JPH0648169B2 - 測長装置 - Google Patents
測長装置Info
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- JPH0648169B2 JPH0648169B2 JP62112261A JP11226187A JPH0648169B2 JP H0648169 B2 JPH0648169 B2 JP H0648169B2 JP 62112261 A JP62112261 A JP 62112261A JP 11226187 A JP11226187 A JP 11226187A JP H0648169 B2 JPH0648169 B2 JP H0648169B2
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- length measuring
- light
- grating
- length
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- Electron Beam Exposure (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、高精度かつ大ストロークな測長装置に関す
る。
る。
[従来の技術] 従来、高精度測長用としてはレーザ干渉計や格子干渉計
が用いられている。
が用いられている。
しかし、これらの干渉計は、例えば100 mm以上の比較
的大きなストロークの計測が可能である反面、基本的に
は計測光の波長または回折光の次数および偏光状態とい
った光学配置で決まる所定のピッチを単位長さとして測
長するものであるため、分解能が低く、例えばサブミク
ロン以下の微小距離を計測する場合の精度は低い。
的大きなストロークの計測が可能である反面、基本的に
は計測光の波長または回折光の次数および偏光状態とい
った光学配置で決まる所定のピッチを単位長さとして測
長するものであるため、分解能が低く、例えばサブミク
ロン以下の微小距離を計測する場合の精度は低い。
そこで、例えば格子干渉計においては、回折光の次数お
よび偏光状態といった光学配置で決まる信号をさらに電
気的に分割処理して分解能を上げることが提案されてい
る。
よび偏光状態といった光学配置で決まる信号をさらに電
気的に分割処理して分解能を上げることが提案されてい
る。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、電気的な分割は光量の変動や回折効率の
変動等に強くないので、分解能の向上を電気的な分割の
みに頼るのは望ましくない。
変動等に強くないので、分解能の向上を電気的な分割の
みに頼るのは望ましくない。
本発明の目的は、ストロークが大きく、且つより安定し
て高分解能が得られる、高精度な測長装置を提供するこ
とにある。
て高分解能が得られる、高精度な測長装置を提供するこ
とにある。
[発明が解決しようとする問題点] 上記目的を達成するため、本発明では、第1、第2物体
間の相対位置の変化量を測定するための測長装置であっ
て、所定ピッチの相対変位毎にパルス信号を出力する第
1測長手段と、光源と光位置検出器とを有し該光源から
の光束の入射位置を該光位置検出器で検出することによ
って少なくとも上記所定ピッチの1ピッチ分の範囲で光
反射位置との相対変位量に応じた電気レベル信号を発生
する第2測長手段と、上記第1物体に設けられ且つ該第
1物体に対して相対移動可能な移動部と、上記パルス信
号および上記電気レベル信号に基づいて上記相対位置の
変化量を上記所定ピッチの1ピッチ分より小さな分解能
で測定する演算手段とを具備し、前記第1、第2測長手
段の一方が前記移動部と第1物体との相対変位を検出し
且つ他方が前記移動部と第2物体との相対変位を検出す
るように配置され、前記演算手段は前記移動部の移動に
基づく前記パルス信号および電気レベル信号の変化に基
づいて上記相対位置の変化量の測定を実行することを特
徴とする。
間の相対位置の変化量を測定するための測長装置であっ
て、所定ピッチの相対変位毎にパルス信号を出力する第
1測長手段と、光源と光位置検出器とを有し該光源から
の光束の入射位置を該光位置検出器で検出することによ
って少なくとも上記所定ピッチの1ピッチ分の範囲で光
反射位置との相対変位量に応じた電気レベル信号を発生
する第2測長手段と、上記第1物体に設けられ且つ該第
1物体に対して相対移動可能な移動部と、上記パルス信
号および上記電気レベル信号に基づいて上記相対位置の
変化量を上記所定ピッチの1ピッチ分より小さな分解能
で測定する演算手段とを具備し、前記第1、第2測長手
段の一方が前記移動部と第1物体との相対変位を検出し
且つ他方が前記移動部と第2物体との相対変位を検出す
るように配置され、前記演算手段は前記移動部の移動に
基づく前記パルス信号および電気レベル信号の変化に基
づいて上記相対位置の変化量の測定を実行することを特
徴とする。
[作用および効果] 例えば、デジタルオーディオディスク、ビデオディスク
等で用いられている光ピックアップ装置のオートフォー
カス(以下、AFという)で用いられる被走査面位置検
出手段(以下、AF測長手段という)は、高精度高分解
能であるが、その測長ストロークは極めて小さい。ま
た、このようなAF測長手段ストロークを大きくしよう
とすると精度が低下する。
等で用いられている光ピックアップ装置のオートフォー
カス(以下、AFという)で用いられる被走査面位置検
出手段(以下、AF測長手段という)は、高精度高分解
能であるが、その測長ストロークは極めて小さい。ま
た、このようなAF測長手段ストロークを大きくしよう
とすると精度が低下する。
本発明では、大ストロークの測長は干渉測長計等のよう
に所定単位長さごとにパルス信号を発生する第1測長手
段で行ない。この一定間隔のパルス信号の間をオートト
フォーカス手段等の第2測長手段から発生する微小距離
の変位に応じた電気レベル信号により補間している。従
って、大ストロークの測長に対しては第1測長手段の精
度においてその単位長さに分解する形態にして大ストロ
ーク性を高め、かつ微小距離に対しても第2測長手段の
高い精度および分解能で測長を行なうことができる。
に所定単位長さごとにパルス信号を発生する第1測長手
段で行ない。この一定間隔のパルス信号の間をオートト
フォーカス手段等の第2測長手段から発生する微小距離
の変位に応じた電気レベル信号により補間している。従
って、大ストロークの測長に対しては第1測長手段の精
度においてその単位長さに分解する形態にして大ストロ
ーク性を高め、かつ微小距離に対しても第2測長手段の
高い精度および分解能で測長を行なうことができる。
本発明は特に移動部を設け第1、第2測長手段の一方が
移動部と第1物体との相対変位を検出し且つ他方が移動
部と第2物体との相対変位を検出するように配置され、
移動部の移動に基づくパルス信号および電気レベル信号
の変化に基づいて相対位置の変化量の測定を実行するよ
うにしている。これにより、高ストローク測長データと
高分解能測長データの足し合わせを高精度且つ容易に
し、最終的に大ストロークで高分解能な測長データを高
精度に求めることができる。
移動部と第1物体との相対変位を検出し且つ他方が移動
部と第2物体との相対変位を検出するように配置され、
移動部の移動に基づくパルス信号および電気レベル信号
の変化に基づいて相対位置の変化量の測定を実行するよ
うにしている。これにより、高ストローク測長データと
高分解能測長データの足し合わせを高精度且つ容易に
し、最終的に大ストロークで高分解能な測長データを高
精度に求めることができる。
また、第2測長手段に関して、光源と光位置検出器とを
有し該光源からの光束の入射位置を該光位置検出器で検
出することによって少なくとも上記所定ピッチの1ピッ
チ分の範囲で光反射位置との相対変位量に応じた電気レ
ベル信号を発生する構成にしたことにより、高分解能測
定側の精度が向上し、大ストロークで高分解能な測長デ
ータの最終的な高精度をより確実なものにしている。
有し該光源からの光束の入射位置を該光位置検出器で検
出することによって少なくとも上記所定ピッチの1ピッ
チ分の範囲で光反射位置との相対変位量に応じた電気レ
ベル信号を発生する構成にしたことにより、高分解能測
定側の精度が向上し、大ストロークで高分解能な測長デ
ータの最終的な高精度をより確実なものにしている。
[実施例] 以下、本発明の実施例を説明する。
第1図は、本発明の一実施例に係る測長装置の外観を示
す。この処理装置は、光プローブを用いて被加工物もし
くは被測定物を加工もしくは測定するものである。
す。この処理装置は、光プローブを用いて被加工物もし
くは被測定物を加工もしくは測定するものである。
同図において、DSはステージ基台で、この基台DS上
にYステージYSが、YステージYS上にXステージX
Sが搭載されている。基台DSにはy方向ガイドYG、
YステージYSにはx方向ガイドXGが設けてあり、
X,Yの各ステージXS,YSは、それぞれ不図示の
X,Yモータによって駆動され、ガイドXG,YGに沿
ってx,y方向に移動する。
にYステージYSが、YステージYS上にXステージX
Sが搭載されている。基台DSにはy方向ガイドYG、
YステージYSにはx方向ガイドXGが設けてあり、
X,Yの各ステージXS,YSは、それぞれ不図示の
X,Yモータによって駆動され、ガイドXG,YGに沿
ってx,y方向に移動する。
LIはX,Y各ステージXS,YSの移動量および位置
を計測する大ストローク測長器としてのレーザ干渉測長
器、CPx,CPyは測長器LIから入射したレーザ光
Lx,Lyを確実に180 ゜反転しもとと平行な光路を経
て測長器LIに戻すためのコーナーキューブプリズムで
ある。XステージXS上に点線で示す部分DVは小スト
ロークステージ、高分解能測長装置および光プローブ等
の配置空間である。測長器LIおよびステージ基台DS
は不図示の定盤上に固定されている。
を計測する大ストローク測長器としてのレーザ干渉測長
器、CPx,CPyは測長器LIから入射したレーザ光
Lx,Lyを確実に180 ゜反転しもとと平行な光路を経
て測長器LIに戻すためのコーナーキューブプリズムで
ある。XステージXS上に点線で示す部分DVは小スト
ロークステージ、高分解能測長装置および光プローブ等
の配置空間である。測長器LIおよびステージ基台DS
は不図示の定盤上に固定されている。
第2図は、第1図の光プローブ等配置空間DVの部分拡
大図を示す。同図において、DFSは小ストロークステ
ージ用の基台で、小ストロークステージ用y方向ガイド
YFGが設けられており、XステージXS上に固定され
ている。この基台DFS上には小ストロークYステージ
YFSがガイドYFGに沿って移動自在に搭載され、Y
ステージYFS上には小ストロークXステージXFSが
YステージYFSに設けられた小ストロークステージ用
x方向ガイドXFGに沿って移動自在に搭載され、Xス
テージXFSには加工または計測のための光プローブL
Pが固定されている。
大図を示す。同図において、DFSは小ストロークステ
ージ用の基台で、小ストロークステージ用y方向ガイド
YFGが設けられており、XステージXS上に固定され
ている。この基台DFS上には小ストロークYステージ
YFSがガイドYFGに沿って移動自在に搭載され、Y
ステージYFS上には小ストロークXステージXFSが
YステージYFSに設けられた小ストロークステージ用
x方向ガイドXFGに沿って移動自在に搭載され、Xス
テージXFSには加工または計測のための光プローブL
Pが固定されている。
この光プローブLPの位置は、基台DFSに取り付けた
y方向基準尺SYとYステージYFSに取り付けたy方
向測長ヘッドHYとからなるy座標検出用測長器MY、
およびYステージYFSに取り付けたx方向基準尺SX
とXステージXFSに取り付けたx方向測長ヘッドHX
とからなるx座標検出用測長器MXとにより、基台DF
S(すなわちXステージXS)に対する相対位置座標と
して検出される。一方、小ストロークステージ基台DF
Sの定盤に対する座標は、レーザ干渉測長器LIにより
X,Y各ステージの位置として計測される。
y方向基準尺SYとYステージYFSに取り付けたy方
向測長ヘッドHYとからなるy座標検出用測長器MY、
およびYステージYFSに取り付けたx方向基準尺SX
とXステージXFSに取り付けたx方向測長ヘッドHX
とからなるx座標検出用測長器MXとにより、基台DF
S(すなわちXステージXS)に対する相対位置座標と
して検出される。一方、小ストロークステージ基台DF
Sの定盤に対する座標は、レーザ干渉測長器LIにより
X,Y各ステージの位置として計測される。
すなわち、第2図においては、大ストロークステージX
S,YSの移動はレーザ干渉測長器LIで、小ストロー
クの被加工対象物エリアのステージXFS,YFSの移
動は測長装置MX,MYで計測する。このように、或る
特定エリアの移動に対して測長手段を複合構成にし、小
ストローク移動分の測長は大ストロークのステージ移動
分の測長器(レーザ干渉測長器)とは別途設けた測長器
により高精度(高分解能)測長を行ない、大ストローク
移動分の測長器の誤差に依存しないようにすることによ
って、大ストロークかつ高精度の測長を実現することが
できた。
S,YSの移動はレーザ干渉測長器LIで、小ストロー
クの被加工対象物エリアのステージXFS,YFSの移
動は測長装置MX,MYで計測する。このように、或る
特定エリアの移動に対して測長手段を複合構成にし、小
ストローク移動分の測長は大ストロークのステージ移動
分の測長器(レーザ干渉測長器)とは別途設けた測長器
により高精度(高分解能)測長を行ない、大ストローク
移動分の測長器の誤差に依存しないようにすることによ
って、大ストロークかつ高精度の測長を実現することが
できた。
ここで、小ストローク移動分の測長器はストロークが小
である必要はないが、少なくとも上記特定エリアにおい
ては大ストローク移動分の測長器より高精度(高分解
能)であることが必要である。
である必要はないが、少なくとも上記特定エリアにおい
ては大ストローク移動分の測長器より高精度(高分解
能)であることが必要である。
第3図は、本発明の他の実施例に係る高精度高分解能測
長器を1軸ステージにセットした例を示す。この測長器
は、格子干渉測長器とオートフォーカス装置に用いられ
るフォーカス検出手段とを組合せ、格子干渉測長器の光
