JP4155668B2 - 距離計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は距離計、特に参照物体を基準に測定物体の変位を、簡易な構成で、より微小な距離まで高精度に測定することのできる光の干渉を利用した距離計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、試料とプローブ先端部間に働く原子間力を検出し、この検出値が一定となるように、試料の表面を走査することにより、該試料の表面形状を測定することのできる原子間力顕微鏡などの走査型顕微鏡が知られている。
また、光プローブを走査しながら、微小物体近傍に局在する近接場光を散乱し、該接場光強度の地図を作ることにより、該試料の表面形状を測定することのできる近接場光学顕微鏡などの走査型顕微鏡も知られている。
このような走査型顕微鏡では、前記試料表面の走査は、該試料をＸＹＺステージ等の微動ステージに載置し、該ステージを所定の量ずつ、順次移動することにより行われる。
【０００３】
ところで、前記走査を高精度で行うためには、ステージの駆動に関しては、高精度が求められる。つまり、ステージをいかに所定の量ずつ移動できるかが求められ、このために、ステージの変位を適正に把握する必要がある。
前記ステージの変位を把握するため、例えばステージの移動距離と移動方向を測定する距離計が用いられる。
このような距離計に関しても、前記ステージの駆動精度と劣らず、高い測定精度が求めれる。
【０００４】
従来、前記ステージ等の移動物体の変位を測定するため、光の波長を基準にして移動物体の変位を求める距離計が知られている。
前記従来の構成の距離計では、単色光源からの単色光（λ）を、干渉計のビームスプリッタで分割し、例えば参照物体としての固定鏡と、測定物体としての走査鏡に入れる。そして、該固定鏡及び走査鏡での２つの反射光を、再度ビームスプリッタで重ね合わせる。
この２つの反射光の間には、各光路長の違いによる位相差を生じるので、ビームスプリッタで重なり合うと、干渉縞ができる。この干渉縞を検出手段により光電検出する。
【０００５】
ここで、走査鏡が光軸方向に移動すると、λ／２の移動ごとに、干渉縞の明暗が周期的に変化する。この明暗の変化を係数することにより、走査鏡の変位を求める。
つまり、検出手段で得た干渉縞強度信号のうち、交流（ＡＣ）信号を測定し、干渉波長の変化から、前記走査鏡の設けられたステージ等の移動物体の変位を求める方法が一般的であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成の距離計のように、前記光の波長を基準にして移動物体の変位を測っていたのでは、該光の波長の半分以下の距離の干渉波は、発生しない。つまり、干渉縞の明暗の周期的な変化は、λ／２の移動ごとにしか得られないので、光の波長以下の移動距離を測定することができなかった。
このため、例えば原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡などの走査型顕微鏡に用いられる微動ステージなどの移動物体のように、特に微小な距離ずつ移動するものに関しては、変位の高精度測定が非常に困難であった。
【０００７】
特に微小距離の計測の分野では、簡易な構成で、より微小な距離まで高精度に測定することのできる技術の開発が強く望まれていたものの、これを解決することのできる適切な技術がいまだ存在しなかった。
また、１組の光源と検出器では１軸の変位しか測定できなかった。
本発明は前記従来技術に鑑みなされたものであり、その目的は参照物体を基準に測定物体の変位を、簡易な構成で、より微小な距離まで高精度に測定することのできる距離計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明にかかる距離計は、参照物体を基準に測定物体の変位を測定する距離計において、光源と、干渉手段と、検出手段と、信号処理手段と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記光源は、所定のビーム径を持つ光束を射出する。
また、前記干渉手段は、前記測定物体がその光軸とほぼ直交する方向に変位可能な物体であって、前記光源からの光を、一方の物体としての透過型回折格子で、方向の異なる２つの回折光束に分け、該２回折光束を他方の物体としての反射型回折格子にあて、その各反射光束を再度、該透過型回折格子で重ね合わせて干渉させる。
【０００９】
前記検出手段は、前記干渉手段で得た干渉光を光電検出する。
前記信号処理手段は、前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求める。
なお、本発明において、前記信号処理手段は、前記干渉信号の強度変化と干渉周期を測定するため、前記検出手段で得た干渉信号の直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で目盛を入れて線で補間し、該目盛と該直流的な情報から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求めることが好適である。
【００１０】
また、本発明において、前記回折格子は、１つの格子面を、前記測定物体の各変位方向を刻線方向とした複数の格子面に分割し、前記光源からの１つの光を、そのビーム径が前記各格子面をまたがるように照射し、前記参照物体を基準に前記測定物体の前記各刻線方向の変位成分を測定することも好適である。
なお、ここにいう測定物体の各変位方向を刻線方向とした複数の格子面に分割するとは、例えば１つの面上に隣り合わせて配置された各格子面の溝の方向が、９０度等、方向が違うこと等をいう。
【００１１】
また、本発明において、前記測定物体は、その光軸方向にも移動可能とし、前記信号処理手段は、前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、前記測定物体の光軸方向の変位成分も求めることも好適である。
また、前記目的を達成するために本発明にかかる距離計は、参照物体を基準に測定物体の変位を測定する距離計において、光源と、送・受光手段と、検出手段と、信号処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記光源は、所定のビーム径を持つ光束を射出する。
また、前記送・受光手段は、前記光源からの光を、前記一方の物体の出射端から、前記他方の物体としての反射物体に送り出し、該反射物体での反射光を受光し、該反射物体での反射光と、該一方の物体の出射端での反射光を重ね合わせて干渉させる。
前記検出手段は、前記送・受光手段で得た干渉光の強度信号を光電検出する。
前記信号処理手段は、前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と該干渉周期から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求める。
【００１３】
なお、本発明において、前記信号処理手段は、前記干渉信号の強度変化と干渉周期を測定するため、前記検出手段で得た干渉信号の直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で目盛を入れて線で補間し、該目盛と該直流的な情報から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求めることが好適である。
また、本発明において、前記光源は、可干渉単色光を出射することも好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
第１実施形態
図１には、本発明の第１実施形態にかかる距離計の概略構成が示されている。同図に示す距離計１０は、光源１２と、参照物体及び測定物体としての干渉手段１４と、検出手段１６と、信号処理手段１８を含む。
【００１５】
ここで、前記光源１２は、例えば距離計に使用するのに望ましい可干渉単色光を出すレーザダイオード（ＬＤ）、或いは該ＬＤに比較し、安価な発光ダイオード（ＬＥＤ）等よりなる。
この光源１２は、所定のビーム径を持つ光束Ｌ１を射出する。
また、前記干渉手段１４は、参照物体としての透過型回折格子２０と、測定物体としての反射型回折格子２２を含む。
【００１６】
この透過型回折格子２０は、その溝の設けられた側を、反射型回折格子２２の側とし、光源１２からの光束Ｌ１ないし反射型回折格子２２からの光束Ｌ２，Ｌ３等の入射光を回折して、ないし回折せず射出する。つまり、０次、１次等の次数による分離を行う。
この反射型回折格子２２は、例えば原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡の微動ステージなどの移動物体２４の側壁などに、溝の設けられた側を透過型回折格子２０の側として設けられる。
