, so that the metal 3
12 is thermally diffused into the substrate, so that a buried waveguide 313 having a pattern shape is formed. In the case of modulating the light passing through the embedded waveguide as in the phase modulation method, after forming the waveguide 313, the light control electrodes 314 and 315 are desired as shown in FIG. Can be formed. Light control electrode section 314
And 315, a metal material having good electric conductivity is used, and generally, for example, Au which is stable over time is deposited and used.

【0047】このようにして、図10(D)に示すよう
に、光源部1からのコヒーレント光が入射する入射導波
路32と、光を射出する少なくとも2つの射出導波路3
4、35と、入射導波路32内の光を少なくとも2つの
射出導波路34、35に分岐する分波導波路33が形成
される。さらに、分波導波路33で分岐された少なくと
も2つの光束を、射出導波路34及び35において変調
する位相変調子36及び37を形成することができる。
In this manner, as shown in FIG. 10D, the incident waveguide 32 on which the coherent light from the light source unit 1 enters, and the at least two exit waveguides 3 for emitting light.
4 and 35 and a branching waveguide 33 for branching the light in the input waveguide 32 into at least two output waveguides 34 and 35 are formed. Further, phase modulators 36 and 37 for modulating at least two light beams branched by the branching waveguide 33 in the emission waveguides 34 and 35 can be formed.

【0048】つぎに、図11に、発光系の変形例の構成
図を示す。図11(A)及び(B)において、左図は平
面図、右図は電極の存在する部分の断面図をそれぞれ示
す。
Next, FIG. 11 shows a configuration diagram of a modification of the light emitting system. In FIGS. 11A and 11B, the left diagram is a plan view, and the right diagram is a cross-sectional view of a portion where electrodes exist.

【0049】図10(D)及び図11(A)に示される
ものは、特に、Xカット基板を用いてZ又はY伝搬型の
導波路、又は、Yカット基板を用いてX伝搬型の導波路
を形成した発光系3である。図10(D)の位相変調子
36及び37は、それぞれ独立の電極を有するが、射出
導波路34及び35の内側に形成された電極を共通にア
ースEに接続し、一方、これらの外側に形成された電極
を位相変調電圧に共通に接続することにより、2つの位
相変調子36及び37の電極に略同振幅で逆符号の電圧
を印加することができる。図11(A)は、このような
電気接続を考慮して、射出導波路34及び35の内側の
電極を共通に形成したものである。
10 (D) and 11 (A) show, in particular, a Z or Y propagation type waveguide using an X-cut substrate, or an X propagation type waveguide using a Y-cut substrate. This is a light emitting system 3 in which a wave path is formed. The phase modulators 36 and 37 in FIG. 10D each have independent electrodes, but connect the electrodes formed inside the emission waveguides 34 and 35 to the ground E in common, while connecting the electrodes outside these. By connecting the formed electrodes in common to the phase modulation voltage, voltages of substantially the same amplitude and opposite signs can be applied to the electrodes of the two phase modulators 36 and 37. FIG. 11A shows a structure in which electrodes inside the emission waveguides 34 and 35 are commonly formed in consideration of such electrical connection.

【0050】また、図11(B)に示したものは、特
に、Zカット基板を用いてX又はY伝搬型の導波路、又
は、Yカット基板を用いてZ伝搬型の導波路を形成した
発光系3である。これは、射出導波路34及び35の上
部に位相変調子36及び37の電極を形成して、一方に
位相変調電圧を、他方にアースEを接続することによ
り、簡単な構造で、2つの位相変調子36及び37に略
同振幅で逆符号の電圧を印加することができるものであ
る。
In the case shown in FIG. 11B, an X or Y propagation type waveguide is formed by using a Z-cut substrate, or a Z-propagation type waveguide is formed by using a Y-cut substrate. The light emitting system 3. This is because the electrodes of the phase modulators 36 and 37 are formed above the emission waveguides 34 and 35, and the phase modulation voltage is connected to one of the electrodes and the ground E is connected to the other. It is possible to apply voltages of substantially the same amplitude and opposite signs to the modulators 36 and 37.

【0051】(6)変位計測の動作 つぎに、干渉計測装置による変位計測の動作原理を説明
する。図12に、プッシュプル型位相変調方式の干渉に
ついての説明図を示す。以下に、この図に対応して、動
作原理を説明する。
(6) Operation of Displacement Measurement Next, the principle of operation of displacement measurement by the interference measurement device will be described. FIG. 12 is a diagram illustrating interference with the push-pull phase modulation method. The operation principle will be described below with reference to FIG.