学配置で決まる一定間隔のパルス信号の間をフォーカス
検出手段のフォーカス測長出力で補間することにより、
格子干渉測長器の高精度を保ったまま、分解能を高め、
さらなる高精度、高分解能化を図ったものである。この
測長器は、これ自体、上記実施例の全体構成をより具体
的に表わしたものであると同時に、上記実施例の一部で
ある小ストローク移動分の測長器(第2図の測長器M
X,MY)としても好適に使用することができるもので
ある。
長器を1軸ステージにセットした例を示す。この測長器
は、格子干渉測長器とオートフォーカス装置に用いられ
るフォーカス検出手段とを組合せ、格子干渉測長器の光
学配置で決まる一定間隔のパルス信号の間をフォーカス
検出手段のフォーカス測長出力で補間することにより、
格子干渉測長器の高精度を保ったまま、分解能を高め、
さらなる高精度、高分解能化を図ったものである。この
測長器は、これ自体、上記実施例の全体構成をより具体
的に表わしたものであると同時に、上記実施例の一部で
ある小ストローク移動分の測長器(第2図の測長器M
X,MY)としても好適に使用することができるもので
ある。
第3図において、SRは移動ステージ、GSは基準尺と
しての回折格子、MHは回折格子GSに対する移動ステ
ージSRの移動量を計測するための測長ヘッド、RGは
ガイド、SSは送り螺子、MTはモータである。ガイド
RG,RGおよび回折格子GSは定盤SP上に矢印Aで
示す移動ステージSRの移動方向と平行に固定され、移
動ステージSRはモータMTにより回転駆動される送り
螺子SSの作用によりガイドRGに沿って矢印Aの方向
に移動する。
しての回折格子、MHは回折格子GSに対する移動ステ
ージSRの移動量を計測するための測長ヘッド、RGは
ガイド、SSは送り螺子、MTはモータである。ガイド
RG,RGおよび回折格子GSは定盤SP上に矢印Aで
示す移動ステージSRの移動方向と平行に固定され、移
動ステージSRはモータMTにより回転駆動される送り
螺子SSの作用によりガイドRGに沿って矢印Aの方向
に移動する。
第4図は測長ヘッドMHの構成説明図である。
同図において、SPは定盤で、この定盤SP上には移動
ステージSRが移動自在に搭載されるとともに回折格子
GSが移動ステージSRの移動方向Aと平行に固定され
ている。また、移動ステージSRには移動方向Aに垂直
なミラー面を有する平面ミラーPMが固定されるととも
に微動ステージ(AFステージ)AFSが搭載されてい
る。微動ステージAFSはピエゾ駆動機構等のような微
小駆動機構PDを介して移動ステージSRに接続されて
おり、この微小駆動機構PDにより移動ステージSRに
対して移動ステージSRの移動方向(矢印Aの方向)と
同方向である矢印Bの方向に微小量移動可能にしてあ
る。また、微動ステージAFS上には格子干渉測長系お
よびオートフォーカス(以下、AFという)測長系から
なる測長光学系が設置されている。
ステージSRが移動自在に搭載されるとともに回折格子
GSが移動ステージSRの移動方向Aと平行に固定され
ている。また、移動ステージSRには移動方向Aに垂直
なミラー面を有する平面ミラーPMが固定されるととも
に微動ステージ(AFステージ)AFSが搭載されてい
る。微動ステージAFSはピエゾ駆動機構等のような微
小駆動機構PDを介して移動ステージSRに接続されて
おり、この微小駆動機構PDにより移動ステージSRに
対して移動ステージSRの移動方向(矢印Aの方向)と
同方向である矢印Bの方向に微小量移動可能にしてあ
る。また、微動ステージAFS上には格子干渉測長系お
よびオートフォーカス(以下、AFという)測長系から
なる測長光学系が設置されている。
この測長光学系は、半導体レーザ等の光源LD、コリメ
ータレンズCL、ビームスプリッタHM1 ,HM2 、位
相差板FP1 ,FP2 、プリズムミラーまたはコーナー
キューブプリズムCC1 ,CC2 、偏光ビームスプリッ
タBS、光検出器PD1 ,PD2 、対物レンズLN、光
位置検出器(ポジションセンサ)PS等からなり、光源
LDおよびコリメータレンズCLを格子干渉測長系とA
F測長系とで共用する等光学部品の省略を図ってある。
ータレンズCL、ビームスプリッタHM1 ,HM2 、位
相差板FP1 ,FP2 、プリズムミラーまたはコーナー
キューブプリズムCC1 ,CC2 、偏光ビームスプリッ
タBS、光検出器PD1 ,PD2 、対物レンズLN、光
位置検出器(ポジションセンサ)PS等からなり、光源
LDおよびコリメータレンズCLを格子干渉測長系とA
F測長系とで共用する等光学部品の省略を図ってある。
第4図において、光源LDから出射されコリメータレン
ズCLにより平行化された光束は、ビームスプリッタH
M1 により2つの光束に分割され、一方は対物レンズL
Nに、他方はビームスプリッタHM2 を経て回折格子G
Sに入射する。
ズCLにより平行化された光束は、ビームスプリッタH
M1 により2つの光束に分割され、一方は対物レンズL
Nに、他方はビームスプリッタHM2 を経て回折格子G
Sに入射する。
回折格子GSに入射した光は、回折格子GSにより回折
され、回折格子GSの位相δが回折波面に加算され、入
射光の初期位相を0とすると回折波の位相光は exp{i
(ωt+mδ)}となる。ここでmは回折次数であり、
例えば+1次光と−1次光はそれぞれ exp{i(ωt+
δ)}と exp{i(ωt−δ)}となる。+1次光であ
る光線L11と−1次光である光線L12は、それぞれ位相
差板FP1 ,FP2 を経由してコーナーキューブプリズ
ムCC1 ,CC2 に入射し、ここで入射方向と平行方向
逆向きに反射される。反射された光線L11,L12は、位
相差板FP1 ,FP2 を往復2回経由することにより右
回りおよび左回りの円偏光にされ、回折格子GSの点P
1 に対し移動ステージSRの移動方向(矢印Aの方向)
に離れた点P2 において再び回折され、さらにビームス
プリッタHM2 を介して偏光ビームスプリッタBSに入
射する。この偏光ビームスプリッタBSに入射した右回
りおよび左回りの円偏光特性を有する光線L11,L12
は、偏光ビームスプリッタBSを透過および反射する。
透過光LR1とLR2および反射光LS1とLS2はそれぞれ直
線偏光になり、互いに干渉し合って光検出器PD1 ,P
D2 に入射する。
され、回折格子GSの位相δが回折波面に加算され、入
射光の初期位相を0とすると回折波の位相光は exp{i
(ωt+mδ)}となる。ここでmは回折次数であり、
例えば+1次光と−1次光はそれぞれ exp{i(ωt+
δ)}と exp{i(ωt−δ)}となる。+1次光であ
る光線L11と−1次光である光線L12は、それぞれ位相
差板FP1 ,FP2 を経由してコーナーキューブプリズ
ムCC1 ,CC2 に入射し、ここで入射方向と平行方向
逆向きに反射される。反射された光線L11,L12は、位
相差板FP1 ,FP2 を往復2回経由することにより右
回りおよび左回りの円偏光にされ、回折格子GSの点P
1 に対し移動ステージSRの移動方向(矢印Aの方向)
に離れた点P2 において再び回折され、さらにビームス
プリッタHM2 を介して偏光ビームスプリッタBSに入
射する。この偏光ビームスプリッタBSに入射した右回
りおよび左回りの円偏光特性を有する光線L11,L12
は、偏光ビームスプリッタBSを透過および反射する。
透過光LR1とLR2および反射光LS1とLS2はそれぞれ直
線偏光になり、互いに干渉し合って光検出器PD1 ,P
D2 に入射する。
光検出器PD1 およびPD2 は2つの円偏光の直交成分
を干渉光強度として検出するため、回折格子GSに対し
て測長ヘッドMH(AFステージAFS)が移動した場
合の光検出器PD1 ,PD2 の出力R,Sは、第5図
(a),(b)に示すように90゜の位相差を有する。こ
の2つの信号R,Sを一定レベルを基に(c),(d)
に示すように不図示の回路によってそれぞれ2値化し、
その立上りと立下りのタイミングで(e)に示すように
1周期当たり4個のパルスを発生させ、そのパルス数を
計数することによって測長ヘッドMHと回折格子GSの
相対移動量を計測することができる。この場合、回折格
子GSの1ピッチ分の移動に対する干渉光の強度変化の
周期は4周期となり、パルス数は16個となる。また、こ
のパルス計数時には上記相対移動の方向を検出し、その
検出結果に応じて計数値を加算するか減算するかを決定
する。移動方向は、第5図(e)の各パルスの発生タイ
ミングにおける信号(c),(d)のレベルにより判別
することができる。例えば信号(c)の立下りタイミン
グにおける信号(d)のレベルは、正方向移動時が
“H”であるとすれば、逆方向移動時には“L”とな
る。
を干渉光強度として検出するため、回折格子GSに対し
て測長ヘッドMH(AFステージAFS)が移動した場
合の光検出器PD1 ,PD2 の出力R,Sは、第5図
(a),(b)に示すように90゜の位相差を有する。こ
の2つの信号R,Sを一定レベルを基に(c),(d)
に示すように不図示の回路によってそれぞれ2値化し、
その立上りと立下りのタイミングで(e)に示すように
1周期当たり4個のパルスを発生させ、そのパルス数を
計数することによって測長ヘッドMHと回折格子GSの
相対移動量を計測することができる。この場合、回折格
子GSの1ピッチ分の移動に対する干渉光の強度変化の
周期は4周期となり、パルス数は16個となる。また、こ
のパルス計数時には上記相対移動の方向を検出し、その
検出結果に応じて計数値を加算するか減算するかを決定
する。移動方向は、第5図(e)の各パルスの発生タイ
ミングにおける信号(c),(d)のレベルにより判別
することができる。例えば信号(c)の立下りタイミン
グにおける信号(d)のレベルは、正方向移動時が
“H”であるとすれば、逆方向移動時には“L”とな
る。
さらに、第5図(a),(b)に示す信号R,Sを加算
および減算して信号R,Sに対して45゜ずつ位相の異な
った信号R+S,R−Sを作成し、これらについても上
記同様に2値化し、立上りおよび立下りのタイミングで
パルスを発生するようにすれば、回折格子GSの1ピッ
チ分の移動について32個のパルスを発生させることがで
きる。但し、この場合、これらの信号を確実に処理する
ためには、光量および回折効率の変動等を考慮する必要
がある。
および減算して信号R,Sに対して45゜ずつ位相の異な
った信号R+S,R−Sを作成し、これらについても上
記同様に2値化し、立上りおよび立下りのタイミングで
パルスを発生するようにすれば、回折格子GSの1ピッ
チ分の移動について32個のパルスを発生させることがで
きる。但し、この場合、これらの信号を確実に処理する
ためには、光量および回折効率の変動等を考慮する必要
がある。
第6図は、格子干渉測長器の原理説明図である。
同図において、回折格子GSに入射したコヒーレント光
は±1次光として回折する。この回折光の位相は格子G
Sが移動するとその移動する方向により変化する。図に
示すように回折格子GSがx方向に1ピッチ移動すると
+1次回折光L11は位相が1波長進み、−1次回折光L
12は1波長遅れる。これらの回折光L11,L12は、コー
ナキューブCP1 ,CP2 により戻され、格子GSによ
り再び回折されると先の+1次回折光L11はさらに1波
長進み、−1次回折光L12は1波長遅れる。そのため、
最終的にL11とL12を合波させた干渉光は、回折格子G
Sが1ピッチ移動すると明暗が4回変化する。従って回
折格子の1ピッチが1.6 μmとすると1.6 μmの1/4 、
つまり 0.4μmおきに明暗が変化する。この明暗の変化
を光電変換し、明暗をカウントすることにより 0.4μm
おきのパルスを得ることができる。上述した第4図の干
渉測長系においては、分解能をさらに高くするため、電
気的処理により、回折格子の1ピッチ当たり16または32
個、つまり 0.1μmまたは0.05μmおきにパルスを発生
している。
は±1次光として回折する。この回折光の位相は格子G
Sが移動するとその移動する方向により変化する。図に
示すように回折格子GSがx方向に1ピッチ移動すると
+1次回折光L11は位相が1波長進み、−1次回折光L
12は1波長遅れる。これらの回折光L11,L12は、コー
ナキューブCP1 ,CP2 により戻され、格子GSによ
り再び回折されると先の+1次回折光L11はさらに1波
長進み、−1次回折光L12は1波長遅れる。そのため、
最終的にL11とL12を合波させた干渉光は、回折格子G
Sが1ピッチ移動すると明暗が4回変化する。従って回
折格子の1ピッチが1.6 μmとすると1.6 μmの1/4 、
つまり 0.4μmおきに明暗が変化する。この明暗の変化
を光電変換し、明暗をカウントすることにより 0.4μm
おきのパルスを得ることができる。上述した第4図の干
渉測長系においては、分解能をさらに高くするため、電
気的処理により、回折格子の1ピッチ当たり16または32
個、つまり 0.1μmまたは0.05μmおきにパルスを発生
している。
次に、格子干渉測長器の方向を検知する方法について説
明する。
明する。
測長方向を検出するためには90゜位相を変えた2つの信
号を取り出す必要がある。
号を取り出す必要がある。
第6図に示すように、直線偏光のコヒーレント光をλ/4
板QW1 ,QW2 をそのファースト軸に対して45゜に入
射させて透過させることにより円偏光にすることができ
る。
板QW1 ,QW2 をそのファースト軸に対して45゜に入
射させて透過させることにより円偏光にすることができ
る。
+1次の回折光と−1次の回折光を例えばそれぞれ左回
り右回りの円偏光にして合波すると合波光は直線偏光に
なる。
り右回りの円偏光にして合波すると合波光は直線偏光に
なる。
その直線偏光の偏光方位は、±1次光の位相差φによっ
て決まる。
て決まる。
今、+1次光による左回り円偏光を y+=a exp{i(ωt−φ/2)} x+=a exp{i(ωt−π/2−φ/2)} −1次光による左回り円偏光を y−=a exp{i(ωt+φ/2)} x−=a exp{i(ωt−π/2−2+φ/2)} で表わすと、これらを合波したときの平面波は y=y++y− =a{ exp(iφ/2) + exp(−iφ/2)} x=x++x− =a{ exp(iφ/2) − exp(−iφ/2)} となり、これは第7図に示すように偏光方向θがφ/2
である直線偏光であることがわかる。