【００１７】
この反射型回折格子２２は、微動ステージ等の移動物体２４の移動によって、互いに直交するＸＹＺの３つの方向に移動可能である。
そして、光源１２からの１つの光束Ｌ１を、透過型回折格子２０と反射型回折格子２２で、方向の異なる２つの回折光束Ｌ２，Ｌ３とし、再度、透過型回折格子２０で、この２光束Ｌ２，Ｌ３を重ね合わせて干渉させる。このようにして干渉光Ｌ４を得る。
【００１８】
例えば、光源１２からの光束Ｌ１を、まず、透過型回折格子２０で回折した光束Ｌ２と、この透過型回折格子２０で回折せず透過した光束Ｌ３に分ける。
そして、透過型回折格子２０からの光束Ｌ２は、反射型回折格子２２で回折し、再度、透過型回折格子２０で回折せず透過する。
一方、透過型回折格子２０からの光束Ｌ３は、反射型回折格子２２で回折し、再度、透過型回折格子２０で回折する。
このようにして得られた２つの光束Ｌ２，Ｌ３を再度、透過型回折格子２０で重ね合わせて干渉させる。
【００１９】
前記検出手段１６は、例えば光検出器（ＰＤ）等よりなり、前記干渉光Ｌ４の強度を光電検出し、干渉信号を後段の信号処理手段１８に出力する。
前記信号処理手段１８は、例えばパーソナルコンピュータ等よりなり、検出手段１６で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、移動物体２４の変位を求める。
つまり、この信号処理手段１８は、検出手段１６で得た電気信号の位相変化から光の位相変化を求め、この光の位相変化から、移動物体２４の変位を求める。
【００２０】
例えば、検出手段１６で得た干渉信号のうち、直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で、例えば波長程度等の所定の周期間隔で目盛を入れて線で補間し、前記干渉周期としての該目盛と、前記干渉信号の強度変化としての該直流的な情報から、移動物体２４の変位を測定する。
なお、本実施形態にかかる検出手段１６は、移動物体２４の変位方向も測定するため、例えばＸＹＺの３つの方向に対し、ある間隔で設けられた、２つの光検出器（ＰＤ）等よりなる。
【００２１】
このため、本実施形態にかかる距離計１０では、各光検出器からの２つの電気信号は互いに、ある周期だけ位相がずれているので、後段の信号処理手段１８で、２つの電気信号を比較し、一方に対して他方の位相が進んでいるか、又は遅れているかを検出することにより、移動物体２４の変位方向も判定することができる。
【００２２】
本実施形態にかかる距離計１０は、概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
まず、光源１２からの１つの光束Ｌ１を、一方の干渉手段１４である透過型回折格子２０で、方向の異なる２つの光束Ｌ２，Ｌ３に分け、該光束Ｌ２，Ｌ３を、他方の干渉手段１４である反射型回折格子２２に当て、その各反射光Ｌ２，Ｌ３を再度、透過型回折格子２０で重ね合わせて干渉させる。
【００２３】
例えば、光源１２からの光束Ｌ１は、透過型回折格子２２に入射し、一方の光束Ｌ２は、透過型回折格子２０で回折して射出し、他方の光束Ｌ３は、回折せず透過し、反射型回折格子２２に入射する。
反射型回折格子２２に入射した光束Ｌ２，Ｌ３は、該反射型回折格子２２で回折して射出し、再度、透過型回折格子２０に入射する。
透過型回折格子２０では、光束Ｌ３は回折して、光束Ｌ２は回折せず透過し、これらの２つの光束Ｌ２，Ｌ３を重ね合わせて干渉させる。このようにして得られた干渉光Ｌ４が後段の検出手段１６に入射する。
【００２４】
このようにして光源１２からの１つの光束Ｌ１を、干渉手段１４で、方向の変えられた２光束Ｌ２，Ｌ３とし、該２光束Ｌ２，Ｌ３を再度、重ね合わせて干渉させる。このようにして得られた干渉光Ｌ４を検出手段１６により光電検出する。
そして、移動物体２４の移動によって、反射型回折格子２２が光軸と直交する方向、つまり図中、Ｙ方向やＺ方向に移動すると、該移動距離に応じて、検出手段１６からの干渉信号の強度が変化する。
ここで、光を基準にした従来の距離計では、干渉信号のうち、交流（ＡＣ）信号を検出し、干渉波長の変化から、移動物体の横ずれ成分、つまりＹ方向の変位成分やＺ方向の変位成分を検出していた。
【００２５】
しかしながら、前記従来の構成の距離計では、光源からの光の波長の１／２以下の距離の干渉波は発生することができず、波長以下の距離を測定することができなかった。
特に微小距離ずつ移動する原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡の微動ステージなどの変位を高い精度で計測するのは非常に困難であった。
【００２６】
そこで、本実施形態にかかる距離計１０では、光源１２からの１つの光束Ｌ１を、干渉手段１４で、方向の変えられた２光束Ｌ２，Ｌ３とし、該２光束Ｌ２，Ｌ３を重ね合わせて干渉させる。このようにして得られた干渉光Ｌ４を検出手段１６で光電検出する。
そして、信号処理手段１８により、検出手段１６で得た前記干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、移動物体２４の横ずれ方向の変位成分を求めているのである。
【００２７】
本実施形態にかかる信号処理手段１８の、より具体的な干渉信号の処理方法を、図２を参照しつつ説明する。
すなわち、本実施形態にかかる信号処理手段１８は、同図に示すように検出手段１６で得た干渉信号のうち、直流（ＤＣ）信号の各測定値ＳＤＣ１〜ＳＤＣｎをプロットする。
つぎに、干渉成分である交流（ＡＣ）信号の測定値ＳＡＣを用い、例えば波長程度の所定の周期間隔で、前記干渉周期としての目盛Ｍを入れる。
【００２８】
そして、前記直流（ＤＣ）信号の各測定値ＳＤＣ１〜ＳＤＣｎ間を、直線ｌで補間すると、前記干渉信号の強度変化を直流的に得ることができる。
そして、本実施形態にかかる信号処理手段１８は、前記干渉周期としての目盛Ｍと、直流的な干渉信号の強度変化としての直線ｌから、移動物体２４の変位を求めている。
この結果、本実施形態では、変位測定に用いられる光の波長に対する制限がなく、干渉信号の周期は回折格子２０，２４の溝の間隔で決まるので、目盛Ｍの数と、直流的な干渉信号強度としての直線ｌから、光の波長以下の変位量までも、高精度で求めることができる。
つまり、前記従来の構成の距離計では、前記目盛Ｍの数の変化のみしか計数できず、この場合には、目盛Ｍの間隔以下、つまり波長以下の変位までも測定できなかった。
【００２９】
そこで、本実施形態にかかる信号処理手段１８は、目盛Ｍの数の変化に加えて、目盛Ｍ以下の変位に関しては、目盛Ｍ間の直線ｌを分割して求めている。
つまり、本実施形態にかかる信号処理手段１８は、変位の測定を、干渉周期単位の整数部分と、該干渉周期だけでは表現できない微小な変位量、所謂小数点以下の変位量に関しては、直線ｌから求めるようにしているので、単に干渉周期から求めた場合に比較し、非常に微小な変位量まで高精度で求めることができる。
また、本実施形態では、前記波長程度の所定の周期間隔で、目盛Ｍ等を入れることにより、変位量を正確に補正することもできる。つまり、前記直線補間をより正確に行うことができる。これにより、そのような工夫のない場合に比較し、移動物体２４の変位量を、より高精度で求めることができる。
【００３０】
また、本実施形態において、前述のように移動物体２４の変位の測定は、光源１２等の変位測定に用いる光の波長に制限されないことから、光源１２として、一般的な単色光源であるレーザダイオード（ＬＤ）に比較し安価な、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等も用いることができる。これにより、装置の低価格化を図ることができる。
また、従来の構成の距離計のように、走査鏡や固定鏡等の反射鏡を用いていたのでは、基本的には、光の進む方向に沿った方向の距離しか測定することできない。
【００３１】
つまり、１つの距離計では、ある１つの方向の変位成分しか測定することができず、３軸を組み合わせることが一般的な、前記微動ステージなどの変位を測定するのに用いるには、移動物体２４の各変位方向ごとに、１つの距離計が必要となる。これでは、装置全体が大型化してしまい、高価なものとなってしまう。
そこで、本実施形態にかかる干渉手段１４では、回折格子２０，２２の１つの格子面を、図３に示すように、２つの格子面２６，２８に分割し、各格子面２６，２８の溝を、移動物体の各変位方向、つまり図中、Ｙ方向とＺ方向に刻線している。
【００３２】
つまり、移動物体２４の各変位方向の刻線とした各格子面２６，２８を隣り合わせて配置しているのである。
そして、同図に示すように、光源からの１つの光Ｌ１を、そのビーム径ｄが各格子面２６，２８をまたがるように照射しているのである。