【0052】光導波路部34(第1通路)及び光導波路
部35(第2通路)の変調動作は、LiNbO3 単結晶
基板のポッケルス効果を利用したものである。
The modulation operation of the optical waveguide portion 34 (first passage) and the optical waveguide portion 35 (second passage) utilizes the Pockels effect of the LiNbO3 single crystal substrate.

【0053】ただし、r :LiNbO3 単結晶基板
のポッケルス効果 d :導波路の電極間隔 Ω :変調角周波数 V :印加電圧 w :導波路の電極長 とする。
Where r is the Pockels effect of the LiNbO3 single crystal substrate d is the spacing between the electrodes of the waveguide Ω is the modulation angular frequency V is the applied voltage w is the electrode length of the waveguide.

【0054】したがって、つぎのような正弦波で電圧を
印加した場合、第1通路及び第2通路の光波の位相は、
次式のようになる。
Therefore, when a voltage is applied with the following sine wave, the phases of the light waves in the first path and the second path are
It becomes like the following formula.

【0055】[0055]

【数1】 よって、第1通路及び第2通路の光波の位相変化は、次
式のようになる。
(Equation 1) Therefore, the phase change of the light waves in the first path and the second path is as follows.

【0056】[0056]

【数2】 以上のように、X方向及びY方向の光波の位相変化が同
振幅で逆符号を取るのが、プッシュプル型位相変調方式
の特徴である。
(Equation 2) As described above, a characteristic of the push-pull phase modulation method is that the phase changes of the light waves in the X direction and the Y direction take the opposite sign with the same amplitude.

【0057】このように、第1通路を通過して位相変調
を受け、スケール部5の回折格子型スケールから反射し
てきた第1回折光束U1 と、第2通路を通過して位相変
調を受け、スケール部5の回折格子型スケールから反射
してきた第2回折光束U2 とは、回折格子型スケールの
変位量△Lによる位相差、ΔΦ=2πΔL/p、が生じ
て、次式のようになる。
As described above, the first diffracted light beam U1 that has passed through the first path and undergoes phase modulation and has been reflected from the diffraction grating scale of the scale section 5 and has undergone phase modulation through the second path. With respect to the second diffracted light beam U2 reflected from the diffraction grating scale of the scale section 5, a phase difference due to the displacement ΔL of the diffraction grating scale, ΔΦ = 2πΔL / p, is generated, and is expressed by the following equation.

【0058】[0058]

【数3】 これらふたつの光波を合波干渉させた干渉光Iは、次の
ように求められる。
(Equation 3) The interference light I obtained by combining and interfering these two light waves is obtained as follows.

【0059】[0059]

【数4】 これを、計算すると、その基本波成分I(Ω)及び2倍
波成分I(2Ω)は、それぞれ、次式のようになる。
(Equation 4) When this is calculated, the fundamental wave component I (Ω) and the second harmonic wave component I (2Ω) are respectively expressed by the following equations.

【0060】[0060]

【数5】 したがって、プッシュプル型では、変位量に対する位相
差がπ/2であり、方向弁別機能を可能とする。
(Equation 5) Therefore, in the push-pull type, the phase difference with respect to the displacement amount is π / 2, which enables the direction discrimination function.

【0061】つぎに、変位測定部の詳細構成について説
明する。変位測定部8では、基本波成分I(Ω)及び2
倍波成分I(2Ω)に基づいて、変位を計測する。図1
3に、変位測定部の構成図を示す。
Next, a detailed configuration of the displacement measuring section will be described. In the displacement measuring unit 8, the fundamental wave components I (Ω) and 2
The displacement is measured based on the harmonic component I (2Ω). FIG.
FIG. 3 shows a configuration diagram of the displacement measuring unit.