である直線偏光であることがわかる。
ここで、aは光波の振幅、ωは光波の角周波数を表わ
す。
す。
従って、第6図で格子GSをxだけ移動することにより
±1次光の位相差φは、格子GSのピッチをpとすれ
ば、 なる位相差を得る。そのため、±1次光の合波の偏光方
位θは となる。
±1次光の位相差φは、格子GSのピッチをpとすれ
ば、 なる位相差を得る。そのため、±1次光の合波の偏光方
位θは となる。
この直線偏光の合波は第6図に示すようにビームスプリ
ッタHM3 で分けられ、偏光板PP1 ,PP2 を通過後
ディテクタPD1 ,PD2 に入る。2つの偏光板PP1
,PP2 の透過軸に45゜の差をつけておくと、例えば
第1の偏光子PP1 を通過後のディテクタPD1 がθ=
0のときに光量のピークを検出する場合、第2の偏光子
PP2 を通過後のディテクタPD2 では つまり、 のときに光量がピークになる。これは第1の偏光子によ
るディテクタPD1 の信号に比べて90゜位相差のついた
信号となる。これにより測長方向の判別が可能となる。
ッタHM3 で分けられ、偏光板PP1 ,PP2 を通過後
ディテクタPD1 ,PD2 に入る。2つの偏光板PP1
,PP2 の透過軸に45゜の差をつけておくと、例えば
第1の偏光子PP1 を通過後のディテクタPD1 がθ=
0のときに光量のピークを検出する場合、第2の偏光子
PP2 を通過後のディテクタPD2 では つまり、 のときに光量がピークになる。これは第1の偏光子によ
るディテクタPD1 の信号に比べて90゜位相差のついた
信号となる。これにより測長方向の判別が可能となる。
次に、より繰返し精度の高いパルス信号を発生する方法
を説明する。
を説明する。
第3図の測長器における精度(分解能)は、後述するよ
うに、例えば0.01μm〜0.002μmである。このAF測
長系の高精度を最大限に生かすためには、干渉測長系に
おいて繰り返し精度の高いパルス信号を発生することが
必要である。この繰り返し精度はAFで分解される精度
0.002 μm以下の繰り返し精度が必要となる。
うに、例えば0.01μm〜0.002μmである。このAF測
長系の高精度を最大限に生かすためには、干渉測長系に
おいて繰り返し精度の高いパルス信号を発生することが
必要である。この繰り返し精度はAFで分解される精度
0.002 μm以下の繰り返し精度が必要となる。
上述のように電気的処理により格子1ピッチ当たりのパ
ルス数を増加する方式において、精度を悪くする要因
は、光量の変動や回折効率の変動などである。例えば、
第5図の(a),(b)に示されているような信号R,
SにDCレベルの変動や振幅の変動があるとスライスす
る位置VSR,VSSが変化して繰り返し精度を悪くする。
ルス数を増加する方式において、精度を悪くする要因
は、光量の変動や回折効率の変動などである。例えば、
第5図の(a),(b)に示されているような信号R,
SにDCレベルの変動や振幅の変動があるとスライスす
る位置VSR,VSSが変化して繰り返し精度を悪くする。
そこで、ここでは0゜, 180゜信号を使うことを提案す
る。
る。
0゜,180 ゜の信号の差を検出すればDCレベルの変動
や振幅の変動は、0゜,180 ゜の2つの信号に共通であ
るために除き取ってしまうことができる。第8図にこの
様子を示す。
や振幅の変動は、0゜,180 ゜の2つの信号に共通であ
るために除き取ってしまうことができる。第8図にこの
様子を示す。
0゜,180 ゜の信号を用いると、パルス信号は1/2 波長
ごとに出る。この場合は0.2 μmおきにパルス信号が出
ることになるがこのまま用いてもよい。
ごとに出る。この場合は0.2 μmおきにパルス信号が出
ることになるがこのまま用いてもよい。
第9図は、この方法を実現するための構成の一例を示
す。すなわち、方位角が0゜,45゜の偏光板PP1 ,P
P2 の他に90゜の偏光板PP3 を別光路中に設ければよ
い。同図において、HM3 ,HM4 はハーフミラー、P
D1 ,PD2 ,PD3 はディテクタ(光検出器)であ
る。
す。すなわち、方位角が0゜,45゜の偏光板PP1 ,P
P2 の他に90゜の偏光板PP3 を別光路中に設ければよ
い。同図において、HM3 ,HM4 はハーフミラー、P
D1 ,PD2 ,PD3 はディテクタ(光検出器)であ
る。
第4図に戻って、光源LDから出射されコリメータレン
ズCLにより平行化され、ビームスプリッタHM1 を透
過した光は、AF測長系の対物レンズLNに入力され
る。
ズCLにより平行化され、ビームスプリッタHM1 を透
過した光は、AF測長系の対物レンズLNに入力され
る。
第10図は、AF測長系の動作説明図である。
同図において、光源LDからの光は、対物レンズLNに
対して主光軸から偏心した位置に入射される。そして、
対物レンズLNのターゲット(第4図の移動ステージS
Rに固定された平面ミラーPMのミラー面)が合焦位置
(イ)にあるとき、光源LDからの光は第10図の実線の
光路を経て、対物レンズLNに対する合焦位置(イ)の
共役(結像)位置に配置されたセンサPS上の中心部
(イ)にミラー面に投影された光点の像を結像する。ま
た、ターゲットPMが対物レンズLNのデォーカス(非
合焦)位置(ロ)および(ハ)にあるときは、それぞれ
第10図の2点鎖線および破線の光路を経て、センサPS
上の中心部(イ)より離れた位置(ロ)および位置
(ハ)にデフォーカス像を結ぶ。
対して主光軸から偏心した位置に入射される。そして、
対物レンズLNのターゲット(第4図の移動ステージS
Rに固定された平面ミラーPMのミラー面)が合焦位置
(イ)にあるとき、光源LDからの光は第10図の実線の
光路を経て、対物レンズLNに対する合焦位置(イ)の
共役(結像)位置に配置されたセンサPS上の中心部
(イ)にミラー面に投影された光点の像を結像する。ま
た、ターゲットPMが対物レンズLNのデォーカス(非
合焦)位置(ロ)および(ハ)にあるときは、それぞれ
第10図の2点鎖線および破線の光路を経て、センサPS
上の中心部(イ)より離れた位置(ロ)および位置
(ハ)にデフォーカス像を結ぶ。
第11図は、上記各平面ミラーPM位置に対応したセンサ
PS面上のスポット状態および光量分布を示す。このセ
ンサPS面上のAゾーンのセンサ信号量とBゾーンのセ
ンサ信号量との差はいわゆるS字カーブ特性を有する。
第12図は、不図示の差動増幅器によって得られるセンサ
信号量IAとIBの差動信号ΔI(=IA−IB)のデ
フォーカス量(ターゲット位置)に対する関係を示す。
第4図のAF測長系においては、このS字特性曲線にお
けるデフォーカス量と差動信号ΔIとの関係がリニアな
領域を利用する。
PS面上のスポット状態および光量分布を示す。このセ
ンサPS面上のAゾーンのセンサ信号量とBゾーンのセ
ンサ信号量との差はいわゆるS字カーブ特性を有する。
第12図は、不図示の差動増幅器によって得られるセンサ
信号量IAとIBの差動信号ΔI(=IA−IB)のデ
フォーカス量(ターゲット位置)に対する関係を示す。
第4図のAF測長系においては、このS字特性曲線にお
けるデフォーカス量と差動信号ΔIとの関係がリニアな
領域を利用する。
次に、第13図のフローチャートおよび第14図と第15図の
出力波形図を参照しながら第3図および第4図の測長器
の動作を説明する。
出力波形図を参照しながら第3図および第4図の測長器
の動作を説明する。
第3図の測長器は、その全体動作を不図示の中央処理装
置により制御するように構成されている。
置により制御するように構成されている。
まず、電源投入時などの動作開始時は、移動ステージS
Rを原点へ移動し、移動ステージSRが原点に来たとき
カウンタをリセットすることにより初期設定を行ない、
その後、移動ステージ駆動指令の入力を待機する。
Rを原点へ移動し、移動ステージSRが原点に来たとき
カウンタをリセットすることにより初期設定を行ない、
その後、移動ステージ駆動指令の入力を待機する。
待機状態において、ステージ駆動指令が入力されると、
まずAF動作を行なう。つまり、AF測長系の出力に基
づいてピエゾ微小駆動機構(圧電アクチュエータ)FD
によりAFステージAFSを駆動し、対物レンズLNを
平面ミラーPMに合焦させる。合焦状態になると、AF
ステージAFSをその位置で移動ステージSRにロック
し、モータMTにより移動ステージSRを駆動する。
まずAF動作を行なう。つまり、AF測長系の出力に基
づいてピエゾ微小駆動機構(圧電アクチュエータ)FD
によりAFステージAFSを駆動し、対物レンズLNを
平面ミラーPMに合焦させる。合焦状態になると、AF
ステージAFSをその位置で移動ステージSRにロック
し、モータMTにより移動ステージSRを駆動する。
この測長器においては、移動ステージSRが動くと、前
述したように、格子干渉測長系の電気回路(図示せず)
から定盤SPに対して固定された回折格子GSの周期p
の1/16ごとにパルス信号が出てくるようになっている
(第5図、第14図参照)。カウンタはこのパルス数の積
算を行なう。
述したように、格子干渉測長系の電気回路(図示せず)
から定盤SPに対して固定された回折格子GSの周期p
の1/16ごとにパルス信号が出てくるようになっている
(第5図、第14図参照)。カウンタはこのパルス数の積
算を行なう。
中央処理装置は、移動ステージSRの移動時、停止指令
が入力されると、移動ステージSRを停止し、カウンタ
によるパルス積算数を算出する。この後、AFステージ
AFSのロックを解除し、圧電アクチュエータFDを駆
動してAF系と格子干渉光学系が載っているAFステー
ジAFSを動かし、上で得られた格子干渉測長系のパル
ス信号間のどの位置に移動ステージが来ているのかを検
出する。つまり、第14図に示すように、移動ステージS
Rが静止した位置をS点とし、その時のパルスカウント
数をNとすると、オートフォーカス手段によりS点の位
置がカウント数Nと次のN+1の間のどの位置にあるか
を高精度に決定する。
が入力されると、移動ステージSRを停止し、カウンタ
によるパルス積算数を算出する。この後、AFステージ
AFSのロックを解除し、圧電アクチュエータFDを駆
動してAF系と格子干渉光学系が載っているAFステー
ジAFSを動かし、上で得られた格子干渉測長系のパル
ス信号間のどの位置に移動ステージが来ているのかを検
出する。つまり、第14図に示すように、移動ステージS
Rが静止した位置をS点とし、その時のパルスカウント
数をNとすると、オートフォーカス手段によりS点の位
置がカウント数Nと次のN+1の間のどの位置にあるか
を高精度に決定する。
まず、移動ステージSRが止まった時のカウンタのパル
ス積算数Nを記憶し、圧電アクチュエータFDでAFス
テージAFSすなわち測長光学系MHを微小量(パルス
間隔分Δxより僅かに多い程度)動かす。すると、移動
ステージSRに対し固定して取付けられている平面ミラ
ーPMをターゲットとするAF測長系にデフォーカスが
加わり、第15図に示すように差動出力信号ΔI(AFセ
ンサPSの差信号IA−IB)が変わる。このとき、デ
フォーカス量と差信号との関係がリニアになる領域内に
ピエゾ駆動量の送り量を設定しておけば、予め差信号と
デフォーカス量の関係が分かっているため、差信号が与
えられればデフォーカス量が一意的に決められる。従っ
て、ピエゾ駆動によりN番目のパルスに対応する位置に
微少量移動すればN番目のパルスに対応する位置におけ
る差信号が得られ、これをデフォーカス量にしてδとす
るとN番目のパルス発生位置N・Δxにδを加えた量が
移動ステージSRが止まった点Sの測長位置となる。こ
こにΔxは格子干渉測長系のパルス列の周期である。な
お、移動ステージSRが静止するまでは光学系の載った
微動ステージAFSはAF信号が0となる位置(合焦位
置)で静止している。
ス積算数Nを記憶し、圧電アクチュエータFDでAFス
テージAFSすなわち測長光学系MHを微小量(パルス
間隔分Δxより僅かに多い程度)動かす。すると、移動
ステージSRに対し固定して取付けられている平面ミラ
ーPMをターゲットとするAF測長系にデフォーカスが
加わり、第15図に示すように差動出力信号ΔI(AFセ
ンサPSの差信号IA−IB)が変わる。このとき、デ
フォーカス量と差信号との関係がリニアになる領域内に
ピエゾ駆動量の送り量を設定しておけば、予め差信号と
デフォーカス量の関係が分かっているため、差信号が与
えられればデフォーカス量が一意的に決められる。従っ
て、ピエゾ駆動によりN番目のパルスに対応する位置に
微少量移動すればN番目のパルスに対応する位置におけ
る差信号が得られ、これをデフォーカス量にしてδとす
るとN番目のパルス発生位置N・Δxにδを加えた量が
移動ステージSRが止まった点Sの測長位置となる。こ
こにΔxは格子干渉測長系のパルス列の周期である。な
お、移動ステージSRが静止するまでは光学系の載った
微動ステージAFSはAF信号が0となる位置(合焦位
置)で静止している。
この測長器において、例えば回折格子GSの格子ピッチ
を1.6 μmとすれば、格子干渉測長系のパルス信号の周
期は0.1 μmとなる。従って、ピエゾ駆動量を〜0.2 μ
m程度振らせてやれば上記の方法が可能であり、格子干
渉測長装置の高ストロークを保持してAFの精度で測長
が達成でき、ステージ等の位置決めが高精度に実現す
る。
を1.6 μmとすれば、格子干渉測長系のパルス信号の周
期は0.1 μmとなる。従って、ピエゾ駆動量を〜0.2 μ
m程度振らせてやれば上記の方法が可能であり、格子干
渉測長装置の高ストロークを保持してAFの精度で測長
が達成でき、ステージ等の位置決めが高精度に実現す
る。
例えば、AF測長の精度は、AF用対物レンズとして×
100 (NA≒0.9 )を用い、AFセンサPSとしてCC
Dやポジションセンサ等を用いれば0.01μm〜0.002 μ
m程度の精度が実現される。この場合、AF信号のリニ
アな領域は1 μm程度である。
100 (NA≒0.9 )を用い、AFセンサPSとしてCC
Dやポジションセンサ等を用いれば0.01μm〜0.002 μ
m程度の精度が実現される。この場合、AF信号のリニ
アな領域は1 μm程度である。
なお、第3図の測長器において、AF光学系は必ずしも
平面ミラーPM位置とAFセンサPS位置が結像(共
役)関係になっていなくてもよく、微小ステージAFS
の移動量に対し、AFセンサの差動信号や光点位置信号
(移動方向に対するデフォーカス量)がリニアもしくは
