JPH11271016A

JPH11271016A - 干渉計測信号形成装置

Info

Publication number: JPH11271016A
Application number: JP9219298A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Nagano; 繁憲永野; Makoto Fujino; 誠藤野; Satoshi Takada; 聡高田; Nobuo Hori; 信男堀
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-10-05

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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

【従来の技術】図１６に、従来の干渉計測装置の構成図
を示す。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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（２πｆ_Mｔ）及び −sin（２πｆ_Mｔ）等が用いられる。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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）−ｄｙ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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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）／２ｆ₀tanβ ≧ 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、ｎ_ssinγ＝sin（β＋γ）（ここで、ｎ_s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、ｎ_s＝２．２から、β＝１３°、γ＝１
０°となる。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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ｆ_M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ｆ_M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２ｆ_M成
分は、第２の受光素子７２で受光される。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００４５】つぎに、図１０に、発光系の製造工程図の
一例を示す。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｅ_A1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Ｅ_A2と
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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００７６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る干渉計測信号形成装置の構成図。

【図２】ＦＺＰの焦点距離の設計についての平面説明
図。

【図３】ＦＺＰの焦点距離の設計についての側面説明
図。

【図４】光学基板の研磨角の説明図を示す。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図１０】発光系の製造工程図。

【図１１】発光系の変形例の構成図。

【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。

【図１３】変位測定部の構成図。

【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。

【図１５】基本波成分Ｉ（Ω）及び２倍波成分Ｉ（２
Ω）の波形図。

【図１６】従来の干渉計測装置の構成図。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。