【0062】変位測定部8は、信号抽出部81と変位計
測部82を備える。信号抽出部81は、受光部7の出力
信号の内、位相変調部の変調周波数と等しい周波数の基
本波信号とこれの2倍の周波数の2倍波信号とを抽出す
る。すなわち、バンドパスフィルタ811及び812、
検出回路813及び814により、上述のような基本波
成分I(Ω)及び2倍波成分I(2Ω)を抽出する。ま
た、変位計測部82は、信号抽出部81により抽出され
た信号の位相から、次式のように測定対象物の変位を求
める。
The displacement measuring section 8 includes a signal extracting section 81 and a displacement measuring section 82. The signal extraction unit 81 extracts a fundamental wave signal having a frequency equal to the modulation frequency of the phase modulation unit and a second harmonic signal having a frequency twice as high as the modulation frequency of the output signal of the light receiving unit 7. That is, the bandpass filters 811 and 812,
The detection circuit 813 and 814 extract the fundamental wave component I (Ω) and the second harmonic component I (2Ω) as described above. Further, the displacement measuring unit 82 obtains the displacement of the measuring object from the phase of the signal extracted by the signal extracting unit 81 as in the following equation.

【0063】ΔL=p/2・(N+ΔΦ/2π) ここで、Nは、整数値であり、変位量が(1/2)p
変化する毎にカウントされるカウント数である。ΔΦ
は、2π以内の位相変位の端数である。
ΔL = p / 2 · (N + ΔΦ / 2π) where N is an integer and the displacement is (() p
It is a count number that is counted each time it changes. ΔΦ
Is the fraction of the phase displacement within 2π.

【0064】このように、変位計測部8では、これら2
種類の信号から直接、スケール部5の変位量ΔLを求め
ることができる。さらに、変位計測部8では、これら2
種類の波形を比較することで、どちらの方向に変位して
いるかという方向弁別を判断することができる。
As described above, the displacement measuring unit 8
The displacement amount ΔL of the scale unit 5 can be obtained directly from the type of signal. Further, the displacement measuring unit 8
By comparing the types of waveforms, it is possible to determine direction discrimination in which direction the displacement is occurring.

【0065】(7)発光系の他の実施の形態 図14に、本発明に係る干渉計測信号形成装置の第5の
実施の形態の構成図を示す。
(7) Another Embodiment of Light Emitting System FIG. 14 shows a configuration diagram of a fifth embodiment of the interference measurement signal forming apparatus according to the present invention.

【0066】上述の実施の形態では、光学基板31の2
つの射出導波路34及び35の両方に、位相変調子36
及び37をそれぞれ設けた例を示した。図14に示され
た第5の実施の形態では、発光系3の光学基板31にお
いて、一方の射出導波路34(又は35)にのみ位相変
調子36(又は37)を設けて位相変調を行い、他方の
射出導波路35(又は34)には位相変調子を設けず
に、分岐導波路33により分離された光束をそのまま射
出するようにしたものである。射出導波路34及び35
からの2つの照射光束は、スケール部5により回折さ
れ、受光系6により受光される。スケール部5、受光系
6及び変位測定部8については、上述の実施の形態のい
ずれかの構成が用いられる。なお、スケール部5及び受
光系6については、反射型に限られず、第4の実施の形
態で示されたような透過型の構成としてもよい。
In the above embodiment, the optical substrate 31
A phase modulator 36 is provided in both of the two exit waveguides 34 and 35.
And 37 are provided. In the fifth embodiment shown in FIG. 14, the phase modulation is performed by providing the phase modulator 36 (or 37) only on one of the emission waveguides 34 (or 35) in the optical substrate 31 of the light emitting system 3. The other exit waveguide 35 (or 34) is not provided with a phase modulator, and the beam separated by the branch waveguide 33 is directly emitted. Emission waveguides 34 and 35
Are diffracted by the scale unit 5 and received by the light receiving system 6. For the scale unit 5, the light receiving system 6, and the displacement measuring unit 8, any one of the configurations of the above-described embodiments is used. Note that the scale section 5 and the light receiving system 6 are not limited to the reflection type, and may have a transmission type configuration as described in the fourth embodiment.

【0067】つぎに、このような干渉計測信号形成装置
による変位計測の動作原理を説明する。ここでは、一例
として、光導波路部34(第1通路)は、位相変調され
ずに光束がそのまま通過し、一方、光導波路部35(第
2通路)は、位相変調子37により変調動作が行われる
場合について説明する。
Next, the operation principle of displacement measurement by such an interference measurement signal forming apparatus will be described. Here, as an example, the optical waveguide section 34 (first path) allows the light beam to pass through without being phase-modulated, while the optical waveguide section 35 (second path) performs a modulation operation by the phase modulator 37. Will be described.