この結果、本実施形態にかかる１つの距離計１０で、回折格子の格子面に平行な２つの刻線方向、つまり図中、直交するＹ方向とＺ方向の変位成分を測定することができる。
【００３３】
また、本実施形態にかかる距離計１０では、移動物体２４をＸ方向にも移動可能としている。
このとき、信号処理手段１８は、検出手段１６で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、回折格子２０，２２の光軸方向、つまり図１中、Ｘ方向の変位成分も測定することができる。
これにより、本実施形態では、１つの距離計１０により、３軸の同時測定もすることができる。
したがって、移動物体２４の各変位方向に対し、距離計を設けた場合に比較し、装置の構成簡略化を図ることができる。これにより、小型化、低価格化を図ることができる。
【００３４】
また、本実施形態にかかる距離計１０では、検出手段１６として、電気信号が互いに、ある周期だけ位相がずれるように、２つの光検出器（ＰＤ）を設けているので、信号処理手段１８により、一方に対して他方の位相が進んでいるか、又は遅れているかを検出することにより、移動物体２４の移動方向も判定することができる。
すなわち、本実施形態にかかる検出手段１６は、移動物体２４の変位方向も測定するため、例えば図４に示すように、図中、Ｙ方向にある間隔で２つの光検出器（ＰＤ）１６ａ，１６ｂを設けている。
【００３５】
また、同図中、Ｚ方向に、ある間隔で２つの光検出器（ＰＤ）１６ｃ，１６ｄを設けている。
このため、本実施形態では、例えばＹ軸に関しては、２つの光検出器１６ａ、１６ｂからの２つの電気信号は互いに、ある周期だけ位相がずれている。
したがって、後段の信号処理手段１８は、これらの２つの電気信号を比較し、一方に対して他方の位相が進んでいるか、又は遅れているかを検出することにより、移動物体２４の移動方向、つまり＋Ｙ方向に移動したか、又は−Ｙ方向かも判定することができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態にかかる距離計１０によれば、光源１２からの１つの光Ｌ１を、透過型回折格子２０及び反射型回折格子２２で、方向の変えられた２光束Ｌ２，Ｌ３とし、該２光束Ｌ２，Ｌ３を再度、透過型回折格子２０で重ね合わせて干渉させる。
このようにして得られた干渉光Ｌ４を検出手段１６で光電検出し、該干渉信号の強度変化及び干渉周期を信号処理手段１８により測定し、該強度変化及び干渉周期から、移動物体２４の変位を求めることとした。
【００３７】
つまり、本実施形態にかかる距離計１０によれば、前記変位の測定に、従来の干渉縞自体を介さず直接、信号処理手段１８により電気信号の位相変化から光の位相変化を求めることとしたので、変位測定に用いる光の波長に対する制限がなく、干渉信号の周期は回折格子２０，２２の溝の間隔で決まるので、該溝の間隔をより微小なものにすれば、より微小な変位量を求めることもできる。
したがって、本実施形態にかかる距離計１０によれば、光の波長を基準にした従来の距離計では極めて困難であった、光の波長以下の微小距離の測定も、高精度で行うことができる。
【００３８】
しかも、本実施形態において、前述のように前記変位の測定には、光源からの光の波長に対する制限がないので、光源１２として、一般的な単色光源であるレーザダイオード（ＬＤ）等に比較し、安価な例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等も用いることができる。これにより、距離計１０の低価格化を図ることができる。
また、本実施形態において、回折格子２０，２２等の１つの格子面を、２つの格子面２６，２８に分割し、各格子面２６，２８の溝を、移動物体２４の各変位方向に刻線し、光源１２からの１つの光Ｌ１を、そのビーム径ｄが各格子面２６，２８をまたがるように照射しているので、走査鏡や固定鏡などの反射鏡を用いた前記従来の構成の距離計では、極めて困難であった１つの距離計による３軸方向の同時測定もすることができるので、構成の簡略化が図られる。
【００３９】
なお、前記構成では、測定物体に反射型回折格子２２を、参照物体に透過型回折格子２０を、それぞれ設けた例について説明したが、本発明の距離計は、これに限られるものではなく、測定物体に透過型回折格子２０を、参照物体に反射型回折格子２２を、それぞれ設けることも可能である。
また、前記構成では、光源１２からの光束Ｌ１を、透過型回折格子２０で回折し、反射型回折格子２２で回折し、透過型回折格子２０で回折せず透過した光Ｌ２と、透過型回折格子２０で回折せず透過し、反射型回折格子２２で回折し、透過型回折格子２０で回折した光Ｌ３とした例について説明した。
【００４０】
しかしながら、本発明の距離計は、これに限定されるものではなく、同一の光源１２から、方向の異なる２つの光束が得られるのであれば、前記光束Ｌ２が透過型回折格子１４で回折せず透過し、反射型回折格子１６で回折し、透過型回折格子１６で回折した光であってもよい。
また、前記光束Ｌ３が透過型回折格子２０で回折し、反射型回折格子２２で回折し、透過型回折格子２０で回折せず透過した光であってもよい。
【００４１】
そして、本実施形態にかかる距離計１０によれば、前記微動ステージ以外の移動物体２４と静止物体間の相対距離の変化を勿論測定することができるが、特に微小な変位量の高精度な測定が求められる、例えば原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡の微動ステージなどの変位を測定するのに好適に用いられる。
【００４２】
第２実施形態
図５には、本発明の第２実施形態にかかる距離計の概略構成が示されている。
なお、前記図１と対応する部分には、符号１００を加えて示し説明を省略する。
同図に示す距離計１１０は、光源１１２と、参照物体及び送・受光手段としての光ファイバ束１３０と、反射物体としての反射板１３２と、検出手段１１６と、信号処理手段１１８を含む。
【００４３】
ここで、前記光源１１２は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）、又は該ＬＤに比較し安価な発光ダイオード（ＬＥＤ）等よりなる。
この光源１１２は、所定のビーム径を持つ光束Ｌ１を射出する。
前記光ファイバ束１３０は、光源１１２からの光束Ｌ１を反射板１３２に送り出す。
この光ファイバ束１３０は、反射板１３２での反射光Ｌ３も受光する。
この反射板１３２は、例えば微動ステージ等の移動物体１２４の側壁などに設けられ、該移動物体１２４の移動によって、例えば図中、Ｘ方向に移動可能である。
【００４４】
そして、光ファイバ束１３０で得た反射板１３２での反射光Ｌ３と、光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂでの反射光Ｌ２を重ねあわせて干渉させる。このようにして干渉光Ｌ４を得る。
前記検出手段１１６は、例えばＸ方向に対しある間隔で設けられた、２つの光検出器（ＰＤ）等よりなる。
この検出手段１１６は、前記干渉光Ｌ４の強度を光電検出し、後段の信号処理手段１１８に出力する。
【００４５】
前記信号処理手段１１８は、例えばパーソナルコンピュータ等よりなり、検出手段１１６で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、移動物体１２４の変位を求める。
つまり、この信号処理手段１１８は、検出手段１１６で得た電気信号の位相変化から光の位相変化を求め、移動物体１２４の変位を求める。
例えば、検出手段１１６で得た干渉信号のうち、直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で、例えば波長程度の所定の周期間隔で、目盛を入れて直線で補間し、前記干渉周期としての該目盛と、前記干渉信号の強度変化としての該直流的な情報から、移動物体１２４の変位を測定する。
【００４６】
なお、本実施形態にかかる検出手段１１６は、Ｘ方向にある間隔で２つの光検出器を配置しており、２つの光検出器からの電気信号は互いに、ある周期だけ位相がずれている。
このため、本実施形態にかかる距離計１１０では、信号処理手段１１８で、光検出器からの２つの電気信号を比較し、一方に対して他方の位相が進んでいるか、又は遅れているかを検出することにより、移動物体１２４の変位方向を判定することもできる。
【００４７】
本実施形態にかかる距離計１１０は、概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
まず、光源１１２からの光Ｌ１は、レンズ１３４により平行光束とされ、ビームスプリッタ１３６を透過し、そして光ファイバ束１３０の入射端１３０ａに入射する。