リニアに近い特性で与えられる系であれば良い。リニア
でない場合は、移動(デフォーカス)量と信号との関係
をリードオンリメモリ(ROM)に入れておいて信号に
応じた移動量を読み出すことにより微小移動量を求める
とよい。
平面ミラーPM位置とAFセンサPS位置が結像(共
役)関係になっていなくてもよく、微小ステージAFS
の移動量に対し、AFセンサの差動信号や光点位置信号
(移動方向に対するデフォーカス量)がリニアもしくは
リニアに近い特性で与えられる系であれば良い。リニア
でない場合は、移動(デフォーカス)量と信号との関係
をリードオンリメモリ(ROM)に入れておいて信号に
応じた移動量を読み出すことにより微小移動量を求める
とよい。
このように第3図の測長器は、高ストロークな測長手段
と、移動量に対して信号出力がリニアに近い出力をもつ
光学系とを組合せて高ストロークな測長手段の信号(分
解能)間を埋めることにより、高ストロークな測長手段
の精度をさらに向上している。
と、移動量に対して信号出力がリニアに近い出力をもつ
光学系とを組合せて高ストロークな測長手段の信号(分
解能)間を埋めることにより、高ストロークな測長手段
の精度をさらに向上している。
これにより、従来の格子干渉計の場合の回折光の次数お
よび偏光状態といった光学配置で決まる信号をさらに電
気的に分割処理して分解能を上げる場合に生じる、光量
の変動や回折効率の変動などにより誤差が発生し易いと
いう問題が解決される。
よび偏光状態といった光学配置で決まる信号をさらに電
気的に分割処理して分解能を上げる場合に生じる、光量
の変動や回折効率の変動などにより誤差が発生し易いと
いう問題が解決される。
なお第3図の測長器に対して次の点を変形することも可
能である。
能である。
例えば、上述において、デフォーカス量δを検出する際
AFステージAFSをN番目のパルスとN+1番目のパ
ルスに対応する位置とに微小駆動し、双方の位置におけ
る差信号を検知して上記デフォーカス量δを算出するよ
うにすれば、パルス間隔やAFセンサ出力が変動した場
合にも正確なデフォーカス量δを求めることができる。
AFステージAFSをN番目のパルスとN+1番目のパ
ルスに対応する位置とに微小駆動し、双方の位置におけ
る差信号を検知して上記デフォーカス量δを算出するよ
うにすれば、パルス間隔やAFセンサ出力が変動した場
合にも正確なデフォーカス量δを求めることができる。
また、高ストロークな測長手段は格子干渉測長器に限ら
ず、レーザ干渉測長器等の他の方式であってもよい。
ず、レーザ干渉測長器等の他の方式であってもよい。
また、微動ステージ上に載った光学系は、AF系の対物
レンズのみと、格子干渉測長器の系であってもよく、A
F系の全てが微動ステージ上に載っている必要はない。
レンズのみと、格子干渉測長器の系であってもよく、A
F系の全てが微動ステージ上に載っている必要はない。
また、第3図は、1軸の移動について示したが、2軸以
上の測長についても同様に複合構造とすればよい。
上の測長についても同様に複合構造とすればよい。
また、第4図でAF系はTTL−AF方式を示したが、
DAD(デジタルオーデオデスク)やビデオデスクの光
ピックアップに用いられるAF系や、カメラのオートフ
ォーカスで用いられているAF系でもよい。
DAD(デジタルオーデオデスク)やビデオデスクの光
ピックアップに用いられるAF系や、カメラのオートフ
ォーカスで用いられているAF系でもよい。
また、上述のように、AF系はいわゆる結像関係にある
必要はなく、移動方向に対し、センサ信号がリニアに近
い出力が得られればよい。光点がセンサ面上でリニアに
移動する系であれば必ずしも第4図で示す平面ミラー面
上の点とセンサ面上が共役でなくてもよい。
必要はなく、移動方向に対し、センサ信号がリニアに近
い出力が得られればよい。光点がセンサ面上でリニアに
移動する系であれば必ずしも第4図で示す平面ミラー面
上の点とセンサ面上が共役でなくてもよい。
第16図は、本発明の実施例に係る測長装置を測長器ユニ
ットとしてまとめた例である。
ットとしてまとめた例である。
この測長ユニットは、ステージ可動部ST上に光源L
D、コリメータレンズCL、偏光ビームスプリッタHM
1 、λ/4板QW、集光レンズGL1,GL2 、CCD等の
光位置検知センサからなるAF手段PSを配置し、さら
にステージ可動部STの動きを、ステージ可動部STに
固定したリニア格子GSとステージ固定部SSに配置し
た読み取りヘッドHMでパルス列信号として検出する。
D、コリメータレンズCL、偏光ビームスプリッタHM
1 、λ/4板QW、集光レンズGL1,GL2 、CCD等の
光位置検知センサからなるAF手段PSを配置し、さら
にステージ可動部STの動きを、ステージ可動部STに
固定したリニア格子GSとステージ固定部SSに配置し
た読み取りヘッドHMでパルス列信号として検出する。
ステージ可動部STはアクチュエータATにより能動的
に可動する。被検物体MOの測長基準面OSは面精度の
高いミラー面にしてある。
に可動する。被検物体MOの測長基準面OSは面精度の
高いミラー面にしてある。
この方式の最大のポイントは、検知処理回路EDにおい
て合焦検知回路FFが、パルス列測長器電気系PCから
パルス信号を受け取るごとにその時点のAF出力値を更
新して記憶することである。
て合焦検知回路FFが、パルス列測長器電気系PCから
パルス信号を受け取るごとにその時点のAF出力値を更
新して記憶することである。
第17図はその動作フローである。また、第18図はパルス
間隔とAF電圧値の例を示している。
間隔とAF電圧値の例を示している。
被検物体MOが停止したことを確認すると、測長ユニッ
トのアクチュエータATが駆動し、被検基準面OSにオ
ートフォーカスを合焦させようとする。この動きはステ
ージ可動部STに取り付けてあるスケールGSと読み取
りヘッドMHで干渉光の光量変化を検出し、パルス列測
長器電気系PCでこの光量変化をパルス信号としてカウ
ントし測長する。この場合の分解能はパルス間隔Δx
(第18図)である。
トのアクチュエータATが駆動し、被検基準面OSにオ
ートフォーカスを合焦させようとする。この動きはステ
ージ可動部STに取り付けてあるスケールGSと読み取
りヘッドMHで干渉光の光量変化を検出し、パルス列測
長器電気系PCでこの光量変化をパルス信号としてカウ
ントし測長する。この場合の分解能はパルス間隔Δx
(第18図)である。
その間にパルス信号を中央演算系CPUが受け取るごと
にそのときの合焦電圧VAFを更新して記憶しておく。オ
ートフオーカス系が合焦信号つまりVAF=0Vを示すと
アクチュエータATは停止する。
にそのときの合焦電圧VAFを更新して記憶しておく。オ
ートフオーカス系が合焦信号つまりVAF=0Vを示すと
アクチュエータATは停止する。
そこで中央演算系CPUではそれまでカウントしていた
カウント数jと合焦検知系FFが最後に記憶した合焦電
圧Vjを用いて測長距離xを x=j・Δx+Vj・ξ と算出する。ここに、Δxはパルス間隔に対応する移動
距離で例えば0.4 μmピッチである。またξはAFの感
度で予め較正されているものとする。
カウント数jと合焦検知系FFが最後に記憶した合焦電
圧Vjを用いて測長距離xを x=j・Δx+Vj・ξ と算出する。ここに、Δxはパルス間隔に対応する移動
距離で例えば0.4 μmピッチである。またξはAFの感
度で予め較正されているものとする。
第19図は、この測長ユニットを2軸に用いた例であり、
半導体露光装置のAA(オートアライメント)用ヘッド
の高精度位置決めに用いたものである。
半導体露光装置のAA(オートアライメント)用ヘッド
の高精度位置決めに用いたものである。
第20図は、第3図の測長器の回折格子干渉測長系に代え
てレーザ干渉測長系を用いた例を示す。第20図において
第3図と共通または対応する部分については同一の符号
を付してある。第20図において、レーザヘッドLZ、干
渉ユニットIUおよびコーナキューブプリズムCPはレ
ーザ干渉測長系を構成している。干渉ユニットIUは定
盤SPに、コーナキューブプリズムCPは微動ステージ
AFSに固定してある。
てレーザ干渉測長系を用いた例を示す。第20図において
第3図と共通または対応する部分については同一の符号
を付してある。第20図において、レーザヘッドLZ、干
渉ユニットIUおよびコーナキューブプリズムCPはレ
ーザ干渉測長系を構成している。干渉ユニットIUは定
盤SPに、コーナキューブプリズムCPは微動ステージ
AFSに固定してある。
第21図は第20図の微動ステージAFS上の測長光学系を
示す。第4図で回折格子干渉測長光学系を構成するため
配置されていたビームスプリッタHM2 、位相差板FP
1 ,FP2 、コーナーキューブプリズムCC1 ,CC2
、偏光ビームスプリッタBSおよび光検出器PD1 ,
PD2 を除去し、代わりにレーザ光をレーザ干渉ユニッ
トに向けて反射するためのコーナーキューブプリズムC
Pを微動ステージAFS上に固定された台RT上にセッ
トしてある。AF測長光学系は第4図と同様に構成して
ある。
示す。第4図で回折格子干渉測長光学系を構成するため
配置されていたビームスプリッタHM2 、位相差板FP
1 ,FP2 、コーナーキューブプリズムCC1 ,CC2
、偏光ビームスプリッタBSおよび光検出器PD1 ,
PD2 を除去し、代わりにレーザ光をレーザ干渉ユニッ
トに向けて反射するためのコーナーキューブプリズムC
Pを微動ステージAFS上に固定された台RT上にセッ
トしてある。AF測長光学系は第4図と同様に構成して
ある。
この測長器においても第3図のものと同様の手順(第13
図参照)および作用で測長が行なわれる。すなわち、粗
動ステージSRおよび微動ステージAFSを移動して微
動ステージAFSまたはこれに固定された不図示の光プ
ローブ等の測定対象物が所定の単位長Δxを移動するご
とにレーザ干渉系からパルス信号が出力され、AF測長
系のアナログ測長出力によりこのパルス間を補間する。
これにより、大ストローク分の測長に対してはレーザ干
渉測長系の精度が保持したまま、このレーザ干渉測長系
のパルス間を補間したより高分解能(高精度)の測長を
実現することができる。
図参照)および作用で測長が行なわれる。すなわち、粗
動ステージSRおよび微動ステージAFSを移動して微
動ステージAFSまたはこれに固定された不図示の光プ
ローブ等の測定対象物が所定の単位長Δxを移動するご
とにレーザ干渉系からパルス信号が出力され、AF測長
系のアナログ測長出力によりこのパルス間を補間する。
これにより、大ストローク分の測長に対してはレーザ干
渉測長系の精度が保持したまま、このレーザ干渉測長系
のパルス間を補間したより高分解能(高精度)の測長を
実現することができる。
第22図は、本発明のさらに他の実施例を示す。
同図において、SMは第4図の回折格子GSに相当する
回折格子を設けた基準部材で、相対移動する2物体の一
方に固定してある。同図に図示した基準部材SM以外の
光学部品は測長ヘッド光学系MHを構成しており、上記
2物体の他方に一体として固定され配置されている。基
準部材SMには、第23図に示すように、格子干渉測長用
の回折格子GSを設けてあり、さらにこの格子GSと平
行にAF測長用のブレーズド格子BG1 ,BG2 および
AF測長基準面としての反射面となる平面FTが設けら
れている。2つのブレーズド格子BG1 ,BG2 は互い
に格子ピッチPBの半分だけ基準部材SMと測長ヘッド
光学系MHとの相対移動方向(矢印Aの方向)にずらし
て配置してある。
回折格子を設けた基準部材で、相対移動する2物体の一
方に固定してある。同図に図示した基準部材SM以外の
光学部品は測長ヘッド光学系MHを構成しており、上記
2物体の他方に一体として固定され配置されている。基
準部材SMには、第23図に示すように、格子干渉測長用
の回折格子GSを設けてあり、さらにこの格子GSと平
行にAF測長用のブレーズド格子BG1 ,BG2 および
AF測長基準面としての反射面となる平面FTが設けら
れている。2つのブレーズド格子BG1 ,BG2 は互い
に格子ピッチPBの半分だけ基準部材SMと測長ヘッド
光学系MHとの相対移動方向(矢印Aの方向)にずらし
て配置してある。
第22図において、光源LD1 、ハーフミラーHM2 、位
相差板FP1 とFP2 、ミラーCP1 とCP2 、偏光ビ
ームスプリッタBSおよび光検出器PD1 とPD2 は干
渉測長光学系を構成している。この干渉測長光学系およ
び基準部材SM上の格子干渉測長用格子GSは、第4図
等において説明したパルス列を発生する光学系およびセ
ンサに対応している。
相差板FP1 とFP2 、ミラーCP1 とCP2 、偏光ビ
ームスプリッタBSおよび光検出器PD1 とPD2 は干
渉測長光学系を構成している。この干渉測長光学系およ
び基準部材SM上の格子干渉測長用格子GSは、第4図
等において説明したパルス列を発生する光学系およびセ
ンサに対応している。
光源LD2 、コリメータレンズCL、ハーフミラーHM
11,HM12、対物レンズLN1 ,LN2 および光位置検
出器PS1 ,PS2 は2組のAF測長光学系を構成して
いる。各AF測長光学系は第4図等において説明したも
のと光学的に等価に構成されている。また、これらのA
F測長光学系は、第24図に示すように、それぞれ基準部
材SM上のブレーズド格子BG1 ,BG2 の表面近傍に
合焦するように配置してある。
11,HM12、対物レンズLN1 ,LN2 および光位置検
出器PS1 ,PS2 は2組のAF測長光学系を構成して
いる。各AF測長光学系は第4図等において説明したも
のと光学的に等価に構成されている。また、これらのA
F測長光学系は、第24図に示すように、それぞれ基準部
材SM上のブレーズド格子BG1 ,BG2 の表面近傍に
合焦するように配置してある。
さらに、半導体レーザ等の光源LD3 および光点位置検
出用センサPS3 は、測長ヘッド光学系MHの検出面と
基準部材SMとの相対傾きを検出するためのもので、光
源LD3 から基準部材SM上の反射面領域FTに光を投
射し、光点位置検出用センサPS3 において領域FSか
らの反射光を受光して基準部材SMと測長ヘッド光学系
MHとの平行性検出信号を得るようになっている。
出用センサPS3 は、測長ヘッド光学系MHの検出面と
基準部材SMとの相対傾きを検出するためのもので、光