【0068】第1通路を通過して、スケール部5の回折
格子型スケールから反射してきた第1回折光束EA1と、
第2通路を通過して位相変調を受け、スケール部5の回
折格子型スケールから反射してきた第2回折光束EA2
は、回折格子型スケールの変位量△Lによる位相差、Δ
Φ=2πΔL/p、が生じて、次式のようになる。な
お、各パラメータについては、上述の定義と同様であ
る。
The first diffracted light beam E A1 that has passed through the first passage and has been reflected from the diffraction grating scale of the scale section 5;
The phase difference due to the displacement ΔL of the diffraction grating scale and the second diffracted light beam E A2 reflected from the diffraction grating scale of the scale unit 5 after undergoing the phase modulation through the second passage are represented by Δ
Φ = 2πΔL / p, which results in the following equation. In addition, each parameter is the same as the above definition.

【0069】[0069]

【数6】 これらふたつの光波を合波干渉させた干渉光Iは、次の
ように求められる。
(Equation 6) The interference light I obtained by combining and interfering these two light waves is obtained as follows.

【0070】[0070]

【数7】 これを、計算すると、その基本波成分I(Ω)及び2倍
波成分I(2Ω)は、それぞれ、次式のようになる。
(Equation 7) When this is calculated, the fundamental wave component I (Ω) and the second harmonic wave component I (2Ω) are respectively expressed by the following equations.

【0071】[0071]

【数8】 図15に、基本波成分I(Ω)及び2倍波成分I(2
Ω)の波形図を示す。
(Equation 8) FIG. 15 shows the fundamental wave component I (Ω) and the second harmonic wave component I (2
Ω).

【0072】変位測定部8では、上述と同様に、これら
基本波成分I(Ω)及び2倍波成分I(2Ω)に基づい
て、スケール部5の変位ΔLを計測することができる。
The displacement measuring section 8 can measure the displacement ΔL of the scale section 5 based on the fundamental wave component I (Ω) and the second harmonic component I (2Ω), as described above.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上のように、本発明によると、光学部
品点数を少なくして小型化を図るとともに、光学調整を
単純で容易にすることができる。また、本発明による
と、超小型でリジッドな干渉光学系が実現でき、出力信
号を高安定化とし、高精度で安価な干渉計測信号形成装
置を提供することができる。さらに、本発明によると、
レーザ光源の波長変動に対しても、その影響を極力低減
し、すぐれた安定性を得ることができる。
As described above, according to the present invention, the number of optical components can be reduced to reduce the size, and the optical adjustment can be made simple and easy. Further, according to the present invention, an ultra-compact and rigid interference optical system can be realized, an output signal can be highly stabilized, and a highly accurate and inexpensive interference measurement signal forming apparatus can be provided. Further, according to the present invention,
The influence of the wavelength variation of the laser light source can be reduced as much as possible, and excellent stability can be obtained.

【0074】また、本発明によると、位相変調方式ヘテ
ロダイン干渉法を適用した導波路デバイスを用いること
により、受光光量の変動に強く、使用するディテクタが
一つですみ、且つ変位量の方向弁別が可能な干渉計測信
号形成装置を提供することができる。
Further, according to the present invention, by using a waveguide device to which the phase modulation type heterodyne interferometry is applied, it is resistant to the fluctuation of the received light amount, only one detector is used, and the direction discrimination of the displacement amount can be performed. A possible interference measurement signal forming apparatus can be provided.

【0075】また、本発明によると、回折型レンズを用
いることにより、ひとつの素子で集光と偏向との両方の
機能を実現し、これにより、取り付けを簡単にして、モ
ジュール全体を小型化することができる。
Further, according to the present invention, by using a diffractive lens, one light-collecting and deflecting function is realized by one element, thereby simplifying mounting and miniaturizing the entire module. be able to.

【0076】[0076]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る干渉計測信号形成装置の構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of an interference measurement signal forming apparatus according to the present invention.

【図2】FZPの焦点距離の設計についての平面説明
図。
FIG. 2 is an explanatory plan view illustrating the design of the focal length of the FZP.

【図3】FZPの焦点距離の設計についての側面説明
図。
FIG. 3 is a side view illustrating the design of the focal length of the FZP.

【図4】光学基板の研磨角の説明図を示す。FIG. 4 is an explanatory diagram of a polishing angle of an optical substrate.