この光ファイバ束１３０の中を通過し、出射端１３０ｂから射出した光束Ｌ３は、反射板１３２で反射し、再度、光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂで受光される。
【００４８】
この光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂでは、反射板１３２からの光束Ｌ３と、この光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂでの反射光Ｌ２を重ね合わせて干渉させる。
このようにして得られた干渉光Ｌ４は、光ファイバ束１３０の入射端１３０ａから射出し、ビームスプリッタ１３６で反射され、さらにレンズ１３８により集光され、検出手段１１６に入射する。
検出手段１１６では、前記干渉光Ｌ４を光電検出し、後述する信号処理手段１１８に干渉信号を出力する。
【００４９】
ここで、反射板１３２のＸ方向の位置により、光ファイバ束１３０での反射光束Ｌ３の減衰量が異なる。
また、反射板１３２のＸ方向の位置により、図６に示すような光ファイバ束１３０での反射光Ｌ２と反射光Ｌ３との重なりの大きさ、つまり干渉光Ｌ４の大きさも異なるため、検出手段１１６での干渉光Ｌ４の受光光量も変化する。
反射板１３２の光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂからの距離と検出手段１１６から出力される干渉信号強度の関係は、前記図２に示した移動物体２４の相対距離と干渉信号強度との関係と同様である。
【００５０】
したがって、本実施形態にかかる信号処理手段１１８は、検出手段１１６で得た干渉信号を、前記第１実施形態と同様の信号処理（前記図２参照）を行うことにより、光の波長を基準にした従来の距離計では極めて困難であった、光の波長以下の微小距離の測定までも、高精度で行うことができる。
なお、前記構成では、送・受光手段として光ファイバ束１３０を用いた例について説明したが、本発明の距離計は、これに限られるものではなく、前記光ファイバ束に代えて、凹レンズ等の光学部品を設けることにより、反射板１３２と凹レンズとの相対距離の変化を測定することも可能である。
【００５１】
また、本実施形態にかかる距離計１１０によれば、前記ステージ以外の移動物体１２４の相対距離の変化を勿論測定することができるが、特に微小距離の高精度測定が求められる、例えば原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡の微動ステージなどの変位を測定するのに好適に用いられる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる距離計によれば、光源からの１つの光を干渉手段で方向の変えられた２回折光束とし、該２回折光束を重ね合わせて干渉させる。このようにして得られた干渉光を検出手段で光電検出し、該干渉信号の強度変化及び干渉周期を信号処理手段により測定し、該強度変化及び干渉周期から、参照物体を基準に測定物体の変位を求めることとした。
この結果、本発明にかかる距離計は、前記変位の測定に、光の波長に対する制限がなく、干渉信号の周期は回折格子の溝の間隔で決まるので、該回折格子の溝間隔をより微小にすることにより、光の波長を基準にした従来の距離計では極めて困難であった、変位測定に用いられる光の波長以下の微小変位量の測定までも、より高精度で行うことができる。
【００５３】
しかも、本発明において、前述のように前記変位の測定には、変位測定に用いられる光の波長に対する制限がないので、前記光源として、一般的な単色光源であるレーザダイオード等に比較し、安価な例えば発光ダイオード等も用いることができる。これにより、装置の低価格化を図ることができる。
また、本発明において、信号処理手段により、検出手段で得た干渉信号の直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号による、例えば波長程度等の所定の周期間隔で目盛を入れて直線等の線で補間し、前記干渉周期としての該目盛と、前記干渉信号の強度変化としての該直流的な情報から、前記変位を求めることとした。
【００５４】
この結果、干渉信号による波長程度等の目盛を入れることにより、前記変位を正確に補正することができる。つまり、前記線補間を正確に行うことができる。
したがって、そのような工夫のない場合に比較し、前記変位の測定を、より高精度で行うことができる。
また、本発明において、回折格子の１つの格子面を、複数の格子面に分割し、各格子面の溝を測定物体の、例えば直交する各変位方向に刻線し、光源からの１つの光を、そのビーム径が前記各格子面をまたがるように照射しているので、従来極めて困難であった１つの距離計による、例えば直交する複数の変位方向の同時測定を行うことができる。
【００５５】
したがって、測定物体の各変位方向ごとに距離計を設けた場合に比較し、構成の簡略化を図ることができる。これにより、装置の小型化、低価格化を図ることができる。
また、本発明にかかる距離計によれば、反射物体での反射光と、送・受光手段での反射光を重ねあわせて干渉させる。このようにして得られた干渉光を検出手段により光電検出し、信号処理手段により、検出手段で得た干渉信号の直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で、例えば波長程度等の所定の周期間隔で目盛を入れて例えば直線等の線で補間し、前記干渉周期としての該目盛と、前記干渉信号の強度変化としての該直流的な情報から、送・受光手段及び反射物体間の変位を求めることとした。
【００５６】
この結果、本発明にかかる距離計によれば、前記信号処理手段により、干渉縞を介さず直接、電気信号の直流的な位相変化から光の位相変化を求めることとしたので、光の波長を基準にした従来の距離計では極めて困難であった、変位測定に用いられる光の波長以下の相対距離の変化までも、より高精度で測定することができる。
また、干渉信号による波長程度等の目盛を入れることにより、前記変位を正確に補正することができる。つまり、前記直線補間等の線補間を正確に行うことができる。したがって、そのような工夫のない場合に比較し、前記変位の測定を、より高精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる距離計の概略構成の説明図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる距離計において特徴的な干渉信号処理方法の説明図である。
【図３】図１に示した距離計において特徴的な干渉手段の説明図である。
【図４】図１に示した距離計の検出手段の配置の説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる距離計の概略構成の説明図である。
【図６】図５に示した距離計の送・受光手段での干渉光発生の説明図である。
【符号の説明】
１０、１１０…距離計
１２、１１２…光源
１４…干渉手段
２０…反射型回折格子（干渉手段）
２２…反射型回折格子（干渉手段）
１６、１１６…検出手段
１８、１１８…信号処理手段
２４，１２４…移動物体
１３０…光ファイバ束（送・受光手段）
１３０ａ…光ファイバ束の入射端（送・受光手段の入射端）
１３０ｂ…光ファイバ束の出射端（送・受光手段の出射端）
１３２…反射板（反射物体）
【発明の属する技術分野】
本発明は距離計、特に参照物体を基準に測定物体の変位を、簡易な構成で、より微小な距離まで高精度に測定することのできる光の干渉を利用した距離計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、試料とプローブ先端部間に働く原子間力を検出し、この検出値が一定となるように、試料の表面を走査することにより、該試料の表面形状を測定することのできる原子間力顕微鏡などの走査型顕微鏡が知られている。
また、光プローブを走査しながら、微小物体近傍に局在する近接場光を散乱し、該接場光強度の地図を作ることにより、該試料の表面形状を測定することのできる近接場光学顕微鏡などの走査型顕微鏡も知られている。
このような走査型顕微鏡では、前記試料表面の走査は、該試料をＸＹＺステージ等の微動ステージに載置し、該ステージを所定の量ずつ、順次移動することにより行われる。
【０００３】
ところで、前記走査を高精度で行うためには、ステージの駆動に関しては、高精度が求められる。つまり、ステージをいかに所定の量ずつ移動できるかが求められ、このために、ステージの変位を適正に把握する必要がある。
前記ステージの変位を把握するため、例えばステージの移動距離と移動方向を測定する距離計が用いられる。
このような距離計に関しても、前記ステージの駆動精度と劣らず、高い測定精度が求めれる。
【０００４】