源LD3 から基準部材SM上の反射面領域FTに光を投
射し、光点位置検出用センサPS3 において領域FSか
らの反射光を受光して基準部材SMと測長ヘッド光学系
MHとの平行性検出信号を得るようになっている。
第25図は、第22図の格子干渉測長系から出力されるパル
ス列信号と基準部材SM上のブレーズド格子BG1 ,B
G2 の断面形状(したがってAF測長系の出力)との関
係を示す。ブレーズド格子BG1 ,BG2 のピッチをp
B、高低差をHとする。ピッチをpBは格子干渉測長系
のパルス列の周期Δxの偶数倍、例えば10倍にしてあ
る。
ス列信号と基準部材SM上のブレーズド格子BG1 ,B
G2 の断面形状(したがってAF測長系の出力)との関
係を示す。ブレーズド格子BG1 ,BG2 のピッチをp
B、高低差をHとする。ピッチをpBは格子干渉測長系
のパルス列の周期Δxの偶数倍、例えば10倍にしてあ
る。
この装置における測長時は、格子干渉測長系のパルス列
は図示のように累積数……N−1,N,N+1,……を
カウントしていく。ブレーズド格子BG1 ,BG2 表面
位置を計測する各AF測長系は、例えば格子BG1 の段
差の直前で格子BG2 側のAF測長系に切り換え、さら
に格子BG2 の段差の直前で格子BG1 側のAF測長系
に切り換える。つまり測長ヘッドMHに対する基準部材
の相対移動が、第25図において基準部材SMがx軸の負
の方向に移動するものであるときは、同図に示すよう
に、N−1番目のパルスのタイミングでBG2 側からB
G1 側への切換を行ない、N+4番目のパルスのタイミ
ングでBG1 側からBG2 側への切換を行なう。基準部
材SMの相対移動方向がx軸の正の方向であるときは、
逆方向の切換を行なう。基準部材SMが測長ヘッド光学
系MHに対して相対的にどちらに移動しているかは、格
子BG1 およびBG2 それぞれに対応するAF測長信号
により判別することができる。従って、切換の方向はこ
の判別情報に基づいて行なえばよい。
は図示のように累積数……N−1,N,N+1,……を
カウントしていく。ブレーズド格子BG1 ,BG2 表面
位置を計測する各AF測長系は、例えば格子BG1 の段
差の直前で格子BG2 側のAF測長系に切り換え、さら
に格子BG2 の段差の直前で格子BG1 側のAF測長系
に切り換える。つまり測長ヘッドMHに対する基準部材
の相対移動が、第25図において基準部材SMがx軸の負
の方向に移動するものであるときは、同図に示すよう
に、N−1番目のパルスのタイミングでBG2 側からB
G1 側への切換を行ない、N+4番目のパルスのタイミ
ングでBG1 側からBG2 側への切換を行なう。基準部
材SMの相対移動方向がx軸の正の方向であるときは、
逆方向の切換を行なう。基準部材SMが測長ヘッド光学
系MHに対して相対的にどちらに移動しているかは、格
子BG1 およびBG2 それぞれに対応するAF測長信号
により判別することができる。従って、切換の方向はこ
の判別情報に基づいて行なえばよい。
ブテーズド格子表面近傍に合焦しているAF測長系の出
力信号(AF信号)は、基準部材SMが相対移動するに
伴いAF測長光学系のデフォーカス量が変化することに
より変化する。従って、基準部材SMのx軸方向の移動
をブレーズド格子表面の高低方向の情報として取り出す
ことができる。この場合、AF測長信号のデフォーカス
量に対する特性がリニアな領域(第12図参照)を利用す
るためには、ブレーズド格子の高さHをAF信号のリニ
アリテイが保証される高さより小さくする必要がある。
例えば、ブレーズド格子の長辺の中心においてAF系の
センサ面上の差動出力信号ΔI(第11および第12図参
照)が0となるように、すなわち合焦するようにしてお
けば第25図のK点の位置のときに高低量δの信号が得ら
れ、C点からK点までのx軸方向の長さはδ・H/pB
として求まる。よってC点に対応するパルス列がN番目
であればK点の位置はN・Δx+δ・H/pBとして求
まる。
力信号(AF信号)は、基準部材SMが相対移動するに
伴いAF測長光学系のデフォーカス量が変化することに
より変化する。従って、基準部材SMのx軸方向の移動
をブレーズド格子表面の高低方向の情報として取り出す
ことができる。この場合、AF測長信号のデフォーカス
量に対する特性がリニアな領域(第12図参照)を利用す
るためには、ブレーズド格子の高さHをAF信号のリニ
アリテイが保証される高さより小さくする必要がある。
例えば、ブレーズド格子の長辺の中心においてAF系の
センサ面上の差動出力信号ΔI(第11および第12図参
照)が0となるように、すなわち合焦するようにしてお
けば第25図のK点の位置のときに高低量δの信号が得ら
れ、C点からK点までのx軸方向の長さはδ・H/pB
として求まる。よってC点に対応するパルス列がN番目
であればK点の位置はN・Δx+δ・H/pBとして求
まる。
また、第26図に示すように、干渉測長系からパルス信号
が発生する度にその時点のAF検知電圧VAFを記憶し、
次のパルス信号が発生するまではこの電圧VAFからの差
電圧に基づいて補間するようにしてもよい。
が発生する度にその時点のAF検知電圧VAFを記憶し、
次のパルス信号が発生するまではこの電圧VAFからの差
電圧に基づいて補間するようにしてもよい。
なお、AF測長用の光をブレーズド格子に入射する場
合、入射光と反射光との張る面が基準部材SMとの相対
移動方向と直角に近くなるように設定するのが好まし
い。
合、入射光と反射光との張る面が基準部材SMとの相対
移動方向と直角に近くなるように設定するのが好まし
い。
ブレーズド格子は、Siウエハの結晶方向とエッチング
スピードとの関係を利用したウェットエッチングによる
製作方法やいわゆるルーリングエンジンによる機械的加
工法やリソグライフィとドライエッチングによる製造方
法等公知の方法により製作することができる。
スピードとの関係を利用したウェットエッチングによる
製作方法やいわゆるルーリングエンジンによる機械的加
工法やリソグライフィとドライエッチングによる製造方
法等公知の方法により製作することができる。
格子干渉測長用格子のピッチpを1.6 μm、格子干渉測
長系のパルス列周期を0.4 μmとし、AF測長系に×10
0 (NA≒0.9 )の対物レンズLN1 ,LN2 を用い、
ブレーズド格子としてピッチpB≒ 3μm、高低差H≒
1 μm、平面FSに対する傾き角θ=18゜のものを用い
たところ、AF信号のリニアな範囲は1 μm弱であり、
差動出力最大値(IA−IB)max は約2volt、ノイズ
(N)は5mVであった。S/N=1としたときの差動
出力値ΔI(S)として求められるAF精度は0.0025μ
mであった。また、基準格子SMと測長ヘッド光学系M
Hとの相対移動量の測長精度は0.007 μmであった。
長系のパルス列周期を0.4 μmとし、AF測長系に×10
0 (NA≒0.9 )の対物レンズLN1 ,LN2 を用い、
ブレーズド格子としてピッチpB≒ 3μm、高低差H≒
1 μm、平面FSに対する傾き角θ=18゜のものを用い
たところ、AF信号のリニアな範囲は1 μm弱であり、
差動出力最大値(IA−IB)max は約2volt、ノイズ
(N)は5mVであった。S/N=1としたときの差動
出力値ΔI(S)として求められるAF精度は0.0025μ
mであった。また、基準格子SMと測長ヘッド光学系M
Hとの相対移動量の測長精度は0.007 μmであった。
なお、この実施例において、大ストローク測長器は格子
干渉測長器に限らず、レーザ干渉測長器のように測長の
パルス信号が得られる他の方式の測長器であってもよ
い。
干渉測長器に限らず、レーザ干渉測長器のように測長の
パルス信号が得られる他の方式の測長器であってもよ
い。
また、第22図で各AF測長系は実施例のTTL−AF方
式に限らず、DAD(デジタルオーデオデスク)やビデ
オデスクに用いられる光ピックアップ用の方式や、カメ
ラのオートフォーカスに用いられている方式のものを用
いることも可能である。
式に限らず、DAD(デジタルオーデオデスク)やビデ
オデスクに用いられる光ピックアップ用の方式や、カメ
ラのオートフォーカスに用いられている方式のものを用
いることも可能である。
また、基準部材SMと測長ヘッド光学系MHとはどちら
が移動しても良いし、双方が移動してもよい。
が移動しても良いし、双方が移動してもよい。
さらに、上記実施例においては、2列のブレーズド格子
を用いているが、第27図に示すように、1列のブレーズ
ド格子に2つのオートフォーカスプローブ系PR1 ,P
R2 をつけてもよい。この場合には、2つのプローブ間
はブレーズド格子の実質的に半ピッチずれた点を狙うよ
うにするのが好ましい。
を用いているが、第27図に示すように、1列のブレーズ
ド格子に2つのオートフォーカスプローブ系PR1 ,P
R2 をつけてもよい。この場合には、2つのプローブ間
はブレーズド格子の実質的に半ピッチずれた点を狙うよ
うにするのが好ましい。
第22図の測長器においては、格子干渉測長器やレーザ干
渉測長器等のように一定の長さに対応した間隔でパルス
信号を出力する測長器のパルス間を、ブレーズド格子状
部材の表面形状にピントを合せた高精度(高分解能)小
ストロークなAF測長手段の測長値により補間している
ため、パルスを発生する測長器のパルス発生位置の高精
度を保持したまま、パルス間をさらに分解して高精度、
高分解能の測長を実現することができる。
渉測長器等のように一定の長さに対応した間隔でパルス
信号を出力する測長器のパルス間を、ブレーズド格子状
部材の表面形状にピントを合せた高精度(高分解能)小
ストロークなAF測長手段の測長値により補間している
ため、パルスを発生する測長器のパルス発生位置の高精
度を保持したまま、パルス間をさらに分解して高精度、
高分解能の測長を実現することができる。
また、AF測長手段は、ストロークが例えば1 μm程度
と極めて小ストロークなため、第3図の実施例において
は、測長ヘッド搭載ステージを移動ステージSRと駆動
ステージAFSとの2段構造としているが、ここでは微
小高低差を有する斜面を繰返し配列してなるブレーズド
格子状部材を用いて被測定物体の移動方向の小ストロー
ク分の変位をこの移動方向に対する交差方向の変位に交
換した後、計測するようにしたため、ブレーズド格子状
部材の高低差をAF測長手段のストローク内となるよう
に設定すれば、AF手段を移動させることなく、大スト
ロークの移動のうちの小ストローク変位分を測長するこ
とができる。
と極めて小ストロークなため、第3図の実施例において
は、測長ヘッド搭載ステージを移動ステージSRと駆動
ステージAFSとの2段構造としているが、ここでは微
小高低差を有する斜面を繰返し配列してなるブレーズド
格子状部材を用いて被測定物体の移動方向の小ストロー
ク分の変位をこの移動方向に対する交差方向の変位に交
換した後、計測するようにしたため、ブレーズド格子状
部材の高低差をAF測長手段のストローク内となるよう
に設定すれば、AF手段を移動させることなく、大スト
ロークの移動のうちの小ストローク変位分を測長するこ
とができる。
さらに、2例のブレーズド格子状部材をその段差位置を
移動方向にずらして配列したり、1列のブレーズド格子
状部材のおよそ半ピッチずれた点をAF測長のターゲッ
トとしてブレーズド格子状部材の段差の前後でAF測長
の対象部材または位置を切り換え、ブレーズド格子状部
材表面形状不確定な部分でのAF測長信号を使わないよ
うにすることにより、より高精度化を図ることができ
る。
移動方向にずらして配列したり、1列のブレーズド格子
状部材のおよそ半ピッチずれた点をAF測長のターゲッ
トとしてブレーズド格子状部材の段差の前後でAF測長
の対象部材または位置を切り換え、ブレーズド格子状部
材表面形状不確定な部分でのAF測長信号を使わないよ
うにすることにより、より高精度化を図ることができ
る。
第28図は、コーナーキューブを用いることなく構成した
回折格子干渉測長器を示す。同図において、相対移動回
折格子GSは、相対移動する2物体の一方に固定してあ
り、測長ヘッド部MHは上記2物体の他方に固定してあ
る。
回折格子干渉測長器を示す。同図において、相対移動回
折格子GSは、相対移動する2物体の一方に固定してあ
り、測長ヘッド部MHは上記2物体の他方に固定してあ
る。
測長ヘッド部MHの光源LD例えば半導体レーザから出
射されたレーザ光は、コリメータレンズCLで平面波と
なり、ハーフミラーHM20で2光束に分けられる。2つ
の光束L01,L02はそれぞれλ/4 板QW1 ,QW2 に
入射した後固定格子GF1 ,GF2 で回折を受け、その
±N次の回折光LN1,LN2が相対移動格子GSに入り、
ここで再び反射回折を受け同じ方向に戻って合流する。
この光をハーフミラーHM21〜HM23で分け偏光板PP
1 〜PP4 とセンサ(光検出器)PD1 〜PD4 の組合
せで電気信号に変換して取り出す。
射されたレーザ光は、コリメータレンズCLで平面波と
なり、ハーフミラーHM20で2光束に分けられる。2つ
の光束L01,L02はそれぞれλ/4 板QW1 ,QW2 に
入射した後固定格子GF1 ,GF2 で回折を受け、その
±N次の回折光LN1,LN2が相対移動格子GSに入り、
ここで再び反射回折を受け同じ方向に戻って合流する。
この光をハーフミラーHM21〜HM23で分け偏光板PP
1 〜PP4 とセンサ(光検出器)PD1 〜PD4 の組合
せで電気信号に変換して取り出す。
ここで、光束L01,L02中に置かれているλ/4板QW1
,QW2 は、それぞれファースト軸がレーザ光の直線
偏光に対して+45゜,−45゜になるようにセットしてお
く。また、偏光板PP1 〜PP4 は偏光方位がそれぞれ
0゜,45゜,90゜, 135゜になるように角度を設定して
おく。
,QW2 は、それぞれファースト軸がレーザ光の直線
偏光に対して+45゜,−45゜になるようにセットしてお
く。また、偏光板PP1 〜PP4 は偏光方位がそれぞれ
0゜,45゜,90゜, 135゜になるように角度を設定して
おく。
すると、センサPD1 〜PD4 へ入射する光量は相対移
動格子GSの移動に伴い、第29図に示すように変化し、
これが光量検出出力として得られる。つまり、各センサ
PD1 〜PD4 からは90゜ずつ位相がずれた出力が得ら
れる。
動格子GSの移動に伴い、第29図に示すように変化し、
これが光量検出出力として得られる。つまり、各センサ