【図5】本発明に係る干渉計測信号形成装置の第2の実
施の形態の構成図。
FIG. 5 is a configuration diagram of an interference measurement signal forming apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明に係る干渉計測信号形成装置の第3の実
施の形態の構成図。
FIG. 6 is a configuration diagram of an interference measurement signal forming apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明に係る干渉計測信号形成装置の第4の実
施の形態の構成図。
FIG. 7 is a configuration diagram of a fourth embodiment of an interference measurement signal forming apparatus according to the present invention.

【図8】本発明の波長変動に対する安定性についての説
明図。
FIG. 8 is a diagram illustrating the stability of the present invention with respect to wavelength fluctuation.

【図9】照射光学系を主に構成するフレネルゾーンプレ
ートの説明図。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a Fresnel zone plate that mainly configures the irradiation optical system.

【図10】発光系の製造工程図。FIG. 10 is a manufacturing process diagram of a light emitting system.

【図11】発光系の変形例の構成図。FIG. 11 is a configuration diagram of a modified example of a light emitting system.

【図12】プッシュプル型位相変調方式の干渉について
の説明図。
FIG. 12 is an explanatory diagram of interference of a push-pull type phase modulation method.

【図13】変位測定部の構成図。FIG. 13 is a configuration diagram of a displacement measurement unit.

【図14】本発明に係る干渉計測信号形成装置の第5の
実施の形態の構成図。
FIG. 14 is a configuration diagram of a fifth embodiment of an interference measurement signal forming apparatus according to the present invention.

【図15】基本波成分I(Ω)及び2倍波成分I(2
Ω)の波形図。
FIG. 15 shows a fundamental wave component I (Ω) and a second harmonic wave component I (2).
Ω) waveform diagram.

【図16】従来の干渉計測装置の構成図。FIG. 16 is a configuration diagram of a conventional interference measurement device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源部 2 結合部 3 発光系 4 照射光学系 5 スケール部 6 受光系 7 受光部 8 変位測定部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source part 2 Coupling part 3 Light emission system 4 Irradiation optical system 5 Scale part 6 Light receiving system 7 Light receiving part 8 Displacement measuring part

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀 信男 東京都板橋区蓮沼町75番1号 株式会社ト プコン内 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Nobuo Hori 75-1 Hasunumacho, Itabashi-ku, Tokyo Topcon Corporation