従来、前記ステージ等の移動物体の変位を測定するため、光の波長を基準にして移動物体の変位を求める距離計が知られている。
前記従来の構成の距離計では、単色光源からの単色光（λ）を、干渉計のビームスプリッタで分割し、例えば参照物体としての固定鏡と、測定物体としての走査鏡に入れる。そして、該固定鏡及び走査鏡での２つの反射光を、再度ビームスプリッタで重ね合わせる。
この２つの反射光の間には、各光路長の違いによる位相差を生じるので、ビームスプリッタで重なり合うと、干渉縞ができる。この干渉縞を検出手段により光電検出する。
【０００５】
ここで、走査鏡が光軸方向に移動すると、λ／２の移動ごとに、干渉縞の明暗が周期的に変化する。この明暗の変化を係数することにより、走査鏡の変位を求める。
つまり、検出手段で得た干渉縞強度信号のうち、交流（ＡＣ）信号を測定し、干渉波長の変化から、前記走査鏡の設けられたステージ等の移動物体の変位を求める方法が一般的であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成の距離計のように、前記光の波長を基準にして移動物体の変位を測っていたのでは、該光の波長の半分以下の距離の干渉波は、発生しない。つまり、干渉縞の明暗の周期的な変化は、λ／２の移動ごとにしか得られないので、光の波長以下の移動距離を測定することができなかった。
このため、例えば原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡などの走査型顕微鏡に用いられる微動ステージなどの移動物体のように、特に微小な距離ずつ移動するものに関しては、変位の高精度測定が非常に困難であった。
【０００７】
特に微小距離の計測の分野では、簡易な構成で、より微小な距離まで高精度に測定することのできる技術の開発が強く望まれていたものの、これを解決することのできる適切な技術がいまだ存在しなかった。
また、１組の光源と検出器では１軸の変位しか測定できなかった。
本発明は前記従来技術に鑑みなされたものであり、その目的は参照物体を基準に測定物体の変位を、簡易な構成で、より微小な距離まで高精度に測定することのできる距離計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明にかかる距離計は、参照物体を基準に測定物体の変位を測定する距離計において、光源と、干渉手段と、検出手段と、信号処理手段と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記光源は、所定のビーム径を持つ光束を射出する。
また、前記干渉手段は、前記測定物体がその光軸とほぼ直交する方向に変位可能な物体であって、前記光源からの光を、一方の物体としての透過型回折格子で、方向の異なる２つの回折光束に分け、該２回折光束を他方の物体としての反射型回折格子にあて、その各反射光束を再度、該透過型回折格子で重ね合わせて干渉させる。
【０００９】
前記検出手段は、前記干渉手段で得た干渉光を光電検出する。
前記信号処理手段は、前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求める。
なお、本発明において、前記信号処理手段は、前記干渉信号の強度変化と干渉周期を測定するため、前記検出手段で得た干渉信号の直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で目盛を入れて線で補間し、該目盛と該直流的な情報から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求めることが好適である。
【００１０】
また、本発明において、前記回折格子は、１つの格子面を、前記測定物体の各変位方向を刻線方向とした複数の格子面に分割し、前記光源からの１つの光を、そのビーム径が前記各格子面をまたがるように照射し、前記参照物体を基準に前記測定物体の前記各刻線方向の変位成分を測定することも好適である。
なお、ここにいう測定物体の各変位方向を刻線方向とした複数の格子面に分割するとは、例えば１つの面上に隣り合わせて配置された各格子面の溝の方向が、９０度等、方向が違うこと等をいう。
【００１１】
また、本発明において、前記測定物体は、その光軸方向にも移動可能とし、前記信号処理手段は、前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、前記測定物体の光軸方向の変位成分も求めることも好適である。
また、前記目的を達成するために本発明にかかる距離計は、参照物体を基準に測定物体の変位を測定する距離計において、光源と、送・受光手段と、検出手段と、信号処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記光源は、所定のビーム径を持つ光束を射出する。
また、前記送・受光手段は、前記光源からの光を、前記一方の物体の出射端から、前記他方の物体としての反射物体に送り出し、該反射物体での反射光を受光し、該反射物体での反射光と、該一方の物体の出射端での反射光を重ね合わせて干渉させる。
前記検出手段は、前記送・受光手段で得た干渉光の強度信号を光電検出する。
前記信号処理手段は、前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と該干渉周期から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求める。
【００１３】
なお、本発明において、前記信号処理手段は、前記干渉信号の強度変化と干渉周期を測定するため、前記検出手段で得た干渉信号の直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で目盛を入れて線で補間し、該目盛と該直流的な情報から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求めることが好適である。
また、本発明において、前記光源は、可干渉単色光を出射することも好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
第１実施形態
図１には、本発明の第１実施形態にかかる距離計の概略構成が示されている。同図に示す距離計１０は、光源１２と、参照物体及び測定物体としての干渉手段１４と、検出手段１６と、信号処理手段１８を含む。
【００１５】
ここで、前記光源１２は、例えば距離計に使用するのに望ましい可干渉単色光を出すレーザダイオード（ＬＤ）、或いは該ＬＤに比較し、安価な発光ダイオード（ＬＥＤ）等よりなる。
この光源１２は、所定のビーム径を持つ光束Ｌ１を射出する。
また、前記干渉手段１４は、参照物体としての透過型回折格子２０と、測定物体としての反射型回折格子２２を含む。
【００１６】
この透過型回折格子２０は、その溝の設けられた側を、反射型回折格子２２の側とし、光源１２からの光束Ｌ１ないし反射型回折格子２２からの光束Ｌ２，Ｌ３等の入射光を回折して、ないし回折せず射出する。つまり、０次、１次等の次数による分離を行う。
この反射型回折格子２２は、例えば原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡の微動ステージなどの移動物体２４の側壁などに、溝の設けられた側を透過型回折格子２０の側として設けられる。
【００１７】
この反射型回折格子２２は、微動ステージ等の移動物体２４の移動によって、互いに直交するＸＹＺの３つの方向に移動可能である。
そして、光源１２からの１つの光束Ｌ１を、透過型回折格子２０と反射型回折格子２２で、方向の異なる２つの回折光束Ｌ２，Ｌ３とし、再度、透過型回折格子２０で、この２光束Ｌ２，Ｌ３を重ね合わせて干渉させる。このようにして干渉光Ｌ４を得る。
【００１８】
例えば、光源１２からの光束Ｌ１を、まず、透過型回折格子２０で回折した光束Ｌ２と、この透過型回折格子２０で回折せず透過した光束Ｌ３に分ける。
そして、透過型回折格子２０からの光束Ｌ２は、反射型回折格子２２で回折し、再度、透過型回折格子２０で回折せず透過する。
一方、透過型回折格子２０からの光束Ｌ３は、反射型回折格子２２で回折し、再度、透過型回折格子２０で回折する。
このようにして得られた２つの光束Ｌ２，Ｌ３を再度、透過型回折格子２０で重ね合わせて干渉させる。
【００１９】
前記検出手段１６は、例えば光検出器（ＰＤ）等よりなり、前記干渉光Ｌ４の強度を光電検出し、干渉信号を後段の信号処理手段１８に出力する。
前記信号処理手段１８は、例えばパーソナルコンピュータ等よりなり、検出手段１６で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、移動物体２４の変位を求める。
つまり、この信号処理手段１８は、検出手段１６で得た電気信号の位相変化から光の位相変化を求め、この光の位相変化から、移動物体２４の変位を求める。