PD1 〜PD4 からは90゜ずつ位相がずれた出力が得ら
れる。
第30図は、第28図の測長器において光源LDの出力波長
が変動した場合の回折光束の状態を示す。第30図におい
て、最良調整状態の光束の光路を実線で、波長が変動し
たときの光路を点線と一点鎖線で示す。波長変動がある
ときのセンサPD1 〜PD4 の出力は第31図のようにな
り、この出力には相対移動格子GSの移動量に無関係な
いわゆるバイアス量が乗ってくる。この理由は第30図に
示すように斜線で示した干渉エリア以外の干渉縞が立た
ない光束エリアが増えるためであり、波長の変動量によ
り干渉縞が立たないエリアの広さが変わるためである。
従って第31図の光検出器PD1 〜PD4 の出力信号波形
に示すような変動が起こる。しかしながら、90゜おきに
位相の変った4つの検出信号をもとに処理をする場合に
は、波長変化が起こったとしても信号の周期に対しての
分割は精度よく行なうことができる。もし、センサを2
個しか使わず、位相が0゜,90゜の2種の信号のみを電
気的に処理することによりセンサを4個使った場合と同
じピッチのパルスを得ようとすれば、波長変動があると
きは得られた信号の電気的な分割精度は悪くなる。これ
は第5〜8図を用いて前述したのと同じである。
が変動した場合の回折光束の状態を示す。第30図におい
て、最良調整状態の光束の光路を実線で、波長が変動し
たときの光路を点線と一点鎖線で示す。波長変動がある
ときのセンサPD1 〜PD4 の出力は第31図のようにな
り、この出力には相対移動格子GSの移動量に無関係な
いわゆるバイアス量が乗ってくる。この理由は第30図に
示すように斜線で示した干渉エリア以外の干渉縞が立た
ない光束エリアが増えるためであり、波長の変動量によ
り干渉縞が立たないエリアの広さが変わるためである。
従って第31図の光検出器PD1 〜PD4 の出力信号波形
に示すような変動が起こる。しかしながら、90゜おきに
位相の変った4つの検出信号をもとに処理をする場合に
は、波長変化が起こったとしても信号の周期に対しての
分割は精度よく行なうことができる。もし、センサを2
個しか使わず、位相が0゜,90゜の2種の信号のみを電
気的に処理することによりセンサを4個使った場合と同
じピッチのパルスを得ようとすれば、波長変動があると
きは得られた信号の電気的な分割精度は悪くなる。これ
は第5〜8図を用いて前述したのと同じである。
また、第6図に示すような構成でP1 点で格子GSに入
った光は光源LDの波長が変動すると回折方向(角度)
が変わる。この特性に対応して、コーナーキューブ(プ
リズム)CC1 とCC2 を配置している。コーナーキュ
ーブとは入射光の方向と同じ方向に反射して光が戻るよ
うに多面間の角度を90゜に加工してなるプリズムであ
る。ところが、このコーナーキューブは加工に高精度が
求められ、そのためにコスト高となる。
った光は光源LDの波長が変動すると回折方向(角度)
が変わる。この特性に対応して、コーナーキューブ(プ
リズム)CC1 とCC2 を配置している。コーナーキュ
ーブとは入射光の方向と同じ方向に反射して光が戻るよ
うに多面間の角度を90゜に加工してなるプリズムであ
る。ところが、このコーナーキューブは加工に高精度が
求められ、そのためにコスト高となる。
第28図の装置においては、移動格子GSの他に測長ヘッ
ド部MH側にも回折格子(固定格子GF1 ,GF2 )を
設け、固定格子の±N次光が移動格子により再回折さ
れ、その回折光が光路を同じくしてセンサに至る構成と
している。このため、上述したようにコーナーキューブ
なしでも波長変動時、移動格子の移動に応じて明暗の変
化する干渉光を得ることができる。すなわち、この格子
干渉測長器はコーナーキューブなしで波長の変動に対し
安定性が良いため、装置のコストダウンを図ることがで
きる。また、以下に示すようにIC化が容易になる。
ド部MH側にも回折格子(固定格子GF1 ,GF2 )を
設け、固定格子の±N次光が移動格子により再回折さ
れ、その回折光が光路を同じくしてセンサに至る構成と
している。このため、上述したようにコーナーキューブ
なしでも波長変動時、移動格子の移動に応じて明暗の変
化する干渉光を得ることができる。すなわち、この格子
干渉測長器はコーナーキューブなしで波長の変動に対し
安定性が良いため、装置のコストダウンを図ることがで
きる。また、以下に示すようにIC化が容易になる。
例えば第6図のような構成の格子干渉測長器は光源L
D、偏光ミラーBS、コーナーキューブCC1 ,CC2
、偏光板PP1 ,PP2 、検出器PD1 ,PD2 等が
別々に組み合さって立体的に構成されていた。そのた
め、光学部材間の機械的変動、温度変化や空気のゆらぎ
により干渉信号に誤差が混入し、測長精度を劣化させる
という不都合があった。また、光源や検出系を別々に取
り付けていたため空間的に占める体積が大きく、小型に
することができなかった。さらに検出系から処理回路に
至るまでの空間的距離のためノイズが入りやすく、測定
精度を悪くする等の問題点があった。
D、偏光ミラーBS、コーナーキューブCC1 ,CC2
、偏光板PP1 ,PP2 、検出器PD1 ,PD2 等が
別々に組み合さって立体的に構成されていた。そのた
め、光学部材間の機械的変動、温度変化や空気のゆらぎ
により干渉信号に誤差が混入し、測長精度を劣化させる
という不都合があった。また、光源や検出系を別々に取
り付けていたため空間的に占める体積が大きく、小型に
することができなかった。さらに検出系から処理回路に
至るまでの空間的距離のためノイズが入りやすく、測定
精度を悪くする等の問題点があった。
第32図は、格子回折測長器の主要部分をIC化すること
により上記欠点の解消を図ったものである。ここでは、
Ga As 基板上に第28図の測長器の測長ヘッド部MHの
光学系に対応する部分と、干渉光の明暗に応じてパルス
を発生する信号処理電気系とを形成した例を示す。
により上記欠点の解消を図ったものである。ここでは、
Ga As 基板上に第28図の測長器の測長ヘッド部MHの
光学系に対応する部分と、干渉光の明暗に応じてパルス
を発生する信号処理電気系とを形成した例を示す。
Ga As 基板SB上には誘電体導波路WG層が形成され
ており予め設定した光路を光波が伝搬する。
ており予め設定した光路を光波が伝搬する。
光源LDはGa As 基板SB上に例えばMBE(分子線
ビームエピタキシー)等で形成することができる。導波
路WG中に形成したレンズおよびヒームスプリッタ部L
Sは光源LDからの発散光を平行光にしてから2方向に
分ける。グレーティングカプラGC1 ,GC2 は薄膜導
波路WG中を伝搬した光波を空間へある角度で出射す
る。
ビームエピタキシー)等で形成することができる。導波
路WG中に形成したレンズおよびヒームスプリッタ部L
Sは光源LDからの発散光を平行光にしてから2方向に
分ける。グレーティングカプラGC1 ,GC2 は薄膜導
波路WG中を伝搬した光波を空間へある角度で出射す
る。
基準回折格子GSは、第28図の測長器の移動格子GSに
相当するものであり、グレーティングカプラGC1 ,G
C2 からの光波を同一方向へ向けて回折する。光検出器
PDは、基準回折格子GSからの回折光の干渉光強度を
検出する。
相当するものであり、グレーティングカプラGC1 ,G
C2 からの光波を同一方向へ向けて回折する。光検出器
PDは、基準回折格子GSからの回折光の干渉光強度を
検出する。
次に動作を説明する。
光源LDからの光波は導波路WG中を伝搬し、レンズお
よびビームスプリッタ部LSにより2つの方向の違う平
行光L01,L02として導波路WG中を伝搬する。それぞ
れの光L01,L02は基準格子GSの長手方向と平行にな
るようにミラーMR1 ,MR2 により導波路WG中で反
射され、グレーティングカプラGC1 ,GC2 に入る。
グレーティングカプラGC1 ,GC2 は、それまで導波
路WG中を伝搬した光波を基板面から、ある設定された
角度で導波面を介して外に出射する。この角度は基準格
子GSのピッチと光の波長とに関係し、ピッチp=1.6
μmの基準格子を使った場合、波長をλ=0.83μmとす
れば出射角は58.8゜となる。
よびビームスプリッタ部LSにより2つの方向の違う平
行光L01,L02として導波路WG中を伝搬する。それぞ
れの光L01,L02は基準格子GSの長手方向と平行にな
るようにミラーMR1 ,MR2 により導波路WG中で反
射され、グレーティングカプラGC1 ,GC2 に入る。
グレーティングカプラGC1 ,GC2 は、それまで導波
路WG中を伝搬した光波を基板面から、ある設定された
角度で導波面を介して外に出射する。この角度は基準格
子GSのピッチと光の波長とに関係し、ピッチp=1.6
μmの基準格子を使った場合、波長をλ=0.83μmとす
れば出射角は58.8゜となる。
グレーティングカプラGC1 ,GC2 からの2つの光波
は基準回折格子GSにより垂直回折されて光検出器PD
に入る。光検出器PDでは2つの回折光の干渉強度を光
電変換する。
は基準回折格子GSにより垂直回折されて光検出器PD
に入る。光検出器PDでは2つの回折光の干渉強度を光
電変換する。
次に測長器としての動作原理を説明する。グレーティン
グカプラGC1 ,GC2 により空間へ出射した光波は基
準格子GS上で回折するが、そのときの回折光の強度分
布は以下の式で示される。
グカプラGC1 ,GC2 により空間へ出射した光波は基
準格子GS上で回折するが、そのときの回折光の強度分
布は以下の式で示される。
ここに、xは基板と基準格子の相対変化量 pは基準回折格子のピッチ mはグレーティングカプラGC1 からの光が基準回折格子で回折される回折次数 nはグレーティングカプラGC2 からの光が基準回折格子で回折されいる回折次数 である。
今、m=+1、n=−1、p=1.6 μmとすると、Iは となり、基準格子GSが0.1 μmピッチ動くごとに1周
期の正弦波信号となることがわかる。検出器PDは、こ
の正弦波信号の周期をカウントすることにより基準格子
GSの移動量を測定することができる。
期の正弦波信号となることがわかる。検出器PDは、こ
の正弦波信号の周期をカウントすることにより基準格子
GSの移動量を測定することができる。
この格子干渉式測長器は、光源、光学部材および検出系
処理回路を同一基板上で一体化しているため、小型化、
低ノイズ化および高精度化が可能である。
処理回路を同一基板上で一体化しているため、小型化、
低ノイズ化および高精度化が可能である。
次に、基準格子GSの移動方向を検出する手段について
述べる。
述べる。
移動方向を検出するには1/4 周期位相のずれた2つの信
号を得る必要がある。
号を得る必要がある。
具体的方法としては、例えば第33図のように基準格子G
Sにその移動方向に (例えばm=1,n=−1とすれば 1/8ピッチ)位相を
ずらして2列の格子線列GL1 ,GL2 を形成してお
く。さらに、基板SB上に各格子線列に対応して2つの
光電検出器PD1 ,PD2 を形成しておく。
Sにその移動方向に (例えばm=1,n=−1とすれば 1/8ピッチ)位相を
ずらして2列の格子線列GL1 ,GL2 を形成してお
く。さらに、基板SB上に各格子線列に対応して2つの
光電検出器PD1 ,PD2 を形成しておく。
各格子線列GL1 ,GL2 それぞれからの回折光は空間
的に分離された別々のセンサPD1 ,PD2 で受ける。
これによって得られた信号は第34図に示すように1/4 周
期位相のずれた信号として得ることができる。
的に分離された別々のセンサPD1 ,PD2 で受ける。
これによって得られた信号は第34図に示すように1/4 周
期位相のずれた信号として得ることができる。
第35図は、格子干渉測長器を光ヘテロダイン化した例で
ある。
ある。
この場合は、途中に周波数シフタFS例えばSAW(S
urface Acoustic Wave )デバイスを入れることに
より光源LDからの出力光の周波数f0に対し、周波数
を発振器OSCの発振周波数であるΔfだけシフトした
光波を得ることができる。これらの周波数f0およびf
0+Δfの光波をそれぞれグレーティングカプラGC1
およびGC2 を介して格子線列が1列の基準格子GSに
入射し、基準格子GSによる回折光を光検出器PDで受
光する。
urface Acoustic Wave )デバイスを入れることに
より光源LDからの出力光の周波数f0に対し、周波数
を発振器OSCの発振周波数であるΔfだけシフトした
光波を得ることができる。これらの周波数f0およびf
0+Δfの光波をそれぞれグレーティングカプラGC1
およびGC2 を介して格子線列が1列の基準格子GSに
入射し、基準格子GSによる回折光を光検出器PDで受
光する。
光検出器PDで直接得られる信号は、 となり、位相検知回路PSDで発振器OSCの出力信号
との位相差を検知することにより前記実施例と同様に基
準格子GSの移動量と移動方向を検出することができ
る。
との位相差を検知することにより前記実施例と同様に基
準格子GSの移動量と移動方向を検出することができ
る。
この装置の特徴は方向判別するための特別な格子(例え
ば第33図参照)が用いる必要がなく、さらに短時間で時
間平均ができるため、高精度に移動量を検知することが
できることである。
ば第33図参照)が用いる必要がなく、さらに短時間で時
間平均ができるため、高精度に移動量を検知することが
できることである。
なお、第32図および第35図の測長器用ICにおいては、
基板SBとしてGa As 基板を用いているが、これはS
i基板上でもよい。その場合には光源LDを外付けする
ことになる。
基板SBとしてGa As 基板を用いているが、これはS
i基板上でもよい。その場合には光源LDを外付けする
ことになる。
このように、格子干渉式測長器において基準格子以外の
光学系と、信号処理電気系を1枚の基板上に集積化する
ことにより、組立調整が不要で外乱に強く、小型軽量で
高精度な測長が可能となる。
光学系と、信号処理電気系を1枚の基板上に集積化する
ことにより、組立調整が不要で外乱に強く、小型軽量で
高精度な測長が可能となる。
一般的な格子干渉測長装置では、ミラーやコーナーキュ
ーブ等を配置して系を構成している。特に格子に入射す
る光学系にミラー等が用いられており、組立て調整の難
しさやコンパクト化に難がある。
ーブ等を配置して系を構成している。特に格子に入射す