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】光源部からのコヒーレントな照射光束を導
く入射導波路と、上記入射導波路からの光束を少なくと
も2つの光束に分岐する分岐導波路と、上記分岐導波路
で分岐された少なくとも2つの射出導波路と、少なくと
もひとつの上記射出導波路の光束を位相変調する位相変
調子とが光学基板の一方の面に形成され、少なくとも2
つの照射光束を形成する発光系と、 フレネルゾーンプレート等の回折型レンズを有し、上記
発光系から照射された少なくとも2つの照射光束を上記
スケール部の回折格子の測定点に照射する照射光学系
と、 上記発光系に対して変位可能に配置され、上記照射光学
系により照射された少なくとも2つの照射光束を表面に
形成された回折格子により回折し、略同方向の回折光束
を形成するスケール部と、 上記スケール部で回折された回折光束を受光する受光系
と、 上記受光系で受光された回折光束を受光して受光信号を
形成する受光部とを備えた干渉計測信号形成装置。
An incident waveguide for guiding a coherent irradiation light beam from a light source unit, a branch waveguide for branching a light beam from the incident waveguide into at least two light beams, and at least two light beams branched by the branch waveguide. Two emission waveguides and a phase modulator for phase-modulating the light flux of at least one of the emission waveguides are formed on one surface of the optical substrate, and at least two
A light emitting system for forming two irradiation light beams, and an irradiation optical system having a diffractive lens such as a Fresnel zone plate and irradiating at least two irradiation light beams emitted from the light emitting system to a measurement point of a diffraction grating in the scale section And a scale portion displaceably disposed with respect to the light emitting system, diffracting at least two irradiation light beams irradiated by the irradiation optical system by a diffraction grating formed on the surface, and forming a diffracted light beam in substantially the same direction. An interference measurement signal forming device, comprising: a light receiving system that receives the diffracted light beam diffracted by the scale unit; and a light receiving unit that receives the diffracted light beam received by the light receiving system and forms a light receiving signal.
【請求項2】上記受光部により形成された受光信号に基
づき、上記照射光学系と上記スケール部との変位を求め
る変位測定部をさらに備えた請求項1に記載の干渉計測
信号形成装置。
2. The interference measurement signal forming apparatus according to claim 1, further comprising a displacement measuring section for calculating a displacement between the irradiation optical system and the scale section based on a light receiving signal formed by the light receiving section.
【請求項3】上記受光系は、 上記照射光学系で照射された照射光束が上記スケール部
で反射された回折光束を受光するように構成されている
こと特徴とする請求項1又は2に記載の干渉計測信号形
成装置。
3. The light receiving system according to claim 1, wherein the light receiving system is configured to receive the diffracted light beam reflected by the scale unit from the irradiation light beam irradiated by the irradiation optical system. Interference signal forming device.
【請求項4】上記受光系は、 上記光学基板の他方の面に設けられたブロックと、上記
ブロックにより固定されるマルチモードファイバとを備
えたこと特徴とする請求項3に記載の干渉計測信号形成
装置。
4. The interference measurement signal according to claim 3, wherein the light receiving system includes a block provided on the other surface of the optical substrate, and a multimode fiber fixed by the block. Forming equipment.
【請求項5】上記受光系は、 上記光学基板の他方の面に形成された導波路を備えたこ
と特徴とする請求項3に記載の干渉計測信号形成装置。
5. The apparatus according to claim 3, wherein the light receiving system includes a waveguide formed on the other surface of the optical substrate.
【請求項6】上記受光系は、 上記光学基板の他方の面に形成され、表面弾性波を形成
する交差指電極を備えたこと特徴とする請求項3に記載
の干渉計測信号形成装置。
6. The interference measurement signal forming apparatus according to claim 3, wherein the light receiving system includes a cross finger electrode formed on the other surface of the optical substrate and forming a surface acoustic wave.
【請求項7】上記受光系は、 上記照射光学系で照射された照射光束が、上記スケール
部を透過した回折光束を受光するように構成されている
こと特徴とする請求項1又は2に記載の干渉計測信号形
成装置。
7. The light receiving system according to claim 1, wherein the light receiving system is configured such that the irradiation light beam irradiated by the irradiation optical system receives the diffracted light beam transmitted through the scale section. Interference signal forming device.
【請求項8】上記照射光学系は、 上記射出導波路の射出端付近に後側焦点位置が配置さ
れ、前側焦点位置付近に上記スケール部が配置されるよ
うに構成されていること特徴とする請求項1乃至7乃至
のいずれかに記載の干渉計測信号形成装置。
8. The irradiating optical system is characterized in that a rear focal position is disposed near an exit end of the exit waveguide, and the scale section is disposed near a front focal position. The interference measurement signal forming device according to claim 1.
【請求項9】上記照射光学系が有するフレネルゾーンプ
レート等の回折レンズは、 光軸が、上記発光系の光学基板から射出される少なくと
も2つの光束の射出位置の中央部に略一致するように配
置されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに
記載の干渉計測信号形成装置。
9. A diffractive lens such as a Fresnel zone plate included in the irradiation optical system such that an optical axis substantially coincides with a central portion of an emission position of at least two light beams emitted from an optical substrate of the light emitting system. The interference measurement signal forming apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the apparatus is arranged.
【請求項10】上記光源部の波長をλ0、上記光学基板
の2本の上記射出導波路の間隔をd、上記スケール部の
グレーティングピッチをp、及び上記スケール部による
主光線の回折角度をθとする場合、 上記スケール部で回折する±1次回折光が垂直に反射す
る条件が、 sinθ=±λ0/p となり、 フレネルゾーンプレート等の回折レンズの焦点距離f0
は、 f0=(d/2)/tanθ のように決定されることを特徴とする請求項1乃至9の
いずれかに記載の干渉計測信号形成装置。
10. The wavelength of the light source section is λ 0 , the interval between the two emission waveguides of the optical substrate is d, the grating pitch of the scale section is p, and the diffraction angle of the principal ray by the scale section is When θ is set, the condition that the ± 1st-order diffracted light diffracted at the scale portion is vertically reflected is sin θ = ± λ 0 / p, and the focal length f 0 of a diffractive lens such as a Fresnel zone plate
The interference measurement signal forming apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein is determined as f 0 = (d / 2) / tan θ.
JP9219298A 1998-03-23 1998-03-23 Interference measurement signal forming device Pending JPH11271016A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015501920A (en) * 2011-11-09 2015-01-19 ザイゴ コーポレーションZygo Corporation Low coherence interferometry using an encoder system

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