【００２０】
例えば、検出手段１６で得た干渉信号のうち、直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で、例えば波長程度等の所定の周期間隔で目盛を入れて線で補間し、前記干渉周期としての該目盛と、前記干渉信号の強度変化としての該直流的な情報から、移動物体２４の変位を測定する。
なお、本実施形態にかかる検出手段１６は、移動物体２４の変位方向も測定するため、例えばＸＹＺの３つの方向に対し、ある間隔で設けられた、２つの光検出器（ＰＤ）等よりなる。
【００２１】
このため、本実施形態にかかる距離計１０では、各光検出器からの２つの電気信号は互いに、ある周期だけ位相がずれているので、後段の信号処理手段１８で、２つの電気信号を比較し、一方に対して他方の位相が進んでいるか、又は遅れているかを検出することにより、移動物体２４の変位方向も判定することができる。
【００２２】
本実施形態にかかる距離計１０は、概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
まず、光源１２からの１つの光束Ｌ１を、一方の干渉手段１４である透過型回折格子２０で、方向の異なる２つの光束Ｌ２，Ｌ３に分け、該光束Ｌ２，Ｌ３を、他方の干渉手段１４である反射型回折格子２２に当て、その各反射光Ｌ２，Ｌ３を再度、透過型回折格子２０で重ね合わせて干渉させる。
【００２３】
例えば、光源１２からの光束Ｌ１は、透過型回折格子２２に入射し、一方の光束Ｌ２は、透過型回折格子２０で回折して射出し、他方の光束Ｌ３は、回折せず透過し、反射型回折格子２２に入射する。
反射型回折格子２２に入射した光束Ｌ２，Ｌ３は、該反射型回折格子２２で回折して射出し、再度、透過型回折格子２０に入射する。
透過型回折格子２０では、光束Ｌ３は回折して、光束Ｌ２は回折せず透過し、これらの２つの光束Ｌ２，Ｌ３を重ね合わせて干渉させる。このようにして得られた干渉光Ｌ４が後段の検出手段１６に入射する。
【００２４】
このようにして光源１２からの１つの光束Ｌ１を、干渉手段１４で、方向の変えられた２光束Ｌ２，Ｌ３とし、該２光束Ｌ２，Ｌ３を再度、重ね合わせて干渉させる。このようにして得られた干渉光Ｌ４を検出手段１６により光電検出する。
そして、移動物体２４の移動によって、反射型回折格子２２が光軸と直交する方向、つまり図中、Ｙ方向やＺ方向に移動すると、該移動距離に応じて、検出手段１６からの干渉信号の強度が変化する。
ここで、光を基準にした従来の距離計では、干渉信号のうち、交流（ＡＣ）信号を検出し、干渉波長の変化から、移動物体の横ずれ成分、つまりＹ方向の変位成分やＺ方向の変位成分を検出していた。
【００２５】
しかしながら、前記従来の構成の距離計では、光源からの光の波長の１／２以下の距離の干渉波は発生することができず、波長以下の距離を測定することができなかった。
特に微小距離ずつ移動する原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡の微動ステージなどの変位を高い精度で計測するのは非常に困難であった。
【００２６】
そこで、本実施形態にかかる距離計１０では、光源１２からの１つの光束Ｌ１を、干渉手段１４で、方向の変えられた２光束Ｌ２，Ｌ３とし、該２光束Ｌ２，Ｌ３を重ね合わせて干渉させる。このようにして得られた干渉光Ｌ４を検出手段１６で光電検出する。
そして、信号処理手段１８により、検出手段１６で得た前記干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、移動物体２４の横ずれ方向の変位成分を求めているのである。
【００２７】
本実施形態にかかる信号処理手段１８の、より具体的な干渉信号の処理方法を、図２を参照しつつ説明する。
すなわち、本実施形態にかかる信号処理手段１８は、同図に示すように検出手段１６で得た干渉信号のうち、直流（ＤＣ）信号の各測定値ＳＤＣ１〜ＳＤＣｎをプロットする。
つぎに、干渉成分である交流（ＡＣ）信号の測定値ＳＡＣを用い、例えば波長程度の所定の周期間隔で、前記干渉周期としての目盛Ｍを入れる。
【００２８】
そして、前記直流（ＤＣ）信号の各測定値ＳＤＣ１〜ＳＤＣｎ間を、直線ｌで補間すると、前記干渉信号の強度変化を直流的に得ることができる。
そして、本実施形態にかかる信号処理手段１８は、前記干渉周期としての目盛Ｍと、直流的な干渉信号の強度変化としての直線ｌから、移動物体２４の変位を求めている。
この結果、本実施形態では、変位測定に用いられる光の波長に対する制限がなく、干渉信号の周期は回折格子２０，２４の溝の間隔で決まるので、目盛Ｍの数と、直流的な干渉信号強度としての直線ｌから、光の波長以下の変位量までも、高精度で求めることができる。
つまり、前記従来の構成の距離計では、前記目盛Ｍの数の変化のみしか計数できず、この場合には、目盛Ｍの間隔以下、つまり波長以下の変位までも測定できなかった。
【００２９】
そこで、本実施形態にかかる信号処理手段１８は、目盛Ｍの数の変化に加えて、目盛Ｍ以下の変位に関しては、目盛Ｍ間の直線ｌを分割して求めている。
つまり、本実施形態にかかる信号処理手段１８は、変位の測定を、干渉周期単位の整数部分と、該干渉周期だけでは表現できない微小な変位量、所謂小数点以下の変位量に関しては、直線ｌから求めるようにしているので、単に干渉周期から求めた場合に比較し、非常に微小な変位量まで高精度で求めることができる。
また、本実施形態では、前記波長程度の所定の周期間隔で、目盛Ｍ等を入れることにより、変位量を正確に補正することもできる。つまり、前記直線補間をより正確に行うことができる。これにより、そのような工夫のない場合に比較し、移動物体２４の変位量を、より高精度で求めることができる。
【００３０】
また、本実施形態において、前述のように移動物体２４の変位の測定は、光源１２等の変位測定に用いる光の波長に制限されないことから、光源１２として、一般的な単色光源であるレーザダイオード（ＬＤ）に比較し安価な、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等も用いることができる。これにより、装置の低価格化を図ることができる。
また、従来の構成の距離計のように、走査鏡や固定鏡等の反射鏡を用いていたのでは、基本的には、光の進む方向に沿った方向の距離しか測定することできない。
【００３１】
つまり、１つの距離計では、ある１つの方向の変位成分しか測定することができず、３軸を組み合わせることが一般的な、前記微動ステージなどの変位を測定するのに用いるには、移動物体２４の各変位方向ごとに、１つの距離計が必要となる。これでは、装置全体が大型化してしまい、高価なものとなってしまう。
そこで、本実施形態にかかる干渉手段１４では、回折格子２０，２２の１つの格子面を、図３に示すように、２つの格子面２６，２８に分割し、各格子面２６，２８の溝を、移動物体の各変位方向、つまり図中、Ｙ方向とＺ方向に刻線している。
【００３２】
つまり、移動物体２４の各変位方向の刻線とした各格子面２６，２８を隣り合わせて配置しているのである。
そして、同図に示すように、光源からの１つの光Ｌ１を、そのビーム径ｄが各格子面２６，２８をまたがるように照射しているのである。
この結果、本実施形態にかかる１つの距離計１０で、回折格子の格子面に平行な２つの刻線方向、つまり図中、直交するＹ方向とＺ方向の変位成分を測定することができる。
【００３３】
また、本実施形態にかかる距離計１０では、移動物体２４をＸ方向にも移動可能としている。
このとき、信号処理手段１８は、検出手段１６で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、回折格子２０，２２の光軸方向、つまり図１中、Ｘ方向の変位成分も測定することができる。
これにより、本実施形態では、１つの距離計１０により、３軸の同時測定もすることができる。
したがって、移動物体２４の各変位方向に対し、距離計を設けた場合に比較し、装置の構成簡略化を図ることができる。これにより、小型化、低価格化を図ることができる。
【００３４】
また、本実施形態にかかる距離計１０では、検出手段１６として、電気信号が互いに、ある周期だけ位相がずれるように、２つの光検出器（ＰＤ）を設けているので、信号処理手段１８により、一方に対して他方の位相が進んでいるか、又は遅れているかを検出することにより、移動物体２４の移動方向も判定することができる。
すなわち、本実施形態にかかる検出手段１６は、移動物体２４の変位方向も測定するため、例えば図４に示すように、図中、Ｙ方向にある間隔で２つの光検出器（ＰＤ）１６ａ，１６ｂを設けている。
【００３５】
また、同図中、Ｚ方向に、ある間隔で２つの光検出器（ＰＤ）１６ｃ，１６ｄを設けている。