る光学系にミラー等が用いられており、組立て調整の難
しさやコンパクト化に難がある。
第36図は、ウォーラストンプリズムのような複屈折プリ
ズム用いて相対的に移動する格子に対して光を入射する
ことにより、格子へ入射するまでの光学系を簡略化した
例を示す。
ズム用いて相対的に移動する格子に対して光を入射する
ことにより、格子へ入射するまでの光学系を簡略化した
例を示す。
同図において、半導体レーザ等の光線LDから出た光を
コリメータレンズCLにより平面波にし、ウォーラスト
ンプリズムWPに垂直入射する。ウォーラストンプリズ
ムは2つの複屈折材料例えば方解石をプリズム状にして
貼り合せてなり、2つの互いに直角な偏光成分に分けら
れて、両方の成分の光とも取り出せるようになってい
る。第37図にこの様子を示す。ウォーラストンプリズム
WPに入る光は例えばP,S両偏光LOP,LOSに対し例
えば45゜の偏光方向をもつ直線偏光であってもよいし、
あるいはコリメータレンズCLとウォーラストンプリズ
ムWPの間にλ/4板を入れ円偏光にしてもよい。
コリメータレンズCLにより平面波にし、ウォーラスト
ンプリズムWPに垂直入射する。ウォーラストンプリズ
ムは2つの複屈折材料例えば方解石をプリズム状にして
貼り合せてなり、2つの互いに直角な偏光成分に分けら
れて、両方の成分の光とも取り出せるようになってい
る。第37図にこの様子を示す。ウォーラストンプリズム
WPに入る光は例えばP,S両偏光LOP,LOSに対し例
えば45゜の偏光方向をもつ直線偏光であってもよいし、
あるいはコリメータレンズCLとウォーラストンプリズ
ムWPの間にλ/4板を入れ円偏光にしてもよい。
第37図において、ウォーラストンプリズムWPを出た光
はP偏光とS偏光がそれぞれ格子GSに対し同じ入射角
であり、かつ格子GSの相対移動方向(矢印Aの方向)
の成分が逆方向になっている状態となる。この光をλ/4
板QWに通すと、P偏光、S偏光は違いに回転方向が逆
の円偏光となる。これらの円偏光は空間的に干渉し合
う。この干渉した光を、ビームスプリッタBSによって
分け、前に偏光板PP1 ,PP2 を配した2つの光検出
器PD1 ,PD2 に導けば第5図に示すような信号出力
が得られ、第3図の装置について上述したような電気的
処理を行なうことにより格子干渉測長器の信号が求めら
れる。偏光板PP1 とPP2 は互いに45゜偏光軸をずら
してある。
はP偏光とS偏光がそれぞれ格子GSに対し同じ入射角
であり、かつ格子GSの相対移動方向(矢印Aの方向)
の成分が逆方向になっている状態となる。この光をλ/4
板QWに通すと、P偏光、S偏光は違いに回転方向が逆
の円偏光となる。これらの円偏光は空間的に干渉し合
う。この干渉した光を、ビームスプリッタBSによって
分け、前に偏光板PP1 ,PP2 を配した2つの光検出
器PD1 ,PD2 に導けば第5図に示すような信号出力
が得られ、第3図の装置について上述したような電気的
処理を行なうことにより格子干渉測長器の信号が求めら
れる。偏光板PP1 とPP2 は互いに45゜偏光軸をずら
してある。
なお、第36図の装置において、複屈折プリズムとしては
ロッションプリズムやグラントンプソンプリズムなど他
のものを使用することも可能である。ただし、これらの
プリズムの時は入射光とプリズムのアライメントの関係
がウォーラストンプリズムのように端面垂直入射ではな
くなる。
ロッションプリズムやグラントンプソンプリズムなど他
のものを使用することも可能である。ただし、これらの
プリズムの時は入射光とプリズムのアライメントの関係
がウォーラストンプリズムのように端面垂直入射ではな
くなる。
第38図は、コーナーキューブを用いて光路を折り返し、
回折光を2往復させることによって測長基準格子GSに
よる光分割数を8に増やして系の分解能をあげた格子干
渉測長器の例を示す。
回折光を2往復させることによって測長基準格子GSに
よる光分割数を8に増やして系の分解能をあげた格子干
渉測長器の例を示す。
例えば、第4図に示す構成の測長器ではセンサPD1 ,
PD2 における光量が、第5図(a),(b)の信号
R、Sで示すように、基準格子GSのピッチの 1/4の周
期で変化する。上記格子干渉測長器においては、このセ
ンサPD1,PD2 の光量検出信号R、Sの周期をさらに
電気的に分割して格子GSの1ピッチ当たりのパルス信
号をより多くすることにより分解能の向上を図ってい
る。しかし、電気的処理により分割する場合、信号の振
幅や直流レベルの変動によりパルス間隔が変動し、精度
が劣化する場合がある。
PD2 における光量が、第5図(a),(b)の信号
R、Sで示すように、基準格子GSのピッチの 1/4の周
期で変化する。上記格子干渉測長器においては、このセ
ンサPD1,PD2 の光量検出信号R、Sの周期をさらに
電気的に分割して格子GSの1ピッチ当たりのパルス信
号をより多くすることにより分解能の向上を図ってい
る。しかし、電気的処理により分割する場合、信号の振
幅や直流レベルの変動によりパルス間隔が変動し、精度
が劣化する場合がある。
これに対し、ここでは、測長基準格子GSでの回折回数
を増やし基準格子GSが1ピッチ移動する間にセンサの
光量変化の回数が8回といったようなより多数回になる
ように光学系を構成することにより、基準格子のピッチ
の 1/8というような細かい周期でセンサにおける光量を
変化せしめ、光学的配置でもって格子に対する分割数を
上げている。
を増やし基準格子GSが1ピッチ移動する間にセンサの
光量変化の回数が8回といったようなより多数回になる
ように光学系を構成することにより、基準格子のピッチ
の 1/8というような細かい周期でセンサにおける光量を
変化せしめ、光学的配置でもって格子に対する分割数を
上げている。
第38図において、格子干渉測長光学系の半導体レーザ等
の光源LDから出射された光は、コリメータレンズCL
で平面波光束L0 とされ、該光学系と相対的に移動可能
な関係にある測長基準格子GS上の点P1 に入射され
る。この入射光は、基準格子GSで回折を受ける。それ
ぞれ±N次の回折光L11,L12はコーナーキューブCC
1 ,CC2 に入射され、ここでもとの光路と平行逆向き
に反射されて、再び測長基準格子GS上の点P2 ,P3
点に至り、格子GSで再度回折される。再度回折された
光L21,L22は位相差板FP1 ,FP2 を通ることによ
り偏光状態が変わり、その後コーナーキューブCC3 ,
CC4 で反射されて格子GS上の点P4 ,P5 に戻る。
格子GSで再再度回折された光L31,L32はコーナーキ
ューブCC1 ,CC2 でもう一度反射されてさらに格子
GS上の同一点P6 に戻り、ここで4度目の回折を受け
る。4度の回折を受けた光L41とL42とは互いに干渉し
合う。この干渉光は、ミラーMRを経てビームスプリッ
タHMで2つの光束に分けられ、偏光板PP1 ,PP2
を通ってセンサPD1 ,PD2 に至る。
の光源LDから出射された光は、コリメータレンズCL
で平面波光束L0 とされ、該光学系と相対的に移動可能
な関係にある測長基準格子GS上の点P1 に入射され
る。この入射光は、基準格子GSで回折を受ける。それ
ぞれ±N次の回折光L11,L12はコーナーキューブCC
1 ,CC2 に入射され、ここでもとの光路と平行逆向き
に反射されて、再び測長基準格子GS上の点P2 ,P3
点に至り、格子GSで再度回折される。再度回折された
光L21,L22は位相差板FP1 ,FP2 を通ることによ
り偏光状態が変わり、その後コーナーキューブCC3 ,
CC4 で反射されて格子GS上の点P4 ,P5 に戻る。
格子GSで再再度回折された光L31,L32はコーナーキ
ューブCC1 ,CC2 でもう一度反射されてさらに格子
GS上の同一点P6 に戻り、ここで4度目の回折を受け
る。4度の回折を受けた光L41とL42とは互いに干渉し
合う。この干渉光は、ミラーMRを経てビームスプリッ
タHMで2つの光束に分けられ、偏光板PP1 ,PP2
を通ってセンサPD1 ,PD2 に至る。
位相差板FP1 ,FP2 は、例えばλ/4板を用い、それ
ぞれレーザ光L21,L22の直線偏光に対してファースト
軸が+45゜,−45゜になるようにセットしてある。また
偏光板PP1 ,PP2 はそれぞれ0゜,45゜になるよう
に偏光板の角度を設定しておけば良い。すると、2つの
センサPD1 ,PD2 では位相の90゜ずれて強度変動す
る信号が得られる。また、例えば測長基準格子のピッチ
が2.4 μm、回折次数がすべて±1であれば、センサP
D1 ,PD2 では格子のピッチの1/8 である0.3 μm周
期の信号が得られる。これをさらに例えば第4および6
図の測長器について上述した電気的分割法で分割すれ
ば、上述の倍の1ピッチ当たり32個、周期0.075 μmの
パルスを得ることができる。
ぞれレーザ光L21,L22の直線偏光に対してファースト
軸が+45゜,−45゜になるようにセットしてある。また
偏光板PP1 ,PP2 はそれぞれ0゜,45゜になるよう
に偏光板の角度を設定しておけば良い。すると、2つの
センサPD1 ,PD2 では位相の90゜ずれて強度変動す
る信号が得られる。また、例えば測長基準格子のピッチ
が2.4 μm、回折次数がすべて±1であれば、センサP
D1 ,PD2 では格子のピッチの1/8 である0.3 μm周
期の信号が得られる。これをさらに例えば第4および6
図の測長器について上述した電気的分割法で分割すれ
ば、上述の倍の1ピッチ当たり32個、周期0.075 μmの
パルスを得ることができる。
第4および6図の構成の測長器では2.4 μmの格子ピッ
チに対しセンサでの信号強度は 0.6μmの周期である。
従って第4および6図の測長器に比べて本実施例では光
学配置でもって2倍の分解能が得られることになる。
チに対しセンサでの信号強度は 0.6μmの周期である。
従って第4および6図の測長器に比べて本実施例では光
学配置でもって2倍の分解能が得られることになる。
第1図は、本発明の一実施例に係る測長装置の概観図、 第2図は、第1図における光プローブ等配置空間の部分
拡大図、 第3図は、1軸ステージにセットした本発明の実施例に
係る測長器の概略構成図、 第4図は、第3図における測長ヘッドの構成説明図、 第5図は、第4図における光検出器の出力波形図、 第6図は、第4図における格子干渉式測長系の作用説明
図、 第7図は、第6図の構成における検出光の偏光方位回転
説明図、 第8図は、第6図の構成における位相0゜および180 ゜
の信号波形図、 第9図は、第6図の構成において位相0゜と180 ゜の信
号を取り出すための構成例を示す図、 第10図は、第4図におけるAF測長系の作用説明図、 第11図は、第10図における平面ミラー位置に対するポジ
ションセンサ面上のスポット状態および光量分布を示す
図、 第12図は、上記ポジションセンサの出力から作成される
差動信号ΔI(=IA−IB)と上記平面ミラーの位置
(デフォーカス量)との関係を示す特性図、 第13図は、第3図の測長器の動作を示すフローチャー
ト、 第14図は、第3図の測長器における格子干渉測長系の出
力信号特性図、 第15図は、第3図の測長器におけるAF測長系の出力信
号特性図、 第16図は、測長器ユニットとしてまとめた実施例を示す
構成図、 第17図は、第16図の測長器ユニットの動作を示すフロー
チャート、 第18図は、第16図の測長器ユニットにおける格子干渉測
長パルス信号とAF測長出力電圧との関連を示す特性
図、 第19図は、第16図の測長ユニットを2軸に用いる場合の
概略構成図、 第20図は、干渉測長系としてレーザ干渉測長系を用いた
実施例を示す概略構成図、 第21図は、第20図における微動ステージ上の測長光学系
の詳細を示す図、 第22図は、ブレーズド格子を用いてAF測長する実施例
の構成図、 第23図は、上記ブレーズド格子が形成された基準部材の
斜視図、 第24図は、第22図におけるブレーズド格子とAF測長系
との位置関係を示す説明図、 第25図は、第22図における格子干渉測長系の出力パルス
列信号とAF測長系の出力との関係を示す特性図、 第26図は、第20図の実施例の変形例における基準部材位
置とAF測長信号切換状態の関係を示す説明図、 第27図は、第20図の実施例の別の変形例におけるブレー
ズド格子とAF測長系との位置関係を示す説明図、 第28図は、コーナーキューブを用いることなく構成した
本発明の実施例に係る回折格子干渉測長器の構成図、 第29図は、第28図における各光検出器の出力波形図、 第30図は、第28図の測長器において光源の出力波長が変
動した場合の回折光束の状態を示す説明図、 第31図は、第28図における光源波長変動時の各光検出器
の出力波形図、 第32図は、主要部分をIC化した本発明の実施例に係る
格子回折測長器の構成図、 第33図は、第32図の測長器の変形例を示す要部拡大図、 第34図は、第33図の測長器における各光検出器の出力波
形図、 第35図は、第32図の測長器のさらに他の変形例を示す要
部拡大図、 第36図は、ウォーラストンプリズムを用いた本発明の実
施例に係る格子干渉測長器の構成図、 第37図は、第36図におけるウォーラストンプリズムの作
用説明図、そして 第38図は、回折光を測長基準格子に2往復させることに
よって系の分解能を上げた本発明の実施例に係る格子干
渉測長器の構成図である。 DS:ステージ基台 XS:Xステージ YS:Yステージ LI:レーザ干渉測長器 CP:コーナーキューブプリズム DV:光プローブ等の配置空間 DFS:小ストロークステージ用基台 XFS:小ストロークXステージ YFS小ストロークYステージ LP:光プローブ SX:x方向基準尺 HX:x方向測長ヘッド MX:x座標検出用測長器 SY:y方向基準尺 HY:y方向測長ヘッド MY:y座標検出用測長器 SR:移動ステージ GS:回折格子(基準尺、移動格子) MH:測長ヘッド SP:定盤 PM:平面ミラー AFS:微動ステージ(AFステージ) FD:微小駆動機構 LD:光源 CL:コリメータレンズ HM:ビームスプリッタ (またはハーフミラー) CC:コーナーキューブプリズム (またはプリズムミラー) BS:偏光ビームスプリッタ PD:光検出器(ディテクタ、光センサ) LN:対物レンズ PS:光位置検出器(センサ) ST:ステージ可動部 QW:λ/4板 GL:集光レンズ SS:ステージ固定部 AT:アクチュエータ MO:被検物体 OS:測長基準面 ED:信号処理電気系 PC:パルス列測長器電気系 FF:合焦検知系 CPU:中央制御演算系 LZ:レーザヘッド IU:干渉ユニット SM:基準部材 BG:ブレーズド格子 FT:反射面となる平面 FP:位相差板 GF:固定格子 PP:偏光板 SB:Ga As 基板 WG:誘電体導波路層 LS:レンズおよびヒームスプリッタ部 GC:グレーティングカプラ FS:周波数シフタ OSC:発振器 PSD:位相検知回路 MR:ミラー WP:ウォーラストンプリズム AP:アパーチャ