このため、本実施形態では、例えばＹ軸に関しては、２つの光検出器１６ａ、１６ｂからの２つの電気信号は互いに、ある周期だけ位相がずれている。
したがって、後段の信号処理手段１８は、これらの２つの電気信号を比較し、一方に対して他方の位相が進んでいるか、又は遅れているかを検出することにより、移動物体２４の移動方向、つまり＋Ｙ方向に移動したか、又は−Ｙ方向かも判定することができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態にかかる距離計１０によれば、光源１２からの１つの光Ｌ１を、透過型回折格子２０及び反射型回折格子２２で、方向の変えられた２光束Ｌ２，Ｌ３とし、該２光束Ｌ２，Ｌ３を再度、透過型回折格子２０で重ね合わせて干渉させる。
このようにして得られた干渉光Ｌ４を検出手段１６で光電検出し、該干渉信号の強度変化及び干渉周期を信号処理手段１８により測定し、該強度変化及び干渉周期から、移動物体２４の変位を求めることとした。
【００３７】
つまり、本実施形態にかかる距離計１０によれば、前記変位の測定に、従来の干渉縞自体を介さず直接、信号処理手段１８により電気信号の位相変化から光の位相変化を求めることとしたので、変位測定に用いる光の波長に対する制限がなく、干渉信号の周期は回折格子２０，２２の溝の間隔で決まるので、該溝の間隔をより微小なものにすれば、より微小な変位量を求めることもできる。
したがって、本実施形態にかかる距離計１０によれば、光の波長を基準にした従来の距離計では極めて困難であった、光の波長以下の微小距離の測定も、高精度で行うことができる。
【００３８】
しかも、本実施形態において、前述のように前記変位の測定には、光源からの光の波長に対する制限がないので、光源１２として、一般的な単色光源であるレーザダイオード（ＬＤ）等に比較し、安価な例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等も用いることができる。これにより、距離計１０の低価格化を図ることができる。
また、本実施形態において、回折格子２０，２２等の１つの格子面を、２つの格子面２６，２８に分割し、各格子面２６，２８の溝を、移動物体２４の各変位方向に刻線し、光源１２からの１つの光Ｌ１を、そのビーム径ｄが各格子面２６，２８をまたがるように照射しているので、走査鏡や固定鏡などの反射鏡を用いた前記従来の構成の距離計では、極めて困難であった１つの距離計による３軸方向の同時測定もすることができるので、構成の簡略化が図られる。
【００３９】
なお、前記構成では、測定物体に反射型回折格子２２を、参照物体に透過型回折格子２０を、それぞれ設けた例について説明したが、本発明の距離計は、これに限られるものではなく、測定物体に透過型回折格子２０を、参照物体に反射型回折格子２２を、それぞれ設けることも可能である。
また、前記構成では、光源１２からの光束Ｌ１を、透過型回折格子２０で回折し、反射型回折格子２２で回折し、透過型回折格子２０で回折せず透過した光Ｌ２と、透過型回折格子２０で回折せず透過し、反射型回折格子２２で回折し、透過型回折格子２０で回折した光Ｌ３とした例について説明した。
【００４０】
しかしながら、本発明の距離計は、これに限定されるものではなく、同一の光源１２から、方向の異なる２つの光束が得られるのであれば、前記光束Ｌ２が透過型回折格子１４で回折せず透過し、反射型回折格子１６で回折し、透過型回折格子１６で回折した光であってもよい。
また、前記光束Ｌ３が透過型回折格子２０で回折し、反射型回折格子２２で回折し、透過型回折格子２０で回折せず透過した光であってもよい。
【００４１】
そして、本実施形態にかかる距離計１０によれば、前記微動ステージ以外の移動物体２４と静止物体間の相対距離の変化を勿論測定することができるが、特に微小な変位量の高精度な測定が求められる、例えば原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡の微動ステージなどの変位を測定するのに好適に用いられる。
【００４２】
第２実施形態
図５には、本発明の第２実施形態にかかる距離計の概略構成が示されている。
なお、前記図１と対応する部分には、符号１００を加えて示し説明を省略する。
同図に示す距離計１１０は、光源１１２と、参照物体及び送・受光手段としての光ファイバ束１３０と、反射物体としての反射板１３２と、検出手段１１６と、信号処理手段１１８を含む。
【００４３】
ここで、前記光源１１２は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）、又は該ＬＤに比較し安価な発光ダイオード（ＬＥＤ）等よりなる。
この光源１１２は、所定のビーム径を持つ光束Ｌ１を射出する。
前記光ファイバ束１３０は、光源１１２からの光束Ｌ１を反射板１３２に送り出す。
この光ファイバ束１３０は、反射板１３２での反射光Ｌ３も受光する。
この反射板１３２は、例えば微動ステージ等の移動物体１２４の側壁などに設けられ、該移動物体１２４の移動によって、例えば図中、Ｘ方向に移動可能である。
【００４４】
そして、光ファイバ束１３０で得た反射板１３２での反射光Ｌ３と、光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂでの反射光Ｌ２を重ねあわせて干渉させる。このようにして干渉光Ｌ４を得る。
前記検出手段１１６は、例えばＸ方向に対しある間隔で設けられた、２つの光検出器（ＰＤ）等よりなる。
この検出手段１１６は、前記干渉光Ｌ４の強度を光電検出し、後段の信号処理手段１１８に出力する。
【００４５】
前記信号処理手段１１８は、例えばパーソナルコンピュータ等よりなり、検出手段１１６で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、移動物体１２４の変位を求める。
つまり、この信号処理手段１１８は、検出手段１１６で得た電気信号の位相変化から光の位相変化を求め、移動物体１２４の変位を求める。
例えば、検出手段１１６で得た干渉信号のうち、直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で、例えば波長程度の所定の周期間隔で、目盛を入れて直線で補間し、前記干渉周期としての該目盛と、前記干渉信号の強度変化としての該直流的な情報から、移動物体１２４の変位を測定する。
【００４６】
なお、本実施形態にかかる検出手段１１６は、Ｘ方向にある間隔で２つの光検出器を配置しており、２つの光検出器からの電気信号は互いに、ある周期だけ位相がずれている。
このため、本実施形態にかかる距離計１１０では、信号処理手段１１８で、光検出器からの２つの電気信号を比較し、一方に対して他方の位相が進んでいるか、又は遅れているかを検出することにより、移動物体１２４の変位方向を判定することもできる。
【００４７】
本実施形態にかかる距離計１１０は、概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
まず、光源１１２からの光Ｌ１は、レンズ１３４により平行光束とされ、ビームスプリッタ１３６を透過し、そして光ファイバ束１３０の入射端１３０ａに入射する。
この光ファイバ束１３０の中を通過し、出射端１３０ｂから射出した光束Ｌ３は、反射板１３２で反射し、再度、光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂで受光される。
【００４８】
この光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂでは、反射板１３２からの光束Ｌ３と、この光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂでの反射光Ｌ２を重ね合わせて干渉させる。
このようにして得られた干渉光Ｌ４は、光ファイバ束１３０の入射端１３０ａから射出し、ビームスプリッタ１３６で反射され、さらにレンズ１３８により集光され、検出手段１１６に入射する。
検出手段１１６では、前記干渉光Ｌ４を光電検出し、後述する信号処理手段１１８に干渉信号を出力する。
【００４９】
ここで、反射板１３２のＸ方向の位置により、光ファイバ束１３０での反射光束Ｌ３の減衰量が異なる。
また、反射板１３２のＸ方向の位置により、図６に示すような光ファイバ束１３０での反射光Ｌ２と反射光Ｌ３との重なりの大きさ、つまり干渉光Ｌ４の大きさも異なるため、検出手段１１６での干渉光Ｌ４の受光光量も変化する。
反射板１３２の光ファイバ束１３０の出射端１３０ｂからの距離と検出手段１１６から出力される干渉信号強度の関係は、前記図２に示した移動物体２４の相対距離と干渉信号強度との関係と同様である。
【００５０】
したがって、本実施形態にかかる信号処理手段１１８は、検出手段１１６で得た干渉信号を、前記第１実施形態と同様の信号処理（前記図２参照）を行うことにより、光の波長を基準にした従来の距離計では極めて困難であった、光の波長以下の微小距離の測定までも、高精度で行うことができる。
なお、前記構成では、送・受光手段として光ファイバ束１３０を用いた例について説明したが、本発明の距離計は、これに限られるものではなく、前記光ファイバ束に代えて、凹レンズ等の光学部品を設けることにより、反射板１３２と凹レンズとの相対距離の変化を測定することも可能である。
【００５１】
また、本実施形態にかかる距離計１１０によれば、前記ステージ以外の移動物体１２４の相対距離の変化を勿論測定することができるが、特に微小距離の高精度測定が求められる、例えば原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡の微動ステージなどの変位を測定するのに好適に用いられる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる距離計によれば、光源からの１つの光を干渉手段で方向の変えられた２回折光束とし、該２回折光束を重ね合わせて干渉させる。このようにして得られた干渉光を検出手段で光電検出し、該干渉信号の強度変化及び干渉周期を信号処理手段により測定し、該強度変化及び干渉周期から、参照物体を基準に測定物体の変位を求めることとした。
この結果、本発明にかかる距離計は、前記変位の測定に、光の波長に対する制限がなく、干渉信号の周期は回折格子の溝の間隔で決まるので、該回折格子の溝間隔をより微小にすることにより、光の波長を基準にした従来の距離計では極めて困難であった、変位測定に用いられる光の波長以下の微小変位量の測定までも、より高精度で行うことができる。
【００５３】
しかも、本発明において、前述のように前記変位の測定には、変位測定に用いられる光の波長に対する制限がないので、前記光源として、一般的な単色光源であるレーザダイオード等に比較し、安価な例えば発光ダイオード等も用いることができる。これにより、装置の低価格化を図ることができる。
また、本発明において、信号処理手段により、検出手段で得た干渉信号の直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号による、例えば波長程度等の所定の周期間隔で目盛を入れて直線等の線で補間し、前記干渉周期としての該目盛と、前記干渉信号の強度変化としての該直流的な情報から、前記変位を求めることとした。
【００５４】
この結果、干渉信号による波長程度等の目盛を入れることにより、前記変位を正確に補正することができる。つまり、前記線補間を正確に行うことができる。
したがって、そのような工夫のない場合に比較し、前記変位の測定を、より高精度で行うことができる。
また、本発明において、回折格子の１つの格子面を、複数の格子面に分割し、各格子面の溝を測定物体の、例えば直交する各変位方向に刻線し、光源からの１つの光を、そのビーム径が前記各格子面をまたがるように照射しているので、従来極めて困難であった１つの距離計による、例えば直交する複数の変位方向の同時測定を行うことができる。
【００５５】
したがって、測定物体の各変位方向ごとに距離計を設けた場合に比較し、構成の簡略化を図ることができる。これにより、装置の小型化、低価格化を図ることができる。
また、本発明にかかる距離計によれば、反射物体での反射光と、送・受光手段での反射光を重ねあわせて干渉させる。このようにして得られた干渉光を検出手段により光電検出し、信号処理手段により、検出手段で得た干渉信号の直流信号の強度変化を、干渉成分である交流信号で、例えば波長程度等の所定の周期間隔で目盛を入れて例えば直線等の線で補間し、前記干渉周期としての該目盛と、前記干渉信号の強度変化としての該直流的な情報から、送・受光手段及び反射物体間の変位を求めることとした。
【００５６】
この結果、本発明にかかる距離計によれば、前記信号処理手段により、干渉縞を介さず直接、電気信号の直流的な位相変化から光の位相変化を求めることとしたので、光の波長を基準にした従来の距離計では極めて困難であった、変位測定に用いられる光の波長以下の相対距離の変化までも、より高精度で測定することができる。
また、干渉信号による波長程度等の目盛を入れることにより、前記変位を正確に補正することができる。つまり、前記直線補間等の線補間を正確に行うことができる。したがって、そのような工夫のない場合に比較し、前記変位の測定を、より高精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる距離計の概略構成の説明図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる距離計において特徴的な干渉信号処理方法の説明図である。
【図３】図１に示した距離計において特徴的な干渉手段の説明図である。
【図４】図１に示した距離計の検出手段の配置の説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる距離計の概略構成の説明図である。
【図６】図５に示した距離計の送・受光手段での干渉光発生の説明図である。
【符号の説明】
１０、１１０…距離計
１２、１１２…光源
１４…干渉手段
２０…反射型回折格子（干渉手段）
２２…反射型回折格子（干渉手段）
１６、１１６…検出手段
１８、１１８…信号処理手段
２４，１２４…移動物体
１３０…光ファイバ束（送・受光手段）
１３０ａ…光ファイバ束の入射端（送・受光手段の入射端）
１３０ｂ…光ファイバ束の出射端（送・受光手段の出射端）
１３２…反射板（反射物体）
Claims (5)
- 参照物体を基準に測定物体の変位を測定する距離計において、
所定のビーム径を持つ光束を射出する光源と、
前記測定物体がその光軸とほぼ直交する方向に変位可能な物体であって、前記光源からの光束を、一方の物体としての透過型回折格子で方向の異なる２つの回折光束に分け、該２回折光束を他方の物体としての反射型回折格子にあて、その各反射光束を再度、該透過型回折格子で重ね合わせる干渉手段と、
前記干渉手段で得た干渉光を、光電検出する検出手段と、
前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求める信号処理手段と、を備え、
前記信号処理手段は、
前記検出手段で得た干渉信号のうち、直流信号の各測定値をプロットし、さらに、干渉成分である交流信号の測定値を用い、所定の周期間隔で、前記干渉周期としての目盛を入れ、
前記直流信号の各測定値間を直線で補間し、前記干渉信号の強度変化を直流的に得、
前記干渉周期としての目盛と、直流的な干渉信号の強度変化としての直線から、移動物体の変位を求めることを特徴とする距離計。 - 請求項１記載の距離計において、
前記回折格子は、１つの格子面を、前記測定物体の各変位方向を刻線方向とした複数の格子面に分割し、
前記光源からの１つの光を、そのビーム径が前記各格子面をまたがるように照射し、前記参照物体を基準に前記測定物体の前記各刻線方向の変位成分を測定することを特徴とする距離計。 - 請求項１または２の何れかに記載の距離計において、
前記測定物体は、その光軸方向にも移動可能とし、
前記信号処理手段は、前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、前記測定物体の光軸方向の変位成分も求めることを特徴とする距離計。 - 参照物体を基準に測定物体の変位を測定する距離計において、
所定のビーム径を持つ光束を射出する光源と、
前記光源からの光を、前記一方の物体の出射端から、前記他方の物体としての反射物体に送り出し、該反射物体での反射光を受光し、該反射物体での反射光と、該一方の物体の出射端での反射光を重ね合わせて干渉させる送・受光手段と、
前記送・受光手段で得た干渉光の強度信号を光電検出する検出手段と、
前記検出手段で得た干渉信号の強度変化と干渉周期を測定し、該干渉信号の強度変化と干渉周期から、前記参照物体を基準に前記測定物体の変位を求める信号処理手段と、を備え、
前記信号処理手段は、
前記検出手段で得た干渉信号のうち、直流信号の各測定値をプロットし、さらに、干渉成分である交流信号の測定値を用い、所定の周期間隔で、前記干渉周期としての目盛を入れ、
前記直流信号の各測定値間を直線で補間し、前記干渉信号の強度変化を直流的に得、
前記干渉周期としての目盛と、直流的な干渉信号の強度変化としての直線から、移動物体の変位を求めることを特徴とする距離計。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の距離計において、
前記光源は、可干渉単色光を出射することを特徴とする距離計。
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