拡大図、 第3図は、1軸ステージにセットした本発明の実施例に
係る測長器の概略構成図、 第4図は、第3図における測長ヘッドの構成説明図、 第5図は、第4図における光検出器の出力波形図、 第6図は、第4図における格子干渉式測長系の作用説明
図、 第7図は、第6図の構成における検出光の偏光方位回転
説明図、 第8図は、第6図の構成における位相0゜および180 ゜
の信号波形図、 第9図は、第6図の構成において位相0゜と180 ゜の信
号を取り出すための構成例を示す図、 第10図は、第4図におけるAF測長系の作用説明図、 第11図は、第10図における平面ミラー位置に対するポジ
ションセンサ面上のスポット状態および光量分布を示す
図、 第12図は、上記ポジションセンサの出力から作成される
差動信号ΔI(=IA−IB)と上記平面ミラーの位置
(デフォーカス量)との関係を示す特性図、 第13図は、第3図の測長器の動作を示すフローチャー
ト、 第14図は、第3図の測長器における格子干渉測長系の出
力信号特性図、 第15図は、第3図の測長器におけるAF測長系の出力信
号特性図、 第16図は、測長器ユニットとしてまとめた実施例を示す
構成図、 第17図は、第16図の測長器ユニットの動作を示すフロー
チャート、 第18図は、第16図の測長器ユニットにおける格子干渉測
長パルス信号とAF測長出力電圧との関連を示す特性
図、 第19図は、第16図の測長ユニットを2軸に用いる場合の
概略構成図、 第20図は、干渉測長系としてレーザ干渉測長系を用いた
実施例を示す概略構成図、 第21図は、第20図における微動ステージ上の測長光学系
の詳細を示す図、 第22図は、ブレーズド格子を用いてAF測長する実施例
の構成図、 第23図は、上記ブレーズド格子が形成された基準部材の
斜視図、 第24図は、第22図におけるブレーズド格子とAF測長系
との位置関係を示す説明図、 第25図は、第22図における格子干渉測長系の出力パルス
列信号とAF測長系の出力との関係を示す特性図、 第26図は、第20図の実施例の変形例における基準部材位
置とAF測長信号切換状態の関係を示す説明図、 第27図は、第20図の実施例の別の変形例におけるブレー
ズド格子とAF測長系との位置関係を示す説明図、 第28図は、コーナーキューブを用いることなく構成した
本発明の実施例に係る回折格子干渉測長器の構成図、 第29図は、第28図における各光検出器の出力波形図、 第30図は、第28図の測長器において光源の出力波長が変
動した場合の回折光束の状態を示す説明図、 第31図は、第28図における光源波長変動時の各光検出器
の出力波形図、 第32図は、主要部分をIC化した本発明の実施例に係る
格子回折測長器の構成図、 第33図は、第32図の測長器の変形例を示す要部拡大図、 第34図は、第33図の測長器における各光検出器の出力波
形図、 第35図は、第32図の測長器のさらに他の変形例を示す要
部拡大図、 第36図は、ウォーラストンプリズムを用いた本発明の実
施例に係る格子干渉測長器の構成図、 第37図は、第36図におけるウォーラストンプリズムの作
用説明図、そして 第38図は、回折光を測長基準格子に2往復させることに
よって系の分解能を上げた本発明の実施例に係る格子干
渉測長器の構成図である。 DS:ステージ基台 XS:Xステージ YS:Yステージ LI:レーザ干渉測長器 CP:コーナーキューブプリズム DV:光プローブ等の配置空間 DFS:小ストロークステージ用基台 XFS:小ストロークXステージ YFS小ストロークYステージ LP:光プローブ SX:x方向基準尺 HX:x方向測長ヘッド MX:x座標検出用測長器 SY:y方向基準尺 HY:y方向測長ヘッド MY:y座標検出用測長器 SR:移動ステージ GS:回折格子(基準尺、移動格子) MH:測長ヘッド SP:定盤 PM:平面ミラー AFS:微動ステージ(AFステージ) FD:微小駆動機構 LD:光源 CL:コリメータレンズ HM:ビームスプリッタ (またはハーフミラー) CC:コーナーキューブプリズム (またはプリズムミラー) BS:偏光ビームスプリッタ PD:光検出器(ディテクタ、光センサ) LN:対物レンズ PS:光位置検出器(センサ) ST:ステージ可動部 QW:λ/4板 GL:集光レンズ SS:ステージ固定部 AT:アクチュエータ MO:被検物体 OS:測長基準面 ED:信号処理電気系 PC:パルス列測長器電気系 FF:合焦検知系 CPU:中央制御演算系 LZ:レーザヘッド IU:干渉ユニット SM:基準部材 BG:ブレーズド格子 FT:反射面となる平面 FP:位相差板 GF:固定格子 PP:偏光板 SB:Ga As 基板 WG:誘電体導波路層 LS:レンズおよびヒームスプリッタ部 GC:グレーティングカプラ FS:周波数シフタ OSC:発振器 PSD:位相検知回路 MR:ミラー WP:ウォーラストンプリズム AP:アパーチャ
Claims (7)
- 【請求項1】第1、第2物体間の相対位置の変化量を測
定する為の測長装置であって、所定ピッチの相対変位毎
にパルス信号を出力する第1測長手段と、光源と光位置
検出器とを有し該光源からの光束の入射位置を該光位置
検出器で検出することによって少なくとも上記所定ピッ
チの1ピッチ分の範囲で光反射位置との相対変位量に応
じた電気レベル信号を発生する第2測長手段と、上記第
1物体に設けられ且つ該第1物体に対して相対移動可能
な移動部と、上記パルス信号及び上記電気レベル信号に
基づいて上記相対位置の変化量を上記所定ピッチの1ピ
ッチ分より小さな分解能で測定する演算手段とを具備
し、前記第1、第2測長手段の一方が前記移動部と第1
物体との相対変位を検出し且つ他方が前記移動部と第2
物体との相対変位を検出するように配置され、前記演算
手段は前記移動部の移動に基づく前記パルス信号及び電
気レベル信号の変化に基づいて上記相対位置の変化量の
測定を実行することを特徴とする測長装置。 - 【請求項2】前記第1測長手段が、前記第2物体の一方
に光源及び光検知器を備えた干渉測長ヘッドを、他方に
回折格子を配設してなり、該回折格子を基準尺とし該回
折格子により形成される異なる次数の回折光を干渉させ
て得られる光の強度変化に応じてパルス信号を出力する
格子干渉測長器である特許請求の範囲第1項記載の測長
装置。 - 【請求項3】前記第1測長手段が、レーザ干渉測長器で
ある特許請求の範囲第1項記載の測長装置。 - 【請求項4】前記第2測長手段が前記第1物体及び前記
移動部の一方から投射した光の他方での反射光を前記一
方に設けた光位置検出器により検出して該第1物体に対
する移動部の相対変位量に応じた電気レベル信号を出力
する構成を有し、前記演算手段が前記第1物体と第2物
体との相対移動時に前記第1測長手段から出力されるパ
ルス信号を累算して前記所定ピッチ単位の相対変位量を
算出し、被計測位置近傍で少なくとも該第1測長手段か
ら1つのパルス信号が出力される距離だけ該移動部を駆
動して該パルス信号発生位置と被計測位置の間の測長結
果に相当する該第2測長手段の出力を検知し、該第2測
長手段の出力に基づいて該パルス信号発生位置と被計測
位置との間の距離を算出するものである特許請求の範囲
第2または3項記載の測長装置。 - 【請求項5】前記第2測長手段が前記第2物体と前記移
動部との一方から投射した光の他方での反射光を前記一
方に設けた光位置検出器により検出して該第2物体に対
する該移動部の相対変位量に応じた電気レベル信号を出
力する構成を有し、前記演算手段が前記第1、第2物体
間で相対移動があってから前記移動部を前記第1物体に
対して変位させて前記第1測長手段から出力されるパル
ス信号を累算して前記所定ピッチ単位の相対変位量を算
出し、少なくとも前記第1測長手段からパルス信号が出
力された際に前記第2測長手段が測長可能になる距離だ
け該移動部を駆動して該パルス信号発生位置における前
記移動部と第2物体との間の測長結果に相当する該第2
測長手段の出力を検知し、これら第1測長手段と第2測
長手段の出力に基づいて最終的に前記2物体の間の相対
変位を算出するものである特許請求の範囲第2または3
項記載の測長装置。 - 【請求項6】前記第2測長手段が、前記移動部に固定さ
れて前記第1物体または前記第2物体の前記相対移動方
向に交差する面に合焦可能な対物レンズを備え、該対物
レンズより前記第1物体または前記第2物体へ光を投射
すると共に反射光を前記対物レンズを介して受光して入
射位置に応じた電気信号を出力する光学的検知手段であ
る特許請求の範囲第4または5項記載の測長装置。 - 【請求項7】前記第2測長手段が、前記第2物体の一方
に前記相対移動方向に沿って配列された該相対移動方向
に対して傾斜する面と、他方の物体に固定されて該相対
移動方向の側面から該傾斜面までの距離を該傾斜面に光
束を投射して得られる反射光の入射位置より計測する手
段を備える特許請求の範囲第2または3項記載の測長装
置。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62112261A JPH0648169B2 (ja) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | 測長装置 |
FR8806316A FR2615280B1 (fr) | 1987-05-11 | 1988-05-10 | Dispositif de mesure de la distance en mouvement relatif de deux objets mobiles l'un par rapport a l'autre |
GB8811132A GB2205942B (en) | 1987-05-11 | 1988-05-11 | A distance measuring system |
DE3816248A DE3816248C2 (de) | 1987-05-11 | 1988-05-11 | System zur Entfernungsmessung |
US07/671,657 US5122660A (en) | 1987-05-11 | 1991-03-19 | Distance measuring system utilizing an object with at least one inclined surface |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62112261A JPH0648169B2 (ja) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | 測長装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63277922A JPS63277922A (ja) | 1988-11-15 |
JPH0648169B2 true JPH0648169B2 (ja) | 1994-06-22 |
Family
ID=14582279
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62112261A Expired - Fee Related JPH0648169B2 (ja) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | 測長装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0648169B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5858673B2 (ja) * | 2011-07-28 | 2016-02-10 | キヤノン株式会社 | 位置計測装置、光学部品の製造方法、及び型の製造方法 |
CN110398203B (zh) * | 2019-08-14 | 2021-06-04 | 东风设备制造有限公司 | 长距离激光测长方法及装置 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5174659A (ja) * | 1974-12-24 | 1976-06-28 | Nippon Electric Co | |
JPS5724817A (en) * | 1980-07-23 | 1982-02-09 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | Reading device for optical type scale |
JPS57207805A (en) * | 1981-06-17 | 1982-12-20 | Hitachi Ltd | Displacement measuring device |
JPS58151511A (ja) * | 1982-03-05 | 1983-09-08 | Ricoh Co Ltd | 距離検出装置 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5954811U (ja) * | 1982-10-04 | 1984-04-10 | オリンパス光学工業株式会社 | カメラの測距装置 |
-
1987
- 1987-05-11 JP JP62112261A patent/JPH0648169B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS5174659A (ja) * | 1974-12-24 | 1976-06-28 | Nippon Electric Co | |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS63277922A (ja) | 1988-11-15 |
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